CN102263398B - 控制方法、电源控制方法以及电源控制器 - Google Patents

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Abstract

电源控制方法以及适用该方法的电源供应器。该电源供应器包括有一电感元件。依据一补偿信号，判断该电源供应器的一负载状态。当该负载状态为重载时，使该开关操作于一高工作频率；当该负载状态为轻载或无载时，使该开关操作于一低工作频率。当该补偿信号超过一临界值时，判断该负载状态为一过载状态，并于该过载状态持续一容许时间后，关闭该开关。该容许时间由一外接电容决定，与该开关操作的该高、低工作频率无关。

Description

控制方法、电源控制方法以及电源控制器
技术领域
本发明是有关于一种开关式电源供应器(Switched-modepowersupply，SMPS)的过负载保护。
背景技术
电源供应器为一种电源管理装置，用来转换电源，以提供电源给电子装置或是元件。举例来说，图1为一已知的电源供应器60，具有返驰式架构(flybacktopology)。桥式整流器62整流了交流电源VAC，提供输入电源VIN至变压器64。开关72开启(close)时，变压器64的一次测绕组LP储能；关闭(open)时，变压器64的二次测绕组LS通过整流器66释能至负载电容(loadcapacitor)69以建立输出电源VOUT。误差放大器(erroramplifier)EA比较输出电源VOUT的电压与目标电压VTarget，并产生补偿信号VCOM。控制器74依据补偿信号VCOM以及电流检测信号VCS，以控制信号VGATE控制开关72。电流检测信号VCS反应流经一次测绕组LP的电感电流。
已知图1的电源供应器都有许多种保护，像是过电压保护(overvoltageprotection，OVP)、过高温保护(overtemperatureprotection，OTP)、过负载保护(overloadprotection，OLP)等。其中OLP是通指输出负载过大，且超过电源供应器的额定输出功率时，电源供应器就相对应产生的保护措施。
OLP有许多种作法。譬如说，一种是限制输出电流，另一种是限制流经一次测绕组LP的电感电流。主要想法都是防止电源供应器所传输的电能超过一定程度。
发明内容
本发明实施例提供一种控制方法，适用于一电源供应器，其包含有一开关以及一电感元件。该方法包含有：检测流经该电感元件的电感电流；依据一反馈信号，使该电源供应器操作于一正常载状态或一过载状态；于该正常载状态时，使流经该电感元件的一电流峰值不大于一定值，且使该开关的工作频率为一第一频率；于该过载状态时，使流经该电感元件的一电流峰值约为该定值，且使该开关的工作频率为一第二频率，且该第二频率高于该第一频率；计算该电源供应器处于该过载状态的持续时间；该持续时间超过一容许时间时，停止该电感电流；其中，该容许时间不受该工作频率变化而影响。
本发明实施例提供一种电源供应器。一控制器控制流经一电感元件的电感电流。该控制器包含有一工作时钟产生器、一限流器、以及一过载保护器。该工作时钟产生器用以产生一工作频率。该限流器可使流经该电感元件的一电流峰值约为一定值。当该限流器使该电流峰值约为该定值时，该工作频率不低于一第一频率。于该过载保护器中，一过载识别器，依据一反馈信号，可识别该电源供应器是否应进入一过载状态。当该电源供应器操作于该过载状态时，该工作频率为一第二频率，高于该第一频率。一电流供应器提供一外接电容充放电电流，可用以计算该电源供应器处于该过载状态的持续时间。当该持续时间超过一容许时间时，该控制器停止该电感电流，且该容许时间不受该工作频率改变而影响。
