TW201813262A - 具有改善的動態反應以及降低的開關損失之開關式電源供應器與相關之控制方法 - Google Patents

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Abstract

適用於一開關式電源供應器的一種控制方法。該開關式電源供應器包含有一變壓器以及一功率開關。該控制方法包含有：提供一PWM信號，控制該功率開關，其中，該PWM信號有一開關頻率；偵測該變壓器之一跨壓，以提供一釋磁時間；依據一補償電壓，控制該開關頻率，其中，該補償電壓相關於該開關式電源供應器之一輸出電壓；依據該釋磁時間以及一電流偵測信號，提供一睡眠信號，其中該電流偵測信號可代表流經該變壓器之一繞組電流；當該睡眠信號被致能時，使該開關頻率的最小值為一第一頻率值；以及，當該睡眠信號被致能時，使該開關頻率為一睡眠頻率值，小於該第一頻率值。

Description

具有改善的動態反應以及降低的開關損失之開關式電源供應器
本發明大致係關於開關式電源供應器的控制方法與電源控制器，尤其是關於採用一次側控制的開關式電源供應器。
電源供應器幾乎是所有電子產品所必備的裝置。舉例來說，電源供應器可以將交流市電轉換為電子產品的主要電路(core circuit)所需要的電源規格。在所有的電源供應器當中，開關式電源供應器具有轉換效率佳以及產品體積小的優點，因此廣受業界的普遍採用。
為了預防使用者受到不必要的雷擊或是市電的高電壓損害，電源供應器一般具有相隔絕的一次側與二次側，兩者之間沒有直流電流。位於一次側的電壓準位都參考市電的輸入地；而位於二次側的電壓準位則是參考一個浮動的輸出地。
開關式電源供應器可在一次側產生脈衝寬度調變(PWM)信號，來控制一功率開關，藉以控制從一次側轉換到二次側的電能，目的是使在二次側的一輸出電源可以符合規格。舉例來說，可以使輸出電源的輸出電壓大約維持在很接近5V的一個可容許範圍內。
一般來說，一次側控制是由位於一次側的電路透過一電感元 件所產生的感應電動勢，來間接偵測位於二次側的輸出電壓。相對來說，二次側控制是由位於二次側的電路來直接偵測輸出電壓，然後透過光耦合器，在一次側建立補償電壓。
第1圖顯示一一次側控制的開關式電源供應器10。電源控制器12包含有電流偵測端CS、電源端VCC、驅動端DRV以及回饋端FB。變壓器包含有互相耦合的主繞組PRM、輔助繞組AUX與二次側繞組SEC。在一次側的電源控制器12，透過回饋端FB、電阻14與16、輔助繞組AUX與二次側繞組SEC，在變壓器釋磁(demagnetize)時，偵測位於二次側的輸出電壓VOUT。電源控制器12提供PWM信號SDRV，控制變壓器的儲能(增加磁能)與釋磁。
電源供應器有一種測試條件稱為動態反應(dynamic response)。第2圖顯示開關式電源供應器10的一種動態反應測試與結果，其中分別表示負載電流ILOAD、PWM信號SDRV、以及輸出電壓VOUT的信號波形。如同第2圖中的負載電流ILOAD所示，動態反應測試是週期性的將開關式電源供應器10的負載18切換於重載與無載。因此，在重載時，PWM信號SDRV的開關頻率fSW很高；無載時，開關頻率fSW很低。隨著負載18的變化，輸出電壓VOUT會短暫的漂移開目標電壓VTAR。飄移量越少，表示開關式電源供應器10的穩壓能力(regulation ability)越好，動態反應越好。
為了降低功率開關的開關損失(switching loss)，在無載時PWM信號SDRV的開關頻率fSW大多會設計的非常低，如同第2圖所示。換言之，無載時，開關式電源供應器10很久才會發生一次釋磁，才能得知輸出電壓VOUT。如果開關頻率fSW設計的太低，那開關式電源供應器10很可能在 輸出電壓VOUT已經掉出了容許範圍外，都還沒有反應過來。因此，無載時的開關頻率fSW設計就變得很兩難。無載時開關頻率fSW太高，開關損失(switching loss)會太高；無載時開關頻率fSW太低，動態反應可能很差。
