TWI583112B - 開關式電源供應器的控制方法與控制裝置 - Google Patents

開關式電源供應器的控制方法與控制裝置 Download PDF

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Description

開關式電源供應器的控制方法與控制裝置
本發明係關於開關式電源供應器，尤其是採用電流控制元件的開關式電源供應器。
開關式電源供應器採用功率開關(power switch)，來控制流經電感元件的電流大小。相較於其他的電源供應器，開關式電源供應器具有體積小以及良好之電能轉換效率，所以廣受當下電源業界的採用。
在眾多種類的功率開關中，雙接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)因為結構簡單、價位便宜、以及有較低的導通損失，所以在低價位的市場中，佔有一席之地。但是，相較於金氧半(metal-oxide-semiconductor，MOS)電晶體而言，BJT是一種電流控制元件，需要有電流控制裝置來控制BJT的基極電流(base current)Ib。基極電流Ib會與集極電流(collector current)Ic一起合併後，成為射極電流(emitter current，Ie)。因此，射極電流Ie可能無法單純的反應出集極電流Ic。這可能造成開關式電源供應器對於電流控制上，精準度的缺失。而精準度一直都是電源供應器業界所追求的目標之一。另一方面，BJT的開關速度(switching speed)比起MOS電晶體的開關速度慢，如何快速開關BJT也是設計上考量的重點之一。
本說明書中，具有相同之符號元件或裝置，為具有相同或是類似功能、結構、或特性之元件或是裝置，為業界人士能以具本說明書之教導而得知或推知，但不必然完全的相同。為簡潔緣故，不會重複說明。
本發明之實施例揭示一種適用於一開關式電源供應器的控制方法。該開關式電源供應器包含有一電流控制元件。該控制方法包含有：提供一驅動電流，以驅動該電流控制元件；偵測流經該電流控制元件的一流通電流；以及，依據該流通電流，來控制該驅動電流。當該流通電流增加時，該驅動電流增加。
本發明之實施例揭示一種控制裝置，用以驅動一電流控制元件。該控制裝置包含有一驅動電路以及一信號轉換器。該驅動電路用以提供一驅動電流至該電流控制元件。該信號轉換器依據流經該電流控制元件的一流通電流，來產生一控制信號。該驅動電流係依據該控制信號而產生。當該流通電流增加時，該控制信號與該驅動電流均增加。
本發明之實施例揭示截止時段的一種控制方法，適用於一驅動電路。該驅動電路具有一高端驅動器以及一低端驅動器，共同驅動一功率開關。該控制方法包含有：保持該低端驅動器關閉，以該高端驅動器開啟該功率開關；使該高端與該低端驅動器均關閉，使該驅動電路進入該截止時段；於該截止時段後，保持該高端驅動器關閉，以該低端驅動器關閉該功率開關；以及，依據流經該功率開關的一流通電流，來決定該截止時段的時間長度。
本發明之實施例揭示一種控制裝置，用以驅動一功率開關。該控制裝置包含有一驅動電路、一邏輯控制單元以及一操作狀態控制器。該驅動電路包含有一高端驅動器以及一低端驅動器。該高端驅動器用以開啟該功率開關，該低端驅動器用以關閉該功率開關。該邏輯控制單元控制該驅動電路。該操作狀態控制器耦接至該邏輯控制單元。該操作狀態控制器係依據該功率開關的一流通電流，來決定一截止時段的一時間長度。在該截止時段中，該高端與該低端驅動器均為關閉狀態，沒有驅動該功率開關。
第1圖為依據本發明所實施的一開關式電源供應器。開關式電源供應器10雖然是一返馳式電源轉換器(flyback converter)，但本發明並不限於此架構。舉例來說，本發明也可以適用於降壓轉換器(buck converter)與增壓轉換器(boost converter)。