本发明实施例提供一种电源供应器，适用于一电源供应器。该电源供应器具有一电感元件，与一开关。该电源控制器包括一第一比较器、一工作时钟产生器、以及一过载保护器。该第一比较器接收一补偿信号与一电流检测信号以控制该开关。该电流检测信号相对应于流经该电感元件的一电感电流。该补偿信号相对应于该电源供应器的一负载状态。该第一比较器用以依据该补偿信号来大约决定该电感电流的电流峰值。该工作时钟产生器用以依据该补偿信号来大致提供该开关的一工作频率。当该补偿信号对应的该负载状态为重载时，使该工作频率为一高频工作频率；当该补偿信号对应的该负载状态为轻载或无载时，使该工作频率为一低频工作频率。该过载保护器具有一充放电器耦接至一外部电容，用以检测该补偿信号以决定一过载事件是否发生，并于该过载事件发生的一容许时间后输出一过载保护信号以关闭该开关。该外部电容与该充放电器组成一时钟振荡器，用以决定该容许时间，且该容许时间不受该工作时钟产生器影响。
本发明实施例提供一种电源控制方法，适用于一电源供应器，该电源供应器包括有一电感元件。该方法包括：依据一补偿信号，判断该电源供应器的一负载状态，当该负载状态为重载时，使该开关操作于一高工作频率，当该负载状态为轻载或无载时，使该开关操作于一低工作频率；以及，当该补偿信号超过一临界值时，判断该负载状态为一过载状态，并于该过载状态持续一容许时间后，关闭该开关。该容许时间由一外接电容决定，与该开关操作的该高、低工作频率无关。
本发明实施例提供一种电源控制方法，适用于一电源供应器。该电源供应器包括有一电感元件，其受一开关控制以储能或释能，以产生一输出电源。该方法包括：提供一工作时钟产生器，来大致提供该开关的一工作频率；检测该电源供应器的一负载状态；依据该负载状态来调整该工作频率，其中该负载状态为一重载时，其该工作频率为一第一频率；当该负载状态为过载时，于一容许时间内，使该工作频率大约为一第二频率，该第二频率高于该第一频率；以及，并于该容许时间结束后，停止该开关的操作。该容许时间不受该工作时钟产生器影响。
附图说明
图1为一已知的电源供应器。
图2为依据本发明实施的一电源供应器。
图3则例示控制器中部分的电路与外接电容。
图4显示工作时钟产生器的工作频率与补偿信号VCOM的关系。
[主要元件标号说明]
60、90 电源供应器
62 桥式整流器
64 变压器
66 整流器
69 负载电容
72 开关
73、74 控制器
75 外接电容
82、84、88、94 比较器
85 电流供应器
86 逻辑控制单元
92 计数器
96 工作时钟产生器
CT 接脚
EA 误差放大器
fHEAVY 重载频率
fOverLoad 过载频率
LP 一次侧绕组
LS 二次侧绕组
VAC 交流电源
VCOM 补偿信号
VCS 电流检测信号
VGATE 控制信号
VOLP OLP临界值
VOUT 输出电源
VTarget 目标电压
具体实施方式
图2为依据本发明实施的一电源供应器90。图2与图1中相同的标号表示相同或相似的元件、装置、或信号，为已知技术，在此不多加累述。图2仅仅为一实施例，实施本发明并非一定要使用图1中相同或相似的元件、装置、或信号。本发明的权利范围应以申请专利范围解读为限制。
于一实施例中，图2中的控制器73用单一集成电路实施；在另一个实施例中，控制器73与开关72一起以单一集成电路实施。与图1的控制器74不同的，图2中的控制器73，多了一个接脚(pin)CT，连接到外接电容75，其功能将于稍作说明。
图3则例示控制器73中部分的电路与外接电容75。比较器82提供过电流保护(OCP)，也是一峰值限定器，控制图2中的电流检测信号VCS的电压峰值不超过VCS-LIMIT，也相对地限制了流经一次侧绕组LP的电流峰值(peakcurrent)不大于ICS-LIMIT(＝VCS-LIMIT/RCS)，其中RCS为电阻CS的阻值。比较器84则是依据补偿信号VCOM来大约决定一次侧绕组LP的电流峰值，补偿信号VCOM的电压值可以视为维持当时输出电压所需的对应功率，或是相应于输出的负载状态。补偿信号VCOM不只是大约决定一次侧绕组LP的电流峰值，也决定了工作时钟产生器96所输出的工作频率，也就是图2中开关72的工作频率。举例来说，补偿信号VCOM的电压值低时，为轻载/无载，所输出的工作频率约为20kHz；补偿信号VCOM的电压值高时，为重载，所输出的工作频率约为65kHz。不论是重载或是轻载/无载，都是视为正常载状态。
