TWI339000B - - Google Patents

Description

1,339000

I > · 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種脈寬調變控制器，特別是關於一種 減少脈寬調變控制器晶片面積的裝置及方法。 【先前技術】

為了在競爭激烈的積體電路（1C)市場中脫穎而出，性 能佳和成本低是主要的關鍵，然而較佳的性能常需要較複 雜的電路及較大的晶片面積而增加製造成本。參考圖1， 一返驰（flyback)轉換器100包括一脈寬調變（pulse width modulation ; PWM)控制器180提供一 PWM信號SD給功 率級110,將一輸入電壓VIN轉換成一隔絕的直流輸出電 壓VOUT，以及一反饋電路150根據輸出電壓VOUT產生 一反饋信號Sfb給PWM控制器180,使輸出電壓VOUT維 持在一可調整的範圍。在功率級110中，輸入電壓VIN耦 接變壓器114的一次側線圈116，藉PWM控制信號SD切 換一耦接在一次側線圈116與接地端GND之間的開關 120，傳遞功率給變壓器114的二次側線圈118，對電容 126充電產生輸出電壓VOUT，一電阻122耦接在開關120 與接地端GND之間以產生一電流偵測信號Scs給PWM控 制器180的電流偵測腳CS〇PWM控制器180根據反饋信 號Sfb改變輸出腳GDR上的PWM信號SD的頻率，以控制 開關120的責任週期（duty cycle)，進而調節輸出電壓 VOUT。圖2為圖1中PWM控制器180内部的部份電路。 1339000 從反饋腳FB上的反饋信號Sfb產生一反饋補償信號 scomp’從偵測腳cs上的電流偵測信號Scs產生一遮蔽前端 的化號SLEB，一振盪器210提供一時脈信號212、一最大 工作週期限制（maximum duty limit)信號DMAXB及一電流 限制信號218,比較器220比較反饋補償信號ScQmp及信號 Sleb產生彳§號CCO，比較器222比較信號sLEB及電流限 制信號218產生信號CLO’或閘224根據信號CCO及CLO 產生一輸出信號至閂鎖226的重置端r，閂鎖226的設定 端S耦接時脈信號212，及閘228根據最大工作週期限制 k號DMAXB及閂鎖226輸出端Q的信號決定pwM信號 SD ° 參照圖1，為了使轉換器1〇〇符合電磁干擾 (electromagnetic interference ; EMI)規範，輸入端 VIN 前 會增加EMI滤波器以濾除EMI，因此增加了轉換器1 〇〇 的尺寸及成本。由於EMI濾波器的尺寸隨所要濾除的EMI φ 增加而增加，因此也可以在PWM控制器180中增加頻率 抖動（frequency jittering)電路來降低EMI，以減少EMI遽 波器的尺寸。頻率抖動電路產生一低頻（例如4ms週期）的 封包並在該封包中小幅改變振藍頻率（例如67KHz或 134KHz)。美國專利第6,249,876號揭露的數位式頻率抖動 電路包括一大的計數器以產生低頻封包，此計數器由τ型 正反器（T-flip flop)製成，因此消耗很大的晶片面積。例如 一個T型正反器要消耗相當於一個5pF電容的面積。類比 .式頻率抖動電路係藉一小電流對一大電容充電產生低頻 1339000 » . 封包’因此也消耗很大的晶片面積。頻率抖動電路雖然可 以減少EMI濾波器的尺寸’卻增加了 Pwm控制器18〇的 晶片面積。 另一方面，左PWM控制器180中還有數個強化功能 的電路，例如消除突波(deglitch)電路避免轉換器1〇〇因突 波而誤動作’以及軟啟動（soft start)電路避免轉換器1〇〇 因開機時的電流過大而損壞，這些電路都增加了 pWM控 制器18〇的晶片面積及成本。美國專利第6,1〇7,851號及 ^ 第6,229,366號將PWM控制器中的軟啟動與頻率抖動整°合 在一起，以降低PWM控制器的晶片面積及成本。然而， 在PWM控制H中尚包括許多需長時間延遲的功能，例如 偵測過載、輕載、反饋開路、光耦合器短路或掉電 (brownout) ’這些功能需要根據不同的偵測電路經不同的 RC電路產生長時間延遲而辨識。RC電路產生的時間延遲 越長，辨識的可靠度就越高，但是RC電路所需的晶片面 φ 積就越大，導致晶片面積無法進一步縮小。 為了進-步縮小晶片面積，-種共用頻率抖動電路的 PWM控制器利用頻率抖動電路產生的低頰封包提供一長 的時間給需要長時間執行或辨識的電路使用，以省略製作 RC電路的晶片面積。如圖3所示，在一使用數位式頻率 抖動電路的PWM控制器300中，為了使振盪器322、反 饋開路偵測電路310、過載偵測電路312、掉電偵測電路 314及光耦合器短路偵測電路316共用主計數器324，一 時脈分流電路(clock diverting circuit)320從渠等產生的作 7 1339000

