專利名稱：控制方法以及控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種開關式電源供應器(Switched-mode power supply，SMPS)，更明確地說，涉及一種可以提供定電壓與定電流功能的開關式電源供應器。
背景技術：
電源供應器作為一種電源管理裝置，用來轉換電源，以提供電源給電子裝置或是元件。有的電源轉換器需要同時具備有定電壓以及定電流功能。舉例來說，電池充電器就需要有同時具備有定電壓以及定電流功能。當充電電池尚未充飽電時，電池充電器提供大約定輸出電流來對電池充電；當充電電池已經(jīng)充飽，或是沒有充電電池存在時，電池充電器提供大約定輸出電壓。LED驅動器也需要有同時具備有定電壓以及定電流功能。USP7414865中介紹了一種SMPS，其可以實踐定電流功能。USP7414865的例子中， 需要去檢測電源轉換器中，變壓器對負載的放電完畢時間。但是，如同USP7414865的封面 (cover page)所示，這樣的方法實踐在集成電路時，集成電路就必定需要有一支腳位來進行檢測動作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種控制方法，適用于一電源供應器，其包含有一開關以及一電感元件。首先檢測流經(jīng)該電感元件的電感電流。接著控制該開關的一操作頻率，以使該電感電流的一平均值大約為該電感電流的一峰值的一預定比例。該預定比例大約使該電感元件操作于連續(xù)導通模式。本發(fā)明實施例也提一種控制器，適用于一開關式電源供應器。該開關式電源供應器包含有一電感元件，以及一開關，用以控制該電感元件的儲能或釋能。該控制器包含有一平均電流比較器以及一可變頻震蕩器。該平均電流比較器，用以判別該電感電流的一平均值，是否大于該電感電流的一峰值的一預定比例，以產(chǎn)生一輸出信號。該可變頻震蕩器，用以產(chǎn)生該開關的一操作頻率。當該開關式電源供應器提供定輸出電流時，該平均值大約等于該峰值的該預定比例，且該電感元件操作于連續(xù)導通模式。


圖1為依據(jù)本發(fā)明實施的一 SMPS。圖2為顯示了一種依據(jù)本發(fā)明，用于圖1中的控制器以及反饋電路。圖3示范了一種適用于圖2中的平均電流比較器。圖4示范了一種適用于圖2中的定電流檢驗電路。圖5舉例了一適用于圖2中的頻率決定電路。圖6為依據(jù)本發(fā)明實施的另一 SMPS。圖7舉例了適用于圖6的控制器。主要元件符號說明
60,61開關式電源供應器62橋式整流器64變壓器66整流器68、68a反饋電路69輸出電容72功率開關74、74a、75、75a 控制器150轉導放大器202電阻204比較器206驅動電路208,209,210電阻214二極管218開關222、222a定電流檢驗電路224,224a頻率決定電路226電壓控制震蕩器228,228a平均電流比較器280光耦合器282補償電容290轉導放大器292取樣電路366電容CS電流檢測電阻FB端點fFIX正常操作頻率fmx最高頻率fMIN最低頻率Icqmmean電流Lp初級繞組Ls次級繞組Sclk時鐘信號Sg門信號Slimit限制信號Sovee指示信號Vac交流電源Vcom補償信號Vcome限制補償信號
Vco 信號Vcs檢測信號VpEG頻率電壓Vfkg-FIX預設電壓Vfkc=-MX最高電壓Vpkg-MIN最低電壓Voux輸出電源謂、V--CV參考電壓Vkef-CC定電流參考電壓
