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TW201705667A - 操作於漣波控制模式之電源供應器以及其控制方法 - Google Patents

操作於漣波控制模式之電源供應器以及其控制方法 Download PDF

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

一種電源供應器，用以供電至一負載，包含有一電源轉換器、一遠輸出供電端、一傳導線、一回授電路、以及一電源控制器。該電源轉換器用以將一輸入電源轉換為一近端輸出電源。該電源轉換器具有一電源輸入端，接收該輸入電源，以及一近輸出供電端，輸出該近端輸出電源。該遠輸出供電端提供一遠端輸出電源至該負載。該傳導線連接於該近輸出供電端與該遠輸出供電端之間。該回授電路依據該遠輸出供電端與該近輸出供電端之準位，產生一回饋信號。該電源控制器控制該電源轉換器，依據該回饋信號以及一參考信號，輸出一脈波至該電源轉換器，其據以將該輸入電源轉換為該近端輸出電源。

Description

操作於漣波控制模式之電源供應器以及其控制方法
本發明係關於一電源供應器以及其控制方法，尤其是關於一開關式電源供應器的回授控制方式。
開關式電源供應器(switching mode power supply)，因為其具有相當好的轉換效率，所以廣泛的應用於不同電壓之電源間的轉換。
第1圖為習知的一開關式電源供應器10，用來對負載20供電。開關式電源供應器10中有一個降壓式電源轉換器(buck converter)12，用來將具有一相對高電壓的輸入電壓電源VIN，轉換成一相對低電壓的輸出電壓電源VO-N。輸出電壓電源VO-N的電壓訊息，透過分壓電路16，回授給電源控制器14之回饋端FB。電源控制器14據以產生脈波寬度調變(pulse-width-modulation，PWM)信號，控制降壓式電源轉換器12，以使輸出電壓電源VO-N大致穩定在一預設值。舉例來說，當回饋端FB上的回饋電壓VFB低於一個設定值時，電源控制器14就在高側端HS上提供一脈波，使高側功率開關SWHS在一開啟時間TON維持導通。此時，輸入電壓電源VIN開始供應電能給電感L與輸出電容CO。開啟時間TON結束後，電源控制器14透過低側端LS開啟低側功率開關SWLS，直到電感L中存放的能量完全釋放至輸出電容CO為止。如果，回饋電壓VFB已經超過那設定值了，那高側功率開關 SWHS就一直維持在關閉的狀態。換言之，輸出電壓電源VO-N之電壓偏低時，輸入電壓電源VIN就透過電感L轉換電能給輸出電壓電源VO-N，拉升其電壓；反之，當輸出電壓電源VO-N之電壓偏高，電能轉換就不發生。因此，輸出電壓電源VO-N的電壓可大致穩定在一預設值。但是，在一些應用的場合，電源轉換器跟被驅動之負載，彼此相隔非常遙遠。如同第1圖所示，負載20並非直接連接到輸出電壓電源VO-N，兩者之間，有一段長度可觀的傳導線18，譬如印刷電路板(PCB)上的印刷銅導線。為了說明上的方便，傳導線18與電源轉換器12之接點在此說明書中稱為近輸出供電端ON，而傳導線18與負載20之接點稱為遠輸出供電端OR。近輸出供電端ON上的輸出電壓電源VO-N也稱為近端輸出電源VO-N，而遠輸出供電端OR上提供有遠端輸出電源VO-R。
儘管第1圖中的開關式電源供應器10可以將近端輸出電源VO-N之電壓大致穩定在預設值，但是，其卻無法穩定遠端輸出電源VO-R的電壓。舉例來說，當負載20很輕或是無載時，流過傳導線18的電流幾乎可以忽略，所以遠端輸出電源VO-R與近端輸出電源VO-N之電壓將大約一樣。但當負載20很重(heavy)時，流過傳導線18的電流將會相當的可觀，因此傳導線18之寄生電阻所產生的壓降，將造成遠端輸出電源VO-R的電壓相當明顯地低於近端輸出電源VO-N的電壓。遠端輸出電源VO-R才是真正對負載20供電的電源，因此其電壓之穩定是非常重要的，不應隨著負載20之輕重變化而被影響。
