TWI767531B - 定電流控制裝置及其相關定電流控制方法 - Google Patents

定電流控制裝置及其相關定電流控制方法 Download PDF

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Abstract

一種定電流控制裝置，用於一電源供應器，其中該電源供應器包含有一一次側開關元件與一二次側繞組，該定電流控制裝置包含有一電壓波形偵測器，用來根據一第一回饋電壓及一控制電壓，產生關於該二次側繞組放電時段長度的一放電時段訊號；以及一定電流控制器，該定電流控制器之一積分器根據該放電時段訊號與一電流偵測電壓，並接收一第一電流源及一第二電流源二者其中之一，產生一積分結果電壓，該電流偵測電壓係關於流經該二次側繞組的一二次側繞組電流值，該二次側繞組電流值與該電源供應器之一二次側輸出電流值呈現正相關。

Description

定電流控制裝置及其相關定電流控制方法
本發明係指一種定電流控制裝置及其相關定電流控制方法，尤指一種用於一電源供應器的定電流控制裝置及其相關定電流控制方法。
電流供應器為現有電子產品的必要裝置之一，用來將來自電池或市電的電源轉換為電子產品所需的電源。現有的電源供應器大多採用開關式電源供應器，其包含有兩種控制方式：一次側控制(primary side control，PSC)及二次側控制(secondary side control，SSC)的控制方式，其中一次側控制的開關式電源供應器偵測一輔助側繞組上的一反射電壓，間接偵測一二次側繞組所輸出的電壓及電源供應器的一輸出端的一輸出電壓。
因此，現有的一次側控制的開關式電源供應器可透過內部的積體電路(integrated circuit，IC)的動態電壓調整電源供應器的輸出電壓，以執行過電流保護措施。或者，現有的一次側控制的開關式電源供應器可根據IC所輸出的保護電流隨著輸入電壓改變。然而，上述方法通常缺乏硬體的調整彈性及仍舊受限於電源供應器的變壓器的電感量的誤差影響。
又或者，現有的一次側控制的開關式電源供應器通過調整位於輔助側繞組的電流偵測端的電流偵測電壓的峰值，進而調整電源供應器的輸出電流。然而，上述方法需要偵測開關式電源供應器的二次側的放電時間及電路複雜度高的缺點。因此，現有技術有改進的必要。
因此，本發明提供一種定電流控制裝置及其相關定電流控制方法，在電源供應器執行過電流保護流程之前，以兩階段方式執行定電流控制的定電流控制裝置及其相關定電流控制方法
本發明實施例揭露一種定電流控制裝置，用於一電源供應器，其中該電源供應器包含有一一次側開關元件與一二次側繞組，該一次側開關元件接受一控制電壓而選擇性地開啟導通或關閉，該定電流控制裝置包含有一電壓波形偵測器，用來根據一第一回饋電壓及該控制電壓，產生關於該二次側繞組放電時段長度的一放電時段訊號；以及一定電流控制器，耦接於該電壓波型偵測器，該定電流控制器包含一積分器、一第一電流源及一第二電流源，該積分器根據該放電時段訊號與一電流偵測電壓，並接收該第一電流源及該第二電流源二者其中之一，產生一積分結果電壓，該電流偵測電壓係關於流經該二次側繞組的一二次側繞組電流值，該二次側繞組電流值與該電源供應器之一二次側輸出電流值呈現正相關；其中，當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第一電流源積分趨勢相反，且該積分結果電壓變化達到一第二邊界電壓值時，該積分器變更為接收該第二電流源；其中，當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第二電流源積分趨勢相同，且該積分結果電壓變化達到一第一邊界電壓值時，該積分器變更為接收該第一電流 源。
本發明實施例另揭露一種定電流控制方法，用於一電源供應器，其中該電源供應器包含有一電壓波形偵測器、一定電流控制器、一一次側開關元件與一二次側繞組，該一次側開關元件接受一控制電壓而選擇性地開啟導通或關閉，該定電流控制裝置包含有由該電壓波形偵測器根據一第一回饋電壓及該控制電壓，產生關於該二次側繞組放電時段長度的一放電時段訊號；以及由該定電流控制器之一積分器根據該放電時段訊號與一電流偵測電壓，並接收一第一電流源及一第二電流源二者其中之一，產生一積分結果電壓，該電流偵測電壓係關於流經該二次側繞組的一二次側繞組電流值，該二次側繞組電流值與該電源供應器之一二次側輸出電流值呈現正相關；其中，當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第一電流源積分趨勢相反，且該積分結果電壓變化達到一第二邊界電壓值時，該積分器變更為接收該第二電流源；其中，當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第二電流源積分趨勢相同，且該積分結果電壓變化達到一第一邊界電壓值時，該積分器變更為接收該第一電流源。
10:電源供應器
102:橋式電路
103:脈衝寬度調變控制器
104:定電流控制裝置
1042:電壓波形偵測器
1042_2:低通濾波器
1042_4:比較器
1042_6:邏輯電路
1042_C:電容
1042_R:電阻
1044:定電流控制器
1044_2:積分器
1044_4:比較器
1044_C:電容
106:光耦合回饋電路
60:定電流控制流程
602,604,606,608:步驟
A,B:時間點
A-E:階段
Cload:輸出電容
CS:電流偵測端
cycle_1,cycle_2,cycle_3:循環
DRV:控制電壓
HV:電壓
I:上拉電流源
Idn:下拉電流源
IDN:下拉電流
Iin:電流