具體實施例方式本發(fā)明的一實施例提供一 SMPS，其可以不必要檢測變壓器(transformer)的放電 完畢時間，就可以達到定電流的功能。眾所周知的，SMPS有兩種操作模式不連續(xù)導通模式(discontinuousconduction mode, DCM)以及連續(xù)導通模式(continuous conduction mode, CCM)。DCM 指的是 SMPS 中 的電感元件(像是變壓器)中所存儲的能量，在鋒一次開關周期中，都會釋放完畢。用另一 種說法，在DCM中，電感元件有一段時間沒有電流流過。而相對的，CCM則是電感元件中所存 儲的能量，不會在一次開關周期中，釋放完畢。有一種操作模式是稱為臨界模式(critical mode or boundary mode)，大致是介于DCM與CCM中間的一種操作模式，是指電感元件所存 儲的能量一釋放完畢，就大致馬上開始增加其存儲能量。本發(fā)明的一實施例中的SMPS，在執(zhí)行定電壓功能吋，可操作于DCM或是CCM。本發(fā)明的一實施例中的SMPS，在執(zhí)行定電流功能時，大致會操作于CCM。因此，電 感元件對于負載的放電時間，就大約會是SMPS中的功率開關的關閉時間。只要檢測出電感 元件于功率開關開啟時的平均輸出電流，大略就可以推算出SMPS對負載的平均輸出電流。 將平均輸出電流與期望的定輸出電流比較后，就可以反饋來控制功率開關開啟時的平均輸 出電流的大小，達到定電流的功能。圖1為依據(jù)本發(fā)明實施的一SMPS 60，將由交流電源AV所輸入的能量，轉換成符合 一規(guī)格需求的輸出電源V。uT。橋式整流器(bridge rectifier) 62大略的將交流電源Vac整 流。受門信號Sg所控制，功率開關72掌控變壓器(transformer) 64中初級繞組(primary COiDLp中的電流。當功率開關72開啟時(on)，會使變壓器64中的儲能增加；當功率開關 72關閉時(off)，會使變壓器64中的儲能通過次級繞組(secondary coil)L,而釋放。釋放 的電能，經(jīng)過整流器66，存放于輸出電容69中，而產(chǎn)生輸出電源V?！悍答侂娐?8監(jiān)測輸 出電源V。uT的強度(可能是電流、電壓或是功率)，提供補償信號Ve。 至控制器74?？刂破?74另接收電流檢測電阻CS的檢測信號Ves，來周期地切換功率開關72。在一實施例中，控 制器74為一集成電路。在另一實施例中，控制器74與功率開關72可整合為一集成電路。圖2為顯示了一種依據(jù)本發(fā)明，用于圖1中的控制器74a以及反饋電路68a。反饋 電路 68a 具有光華禹合器(photo coupler) 280 及補償電容(compensation capacitor) 282。 舉例來說，光親合器觀0中的發(fā)光二極管會隨著輸出電源V。 T的電壓增加而增強其亮度，因 而增加了對控制器7 所汲取的電流。當開關218連接吋，電阻202與光親合器280大致決定了補償信號Vot的電壓值。補償電容282則大略的使補償信號Vot大致維持在一半穩(wěn)態(tài)狀態(tài)(quasi-steady state)?？刂破? 中，補償信號Vcqm經(jīng)過二極管214降壓，以及電阻208、209與210的分壓結果，產(chǎn)生限制補償信號Votk，其用來與檢測信號V。s比較。比較結果由比較器204輸出， 通過驅動電路206，控制功率開關72。因此，限制補償信號Votk的電壓，將大約對應到檢測信號Vcs的峰值電壓(peak voltage)，可以大略決定變壓器(transformer) 64于一開關周期中的轉換能量?？刂破? 還包含有平均電流比較器228、定電流檢驗電路222、頻率決定電路 224、以及電壓控制震蕩器(VCO) 2沈。