TW201531005A - 開關時序提供方法、同步整流控制器、以及適應性地時間控制器 - Google Patents

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Abstract

實施例提供一種開關時序提供方法，適用於一開關式電源供應器，該方法包含有：提供一當下時間信號，其對應提供該開關式電源供應器中之一元件處於一第一狀態的一放電時間，其中該當下時間信號記錄於一第一電容；提供一預估時間信號，其記錄於一第二電容；依據該預估時間信號，控制一開關；以及，於該元件處於不同於該第一狀態之一第二狀態時，以電荷分享的方式，以該當下時間信號，更新該預估時間信號。

Description

開關時序提供方法、同步整流控制器、以及適應性地時間控制器
本發明大致係關於電源供應器之同步整流的控制方法與控制器。
電源供應器除了要求有精準的輸出電壓或是輸出電流之外，能量轉換效率(power conversion efficiency)往往也是業界非常在乎的規格之一。
第1圖為習知的一返馳式(flyback)開關式電源供應器10，作為開關式電源供應器的一例子。脈波寬度調變控制器14使功率開關20導通時，輸入電源VIN與輸入地26使變壓器18儲能；功率開關20關閉時，變壓器18透過整流二極體12對輸出電容17與負載16釋放能量，以建立輸出電源VOUT與輸出地28。透過適當的回饋路徑，脈波寬度調變控制器14可以調整功率開關20的工作週期(duty cycle)，使輸出電源VOUT符合想要的規格。
所有變壓器18輸出到輸出電容17與負載16的二次側電流ISEC，都必需經過整流二極體12。整流二極體12的順向偏壓大約是1V，固定地耗損能量。為了降低整流二極體12之能量耗損，增加能量轉換效率，所以昔知技術中，如同第2圖所示，已經發展了以一個整流開關24取代整流二 極體12。這樣的技術稱為同步整流(synchronous rectification)。開關式電源供應器30中之整流開關24需要被適當地控制，來模仿第1圖中之整流二極體12的動作。當功率開關20導通、變壓器18儲能時，整流開關24關閉。當變壓器18處於放電狀態釋能時，整流開關24導通，提供一個低電阻低耗能之放電路徑，讓變壓器18對輸出電容17充電。當變壓器18放電完畢後，整流開關24也需要關閉，預防輸出電源VOUT對變壓器18儲能。
整流開關24的開關時序需要非常小心的控制。如果整流開關24的開啟時間(ON time)不夠長，就得不到降低能量耗損的好處。萬一整流開關24還在開啟時間時，功率開關20就切換成導通，則開關式電源供應器30有炸機的危險。
本發明之一實施例提供一種開關時序提供方法，適用於一開關式電源供應器，該方法包含有：提供一當下時間信號，其對應提供該開關式電源供應器中之一元件處於一第一狀態的一放電時間，其中該當下時間信號記錄於一第一電容；提供一預估時間信號，其記錄於一第二電容；依據該預估時間信號，控制一開關；以及，於該元件處於不同於該第一狀態之一第二狀態時，以電荷分享的方式，以該當下時間信號，更新該預估時間信號。
本發明之一實施例提供一同步整流控制器，用以控制一整流開關。該整流開關包含有一體二極體(body diode)。該同步整流控制器包含有一第一記錄器、一第二記錄器、一更新裝置、以及一開關控制器。該第一記錄器提供一預估時間信號。該第二記錄器，提供一當下時間信號，其 表示該體二極體處於順偏壓時的一放電時間。當該體二極體處於逆偏壓時，該更新裝置依據該當下時間信號，更新該預估時間信號，以使該預估時間信號逼近該當信時間信號。該開關控制器依據該預估時間信號，控制該整流開關。