Iout:二次側輸出電流值
Isec:二次側繞組電流
Isec_m:二次側繞組電流中間值
IUP_1:第一次電流源
IUP_2:第二次電流源
LPF:低通濾波器
NA:輔助繞組
NP:一次側繞組
np:一次側繞組線圈數
NS:二次側繞組
ns:二次側繞組線圈數
ORP:過功率風險脈衝
P_1,P_2:比較器
PC_1:第一保護機制比較電路
PC_2:第二保護機制比較電路
Phase_0-Phase_8:區間
Qnp:一次側開關元件
R1,R2:電阻
Rcs:電流偵測電阻
Rdn,Rup:等效電阻
Sdet:偵測結果信號
T:週期
T_1:第一臨界值
T_2:第二臨界值
Tdis:放電時段訊號
TF:變壓器
TH_1:第一保護機制電壓閥值
TH_2:第二保護機制電壓閥值
Timer_1,Timer_2:計時器
Vaux:跨壓
Vcco:積分結果電壓
Vcomp:第二回饋信號
Vcompr:第二邊界電壓值
Vcompr+:第一邊界電壓值
Vcs:電流偵測電壓
Vcs_m:偵測電壓中間值
Vcs_peak:偵測電壓峰值
Vdly:延遲訊號
VDD:操作電源
Vfb:第一回饋電壓
Vin:直流電源
V_initial:初始電壓
Vout:輸出電源
Vset:等效電壓
△V:電壓差
第1圖為本發明實施例之一電源供應器之示意圖。
第2圖為本發明實施例之一定電流控制裝置之示意圖。
第3A圖為本發明實施例之一積分結果電壓與一二次側輸出電流值之關係示意圖。
第3B圖為本發明實施例之二次側輸出電流值與一時間之關係示意圖。
第3C圖為本發明實施例之一積分結果電壓、偵測電壓峰值波形與一過功率風險脈衝之關係示意圖。
第3D圖為本發明實施例之二次側輸出電流值與時間之關係示意圖。
第3E圖為本發明實施例在不同二次側輸出電流值比率時，積分結果電壓被限制在兩個邊界電壓值區間內做多次上升下降變化之斜率絕對值關係示意圖。
第3F圖為本發明實施例之積分結果電壓、偵測電壓峰值波形與一過功率風險脈衝之關係示意圖。
第4圖為本發明實施例之積分結果電壓、二次側輸出電流值分別與時間之關係示意圖。
第5圖為本發明實施例之定電流控制裝置之一控制電壓、一電流偵測電壓、一積分結果電壓、一第一回饋電壓及一二次側繞組電流值之波形示意圖。
第6圖為本發明實施例之一定電流控制流程之示意圖。
第1圖為本發明實施例之一電源供應器10之示意圖。電源供應器10包含一橋式電路102、一變壓器TF及一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器103，脈衝寬度調變控制器103包含定電流控制裝置104。橋式電路102用來將來自市電的交流電轉換為一直流電源Vin。變壓器TF包含一一次側繞組NP、一二次側繞組NS及一輔助繞組NA。該脈衝寬度調變控制器103運作所需電源可為來自橋式電路102的電壓HV或來自輔助繞組NA的電壓VDD。脈衝寬度調變控制器103用來透過一控制電壓DRV控制一一次側開關元件Qnp以開啟或關閉電源供應器10，其中當一次側開關元件Qnp開啟時，變壓器TF的一次側繞組NP將電能儲存於變壓器TF電感中；當一次側開關元件Qnp關閉時，變壓器TF電感透過二次側繞組電流Isec將電能釋放到二次側的輸出電容Cload，以建立一輸 出電源Vout，該輸出電源Vout具有二次側輸出電流值Iout；其中該二次側繞組電流值Isec與該電源供應器之二次側輸出電流值Iout呈現正相關，亦即當二次側繞組電流值Isec增加時，該二次側輸出電流值Iout也會增加。
電源供應器10另包含電阻R1及R2，用來偵測一輔助電壓NA的一跨壓Vaux，以提供一第一回饋電壓Vfb至脈衝寬度調變控制器103，其中當一次側開關元件Qnp關閉時，跨壓Vaux為二次側繞組NS的跨壓的一反射電壓。此外，電源供應器10可另包含一光耦合回饋電路106，使得脈衝寬度調變控制器103可接收代表輸出電壓Vout大小的第二回饋信號Vcomp，且同時保持一次側電路與二次側電路間電訊號彼此隔離。此外，電源供應器10可根據一電流偵測端CS偵測一電流偵測電阻Rcs的一電流偵測電壓Vcs，以反映流經一次側開關元件Qnp的一電流Iin。
請同時參考第2圖，第2圖為本發明實施例脈衝寬度調變控制器103內部之定電流控制裝置104之示意圖。定電流控制裝置104包含一電壓波形偵測器1042及一定電流控制器1044。電壓波形偵測器1042用來根據第一回饋電壓Vfb及控制電壓DRV，產生關於二次側繞組NS的一放電時段長度的一放電時段訊號Tdis。
詳細而言，電壓波形偵測器1042包含一低通濾波器1042_2、一比較器1042_4及一邏輯電路1042_6。低通濾波器1042_2包含有一電阻1042_R及一電容1042_C，用來對第一回饋電壓Vfb進行低通濾波，以產生一延遲訊號Vdly，即低通濾波器1042_2將第一回饋電壓Vfb等效延期一電阻電容的固定時間。比較器1042_4用來比較第一回饋電壓Vfb及延遲訊號Vdly，以於第一回饋電壓Vfb低於 延遲訊號Vdly超過一預設程度時，提供一偵測結果信號Sdet至邏輯電路1042_6。當電源供應器10的二次側繞組NS放電完畢，邏輯電路1042_6即可根據控制電壓DRV及偵測結果信號Sdet產生放電時段訊號Tdis。上述電壓波形偵測器的運作技術細節可參考中華民國公開第TW201404010A1號的相關實施例中的電壓波形偵測器60具體描述，本專利不再贅述。
