开关式电源供应器的控制方法与控制装置制造方法
【专利摘要】开关式电源供应器的控制方法与控制装置。实施例揭示一驱动电流的控制方法与相关的控制装置，适用于开关式电源供应器。所揭示的控制装置包含有一驱动电路以及一信号转换器。该驱动电路用以提供一驱动电流至一电流控制元件。该信号转换器依据流经该电流控制元件的一流通电流，来产生一控制信号。该驱动电流依据该控制信号而产生。当该流通电流增加时，该控制信号与该驱动电流均增加。
【专利说明】开关式电源供应器的控制方法与控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关式电源供应器，尤其是采用电流控制元件的开关式电源供应器。【背景技术】
[0002]开关式电源供应器采用功率开关(power switch),来控制流经电感元件的电流大小。相较于其他的电源供应器，开关式电源供应器具有体积小以及良好的电能转换效率，所以广受当下电源业界的采用。
[0003]在众多种类的功率开关中，双接面晶体管(bipolar junction transistor, BJT)因为结构简单、价位便宜、以及有较低的导通损失，所以在低价位的市场中，占有一席的地。但是，相较于金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)晶体管而言,BJT是一种电流控制元件，需要有电流控制装置来控制BJT的基极电流(base current) Ib。基极电流Ib会与集极电流(collector current) I。一起合并后,成为射极电流(emitter current,Ie) ο因此，射极电流I6可能无法单纯的反应出集极电流I。。这可能造成开关式电源供应器对于电流控制上，精准度的缺失。而精准度一直都是电源供应器业界所追求的目标之一。另一方面，BJT的开关速度(switching speed)比起MOS晶体管的开关速度慢,如何快速开关BJT也是设计上考虑的重点之一。
[0004]本说明书中，具有相同的符号元件或装置，为具有相同或是类似功能、结构、或特性的元件或是装置，为业界人士能以具本说明书的教导而得知或推知，但不必然完全的相同。为简洁缘故，不会重复说明。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例揭示一种适用于一开关式电源供应器的控制方法。该开关式电源供应器包含有一电流控制元件。该控制方法包含有:提供一驱动电流，以驱动该电流控制元件；检测流经该电流控制元件的一流通电流；以及，依据该流通电流，来控制该驱动电流。当该流通电流增加时，该驱动电流增加。
[0006]本发明的实施例揭示一种控制装置，用以驱动一电流控制元件。该控制装置包含有一驱动电路以及一信号转换器。该驱动电路用以提供一驱动电流至该电流控制元件。该信号转换器依据流经该电流控制元件的一流通电流，来产生一控制信号。该驱动电流依据该控制信号而产生。当该流通电流增加时，该控制信号与该驱动电流均增加。
[0007]本发明的实施例揭示截止时段的一种控制方法，适用于一驱动电路。该驱动电路具有一高端驱动器以及一低端驱动器，共同驱动一功率开关。该控制方法包含有:保持该低端驱动器关闭，以该高端驱动器开启该功率开关；使该高端与该低端驱动器均关闭，使该驱动电路进入该截止时段；于该截止时段后，保持该高端驱动器关闭，以该低端驱动器关闭该功率开关；以及，依据流经该功率开关的一流通电流，来决定该截止时段的时间长度。
[0008]本发明的实施例揭示一种控制装置，用以驱动一功率开关。该控制装置包含有一驱动电路、一逻辑控制单元以及一操作状态控制器。该驱动电路包含有一高端驱动器以及一低端驱动器。该高端驱动器用以开启该功率开关，该低端驱动器用以关闭该功率开关。该逻辑控制单元控制该驱动电路。该操作状态控制器耦接至该逻辑控制单元。该操作状态控制器依据该功率开关的一流通电流，来决定一截止时段的一时间长度。在该截止时段中，该高端与该低端驱动器均为关闭状态，没有驱动该功率开关。
