TW201715829A - 可補償電感變異之電源控制方法與相關裝置 - Google Patents

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Abstract

實施例揭露一種電源控制方法，可以補償一電感元件之電感變異，適用於一電源供應器，其具有一功率開關，可控制流經該電感元件之一電感電流。該電源供應器將一輸入電壓，轉換成一輸出電壓。該控制方法包含有：於該功率開關之一開啟時間內，提供一取樣時間，該取樣時間無關於該輸入電壓與該電感元件之一電感值；於該取樣時間結束時，取樣持守一電流偵測信號，產生一取樣電壓，該電流偵測信號可代表該電感電流；以及，依據該取樣電壓，決定該輸出電壓之最大輸出電流或是最大輸出功率。

Description

可補償電感變異之電源控制方法與相關裝置
本發明係關於一種電源控制器以及相關之控制方法，尤指可以自動補償電源供應器中之電感值變異的控制方法以及相關之裝置。
電子裝置往往需要一個穩定的電源供應器，來提供額定的電源，像是定電流、定電壓、或是定功率等。開關式電源供應器具有相當良好的轉換效率、簡單的架構、以及精巧的產品體積，所以廣泛的被許多電子裝置所採用，作為其電源供應器。
電源供應器需要配備有保護措施或是機制，來預防一些不良操作或是狀況的發生，舉例來說，像是過溫度保護(over temperature protection，OTP)、過電壓保護(over voltage protection、OVP)、過電流保護(over current protection，OCP)、過功率保護(over power protection，OPP)、輸出短路保護(output short protection，OSP)等等。OTP指的是當電源供應器溫度太高時所產生的保護；OVP指的是電源供應器對負載之輸出電壓過高時的保護；OCP/OPP是針對電源供應器之輸出電源，對負載所提供的輸出電流/輸出功率超過一定額時，所產生的保護機制；OSP指的是當輸出電壓 被箝制為0V時所執行的保護。
對於開關式電源供應器而言，定電流控制、OCP、OPP等控制、往往是透過偵測流經一電感元件之一電感電流來反應。圖一為一開關式電源供應器中，偵測一電感電流所產生的電流偵測信號VCS之波形。為了定電流控制、OCP、OPP等保護機制，電流偵測信號VCS原本希望限制在不超過一預設值VCS-LIMIT。但信號延遲(signal propagation delay)會造成電流偵測信號VCS的峰值VCS-PEAK遠離預設值VCS-LIMIT。換言之，當電流偵測信號VCS被偵測到已經達到了預設值VCS-LIMIT，一功率開關的開啟時間TON結束，但是到電流偵測信號VCS真正到達峰值VCS-PEAK的時間點會有延遲時間TD。所以峰值VCS-PEAK跟預設值VCS-LIMIT會有一段差異△VCS。差異△VCS的大小會隨著輸入電壓、電感之電感值、延遲時間TD的變化而改變，容易造成定電流控制不準，或是OCP/OPP的觸發點不對的問題。
實施例揭露一種電源控制方法，可以補償一電感元件之電感變異，適用於一電源供應器，其具有一功率開關，可控制流經該電感元件之一電感電流。該電源供應器將一輸入電壓，轉換成一輸出電壓。該控制方法包含有：於該功率開關之一開啟時間內，提供一取樣時間，該取樣時間無關於該輸入電壓與該電感元件之一電感值；於該取樣時間結束時，取樣持守一電流偵測信號，產生一取樣電壓，該電流偵測信號可代表該電感電流；以及，依據該取樣電壓，決定該輸出電壓之最大輸出電流或是最大輸出功率。
