CN103856053B - 具有过功率保护的电源控制器 - Google Patents

Abstract

一种电源控制器，可提供一脉冲宽度调制信号，用以控制一功率开关。该电源控制器包含有一脉冲宽度调制信号产生器、一第一振荡器、一第二振荡器、以及一过功率检测器。该脉冲宽度调制信号产生器用以产生该脉冲宽度调制信号。该第一振荡器耦接至该脉冲宽度调制信号产生器，可决定该脉冲宽度调制信号的一开关周期。该第二振荡器可用以决定一过功率保护时间。该过功率检测器用以检测一过功率事件是否发生。当该过功率事件持续发生达该过功率保护时间时，该脉冲宽度调制信号持续关闭该功率开关。

Description

具有过功率保护的电源控制器

技术领域

本发明是关于电源供应器的保护机制，尤指关于开关式电源供应器的过功率保护。

背景技术

电源供应器为大多电子产品所必备的一种电子装置，用来将电池或是市电，转换成电子产品所需求且具有特定规格的电源。在众多的电源供应器中，开关式电源供应器具有优越的电能转换效率以及小巧的产品体积，所以广受电源业界所欢迎。

电源供应器不单单只是要符合精准的输出电压/电流以及高电能转换效率，还必须要具备许多发生异常状况时的保护机制。一般业界所熟知的保护机制有过功率保护、过电压保护、过电流保护、过高温保护等等。

打印机或是笔记本型计算机往往有短时间高功率的电能需求。以打印机为例，一般打印机可能长时间是处在待机或是接收信号，只需要有一般或很低功率消耗；但在短时间的印刷操作时，才需要有非常高功率消耗。为了减省电源供应器的制作成本以及达到此种特别应用，所以在规格上，电源供应器就有所谓正常功率(normal power)以及峰值功率(peak power)，分别对应电源供应器在正常操作与超高功率操作时的最大可容许功率输出。一旦电源供应器的输出功率高过正常功率，且这样的高功率输出持续了过长时间时，才会触发过功率保护。举例来说，美国专利编号7486493中就提供了一种具有过功率保护的电源供应器。

本说明书中，具有相同的标号元件或装置，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

本发明的实施例揭示一种电源控制器，可提供一脉冲宽度调制信号，用以控制一功率开关。该电源控制器包含有一脉冲宽度调制信号产生器、一第一振荡器、一第二振荡器、以及一过功率检测器。该脉冲宽度调制信号产生器用以产生该脉冲宽度调制信号。该第一振荡器耦接至该脉冲宽度调制信号产生器，可决定该脉冲宽度调制信号的一开关周期。该第二振荡器可用以决定一过功率保护时间。该过功率检测器用以检测一过功率事件是否发生。当该过功率事件持续发生达该过功率保护时间时，该脉冲宽度调制信号持续关闭该功率开关。

附图说明

图1显示依据本发明所实施的一电源供应器。

图2显示在本发明的一实施例中，循环信号S_CYC的循环频率f_CYC以及时钟信号S_TIMER的时钟频率f_TIMER，对补偿电压V_COM的关系。

图3A显示偏移量V_OFFSET与输入电源V_IN的电压的关系。

图3B显示偏移量V_OFFSET与开启时间T_ON的关系。

[主要元件标号说明]

10 电源供应器 12 变压器

14 功率开关 15 负载

16 补偿电容 18 运算放大器

20 电源控制器 22 振荡器

24 二极管 26 电阻

28 电阻 30 比较器

31 脉冲宽度调制产生器 32 保护模块

34 比较器 36 比较器

37 振荡器 38 OCP计数器

40 逻辑门 42 OPP计数器

COM 补偿端 f_CYC 循环频率

f_TIMER 时钟频率 I_CS 电流

PRM 主绕组(primary winding) R_CS 电流检测电阻

S_CYC 循环信号 SEC 二次绕组

S_PWM 脉冲宽度调制信号 S_TIMER 时钟信号

T_ON 开启时间 V_COM 补偿电压

V_COM-H 预设电压 V_COM-L 预设电压

V_CS 电流检测信号 V_CS-LIMIT 电流限制信号

V_IN 输入电源 V_OFFSET 偏移量

V_OPP 过功率电压 V_OUT 输出电源

V_SLOPE 斜率补偿电压 V_TAR 目标电压

具体实施方式

图1显示依据本发明所实施的一电源供应器10，其具有过功率保护以及过电流保护。尽管电源供应器10为一返驰式(flyback)电源转换器(powerconverter)，但本发明并不限于此，本发明可适用于任何的电源供应器。像是降压器(Buck converter)或是升压器(booster)。

