CN102237811A

CN102237811A - 控制方法以及控制器

Info

Publication number: CN102237811A
Application number: CN2010101679793A
Authority: CN
Inventors: 叶文中
Original assignee: Leadtrend Technology Corp
Current assignee: Leadtrend Technology Corp
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-11-09

Abstract

控制方法以及控制器，适用于一电源供应器，其包含有一开关以及一电感元件。首先检测流经该电感元件的电感电流。接着控制该开关的一操作频率，以使该电感电流的一平均值大约为该电感电流的一峰值的一预定比例。该预定比例大约使该电感元件操作于连续导通模式。

Description

控制方法以及控制器

技术领域

本发明涉及一种开关式电源供应器(Switched-mode power supply，SMPS)，更明确地说，涉及一种可以提供定电压与定电流功能的开关式电源供应器。

背景技术

电源供应器作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。有的电源转换器需要同时具备有定电压以及定电流功能。举例来说，电池充电器就需要有同时具备有定电压以及定电流功能。当充电电池尚未充饱电时，电池充电器提供大约定输出电流来对电池充电；当充电电池已经充饱，或是没有充电电池存在时，电池充电器提供大约定输出电压。LED驱动器也需要有同时具备有定电压以及定电流功能。

USP7414865中介绍了一种SMPS，其可以实践定电流功能。USP7414865的例子中，需要去检测电源转换器中，变压器对负载的放电完毕时间。但是，如同USP7414865的封面(cover page)所示，这样的方法实践在集成电路时，集成电路就必定需要有一支脚位来进行检测动作。

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。首先检测流经该电感元件的电感电流。接着控制该开关的一操作频率，以使该电感电流的一平均值大约为该电感电流的一峰值的一预定比例。该预定比例大约使该电感元件操作于连续导通模式。

本发明实施例也提一种控制器，适用于一开关式电源供应器。该开关式电源供应器包含有一电感元件，以及一开关，用以控制该电感元件的储能或释能。该控制器包含有一平均电流比较器以及一可变频震荡器。该平均电流比较器，用以判别该电感电流的一平均值，是否大于该电感电流的一峰值的一预定比例，以产生一输出信号。该可变频震荡器，用以产生该开关的一操作频率。当该开关式电源供应器提供定输出电流时，该平均值大约等于该峰值的该预定比例，且该电感元件操作于连续导通模式。

附图说明

图1为依据本发明实施的一SMPS。

图2为显示了一种依据本发明，用于图1中的控制器以及反馈电路。

图3示范了一种适用于图2中的平均电流比较器。

图4示范了一种适用于图2中的定电流检验电路。

图5举例了一适用于图2中的频率决定电路。

图6为依据本发明实施的另一SMPS。

图7举例了适用于图6的控制器。

【主要元件符号说明】

60、61 开关式电源供应器

62 桥式整流器

64 变压器

66 整流器

68、68a 反馈电路

69 输出电容

72 功率开关

74、74a、75、75a 控制器

150 转导放大器

202 电阻

204 比较器

206 驱动电路

208、209、210 电阻

214 二极管

218 开关

222、222a 定电流检验电路

224、224a 频率决定电路

226 电压控制震荡器

228、228a 平均电流比较器

280 光耦合器

282 补偿电容

290 转导放大器

292 取样电路

366 电容

CS 电流检测电阻

FB 端点

f_FIX 正常操作频率

f_MAX 最高频率

f_MIN 最低频率

I_COMR-MEAN 电流

L_p 初级绕组

L_s 次级绕组

S_CLK 时钟信号

S_G 门信号

S_LIMIT 限制信号

S_OVER 指示信号

V_AC 交流电源

V_COM 补偿信号

V_COMR 限制补偿信号

V_COMR-MEAN 信号

V_CS 检测信号

V_FRG 频率电压

V_FRG-FIX 预设电压

V_FRG-MAX 最高电压

V_FRG-MIN 最低电压

V_OUT 输出电源

V_REF-MEAN、V_REF-CV 参考电压

V_REF-CC 定电流参考电压

具体实施方式

本发明的一实施例提供一SMPS，其可以不必要检测变压器(transformer)的放电完毕时间，就可以达到定电流的功能。

众所周知的，SMPS有两种操作模式：不连续导通模式(discontinuousconduction mode，DCM)以及连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)。DCM指的是SMPS中的电感元件(像是变压器)中所存储的能量，在每一次开关周期中，都会释放完毕。用另一种说法，在DCM中，电感元件有一段时间没有电流流过。而相对的，CCM则是电感元件中所存储的能量，不会在一次开关周期中，释放完毕。有一种操作模式是称为临界模式(critical mode or boundary mode)，大致是介于DCM与CCM中间的一种操作模式，是指电感元件所存储的能量一释放完毕，就大致马上开始增加其存储能量。