實施例揭露一種控制電路，適用於一電源供應器，其將一輸 入電壓，轉換成一輸出電壓。該電源供應器包含有一電源控制器、一功率開關、以及一電感元件。該控制電路適用於該電源控制器中，可以補償該電感元件之電感變異。該控制電路包含有一比較器、一第一電容、一取樣電路、以及一最大功率/電流控制器。該比較器具有二輸入端。該第一電容連接至該二輸入端其中之一。該比較器與該第一電容係架構來定義一取樣時間，該取樣時間無關於該輸入電壓與該電感元件之一電感值。該取樣電路於該取樣時間結束時，用以取樣持守一電流偵測信號，產生一取樣電壓。該電流偵測信號可代表流經該電感元件之一電感電流。該最大功率/電流控制器，用來決定該輸出電壓之一最大輸出電流或是最大輸出功率。該取樣電壓係用來調整該最大輸出電流或是最大輸出功率。
10‧‧‧開關式電源供應器
12‧‧‧橋式整流器
14‧‧‧電源控制器
32、34、36、38‧‧‧步驟
50‧‧‧控制電路
52‧‧‧比較器
54、56‧‧‧多工器
58‧‧‧電壓電流轉換器
60‧‧‧取樣電路
61‧‧‧及閘
62‧‧‧驅動器
64‧‧‧定電流控制單元
64A、64B‧‧‧定電流控制單元
66‧‧‧OCP/OPP單元
80‧‧‧裝置
82、84‧‧‧及閘
CA‧‧‧電容
CACU‧‧‧電容
CLK‧‧‧端點
CLK-SA‧‧‧端點
CM‧‧‧電容
CS‧‧‧電流偵測端
DA‧‧‧二極體
DRV‧‧‧驅動端
FR‧‧‧回饋端
G‧‧‧端點
HV‧‧‧高壓輸入端
INI‧‧‧端點
IDN‧‧‧電壓控制電流源
IPRM‧‧‧電感電流
IREF‧‧‧定電流源
ISA‧‧‧定電流
ITUNE‧‧‧定電流
ITSA‧‧‧取樣代表電流
LA‧‧‧輔助繞組
LP‧‧‧一次側繞組
LS‧‧‧二次側繞組
RA、RB‧‧‧電阻
RD1、RD2‧‧‧電阻
RCS‧‧‧電流偵測電阻
SW‧‧‧功率開關
SWR‧‧‧重置開關
TD‧‧‧延遲時間
TF‧‧‧變壓器
TLEB‧‧‧前緣遮蔽時間
TLC‧‧‧微調時間
TOFF‧‧‧關閉時間
TON‧‧‧開啟時間
TSA‧‧‧取樣時間
VAC‧‧‧市電交流電
VCC‧‧‧操作電壓
VCS‧‧‧電流偵測信號
VCS-LIMIT‧‧‧預設值
VCS-PEAK‧‧‧峰值
VCS-SA‧‧‧取樣電壓
VDRV‧‧‧驅動信號
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VSA‧‧‧預設電壓
△VCS‧‧‧差異
圖一為一開關式電源供應器中，偵測一電感電流所產生的電流偵測信號VCS之波形。
圖二顯示依據本發明實施之一開關式電源供應器。
圖三顯示了在一取樣時間TSA結束時，對電流偵測信號VCS取樣持守可以產生取樣電壓VCS-SA。
圖四顯示了依據本發明所實施例一種控制方法，可以適用於圖二中的電源供應器。
圖五顯示一控制電路，位於電源控制器14內，可以執行圖四中的控制方法。
圖六A顯示部分之圖五，在開啟時間TON時的連接狀態代表。
圖六B顯示部分之圖五，在關閉時間TOFF時的連接狀態代表圖。
圖七顯示在端點G、INI、CLK、CLK-SA上的信號波形示意圖。
圖八A與圖八B分別舉例兩個定電流控制單元64A與64B中的部分電路示意圖。
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。
