专利名称：用于电源转换器的省能控制器及省能方法
技术领域：
本发明涉及一种电源转换器，特别是涉及一种电源转换器的控制器。
背景技术：
对于现代人来说，移动电话变得越来越重要。然而，大多数移动电话的电源转换器，通常称为充电器，在充电完成后没有自墙壁电源插座(wall outlet)上移除。根据统计，一个移动装置所消耗的电力的三分之二是在无负载状态下被浪费掉。这会增加不必要的温室气体排放以及化石燃料消耗。近来，世界前五大移动电话制造商自发地签署Charger Star Rating SystemAgreement.充电器将被标记上星级，此星级开始于评价出在无负载状态下待机功率消耗大于0.5W的零星级，而结束于在无负载状态下其待机功率消耗低于0.03W (30mW)的五星级。
发明内容
因此，此产业期望提出一种电源转换器，其能符合最严格的省能标准。本发明提供一种用于电源转换器的省能控制器。此控制器包括延迟电路、检测电路、输出电路、计数器电路、唤醒电路以及脉宽调制电路。延迟电路决定延迟时间。当电源转换器的输出负载低于轻负载阈值时，检测电路驱动延迟电路。在延迟时间结束后，输出电路生成省能信号以终止电源转换器的调节。一旦在电源转换器的调节正被终止的期间内输出负载增加，电源转换器的调节将恢复。计数器电路耦接延迟电路，且被延迟电路来计数以决定睡眠周期。在睡眠周期结束之后，输出电路生成省能信号以终止电源转换器的调节。脉宽调制电路耦接检测电路，且生成用于调节电源转换器的切换信号。输出负载藉由检测与电源转换器的输出相关联的反馈信号而被测得。当反馈信号变为高于回复阈值时，检测电路禁用省能信号。当电源转换器的多个切换脉冲的计数数量超过预定脉冲数量时，检测电路禁用省能信号。当电源转换器的调节终止时，电源转换器的输出电压以及控制器的供应电压下降。唤醒电路耦接脉宽调制电路以及检测电路，以避免控制器的供应电压下降至低于关机阈值。本发明提供一种用于电源转换器的省能方法。此方法包括:控制器以突冲方式在第一时区内启用至少一第一驱动脉冲群，以维持电源转换器的控制器的供应电压在大致固定的调节水平；当控制器的反馈信号低于突冲阈值时，决定模式周期；当模式周期超过睡眠周期时，禁用第一驱动脉冲群；当控制器的供应电压达唤醒阈值时，控制器以上述突冲方式在第二时区内启用至少一第二驱动脉冲群，以将控制器的供应电压拉回调节水平，其中，在第二时区内，电源转换器可响应负载变化；以及当电源转换器的输出电流出现时，以连续方式在第三时区内启用第三驱动脉冲群。
图1表不根据本发明电源转换器的一实施例；
图2表不根据本发明控制器的一实施例；图3表示反馈信号对应切换信号的切换频率的曲线；图4表示根据本发明一实施例的省能法则的流程图；图5A表不根据本发明控制器中的省能电路的一实施例；图5B表示根据本发明控制器中的省能电路的另一实施例；图6表示当电源转换器由突冲切换模式进入深突冲切换模式时，切换信号、反馈信号以及供应电压的波形图；图7表示当电源转换器由深突冲切换模式进入常规切换模式时，切换信号、反馈信号以及供应电压的波形图；以及图8表示根据本发明一实施例的用于电源转换器的省能方法的流程图。附图符号说明图1:5 变压器；7 次级侧整流器；8 输出电容器；10 功率开关；12 电流感测电阻器；20 电容器；31 初级侧整流器；32 供应电容器；33 电阻器；34 基纳二极管；35 光稱合器；100 控制器；CS 电流感测端；FB 反馈端；GND 接地端；I。 输出电流；Ip 切换电流；Na 辅助线圈；Np 初级侧线圈；Ns 次级侧线圈；OUT 输出端；Sw 切换信号；Vcs 电流感测信号；Vfb 反馈信号；V。 输出电压；VDD 电源供应端；图2:
