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TW201308856A - 開關式電源供應器以及於一輸出電源端提供一輸出電壓之控制方法 - Google Patents

開關式電源供應器以及於一輸出電源端提供一輸出電壓之控制方法 Download PDF

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TW201308856A
TW201308856A TW100133463A TW100133463A TW201308856A TW 201308856 A TW201308856 A TW 201308856A TW 100133463 A TW100133463 A TW 100133463A TW 100133463 A TW100133463 A TW 100133463A TW 201308856 A TW201308856 A TW 201308856A
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Chien-Liang Lin
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Abstract

實施例提供一種開關式電源供應器以及於一輸出電源端提供一輸出電壓之控制方法。開關式電源供應器耦接至一輸入電源端以及一接地端。該開關式電源供應器包含有一控制器、一第一電感、以及一昇壓電路。該控制器控制一功率開關。該功率開關耦接至該電源輸入端以及一連接端，該控制器受該連接端以及一操作電源端所供電。該第一電感耦接於該連接端以及一放電端。該昇壓電路耦接至該放電端、該操作電源端以及該連接端，以使該操作電源端之一操作電壓大致不低於該放電端之一放電電壓。該放電端耦接至一輸出負載。

Description

開關式電源供應器以及於一輸出電源端提供一輸出電壓之控制方法
本發明係相關於一種電源供應器以及其控制方法，尤指一種電路體積可以相當縮減之電源供應器以及控制方法。
電源供應器幾乎是每個電子產品都必需有電子裝置，來將外來電源(可能是市電也可能是電池)，轉換成一負載(loading)所需要的特定電源。舉例來說，負載如果是一25V直流驅動馬達，則一相對應的電源供應器就可能需要從110V的市電，來產生25V的輸出電源。
電源供應器一般都非常注重轉換效率(conversion efficiency)。但是，對於現階段講究輕薄短小的電子產品而言，如何縮小電源供應器的體積以及成本，也非常受電源供應器之業界所重視。
第1圖為習知的電源供應器8，其具有返馳架構(flyback topology)10。電源供應器8在電源輸出端OUT產生輸出電壓VOUT，來對輸出負載20供電。控制器18控制返馳架構10中的功率開關15，以控制變壓器的儲能或是釋能。操作電源供應器12在操作電源端VCC提供操作電壓VCC，對控制器18供電。
第1圖之電源供應器8雖然廣為使用，但是可能有體積過大與成本偏高的問題。舉例來說，變壓器需要有三個電感繞組：一次側繞組PRM、二次側繞組SEC以及輔助繞組AUX。三個電感繞組的整體體積與成本將會相當可觀。還有，電源供應器8穩定輸出電壓VOUT的方法，一般是用LT431(未顯示)比較輸出電壓VOUT跟一期望值後，然後將比較結果透過光耦合器(photo coupler)(未顯示)傳遞到控制器18的補償端COM。LT431跟光耦合器的體積與成本也將會相當可觀。
本發明之一實施例提供一種開關式電源供應器，耦接至一輸入電源端以及一接地端。該開關式電源供應器包含有一控制器、一第一電感、以及一昇壓電路。該控制器控制一功率開關。該功率開關耦接至該電源輸入端以及一連接端，該控制器受該連接端以及一操作電源端所供電。該第一電感耦接於該連接端以及一放電端。該昇壓電路耦接至該放電端、該操作電源端以及該連接端，以使該操作電源端之一操作電壓大致不低於該放電端之一放電電壓。該放電端耦接至一輸出負載。
本發明之一實施例提供一種於一輸出電源端提供一輸出電壓之控制方法，包含有：以一操作電源端以及一連接端，對一控制器供電；使該操作電源端之一操作電壓大致上不低於一放電端之一放電電壓；耦接一輸出負載於該放電端以及該接地端之間，以於該輸出負載上提供該輸出電壓；以該控制器控制一功率開關，該功率開關耦接於一輸入電源端以及該連接端之間，該功率開關控制流經一第一電感之電感電流；以及，當該連接端之一連接電壓被拉高時，抬高該操作電壓。
