TWI506937B - 可提供負載補償之電源控制器以及相關之控制方法 - Google Patents

Description

可提供負載補償之電源控制器以及相關之控制方法

本發明係相關於開關式電源供應器(switched mode power supply)，尤其相關於可以預估輸出至一負載之一輸出電流的電源供應器。

開關式電源供應器一般採用一功率開關來控制流經一電感元件之一電流。跟其他一般電源供應器相較之下，開關式電源供應器具有較小的產品體積以及較優越的轉換效率，所以廣受業界的歡迎與採用。

反馳式(flyback)架構的供應器，因為其提供了電隔絕的效果，所以廣泛的被採用。反馳式架構以一個變壓器，把連接到市電插座的輸入電源線，直流電隔絕於連接到負載的輸出電源線。一次側一般是指電連接到輸入電源線的那些電路所在的那一側；相對的，二次側一般指的是電連接到輸出電源線的那些電路所在的那一側。所謂二次側控制是採用電阻或一些電子元件，放在二次側，來偵測二次側之負載上的輸出電壓或是流過的輸出電流。二次側控制可以簡單的達到不錯的輸出電壓或是輸出電流調節(regulation)，但是因為二次側的電阻或是電子元件不斷的消耗電能，因此二次側控制可能會有比較低的轉換效率。美國專利申請公開號US20100321956A1揭露了許多開關式電源供應器，其採用一次側控制來調 節二次側的最大額定輸出電流或是額定輸出電壓。美國專利申請公開號US20100321956A1可以使二次側的最大額定輸出電流，大約為一個不隨輸入電源線之輸入電壓而變化的定值。

負載補償(load compensation)是一種在對負載之輸出電流增加時，就增加輸出電壓的一種技術，可以用來補償在電源供應器與負載之間傳輸線上的電壓損失。一種做到負載補償的傳統方法，是採用流經一變壓器之一峰值電流，來大約當作輸出至一負載之輸出電流的代表，據以改變電源供應器所調節之輸出電壓的目標值。但是，如同業界所知道的，峰值電流跟輸出電流是有相當大的差異的，所以，峰值電流根本不能用來代表輸出電流。

實施例揭示有一種電源控制器，適用於一開關式電源供應器。該開關式電源供應器包含有串聯在一起的一電感元件以及一功率開關。該電源控制器包含有一輸出電流估算器以及一電流限制器。該輸出電流估算器，架構來提供一電流偵測信號以及一放電時間信號。該電流偵測信號代表流經該電感元件之一電感電流。該放電時間信號指示該電感元件之一放電時間。並依據該電流偵測信號以及該放電時間信號，該輸出電流估算器產生一充電電流，使其大約對應該開關式電源供應器對一負載輸出的一輸出電流。該充電電流被限制不大於一最大值。當該充電電流等於該最大值時，該電流限制器架構來用以限制該電流偵測信號。

實施例揭示有一種控制方法，適用於一開關式電源供應器中，作為輸出電流偵測。該開關式電源供應器包含有一電感元件以及一功 率開關，串接在一起。該控制方法包含有：接收一電流偵測信號，其大致代表流經該電感元件之一電感電流；偵測該電感元件，以產生一放電時間信號，大致指示該電感元件之一放電時間；依據該電流偵測信號以及該放電時間信號，產生一充電電流，其中，該放電電流大約代表了該開關式電源供應器輸出至一負載的一輸出電流；限制使該充電電流不超過一最大值；以及，當該充電電流等於該最大值時，壓制該電流偵測信號。

實施例另揭示有一種電源控制器，適用於一開關式電源供應器。該開關式電源供應器包含有串聯在一起的一電感元件以及一功率開關。該電源控制器包含有一輸出電流估算器以及一負載補償器。該輸出電流估算器架構來接收一電流偵測信號以及一放電時間信號。該電流偵測信號大致代表流經該電感元件之一電感電流，該放電時間信號大約指示該電感元件之一放電時間。該輸出電流估算器依據該電流偵測信號以及該放電時間信號，產生一充電電流。該充電電流大致對應該開關式電源供應器對一負載輸出之一輸出電流。該負載補償器，據該充電電流，架構來從一電阻汲取一偏壓電流，流到一接地線。該電感元件包含有一輔助繞組，且該電阻係連接於該輔助繞組以及該負載補償器之間。