本发明的一实施例中的SMPS，在执行定电压功能时，可操作于DCM或是CCM。

本发明的一实施例中的SMPS，在执行定电流功能时，大致会操作于CCM。因此，电感元件对于负载的放电时间，就大约会是SMPS中的功率开关的关闭时间。只要检测出电感元件于功率开关开启时的平均输出电流，大略就可以推算出SMPS对负载的平均输出电流。将平均输出电流与期望的定输出电流比较后，就可以反馈来控制功率开关开启时的平均输出电流的大小，达到定电流的功能。

图1为依据本发明实施的一SMPS 60，将由交流电源V_AC所输入的能量，转换成符合一规格需求的输出电源V_OUT。桥式整流器(bridge rectifier)62大略的将交流电源V_AC整流。受门信号S_G所控制，功率开关72掌控变压器(transformer)64中初级绕组(primary coil)L_p中的电流。当功率开关72开启时(on)，会使变压器64中的储能增加；当功率开关72关闭时(off)，会使变压器64中的储能通过次级绕组(secondary coil)L_s而释放。释放的电能，经过整流器66，存放于输出电容69中，而产生输出电源V_OUT。反馈电路68监测输出电源V_OUT的强度(可能是电流、电压或是功率)，提供补偿信号V_COM至控制器74。控制器74另接收电流检测电阻CS的检测信号V_CS，来周期地切换功率开关72。在一实施例中，控制器74为一集成电路。在另一实施例中，控制器74与功率开关72可整合为一集成电路。

图2为显示了一种依据本发明，用于图1中的控制器74a以及反馈电路68a。反馈电路68a具有光耦合器(photo coupler)280及补偿电容(compensation capacitor)282。举例来说，光耦合器280中的发光二极管会随着输出电源V_OUT的电压增加而增强其亮度，因而增加了对控制器74a所汲取的电流。当开关218连接时，电阻202与光耦合器280大致决定了补偿信号V_COM的电压值。补偿电容282则大略的使补偿信号V_COM大致维持在一半稳态状态(quasi-steady state)。

控制器74a中，补偿信号V_COM经过二极管214降压，以及电阻208、209与210的分压结果，产生限制补偿信号V_COMR，其用来与检测信号V_CS比较。比较结果由比较器204输出，通过驱动电路206，控制功率开关72。因此，限制补偿信号V_COMR的电压，将大约对应到检测信号V_CS的峰值电压(peak voltage)，可以大略决定变压器(transformer)64于一开关周期中的转换能量。

控制器74a还包含有平均电流比较器228、定电流检验电路222、频率决定电路224、以及电压控制震荡器(VCO)226。平均电流比较器228接收检测信号V_CS以及信号V_COMR-MEAN，检验检测信号V_CS于功率开关72开启(ON)时的平均值是否大于信号V_COMR-MEAN，并据以发出指示信号S_OVER。指示信号S_OVER逻辑上的“1”表示检测信号V_CS的平均大于信号V_COMR-MEAN。定电流检验电路222由信号V_COMR-MEAN以及时钟信号S_CLK来判断当下周期推算出的次级绕组(secondary coil)L_s平均输出电流是否超过了一预定的电流，并据以发出限制信号S_LIMIT。当限制信号S_LIMIT为逻辑上的“1”时，大致表示当下开关周期的次级绕组L_s平均电流过大。逻辑上为“1”的限制信号S_LIMIT会关闭开关218，所以补偿信号V_COM以及信号V_COMR-MEAN会慢慢下降，因此可以降低之后开关周期的平均电流。频率决定电路224依据限制信号S_LIMIT以及指示信号S_OVER来产生频率电压V_FRG。而电压控制震荡器226依据频率电压V_FRG，来决定其时钟信号S_CLK的频率。

执行定电流功能时，图2中的平均电流比较器228、频率决定电路224、以及电压控制震荡器226所构成的一负反馈(negative feedback)会大致使得检测信号V_CS的平均大约等于信号V_COMR-MEAN，而且整个电源管理装置60会操作于CCM。为了确定电源管理装置60要操作于CCM，因此，信号V_COMR-MEAN的电压至少要是限制补偿信号V_COMR的电压的一半以上。考虑信号延迟的影响，可以把电阻210与209的阻值比例，选择在使信号V_COMR-MEAN＝0.6*限制补偿信号V_COMR。检测信号V_CS的平均大约对应初级绕组(primary coil)L_p的平均电流；限制补偿信号V_COMR大约对应初级绕组(primary coil)L_p电流的锋值。换句话说，执行定电流功能时，初级绕组(primary coil)L_p的平均电流，大约为初级绕组(primary coil)L_p的一电流峰值的一预定比例，这预定比例大约是介于0.5～1之间，譬如说是0.6。