第2圖顯示依據本發明所實施的電源供應器30，其包含有降壓架構(buck topology)32。
市電的交流電源線(AC power lines)AC，經過橋式整流器(bridge rectifier)13整流後，在輸入電源端IN產生輸入電壓VIN，並提供接地端。視各個地方所提供的交流電源，輸入電壓VIN的最大值可能介於90V到260V。輸入電壓VIN可以大約是一個DC定值，或是具有M形變化的波形。
降壓架構32中，功率開關34耦接在輸入電源端IN與連接端VS之間，二極體35在連接端VS與接地端之間，電感36在放電端DIS與連接端VS之間。放電端DIS與接地端對輸出負載20供電。
控制器38透過驅動端DRV，開啟或是關閉功率開關34。控制器38受操作電源端VCC以及連接端VS所供電。分壓電路，包含有分壓電阻44以及42，用來偵測操作電源端VCC到連接端VS之間的跨壓，也就是電容40的跨壓，而在分壓端FB上產生回饋電壓VFB給控制器38。控制器38依據回饋電壓VFB，來控制功率開關34。譬如說，控制器38控制了功率開關34之工作週期比(duty cycle)。
昇壓電路(bootstrap circuit)41耦接到三端：操作電源端VCC、連接端VS、以及放電端DIS。當操作電源端VCC上的操作電壓VCC比放電端DIS的放電電壓VDIS低時，昇壓電路41中的二極體43就會導通，使操作電壓VCC大約等於放電電壓VDIS。所以，操作電壓VCC將大致不低於放電電壓VDIS。電容40大致維持操作電源端VCC到連接端VS之間的跨壓。當連接端VS的電壓VS上升時，因為電容40所提供的電容耦合，操作電壓VCC也會上升。
啟動電阻46耦接在輸入電源端IN以及操作電源端VCC，提供一開始時，控制器38所需要的電源。
在交流電源線AC剛剛供電的開機時間(startup time)內，功率開關34關閉，放電電壓VDIS還沒有建立，假設為0V。此時，啟動電阻46從輸入電源端IN抽取電流，對電容40充電。因此，電容40跨壓漸漸上升。
當電容40跨壓到達足以使控制器38開始操作時，譬如說，電容40跨壓超過了12V，控制器38開始週期性的開啟或是關閉功率開關34。
當功率開關34被開啟(turned ON)，呈現短路狀態時，電感36會被充電(energize)，同時，流經電感36的電流，會對放電端DIS充電，開始抬高放電電壓VDIS。此時，連接端VS的電壓VS大約等於輸入電壓VIN。
當功率開關34被關閉時，呈現開路狀態時，因為電感36中的電流，連接端VS的電壓VS大約會被拉低到0V。此時，如果放電電壓VDIS大於操作電壓VCC，二極體43就導通，使操作電壓VCC大約等於放電電壓VDIS。所以，此時電容40的跨壓(操作電壓VCC與電壓VS之間的差異)，大約就等於放電電壓VDIS。
回饋電壓VFB大致反應了電容40的跨壓。控制器38可以控制功率開關34之工作週期比，以使回饋電壓VFB逼近一個預設值，也就是電容40的跨壓會逼近一個相對應的目標值VTAR。如此，放電電壓VDIS就可以被大致穩壓在目標值VTAR。舉例來說，如果分壓電阻44與42的電阻比值為9:1，而控制器38使回饋電壓VFB逼近2.5V，則放電電壓VDIS大致可以穩壓在25V。
從第2圖可知，電源供應器30只需有一個繞組：電感36。而且，電源供應器30並不需要有光耦合器或是LT431，就可以提供輸出負載20大致穩定的放電電壓VDIS。
第3圖顯示依據本發明所實施的電源供應器80。與第2圖之電源供應器30不同的，第3圖中之電源供應器80多了電感39，耦接於放電端DIS以及輸出負載20之間。輸出負載20與電感39透過輸出電源端OUT相耦接。輸出電壓VOUT於輸出電源端OUT上。
電感39可以提供一個比放電端DIS來的更高的輸出電壓VOUT。以先前所舉的例子來說，在第3圖中，分壓電阻44與42的電阻比值為9:1，控制器38使回饋電壓VFB逼近2.5V，則放電電壓VDIS大致可以穩壓在25V。如果此時，電感39與電感36之間的電感比例為2:1，則輸出電壓VOUT大致會穩定在75V(=25V*3)。
