似準諧振電源控制器以及相關的控制方法

2023-06-08 12:54:46

專利名稱：似準諧振電源控制器以及相關的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電源供應器，尤其涉及一種似準諧振OiR-similar)電源控制器及相關的控制方法。
背景技術：
幾乎每個電子產品都需要有電源供應器，來將外來電源(可能是市電也可能是電池)，轉換成其中核心電路(core circuit)所需要的電源。在眾多表現中，轉換效能 (conversion efficiency)往往是電源供應器設計上所需要考慮的重點之一。準諧振(quadrature resonance, QR)電源供應器可以降低功率開關的開關損失， 在眾多的電源供應器中，其轉換效率在理論上是相對性的優良，所以為廣受歡迎的電源供應器的架構之一。圖1為一已知的QR電源供應器8。轉換器10顯示一升壓轉換器(boost converter) 10。QR電源控制器(power controller) 18切換功率開關15，來控制一次側繞組(primary winding)PRM的儲能與釋能。反饋電路20檢測輸出端OUT的電壓，產生一反饋信號Vfb於QR電源控制器(power controller) 18的反饋端FB。圖2為圖1中的一些信號波形，其中，由上而下分別是，門信號VeATE表示門端GATE 的電壓；電壓信號Vzm表示零交越檢測端(zero crossing detection node)Z⑶的電壓；電流檢測信號V。s表示電流檢測端CS的電壓；信號Vcm表示連接點CN上的電壓；以及一次側電流信號Ipem表示流經一次側繞組PRM的電流。QR電源控制器18可以依據反饋信號Vfb來控制功率開關15的開啟時間TQN，其為功率開關15表現短路的時段。至於功率開關15表現為開路時的關閉時間TQFF，則是由QR 電源控制器18檢測零交越檢測端ZCD來控制。譬如說，在零交越時間點tzm時，QR電源控制器18檢測到零交越檢測端ZCD的電壓信號Vzm下降交越過0伏特。所以，QR電源控制器18認定一次側繞組PRM以及輔助繞組AUX中的電能已經釋放完畢。再經過一段延遲時間後，QR電源控制器18就開啟功率開關15，進入下一開關周期的開啟時間TQN。—個理想的QR電源控制器18期望的是，當功率開關15被開啟的瞬間，信號Vcm可以位於一個波谷，如此可以降低功率開關15的開關損失。

發明內容
本發明實施例提供一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，具有一功率開關， 包含有記錄該功率開關的一開啟時間；依據該開啟時間，提供一預估關閉時間，該預估關閉時間大約與該開啟時間正相關(positive correlation)；以及，於該預估關閉時間過去後，開啟該功率開關。本發明實施例提供一似準諧振OlR-similar)電源控制器，包含有一似準諧振時序產生器。該似準諧振時序產生器於一功率開關由一開啟狀態切換至一關閉狀態後的一預估關閉時間後，提供一似準諧振設置信號，以開啟該功率開關。該預估關閉時間由該似準諧振時序產生器依據該功率開關的一開啟時間推算而產生，且該預估關閉時間大約與該開啟時間正相關。



15功率開關
18=QR電源控制器
20反饋電路
60似準諧振電源供應器
61似準諧振電源控制器
62時脈產生器
63電阻
64時脈時序產生器
65與門
66似準諧振時序產生器
68緩衝器
70電壓控制電流源
72放大器
74放大器
76取樣器
77電容
78比較器
82:SR正反器
84延遲器
88 比較器89 電容AUX 輔助繞組CN 連接點CS 電流檢測端fCYC:時脈頻率時脈頻率fCYC_。KS 時脈頻率fCYC_QES_MIN 最低頻率值FB 反饋端GATE:門端IN 輸入端Ipkm:—次側電流信號Iset 電流01、02:輸出OUT 輸出端PRM 一次側繞組RIN:延遲設定端Se:時脈設置信號Sdise 預估放電完畢信號Sqes 似準諧振設置信號tZCD 零交越時間點Tctc 開關周期TeTC_QKS 時脈周期Tdis 放電時間Tdise 預估放電時間Tdly 延遲時間Ton 開啟時間Tqff:關閉時間Tqffe:預估關閉時間Teng 震蕩時間Vcn 信號Vcs:電流檢測信號VFB:反饋信號VcateJ]信號Veamp 斜坡信號Veefi、Veef2、Veef3 參考電壓Vemp:信號Vsam 開啟記錄值
