開關式電源供應器的控制方法與控制裝置制造方法
【專利摘要】開關式電源供應器的控制方法與控制裝置。實施例揭示一驅動電流的控制方法與相關的控制裝置，適用于開關式電源供應器。所揭示的控制裝置包含有一驅動電路以及一信號轉換器。該驅動電路用以提供一驅動電流至一電流控制元件。該信號轉換器依據流經該電流控制元件的一流通電流，來產生一控制信號。該驅動電流依據該控制信號而產生。當該流通電流增加時，該控制信號與該驅動電流均增加。
【專利說明】開關式電源供應器的控制方法與控制裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及開關式電源供應器，尤其是采用電流控制元件的開關式電源供應器。【背景技術】
[0002]開關式電源供應器采用功率開關(power switch),來控制流經電感元件的電流大小。相較于其他的電源供應器，開關式電源供應器具有體積小以及良好的電能轉換效率，所以廣受當下電源業(yè)界的采用。
[0003]在眾多種類的功率開關中，雙接面晶體管(bipolar junction transistor, BJT)因為結構簡單、價位便宜、以及有較低的導通損失，所以在低價位的市場中，占有一席的地。但是，相較于金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor,MOS)晶體管而言,BJT是一種電流控制元件，需要有電流控制裝置來控制BJT的基極電流(base current) Ib。基極電流Ib會與集極電流(collector current) I。一起合并后,成為射極電流(emitter current,Ie) ο因此，射極電流I6可能無法單純的反應出集極電流I。。這可能造成開關式電源供應器對于電流控制上，精準度的缺失。而精準度一直都是電源供應器業(yè)界所追求的目標之一。另一方面，BJT的開關速度(switching speed)比起MOS晶體管的開關速度慢,如何快速開關BJT也是設計上考慮的重點之一。
[0004]本說明書中，具有相同的符號元件或裝置，為具有相同或是類似功能、結構、或特性的元件或是裝置，為業(yè)界人士能以具本說明書的教導而得知或推知，但不必然完全的相同。為簡潔緣故，不會重復說明。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的實施例揭示一種適用于一開關式電源供應器的控制方法。該開關式電源供應器包含有一電流控制元件。該控制方法包含有:提供一驅動電流，以驅動該電流控制元件；檢測流經該電流控制元件的一流通電流；以及，依據該流通電流，來控制該驅動電流。當該流通電流增加時，該驅動電流增加。
[0006]本發(fā)明的實施例揭示一種控制裝置，用以驅動一電流控制元件。該控制裝置包含有一驅動電路以及一信號轉換器。該驅動電路用以提供一驅動電流至該電流控制元件。該信號轉換器依據流經該電流控制元件的一流通電流，來產生一控制信號。該驅動電流依據該控制信號而產生。當該流通電流增加時，該控制信號與該驅動電流均增加。
[0007]本發(fā)明的實施例揭示截止時段的一種控制方法，適用于一驅動電路。該驅動電路具有一高端驅動器以及一低端驅動器，共同驅動一功率開關。該控制方法包含有:保持該低端驅動器關閉，以該高端驅動器開啟該功率開關；使該高端與該低端驅動器均關閉，使該驅動電路進入該截止時段；于該截止時段后，保持該高端驅動器關閉，以該低端驅動器關閉該功率開關；以及，依據流經該功率開關的一流通電流，來決定該截止時段的時間長度。
[0008]本發(fā)明的實施例揭示一種控制裝置，用以驅動一功率開關。該控制裝置包含有一驅動電路、一邏輯控制單元以及一操作狀態(tài)控制器。該驅動電路包含有一高端驅動器以及一低端驅動器。該高端驅動器用以開啟該功率開關，該低端驅動器用以關閉該功率開關。該邏輯控制單元控制該驅動電路。該操作狀態(tài)控制器耦接至該邏輯控制單元。該操作狀態(tài)控制器依據該功率開關的一流通電流，來決定一截止時段的一時間長度。在該截止時段中，該高端與該低端驅動器均為關閉狀態(tài)，沒有驅動該功率開關。
