TWI445291B - 一次側控制方法以及電源控制器 - Google Patents

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Description

一次側控制方法以及電源控制器
本發明係相關於一次側控制的開關式電源供應器(switching-mode power supply)，尤其是關於可以降低輸出電壓抖動的一次側開關式電源供應器。
電源供應器為大多電子產品所必備的一種電子裝置，用來將電池或是市電，轉換成電子產品所需求且具有特定規格的電源。在眾多的電源供應器中，開關式電源供應器具有優越的電能轉換效率以及小巧的產品體積，所以廣受電源業界所歡迎。
目前開關式電源供應器中，有兩種不同的控制方式：一次側控制(primary side control，PSC)以及二次側控制(secondary side control，SSC)。SSC直接在一電源供應器之一二次側繞組所輸出的一輸出端耦接上偵測電路，然後透過光耦合器(photo coupler)，將偵測結果傳送到位於一次側的電源控制器，藉以控制這電源供應器在一次側繞組所要儲存與轉換的能量。相對於SSC，PSC是透過直接偵測在一輔助繞組上的反射電壓，來間接的偵測二次側繞組所輸出的電壓，也間接地完成了偵測電源供應器之一輸出端的輸出電壓。PSC的偵測以及轉換能量的控制，都在一次側完成。相較於SSC，PSC可能比較節省成本，因為不需要體積與費用都較大的光耦合器；PSC轉換效率可能比較高，因為沒有在二次側會固定耗能的偵測電路。
第1圖為一種習知的開關式電源供應器，採用PSC。橋式整流器(bridge rectifier)20把市電端AC來的交流電(alternative current)整流，於輸入端IN建立出直流的輸入電源。輸入電源的電壓VIN 可能具有M形波形，也可能被濾波成大致不隨時間變化的一定值。變壓器有三個繞組：一次側繞組PRM、二次側繞組SEC、以及輔助繞組AUX。電源控制器26透過驅動端GATE，週期性地控制功率開關34。功率開關34開啟時，一次側繞組PRM進行儲能。當功率開關34關閉時，二次側繞組SEC以及輔助繞組AUX釋能，以建立在輸出端OUT上之輸出電壓VOUT 給負載24以及操作電壓VCC 給電源控制器26。
分壓電阻28與30偵測輔助繞組AUX的電壓VAUX ，提供回饋電壓VFB 給電源控制器26的回饋端FB。依據回饋電壓VFB ，電源控制器26在補償電容32上建立補償電壓VCOM ，並據以控制功率開關34。
第2圖顯示第1圖中的電源控制器26以及一些外部元件。電源控制器26包含有取樣器12、脈波產生器14、轉導器(transconductor)15、以及脈波寬度控制器16。在二次側繞組SEC以及輔助繞組AUX釋能時，脈波產生器14提供給取樣器12一短脈衝，使取樣器12對回饋電壓VFB 取樣，以在中間端IFB上產生回饋電壓VIFB 。回饋電壓VIFB 透過回饋端FB、分壓電阻28與30、輔助繞組AUX，等同代表了二次側繞組SEC之二次側繞組電壓VSEC 在放電時的電壓，也大約代表了輸出電壓VOUT 。轉導器(transconductor)15依據回饋電壓VIFB 與目標電壓VREF 的比較結果，來控制補償端COMP上的補償電壓VCOM 。脈波寬度控制器16依據補償電壓VCOM 來控制功率開關34。整體來說，電源控制器26提供一個回饋機制，使回饋電壓VIFB 大約穩定在目標電壓VREF ，所以也就能夠穩定了輸出電壓VOUT 。
本發明之實施例提供一種一次側控制方法，包含有：提供一回饋電壓，該回饋電壓透過一電感耦合作用，可代表一二次側繞組之一二次側電壓；以一第一切換頻率控制一功率開關；比較該回饋電壓以及一過高壓參考值；以及，當該回饋電壓超過該過高壓參考值時，以一第二切換頻率控制該功率開關。該第二切換頻率低於該第一切換頻率。
本發明之實施例提供一種電源控制器，適用於一一次側控制。電源控制器包含有一比較器以及一開啟觸發控制器。該比較器，比較一回饋電壓以及一過高壓參考值。該回饋電壓透過一電感耦合作用，可代表一二次側繞組之一二次側電壓。該開啟觸發控制器耦接至該比較器。當該回饋電壓低於該過高壓參考值，該開啟觸發控制器使一功率開關，大約操作於一第一切換頻率。當該回饋電壓高過該過高壓參考值，該開啟觸發控制器使該功率開關，大約操作於一第二切換頻率。該第二切換頻率低於該第一切換頻率。
