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TWI418125B - 開關式電源供應器與應用其中之控制方法 - Google Patents

開關式電源供應器與應用其中之控制方法 Download PDF

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TWI418125B
TWI418125B TW100118290A TW100118290A TWI418125B TW I418125 B TWI418125 B TW I418125B TW 100118290 A TW100118290 A TW 100118290A TW 100118290 A TW100118290 A TW 100118290A TW I418125 B TWI418125 B TW I418125B
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Chien Liang Lin
Gaitukevich Sergey
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Shamrock Micro Devices Corp
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Description

開關式電源供應器與應用其中之控制方法
本發明係相關於電源供應器以及運用其中的操作方法。
定電流控制一直是許多電源供應器所希望達到的目標。譬如說，對於照明領域的電源供應器而言，發光時電源供應器提供的就應該是一定電流輸出，且這個定電流輸出不應該隨著輸入線電壓(input line voltage)為100V或是220V而變化。
對於當今的電源供應器而言，功因(power factor)也是一個需要考量的重點。簡單的說，一個有好功因的電源供應器，其對於輸入市電(input grid line)而言，等效上可以視為一個電阻，其輸入線電壓與輸入線電流大致為同相(in phase)。好功因的電源供應器提供功因校正(power factor correction，PFC)，可以有效運用電力公司所給予的電能。
只是，要如何達到定電流控制以及功因校正，就有賴設計者的創意與技巧。
第1圖為一種習知的開關式電源供應器8的架構，其為一降壓電源轉換器(buck converter)。第1圖中的負載16以一發光二極體串以及一電容為例。
橋式整流器(bridge rectifier)12將交流端AC的交流市電整成直流，輸出於線電壓端IN。在線電壓端IN的線電壓VIN 一般會有M形波形。轉換模組10中，短路的功率開關15會使主繞組(preliminary winding)PRM儲能；開路的功率開關15會使主繞組PRM透過二極體11釋能。回饋模組(feedback module)20偵測負載16的跨壓，透過光耦合器23，來控制回饋信號(feedback signal)VFB 。控制器18可以是一脈波寬度調變器(pulse-width modulator，PWM)，其依據回饋信號VFB ，來控制流經主繞組PRM的電流。操作電源供應源14，具有輔助繞組(auxiliary winding)AUX，產生控制器18所需要的操作電壓(operating voltage)VCC 。控制器18偵測電流偵測電阻24的電流偵測信號VCS ，並提供閘信號VGATE 開啟或是關閉功率開關15。
第2圖舉例了一習知的控制器18。邏輯控制82依據比較器88以及時脈產生器87的輸出來產生閘信號VGATE 。具有業界通常知識者可知，回饋信號VFB 可以視為一種限制信號，其大約控制了電流偵測信號VCS 的峰值，也大約控制了流經主繞組PRM的電流峰值。
本發明之實施例，提供一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，其具有一電感元件，耦接至一線電源輸入端。該控制方法包含有：提供一電壓除法器(voltage divider)，具有一電阻以及一可控制電阻，串聯於一連接端，其中該可控制電阻之電阻值係受一控制信號控制而可改變；依據該線電源輸入端之輸入電壓，於該連接端產生一限制信號；以及，依據該限制信號，控制流經該電感元件之電流峰值。
本發明之實施例，提供一種開關式電源供應器，其控制一電感元件。該開關式電源供應器包含有一電壓除法器以及一峰值控制器。該電壓除法器，具有一電阻以及一可控制電阻，串聯於一連接端。該可控制電阻之電阻值係受一控制信號控制而可改變。該電壓除法器依據該開關式電源供應器之一線電源輸入端的一線輸入電壓，於該連接端產生一限制信號。該峰值控制器，依據該限制信號，控制流經該電感元件之電流峰值。