图3示范了一种适用于图2中的平均电流比较器228a。简单来说，平均电流比较器228a检查在功率开关72开启时，检测信号V_CS大于信号V_COMR-MEAN的时间，与检测信号V_CS小于信号V_COMR-MEAN的时间。如果前者(检测信号V_CS大于信号V_COMR-MEAN的时间)比较久，那电容366的电压就会随着开关周期增加而上升；反之则下降。所以，当数个开关周期后，电容366的电压高过一参考电压V_REF-MEAN的话，就可以认定检测信号V_CS的平均值，大于信号V_COMR-MEAN。反之，电容366的电压低过参考电压V_REF-MEAN的话，就可以认定检测信号V_CS的平均值，小于信号V_COMR-MEAN。D触发器(flip-flop)使指示信号S_OVER于一开关周期更新一次，所以指示信号S_OVER的逻辑代表了检测信号V_CS的平均值是否大于信号V_COMR-MEAN。

图4示范了一种适用于图2中的定电流检验电路222a。当操作于CCM时，次级绕组(secondary coil)L_s于功率开关72关闭(OFF)时的平均电流会大约比例于检测信号V_CS的平均值。如同先前所述，在执行定电流功能时，信号V_COMR-MEAN可以大约代表检测信号V_CS的平均值。因此，可以用信号V_COMR-MEAN来判断当下次级绕组(secondary coil)L_s的总输出电荷是否符合预设的一输出电流的总输出电荷。由推理可知，图4中的电路，实现了以下方程式

ΔV_CC-CAP＝I_COMR-MEAN*T_OFF -I_SET*T_CYCLE

其中，ΔV_CC-CAP表示每次开关周期后跟开关周期开始时的电压V_CC-CAP差值；I_COMR-MEAN表示信号V_COMR-MEAN所转换而成的电流；T_OFF为功率开关72关闭(OFF)的时间，也就是次级绕组(secondary coil)L_s对负载的放电时间；I_SET为一预设电流，对应到对负载所期望的定输出电流值；T_CYCLE为一开关周期的时间。如果电压V_CC-CAP高过定电流参考电压V_REF-CC，那就可以认定目前的次级绕组(secondary coil)L_s的平均输出电流已经大于对负载所期望的定输出电流。因此，D flip-flop使限制信号S_LIMIT为逻辑上的“1”，停止补偿信号V_COMR上升。此时，补偿信号V_COMR，将会因为光耦合器280或是电阻208、209与210的放电而下降。

图5举例了适用于图2中的频率决定电路224a。在频率决定电路224a中，当指示信号S_OVER为逻辑“1”时，时钟信号S_CLK的频率，往最低电压V_FRG-MIN的对应最低频率f_MIN渐渐逼近，使检测信号V_CS的平均值渐渐降低。当限制信号S_LIMIT为逻辑上的“0”(次级平均输出电流没有超过预设值)且指示信号S_OVER为逻辑“0”时，此时，大致可以认为电源管理装置60需要往定电压操作逼近，所以时钟信号S_CLK的频率，往预设电压V_FRG-FIX的对应正常操作频率f_FIX渐渐逼近。当限制信号S_LIMIT为逻辑上的“1”(次级输出电流假定超过预设值)且指示信号S_OVER为逻辑“0”时，时钟信号S_CLK的频率，往最高电压V_FRG-MAX的对应最高频率f_MAX渐渐逼近，使检测信号V_CS的平均值渐渐拉高。此外，一种比较建议的作法是，频率电压V_FRG往最低电压V_FRG-MIN与最高电压V_FRG-MAX的速度，都大于频率电压V_FRG往预设电压V_FRG-FIX的速度。譬如说，假定G_FIX、G_MAX、与G_MIN，分别是时钟信号S_CLK的频率往操作频率f_FIX、f_MAX、与f_MIN接近时，转导(GM)放大器150的转导增益。一种实施例是G_FIX都小于G_MAX与G_MIN。在图5中，当时钟信号S_CLK的频率，往正常操作频率f_FIX渐渐逼近时，转导(GM)放大器150的增益被降低。

