TWI422129B - 電源控制電路以及方法 - Google Patents

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Description

電源控制電路以及方法
本發明係關於電源供應器與相關之控制方法，尤指操作於輕載或無載時的電源供應器與控制方法。
電源供應器用來轉換電源，以提供符合規格的電源給電子裝置或是元件。為了轉換效率的考量，電源供應器本身所消耗的能量應該是越小越好。尤其是輕載或是無載時，電源供應器一點點的能量消耗，就會大幅降低轉換效率。因此，如何在輕載或是無載降低電源供應器的能量損耗，是設計者追求的目標。
在輕載或是無載，開關模式電源供應器(switched mode power supply)有設計在操作於跳躍模式(skip mode)或是叢集模式(burst mode)。以第1圖之返馳式電源供應器60為例，電源管理器(power management controller)74控制功率開關72，使變壓器65從輸入電源AC儲能或是對輸出電源釋能。補償信號SCOM ，透過LT431與光耦合器(photo coupler)63所構成的回饋路徑，受控於輸出電源之電壓VOUT 。第2圖顯示電源管理器74a之內部電路示意圖，可適用於第1圖中。當叢集信號SBST 為致能時，時脈產生器86所產生的時脈信號SCLK ，透過邏輯控制器62，週期性地開啟功率開關72，所以稱之為開關狀態。而功率開關72的開啟時間則由限制信號SCS-L 與比較器82所控制。限制信號SCS-L 由準位移動器(level shifter)67所產生，可以視為等效於補償信號SCOM 。電阻61提供一供電路徑，以電源Vcc供電來產生補償信號SCOM 。當補償信號SCOM 低過叢集參考電壓VBST-REF 時，比較器84便禁能(disassert)叢集信號SBAT ，使時脈信號SCLK 無法開啟功率開關72，維持在不開關狀態(non-switching state)。第3圖為第2圖顯示電源管理器74a，操作在輕載或是無載時，所可能產生的時脈信號SCLK 、信號VG 與電流偵測信號VCS 的波形。隨著補償信號SCOM 的波動，在一個或連續幾個開關週期中，電源管理器74a控制信號VG 使功率開關72導通，然後在後續之一個或連續幾個開關週期，維持功率開關72關閉。這便是所謂跳躍模式(skip mode)或是叢集模式(burst mode)。以下統稱為叢集模式(burst mode)。
概念上，叢集模式都是致力於停止連續幾次大致無效的開關週期，而把能量轉換集中在連續幾次比較有效的開關週期。但是，如果沒有適當的控制有效的開關週期中的能量轉換，叢集模式很容易發生令人不悅的異音(audio noise)。舉例來說，如果第3圖中的群組週期TG ，也就是維持在開關狀態(switching state)的時段TB 與維持在不開關狀態(non-switching state)的時段TS 總和，所對應的群組頻率fG ，落入音頻的範圍的話，就會容易產生令人不悅的異音(audio noise)。
本發明之實施例提供一種電源控制電路，適用於一電源供應器。該電源控制電路包含有一時脈產生器以及一相位控制器。該時脈產生器提供一時脈信號。該相位控制器偵測一群組參考信號以及一叢集起始信號之相位，以產生一叢集信號，並使該叢集信號之該相位，不早於該群組參考信號之該相位。該叢集信號可切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一。該群組參考信號係依據該時脈信號而產生，其頻率低於該時脈信號。該叢集起始信號受控於該電源供應器之一輸出電源。
本發明之實施例提供一電源控制方法，適用於一電源供應器。首先提供一時脈信號；依據該時脈信號，產生一群組參考信號，其中，該群組參考信號的頻率低於該時脈信號之頻率；提供一補償信號，其受控於該電源供應器之一輸出電源；依據該補償信號，產生一叢集起始信號；偵測該群組參考信號以及該叢集起始信號之相位；依據該群組參考信號以及該叢集起始信號，產生一叢集信號，且使該叢集信號之該相位，不早於該群組參考信號之該相位；以及，依據該叢集信號，切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一。
本說明書以返馳式(flyback)開關模式電源供應器(converter)作為實施例，來介紹本發明，但本發明並不限於實施於返馳式，也可適用於昇壓式(boost)、降壓式(buck)、或是其他形式的架構。