输入电源(line power source)V_IN可由一交流市电经过整流而产生，其电压可能高达280V。功率开关14控制流经变压器12的主绕组(primarywinding)PRM的电流I_CS，其通过电流检测电阻R_CS，转换成电流检测信号V_CS。电流检测信号V_CS大约表示电流I_CS。当功率开关14导通时，输入电源V_IN使变压器12储能增加。当功率开关14关闭时，变压器12通过二次绕组(secondary winding)SEC释能，建立起输出电源V_OUT，对负载15供电。依据输出电源V_OUT跟目标电压V_TAR的差异，运算放大器18驱动补偿电容16，在补偿端COM上建立出补偿电压V_COM。电源控制器20依据补偿电压V_COM，产生脉冲宽度调制信号S_PWM，其周期性地开关功率开关14。电源控制器20提供一个回路，期望将输出电源V_OUT稳定于目标电压V_TAR。举例来说，越高的补偿电压V_COM，脉冲宽度调制信号S_PWM有越大的工作周期(duty cycle)，变压器12对输出电源V_OUT传输的输出功率越高。因为输出电源V_OUT大约稳定于目标电压V_TAR，高的补偿电压V_COM，同时也意味了输出电源V_OUT所供电的负载15比较重。

电源供应器10可以用一二次侧控制方式(secondary side control)实施，也可以用一次侧控制方式(primary side control)实施。二次侧控制方式是将二次侧的消息，通过光耦合元件传到一次侧来控制。而一次侧控制没有光耦合元件，直接检测并控制辅助绕组上的跨压。

在一实施例中，电源控制器20有振荡器22，其提供循环信号S_CYC，周期性地通过脉冲宽度调制产生器31，使脉冲宽度调制信号S_PWM为逻辑上的“1”，开启功率开关14。循环信号S_CYC决定脉冲宽度调制信号S_PWM的开关周期中，开启时间T_ON(逻辑为“1”)的起点。在其它实施例中，循环信号S_CYC可以决定循环信号S_CYC可以决定脉冲宽度调制信号S_PWM中，关闭时间T_OFF(逻辑“0”)的起点。一个开关周期包含有一开启时间T_ON以及一关闭时间T_OFF。补偿电压V_COM经过二极管24降压，电阻26与28分压后，来限制电流检测信号V_CS的峰值。当电流检测信号V_CS上升到补偿电压V_COM扣除掉斜率补偿电压V_SLOPE时，比较器30，通过脉冲宽度调制产生器31，使脉冲宽度调制信号S_PWM为逻辑上的“0”，关闭功率开关14，决定了关闭时间T_OFF的开始。在一实施例中，斜率补偿电压V_SLOPE随着开启时间T_ON增加而增加。

保护模块32中，提供了过电流保护以及过功率保护。比较器34与36分别检测过电流事件以及过功率事件是否发生。振荡器37独立于振荡器22，提供时钟信号S_TIMER，为保护模块32计时所用。

比较器34比较电流检测信号V_CS以及一电流限制信号V_CS-LIMIT。当电流检测信号V_CS跟一偏移量V_OFFSET的和，如果超过电流限制信号V_CS-LIMIT时，比较器34认定过电流事件开始发生。OCP计数器38从过电流事件开始发生后，开始计数。OCP计数器38以时钟信号S_TIMER作为时钟，来计算过电流事件是否持续发生达一过电流保护时间。如果过电流事件没有持续发生达过电流保护时间就消失了，OCP计数器38就重置为0，且停止计数。举例来说，计数器38发现过电流事件持续发生达时钟信号S_TIMER所定义的100个时钟时，计数器38便通过逻辑门40，使脉冲宽度调制产生器31输出的脉冲宽度调制信号S_PWM固定在逻辑上的“0”，持续关闭功率开关14，以达到过电流保护。

