专利名称：控制方法以及控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关式电源供应器(Switched-mode power supply，SMPS)，更明确地说，涉及一种可以提供过电流(over current protection，OCP或过负载保护(over load protection, 0VP)的开关式电源供应器。
背景技术：
电源供应器作为一种电源管理装置，用来转换电源，以提供电源给电子装置或是组件。有时电源管理装置会以开关式电源供应器来实施，因为其所能源转换效率不错，且所需要的电感组件会相对的较小，可适用于多数当代的电子装置或是组件。开关式电源供应器需要有许多的保护机制，预防自己或是外界，在不正确或是不适当的状况之下，所遭受的损伤。一些现有的保护有过电压保护(over voltage protection, 0VP)、过温度保护 (overtemperature protection,OTP)、0CP、0LP等。其中，过电流保护一般意味着最大输出电流受限制；过负载保护一般意味着最大输出功率受限制。图1显示了一种具有过电流/负载保护的升压电路(booster)。升压电路 (booster) 10仅仅是用来作为过电流/负载保护的一个例子，过电流/负载保护也可以适用到其它架构的SMPS。升压电路(booster) 10中的开关14控制流经电感12的电流。当门控信号GATE 使开关14导通时，电感12增加其中储存的能量。当门控信号GATE使开关14关闭时，电感 12中的储存能量则通过二极管16，向负载释放，对负载电容20充电。检测电阻22则是在开关14导通时，检测流经电感12的电感电流。在端点CS上的检测信号Vcs-的电压值，会反应出电感电流的大小，控制器18则据以产生门控信号GATE。图2则显示了现有的一种控制器18a，可以适用于图1。当控制器18a使图1中的开关14导通时，检测信号Vcs-的电压值会随着开启时间而增加。比较器36使检测信号Vcs 的峰值，大约不大于限定信号V。S_UMIT。一旦，检测信号V。s_高过了限定信号V。S_UMIT时，比较器36就会使门控控制器34关闭开关14。藉此达到过电流/负载保护。但是，因为信号传递延迟(signalpropagation delay)的原因，检测信号Ves的峰值会些许地大于限定信号 vcs-LIMIT,而这个差异会随着输入电源V-IN的电压增大而增大。如果限定信号v。s_UMIT是个定值，那就意味着图2所提供的过电流/负载保护，其所限定的最高输出电流或是最高输出功率，将会随着输入电源V-IN的电压而改变。这样的结果所实现的0CP/0LP往往难以符合系统规格。而且，就算把检测信号V。s的峰值精准的锁定在一定值，0CP/0LP所定义的最高输出电流/功率，也往往会随着电感12是操作于连续导通模式(continuous conduction mode, CCM)或是不连续导通模式(discontinuousconduction mode, DCM)而有所不同。因此，过电流/负载保护的电路，需要有特别的设计，使得触发时的最高输出电流 /功率，大约为一定值，不随着操作模式或是输入电源电压而改变。
发明内容
本发明实施例提供一种控制方法，适用于一电源供应器，其包含有一开关以及一 电感组件。当该开关被开启时，该电感组件储能增加。通过检测流经该电感组件的电感电 流，以产生一电流检测信号。比较该电流检测信号的一峰值，与一限定信号，以产生一调整 值。比较该电流检测信号与该限定信号，当该电流检测信号、该限定信号与该调整值大约为 一特定关系时，关闭该开关，以使该电流检测信号的下一峰值，大约等于该限定信号，大致 消除信号延迟影响。本发明实施例也提供一种一电源供应器的输出能量的控制方法。该电源供应器包 含有一开关以及一电感组件。当该开关被开启时，该电感组件储能增加。检测流经该电感 组件的电感电流，以产生一电流检测信号。提供一限定信号，用以大致限制该电感电流的一 峰值。依据该峰值以及该电流检测信号所对应的一电感平均电流，更新该限定信号，以使该 峰值与该电感平均电流随着开关周期，而接近一预设关系。