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、30‧‧‧電阻

34‧‧‧功率開關

36‧‧‧電流偵測電阻

38‧‧‧傳輸線

62‧‧‧取樣保持電路

64‧‧‧放電時間決定器

66‧‧‧負載補償電路

68‧‧‧誤差放大器

70‧‧‧輸出電流估算器

72‧‧‧震盪器

74‧‧‧比較器

76‧‧‧比較器

78‧‧‧SR紀錄器

90‧‧‧轉導器

92、94‧‧‧電位轉換器

96‧‧‧更新電路

98‧‧‧收集電容

99‧‧‧電容

100‧‧‧CS峰值電壓偵測器

102‧‧‧電壓控制電流源

103‧‧‧斜直線

104‧‧‧開關

ACC‧‧‧收集端

AUX‧‧‧輔助繞組

CS‧‧‧電流偵測端

FB‧‧‧回饋端

GATE‧‧‧驅動端

I_CHARGE ‧‧‧充電電流

I_DIS ‧‧‧放電電流

I_OFFSET ‧‧‧偏壓電流

I_OUT ‧‧‧輸出電流

I_PRM ‧‧‧電流

I_REF ‧‧‧預設值

I_SEC ‧‧‧二次側繞組電流

PRM‧‧‧一次側繞組

S_DIS ‧‧‧放電時間信號

SEC‧‧‧二次側繞組

S_UPDATE ‧‧‧更新信號

T_CYC ‧‧‧開關週期

T_DIS ‧‧‧放電時間

T_OFF ‧‧‧關閉時間

T_ON ‧‧‧開啟時間

V_ACC ‧‧‧回饋電壓

V_AUX ‧‧‧跨壓

V_CC ‧‧‧操作電源

V_COM ‧‧‧補償電壓

V_CS ‧‧‧電流偵測電壓

V_CS-PEAK ‧‧‧電壓

V_FB ‧‧‧回饋電壓信號

V_GATE ‧‧‧驅動信號

V_IN ‧‧‧輸入電源

V_LC ‧‧‧負載代表電壓

V_LIMIT ‧‧‧限制電壓

V_M ‧‧‧電壓

V_OUT ‧‧‧輸出電源

V_REF ‧‧‧參考電壓

V_REF-M ‧‧‧預設電壓

V_TAR ‧‧‧目標電壓

第1圖顯示依據本發明所實施的一開關式電源供應器。

第2圖顯示第1圖中的一些信號的波形。

第3圖舉例第1圖中的電源控制器。

第4圖舉例第3圖中的輸出電流估算器。

第5A圖顯示在一些實施例中，充電電流I_CHARGE 跟電壓V_M 的關係。

第5B圖顯示在一些實施例中，偏壓電流I_OFFSET 跟充電電流I_CHARGE 的關係。

本發明的一實施例具有設置於一次側的一電源控制器，其可以依據流經一變壓器之一次側繞組的一電流，以及該變壓器的一放電時間，來產生估計信號。這些估計信號的其中之一是一充電電流，其產生的方法將在此說明書中解釋，並證明此充電電流相當程度地可以代表一電源供應器對一負載所輸出的一輸出電流。而且，透過限制該充電電流的最大值，該輸出電流也可以被準確地調節的不超過該電源供應器的最大額定輸出電流。此外，此充電電流非常精準地或是相當程度地可以代表該輸出電流，所以該充電電流可以做為一個輸入，來產生要做為負載補償的一偏壓電流(offset current)，而得到一個精準控制之結果。