本發明之一實施例提供一種適應性地時間控制器，用以適應性地提供一電源供應器中一時序。該電源供應器包含有一體二極體。該時序控制器包含有一斜坡產生器、一第二電容、一更新開關、以及一比較器。該斜坡產生器用以提供一斜坡信號，其代表該體二極體被順向偏壓的一放電時間。該斜坡信號之一峰值記錄於一第一電容，作為一當下時間信號。該第二電容記錄一預估時間信號。該更新開關連接於該第一電容與該第二電容之間。於該體二極體被逆向偏壓時，該更新開關短路該第一與第二電容，以電荷分享之方式，依據該當下時間信號，更新該預估時間信號。該比較器具有二輸入分別耦接至該斜坡信號以及該預估時間信號，用以比較該斜坡信號以及該預估時間信號。
10‧‧‧開關式電源供應器
12‧‧‧整流二極體
14‧‧‧脈波寬度調變控制器
16‧‧‧負載
17‧‧‧輸出電容
18‧‧‧變壓器
20‧‧‧功率開關
24‧‧‧整流開關
26‧‧‧輸入地
28‧‧‧輸出地
30‧‧‧開關式電源供應器
37‧‧‧體二極體
39‧‧‧偵測電阻
40‧‧‧開關式電源供應器
42‧‧‧同步整流控制器
44‧‧‧時序提供裝置
46‧‧‧放電時間記錄器
47‧‧‧更新裝置
50a‧‧‧電容
50b‧‧‧記錄電容
52‧‧‧電容
53‧‧‧開關
54a、54b‧‧‧電阻
56‧‧‧電壓電流轉換器
58‧‧‧啟動器
60‧‧‧邏輯電路
62‧‧‧比較器
64‧‧‧保護裝置
66‧‧‧比較器
68‧‧‧SR正反器
70‧‧‧開關
GATE‧‧‧閘端
ICHG‧‧‧充電電流
ISEC‧‧‧二次側電流
t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9‧‧‧時間點
SSAVE‧‧‧安全信號
SCHK‧‧‧檢查信號
Sen‧‧‧偵測端
SGATE‧‧‧閘信號
SINI‧‧‧起始信號
SNB‧‧‧順偏壓信號
SUPD‧‧‧更新信號
TDIS‧‧‧放電時間
VD‧‧‧電壓
VDS‧‧‧汲源電壓
VDS-NO-SYNC‧‧‧參考信號
VQUESS‧‧‧預估時間信號
VIN‧‧‧輸入電源
VMARGIN‧‧‧電壓
VOUT‧‧‧輸出電源
VRAISED‧‧‧電壓
VREAL‧‧‧當下時間信號
VSENS‧‧‧電壓
第1圖為習知的一返馳式開關式電源供應器。
第2圖為習知的一同步整流電源供應器。
第3圖為依序本發明之一實施例的一返馳式開關式電源供應器。
第4圖舉例第3圖中的同步整流控制器。
第5圖為第4圖中之一些信號時序圖，用以解釋第4圖中之一些可能之操作。
第6圖舉例第4圖中之一些信號時序圖，用來說明當放電時間TDIS突然縮短時的保護機制。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
儘管本說明書以一返馳式開關式電源供應器作為一實施例，但本發明並不限於此。舉例來說，本發明也可實施於降壓(buck)電源供應器、昇壓電源供應器(booster)、或是降昇壓電源供應器(buck-booster)。
第3圖為依序本發明之一實施例的一返馳式開關式電源供應器40，其具有一同步整流控制器42，控制整流開關24。在不用來限制本發明的第3圖中，整流開關24以具有寄生之一體二極體(body diode)37的PMOS電晶體為例子。體二極體37連接於整流開關24的體極(body)與源極(source)之間。同步整流控制器42的D端連接到整流開關24的汲極(drain)。同步整流控制器42的偵測端Sen，透過偵測電阻39，連接到整流開關24的源極(source)。整流開關24的汲極短路到體極。同步整流控制器42的地端連接到輸出地28。
第4圖舉例第3圖中的同步整流控制器42，其包含有，但不限於，時序提供裝置44、放電時間記錄器46、更新裝置47、記錄電容50b、以及保護裝置64。
