TWI689803B - 電源供應器及其補償方法 - Google Patents

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Abstract

一種電源供應器之補償方法，包含：設定補償器設計點電阻值；偵測電源供應器之電源轉換器所輸出的輸出電壓與輸出電流；根據輸出電壓與輸出電流來計算出負載電阻值；根據負載電阻值與補償器設計點電阻值來計算出調整比值；以及根據調整比值來補償電源供應器，以使電源供應器之輸出電流穩定。

Description

電源供應器及其補償方法
本揭露實施例是有關於一種電源供應器，且特別是有關於一種電源供應器及其補償方法。
切換式電源供應器(Switch Power Supply，SPS)是一種能夠將依照負載所需要的電源型式，將輸入電源進行轉換的裝置。通常切換式電源供應器至少會設計一組固定參數的補償器以達到所要求的穩定度與暫態響應，然而，當切換式電源供應器操作在定電流模式(Constant Current，CC)且負載變得極小時，交越頻率(crossover frequency)會變大，對應的相位邊限(phase margin)與增益邊限(gain margin)也會降低，在此情況下，一旦相位和/或增益不足時，切換式電源供應器的輸出電流會因此呈現有不穩定的情形。
此外，習知負載範圍較大的切換式電源供應器通常會設計兩套控制器，使用者須依照實際使用條件(例如依據負載範圍)在初始階段先切換至合適的控制器。如此一來，使用者在使用前需以手動的方式來切換控制器，在使用 者如無法事先預知負載範圍時，這樣的設計將會降低了使用上的便利性。
本揭露之目的在於提出一種電源供應器及其補償方法，可增加切換式電源供應器穩定操作的負載範圍，且在負載變動時保持切換式電源供應器的頻寬一致，也不需要切換控制器。
根據本揭露之上述目的，提出一種電源供應器之補償方法，包含：設定補償器設計點電阻值；偵測電源供應器之電源轉換器所輸出的輸出電壓與輸出電流；根據輸出電壓與輸出電流來計算出負載電阻值；根據負載電阻值與補償器設計點電阻值來計算出調整比值；以及根據調整比值來補償電源供應器，以使電源供應器之輸出電流穩定。
在一些實施例中，上述電源轉換器係降壓型轉換器(Buck Converter)，上述電源供應器係操作於定電流模式。
在一些實施例中，其中電源供應器之補償方法更包含：在偵測輸出電壓與輸出電流之前，設定調整比值之上下限範圍，且進行極零點(pole/zero)配置。
在一些實施例中，其中電源供應器之補償方法更包含：計算出調整比值後，根據相位邊限(phase margin)來選擇性地調整調整比值，以使電源供應器具有足夠之相位邊限。
在一些實施例中，其中電源供應器之補償方法更包含：計算出調整比值後，根據增益邊限(gain margin)來選擇性地調整調整比值，以使電源供應器具有足夠之增益邊限。
根據本揭露之上述目的，另提出一種電源供應器，包含：電源轉換器以及微控制器(Microcontroller Unit，MCU)。微控制器電性連接電源轉換器，微控制器用以執行以下步驟：設定補償器設計點電阻值；偵測電源轉換器所輸出的輸出電壓與輸出電流；根據輸出電壓與輸出電流來計算出負載電阻值；根據負載電阻值與補償器設計點電阻值來計算出調整比值；以及根據調整比值來補償電源供應器，以使電源供應器之輸出電流穩定。
在一些實施例中，上述電源轉換器係降壓型轉換器，上述電源供應器係操作於定電流模式。
在一些實施例中，其中上述微控制器更用以執行以下步驟：在偵測輸出電壓與輸出電流之前，設定調整比值之上下限範圍，且進行極零點配置。
在一些實施例中，其中上述微控制器更用以執行以下步驟：計算出調整比值後，根據相位邊限來選擇性地調整調整比值，以使電源供應器具有足夠之相位邊限。
在一些實施例中，其中上述微控制器更用以執行以下步驟：計算出調整比值後，根據增益邊限來選擇性地調整調整比值，以使電源供應器具有足夠之增益邊限。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧電源供應器
120‧‧‧微控制器
122‧‧‧類比數位轉換模組
140‧‧‧電源轉換器
1000、2000‧‧‧補償方法
1100~1500、2100、2200‧‧‧步驟
從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。
[圖1]係根據本揭露的實施例之電源供應器的架構示意圖。
[圖2]係根據本揭露的實施例之電源供應器之補償方法的流程圖。
[圖3]係根據本揭露的實施例之電源供應器之補償方法的流程圖。
以下仔細討論本揭露的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本揭露之範圍。
所謂切換式電源供應器之輸出電壓的調整是指負載或輸入電壓變動時，輸出電壓仍然能夠維持在設定值的誤差範圍內。由於切換式電源供應器屬於非線性電路，因此通常會利用小訊號擾動模型來進行分析，從而根據其暫態響應特性來設計可用之補償器。舉例而言，習知之包含降壓型 轉換器(Buck Converter)之電源供應器操作於定電流模式(Constant Current，CC)時，其閉迴路增益可表示如下：G=G io ×G id ×G ca (1)
其中，以G ca 表示補償器之轉移函數(Transfer Function)，以G io 表示回授線路的倍率，以G id 表示降壓型轉換器在負載為純電阻條件下之電流轉移函數且其可透過小訊號擾動模型將其轉移函數表示為輸出擾動與責任週期(Duty Cycle)的關係式如下：