平均電流比較器2 接收檢測信號Vcs以及信號 Vome-mean，檢驗檢測信號Ves于功率開關72開啟(ON)時的平均值是否大于信號Vot^mean，并據(jù)以發(fā)出指示信號^EK。指示信號Swsi邏輯上的“1”表示檢測信號V。s的平均大于信號 Vcomr-MEAN"定電流檢驗電路222由信以及時鐘信號SaK來判斷當下周期推算出的次級繞組(secondary coil)Ls平均輸出電流是否超過了一預定的電流，并據(jù)以發(fā)出限制信號、ΜΠ。當限制信號為邏輯上的“ 1 ”時，大致表示當下開關周期的次級繞組Ls平均電流過大。邏輯上為“1”的限制信號&ΙΜΙΤ會關閉開關218，所以補償信號Vot以及信號 VOMR-mean會慢慢下降，因此可以降低之后開關周期的平均電流。頻率決定電路2M依據(jù)限制信號、MIT以及指示信號Swek來產(chǎn)生頻率電壓VFKe。而電壓控制震蕩器2 依據(jù)頻率電壓 Vfto，來決定其時鐘信號Sm的頻率。執(zhí)行定電流功能時，圖2中的平均電流比較器228、頻率決定電路224、以及電壓控制震蕩器226所構成的一負反饋(negative feedback)會大致使得檢測信號V。s的平均大約等于信號Votmean，而且整個電源管理裝置60會操作于CCM。為了確定電源管理裝置60要操作于CCM，因此，信號V AN的電壓至少要是限制補償信號V·的電壓的一半以上?？紤]信號延遲的影響，可以把電阻210與209的阻值比例，選擇在使信號Vot^mean = 0. 6*限制補償信號VroME。檢測信號V。s的平均大約對應初級繞組(primary coil)Lp的平均電流；限制補償信號Votk大約對應初級繞組(primary coil)Lp電流的鋒值。換句話說，執(zhí)行定電流功能時，初級繞組(primary coil)Lp的平均電流，大約為初級繞組(primary coil)Lp的一電流峰值的一預定比例，這預定比例大約是介于0. 5 1之間，譬如說是0. 6。圖3示范了一種適用于圖2中的平均電流比較器228a。簡單來說，平均電流比較器228a檢查在功率開關72開啟時，檢測信號V。s大于信號Vot^mean的時間，與檢測信號Vcs 小于信號Votmean的時間。如果前者(檢測信號V。s大于信號Votmean的時間)比較久，那電容366的電壓就會隨著開關周期增加而上升；反之則下降。所以，當數(shù)個開關周期后，電容366的電壓高過一參考電壓VKEF_MEAN的話，就可以認定檢測信號V。s的平均值，大于信號 VOME-mean。反之，電容366的電壓低過參考電壓Vkefian的話，就可以認定檢測信號Ves的平均值，小于信號Votmeai^ D觸發(fā)器(flip-flop)使指示信號于一開關周期更新一次，所以指示信號Swek的邏輯代表了檢測信號V。s的平均值是否大于信號VOTK_MEAN。圖4示范了一種適用于圖2中的定電流檢驗電路22加。當操作于CCM時，次級繞組(secondary coil) Ls于功率開關72關閉(OFF)時的平均電流會大約比例于檢測信號Vcs 的平均值。如同先前所述，在執(zhí)行定電流功能時，信號Votmean可以大約代表檢測信號Vcs的平均值。因此，可以用信號Votmean來判斷當下次級繞組(secondary coil)Ls的總輸出電荷是否符合預設的一輸出電流的總輸出電荷。由推理可知，圖4中的電路，實現(xiàn)了以下方程式Δ VCC_CAP 一 I gome-MEAN5^T0FF "Iset5^Tcycle其中，八^“砠表示每次開關周期后跟開關周期開始時的電壓^“砠差值；Iotmean 表示信號Votmean所轉換而成的電流為功率開關72關閉(OFF)的時間，也就是次級繞組(secondary coil)Ls對負載的放電時間；Iset為一預設電流，對應到對負載所期望的定輸出電流值；TCTaE為一開關周期的時間。