51 脉宽调制电路；52 省能电路；53 唤醒电路；55 开关；56 电阻装置；531 第一电阻器；532 开关；533 第二电阻器；535 比较器；100 控制器；CS 电流感测端；FB 反馈端；OUT 输出端；Sps 省能信号；Vcc 电源电压；Vdd 供应电压；Vfb 反馈信号；Vwk 唤醒阈值；VDD 电源供应端；图3:Vfb 反馈信号；fSff 切换频率；Vclp 箝制水平；Voz 第一突冲阈值；Voze 第二突冲阈值；Vkec 回复阈值；Vsi 起始阈值；Vs2 停止阈值；Vtgi 第一绿能阈值；Vtg2 第二绿能阈值；Vtgx 调节值；图4:Sw 切换信号；Vdd 供应电压；Vfb 反馈信号；Voz 第一突冲阈值；Vozk 第二突冲阈值；Vkec 回复阈值；Vwk 唤醒阈值；
图5A-图 5B:501、504 与非门；502、503 触发器；505 反相器；511、512 触发器；513 与非门；514 反相器；521 检测电路；522 延迟电路；523 计数器电路；524、525 比较器；526 脉冲计数器；527 或非门；Sen 启用信号；Sps 省能信号；Spsjffic 回复信号；Sw 切换信号；Vcc 电源电压；Vfb 反馈信号；Vkec 回复阈值；Veti 第一返回信号；Vet2 第二返回信号；Vqz 第一突冲阈值；Vqzk 第二突冲阈值；图6-图 7:L1、L2 水平；Pl 第一时区；P2 第二时区；P3 第三时区；Sps 省能信号；Sw 切换信号；tdl、td2 停滞时间；Vap 箝制水平；Vdd 供应电压；Vdk 调节值；Vfb 反馈信号；Vqz 第一突冲阈值；Vqzk 第二突冲阈值；Vsi 起始阈值；
Vs2 停止阈值；Vtcx 调节值；Vuv 电压过低锁定(UVLO)电压；Vwk 唤醒阈值；图8:5801.4805 步骤。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结合附图详细说明如下。为了减少待机输入功率消耗，在现有技术中提出了绿能/突冲模式。然而，对于在待机功率消耗与动态响应之间的最佳化而言，待机(无负载状态)进入/离开条件更为重要。本发明提供一种关于待机进入/离开条件的法则，以实现在待机模式下mW等级的功率消耗。图1是表示具有省能装置的电源转换器。电源转换器包括控制器100、变压器5、功率开关10、电流感测电阻器12、初级侧整流器31、供应电容器32、次级侧整流器7、输出电容器8以及反馈电路。变压器5具有初级侧线圈NP、次级侧线圈Ns以及辅助线圈Na。控制器100包括电源供应端VDD、输出端OUT、电流感测端CS、反馈端FB以及接地端GND。图2是表示电源转换器的控制器100的一实施例。控制器100包括脉宽调制(pulse width modulation，PWM)电路51、省能电路52、唤醒电路53、电阻装置56以及开关55。参阅图1与图2，反馈电路包括电阻器33、基纳二极管34、光耦合器35、电容器20以及唤醒电路53。电阻器33与基纳二极管34串联于电源转换器的输出与光I禹合器35的输入之间。光耦合器35的输出耦接控制器100的反馈端FB。电容器20耦接于控制器100的反馈端FB与考接地之间，用于频率补偿。唤醒电路53上拉反馈端FB的反馈信号VFB。反馈信号Vfb表不电源转换器的输出负载。唤醒电路53包括第一电阻器531、第二电阻器533、开关532以及比较器535。第一电阻器531的第一端接收电源电压V。。。第一电阻器531的第二端耦接控制器100的反馈端FB。开关532以及第二电阻器533串联于第一电阻器531的第一端与第二端之间。开关532受控于比较器535的输出。比较器535的正端接收唤醒阈值比较器535的负端供应有控制器100的电源供应端VDD上的供应电压VDD。当供应电压Vdd大于唤醒阈值Vwk时，唤醒电路53的电阻将等于电阻器531的电阻。当供应电压Vdd小于唤醒阈值Vwk时，唤醒电路53的电阻将等于电阻器531与电阻器533的并联电阻。唤醒电路53实质上是一个由供应电压Vdd所控制的电阻调变电路。唤醒电路53耦接脉宽调制电路51以及省能电路52，以避免控制器100的供应电压Vdd下降至低于电压过低锁定(under voltage lock out, UVL0)电压Vuv,其中，电压过低锁定也是控制器100的关机(shut-down)阈值。