定電流控制器1044包含一積分器1044_2、一比較器1044_4、一低通濾波器LPF及一中間值偵測器1044_6。積分器1044_2包含有一下拉電流源Idn、一電容1044_C、一第一次電流源IUP_1及一第二次電流源IUP_2。下拉電流源Idn可根據電流偵測電壓Vcs取樣數值產生一下拉電流IDN，例如，可根據一偵測電壓中間值Vcs_m來決定下拉電流IDN大小。電容1044_C用來儲存在放電時段長度內下拉電流IDN的一積分結果電壓Vcco。第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2可選擇性地並聯或單獨作為上拉電流源I而提供電流至積分器1044_2；例如第2圖所示一實施例，可由第一次電流源IUP_1單獨組成、或由第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2並聯組合而成。換言之，積分器1044_2根據放電時段訊號Tdis、電流偵測電壓Vcs、下拉電流IDN及上拉電流源I，以產生積分結果電壓Vcco。此外，中間值偵測器1044_6用來對應於一次側開關元件Qnp開啟導通時段的中間時間點，讀取該電流偵測電壓Vcs以得到該偵測電壓中間值Vcs_m。
比較器1044_4包含一第一輸入端點與一第二輸入端點，第一輸入端點接收積分結果電壓Vcco，第二輸入端點選擇性地接收定電流控制器1044的一區間上限電壓值Vcompr+或一區間下限電壓值Vcompr之二者其中之一。於一實施例中，例如區間下限電壓值Vcompr可設計為第二回饋信號Vcomp的1/4分壓，而區間上限電壓值Vcompr+可設計為此區間下限電壓值Vcompr加上一固定電壓 差△V，例如：0.2V。如第3A圖所示，當代表電源供應器10輸出電能的二次側輸出電流值Iout超過240%過功率保護設定值時，第二回饋信號Vcomp會上升，進而使第一邊界電壓值Vcompr+與第二邊界電壓值Vcompr向上升高。
請繼續參考第3A圖及第3B圖，第3A圖為本發明實施例之積分結果電壓Vcco與二次側輸出電流值Iout之關係示意圖，第3B圖為本發明實施例之二次側輸出電流值Iout與一時間之關係示意圖，其係模擬二次側輸出電流值Iout隨著時間而線性漸增。第3A圖所描繪的是積分結果電壓Vcco對應於不同的二次側輸出電流值Iout的情形下，以兩階段方式執行一定電流保護措施。在第3A圖的實施例中，積分結果電壓Vcco具有一初始電壓V_initial，並且具有定電流控制裝置104的一第一臨界值T_1及一第二臨界值T_2，第二臨界值T_2大於第一臨界值T_1；其中第一臨界值T_1係關於電源供應器10的一過電流(overcurrent)狀態，即為當二次側輸出電流值Iout大於第一臨界值T_1時，代表定電源供應器10發生過電流狀態；第二臨界值T_2係關於電源供應器10的一過功率(overpower)狀態，即當二次側輸出電流值Iout大於第二臨界值T_2時，代表定電源供應器10發生過功率狀態。
在一實施例中，電源供應器10的過電流狀態及過功率狀態可分別對應至二次側輸出電流值Iout的120%過電流保護設定值及240%過功率保護設定值。舉例而言，假設定電流控制裝置104的二次側輸出電流值Iout的一產品出廠規格額定電流值為3安培，則120%過電流保護設定值及240%過功率保護設定值分別為3.6安培及7.2安培。
在本發明的實施例中，第一電流源是在不導通第二次電流源IUP_2 的情形下，由第一次電流源IUP_1單獨對電容1044_C提供升壓電流以進行充電；而第二電流源是在導通第二次電流源IUP_2的情形下，由第一次電流源IUP_1及第二次電流源IUP_2並聯共同對電容1044_C提供升壓電流以進行充電。
為了清楚描述積分結果電壓Vcco與二次側輸出電流值Iout之間的關聯，第3A圖中另外標示了不同區間。
如第3A圖中所示一區間Phase_0係對應積分器1044_2接收第一電流源(單獨第一次電流源IUP_1)以作為上拉電流源I，且過電流狀態尚未發生(二次側輸出電流值Iout小於第一臨界值T_1)的區間。此區間的偵測電壓中間值Vcs_m較小，對應下拉電流IDN較小；於此區間中，當二次側輸出電流值Iout如第3B圖所示隨時間逐漸增加時，積分結果電壓Vcco維持在初始電壓V_initial。
更詳細而言，當第一電流源(單獨第一次電流源IUP_1)為上拉電流源I時，代表第一電流源所提供的升壓電流的積分趨勢是要使積分結果電壓Vcco上升。相對地，積分器1044_2中的下拉電流源Idn提供的下拉電流IDN的積分趨勢是要使積分結果電壓Vcco下降，且此下拉電流IDN與電源供應器10輸出電能為正相關。在區間Phase_0中，在電源供應器10輸出電能未達到120%過電流設定值狀況下，第一電流源所提供的升壓電流足以使積分結果電壓Vcco不會降低。區間Phase_0與區間Phase_1的交接邊界可為：當第一電流源作為積分器1044_2中的上拉電流源I且積分結果電壓Vcco開始下降時，代表電源供應器10輸出電能達到120%過電流設定值。
如第3A圖中所示區間Phase_1-7，係對應過電流狀態已經發生，但過 功率狀態尚未發生(二次側輸出電流值Iout大於第一臨界值T_1，且二次側輸出電流值Iout小於第二臨界值T_2)雙穩態階段的波形示意圖。於奇數區間Phase_1、Phase_3、Phase_5、Phase_7...中，積分器1044_2接收第一電流源(單獨第一次電流源IUP_1)為上拉電流源I；於偶數區間Phase_2、Phase_4、Phase_6...中，積分器1044_2接收第二電流源(第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2並聯)為上拉電流源I。雙穩態階段區間Phase_1-7所示波形主要用以示意方式說明積分結果電壓Vcco會因應上拉電流源改變，而被限制在兩個邊界電壓值Vcompr+與Vcompr區間內做多次上升下降變化；不代表雙穩態階段區間Phase_1-7中的積分結果電壓Vcco與二次側輸出電流值Iout具有類似轉移曲線一對一對應關係，或雙穩態階段就剛好只有7個區間。