Figure 107145339-A0101-12-0005-2
其中，i O 為輸出電流，d為責任週期，V in 為輸入電壓，R L 為負載電阻，Z C 為二次側的電容阻抗，Z L 為二次側的電感阻抗。由式(1)可知，G id 所對應之開迴路的直流增益(DC Gain)為V in /R L ，意即開迴路直流增益會受到負載電阻所影響，如此將可能導致負載電阻極小時，會有相位和/或增益不足的情形，從而導致電源供應器的輸出電流不穩定。
本揭露提出一種電源供應器以及電源供應器的補償方法，其根據負載電阻來對電源供應器之補償進行主動調整，調整方式為透過一調整比值來進行主動調整。下文將會詳細說明本揭露的細節。
圖1係根據本揭露的實施例之電源供應器100的架構示意圖。電源供應器100包含微控制器120與電源轉換器140，微控制器120電性連接電源轉換器140。在本揭露的實施例中，電源轉換器140係降壓型轉換器。在本揭露的實施例中，電源供應器100係操作於定電流模式。圖2係 根據本揭露的實施例之電源供應器之補償方法1000的流程圖。電源供應器100的微控制器120用以執行補償方法1000。
請一併參照圖1與圖2，於步驟1100，設定電源供應器100之補償器設計點電阻值Rcompensator，其中補償器設計點電阻值Rcompensator對應至電源供應器100的補償器(圖未示)的設計點(design point)。具體而言，由於電源供應器100的補償器的設計點是經由一些設計規則所得出的，因此當電源供應器100之負載的電阻值落在補償器設計點電阻值Rcompensator時，可確保電源供應器100具有足夠的相位邊限(phase margin)與增益邊限(gain margin)。
於步驟1200，偵測電源供應器100之電源轉換器140所輸出的輸出電壓VO與輸出電流IO，其中，微控制器120包含類比數位轉換(Analog-to-digital converter，ADC)模組122用以將所偵測到的輸出電壓VO與輸出電流IO由類比訊號轉換為數位訊號以利於微控制器120的數位訊號處理器(Digital signal processor，DSP)進行後續計算處理。
於步驟1300，微控制器120的數位訊號處理器根據輸出電壓VO與輸出電流IO來計算出負載電阻值RL。在本揭露的實施例中，負載電阻值RL的算式如下：R L =V O /I O (3)
於步驟1400，微控制器120的數位訊號處理器根據負載電阻值RL與補償器設計點電阻值Rcompensator來計 算出調整比值K。在本揭露的實施例中，意欲將電源供應器100連接不同負載時所對應的開迴路的直流增益調整回電源供應器100的補償器的設計點(design point)所對應的開迴路的直流增益，而電源供應器100連接負載電阻值RL的負載時的閉迴路增益可表示如下：G=G io ×G id ×G ca ×K (4)
根據式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可推導出調整比值K的算式如下：
Figure 107145339-A0101-12-0007-3
換言之，於步驟1400，根據負載電阻值RL與補償器設計點電阻值Rcompensator來計算調整比值K的算式為K=R L /R compensator 。
於步驟1500，微控制器120的數位訊號處理器根據調整比值K來補償電源供應器100，以使電源供應器100之輸出電流穩定。具體而言，微控制器120的數位訊號處理器將步驟1400所計算出的調整比值K乘回電源供應器100於定電流操作時的補償迴路，以使得電源供應器100連接負載電阻值RL的負載時所對應的開迴路的直流增益調整回電源供應器100的補償器的設計點(design point)所對應的開迴路的直流增益，從而確保電源供應器100具有足夠的相位邊限與增益邊限，以使得電源供應器100之負載電阻極小時，也不會有相位和/或增益不足的情形，從而使得電源供應器100的輸出電流穩定。
除此之外，由於電源供應器100連接負載電阻 值RL的負載時所對應的開迴路的直流增益調整回電源供應器100的補償器的設計點(design point)所對應的開迴路的直流增益，因此能夠使電源供應器100在負載變動時保持電源供應器100的頻寬一致。再者，由於本揭露乃是根據負載電阻來對電源供應器100之補償進行主動調整，因此電源供應器100僅需要設計一組控制器，如此一來，使用者不需要依照實際使用條件在初始階段先切換至合適的控制器，從而改善了使用上的便利性。另外，由於本揭露的補償方法是透過電源供應器100的微控制器120來實現，因此本揭露不需增加額外的硬體線路，可在不增加硬體成本的情形下，增大電源供應器100之穩定操作的範圍。
圖3係根據本揭露的實施例之電源供應器之補償方法2000的流程圖。圖3與圖2類似，其中一個差別在於，於步驟2100，除了步驟1100所述之設定電源供應器100之補償器設計點電阻值之外，更設定電源供應器100之調整比值K之上下限範圍，且進行極零點(pole/zero)配置。具體而言，由於電源供應器100本身有其硬體限制，因此需透過一些設計規則來針對電源供應器100之調整比值K之上下限範圍做設定，當後續於步驟1400所算出的調整比值K超出調整比值K之上下限範圍時，即做出對應修正，以使得電源供應器100能夠正常運作。另外，還會針對電源供應器100之補償器的極點(pole)與零點(zero)做設計，即進行極零點配置，其設計方式應已為本領域技術人員所習知，在此不再另做說明。
