TWI427884B - 控制方法、電源控制方法、電源供應器、控制器以及電源控制器 - Google Patents

Description

控制方法、電源控制方法、電源供應器、控制器以及電源控制器

本發明係有關於一種開關式電源供應器(Switched-mode power supply，SMPS)的過負載保護。

電源供應器為一種電源管理裝置，用來轉換電源，以提供電源給電子裝置或是元件。舉例來說，第1圖為一習知的電源供應器60，具有返馳式架構(flyback topology)。橋式整流器62整流了交流電源V_AC ，提供輸入電源V_IN 至變壓器64。開關72開啟(close)時，變壓器64的一次測繞組L_P 儲能；關閉(open)時，變壓器64的二次測繞組L_S 透過整流器66釋能至負載電容(load capacitor)69以建立輸出電源V_OUT 。誤差放大器(error amplifier)EA比較輸出電源V_OUT 的電壓與目標電壓V_Target ，並產生補償信號V_COM 。控制器74依據補償信號V_COM 以及電流偵測信號V_CS ，以控制信號V_GATE 控制開關72。電流偵測信號V_CS 反應流經一次測繞組L_P 的電感電流。

習知第1圖的電源供應器都有許多種保護，像是過電壓保護(over voltage protection，OVP)、過高溫保護(over temperature protection，OTP)、過負載保護(over load protection，OLP)等。其中OLP是通指輸出負載過大，且超過電源供應器的額定輸出功率時，電源供應器就相對應產生的保護措施。

OLP有許多種作法。譬如說，一種是限制輸出電流，另一種是限制流經一次測繞組L_P 的電感電流。主要想法都是防止電源供應器所傳輸的電能超過一定程度。

本發明實施例提供一種控制方法，適用於一電源供應器，其包含有一開關以及一電感元件。該方法包含有：偵測流經該電感元件之電感電流；依據一回饋信號，使該電源供應器操作於一正常載狀態或一過載狀態；於該正常載狀態時，使流經該電感元件之一電流峰值不大於一定值，且使該開關之工作頻率為一第一頻率；於該過載狀態時，使流經該電感元件之一電流峰值約為該定值，且使該開關之工作頻率為一第二頻率，且該第二頻率高於該第一頻率；計算該電源供應器處於該過載狀態的持續時間；該持續時間超過一容許時間時，停止該電感電流；其中，該容許時間不受該工作頻率變化而影響。

本發明實施例提供一種電源供應器。一控制器控制流經一電感元件之電感電流。該控制器包含有一工作時脈產生器、一限流器、以及一過載保護器。該工作時脈產生器用以產生一工作頻率。該限流器可使流經該電感元件之一電流峰值約為一定值。當該限流器使該電流峰值約為該定值時，該工作頻率不低於一第一頻率。於該過載保護器中，一過載辨識器，依據一回饋信號，可辨識該電源供應器是否應進入一過載狀態。當該電源供應器操作於該過載狀態時，該工作頻率為一第二頻率，高於該第一頻率。一電流供應器提供一外接電容充放電電流，可用以計算該電源供應器處於該過載狀態的持續時間。當該持續時間超過一容許時間時，該控制器停止該電感電流，且該容許時間不受該工作頻率改變而影響。

本發明實施例提供一種電源供應器，適用於一電源供應器。該電源供應器具有一電感元件，與一開關。該電源控制器包括一第一比較器、一工作時脈產生器、以及一過載保護器。該第一比較器接收一補償信號與一電流偵測信號以控制該開關。該電流偵測信號相對應於流經該電感元件之一電感電流。該補償信號相對應於該電源供應器之一負載狀態。該第一比較器用以依據該補償信號來大約決定該電感電流之電流峰值。該工作時脈產生器用以依據該補償信號來大致提供該開關之一工作頻率。當該補償信號對應之該負載狀態為重載時，使該工作頻率為一高頻工作頻率；當該補償信號對應之該負載狀態為輕載或無載時，使該工作頻率為一低頻工作頻率。該過載保護器具有一充放電器耦接至一外部電容，用以偵測該補償信號以決定一過載事件是否發生，並於該過載事件發生之一容許時間後輸出一過載保護信號以關閉該開關。該外部電容與該充放電器組成一時脈震盪器，用以決定該容許時間，且該容許時間不受該震盪器影響。

