電源控制電路以及方法
2023-09-10 17:15:40 3
專利名稱：電源控制電路以及方法
技術領域：
本發明涉及電源供應器與相關的控制方法，特別涉及操作於輕載或無載時的電源供應器與控制方法。
背景技術：
電源供應器用來轉換電源，以提供符合規格的電源給電子裝置或是元件。為了轉換效率的考量，電源供應器本身所消耗的能量應該是越小越好。尤其是輕載或是無載時，電源供應器一點點的能量消耗，就會大幅降低轉換效率。因此，在輕載或是無載時降低電源供應器的能量損耗，是設計者追求的目標。在輕載或是無載時，開關模式電源供應器(switched mode power supply)有設計在操作於跳躍模式(Skip mode)或是突變模式(burst mode)。以圖1的反激式(flyback) 電源供應器60為例，電源管理器(power management controller) 74控制功率開關72，使變壓器65從輸入電源AC儲能或是對輸出電源釋能。補償信號Sot，透過LT431與光耦合器 (photo coupler) 63所構成的反饋路徑，受控於輸出電源的電壓VQUT。圖2顯示電源管理器 7 的內部電路示意圖，可適用於圖1中。當突變信號為使能時，脈衝產生器86所產生的脈衝信號Sm，透過邏輯控制器62，周期性地開啟功率開關72，所以稱之為開關狀態。而功率開關72的開啟時間則由限制信號、< 與比較器82所控制。限制信號Scs+由電平移動器(level shifter)67所產生，可以視為等效於補償信號SOT。電阻61提供一供電路徑，以電源Vcc供電來產生補償信號SOT。當補償信號Sot低於突變參考電壓VBST_KEF時，比較器84 便禁止(disassert)突變信號，使脈衝信號SaK無法開啟功率開關72，維持在不開關狀態(non-switching state)。圖3為圖2顯示的電源管理器7 操作在輕載或是無載時，所可能產生的脈衝信號SaK、信號Ve與電流檢測信號V。s的波形。隨著補償信號Sot的波動，在一個或連續幾個開關周期中，電源管理器7 控制信號Ve使功率開關72導通，然後在後續的一個或連續幾個開關周期，維持功率開關72關閉。這便是所謂跳躍模式或是突變模式。 以下統稱為突變模式。概念上，突變模式都是致力於停止連續幾次大致無效的開關周期，而把能量轉換集中在連續幾次比較有效的開關周期。但是，如果沒有適當地控制有效的開關周期中的能量轉換，突變模式很容易發生令人不悅的音頻噪聲(audio noise) 0舉例來說，如果圖3中的群組周期Te，也就是維持在開關狀態(switching state)的時段Tb與維持在不開關狀態 (non-switching state)的時段Ts總和，所對應的群組頻率fe，落入音頻的範圍的話，就會容易產生令人不悅的音頻噪聲。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種電源控制電路以及方法，以降低輕載或是無載時的能量損耗，並降低音頻噪聲。本發明的實施例提供一種電源控制電路，適用於一電源供應器。該電源控制電路包含一脈衝產生器以及一相位控制器。該脈衝產生器提供一脈衝信號。該相位控制器檢測一群組參考信號以及一突變起始信號的相位，以產生一突變信號，並使該突變信號的該相位，不早於該群組參考信號的該相位。該突變信號切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一。該群組參考信號依據該脈衝信號而產生，其頻率低於該脈衝信號。該突變起始信號受控於該電源供應器的一輸出電源。本發明的實施例提供一電源控制方法，適用於一電源供應器。首先提供一脈衝信號；依據該脈衝信號，產生一群組參考信號，其中，該群組參考信號的頻率低於該脈衝信號的頻率；提供一補償信號，其受控於該電源供應器的一輸出電源；依據該補償信號，產生一突變起始信號；檢測該群組參考信號以及該突變起始信號的相位；依據該群組參考信號以及該突變起始信號，產生一突變信號，且使該突變信號的該相位，不早於該群組參考信號的該相位；以及，依據該突變信號，切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之
ο本發明的電源控制電路以及方法可降低輕載或是無載時的能量損耗，並降低音頻噪聲。
