TWI449319B - 開關電源峰值電流控制裝置和方法 - Google Patents

Description

開關電源峰值電流控制裝置和方法

本發明涉及電源控制技術，具體涉及開關電源的峰值電流控制裝置和方法。

針對例如電池充電器和適配器等應用的AC/DC轉換，已提出了多種電源控制方案，可以提供精確的恒壓(CV)、恒流(CC)等控制，得到所需的電力供應。例如，BCD semiconductor for Manufacturing Limited提出了多種AC/DC電源控制器，包括原邊控制積體電路AP3708(Preliminary Datasheet,Rev.1.0，2008年9月，http：//www.bcdsemi.com)。第1圖示出了簡化的採用AP3708控制的反激式原邊控制開關電源，包括電源控制器AP3708、電晶體Q1、電流檢測電阻R_CS和變壓器，該變壓器由一次側線圈Np、二次側線圈Ns和輔助線圈N_AUX組成。如第1圖所示，在原邊恒定峰值電流控制操作中，由電流檢測電阻R_CS感應原邊電流I_p，當電流I_p上升至峰值電流I_pk(I_pk=V_CS/R_CS)時，控制器AP3708通過引腳OUT輸出控制信號使得電晶體Q1截止。更具體地，參照第2圖，示出了原邊峰值電流控制操作有關的電路部分，當從引腳OUT輸出的電晶體Q1的閘極控制信號Gate為高電平時，電晶體Q1導通時，原邊電流I_p的採樣值(由圖中CS引腳上的電壓V_CS體現)會開始上升，當其上升到給定基準V_limit(如0.5V)時，閘極控制信號Gate被置 為低電平，使電晶體Q1截止。

但是，由於控制器AP3708中存在一定的傳輸延遲，造成截止信號存在延遲t_d，所以無法在CS引腳上的電壓V_CS到達給定值V_limit時立即給出截止信號。因此，當原邊電流I_p達到峰值電流I_pk時，V_CS(為原邊電流I_p與採樣電阻R_CS的乘積)會超過給定值V_limit一定的幅度，幅度的大小的大小與電源的輸入電壓V_in和勵磁電感L_m(即，第1圖中L_M)的大小有關，關係如下：

t_onp表示原邊電流I_p的持續時間，即電晶體Q1的導通時間。

從等式(3)可以看出，由於存在截止信號延遲t_d，即使對於同樣的給定值V_limit(固定參數)，超過給定值V_limit的幅度的大小在V_in和L_m不同時也不同，即，考慮到延遲t_d，實際I_pk*R_CS存在變化，導致I_pk發生變化，而非恒定。第3圖示出了在不同V_in和L_m情況下，實際I_pk會發生變化。這影響了恒定原邊峰值電流控制操作，降低了預期的控制精度。例如，在電源控制器AP3708中，控制目標是輸出電流I_o正比於I_pk，如果I_pk隨V_in和L_m發生變化，I_o也會隨V_in和L_m的變化而變化，影響了控制精度。

因此，需要一種開關電源的峰值電流控制技術，即使存在信號延遲t_d，也能夠比較精確地確保I_pkR_CS=K，K代表期望值，避免I_pkR_CS發 生變化。

鑒於上述問題，提出了開關電源的峰值電流控制技術，通過將峰值電流的基準電壓V_limit設置成原邊電晶體導通時間t_onp的函數，取代原有方法中的固定的V_limit，就可以保證在任何條件下I_pk*R_CS都為期望值K。

根據本發明一方面，一種開關電源的峰值電流控制裝置，包括：基準產生模組，產生開關電源的原邊電流採樣的基準電壓，所述基準電壓與開關電源的原邊開關電晶體的導通時段有關，使得所述基準電壓能夠限制開關電源的原邊電流的峰值，使電流峰值與原邊電流檢測電阻之積始終為期望值。

根據本發明實施例，基準電壓V_limit與開關電源的原邊開關電晶體的導通時段t_onp的關係考慮到由於電路傳輸延遲的造成、使原邊開關電晶體截止的閘極控制信號的延遲。

