CN1787350B - 具有省电模式的脉宽调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用输出电压反馈延迟电路控制省电模式的脉冲宽度调制装置，使用于电源供应器中，用以跟随负载变化，进而控制输出一驱动信号，包括有：一延迟比较电路，提取一反馈电压、一高临界电压及一低临界电压，该些电压经比较运算及延迟运算后，输出一消隐信号；一脉冲宽度调制控制单元，提取一电流反馈信号与该反馈电压，经内部比较运算后输出一调制信号；一或门电路，连接到该延迟比较电路与该脉冲宽度调制控制单元，接收该消隐信号与该调制信号用以输出一复位信号；及一同步信号输出单元，连接于该或门电路，接收该复位信号与一振荡信号，用以输出该驱动信号。

Description

具有省电模式的脉宽调制装置

技术领域

本发明涉及一种具有省电模式的脉冲宽度调制装置，特别是涉及一种使用于电源供应器中，用以跟随负载变化，进而控制输出驱动信号的脉冲宽度调制装置。

背景技术

在许多低功率输出的应用场合，如手机、无线电话、数字相机、PDA的充电器，以及打印机、电视游乐器与掌上型随身听的交流电压调整器等，对于待机时的省电要求都相当的高。

按目前已知的直流电源供应装置，如交换式电源供应器(AC To DCSwitching Power Supply)中，为缩小变压器的体积，大多使用高频的脉冲宽度调制(PWM，简记为脉宽调制)控制直流输出电压，如图1所示为现有返驰式电源供应装置的电路示意图，变压器T1将电路区分成为一次侧的前级电路101与二次侧的后级电路102，该一次侧101与该二次侧102间以一光敏晶体管111及一光二极管112分离该一次侧101与该二次侧102的电信号，但却可利用光信号反馈二次侧102的电压或电流输出变化信号至一次侧101，以同步调整该一次侧101及二次侧102的电压及电流变化量，或者作为过电流及短路保护的反馈信号。

请再参考图1，其中，在一次侧101输入一交流电压VAC，交流电压VAC经过一EMI滤波器1010、一桥式整流器BD1及一高压滤波电容C1后成为一直流电压Vin。直流电压Vin通过一脉冲宽度调整控制单元U1控制功率晶体管开关Q1的导通周期，进而传送到该变压器T1的一次侧绕组。同时，变压器T1的二次侧绕组感应输出电压，该输出电压通过二极管D1及电解电容C2整流滤波后，产生稳定直流电压Vout输出。

直流电压Vout通过一反馈稳压器D3与一光耦合器11将输出直流电压Vout转换成一电压信号VFB反馈至一次侧101的脉冲宽度调整控制单元U1。同时，在功率晶体管开关Q1导通时通过电阻器R2取得一电流反馈信号Vcs，电流反馈信号Vcs被传送到脉冲宽度调整控制单元U1，脉冲宽度调整控制单元U1取得该电流反馈信号Vcs与该电压信号VFB藉以运算输出一调整脉冲PWM到功率晶体管开关Q1，用来稳定输出直流电压Vout。该光耦合器11由该光敏晶体管111及该光二极管112组成。

图2所示为现有脉冲宽度调整控制单元内部电路方块图.脉冲宽度调整控制单元U1由PWM比较器14、过电流比较器16、触发器18及或(OR)门电路等所组成.脉冲宽度调制(PWM)技术的工作方式，就是由振荡电路12提供一固定的频率PWMclock给脉冲宽度调整控制单元U1.脉冲宽度调整控制单元U1中的PWM比较器14则负责检知输出直流电压Vout所反馈进来的电压信号VFB，同时检知该电流反馈信号Vcs以进行比较运算，用来输出一调制输出信号PWMout.过电流比较器16还取得该电流反馈信号Vcs与一限流电平1V进行比较运算，以输出一过电流致能信号OCPEN.调制输出信号PWMout与过电流致能信号OCPEN通过或(OR)逻辑运算后，输出一复位信号R到触发器18的R脚位.触发器18的S脚位连接到振荡电路12，用以取得固定的频率PWMclock作为工作频率，并通过或(OR)以及反(NOT)的逻辑运算后输出一驱动信号Drv到功率开关(未标示).