橋式整流器12將交流市電AC整流為直流線電源(line power source)VLine。串聯在直流線電源VLine與接地線GND之間的有變壓器(transformer)14的一次側繞組PRM、BJT TS、以及電流偵測電阻22。BJT TS控制流經一次側繞組PRM的電流。當BJT TS導通時，一次側繞組PRM的電流隨著時間而增加。當BJT TS關閉時，存放在變壓器14中的電能會透過二次側繞組SEC以及二極體16，釋放到輸出電容18。輸出電容18就可以建立出輸出電源VOUT，對負載23供電。運算放大器(operational amplifier)24依據輸出電源VOUT與預設的目標電壓VTarget，在補償端COM產生補償電壓VCOM。補償電壓VCOM受控於輸出電源VOUT的電壓。
電流偵測電阻22上的電流偵測電壓VCS代表了射極電流Ie。當流經BJT TS的集極電流Ic遠大於基極電流Ib時，射極電流Ie也大約就是一次側繞組PRM與BJT TS的流通電流。脈波寬度調變器(pulse width modulator)20透過電流偵測電壓VCS，來偵測BJT TS的流通電流。依據補償電壓VCOM與電流偵測電壓VCS，脈波寬度調變器20調變BJT TS的工作時間。工作時間的調變方式可能是大約固定開關頻率而調變BJT TS的開啟時間或是關閉時間；也可能是大約固定開啟時間或是關閉時間，而調變BJT TS的開關頻率。舉例來說，在一實施例中，隨著補償電壓VCOM的上升，脈波寬度調變器20使BJT TS的開關頻率與開啟時間都增加。
第2圖舉例了脈波寬度調變器20、BJT TS以及電流偵測電阻22。脈波寬度調變器20中有時脈產生器21、電流產生器27、轉導器(transconductor)26、BJT驅動器28、邏輯控制單元34、以 及操作狀態控制器35。
時脈產生器21依據補償電壓VCOM的電壓值，提供週期性的時脈信號SCLK，來週期性的開啟BJT Ts。BJT驅動器28有高端驅動器(high-side driver)30與低端驅動器32，一同驅動BJT TS的基極，也就是BJT TS的一控制端。高端驅動器30與低端驅動器32可以提供驅動電流，分別拉高或是降低BJT TS的基極電壓。轉導器26可以作為一信號轉換器，其依據電流偵測電壓VCS來產生比例電流IR。在此實施例中，IR=gm*VCS，其中gm為轉導器26的轉導值(transconductance)。電流產生器27由時脈信號SCLK所觸發，提供偏移電流ID，其值隨著時間而變化，將於稍後說明。比例電流IR與偏移電流ID一同流到高端驅動器30。邏輯控制單元34受時脈信號SCLK所觸發，週期性地以高端驅動器30使BJT TS開啟，進入導通狀態。邏輯控制單元34以高端信號SH來開啟或是關閉高端驅動器30，以低端信號SL來開啟或是關閉低端驅動器32。
如同第2圖所示，操作狀態控制器35具有兩個比較器36與38。比較器38比較補償電壓VCOM與電流偵測電壓VCS；比較器36的一輸入端接收補償電壓VCOM，另一端接收電流偵測電壓VCS與一預設偏壓VBIAS的合。如同先前所述，電流偵測電壓VCS代表了流經BJT TS的射極電流Ie。因此，從電流的角度來看，比較器38比較的是射極電流Ie與補償電壓VCOM所代表的一電流補償值，比較器36比較的是射極電流Ie是否超過該電流補償值減去預設偏壓VBIAS所代表的一預設值。
第3圖顯示第2圖中的一些信號時序圖。由上而下，依序分別是時脈信號SCLK、高端信號SH、低端信號SL、電流偵測電壓VCS、基極電流Ib、以及偏移電流ID。以下說明請同時參考第2圖。
在時間點t0，時脈信號SCLK先使低端信號SL為邏輯上的0，然後使高端信號SH為邏輯上的1，如同第3圖所示。換言之，先讓低端驅動器32保持在關閉狀態，接著才以高端驅動器30開啟BJT TS。此時電流偵測電壓VCS開始大於0，有相當的電流流經BJT TS，所以BJT TS進入開啟時段TON。BJT TS進入開啟時段TON之後開始的一段預設時段，一般稱為上升邊緣遮沒時段(leading edge blanking period)TLEB，如同第3圖中時間點t0到t1所示。上升邊緣遮沒時段TLEB中，電流產生器24所產生的偏移電流ID為一相當大的預設固定值ILEB。高端驅動器30單單以偏移電流ID來當作驅動電流，來驅動BJT TS。
隨著上升邊緣遮沒時段TLEB結束，從時間點t1開始，偏移電流ID變成一個比較小的預設偏移值IOFFSET。此時，高端驅動器30以比例電流IR與偏移電流ID的總和，作為驅動電流來驅動BJT TS。