根據本發明實施例，在基準產生模組中，採用指數函數，類比基準電壓V_limit與開關電源的原邊開關電晶體的導通時段t_onp的關係，以從導通時段t_onp產生基準電壓V_limit。

根據本發明實施例，根據給定開關電源的規範技術參數，在原邊電晶體最小導通時段t_{onp_min}與最大導通時段t_{onp_max}的範圍內，啟動基準產生模組從導通時段t_onp產生基準電壓V_limit。

根據本發明實施例，採用m個電阻電容RC電路以及(m+1)個電壓源來類比所述指數函數，m為自然數。

根據本發明實施例，期望值K為固定值或時變值，其中，當K為固定值時，電壓源採用恒定電壓源；當K為時變值時，電壓源採用與K成固定比例的可調電壓源。

根據本發明實施例，基準產生模組包括：RC電路，包括電阻器和電容器；第一電壓源和第二電壓源；開關；其中，電容器的一端與電阻器的一端連接並與開關的非控制端之一連接，電容器的另一端與第一電壓源的正極連接並與開關的非控制端中的另一端連接，電阻器的另一端與第二電壓源的正極連接，第一和第二電壓源的負極連接並接地，開關的非控制端中的所述另一端接地，其中，開關的控制端受到原邊電晶體的閘極控制信號的控制，使得在閘極控制信號將原邊電晶體導通時，開關斷開，RC電路執行充電，以在電容器的所述一端產生基準電壓V_limit。

根據本發明實施例，當原邊電流的採樣電壓達到基準電壓V_limit時，閘極控制信號改變為將原邊電晶體截止，使開關閉合，RC電路執行放電。

根據本發明實施例，峰值電流控制裝置還包括：比較器，將開關電源的採樣電壓與產生的基準電壓相比較，並且當採樣電壓達到基準電壓V_limit時，輸出比較結果信號，該比較結果信號用於產生閘極控制信號將原邊電晶體截止， 該閘極控制信號提供至基準產生模組。

根據本發明實施例，比較器的正相輸入端連接至開關電源的採樣電壓輸入端，反相輸入端連接至基準產生模組中電容器的所述一端，輸出端連接至用於產生閘極控制信號的電路。

根據本發明另一方面，一種開關電源，包括如上所述的峰值電流控制裝置。

根據本發明又一方面，一種開關電源的峰值電流控制方法，包括：產生開關電源的原邊電流採樣的基準電壓，所述基準電壓與開關電源的原邊開關電晶體的導通時段有關，使得所述基準電壓能夠限制開關電源的原邊電流的峰值，使電流峰值與原邊電流檢測電阻之積始終為期望值；將開關電源的採樣電壓與產生的基準電壓相比較；當採樣電壓達到基準電壓時，輸出閘極控制信號將原邊電晶體截止。

AP3708‧‧‧控制器

R_CS‧‧‧採樣電阻

V_in‧‧‧輸入電壓

L_m‧‧‧勵磁電感

Np‧‧‧一次側線圈

Ns‧‧‧二次側線圈

N_AUX‧‧‧輔助線圈

I_o‧‧‧輸出電流

I_pk‧‧‧峰值電流

t_onp‧‧‧導通時段

RC‧‧‧電阻電容

V_in‧‧‧輸入交流電壓

50‧‧‧峰值電流控制裝置

502‧‧‧比較器

504‧‧‧基準產生模組

V_CS‧‧‧採樣電壓

V_limit‧‧‧基準電壓

Comp‧‧‧比較結果信號

601‧‧‧電阻器

602‧‧‧電容器

603、604‧‧‧電壓源

605‧‧‧開關

通過下面結合附圖說明本發明的優選實施例，將使本發明的上述及其它目的、特徵和優點更加清楚，其中：第1圖示出了簡化的採用AP3708控制的反激式原邊控制開關電源； 第2圖示出了原邊峰值電流控制操作有關的電路部分；第3圖示出了由於存在截止信號延遲t_d，實際I_pk*R_CS存在變化在不同V_in和L_m情況下發生變化的示意圖；第4a圖和第4b圖分別示出了峰值電流採樣的基準電壓V_limit與導通時間t_onp的關係的曲線圖以及指數函數擬合的曲線圖。