第4圖為依據本發明實施的電源管理器74b，可適用於第1圖中的電源供應器60。電源管理器74b可以限制群組頻率fG ，使其不大於一特定值。舉例來說，群組頻率fG 不會大於1kHz。如此，群組頻率fG 的諧振頻率(harmonic frequencies)，在5kHz至15kHz之音頻敏感範圍內，其強度可以比較低，比較可能降低異音的產生。
從比較第4圖與第2圖可知，第4圖中增加了有相位控制器64、峰值固定器66、以及脫離比較器68。至於其他元件為可為業界人士所推知，在此不再累述。
相位控制器64有三個輸入端，分別接收時脈產生器86所產生的時脈信號SCLK 、比較器84所產生的叢集起始信號SBST-INN 、以及脫離比較器68所提供的脫離信號SEXT ，而產生叢集信號SBST 以及壓抑信號SDPS 。當叢集起始信號SBST-INN 轉態時，雖然意味著電源供應器60應該切換不開關狀態或是開關狀態，但是，相位控制器64不一定會馬上將叢集信號SBST 轉態，而是會視叢集起始信號SBST-INN 與群組參考信號SSCLK 的相位發生的早晚來反應。此外，在某些狀況下，相位控制器64可致能壓抑信號SDPS ，透過峰值固定器66使電流偵測信號VCS 的峰值大約為一定值，不隨補償信號SCOM 而變化。稍後將以電路之實施例，說明相位控制器64與峰值固定器66的動作。
第5圖例示第4圖中的相位控制器64與峰值固定器66之內部電路。
相位控制器64有降頻器28、壓抑信號產生器26、以及頻率限定器24。降頻器28依據時脈信號SCLK ，產生一個頻率比較低的群組參考信號SSCLK 。舉例來說，時脈信號SCLK 的頻率為25kHz時，群組參考信號SSCLK 為1kHz。壓抑信號產生器26在釋放信號SFREE 或脫離信號SEXT 為致能時，禁能壓抑信號SDPS 。
頻率限定器24使叢集信號SBST 的頻率，不高於群組參考信號SSCLK 的頻率。頻率限定器24中有相位比較器22，其比較群組參考信號SSCLK 與叢集起始信號SBST-INN 的相位。在第5圖中，相位比較器22比較群組參考信號SSCLK 與叢集起始信號SBST-INN 的上升緣之發生時間。如果群組參考信號SSCLK 的上升緣比較早發生，釋放信號SFREE 被致能；相反的，如果叢集起始信號SBST-INN 的上升緣比較早發生，等待信號SSTD 被致能。
第6圖顯示第4圖之電源管理器74b中，在負載的變化下，所可能產生的信號波形，用以解釋第5圖中之電路操作。由上到下，第6圖的信號波形分別為電流偵測信號VCS 、時脈信號SCLK 、群組參考信號SSCLK 、補償信號SCOM 、叢集起始信號SBST-INN 、釋放信號SFREE 、等待信號SSTD 、重置信號SR 、壓抑信號SDPS 、以及叢集信號SBST 。業界之人士可由第6圖中假設的補償信號SCOM 波形，參照從第1圖、第4圖以及第5圖中之電路，來大略推知其他的信號波形。
從時間t1 到t3 的群組週期TG1 中可以發現，雖然在時間t2 時補償信號SCOM 已經回升高過了叢集參考電壓VBST-REF ，但是叢集信號SBST 的上升緣並沒有出現，電源供應器60還是保持在不開關狀態，直到時間t3 ，群組參考信號SSCLK 的上升緣出現為止。此時的群組頻率(群組週期TG1 的倒數)等於群組參考信號SSCLK 的頻率。
從時間t3 到t5 的群組週期TG2 中也可以發現，因為釋放信號SFREE 的上升緣早在時間t4 時就出現了，所以在時間t5 ，在補償信號SCOM 回升高過了叢集參考電壓VBST-REF 後，就立刻產生叢集信號SBST 的上升緣。此時的群組頻率(群組週期TG2 的倒數)低於群組參考信號SSCLK 的頻率。
所以，從群組週期TG1 與TG2 中可以結論，叢集信號SBST 的上升緣不會早於群組參考信號SSCLK 的上升緣出現。因此，叢集信號SBST 所對應的群組頻率，不會高於群組參考信號SSCLK 的頻率。
在時間t1 、t3 都可以發現。雖然電源供應器60已經轉成開關狀態，但是在之後的數個開關周期內，電流偵測信號VCS 的峰值都是一定值，並不會隨補償信號SCOM 而改變。這是因為每次叢集信號SBST 被致能時，意味著重置信號SR 被致能，進而禁能釋放信號SFREE 、致能壓抑信號SDPS 、使準位移動器(level shifter)67的輸入信號SCOMSEL 固定為參考電壓VDPS-REF 。在時間t4 ，釋放信號SFREE 被致能，所以峰值固定器66使補償信號SCOM 作為輸入信號SCOMSEL ，電流偵測信號VCS 的峰值開始隨補償信號SCOM 而變化。