本發明之實施例，提供一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，其具有一電感元件，耦接至一線電源輸入端。該控制方法包含有提供一限制信號；使該限制信號與該線電源輸入端之一線輸入電壓同相；提供一回饋機制，使該限制信號的最大值大致為一定值，不隨該輸入電壓之最大值而改變；以及，依據該限制信號，控制流經該電感元件之電流峰值。
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。
以下的實施例雖然是以降壓電源轉換器(buck converter)為例，但是這些實施例並不限制本發明。一般具有電源供應器常識者，在閱讀本說明書後，也能將本發明應用於其他種類之轉換器，譬如昇壓轉換器(boost converter)、昇降壓轉換器(buck-boost converter)、返馳式轉換器(flyback converter)等等。
第3圖例示依據本發明實施的一開關式電源供應器36。第3圖中與第1圖相異處有回饋模組(feedback module)60。回饋模組(feedback module)60不只是從線電壓端IN以及端OG偵測負載16的跨壓，也透過端OG1與端OG，來偵測流經負載16的電流，據以控制回饋端FB上的回饋信號VFB ，以達到定輸出電流與電壓的目的。同時，回饋模組60也可使回饋信號VFB 與在線電壓端IN的線電壓VIN 大致為同相，達到功因校正的功能。
第4圖舉例回饋模組60的內部電路。光耦合器(photo coupler)23區隔(isolate)了左電路與右電路。左電路的最低電壓為端OG的電壓，右電路的最低電壓為接地線的電壓。
在左電路中，定電壓參考電壓VREF-CV 以及定電流參考電壓VREF-CC 都是相對於端OG的定電壓。放大器32以及分壓器(voltage divider)27大致放大負載16的跨壓(從端IN到端OG)與一定電壓參考電壓VREF-CV 所對應之一目標電壓的差。電阻29可以視為一個輸出電流偵測器，其跨壓正比於輸出電流IOUT 的值。平均電流偵測器25另包含有一電阻與一電容所構成的低通濾波器(low-pass filter)。放大器30以及平均電流偵測器25大致放大輸出電流IOUT 的平均值與一定電流參考電壓VREF-CC 所對應之一目標電流的差。光耦合器23把放大器30或是放大器32的結果轉換到右電路。
在右電路中，光耦合器23的輸出被一電容以及一電阻所低通濾波，於端AV產生控制信號VAV 。電壓除法器37耦接於線電壓端IN與接地端GND之間，具有兩個電阻以及一個N型MOSFET 34。電壓除法器37在回饋端FB上產生回饋信號VFB ，其與線電壓VIN 的關係大致如下公式I所示：
VFB =VIN /K　-----------(I)。
其中，K為除數，受控於控制信號VAV 。如同業界具有通常知識者所知，N型MOSFET 34可以視為一可控制的電阻，其通道電阻(channel resistance)RDS 會受其閘端電壓(gate voltage)所控制。所以，控制信號VAV 控制了N型MOSFET 34的通道電阻RDS ，也等同的控制了除數K。閘電壓越高，通道電阻RDS 越小，K就越小。而且，電壓除法器37會使回饋信號VFB 與線電壓VIN 大約同相。
第5圖顯示了第4圖中的一些信號波形；其中，線電壓VIN 表示線電壓端IN的電壓信號；回饋信號VFB 表示回饋端FB上的信號；電流偵測信號VCS 表示在電流偵測端CS上的電壓信號；輸出電流IOUT 表示流經端OG1到OG之間的電流，也是流經負載16的電流；電流信號ICA 表示放大器30所汲取的電流；控制信號VAV 為N型MOSFET 34上的閘電壓信號。
從第5圖中可以發現，回饋信號VFB 與線電壓VIN 幾乎是同相。此外，當線電壓VIN 的最大值變小時，譬如從220V變成110V時，回饋信號VFB 一開始會隨著線電壓VIN 而下降，但是，因為輸出電流IOUT 變小的原因，所以控制信號VAV 會漸漸下降，使得N型MOSFET 34的通道電阻RDS 漸漸增加，進而漸漸地增加了回饋信號VFB 的最大值，最後會大約回到線電壓VIN 的最大值改變前的值。從第4圖中的信號回饋路徑可以推知，不論是線電壓VIN 的最大值是220V、100V或是90V，在穩態定電流輸出時，因為回饋機制的原因，回饋信號VFB 的最大值大約都會是一個定值，而這個定值，也可以使得電流偵測信號VCS 峰值的最大值大約是一個常數，不會隨著線電壓VIN 而改變。
第6圖所顯示的電路，可以取代第4圖之右電路。電壓除法器37a中，光耦合器23中的發光器的亮度等同控制了接收器的等效電阻，所以等同控制了電壓除法器37a的除數K(=VIN /VFB )。