為方便說明，如第3D圖所示，假設二次側輸出電流值Iout呈現階段A-E漸進增加，例如階段A-E分別對應於電源供應器10出廠規格額定電流值的100%、130%、180%、230%與245%狀態，二次側輸出電流值Iout於各階段分別維持穩定輸出一段時間後，二次側輸出電流值Iout增加而進入到下一階段，則對應的積分結果電壓Vcco波形呈現三種態樣：(1)在階段A中，對應於出廠規格額定電流值100%階段，如第3A圖Phase_0所示，積分結果電壓Vcco穩定保持於定值V_initial；(2)在階段E中，對應於出廠規格額定電流值245%階段，如第3A圖Phase_8所示，積分結果電壓Vcco無法保持定值而呈現逐漸下降；(3)對應於出廠規格額定電流值130%、180%、230%階段，如第3E圖所示積分結果電壓Vcco為三種不同斜率的上升-下降的三角波形。假設當二次側輸出電流值Iout分別為電源供應器10出廠規格額定電流值的130%、180%與230%時，其對應的下拉電流IDN分別為一第一下拉電流、一第二下拉電流與一第三下拉電流。因為三者大小關係為：第一下拉電流<第二下拉電流<第三下拉電流；故如第3E圖所示，對 應不同二次側輸出電流值比率，示意說明結果電壓Vcco被限制在兩個邊界電壓值Vcompr+與Vcompr區間內上升下降波形之斜率絕對值變化關係；隨著二次側輸出電流值Iout增加，下拉電流對應漸增，積分結果電壓Vcco的上升速率降低，上升波形斜率絕對值減小(上升波形較接近水平)；但下降速率增加，下降波形斜率絕對值增加(下降波形較接近垂直)。
以下為方便說明第3A圖中的Phase_1-7，請同時參考第3B圖。如第3B圖所示，係假設二次側輸出電流值Iout隨時間呈現線性漸進增加，例如自對應於電源供應器10出廠規格額定電流值的100%線性漸增至245%，則如第3A圖所示相同波形，水平橫軸可轉換為時間軸而得到第3C圖。
於區間Phase_1中，積分器1044_2接收第一電流源為上拉電流源I，且過電流狀態已發生(二次側輸出電流值Iout大於第一臨界值T_1)的區間。於此區間中，則積分結果電壓Vcco的一改變趨勢(即隨時間逐漸降低)與第一電流源的一積分趨勢(即使積分結果電壓Vcco增加)會相反，如此就會觸發電源供應器10的一過電流超載保護電路開始運作。如第2圖所示的定電流控制裝置104實施例，定電流控制裝置104可包含有一第一保護機制比較電路PC_1。第一保護機制比較電路PC_1包含一比較器P_1用來比較積分結果電壓Vcco及一第一保護機制電壓閥值TH_1。當積分結果電壓Vcco變化低於第一保護機制電壓閥值TH_1時，可觸發一計時器Timer_1，並且於計時超過一第一預設時段時，停止電源供應器10提供一輸出電流。
區間Phase_1與區間Phase_2的交接邊界可為：當積分結果電壓Vcco變化(即降低)達到第二邊界電壓值Vcompr時，亦即積分結果電壓Vcco下降至 區間下限電壓值時，觸發比較器1044_4改變輸出，使得積分器1044_2中的第二次電流源IUP_2路徑導通而與第一次電流源IUP_1並聯，以使第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2共同對電容1044_C充電，並使比較器1044_4的第二輸入端點切換到接收第一邊界電壓值Vcompr+(即區間上限電壓值)。
如第3C圖中所標示的區間Phase_2，積分器1044_2接收的上拉電流源I為第二電流源，且過功率狀態尚未發生(二次側輸出電流值Iout小於第二臨界值T_2)的區間。在區間Phase_2中，第二電流源作為積分器1044_2中的一第二上拉電流源，第二電流源的積分趨勢是要使積分結果電壓Vcco上升；電源供應器10輸出電能未達到240%過功率保護設定值狀況下，第二電流源所提供的升壓電流足以使積分結果電壓Vcco不會降低。因此，當積分器1044_2接收的上拉電流源I為第二電流源時，則積分結果電壓Vcco的改變趨勢(即隨時間逐漸上升)與第二電流源的積分趨勢(即增加)會相同。
區間Phase_2與區間Phase_3的交接邊界可為：當積分器1044_2接收的上拉電流源I為第二電流源，且積分結果電壓Vcco變化(即上升)達到第一邊界電壓值Vcomp+時，亦即積分結果電壓Vcco上升至區間上限電壓值時，觸發比較器1044_4改變輸出，進而切斷第二次電流源IUP_2，使第二次電流源不再對電容1044_C充電，並使第二輸入端點切換到接收第二邊界電壓值Vcompr(即區間下限電壓值)，如此而進入區間Phase_3。
於區間Phase_3中，積分器1044_2接收的上拉電流源I改為第一電流源(即由第一次電流源IUP_1單獨對電容1044_C充電)，此時，比較器1044_4的第二輸入端點切換到接收第二邊界電壓值Vcompr(即區間下限電壓值)。於區間 Phase_3中，當積分器1044_2接收的上拉電流源I為第一電流源，則積分結果電壓Vcco的改變趨勢(即隨時間逐漸下降)與第一電流源的積分趨勢(即使積分結果電壓Vcco增加)會相反。
區間Phase_3的與區間Phase_4的交接邊界可為：當積分器1044_2接收的上拉電流源I為第一電流源，且當積分結果電壓Vcco下降抵達第二邊界電壓值Vcompr時，觸發比較器1044_4改變輸出，進行類似區間Phase_1的與區間Phase_2交接邊界處動作而進入區間Phase_4。