【專利附圖】

【附圖說明】[0009]圖1為依據本發(fā)明所實施的一開關式電源供應器。
[0010]圖2舉例了一脈沖寬度調制器、一 BJT以及一電流檢測電阻。
[0011]圖3顯示圖2中的一些信號時序圖。
[0012]【主要元件符號說明】
[0013]10 開關式電源供應器
[0014]12 橋式整流器
[0015]14 變壓器
[0016]16 二極管
[0017]18 輸出電容
[0018]20 脈沖寬度調制器
[0019]21時鐘產生器
[0020]22電流檢測電阻
[0021]23負載
[0022]24運算放大器
[0023]26跨導器
[0024]27電流產生器
[0025]28BJT 驅動器
[0026]30高端驅動器
[0027]32低端驅動器
[0028]34邏輯控制單元
[0029]35操作狀態(tài)控制器
[0030]36、38比較器
[0031]AC交流市電
[0032]COM補償端
[0033]Ib基極電流
[0034]Ic集極電流
[0035]Id偏移電流
[0036]Ie射極電流
[0037]Ileb預設固定值
[0038]1ffset預設偏移值
[0039]Ie比例電流
[0040]PRM初級側繞組
[0041]Sclk時鐘信號[0042]SEC次級側繞組
[0043]Sh高端信號
[0044]Sl低端信號
[0045]t0> t2> t3> t4 時間點
[0046]Tdead截止時段
[0047]Tld線性驅動時段
[0048]Tleb上升邊緣遮沒時段
[0049]Toff關閉時段
[0050]Ton開啟時段
[0051]TsBJT
[0052]Vbias預設偏壓
[0053]Vcom補償電壓
[0054]Vcs電流檢測電壓
[0055]VLine直流線電源
[0056]Vout輸出電源
[0057]Vlarget目標電壓
【具體實施方式】
[0058]圖1為依據本發(fā)明所實施的一開關式電源供應器。開關式電源供應器10雖然是一返馳式電源轉換器(flyback converter),但本發(fā)明并不限于此架構。舉例來說,本發(fā)明也可以適用于降壓轉換器(buck converter)與增壓轉換器(boost converter)。
[0059]橋式整流器12將交流市電AC整流為直流線電源(line power source) VUne。串聯(lián)在直流線電源Vune與接地線GND之間的有變壓器(transformer) 14的初級側繞組PRM、BJT Ts、以及電流檢測電阻22。BJT Ts控制流經初級側繞組PRM的電流。當BJT Ts導通時，初級側繞組PRM的電流隨著時間而增加。當BJT Ts關閉時，存放在變壓器14中的電能會通過次級側繞組SEC以及二極管16，釋放到輸出電容18。輸出電容18就可以建立出輸出電源Vqut,對負載23供電。運算放大器(operational amplifier) 24依據輸出電源Vqut與預設的目標電壓Vtagrt，在補償端COM產生補償電壓νωΜ。補償電壓Vot受控于輸出電源Vtot的電壓。
[0060]電流檢測電阻22上的電流檢測電壓Vcs代表了射極電流Ie。當流經BJT Ts的集極電流I。遠大于基極電流Ib時，射極電流Ie也大約就是初級側繞組PRM與BJT Ts的流通電流。脈沖寬度調制器(pulse width modulator) 20通過電流檢測電壓Vcs,來檢測BJT Ts的流通電流。依據補償電壓Vkjm與電流檢測電壓Vcs，脈沖寬度調制器20調制BJT Ts的工作時間。工作時間的調制方式可能是大約固定開關頻率而調制BJT Ts的開啟時間或是關閉時間；也可能是大約固定開啟時間或是關閉時間，而調制BJT Ts的開關頻率。舉例來說，在一實施例中，隨著補償電壓Vot的上升，脈沖寬度調制器20使BJT Ts的開關頻率與開啟時間都增加。