從第4圖可知，如果補償信號SCOM 高於脫離參考電壓VEXT-REF 時，意味著負載需要大功率，電源供應器60應當立即進入開關狀態。舉例來說，叢集參考電壓VBST-REF 為2V，而脫離參考電壓為VEXT-REF 為3V。從第5圖中也可以發現，當脫離信號SEXT 被致能時，叢集信號SBST 會立即被致能，且峰值固定器66會立即使補償信號SCOM 作為輸入信號SCOMSEL 。
第7圖為依據本發明實施的電源管理器74c，可適用於第1圖中的電源供應器60。第7圖與第4圖類似，差異點在於第7圖的時脈產生器86a有接收叢集起始信號SBST-INN 。時脈產生器86a所產生之時脈信號SCLK 的頻率，會隨著叢集起始信號SBST-INN 之轉態而改變。第8圖顯示第7圖的時脈產生器86a中的信號波形。如第8圖所示，當叢集起始信號SBST-INN 為致能時，時脈信號SCLK 的正常頻率，高於當叢集起始信號SBST-INN 為禁能時，時脈信號SCLK 的減速頻率。這樣時脈頻率的改變，可以透過變更三角波信號VRMP 的斜率來達成，如第8圖所示。在另一個實施例中，時脈產生器所產生之時脈信號SCLK 的頻率，會隨著叢集信號SBST 之轉態而改變。如此的設計可能有以下好處。第一是省電，在不開關狀態時，比較慢的時脈可以節省更多的電源。第二是降低異音，因為叢集模式下，群組參考信號SSCLK 的頻率可能不是個定值，而是視叢集起始信號SBST-INN 或是叢集信號SBST 被禁能時間而定。因此，所產生的群組頻率可能會抖動，在頻譜上，可能有打散音頻能量的效果。
第9圖為依據本發明實施的電源管理器74d，可適用於第1圖中的電源供應器60。第9圖與第4圖類似，差異點在於第9圖的電阻61到電源Vcc之間多了個補償迴路控制器69。第10圖則顯示了第9圖中的補償迴路控制器69。當叢集起始信號SBST-INN 被致能時，開關32為短路。短路的開關32形成一供電路徑，提供補償信號SCOM 所需的電源Vcc。當叢集起始信號SBST-INN 被禁能，電源供應器60操作於不開關狀態時，除法器30每四個開關週期，才在一開關周期中於時脈信號SCLK 為致能時段，使開關32為短路，其餘時間都維持開路。如此，可以在不開關狀態時，節省更多的電能。
第11圖為依據本發明實施的電源管理器74e，其整合了第4、7、以及9圖中的部份電路。第11圖之電路操作，可以參照先前對於第4、7、以及9圖之電路與解釋而推知，在此不再累述。
第12圖為依據本發明實施的電源管理器74f，可適用於第1圖中的電源供應器60。第13圖例示第12圖中的相位控制器70之內部電路。第4、7、9、以及11圖中的相位控制器64比較的是群組參考信號SSCLK 與叢集起始信號SBST-INN 的上升緣，第13圖中的相位控制器70，其有反向器(inverter)42、44，則比較群組參考信號SSCLK 與叢集起始信號SBST-INN 的下降緣。相位控制器70會使得叢集信號SBST 的兩個連續下降之間的群組週期，所對應的群組頻率，不高於群組參考信號SSCLK 的頻率。
以上的實施例僅係為了方便說明而舉例。本發明所主張的權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，本發明並不侷限於上述之實施例。
22．．．相位比較器
24．．．頻率限定器
26．．．壓抑信號產生器
28．．．降頻器
38．．．SR正反器
42、44．．．反向器
60．．．電源供應器
61．．．電阻
62．．．邏輯控制器
63．．．光耦合器
64．．．相位控制器
65．．．變壓器
66．．．峰值固定器
67．．．準位移動器
68．．．脫離比較器
69．．．補償迴路控制器
70．．．相位控制器
72．．．功率開關
74、74a、74b、74c、74d、74e、74f．．．電源管理器
82．．．比較器
84．．．比較器
86、86a．．．時脈產生器
AC．．．輸入電源
SBST ．．．叢集信號
SBST-INN ．．．叢集起始信號
SCLK ．．．時脈信號
SCOM ．．．補償信號
SCOMSEL ．．．輸入信號
SCS-L ．．．限制信號
SDPS ．．．壓抑信號
SEXT ．．．脫離信號
SFREE ．．．釋放信號
SR ．．．重置信號
SSCLK ．．．群組參考信號