第1圖顯示依據本發明所實施的一開關式電源供應器10，其採用一次側控制。橋式整流器20提供全波式整流，將市電插座供應來的交流電(AC)電源，轉換成直流電(DC)輸入電源V_IN 。輸入電源V_IN 的電壓，可能具有M型的波形，或是大致為一個不變常數。電源控制器26可以是一積體電路，其具有數個接腳，可以電連接到周邊裝置或元件。透過驅動端GATE，電源控制器26可以週期地開啟或是關閉功率開關34。當功率開關34開啟時，該變壓器的一次側繞組PRM儲能；當功率開關34關閉時，該變壓器透過二次側繞組SEC與輔助繞組AUX釋能，分別建立出輸出電源V_OUT 以及操作電源V_CC ，分別供應給負載24與電源控制器26。連接在負載24與二次繞組 之間有傳輸線38，其寄生電阻以標示於其中的電阻表示。

電阻28與30可以視為一個分壓器，用來偵測輔助繞組AUX上的跨壓V_AUX ，然後提供一回饋電壓信號V_FB ，到電源控制器26的一回饋端FB。當功率開關34關閉時，跨壓V_AUX 大約會是比例於二次側繞組SEC上的跨壓之一映射電壓(reflective voltage)。依據回饋電壓信號V_FB ，電源控制器26控制功率開關34的工作週期(duty cycle)。透過電流偵測端CS，電源控制器26偵測電流偵測電壓V_CS ，其代表了流經電流偵測電阻36、功率開關34以及一次側繞組PRM的電流I_PRM 。

第2圖顯示第1圖中的一些信號的波形。在驅動端GATE上的驅動信號V_GATE 為邏輯上的1時，功率開關34開啟。功率開關34維持在開啟的時間，稱為開啟時間(ON time)T_ON ；相對的，功率開關34維持在關閉的時間，稱為關閉時間(OFF time)T_OFF ，如同第2圖所示。一個開關週期(cycle time)T_CYC 等於一個開啟時間T_ON 與一個關閉時間T_OFF 的總和，如同第2圖所顯示的。在開啟時間T_ON 時，輔助繞組AUX上的跨壓V_AUX 是負值，映射輸入電源V_IN 的電壓。此時，一次側繞組PRM儲能，代表電流I_PRM 的電流偵測電壓V_CS 將隨著時間而增加。在功率開關34被關閉的瞬間，二次側繞組SEC開始產生二次側繞組電流I_SEC ，其隨著時間而減少，直到二次側繞組SEC完全的釋能。如同第2圖所示，二次側繞組SEC釋能的時間，或是二次側繞組電流I_SEC 大於0的時間，稱為放電時間T_DIS 。在放電時間T_DIS 時，跨壓V_AUX 為正值，大約映射輸出電源V_OUT 的電壓。在放電時間T_DIS 結束後，跨壓V_AUX 開始震盪，往0V收斂。在第2圖中，放電時間T_DIS 僅僅是關閉時間T_OFF 中的一部分，因為開關式電源供應器10是假定操作於不連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)。萬一開關式電源供應器10是操作於連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)，放電時間T_DIS 大約會等於關閉時間T_OFF 。

第3圖舉例第1圖中的電源控制器26。震盪器72週期地設置SR紀錄器(SR register)78，因此驅動信號V_GATE 變成邏輯上的1，所以開始了開啟時間T_ON 。取樣保持電路62適時地在放電時間T_DIS 時，對回饋電壓信號V_FB 進行取樣，然後誤差放大器68比較取樣保持電路62的取樣結果，跟一預設的目標電壓V_TAR ，來產生補償電壓V_COM 。當電流偵測電壓V_CS 超過了補償電壓V_COM 時，比較器74重置SR紀錄器78，開始了關閉時間T_OFF 。在關閉時間T_OFF 內，電流偵測電壓V_CS 突然地降到0V，如同第2圖所示。換言之，補償電壓V_COM 控制或是壓制了電流偵測電壓V_CS 的峰值。

放電時間決定器64電連接到回饋端FB，透過偵測回饋電壓信號V_FB 的波形，放電時間決定器64提供一放電時間信號S_DIS ，來指示放電時間T_DIS 的時間。放電時間信號S_DIS 不必要一定跟放電時間T_DIS 完全的同步。舉例來說，在一實施例中，放電時間信號S_DIS 在放電時間T_DIS 開始一段時間之後，才變成邏輯上的1，然後在放電時間T_DIS 結束一段時間後，才變成邏輯上的0，因此，放電時間信號S_DIS 為邏輯上1的時間，大約等於放電時間T_DIS 。