【专利附图】
【附图说明】[0009]图1为依据本发明所实施的一开关式电源供应器。
[0010]图2举例了一脉冲宽度调制器、一 BJT以及一电流检测电阻。
[0011]图3显示图2中的一些信号时序图。
[0012]【主要元件符号说明】
[0013]10 开关式电源供应器
[0014]12 桥式整流器
[0015]14 变压器
[0016]16 二极管
[0017]18 输出电容
[0018]20 脉冲宽度调制器
[0019]21时钟产生器
[0020]22电流检测电阻
[0021]23负载
[0022]24运算放大器
[0023]26跨导器
[0024]27电流产生器
[0025]28BJT 驱动器
[0026]30高端驱动器
[0027]32低端驱动器
[0028]34逻辑控制单元
[0029]35操作状态控制器
[0030]36、38比较器
[0031]AC交流市电
[0032]COM补偿端
[0033]Ib基极电流
[0034]Ic集极电流
[0035]Id偏移电流
[0036]Ie射极电流
[0037]Ileb预设固定值
[0038]1ffset预设偏移值
[0039]Ie比例电流
[0040]PRM初级侧绕组
[0041]Sclk时钟信号[0042]SEC次级侧绕组
[0043]Sh高端信号
[0044]Sl低端信号
[0045]t0> t2> t3> t4 时间点
[0046]Tdead截止时段
[0047]Tld线性驱动时段
[0048]Tleb上升边缘遮没时段
[0049]Toff关闭时段
[0050]Ton开启时段
[0051]TsBJT
[0052]Vbias预设偏压
[0053]Vcom补偿电压
[0054]Vcs电流检测电压
[0055]VLine直流线电源
[0056]Vout输出电源
[0057]Vlarget目标电压
【具体实施方式】
[0058]图1为依据本发明所实施的一开关式电源供应器。开关式电源供应器10虽然是一返驰式电源转换器(flyback converter),但本发明并不限于此架构。举例来说,本发明也可以适用于降压转换器(buck converter)与增压转换器(boost converter)。
[0059]桥式整流器12将交流市电AC整流为直流线电源(line power source) VUne。串联在直流线电源Vune与接地线GND之间的有变压器(transformer) 14的初级侧绕组PRM、BJT Ts、以及电流检测电阻22。BJT Ts控制流经初级侧绕组PRM的电流。当BJT Ts导通时，初级侧绕组PRM的电流随着时间而增加。当BJT Ts关闭时，存放在变压器14中的电能会通过次级侧绕组SEC以及二极管16，释放到输出电容18。输出电容18就可以建立出输出电源Vqut,对负载23供电。运算放大器(operational amplifier) 24依据输出电源Vqut与预设的目标电压Vtagrt，在补偿端COM产生补偿电压νωΜ。补偿电压Vot受控于输出电源Vtot的电压。
[0060]电流检测电阻22上的电流检测电压Vcs代表了射极电流Ie。当流经BJT Ts的集极电流I。远大于基极电流Ib时，射极电流Ie也大约就是初级侧绕组PRM与BJT Ts的流通电流。脉冲宽度调制器(pulse width modulator) 20通过电流检测电压Vcs,来检测BJT Ts的流通电流。依据补偿电压Vkjm与电流检测电压Vcs，脉冲宽度调制器20调制BJT Ts的工作时间。工作时间的调制方式可能是大约固定开关频率而调制BJT Ts的开启时间或是关闭时间；也可能是大约固定开启时间或是关闭时间，而调制BJT Ts的开关频率。举例来说，在一实施例中，随着补偿电压Vot的上升，脉冲宽度调制器20使BJT Ts的开关频率与开启时间都增加。