Vtak:放電目標值
Vthk:臨界電壓
Vzcd 電壓信號
Z⑶零交越檢測端具體實施方式
圖3放大了圖2中的信號Vcm以及一次側電流信號I ，並顯示了一些信號數值上的關係。
如同圖3所示，開關周期Tere由開啟時間Tm與關閉時間Ttw所構成。關閉時間Ttw 大致可以區分成兩部分，放電時間Tdis以及震蕩時間T-。放電時間Tdis大致指的是一次側繞組PRM的放電時間，也就是一次側電流信號Ipem從最大值放電到0所經歷的時間。當一次側繞組PRM放電完畢後，一次側繞組PRM與連接點CN上的寄生電容形成LC共振電路，所以信號VeN開始下降。一個優良的QR電源控制器應該在信號Vcm由一波峰震蕩到一波谷，所需的震蕩時間Trae後，開啟一功率開關。
從電路上可以推導得知，對於一理想的QR電源供應器而言，放電時間Tdis應該是跟開啟時間Ton成正比，震蕩時間Trae應該是跟震蕩周期成正比。所以，開關周期Tctc可以用以下公式I表示。
Tclc — Ton+Toff
— Ton+Tdis+Teing
= ToN+K^ToN+K^sqr (Lpem^Ccn)...........I
其中，Kp K2表不二常數，sqr表不開根號，Lpem表不一次繞組PRM的電感值，Ccm表示在連接點CN上的等效電容值。因此，只要能夠產生符合公式I的開關周期Tctc，一電源供應器便大致可以操作在準諧振模式。
已知技術中，一般只是以零交越時間點tzm跟一段預設的延遲時間，來決定關閉時間Ttw的結束，沒有真正的去產生或檢測放電時間Tdis以及震蕩時間T■，所以，不算是精準地操作在準諧振模式。
在本發明的一實施例顯示了一似準諧振(QR-similar)電源控制器，其沒有檢測零交越時間點tzm，便可以做到類似QR的操作模式。
圖4為依據本發明實施的一似準諧振電源供應器60，其中，與圖I相似或是相同的部分，為此技術領域具的普通技術人員可知悉，為簡潔的緣故，不再多述。與圖I不同的，似準諧振電源供應器60具有似準諧振電源控制器61，其沒有零交越檢測端ZCD，取而代之的是有延遲設定端RIN，連接到電阻63。似準諧振電源控制器61可以是一單晶片集成電路， 其可以具有接腳VCC、GND、GATE、CS、RIN以及FB。
圖5為似準諧振電源控制器61的內部電路。在反饋端FB上的反饋信號Vfb，經過緩衝器(buffer)68、電阻分壓電路以及比較器88，大致決定了電流檢測信號Ves的峰值，同時也大約的決定了開啟時間Tw。時脈產生器62則負責產生脈波信號，周期性地設置SR正反器82，決定開啟時間Tw的起點，等於決定了前次開關周期中的關閉時間T,。
時脈產生器62中主要有兩個部分似準諧振時序產生器(QR-similar timing generator) 66與時脈時序產生器(clock timing generator) 64,兩個的輸出01與02都連接到與門(AND gate)65，而與門65的輸出除了連接到SR正反器82的S端之外，也連接到時脈時序產生器64的重置(reset)端。因為與門65這樣的一個邏輯門的存在，似準諧振時序產生器(QR-similar timing generator)66所輸出的似準諧振設置信號Sqks,與時脈時序產生器64所輸出的時脈設置信號S。，兩者比較晚到者，會設置(set) SR正反器82，使圖4 中的功率開關15開啟，同時重置(reset)時脈時序產生器64。
圖6A為時脈時序產生器64。電壓控制電流源70依據反饋信號Vfb決定其電流值， 也大約決定了斜坡信號Vkamp的斜率。當斜坡信號Veamp高過參考電壓Vkefi時，比較器從輸出 01送出時脈設置信號S。。時脈時序產生器64中的重置端reset，如果為邏輯上的「1」，則電容放電，所以斜坡信號Vkamp會被重置到電壓為0V。
當時脈設置信號S。直接送到重置端reset時，時脈時序產生器64可以視為一時脈產生器，其時脈頻率fCYC-C與反饋信號Vfb的一種可能的關係，顯不於圖6B。在圖6B中， 如果反饋信號Vfb低於參考電壓Vkef2時，時脈頻率大致固定在一最低操作頻率；反饋信號Vfb高於參考電壓Vkef3時，時脈頻率fCTe_。大致固定在一最高操作頻率；反饋信號Vfb介於參考電壓Vkef3與Vkef2之間時，時脈頻率fCTC_。隨反饋信號Vfb線性變化。