於區間Phase_4中，積分器1044_2接收的上拉電流源I改為第二電流源(即由第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2共同對電容1044_C充電)。此時，比較器1044_4的第二輸入端點切換到接收第一邊界電壓值Vcompr+(即區間上限電壓值)。於區間Phase_4中，當積分器1044_2接收的上拉電流源I為第二電流源時，積分結果電壓Vcco的改變趨勢(即隨時間逐漸上升)與第二電流源的積分趨勢(即增加)會相同。其餘區間Phase_4及區間Phase_6操作會與上述區間Phase_2操作類似，而區間Phase_7操作會與上述區間Phase_3、區間Phase_5操作類似，因此略過係部描述不再贅述。
依據本發明實施例：(a)如第3C圖所示區間Phase_3、區間Phase_5及區間Phase_7所示，當二次側輸出電流值Iout大於第一臨界值T_1時，若積分器1044_2接收的上拉電流源I為第一電流源，則積分結果電壓Vcco的改變趨勢(即隨時間逐漸降低)將會與第一電流源的積分趨勢(即增加)相反，而呈現逐漸降低趨勢。(b)如區間Phase_2、區間Phase_4及區間Phase_6所示，當二次側輸出電流值Iout小於第一臨界值T_2時，若積分器1044_2接收的上拉電流源I為第二 電流源，則積分結果電壓Vcco的改變趨勢(即隨時間逐漸增加)將會與第二電流源的積分趨勢(即增加)相同，而呈現逐漸增加趨勢。(c)如第3C圖所示區間Phase_2至區間Phase_7，當積分結果電壓Vcco下降抵達第二邊界電壓值Vcompr，或上升抵達第一邊界電壓值Vcompr+時，會觸發比較器1044_4改變輸出，進而改變第二次電流源IUP_2是否作為上拉電流源的一部分。藉由上述(a)-(c)機制，使得當二次側輸出電流值Iout大於第一臨界值T_1，且二次側輸出電流值Iout小於第二臨界值T_2時，積分結果電壓Vcco會被保持在第一邊界電壓值Vcompr+與第二邊界電壓值Vcompr之間。如此一來，積分結果電壓Vcco被保持於遠低於初始電壓V_initial的電壓範圍中，當電源供應器10輸出電能達到240%過功率保護設定值時，有助於迅速較早關閉電源供應器10。
在第3C圖中的區間Phase_8中，當積分器1044_2接收的上拉電流源I改為第二電流源(即由第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2共同對電容1044_C充電)，當積分器1044_2接收的上拉電流源I為第二電流源，且積分結果電壓Vcco的改變趨勢(即隨時間逐漸降低)與第二電流源的積分趨勢(即增加)相反時，代表此時電源供應器10輸出電能已經超過240%過功率保護設定值，定電流控制器1044就需要觸發電源供應器10的一過功率超載保護電路開始運作。如此設計，當二次側輸出電流值Iout大於第二臨界值T_2時，縱使積分器1044_2接收的上拉電流源I已經加大為第二電流源(第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2並聯供電)，則積分結果電壓Vcco的改變趨勢(即隨時間逐漸降低)仍會與第二電流源的積分趨勢(即增加)相反，而呈現逐漸降低趨勢。
如第2圖所示的定電流控制裝置104的實施例，為了執行電源供應器10的過功率保護措施，定電流控制裝置104可包含有一第二保護機制比較電路 PC_2。第二保護機制比較電路PC_2包含一比較器P_2，用來比較第二邊界電壓值Vcompr及一第二保護機制電壓閥值TH_2以於第二邊界電壓值Vcompr大於第二保護機制電壓閥值TH_2時(如第3C圖中所標示的時間點A所對應到第二邊界電壓值Vcompr與第二保護機制電壓閥值TH_2交會點)，觸發計時器Timer_2開始計時，且於計時超過一第二預設時段時，停止電源供應器10提供輸出電流。
如第3F圖所示積分結果電壓Vcco與偵測電壓峰值Vcs_peak波形，可根據一第三保護機制比較電路實施例(未圖示電路)，比較積分結果電壓Vcco與各週期中一次側開關元件Qnp開啟導通時所對應的偵測電壓峰值Vcs_peak；當積分結果電壓Vcco下降至偵測電壓峰值Vcs_peak的電壓值時(如第3F圖中所標示的時間點A所對應到的積分結果電壓Vcco與偵測電壓峰值Vcs_peak交會點)，一比較器(未圖示電路)會於每個週期內重複地輸出一過功率風險脈衝ORP，定電流控制裝置104也可依據出現此過功率風險脈衝ORP來觸發計時器Timer_2開始計時，且於計時超過第二預設時段時，停止電源供應器10提供輸出電流。
由於第一保護機制電路PC_1是用來判斷電源供應器10是否超過120%過電流保護設定值，而第二保護機制比較電路PC_2是用來判斷電源供應器10是否超過240%過功率保護設定值，因此，當第二保護機制比較電路PC_2的計時器Timer_2被觸發時，表示電源供應器10已經超過240%過功率保護設定值，因此第二預設時間小於第一預設時段，以避免過度超載損壞電源供應器10。舉例來說，第一預設時段可以是100毫秒，第二預設時段可以是30毫秒，即當第一保護機制電路PC_1判斷電源供應器10超過120%過電流保護設定值超過100毫秒時，關閉電源供應器10；當第二保護機制比較電路PC_2判斷電源供應器10超過240%過功率保護設定值超過30毫秒時，關閉電源供應器10。值得注意的是，第 一預設時段及第二預設時段的時間長度不以上述範例為限制。