该预设关系使使该电源供应器 于一开关周期中所输出的该输出能量，大约为一定值。本发明实施例也提供一种控制器，适用于一电源供应器，其包含有一开关以及一 电感组件。该控制器包含有一峰值限定器以及一调整器。该峰值限定器接收一限定信号以 及一电流检测信号，用以大致限制流经该电感组件的电感电流的一峰值。该电流检测信号 对应该电感电流。该调整器用以更新该限定信号，以使该峰值以及该电流检测信号所对应 的一电感平均电流，随着开关周期的进行，彼此逼近一预设关系。该预设关系使该电感组件 于一开关周期所传输的功率，大约为一定值。
图1显示了一种具有过电流/负载保护的升压电路。图2则显示了现有的一种控制器。图3中实线显示了 Vcs_pEM与\進的关系。图4则显示了依据本发明实施的一种控制器。图5A以及图5B显示了两种信号延迟补偿器。图6显示了平均电流比较器、更新器、以及箝制器。图7显示限定信号Ves_LiMiT与预期电感平均电流信号的关系，以及其简化 的結果。图8显示一转换器。图9则显示了依据本发明实施的另一种控制器。图10举例一峰值检测器。图1 1显示一简化后的Vcs-PEAK与Vcs-Avc的关系。图12为实现图11的关系的一转换器。附图符号说明10升压电路12电感14开关16二极管
18、18a、18b、18c 控制器
20负载电容
22检测电阻
34门控控制器
32其它信号处理器
36比较器
51、51a、51b信号延迟补偿器
52>52a平均电流比较器
54,54a更新器
56、56a、57、57a转换器
59、59a箝制器
61、61a峰值检测器
362,364电流源
366电容
502,504比较器
506,507电流镜
508电容
CS端点
GATE门控信号
I con定电流
Ir、Il电流源
L直线
V bias电容电压
Vbiasi压降
Vcs-检测信号
^cs-avg-exp预期电感平均电流信号
^cs-avg-eeal平均电流
Vcs-higher较高电流检测信号
VcS-LIMIT限定信号
^CS-LIMIT-BOTTOM下限
VcS-LIMIT-LOWER较低限定信号
VcS-LIMIT-TOP上限
VcS-PEAK峰值
V-IN输入电源
V 输出电压
Rb、Rbiasi、Ri、^2电阻
具体实施例方式
本说明书中，相同的符号用以指称相同或是类似的装置/组件，本领域的技术人
6员可以依据本发明的揭示/教导，以相同或是相似的方法/架构来据以实施，因此不再重述。本发明的一实施例提供一 SMPS，0CP/0LP触发时的最高输出电流/功率，大致上不随着输入电压与操作模式变化。请参阅图1中的升压电路(booster) 10。电感12传递到负载电容20的输出功率 P，可以用以下公式⑴表示P = 1/2*L*(ICS_丽2_ICS_皿2)*fsw -—(1)其中，L为电感12的电感值；Ies_PEAK为流经电感12的电感电流的峰值，也是流经开关14的电流峰值；ICS_INI为每次开关14 一开启时，流经电感12的电感电流的起始值，也是流经开关14的电流起始值；以及，fsw为开关14的开关频率。在DCM操作时，Ies_INI会是 0 ；在DCM操作时，Ies_INI会大于0。当OLP被触发时，因为最高输出功率需要为一定值，表示公式(1)的右半部需要为一个定值。当OCP被触发时，假定输出电源Vott还是维持在为定电压，而最高输出电流 Cra需要为一定值，所以公式(1)的右半部还是需要为一个定值。假定升压电路(1300计吐)10的开关频率4 不变，则当01^/(^ 被触发时，公式(1) 可以推导出以下公式O)。Ics-PEAK _ICS-INI — 4*ICS—AVG* (Ics-PEAK_IcS-AVG) — K1(2)其中，Ics_Ave为1/2*(Ics_peak+Ics_ini)，也可以视为当开关14导通时，流经开关14的电感平均电流值；以及，K1是个常数。公式(2)可以整理出如下的公式(3)。Vcs-PEffi = Vcs_avg+K/Vcs_avg —(3)其中，K是常数；Vra_PEffi以及分别是检测信号Vcs对应至电感电流为Ira_PEAK以及时的电压值。