在一實施例中，控制器38為一單晶積體電路(monolithic integrated circuit)，而其他元件為離散元件(discrete device)。
在一實施例中，第2圖與第3圖中的輸出負載20是一個直流驅動馬達。因為需要的元件數目少，且元件都可採用小體積的元件，所以電源供應器30與80可以組裝在一直流驅動馬達的中央轉軸附近。
第4A圖顯示依據本發明所實施的電源供應器90，其與第2圖之電源供應器30類似，但是具有不同的電壓控制方式。與第2圖之電源供應器30相異的，電源供應器90有分壓電阻92與94串接在放電端DIS與連接端VS之間，而分壓電阻92與94之間的連接點耦接到控制器96之反饋/零電流端FB/ZCD。在此實施例中，乘數MDIV定義為R94/(R92+R94)，其中R92與R94分別為分壓電阻92與94之電阻值。可以從第4A圖之電路推導得知，反饋/零電流端FB/ZCD之電壓VFB/ZCD大約會是(VDIS*R94+VS*R92)/(R92+R94)。
第4B圖顯示第4A圖中之一些信號波形，由上而下，分別是驅動端DRV之電壓VDRV對連接端VS之電壓VS的差、連接端VS之電壓VS、以及偵測電壓VDET。偵測電壓VDET定義為反饋/零電流端FB/ZCD之電壓VFB/ZCD對連接端VS之電壓VS的差，等於VFB/ZCD-VS，大約等於(VDIS-VS)*MDIV。
如同第4B圖所示，控制器96從驅動端DRV打出寬度為開啟時間TON的脈波(pulse)。在開啟時間TON時，功率開關34開啟，電壓VS大約等於輸入電壓VIN。此時，反饋/零電流端FB/ZCD之電壓VFB/ZCD對連接端VS之電壓VS的差，也就是偵測電壓VDET，就是一個負電壓。此時，電感36進行儲能。
當功率開關34一被關閉後，電感36進行釋能，偵測電壓VDET會大約等於VDIS*MDIV。這一段時間稱為放電時間TDIS。
當電感36釋能完畢後，二極體35關閉，電壓VS會往放電電壓VDIS接近或是震盪，所以偵測電壓VDET在時間點tZCD交越過0電壓後，往0電壓逼近。
要使放電電壓VDIS穩定，一種控制方式，可以讓放電時間TDIS內，偵測電壓VDET大約為一定值。舉例來說，控制器96在放電時間TDIS內，對偵測電壓VDET進行取樣，而得到取樣電壓VSAM。如果取樣電壓VSAM低於目標值VTAR，則增加開啟時間TON。反之，如果取樣取樣電壓VSAM高於目標值VTAR，則降低開啟時間TON。如此，以下公式I大致上可以成立。
VDIS*MDIV=VTAR　…………I
所以，放電電壓VDIS可以大致被調整在約等於VTAR/MDIV的值。
在一個實施例中，控制器96進行準諧振(Quasi-Resonant，QR)控制模式。控制器96以偵測電壓VDET交越過0電壓的時間點tZCD，作為觸發下一次開啟時間TON的參考。
第5A圖顯示依據本發明所實施的電源供應器100，其與第2圖之電源供應器30類似，但是具有不同的電壓控制方式。與第2圖之電源供應器30相異的，電源供應器90有分壓電阻98與99串接在放電端DIS與接地端之間，而分壓電阻98與99之間的連接點耦接到控制器102之反饋/零電流端FB/ZCD。在此實施例中，乘數MDIV定義為R99/(R98+R99)，其中R98與R99分別為分壓電阻98與99之電阻值。可以從第5A圖之電路推導得知，反饋/零電流端FB/ZCD之電壓VFB/ZCD大約會是VDIS*MDIV。
第5B圖顯示第5A圖中之一些信號波形，由上而下，分別是驅動端DRV之電壓VDRV對連接端VS之電壓VS的差、連接端VS之電壓VS、以及偵測電壓VDET。偵測電壓VDET定義為反饋/零電流端FB/ZCD之電壓VFB/ZCD對連接端VS之電壓VS的差，等於VFB/ZCD-VS，大約等於VDIS*MDIV-VS。
業界具有普通技術之人士，可以依據第4A圖、第4B圖以及相關之教導，得知第5A圖之電源供應器100的操作。故電源供應器100的操作不再細細累述。
如第5A與第5B圖所示，當電感36釋能完畢後，二極體35關閉，電壓VS會往放電電壓VDIS接近或是震盪，所以偵測電壓VDET在時間點tZCD交越過0電壓後，往VDIS*(MDIV-1)逼近。