本發明之一實施例提供一種控制方法，適用於一開關式電源供應器。該開關式電源供應器包含有一變壓器以及一功率開關。該控制方法包含有：提供一PWM信號，控制該功率開關，其中，該PWM信號有一開關頻率；偵測該變壓器之一跨壓，以提供一釋磁時間；依據一補償電壓，控制該開關頻率，其中，該補償電壓相關於該開關式電源供應器之一輸出電壓；依據該釋磁時間以及一電流偵測信號，提供一睡眠信號，其中該電流偵測信號可代表流經該變壓器之一繞組電流；當該睡眠信號被禁能時，使該開關頻率的最小值為一第一頻率值；以及，當該睡眠信號被致能時，使該開關頻率為一睡眠頻率值，小於該第一頻率值。
本發明之一實施例提供一種電源控制器，適用於一開關式電源供應器，其包含有一變壓器以及一功率開關。依據一補償電壓，一PWM控制器提供一PWM信號，控制該功率開關。該PWM信號有一開關頻率。一釋磁偵測器，用以偵測該變壓器之一跨壓，以提供一釋磁時間。一頻率控制器，受控於該補償電壓，大約用以控制該開關頻率。依據該釋磁時間以及一電流偵測信號，一輸出電流比較器提供一睡眠信號至該頻率控制器。該電流偵測信號可代表流經該變壓器之一繞組電流。當該睡眠信號為禁能時，該頻率控制器使該開關頻率的最小值為一第一頻率值，當該睡眠信號為致能時，該頻率控制器使該開關頻率為一睡眠頻率值，小於該第一頻率 值。
10‧‧‧開關式電源供應器
12‧‧‧電源控制器
14、16‧‧‧電阻
18‧‧‧負載
30‧‧‧開關式電源供應器
32‧‧‧電源控制器
62‧‧‧取樣持守電路
64‧‧‧轉導器
65‧‧‧釋磁偵測器
66‧‧‧PWM控制器
68‧‧‧準位位移器
70‧‧‧比較器
72‧‧‧SR正反器
74‧‧‧頻率控制器
76、76a‧‧‧輸出電流比較器
80‧‧‧定電流源
82‧‧‧開關
84‧‧‧取樣器
86‧‧‧電壓電流轉換器
90‧‧‧電容
92‧‧‧延遲器
94‧‧‧比較器
96‧‧‧電容
98‧‧‧開關式電容電路
AUX‧‧‧輔助繞組
CCOM‧‧‧補償電容
COM‧‧‧補償端
COUT‧‧‧輸出電容
CRVNOR、CRVSLEEP‧‧‧轉換曲線
CS‧‧‧電流偵測端
DRV‧‧‧驅動端
FB‧‧‧回饋端
fMIN-NOR‧‧‧最小值
fMIN-SLEEP‧‧‧最小值
fSW‧‧‧開關頻率
IDN‧‧‧下拉電流
ICS‧‧‧繞組電流
ILOAD‧‧‧負載電流
IN‧‧‧輸入電源線
ISEC‧‧‧二次側電流
ISET‧‧‧預設電流
ISEC-PEAK‧‧‧二次側電流峰值
ISET-REF‧‧‧定電流
GND‧‧‧接地線
PRM‧‧‧主繞組
RCS‧‧‧電流偵測電阻
SDMG‧‧‧釋磁信號
SDRV‧‧‧PWM信號
SEC‧‧‧二次側繞組
SSLEEP‧‧‧睡眠信號
TCYC‧‧‧週期時間
TDELAY‧‧‧時間延遲
TDMG‧‧‧釋磁時間
TNO-LOAD‧‧‧無載時間
TOFF‧‧‧關閉時間
TON‧‧‧開啟時間
t1、t2‧‧‧時間點
tS/H‧‧‧時間點
VAUX‧‧‧跨壓
VCC‧‧‧電源端
VCOMP‧‧‧補償電壓
VCS‧‧‧電流偵測電壓
VCS-MED‧‧‧中間值
VCS-PEAK‧‧‧峰值
VCS-SAM‧‧‧取樣結果
VD-LIGHT‧‧‧電容電壓
VLIGHT‧‧‧電容電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VS/H‧‧‧樣本電壓
VTAR‧‧‧目標電壓
VTH‧‧‧臨界電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
第1圖顯示一一次側控制的開關式電源供應器。
第2圖顯示第1圖之開關式電源供應器0的一種動態反應測試結果。
第3圖為依據本發明之實施例所產生的一開關式電源供應器。
第4圖舉例說明第3圖中的電源控制器。
第5圖則顯示一些第4圖中的信號波形。
第6圖顯示了補償電壓VCOMP對開關頻率fSW的關係。
第7圖舉例第4圖中的輸出電流比較器。
第8圖顯示當負載18由重變成無載後的一些信號波形。
第9圖顯示第3圖之開關式電源供應器在動態反應下之測試結果。
第10圖顯示依據本發明所實施的另一輸出電流比較器。
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。
