TWI451652B - 電源控制器以及電源管理控制方法 - Google Patents

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Description

電源控制器以及電源管理控制方法
本發明係相關於用於電源供應器中的電源管理器以及相關之控制方法，尤指可以提供許多不同保護的電源管理器與控制方法。
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。
第1圖顯示一傳統的開關式電源供應器，採用返馳式架構。橋式整流器20把從交流端AC來的市電，大致整流產生直流的輸入電壓VIN ，位於輸入電源端IN。功率開關34開啟時，變壓器中一次側繞組PRM儲能；功率開關34關閉時，變壓器中二次側繞組SEC與輔助繞組AUX釋能。二次側繞組SEC釋能在輸出端OUT上建立輸出電壓VOUT ，對負載24供電。類似的，操作電源端VCC上會建立出操作電源VCC ，對電源控制器26供電。回饋電路30，譬如說包含有光耦合器(photo coupler)以及LT431等，偵測輸出電壓VOUT ，據以在補償電容32之回饋端FB上建立回饋信號VFB 。電源控制器26依據回饋信號VFB 來決定整個電源供應器的能量轉換量。透過電阻38與36，電流偵測端CS上的電流偵測信號VCS ，大致對應了流經一次側電感PRM以及功率開關34的電感電流IPRM 。
第1圖中的開關式電源供應器往往是一直接在交流端AC，因此，需要有許多安全防護措施，來預防一些不正常(fault)狀況所可能導致的危險結果。一般所廣為業界所熟知的保護有輸出過高壓保護(over-voltage protection，OVP)、過電流保護(over current protection，OCP)、過負載保護(over load protection，OLP)等。
本發明之實施例揭露一種電源控制器，適用於一電源供應器，包含有一快時脈產生器、一慢時脈產生器、以及一保護電路。該時脈產生器提供一計時信號，具有一時脈頻率，可用以週期性的開關一功率開關。該低頻時脈產生器提供一低時脈信號，其具有一慢時脈頻率，小於該時脈頻率。該保護電路，包含有一過功率偵測電路以及一邏輯電路。該過功率偵測電路依據一回饋信號，判別一過功率事件是否發生。該回饋信號大致受控於該電源供應器之一輸出電壓。當該過功率事件持續發生一過功率容忍時間後，該邏輯電路使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關。該過功率容忍時間係依據該低時脈信號來計數決定。
本發明之實施例揭露一種電源管理控制方法，包含有：依據具有一時脈頻率的一計時信號，週期性地開關一功率開關；提供一低時脈信號，其具有一慢時脈頻率，小於該時脈頻率；依據一回饋信號，判別一過功率事件是否發生，其中，該回饋信號大致受控於一電源供應器之一輸出電壓；當該過功率事件發生後，以該低時脈信號計數，以產生一第一計數結果；以及，當該計數結果指出該過功率事件持續發生超過一過功率容忍時間後，使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關。
第2圖為依據本發明所實施的電源控制器26a。以下將以電源控制器26a取代第1圖中的電源控制器26，作為一實施例來解釋本發明，但本發明並不限於此實施例。
電源控制器26a有兩個時脈產生器：快時脈產生器62以及慢時脈產生器60。快時脈產生器62提供計時信號SCLK ，以時脈頻率fCLK ，週期性設定SR正反器64。當保護信號SPRO 為禁能時，計時信號SCLK 可以透過閘端GATE，週期性的開啟功率開關34。慢時脈產生器60提供抖頻信號STB ，以慢時脈頻率fSCLK 來週期性的調整時脈頻率fCLK 。舉例來說，抖頻信號STB 使時脈頻率fCLK 有65~55KHz的週期變化，變化的頻率，也就是慢時脈頻率fSCLK ，則是400Hz。慢時脈產生器60也提供低時脈信號SSCLK ，具有慢時脈頻率fSCLK ，給予保護電路72。