[0061]图2举例了脉冲宽度调制器20、BJT Ts以及电流检测电阻22。脉冲宽度调制器20中有时钟产生器21、电流产生器27、跨导器(transconductor，又称之为“转导器” )26、BJT驱动器28、逻辑控制单元34、以及操作状态控制器35。
[0062]时钟产生器21依据补偿电压Vot的电压值，提供周期性的时钟信号SM，来周期性的开启BJT Tso BJT驱动器28有高端驱动器(high-side driver) 30与低端驱动器32，一同驱动BJT Tso高端驱动器30与低端驱动器32可以提供驱动电流，分别拉高或是降低BJTTs的基极电压。跨导器26可以作为一信号转换器，其依据电流检测电压Vcs来产生比例电流Ικ。在此实施例中，Ifgm5IiVcs,其中gm为跨导器26的跨导值(transconductance,又称之为“转导值”)。电流产生器27由时钟信号Sm所触发，提供偏移电流ID，其值随着时间而变化，将于稍后说明。比例电流Ik与偏移电流Id—同流到高端驱动器30。逻辑控制单元34受时钟信号Sm所触发，周期性地以高端驱动器30使BJT Ts开启，进入导通状态。逻辑控制单元34以高端信号Sh来开启或是关闭高端驱动器30，以低端信号&来开启或是关闭低端驱动器32。
[0063]如同图2所示，操作状态控制器35具有两个比较器36与38。比较器38比较补偿电压Vot与电流检测电压Vk ;比较器36的一输入端接收补偿电压Vot，另一端接收电流检测电压Vk与一预设偏压Vbias的合。如同先前所述，电流检测电压Vk代表了流经BJT 1的射极电流Ie。因此，从电流的角度来看，比较器38比较的是射极电流Ie与补偿电压Vot所代表的一电流补偿值，比较器36比较的是射极电流Ie是否超过该电流补偿值减去预设偏压Vbias所代表的一预设值。
[0064]图3显示图2中的一些信号时序图。由上而下，依序分别是时钟信号Sm、高端信号Sh、低端信号&、电流检测电压Vk、基极电流Ib、以及偏移电流ID。以下说明请同时参考图2。
[0065]在时间点V时钟信号Sm先使低端信号&为逻辑上的0，然后使高端信号Sh为逻辑上的1，如同图3所示。换句话说，先让低端驱动器32保持在关闭状态，接着才以高端驱动器30开启BJT Tso此时电流检测电压Vcs开始大于0，有相当的电流流经BJT Ts，所以BJT Ts进入开启时段T , BJT Ts进入开启时段Tw之后开始的一段预设时段，一般称为上升边缘遮没时段(leading edge blanking period) Tus,如同图3中时间点t0到^t1所示。上升边缘遮没时段IYeb中，电流产生器24所产生的偏移电流Id为一相当大的预设固定值I.。高端驱动器30单单以偏移电流Id来当作驱动电流，来驱动BJT Ts。
[0066]随着上升边缘遮没时段IVeb结束，从时间点h开始，偏移电流Id变成一个比较小的预设偏移值IWFSET。此时，高端驱动器30以比例电流Ik与偏移电流Id的总和，作为驱动电流来驱动BJT Ts。
[0067]在时间点t2，电流检测电压Vcs高过了补偿电压Vot减去预设偏压Vbias,因此比较器36转态，逻辑控制单元34使高端信号Sh转态为O。高端驱动器30停止提供驱动电流给BJT Ts，所以基极电流Ib变成几乎为O。时间点h到时间点〖2之间可以称为线性驱动时段Tldo在此时段内，用来驱动BJT Ts的基极电流Ib是依据电流检测电压Vcs而产生，而且，基极电流Ib随着电流检测电压Ves增高而增高。在线性驱动时段Tui内，基极电流Ib高过比例电流Ik约有固定的预设偏移值1tfset，如同图3所示。
[0068]从时间点t2开始的一段时间，高端驱动器30与低端驱动器32都被关闭，不驱动BJT Ts，基极电流Ib几乎为0，可以称为截止时段Tdead，如同图3中时间点〖2到〖3所示。在截止时段T_ 一开始，电流检测电压Vcs减少，反应了基极电流Ib突然的消失。之后，因为BJT Ts的基极还有残留的电荷被BJT Ts的射极所抽走，所以电流检测电压Ves还是会升高。