第4圖為本發明實施例之積分結果電壓Vcco、二次側輸出電流值Iout與一時間之關係示意圖。與第3C圖不同的地方在於，第4圖中的二次側輸出電流值Iout係假設自一時間點0開始線性增加，並在時間點Tc具有一最大值。於時間點0，二次側輸出電流值Iout最低，積分結果電壓Vcco為初始電壓V_initial；於一時間點Ta，第一電流源(單獨第一次電流源IUP_1)作為上拉電流源且積分結果電壓Vcco下降，代表發生過電流狀態；於一時間點Tb，第二電流源(第一次電流源IUP_1與第二次電流源IUP_2並聯供電)作為上拉電流源且積分結果電壓Vcco下降，代表發生過功率狀態。於一時間點Tc，積分結果電壓Vcco下降至偵測電壓峰值Vcs_peak(或第二邊界電壓值Vcompr上升超過第二保護機制電壓閥值TH_2)，使得第二保護機制比較電路PC_2觸發計時器Timer_2開始計時，且此時二次側輸出電流值Iout到達最大值後開始反轉逐漸降低。於一時間點Td，距離時間點Tc短於30毫秒，二次側輸出電流值Iout持續降低而使過功率狀態消除，因此超過240%過功率保護設定機制並未關閉電源供應器10；於一時間點Te，二次側輸出電流值Iout持續降低而使過電流狀態消除，積分結果電壓Vcco回到初始電壓V_initial。
第5圖為本發明實施例之定電流控制裝置104之控制電壓DRV、電流偵測電壓Vcs、積分結果電壓Vcco、第一回饋電壓Vfb及二次側繞組NS的二次側繞組電流值Isec之波形示意圖。由第5圖的實施例可知，積分結果電壓Vcco隨著電流偵測電壓Vcs改變，且二次側輸出電流值Iout係由下列式(1)參數決定：
Figure 110102489-A0305-02-0019-1
其中，T為每一個控制電壓DRV的週期、Isec_m為二次側繞組電流值Isec在每一週期的一二次側繞組電流中間值、np為一一次側繞組線圈數、ns為一二次側繞組線圈數。
此外，如第5圖所示，由於本發明實施例的積分器1044_2的下拉電流源Idn較佳係根據偵測電壓中間值Vcs_m產生，且下拉電流源Idn中的一開關係對應於放電時段訊號Tdis而被導通，以得到式(2)-(4)：
Figure 110102489-A0305-02-0020-2
Figure 110102489-A0305-02-0020-4
Figure 110102489-A0305-02-0020-5
其中Vset為上拉電流源I的一等效電壓、Rup為上拉電流源I的一等效電阻、Rdn為下拉電流源Idn的一等效電阻。
因此本發明實施例的定電流控制裝置10的二次側輸出電流值Iout可將式(4)帶入式(1)以得到式(5)：
Figure 110102489-A0305-02-0020-6
進一步地，定電流控制裝置10之運作方式可歸納為一定電流控制流程60，如第6圖所示。定電流控制流程60的步驟包含有：
步驟602：開始。
步驟604：由電壓波形偵測器1042根據第一回饋電壓Vfb及控制電壓DRV，產生關於二次側繞組NS放電時段長度的放電時段訊號Tdis。
步驟606：由定電流控制器1044之積分器1044_2根據放電時段訊號 Tdis與電流偵測電壓Vcs來調整一第一積分趨勢電流源，並接收第一電流源及第二電流源二者其中之一作為一第二積分趨勢電流源，其中第一積分趨勢電流源與第二積分趨勢電流源相反，共同作用以產生積分結果電壓Vcco。
步驟608：結束。
針對步驟606，以第2圖所示實施例說明：(1)放電時段訊號Tdis與電流偵測電壓Vcs分別調整下拉電流源Idn電流大小與導通時段長度，其作用是拉低積分結果電壓Vcco；(2)選擇性地接收第一電流源及第二電流源二者其中之一作為上拉電流源，其作用是拉高積分結果電壓Vcco。但本發明不以此為限，例如：放電時段訊號Tdis與電流偵測電壓Vcs可共同調整一上拉電流源，同時選擇性地接收第一電流源及第二電流源二者其中之一作為下拉電流源Idn；如此相反積分趨勢方向的電路設計亦屬於本發明範疇。
此外電流偵測電壓Vcs係關聯於流經二次側繞組NS的二次側繞組電流值Isec，而二次側繞組電流值Isec又關聯於二次側輸出電流值Iout。下拉電流源Idn較佳係根據偵測電壓中間值Vcs_m產生，如此可不需偵測放電時段訊號Tdis的時間長度，積分器1044_2就可精確地計算出二次側輸出電流值Iout。
其他關於定電流控制流程60的運作流程，可參考定電流控制裝置10之實施例，在此不再贅述。
綜上所述，本發明實施例提供一種定電流控制裝置及其相關定電流控制方法，在電源供應器執行過電流保護流程之前，執行過電流保護機制及過功率保護機制的兩個不同階段的定電流控制裝置及其相關定電流控制方法。
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。
104:定電流控制裝置
1042:電壓波形偵測器
1042_2:低通濾波器
1042_4:比較器
1042_6:邏輯電路
1042_C:電容
1042_R:電阻
1044:定電流控制器
1044_2:積分器
1044_4:比較器
1044_C:電容
DRV:控制電壓
I:上拉電流源
Idn:下拉電流源
IDN:下拉電流
IUP_1:第一次電流源
IUP_2:第二次電流源
LPF:低通濾波器
P_1,P_2:比較器
PC_1:第一保護機制比較電路
PC_2:第二保護機制比較電路
Sdet:偵測結果信號
Tdis:放電時段訊號
TH_1:第一保護機制電壓閥值
TH_2:第二保護機制電壓閥值
Timer_1,Timer_2:計時器
Vcco:積分結果電壓
Vcompr:第二邊界電壓值
Vcompr+:第一邊界電壓值
Vcs:電流偵測電壓
Vcs_m:偵測電壓中間值
Vcs_peak:偵測電壓峰值
VDD:操作電源
Vfb:第一回饋電壓

