TWI489758B

TWI489758B - 可偵測掉電與復電之電源控制器、電源供應器以及相關之控制方法

Info

Publication number: TWI489758B
Application number: TW102144147A
Authority: TW
Inventors: Ren Yi Chen
Original assignee: Grenergy Opto Inc
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-21
Also published as: TW201524102A

Description

可偵測掉電與復電之電源控制器、電源供應器以及相關之控制方法

本發明係關於開關式電源供應器(switched mode power supply)，尤指開關式電源供應器中，具有一多功能接腳的電源控制器。

開關式電源供應器一般使用一功率開關來控制流經一電感元件的電流。跟一些其他的電源供應器相比，開關式電源供應器多半享有比較精巧的尺寸，並且有比較高的轉換效率，因此廣受業界的歡迎。

第1圖顯示一習知的開關式電源供應器10，其具有返馳式(flyback)架構。橋式整流器20以全波整流的方式，將從電源插座來的交流電(AC)轉換成直流(DC)的輸入電源，以在一輸入電源線IN上提供一輸入電壓V_IN ，以及在一接地線GND上提供一接地電壓。輸入電壓V_IN 可能是一個定值，或是具有M狀的波形。電源控制器26是一個積體電路，其具有接腳VCC、QRD、COMP、BNO/BOI以及GATE，用來跟周邊的元件相連接。透過接腳GATE，電源控制器26提供脈波寬度調變信號V_GATE ，來週期地開關功率開關34。當功率開關34開啟時，變壓器中的一次側繞組PRM儲能。當功率開關34關閉時，變壓器透過二次側繞組SEC以及輔助繞組AUX釋放能量，來建立一輸出電源V_OUT 給負載24，以及建立一操作電源V_CC 給電源控制器26。

電阻28與30構成一電壓除法器，用來偵測在輔助繞組AUX上的跨壓V_AUX ，並據以在接腳QRD上提供一準諧振(quasi-resonance，QR)信號V_QRD ，電源控制器26可以據以執行波谷切換(valley switching)，來降低功率開關34的切換損失(switch loss)。

輸出電源V_OUT 的調控(regulation)可以透過累積輸出電源V_OUT 跟一所期望的目標電壓之差異，然後來調變(modulate)脈波寬度調變信號V_GATE 的工作週期(duty cycle)，而達成。電阻44與46對輸出電源V_OUT 進行除法，所產生的結果被LT431用來跟一內部參考電壓(舉例來說，2.5V)做比較，來產生誤差信號。光耦合器42將誤差信號從二次側傳遞到一次側，然後隨時間累積在連接至接腳COMP的補償電容50上。電阻52連接至電源控制器26內部中的一操作電源線VDD，可用來拉高補償電壓V_COMP ，而光耦合器42則相反的可用來拉低補償電壓V_COMP 。依據補償電壓V_COMP ，PWM產生器40產生脈波寬度調變信號V_GATE 。

電阻53與54連接在輸入電源線IN與接地線GND之間，用來提供掉電(brownout)與復電(brownin)偵測。如同業界所知的，所謂掉電指的是電源供應系統中電壓上的不足，不論是故意地或是非故意。舉例來說，這樣電壓的不足，可能是因為市區電力系統供電中斷所導致的一種結果。如果沒有適當的防護，掉電很可能導致開關式電源供應器誤動作。電源控制器26透過接腳BNO/BNI來偵測輸入電壓V_IN 。如果發現了掉電，那電源控制器26就持續地關閉功率開關34，停止電源轉換來保護開關式電源供應器10。在此說明書中，復電指的是輸入電壓V_IN 增加回復到一定程度，所以電源控制器26可以恢復週期性的開關功率開關34。舉例來說，當輸入電壓V_IN 低於60V之一掉電電壓時，開關式電源供應器10停止電源轉換；當輸入電壓V_IN 恢復到超過70V之一復電電壓時，開關式電源供應器10恢復開始開關功率開關34。

儘管電源供應器10可以準確的執行復電與掉電偵測，但就是需要接腳BNO/BNI這多增加的接腳。接腳數目(pin count)可以決定了相當程度的積體電路成本，所以是非常重要的。一般業界都希望能夠在不犧牲任何功能的條件下，盡量減少積體電路的接腳數目。

實施例揭露一種開關式電源供應器，用來提供調節後之一輸出。該開關式電源供應器包含有一輸入電源線、一接地線、一電感元件、一功率開關、一電源控制器、以及一電阻。該電感元件以及該功率開關串接於該輸入電源線以及該接地線之間。該電源控制器形成於一積體電路。該積體電路具有一多功能接腳，該電源控制器架構來控制該功率開關。該電阻連接於該多功能接腳與該輸入電源線之間。在一開機程序中，該電源控制器係架構來提供一第一導電路徑，該第一導電路徑從該多功能接腳電傳導至該接地線。在正常操作中，該電源控制器係架構來斷開該第一導電路徑，且使得該多功能接腳成為一誤差放大器之一輸出端。該誤差放大器比較該輸出與一目標值，該電源控制器依據該多功能接腳之一電壓，來產生一脈波寬度調變信號，來控制該功率開關。