[0061]圖2舉例了脈沖寬度調制器20、BJT Ts以及電流檢測電阻22。脈沖寬度調制器20中有時鐘產生器21、電流產生器27、跨導器(transconductor，又稱之為“轉導器” )26、BJT驅動器28、邏輯控制單元34、以及操作狀態(tài)控制器35。
[0062]時鐘產生器21依據補償電壓Vot的電壓值，提供周期性的時鐘信號SM，來周期性的開啟BJT Tso BJT驅動器28有高端驅動器(high-side driver) 30與低端驅動器32，一同驅動BJT Tso高端驅動器30與低端驅動器32可以提供驅動電流，分別拉高或是降低BJTTs的基極電壓?？鐚?6可以作為一信號轉換器，其依據電流檢測電壓Vcs來產生比例電流Ικ。在此實施例中，Ifgm5IiVcs,其中gm為跨導器26的跨導值(transconductance,又稱之為“轉導值”)。電流產生器27由時鐘信號Sm所觸發(fā)，提供偏移電流ID，其值隨著時間而變化，將于稍后說明。比例電流Ik與偏移電流Id—同流到高端驅動器30。邏輯控制單元34受時鐘信號Sm所觸發(fā)，周期性地以高端驅動器30使BJT Ts開啟，進入導通狀態(tài)。邏輯控制單元34以高端信號Sh來開啟或是關閉高端驅動器30，以低端信號&來開啟或是關閉低端驅動器32。
[0063]如同圖2所示，操作狀態(tài)控制器35具有兩個比較器36與38。比較器38比較補償電壓Vot與電流檢測電壓Vk ;比較器36的一輸入端接收補償電壓Vot，另一端接收電流檢測電壓Vk與一預設偏壓Vbias的合。如同先前所述，電流檢測電壓Vk代表了流經BJT 1的射極電流Ie。因此，從電流的角度來看，比較器38比較的是射極電流Ie與補償電壓Vot所代表的一電流補償值，比較器36比較的是射極電流Ie是否超過該電流補償值減去預設偏壓Vbias所代表的一預設值。
[0064]圖3顯示圖2中的一些信號時序圖。由上而下，依序分別是時鐘信號Sm、高端信號Sh、低端信號&、電流檢測電壓Vk、基極電流Ib、以及偏移電流ID。以下說明請同時參考圖2。
[0065]在時間點V時鐘信號Sm先使低端信號&為邏輯上的0，然后使高端信號Sh為邏輯上的1，如同圖3所示。換句話說，先讓低端驅動器32保持在關閉狀態(tài)，接著才以高端驅動器30開啟BJT Tso此時電流檢測電壓Vcs開始大于0，有相當?shù)碾娏髁鹘汢JT Ts，所以BJT Ts進入開啟時段T , BJT Ts進入開啟時段Tw之后開始的一段預設時段，一般稱為上升邊緣遮沒時段(leading edge blanking period) Tus,如同圖3中時間點t0到^t1所示。上升邊緣遮沒時段IYeb中，電流產生器24所產生的偏移電流Id為一相當大的預設固定值I.。高端驅動器30單單以偏移電流Id來當作驅動電流，來驅動BJT Ts。
[0066]隨著上升邊緣遮沒時段IVeb結束，從時間點h開始，偏移電流Id變成一個比較小的預設偏移值IWFSET。此時，高端驅動器30以比例電流Ik與偏移電流Id的總和，作為驅動電流來驅動BJT Ts。
[0067]在時間點t2，電流檢測電壓Vcs高過了補償電壓Vot減去預設偏壓Vbias,因此比較器36轉態(tài)，邏輯控制單元34使高端信號Sh轉態(tài)為O。高端驅動器30停止提供驅動電流給BJT Ts，所以基極電流Ib變成幾乎為O。時間點h到時間點〖2之間可以稱為線性驅動時段Tldo在此時段內，用來驅動BJT Ts的基極電流Ib是依據電流檢測電壓Vcs而產生，而且，基極電流Ib隨著電流檢測電壓Ves增高而增高。在線性驅動時段Tui內，基極電流Ib高過比例電流Ik約有固定的預設偏移值1tfset，如同圖3所示。
[0068]從時間點t2開始的一段時間，高端驅動器30與低端驅動器32都被關閉，不驅動BJT Ts，基極電流Ib幾乎為0，可以稱為截止時段Tdead，如同圖3中時間點〖2到〖3所示。在截止時段T_ 一開始，電流檢測電壓Vcs減少，反應了基極電流Ib突然的消失。之后，因為BJT Ts的基極還有殘留的電荷被BJT Ts的射極所抽走，所以電流檢測電壓Ves還是會升高。