依據放電時間信號S_DIS 以及電流偵測電壓V_CS ，輸出電流估算器70提供負載代表電壓V_LC 給負載補償電路66。這裡，負載代表電壓V_LC 對應到一充電電流I_CHARGE 。稍後將說明，充電電流I_CHARGE 大致上比例於第1圖中輸出到負載24的輸出電流I_OUT 。負載補償電路66產生偏壓電流I_OFFSET ，其在放電時間，從回饋端FB汲取電流，流到接地線。一般而言，輸出電流I_OUT 越大，充電電流I_CHARGE 越大，偏壓電流I_OFFSET 越大，跨壓V_AUX 就需要越 大來維持取樣保持電路62之取樣結果大約等於目標電壓V_TAR ，所以輸出電源V_OUT 的電壓越高。因此，負載補償電路66可以使得輸出電源V_OUT 的電壓大致等於“I_OUT * K₁ +K₂ * V_TAR ”，其中K₁ 與K₂ 是兩個定值。只要適當地選取電阻28與30之電阻值，I_OUT * K₁ 就可以大約等於第1圖中的傳輸線38上的跨壓損耗，因此負載24可以收到調節結果相當不錯的電源電壓(=K₂ * V_TAR )。負載補償就此準確的實現。

輸出電流估算器70另提供了限制電壓V_LIMIT 給比較器76。一但電流偵測信號V_CS 超過了限制電壓V_LIMIT ，比較器76重置SR紀錄器78，結束開啟時間T_ON ，並開始了關閉時間T_OFF 。因此，限制電壓V_LIMIT 也可以控制或壓制電流偵測信號V_CS 的峰值。

第4圖舉例輸出電流估算器70，其具有轉導器90、電位轉換器(level shifter)92與94、一更新電路96、一收集電容98、一開關104、一電壓控制電流源(voltage-controlled current source)102、以及一CS峰值電壓偵測器100。

CS峰值電壓偵測器100產生電壓V_CS-PEAK ，其代表了電流偵測信號V_CS 的一峰值。舉例來說，美國專利申請公開號US20100321956A1中的第10圖就提供了CS峰值電壓偵測器100之一例子。在一些實施例中，CS峰值電壓偵測器100可以用美國專利申請公開號US20100321956A1之第17圖或18圖中所舉例之平均電流偵測器所取代。電壓控制電流源102將電壓V_CS-PEAK 轉換成放電電流I_DIS ，其僅有在放電時間信號S_DIS 為邏輯上之1時，對收集端ACC放電。換言之，放電電流I_DIS 對收集端ACC的放電時間，等效上大約等於放電時間T_DIS 。在一些實施例中，第4圖中的開關104可以省略，取 而代之的，放電時間信號S_DIS 用來啟動(activate)或是關閉(deactivate)電壓控制電流源102。在電容99上的電壓V_M ，被位移轉換後，送給轉導器90，用來跟一預設參考電壓V_REF 比較。轉導器90依據比較結果，來輸出充電電流I_CHARGE ，對收集端ACC持續地充電。透過偵測充電電流I_CHARGE ，可以產生負載代表電壓V_LC 。更新電路96受更新信號S_UPDATE 所觸發，對收集端ACC上的回饋電壓V_ACC 取樣，來更新電壓V_M ，可以每次開關週期來更新一次。更新信號S_UPDATE 並不必要每次開關週期就使得更新電路96執行更新一次，舉例來說，也可以每兩個開關週期執行更新一次。在一實施例中，更新信號S_UPDATE 可以等同於驅動信號V_GATE ，意味著更新的動作在關閉時間T_OFF 一開始時被執行。電壓V_M 平時都是保持在一個定值，直到更新電路96對它更新後，才會變成另一個定值。依據電壓V_M ，電位轉換器94提供限制電壓V_LIMIT 。從以上說明可以發現，當電壓V_M 不變時，充電電流I_CHARGE 也會維持不變。

