TWI431883B - 控制方法以及控制器 - Google Patents

Description

控制方法以及控制器

本發明係有關於一種開關式電源供應器(Switched-mode power supply，SMPS)的過電流保護(over current protection，OCP)方法與相關之裝置。

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短路(close)時，變壓器64的一次側繞組L_P 儲能；開路(open)時，變壓器64的二次側繞組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 反應流經一次側繞組L_P 的電感電流。

第2圖例示第1圖之控制器74。時脈產生器76週期性地使邏輯單元79開啟開關72。比較器77與78大致限定電流偵測信號V_CS 的峰值大致不超過一峰值限定值V_CS-LIMIT 與補償信號V_COM 之電壓中比較小的值。過電流保護由比較器78與邏輯單元79來達成，希望使電流偵測信號V_CS 的峰值不會超過峰值限定值V_CS-LIMIT 。

但是，比較器78發現電流偵測信號V_CS 高達峰值限定值V_CS-LIMIT ，到真正關閉開關72有一段信號延遲時間。這一段信號延遲時間內，電流偵測信號V_CS 會持續的升高。因此，電流偵測信號V_CS 往往會高於峰值限定值V_CS-LIMIT ，而且高出的電壓量△V會隨著輸入電源V_IN 的電壓不同而有不同的結果。這樣的差異，舉例來說，會使電源供應器60在不同輸入電源V_IN 電壓時，會有不一樣的輸出電源V_OUT 最大輸出功率。這對於系統設計者，是很難接受的。

本發明實施例提供一種控制方法，適用於一電源供應器。該電源供應器包含有串連之一開關以及一電感元件。該開關被開啟，增加該電感元件之電感電流。流經該電感元件之電感電流被偵測，以產生一電流偵測信號。加總該電流偵測信號與一調整信號，產生一加總信號。比較該加總信號以及一峰值限定值。當該加總信號大約超過該峰值限定值時，關閉該開關。偵測該開關之一開啟時間或責任週期，並據以更新該調整信號。

本發明實施例提供一種控制器，適用於一電源供應器。該電源供應器包含有串連之一開關以及一電感元件。該控制器包含有一邏輯處理裝置、一比較器、以及一電流產生器。該邏輯處理裝置用以開啟該開關。當一偵測端之電壓高過一峰值限定值時，該比較器關閉該開關。依據該開關之開啟時間或責任週期，該電流產生器產生一調整電流，透過該偵測端流至該開關之一端。當該開啟時間或責任週期增加時，該調整電流減少。該調整電流於該開啟時間或責任週期時，大約為一定值。

第3圖為依據本發明實施的一電源供應器90，第4圖例示第3圖中之控制器80。第3圖與第4圖中，與習知技術之第1、2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3與4圖僅僅為一實施例，實施本發明並非一定要使用第1與2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。

與第1圖相異的，第3圖中，控制器80的偵測端SS與偵測電阻CS之間連接有調整電阻FCS。與第2圖相異的，第4圖中，控制器80具有電流產生器82，提供調整電流I_CS-OUT ，透過偵測端，流經調整電阻FCS以及偵測電阻CS。第4圖之控制器80可以以一積體電路來實施，其與調整電阻FCS之連接，可以透過一積體電路接腳(pin)。

透過控制信號V_GATE ，電流產生器82偵測開關72的開啟時間(ON time)T_ON 或責任週期(Duty cycle)D，以更新調整電流I_CS-OUT ，其中責任週期D是開啟時間T_ON 除以整個開關周期。調整電流I_CS-OUT 的值，在開關72開啟時，大約會維持在一個不變的定值。電流產生器82內可提供有一回饋機制，一個開關周期變更一次調整電流I_CS-OUT ，使開啟時間T_ON 或責任週期D與調整電流I_CS-OUT 大致呈反比。舉例來說，當一開關週期中的開關72開啟時間T_ON 或責任週期D變大時，就減少下一開關週期的調整電流I_CS-OUT 。

更新調整電流I_CS-OUT 等效上更新了流經一次側繞組L_P 之電感電流I_P 的限制值I_CS-LIMIT ，其為觸發OCP的電感電流值。請一起參閱第3圖與第4圖。比較器78被觸發的條件是偵測端的電壓大約等於峰值限定值V_CS-LIMIT ，如以下公式(1)所示：

V_CS-LIMIT =V_FCS +V_CS 　....(1)

其中，V_FCS 與V_CS 分別為調整電阻FCS與偵測電阻CS的跨壓，也分別是一調整信號以及一電流偵測信號。偵測端的電壓大約就是調整信號V_FCS 以及電流偵測信號V_CS 的電壓加總。假定調整電阻FCS的電阻值R_FCS 遠大於偵測電阻CS的電阻值R_CS ，則公式(1)可以大約整理為：

