TW201304372A - 電源控制器與控制方法 - Google Patents
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Abstract
電源控制器與控制方法,適用於控制一功率開關。該功率開關連接至一電感元件。該電源控制器包含有一時窗產生器、一感測器、以及一邏輯控制器。該時窗產生器用以提供最短以及最長時間信號,分別指示一最短時間以及一最長時間的流逝。該感測器用以偵測該電感元件的一端,以產生一觸發信號。在該最短時間尚未流逝之前,該邏輯控制器用以防止該功率開關被開啟,在該最長時間流逝後,強迫該功率開關被開啟,以及當該觸發信號被致能時,開啟該功率開關。。
Description
本發明大致上相關於電源供應器以及運用其中的控制方法。。
電源供應器是用來將外來電源(可能是市電也可能是電池),轉換成其中核心電路(core circuit)所需要的電源。對於當今的電子產品而言,一般都必須設計的節能減碳,以表示對地球盡一份心力。所以,電能轉換效率(conversion efficiency),也就是針對負載的輸出電能以及從電池或是市電所抽取之輸入電能,兩者的比例,就變成一個很重要的指標。如果電源供應器自己本身所消耗的能量越少,這電源供應器的電能轉換效率就會越高。
不論是理論或是實際操作上,準諧振(quadrature resonance,QR)電源供應器都已經被證明比其他大部分的電源供應器,工作的比較有效率。這是因為QR電源供應器中的功率開關大致上是在零電壓或是零電流切換,達到了大致上無能量損耗之切換(lossless switching)。
第1圖顯示一返馳式電源供應器8,可以操作在QR模式。電路10顯示了返馳式架構,具有功率開關15、一變壓器的主繞組(primary winding)PRM以及二次側繞組(secondary winding)SEC、一二極體、以及一電流偵測電阻。當功率開關15開啟時,功率開關15短路,主繞組PRM開始儲能。當功率開關15關閉時,功率開關15開路,二次側繞組SEC就透過二極體釋能,對輸出端OUT供電。回饋電路20監視了輸出端OUT,據以在回饋端FB上產生回饋信號VFB。依據回饋信號VFB,電源控制器18控制了功率開關15的開啟時間(ON time)TON或是關閉時間(OFF time)TOFF。當回饋信號VFB越高時,便意味著輸出功率就需要更高,才得以維持在輸出端OUT上的電壓。操作電源供應器12在電源端VCC提供了操作電源VCC,對電源控制器18供電。電阻14把輔助繞組AUX的一端連接到電源控制器18的零電流偵測端ZCD,以提供變壓器的狀態資訊。
第2A圖以及第2B圖分別顯示在不同負載時,零電流偵測端ZCD上之電壓信號VZCD的波形。第2A圖對應到一個比較重的負載;第2B圖對應到一比較輕的負載。從第2A圖與第2B圖中可以看出,當變壓器放電完畢之後,電壓信號VZCD就會開始震盪,然後依序產生電壓波谷VLY1、VLY2、VLY3等。如果負載越輕,放電完畢的時間就會越早,那電壓波谷出現的時間點也會越早。一個操作在QR模式下的電源供應器可以設計在任何一個電壓波谷出現時,才開始進行下一開關週期中的儲能。第3圖顯示開關頻率fCYC與回饋端FB上回饋信號VFB的關係,其中,開關頻率fCYC是開關週期TCYC的倒數,而開關週期是開啟時間TON與關閉時間TOFF的總和。開啟時間TON指的是功率開關開啟時的時間;關閉時間TOFF指的是功率開關關閉的時間。舉例來說,第3圖中的曲線221顯示的是,當功率開關15在電壓波谷VLY1出現時就切換時,VFB跟fCYC的關係。曲線222顯示的是,當功率開關15在電壓波谷VLY2出現時就切換時,VFB跟fCYC的關係。以此類推。如同第3圖所示,如果一個電源供應器是設計在特定的電壓波谷切換的話,那回饋信號VFB越低,開關頻率fCYC就不幸的越高。越高的開關頻率fCYC,就會需要有越多的電能來對一功率開關的控制端進行充放電,所以可能會導致一個比較低的轉換效率。