圖二顯示依據本發明實施之一開關式電源供應器10，其可以自動補償變壓器中之電感變異量，使得OCP/OPP或CC可以比較準確。開關式電源供應器10具有返馳式架構，但本發明並不限於此。舉例來說，本發明的實施例可以是升壓轉換器(booster)、降壓轉換器(buck converter)、或是升降壓轉換器(buck booster)。
開關式電源供應器10以市電交流電VAC為主要輸入電源。橋式整流器(bridge rectifier)12將市電交流電VAC整流產生直流輸入電壓VIN，其可能是大約穩定於一個定值或是隨著市電交流電VAC變化而具有類似字母M的電壓波形。一變壓器TF為一電感元件，包含有相電感耦合的一次側繞組LP、二次側繞組LS、以及輔助繞組LA。一次側繞組LP、功率開關SW、與電流偵測電阻RCS依序串聯在輸入電壓VIN與一次側地之間。電源控制器14透過電流偵測電阻RCS所產生的電流偵測信號VCS，來偵測流經一次側繞組LP的電感電流IPRM。電源控制器14提供驅動信號VDRV於驅動端DRV上，來開 啟或是關閉功率開關SW。電源控制器14具有一高壓輸入端HV，連接至輸入電壓VIN。輔助繞組LA放電時，透過二極體DA可以在電容CA上建立操作電壓VCC，作為電源控制器14的操作電源。電阻RA與RB串聯，其連接點連接到電源控制器14的回饋端FB。
圖三顯示了在一取樣時間TSA結束時，對電流偵測信號VCS取樣持守可以產生取樣電壓VCS-SA。圖三中也顯示了一前緣遮蔽時間(leading edge blanking time)TLEB。在前緣遮蔽時間TLEB內，圖二中的電源控制器14會維持功率開關SW維持開啟，且不受電流偵測信號VCS所影響。取樣時間TSA與前緣遮蔽時間TLEB大約同時開始，但是取樣時間TSA比較長。
為了比較上的方便，圖二也重複地顯示於圖三中。其中，差異△VCS與取樣電壓VCS-SA的值可以以以下公式(1A)與(1B)推算得知。
△V CS =V IN /LP×T D ×R CS ...(1A)
V CS-SA =V IN /LP×T SA ×R CS ...(1B)
其中，LP為一次側繞組LP的電感值。
取樣電壓VCS-SA等於帶有直流輸入電壓VIN與電感值LP的資訊。只要把取樣電壓VCS-SA中的直流輸入電壓VIN部分去除，就可以產生單單相關於電感值LP的資訊，這可以用來對OCP/OPP或是定電流控制進行微調，使得它們的觸發點更為準確。
圖四顯示了依據本發明所實施例一種控制方法，可以適用於圖二中的電源供應器10。步驟32先提供取樣時間TSA，其跟輸入電壓VIN與一次側繞組LP之電感值LP無關。步驟34在取樣時間TSA結束時，對電流偵測信號VCS取樣持守，產生取樣電壓VCS-SA。步驟36可以在關閉時間TOFF開始時執 行，依據輸入電壓VIN與取樣電壓VCS-SA，來決定微調時間TLC。關閉時間TOFF指的是功率開關SW處於一關閉狀態(開路)的時間。步驟36等同把取樣電壓VCS-SA中的直流輸入電壓VIN部分去除，所產生的微調時間TLC就跟輸入電壓VIN無關。延遲時間TD大約是一個定值，不太會變化，所以微調時間TLC就只剩下跟電感值LP相關。步驟38以微調時間TLC來調整OCP/OPP或是定電流控制的觸發點，可以用來修正電感值LP變異所導致觸發點不準之問題。
圖五顯示一控制電路50，位於電源控制器14內，可以執行圖四中的控制方法。圖五中有比較器52、電容CM、重置開關SWR、多工器54與56、電阻RD1與RD2、電壓電流轉換器58、取樣電路60、及閘61、以及驅動器62。定電流控制單元64可以控制輸出電壓VOUT的最大輸出電流，OCP/OPP單元66可以提供當輸出電壓VOUT的輸出電流/功率超過定額時的保護。