V_CS-LIMIT =I_CS-OUT *R_FCS +I_CS-LIMIT *R_CS I_CS-LIMIT =(V_CS-LIMIT -I_CS-OUT *R_FCS )/R_CS 　...(2)

假定調整電流I_CS-OUT 與開啟時間T_ON 的反比關係為

I_CS-OUT *T_ON =K　...(3)

其中K為常數。則公式(2)可以變成

I_CS-LIMIT =(V_CS-LIMIT /R_CS )-K*R_FCS /(R_CS *T_ON )　...(4)

公式(4)中，K*R_FCS /(R_CS *T_ON )可以視為一刪減量，用以減少峰值限定值V_CS-LIMIT 所相對應的原始電流限定值(V_CS-LIMIT /R_CS )，提早開始限制電感電流I_P 。第5圖中曲線C_:LIMIT 例示了公式(4)中限制值I_CS-LIMIT 與開啟時間T_ON 之關係。第5圖中線條S₁ 與S₂ 也顯示了兩個不同輸入電源V_IN 下的電感電流I_P ，其中線條S₁ 所對應的輸入電源V_IN 比較高，所以開啟時間T_ON 比較短，限制值I_CS-LIMIT 為比較小的I_P1 。如同第5圖所示，只要適當的選取R_FCS ，有可能可以讓電感電流I_P 的峰值，不隨著輸入電源V_IN 變化，固定在約原始電流限定值V_CS-LIMIT /R_CS ，解決了信號延遲時間所導致的問題，此外，以上所推導之式子與說明中，均可以責任週期D來置換開啟時間T_ON 。

第6圖例示了第4圖中的電流產生器82。定電流源86提供定電流I_SET 對電容89充電；定電流源88提供定電流I_EXP ，只有在控制信號V_GATE 為邏輯上的”1”，也就是開關72開啟時，對電容89放電。當開關72開啟時，控制電壓V_CTL ，其決定了電流I_CTL 與定電流I_EXP ，大致上維持為一個定值。電流鏡(current mirror)84則使調整電流I_CS-OUT 大約跟電流I_CTL 等比例。由電路分析可知，第6圖實現了以下公式(5)。

I_SET *T_CYCLE =I_EXP *T_ON 　...(5)

其中，T_CYCLE 為開關72的開關週期。舉例來說，在一次開關週期後，如果公式(5)的左側大於右側，控制電壓V_CTL 便會上升，進而增加了電流I_CTL 以及定電流I_EXP 。控制電壓V_CTL 到定電流I_EXP 這樣的回饋路徑，會讓公式(5)的左右側趨於大致相等。公式(5)可以推導出調整電流I_CS-OUT 與開啟時間T_ON 的關係，如以下公式(6)所示：

I_CS-OUT =K₁ *I_CTL =K₂ *I_EXP =K₃ *I_SET *T_CYCLE /T_ON 　...(6)

若以責任週期D來表示，公式(6)可改寫為：

I_CS-OUT = K₃ *I_SET /D　...(7)

其中，定電流I_SET 與T_CYCLE 是定值時，明顯的，調整電流I_CS-OUT 就與開啟時間T_ON 或責任週期D大約成反比。

調整電流I_CS-OUT 應該是在OCP發生，也就是電源供應器處於重載時，才需要產生。所以，轉導比較器GM可以當作一個控制單元，透過偵測補償信號V_COM ，決定是否產生調整電流I_CS-OUT 。在第6圖中，當補償信號V_COM 低於預設值V_REF 時，可以視為輕載或是無載，調整電流I_CS-OUT 就會停止，變成0，所以限制值I_CS-LIMIT 就不會受開啟時間T_ON 或責任週期D之變化而影響。

第4圖之實施例中，藉由提早觸發限制電感電流I_P ，來嘗試解決信號延遲時間所可能導致的問題。系統製造商可以藉由選擇一個適當的外在調整電阻FCS，決定其可能達到的效果。