电流供应器85提供充放电电流，通过接脚CT，给外接电容75。电流供应器85跟外接电容75一起可以视为一定时器中的一时钟振荡器。在补偿信号VCOM高过于一OLP临界值VOLP时，认定当下有输出过载情形发生，开始操作于过载状态，比较器88使计数器(counter)92依据时钟振荡器所输出的时钟信号，开始计数。一旦比较器94判别计数器92的输出达一定预设条件，也就是过载情形持续超过一段容许时间，比较器94就输出过载保护信号，触发OLP，逻辑控制单元86持续关闭开关72，停止电能的转换与传递。如果在容许时间到达之前，补偿信号VCOM就回到OLP临界值VOLP以下，意味着电源供应器90脱离过载状态，计数器92就被重置归零，开关72还是依照工作时钟产生器96所输出的工作频率而持续操作。电流供应器85、比较器88、计数器92、以及比较器94可以一起视为一过载保护器。在另一种实施例中，比较器94可以省略，直接用计数器92的一个输出位(outputbit)的逻辑“1”或“0”来作为OLP的触发判断。
由以上电路可知，这容许时间指的是容许电源供应器90处于过载状态下的持续时间，是由电流供应器85跟外接电容75所构成的时钟振荡器所产生的频率以及比较器94所设定的预设条件所决定。这段容许时间不受工作时钟产生器96的工作频率变化所影响。举例来说，设计上，比较器94的预设条件是在集成电路中内建而不受外在元件数值而改变，而OLP振荡器的频率可由外接电容75的电容值决定。因此，***设计上，可以方便地通过挑选适当之外接电容75电容值来决定容许时间。
在一实施例中，OLP被触发后，当补偿信号VCOM回到低于OLP临界值VOLP时，就解除OLP，而重新开始电能转换与传递；在另一实施例中，只有控制器73的交流电源移除与重新供电启动(restart)才能解除OLP。
图4显示工作时钟产生器96的工作频率与补偿信号VCOM的关系。当补偿信号VCOM的电压值对应到Vcs-LIMIT时，可以视为重载，工作时钟产生器96的工作频率，比如说，为一重载频率fHEAVY(譬如65Khz)；当补偿信号VCOM的电压值对应到OLP临界值VOLP时，可以视为过载状态发生，工作时钟产生器96的工作频率为一过载频率fOverLoad(譬如130Khz)。图4也显示了，当一次侧绕组LP的电流峰值大约是Ics-LIMIT时，工作频率至少是重载频率fHEAVY。在容许时间时，也就是补偿信号VCOM高过OLP临界值VOLP时，流经一次侧绕组LP的电流峰值，因为比较器82的限制，将大约固定在Ics-LIMIT，但是工作频率却不再是重载频率fHEAVY，而是一个更高的过载频率fOverLoad。举例来说，过载频率fOverLoad可以是重载频率fHEAVY的两倍或是三倍。
以上的实施例，可以得到两个好处：
1.避免变压器64产生饱和现象：Ics-LIMIT可以选择在使变压器64不饱和(saturate)的最大电流，这样，就可以在变压器64没有饱和时，单单利用提高控制器73的工作频率至过载频率fOverLoad，来暂时地增加输出功率。
2.容许时间可以外调：如同先前所述，容许时间跟工作频率无关，且是由电流供应器85跟外接电容75所构成的时钟振荡器所决定。因此，适当的选取外接电容75的电容值便可以决定容许时间。外接电容75还有另一个好处。如果容许时间高达数秒，相对应完全以集成电路所建构的时钟振荡器便会需要惊人的面积成本。但是，以外接电容75来实现，便能适当的节省成本，让集成电路所构建的部分相对地小非常多。
本发明虽以一反驰式架构的SMPS为例，但本发明也可以适用于降压电源转换器、升压电源转换器等类似的SMPS。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种控制方法，适用于一电源供应器，其包含有一开关以及一电感元件，该方法包含有：
检测流经该电感元件的电感电流；
依据一反馈信号，使该电源供应器操作于一正常载状态或一过载状态；
于该正常载状态时，使流经该电感元件的一电流峰值不大于一定值，且使该开关的工作频率为一第一频率；
于该过载状态时，使流经该电感元件的一电流峰值约为该定值，且使该开关的工作频率为一第二频率，且该第二频率高于该第一频率；
计算该电源供应器处于该过载状态的持续时间；以及
该持续时间超过一容许时间时，停止该电感电流；