在時間點t2，電流偵測電壓VCS高過了補償電壓VCOM減去預設偏壓VBIAS，因此比較器36轉態，邏輯控制單元34使高端信號SH轉態為0。高端驅動器30停止提供驅動電流給BJT TS，所以基極電流Ib變成幾乎為0。時間點t1到時間點t2之間可以稱為線性驅動時段TLD。在此時段內，用來驅動BJT TS的基極電流Ib是依據電流偵測電壓VCS而產生，而且，基極電流Ib隨著電流偵測電壓VCS增高而增高。在線性驅動時段TLD內，基極電流Ib高過比例電流IR約有固定之預設偏移值IOFFSET，如同第3圖所示。
從時間點t2開始的一段時間，高端驅動器30與低端驅動器32都被關閉，不驅動BJT TS，基極電流Ib幾乎為0，可以稱為截止時段TDEAD，如同第3圖中時間點t2到t3所示。在截止時段TDEAD一開始，電流偵測電壓VCS減少，反應了基極電流Ib突然的消失。之後，因為BJT TS的基極還有殘留的電荷被BJT TS的射極所抽走，所以電流偵測電壓VCS還是會升高。
在時間點t3，電流偵測電壓VCS高過了補償電壓VCOM，因此比較器38轉態，邏輯控制單元34使低端信號SL轉態為1，並使高端信號SH維持為0。此時，高端驅動器30被關閉，而低端驅動器32驅動BJT TS的基極，關閉BJT TS。舉例來說，此時低端驅動器32 直接將BJT TS的基極接地，所以基極電流Ib突然成為一個相當大的負值。把BJT TS的基極電壓拉到為0後，基極電流Ib就很快的回復為0，如第3圖所示。
在時間點t3到下一個開關週期開始的時間點t4中，高端信號SH為0，低端信號SL為1，高端驅動器30關閉，而低端驅動器32把BJT TS的基極接地。這一段時間可以稱為BJT TS的關閉時段TOFF。此時，BJT TS為完全關閉狀態，電流偵測電壓VCS大約為0，幾乎沒有電流流過BJT TS。
相對於關閉時段TOFF，在時間點t0到t3之間的時段可以稱為BJT TS的開啟時段TON，有相當的流通電流流經BJT TS。開啟時段TON由上升邊緣遮沒時段TLEB、線性驅動時段TLD、以及截止時段TDEAD所構成。
在一實施例中，預設偏壓VBIAS為一固定值。在另一個實施例中，預設偏壓VBIAS由補償電壓VCOM所控制決定。譬如說，補償電壓VCOM越高，預設偏壓VBIAS就越高。
從第2圖與第3圖之介紹，可以得知第2圖的實施例有以下優點。
1.省電：在線性驅動時段TLD中，基極電流Ib僅僅高過比例電流IR約有預設偏移值IOFFSET，而此預設偏移值IOFFSET可以設計的足夠維持BJT TS處於飽和(saturate)的導通狀態就可以。換言之，預設偏移值IOFFSET不需要過大，所以第2圖之BJT驅動器28可以相當的省電。
2.快速開關速度：在上升邊緣遮沒時段TLEB，基極電流Ib大約就是非常大的預設值ILEB。如此大的基極電流Ib，可以快速的將BJT TS從關閉狀態，快速的切換到飽和的導通狀態。快速開關速度也可以降低開關損耗，提高電能轉換效率。
3.精確的電流偵測：在開啟時段TON結束的時間點t3時，因為 基極電流Ib為0，所以電流偵測電壓VCS或是射極電流Ie可以比較精確的代表集極電流Ic，也就是流經變壓器之一次側繞組PRM的電流。也因此，採用時間點t3時的電流偵測電壓VCS來做電流控制，將可以獲得比較精準的結果。
4.截止時段TDEAD時間長度可變：截止時段TDEAD時間長度是依據電流偵測電壓VCS以及預設偏壓VBIAS而定。簡單的說，截止時段TDEAD的時間長度為電流偵測電壓VCS增加了預設偏壓VBIAS所需的時間。直流線電源VLine越高，電流偵測電壓VCS的增加速度也就越快，所以截止時段TDEAD越短。在一實施例中，預設偏壓VBIAS隨著補償電壓VCOM而變化。因為補償電壓VCOM對應的是掛在二次側之輸出電源VOUT上的輸出負載，截止時段TDEAD將會隨著輸出負載而變化。
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。
10‧‧‧開關式電源供應器
12‧‧‧橋式整流器
14‧‧‧變壓器
