操作于涟波控制模式的电源供应器以及其控制方法与流程

本发明是关于一电源供应器以及其控制方法，尤其是关于一开关式电源供应器的反馈控制方式。

背景技术：

开关式电源供应器(switching mode power supply)，因为其具有相当好的转换效率，所以广泛的应用于不同电压的电源间的转换。

图1为已知的一开关式电源供应器10，用来对负载20供电。开关式电源供应器10中有一个降压式电源转换器(buck converter)12，用来将具有一相对高电压的输入电压电源V_IN，转换成一相对低电压的输出电压电源V_O-N。输出电压电源V_O-N的电压讯息，通过分压电路16，反馈给电源控制器14的反馈端FB。电源控制器14据以产生脉冲宽度调变(pulse-width-modulation，PWM)信号，控制降压式电源转换器12，以使输出电压电源V_O-N大致稳定在一预设值。举例来说，当反馈端FB上的反馈电压V_FB低于一个设定值时，电源控制器14就在高侧端HS上提供一脉冲，使高侧功率开关SW_HS在一开启时间T_ON维持导通。此时，输入电压电源V_IN开始供应电能给电感L与输出电容C_O。开启时间T_ON结束后，电源控制器14通过低侧端LS开启低侧功率开关SW_LS，直到电感L中存放的能量完全释放至输出电容C_O为止。如果，反馈电压V_FB已经超过那设定值了，那高侧功率开关SW_HS就一直维持在关闭的状态。换言之，输出电压电源V_O-N的电压偏低时，输入电压电源V_IN就通过电感L转换电能给输出电压电源V_O-N，拉升其电压；反之，当输出电压电源V_O-N的电压偏高，电能转换就不发生。因此，输出电压电源V_O-N-的电压可大致稳定在一预设值。但是，在一些应用的场合，电源转换器跟被驱动的负载，彼此相隔非常遥远。如同图1所示，负载20并非直接连接到输出电压电源V_O-N，两者之间，有一段长度可观的传导线18，譬如印刷电路板(PCB)上的印刷铜导线。为了说明上的方便， 传导线18与电源转换器12的接点在此说明书中称为近输出供电端O_N，而传导线18与负载20的接点称为远输出供电端O_R。近输出供电端O_N上的输出电压电源V_O-N也称为近端输出电源V_O-N，而远输出供电端O_R上提供有远端输出电源V_O-R。

尽管图1中的开关式电源供应器10可以将近端输出电源V_O-N的电压大致稳定在预设值，但是，其却无法稳定远端输出电源V_O-R的电压。举例来说，当负载20很轻或是无载时，流过传导线18的电流几乎可以忽略，所以远端输出电源V_O-R与近端输出电源V_O-N的电压将大约一样。但当负载20很重(heavy)时，流过传导线18的电流将会相当的可观，因此传导线18的寄生电阻所产生的压降，将造成远端输出电源V_O-R的电压相当明显地低于近端输出电源V_O-N的电压。远端输出电源V_O-R才是真正对负载20供电的电源，因此其电压的稳定是非常重要的，不应随着负载20的轻重变化而被影响。

技术实现要素：

本发明提出一种电源供应器，用以供电至一负载，包含有一电源转换器、一远输出供电端、一传导线、一反馈电路、以及一电源控制器。该电源转换器用以将一输入电源转换为一近端输出电源。该电源转换器具有一电源输入端，接收该输入电源，以及一近输出供电端，输出该近端输出电源。该远输出供电端提供一远端输出电源至该负载。该传导线连接于该近输出供电端与该远输出供电端之间。该反馈电路依据该远输出供电端与该近输出供电端的电位，产生一反馈信号。该电源控制器控制该电源转换器，依据该反馈信号以及一参考信号，输出一脉冲至该电源转换器，其据以将该输入电源转换为该近端输出电源。

本发明还提出一种控制方法，用以控制一电源供应器供电至一负载。该电源供应器包含有一电源输入端以及一近输出供电端。该电源输入端接收一输入电源，该近输出供电端输出一近端输出电源，其由该输入电源转换而产生。一远端输出电源提供一远端输出电源，对一负载供电。一传导线连接于该近输出供电端与该远输出供电端之间。该电源控制方法包含有：接收该远端输出电源；接收该近端输出电源；依据该远端输出电源的电位与该近端输出电源的电位产生一反馈信号；依据该反馈信号与一参考信号产生一脉冲；以及，依据该脉冲 将该输入电源转换为该近端输出电源。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1为已知的一开关式电源供应器。