第5圖示出了根據本發明實施例的峰值電流控制裝置的結構示意圖；第6圖示出了第5圖中峰值電流控制裝置的示例電路圖；第7圖示出了根據本發明實施例的峰值電流控制裝置中有關信號的波形圖；第8圖示出了根據本發明實施例的峰值電流控制方法的流程圖。

本申請發明人注意到，參照上述等式(3)，如果能夠將表示峰值電流採樣的V_limit設置成時間t_onp的函數，取代原有方法中的固定的V_limit，就可以保證在任何條件下I_pk*R_CS都為期望值K。由此，根據以及等式(3)，得到：

第4a圖示出了根據等式(4)得到的V_limit與t_onp的函數關係，具體示出了V_limit相對於t_onp的值的示例。第4a圖的曲線理論上是雙曲線函數，這在電路中無法直接實現。

因此，考慮用指數函數來擬合V_limit與t_onp的函數關係，而指數函數可以用電阻電容構成的RC電路以及電壓源來實現，第4b圖示出了採用指數函數來擬合第4a圖中的雙曲線。為了更加清楚地示出擬合效果，對第4a圖的曲線進行了一定縮放，以示出了更長的時間段的曲線。在第4b圖中，實線部分指示第4a圖中的雙曲線，虛線部分示出了擬合的指數函數曲線，稍後將對其進行更加詳細的描述。本領域技術人員可以理解，雙曲線函數可以用一個或多個指數函數來擬合。如果考慮到電路的複雜程度，可以只用一個指數函數去擬合。但是如果對電路的複雜程度和成本並不敏感，在需要情況下，例如要求更好的精度，可以選用多個指數函數進行擬合，此時可以採用對應的多組RC電路和電壓源基準。採用指數函數進行擬合的通式可以表達如下：

等式(5)中，U_i表示電壓源的電壓值，R_i和C_i分別表示RC電 路中電阻值和電容值。

本領域技術人員可以理解，對於開關電源的技術參數而言，原邊電晶體Q1的導通持續時間t_onp都有一個預定的變化範圍，在最小導通時段t_{onp_min}與最大導通時段t_{onp_max}之間。因此，只要在這個區間內進行函數擬合，就能夠保證在任何條件下I_pk*R_CS都為期望值K，即，可以對等式(5)中的t_onp進行限定，即，

如果考慮到電路的複雜程度，只採用一個指數函數進行擬合，則可以得到：

以上說明了本發明的基本構思，其中峰值電流控制的基準V_limit採用特定的基準曲線，而不是固定值。具體地，將峰值電流控制的基準V_limit設置成原邊電晶體導通時間t_onp的函數，取代原有方法中的固定的V_limit，就可以保證在任何條件下I_pk*R_CS=K均成立。在本發明實施例中，利用電路來類比V_limit與t_onp的函數關係，實現本發明基本構思。

此外，本領域技術人員可以理解，期望值K不必要是固定值，而可以是時變值。在K固定的情況下，RC 電路的對應電壓源也為固定值。而K為時變值時，可以通過將電壓源設置成與K成固定比例的可調電壓源，來實現本發明構思。此外，公式(5)可知，即使K為時變值，對RC參數選擇也是沒有影響的。

以下參照附圖，對本發明的示例實施例進行詳細描述，本發明不限於下述示例實施例。為了清楚描述本發明的基本思想，附圖中僅示出了與本發明的技術方案密切相關的部件、功能或步驟，並且以下描述中省略了對已知技術、功能、部件或步驟的具體描述。

在以下描述中，考慮到電路的複雜程度，只採用一個指數函數來擬合V_limit與t_onp的函數關係，因此僅示出了採用單組RC電路進行擬合的示例。然而，本發明不限於此。

第5圖示出了根據本發明實施例的峰值電流控制裝置的結構示意圖。相對於第3圖所示現有的電路部分，除了比較器502之外，峰值電流控制裝置50還包括基準產生模組504，用於產生開關電源的原邊電流採樣的基準電壓V_limit。如上所述，基準電壓V_limit與開關電源的原邊開關電晶體的導通時段t_onp有關，使得所述基準電壓V_limit能夠限制開關電源的原邊電流的峰值I_pk，使I_pk*R_CS=K始終成立。