第3圖為依據本發明之實施例所產生的一開關式電源供應器30，其中與第1圖相同或是相似之處，為簡潔的緣故，不再累述。電源控制器32有一補償端COM，連接到一補償電容CCOM。電流偵測電阻RCS、功率開關20、與主繞組PRM串聯於輸入電源線(input power line)IN與接地線GND之 間。電流偵測電阻RCS提供電流偵測電壓VCS給電源控制器32，電流偵測電壓VCS可以代表流經功率開關20與主繞組PRM的繞組電流ICS。
第4圖舉例說明電源控制器32。第5圖則顯示一些第4圖中的信號波形。
取樣持守電路62連接至回饋端FB，透過電阻14與16、輔助繞組AUX、二次側繞組SEC，在變壓器釋磁時，偵測位於二次側的輸出電壓VOUT。舉例來說，取樣持守電路62在第5圖中的時間點tS/H進行取樣，產生並持守樣本電壓VS/H。樣本電壓VS/H可以代表或對應到輸出電壓VOUT。
轉導器(transconductor)64比較樣本電壓VS/H與一參考電壓VREF，據以對補償電容CCOM充電或放電，產生補償電壓VCOMP。當樣本電壓VS/H偏離參考電壓VREF了，表示當下輸出電壓VOUT不等於目標電壓VTAR，開關式電源供應器30應該相對應的增加或是減少電源功率轉換，因此改變補償電壓VCOMP。越低的補償電壓VCOMP，表示負載18越輕。
在第4圖中，補償電壓VCOMP透過PWM控制器66，控制PWM信號SDRV的開啟時間TON。如同第5圖所示，開啟時間TON時，電流偵測信號VCS大致線性地上升。當電流偵測信號VCS超過補償電壓VCOMP經過準位位移器68所產生的一對應電壓後，比較器70重置SR正反器72，使PWM信號SDRV成為邏輯上的0，結束了開啟時間TON，開始關閉時間TOFF。簡單的說，補償電壓VCOMP可以決定電流偵測信號VCS的峰值VCS-PEAK，也決定了開啟時間TON的長度。比較高的補償電壓VCOMP，表示比較高的峰值VCS-PEAK，以及比較長的開啟時間TON。
釋磁偵測器65，透過回饋端FB、電阻14與16，偵測輔助繞 組AUX的跨壓VAUX，以提供釋磁時間TDMG。舉例來說，釋磁偵測器65可以偵測在回饋端FB上之回饋電壓VFB大約等於或大於樣本電壓VS/H的時間，來產生釋磁信號SDMG，其可以指示出釋磁時間TDMG，如同第5圖所示。釋磁時間TDMG內，二次側繞組SEC產生二次側電流ISEC，對輸出電容COUT充電或是對負載18供電。釋磁時間TDMG大約就是二次側電流ISEC大於0A的時間。
輸出電流比較器76，依據釋磁時間TDMG以及電流偵測信號VCS，提供睡眠信號SSLEEP至頻率控制器74。從釋磁時間TDMG與電流偵測信號VCS，輸出電流比較器76可以大略地得知當下開關週期內從二次側繞組SEC所輸出的總電荷量。如此，輸出電流比較器76可以從一次側，辨識出當下二次側的負載電流ILOAD是否穩定的低於一定值。如果是，就使睡眠信號SSLEEP致能；相反的，如果不是，就使睡眠信號SSLEEP禁能。輸出電流比較器76的細部電路，將稍後解釋。
補償電壓VCOMP與睡眠信號SSLEEP一起決定了PWM信號SDRV的開關頻率fSW，其為週期時間TCYC的倒數，而週期時間TCYC為開啟時間TON與關閉時間TOFF的合。補償電壓VCOMP控制頻率控制器74，其可以大略地決定在何時設置(set)SR正反器72，使PWM信號SDRV成為邏輯上的1，結束了關閉時間TOFF，開始開啟時間TON。當補償電壓VCOMP越高，週期時間TCYC越短，開關頻率fSW就越大。在一實施例中，頻率控制器74可以提供了第6圖中的補償電壓VCOMP對開關頻率fSW的兩條轉換曲線CRVNOR與CRVSLEEP。當睡眠信號SSLEEP為禁能時，頻率控制器74提供轉換曲線CRVNOR，其對應之開關頻率fSW具有一最小值fMIN-NOR；當睡眠信號SSLEEP為致能時，頻率控制器74提供轉換曲線CRVSLEEP，其對應之開關頻率fSW具有一最小值fMIN-SLEEP。如同第6 圖所示的，最小值fMIN-SLEEP小於最小值fMIN-NOR。