Claims (20)

  1. 一種定電流控制裝置，用於一電源供應器，其中該電源供應器包含有一一次側開關元件與一二次側繞組，該一次側開關元件接受一控制電壓而選擇性地開啟導通或關閉，該定電流控制裝置包含有：一電壓波形偵測器，用來根據一第一回饋電壓及該控制電壓，產生關於該二次側繞組放電時段長度的一放電時段訊號；以及一定電流控制器，耦接於該電壓波型偵測器，該定電流控制器包含一積分器、一第一電流源及一第二電流源，該積分器根據該放電時段訊號與一電流偵測電壓，並接收該第一電流源及該第二電流源二者其中之一，產生一積分結果電壓，該電流偵測電壓係關於流經該二次側繞組的一二次側繞組電流值，該二次側繞組電流值與該電源供應器之一二次側輸出電流值呈現正相關；其中，當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第一電流源積分趨勢相反，且該積分結果電壓變化達到一第二邊界電壓值時，該積分器變更為接收該第二電流源；其中，當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第二電流源積分趨勢相同，且該積分結果電壓變化達到一第一邊界電壓值時，該積分器變更為接收該第一電流源。
  2. 如請求項1所述之定電流控制裝置，其中該第一電流源係選擇性地作為該積分器中的一第一上拉電流源，該第一電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓上升；其中該積分器包含一下拉電流源，用來根據該電流偵測電壓與該放電時段訊號產生一下拉電流，該下拉電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓下降；其中當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓改變 趨勢與該第一電流源積分趨勢相反，且該積分結果電壓變化達到該第二邊界電壓值時，係指該積分結果電壓下降低至一區間下限電壓值。
  3. 如請求項1所述之定電流控制裝置，其中該第二電流源係選擇性地作為該積分器中的一第二上拉電流源，該第二電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓上升；其中該積分器包含一下拉電流源，用來根據該電流偵測電壓與該放電時段訊號產生一下拉電流，該下拉電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓下降；其中當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第二電流源積分趨勢相同，且該積分結果電壓變化達到該第一邊界電壓值時，係指該積分結果電壓上升至一區間上限電壓值。
  4. 如請求項1所述之定電流控制裝置，其中當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓係與該第一電流源積分趨勢相反時，係對應該二次側輸出電流值值大於一第一臨界值；當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓係與該第二電流源積分趨勢相反時，係對應該二次側輸出電流值值大於一第二臨界值；其中該第一電流源小於該第二電流源，該第一臨界值小於該第二臨界值；當該二次側輸出電流值值大於該第一臨界值，且該二次側輸出電流值值小於該第二臨界值時，該積分結果電壓將被保持在該第一邊界電壓值與該第二邊界電壓值之間。
  5. 如請求項1所述之定電流控制裝置，其中該積分器包含有：一下拉電流源，用來根據該電流偵測電壓與該放電時段訊號，產生一下拉電流；一電容，用來儲存該放電時段訊號內該下拉電流的該積分結果電壓；以及 一第一次電流源及一第二次電流源；其中，該第一次電流源構成該第一電流源，該第一次電流源與該第二次電流源並聯構成該第二電流源。
  6. 如請求項5所述之定電流控制裝置，其中該積分器另包含有：一比較器，包含一第一輸入端點與一第二輸入端點，該第一輸入端點接收該積分結果電壓，該第二輸入端點選擇性地接收該區間上限電壓值與該區間下限電壓值二者其中之一；其中當該積分結果電壓下降達到該區間下限電壓值時，使該第一次電流源與該第二次電流源並聯，以使該第一次電流源與該第二次電流源共同對該電容充電，並使該第二輸入端點切換到接收該區間上限電壓值；其中當該積分結果電壓上升達到該區間上限電壓值時，該比較器切斷該第二次電流源，使該第二次電流源不再對該電容充電，並使該第二輸入端點切換到接收該區間下限電壓值。
  7. 如請求項1所述之定電流控制裝置，其中該定電流控制器另包含：一第一保護機制比較電路，用來比較該積分結果電壓及一第一保護機制電壓閥值，當該積分結果電壓低於該第一保護機制電壓閥值時，觸發開始計時，當計時超過一第一預設時段時，停止該電源供應器提供一輸出電流。
  8. 如請求項7所述之定電流控制裝置，其中該電流偵測電壓對應於該二次側繞組電流值之一偵測電壓峰值，其中該定電流控制器另包含：一第二保護機制比較電路，依據該積分結果電壓來減少該一次側開關元件開啟導通傳遞的能量以降低該偵測電壓峰值，當該積分結果電壓下降觸發 該第二保護機制比較電路開始降低該偵測電壓峰值時，進而觸發開始計時，當計時超過一第二預設時段時，停止該電源供應器提供該輸出電流。
  9. 如請求項8所述之定電流控制裝置，其中該第二保護機制比較電路具有一第二保護機制比較器，用來比較該積分結果電壓及該偵測電壓峰值，當該積分結果電壓下降至該偵測電壓峰值時，觸發該第二保護機制比較電路開始計時。
