TWI523397B - 電源控制器以及控制方法 - Google Patents

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Description

電源控制器以及控制方法
本發明係相關於開關式電源供應器(switching-mode power supply)，尤其是可能可以節省系統成本的開關式電源供應器。
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感應電壓，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把市電來的交流電(alternative current)轉換成直流的輸入電源VIN。輸入電源VIN的電壓可能具有M形波形，也可能被濾波成大致不隨時間變化的一定值。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，以建立輸出電源VOUT給負載24以及操作電源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，提供回饋信號VFB給電源控制器26的回饋端FB。依據回饋信號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、比較器15、以及脈波寬度控制器16。第3圖顯示第1圖與第2圖中的一些信號時序圖，從上而下，包含有在驅動端GATE的驅動信號VGATE、在回饋端FB上的回饋信號VFB、脈波產生器14提供給取樣器12的取樣時脈信號VSH、取樣器12所產生的取樣信號VIFB、以及比較器15於補償電容32上所建立的補償電壓VCOM。
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一功率開關。該控制方法包含有於該功率開關關閉後，提供一致能時間；依據一回饋信號以及一參考信號，在該致能時間內，對一補償電容充放電；以及，依據該補償電容之一補償電壓，控制該功率開關。該回饋信號之電壓可大致對應該電源供應器之一輸出電壓。
本發明實施例提供一種電源控制器。該電源控制器包含有一脈波產生器、一取樣器、一比較器、以及一開關控制器。該脈波產生器提供一致能信號，定義一致能時間。該比較器具有二輸入，得耦接至一回饋信號以及一參考信號，以及一輸出，耦接至一補償電容。該比較器得被該致能信號致能，以對該補償電容充放電。該開關控制器依據該補償電容之一補償電壓，控制一功率開關。該回饋信號之電壓可大致對應該電源供應器之一輸出電壓。
如同第3圖所示，取樣器12對回饋信號VFB取樣所產生的取樣信號VIFB，是要代表在放電時間TDIS中某特定時間的回饋信號VFB，其可對應到在二次側的輸出電源VOUT。所以取樣信號VIFB應當要被持守維持在取樣後的結果。但是，可能漏電的原因，取樣信號VIFB會漸漸地上升或是下降。如同第3圖所示，除了取樣發生的時間之外，取樣信號VIFB是隨時間而減少的。因此，取樣信號VIFB在大多時間內，可能無法準確的代表那特定時間的回饋信號VFB，而比較器15依據錯誤的取樣信號VIFB，來對補償電容32充放電，所以可能建立了錯誤的補償電壓VCOM，如同第3圖所示。其結果，可能導致了輸出電源VOUT之錯誤輸出電壓。
第4圖顯示了依據本發明所實施例的電源供應器19。電源供應器19中的電源控制器60可以以一單晶之積體電路(monolithic integrated circuit)構成。相較於第1圖中的習知技術，電源供應器19沒有外接的補償電容32，所以從系統費用來看，可能可以節省硬體材料(bill of material，BOM)成本。電源供應器19可以沒有外接的補償電容32之原因將於稍後解說。
在另一個依據本發明所實施的電源供應器，可以像第1圖一樣有外接之補償電容32。
第5圖顯示第4圖中的電源控制器60以及一些外部元件。電源控制器60包含有取樣器12、脈波產生器62、比較器64、以及脈波寬度控制器16。
脈波產生器62，提供取樣時脈信號VSH以及致能信號VEN，分別給取樣器12以及比較器64。
取樣時脈信號VSH定義了取樣器12對回饋信號VFB執行取樣的取樣時間TSH。當取樣時脈信號VSH為致能(asserted)時，取樣信號VIFB等於回饋信號VFB。當取樣時脈信號VSH為禁能(deasserted)時，取樣信號VIFB應要被持守住，且隔絕於回饋信號VFB。
致能信號VEN定義了比較器64可以驅動補償電容66的致能時間TEN。在一實施例中，比較器64是一轉導器(transconductor)，有兩個輸入分別耦接到取樣信號VIFB與參考信號VREF，以及一個輸出耦接到補償電容66。當致能信號VEN為致能時，比較器64依據取樣信號VIFB與參考信號VREF的差，對補償電容66進行充放電。當致能信號VEN為禁能時，比較器64的輸出為高阻抗(high impedance)，補償電容66持守住其補償電壓VCOM。
脈波寬度控制器16依據補償電壓VCOM，來驅動驅動端GATE。在一實施例中，依據補償電壓VCOM，脈波寬度控制器16控制了功率開關34的導通時間TON。在另一實施例中，補償電壓VCOM決定了功率開關34的開關頻率。