如果電壓高過定電流參考電壓VKEF_CC，那就可以認定目前的次級繞組(secondary coil)Ls的平均輸出電流已經(jīng)大于對負載所期望的定輸出電流。因此，D flip-flop使限制信號為邏輯上的“1”，停止補償信號V·上升。 此時，補償信號Votk，將會因為光耦合器280或是電阻208、209與210的放電而下降。圖5舉例了適用于圖2中的頻率決定電路22如。在頻率決定電路22 中，當指示信號S_為邏輯“ 1”時，時鐘信號Sm的頻率，往最低電壓VFKe_MIN的對應最低頻率fMIN漸漸逼近，使檢測信號V。s的平均值漸漸降低。當限制信號為邏輯上的“0” (次級平均輸出電流沒有超過預設值)且指示信號Swek為邏輯“0”時，此時，大致可以認為電源管理裝置 60需要往定電壓操作逼近，所以時鐘信號SaK的頻率，往預設電壓VFKe_FIX的對應正常操作頻率fFIX漸漸逼近。當限制信號為邏輯上的“1”(次級輸出電流假定超過預設值)且指示信號s_為邏輯“0”時，時鐘信號Sm的頻率，往最高電壓VFKe_MX的對應最高頻率fMX漸漸逼近，使檢測信號V。s的平均值漸漸拉高。此外，一種比較建議的作法是，頻率電壓Vrae往最低電壓VFKe_MIN與最高電壓VFKe_MX的速度，都大于頻率電壓Vfto往預設電壓VFffi;_FIX的速度。 譬如說，假定(iFIX、Gmax、與(iMIN，分別是時鐘信號Sm的頻率往操作頻率fFIX、f-、與fMIN接近時，轉導(GM)放大器150的轉導增益。一種實施例是(W都小于Gmax與(^。在圖5中，當時鐘信號SaK的頻率，往正常操作頻率fFIX漸漸逼近時，轉導(GM)放大器150的增益被降低。從頻率決定電路2M的邏輯中可以得到以下情形。1)檢測信號V。s的平均值大約會不大于信號v___。因為當指示信號S_為邏輯“1”時，時鐘信號Sm的頻率就下降， 進而拉低了下次開關周期中，檢測信號V。s的平均值。2)當次級繞組(secondary coil)Ls 的平均輸出電流持續(xù)地小于對負載所期望的定輸出電流時，譬如說輕載或是無載時，限制信號、 會固定為邏輯上的“0”，而開關式電源供應器60大約會操作在正常操作頻率fFIX。 3)當限制信號在邏輯上的“1”與“0”之間頻繁切換時，表示定電流功能執(zhí)行中。此時，時鐘信號saK的頻率往檢測信號v。s的平均值等于信號V AN的頻率接近，可能會增大或是減小。補償信號Votk的電壓變化，以及時鐘信號Sm的頻率變化，來使得之后的限制信號轉態(tài)，以達到定輸出電流的功能。本實施例的好處之一是，完全不用檢測次級繞組(secondary coil)Ls的放電完畢時間。如果依照本實施例實施于一集成電路上，而且是采用低電壓啟動的話，那電源管理裝置60可能就只需要CS、C0M、GATE、VCC、GND等5支引腳(pin)，就可以達到定輸出電流與定輸出電壓的功能。雖然實施例是以次級控制實施，但本發(fā)明也可以用于初級控制，如圖6的SMPS 61 所示。與圖1不同的，SMPS 61中的控制器75是通過分壓器(由兩電阻所構成)以及輔助繞組La來檢測次級繞組(secondary coil) Ls的電壓，也就是輸出端的電壓。圖7舉例了適用于圖6的控制器75a。取樣電路292取樣了 FB端點的電壓。轉導放大器290則比較取樣電路四2所持守的電壓與參考電壓VKEF_CT，據(jù)以產(chǎn)生電流，對補償電容282充電或放電。當限制信號為邏輯上的“1”時，轉導放大器290被禁能，所以補償信號Vot，將會因電阻 208,209與210的放電而下降。至于圖6與圖7中，其他元件都有在先前介紹，或是由本領域技術人員，經(jīng)由先前的介紹而推導得知，在此不再多述。