TW201312911A - 具有負載補償之電源管理器以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

具有負載補償之電源管理器以及控制方法，適用於控制一電源供應器，用以對一負載供電。該電源管理器包含有一轉換器以及一控制電路。該轉換器具有一第一點接收一負載信號，以及一第二點輸出一負載補償信號。該轉換器將該負載信號轉換成該負載補償信號。該負載信號大致對應該電源供應器對該負載所提供之一輸出功率。該轉換器具有一低通濾波器，耦接於該第一點與該第二點之間。該控制電路，透過一反饋點耦接至一電感元件，並依據該反饋點所提供之一反饋電壓以及一預設電壓，控制該輸出功率，以使一電感元件之一跨壓朝一目標電壓逼近。該負載補償信號越大，該目標電壓越高。

Description

具有負載補償之電源管理器以及控制方法
本發明係相關於一種開關式電源供應器以及相關之控制方法。
一般的電源供應器需要在輸出電源點提供一穩定的輸出電壓給一負載。輸出電壓的偵測與比較，往往透過一些直接連接在二次側之輸出電源點的偵測元件，像是分壓電阻、LT431等，來實現。其比較結果，可能透過一光耦合器，傳遞到位於一次側的電源控制器。這樣的控制方式一般稱為二次側控制(secondary side control)。
為了節省連接在二次側點的偵測元件以及其操作所需要的電能，所以產生了一次側控制(primary side control)。一次側控制把偵測二次側之輸出電壓的工作，透過電感耦合的原理，在一次側完成。
第1圖顯示一種採用一次側控制的電源供應器8。電源供應器8採用返馳式架構(flyback)10。返馳式架構10是一種隔離架構，其以變壓器(具有一次側繞組PRM、二次側繞組SEC以及輔助繞組AUX)來隔離一次側與二次側。電源管理器18透過功率開關15控制變壓器的充放電能。當變壓器放電時，二次側繞組SEC對輸出電源點OUT供電，輔助繞組AUX對操作電源點VCC供電，且因為電感耦合，二次側繞組SEC的跨壓VSEC會與輔助繞組AUX的跨壓VAUX大約為一定比例。電源管理器18透過反饋點FB、分壓電阻13與14，來偵測輔助繞組AUX的跨壓VAUX，等同偵測二次側繞組SEC的跨壓VSEC，也大致等同偵測輸出電源點OUT的輸出電壓VOUT。依據反饋點FB上的反饋電壓VFB，電源管理器18決定補償點COM上的補償電壓VCOM，然後據以控制功率開關的開啟時間TON或是關閉時間TOFF。簡而言之，一次側控制是控制輔助繞組AUX的跨壓VAUX，來達到控制輸出電壓VOUT的目的。
第1圖的一次側控制可能有輸出電壓VOUT隨負載20輕重而改變的問題。因為輸出電源點OUT到二次側繞組SEC之間的寄生電阻與壓降，所以輸出電壓VOUT會些許小於跨壓VSEC，其差距會隨著負載電流IOUT增大而增大。換言之，如果希望獲得一個固定不隨負載電流IOUT改變的輸出電壓VOUT，跨壓VSEC的目標電壓，等同於跨壓VAUX的另一個目標電壓，就應該隨著負載20所汲取的負載電流IOUT增加而增加。這樣的控制方法，稱為負載補償。
負載補償引入了一個正回饋迴圈(positive feedback loop)。依據負載補償，愈重的負載20，產生愈大的負載電流IOUT，所以需要愈高的目標電壓。而越高的目標電壓，對於相同的負載而言，需要有更多的負載電流IOUT來支撐。如同業界所知，正回饋迴圈容易導致震盪，這是在採用負載補償時，應該要想辦法避免的。
本發明實施例提供一種負載補償的控制方法，適用於一電源供應器，用以對一負載供電。該控制方法包含有：提供一負載信號，大致對應該電源供應器對該負載所提供之一輸出功率；對該負載信號進行低通處理，以產生一負載補償信號；透過一反饋點，提供一反饋電壓，該反饋點耦接至該電感元件；以及，依據該反饋電壓，控制該輸出功率，以使該電感元件之一跨壓朝該目標電壓逼近。當該負載補償信號越高時，該目標電壓越高。
一種具有負載補償之電源管理器，適用於控制一電源供應器，用以對一負載供電，該電源管理器包含有一轉換器以及一控制電路。該轉換器具有一第一點接收一負載信號，以及一第二點輸出一負載補償信號。該轉換器將該負載信號轉換成該負載補償信號。該負載信號大致對應該電源供應器對該負載所提供之一輸出功率。該轉換器具有一低通濾波器，耦接於該第一點與該第二點之間。該控制電路，透過一反饋點耦接至一電感元件，並依據該反饋點所提供之一反饋電壓以及一預設電壓，控制該輸出功率，以使一電感元件之一跨壓朝一目標電壓逼近。該負載補償信號越大，該目標電壓越高。