由上而下，第3圖舉例抖頻信號STB 、計時信號SCLK 、以及低時脈信號SSCLK 。從第3圖中可見，抖頻信號STB 越高，計時信號SCLK 的時脈頻率fCLK 越高。在一實施例中，慢時脈頻率fSCLK 隨著時脈頻率fCLK 上升而上升。譬如說，當時脈頻率fCLK 大約是60KHz時，慢時脈頻率fSCLK 為400Hz；當時脈頻率fCLK 大約是20KHz時，慢時脈頻率fSCLK 為133Hz。在另一個實施例中，慢時脈頻率fSCLK 獨立於時脈頻率fCLK 。譬如說，不論時脈頻率fCLK 是20或是60KHz，慢時脈頻率fSCLK 都維持在400Hz。
第2圖中，保護電路72偵測操作電源端VCC、電流偵測端CS、與回饋端FB，以低時脈信號SSCLK 為時脈來判別時間長短，據以產生保護信號SPRO 。當保護信號SPRO 被致能(asserted)時，邏輯閘74隔絕了功率開關34與計時信號SCLK ，持續的關閉功率開關34。所以第1圖中的電源供應器就停止後續的電源轉換。
補償電阻40連接在電壓端VDD與回饋端FB之間。透過分壓電阻42以及44，以及比較器66，回饋端FB上的回饋信號VFB 可以大約限定在電流偵測端CS的電流偵測信號VCS 之峰值。如同先前所述，回饋信號VFB 透過回饋電路30，受控於輸出電壓VOUT 。
比較器70與可控制之電流源68可以改善在保護差不多發生時，從輸出端OUT所輸出之功率會隨輸入電壓VIN 不同而飄移之現象。在第2圖中，當回饋信號VFB 高於參考電壓VBIAS-REF 時，可控制之電流源68可以提供偏壓電流IBIAS ，從電流偵測端CS流出電源控制器26a，然後經過電阻38與36到一次側的接地端。偏壓電流IBIAS 依據功率開關34之工作比例(duty ratio)D而產生，用來調整電流偵測信號VCS 。工作比例一般是定義為開啟時間TON 除以工作週期。在一實施例中，工作比例(duty ratio)D越小，也就是功率開關34的開啟時間TON 越短，偏壓電流IBIAS 越大。偏壓電流IBIAS 以及電阻38，可以改善保護發生時，從輸出端OUT所輸出之電流或是功率會隨輸入電壓VIN 不同而改變的現象。當回饋信號VFB 低於參考電壓VBIAS-REF 時，可控制之電流源68所提供的電流無法流到電流偵測端CS，所以偏壓電流IBIAS 為0。如此設計，可以降低電源控制器26a在輕載或是無載時所消耗的功率。
第4圖顯示第2圖中的保護電路72，包含有三個比較器78、82、以及86，三個計數器80、84以及88，與SR正反器90。當電源控制器26a的操作電壓VCC 達一定程度時，電源備妥(power good)信號SPG 會使SR正反器90所輸出的保護信號SPRO 之初使狀態為禁能。
比較器78可以視為一過功率偵測電路，其比較回饋信號VFB 與一過功率參考電壓VOPP-REF ，用以判別過功率事件是否發生。當回饋信號VFB 低於過功率參考電壓VOPP-REF 時，過功率事件視為沒有發生，計數器80被清空或是重置，回復到0。回饋信號VFB 會隨著負載24的增大而上升。當回饋信號VFB 高過過功率參考電壓VOPP-REF 時，過功率事件發生，計數器80依據低時脈信號SSCLK ，開始計數。當計數器80的計數結果達一預定數目時，意味著過功率事件持續發生了一過功率容忍時間，計數器80就透過SR正反器90，致能保護信號SPRO ，進而使持續關閉了功率開關34。如此，過功率容忍時間係依據低時脈信號SSCLK 來計數決定。
類似的，比較器82可以視為一過電流偵測電路，其比較電流偵測信號VCS 與過電流參考電壓VOCP-REF ，用以判別過電流事件是否發生。當負載24增大而回饋信號VFB 上升時，電流偵測信號VCS 的峰值也會一起上升。一旦電流偵測信號VCS 高過過電流參考電壓VOCP-REF 時，判定過電流事件發生，計數器84開始計數。當計數器84的計數結果達一預定數目時，意味著過電流事件持續發生一過電流容忍時間，計數器84致能保護信號SPRO ，進而持續關閉了功率開關34。過電流容忍時間係依據低時脈信號SSCLK 來計數決定。
在一實施例中，在過電流事件大約發生時，時脈頻率fCLK 約是60KHz；在過功率事件大約發生時，時脈頻率fCLK 約是120KHz。
比較器86可以視為一過低壓偵測電路，其比較操作電壓VCC 與過低壓參考電壓VCC-REF ，用以判別過低壓事件是否發生。當負載24突然呈現短路時，變壓器所儲存的能量幾乎都無法釋放。因為缺乏電壓器釋放能量來支撐，操作電壓VCC 將會隨時間而下降。操作電壓VCC 便可以被視為一指標，來觸發相關的保護機制。當操作電壓VCC 低過過低壓參考電壓VCC-REF 時，判別過低壓事件發生，計數器88開始計數。當計數器88的計數結果達一預定數目時，意味著過低壓事件持續發生一過低壓容忍時間，計數器88致能保護信號SPRO ，進而持續關閉了功率開關34。過低壓容忍時間係依據低時脈信號SSCLK 來計數決定。