第6圖顯示第4圖與第5圖中的一些信號時序圖，從上而下，分別是驅動信號VGATE、回饋信號VFB、取樣時脈信號VSH、取樣信號VIFB、致能信號VEN、以及補償電壓VCOM。在開啟時間TON內，驅動信號VGATE為致能，回饋信號VFB則反應了在輔助繞組AUX上所感應的負電壓。
當驅動信號VGATE從致能轉態為禁能後，進入了關閉時間TOFF。關閉時間TOFF的一開始時，是放電時間TDIS。如第在放電時間TDIS中，回饋信號VFB一開始上升到一高點，其大約反應二次側的輸出電壓。大約在放電時間TDIS結束時，因為二次側繞組SEC放電完畢了，所以回饋信號VFB下墜，交越過0伏特。放電時間TDIS，其在一實施例中定義為二次側繞組SEC對輸出端OUT持續放電的時間，在另一實施例中定義為回饋信號VFB在大約高於0電壓的時間。
在一實施例中，脈波產生器62依據前一開關週期中的放電時間TD1S，來決定等待時間TSTR，等同決定了取樣時間TSH的起點。舉例來說，等待時間TSTR為前一開關週期中的放電時間TDIS之2/3。在另一實施例中，等待時間TSTR可以是一不變的固定值。
取樣時間TSH之前，取樣信號VIFB可能因為漏電而漸漸下降，如同第6圖所示。但是，在取樣時間TSH時，取樣信號VIFB將被更新，而忠實的反應當時的回饋信號VFB，其反應了輸出電源VOUT的電壓。在取樣時間TSH之後，取樣信號VIFB依然隨時間而遞減。因此，可以說，在取樣時間TSH以及之後的些許短暫時間內，取樣信號VIFB可以說還算忠實的反應了當時輸出電源VOUT的電壓。
在第6圖中，致能信號VEN與取樣時脈信號VSH大約同時被致能，致能時間TEN的時間長度則些許地長於取樣時間TSH的時間長度。如同第6圖所示，在致能時間TEN中，因為取樣信號VIFB高於參考信號VREF，所以補償電容66被比較器64放電而下降。這樣的放電過程，隨著致能時間TEN過去而被終止，所以補償電容66持守住補償電壓VCOM。此時，就算取樣信號VIFB因為漏電已經變成錯誤了，也不會影響補償電壓VCOM。如同先前所述，因為在致能時間TEN中，取樣信號VIFB還算忠實的反應了當時輸出電源VOUT的電壓，所以補償電壓VCOM會比較正確。所建立的輸出電源VOUT電壓也會比較正確。
因為致能時間TEN可以很短，所以補償電容66的電容值不需要很大，就可以達到整個控制迴路的頻率補償。因此，在一實施例中，補償電容66是以積體電路中的一電容所構成，電源控制器60沒有設置一接腳來外接一外在的補償電容。只是，在另一實施例中，電源控制器60也可以設置一接腳來外接一外在的補償電容，來增加補償電容值。
在一實施例中，取樣時脈信號VSH與致能信號VEN為同一個信號，所以取樣時間TSH等於致能時間TEN。
在另一實施例中，致能時間TEN在取樣時間TSH之內，但是短於取樣時間TSH。
致能時間TEN的時間長度也許和取樣時間TSH一樣、或是比取 樣時間TSH長、或是比取樣時間TSH短。簡單的說，致能時間TEN的時間長度關聯於取樣時間TSH。舉例來說，致能時間TEN與取樣時間TSH同時開始，或是同時結束。
相較於第2圖之電源控制器26，依據本發明所實施的電源控制器60至少有以下優點：
1.輸出電源VOUT電壓可能會比較正確：因為補償電壓VCOM只會受到大約正確時的取樣信號VIFB所影響。
2.硬體材料(bill of material，BOM)成本可能比較便宜：因為可以省略了外在的補償電容。
第7圖顯示依據本發明所實施的電源控制器60a以及一些外部元件，其中，電源控制器60a可以取代第4圖或是第5圖中的電源控制器60。第8圖顯示第7圖中的一些信號時序圖。
與第5圖之電源控制器60不同的，電源控制器60a沒有取樣器12。因此，相較於第5圖，電源控制器60a中的脈波產生器62a只有產生致能信號VEN，來控制比較器64對補償電容66充放電的時間。比較器64的兩個輸入直接耦接到回饋信號VFB以及參考信號VREF。
如同第8圖所示的，致能信號VEN所定義的致能時間TEN在放電時間TDIS之內，且短於放電時間TDIS。如此，在致能時間TEN內，回饋信號VFB就可以忠實的反應了當時輸出電源VOUT的電壓，所以此時比較器64的比較結果可以忠實的知道電源供應器應該增加或是減少其輸出功率，所調整出來的補償電壓VCOM會比較正確。也因此，所建立的輸出電源VOUT電壓也會比較正確。
與第5圖之電源控制器60類似，第7圖之電源控制器60a也有輸出電源VOUT電壓可能會比較正確、以及硬體材料成本可能比較便宜的兩個好處。
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‧‧‧比較器
16‧‧‧脈波寬度控制器
19‧‧‧電源供應器
20‧‧‧橋式整流器
24‧‧‧負載
26‧‧‧電源控制器
28、30‧‧‧分壓電阻
32‧‧‧補償電容
34‧‧‧功率開關
60、60a‧‧‧電源控制器
62、62a‧‧‧脈波產生器
64‧‧‧比較器
66‧‧‧補償電容
AUX‧‧‧輔助繞組
FB‧‧‧回饋端
GATE‧‧‧驅動端
PRM‧‧‧一次側繞組