類似美國專利申請公開號US20100321956A1中所分析的，當充電電流I_CHARGE 為一個定值，且回饋電壓V_ACC 在被取樣時的值，等於上一次被取樣時的值，那充電電流I_CHARGE 就會是跟輸出到負載24的輸出電流I_OUT 成比例。為了使充電電流I_CHARGE 跟輸出電流I_OUT 成比例，所以回饋電壓V_ACC 每次被取樣時的值，必須要一樣或是穩定。更新電路96、電位轉換器92、以及轉導器90一起形成了具有負迴路增益(negative loop gain)的一迴路，而這個迴路最後可能可以使得回饋電壓V_ACC 每次被取樣時的值，穩定在一個值。舉例來說，如果充電電流I_CHARGE 大於跟輸出電流I_OUT 成比例的一期望值，那回饋電壓V_ACC 在下次的取樣時，就會變大，造成更新後的電壓V_M 也隨著變大，因此，充電電流I_CHARGE 就會變小。反之亦然。所以，充電電流 I_CHARGE 可以在最後，變的大約跟輸出電流I_OUT 成比例。

第5A圖顯示在一些實施例中，充電電流I_CHARGE 跟電壓V_M 的關係。電壓V_M 透過電位轉換器92以及轉導器90，控制了充電電流I_CHARGE 。如同第5A圖所示的，轉導器90所輸出的充電電流I_CHARGE 並沒有負值，最低就是OA。當電壓V_M 低於預設電壓V_REF-M (其對應到第4圖中的參考電壓V_REF )時，充電電流I_CHARGE 大約是一極大值，也就是第5A圖上所示的I_MAX 。

當負載24不大或是很輕時，輸出電流I_OUT 還沒有到最大額定輸出電流，所以電壓V_M 將穩定在大於預設電壓V_REF-M 的某個值，使得充電電流I_CHARGE 跟輸出電流I_OUT 成比例。此時，第3圖中的電源控制器26操作於定電壓模式，調節輸出電源V_OUT 之電壓，使其穩定於預設值。但是當負載24非常重時，充電電流I_CHARGE 會固定在I_MAX ，且導致電壓V_M 掉到預設電壓V_REF-M 之下。此時，如果輸出電流I_OUT 超過了其最大額定輸出電流(跟I_MAX 比例)，那電壓V_M 與限制電壓V_LIMIT 兩者都會隨著一個個開關週期，而減少，直到限制電壓V_LIMIT 壓低了電壓V_CS-PEAK ，使得輸出電流I_OUT 等於最大額定輸出電流。換句話說，當電壓V_M 低於預設電壓V_REF-M 時，電源控制器26會操作於定電流模式。

在定電壓操作時，轉導器90的轉導增益大致決定了電壓V_M 值的位置。轉導增益越大，電壓V_M 的可能位置範圍越窄，回饋電壓V_ACC 就可以有更多的操作電壓空間可以使用。但是，轉導增益也不能太大，因為提高轉導增益同時也提高了負迴路增益，而過大的負迴路增益將可能導致震盪，使得電壓V_M 無法穩定。

第5B圖顯示在一些實施例中，偏壓電流I_OFFSET 跟充電電流 I_CHARGE 的關係，這關係可由負載補償電路66所執行。在一實施例中，負載代表電壓V_LC 與偏壓電流I_OFFSET 可以透過映射充電電流I_CHARGE 來產生。一些實施例中，當負載很輕或是無載時，負載補償並不需要產生。因此，如同第5B圖所示的，當充電電流I_CHARGE 比一預設值I_REF 來的低時，偏壓電流I_OFFSET 就消失，等於0A。當充電電流I_CHARGE 比一預設值I_REF 高時，兩者大約是一個線性關係，如同第5B圖中的斜直線103所舉例的。

輸出電流估算器70僅僅使用了一個內部、具有負迴路增益的一迴路，就達到了兩個重要的功能：提供跟輸出電流I_OUT 成比例的充電電流I_CHARGE ，以及控制輸出電流I_OUT 不超過最大額定輸出電流。