图2为另一种开关式电源供应器。

图3为依据本发明所实施的一电源供应器。

图4分别显示高侧端HS上的信号S_HS、低侧端LS上的信号S_LS、反馈端FB上的反馈信号V_FB，以及数字比较结果S_OUT。

图5显示一种开启时间T_ON的控制方法。

图6显示另一种开启时间T_ON的控制方法。

图中元件标号说明如下：

10：开关式电源供应器

12：降压式电源转换器

14：电源控制器

16：分压电路

18：传导线

20：负载

30：开关式电源供应器

60：电源供应器

62：电源控制器

64：比较器

68：脉冲产生器

70：反馈电路

90、92、94、96、97、98：步骤

C_DECAP：离耦电容

C_FB：反馈电容

C_o：输出电容

FB：反馈端

GND：地端

HS：高侧端

L：电感

LS：低侧端

O_N：近输出供电端

O_R：远输出供电端

R₁：电阻

R₂：电阻

S_HS：信号

S_LS：信号

S_OUT：数字比较结果

SW_HS：高侧功率开关

SW_LH：低侧功率开关

t₀、t₁、t₂：时间

T_CYC：转换周期

T_CYC-TAR：目标转换周期

T_OFF：关闭时间

T_ON：开启时间

V_FB：反馈信号

V_REF：参考信号

V_IN：输入电压电源

V_O-N：输出电压电源、近端输出电源

V_O-R：远端输出电源

具体实施方式

针对现有技术中的缺点，一种可能的解决方式是将图1中的近端监测，改成远端监测(remote sensing)，如同图2所示。图2为另一种开关式电源供应器30，对负载20供电。图2中的分压电路16连接在远输出供电端O_R与一地端 GND之间，检测远端输出电源V_O-R的电压，将检测结果反馈给电源控制器14的反馈端FB。

理论上，既然图2中的电源控制器14监控的是远端输出电源V_O-R的电压，开关式电源供应器30应该可以将远端输出电源V_O-R的电压稳定在一预设值。但是，实作上图2的开关式电源供应器30仍可能发生远端输出电源V_O-R电压不稳定的情形，或是输出涟波(output ripple)过大的问题。甚至有许多电源控制器的应用说明书中，都明白的指出其电源控制器不可应用于远端监测，原因的一即是受传导线18中所寄生的电感与电阻影响。一旦传导线18相当的长，其中所寄生的电感与电阻就变得相当可观。电感与电阻构成了一个低通电路，产生了信号延迟，也导致了整个控制回路的不稳定。

图3为依据本发明所实施的一电源供应器60，对负载20供电。电源供应器60可以稳定远端输出电源V_O-R的电压。

电源供应器60包含有一电源控制器62、一降压式电源转换器12、一传导线18、以及一反馈电路70。

电源控制器62可以是一集成电路，具有(但不限于)反馈端FB、高侧端HS、与低侧端LS的接脚。降压式电源转换器12，用来将具有一相对高电压的输入电压电源V_IN，转换成一相对低电压的近端输出电源V_O-N。传导线18连接于近输出供电端O_N与远输出供电端O_R之间，其寄生有电感与电阻所构成一低通电路，所以为一低通传导线。输出电容C_o连接于近输出供电端O_N与地端GND之间，离耦电容C_DECAP连接于远输出供电端O_R与地端GND之间。

反馈电路70包含有反馈电容C_FB、电阻R₁、与电阻R₂。反馈电容C_FB连接于近输出供电端O_N与反馈端FB之间。电阻R₁与R₂以反馈端FB作为连接点，串接于远输出供电端O_R与地端GND之间。经由简单的电路推导可知，反馈信号V_FB、远端输出电源V_O-R与近端输出电源V_O-N的关系可以表示为以下公式(1)

其中，VFB、VON、VOR分为反馈信号V_FB、近端输出电源V_O-N、远端输出电源V_O-R的电压，CFB为反馈电容C_FB的电容值，i为虚数，f为信号频率， R1与R2分别为电阻R₁与R₂的阻值，R1//R2表示电阻R₁与R₂并联后的等效电阻值。

反馈电路70提供远输出供电端O_R上的远端输出电源V_O-R低通滤波，可以在反馈端FB产生远端输出电源V_O-R的一低通信号(即公式(1)的后半部)。反馈电路70也提供近输出供电端O_N上的近端输出电源V_O-N高通滤波，可以在反馈端FB产生近端输出电源V_O-N的一高通信号(即公式(1)的前半部)。所以，图3中，反馈端FB上的反馈信号V_FB大约就是远端输出电源V_O-R的一电位(于本实施例中即为该低通信号)，以及近端输出电源V_O-N的一电位(于本实施例中即为该高通信号)，两者的组合。在其他实施例中，反馈电路70可以以其他种电路架构所组成，其只要能在反馈端FB提供远端输出电源V_O-R的电位，以及近端输出电源V_O-N的电位，即可达到相同效果。