本發明實施例提供一種電源控制方法，適用於一電源供應器，該電源供應器包括有一電感元件。該方法包括：依據一補償信號，判斷該電源供應器之一負載狀態，當該負載狀態為重載時，使該開關操作於一高工作頻率，當該負載狀態為輕載或無載時，使該開關操作於一低工作頻率；以及，當該補償信號超過一臨界值時，判斷該負載狀態為一過載狀態，並於該過載狀態持續一容許時間後，關閉該開關。該容許時間由一外接電容決定，與該開關操作之該高、低工作頻率無關。

本發明實施例提供一種電源控制方法，適用於一電源供應器。該電源供應器包括有一電感元件，其受一開關控制以儲能或釋能，以產生一輸出電源。該方法包括：提供一工作時脈產生器，來大致提供該開關之一工作頻率；偵測該電源供應器之一負載狀態；依據該負載狀態來調整該工作頻率，其中該負載狀態為一重載時，其該工作頻率為一第一頻率；當該負載狀態為過載時，於一容許時間內，使該工作頻率大約為一第二頻率，該第二頻率高於該第一頻率；以及，並於該容許時間結束後，停止該開關之操作。該容許時間不受該震盪器影響。

第2圖為依據本發明實施的一電源供應器90。第2圖與第1圖中相同的符號表示相同或相似的元件、裝置、或信號，為習知技術，在此不多加累述。第2圖僅僅為一實施例，實施本發明並非一定要使用第1圖中相同或相似的元件、裝置、或信號。本發明的權利範圍應以申請專利範圍解讀為限制。

於一實施例中，第2圖中的控制器73用單一積體電路實施；在另一個實施例中，控制器73與開關72一起以單一積體電路實施。與第1圖之控制器74不同的，第2圖中的控制器73，多了一個接腳(pin)CT，連接到外接電容75，其功能將於稍作說明。

第3圖則例示控制器73中部份的電路與外接電容75。比較器82提供過電流保護(OCP)，也是一峰值限定器，控制第2圖中的電流偵測信號V_CS 的電壓峰值不超過V_CS-LIMIT ，也相對的限制了流經一次側繞組L_P 的電流峰值(peak current)不大於I_CS-LIMIT (=V_CS-LIMIT /R_CS )，其中R_CS 為電阻CS的阻值。比較器84則是依據補償信號V_COM 來大約決定一次側繞組L_P 的電流峰值，補償信號V_COM 的電壓值可以視為維持當時輸出電壓所需之對應功率，或是相應於輸出的負載狀態。補償信號V_COM 不只是大約決定一次側繞組L_P 的電流峰值，也決定了工作時脈產生器96所輸出的工作頻率，也就是第2圖中開關72的工作頻率。舉例來說，補償信號V_COM 的電壓值低時，為輕載/無載，所輸出的工作頻率約為20kHz；補償信號V_COM 的電壓值高時，為重載，所輸出的工作頻率約為65kHz。不論是重載或是輕載/無載，都是視為正常載狀態。

電流供應器85提供充放電電流，透過接腳CT，給外接電容75。電流供應器85跟外接電容75一起可以視為一計時器中的一時脈震盪器。在補償信號V_COM 高過於一OLP臨界值V_OLP 時，認定當下有輸出過載情形發生，開始操作於過載狀態，比較器88使計數器(counter)92依據時脈震盪器所輸出的時脈信號，開始計數。一但比較器94判別計數器92的輸出達一定預設條件，也就是過載情形持續超過一段容許時間，比較器94就輸出過載保護信號，觸發OLP，邏輯控制單元86持續關閉開關72，停止電能的轉換與傳遞。如果在容許時間到達之前，補償信號V_COM 就回到OLP臨界值V_OLP 以下，意味著電源供應器90脫離過載狀態，計數器92就被重置歸零，開關72還是依照工作時脈產生器96所輸出的工作頻率而持續操作。電流供應器85、比較器88、計數器92、以及比較器94可以一起視為一過載保護器。在另一種實施例中，比較器94可以省略，直接用計數器92的一個輸出位元(output bit)之邏輯”1”或”0”來作為OLP的觸發判斷。