時序提供裝置44依據同步整流控制器42的D端之電壓VD與 偵測端Sen之電壓VSENS，提供順偏壓信號SNB、起始信號SINI、檢查信號SCHK、以及更新信號SUPD。放電時間記錄器46提供當下時間信號VREAL，其大約表示體二極體37處於順偏壓時的時間，其大約是二次側電流ISEC大於零的時間，也可以大約是變壓器18對輸出電容17的放電時間TDIS。記錄電容50b提供預估時間信號VQUESS。更新裝置47在放電時間TDIS後的一預設時間(稍後將解釋)，依據當下時間信號VREAL來更新預估時間信號VQUESS，使其逼近當下時間信號VREAL。比較器62與邏輯電路60可以視為一開關控制器，依據預估時間信號VQUESS以及電壓VRAISED，產生在閘端GATE產生閘信號SGATE，控制整流開關24。保護裝置64檢查當下時間信號VREAL與預估時間信號VQUESS的差異，以提供安全信號SSAVE。
預估時間信號VQUESS代表的是體二極體37在此開關週期中，放電時間TDIS之一猜測值。稍後將解釋，在此實施例中，預估時間信號VQUESS會用來決定整流開關24關閉的時間點，且預估時間信號VQUESS會隨著開關週期的增加，快速地往真實的放電時間TDIS逼近。
第5圖為第4圖中之一些信號時序圖，用以解釋第4圖中之一些可能之操作。請同時參閱第3圖之開關式電源供應器40。
第5圖之最上面的波形代表汲源電壓(drain-to-source voltage)VDS，其可以從同步整流控制器42的D端電壓VD與偵測端Sen電壓VSENS之差異得知。在時間點t0，因為第3圖中之功率開關20轉為關閉，汲源電壓VDS開始轉為負時，時序提供裝置44提供一脈衝作為起始信號SINI。當汲源電壓VDS為負時，體二極體37處於順偏壓，順偏壓信號SNB為邏輯上的1；汲源電壓VDS為正時，順偏壓信號SNB為邏輯上的0。順偏壓信號SNB為1 的時段，可以稱之為放電時間TDIS，如同第5圖所示。在第5圖中，於時間點t4，汲源電壓VDS變為正，所以順偏壓信號SNB轉為邏輯上的0，宣告放電時間TDIS的結束。於時間點t4，時序提供裝置44提供一脈衝作為檢查信號SCHK。在檢查信號SCHK的脈衝結束後(第5圖舉例為時間點t5)，時序提供裝置44提供另一脈衝作為更新信號SUPD。
在時間點t0，因為起始信號SINI的脈衝，開關53將當下時間信號VREAL重置為0V。在時間點t1，起始信號SINI的脈衝結束。時間點t0到t1之間的時段，可以稱為一啟始時間。
在時間點t1，電壓電流轉換器56依據D端電壓VD，產生充電電流ICHG，透過電阻54a與54b，開始對電容52充電，在電容52之一端產生當下時間信號VREAL。當下時間信號VREAL會隨著放電時間TDIS增加而上升，直到放電時間TDIS結束。因此，當下時間信號VREAL可以視為一斜坡信號。在時間點t4之後，當下時間信號VREAL維持在其峰值，其代表了體二極體37在此開關週期中，處於順偏壓狀態的時段，也就是放電時間TDIS。
如同第4圖所示，電壓VRAISED與VMARGIN，分別表示電阻54b之兩端的電壓。在順偏壓信號SNB為邏輯上的1時，因為充電電流ICHG流經電阻54a與54b，所以電壓VRAISED會大於電壓VMARGIN，其大於當下時間信號VREAL，如同第5圖所示。電阻54a與54b可以視為二偏壓提供器，分別提供兩偏壓(offset voltage)，加給當下時間信號VREAL，來產生電壓VRAISED與VMARGIN。