脉宽调制电路51生成切换信号Sw，以切换变压器5并根据反馈信号Vfb以及电流感测信号Vcs来调节电源转换器的输出电压\以及输出电流脉宽调制电路51的操作为本领域的技术人员所知悉，因此将于下文中省略叙述。电流感测信号Vk是根据切换电流Ip而跨越电流感测电阻器12所生成的。反馈电路也耦接电源转换器的输出电压以生成反馈信号VFB。省能电路52接收反馈信号Vfb以及切换信号Sw，以生成省能信号Sps。与电阻装置56所串联耦接的开关55根据省能信号Sps来控制反馈信号VFB。图3是表示反馈信号Vfb对应切换信号Sw的切换频率fsw的曲线。当电源转换器操作在常规切换模式时，反馈信号Vfb大于第一绿能阈值VTC1，且切换信号Sw的切换频率fsw为第一频率，例如65kHz。当负载减少且反馈信号Vfb下降低于第一绿能阈值Vtci时，切换信号Sw的切换频率fsw将开始线性地减少。当反馈信号Vfb下降低于第二绿能阈值Vtc2时，切换信号Sw的切换频率fsw的线性减少将结束，且维持在第二频率，例如23kHz。随着负载减小，例如，反馈信号Vfb下降低于第一突冲阈值Vra时，切换信号Sw将被禁用。当反馈信号Vfb变为大于第二突冲阈值V.时,切换信号再次被启用。在本发明一实施例中，阈值V 、VQZK、Vtc2、与 Vtci 的水平分别为 2V、2.1V、2.3V、与 2.8V。图4表示根据本发明一实施例的省能法则的流程图。此法则包括三个操作模式:常规切换模式、突冲切换模式，深突冲切换模式。线性频率减少模式(绿能模式)将在此文中省略，以简化说明。当负载减少至一相对轻水平时，电源转换器将由常规切换模式进入突冲切换模式。当反馈信号Vfb下降低于第一突冲阈值Vra的预定模式周期维持长于睡眠周期K时，电源转换器将进入深突冲切换模式。否则，电源转换器将仍操作在突冲模式。一旦反馈信号Vfb持续减少且低于回复阈值VKE。(回复阈值VKE。低于第二突冲阈值U时，电源转换器将操作在深突冲切换模式。当反馈信号Vfb变为高于回复阈值VKE。时，电源转换器将根据其负载状态而返回突冲切换模式或常规切换模式。当负载状态较为轻时，电源转换器将返回至突冲切换模式，如路径(a)所示。当负载状态较为重时，电源转换器将返回至常规切换模式，如路径(b)所示。当供应电压Vdd仍高于唤醒阈值Vwk时，电源转换器将处于深突冲切换模式。一旦反馈信号Vfb低于第二突冲阈值V.,电源转换器将处于深突冲模式。否则,一旦反馈信号Vfb高于第二突冲阈值V.，切换信号Sw的脉冲将会被计数。当脉冲总数超过一阈值N，电源转换器将直接返回常规切换模式，如路径(c)所示。否则，电源转换器将处于深突冲切换模式。图5A表示控制器100的省能电路52。省能电路52包括检测电路521、定时电路以及输出电路530。在一实施例中，输出电路530是以一触发器来实施。定时电路包括延迟电路522以及计数器电路523。检测电路521包括比较器524与525、脉冲计数器526以及或非门(NOR gate>527ο延迟电路522包括与非门(NAND)501与504、触发器502与503以及反相器505。计数器电路523包括与非门513、触发器511与512以及反相器514。反馈信号Vfb提供至比较器525的正端以及比较器524的负端。比较器524在其正输入端上具有迟滞阈值VmZXzk (称为轻负载阈值)。比较器525在其负端上具有回复阈值VKE。。一旦反馈信号Vfb低于第一突冲阈值Vm,由比较器524所输出的启用信号Sen将被启用以驱动延迟电路522。当启用信号Sen被启用时，延迟电路22以及计数器电路523决定了睡眠周期K。一旦反馈信号Vfb低于第一突冲阈值Vra的模式周期维持长于睡眠周期K时，省能信号Sps将被启用，参阅图2，当省能信号Sps被启用时，开关55将导通，且反馈信号Vfb将被下拉至箝制水平Vap，如图6所示。由于检测电路521，当电源转换器进入深突冲切换模式时，电源转换器可藉由禁用省能信号Sps来回复其操作。这显着地改善电源转换器的动态响应效能。一旦反馈信号Vfb被箝制在箝制水平Vclp时，供应电压Vdd将开始下降，以终止切换信号Sw的切换。在供应电压Vdd高于唤醒阈值Vwk且反馈信号Vfb不高于回复阈值VKE。