其中，该容许时间不受该工作频率变化而影响，且该电源供应器由该正常载状态进入该过载状态期间，该开关的工作频率由第一频率线性上升。
2.根据权利要求1所述的控制方法，还包含有：
依据该反馈信号，改变该工作频率。
3.根据权利要求1所述的控制方法，还包含有：
当该电源供应器脱离该过载状态时，重置一计数器，以重新计算该持续时间。
4.根据权利要求1所述的控制方法，还包含有：
提供一工作时钟产生器，以产生该工作频率；
其中，该工作频率不影响该容许时间。
5.一种电源控制器，适用于一电源供应器，该电源供应器具有一电感元件，与一开关，该电源控制器包括：
一第一比较器，接收一补偿信号与一电流检测信号以控制该开关，其中该电流检测信号相对应于流经该电感元件的一电感电流，而该补偿信号相对应于该电源供应器的一负载状态，该第一比较器用以依据该补偿信号来决定该电感电流的电流峰值；
一工作时钟产生器，用以依据该补偿信号来提供该开关的一工作频率，其中当该补偿信号对应的该负载状态为重载时，使该工作频率为一高频工作频率，而当该补偿信号对应的该负载状态为轻载或无载时，使该工作频率为一低工作频率；以及
一过载保护器，具有一充放电器耦接至一外部电容，用以检测该补偿信号以决定一过载事件是否发生，并于该过载事件发生的一容许时间后输出一过载保护信号以关闭该开关；
其中该外部电容与该充放电器组成一时钟振荡器，用以决定该容许时间，且该容许时间不受该工作时钟产生器影响，且该电源供应器由正常载状态进入过载状态期间，该开关的工作频率由低工作频率线性上升，该正常载状态包括重载、该轻载和该无载状态。
6.根据权利要求5所述的电源控制器，其中该过载保护器还包括：
一第二比较器，用以比较该补偿信号与一临界信号，当该补偿信号大于该临界信号时，发出一过载保护信号表示该过载事件发生；以及
一计数器，耦接至该第二比较器，用以接收一时钟信号，该计数器于该第二比较器发出该过载保护信号后开始计数；
其中，该过载保护信号于该计数器的输出达一条件后被输出。
7.根据权利要求5所述的电源控制器，其中该过载事件发生后的该容许时间内，该工作时钟产生器使该工作频率为一过载频率，其中该过载频率大于该高频工作频率。
8.根据权利要求5所述的电源控制器，其中该电源控制器还包括：
一峰值限定器，用以检测该电流检测信号并发出一峰值限定信号来控制该开关，而限定流经该电感元件的该电感电流的电流峰值为一限定峰值。
9.一种电源控制方法，适用于一电源供应器，该电源供应器包括有一电感元件以及一开关，该方法包括：
依据一补偿信号，判断该电源供应器的一负载状态，当该负载状态为重载时，使该开关操作于一高工作频率，当该负载状态为轻载或无载时，使该开关操作于一低工作频率；以及
当该补偿信号超过一临界值时，判断该负载状态为一过载状态，并于该过载状态持续一容许时间后，关闭该开关；
其中该容许时间由一外接电容决定，与该开关操作的该高、低工作频率无关，且该电源供应器由正常载状态进入该过载状态期间，该开关的工作频率由低工作频率线性上升，该正常载状态包括重载、该轻载和该无载状态。
10.根据权利要求9所述的电源控制方法，其中当该负载状态为该过载状态时，于该容许时间内，使该开关操作于一过载频率，而该过载频率大于该高工作频率。
11.根据权利要求9所述的电源控制方法，包括；
检测流经该电感元件的一电感电流，以产生一电流检测信号；以及
依据该补偿信号和该电流检测信号以决定该电感电流的电流峰值。
12.一种电源控制方法，适用于一电源供应器，该电源供应器具有一电感元件与一开关，该方法包括：
提供一工作时钟产生器，以提供该开关的一工作频率；
检测该电源供应器的一负载状态；
依据该负载状态来调整该工作频率，其中该负载状态为一重载时，其该工作频率为一第一频率；
当该负载状态为过载时，于一容许时间内，使该工作频率为一第二频率，该第二频率高于该第一频率；以及
并于该容许时间结束后，停止该开关之操作；
其中，该容许时间不受该工作频率影响，且当该负载状态由重载转为过载时，该工作频率由该第一频率线性上升至该第二频率。
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