在時間點t1，由於起始信號SINI的脈衝結束，啟動器58可以設置(set)邏輯電路60中的SR正反器，使閘信號SGATE開始為邏輯上的1。在此實施例中，因為整流開關24為一PMOS電晶體，所以閘信號SGATE為邏輯上 之1時，閘信號SGATE為一相對之低電壓，整流開關24導通；當閘信號SGATE為邏輯上之0時，閘信號SGATE為一相對之高電壓，整流開關24關閉。整流開關24導通會使汲源電壓VDS突然的減小。第5圖上也顯示了參考信號VDS-NO-SYNC，其表示整流開關24沒有導通時，應該的汲源電壓VDS。
在時間點t2，電壓VRAISED超過了預估時間信號VQUESS，所以比較器62重設(reset)邏輯電路60中的SR正反器，使閘信號SGATE成為邏輯上的0，整流開關24關閉。汲源電壓VDS此時回復到跟參考信號VDS-NO-SYNC一樣。簡單來說，當預估時間信號VQUESS與當下時間信號VREAL的差，低於電阻54a與54b所提供之偏壓時，整流開關24關閉。
在時間點t0，起始信號SINI的脈衝重置了SR正反器68，使安全信號SSAVE預設為邏輯上的0，表示不安全。安全信號SSAVE只有在電壓VMARGIN超過了預估時間信號VQUESS，比較器66才會設置SR正反器68，使安全信號SSAVE轉換為邏輯上的1，如同第5圖中的時間點t3所示。換言之，在放電時間TDIS內，如果當下時間信號VREAL與電阻54a所提供的偏壓之和，未曾高過預估時間信號VQUESS的話，安全信號SSAVE會一直停留在邏輯上的0，表示不安全。
在第5圖中的時間點t4，檢查信號SCHK的脈衝，使保護裝置64依據安全信號SSAVE的結果，決定是否透過開關70，使預估時間信號VQUESS回到一個起始值。這個起始值，在第4圖中，為接地。在第5圖中，安全信號SSAVE在時間點t4之前已經是邏輯上的1了，表示目前的預估時間信號VQUESS可以使整流開關24在體二極體37轉變為逆偏壓狀態之前，就安全地關閉。因此，在第5圖中的時間點t4，保護裝置64並沒有影響預估時間信號 VQUESS，其維持不變。
在時間點t5，更新信號SUPD的脈衝先關閉開關48a，而後導通開關48b。因此，當開關48a關閉時，電容50a可以先行記憶住當下時間信號VREAL。在開關48b導通時，因為電容50a與50b彼此短路，所以發生了電荷分享(charge sharing)，預估時間信號VQUESS因此被更新。舉例來說，如果電容50a與50b的電容值大約相等。更新後的預估時間信號VQUESS大約會等於更新前之預估時間信號VQUESS與當下時間信號VREAL的平均，如同第5圖所示。簡單來說，VQUESS=w＊VQUESS+(1-w)＊VREAL，其中w為介於0與1之間的一比例值，由電容50a與50b的電容值所決定。
在時間點t6，第3圖中之功率開關20再度轉為關閉，所以起始信號SINI的脈衝出現，順偏壓信號SNB轉為邏輯上的1。時間點t0到t6之前的時段，可以視為一個開關週期。在時間點t6之後的開關週期，預估時間信號VQUESS也被更新，繼續往當下時間信號VREAL逼近，如同第5圖所示。
從以上電路操作之說明可知，每經過一個開關週期，預估時間信號VQUESS可能以電荷分享的方式，往當下時間信號VREAL之峰值逼近。這樣的逼近方式將會非常快速的使預估時間信號VQUESS很接近當下時間信號VREAL。電阻54a與54b所提供的偏壓，可以使得閘信號SGATE適時地在體二極體37變成逆偏壓前就關閉整流開關24，增加同步整流的能源轉換效率。採用電阻54a與54b來提供的偏壓，也比較不會受到製程、溫度等變化所影響。
電壓電流轉換器56作為一電流源，其依據D端電壓VD，也是體二極體37之一端電壓，來產生充電電流ICHG。在一實施例中，電壓VD越高， 充電電流ICHG越大。系統上，當第3圖中的負載16由重載突然的轉變為輕載時，輸出電源VOUT的電壓(等於電壓VD)將先上升，而導致放電時間TDIS縮短。在第4圖中，輸出電源VOUT增高，會導致充電電流ICHG變大，所以當下時間信號VREAL的上升斜率就會增大，在相同的預估時間信號VQUESS下，會使得整流開關24比較早關閉。可能可以用來避免整流開關24到放電時間TDIS時間結束後才關閉時所產生的問題。