第7圖所顯示的電路，可以取代第4圖之左電路。當輸出電流IOUT 過高，使得平均電流偵測器25所輸出的電壓信號VCO 超過2.5V時，LT431使得光耦合器23中的發光器發光；當負載16的跨壓(從端IN到端OG)超過基納二極體38所設定的相對應電壓時，基納二極體38導通使光耦合器23中的發光器發光。而光耦合器23可以影響電壓除法器37或37a的可控制電阻之電阻值。
在一實施例中，第4圖之右電路以第6圖取代，第4圖之左電路以第7圖所取代。
第8圖例示依據本發明實施的一開關式電源供應器70。與第1圖不同的，第8圖中的實施例可以沒有操作電源供應器14以及回饋模組(feedback module)20，且控制器80可以不需要有回饋端FB，就可以達到PFC以及定電流輸出控制。
第9圖例示第8圖中的控制器80，其包含有限制信號產生器98以及控制器18。第9圖中的控制器18與第2圖中的控制器18可以具有完全相同的內部元件，因此其操作原理不再重述。不同是，第2圖中的控制器18接收回饋信號VFB，而第9圖中的控制器18接收連接點DIN上的限制信號VDIN。與第2圖類似的，限制信號VDIN控制電流偵測信號VCS的峰值，也等於控制了流經主繞組PRM的電流峰值。
限制信號產生器98提供一回饋機制，可以使限制信號VDIN的最大值，大約維持在一個定值。以第9圖為例，就算限制信號VDIN隨著線電壓VIN有M狀的波形(M-like wave form)，在穩態時，限制信號產生器98可以使限制信號VDIN的最大值大約等於位於比較器94之一輸入端的參考電壓VREF-OVER。以下以參考電壓VREF-OVER等於2V，而參考電壓VREF-VLY等於0.1V，來舉例說明。
當限制信號VDIN超過2V時，SR正反器(SR flip-flop)就會維持輸出端Q為邏輯上的1。之後一段時間，限制信號VDIN將隨著線電壓VIN下降而下降。當限制信號VDIN低於0.1V時，計數器92下數(count down)，其輸出的數位信號D0-D3成為控制信號，使得連接點DIN到接地端GND的等效電阻降低。同時，SR正反器的輸出會被比較器96重置成邏輯上的0。因此，之後的限制信號VDIN 的最大值，將會比之前的限制信號VDIN 的最大值來的低。
相反的，當限制信號VDIN 一直沒有超過2V，SR正反器的輸出就會一直維持在邏輯上的0。如此，當限制信號VDIN 低於0.1V時，計數器92上數(count up)，使得連接點DIN到接地端GND的等效電阻升高。因此，之後的限制信號VDIN 的最大值將會變高。
因此，比較器94與96、SR正反器以及計數器92一起，可以視為一最大值控制器。其提供一回饋機制，使限制信號VDIN 的最大值大約為2V。
如此，在穩態時，限制信號VDIN 的最大值雖然不會完全等於2V，但大約會在2V左右徘迴(ripple)，將不會隨著線電壓VIN 之最大值變化而改變。也因為限制信號VDIN 的最大值大約就是2V，所以電流偵測信號VCS 的峰值之最大值也大約是一個固定值，所以可以達到定電流輸出的功能。
此外，因為限制信號VDIN 是分壓線電壓VIN 而產生，所以限制信號VDIN 會線電壓VIN 同相，所以，可以預期的是電流偵測信號VCS 的平均值大約也會與線電壓VIN 同相，可以達到PFC的功能。
第10圖一控制器18a，其可替換第2圖或是第9圖的控制器18，可以適用於本發明之實施例中。與控制器18相異的，控制器18a增加了比較器42以及或閘(OR gate)44，用來大概限制電流偵測信號VCS 的峰值不會超過限制參考電壓VREF-LIM 。如果以第9圖，但是其中的控制器18以第10圖的控制器18a取代，這樣的一個實施例來解說。如果限制信號產生器98使限制信號VDIN 的最大值大約就是2V的結果，導致了分壓信號VFB-DIV 有最大值約250mV，而限制參考電壓VREF-LIM 的值假定為200mV。那麼，當分壓信號VFB-DIV 小於200mV時，電流偵測信號VCS 的峰值就會著分壓信號VFB -DIV 改變而改變。當分壓信號VFB-DIV 大於200mV時，電流偵測信號VCS 的峰值頂多就會只有約200mV。儘管這樣的例子PF可能降低，但具有的好處是預防負載16瞬間承受過高的電流而燒毀。在另一個實施例中，限制參考電壓VREF-LIM 可以高過分壓信號VFB-DIV 的最大值。
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．．．開關式電源供應器
10．．．轉換模組
11．．．二極體
12．．．橋式整流器
14．．．操作電源供應源
15．．．功率開關
16．．．負載
18．．．控制器
20．．．回饋模組
23．．．光耦合器
24．．．電流偵測電阻
25．．．平均電流偵測器
27．．．分壓器
29．．．電阻
30．．．放大器
32．．．放大器
34．．．N型MOSFET
36．．．開關式電源供應器
37、37a．．．電壓除法器
38．．．基納二極體