在本說明書的例子中，具有相同符號的元件，表示具有相同或是相似功能、結構、操作之元件。業界具有一般能力能夠依據本說明書之揭露與教導，簡單推知本說明書中之實施例的變形或是變化，而不偏離本發明之精神。
第2圖中的電源控制器26，在輕重載切換時，可能有輸出電壓VOUT 抖動過大的問題。
舉例來說，當負載24突然由重載轉成輕載或是無載時，輸出電壓VOUT 會突然上升。而電源控制器26必須在一段時間之後，在轉導器15把補償電壓VCOM 下拉到一定程度，使得變壓器所轉換的電能低於負載24所消耗的電能時，輸出電壓VOUT 才可能開始下降。但是，此時輸出電壓VOUT 很可能已經超過了電源管理系統的規格需求了。
第3圖為依據本發明所實施的電源控制器26a 。在一實施例中，電源控制器26a 取代第1圖中的電源控制器26。
電源控制器26a 包含有取樣器12、脈波產生器14、轉導器15、比較器60、震盪器62、以及脈波寬度控制器64。
在脈波寬度控制器64關閉功率開關34之後，二次側繞組SEC以及輔助繞組AUX開始釋放先前功率開關34開啟時在一次側繞組PRM所儲存的能量。二次側繞組SEC以及輔助繞組AUX釋放電能的時間，稱為放電時間(discharge time)TDIS 。在放電時間TDIS 中，脈波產生器14會提供一短脈衝，使取樣器12對於回饋端FB上的回饋電壓VFB 進行取樣。取樣結果則存放在中間端IFB，成為回饋電壓VIFB 。因此，回饋電壓VIFB 透過回饋端FB、分壓電阻28與30、輔助繞組AUX，以及二次側繞組SEC，透過分壓以及電感耦合的作用，大約代表了輸出電壓VOUT 。
轉導器15依據回饋電壓VIFB 以及目標電壓VREF ，來控制補償電壓VCOM 。在一實施例中，脈波寬度控制器64依據補償端COMP上的補償電壓VCOM ，決定功率開關34在一開關週期中的開啟時間TON ，也就是功率開關34呈現短路的時間。
透過設定端SET，震盪器62提供設定信號SSET ，周期性地觸發開啟功率開關34。所以功率開關34的切換頻率大致等於設定信號SSET 之頻率。在一實施例中，設定信號SSET 的頻率，可以由補償電壓VCOM 所決定。舉例來說，設定信號SSET 的頻率隨著補償電壓VCOM 下降而減少。
比較器60比較了回饋電壓VIFB 與過高壓參考值VOS-REF 。比較器60的比較結果SOV 影響震盪器62所提供之設定信號SSET 的頻率。舉例來說，當回饋電壓VIFB 低於過高壓參考值VOS-REF 時，比較結果SOV 為邏輯上的0，設定信號SSET 的頻率單純由補償電壓VCOM 所決定，可能是60KHz；當回饋電壓VIFB 一旦高於過高壓參考值VOS-REF 時，比較結果SOV 為邏輯上的1，設定信號SSET 的頻率立刻降低，可能固定在25KHz。
第3圖中的電源控制器26a ，可以抑制重載轉輕載時，輸出電壓VOUT 的抖動。以下以第1圖之實施例來解說，但是其中的電源控制器26被電源控制器26a 所取代，且目標電壓VREF 與過高壓參考值VOS-REF 分別假設為2.5V與2.6V。一旦負載24突然由重載轉成輕載或是無載時，因為變壓器所傳送的電能高於當下負載24所消耗的電能，輸出電壓VOUT 會突然上升，連帶的使回饋電壓VIFB 開始上升。一旦回饋電壓VIFB 超過了過高壓參考值VOS-REF 的2.6V，設定信號SSET 的頻率馬上就降低到一很低的值，所以變壓器所傳送的電能功率，立刻顯著的下降。相較於習知的技術，其必須等候補償電壓VCOM 下拉到一定程度後，傳送的電能才會顯著下降，電源控制器26a 一旦發現回饋電壓VIFB 超過了過高壓參考值VOS-REF 的2.6V，就立刻降低設定信號SSET 的頻率，也降低了變壓器所傳送的電能功率，因此可以快速的使輸出電壓VOUT 不再上升。
隨著設定信號SSET 週期性的開啟功率開關34，回饋電壓VIFB 也週期性的被更新，來追蹤當下的輸出電壓VOUT 。只要回饋電壓VIFB 低過了過高壓參考值VOS-REF 的2.6V，電源控制器26a就回歸到正常操作，譬如說，設定信號SSET 的頻率單純由補償電壓VCOM 所決定。所以，在正常操作下，電源控制器26a 與電源控制器26是一樣的，都會使回饋電壓VIFB 收斂到目標電壓VREF 的2.5V。