在第4圖中，只要過負載、過電流、或是過低壓容忍時間任何一個一超過，保護信號SPRO 就被致能。但是，保護機制的邏輯判斷並不限於第4圖中的實施例。在另一個實施例中，過負載、過電流、或是過低壓容忍時間全部超過了，保護信號SPRO 才被致能。第5圖顯示另一個保護電路72a，在一實施例中，可以取代保護電路72。在第5圖中，計數器88只有在過低壓事件以及過負載事件都發生後，才開始計數。在本發明之一實施例中，亦可使計數器88只有在過低壓事件以及過電流事件都發生後，才開始計數，其實施方式與第5圖相似，將第4圖中比較器82與比較器86之輸出以AND閘連接後再連接至計數器88即可。
使用低時脈信號SSCLK 作為時脈，可能可以有效減少電路成本。OLP、OCP與過低壓保護機制，一般都是要在不正常狀況發生持續超過數個毫秒後，才能夠確認而觸發。舉例來說，如果過負載保護是在過負載事件發生持續10毫秒後才觸發，那以400Hz的低時脈信號SSCLK 作為時脈，就只要計數4次，大約兩個D正反器(D flip-flop)就夠了。如果以60KHz的計時信號SCLK 為時脈，那就要計數600次，需要高達9個D正反器。因此，相比較下，使用低時脈信號SSCLK 作為時脈，確實可以相當的減少電路成本。
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。
20．．．橋式整流器
24．．．負載
26、26a．．．電源控制器
30．．．回饋電路
32．．．補償電容
34．．．功率開關
36、38．．．電阻
40．．．補償電阻
42、44．．．分壓電阻
60．．．慢時脈產生器
62．．．快時脈產生器
64．．．SR正反器
66．．．比較器
68．．．可控制之電流源
70．．．比較器
72、72a．．．保護電路
74．．．邏輯閘
78、82、86．．．比較器
80、84、88．．．計數器
90．．．SR正反器
AC．．．交流端
AUX．．．輔助繞組
CS．．．電流偵測端
FB．．．回饋端
GATE．．．閘端
IBIAS ．．．偏壓電流
IN．．．輸入電源端
OUT．．．輸出端
PRM．．．一次側繞組
SCLK ．．．計時信號
SEC．．．二次側繞組
SPG ．．．電源備妥信號
SPRO ．．．保護信號
SSCLK ．．．低時脈信號
STB ．．．抖頻信號
VBIAS-REF ．．．參考電壓
VCC．．．操作電源端
VCC-REF ．．．過低壓參考電壓
VDD．．．電壓端
VOCP-REF ．．．過電流參考電壓
VOPP-REF ．．．過功率參考電壓
第1圖顯示一傳統的開關式電源供應器。
第2圖為依據本發明所實施的一電源控制器。
第3圖舉例抖頻信號STB 、計時信號SCLK 、以及低時脈信號SSCLK 。
第4圖與第5圖顯示可用於第2圖中的兩種保護電路。
72．．．保護電路
78、82、86．．．比較器
80、84、88．．．計數器
90．．．SR正反器
CS．．．電流偵測端
FB．．．回饋端
SPG ．．．電源備妥信號
SPRO ．．．保護信號
SSCLK ．．．低時脈信號
VCC．．．操作電源端
VCC-REF ．．．過低壓參考電壓
VOCP-REF ．．．過電流參考電壓
VOPP-REF ．．．過功率參考電壓

Claims (14)

  1. 一種電源控制器，適用於一電源供應器，包含有：一快時脈產生器，用以提供一計時信號，具有一時脈頻率，可用以週期性的開關一功率開關；一慢時脈產生器，提供一低時脈信號，其具有一慢時脈頻率，小於該時脈頻率；一保護電路，包含有：一過功率偵測電路，依據一回饋信號，判別一過功率事件是否發生，其中，該回饋信號大致受控於該電源供應器之一輸出電壓；以及一邏輯電路，當該過功率事件持續發生一過功率容忍時間後，使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關；其中，該過功率容忍時間係依據該低時脈信號來計數決定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制器，其中，該電源供應器包含有一電感元件，該保護電路包含有：一過電流保護電路，依據一電流偵測信號，判別一過電流事件是否發生，其中，該電流偵測信號大致對應流經該電感元件之一電感電流；其中，當該過電流事件持續發生超過一過電流容忍時間 後，該邏輯電路使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關，該過電流容忍時間係依據該低時脈信號來計數決定。