从频率决定电路224的逻辑中可以得到以下情形。1)检测信号V_CS的平均值大约会不大于信号V_COMR-MEAN。因为当指示信号S_OVER为逻辑“1”时，时钟信号S_CLK的频率就下降，进而拉低了下次开关周期中，检测信号V_CS的平均值。2)当次级绕组(secondary coil)L_s的平均输出电流持续地小于对负载所期望的定输出电流时，譬如说轻载或是无载时，限制信号S_LIMIT会固定为逻辑上的“0”，而开关式电源供应器60大约会操作在正常操作频率f_FIX。3)当限制信号S_LIMIT在逻辑上的“1”与“0”之间频繁切换时，表示定电流功能执行中。此时，时钟信号S_CLK的频率往检测信号V_CS的平均值等于信号V_COMR-MEAN的频率接近，可能会增大或是减小。补偿信号V_COMR的电压变化，以及时钟信号S_CLK的频率变化，来使得之后的限制信号S_LIMIT转态，以达到定输出电流的功能。

本实施例的好处之一是，完全不用检测次级绕组(secondary coil)L_s的放电完毕时间。如果依照本实施例实施于一集成电路上，而且是采用低电压启动的话，那电源管理装置60可能就只需要CS、COM、GATE、VCC、GND等5支引脚(pin)，就可以达到定输出电流与定输出电压的功能。

虽然实施例是以次级控制实施，但本发明也可以用于初级控制，如图6的SMPS 61所示。与图1不同的，SMPS 61中的控制器75是通过分压器(由两电阻所构成)以及辅助绕组L_a来检测次级绕组(secondary coil)L_s的电压，也就是输出端的电压。图7举例了适用于图6的控制器75a。取样电路292取样了FB端点的电压。转导放大器290则比较取样电路292所持守的电压与参考电压V_REF-CV，据以产生电流，对补偿电容282充电或放电。当限制信号S_LIMIT为逻辑上的“1”时，转导放大器290被禁能，所以补偿信号V_COM，将会因电阻208、209与210的放电而下降。至于图6与图7中，其他元件都有在先前介绍，或是由本领域技术人员，经由先前的介绍而推导得知，在此不再多述。图6的SMPS 61，也可以提供定电流与定电压功能。

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优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

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；以及

控制该开关的一操作频率，以使该电感电流的一平均值大约为该电感电流的一峰值的一预定比例，且该预定比例大约使该电感元件操作于连续导通模式。

2.如权利要求1所述的控制方法，还包含有：

以该峰值与该开关的一关闭时间，来判断该电源供应器的输出电流，是否高过一预设值；以及

如果该输出电流高过该预设值，禁止该电感电流的该峰值的上升。

3.如权利要求2所述的控制方法，包含有：

当该平均值大于该峰值的该预定比例时，降低该操作频率；

当该输出电流高过该预设值，且该平均值小于该峰值的该预定比例时，增加该操作频率；以及

当该输出电流低于该预设值，且该平均值小于该峰值的该预定比例时，使该操作频率往一预设频率接近。

4.一种控制器，适用于一开关式电源供应器，该开关式电源供应器包含有一电感元件，以及一开关，用以控制该电感元件的储能或释能，该控制器包含有：

一平均电流比较器，用以判别该电感电流的一平均值，是否大于该电感电流的一峰值的一预定比例，以产生一输出信号；以及

一可变频震荡器，用以产生该开关的一操作频率；

其中，当该开关式电源供应器提供定输出电流时，该平均值大约等于该峰值的该预定比例，且该电感元件操作于连续导通模式。

5.如权利要求4所述的控制器，其中，该定电流控制器还包含有：

一定电流检测器，依据该峰值以及该开关的一关闭时间，来判断该电源供应器的输出电流，是否高过一预设值，并据以输出一判断信号；以及

一峰值限制器，接收该判断信号，当该输出电流高过该预设值时，该峰值限制器禁止该峰值上升。

6.如权利要求5所述的控制器，其中，该控制器还包含有：

一频率调整器，依据该输出信号以及该判断信号，控制该可变频震荡器所产生的该操作频率。

7.如权利要求5所述的控制器，其中，该开关式电源供应器检测一电源输出端的电压，以产生一补偿信号，该峰值限制器使该补偿信号的电压降低，以降低该峰值。

8.如权利要求7所述的控制器，其中，该电感元件具有一初级绕组以及一次级绕组，该开关控制该初级绕组的电流，该次级绕组连接至该电源输出端。

9.如权利要求8所述的控制器，其中，该电感元件另具有一辅助绕组，该开关式电源供应器通过该辅助绕组，检测该电源输出端的电压。

10.如权利要求6所述的控制器，其中，依据该输出信号以及该判断信号，该频率调整器使该可变频震荡器所产生的该操作频率往一最高频率、一最低频率、以及一正常频率其中之一渐渐接近。