本發明之實施例提供一種電源控制器,適用於控制一功率開關。該功率開關連接至一電感元件。該電源控制器包含有一時窗產生器、一感測器、以及一邏輯控制器。該時窗產生器用以提供最短以及最長時間信號,分別指示一最短時間以及一最長時間的流逝。該感測器用以偵測該電感元件的一端,以產生一觸發信號。在該最短時間尚未流逝之前,該邏輯控制器用以防止該功率開關被開啟,在該最長時間流逝後,強迫該功率開關被開啟,以及當該觸發信號被致能時,開啟該功率開關。
本發明之實施例提供一種控制方法,用以控制一功率開關,該功率開關耦接至一電感元件。該控制方法包含有:偵測該電感元件的一端,以產生一觸發信號;當該觸發信號被致能時,開啟該功率開關;在一最短時間尚未流逝之前,防止該功率開關被開啟;以及,在一最長時間流逝後,強迫該功率開關被開啟。
在以下實施例中,相同或是類似符號所代表的元件或是信號,表示相同或是類似的元件或是信號,其可能的變化,為業界具有一般知識能力者,可以依據本說明書的教導,所能推知。為精簡的緣故,本說明書將不再累述。
以下將以返馳式電源供應器,來作為本發明的實施例。只是,本發明並不限制於返馳式電源供應器。本發明也可以適用於其他架構的電源供應器,像是降壓電源供應器(bulk converters)、升降壓電源供應器(bulk-boost converter)、升壓電源供應器(boost converter)等等。
第4圖舉例了適用於第1圖中的返馳式電源供應器8的一電源控制器30。比較器32、延遲電路(delay circuit)33以及脈衝產生器(pulse generator)36一起,等同一種感測器,偵測輔助繞組AUX的一端,來產生觸發信號SPLS中的脈衝(pulse),其中每個脈衝大致對應到在零電流偵測端ZCD的電壓波谷所出現的時間。時窗產生器40提供了最短以及最長時間信號,SMIN與SMAX,分別指示一最短時間TMIN以及一最長時間TMAX的流逝。邏輯控制器38具有數個邏輯閘,控制SR紀錄器34的S端,且決定何時功率開關15要被開啟(ON)。只有在最短時間信號SMIN被致能時,也就是最短時間TMIN過去了之後,觸發信號SPLS才有可能通過邏輯控制器38,而被致能的觸發信號SPLS才能夠設置(set)SR紀錄器34。換言之,在最短時間TMIN還沒有過去之前,邏輯控制器38會防止功率開關15被開啟。萬一觸發信號SPLS沒有被致能,且最長時間TMAX也過去了,最長時間信號SMAX就會強制的設置(set)SR紀錄器34,而功率開關15就被強迫開啟,而返馳式電源供應器就進入下一個開關循環。當電流偵測端CS上的信號VCS超過比較器42之反向輸入端的電壓時,SR紀錄器34就被重置(reset),而功率開關15被關閉(OFF)。因此,在回饋端FB上的回饋信號VFB大致決定了信號VCS的電壓峰值,或是大致決定了在一開關循環中傳輸到輸出端OUT的電能。
第5圖舉例了時窗產生器40,其接收設置信號SSET,輸出最短以及最長時間信號,SMIN與SMAX。當設置信號SSET被致能時,斜坡信號VRMP就是接地,電壓為0V。當設置信號SSET被禁能時,斜坡信號VRMP就開始上升,其斜率是被電壓控制電流源70的輸出電流所決定,而電壓控制電流源70則是被回饋端FB上的回饋信號VFB所控制。回饋信號VFB大致代表了在輸出端OUT上之負載所需求的電功率。當斜坡信號VRMP超過參考信號VREFL與VREFH時,就會分別致能最短以及最長時間信號SMIN與SMAX,也分別表示最短時間TMIN以及最長時間TMAX已經過去了。參考信號VREFL應該要比參考信號VREFH低,所以最短時間信號SMIN會被比較早致能。如果電壓控制電流源70所輸出的電流減小了,斜坡信號VRMP的斜率就變小,因此斜坡信號VRMP就需要花比較久的時間才會到達參考信號VREFL與VREFH,所以最短時間TMIN以及最長時間TMAX都會變長。業界具有一般技術者可以從以上說明與圖示中得知,最短時間TMIN以及最長時間TMAX大概是等比例。