电源控制器62可以操作于涟波控制模式(ripple mode)。所谓涟波控制模式是指电源转换器所执行的电能转换，是由输出电源的电压所触发的一种操作模式。举例来说，电源控制器62有一比较器64与一脉冲产生器68。比较器64比较反馈信号V_FB与一参考信号V_REF，参考信号V_REF可以为固定的2.5V。依据反馈信号V_FB与参考信号V_REF的差异，比较器64输出一数字比较结果S_OUT。当数字比较结果S_OUT从逻辑上的”0”转态为”1”时(反馈信号V_FB低于参考信号V_REF)，脉冲产生器68被触发，而在高侧端HS上提供一脉冲。当比较结果S_OUT维持在逻辑上的”0”时(反馈信号V_FB高于参考信号V_REF)，脉冲就不提供。相较于一般用运算放大器的电源控制器而言，操作于涟波控制模式的电源控制器62的反应速度会比较快，可以使远端输出电源V_O-R具有较低的输出涟波。

降压式电源转换器12具有一高侧功率开关SW_HS、一低侧功率开关SW_LH、以及一电感L。高侧端HS上的一脉冲的脉冲宽度大致决定了高侧功率开关SW_HS的开启时间T_ON。举例来说，当反馈信号V_FB低于参考信号V_REF时，比较器64输出一逻辑值为”1”的数字比较结果S_OUT，脉冲产生器68据以在高侧端HS提供一个脉冲，开启高侧功率开关SW_HS。

图4分别显示高侧端HS上的信号S_HS、低侧端LS上的信号S_LS、反馈端FB上的反馈信号V_FB，以及数字比较结果S_OUT。信号S_HS具有数个脉冲。每个脉冲的脉冲宽度，称为开启时间T_ON。两个连续脉冲之间，称为关闭时间T_OFF。 一个开启时间T_ON与一个关闭时间T_OFF的合，称为转换周期T_CYC。在时间t₀，反馈信号V_FB低于参考信号V_REF时，信号S_HS出现一个脉冲，高侧功率开关SW_HS被开启，开启时间T_ON开始。开启时间T_ON结束后，信号S_LS出现另一个脉冲，用来开启低侧功率开关SW_LS。低侧功率开关SW_LS用来提供同步整流(synchronous rectifier，SR)的功能。

电源控制器62可以操作于最小关闭时间(minimum OFF-time)模式，也就是一个开启时间T_ON后的关闭时间T_OFF，不能小于一个最小关闭时间T_OFF-MIN。换言之，高侧功率开关SW_HS在时间t₁关闭后，至少需要间隔最小关闭时间T_OFF-MIN后，才能被再次开启，进入下一个开启时间T_ON。举例来说，在图3中，当反馈信号V_FB低于参考信号V_REF，且关闭时间T_OFF超过最小关闭时间T_OFF-MIN时，脉冲产生器6才在时间t₂于高侧端HS上提供另一脉冲，开始下一个开启时间T_ON。

电源控制器62可以操作于固定开启时间(constant ON-time)模式，也就是说，开启时间T_ON一直为固定值。然而在另一实施例，虽然邻近的数个转换周期中每一个开启时间T_ON大致都相同，但是长时间来看，开启时间T_ON仍可依据检测结果而缓慢地被调整。

图5显示一种开启时间T_ON的控制方法，可以使用于电源控制器62中。在步骤90，脉冲产生器68检测输入电压电源V_IN与近端输出电源V_O-N的电压；然后步骤92依据检测结果，决定开启时间T_ON。举例来说，T_ON＝K*VON/VIN(公式一)，其中，K是常数，VON为近端输出电源V_O-N的电压，VIN为输入电压电源V_IN的电压。当依据公式一来控制开启时间T_ON时，且降压式电源转换器12操作于连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)时，可以使得转换周期T_CYC大约维持在一个常数。所谓CCM指的是在一转换周期结束时，电感元件所存放的能量尚未完全释放，而下一转换周期就开始了；相对的，不连续导通模式(discontinuous conduction mode，DCM)指的是一转换周期结束时，电感元件所存放的能量一定完全释放，而下一转换周期才会开始了。

图6显示另一种开启时间T_ON的控制方法，一样也适用于电源控制器62。步骤94检测转换周期T_CYC的时间长度。举例来说，步骤94检测信号S_HS中两个连续的上升缘(rising edge)或下降缘之间的时间长度。步骤96比较转换周期 T_CYC与一目标转换周期T_CYC-TAR。如果转换周期T_CYC大于目标转换周期T_CYC-TAR，步骤98减少开启时间T_ON。开启时间T_ON比较短，因为电感L存放了比较少的电能，所以近端输出电源V_O-N与远端输出电源V_O-R就会比较早下降，可以缩短之后的转换周期T_CYC。相反的，如果转换周期T_CYC小于目标转换周期T_CYC-TAR，步骤97增加开启时间T_ON。图6的控制方法，可以使转换周期T_CYC往目标转换周期T_CYC-TAR接近。

利用远端输出电源V_O-R的一远端输出值，以及近端输出电源V_O-N的一近端输出值作为反馈，图3的电源供应器60可以提供足够快的反应速度，来稳定远端输出电源V_O-R的电压。

尽管图3以一操作于涟波控制模式的同步整流降压式电源转换器为例，但是本发明并不限于此。举例来说，本发明也可以适用于非同步的电源转换器，本发明也可以适用于一升压电源转换器(boost converter)。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。