以下將以使用於第1圖中的電源供應器8之電源管理器做為實施例。但是，本發明並不侷限於適用於如同第1圖之隔離架構，也可以適用於非隔離架構。舉例來說，在閱讀過本說明書之後，業界具有普通技術者也可以推知本發明也可以適用於一昇壓器(booster)。
第2圖顯示依據本發明實施的電源管理器30，可以使用於第1圖中的電源管理器18。
電路34決定一開啟時間TON的起點。舉例來說，電路34透過反饋點FB可以偵測到變壓器的放電完畢時間點，進而設置(set)SR紀錄器(SR register)32，開啟功率開關15，使之短路(short circuit)。
電路38大致決定一關閉時間TOFF的起點。舉例來說，補償點COM上的補償電壓VCOM，經過分壓電路36後，在限制點COMI上產生限制電壓VCOMI。當電流偵測點CS上的電流偵測信號VCS高過限制電壓VCOMI時，電路38重設(reset)SR紀錄器32，關閉功率開關15，使之開路(open circuit)。所以，限制電壓VCOMI大約決定了電流偵測信號VCS的峰值。
峰值偵測器42偵測電流偵測信號VCS的峰值，以產生峰值信號VCS-P。峰值信號VCS-P對應的是流過一次側繞組PRM的電流IPRM之電流峰值。因此，峰值信號VCS-P大約對應第1圖之電源供應器8對負載20的輸出功率，也就是對應到當時的負載程度。
變壓器的一放電時間(discharge time)中，短脈衝(short pulse)的取樣信號SSH可以使取樣器40對反饋點FB上的反饋電壓VFB進行取樣，在點FBIN上產生反饋電壓VFBIN。而反饋電壓VFBIN與預設電壓VTAR0比較後，控制補償電壓VCOM的增加或是減少。在電源管理器30到達輸出電壓VOUT大致穩定時，補償電壓VCOM應該維持不變，反饋電壓VFBIN與預設電壓VTAR0相等。
轉換器44將峰值信號VCS-P轉換成負載補償電流IOffSet。轉換器44中有電壓電流轉換器64以及低通濾波器60。電壓電流轉換器把峰值信號VCS-P轉換成相對應的電流IOS。低通濾波器60執行低通濾波，產生負載補償電流IOffSet。稍後將舉例說明電壓電流轉換器64以及低通濾波器60。
請參照第1圖與第2圖，負載補償電流IOffSet從反饋點FB汲取一偏差電流。電源管理器30會使第1圖中的電源供應器8中，在放電時的輔助繞組AUX跨壓VAUX，朝一目標電壓VAUX-TAR逼近；相對的，也是使在放電時的二次側繞組SEC跨壓VSEC朝另一個目標電壓VSEC-TAR逼近。目標電壓VAUX-TAR與目標電壓VSEC-TAR的比例會是輔助繞組AUX與二次側繞組SEC的圈數比。目標電壓VAUX-TAR以及負載補償電流IOffSet需要符合以下公式(I)。
VFB=VAUX-TAR*R13/(R13+R14)-IOffSet*R13*R14/(R13+R14)
VFB=VFBIN=VTAR0
VAUX-TAR=IOffSet*R14+VTAR0*(R13+R14)/R13　……(I)
R13與R14分別表示電阻13與14的阻值。從公式(1)中可以發現，當負載補償電流IOffSet越高時，目標電壓VAUX-TAR也就越高，目標電壓VSEC-TAR也越高。
在輸出電壓VOUT大致穩定時，電源供應器8提供一穩定的輸出功率，所以峰值信號VCS-P大約維持固定。此時，峰值信號VCS-P也對應到電流IOS以及負載補償電流IOffSet。而負載補償電流IOffSet越高，目標電壓VSEC-TAR也越高。所以在輸出電壓VOUT大致穩定時，輸出功率越高，目標電壓VSEC-TAR也越高，達到了負載補償之目的。
當輸出電壓VOUT還沒有穩定時，峰值信號VCS-P也許變化很快，而第2圖中的低通濾波器60可以限制負載補償電流IOffSet之變化速度。只要一正回饋迴圈中的一信號的變化速度被限制了，就可能可以減少或是消滅正回饋迴圈可能導致之震盪的可能性。因此，低通濾波器60可能減小或是消滅負載補償所導致之震盪的可能性。
第3圖顯示第2圖中的峰值偵測器42以及電壓電流轉換器64。當功率開關15被從導通變成關閉時，峰值偵測器42中的開關也從導通變成關閉，所以電容上的峰值信號VCS-P，將大約會是電流偵測信號VCS的峰值。電壓電流轉換器64中具有一運算放大器、一NMOS電晶體、以及電流鏡(current mirror)63，其操作原理為業界具有普通能力者可推知，不再重述。電壓電流轉換器64可以使電流IOS大約與峰值信號VCS-P等比例。
第4圖舉例第2圖中的低通濾波器60。隨著在閘點GATE上信號VGATE的切換，開關式低通濾波器61會使NMOS 66之閘極電壓，慢慢的追隨NMOS 68之閘極電壓。當兩閘極電壓相同時，NMOS 66與68就構成了一個電流鏡(current mirror)。