[0069]在时间点t3，电流检测电压Vcs高过了补偿电压VOT，因此比较器38转态，逻辑控制单元34使低端信号&转态为1，并使高端信号Sh维持为O。此时，高端驱动器30被关闭，而低端驱动器32驱动BJT Ts的基极，关闭BJTTS。举例来说，此时低端驱动器32直接将BJTTs的基极接地，所以基极电流Ib突然成为一个相当大的负值。把BJT Ts的基极电压拉到为O后，基极电流Ib就很快的回复为O,如图3所不。
[0070]在时间点t3到下一个开关周期开始的时间点t4中，高端信号Sh为0，低端信号为1，高端驱动器30关闭，而低端驱动器32把BJT Ts的基极接地。这一段时间可以称为BJT Ts的关闭时段Τ_。此时，BJT Ts为完全关闭状态，电流检测电压Vcs大约为0，几乎没有电流流过BJT Ts。
[0071]相对于关闭时段Ttw，在时间点h到t3之间的时段可以称为BJT Ts的开启时段Tw，有相当的流通电流流经BJT Tso开启时段Tm由上升边缘遮没时段IYeb、线性驱动时段Tld>以及截止时段Tdead所构成。
[0072]在一实施例中，预设偏压Vbias为一固定值。在另一个实施例中，预设偏压Vbias由补偿电压Vot所控制决定。譬如说，补偿电压Vot越高，预设偏压Vbias就越高。
[0073]从图2与图3的介绍，可以得知图2的实施例有以下优点。
[0074]1.省电:在线性驱动时段Tui中，基极电流Ib仅仅高过比例电流Ik约有预设偏移值1tfset,而此预设偏移值1ttset可以设计的足够维持BJT Ts处于饱和(saturate)的导通状态就可以。换句话说，预设偏移值Iwfset不需要过大，所以图2的BJT驱动器28可以相当的省电。
[0075]2.快速开关速度:在上升边缘遮没时段T.，基极电流Ib大约就是非常大的预设值I.。如此大的基极电流Ib，可以快速的将BJT Ts从关闭状态，快速的切换到饱和的导通状态。快速开关速度也可以降低开关损耗，提高电能转换效率。
[0076]3.精确的电流检测:在开启时段Tw结束的时间点t3时，因为基极电流Ib为0，所以电流检测电压Vcs或是射极电流I6可以比较精确的代表集极电流I。，也就是流经变压器的初级侧绕组PRM的电流。也因此，采用时间点t3时的电流检测电压Vcs来做电流控制，将可以获得比较精准的结果。
[0077]4.截止时段Tdead时间长度可变:截止时段Tdead时间长度是依据电流检测电压Vcs以及预设偏压Vbias而定。简单地说，截止时段Tdead的时间长度为电流检测电压Vcs增加了预设偏压Vbias所需的时间。直流线电源Vum越高，电流检测电压Ves的增加速度也就越快，所以截止时段Tdead越短。在一实施例中，预设偏压Vbias随着补偿电压Vot而变化。因为补偿电压Vcom对应的是挂在次级侧的输出电源Vmjt上的输出负载,截止时段Tdead将会随着输出负载而变化。
[0078]以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书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】
1.一种适用于一开关式电源供应器的控制方法，该开关式电源供应器包含有一电流控制元件，该控制方法包含有: 提供一驱动电流，以驱动该电流控制元件； 检测流经该电流控制元件的一流通电流；以及 依据该流通电流，来控制该驱动电流； 其中，当该流通电流增加时,该驱动电流增加。
2.如权利要求1所述的控制方法，还包含有: 产生一比例电流，该比例电流等比例于该流通电流； 其中，该驱动电流与该比例电流相差一大致固定的偏移值。
3.如权利要求1所述的控制方法，其中，还包含有: 在该电流控制元件被开启后的一预定时间内，使该驱动电流为一预设固定值。
4.如权利要求1所述的控制方法，还包含有: 当该流通电流超过一补偿值时，使该电流控制元件完全关闭。
5.如权利要求1所述的控制方法，还包含有: 提供一时钟信号，周期性的使该电流控制元件被开启。