SEC‧‧‧二次側繞組
TDIS‧‧‧放電時間
TEN‧‧‧致能時間
TSH‧‧‧取樣時間
TSTR‧‧‧等待時間
VCOM‧‧‧補償電壓
VEN‧‧‧致能信號
VFB‧‧‧回饋信號
VGATE‧‧‧驅動信號
VIFB‧‧‧取樣信號
VREF‧‧‧參考信號
VSH‧‧‧取樣時脈信號
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圖中的電源控制器以及一些外部元件。
第3圖顯示第1圖與第2圖中的一些信號時序圖。
第4圖顯示了依據本發明所實施例的一電源供應器。
第5圖顯示第4圖中的電源控制器以及一些外部元件。
第6圖顯示第4圖與第5圖中的一些信號時序圖。
第7圖顯示依據本發明所實施的一電源控制器以及一些外部元件。
第8圖顯示第7圖中的一些信號時序圖。
12．．．取樣器
16．．．脈波寬度控制器
28、30．．．分壓電阻
60．．．電源控制器
62．．．脈波產生器
64．．．比較器
66．．．補償電容
COMP．．．補償點
FB．．．回饋端
GATE．．．驅動端

Claims (15)

  1. 一種控制方法，適用於一電源供應器，該電源供應器包含有一功率開關，包含有：於該功率開關關閉後，提供一致能時間；依據一回饋信號以及一參考信號，在該致能時間內，對一補償電容充放電；依據該補償電容之一補償電壓，控制該功率開關；以及在該致能時間之外，不對該補償電容充放電，以使該補償電容持守住該補償電壓；其中，該回饋信號之電壓可大致對應該電源供應器之一輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，包含有：於該功率開關關閉後，提供一取樣時間；在該取樣時間內，對該回饋信號，進行取樣，以產生一取樣信號；以及據該取樣信號以及該參考信號，在該致能時間內，對該補償電容充放電。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制方法，其中，該致能時間大致與該取樣時間同時開始。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之控制方法，其中，該致能時間的時間長度不短於該取樣時間的時間長度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，依據該補償電容之該補償電壓，控制該功率開關的該步驟，係控制該功率開關的導通時間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，在該致能時間內，該回饋信號之電壓大致對應該電源供應器之一輸出電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，該致能時間的一起點係依據前一開關週期中的一放電時間而產生。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，該電源供應器的一開關週期具有一放電時間，且該致能時間短於該放電時間。
  9. 一種電源控制器(power controller)，包含有：一脈波產生器，用以提供一致能信號，定義一致能時間；一比較器，具有二輸入，得耦接至一回饋信號以及一參考信號，以及一輸出，耦接至一補償電容，其中，該比較器得被該致能信號致能(enable)，以對該補償電容充放電；以及 一開關控制器，依據該補償電容之一補償電壓，控制一功率開關；其中，該回饋信號之電壓可大致對應該電源供應器之一輸出電壓；該致能時間發生於該開關控制器關閉該功率開關之後；以及當該比較器被該致能信號禁能時，該比較器不對該補償電容充放電，且該補償電容持守住該補償電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源控制器，其中，該脈波產生器提供一取樣時脈信號，定義一取樣時間，該電源控制器另包含有：一取樣器，依據該取樣時脈信號，用以對該回饋信號取樣，以產生一取樣信號；其中，該比較器之二輸入的其中之一，耦接至該取樣信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源控制器，其中，該取樣時間關聯於該致能時間。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之電源控制器，其中，該致能時間大致與該取樣時間同時開始。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之電源控制器，其中，該開關控制器控制該功率開關的導通時間。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之電源控制器，其中，該致能時間的一起點係依據前一開關週期中的一放電時間而產生。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之電源控制器，其中，該致能時間短於一開關週期中的一放電時間。
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