第7圖舉例第4圖中的輸出電流比較器76，其包含有一定電流源80、開關82、取樣器84、電壓電流轉換器86、延遲器92、以及比較器94。取樣器84對電流偵測信號VCS取樣，用以產生一取樣結果VCS-SAM。在此實施例中，取樣結果VCS-SAM代表了峰值VCS-PEAK。但本發明不限於此。在另一實施例中，取樣結果VCS-SAM代表了中間值VCS-MED，也就是大約於二分之一開啟時間TON時，電流偵測信號VCS的值。電壓電流轉換器86將取樣結果VCS-SAM轉換為下拉電流IDN，在釋磁信號SDMG所指示的釋磁時間TDMG內，對電容90放電。定電流源80提供定電流ISET-REF，對電容90充電。一個開關週期後，電容90上的電容電壓VLIGHT上的電壓變化dVLIGHT，可以以以下公式表示dV LIGHT =dQ 90/C 90=(I SET-REF ×T SW -I DN ×T DMG )/C 90=(I SET-REF ×T SW -K 1×I CS-PEAK ×T DMG )/C 90 =(I SET-REF ×T SW -K 2×I SEC-PEAK ×T DMG )/C 90=(I SET-REF ×T SW -K 2×I LOAD ×T SW )/C 90=K 3×(I SET -I LOAD )×T SW /C 90
其中，dQ90為電容90儲存之電荷變化量，K1、K2、K3都為常數，ISEC-PEAK為相對應峰值VCS-PEAK的二次側電流峰值，顯示於第5圖，ISET為對應定電流ISET-REF之一預設電流，C90為電容90的電容值。從以上公式中可以發現，當負載電流ILOAD小於預設電流ISET時，電容電壓VLIGHT會隨著開關週期次數的增加而上升；相反的，如果負載電流ILOAD大於預設電流ISET時，電容電壓VLIGHT會隨著開關週期次數的增加而下降。簡單的說，定電流源80、開關82、取樣器84、以及電壓電流轉換器86一起，從一次側來偵測二次側的負載電流ILOAD，並用以跟預設電流ISET相比較。
延遲器92大致上為一RC電路，包含有電容96以及開關式電容電路98。開關式電容電路98作為一個電阻，其中的兩個開關分別受到反向與非反向之PWM信號SDRV所控制。延遲器92可以提供一時間延遲TDELAY給電容電壓VLIGHT，而產生電容電壓VD-LIGHT。
比較器94比較電容電壓VD-LIGHT與一臨界電壓(threshold voltage)VTH，並據以產生睡眠信號SSLEEP。當電容電壓VD-LIGHT高於臨界電壓VTH時，睡眠信號SSLEEP被致能；反之，睡眠信號SSLEEP被禁能。
第8圖顯示當負載18由重變成無載後的一些信號波形。在起始狀態，負載18為重載，負載電流ILOAD為一很大的值，開關頻率fSW很高，電容電壓VLIGHT與VD-LIGHT都維持在一最低值，睡眠信號SSLEEP為禁能。在時間點t1，負載18由重變成無載，負載電流ILOAD為0。隨著補償電壓VCOMP的掉落，依據第6圖中的轉換曲線CRVNOR，開關頻率fSW在時間t1之後很快降至最小值fMIN-NOR。同時，因為反應負載電流ILOAD為0，小於預設電流ISET，所以電容電壓VLIGHT上升到其最大值。在時間t1之時間延遲TDELAY後的時間t2，電容電壓VD-LIGHT才爬到超過臨界電壓VTH，因而致能睡眠信號SSLEEP。所以，在時間t2之後，依據第6圖中的轉換曲線CRVSLEEP，開關頻率fSW變為比最小值fMIN-NOR更小的最小值fMIN-SLEEP。從第8圖可以發現，當負載18一直保持為無載下，開關頻率fSW最後會是最小值fMIN-SLEEP，如此，可以降低開關損失，節省電源。
第9圖顯示第3圖之開關式電源供應器30在動態反應下之測試結果。在第9圖的動態反應測試中，每次的負載18位於無載的時間為無載時間TNO-LOAD，都小於時間延遲TDELAY。因此，電容電壓VD-LIGHT一直都無法 到達臨界電壓VTH，就被拉下來了。所以睡眠信號SSLEEP一直是禁能。頻率控制器74提供了轉換曲線CRVNOR，使得開關頻率fSW在無載時間TNO-LOAD內，為最小值fMIN-NOR，如同第9圖所示。因為在第9圖中的動態反應測試下，開關頻率fSW為最小值fMIN-NOR，比最小值fMIN-SLEEP高。因此，開關式電源供應器30可以比較快去偵測二次側之負載18變化，一次側的電源控制器32可以快速的反應，避免輸出電壓VOUT過度掉落。