j中決定-作為輸人主計數器324的時脈。在正常摔作 計數器324以㈣器3以生的時脈信號為時脈啟 十數，以觸發頻率抖動328及軟啟動計時器33卜當反 饋，路偵測電路训、·貞測電路3】2、掉㈣測電路 或先耗合器短路_電路316任何一個僧測到對應的 ;4況發生時，其產生的_信號具有最高的順位，主 器24以„亥谓測號為時脈啟動計數，以及副計數器 326作為主植n’ 324的下游增加計數時間，以取代提供 時間延遲的RC電路侧判斷電路332根據副計數器似 ^汁數結果，判斷偵測到的異常狀況是否真的發生，若 =則執灯對應的保護功能334，例如關機，反之，則回 復正常操作336。副計數器326產生的計數時間大於所需 的^時間延遲，以增加判斷的可靠度。然而，此種PWM 控制器300仍然需要不同的谓測電路310至316進行偵 測，且為了決定正確的時脈給主計數器324而導致時脈分 流電路32〇過於複雜，因此減少的 所不’即使將振蘯器322及頻率抖冑328歸納為同一群組 (例如正4知作電路），將反饋開路偵測電路3丨〇、過載偵 測電路312、掉電債測電路314及光搞合器短路偵測電路 =歸納為另—群組(例如故障偵測電路338)，以簡化時脈 分流電路320,仍常因在正常操作時的暫態或突波使故障 1電路338制到故障，導致主計數器324略過(byp㈣ 正常操作電路’干擾到頻率抖動328的正常運作，造成 PWM控制器3〇〇在使用上極大的困擾。 8 1339000 • . 因此，種可大1減少晶片面積且不會造成干擾的 PWM控制器及方法，乃為所冀。 【發明内容】 本發明的目的之-’在於提出一種減少pwM控制器 晶片面積的裝置及方法。 本發明的目的之—’在於提供一種防止pWM控制器 中保護電路與頻率抖動之間的干擾的震置及方法。 根據本發明，一種減少PWM控制器晶片面積的裝置 及方法包括在該PWM控制器中選取一故障共通信號，用 以表不疋否發生故障事件，以及一保護電路根據一低頻時 脈信號及該故障共通信號判斷是否觸發一保護功能。 本發明利用一保護電路根據一故障共通信號及一低 頻時脈信號決定是否觸發一保護功能，因此不需故障偵測 電路及複雜的時脈分流電路，且由於該保護電路可以和頻 φ率抖動電路完全分開，使二者獨立運作而不會互相干擾， •因此達到簡化電路、縮小晶片面積及降低成本的目的。 【實施方式】 從圖1及圖2可知，pWM控制器18〇根據返馳轉換 器100的狀態產生最大工作週期限制信號〇]^八又8及信號 CCO及CLO控制開關12〇。在返馳轉換器1〇〇正常操作 時，PWM控制器180根據信號cc〇產生pWM信號％ 切換開關120，在返馳轉換器1〇〇出現故障事件時，信號 9 1339000