第6圖舉例第4圖中之一些信號時序圖，用來說明當放電時間TDIS突然縮短時的保護機制。
因為某種原因，譬如說第3圖中的功率開關20的導通時間(ON time)縮短了，所以導致了時間點t7之後的放電時間TDIS，比起時間點t7之前的放電時間TDIS，來的短很多，如同第6圖所示。在第6圖中，放電時間TDIS在時間點t8結束時，電壓VMARGIN尚未超過預估時間信號VQUESS，所以安全信號SSAVE會一直維持在邏輯上的0，意味著整流開關24關閉的時間點，很危險地太靠近放電時間TDIS的結束時間點。時間點t8後，檢查信號SCHK的脈衝會使第4圖中之開關70導通，使預估時間信號VQUESS之值變為接地。時間點t9後，更新信號SUPD以當下時間信號VREAL，用電荷分享的方式，來增加預估時間信號VQUESS，但使其不高於當下時間信號VREAL。如此，在下一個開關週期中，預估時間信號VQUESS便可以使整流開關24提早關閉。整流開關24在放電時間TDIS結束後才關閉所可能發生的問題，就可能可以預防。
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。
42‧‧‧同步整流控制器
44‧‧‧時序提供裝置
46‧‧‧放電時間記錄器
47‧‧‧更新裝置
50a‧‧‧電容
50b‧‧‧記錄電容
52‧‧‧電容
53‧‧‧開關
54a、54b‧‧‧電阻
56‧‧‧電壓電流轉換器
58‧‧‧啟動器
60‧‧‧邏輯電路
62‧‧‧比較器
64‧‧‧保護裝置
66‧‧‧比較器
68‧‧‧SR正反器
70‧‧‧開關
GATE‧‧‧閘端
ICHG‧‧‧充電電流
SSAVE‧‧‧安全信號
SCHK‧‧‧檢查信號
SGATE‧‧‧閘信號
SINI‧‧‧起始信號
SNB‧‧‧順偏壓信號
SUPD‧‧‧更新信號
VD‧‧‧電壓
VQUESS‧‧‧預估時間信號
VMARGIN‧‧‧電壓
VRAISED‧‧‧電壓
VREAL‧‧‧當下時間信號
VSENS‧‧‧電壓

Claims (21)

  1. 一種開關時序提供方法，適用於一開關式電源供應器，該方法包含有：提供一當下時間信號，其對應提供該開關式電源供應器中之一元件處於一第一狀態的一放電時間，其中該當下時間信號記錄於一第一電容；提供一預估時間信號，其記錄於一第二電容；依據該預估時間信號，控制一開關；以及於該元件處於不同於該第一狀態之一第二狀態時，以電荷分享(charge sharing)的方式，以該當下時間信號，更新該預估時間信號。
  2. 如申請專利範圍第1項之開關時序提供方法，其中，該元件係為一整流二極體，該放電時間係為該整流二極體處於順偏壓的時間。
  3. 如申請專利範圍第1項之開關時序提供方法，其中，該開關係為一整流開關，該方法係比較該預估時間信號以及一斜坡信號，來關閉該整流開關。
  4. 如申請專利範圍第1項之開關時序提供方法，另包含有：當該元件處於該第一狀態時，提供一斜坡信號；以及依據該斜坡信號以及該預估時間信號，控制該開關。
  5. 如申請專利範圍第4項之開關時序提供方法，另包含有：當該元件一開始處於該第一狀態的一啟始時間內，重置(reset)該斜坡信號。
  6. 如申請專利範圍第4項之開關時序提供方法，另包含有：檢查該當下時間信號與一偏壓的和是否高於該預估時間信號；在該放電時間結束後，如果該當下時間信號與該偏壓的和低於該預估 時間信號，將該預估時間信號設為比該當下時間信號低的一起始值。