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

74、80．．．控制器

76．．．時脈產生器

77、78．．．比較器

79．．．邏輯單元

82．．．電流產生器

84．．．電流鏡

86、88．．．定電流源

89．．．電容

C_:LIMIT ．．．曲線

CS．．．偵測電阻

EA．．．誤差放大器

FCS．．．調整電阻

GM．．．轉導比較器

I_CS-LIMIT ．．．限制值

I_CS-OUT ．．．調整電流

I_CTL ．．．電流

I_SET 、I_EXP ．．．定電流

I_P ．．．電感電流

L_P ．．．一次側繞組

L_S ．．．二次側繞組

S₁ 、S₂ ．．．線條

SS．．．偵測端

T_ON ．．．開啟時間

V_AC ．．．交流電源

V_COM ．．．補償信號

V_CS ．．．電流偵測信號

V_CS-LIMIT ．．．峰值限定值

V_CTL ．．．控制電壓

V_FCS ．．．調整信號

V_GATE ．．．控制信號

V_IN ．．．輸入電源

V_OUT ．．．輸出電源

V_REF ．．．預設值

V_Target ．．．目標電壓

第1圖為習知的一電源供應器。

第2圖為第1圖中之一控制器。

第3圖為依據本發明實施之一電源供應器。

第4圖為第3圖中之一控制器。

第5圖顯示了限制值I_CS-LIMIT 與開啟時間T_ON 之關係，以及兩條不同輸入電源V_IN 下的電感電流I_P 。

第6圖例示了第4圖中的電流產生器。

76．．．時脈產生器

77、78．．．比較器

79．．．邏輯單元

80．．．控制器

82．．．電流產生器

89．．．電容

I_CS-OUT ．．．調整電流

SS．．．偵測端

V_CS-LIMIT ．．．峰值限定值

V_COM ．．．補償信號

V_GATE ．．．控制信號

Claims (9)

1. 一種控制方法，適用於一電源供應器，其包含有串連之一開關以及一電感元件，該方法包含有：開啟該開關，增加該電感元件之電感電流；偵測流經該電感元件之電感電流，以產生一電流偵測信號；將該電流偵測信號與一調整信號加總，產生一加總信號；比較該加總信號以及一峰值限定值，當該加總信號大約超過該峰值限定值時，關閉該開關；偵測該開關之一開啟時間或責任週期，並據以更新該調整信號；提供一補償信號，反應該電源供應器之一輸出電壓；以及當該補償信號低於一預設值時，停止提供該調整信號。
2. 如請求項1所述之控制方法，其中，該電源供應器另包含有一偵測電阻連接於該開關與一電源線之間，以及一調整電阻，具有一第一端連接至該開關與該偵測電阻，該控制方法包含有：提供一調整電流，流經該調整電阻，該調整電流於該開關開啟時大約維持不變；當該調整電阻之一第二端之電壓高過該峰值限定值時，關閉該開關；以及依據該開啟時間或責任週期，變更該調整電流。
3. 如請求項2所述之控制方法，另包含有：當該開啟時間或責任週期增加時，降低該調整電流。
4. 如請求項1所述之控制方法，另包含有：以一第一定電流對一電容充電；以一第二定電流於該開啟時間或責任週期對該電容放電；以及依據該電容之電壓，調整該第二定電流與該調整電流。
5. 一種控制器，適用於一電源供應器，其包含有串連之一開關以及一電感元件，包含有：一邏輯處理裝置，用以開啟該開關；一比較器，當一偵測端之電壓高過一峰值限定值時，關閉該開關；以及一電流產生器，依據該開關之一開啟時間或責任週期，產生一調整電流，透過該偵測端流至該開關之一端，以及，當該開啟時間或責任週期增加時，該調整電流減少；其中，該調整電流於該開啟時間或責任週期時，大約為一定值；且該電流產生器提供一回饋機制，使該調整電流與該開啟時間或責任週期，大約呈反比。
6. 一種控制器，適用於一電源供應器，其包含有串連之一開關以及一電感元件，包含有：一邏輯處理裝置，用以開啟該開關；一比較器，當一偵測端之電壓高過一峰值限定值時，關閉該開關； 以及一電流產生器，依據該開關之一開啟時間或責任週期，產生一調整電流，透過該偵測端流至該開關之一端，以及，當該開啟時間或責任週期增加時，該調整電流減少；其中，該電流產生器包含有一控制單元，當一補償信號低於一預設值時，停止該調整電流；該補償信號反應該電源供應器之一輸出電壓；且該調整電流於該開啟時間或責任週期時，大約為一定值。
7. 如請求項6所述之控制器，該電源供應器另包含有：一偵測電阻，連接於該開關與一電源線之間；以及一調整電阻，連接於該偵測電阻與該偵測端之間。
8. 如請求項6所述之控制器，其中，該電流產生器提供一回饋機制，使該調整電流與該開啟時間或責任週期，大約呈反比。
9. 如請求項6所述之控制器，其中，該電流產生器另包含有：一第一定電流源，對一電容充電；一第二定電流源，於該開啟時對該電容放電；以及一回饋路徑，依據該電容之電壓，變更該第二定電流源之電流；其中，該調整電流比例於該第二定電流源之電流。