端點G上的閘信號經過驅動器62放大後，變成驅動信號VDRV，所以端點G上的閘信號等同於驅動信號VDRV。依據端點G上的閘信號，多工器54選擇性的將參考電壓VREF或是預設電壓VSA提供給比較器52的正輸入端。換言之，在開啟時間TON時，預設電壓VSA連接到比較器52的正輸入端；在關閉時間TOFF時，參考電壓VREF連接到比較器52的正輸入端。參考電壓VREF是電阻RD1與RD2對直流輸入電壓VIN的分壓結果，可以代表輸入電壓VIN。
類似的，在開啟時間TON時，多工器56使定電流源所產生的定電流ISA流到比較器52的負輸入端，可對電容CM充電；在關閉時間TOFF時，多工器56使電壓電流轉換器58所產生的取樣代表電流ITSA，流到比較器52的 負輸入端，可對電容CM充電。
比較器52以端點CLK作為輸出。及閘61的二輸入端分別連接至端點G與CLK，端點CLK-SA作為及閘61的輸出，控制取樣電路60。端點CLK也連接來控制定電流控制單元64與OCP/OPP單元66。
圖六A顯示部分之圖五，在開啟時間TON時的連接狀態代表圖；圖六B顯示部分之圖五，在關閉時間TOFF時的連接狀態代表圖；圖七顯示在端點G、INI、CLK、CLK-SA上的信號波形示意圖。
請同時參考圖五、圖六A以及圖七。在開啟時間TON一開始時，端點INI上的一短脈衝重置電容CM的電容電壓，使其歸零。所以端點CLK上的信號邏輯值變為”1”。之後定電流ISA對電容CM充電。電容CM的電容電壓到達預設電壓VSA時，端點CLK與CLK-SA上的信號邏輯值才都轉變為”0”。如同圖七所示，取樣時間TSA為端點CLK-SA上邏輯值為”1”的時間。在取樣時間TSA結束時，取樣電路60斷開了電壓電流轉換器58與電流偵測端CS之間的連接，因此取樣電路60取樣持守電流偵測信號VCS，產生取樣電壓VCS-SA。取樣時間TSA與取樣電壓VCS-SA可以分別依據下列公式(2)與(3)推導而得知。
其中，CM為電容CM的電容值。
請同時參考圖五、圖六B以及圖七。在開啟時間TOFF一開始時，端點INI上另一個短脈衝重置電容CM的電容電壓，使其歸零。所以端點 CLK上的信號邏輯值轉變為”1”。之後電壓電流轉換器58所產生的取樣代表電流ITSA對電容CM充電。電容CM的電容電壓到達參考電壓VREF時，端點CLK上的信號邏輯值才轉變為”0”。如同圖七所示，微調時間TLC為在關閉時間TOFF內端點CLK上邏輯值為”1”的時間。微調時間TLC可以依據下列公式(4)推導而得知。
其中，GM為電壓電流轉換器58的轉換係數或是轉導率(transconductance)；K2為參考設電壓VREF對直流輸入電壓VIN的比例。
從公式(4)的推導過程可以發現，電容CM的電容值CM，就算有任何製程過程而產生變異，對微調時間TLC並沒有影響。這是採用單一個電容CM來提供取樣時間TSA與微調時間TLC所獲得的好處。此外，也可以發現微調時間TLC跟直流輸入電壓VIN也無關，因為參考電壓VREF跟直流輸入電壓VIN成一定的比例。在公式(4)的結果中，因為GM、K2、ISA、VSA大致都是預設的定值，所以微調時間TLC大致單單正比於一次側繞組LP之電感值LP。