在第2圖的實施例中，峰值信號VCS-P作為輸出功率的指標，來產生負載補償電流IOffSet。在另一個實施例中，可以以補償電壓VCOM作為輸出功率的指標，據以產生電流IOS以及負載補償電流IOffSet。
在輕載或是無載開機的過程中，電源管理器一開始會認定當下的負載為重載。如果此時負載補償馬上就實施，目標電壓VSEC-TAR以及目標電壓VAUX-TAR都會非常的高。如此，很容易就會使得輸出電壓VOUT過衝(over shoot)，而延後了輸出電壓VOUT達到穩定的時間點。
第2圖中的比較器70以及負載補償控制電路62可以解決開機時輸出電壓VOUT可能過衝的問題。基本上來說，在開機一開始時，比較器70以及負載補償控制電路62沒有實施負載補償。直等到輸出電壓VOUT到一定程度時，或是快到所希望的穩定電壓時，才漸漸地引入負載補償的效果。
請看第5圖，由上而下，依序顯示第2圖中的反饋電壓VFBIN、信號SEN、斜坡信號SSC、峰值信號VCS-P、以及負載補償電流IOffSet。反饋電壓VFBIN等於變壓器放電時的反饋電壓VFB，也大致可以視為對應到輸出電壓VOUT。在時間點tS之前，峰值信號VCS-P大致維持在一最大值，反饋電壓VFBIN隨著輸出電壓VOUT上升而上升。此時，因為反饋電壓VFBIN小於預設值VREF，所以信號SEN為邏輯上的0，斜坡信號SSC維持在0V，而負載補償電流IOffSet被強制為0，沒有實施負載補償。
在時間點tS時，反饋電壓VFBIN高過預設值VREF，信號SEN邏輯值轉為1，斜坡信號SSC開始緩緩的上升，也導致了負載補償電流IOffSet緩緩的增加。換言之，負載補償漸漸地被引入。這一段斜坡信號SSC的時間，稱為緩補償時間TSC。
在時間點tE之後，斜坡信號SSC到達最高點，負載補償就完整的被引入，負載補償電流IOffSet受控於峰值信號VCS-P。
在第2圖中，負載補償控制電路62是透過電壓電流轉換器64以及低通濾波器60，才影響到負載補償電流IOffSet。在另一個實施例中，負載補償控制電路62直接控制低通濾波器60，也就是他們之間沒有電壓電流轉換器64。
在一實施例中，預設值VREF很接近，但是低於預設電壓VTAR0，如同第5圖所示。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
8．．．電源供應器
10．．．返馳式架構
13、14．．．分壓電阻
15．．．功率開關
18．．．電源管理器
20．．．負載
30．．．電源管理器
32．．．SR紀錄器
34．．．電路
36．．．分壓電路
38．．．電路
40．．．取樣器
42．．．峰值偵測器
44．．．轉換器
60．．．低通濾波器
62．．．負載補償控制電路
63．．．電流鏡
64．．．電壓電流轉換器
66、68．．．NMOS
70．．．比較器
AUX．．．輔助繞組
COM．．．補償點
COMI．．．限制點
CS．．．電流偵測點
FB．．．反饋點
FBIN．．．點
GATE．．．閘點
IOffSet．．．負載補償電流
IOS．．．電流
IOUT．．．負載電流
IPRM．．．電流
OUT．．．電源點
PRM．．．一次側繞組
SEC．．．二次側繞組
SEN．．．信號
SSC．．．斜坡信號
SSH．．．取樣信號
tE、tS．．．時間點
TOFF．．．關閉時間
TON．．．開啟時間
TSC．．．緩補償時間
VAUX．．．跨壓
VAUX-TAR．．．目標電壓
VCOM．．．補償電壓
VCOMI．．．限制電壓
VCS．．．電流偵測信號
VCS-P．．．峰值信號
VFB．．．反饋電壓
VFBIN．．．反饋電壓
VOUT．．．輸出電壓
VREF．．．預設值
VSEC．．．跨壓
VSEC-TAR．．．目標電壓
VTAR0．．．預設電壓
第1圖顯示一種採用一次側控制的電源供應器。
第2圖顯示依據本發明實施的一電源管理器。
第3圖顯示第2圖中的一峰值偵測器以及一電壓電流轉換器。
第4圖舉例第2圖中的一低通濾波器。
第5圖，由上而下，依序顯示第2圖中的反饋電壓VFBIN、信號
SEN、斜坡信號SSC、峰值信號VCS-P、以及負載補償電流IOffSet。
30．．．電源管理器
32．．．SR紀錄器
34．．．電路
36．．．分壓電路
38．．．電路
40．．．取樣器
42．．．峰值偵測器
44．．．轉換器
60．．．低通濾波器
62．．．負載補償控制電路
64．．．電壓電流轉換器
70．．．比較器
COM．．．補償點
COMI．．．限制點
CS．．．電流偵測點
FB．．．反饋點