圖1顯示一反激式電源供應器。 圖2顯示一電源管理器的內部電路。
圖3為圖2顯示電源管理器所可能產生的脈衝信號Sm、信號Ve與電流檢測信號 J波形。
圖4為依據本發明實施的一電源管理器。 圖5例示圖4中的相位控制器與峰值固定器的內部電路。 圖6顯示圖4的電源管理器在負載的變化下，所可能產生的信號波形。 圖7為依據本發明實施的一電源管理器。 圖8顯示圖7中脈衝產生器的信號波形。 圖9為依據本發明實施的一電源管理器。 圖10則顯示了圖9中的補償迴路控制器。 圖11、12為依據本發明實施的二個電源管理器。 圖13例示圖12中的相位控制器。 其中，附圖標記說明如下 22相位比較器
頻率限定器壓抑信號產生器降頻器 SR正反器反向器電源供應器
24 26 28 38
42、44 60
61電阻 62
邏輯控制器
5
63光華禹合器
64相位控制器
65變壓器
66峰值固定器
67電平移動器
68脫離比較器
69補償迴路控制器
70相位控制器
72功率開關
74、74a、74b、74c、74d、電源管理器
74e,74f
82比較器
84比較器
86、86a脈衝產生器
AC輸入電源
Sbst突變信號
§bst-I 麗突變起始信號
Sclk脈衝信號
Scom補償信號
Scomsel輸入信號
Scs-l限制信號
Sdps壓抑信號
Sext脫離信號
Sfeee釋放信號
Sr重置信號
Ssclk群組參考信號
Sstd等待信號
t」 ^4λ ^5時間
Tb時段
Tg、Tqi、T02群組周期
Ts時段
Vbst-ref突變參考電壓
Vcc電源
Vcs電流檢測信號
Vdps-ref參考電壓
Vext-REF脫離參考電壓
Vg信號
V〇UT電壓
VRMP三角波信號
具體實施例方式本說明書以反激式開關模式電源供應器(converter)作為實施例來介紹本發明， 但本發明並不限於實施於反激式，也可適用於升壓式(boost)、降壓式(buck)、或是其他形式的架構。圖4為依據本發明實施的電源管理器74b，可適用於圖1中的電源供應器60。電源管理器74b可以限制群組頻率fe，使其不大於一特定值。舉例來說，群組頻率fe不會大於 IkHz0如此，群組頻率fe的諧振頻率(harmonic frequencies)，在5kHz至15kHz的音頻敏感範圍內，其強度可以比較低，比較可能降低音頻噪聲的產生。從比較圖4與圖2可知，圖4中增加了相位控制器64、峰值固定器66、以及脫離比較器68。至於其他元件為可為業界人士所推知，在此不再累述。相位控制器64有三個輸入端，分別接收脈衝產生器86所產生的脈衝信號SM、比較器84所產生的突變起始信號SBST_INN、以及脫離比較器68所提供的脫離信號Sext，而產生突變信號Sbst以及壓抑信號SDPS。當突變起始信號Sbst_innR換時，雖然意味著電源供應器60 應該切換不開關狀態或是開關狀態，但是，相位控制器64不一定會馬上將突變信號Sbst轉換，而是會視突變起始信號SBST_Iffl與群組參考信號的相位發生的早晚來反應。此外， 在某些狀況下，相位控制器64可使能壓抑信號Sps，透過峰值固定器66使電流檢測信號Vcs 的峰值大約為一定值，不隨補償信號Sot而變化。稍後將以電路的實施例，說明相位控制器 64與峰值固定器66的動作。圖5例示圖4中的相位控制器64與峰值固定器66的內部電路。相位控制器64有降頻器觀、壓抑信號產生器26、以及頻率限定器對。降頻器28 依據脈衝信號Sm，產生一個頻率比較低的群組參考信號SSM。舉例來說，脈衝信號Sm的頻率為25kHz時，群組參考信號Ssm為1kHz。壓抑信號產生器沈在釋放信號Sfkee或脫離信號Sext為使能時，禁止壓抑信號&PS。頻率限定器M使突變信號的頻率，不高於群組參考信號的頻率。頻率限定器M中有相位比較器22，其比較群組參考信號與突變起始信號&ST_Iffl的相位。在圖5中，相位比較器22比較群組參考信號與突變起始信號&ST_INN的上升緣的發生時間。如果群組參考信號的上升緣比較早發生，釋放信號Sfkee被使能；相反的，如果突變起始信號&ST-INN的上升緣比較早發生，等待信號被使能。圖6顯示圖4的電源管理器74b中在負載的變化下，所可能產生的信號波形，用以解釋圖5中的電路操作。