由以上電路可知，這容許時間指的是容許電源供應器90處於過載狀態下的持續時間，是由電流供應器85跟外接電容75所構成的時脈震盪器所產生的頻率以及比較器94所設定的預設條件所決定。這段容許時間不受工作時脈產生器96的工作頻率變化所影響。舉例來說，設計上，比較器94之預設條件是在積體電路中內建而不受外在元件數值而改變，而OLP震盪器的頻率可由外接電容75的電容值決定。因此，系統設計上，可以方便地透過挑選適當之外接電容75電容值來決定容許時間。

在一實施例中，OLP被觸發後，當補償信號V_COM 回到低於OLP臨界值V_OLP 時，就解除OLP，而重新開始電能轉換與傳遞；在另一實施例中，只有控制器73的交流電源移除與重新供電啟動(restart)才能解除OLP。

第4圖顯示工作時脈產生器96的工作頻率與補償信號V_COM 的關係。當補償信號V_COM 的電壓值對應到V_cs-LIMIT 時，可以視為重載，工作時脈產生器96的工作頻率，比如說，為一重載頻率f_HEAVY (譬如65Khz)；當補償信號V_COM 的電壓值對應到OLP臨界值V_OLP 時，可以視為過載狀態發生，工作時脈產生器96的工作頻率為一過載頻率f_OverLoad (譬如130Khz)。第4圖也顯示了，當一次側繞組L_P 的電流峰值大約是I_cs-LIMIT 時，工作頻率至少是重載頻率f_HEAVY 。在容許時間時，也就是補償信號V_COM 高過OLP臨界值V_OLP 時，流經一次側繞組L_P 的電流峰值，因為比較器82的限制，將大約固定在I_cs-LIMIT ，但是工作頻率卻不再是重載頻率f_HEAVY ，而是一個更高的過載頻率f_OverLoad 。舉例來說，過載頻率f_OverLoad 可以是重載頻率f_HEAVY 的兩倍或是三倍。

以上的實施例，可以得到兩個好處：

1.　避免變壓器64產生飽和現象：I_cs-LIMIT 可以選擇在使變壓器64不飽和(saturate)的最大電流，這樣，就可以在變壓器64沒有飽和時，單單利用提高控制器73的工作頻率至過載頻率f_OverLoad ，來暫時地增加輸出功率。

2.　容許時間可以外調：如同先前所述，容許時間跟工作頻率無關，且是由電流供應器85跟外接電容75所構成的時脈震盪器所決定。因此，適當的選取外接電容75的電容值便可以決定容許時間。外接電容75還有另一個好處。如果容許時間高達數秒，相對應完全以積體電路所建構之時脈震盪器便會需要驚人的面積成本。但是，以外接電容75來實現，便能適當的節省成本，讓積體電路所構建的部份相對地小非常多。