6.一种控制装置，用以驱动一电流控制元件，包含有: 一驱动电路，用以提供一驱动电流至该电流控制元件；以及 一信号转换器，依据流经该电流控制元件的一流通电流，来产生一控制信号； 其中，该驱动电流依据该控制信号而产生；以及 当该流通电流增加时，该控制信号与该驱动电流均增加。
7.如权利要求6所述控制装置,其中，该信号转换器为一跨导器(transconductor),依据一电流检测电压，来产生一比例电流，该电流检测电压比例于该流通电流。
8.如权利要求7所述控制装置，其中，该驱动电流与该比例电流相差一大致固定的偏移值。
9.如权利要求7所述控制装置，其中，该驱动电路包含有一高端驱动器(high-sidedriver),依据该比例电流以及一偏移电流，来产生该驱动电流。
10.如权利要求6所述控制装置，还包含有一逻辑控制单元以及一低端驱动器(low-side driver),当该流通电流超过一补偿值时,该逻辑控制单元使该低端驱动器关闭该电流控制兀件。
11.如权利要求10所述控制装置，其中，该补偿值受控于一开关式电源供应器的一电源输出结果。
12.截止时段的一种控制方法，适用于一驱动电路，该驱动电路具有一高端驱动器以及一低端驱动器，共同驱动一功率开关，该控制方法包含有: 保持该低端驱动器关闭，以该高端驱动器开启该功率开关； 使该高端与该低端驱动器均关闭，使该驱动电路进入该截止时段； 在该截止时段后，保持该高端驱动器关闭，以该低端驱动器关闭该功率开关；以及 依据流经该功率开关的一流通电流，来决定该截止时段的时间长度。
13.如权利要求12所述的控制方法，包含有: 当该流通电流超过一补偿值时，以该低端驱动器关闭该功率开关。
14.如权利要求13所述的控制方法，包含有: 当该流通电流超过一补偿值减去一预设值时，关闭该高端与该低端驱动器，使该驱动电路进入该截止时段。
15.如权利要求14所述的控制方法，包含有: 依据该补偿值，决定该预设值。
16.如权利要求12所述的控制方法，其中，该控制方法系适用于一开关式电源供应器，其接收一输入线电源，且该截止时段的该时间长度随着该输入线电源的升高而缩短。
17.如权利要求12所述的控制方法，其中，该截止时段的该时间长度系相关于一补偿值，且该补偿值受控于一开关式电源供应器的一电源输出结果。
18.—种控制装置，用以驱动一功率开关，包含有: 一驱动电路，包含有: 一高端驱动器，用以开启该功率开关；以及 一低端驱动器，用以关闭该功率开关； 一逻辑控制单元，控制该驱动电路；以及 一操作状态控制器，耦接至该逻辑控制单元，该操作状态控制器依据该功率开关的一流通电流，来决定一截止时段 的一时间长度； 其中，在该截止时段中，该高端与该低端驱动器均为关闭状态，没有驱动该功率开关。
19.如权利要求18所述的控制装置，其中，该操作状态控制器包含有: 一比较器，用以比较该流通电流与一补偿值； 当该流通电流高过该补偿值后，该逻辑控制单元以该低端驱动器关闭该功率开关，结束该截止时段。
20.如权利要求18所述的控制装置，其中，当该流通电流高过一补偿值减去一预设值时，该逻辑控制单元关闭该高端与该低端驱动器，使该驱动电路进入该截止时段。
21.如权利要求20所述的控制装置，其中，该补偿值受控于一开关式电源供应器的一电源输出结果。
22.如权利要求20所述的控制装置，其中，该补偿值受控于一开关式电源供应器的一电源输出结果，且该预设值由该补偿值来决定。
23.如权利要求18所述的控制装置，其中，该功率开关系为一电流控制元件。
24.如权利要求18所述的控制装置，其中，该控制装置还包含有一时钟装置，周期性的使该高端驱动器开启该功率开关。
【文档编号】H02M3/335GK103546036SQ201210241626
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2012年7月12日
【发明者】沈逸伦, 黄于芸 申请人:通嘉科技股份有限公司