第6圖顯示了第4圖與第5圖中的一些信號波形。從上到下,第6圖中的波形有零電流偵測端ZCD上的電壓信號VZCD、比較器32所輸出的信號SDET、延遲電路33所輸出的信號SDLY、脈衝產生器36所輸出的觸發信號SPLS、在SR紀錄器34之S端上的設置信號SSET、閘端GATE上的閘信號SGATE、第5圖中的斜坡信號VRMP、以及從比較器42所輸出的最短時間信號SMIN。在時間點t1時,設置信號SSET上的脈衝開啟了功率開關15,且把斜坡信號VRMP接地。開啟時間TON大致上是由回饋信號VFB所決定,因此,閘信號SGATE在時間點t2時改變,這導致了電壓信號VZCD的上升,信號SDET的邏輯值改變,以及之後信號SDLY之邏輯值的改變。信號SDLY可以設計在信號SDET變化後一段延遲時間Tdelay才切換其邏輯值。在時間點t3時,因為放電完畢,電壓信號VZCD第一次掉到低於接近0伏特的參考電壓VTH-ZCD,所以再經過延遲時間Tdelay後,信號SDLY出現了上升緣,然後也導致了脈衝產生器36所輸出的觸發信號SPLS出現了一個脈衝。在時間點t4之前,斜坡信號VRMP一直是低於參考信號VREFL,所以最短時間信號SMIN的邏輯值也都是維持在0,因此,觸發信號SPLS上的任何脈衝都會被擋住,而無法到達SR紀錄器34的S端,所以SR紀錄器34的S端的邏輯值維持在0。時間點t4時,最短時間TMIN已經過去了,斜坡信號VRMP超過參考信號VREFL,所以最短時間信號SMIN轉態變成邏輯上的1。因此,在時間點t5時,觸發信號SPLS的脈衝就可以通過而變成設置信號SSET,來開啟功率開關15,而進入下一個開關循環。如同第6圖所示,只要延遲時間Tdelay設計的好,每一個觸發信號SPLS中的脈衝就可以代表電壓信號VZCD中相對應的一個電壓波谷之出現時間。也因此,在時間點t5時,電壓波谷VLY3出現,而功率開關15被開啟,所以大致上實現了QR模式的操作。
第7圖中有兩張圖,上半部顯示了最短時間TMIN與最長時間TMAX對於回饋信號VFB的變化,而下半部顯示了最高頻率fMAX與最低頻率fMIN對於回饋信號VFB的變化。如同最短時間TMIN指的是第4圖中電源控制器30可以開啟功率開關的最早時間,最短時間TMIN的倒數,1/TMIN,就定義了電源控制器30可以操作的最高頻率fMAX。一樣的道理,最長時間TMAX的倒數,1/TMAX,定義了電源控制器30可以操作的最低頻率fMIN。
只要適當的設計,電壓控制電流源70可以實現第7圖中的曲線。舉例來說,當回饋信號VFB低於參考電壓VREF2時,電壓控制電流源70所輸出的電流大約是在一個相對來說比較低的定值;當回饋信號VFB從參考電壓VREF2往參考電壓VREF3接近時,電壓控制電流源70所輸出的電流隨之線性地增加;當回饋信號VFB高過參考電壓VREF3時,電壓控制電流源70所輸出的電流大約是在一個相對來說比較高的定值。從第7圖中可以發現,當回饋信號VFB介於參考電壓VREF2與參考電壓VREF3之間時,最短時間TMIN會隨著回饋信號VFB增加而降低。
第8圖中的曲線50顯示第4圖中的電源控制器30的開關頻率fCYC與回饋信號VFB的關係。第8圖中的虛線,大致上重現了第7圖中的最低頻率fMIN以及最高頻率fMAX,以及第3圖中開關頻率fCYC與回饋信號VFB的關係。從以上的教導中可以推導出,電源控制器30開啟功率開關15的時間點,大概會在最短時間TMIN之後的最早電壓波谷所出現的時間,而不可以晚於最長時間TMAX。所以,曲線50的所在位置,就被限制在最高頻率fMAX與最低頻率fMIN之間,且大致跟隨了曲線221、222、223等中最高的那一個。從第8圖中可以發現,在輕載時,回饋信號比較低,而開關頻率fCYC也比較低,因為功率開關的切換時間點,可能移到了比較晚發生的電壓波谷出現的時間點。在每一次的開關循環中,功率開關15的控制端就被充放電一次,也就需要一定的能量。比較低的開關頻率fCYC,意味著用比較少的能量來對功率開關15的控制端充放電,所以可以增加在輕載時的轉換效率。