16‧‧‧二極體
18‧‧‧輸出電容
20‧‧‧脈波寬度調變器
21‧‧‧時脈產生器
22‧‧‧電流偵測電阻
23‧‧‧負載
24‧‧‧運算放大器
26‧‧‧轉導器
27‧‧‧電流產生器
28‧‧‧BJT驅動器
30‧‧‧高端驅動器
32‧‧‧低端驅動器
34‧‧‧邏輯控制單元
35‧‧‧操作狀態控制器
36、38‧‧‧比較器
AC‧‧‧交流市電
COM‧‧‧補償端
Ib‧‧‧基極電流
Ic‧‧‧集極電流
ID‧‧‧偏移電流
Ie‧‧‧射極電流
ILEB‧‧‧預設固定值
IOFFSET‧‧‧預設偏移值
IR‧‧‧比例電流
PRM‧‧‧一次側繞組
SCLK‧‧‧時脈信號
SEC‧‧‧二次側繞組
SH‧‧‧高端信號
SL‧‧‧低端信號
t0、t1、t2、t3、t4‧‧‧時間點
TDEAD‧‧‧截止時段
TLD‧‧‧線性驅動時段
TLEB‧‧‧上升邊緣遮沒時段
TOFF‧‧‧關閉時段
TON‧‧‧開啟時段
TS‧‧‧BJT
VBIAS‧‧‧預設偏壓
VCOM‧‧‧補償電壓
VCS‧‧‧電流偵測電壓
VLine‧‧‧直流線電源
VOUT‧‧‧輸出電源
VTarget‧‧‧目標電壓
第1圖為依據本發明所實施的一開關式電源供應器。
第2圖舉例了一脈波寬度調變器、一BJT以及一電流偵測電阻。
第3圖顯示第2圖中的一些信號時序圖。
Ib‧‧‧基極電流
ID‧‧‧偏移電流
ILEB‧‧‧預設固定值
IOFFSET‧‧‧預設偏移值
IR‧‧‧比例電流
SCLK‧‧‧時脈信號
SH‧‧‧高端信號
SL‧‧‧低端信號
t0、t1、t2、t3、t4‧‧‧時間點
TDEAD‧‧‧截止時段
TLD‧‧‧線性驅動時段
TLEB‧‧‧上升邊緣遮沒時段
TOFF‧‧‧關閉時段
TON‧‧‧開啟時段
VBIAS‧‧‧預設偏壓
VCOM‧‧‧補償電壓
VCS‧‧‧電流偵測電壓

Claims (24)

  1. 一種適用於一開關式電源供應器的控制方法，該開關式電源供應器包含有一電流控制元件，該控制方法包含有：提供一驅動電流，以驅動該電流控制元件；偵測流經該電流控制元件的一流通電流；以及依據該流通電流，來控制該驅動電流；其中，在該開關式電源供應器之一開啟時段中，當該流通電流增加時，會導致該驅動電流增加。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，另包含有：產生一比例電流，該比例電流等比例於該流通電流；其中，該驅動電流與該比例電流相差一大致固定的偏移值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中，另包含有：於該電流控制元件被開啟後的一預定時間內，使該驅動電流為一預設固定值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，另包含有：當該流通電流超過一補償值時，使該電流控制元件完全關閉。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，另包含有：提供一時脈信號，週期性的使該電流控制元件被開啟。
  6. 一種控制裝置，用以驅動一電流控制元件，適用於一開關式電源供應器，包含有：一驅動電路，用以提供一驅動電流至該電流控制元件；以及一信號轉換器，依據流經該電流控制元件的一流通電流，來產生一控制信號；其中，該驅動電流係依據該控制信號而產生；以及在該開關式電源供應器之一開啟時段中，當該流通電流增加時，會導致該控制信號與該驅動電流均增加。
  7. 如申請專利範圍第6項所述控制裝置，其中，該信號轉換器係為一轉導器(transconductor)，依據一電流偵測電壓，來產生一比例電流，該電流偵測電壓比例於該流通電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述控制裝置，其中，該驅動電流與該比例電流相差一大致固定的偏移值。
  9. 如申請專利範圍第7項所述控制裝置，其中，該驅動電路包含有一高端驅動器(high-side driver)，依據該比例電流以及一偏 移電流，來產生該驅動電流。