之前，电源转换器将处于深突冲切换模式。根据负载状态，电源转换器将离开深突冲切换模式而进入突冲切换模式或常规切换模式，分别如路径(a)以及路径(b)所示。当反馈信号Vfb高于回复阈值Vkec时,第一返回信号Vm将生成于比较器525的输出。此第一返回信号Vkti将使或非门527生成低逻辑水平的回复信号Sps KE。，以通过输出电路530来禁用省能信号Sps。当由脉冲计数器536所计数的切换信号Sw的计数数量超过了电源转换器操作在深突冲切换模式时的预定脉冲计数值(阈值)N时，由脉冲计数器526所生成的第二返回信号Vkt2将也使或非门527生成低逻辑水平的回复信号Sps KE。。此低逻辑水平的回复信号Sps KE。将禁用省能信号Sps，因此，电源转换器将返回常规切换模式如路径(c)所示。在本发明一实施例中，计数器电路523将计数三次以启用计数器电路523的输出(也是反相器514的输出)，藉以启用省能信号Sps。图5B表示根据本发明省能电路52的另一实施例，其中，没有使用计数器电路523。即，一旦反馈信号Vfb下降低于第一突冲阈值
省能信号Sps将在由延迟电路522所决定的一延迟时间之后被启用。图6表示当电源转换器由突冲切换模式进入深突冲切换模式时，控制器100的切换信号Sw、反馈信号Vfb以及供应电压Vdd的波形。第一时区Pl表示功率开关10的切换操作在突冲切换模式，且在任两驱动脉冲群之间具有停滞时间tdl。第二时区P2表示功率开关10的切换操作在深突冲切换区域，且在任两驱动脉冲群之间具有停滞时间td2。在本发明的一实施例中，第二停滞时间td2长于第一停滞时间tdl。在一实施例中，当藉由计数停滞时间dl三次而累积获得的模式周期超过睡眠周期K时，省能信号Sps将被启用以箝制反馈信号VFB。一旦反馈信号Vfb被箝制，电源转换器的调节将被终止，且电源转换器的输出电压Vtj以及供应电压Vdd将开始下降。唤醒阈值Vwk设定为高于电压过低锁定(UVLO)电压Vuv。当供应电压Vdd到达唤醒阈值Vwk时，反馈信号Vfb将再次被上拉。由于电容器20耦接控制器100的反馈端FB，反馈信号Vfb的上拉将不是即刻反应的。在本发明的另一实施例中，电容器20可以是在控制器100的反馈端FB上的寄生电容器。在反馈信号Vfb尚未被上拉至起始阈值Vsi之前，控制器100的供应电压Vdd将仍下降并低于唤醒阈值Vw。当反馈信号Vfb被上拉至起始阈值Vsi时，功率开关10将再次于深突冲切还模式中切换。此时，供应电压Vdd将朝向其调节值Vdr来充电，且反馈信号Vfb将下降。一旦供应电压Vdd到达其调节值Vdk且反馈信号Vfb同时到达停止阈值VS2，功率开关10的切换将被终止。供应电压Vdd将于第二停滞时间td2中再次下降。在本发明的一实施例中，由于第二停滞时间td2长于第一停滞时间tdl，因此，于第二时区P2 (深突冲切换模式)中切换信号Sw的切换脉冲数量大于在第一时区中的数量。如图6所示，当电源转换器处于非常轻的负载状态，较长的停滞时间将帮助节省较多功率消耗。由于图5A以及图5B中的检测电路521，在时区Pl与P2期间，电源转换器可藉由禁用省能信号Sps来回复其操作。这显着地改善电源转换器的动态响应效能。图7表示当电源转换器由深突冲切换模式进入常规切换模式时，控制器100的切换信号Sw、反馈信号Vfb以及供应电压Vdd的波形。当负载(在图7中以“LOAD”来表示)显着地改变时，例如由水平LI变为水平L2，反馈信号Vfb将被上拉。当反馈信号Vfb到达起始阈值Vsi时，功率开关10的切换将恢复。第三时区P3显示切换信号Sw的连续切换，其反应于重负载状态来提供足够的功率。在此时，电源转换器离开深突冲切换模式，且进入常规切换模式。在第三时区P3期间，反馈信号Vfb上拉至调节值Vtcx以生成输出负载所需要的足够供应电压Vdd以及功率(电源转换器的输出电流Itj的需求)。由于图5A以及图5B中的检测电路521，在时区Pl与P2期间，电源转换器可藉由禁用省能信号Sps来回复其操作。这显着地改善电源转换器的动态响应效能。