FBIN．．．點
GATE．．．閘點
IOffSet．．．負載補償電流
IOS．．．電流
IOUT．．．負載電流
SEN．．．信號
SSC．．．斜坡信號
SSH．．．取樣信號
VCS-P．．．峰值信號
VFB．．．反饋電壓
VFBIN．．．反饋電壓
VREF．．．預設值
VTAR0．．．預設電壓

Claims (12)

  1. 一種負載補償的控制方法，適用於一電源供應器，用以對一負載供電，該控制方法包含有：提供一負載信號，大致對應該電源供應器對該負載所提供之一輸出功率；對該負載信號進行低通處理(low pass filtering)，以產生一負載補償信號；透過一反饋點，提供一反饋電壓，該反饋點耦接至該電感元件；以及依據該反饋電壓，控制該輸出功率，以使該電感元件之一跨壓朝該目標電壓逼近；其中，當該負載補償信號越高時，該目標電壓越高。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，該電源供應器具有一一次側繞組，該控制方法包含有：偵測流經該一次側繞組之電流；以及偵測流經該一次側繞組之電流峰值，作為該負載信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，該負載補償信號係為從該反饋點汲取之一偏差電流(offset current)，該反饋點透過一電阻耦接至該電感元件，控制該輸出功率之方法包含有：比較該反饋電壓以及一固定之參考電壓，以控制該輸出功率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，對該負載信號進行低通處理之步驟，包含有：提供一開關式低通濾波器(switched-capacitor low-pass filter)，來進行低通處理。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，該控制方法另包含有：比較該反饋電壓以及一預設值；以及當該反饋電壓低於該預設值時，強制使該負載補償信號為0。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之控制方法，另包含有：於該跨壓高於該預設值後的一緩補償時間內，使該負載補償信號漸漸地增加。
  7. 一種具有負載補償之電源管理器，適用於控制一電源供應器，用以對一負載供電，該電源管理器包含有：一轉換器，具有一第一點接收一負載信號，以及一第二點輸出一負載補償信號，用以將該負載信號轉換成該負載補償信號，其中，該負載信號大致對應該電源供應器對該負載所提供之一輸出功率，該轉換器具有一低通濾波器，耦接於該第一點與該第二點之間；以及一控制電路，透過一反饋點耦接至一電感元件，並依據該反饋點所提供之一反饋電壓以及一預設電壓，控制該輸出功率，以使一電感元件之一跨壓朝一目標電壓逼近；其中，該負載補償信號越大，該目標電壓越高。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理器，其中，該轉換器包含有：一電壓電流轉換器，耦接於該第一點與該低通濾波器之間，用以將該負載信號轉換成一第一電流信號；其中，該低通濾波器接收該第一電流信號，產生一被低通濾波過後的一第二電流信號，作為該負載補償信號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理器，其中，該負載補償信號從該反饋點汲取一偏差電流(offset current)，該反饋點透過一電阻耦接至一電感元件，該控制電路包含有：一取樣器，用以取樣於該反饋點上之一反饋電壓，以產生一輸入電壓；以及一比較器，比較該輸入電壓以及一第一參考電壓，用以調整一補償電壓。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理器，其中，該低通濾波器係為一開關式低通濾波器。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理器，其中，該電源管理器另包含有：一比較器，比較該反饋電壓以及一預設值；以及一負載補償控制電路，耦接至該轉換器，當該反饋電壓低於該預設值時，強制使該負載補償信號為0。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電源管理器，其中，在該反饋電壓高於該預設值後的一緩補償時間內，該負載補償控制電路使該負載補償信號漸漸地增加。
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