第7圖僅僅是舉例說明輸出電流比較器76，本發明並不限於此。第10圖顯示另一輸出電流比較器76a，可以取代第4圖中的輸出電流比較器76。第10圖中的輸出電流比較器76a可以參考先前的解說而了解，不再累述。
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。

Claims (10)

  1. 一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，該開關式電源供應器包含有一變壓器以及一功率開關，該控制方法包含有：提供一PWM信號，控制該功率開關，其中，該PWM信號有一開關頻率；偵測該變壓器之一跨壓，以提供一釋磁時間；依據一補償電壓，控制該開關頻率，其中，該補償電壓相關於該開關式電源供應器之一輸出電壓；依據該釋磁時間以及一電流偵測信號，提供一睡眠信號，其中該電流偵測信號可代表流經該變壓器之一繞組電流；當該睡眠信號被禁能時，使該開關頻率的最小值為一第一頻率值；以及當該睡眠信號被致能時，使該開關頻率為一睡眠頻率值，小於該第一頻率值。
  2. 如申請專利範圍第1項之該控制方法，包含有：將該電流偵測信號轉換為一第一電流；以該第一電流於該釋磁時間，對一電容進行一第一動作；以一第二電流對該電容進行一第二動作，該第二動作相反於該第一動作；以及依據該電容上的一第一電容電壓，產生該睡眠信號。
  3. 如申請專利範圍第2項之該控制方法，包含有：延遲該第一電容電壓，以產生一第二電容電壓；以及比較該第二電容電壓與一臨界電壓，以產生該睡眠信號。
  4. 如申請專利範圍第1項之該控制方法，包含有：取樣該跨壓，以產生一樣本電壓；以及比較該樣本電壓與一參考電壓，以產生該補償電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項之該控制方法，包含有：於該釋磁時間內取樣該跨壓，以產生該樣本電壓。
  6. 一種電源控制器，適用於一開關式電源供應器，其包含有一變壓器以及一功率開關，該電源控制器包含有：一PWM控制器，依據一補償電壓，提供一PWM信號，控制該功率開關，其中，該PWM信號有一開關頻率；一釋磁偵測器，用以偵測該變壓器之一跨壓，以提供一釋磁時間；一頻率控制器，受控於該補償電壓與一睡眠信號，大約控制該開關頻率；以及一輸出電流比較器，依據該釋磁時間以及一電流偵測信號，提供該睡眠信號至該頻率控制器，其中該電流偵測信號可代表流經該變壓器之一繞組電流；其中，當該睡眠信號為禁能時，該頻率控制器使該開關頻率的最小值為一第一頻率值，當該睡眠信號為致能時，該頻率控制器使該開關頻率為一睡眠頻率值，小於該第一頻率值。
  7. 如申請專利範圍第6項之該電源控制器，其中，該輸出電流比較器包含有：一第一電流源，提供一第一電流，對一第一電容進行一第一動作；以及 一電壓電流轉換器，用以將該電流偵測信號轉換為一第二電流，於該釋磁時間，對該第一電容進行一第二動作，其相反於該第一動作。
  8. 如申請專利範圍第7項之該電源控制器，其中，該輸出電流比較器包含有：一延遲器(delay circuit)，連接至該第一電容，用以延遲該第一電容上之一第一電容電壓，以產生一第二電容電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項之該電源控制器，其中，該延遲器包含有一開關式電容電路(switched-capacitor circuit)。
  10. 如申請專利範圍第8項之該電源控制器，其中，該輸出電流比較器另包含有：一比較器，用以比較該第二電容電壓以及一臨界電壓，以產生該睡眠信號。
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