如同第8圖所示,對於回饋信號VFB非常高時的高重載而言,開關頻率fCYC有可能大致上停留在由最低頻率fMIN所定義的一個定值,這可能引發有電磁干擾(EMI)之風險。第9A圖與第9B圖分別顯示兩種時窗產生器60a與60b。時窗產生器60a與60b可以取代時窗產生器40,其採用了抖頻(jitting)的技術,可能可以避免EMI之風險。除了第5圖中所示的時窗產生器40中的架構之外,時窗產生器60a與60b,每個都有一個計數器66。舉例來說,計數器66大約以數百毫秒(millisecond)為周期,循環的變化他的數位輸出S0~Sn,而開關頻率fCYC的每個開關週期大概是數個微秒(microsecond)。在時窗產生器60a中,數位類比轉換器72接收數位輸出S0~Sn,而產生相對應且非常小的電流IJIT,因此,對電容充電的總電流,就會隨著時間而抖動。在時窗產生器60b中,因為數位輸出S0~Sn隨著時間在改變,所以電容陣列76的等效電容值也隨著時間改變或是抖動。因為充電電流或是等效電容值在抖動,所以,對於一固定的回饋信號VFB而言,最高頻率fMAX與最低頻率fMIN就不再是兩個固定不變的常數,而是會跟著抖動。如果第4圖中的電源控制器30中的時窗產生器40以時窗產生器60a或60b實施的話,第10圖顯示了電源控制器30的開關頻率fCYC與回饋信號VFB之間的可能關係。在第10圖中,代表最高頻率fMAX與最低頻率fMIN的曲線是用三條線的虛線來表示,代表最高頻率fMAX與最低頻率fMIN會隨著時間抖動。因此,對於回饋信號VFB非常高時的高重載而言,開關頻率fCYC不會停留在一個定值,而是隨著最低頻率fMIN而抖動。
依據本發明所實施的一電源控制器,可以在功率開關上的跨壓大約到達一電壓波谷時,才開啟功率開關,所以大致上可以實現無能量損耗之切換。對於重載狀況而言,這個電壓波谷可以是第一電壓波谷。對於輕載或是無載而言,因為開關頻率fCYC被限制在最高頻率fMAX與最低頻率fMIN之間,所以這個電壓波谷可以是第二、第三、甚至是更後面的電壓波谷。對於輕載或是無載而言,因為最高頻率fMAX與最低頻率fMIN都會變低,所以開關頻率fCYC也會變低,可以節省一些對於功率開關的控制閘充放電所需要的能量。對於非常重的重載來說,抖動最低頻率fMIN可以降低或是防止電磁干擾(EMI)的問題。
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。
8...返馳式電源供應器
10...電路
12...操作電源供應器
14...電阻
15...功率開關
18...電源控制器
20...回饋電路
221、222、223...曲線
30...電源控制器
32...比較器
33...延遲電路
34...SR紀錄器
36...脈衝產生器
38...邏輯控制器
40...時窗產生器
42...比較器
50...曲線
60a、60b...時窗產生器
66...計數器
70...電壓控制電流源
72...數位類比轉換器
76...電容陣列
AUX...輔助繞組
CS...電流偵測端
FB...回饋端
fCYC...開關頻率
fMAX...最高頻率
fMIN...最低頻率
GATE...閘端
IJIT...電流
OUT...輸出端
PRM...主繞組
S0~Sn...數位輸出
SDET...信號
SDLY...信號
SEC...二次側繞組
SGATE...閘信號
SMIN...最短時間信號
SMAX...最長時間信號
SPLS...觸發信號
SSET...設置信號
t1~t5...時間點
TCYC...開關週期
Tdelay...延遲時間
TMAX...最長時間
TMIN...最短時間
TOFF...關閉時間
TON...開啟時間
VCC...操作電源
VCC...電源端
VCS...信號
VFB...回饋信號
VLY1、VLY2、VLY3...電壓波谷
VREFH、VREFL...參考信號
VREF2、VREF3...參考電壓
VRMP...斜坡信號
VTH-ZCD...參考電壓
VZCD...電壓信號
ZCD...零電流偵測端
第1圖顯示一返馳式電源供應器。
第2A圖以及第2B圖分別顯示在不同負載時,零電流偵測端ZCD上之電壓信號VZCD的波形。
第3圖顯示開關頻率fCYC與回饋端FB上回饋信號VFB的關係。
第4圖舉例了適用於第1圖中的返馳式電源供應器8的一電源控制器。
第5圖舉例了一時窗產生器。
第6圖顯示了第4圖與第5圖中的一些信號波形。
第7圖上半部顯示了最短時間TMIN與最長時間TMAX對於回饋信號VFB的變化,而下半部顯示了最高頻率fMAX與最低頻率fMIN對於回饋信號VFB的變化。