  7. 如申請專利範圍第4項之開關時序提供方法，另包含有：提供一電流源，以一充電電流，對一電容充電，以產生該斜坡信號；連接一偏壓電阻於該電流源與該電容之間；以及比較該偏壓電阻之一端電壓以及該預估時間信號，來控制該開關。
  8. 如申請專利範圍第4項之開關時序提供方法，另包含有：依據該元件之一端電壓，來產生該充電電流。
  9. 一種同步整流控制器，用以控制一整流開關，該整流開關包含有一體二極體(body diode)，該同步整流控制器包含有：一第一記錄器，提供一預估時間信號；一第二記錄器，提供一當下時間信號，其表示該體二極體處於順偏壓時的一放電時間；一更新裝置，當該體二極體處於逆偏壓時，依據該當下時間信號，更新該預估時間信號，以使該預估時間信號逼近該當信時間信號；以及一開關控制器(switch controller)，依據該預估時間信號，控制該整流開關。
  10. 如申請專利範圍第9項之同步整流控制器，該第二記錄器包含有一電流源以及一電容，該電流源用以對該電容充電，以產生一斜坡信號；以及，該開關控制器依據該斜坡信號以及該預估時間信號的差異，來控制該整流開關。
  11. 如申請專利範圍第10項之同步整流控制器，另包含有一重置開關，於該 放電時間開始的一啟始時間內，重置該斜坡信號。
  12. 如申請專利範圍第10項之同步整流控制器，其中，該第二記錄器另包含有一偏壓電阻，連接於該電流源與該電容之間；以及，該開關控制器依據該偏壓電阻之一端電壓以及該預估時間信號，來控制該整流開關。
  13. 如申請專利範圍第9項之同步整流控制器，其中，該第二記錄器包含有一斜坡信號產生器，其可產生一斜坡信號，該更新裝置依據該斜坡信號的一峰值，更新該預估時間信號。
  14. 如申請專利範圍第9項之同步整流控制器，另包含有一保護裝置，用以將該預估時間信號設為比該當下時間信號低的一起始值。
  15. 如申請專利範圍第14項之同步整流控制器，其中，在該放電時間內，如果該預估時間信號都沒有低於該當下時間信號與一預設值的和，則該保護裝置將該預估時間信號設為該起始值。
  16. 如申請專利範圍第9項之同步整流控制器，其中，該預估時間信號與該當下時間信號分別記錄於二電容，該更新裝置連接該二電容，以電荷分享方式，使該預估時間信號往該當下時間信號逼近。
  17. 一種適應性地時間控制器，用以適應性地提供一電源供應器中一時序，該電源供應器包含有一體二極體，該時序控制器包含有：一斜坡產生器，用以提供一斜坡信號，其代表該體二極體被順向偏壓的一放電時間，其中，該斜坡信號之一峰值記錄於一第一電容，作為一當下時間信號；一第二電容，其記錄一預估時間信號；一更新開關，連接於該第一電容與該第二電容之間，於該體二極體被 逆向偏壓時，用以短路該第一與第二電容，以電荷分享之方式，依據該當下時間信號，更新該預估時間信號；以及一比較器，具有二輸入分別耦接至該斜坡信號以及該預估時間信號，用以比較該斜坡信號以及該預估時間信號。
  18. 如申請專利範圍第17項之適應性地時間控制器，其中，該電源供應器包含有一整流開關，該比較器用以關閉該整流開關。
  19. 如申請專利範圍第17項之適應性地時間控制器，另包含有一重置開關，當該放電時間開始之一啟始時間內，重置該斜坡信號。。
  20. 如申請專利範圍第17項之適應性地時間控制器，另包含有一保護裝置，用以將該預估時間信號設為比該當下時間信號低的一起始值。
  21. 如申請專利範圍第17項之適應性地時間控制器，其中，該斜坡產生器包含有一電流源、一電阻、以及一充電電容，該電阻連接於該充電電容與該電流源之間，該電流源對該充電電容充電，以產生該斜坡信號，該比較器連接至該電阻以及該第二電容。
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