CCO消失，pWM控制器i 8〇根據信號cL〇或最大工作週 2限制㈣DMAXB產生p WM信號Sd切換開關12〇。換 β之’仏號CCO為所有故障之間的共通信號，當信號cc〇 出現時，便無故障發生D • 根據以上的特性，圖5提供一個PWM控制器5〇〇, 其基本架構和習知技術相同，但是信號cc〇被拿來當作 -個故障共通信號，頻率抖動電路25()產生—時脈信號& 及:頻率抖動信號Sj，保護電路512根據時脈信號^及 故I5早共通信號CCO判斷是否觸發一保護功能，例如關機， 以及振逢器210根據頻率抖動信?虎Sj維持頻率抖動功能。 > D 6係頻率抖動電路25G以數位式電路實現的一個實 施例’其包括一計數器52〇，例如一具有八位元的計數器， 根據振盪器210產生的時脈信號212啟動計數，以及:頻 率變化電路522根據計數器52〇各位元則至β7產生頻率 抖動信號心給振堡器210,以達成頻率抖動功能。保護電 参路512包括一計數器54〇，例如一三位元計數器，作為計 數器520的下游(downstream)，在被故障共通信號⑽重 置後，因應低頻時脈信號心(例如一頻率等於頻率抖動的 封^頻率的低頻時脈信號)產生頻率低於頻率抖動的封包 的信號，以提供一較長的計數時間，以及一判斷電路 550(例如一及閉）根據計數器54〇的輸出信號判斷是否產 生一保護信號SP觸發保護功能。在此實施例中， Z U串接的τ型正反器542、544及546，其輸入端；r 搞接南電位，例如5V，重置端_接故障共通信號⑽， 1339000 時脈端CLK耦接前一级的輸出端，例如T型正反器542、 544及546的時脈端CLK分別耦接計數器520的輸出端 QB、T型正反器542的輸出端QB及Τ型正反器544的輸 出端QB，判斷電路550的輸入端耦接T型正反器542、 544及546的輸出端Q以決定保護信號SP。在不同的實施 例中，計數器540包含不同數量的T型正反器。