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。

70‧‧‧輸出電流估算器

90‧‧‧轉導器

92、94‧‧‧電位轉換器

96‧‧‧更新電路

98‧‧‧收集電容

99‧‧‧電容

100‧‧‧CS峰值電壓偵測器

102‧‧‧電壓控制電流源

104‧‧‧開關

ACC‧‧‧收集端

I_CHARGE ‧‧‧充電電流

I_DIS ‧‧‧放電電流

S_DIS ‧‧‧放電時間信號

S_UPDATE ‧‧‧更新信號

V_ACC ‧‧‧回饋電壓

V_CS ‧‧‧電流偵測電壓

V_CS-PEAK ‧‧‧電壓

V_LC ‧‧‧負載代表電壓

V_LIMIT ‧‧‧限制電壓

V_M ‧‧‧電壓

V_REF ‧‧‧參考電壓

Claims (10)

1. 一種電源控制器，適用於一開關式電源供應器，該開關式電源供應器包含有串聯在一起的一電感元件以及一功率開關，該電源控制器包含有：一輸出電流估算器，架構來提供一電流偵測信號，其代表流經該電感元件之一電感電流，以及一放電時間信號，其指示該電感元件之一放電時間，並依據該電流偵測信號以及該放電時間信號，用以產生一充電電流，使其大約對應該開關式電源供應器對一負載輸出的一輸出電流，其中該充電電流被限制不大於一最大值；以及一電流限制器，當該充電電流等於該最大值時，架構來用以依據該充電電流限制該電流偵測信號，以使該開關式電源供應器操作於一定電流模式。
2. 如專利申請範圍第1項之電源控制器，其中，該電感元件包含有一輔助繞組，該開關式電源供應器具有一電阻，連接至該輔助繞組，該電源控制器另包含有：一負載補償器，依據該充電電流，架構來從該電阻汲取一偏壓電流。
3. 如專利申請範圍第1項之電源控制器，其中，該充電電流不會是負值。
4. 如專利申請範圍第1項之電源控制器，其中，該輸出電流估算器，依據該充電電流、該放電時間信號以及該電流偵測信號，產生一電壓信號，該輸出電流估算器具有一轉導器，其比較該電壓信號以及一參考電壓，來產生該充電電流。
5. 如專利申請範圍第4項之電源控制器，其中，該電壓信號在該開關式電源供應器的每一開關週期內，更新一次。
6. 如專利申請範圍第4項之電源控制器，其中，該充電電流持續對一收集端充電，該輸出電流估算器依據該電流偵測信號提供一放電電流，該放電電流在該放電時間內對該收集端放電，且該電壓信號係透過取樣該收集端上之一回饋電壓而被更新。
7. 如專利申請範圍第6項之電源控制器，其中，該電流偵測信號之一峰值，決定該放電電流。
8. 如專利申請範圍第6項之電源控制器，其中，該輸出電流估算器另包含一收集電容，連接至該收集端，一更新電路連接至該收集端，用以取樣該回饋電壓。
9. 如專利申請範圍第1項之電源控制器，其中，該輸出電流估算器依據該充電電流、該放電時間信號、以及該電流偵測信號，產生一電壓信號，該輸出電流估算器另包含有一電位轉換器，用以將該電壓信號轉換為一第二電壓信號，該電流電流限制器包含有一比較器，用以比較該第二電壓信號以及該電流偵測信號，來控制該功率開關。
10. 一種控制方法，適用於一開關式電源供應器中，作為輸出電流偵測，該開關式電源供應器包含有一電感元件以及一功率開關，串接在一起，該控制方法包含有：接收一電流偵測信號，其大致代表流經該電感元件之一電感電流；偵測該電感元件，以產生一放電時間信號，大致指示該電感元件之一放電時間；依據該電流偵測信號以及該放電時間信號，產生一充電電流，其中，該充電電流大約代表了該開關式電源供應器輸出至一負載的一輸出電 流；限制使該充電電流不超過一最大值；以及當該充電電流等於該最大值時，依據該充電電流，壓制該電流偵測信號，以使該開關式電源供應器操作於一定電流模式。