圖7A為似準諧振時序產生器66。取樣器76中，放大器72的電壓增益為1，所以在其輸出端複製斜坡信號VKAMP。當門信號Vmte使功率開關15從開啟狀態切換到關閉狀態時，取樣器76取樣了斜坡信號Veamp,記錄在電容77，產生開啟記錄值VSAM。放大器74的電壓增益為K，放大開啟記錄值Vsam，在輸出端產生放電目標值Vtak ( = K*Vsam)。比較器78在斜坡信號Veamp高過放電目標值Vtak時，觸發預估放電完畢信號Sdise。斜坡信號Veamp從OV爬升到開啟記錄值Vsam時,耗費了開啟時間T,斜坡信號Veamp從開啟記錄值Vsam爬升到放電目標值Vtak，所需要的預估放電時間Tdise，可以用以下公式表示。
Tdise — (Vtar-Vsam) /Vsam^Ton
= (K-I) *Ton .............II
所以，取樣器76、放大器74、與比較器78—起可以視為一放電時序產生器，在預估放電時間Tdise後，觸發預估放電完畢信號Sdise。如公式II所示，預估放電時間Tdise等比例於開啟時間I*。
延遲器(delaydevice)84 內部提供一延遲時間 TDIjY。延遲器(delay device)84 接收到預估放電完畢信號Sdise,經過延遲時間Tdw後，就送出似準諧振設置信號SQKS。延遲時間Tdw可以通過延遲設定端RIN接一電阻63來設定。
如果似準諧振設置信號Sqks直接送到時脈時序產生器64重置端reset，時脈時序產生器64以及似準諧振時序產生器66 —起可以視為一時脈產生器，其時脈頻率fCTC_QKS與反饋信號Vfb的一種可能的關係，顯示於圖6B。反饋信號Vfb越高，開啟時間Tm越久，預估放電時間Tdise也越久，所以時脈頻率feTC_QKS就越小。時脈頻率fCTe_QKS相對應的時脈周期TCTe_QKS 可以用以下公式III表示。
Tcyc_qES — Ton+Toffe
— Ton+Tdise+Tdly
= Ton+(K-I) *T0N+Tdly ................HI
其中，在此實施例中，預估關閉時間Tcwe可以是延遲時間Tdw與預估放電時間Tdise 的和，與開啟時間Tm為正相關。也就是說，開啟時間Tw越長，預估關閉時間Twfe就越長。只要適當的設計K以及延遲時間TD ，公式III就會等於公式I。換言之，似準諧振時序產生器66可以產生類似準諧振所需要的時序。必要時，可以在似準諧振時序產生器66中提供一個裝置(未顯示)，限制時脈頻率 fCYC-QES的最低值。也就是，時脈頻率fm-m不可以低於一預定的最低頻率值 ·。Υ。-< -ΜΙΝ。因為與門65的限制，所以圖5的時脈產生器62，在反饋信號Vfb所對應產生的時脈頻率f。Y。，會是圖7B的時脈頻率fCTe_QKS與圖6B的時脈頻率feTC_e，兩者比較低的那一個， 如同圖8所示。當反饋信號Vfb偏高時，時脈產生器62所產生的時序就會類似準諧振模式所需要的時序。圖9為延遲器(delay device) 84，其可以對輸入端IN所接收的預估放電完畢信號 、SE，提供延遲時間TD 。在一實施例中，圖4中的似準諧振電源控制器61以一單晶片的集成電路實現，而通過延遲設定端RIN外接的電阻63的電阻值，可以決定電流Iset，也相對地決定延遲時間TmY。圖9中的延遲器84的操作原理可由本領域的普通技術人員所推知，故不再重述。圖10為圖5、圖7A、以及圖9中的一些信號波形，其中，信號V胃為圖9中，電容89 上的電壓信號。V·為一預設的臨界電壓。圖10的信號波形的相對關係，可由圖5、圖7A、 以及圖9的電路所了解或是推知，為簡潔的緣故，不再重述。雖然以上以升壓器作為實施例，但是本發明不限於此，本發明也可實施於降壓器 (buck converter)、反激式轉換器(flyhck converter)等其他種類的轉換器。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍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