在一實施例中，控制器102在放電時間TDIS內，對偵測電壓VDET進行取樣，而得到取樣電壓VSAM。如果取樣電壓VSAM低於目標值VTAR，則增加開啟時間TON。反之，如果取樣取樣電壓VSAM高於目標值VTAR，則降低開啟時間TON。類似的，放電電壓VDIS可以大致被調整在約等於VTAR/MDIV的值。
在一個實施例中，控制器102進行QR控制模式。控制器102以偵測電壓VDET交越過0電壓的時間點tZCD，作為觸發下一次開啟時間TON的參考。
在一個實施例中，控制器102在放電時間TDIS後，透過反饋/零電流端FB/ZCD，來偵測放電電壓VDIS，並據以控制是否進入一開啟時間TON。舉例來說，當控制器102在放電時間TDIS內，對偵測電壓VDET進行取樣，所得到的取樣電壓VSAM過高，控制器102可以進入輕載省電模式(burst mode)，一直維持關閉功率開關34。只是，在輕載省電模式時，如同第5B圖所示的，反饋/零電流端FB/ZCD上的電壓或是電流，可以反應放電電壓VDIS。因此，在輕載省電模式時，控制器102可以透過反饋/零電流端FB/ZCD，來偵測放電電壓VDIS。一旦放電電壓VDIS達到一定條件，就脫離輕載省電模式，進入正常操作模式，控制器102開始開啟功率開關34。在一實施例中，當VDIS*(1-MDIV)的絕對值低於一定程度時，控制器102就脫離輕載省電模式。在另一個實施例中，控制器102提供一箝制電流ICLAMP使電壓VFB/ZCD不低於電壓VS。在輕載省電模式中，如果箝制電流ICLAMP低於一定值，控制器102就脫離輕載省電模式。
第6圖與第7圖顯示了依據本發明所實施的電源供應器110與120，其為第4A圖與第5A圖中之變形。業界具有普通技術之人士，可以本揭露書之教導，而得知電源供應器110與120的原理以及操作。故不再累述。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
8．．．電源供應器
10．．．返馳架構
12．．．操作電源供應器
13．．．橋式整流器
15．．．功率開關
18．．．控制器
20．．．輸出負載
30．．．電源供應器
32．．．降壓架構
34．．．功率開關
35．．．二極體
36．．．電感
38．．．控制器
39．．．電感
40．．．電容
41．．．昇壓電路
42、44．．．分壓電阻
43．．．二極體
46．．．啟動電阻
80．．．電源供應器
90．．．電源供應器
92、94．．．分壓電阻
96．．．控制器
98、99．．．分壓電阻
100．．．電源供應器
102．．．控制器
110、120．．．電源供應器
AC．．．交流電源線
AUX．．．輔助繞組
COM．．．補償端
DIS．．．放電端
DRV．．．驅動端
FB．．．分壓端
FB/ZCD．．．反饋/零電流端
IN．．．輸入電源端
MDIV．．．乘數
OUT．．．電源輸出端
PRM．．．一次側繞組
SEC．．．二次側繞組
tZCD．．．時間點
TDIS．．．放電時間
TON．．．開啟時間
VCC．．．操作電壓
VCC．．．操作電源端
VDET．．．偵測電壓
VDIS．．．放電電壓
VDRV．．．電壓
VFB．．．回饋電壓
VIN．．．輸入電壓
VOUT．．．輸出電壓
VS．．．電壓
VS．．．連接端
第1圖為習知的電源供應器。
第2圖與第3圖顯示依據本發明所實施的二電源供應器。
第4A圖顯示依據本發明所實施的一電源供應器。
第4B圖顯示第4A圖中之一些信號波形。
第5A圖顯示依據本發明所實施的一電源供應器。
第5B圖顯示第5A圖中之一些信號波形。
第6圖與第7圖顯示了依據本發明所實施的二電源供應器。
13．．．橋式整流器
20．．．輸出負載
30．．．電源供應器
32．．．降壓架構
34．．．功率開關
35．．．二極體
36．．．電感
38．．．控制器
40．．．電容
41．．．昇壓電路
42、44．．．分壓電阻
43．．．二極體
46．．．啟動電阻
AC．．．交流電源線
DIS．．．放電端
DRV．．．驅動端
FB．．．分壓端
IN．．．輸入電源端
VCC．．．操作電源端
VS．．．連接端

Claims (17)