一種電源供應器，用以供電至一負載，包含有一電源轉換器、一遠輸出供電端、一傳導線、一回授電路、以及一電源控制器。該電 源轉換器用以將一輸入電源轉換為一近端輸出電源。該電源轉換器具有一電源輸入端，接收該輸入電源，以及一近輸出供電端，輸出該近端輸出電源。該遠輸出供電端提供一遠端輸出電源至該負載。該傳導線連接於該近輸出供電端與該遠輸出供電端之間。該回授電路依據該遠輸出供電端與該近輸出供電端之準位，產生一回饋信號。該電源控制器控制該電源轉換器，依據該回饋信號以及一參考信號，輸出一脈波至該電源轉換器，其據以將該輸入電源轉換為該近端輸出電源。
一種控制方法，用以控制一電源供應器供電至一負載。該電源供應器包含有一電源輸入端以及一近輸出供電端。該電源輸入端接收一輸入電源，該近輸出供電端輸出一近端輸出電源，其由該輸入電源轉換而產生。一遠端輸出電源提供一遠端輸出電源，對一負載供電。一傳導線連接於該近輸出供電端與該遠輸出供電端之間。該電源控制方法包含有：接收該遠端輸出電源；接收該近端輸出電源；依據該遠端輸出電源之準位與該近端輸出電源之準位產生一回饋信號；依據該回饋信號與一參考信號產生一脈波；以及，依據該脈波將該輸入電源轉換為該近端輸出電源。
10‧‧‧開關式電源供應器
12‧‧‧降壓式電源轉換器
14‧‧‧電源控制器
16‧‧‧分壓電路
18‧‧‧傳導線
20‧‧‧負載
30‧‧‧開關式電源供應器
60‧‧‧電源供應器
62‧‧‧電源控制器
64‧‧‧比較器
68‧‧‧脈波產生器
70‧‧‧回授電路
90、92、94、96、97、98‧‧‧步驟
CDECAP‧‧‧離耦電容
CFB‧‧‧回授電容
Co‧‧‧輸出電容
FB‧‧‧回饋端
GND‧‧‧地端
HS‧‧‧高側端
L‧‧‧電感
LS‧‧‧低側端
ON‧‧‧近輸出供電端
OR‧‧‧遠輸出供電端
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
SHS‧‧‧信號
SLS‧‧‧信號
SOUT‧‧‧數位比較結果
SWHS‧‧‧高側功率開關
SWLH‧‧‧低側功率開關
t0、t1、t2‧‧‧時間
TCYC‧‧‧轉換週期
TCYC-TAR‧‧‧目標轉換週期
TOFF‧‧‧關閉時間
TON‧‧‧開啟時間
VFB‧‧‧回授信號
VREF‧‧‧參考信號
VIN‧‧‧輸入電壓電源
VO-N‧‧‧輸出電壓電源、近端輸出電源
VO-R‧‧‧遠端輸出電源
第1圖為習知的一開關式電源供應器。
第2圖為另一種開關式電源供應器。
第3圖為依據本發明所實施的一電源供應器。
第4圖分別顯示高側端HS上的信號SHS、低側端LS上的信號SLS、回授端FB上的回授信號VFB，以及數位比較結果SOUT。
第5圖顯示一種開啟時間TON的控制方法。
第6圖顯示另一種開啟時間TON的控制方法。
針對先前技術中的缺點，一種可能的解決方式是將第1圖中的近端監測，改成遠端監測(remote sensing)，如同第2圖所示。第2圖為另一種開關式電源供應器30，對負載20供電。第2圖中的分壓電路16連接在遠輸出供電端OR與一地端GND之間，偵測遠端輸出電源VO-R的電壓，將偵測結果回授給電源控制器14之回饋端FB。
理論上，既然第2圖中的電源控制器14監控的是遠端輸出電源VO-R的電壓，開關式電源供應器30應該可以將遠端輸出電源VO-R的電壓穩定在一預設值。但是，實作上第2圖的開關式電源供應器30仍可能發生遠端輸出電源VO-R電壓不穩定的情形，或是輸出漣波(output ripple)過大之問題。甚至有許多電源控制器之應用說明書中，都明白的指出其電源控制器不可應用於遠端監測，原因之一即是受傳導線18中所寄生的電感與電阻影響。一旦傳導線18相當的長，其中所寄生的電感與電阻就變得相當可觀。電感與電阻構成了一個低通電路，產生了信號延遲，也導致了整個控制迴路的不穩定。
第3圖為依據本發明所實施的一電源供應器60，對負載20供電。電源供應器60可以穩定遠端輸出電源VO-R的電壓。