本發明雖以一反馳式架構之SMPS為例，但本發明也可以適用於降壓電源轉換器、昇壓電源轉換器等類似的SMPS。

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。

60、90．．．電源供應器

62．．．橋式整流器

64．．．變壓器

66．．．整流器

69．．．負載電容

72．．．開關

73、74．．．控制器

75．．．外接電容

82、84、88、94．．．比較器

85．．．電流供應器

86．．．邏輯控制單元

92．．．計數器

96．．．工作時脈產生器

CT．．．接腳

EA．．．誤差放大器

f_HEAVY ．．．重載頻率

f_OverLoad ．．．過載頻率

L_P ．．．一次側繞組

L_S ．．．二次側繞組

V_AC ．．．交流電源

V_COM ．．．補償信號

V_CS ．．．電流偵測信號

V_GATE ．．．控制信號

V_OLP ．．．OLP臨界值

V_OUT ．．．輸出電源

V_Target ．．．目標電壓

第1圖為一習知的電源供應器。

第2圖為依據本發明實施的一電源供應器。

第3圖則例示控制器中部份的電路與外接電容。

第4圖顯示工作時脈產生器的工作頻率與補償信號V_COM 的關係。

73．．．控制器

75．．．外接電容

82、84、88、94．．．比較器

85．．．電流供應器

86．．．邏輯控制單元

92．．．計數器

96．．．工作時脈產生器

CT．．．接腳

V_COM ．．．補償信號

V_CS ．．．電流偵測信號

V_GATE ．．．控制信號

V_OLP ．．．OLP臨界值

Claims (17)