换言之，在0CP/0LP发生时，只要Ves_PEAK以及\進符合了公式(3) 的条件，那0CP/0LP所定义的最高电流/功率，就大约会是个定值。图3中的实线显示了公式(3)中，VCS_PEAK与\道的关系；两条虚线分别是显示 Vcs-peak = VCS_AVG 以及 VCS_PEAK = K/Vcs_AVGO 举例来说，若升压电路(booster) 10 设计在 DCM 操作时，Vcs_pEAK为0. 9V就应该要触发0CP/0LP，那便意味着\這为0. 45V，且K应该就是 0. 45*0. 45V2。图3的曲线，也就是触发0CP/0LP时，VCS_PEAK与VCS_AVG应有的关系，就可以清楚的定义出来。因此，只要知道当下开关周期的VCS_PEAK以及Nf并且代入公式(3)中计算，就可以知道目前输出的电流/功率，是比0CP/0LP所定义的最高电流/功率大还是小，进而更新限定信号V。S_UMIT。这样经过几个开关周期后，那每一开关周期中所输出的电流/功率，就大约会是一个定值，就是0CP/0LP所定义的最高电流/功率。图4则显示了依据本发明实施的一种控制器18b，可以适用于图1中的升压电路 10，也可以适用到其它种SMPS。门控控制器34接受其它信号处理器32以及信号延迟补偿器51来的信号，以驱动开关14。信号延迟补偿器51可以大致的补偿信号延迟的影响，使检测信号V。s的峰值V。S_PEAK几乎完全等于限定信号V。S_UMIT。因此，限定信号V。S_UMIT就可以视为当下开关周期中检测信号Vcs的峰值Vcs_PEffi。转换器56大致依据一 Vcs_PEffi与的关系(可从图3中的实线简化而来)，并以限定信号V。S_UMIT作为输入，然后输出预期电感平均
7电流信号VCS_ATC_EXP。平均电流比较器52比较检测信号Vcs所对应的平均电流(在开关14开启时)跟预期电感平均电流信号Vra_Ave_EXP的大小。平均电流比较器52的输出会促使更新器M更新限定信号V。S_UMIT。箝制器(clamp) 59用以限制限定信号V。S_UMIT的最高值与最低值。从图4中可以发现，转换器56、平均电流比较器52、以及更新器M大致构成了一个封闭循环(close loop)。这个循环的进行，经历过数个开关周期后，V。S_PEAK与V。s_Ave的关系，将会逼近图3中的实线或是相对的一线段，所以使得0CP/0LP所定义的最高电流/功率成为一固定值。信号延迟补偿器51、转换器56、以及平均电流比较器52、以及更新器M可以视为一调整器，其更新限定信号V。S_UMIT，以使峰值V。S_PEAK以及检测信号v。s所对应的平均电流
，随着开关周期的进行，彼此逼近图3中所预设的关系。
譬如说，当预期电感平均电流信号V。s_Ave_EXP比起平均电流V。s_Ave_Kg低时，下次开关周期时，限定信号V。S_UMIT就增大。因此，在下次开关周期中，预期电感平均电流信号v。s 就会往平均电流接近。图5A以及图5B显示了两种信号延迟补偿器5Ia与51b，每一种都可适用于图4中。 图5A中，信号延迟补偿器51a主要有比较器502与504、电容508、电流源Ik与Ip以及电阻 Rb与&IAS1。如果检测信号V。s的峰值V。s_PEffi大于限定信号V。S_UMIT，比较器504会使电流源 Ie对电容508充电，拉高电容电压V-bias。相反的，如果检测信号Ves的峰值Ves_PEffi —直小于限定信号VCS_UMIT，比较器504会使电流源Il对电容508放电，拉低电容电压V-bias。电流源込的电流必需要远小于电流源Ik的电流。电容电压V-bias经过电阻以及电流镜506与 507的转换，会在电阻I^biasi产生压降Vbiasi，进而提供了一个比限定信号VCS_UMIT低的较低限定信号V。s-UMIT-OTHi。当检测信号V。s大于较低限定信号V。S_UMIT_OTEK时，比较器502的信号会关闭开关14。由推论可知，经过几次开关周期后，电容电压V-bias会大概维持在一个定值， 让比较器502在检测信号V。s等于较低限定信号V。