如同圖五所示的，端點CLK也連接到定電流控制單元64與OCP/OPP單元66。定電流控制單元64與OCP/OPP單元66可以採用端點CLK上之信號所定義出的微調時間TLC，來調整OCP/OPP或是定電流控制的觸發點。舉例來說，經過實際量測可知，在沒有對電感值LP的變異進行補償前，定電流控制下輸出電壓VOUT所產生的最大電流，會隨著電感值LP變大而減 小。此時，圖三中的定電流控制單元64就可以將其中對應控制輸出電壓VOUT所產生的最大電流之控制參數，隨著微調時間TLC變大而些許的放大，或是隨著微調時間TLC變小而些許的縮小。這樣就可以讓圖五之控制電路50控制下的開關式電源供應器10，於定電流控制下所達到的最大電流，大致不會隨著電感值LP變異而改變。
圖八A與圖八B分別舉例兩個定電流控制單元64A與64B中的部分電路示意圖。圖八A與圖八B都具有一裝置80，大致由一定電流源IREF、電壓控制電流源IDN、一開關以及電容CACU所構成。裝置80已經於美國專利申請公告號碼2014/0009977中的第4圖內的元件74所舉例說明。從美國專利申請公告號碼2014/0009977的教導可知，沒有電感變異補償時，定電流源IREF的電流值大約對應到輸出電壓VOUT所產生的最大輸出電流。因此，圖八A中的及閘82使得定電流ITUNE只有在微調時間TLC內對電容CACU充電。當微調時間TLC些許增大時，電容CACU在一開關週期被充電的總充電電量也些許增大，彷彿定電流源IREF的電流值些許增大了，所以輸出電壓VOUT所產生的最大輸出電流也些許的放大。反之亦然。因此，可以理解的是，只要適當地設定定電流ITUNE的電流值，就可能可以讓定電流控制單元64A控制下的電源供應器對負載所產生的輸出電流，可以有近乎與電感值LP無關的最大輸出電流。
類似的，在圖八B中，及閘84控制電壓控制電流源IDN對電容CACU之放電時間。當微調時間TLC增大時，電容CACU在一開關週期被放電的總放電電量會些許縮小，所以彷彿相對地定電流源IREF的電流值些許增大了，因此輸出電壓VOUT所產生的最大輸出電流也些許的放大。反之亦然。 因此，可以理解的是，就可能可以讓定電流控制單元64B控制下的電源供應器所產生的輸出電壓，可以有近乎與電感值LP無關的最大輸出電流。
定電流控制單元64A與64B中的定電流控制也可以適用於OCP/OPP單元66中。舉例來說，當OCP/OPP單元66可以採用定電流控制單元64A與64B中的定電流控制，來檢查輸出電壓VOUT對一負載所提供的輸出電流是否到達OCP/OPP單元66所預設之一內定額定值。當時輸出電流到達該內定額定值時，就完全停止開關式電源供應器10所提供的能量轉換(使功率開關SW維持關閉)，達到保護的目的。而這個OCP/OPP觸發的內定額定值，會受到微調時間TLC而影響。目的是使得OCP/OPP觸發時輸出電壓VOUT對負載提供之實際輸出電流，大致不隨著電感值LP之變異而有所變化。
在圖五中，高壓輸入端HV提供輸入電壓VIN，給控制電路50。但本發明不限於此。在另一個實施例中，輸入電壓VIN可以透過圖二中的回饋端FB獲得。舉例來說，一個電源控制器可以在開啟時間TON時，紀錄要將回饋端FB箝制於0V時，從回饋端FB所流出的電流大小，而這個紀錄就可以代表輸入電壓VIN。
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。
50‧‧‧控制電路
52‧‧‧比較器
54、56‧‧‧多工器
58‧‧‧電壓電流轉換器
60‧‧‧取樣電路
61‧‧‧及閘
62‧‧‧驅動器
64‧‧‧定電流控制單元
66‧‧‧OCP/OPP單元
CLK‧‧‧端點
CLK-SA‧‧‧端點
CM‧‧‧電容
CS‧‧‧電流偵測端
DRV‧‧‧驅動端
G‧‧‧端點
HV‧‧‧高壓輸入端
INI‧‧‧端點
ISA‧‧‧定電流
ITSA‧‧‧取樣代表電流
RD1、RD2‧‧‧電阻