图3所示为现有脉冲宽度调整控制单元内部信号波形示意图。结合图2，如图3所示其横轴表示为时间轴t，纵轴表示为各波形图，在时间t0到t1期间，电压信号VFB为重载，此时过电流致能信号OCPEN与调制输出信号PWMout经过或(OR)的逻辑运算后输出复位信号R，用以让触发器18输出的驱动信号Drv的输出方波变宽，即功率开关(未标示)的工作周期(duty cycle)变长，如此即可以提供负载所需的电力。

同理，在时间t1-t2时，处于正常工作的负载，此时触发器18输出的驱动信号Drv的输出方波会处于正常供应电力的宽度。再者，在时间t2-t3负载变轻，此时过电流致能信号OCPEN与调制输出信号PWMout经过或(OR)的逻辑运算后输出复位信号R。复位信号R与振荡电路12输出固定的频率PWMclock同时经过触发器18运算后，于可以让触发器18输出的驱动信号Drv的输出方波变短，如此即可以提供轻负载所需的电力。而在此，驱动信号Drv所驱动的功率开关(未标示)其工作频率并不会因为输出方波的工作周期(duty cycle)的改变而改变，换句话说，此电路的工作频率永远是固定的，如此在轻载下，驱动信号Drv会跟随频率PWMclock而固定产生工作周期短的方波，进而造成轻载下电力的损耗。上述中，时间t3-t4为无载状态，此时无驱动信号Drv输出，此段时期为跳跃周期(SKIPPED CYCLE)。

当电子产品在全负载或中负载条件下进行工作时，通常，通过脉冲宽度调制(PWM)技术来控制切换开关的切换动作，其工作损耗有传导损耗与开关切换损耗。但是电子产品在轻载或无载时，若仍由脉冲宽度调制(PWM)技术来控制切换开关的切换动作，此时传导损耗会因为电子产品处于轻载而下降，但是由于开关切换的工作频率固定不变，所以开关切换损耗不会跟着负载下降而减少，所以于轻载时，使用脉冲宽度调制(PWM)技术的工作模式，其整体效率会降低。

图4所示为现有振荡电路内部电路方块示意图。振荡电路12中利用电压源VDD提供电力给分压电阻R1、R2、R3以得到临界电压VH、VL，比较器121、122分别取得临界电压VH、VL，并同时对电容CT输出的充放电信号进行比较运算。运算后的信号，接着通过触发器123用以调整控制电流源I1及控制电流源I2执行对电容CT的充放电动作。再者，振荡电路12在触发器123的输出端Q产生频率PWMclock以提供脉冲宽度调制技术所需的参考频率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有省电模式的脉冲宽度调制装置，使用于电源供应器中，连接该负载端，输出驱动信号到电源供应器的功率开关。

为了实现上述目的，本发明提供了一种具有省电模式的脉冲宽度调制装置，使用于电源供应器中，连接该电源供应器的负载端，并输出一驱动信号至该电源供应器的功率开关，包括：一延迟比较电路，提取一反馈电压、一高临界电压及一低临界电压，该反馈电压与该高临界电压、该反馈电压与该低临界电压经比较运算后，两个比较结果再经延迟运算，输出一消隐信号；一脉冲宽度调制控制单元，提取一电流反馈信号与该反馈电压，经内部比较运算后输出一调制信号；一或门电路，连接到该延迟比较电路与该脉冲宽度调制控制单元，接收该消隐信号与该调制信号用以输出一复位信号；及一同步信号输出单元，连接于该或门电路，该同步信号输出单元具有一第一RS触发器，接收该复位信号与一振荡信号，用以输出该驱动信号.