[0069]在時間點t3，電流檢測電壓Vcs高過了補償電壓VOT，因此比較器38轉態(tài)，邏輯控制單元34使低端信號&轉態(tài)為1，并使高端信號Sh維持為O。此時，高端驅動器30被關閉，而低端驅動器32驅動BJT Ts的基極，關閉BJTTS。舉例來說，此時低端驅動器32直接將BJTTs的基極接地，所以基極電流Ib突然成為一個相當大的負值。把BJT Ts的基極電壓拉到為O后，基極電流Ib就很快的回復為O,如圖3所不。
[0070]在時間點t3到下一個開關周期開始的時間點t4中，高端信號Sh為0，低端信號為1，高端驅動器30關閉，而低端驅動器32把BJT Ts的基極接地。這一段時間可以稱為BJT Ts的關閉時段Τ_。此時，BJT Ts為完全關閉狀態(tài)，電流檢測電壓Vcs大約為0，幾乎沒有電流流過BJT Ts。
[0071]相對于關閉時段Ttw，在時間點h到t3之間的時段可以稱為BJT Ts的開啟時段Tw，有相當?shù)牧魍娏髁鹘汢JT Tso開啟時段Tm由上升邊緣遮沒時段IYeb、線性驅動時段Tld>以及截止時段Tdead所構成。
[0072]在一實施例中，預設偏壓Vbias為一固定值。在另一個實施例中，預設偏壓Vbias由補償電壓Vot所控制決定。譬如說，補償電壓Vot越高，預設偏壓Vbias就越高。
[0073]從圖2與圖3的介紹，可以得知圖2的實施例有以下優(yōu)點。
[0074]1.省電:在線性驅動時段Tui中，基極電流Ib僅僅高過比例電流Ik約有預設偏移值1tfset,而此預設偏移值1ttset可以設計的足夠維持BJT Ts處于飽和(saturate)的導通狀態(tài)就可以。換句話說，預設偏移值Iwfset不需要過大，所以圖2的BJT驅動器28可以相當?shù)氖‰姟?br> [0075]2.快速開關速度:在上升邊緣遮沒時段T.，基極電流Ib大約就是非常大的預設值I.。如此大的基極電流Ib，可以快速的將BJT Ts從關閉狀態(tài)，快速的切換到飽和的導通狀態(tài)?？焖匍_關速度也可以降低開關損耗，提高電能轉換效率。
[0076]3.精確的電流檢測:在開啟時段Tw結束的時間點t3時，因為基極電流Ib為0，所以電流檢測電壓Vcs或是射極電流I6可以比較精確的代表集極電流I。，也就是流經變壓器的初級側繞組PRM的電流。也因此，采用時間點t3時的電流檢測電壓Vcs來做電流控制，將可以獲得比較精準的結果。
[0077]4.截止時段Tdead時間長度可變:截止時段Tdead時間長度是依據電流檢測電壓Vcs以及預設偏壓Vbias而定。簡單地說，截止時段Tdead的時間長度為電流檢測電壓Vcs增加了預設偏壓Vbias所需的時間。直流線電源Vum越高，電流檢測電壓Ves的增加速度也就越快，所以截止時段Tdead越短。在一實施例中，預設偏壓Vbias隨著補償電壓Vot而變化。因為補償電壓Vcom對應的是掛在次級側的輸出電源Vmjt上的輸出負載,截止時段Tdead將會隨著輸出負載而變化。
[0078]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】
1.一種適用于一開關式電源供應器的控制方法，該開關式電源供應器包含有一電流控制元件，該控制方法包含有: 提供一驅動電流，以驅動該電流控制元件； 檢測流經該電流控制元件的一流通電流；以及 依據該流通電流，來控制該驅動電流； 其中，當該流通電流增加時,該驅動電流增加。
2.如權利要求1所述的控制方法，還包含有: 產生一比例電流，該比例電流等比例于該流通電流； 其中，該驅動電流與該比例電流相差一大致固定的偏移值。
3.如權利要求1所述的控制方法，其中，還包含有: 在該電流控制元件被開啟后的一預定時間內，使該驅動電流為一預設固定值。
4.如權利要求1所述的控制方法，還包含有: 當該流通電流超過一補償值時，使該電流控制元件完全關閉。
5.如權利要求1所述的控制方法，還包含有: 提供一時鐘信號，周期性的使該電流控制元件被開啟。