不同於第2圖所示現有的電路部分，比較器502的反相輸入端不再輸入固定的基準電壓(如0.5V)，而是輸 入基準產生模組504所產生的基準電壓。

如第5圖所示，基準產生模組504所產生的基準電壓V_limit被輸入至比較器502的反相輸入端，比較器502的正相輸入端輸入開關電源的採樣電壓V_CS。比較器502將採樣電壓V_CS與基準電壓V_limit相比較，當採樣電壓V_CS等於基準電壓V_limit時，比較器502輸出比較結果信號Comp，該比較結果信號Comp提供給產生至原邊電晶體Q1的閘極控制信號Gate的電路(如圖中虛線框所示)，使電晶體Q1截止。同時，該閘極控制信號Gate也被提供至基準產生模組504。本領域技術人員可以理解，可以採用現有技術中多種方法來產生閘極控制信號Gate，同時提供至基準產生模組504的信號也可以不是閘極控制信號Gate，而是與之對應的特定信號。產生閘極控制信號Gate的電路也可以採用多種實現方式。由於這些均與本發明不相關，所以第5圖僅僅示出了本發明相關部分，僅僅為了清楚示出本發明構思的目的，而本發明不限於第5圖所示示例。

第6圖示出了第5圖中峰值電流控制裝置50的示例電路圖，主要示出了基準產生模組504的示例電路圖。如第6圖所示，基準產生模組504包括電阻器601、電容器602、電壓源603和604、以及開關605。電容器602和電阻器601構成RC充電電路。電容器602的一端與電阻器601的一端連接，並且與開關605的非控制端之一連接，電容器602 的另一端與電壓源603的正極連接並與開關605的非控制端中另一端連接，電阻器601的另一端與電壓源604的正極連接，電壓源603和604的負極連接並接地，開關605的非控制端中的另一端接地。原邊電晶體的閘極控制信號Gate經由反相器連接至開關605的控制端，使得在閘極控制信號Gate將原邊電晶體Q1導通時，開關605斷開，RC電路執行充電，該充電是按照上述擬合指數函數曲線(例如，等式(6))來進行的，因此，在電容器602的連接至比較器502的一端產生基準電壓V_limit。當原邊電流的採樣電壓V_CS達到基準電壓V_limit時，閘極控制信號Gate改變為將原邊電晶體Q1截止，並且使開關605閉合，RC電路執行放電。

開關605可以是PMOS電晶體、NMOS電晶體或雙極性電晶體。

例如，假定閘極控制信號Gate為高電平時，原邊電晶體Q1導通，開關605斷開，閘極控制信號Gate為低電平時，原邊電晶體Q1截止，開關605閉合。由此，在閘極控制信號Gate的高電平持續時間上，按照上述擬合指數函數曲線，對電容器602進行充電，得到針對當前導通時段t_onp的基準電壓V_limit，同時由於原邊電晶體Q1導通，原邊電流I_p逐漸增加，當I_p逐漸增加到使V_CS達到基準電壓V_limit時，閘極控制信號Gate變為低電平，開關605閉合，電容器602迅速放電，同時原邊電晶體Q1截止，由此，限制了峰值電 流，並且避免了由於電路傳輸延遲、使原邊開關電晶體截止的閘極控制信號的延遲帶來的不利影響。

再次參見第4b圖，示出了採用RC電路和電壓源類比指數函數，以擬合V_limit-t_onp曲線的具體示例。可以只根據開關電源中電源控制器的特性參數來設計RC電路和電壓源的參數，而與外部電路無關。

在第4b圖中，給定反激式開關電源，延遲t_d=150ns，CS期望值K=0.5，輸入交流電壓V_in(85V~265V)，額定輸出(5V/1A)。本領域技術人員可以理解，這種功率等級的電源中變壓器原邊電感L_m一般在1-1.5mH之間，採樣電阻R_CS一般在1-1.5Ω之間，因此，結合上述等式(4)，得到：