1. 一種控制方法，適用於一電源供應器，其包含有一開關以及一電感元件，該方法包含有：偵測流經該電感元件之電感電流；依據一回饋信號，使該電源供應器操作於一正常載狀態或一過載狀態；於該正常載狀態時，使流經該電感元件之一電流峰值不大於一定值，且使該開關之工作頻率為一第一頻率；於該過載狀態時，使流經該電感元件之一電流峰值約為該定值，且使該開關之工作頻率為一第二頻率，且該第二頻率高於該第一頻率；計算該電源供應器處於該過載狀態的持續時間；以及該持續時間超過一容許時間時，停止該電感電流；其中，該容許時間不受該工作頻率變化而影響，且該電源供應器由該正常載狀態進入該過載狀態之期間，該開關之工作頻率由該第一頻率線性上升至該第二頻率。
2. 如請求項1所述之控制方法，另包含有：依據該回饋信號，改變該工作頻率。
3. 如請求項1所述之控制方法，另包含有：當該電源供應器脫離該過載狀態時，重置一計數器，以重新計算 該持續時間。
4. 如請求項1所述之控制方法，另包含有：提供一工作時脈產生器，以產生該工作頻率；其中，該工作頻率不影響該容許時間。
5. 一種電源供應器，包含有：一控制器，用以控制流經一電感元件之電感電流，包含有：一工作時脈產生器，用以產生一工作頻率；一限流器，可使流經該電感元件之一電流峰值約為一定值，其中，當該限流器使該電流峰值約為該定值時，該工作頻率不低於一第一頻率；以及一過載保護器，包含有：一過載辨識器，依據一回饋信號，可辨識該電源供應器是否應進入一過載狀態，其中，當該電源供應器操作於該過載狀態時，該工作頻率為一第二頻率，高於該第一頻率；以及一電流供應器，提供一外接電容充放電電流，可用以計算該電源供應器處於該過載狀態的持續時間；其中，當該持續時間超過一容許時間時，該控制器停止該電感電流，該容許時間不受該工作頻率改變而影響，且該電源供應器由一正常載狀態進入該過載狀態之期間，該工作頻率由該第一頻率線性上升至該第二頻率。
6. 一種電源控制器，適用於一電源供應器，該電源供應器具有一電感 元件，與一開關，該電源控制器包括：一第一比較器，接收一補償信號與一電流偵測信號以控制該開關，其中該電流偵測信號相對應於流經該電感元件之一電感電流，而該補償信號相對應於該電源供應器之一負載狀態，該第一比較器用以依據該補償信號來大約決定該電感電流之電流峰值；一工作時脈產生器，用以依據該補償信號來大致提供該開關之一工作頻率，其中當該補償信號對應之該負載狀態為重載時，使該工作頻率為一高頻工作頻率，而當該補償信號對應之該負載狀態為輕載或無載時，使該工作頻率為一低頻工作頻率；以及一過載保護器，具有一充放電器耦接至一外部電容，用以偵測該補償信號以決定一過載事件是否發生，並於該過載事件發生之一容許時間後輸出一過載保護信號以關閉該開關；其中該外部電容與該充放電器組成一時脈震盪器，用以決定該容許時間，該容許時間不受該震盪器影響，且當該電源供應器之該負載狀態由輕載或無載轉為重載時，該工作時脈產生器所提供該開關之工作頻率係由該低頻工作頻率線性上升至該高頻工作頻率。
7. 如請求項第6項之電源控制器，其中該過載保護器還包括：一第二比較器，用以比較該回饋信號與一臨界信號，當該補償信號大於該臨界信號時，發出一過載信號表示該過載事件發生；以及一計數器，耦接至該第二比較器，用以接收一時脈信號，該計數器於該比較器發出該過載信號後開始計數；其中，該過載保護信號於該計數器之輸出達一條件後被輸出。
8. 如請求項第7項之電源控制器，其中該時脈信號之頻率由該外部電容與該充放電器決定，而該容許時間係相關於該條件與該時脈信號之頻率。
9. 如請求項第6項之電源控制器，其中該過載事件發生後之該容許時間內，該震盪器使該工作頻率為一過載頻率，其中該過載頻率大於該高頻工作頻率。
10. 如請求項第6項之電源控制器，其中該電源控制器還包括：一峰值限定器，用以偵測該電流偵測信號並發出一峰值限定信號來控制該開關，而大致限定流經該電感元件之該電感電流之電流峰值為一限定峰值。
11. 如請求項第10項之電源控制器，其中該過載事件發生後之該容許時間內，該電感電流之電流峰值為該限定峰值。
12. 一種電源控制方法，適用於一電源供應器，該電源供應器包括有一電感元件以及一開關，該方法包括：依據一補償信號，判斷該電源供應器之一負載狀態，當該負載狀態為重載時，使該開關操作於一高工作頻率，當該負載狀態為輕載或無載時，使該開關操作於一低工作頻率；以及當該補償信號超過一臨界值時，判斷該負載狀態為一過載狀態， 並於該過載狀態持續一容許時間後，關閉該開關；其中該容許時間由一外接電容決定，與該開關操作之該高、低工作頻率無關，且當該負載狀態由輕載或無載轉為重載時，該開關之工作頻率係由該低工作頻率線性上升至該高工作頻率。
13. 如請求項12之電源控制方法，其中當該負載狀態為該過載狀態時，於該容許時間內，使該開關操作於一過載頻率，而該過載頻率大於該高工作頻率。
14. 如請求項12之電源控制方法，包括；偵測流經該電感元件之一電感電流，以產生一電流偵測信號；以及依據該補償信號和該電流偵測信號以大致決定該電感電流之電流峰值。
15. 如請求項14之電源控制方法，還包括；提供一限定信號，用以大致限定該電感電流之峰值最高值為一限定峰值；其中當該補償信號超過該臨界值，於該容許時間內，使該電感電流之峰值大約為該限定峰值。
16. 一種電源控制方法，適用於一電源供應器，該電源供應器包括有一電感元件，其受一開關控制以儲能或釋能，以產生一輸出電源，該 方法包括：提供一工作時脈產生器，來大致提供該開關之一工作頻率；偵測該電源供應器之一負載狀態；依據該負載狀態來調整該工作頻率，其中該負載狀態為一重載時，其該工作頻率為一第一頻率；當該負載狀態為過載時，於一容許時間內，使該工作頻率大約為一第二頻率，該第二頻率高於該第一頻率；以及並於該容許時間結束後，停止該開關之操作；其中，該容許時間不受該震盪器影響，且當該負載狀態由重載轉為過載時，該工作頻率係由該第一頻率線性上升至該第二頻率。
17. 如請求項16之電源控制方法，包括：提供一補償信號，受控於該輸出電源之電壓；以及比較該補償信號與一臨界信號，當該補償信號高於該臨界信號時，判定該負載狀態為過載。