  1. 一種開關式電源供應器，耦接至一輸入電源端以及一接地端，包含有：一控制器，控制一功率開關，該功率開關耦接至該電源輸入端以及一連接端，該控制器受該連接端以及一操作電源端所供電；一第一電感，耦接於該連接端以及一放電端；以及一昇壓電路(bootstrap circuit)，耦接至該放電端、該操作電源端以及該連接端，以使該操作電源端之一操作電壓大致不低於該放電端之一放電電壓；其中，該放電端耦接至一輸出負載。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，該電源供應器另包含有：一分壓電路，耦接於該操作電源端以及該連接端之間，提供一回饋電壓至該控制器；其中，該控制器依據該回饋電壓，控制該功率開關。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，該電源供應器另包含有：一二極體，耦接於該連接端以及該接地端之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，其中，該昇壓電路包含有：一二極體，耦接於該操作電源端與該放電端之間；以及一昇壓電容，耦接於該連接端與該操作電源端之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，另包含有：一啟動電阻，耦接於該輸入電源端與該操作電源端之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，其中，該輸出負載包含有一直流驅動馬達。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，另包含有：一第二電感，耦接於一輸出電源端以及該放電端之間，該輸出負載耦接於該輸出電源端與該接地端之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，其中，該輸出負載連接於該放電端與該接地端之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，其中，該電源供應器另包含有：一分壓電路，耦接於該放電端以及該連接端之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之開關式電源供應器，其中，該電源供應器另包含有：一分壓電路，耦接於該放電端以及該接地端之間。
  11. 一種於一輸出電源端提供一輸出電壓之控制方法，包含有：以一操作電源端以及一連接端，對一控制器供電；使該操作電源端之一操作電壓大致上不低於一放電端之一放電電壓；連接一輸出負載於該放電端以及一接地端之間，以於該輸出負載上提供該輸出電壓；以該控制器控制一功率開關，該功率開關耦接於一輸入電源端以及該連接端之間，該功率開關控制流經一第一電感之電感電流；以及當該連接端之一連接電壓被拉高時，抬高該操作電壓；其中，該第一電感耦接於該連接端與該放電端之間。
  12. 如申請專利範圍第11項之控制方法，另包含：偵測該操作電源端之一操作電壓，以產生一回饋電壓；其中，該控制器依據該回饋電壓，控制該功率開關。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，其中，該控制器依據該回饋電壓，控制該功率開關之一工作週期比(duty cycle)。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之控制方法，另包含有：耦接一二極體於該連接端與該接地端之間。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之控制方法，另包含有：耦接一第二電感於該放電端與一輸出電源端之間；其中，該輸出負載耦接於該輸出電源端以及該接地端之間。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之控制方法，另包含有：依據該放電端之該放電電壓以及該連接端之該連接電壓，提供一反饋電壓；以及依據該反饋電壓，來控制該功率開關。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之控制方法，另包含有：依據該放電端之該放電電壓，提供一反饋電壓；以及依據該反饋電壓，來控制該功率開關。
TW100133463A 2011-08-04 2011-09-16 開關式電源供應器以及於一輸出電源端提供一輸出電壓之控制方法 TW201308856A (zh)

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