上述说明中，本发明会跟随负载的轻重变化，进而控制驱动信号的输出与否，用以提供功率开关的切换或停止切换动作，使得电源供应器可以适时反应随时变化的运行环境，进而达到更好的效率或更稳定的输出以达到省电的功效。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有返驰式电源供应装置的电路示意图；

图2为现有脉冲宽度调整控制单元内部电路方块图；

图3为现有脉冲宽度调整控制单元内部信号波形示意图；

图4为现有振荡电路内部电路方块示意图；

图5为本发明电路示意图；

图6为本发明电路波形示意图；及

图7为本发明有/无延迟时的输出功率、反馈电压、复位信号及驱动信号的关系比较波形示意图。

其中，附图标记：

T1        变压器

101       一次侧电路

1010      EMI滤波器

102       二次侧电路

VAC       交流电压

11        光耦合器

12        振荡电路

121、122  比较器

123       触发器

111       光敏晶体管

112       光二极管

U1        脉冲宽度调整控制单元

14        PWM比较器

16     过电流比较器

18     触发器

3      脉冲宽度调制装置

32     延迟比较电路

322    第一比较器

324    第二比较器

326    触发器

34     脉冲宽度调制控制单元

342    PWM比较器

344    分压器

346    过电流比较器

36     或门电路

38     同步信号输出单元

382    RS触发器

384    或门单元

386    非门单元

39     振荡器

具体实施方式

图5所示为本发明电路示意图。本发明的脉冲宽度调制装置3，可以跟随电源供应器的负载变化，进而控制输出一驱动信号Drv到功率开关Q，包括有：一延迟比较电路32、一脉冲宽度调制控制单元34、一或门电路36及一同步信号输出单元38。

图5所示为本发明脉冲宽度调制装置3从电源供应器负载端接收一反馈电压VFB，同时利用一直流电源VDD经过一电阻器R3传送电力给二个串接的第一电阻器R1及第二电阻器R2，并通过该串接的二电阻器R1、R2进行电力的分压，以分别得到一高临界电压Vthhigh及一低临界电压Vthlow。

再者，延迟比较电路32截取该反馈电压VFB、该高临界电压Vthhigh及该低临界电压Vthlow，经比较运算及延迟运算后，输出一消隐信号GreenEN。消隐信号GreenEN被传送到连接于该延迟比较电路32的或门电路36。该延迟比较电路32包括有：一第一比较器322，接收该高临界电压Vthhigh与该反馈电压VFB，进而比较输出一第一比较信号CS1；一第二比较器324，接收该低临界电压Vthlow与该反馈电压VFB，进而比较输出一第二比较信号CS2；及一触发器326，连接于该第一比较器322与该第二比较器324，接收该第一比较信号CS1及该第二比较信号CS2，进而运算输出该消隐信号GreenEN。

上述说明中，该第一比较器322，其正相输入端(+)连接到电源供应器负载端，用以接收该反馈电压VFB，并且，其反相输入端(-)通过一电阻R3连接到一直流电源VDD，用以接收该高临界电压Vthhigh。该第二比较器324，其反相输入端(-)连接到电源供应器负载端，用以接收该反馈电压VFB，正相输入端(+)通过一第一电阻器R1，再经过电阻R3连接到一直流电源VDD，并通过一第二电阻器R2连接到一参考地端G，用以接收该低临界电压Vthlow。该触发器326为一RS触发器，其一复位端(R)连接到该第一比较器322的输出端，一设定端(S)连接到该第二比较器324的输出端。

同时，该脉冲宽度调制控制单元34由一PWM比较器342、一分压器344及一过电流比较器346连接组成；该PWM比较器342提取该电流反馈信号Vcs并通过该分压器344提取该反馈电压VFB，经比较运算后输出一调制信号PWMout。该过电流比较器346提取该电流反馈信号Vcs与一过电流限制电位Vth，经比较运算后用以输出一过电流致能信号OCPEN。上述说明中，该分压器344由电阻器R4、R5、R6、直流电源及稳压单元组成。用来调降反馈电压VFB的电平，用以和电流反馈信号Vcs进行比较运算。

再参考图5，该或门电路36连接于该延迟比较电路32与该脉冲宽度调制控制单元34，接收该消隐信号GreenEN、该调制信号PWMout及该过电流致能信号OCPEN，用以输出一复位信号R.