  10. 如申請專利範圍第6項所述控制裝置，另包含有一邏輯控制單元以及一低端驅動器(low-side driver)，當該流通電流超過一補償值時，該邏輯控制單元使該低端驅動器關閉該電流控制元件。
  11. 如申請專利範圍第10項所述控制裝置，其中，該補償值受控於該開關式電源供應器之一電源輸出結果。
  12. 一種截止時段的控制方法，適用於一驅動電路，該驅動電路具有一高端驅動器以及一低端驅動器，共同驅動一功率開關，該控制方法包含有：保持該低端驅動器關閉，以該高端驅動器提供一驅動電流至該功率開關之一控制端，用以拉高該控制端之一電壓並開啟該功率開關；使該高端與該低端驅動器均關閉，使該驅動電路進入該截止時段，其中，於該截止時段，該高端與該低端驅動器均不驅動該功率開關；於該截止時段後，保持該高端驅動器關閉，以該低端驅動器提供另一驅動電流至該控制端，用以拉低該控制端之該電壓並關閉該功率開關；以及依據流經該功率開關的一流通電流，來決定該截止時段的 時間長度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，包含有：當該流通電流超過一補償值時，以該低端驅動器關閉該功率開關。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，包含有：當該流通電流超過一補償值減去一預設值時，關閉該高端與該低端驅動器，使該驅動電路進入該截止時段。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之控制方法，包含有：依據該補償值，決定該預設值。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，其中，該控制方法係適用於一開關式電源供應器，其接收一輸入線電源(input line power source)，且該截止時段的該時間長度隨著該輸入線電源的升高而縮短。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，其中，該截止時段的該時間長度係相關於一補償值，且該補償值受控於一開關式電源供應器之一電源輸出結果。
  18. 一種控制裝置，用以驅動一功率開關，包含有：一驅動電路，包含有：一高端驅動器，用以開啟該功率開關，其中，該高端驅動器可提供一驅動電流至該功率開關之一控制端，用以拉高該控制端之一電壓；以及一低端驅動器，用以關閉該功率開關，其中，該低端驅動器可提供另一驅動電流至該控制端，用以拉低該電壓；一邏輯控制單元，控制該驅動電路；以及一操作狀態控制器，耦接至該邏輯控制單元，該操作狀態控制器係依據該功率開關的一流通電流，來決定一截止時段的一時間長度；其中，在該截止時段中，該高端與該低端驅動器均為關閉狀態，沒有驅動該功率開關之該控制端。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之控制裝置，其中，該操作狀態控制器包含有：一比較器，用以比較該流通電流與一補償值；當該流通電流高過該補償值後，該邏輯控制單元以該低端驅動器關閉該功率開關，結束該截止時段。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之控制裝置，其中，當該流通電流高過一補償值減去一預設值時，該邏輯控制單元關閉該高端 與該低端驅動器，使該驅動電路進入該截止時段。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之控制裝置，其中，該補償值受控於一開關式電源供應器之一電源輸出結果。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之控制裝置，其中，該補償值受控於一開關式電源供應器之一電源輸出結果，且該預設值係由該補償值來決定。
  23. 如申請專利範圍第18項所述之控制裝置，其中，該功率開關係為一電流控制元件。
  24. 如申請專利範圍第18項所述之控制裝置，其中，該控制裝置另包含有一時脈裝置，週期性的使該高端驅動器開啟該功率開關。
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