電源供應器60包含有一電源控制器62、一降壓式電源轉換器12、一傳導線18、以及一回授電路70。
電源控制器62可以是一積體電路，具有(但不限於)回授端 FB、高側端HS、與低側端LS之接腳。降壓式電源轉換器12，用來將具有一相對高電壓的輸入電壓電源VIN，轉換成一相對低電壓的近端輸出電源VO-N。傳導線18連接於近輸出供電端ON與遠輸出供電端OR之間，其寄生有電感與電阻所構成一低通電路，所以為一低通傳導線。輸出電容Co連接於近輸出供電端ON與地端GND之間，離耦電容CDECAP連接於遠輸出供電端OR與地端GND之間。
回授電路70包含有回授電容CFB、電阻R1、與電阻R2。回授電容CFB連接於近輸出供電端ON與回授端FB之間。電阻R1與R2以回授端FB作為連接點，串接於遠輸出供電端OR與地端GND之間。經由簡單的電路推導可知，回授信號VFB、遠端輸出電源VO-R與近端輸出電源VO-N的關係可以表示為以下公式(1)
其中，VFB、VON、VOR分為回授信號VFB、近端輸出電源VO-N、遠端輸出電源VO-R的電壓，CFB為回授電容CFB的電容值，i為虛數，f為信號頻率，R1與R2分別為電阻R1與R2的阻值，R1//R2表示電阻R1與R2並聯後的等效電阻值。
回授電路70提供遠輸出供電端OR上之遠端輸出電源VO-R低通濾波，可以在回授端FB產生遠端輸出電源VO-R之一低通信號(即公式(1)的後半部)。回授電路70也提供近輸出供電端ON上之近端輸出電源VO-N高通濾波，可以在回授端FB產生近端輸出電源VO-N之一高通信號(即公式(1)的前半部)。所以，第3圖中，回授端FB上之回授信號VFB大約就是遠端輸出電源VO-R 之一準位(於本實施例中即為該低通信號)，以及近端輸出電源VO-N之一準位(於本實施例中即為該高通信號)，兩者的組合。在其他實施例中，回授電路70可以以其他種電路架構所組成，其只要能在回授端FB提供遠端輸出電源VO-R之準位，以及近端輸出電源VO-N之準位，即可達到相同效果。
電源控制器62可以操作於漣波控制模式(ripple mode)。所謂漣波控制模式是指電源轉換器所執行的電能轉換，是由輸出電源之電壓所觸發的一種操作模式。舉例來說，電源控制器62有一比較器64與一脈波產生器68。比較器64比較回授信號VFB與一參考信號VREF，參考信號VREF可以為固定的2.5V。依據回授信號VFB與參考信號VREF的差異，比較器64輸出一數位比較結果SOUT。當數位比較結果SOUT從邏輯上的”0”轉態為”1”時(回授信號VFB低於參考信號VREF)，脈波產生器68被觸發，而在高側端HS上提供一脈波。當比較結果SOUT維持在邏輯上的”0”時(回授信號VFB高於參考信號VREF)，脈波就不提供。相較於一般用運算放大器的電源控制器而言，操作於漣波控制模式的電源控制器62之反應速度會比較快，可以使遠端輸出電源VO-R具有較低的輸出漣波。
降壓式電源轉換器12具有一高側功率開關SWHS、一低側功率開關SWLH、以及一電感L。高側端HS上的一脈波之脈波寬度大致決定了高側功率開關SWHS的開啟時間TON。舉例來說，當回授信號VFB低於參考信號VREF時，比較器64輸出一邏輯值為”1”的數位比較結果SOUT，脈波產生器68據以在高側端HS提供一個脈波，開啟高側功率開關SWHS。
第4圖分別顯示高側端HS上的信號SHS、低側端LS上的信號SLS、回授端FB上的回授信號VFB，以及數位比較結果SOUT。信號SHS具有數 個脈波。每個脈波的脈波寬度，稱為開啟時間TON。兩個連續脈波之間，稱為關閉時間TOFF。一個開啟時間TON與一個關閉時間TOFF之合，稱為轉換週期TCYC。在時間t0，回授信號VFB低於參考信號VREF時，信號SHS出現一個脈波，高側功率開關SWHS被開啟，開啟時間TON開始。開啟時間TON結束後，信號SLS出現另一個脈波，用來開啟低側功率開關SWLS。低側功率開關SWLS用來提供同步整流(synchronous rectifier，SR)的功能。