實施例揭露一種電源控制器，形成於一積體電路，適用於一開關式電源供應器，其具有串接之一電感元件以及一功率開關。該電源控制器包含有一多功能接腳、一線電壓偵測器、以及一充電路徑控制器。該多功能接腳可以透過一電阻，電連接到一輸入電源線。在一開機程序中，該線電壓偵測器架構來提供一第一導電路徑。該第一導電路徑從該多功能接腳電傳導至該接地線，用來對該多功能接腳放電。該充電路徑控制器電連接於一操作電源線以及該多功能接腳之間，且在正常操作時，架構來提供一第二導電路徑，對該多功能接腳充電。該第一導電路徑在該正常操作時被斷開，且在該第一導電路被提供時，該第二導電路徑被斷開。

實施例提供一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，其包含有一電感元件以及一功率開關，串接於一輸入電源線以及一接地線之間，該控制方法包含有：提供一電源控制器一多功能接腳，該電源控制器形成於一積體電路中；在該電源控制器中，提供一第一導電路徑，其從該多功能接腳電傳導至該接地線，且依據流經該第一導電路徑之一電流，提供一輸入電源良好信號，用以表示該輸入電源線之一輸入電壓已經超過了預設之一復電電壓；斷開該第一導電路徑，提供一第二導電路徑，其從一操作電源線電傳導至該多功能接腳，並依據該多功能接腳上之一電壓，來產生一脈波寬度調變信號，以控制該功率開關；以及，當該第一導電路徑被提供時，斷開該第二導電路徑。

10‧‧‧開關式電源供應器

20‧‧‧橋式整流器

24‧‧‧負載

26‧‧‧電源控制器

28‧‧‧電阻

30‧‧‧電阻

34‧‧‧功率開關

40‧‧‧PWM產生器

41‧‧‧開關式電源供應器

42‧‧‧光耦合器

44‧‧‧電阻

46‧‧‧電阻

50‧‧‧補償電容

52‧‧‧電阻

53‧‧‧電阻

54‧‧‧電阻

66‧‧‧電源控制器

68‧‧‧電阻

70‧‧‧補償電阻

72‧‧‧偵測電阻

74‧‧‧路徑開關

76‧‧‧路徑開關

90‧‧‧比較器

96‧‧‧NMOS

98‧‧‧掉電偵測電路

99‧‧‧電流源

AUX‧‧‧輔助繞組

BNO/BOI‧‧‧接腳

COMP‧‧‧接腳

GATE‧‧‧接腳

GND‧‧‧接地線

IN‧‧‧輸入電源線

I_QRD ‧‧‧箝制電流

I_SENSE ‧‧‧電流

P₁ ‧‧‧導電路徑

P₂ ‧‧‧導電路徑

PRM‧‧‧一次側繞組

QRD‧‧‧接腳

S_BNO ‧‧‧掉電信號

SEC‧‧‧二次側繞組

S_IPG ‧‧‧輸入電源良好信號

V_AUX ‧‧‧跨壓

V_CC ‧‧‧操作電源

VCC‧‧‧接腳

V_COMP ‧‧‧補償電壓

VDD‧‧‧操作電源線

V_GATE ‧‧‧脈波寬度調變信號

V_IN ‧‧‧輸入電壓

V_OUT ‧‧‧輸出電源

V_QRD ‧‧‧準諧振信號

V_REF ‧‧‧參考電壓

第1圖顯示一習知的開關式電源供應器。

第2圖顯示了依據本發明所實施的開關式電源供應器。

第3A圖顯示在一開機程序(startup procedure)時，第2圖中用來實現復電偵測的一些電路。

第3B圖顯示在正常操作(normal operation)時，第2圖中用來實現輸出調節的一些電路。

第4圖顯示一些電路，其在正常操作時連接到第2圖中的接腳QRD，作為掉電偵測。

在此說明書中，將以返馳式(flyback)電源轉換器為例來解說本發明，但本發明並不限於此。第2圖顯示了依據本發明所實施的開關式電源供應器41，其可以實現復電與掉電偵測，而且並沒有增加任何的接腳，因此，可以節省成本。在一實施例中，電源控制器66是一單晶積體電路，其封裝成具有數個接腳。電源控制器66可以透過接腳QRD來實現掉電偵測，透過接腳COMP來實現復電偵測。接腳COMP也可以架構來做為一誤差放大器之一輸出，所以是一多功能接腳。

開關式電源供應器41中有許多元件的符號標示跟第1圖中的開關式電源供應器10相同。這些具有相同符號標示的元件，可以是，但不一定要是，具有相同的功能或是架構。開關式電源供應器41並沒有第1圖中的電阻53與54，也沒有接腳BNO/BNI，但是有連接在輸入電源線IN與接腳COMP之間的電阻68。與第1圖的電源控制器26相比，第2圖中的電源控制器66少了一個接腳，因此，電源控制器66成本上會比較有優勢。而且，因為開關式電源供應器41有較少的電阻數量，與較便宜的電源控制器66，所以第2圖的物料清單(bill of material，BOM)成本也可能會比較低。