第4圖為依據本發明所實施的電源控制器26b 。以下以電源控制器26b 取代第1圖中的電源控制器26，作為本發明之一實施例。
相較於第2圖中的電源控制器26a ，電源控制器26b 有關閉時間控制器(OFF time controller)66，耦接到回饋端FB。關閉時間控制器66可以實現波谷切換(valley switching)。舉例來說，在放電時間TDIS 之後，輔助繞組AUX的輔助繞組電壓VAUX 會開始震盪，並漸漸地朝0V收斂。所謂谷底切換，可能是在功率開關34被關閉後，輔助繞組電壓VAUX 所出現的第1谷底、第2谷底、第3谷底等其中之一發生時，來開啟功率開關34。這種操作模式一般稱為準諧振(quasi-resonance，QR)模式。
透過回饋端FB，關閉時間控制器66可以知道輔助繞組電壓VAUX 何時掉交越過(drop across)0V，這稱為零交越(zero crossing)。關閉時間控制器66可以設計在偵測到輔助繞組電壓VAUX 掉過0V，之後一預定時間才透過設定端SET，觸發使脈波寬度控制器64開啟功率開關34。如此，就可以大約實現波谷切換。為了預防零交越一直沒有被偵測到，所以關閉時間控制器66可以設計為，在一最大關閉時間之後，如果還是沒有偵測到任何的零交越，就強制觸發使脈波寬度控制器64開啟功率開關34。
在第4圖的實施例中，當回饋電壓VIFB 低於過高壓參考值VOS-REF 時，比較結果SOV 為邏輯上的0，此時，設定信號SSET 觸發開啟功率開關34的時間點，可以依據補償電壓VCOM 與關閉時間控制器66透過回饋端FB所偵測到的零交越所決定。簡單來說，當回饋電壓VIFB 低於過高壓參考值VOS-REF 時，電源控制器26b 大致操作在QR模式，可能在輔助繞組電壓VAUX 所出現的任何一谷底時觸發使功率開關34開啟。
當回饋電壓VIFB 高於過高壓參考值VOS-REF 時，比較結果SOV 為邏輯上的1，關閉時間控制器66一定在最大關閉時間之後，才會觸發脈波寬度控制器64開啟功率開關34。此時，功率開關34的切換頻率，一定不大於操作在QR模式時，功率開關34的切換頻率。
跟第3圖之電源控制器26a 類似的，當輸出電壓VOUT 偏高使得回饋電壓VIFB 高於過高壓參考值VOS-REF 時，第4圖之電源控制器26b 使功率開關34的關閉時間為最大關閉時間，所以切換頻率立刻降低。變壓器所傳送的電能功率可以快速下降，因此可以快速的使輸出電壓VOUT 不再上升。
可以預期的，第3圖與第4圖的電源控制器都可以快速地使回饋電壓VIFB 不再上升，所以可以減小輸出電壓VOUT 的抖動，並使輸出電壓VOUT 較快速的收斂。
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。
12．．．取樣器
14．．．脈波產生器
15．．．轉導器
16．．．脈波寬度控制器
20．．．橋式整流器
24．．．負載
26、26a 、26b ．．．電源控制器
28、30．．．分壓電阻
32．．．補償電容
34．．．功率開關
60．．．比較器
62．．．震盪器
64．．．脈波寬度控制器
66．．．關閉時間控制器
AC．．．市電端
AUX．．．輔助繞組
COMP．．．補償端
FB．．．回饋端
GATE．．．驅動端
IFB．．．中間端
IN．．．輸入端
OUT．．．輸出端
PRM．．．一次側繞組
SEC．．．二次側繞組
SET．．．設定端
SOV ．．．比較結果
VFB ．．．回饋電壓
VIFB ．．．回饋電壓
VIN ．．．電壓
VOS-REF ．．．過高壓參考值
VREF ．．．目標電壓
第1圖為一種習知採用一次側控制的開關式電源供應器。
第2圖顯示第1圖中的電源控制器26以及一些外部元件。
第3圖與第4圖為依據本發明所實施的二電源控制器。
12．．．取樣器
14．．．脈波產生器
15．．．轉導器
26b ．．．電源控制器
60．．．比較器
64．．．脈波寬度控制器
66．．．關閉時間控制器
COMP．．．補償端
FB．．．回饋端
GATE．．．驅動端
IFB．．．中間端
SET．．．設定端
VOS-REF ．．．過高壓參考值
VREF ．．．目標電壓
SOV ．．．比較結果

Claims (11)