電源控制器62可以操作於最小關閉時間(minimum OFF-time)模式，也就是一個開啟時間TON後的關閉時間TOFF，不能小於一個最小關閉時間TOFF-MIN。換言之，高側功率開關SWHS在時間t1關閉後，至少需要間隔最小關閉時間TOFF-MIN後，才能被再次開啟，進入下一個開啟時間TON。舉例來說，在第3圖中，當回授信號VFB低於參考信號VREF，且關閉時間TOFF超過最小關閉時間TOFF-MIN時，脈波產生器6才在時間t2於高側端HS上提供另一脈波，開始下一個開啟時間TON。
電源控制器62可以操作於固定開啟時間(constant ON-time)模式，也就是說，開啟時間TON一直為固定值。然而在另一實施例，雖然鄰近的數個轉換週期中每一個開啟時間TON大致都相同，但是長時間來看，開啟時間TON仍可依據偵測結果而緩慢地被調整。
第5圖顯示一種開啟時間TON的控制方法，可以使用於電源控制器62中。在步驟90，脈波產生器68偵測輸入電壓電源VIN與近端輸出電源VO-N的電壓；然後步驟92依據偵測結果，決定開啟時間TON。舉例來說，TON=K*VON/VIN(公式一)，其中，K是常數，VON為近端輸出電源VO-N的電壓，VIN為輸入電壓電源VIN的電壓。當依據公式一來控制開啟時間TON 時，且降壓式電源轉換器12操作於連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)時，可以使得轉換週期TCYC大約維持在一個常數。所謂CCM指的是在一轉換週期結束時，電感元件所存放的能量尚未完全釋放，而下一轉換週期就開始了；相對的，不連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)指的是一轉換週期結束時，電感元件所存放的能量一定完全釋放，而下一轉換週期才會開始了。
第6圖顯示另一種開啟時間TON的控制方法，一樣也適用於電源控制器62。步驟94偵測轉換週期TCYC的時間長度。舉例來說，步驟94偵測信號SHS中兩個連續之上升緣(rising edge)或下降緣之間的時間長度。步驟96比較轉換週期TCYC與一目標轉換週期TCYC-TAR。如果轉換週期TCYC大於目標轉換週期TCYC-TAR，步驟98減少開啟時間TON。開啟時間TON比較短，因為電感L存放了比較少的電能，所以近端輸出電源VO-N與遠端輸出電源VO-R就會比較早下降，可以縮短之後的轉換週期TCYC。相反的，如果轉換週期TCYC小於目標轉換週期TCYC-TAR，步驟97增加開啟時間TON。第6圖的控制方法，可以使轉換週期TCYC往目標轉換週期TCYC-TAR接近。
利用遠端輸出電源VO-R之一遠端輸出值，以及近端輸出電源VO-N之一近端輸出值作為回授，第3圖的電源供應器60可以提供足夠快的反應速度，來穩定遠端輸出電源VO-R的電壓。
儘管第3圖以一操作於漣波控制模式之同步整流降壓式電源轉換器為例，但是本發明並不限於此。舉例來說，本發明也可以適用於非同步的電源轉換器，本發明也可以適用於一升壓電源轉換器(boost converter)。
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。
12‧‧‧降壓式電源轉換器
18‧‧‧傳導線
20‧‧‧負載
60‧‧‧電源供應器
62‧‧‧電源控制器
64‧‧‧比較器
68‧‧‧脈波產生器
70‧‧‧回授電路
CDECAP‧‧‧離耦電容
CFB‧‧‧回授電容
Co‧‧‧輸出電容
FB‧‧‧回饋端
GND‧‧‧地端
HS‧‧‧高側端
L‧‧‧電感
LS‧‧‧低側端
ON‧‧‧近輸出供電端
OR‧‧‧遠輸出供電端
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
SOUT‧‧‧數位比較結果