如圖7所示，在不同的實施例中，低頻時脈信號sT 由類比式頻率抖動電路中之低頻三角波電路產生，此時， 頻率抖動電路250包括〆低頻三角波電路260、一單擊信 號產生器576以及一傳導放大器564，圖8係圖7電路的 波形圖。參照圖7及圖8，三角波電路260包括一電流源 560用以對一電容566充電’一開關562耦接在電流源56〇 與電谷566之間’ 一開關570搞接在電容566與共用端 COM之間’一電流源568耦接在電容566與開關570之 間，一磁滯比較器574根據電容566上的電壓vc與一朱 考電壓vREF比較產生一磁滯信號Shy，一反相器572耦接 在磁滯信號SHY與開關562之間，開關562及57〇根據磁 滯信號SHY控制電容566的充放電，使電容566上的電壓 Vc變化為一低頻（例如4ms週期）的三角波，當磁滯信號 Shy為低準位時，開關562及570分別為導通狀態及非導 通狀態，電容566被充電，當磁滯信號Shy為高準位時， 開關562及57〇分別為非導通狀態及導通狀態，電容挪 被放電。料信號產生器576因應磁滯信號Shy從低準位 轉為高準位產生-單擊信號58()形成給保護電路512的時 11 1339000 脈信號sT，以及傳導放大器564根據電容566上的電壓 Vc產生一電流作為給振盪器210的頻率抖動信號s,。在本 實施例中，開關562及570包括電晶體，參考電壓 為磁滯比較器574切換電壓νΗγ的中心值，電容566為 大電容，以及電流源560及568為小電流源。 參考圖5至圖7，PWM控制器5〇〇執行保護功能的方 式修改為使需要長時間執行或驗證的功能經由計數器54〇 執订，計數器540的計數上限取代了此電路產生的時間 =遲。當使用PWM控制器_的裝置，例如-㈣轉換 為’在正常操作時’頻率抖動電路25〇產生 ~及時脈信號ST，計數器⑽被故障共通信號⑽重。置: 振盛器2U)根據頻率抖動信號&維持頻率 ^件發生時，例如反饋開路、料、⑽合器短路^ 電，：率:她250仍產生頻率抖動信號〜及時脈信號 二tf:210根據頻率抖動信號、維持頻率抖動功能， 號cco消失，啟動計數器540因應時脈 计數’若該故障在達到一設定的計數上限後仍存 定該故障真的發生，因此藉信號Sp觸發一保護功 月匕’例如闕機，反之，當該故障消失日夺，計㈣％ 被故障共通_號i σ 再人 置，恢復正常操作。由於故障共 /CO)在故障事件時消失且只重 =::測:路及時脈分流電路，亦不會影響頻率= 目的。達到減少晶片面積、降低成本及避免干擾的 【圖式簡單說明】 圖I係典型的返馳轉換器； 圖2係圖I中PWM控制器内部的部份電路 圖3係習知PWM控制.器的示意圖； 圖4係習知群組化後pWM控制器的示意圖; 圖5係本發明減少晶片面積的PWM控制器; 圖6係數位式頻率抖動電路的實施例； 圖7係類比式頻率抖動電路的實施例；以及 圖8係圖7電路的波形圖。 【主要元件符號說明】 100 返驰轉換器 110 功率級 114 變壓器 116 一次側線圈 118 二次側線圈 120 開關 122 電阻 126 電容 150 反饋電路 180 PWM控制器 210 振盪器 212 時脈信號 1339000 218 電流限制信號 220 比較器 222 比較器 224 或閘 226 閂鎖 228 及閘 250 頻率抖動電路 260 低頻三角波電路

300 PWM控制器 310 反饋開路偵測電路 312 過載偵測電路 314 掉電偵測電路 316 光偶合器短路偵測電路 320 時脈分流電路 322 振盪器

324 主計數器 326 副計數器 328 頻率抖動 330 軟啟動計時器 332 保護判斷電路 334 保護功能 336 正常操作 338 故障偵測電路 500 PWM控制器 14 1339000 ♦ .

512 保護電路 520 計數器 522 頻率變化電路 540 計數器 542 T型正反器 544 T型正反器 546 T型正反器 550 判斷電路 560 電流源 562 開關 564 傳導放大器 566 電容 568 電流源 570 開關 572 反向器 574 磁滯比較器 576 單擊信號產生器 580 單擊信號 15

Claims (1)

1. 十、申請專利範固··

   L 一種減少脈寬調變控制器晶片面積的裝置，包括: 根據一低頻時脈信號及一故障共通信號 判斷疋否觸發一保護功能； /、中該故卩早共通k號從該脈寬調變控制器十選取， 用以表示是否發生一故障事件。 2·如4求項1的裝置，其中該保護電路包括：

   一計數器’在受該故障共通信號重置後，根據該低頻 時脈信號啟動計數；以及 判斷電路，在該計數器達到-計數上限時觸發一保 護信號。 "^ 3. 如請求項2的裝置，其中該判斷電路包括—及間。 4. 如請求項2的裝置，其中該計數器包括一串τ 正反器。

   5. —種減少脈寬調變控制器晶片面積的方法，包括下 列步驟： 從5亥脈覓調變控制器中選取一故障共通信號，用以表 示是否發生一故障事件； 在该故障共通信號消失後，因應一低頻時脈信號進行 計數；以及 當該計數達到一上限次數時，產生一保護信號供觸發 一保護功能。 16