图8表示根据本发明一实施例，用于电源转换器的省能方法。此方法包括:电源转换器的控制器以突冲方式在第一时区内启用至少一第一驱动脉冲群，以维持所述控制器的供应电压在一大致固定的调节水平(S801);当所述控制器的反馈信号低于一突冲阈值时决定模式周期(S802);当模式周期超过睡眠周期时，禁用所述第一驱动脉冲群(S803);当所述控制器的所述供应电压达唤醒阈值时，所述控制器以所述突冲方式在第二时区内启用至少一第二驱动脉冲群，以将所述控制器的所述供应电压拉回所述调节水平，其中，在所述第二时区内，所述电源转换器可响应负载变化(S804);以及当所述电源转换器的输出电流出现时，以连续方式在第三时区内启用第三驱动脉冲群(S805)。本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。
权利要求
1.一种用于电源转换器的省能控制器，包括: 延迟电路，决定延迟时间； 检测电路，当所述电源转换器的输出负载低于轻负载阈值时驱动所述延迟电路；以及 输出电路，在所述延迟时间结束后生成省能信号以终止所述电源转换器的调节； 其中，一旦在所述电源转换器的调节正被终止的期间内所述输出负载增加，所述电源转换器的调节将恢复。
2.根据权利要求1所述的控制器，还包括: 计数器电路，耦接所述延迟电路，所述计数器电路被所述延迟电路来计数以决定睡眠周期； 其中，在所述睡眠周期结束之后，所述输出电路生成所述省能信号以终止所述电源转换器的调节。
3.根据权利要求1所述的控制器，还包括: 脉宽调制电路，耦接所述检测电路，且生成用于所述电源转换器的调节的切换信号。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述输出负载藉由检测与所述电源转换器的输出相关联的反馈信号而被测得。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中，当所述反馈信号变为高于回复阈值时，所述检测电路禁用所述省能信号。
6.根据权利要求3所述 的省能控制器，其中，当所述电源转换器的多个切换脉冲的计数数量超过预定脉冲数量时，所述检测电路禁用所述省能信号。
7.根据权利要求3所述的控制器，其中，当所述电源转换器的调节终止时，所述电源转换器的输出电压以及所述控制器的供应电压下降。
8.根据权利要求7所述的控制器，还包括: 唤醒电路，耦接所述脉宽调制电路以及所述检测电路，以避免所述控制器的所述供应电压下降至低于关机阈值。
9.一种用于电源转换器的省能方法，包括: 控制器以突冲方式在第一时区内启用至少一第一驱动脉冲群，以维持所述电源转换器的所述控制器的供应电压在一大致固定的调节水平； 当所述控制器的反馈信号低于突冲阈值时，决定模式周期；以及 当所述模式周期超过睡眠周期时，禁用所述第一驱动脉冲群。
10.根据权利要求9所述的省能方法，还包括: 当所述控制器的所述供应电压达唤醒阈值时，所述控制器以所述突冲方式在第二时区内启用至少一第二驱动脉冲群，以将所述控制器的所述供应电压拉回所述调节水平，其中，在所述第二时区内，所述电源转换器可响应负载变化；以及 当所述电源转换器的输出电流出现时，以连续方式在第三时区内启用第三驱动脉冲群。
全文摘要
一种用于电源转换器的省能控制器及省能方法。该电源转换器的省能控制器包括延迟电路、检测电路、输出电路、计数器电路、唤醒电路以及脉宽调制电路。延迟电路决定延迟时间。当电源转换器的输出负载低于轻负载阈值时，检测电路驱动延迟电路。在延迟时间结束后，输出电路生成省能信号以终止电源转换器的调节。一旦在电源转换器的调节正被终止的期间内输出负载增加，电源转换器的调节将恢复。计数器电路耦接延迟电路，且被延迟电路来计数以决定睡眠周期。在睡眠周期结束之后，输出电路生成省能信号以终止电源转换器的调节。
文档编号H02M3/335GK103219887SQ201310087008
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者钟启晨, 黄伟轩 申请人:崇贸科技股份有限公司