SWR‧‧‧重置開關
VCC‧‧‧操作電壓
VCS‧‧‧電流偵測信號
VDRV‧‧‧驅動信號
VIN‧‧‧輸入電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VSA‧‧‧預設電壓

Claims (11)

  1. 一種電源控制方法，可以補償一電感元件之電感變異，適用於一電源供應器，其具有一功率開關，可控制流經該電感元件之一電感電流，該電源供應器將一輸入電壓，轉換成一輸出電壓，該控制方法包含有：於該功率開關之一開啟時間內，提供一取樣時間，該取樣時間無關於該輸入電壓與該電感元件之一電感值；於該取樣時間結束時，取樣持守一電流偵測信號，產生一取樣電壓，該電流偵測信號可代表該電感電流；以及依據該取樣電壓，決定該輸出電壓之最大輸出電流或是最大輸出功率。
  2. 如請求項1之該電源控制方法，其中，決定該最大輸出電流或是該最大輸出功率之步驟包含有：依據該取樣電壓，於該功率開關之一關閉時間內，提供一微調時間，該微調時間大致相關於該電感值，且無關於該輸入電壓。
  3. 如請求項2之該電源控制方法，包含有：使用一第一電容，來提供一取樣時間；以及使用該第一電容，來提供該微調時間；其中，該微調時間無關於該第一電容之一電容值。
  4. 如請求項3之該電源控制方法，包含有：將該取樣電壓轉換為一取樣代表電流，對該第一電容充電，以產生一第一電容電壓；其中，該微調時間係為該取樣代表電流對該第一電容充電到一參考電壓的一充電時間，且該參考電壓正比於該輸入電壓。
  5. 如請求項1之該電源控制方法，另包含有：提供一前緣遮蔽時間(leading edge blanking time)，於該前緣遮蔽時間內，該功率開關維持開啟，且不受該電流偵測信號所影響；其中，前緣遮蔽時間短於該取樣時間。
  6. 一種控制電路，適用於一電源供應器，其將一輸入電壓，轉換成一輸出電壓，該電源供應器包含有一電源控制器、一功率開關、以及一電感元件，該控制電路適用於該電源控制器中，可以補償該電感元件之電感變異，包含有：一比較器，具有二輸入端；一第一電容，連接至該二輸入端其中之一，其中，該比較器與該第一電容係架構來定義一取樣時間，該取樣時間無關於該輸入電壓與該電感元件之一電感值；一取樣電路，於該取樣時間結束時，用以取樣持守一電流偵測信號，產生一取樣電壓，其中，該電流偵測信號可代表流經該電感元件之一電感電流；以及一最大功率/電流控制器，用來決定該輸出電壓之一最大輸出電流或是最大輸出功率；其中，該取樣電壓係用來調整該最大輸出電流或是最大輸出功率。
  7. 如請求項6之該控制電路，另包含有：一電壓電流轉換器，依據該取樣電壓，產生一取樣代表電流，對該第一電容充電；其中，於該功率開關關閉時，該比較器與該第一電容亦係架構來定義一 微調時間，其用以調整該最大輸出電流或是最大輸出功率。
  8. 如請求項7之該控制電路，其中，該二輸入端其中之一可選擇性的連接至一預設電壓或是一參考電壓，其中該參考電壓正比於該輸入電壓。
  9. 如請求項7之該控制電路，其中，該第一電容可以選擇性的由一預設電流或是該取樣代表電流充電。
  10. 如請求項7之該控制電路，其中，於該功率開關切換時，該第一電容之一第一電容電壓被重設為一預設值。
  11. 如請求項7之該控制電路，其中，該最大功率/電流控制器包含有一第二電容，其可選擇性的被一電流源充放電，該微調時間係決定該電流源對該第二電容之一充放電時間。
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