6.一種控制裝置，用以驅動一電流控制元件，包含有: 一驅動電路，用以提供一驅動電流至該電流控制元件；以及 一信號轉換器，依據流經該電流控制元件的一流通電流，來產生一控制信號； 其中，該驅動電流依據該控制信號而產生；以及 當該流通電流增加時，該控制信號與該驅動電流均增加。
7.如權利要求6所述控制裝置,其中，該信號轉換器為一跨導器(transconductor),依據一電流檢測電壓，來產生一比例電流，該電流檢測電壓比例于該流通電流。
8.如權利要求7所述控制裝置，其中，該驅動電流與該比例電流相差一大致固定的偏移值。
9.如權利要求7所述控制裝置，其中，該驅動電路包含有一高端驅動器(high-sidedriver),依據該比例電流以及一偏移電流，來產生該驅動電流。
10.如權利要求6所述控制裝置，還包含有一邏輯控制單元以及一低端驅動器(low-side driver),當該流通電流超過一補償值時,該邏輯控制單元使該低端驅動器關閉該電流控制兀件。
11.如權利要求10所述控制裝置，其中，該補償值受控于一開關式電源供應器的一電源輸出結果。
12.截止時段的一種控制方法，適用于一驅動電路，該驅動電路具有一高端驅動器以及一低端驅動器，共同驅動一功率開關，該控制方法包含有: 保持該低端驅動器關閉，以該高端驅動器開啟該功率開關； 使該高端與該低端驅動器均關閉，使該驅動電路進入該截止時段； 在該截止時段后，保持該高端驅動器關閉，以該低端驅動器關閉該功率開關；以及 依據流經該功率開關的一流通電流，來決定該截止時段的時間長度。
13.如權利要求12所述的控制方法，包含有: 當該流通電流超過一補償值時，以該低端驅動器關閉該功率開關。
14.如權利要求13所述的控制方法，包含有: 當該流通電流超過一補償值減去一預設值時，關閉該高端與該低端驅動器，使該驅動電路進入該截止時段。
15.如權利要求14所述的控制方法，包含有: 依據該補償值，決定該預設值。
16.如權利要求12所述的控制方法，其中，該控制方法系適用于一開關式電源供應器，其接收一輸入線電源，且該截止時段的該時間長度隨著該輸入線電源的升高而縮短。
17.如權利要求12所述的控制方法，其中，該截止時段的該時間長度系相關于一補償值，且該補償值受控于一開關式電源供應器的一電源輸出結果。
18.—種控制裝置，用以驅動一功率開關，包含有: 一驅動電路，包含有: 一高端驅動器，用以開啟該功率開關；以及 一低端驅動器，用以關閉該功率開關； 一邏輯控制單元，控制該驅動電路；以及 一操作狀態(tài)控制器，耦接至該邏輯控制單元，該操作狀態(tài)控制器依據該功率開關的一流通電流，來決定一截止時段 的一時間長度； 其中，在該截止時段中，該高端與該低端驅動器均為關閉狀態(tài)，沒有驅動該功率開關。
19.如權利要求18所述的控制裝置，其中，該操作狀態(tài)控制器包含有: 一比較器，用以比較該流通電流與一補償值； 當該流通電流高過該補償值后，該邏輯控制單元以該低端驅動器關閉該功率開關，結束該截止時段。
20.如權利要求18所述的控制裝置，其中，當該流通電流高過一補償值減去一預設值時，該邏輯控制單元關閉該高端與該低端驅動器，使該驅動電路進入該截止時段。
21.如權利要求20所述的控制裝置，其中，該補償值受控于一開關式電源供應器的一電源輸出結果。
22.如權利要求20所述的控制裝置，其中，該補償值受控于一開關式電源供應器的一電源輸出結果，且該預設值由該補償值來決定。
23.如權利要求18所述的控制裝置，其中，該功率開關系為一電流控制元件。
24.如權利要求18所述的控制裝置，其中，該控制裝置還包含有一時鐘裝置，周期性的使該高端驅動器開啟該功率開關。
【文檔編號】H02M3/335GK103546036SQ201210241626
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權日:2012年7月12日
【發(fā)明者】沈逸倫, 黃于蕓 申請人:通嘉科技股份有限公司