S_UMIT_OTEK就提早送出信号，最后使得检测信号Vcs的峰值VCS_PEAK等于限定信号VCS_UMIT。电流源込可能可以省略，利用电容508自己漏电，或是接面漏电(junction leakage)，使得电容电压V-bias很慢的下降。图5B的信号延迟补偿器51b也可以使检测信号Vcs的峰值VCS_PEAK等于限定信号 VCS_UMIT。跟图5A中产生较低限定信号ν。ΜΙΜΙΤ_ω_不一样的，图5Β则是产生较高电流检测信号V。S—HI_。其它图5B中的电路架构或是操作原理，与图5A相同或是类似，可由图5A中类推得知。图6显示了平均电流比较器52a、更新器Ma、以及箝制器59a，可适用于图4。从平均电流比较器52a的输出电压Vm的变化，可以看出平均电流Vcs_Aven(检测信号v。s的平均)大于或是小于预期电感平均电流信号V。s_Ave_EXP。当检测信号v。s大于预期电感平均电流信号Ves_Ave_EXP时，电流源362提供定电流对电容366充电；当检测信号Vcs小于预期电感平均电流信号Vcs_ 时，电流源364提供定电流对电容366放电。因为检测信号Vcs是线性增加，所以在门控信号GATE使开关14导通时，如果平均电流Vcs 大于预期电感平均电流信号V
CS-AVG-EXP'
则输出电压Vm会上升。相反的，如果平均电流V
CS-AVG-REAL
比较小，则输出电压Vm会下降。在门控信号GATE使开关14关闭时，更新器5 依据输出电压Vm来更新限定信号Vcs_LIMITO为避免过高或过低电压，箝制器59a以两个二极管，使限定信号V。S_UMIT的电压介于
上限V CS-LIMIT-T0P
与下限V
CS-LIMIT-B0TT0M 之间。图7的左半部显示了 0CP/0LP触发时，限定信号V。S_UMIT与预期电感平均电流信号 VCS-AVG-EXP的关系，也就是图3中V。S_PEAK与\這的关系；右半部显示了其简化的结果。因为图3中的Vtp-与Vcs_Ave关系是一条曲线，其用电路实现时将可能会比较复杂，故可以用一条或是多条线段(Iinesegment)，以分段线性曲线(piecewise linear curve)近似表示。 一种最简化的方式是用一条直线，来表示曲线的上半部，如同图7右半部中的直线L所示。 至于曲线的下半部，因为实际操作上并不会发生，所以可以省略而不实现。图7右半部中的直线L可以用各种不同的电路来实施。譬如说，如同图8所示，一个简单的运算放大器 (operational amplifier)以及电阻队与&便可以实现直线L，来做为一转换器56a，适用于图4的控制器18b。图9则显示了依据本发明实施的另一种控制器18c，可以适用于图1中的升压电路 10，也可以适用到其它种SMPS。图9中并没有图4中的信号延迟补偿器51，而只是用比较器36来取代，使检测信号v。s的峰值V。S_PEAK，大约不大于限定信号V。S_UMIT。如同先前所述，这样的架构，会因为信号延迟的原因，使得峰值V。S_PEAK很接近但是些许的大于限定信号V。S_UMIT。图9中，峰值检测器 61用来检测峰值VCS_PEAK。转换器57大致依据一 VCS_PEAK与的关系(可从图3中的实线简化而来)，并以峰值V。s_PEffi作为输入，然后输出一预期电感平均电流信号V。s_Ave_EXP。从图9中也隐含了一封闭循环，大致由峰值检测器61、转换器57、平均电流比较器 52、更新器54、比较器36、门控控制器34、开关14、以及检测电阻22所构成。这个循环的进行，经历过数个开关周期后，Vcs_PEffi与的关系，将会逼近图3中的实线或是相对的一线段，所以使得0CP/0LP所定义的最高电流/功率成为一固定值。峰值检测器61、转换器57、以及平均电流比较器52、以及更新器M可以视为另一调整器，其更新限定信号V。S_UMIT，以使峰值V。S_PEAK以及检测信号v。s所对应的平均电流