SWHS‧‧‧高側功率開關
SWLH‧‧‧低側功率開關
VFB‧‧‧回授信號
VREF‧‧‧參考信號
VIN‧‧‧輸入電壓電源
VO-N‧‧‧輸出電壓電源、近端輸出電源
VO-R‧‧‧遠端輸出電源

Claims (15)

  1. 一種電源供應器，用以供電至一負載，包含有：一電源轉換器(power convert)，用以將一輸入電源轉換為一近端輸出電源，包含有：一電源輸入端，接收該輸入電源；以及一近輸出供電端(near output node)，輸出該近端輸出電源；一遠輸出供電端(remote output node)，提供一遠端輸出電源至該負載；一傳導線，連接於該近輸出供電端與該遠輸出供電端之間；一回授電路，依據該遠端輸出電源之準位與該近端輸出電源之準位產生一回饋信號；以及一電源控制器，依據該回饋信號以及一參考信號輸出一脈波(pulse)至該電源轉換器，該電源轉換器係依據該脈波將該輸入電源轉換為該近端輸出電源。
  2. 如申請專利範圍第1項之該電源供應器，其中，該回授電路包含有：一分壓電路，具有二電阻，透過一回饋端串連於該遠輸出供電端與一接地端之間；以及一回授電容，連接於該回饋端與該近輸出供電端之間。
  3. 如申請專利範圍第1項之該電源供應器，其中，該電源轉換器為一降壓轉換器(buck converter)，具有一功率開關受控於該脈波，且該脈波之一脈波寬度係與該功率開關之一開啟時間有關。
  4. 如申請專利範圍第3項之該電源供應器，其中，該電源控制器偵測該輸入電源，以控制該脈波寬度。
  5. 如申請專利範圍第3項之該電源供應器，其中，該電源控制器偵測該近端輸出電源，以控制該脈波寬度。
  6. 如申請專利範圍第3項之該電源供應器，其中，該電源控制器偵測該電源轉換器之一轉換週期，以控制該脈波寬度轉換週期轉換週期。
  7. 如申請專利範圍第1項之該電源供應器，其中，該電源轉換器包含：一比較器，比較該回饋信號以及一參考信號以產生一數位比較結果；以及一脈波產生器(pulse generator)，連接至該比較器，於該數位比較結果轉態時輸出該脈波。
  8. 如申請專利範圍第1項之該電源供應器，其中，該遠端輸出電源為一低通信號，以及該近端輸出電源為一高通信號。
  9. 一種控制方法，用於控制一電源供應器供電至一負載，該電源供應器包含一電源輸入端接收一輸入電源，一近輸出供電端輸出轉換自該輸入電源之一近端輸出電源，以及一遠輸出供電端提供一遠端輸出電源至該負載，其中該近輸出供電端與該遠輸出供電端係透過一傳導線連接，該控制方法包含：接收該遠端輸出電源；接收該近端輸出電源；依據該遠端輸出電源之準位與該近端輸出電源之準位產生一回饋信號；依據該回饋信號與一參考信號產生一脈波；以及依據該脈波將該輸入電源轉換為該近端輸出電源。
  10. 如申請專利範圍第9項之該控制方法，其中，該電源供應器更包含一功 率開關，該控制方法更包含：開啟該功率開關以調整該近端輸出電源之電壓，其中，該脈波之一脈波寬度係與該功率開關之一開啟時間有關。
  11. 如申請專利範圍第10項之該控制方法，更包含：偵測該輸入電源，以控制該脈波寬度。
  12. 如申請專利範圍第10項之該控制方法，更包含：偵測該近端輸出電源，以控制該脈波寬度。
  13. 如申請專利範圍第10項之該控制方法，其中，該依據該脈波將該輸入電源轉換為該近端輸出電源之步驟具有一轉換週期，該控制方法更包含：偵測該轉換週期，以控制該脈波寬度。
  14. 如申請專利範圍第9項之該控制方法，其中，該依據該回饋信號與該參考信號產生該脈波回饋之步驟，包含：比較該回饋信號以及該參考信號以產生一數位比較結果；以及於該數位比較結果轉態時輸出該脈波。
  15. 如申請專利範圍第9項之該控制方法，其中，該遠端輸出電源為一低通信號，以及該近端輸出電源為一高通信號。
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