  10. 如請求項5所述之定電流控制裝置，其中該電流偵測電壓對應於該二次側繞組電流值具有一偵測電壓中間值，其中該下拉電流源係根據該偵測電壓中間值產生該下拉電流。
  11. 一種定電流控制方法，用於一電源供應器，其中該電源供應器包含有一電壓波形偵測器、一定電流控制器、一一次側開關元件與一二次側繞組，該一次側開關元件接受一控制電壓而選擇性地開啟導通或關閉，該定電流控制方法包含有：由該電壓波形偵測器根據一第一回饋電壓及該控制電壓，產生關於該二次側繞組放電時段長度的一放電時段訊號；以及由該定電流控制器之一積分器根據該放電時段訊號與一電流偵測電壓，並接收一第一電流源及一第二電流源二者其中之一，產生一積分結果電壓，該電流偵測電壓係關於流經該二次側繞組的一二次側繞組電流值，該二次側繞組電流值與該電源供應器之一二次側輸出電流值呈現正相關；其中，當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第一電流源積分趨勢相反，且該積分結果電壓變化達到一第二邊界電壓值 時，該積分器變更為接收該第二電流源；其中，當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第二電流源積分趨勢相同，且該積分結果電壓變化達到一第一邊界電壓值時，該積分器變更為接收該第一電流源。
  12. 如請求項11所述之定電流控制方法，其另包含：該第一電流源係選擇性地作為該積分器中的一第一上拉電流源，該第一電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓上升；其中，該積分器包含一下拉電流源，用來根據該電流偵測電壓與該放電時段訊號產生一下拉電流，該下拉電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓下降；其中，當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第一電流源積分趨勢相反，且該積分結果電壓變化達到該第二邊界電壓值時，係指該積分結果電壓下降至一區間下限電壓值。
  13. 如請求項11所述之定電流控制方法，其另包含：該第二電流源係選擇性地作為該積分器中的一第二上拉電流源，該第二電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓上升；其中，該積分器包含一下拉電流源，用來根據該電流偵測電壓與該放電時段訊號產生一下拉電流，該下拉電流源積分趨勢是要使該積分結果電壓下降；其中，當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓改變趨勢與該第二電流源積分趨勢相同，且該積分結果電壓變化達到該第一邊界電壓值時，係指該積分結果電壓上升至一區間上限電壓值。
  14. 如請求項11所述之定電流控制方法，其中當該積分器接收該第一電流源，且該積分結果電壓係與該第一電流源積分趨勢相反時，係對應該二次側輸出電流值值大於一第一臨界值；當該積分器接收該第二電流源，且該積分結果電壓係與該第二電流源積分趨勢相反時，係對應該二次側輸出電流值值大於一第二臨界值；其中該第一電流源小於該第二電流源，該第一臨界值小於該第二臨界值；當該二次側輸出電流值值大於該第一臨界值，且該二次側輸出電流值值小於該第二臨界值時，該積分結果電壓將被保持在該第一邊界電壓值與該第二邊界電壓值之間。
  15. 如請求項11所述之定電流控制方法，其另包含：該積分器之一下拉電流源根據該電流偵測電壓與該放電時段訊號，產生一下拉電流；該積分器之一電容儲存該放電時段訊號內該下拉電流的該積分結果電壓；以及該積分器之一第一次電流源構成該第一電流源，而該第一次電流源與一第二次電流源並聯構成該第二電流源。
  16. 如請求項15所述之定電流控制方法，其另包含：該積分器之一比較器之一第一輸入端點接收該積分結果電壓，該比較器之一第二輸入端點選擇性地接收該區間上限電壓值與該區間下限電壓值二者其中之一；其中當該積分結果電壓下降達到該區間下限電壓值時，使該第一次電流源與該第二次電流源並聯，以使該第一次電流源與該第二次電流源共同對該 電容充電，並使該第二輸入端點切換到接收該區間上限電壓值；其中當該積分結果電壓上升達到該區間上限電壓值時，該比較器切斷該第二次電流源，使該第二次電流源不再對該電容充電，並使該第二輸入端點切換到接收該區間下限電壓值。
  17. 如請求項11所述之定電流控制方法，其中另包含：該定電流控制器之一第一保護機制比較電路比較該積分結果電壓及一第一保護機制電壓閥值，當該積分結果電壓低於該第一保護機制電壓閥值時，觸發開始計時，當計時超過一第一預設時段時，停止該電源供應器提供一輸出電流。
  18. 如請求項17所述之定電流控制方法，其另包含：該定電流控制器之一第二保護機制比較電路，依據該積分結果電壓來減少該一次側開關元件開啟導通傳遞的能量以降低一偵測電壓峰值，當該積分結果電壓下降觸發該第二保護機制比較電路開始降低該偵測電壓峰值時，進而觸發開始計時，當計時超過一第二預設時段時，停止該電源供應器提供該輸出電流。
  19. 如請求項18述之定電流控制方法，其中該第二保護機制比較電路具有一第二保護機制比較器，用來比較該積分結果電壓及該偵測電壓峰值，當該積分結果電壓下降至該偵測電壓峰值時，觸發該第二保護機制比較電路開始計時。
  20. 如請求項15所述之定電流控制方法，其中該電流偵測電壓對應於 該二次側繞組電流值具有一偵測電壓中間值，其中該下拉電流源係根據該偵測電壓中間值產生該下拉電流。
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