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源控制器，其中，當該過功率事件大約發生時，該時脈頻率為一第一時脈頻率，當該過電流事件大約發生時，該時脈頻率為一第二時脈頻率，其中，該第一時脈頻率大約為該第二時脈頻率的兩倍。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制器，其中，該電源控制器被一操作電源所供電，該保護電路包含有：一過低壓偵測電路，依據該操作電源之一操作電壓，判別一過低壓事件是否發生；其中，當該過低壓事件持續發生超過一過低壓容忍時間後，該邏輯電路使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關，該過低壓容忍時間係依據該低時脈信號來計數決定。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制器，其中，該電源供應器包含有一電感元件，該電源控制器另包含有：一電流偵測端，耦接以偵測流經該電感元件之電感電流；以及 一可控制之電流源，依據該功率開關之一工作比例(duty ratio)，提供一偏壓電流從該電流偵測端流出該電源控制器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源控制器，其中，當該回饋信號低於一預設值時，該偏壓電流固定為0。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電源控制器，其中，該低頻時脈產生器係為一抖頻控制器，用以週期性地調整該時脈頻率。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源控制器，其中，該低頻頻率隨該時脈頻率增大而增大。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電源控制器，其中，該低頻頻率獨立於該時脈頻率。
  10. 一種電源管理控制方法，包含有：依據具有一時脈頻率的一計時信號，週期性地開關一功率開關；提供一低時脈信號，其具有一慢時脈頻率，小於該時脈頻率；依據一回饋信號，判別一過功率事件是否發生，其中，該 回饋信號大致受控於一電源供應器之一輸出電壓；當該過功率事件發生後，以該低時脈信號計數，以產生一第一計數結果；以及當該計數結果指出該過功率事件持續發生超過一過功率容忍時間後，使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源管理控制方法，包含有：偵測流經一電感元件之一電感電流，以產生一電流偵測信號；依據該電流偵測信號，判別一過電流事件是否發生；當該過電流事件發生後，以該低時脈信號計數，以產生一第二計數結果；以及當該第二計數結果指出該過電流事件持續發生一過電流容忍時間後，使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之電源管理控制方法，包含有：提供一操作電源，對一電源控制器供電；依據該操作電源之一操作電壓，判別一過低壓事件是否發生；當該過低壓事件發生後，以該低時脈信號計數，以產生 一第二計數結果；以及當該第二計數結果指出該過低壓事件持續發生該過低壓容忍時間後，使該功率開關隔絕於該計時信號，以持續關閉該功率開關。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之電源管理控制方法，另包含有：偵測流經一電感元件之一電感電流，以產生一電流偵測信號；以及依據該功率開關之一工作比例(duty ratio)，調整該電流偵測信號。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之電源管理控制方法，另包含有：依據該低頻頻率，週期性地調整該計時信號。
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