值得一提的是，本揭露在硬體線路確定後，於步驟1100或步驟2100中設定補償器的設計點時，可以依據實際的硬體線路來推算在邊界模式(boundary mode)時的負載值，並以此負載值作為補償器的設計點。邊界模式就是在連續電流導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下，最輕載時的負載，而在即將脫離CCM時，通常會是最壞情況(worst case)，因此可以以此時的負載值拿來做為補償器的設計點。應注意的是，前述設計點的選擇方式僅為例示，並不以此為限。
圖3與圖2的另一個差別在於，於步驟1400與步驟1500之間，更進行步驟2200，微控制器120的數位訊號處理器根據相位邊限和/或增益邊限來選擇性地調整調整比值K的上下限範圍：當調整比值K位於上下限範圍時則不調整調整比值K；反之，當調整比值K超出上下限範圍時，則調整調整比值K，以使電源供應器100具有足夠之相位邊限和/或增益邊限。具體而言，理想之電源供應器的閉迴路波德圖(Bode Plot)的直流增益是以每10倍頻下降20dB的斜率下降。然而，實際上的閉迴路波德圖因電路本身的架構與電感電容濾波器的需要，尤其是在複數極點(complex pole)處，直流增益會產生突起，這可能會導致增益邊限不足，另外，在複數極點處，相位則會有急遽下降之情形，這可能會導致相位邊限不足。因此，需要針對上述情形來對調整比值K做出對應修正，以使電源供應器100具有足夠之相位邊限和/或增益邊限。例如修正調整比值K以使得電源供 應器100之閉迴路波德圖的直流增益向下平移，從而使得電源供應器100具有足夠的增益邊限。
綜合上述，本揭露提出一種電源供應器及其補償方法，可使得電源供應器之負載電阻極小時，電源供應器100的輸出電流仍然呈現穩定。本揭露之電源供應器及其補償方法可增加切換式電源供應器穩定操作的負載範圍，且在負載變動時保持切換式電源供應器的頻寬一致。
以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。
1000‧‧‧補償方法
1100~1500‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種電源供應器之補償方法，包含：設定一補償器設計點電阻值；偵測該電源供應器之一電源轉換器所輸出的一輸出電壓與一輸出電流；根據該輸出電壓與該輸出電流來計算出一負載電阻值；根據該負載電阻值與該補償器設計點電阻值來計算出一調整比值；以及根據該調整比值來補償該電源供應器，以使該電源供應器之該輸出電流穩定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之補償方法，其中該電源轉換器係降壓型轉換器(Buck Converter)，其中該電源供應器係操作於定電流(Constant Current，CC)模式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之補償方法，更包含：在偵測該輸出電壓與該輸出電流之前，設定該調整比值之一上下限範圍，且進行一極零點(pole/zero)配置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之補償方法，更包含： 計算出該調整比值後，根據相位邊限(phase margin)來選擇性地調整該調整比值，以使該電源供應器具有足夠之相位邊限。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之補償方法，更包含：計算出該調整比值後，根據增益邊限(gain margin)來選擇性地調整該調整比值，以使該電源供應器具有足夠之增益邊限。
  6. 一種電源供應器，包含：一電源轉換器；以及一微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，電性連接該電源轉換器，該微控制器用以執行以下步驟：設定一補償器設計點電阻值；偵測該電源轉換器所輸出的一輸出電壓與一輸出電流；根據該輸出電壓與該輸出電流來計算出一負載電阻值；根據該負載電阻值與該補償器設計點電阻值來計算出一調整比值；以及根據該調整比值來補償該電源供應器，以使該電源供應器之該輸出電流穩定。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該電源轉換器係降壓型轉換器，其中該電源供應器係操作於定電流模式。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該微控制器更用以執行以下步驟：在偵測該輸出電壓與該輸出電流之前，設定該調整比值之一上下限範圍，且進行一極零點配置。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該微控制器更用以執行以下步驟：計算出該調整比值後，根據相位邊限來選擇性地調整該調整比值，以使該電源供應器具有足夠之相位邊限。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應器，其中該微控制器更用以執行以下步驟：計算出該調整比值後，根據增益邊限來選擇性地調整該調整比值，以使該電源供應器具有足夠之增益邊限。
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