由上到下，圖6的信號波形分別為電流檢測信號V。s、脈衝信號SM、 群組參考信號、補償信號Sot、突變起始信號SBST_Iffl、釋放信號Sfkee、等待信號、重置信號&、壓抑信號^ips、以及突變信號&ST。業界的人士可由圖6中假設的補償信號Sot波形，參照從圖1、圖4以及圖5中的電路，來大略推知其他的信號波形。從時間tl到t3的群組周期Tei中可以發現，雖然在時間t2時補償信號Scqm已經回升高過了突變參考電壓％ ，但是突變信號Sbst的上升緣並沒有出現，電源供應器60還是保持在不開關狀態，直到時間t3，群組參考信號的上升緣出現為止。此時的群組頻率 (群組周期Tei的倒數)等於群組參考信號的頻率。從時間t3到t5的群組周期Te2中也可以發現，因為釋放信號Sfkee的上升緣早在時間t4時就出現了，所以在時間t5，在補償信號Sot回升高過了突變參考電壓，就立刻產生突變信號的上升緣。此時的群組頻率(群組周期Te2的倒數)低於群組參考信號的頻率。所以，從群組周期Tei與Te2中可以結論，突變信號的上升緣不會早於群組參考信號Seiz的上升緣出現。因此，突變信號Sbst所對應的群組頻率，不會高於群組參考信號 Ssclk的頻率。在時間、、、都可以發現，雖然電源供應器60已經轉成開關狀態，但是在之後的數個開關周期內，電流檢測信號v。s的峰值都是一定值，並不會隨補償信號Sot而改變。這是因為每次突變信號被使能時，意味著重置信號&被使能，進而禁止釋放信號Sfkee、使能壓抑信號Sdps、使電平移動器(level shifter) 67的輸入信號Sraisa固定為參考電壓VDPS_KEF。 在時間t4，釋放信號Sfkee被使能，所以峰值固定器66使補償信號Sot作為輸入信號SOTSa， 電流檢測信號V。s的峰值開始隨補償信號Sot而變化。從圖4可知，如果補償信號Sot高於脫離參考電壓VEXT_KEF時，意味著負載需要大功率，電源供應器60應當立即進入開關狀態。舉例來說，突變參考電壓VBST_KEF為2V，而脫離參考電壓為VEXT_KEF為3V。從圖5中也可以發現，當脫離信號Sext被使能時，突變信號會立即被使能，且峰值固定器66會立即使補償信號Sot作為輸入信號SroM^。圖7為依據本發明實施的電源管理器7 ，可適用於圖1中的電源供應器60。圖7 與圖4類似，差異點在於圖7的脈衝產生器86a接收突變起始信號SBST_Iffl。脈衝產生器86a 所產生的脈衝信號Sm的頻率，會隨著突變起始信號SBST_Iffl的轉換而改變。圖8顯示圖7 的脈衝產生器86a中的信號波形。如圖8所示，當突變起始信號SBST_INN為使能時，脈衝信號 Sclk的正常頻率高於當突變起始信號&ST_INN為禁止時脈衝信號Sm的減速頻率。這樣脈衝頻率的改變，可以透過變更三角波信號V胃的斜率來達成，如圖8所示，在另一個實施例中， 脈衝產生器所產生的脈衝信號Sm的頻率，會隨著突變信號Sbst的轉換而改變。如此的設計可能有以下好處第一是省電，在不開關狀態時，比較慢的脈衝可以節省更多的電源；第二是降低音頻噪聲，因為突變模式下，群組參考信號的頻率可能不是個定值，而是視突變起始信號&ST-INN或是突變信號Sbst被禁止時間而定。因此，所產生的群組頻率可能會抖動， 在頻譜上，可能有打散音頻能量的效果。圖9為依據本發明實施的電源管理器74d，可適用於圖1中的電源供應器60。圖9 與圖4類似，差異點在於圖9的電阻61到電源Vcc之間多了個補償迴路控制器69。圖10 則顯示了圖9中的補償迴路控制器69。當突變起始信號被使能時，開關32為短路。 短路的開關32形成一供電路徑，提供補償信號Sot所需的電源Vcc。當突變起始信號