即，僅需在0.89-6.2us內進行函數擬合。按上述等式(6)，取R₁=130kΩ，C₁=10pF，U₀=0.4V，U₁=0.91V，得到第4b圖虛線所示擬合曲線。

以上給出了具體計算示例，但是本領域技術人員可以理解，本發明實施例可以應用於多種電源，現有技 術中多種電源可以結合本發明的峰值電流控制裝置。本發明不限於以上具體示例。

第7圖示出了根據本發明實施例的峰值電流控制裝置50中有關信號的波形圖，具體示出了基準電壓V_limit、採樣電壓V_CS和閘極控制信號Gate的波形圖，其中，採用虛線示出了採樣電壓V_CS。從第7圖的波形圖可以看出，基準電壓V_limit不再是固定值，而是與開關電源的原邊開關電晶體的導通時段t_onp存在特定關係，例如滿足上述等式(5)或(6)。在閘極控制信號Gate的高電平持續時間上，按照上述擬合指數函數曲線，對電容器602進行充電，得到針對當前導通時段t_onp的基準電壓V_limit，同時由於原邊電晶體Q1導通，原邊電流I_p逐漸增加，當I_p逐漸增加到使V_CS達到基準電壓V_limit時，閘極控制信號Gate變為低電平，開關605閉合，電容器602迅速放電，同時原邊電晶體Q1截止。

第8圖示出了根據本發明實施例的峰值電流控制方法的流程圖。如圖所示，假定方法800開始於閘極控制信號Gate為高電平，將原邊電晶體導通時，則在步驟802，產生開關電源的原邊電流採樣的基準電壓V_limit，所述基準電壓V_limit與開關電源的原邊開關電晶體的導通時段t_onp有關，例如滿足上述等式(5)或(6)。在步驟804，將開關電源的採樣電壓V_CS與產生的基準電壓V_limit相比較。在步驟806，當採樣電壓V_CS達到基準電壓V_limit時，輸出閘極控制 信號Gate將原邊電晶體Q1截止。接下來進入下一開關週期迴圈。由此，限制了峰值電流，並且避免閘極控制信號的傳輸延遲帶來的不利影響。

以上結合附圖具體描述了根據本發明實施例的針對開關電源的峰值電流控制裝置和方法，其通過將峰值電流控制的基準V_limit設置成原邊電晶體導通時間t_onp的函數，取代原有方法中的固定的V_limit，避免了閘極控制信號的傳輸延遲可能造成的峰值電流變動，保證在任何條件下I_pk*R_CS=K均成立，從而確保了電源副邊輸出電流的精度。根據本發明實施例的峰值電流控制裝置電路結構簡單，所需元件數目很少，並且容易實現。

以上描述了根據本發明優選實施例的裝置和方法。在以上的描述中，僅以示例的方式，示出了本發明的優選實施例，但並不意味著本發明侷限於上述步驟和單元結構。在可能的情形下，可以根據需要對步驟和單元進行調整、取捨和組合。此外，某些步驟和單元並非實施本發明的總體發明思想所必需的元素。因此，本發明所必需的技術特徵僅受限於能夠實現本發明的總體發明思想的最低要求，而不受以上具體實例的限制。

至此已經結合優選實施例對本發明進行了描述。應該理解，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種其他的改變、替換和添加。 因此，本發明的範圍不侷限於上述特定實施例，而應由所附申請專利範圍所限定。

50‧‧‧峰值電流控制裝置

502‧‧‧比較器

504‧‧‧基準產生模組

V_CS‧‧‧採樣電壓

V_limit‧‧‧基準電壓

Comp‧‧‧比較結果信號

Claims (11)