第8圖中的曲線50顯示第4圖中的電源控制器30的開關頻率fCYC與回饋信號VFB的關係。
第9A圖與第9B圖分別顯示兩種時窗產生器。
第10圖顯示了電源控制器30的開關頻率fCYC與回饋信號VFB之間的可能關係。
30...電源控制器
32...比較器
33...延遲電路
34...SR紀錄器
36...脈衝產生器
38...邏輯控制器
40...時窗產生器
42...比較器
CS...電流偵測端
FB...回饋端
GATE...閘端
SDET...信號
SDLY...信號
SGATE...閘信號
SMIN...最短時間信號
SMAX...最長時間信號
SPLS...觸發信號
SSET...設置信號
VTH-ZCD...參考電壓
ZCD...零電流偵測端
Claims (13)
- 一種電源控制器,適用於控制一功率開關,該功率開關連接至一電感元件,該電源控制器包含有:一時窗產生器,用以提供最短以及最長時間信號,分別指示一最短時間以及一最長時間的流逝;一感測器,用以偵測該電感元件的一端,以產生一觸發信號;以及一邏輯控制器,在該最短時間尚未流逝之前,用以防止該功率開關被開啟,在該最長時間流逝後,強迫該功率開關被開啟,以及當該觸發信號被致能時,開啟該功率開關。
- 如請求項1所述之電源控制器,其中,一回饋信號被提供來代表一負載所需要的功率,且當該回饋信號增加時,該最短時間減少。
- 如請求項1所述之電源控制器,其中,當該最短時間增加時,該最長時間增加。
- 如請求項1所述之電源控制器,其中,該最短時間與該最長時間隨時間而抖動變化。
- 如請求項1所述之電源控制器,其中,該最短以及最長時間信號係依據一斜坡信號而產生。
- 如請求項1所述之電源控制器,其中,該電感元件為一變壓器,具有一主繞組以及一輔助繞組,該感測器偵測該輔助繞組的一端。
- 一種控制方法,用以控制一功率開關,該功率開關耦接至一電感元件,該控制方法包含有:偵測該電感元件的一端,以產生一觸發信號;當該觸發信號被致能時,開啟該功率開關;在一最短時間尚未流逝之前,防止該功率開關被開啟;以及在一最長時間流逝後,強迫該功率開關被開啟。
- 如請求項7所述之控制方法,另包含有:提供一回饋信號,其代表一負載所需要的功率;以及當該回饋信號增加時,減少該最短時間。
- 如請求項7所述之控制方法,其中,該最長時間大致與該最短時間成比例。
- 如請求項7所述之控制方法,另包含有:使該最短時間與該最長時間隨時間而抖動變化。
- 如請求項7所述之控制方法,另包含有:提供一斜坡信號;以及依據該斜坡信號來產生一最短時間信號,用以指示該最短時間的流逝。
- 如請求項11所述之控制方法,另包含有:依據該斜坡信號來產生一最長時間信號,用以指示該最長時間的流逝。
- 如請求項7所述之控制方法,其中,該電感元件為一變壓器,具有一主繞組以及一輔助繞組,該偵測步驟係偵測該輔助繞組的一端。
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TW100123892A TWI429177B (zh) | 2011-07-06 | 2011-07-06 | 電源控制器與控制方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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TWI587621B (zh) * | 2015-05-15 | 2017-06-11 | 立錡科技股份有限公司 | 可降低功率損耗的可程式電源轉換器及其中的降低功率損耗之電源傳輸電路 |
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TWI641210B (zh) * | 2017-09-08 | 2018-11-11 | 昱京能源科技股份有限公司 | PSR current control system under LLC architecture |
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