SSTD ．．．等待信號
t1 、t2 、t3 、t4 、t5 ．．．時間
TB ‧‧‧時段
TG 、TG1 、TG2 ‧‧‧群組週期
TS ‧‧‧時段
VBST-REF ‧‧‧叢集參考電壓
Vcc‧‧‧電源
VCS ‧‧‧電流偵測信號
VDPS-REF ‧‧‧參考電壓
VEXT-REF ‧‧‧脫離參考電壓
VG ‧‧‧信號
VOUT ‧‧‧電壓
VRMP ‧‧‧三角波信號
第1圖顯示一返馳式電源供應器。
第2圖顯示一電源管理器之內部電路。
第3圖為第2圖顯示電源管理器，所可能產生的時脈信號SCLK 、信號VG 與電流偵測信號VCS 的波形。
第4圖為依據本發明實施的一電源管理器。
第5圖例示第4圖中的相位控制器與峰值固定器之內部電路。
第6圖顯示第4圖之電源管理器中，在負載的變化下，所可能產生的信號波形。
第7圖為依據本發明實施的一電源管理器。
第8圖顯示相關於第7圖中時脈產生器的信號波形。
第9圖為依據本發明實施的一電源管理器。
第10圖則顯示了第9圖中的補償迴路控制器。
第11、12圖為依據本發明實施的二電源管理器。
第13圖例示第12圖中的相位控制器。
22．．．相位比較器
24．．．頻率限定器
26．．．壓抑信號產生器
28．．．降頻器
38．．．SR正反器
64．．．相位控制器
66．．．峰值固定器
SBST ．．．叢集信號
SBST-INN ．．．叢集起始信號
SCLK ．．．時脈信號
SCOM ．．．補償信號
SCOMSEL ．．．輸入信號
SDPS ．．．壓抑信號
SEXT ．．．脫離信號
SFREE ．．．釋放信號
SR ．．．重置信號
SSCLK ．．．群組參考信號
SSTD ．．．等待信號
VDPS-REF ．．．參考電壓

Claims (8)

  1. 一種電源控制電路，適用於一電源供應器，包含有：一時脈產生器，用以提供一時脈信號；以及一相位控制器，用以偵測一群組參考信號以及一叢集起始信號之相位，以產生一叢集信號，以使該叢集信號之該相位，不早於該群組參考信號之該相位，其中，該叢集信號可切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一，於該開關狀態時，該時脈信號具有一正常頻率，於該不開關狀態時，該時脈信號具有一減速頻率，低於該正常頻率；其中，該群組參考信號係依據該時脈信號而產生，其頻率低於該時脈信號；以及該叢集起始信號受控於該電源供應器之一輸出電源。
  2. 如申請專利範圍第1項之該電源控制電路，其中，該叢集起始信號係依據一補償信號而產生，該補償信號係受控於該電源供應器之一輸出電源。
  3. 如申請專利範圍第2項之該電源控制電路，另包含有：一脫離比較器，偵測該補償信號，當該補償信號超過一預設值時，致能一脫離信號，該脫離信號可強制使該電源供應器操作於該開關狀態，並使該電源供應器所輸出之功率隨該補償信號而變化。
  4. 如申請專利範圍第2項之該電源控制電路，該電源控制電路另包含有：一補償迴路控制器，當該電源供應器操作於該不開關狀態，週期性地切斷/連接一供電路徑，該供電路徑提供該補償信號之一電源。
  5. 一種電源控制方法，適用於一電源供應器，包含有：提供一時脈信號；依據該時脈信號，產生一群組參考信號，其中，該群組參考信號的頻率低於該時脈信號之頻率；提供一補償信號，其受控於該電源供應器之一輸出電源；依據該補償信號，產生一叢集起始信號；偵測該群組參考信號以及該叢集起始信號之相位；依據該群組參考信號以及該叢集起始信號，產生一叢集信號，且使該叢集信號之該相位，不早於該群組參考信號之該相位；依據該叢集信號，切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一；及當該電源供應器操作於該不開關狀態時，降低該時脈信號之頻率。
  6. 如申請專利範圍第5項之該電源控制方法，另包含有：當該電源供應器開始由該不開關狀態轉態為一開關狀態後之一段時間內，維持該電源供應器隨該時脈信號，輸出一固定之功率。
  7. 如申請專利範圍第5項之該電源控制方法，另包含有： 當該補償信號超過一預設值時，強制使該電源供應器操作於該開關狀態，並使該電源供應器所輸出之功率隨該補償信號而變化。
  8. 如申請專利範圍第5項之該電源控制方法，另包含有：當該電源供應器操作於該不開關狀態時，週期性的切斷/連接一供電路徑，該供電路徑可提供該補償信號一電源。
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