1.一種控制方法，適用於一開關式電源供應器，具有一功率開關，包含有 記錄該功率開關的一開啟時間；依據該開啟時間，提供一預估關閉時間，該預估關閉時間與該開啟時間正相關 (positive correlation)；以及於該預估關閉時間過去後，開啟該功率開關。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其中，記錄該開啟時間的步驟包含有 提供一斜坡信號(ramp signal)；以及記錄於該斜坡信號於該功率開關由一開啟狀態切換至一關閉狀態時的一開啟記錄值。
3.根據權利要求2所述的控制方法，其中還包含有以一預定的倍數，放大該開啟記錄值，作為一放電目標值；以及比較該斜坡信號與該放電目標值；以及當該斜坡信號高於該放電目標值時，觸發一預估放電完畢信號。
4.根據權利要求2所述的控制方法，其中包含有 於該預估關閉時間過去後，提供一第一設置信號； 比較該斜坡信號以及一參考電壓；當該斜坡信號高於該參考電壓時，產生一第二設置信號；以及以該第一與第二設置信號中，比較晚到的，來開啟該功率開關。
5.根據權利要求1所述的控制方法，其中，提供該預估關閉時間的該步驟，包含有 依據該開啟時間，產生一預估放電時間，該預估放電時間與該開啟時間成正比；提供一延遲時間；以及於該預估放電時間以及該延遲時間之後，開啟該功率開關。
6.根據權利要求5所述的控制方法，其中包含有 於該預估放電時間後，觸發一預估放電完畢信號；以及於該預估放電完畢信號被觸發後的該延遲時間後，提供一似準諧振設置(set)信號， 以開啟該功率開關。
7.根據權利要求1所述的控制方法，其中包含有 於該預估關閉時間過去後，提供一似準諧振設置信號； 依據一反饋信號，產生一時脈設置信號；以及以該似準諧振與時脈設置信號中，比較晚到的，來開啟該功率開關。
8.一種似準諧振OlR-similar)電源控制器，包含有一似準諧振時序產生器OlR-similar timing generator)，於一功率開關由一開啟狀態切換至一關閉狀態後的一預估關閉時間，提供一似準諧振設置信號，以開啟該功率開關；其中，該預估關閉時間由該似準諧振時序產生器依據該功率開關的一開啟時間推算而產生，且該預估關閉時間與該開啟時間正相關(positive correlation)。
9.根據權利要求8所述的似準諧振電源控制器，其中包含有 一時脈產生器(clock generator),包含有該似準諧振時序產生器； 一時脈時序產生器，提供一時脈設置信號；以及一邏輯門，以該時脈設置信號以及該似準諧振設置信號中，比較晚到的作為一設置信號，來開啟該功率開關。
10.根據權利要求8所述的似準諧振電源控制器，其中，該似準諧振時序產生器包含有一放電時序產生器，於該開啟時間後的一預估放電時間後，觸發一預估放電完畢信號；以及一延遲器，接收該預估放電完畢信號，提供一延遲時間後，以觸發一似準諧振設置信號；其中，該預估放電時間等比例於該開啟時間。
11.根據權利要求8所述的似準諧振電源控制器，其中，該似準諧振時序產生器包含有一取樣器，於該功率開關由一開啟狀態切換至一關閉狀態時，取樣一斜坡信號，以產生一開啟記錄值。
12.根據權利要求11所述的似準諧振電源控制器，其中，該似準諧振時序產生器包含有一放大器，將該開啟記錄值放大，產生一放電目標值。
13.根據權利要求12所述的似準諧振電源控制器，其中，該似準諧振時序產生器包含有一比較器，比較該斜坡信號與該放電目標值，以產生一預估放電完畢信號。
14.根據權利要求8所述的似準諧振電源控制器，其中包含有一延遲器，接收一預估放電完畢信號，於一延遲時間後，以觸發該似準諧振設置信號； 其中，該似準諧振電源控制器形成於一單晶片集成電路，其具有一外接接腳，該延遲器通過該外接接腳，連接一延遲設定電阻。
全文摘要
一種似準諧振(QR-similar)電源控制器以及相關的控制方法。一種控制方法適用於一開關式電源供應器，具有一功率開關，包含有記錄該功率開關的一開啟時間；依據該開啟時間，提供一預估關閉時間，該預估關閉時間大約與該開啟時間正相關；以及，於該預估關閉時間過去後，開啟該功率開關。
文檔編號H02M1/08GK102545545SQ201110145759
公開日2012年7月4日 申請日期2011年6月1日 優先權日2011年1月3日
發明者徐志學, 林建良 申請人:芯瑞科技股份有限公司