该同步信号输出单元38，由一RS触发器382、一或门单元384及一非门单元386组成，该一RS触发器382的一设定端(S)连接到一振荡器39用以接收该振荡信号PWMclock，一复位端(R)连接到该或门电路36用以接收该复位信号R，同时通过该或门单元384与该非门单元386用以输出该驱动信号Drv到功率开关Q的控制端。

图6所示为本发明电路波形示意图。结合图5，图6所示的纵轴表示电压V、横轴表示时间t。在时间t0到t1时间，电压信号VFB为正常负载状态，此时过电流致能信号OCPEN、调制输出信号PWMout及消隐信号GreenEN经过或门电路36进行或(OR)逻辑运算后，输出复位信号R，用以让同步信号输出单元38输出的驱动信号Drv驱动功率开关Q，以提供负载所需的电力。

同时，在时间t1-t2时，负载即进入轻载状态，此时反馈电压信号VFB会在高临界电压Vthhigh与低临界电压Vthlow二个临界电压值间进行上下振荡，该振荡的反馈电压VFB经由延迟比较器32分别与高临界电压Vthhigh、低临界电压Vthlow进行比较运算，进而分别输出第一比较信号CS1及第二比较信号CS2。第一比较信号CS1与第二比较信号CS2再通过RS触发器326的运算输出消隐信号GreenEN。消隐信号GreenEN与该过电流致能信号OCPEN、调制输出信号PWMout经过或门电路36进行或(OR)的逻辑运算后，输出复位信号R。

在时间t1-t2期间，由于利用延迟比较电路32所带来的效果，使得本发明脉冲宽度调制装置3于轻载状态下会进入轻载延迟范围周期，此时几乎没有驱动信号Drv输出，接着若是反馈电压VFB超过高临界电压Vthhigh时，会有短暂的驱动信号Drv输出，此段时期为退出轻载延迟范围周期，因此本发明在轻载下几乎没有电力的输出损耗，以达到省电要求。再者，在时间t2-t3此段为无载状态，此时由于反馈电压VFB低于低临界电压Vthlow值，因此第一比较信号CS1与第二比较信号CS2通过RS触发器326运算输出的消隐信号GreenEN为高电平，使得复位信号R也为高电平，进而停止驱动信号Drv的输出以达到省电要求，在上述说明中，在此时期称为跳跃周期(SKIPPEDCYCLE)。

图7所示为本发明有/无延迟时的输出功率、反馈电压、复位信号及驱动信号的关系比较波形示意图。其中，在时间t1-t2期间，输出功率Pout的负载变化时，输出电压Vout则会受到影响，因此会造成反馈电压VFB产生噪声(noise)的干扰现象，进而影响消隐信号GreenEN的波形输出。在时间t1-t2时，电路中若无延迟时，消隐信号GreenEN输出为S1的波形，由于负载的变化让消隐信号GreenEN不稳定，使得驱动信号Drv在轻载或无载下仍有输出，进而导致电路功率损失、工作效率降低和不稳定的输出电压。电路中若有延迟时，可以得到稳定的消隐信号GreenEN输出为S2的波形，此时因为消隐信号GreenEN输出稳定于高电平用以防止噪声(noise)的干扰现象，使得驱动信号Drv于轻载或无载下停止输出，以达到省电效果和输出稳定的电压。

接着，在时间t3-t4期间，输出功率Pout的负载变化时，会影响输出电压Vout，相同地，此时，一样会造成反馈电压VFB产生噪声(noise)的干扰，进而影响消隐信号GreenEN的波形输出.电路中若无延迟时，此时复位信号R会于轻载或无载下即进入低电平，进而使得驱动信号开始有输出，此时会导致电路功率损失、工作效率降低和不稳定的输出电压.若是电路中有延迟时，此段时期的消隐信号GreenEN会延迟一段延迟时间然后才进入低电平，以进行驱动信号Drv的输出，进而防止噪声(noise)的干扰现象.