在電源控制器66中，路徑開關76與補償電阻70串接在一起，可以選擇性地提供從操作電源線VDD傳導至接腳COMP的一導電路徑P₂ ，用來對補償電容50充電。操作電源線VDD可以是由從接腳VCC所供電之一低壓差線性穩壓器(low dropout，LDO)的一調節後電源輸出。路徑開關74與偵測電阻72也串接在一起，可以選擇性地提供從接腳COMP傳導至接地線GND的一導電路徑P₁ ，用來對補償電容50放電。在本發明之一實施例中，在任何時間，路徑開關74與76兩者最多只能開啟一個(短路)。換句話說，當其中一個開啟(短路)時，另一個必須關閉(開路)。換言之，當導電路徑P₁ 與P₂ 其中之一被提供時，另一個就被斷開。

第3A圖顯示在一開機程序(startup procedure)時，第2圖中用來實現復電偵測的一些電路。舉例來說，開機程序在開關式電源供應器41剛剛連接到市電插座開始。在開機程序一開始的時候，電源控制器66固定地關閉功率開關34，關閉路徑開關76，開啟路徑開關74，如同第3A圖所示的。第3A圖中的電阻68與偵測電阻72構成了一分壓器，而此時流經其間的電流I_SENSE 決定了補償電壓V_COM 。當補償電壓V_COM 超過一預設參考電壓V_REF 時，電源控制器66中的比較器90可以致能輸入電源良好信號(input power good signal)S_IPG ，來告知PWM產生器40，此時，輸入電壓V_IN 已經超過了對應預設參考電壓V_REF 的一復電電壓(brownin voltage)。在一實施例中，只有在輸入電壓V_IN 持續超過復電電壓一段預設時間之後，輸入電壓V_IN 才會被認為夠高也夠穩定來做為正常操作所要的電源，電源控制器66才會開始執行緩啟動(soft start)或是正常操作。在輸入電壓V_IN 被認為夠高也夠穩定之前，電源控制器66持續地維持功率開關34關閉著，禁止電能轉換。

第3B圖顯示在正常操作(normal operation)時，第2圖中用來實現輸出調節的一些電路。在此說明書中，正常操作指的是供應給負載24之輸出電壓或是電流被正確的穩定調節時，電源控制器66的操作。如同第3B圖所示，路徑開關76開啟，而路徑開關74關閉，因此，導電路徑P₂ 被提供，而導電路徑P₁ 斷開。電阻68的電阻值最好是比補償電阻70的電阻值大很多，因此，流過電阻68的電流，相較於流過導電路徑P₂ 的電流，幾乎可以忽略。舉例來說，電阻68是數十百萬歐姆，而補償電阻70只有數萬歐姆。

跟第1圖中的開關式電源供應器10相類似的，在正常操作時，第3B圖中的接腳COMP實質上等同於一個誤差放大器的一輸出端。此誤差放大器使用補償電容50，透過LT431與一些相關電子元件，來收集輸出電源V_OUT 與一期望之目標電壓的差異。在正常操作時，輸入電源良好信號S_IPG 會被忽略，而PWM產生器40依據補償電壓V_COMP ，調變脈波寬度調變信號V_GATE 的工作週期(duty cycle)，藉以調節輸出電源V_OUT 的電壓或是電流。

在一實施例中，第3A圖與第3B圖中的補償電阻70可以被一定電流取代，此定電流可以用來對補償電容50充電，此定電流所提供的電流最好比電阻68所提供的電流大。

在一些本發明的實施例中，控制器使用接腳QRD來偵測掉電。第4圖顯示一些電路，其在正常操作時連接到第2圖中的接腳QRD，作為掉電偵測。在電源控制器66中之掉電偵測電路98電連接到接腳QRD，其連接到電阻30與28之間的接點。請同時參閱第2圖與第4圖。當功率開關34在正常操作開啟時，在輔助繞組AUX上的跨壓V_AUX 是一個負值，而且跟輸入電壓V_IN 成比例。當跨壓V_AUX 為負時，NMOS 96用來將接腳QRD上的準諧振信號V_QRD 箝制在大約OV，因此箝制電流I_QRD 會跟跨壓V_AUX 與輸入電壓V_IN 成比例。當輸入電壓V_IN 偏低，掉到一預設之掉電電壓時，箝制電流I_QRD 變得太小，所以導致無法拉起電流源99的輸入端，因此掉電信號S_BNO 就被致能，指出掉電的發生。一旦掉電發生，電源控制器66可以據以停止開關式電源供應器41的電能轉換。

依據以上的說明，接腳COMP實質上就是一多功能接腳。透過接腳COMP，在一開機程序中，可以偵測到復電。也透過接腳COMP，在正常操作時，調變脈波寬度調變信號V_GATE 的工作週期(duty cycle)可以被調變。相較於第1圖中的電源供應器，第2圖中的開關式電源供應器41依然可以提供復電與掉電偵測，但是卻有比較少的接腳數目以及較少的電阻數量。因此，開關式電源供應器41可以在成本上比較有利。

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。