1. 一種開關電源的峰值電流控制裝置，包括：一基準產生模組，產生一開關電源的一原邊電流採樣的一基準電壓，該基準電壓與該開關電源的一原邊開關電晶體的導通時段有關，使得該基準電壓能夠限制開關電源的原邊電流的峰值，使電流峰值與一原邊電流檢測電阻之積始終為一期望值；其中，在該基準產生模組中，根據如下等式，採用一指數函數，模擬該基準電壓V_limit與該開關電源的該原邊開關電晶體的導通時段t_onp的關係，以從導通時段t_onp產生該基準電壓V_limit： 其中，K表示該期望值，t_d表示截止信號延遲，指示了由於電路傳輸延遲造成的、使該原邊開關電晶體截止的一閘極控制信號的延遲，U_i表示電壓值，R_j和C_j分別表示電阻值和電容值，0in，1jn，n為自然數。
2. 如申請專利範圍第1項所述的峰值電流控制裝置，其中，根據給定開關電源的規範技術參數，在該原邊開關電晶體最小導通時段t_{onp_min}與最大導通時段t_{onp_max}的範圍內，啟動該基準產生模組從導通時段t_onp產生該基準電壓V_limit。
3. 如申請專利範圍第1項所述的峰值電流控制裝置，其中，採用m個電阻電容RC電路以及(m+1)個電壓源來類比該指數函數，m為自然數。
4. 如申請專利範圍第3項所述的峰值電流控制裝置，其中，該期望值K為一固定值或一時變值，其中，當K為該固定值時，電壓源採用一恒定電壓源；當K為該時變值時，電壓源採用與K成固定比例的一可調電壓源。
5. 如申請專利範圍第1項所述的峰值電流控制裝置，其中，該指數函數簡化為：
6. 如申請專利範圍第5項所述的峰值電流控制裝置，其中，該基準產生模組包括：一RC電路，包括一電阻器和一電容器；一第一電壓源和一第二電壓源；一開關； 其中，該電容器的一端與該電阻器的一端連接並與該開關的非控制端之一連接，該電容器的另一端與該第一電壓源的正極連接並與該開關的非控制端中的另一端連接，該電阻器的另一端與該第二電壓源的正極連接，該第一電壓源和該第二電壓源的負極連接並接地，該開關的非控制端中的另一端接地，其中，該開關的控制端受到該原邊開關電晶體的該閘極控制信號的控制，使得在該閘極控制信號將該原邊開關電晶體導通時，該開關斷開，該RC電路執行充電，以在該電容器的一端產生該基準電壓V_limit。
7. 如申請專利範圍第6項所述的峰值電流控制裝置，其中，當該原邊電流的一採樣電壓達到該基準電壓V_limit時，該閘極控制信號改變為將該原邊開關電晶體截止，使該開關閉合，該RC電路執行放電。
8. 如申請專利範圍第6項所述的峰值電流控制裝置，還包括：一比較器，將該開關電源的該採樣電壓與產生的該基準電壓相比較，並且當該採樣電壓達到該基準電壓V_limit時，輸出一比較結果信號，該比較結果信號用於產生將該原邊開關電晶體截止的該閘極控制信號，該閘極控制信號提供至該基準產生模組。
9. 如申請專利範圍第8項所述的峰值電流控制裝置，其中，該比較器的一正相輸入端連接至該開關電源的一採樣電壓輸入端，一反相輸入端連接至該基準產生模組中該電容器的一端，一輸出端連接至用於產生該閘極控制信號的電路。
10. 一種開關電源，包括如申請專利範圍第1到9項之一所述的峰值電流控制裝置。
11. 一種開關電源的峰值電流控制方法，包括：產生一開關電源的一原邊電流採樣的一基準電壓，該基準電壓與該開關電源的一原邊開關電晶體的導通時段有關，使得該基準電壓能夠限制該開關電源的該原邊電流的峰值，使電流峰值與一原邊電流檢測電阻之積始終為一期望值；將該開關電源的一採樣電壓與產生的該基準電壓相比較；當該採樣電壓達到該基準電壓時，輸出一閘極控制信號將該原邊開關電晶體截止；其中，在基準產生模組中，根據如下等式，採用一指數函數，模擬該基準電壓V_limit與該開關電源的該原邊開關電晶體的導通時段t_onp的關係，以從導通時段t_onp產生該基準電壓V_limit： 其中，K表示該期望值，t_d表示截止信號延遲，指示了由於電路傳輸延遲造成的、使該原邊開關電晶體截止的該閘極控制信號的延遲，U_i表示電壓值，R_j和C_j分別表示電阻值和電容值，0in，1jn，n為自然數。