圖6的SMPS 61，也可以提供定電流與定電壓功能。本發(fā)明雖以一反馳式架構的SMPS為例，但本發(fā)明也可以適用于降壓電源轉換器、 升壓電源轉換器等類似的SMPS。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權利要求書所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種控制方法，適用于一電源供應器，其包含有一開關以及一電感元件，該方法包含有檢測流經(jīng)該電感元件的電感電流；以及控制該開關的一操作頻率，以使該電感電流的一平均值大約為該電感電流的一峰值的一預定比例，且該預定比例大約使該電感元件操作于連續(xù)導通模式。
2.如權利要求1所述的控制方法，還包含有以該峰值與該開關的一關閉時間，來判斷該電源供應器的輸出電流，是否高過一預設值；以及如果該輸出電流高過該預設值，禁止該電感電流的該峰值的上升。
3.如權利要求2所述的控制方法，包含有當該平均值大于該峰值的該預定比例時，降低該操作頻率；當該輸出電流高過該預設值，且該平均值小于該峰值的該預定比例時，增加該操作頻率；以及當該輸出電流低于該預設值，且該平均值小于該峰值的該預定比例時，使該操作頻率往一預設頻率接近。
4.一種控制器，適用于一開關式電源供應器，該開關式電源供應器包含有一電感元件， 以及一開關，用以控制該電感元件的儲能或釋能，該控制器包含有一平均電流比較器，用以判別該電感電流的一平均值，是否大于該電感電流的一峰值的一預定比例，以產(chǎn)生一輸出信號；以及一可變頻震蕩器，用以產(chǎn)生該開關的一操作頻率；其中，當該開關式電源供應器提供定輸出電流時，該平均值大約等于該峰值的該預定比例，且該電感元件操作于連續(xù)導通模式。
5.如權利要求4所述的控制器，其中，該定電流控制器還包含有一定電流檢測器，依據(jù)該峰值以及該開關的一關閉時間，來判斷該電源供應器的輸出電流，是否高過一預設值，并據(jù)以輸出一判斷信號；以及一峰值限制器，接收該判斷信號，當該輸出電流高過該預設值時，該峰值限制器禁止該峰值上升。
6.如權利要求5所述的控制器，其中，該控制器還包含有一頻率調(diào)整器，依據(jù)該輸出信號以及該判斷信號，控制該可變頻震蕩器所產(chǎn)生的該操作頻率。
7.如權利要求5所述的控制器，其中，該開關式電源供應器檢測一電源輸出端的電壓， 以產(chǎn)生一補償信號，該峰值限制器使該補償信號的電壓降低，以降低該峰值。
8.如權利要求7所述的控制器，其中，該電感元件具有一初級繞組以及一次級繞組，該開關控制該初級繞組的電流，該次級繞組連接至該電源輸出端。
9.如權利要求8所述的控制器，其中，該電感元件另具有一輔助繞組，該開關式電源供應器通過該輔助繞組，檢測該電源輸出端的電壓。
10.如權利要求6所述的控制器，其中，依據(jù)該輸出信號以及該判斷信號，該頻率調(diào)整器使該可變頻震蕩器所產(chǎn)生的該操作頻率往一最高頻率、一最低頻率、以及一正常頻率其中之一漸漸接近。
全文摘要
控制方法以及控制器，適用于一電源供應器，其包含有一開關以及一電感元件。首先檢測流經(jīng)該電感元件的電感電流。接著控制該開關的一操作頻率，以使該電感電流的一平均值大約為該電感電流的一峰值的一預定比例。該預定比例大約使該電感元件操作于連續(xù)導通模式。
文檔編號H02M7/12GK102237811SQ201010167979
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權日2010年4月22日
發(fā)明者葉文中 申請人:通嘉科技股份有限公司