  1. 一種一次側控制方法，包含有：提供一回饋電壓，該回饋電壓透過一電感耦合作用，可代表一二次側繞組之一二次側電壓；以一第一切換頻率控制一功率開關；比較該回饋電壓以及一過高壓參考值；以及當該回饋電壓超過該過高壓參考值時，以一第二切換頻率控制該功率開關；其中，該第二切換頻率低於該第一切換頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之一次側控制方法，另包含有：提供一回饋端，該回饋端耦接至一輔助繞組；當該回饋電壓低於該過高壓參考值時，於該輔助繞組之一輔助繞組電壓大約於一電壓波谷時，觸發開啟該功率開關；以及當該回饋電壓超過該過高壓參考值時，於該功率開關關閉後之一最大關閉時間(maximum OFF time)後，觸發開啟該功率開關。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之一次側控制方法，另包含有：比較該回饋電壓以及一目標電壓，以控制一補償電壓；以及依據該補償電壓，控制該功率開關之一開啟時間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之一次側控制方法，另包含有：依據該補償電壓，決定該第一切換頻率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之一次側控制方法，另包含有：提供一回饋端，該回饋端耦接至一輔助繞組；以及於該二次側繞組進行放電時，對該回饋端進行取樣，以產生該回饋電壓。
  6. 一種電源控制器，適用於一次側控制，包含有：一比較器，用以比較一回饋電壓以及一過高壓參考值，其中，該回饋電壓透過一電感耦合作用，可代表一二次側繞組之一二次側電壓；一開啟觸發控制器，耦接至該比較器，其中當該回饋電壓低於該過高壓參考值，該開啟觸發控制器使一功率開關，大約操作於一第一切換頻率，當該回饋電壓高過該過高壓參考值，該開啟觸發控制器使該功率開關，大約操作於一第二切換頻率；其中，該第二切換頻率低於該第一切換頻率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制器，另包含有： 一取樣器，耦接於一回饋端以及該比較器之間，用以對該回饋端取樣，以產生該回饋電壓；以及一脈波產生器，於該二次側繞組進行放電時，提供一短脈衝，以使該取樣器對該回饋端進行取樣。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制器，另包含有：一轉導器(transconductor)，比較該回饋電壓以及一目標電壓，以控制一補償電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源控制器，其中，該開啟觸發控制器係為一震盪器，提供一周期性信號以觸發開啟該功率開關，該補償電壓可決定該周期性信號之一切換頻率。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之電源控制器，其中：該開啟觸發控制器係為一關閉時間控制器，耦接至一回饋端；該回饋端耦接至一輔助繞組；當該回饋電壓低於該過高壓參考值，該關閉時間控制器於該輔助繞組之一輔助繞組電壓大約於一電壓波谷時，觸發開啟該功率開關；以及當該回饋電壓高過該過高壓參考值，該關閉時間控制器於該功率開關關閉後之一最大關閉時間後，觸發開啟該功率開關。
  11. 一種電源管理系統，包含有：一變壓器，具有一一次側繞組、一輔助繞組、以及一二次側繞組；一功率開關，耦接至該一次側繞組，控制流經該一次側繞組之一電感電流；以及一電源控制器，控制該功率開關，包含有：一回饋端，耦接至該輔助繞組；一比較器，用以比較一回饋電壓以及一過高壓參考值，其中，該回饋電壓透過該回饋端以及該輔助繞組，可代表該二次側繞組之一二次側電壓；以及一開啟觸發控制器，耦接至該比較器，其中當該回饋電壓低於該過高壓參考值，該開啟觸發控制器使該功率開關，大約操作於一第一切換頻率，當該回饋電壓高過該過高壓參考值，該開啟觸發控制器使該功率開關，大約操作於一第二切換頻率；其中，該第二切換頻率低於該第一切換頻率。
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