，随着开关周期的进行，彼此逼近图3中所预设的关系。图10举例一峰值检测器61a，其中电容可以记录峰值Ves_PEAK。图11显示一简化后的V。S-PEAK与V。s_Ave的关系，可使0CP/0LP所定义的最高电流/功率大约成为一固定值。图 12为实现图11的关系的一转换器57a，可适用于图9中。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种控制方法，适用于一电源供应器，其包含有一开关以及一电感组件，该方法包含有开启该开关，以使该电感组件增加储能； 检测流经该电感组件的电感电流，以产生一电流检测信号； 比较该电流检测信号的一峰值，与一限定信号，以产生一调整值；以及比较该电流检测信号与该限定信号，当该电流检测信号、该限定信号与该调整值大约为一特定关系时，关闭该开关，以使该电流检测信号的下一峰值，大约等于该限定信号，大致消除信号延迟影响。
2.如权利要求1所述的控制方法，包含有当该电流检测信号的该峰值大于该限定信号，以一第一电流对一电容充电； 当该电流检测信号的该峰值小于该限定信号，以一第二电流对该电容放电，其中该第二电流小于该第一电流；以及将该电容的电压，转换成该调整值。
3.如权利要求1所述的控制方法，包含有将该限定信号降低了该调整值，以产生一较低限定信号；以及比较该电流检测信号与该较低限定信号，当该电流检测信号大于等于该较低限定信号时，关闭该开关。
4.如权利要求1所述的控制方法，包含有将该电流检测信号增加了该调整值，以产生一较高电流检测信号；以及比较该较高电流检测信号与该限定信号，当该较高电流检测信号大于等于该限定信号时，关闭该开关。
5.一种一电源供应器的输出能量的控制方法，该电源供应器包含有一开关以及一电感组件，该方法包含有开启该开关，以使该电感组件增加储能；检测流经该电感组件的电感电流，以产生一电流检测信号；提供一限定信号，用以大致限制该电感电流的一峰值；以及依据该峰值以及该电流检测信号所对应的一电感平均电流，更新该限定信号，以使该峰值与该电感平均电流随着开关周期，而接近一预设关系，该预设关系使使该电源供应器于一开关周期中所输出的该输出能量，大约为一定值。
6.如权利要求5所述的控制方法，包含有使该电流检测信号的该峰值，等于该限定信号；以及依据该电流检测信号以及该限定信号，来更新该限定信号。
7.如权利要求6所述的控制方法，包含依据该限定信号，产生一预期电感平均电流信号；以及依据该预期电感平均电流信号以及该电流检测信号，来更新该限定信号。
8.一种一电源供应器的输出能量的控制方法，包含有 该电源供应器包含有一开关以及一电感组件，该方法包含有 开启该开关，以使该电感组件增加储能；检测流经该电感组件的电感电流，以产生一电流检测信号；提供一限定信号，用以大致限制该电感电流的一峰值；以及提供一封闭循环，控制该限定信号，使该峰值以及该电流检测信号所对应的一电感平均电流，彼此逼近一预设关系，该预设关系使该电感组件于一开关周期所传输的功率，大约为一定值。
9.一种控制器，适用于一电源供应器，其包含有一开关以及一电感组件，该控制器包含有；一峰值限定器，接收一限定信号以及一电流检测信号，用以大致限制流经该电感组件的电感电流的一峰值，其中该电流检测信号对应该电感电流；以及一调整器，用以更新该限定信号，以使该峰值以及该电流检测信号所对应的一电感平均电流，随着开关周期的进行，彼此逼近一预设关系，该预设关系使该电感组件于一开关周期所传输的功率，大约为一定值。
10.如权利要求9所述的控制器，其中，该峰值限定器包含有一比较器，其具有二输入端，分别接收该限定信号以及该电流检测信号，以及，该调整器包含有一峰值检测器，纪录该电感电流的该峰值。
全文摘要
一电源供应器的输出能量的控制方法与相关的控制器。该电源供应器包含有一开关以及一电感组件。当该开关被开启时，该电感组件储能增加。检测流经该电感组件的电感电流，以产生一电流检测信号。提供一限定信号，用以大致限制该电感电流的一峰值。依据该峰值以及该电流检测信号所对应的一电感平均电流，更新该限定信号，以使该峰值与该电感平均电流随着开关周期，而接近一预设关系。该预设关系使该电源供应器于一开关周期中所输出的该输出能量，大约为一定值。
文档编号H02M3/07GK102237789SQ201010170189
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者叶文中 申请人:通嘉科技股份有限公司