本发明利用一延迟比较电路，用来截取一反馈电压、一高临界电压及一低临界电压，并将该些电压进行比较运算及延迟运算后输出一消隐信号。该消隐信号被传送到连接于该延迟比较电路的一或门电路，该或门电路同时也连接到一脉冲宽度调制控制单元用以接收一调制信号，该或门电路同时接收该调制信号与该消隐信号，进行或(OR)的逻辑运算后输出一复位信号。一同步信号输出单元同时接收该复位信号与一振荡信号，进行信号的同步化输出，用以输出一驱动信号。

本发明会跟随输出负载的轻重变化，经过延迟电路的运算及过滤不必要的切换动作后，进而控制驱动信号的输出与否，用以提供功率开关的切换或停止切换动作，使得电源供应器可以适时精确的反应随时变化的运行环境，进而达到更好的效率或更稳定的输出以达到省电的功效。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有省电模式的脉冲宽度调制装置，使用于电源供应器中，连接该电源供应器的负载端，并输出一驱动信号至该电源供应器的功率开关，其特征在于，包括：

一延迟比较电路，提取一反馈电压、一高临界电压及一低临界电压，该反馈电压与该高临界电压、该反馈电压与该低临界电压经比较运算后，两个比较结果再经延迟运算，输出一消隐信号；

一脉冲宽度调制控制单元，提取一电流反馈信号与该反馈电压，经内部比较运算后输出一调制信号；

一或门电路，连接到该延迟比较电路与该脉冲宽度调制控制单元，接收该消隐信号与该调制信号用以输出一复位信号；及

一同步信号输出单元，连接于该或门电路，该同步信号输出单元具有一第一RS触发器，接收该复位信号与一振荡信号，用以输出该驱动信号。

2.根据权利要求1所述的具有省电模式的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该延迟比较电路包括有：

一第一比较器，接收该高临界电压与该反馈电压，进而比较输出一第一比较信号；

一第二比较器，接收该低临界电压与该反馈电压，进而比较输出一第二比较信号；及

一第二触发器，连接于该第一比较器与该第二比较器，接收该第一比较信号及该第二比较信号，进而运算输出该消隐信号。

3.根据权利要求2所述的具有省电模式的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该第一比较器，其正相输入端连接到电源供应器负载端，用以接收该反馈电压，并其反相输入端连接到一直流电源，用以接收该高临界电压。

4.根据权利要求2所述的具有省电模式的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该第二比较器，其反相输入端连接到电源供应器负载端，用以接收该反馈电压，正相输入端通过一第一电阻器连接到一直流电源，并通过一第二电阻器连接到一参考地端。

5.根据权利要求2所述的具有省电模式的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该第二触发器为一第二RS触发器，其一复位端连接到该第一比较器的输出端，一设定端连接到该第二比较器的输出端。

6.根据权利要求1所述的具有省电模式的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该脉冲宽度调制控制单元由一PWM比较器、一分压器及一过电流比较器连接组成；该PWM比较器提取该电流反馈信号并通过该分压器提取该反馈电压，经比较运算后输出该调制信号。

7.根据权利要求6所述的具有省电模式的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该过电流比较器提取该电流反馈信号与一过电流限制电位，经比较运算后用以输出一过电流致能信号到该或门电路。

8.根据权利要求1所述的具有省电模式的脉冲宽度调制装置，其特征在于，该同步信号输出单元，由该第一RS触发器、一或门单元及一非门单元组成，该第一RS触发器的一设定端连接到一振荡器用以接收该振荡信号，一复位端连接到该或门电路用以接收该复位信号，同时通过该或门单元与该非门单元用以同步输出该驱动信号。

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