被禁止，電源供應器60操作於不開關狀態時，除法器30每四個開關周期，才在一開關周期中在脈衝信號SaK為使能時段，使開關32為短路，其餘時間都維持開路。如此，可以在不開關狀態時，節省更多的電能。圖11為依據本發明實施的電源管理器74e，其整合了圖4、7、以及9中的部份電路。圖11的電路操作，可以參照先前對於圖4、7、以及9的電路與解釋而推知，在此不再累述。圖12為依據本發明實施的電源管理器74f，可適用於圖1中的電源供應器60。圖 13例示圖12中的相位控制器70的內部電路。圖4、7、9、以及11中的相位控制器64比較的是群組參考信號與突變起始信號&ST-INN的上升緣，圖13中的相位控制器70，其有反向器(irwerter)42、44，則比較群組參考信號與突變起始信號&ST_INN的下降緣。相位控制器70會使得突變信號的兩個連續下降之間的群組周期，所對應的群組頻率，不高於群組參考信號的頻率。 以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種電源控制電路，適用於一電源供應器，包含 一脈衝產生器，用以提供一脈衝信號；以及一相位控制器，用以檢測一群組參考信號以及一突變起始信號的相位，以產生一突變信號，以使該突變信號的該相位，不早於該群組參考信號的該相位，其中，該突變信號切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一； 其中，該群組參考信號依據該脈衝信號而產生，其頻率低於該脈衝信號；以及該突變起始信號受控於該電源供應器的一輸出電源。
2.如權利要求1所述的電源控制電路，其特徵在於，該突變起始信號依據一補償信號而產生，該補償信號受控於該電源供應器的一輸出電源。
3.如權利要求2所述的電源控制電路，其特徵在於，該電源控制電路進一步包含一能量固定器，當該電源供應器開始由該不開關狀態轉換為該開關狀態後的一段時間內，維持該電源供應器隨該脈衝信號，輸出一固定的功率。
4.如權利要求3所述的電源控制電路，其特徵在於，進一步包含一脫離比較器，檢測該補償信號，當該補償信號超過一預設值時，使能一脫離信號，該脫離信號強制使該電源供應器操作於該開關狀態，並使該電源供應器所輸出的功率隨該補償信號而變化。
5.如權利要求1所述的電源控制電路，其特徵在於，在該不開關狀態時，該脈衝信號具有一正常頻率，在該不開關狀態時，該脈衝信號具有一低於該正常頻率的減速頻率。
6.如權利要求2所述的電源控制電路，其特徵在於，該電源控制電路進一步包含 一補償迴路控制器，當該電源供應器操作於該不開關狀態，周期性地切斷/連接一供電路徑，該供電路徑提供該補償信號的一電源。
7.一種電源控制方法，適用於一電源供應器，包含 提供一脈衝信號；依據該脈衝信號，產生一群組參考信號，其中，該群組參考信號的頻率低於該脈衝信號的頻率；提供一補償信號，其受控於該電源供應器的一輸出電源；依據該補償信號，產生一突變起始信號；檢測該群組參考信號以及該突變起始信號的相位；依據該群組參考信號以及該突變起始信號，產生一突變信號，且使該突變信號的該相位，不早於該群組參考信號的該相位；以及依據該突變信號，切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一。
8.如權利要求7所述的電源控制方法，其特徵在於，進一步包含當該電源供應器開始由該不開關狀態轉換為一開關狀態後的一段時間內，維持該電源供應器隨該脈衝信號，輸出一固定的功率。
9.如權利要求7所述的電源控制方法，其特徵在於，進一步包含當該補償信號超過一預設值時，強制使該電源供應器操作於該開關狀態，並使該電源供應器所輸出的功率隨該補償信號而變化。
10.如權利要求7所述的電源控制方法，其特徵在於，進一步包含當該電源供應器操作於該不開關狀態時，降低該脈衝信號的頻率。
11.如權利要求7所述的電源控制方法，其特徵在於，進一步包含 當該電源供應器操作於該不開關狀態時，周期性的切斷/連接一供電路徑，該供電路徑為該補償信號提供一電源。
全文摘要
本發明公開了一種電源控制電路以及方法，適用於一開關模式電源供應器。該電源控制電路包含一脈衝產生器以及一相位控制器。該脈衝產生器提供一脈衝信號。該相位控制器檢測一群組參考信號以及一突變起始信號的相位，以產生一突變信號，並使該突變信號的該相位，不早於該群組參考信號的該相位。該突變信號可切換該電源供應器處於一不開關狀態與一開關狀態其中之一。該群組參考信號依據該脈衝信號而產生，其頻率低於該脈衝信號。該突變起始信號受控於該電源供應器的一輸出電源。
文檔編號H02M1/00GK102570776SQ201110314709
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月17日 優先權日2010年12月28日
發明者葉文中 申請人:通嘉科技股份有限公司