42．．．比較器
44．．．或閘
60．．．回饋模組
70．．．開關式電源供應器
80．．．控制器
82．．．邏輯控制
87．．．時脈產生器
88．．．比較器
92．．．計數器
94．．．比較器
98．．．限制信號產生器
AC．．．交流端
AUX．．．輔助繞組
AV．．．端
CS．．．電流偵測端
D0-D3．．．數位信號
DIN．．．連接點
FB．．．回饋端
GATE．．．閘端
GND．．．接地端
ICA ．．．電流信號
IN．．．線電壓端
IOUT ．．．輸出電流
OG．．．端
OG1．．．端
PRM．．．主繞組
VAV ．．．控制信號
VCC ．．．操作電壓
VCC．．．操作電源端
VCO ．．．電壓信號
VCS ．．．電流偵測信號
VDIN ．．．限制信號
VFB ．．．回饋信號
VFB-DIV ．．．分壓信號
VGATE ．．．閘信號
VIN ．．．線電壓
VREF-CC ．．．定電流參考電壓
VREF-CV ．．．定電壓參考電壓
VREF-LIM ．．．限制參考電壓
VREF-OVER ．．．參考電壓
VREF-VLY ．．．參考電壓
第1圖為一種習知的開關式電源供應器的架構。
第2圖舉例了一習知的控制器。
第3圖例示依據本發明實施的一開關式電源供應器。
第4圖舉例一回饋模組的內部電路。
第5圖顯示了第4圖中的一些信號波形。
第6圖顯示了可以取代第4圖之右電路的電路。
第7圖顯示了可以取代第4圖之左電路的電路。
第8圖例示依據本發明實施的一開關式電源供應器。
第9圖例示第8圖中的控制器。
第10圖一控制器，其可替換第2圖或是第9圖的控制器。
10．．．轉換模組
12．．．橋式整流器
14．．．操作電源供應源
16．．．負載
18．．．控制器
36．．．開關式電源供應器
60．．．回饋模組
AC．．．交流端
CS．．．電流偵測端
FB．．．回饋端
GATE．．．閘端
IN．．．線電壓端
OG．．．端
OG1．．．端
VCC．．．操作電源端

Claims (9)

  1. 一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，其具有一電感元件，耦接至一線電源輸入端，該控制方法包含有：提供一電壓除法器(voltage divider)，具有一電阻以及一可控制電阻，串聯於一連接端，其中該可控制電阻之電阻值係受一控制信號控制而可改變；依據該線電源輸入端之輸入電壓，於該連接端產生一限制信號；以及依據該限制信號，控制流經該電感元件之電流峰值；其中，該可控制電阻包含有一金氧半場效電晶體(MOS FET)，該控制信號送至該金氧半場效電晶體，線性的改變該金氧半場效電晶體之通道等效電阻。
  2. 如請求項1所述之控制方法，其中，該開關式電源供應器係驅動一發光二極體串，該方法另包含有：依據該發光二極體串之電壓或依據流經該發光二極體之電流，來改變該控制信號。
  3. 如請求項2所述之控制方法，包含有：依據該發光二極體串之電壓或依據流經該發光二極體之電流，透過一光耦合器，來改變該控制信號。
  4. 如請求項1所述之控制方法，包含有：依據該限制信號之最大值，來改變該控制信號，以使該最大值大約為一固定值。
  5. 一種開關式電源供應器，控制一電感元件，包含有：一電壓除法器，具有一電阻以及一可控制電阻，串聯於一連接端，其中該可控制電阻之電阻值係受一控制信號控制而可改變，該電壓除法器依據該開關式電源供應器之一線電源輸入端的一線輸入電壓，於該連接端產生一限制信號；以及一峰值控制器，依據該限制信號，控制流經該電感元件之電流峰值；其中，該可控制電阻包含有一金氧半場效電晶體(MOS FET)，該控制信號送至該金氧半場效電晶體，線性的改變該金氧半場效電晶體之通道等效電阻。
  6. 如請求項5所述之開關式電源供應器，另包含有：一輸出電壓偵測器，用以偵測一輸出負載之跨壓；一輸出電流偵測器，用以偵測流經該輸出負載之電流；以及至少一放大器，依據該輸出電壓偵測器或該輸出電流偵測器之結果，來控制該控制信號。
  7. 如請求項5所述之開關式電源供應器，另包含有一上下數計數器(up/down counter)，其輸出之數個數位信號作為該控制信號。
  8. 如請求項5所述之開關式電源供應器，包含有一最大值控制器，其提供一回饋機制，使該限制信號的最大值大約為一固定值。
  9. 一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，其具有一電感元件，耦接至一線電源輸入端，該控制方法包含有：提供一限制信號；使該限制信號與該線電源輸入端之一線輸入電壓同相；提供一回饋機制，使該限制信號的最大值大致為一定值，不隨該輸入電壓之最大值而改變；以及依據該限制信號，控制流經該電感元件之電流峰值。
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