类似地，比较器36比较补偿电压V_COM是否超过一预设的过功率电压V_OPP。当补偿电压V_COM超过预设的过功率电压V_OPP，比较器36认定一过功率事件发生，OPP计数器42依据时钟信号S_TIMER，开始计数。当OPP计数器42发现过功率事件持续发生达一过功率保护时间时，譬如说OPP计数器42的计数结果达1000个时钟信号S_TIMER所定义的时钟，OPP计数器42便通过逻辑门40，使脉冲宽度调制产生器31输出的脉冲宽度调制信号S_PWM固定为逻辑上的“0”，持续关闭功率开关14，以达到过功率保护。类似地，当如果过功率事件持续发生未达过功率保护时间就消失，OPP计数器42就重置为0，且停止计数。

在一实施例中，过电流保护时间短于过功率保护时间。

图2显示在本发明的一实施例中，循环信号S_CYC的循环频率f_CYC以及时钟信号S_TIMER的时钟频率f_TIMER，对补偿电压V_COM的关系。在轻载时，举例来说，补偿电压V_COM小于预设电压V_COM-L，循环频率f_CYC为0或是一个很低的22KHz，这样可以享受比较低的切换损耗(switchingloss)，提高电源供应器10的转换效率。当补偿电压V_COM介于预设电压V_COM-L-与预设电压V_COM-H之间时，循环频率f_CYC线性的随补偿电压V_COM变化。当补偿电压V_COM介于预设电压V_COM-H到过功率电压V_OPP时，意味着重载，循环频率f_CYC为比较高的60KHz。举例来说，如果电源供应器10的过功率额度为15瓦，那表示补偿电压V_COM在过功率电压V_OPP附近时，电源供应器10的输出功率大约应该是15瓦。补偿电压V_COM超过过功率电压V_OPP时，循环频率f_CYC快速的升高到100KHz，以较高的循环频率，短时间地提供峰值功率，其高于过功率额度，甚至达到过功率额度两倍的输出功率。

在一实施例中，补偿电压V_COM高超过一定值时，振荡器37才开始振荡，提供时钟信号S_TIMER，且其时钟频率f_TIMER大约为一定值，不随补偿电压V_COM而变化。图2显示时钟频率f_TIMER在补偿电压V_COM高于预设电压V_COM-H-时才出现，且其时钟频率f_TIMER大约固定为22KHz。在补偿电压V_COM小于预设电压V_COM-H的中载或轻载时，振荡器37不振荡，可以降低电源控制器20的内部损耗，增加转换效率。

以电源供应器10作为打印机的电源为例，当打印机在一般载操作(没有印刷)时，补偿电压V_COM可以设计在过功率电压V_OPP以下。一旦打印机处于印刷的超重载操作状态时，补偿电压V_COM将超过过功率电压V_OPP，比较器36认定过功率事件发生，OPP计数器42开始计数。一旦超重载操作状态持续太久了(超过过功率保护时间)，就会认定打印机操作有误，过功率保护被触发，电源供应器10停止输出电功率。如果补偿电压V_COM在OPP计数器42还没有到达过功率保护时间之前，就回复到低于过功率电压V_OPP，那意味着打印机处于超重载操作的时间是在合理范围内，OPP计数器42将被归零，过功率保护不会被触发。

在一实施例中，将振荡器37独立于振荡器22可以得到较精确的过功率保护时间与过电流保护时间。如同图2所示，为了转换效率的考虑，振荡器22所产生的循环频率f_CYC，其值会随着补偿电压V_COM而变化。但是，此举却会造成计时上的困扰。举例来说，100个循环信号S_CYC的循环周期的实际长度，将会随着补偿电压V_COM的轨迹变化，而有不同的结果。因此，独立的振荡器37，所产生的时钟信号S_TIMER大约有固定的时钟频率f_TIMER，用来计算过功率事件与过电流事件发生的时间长度，将相对地准确与稳定，不再随着补偿电压V_COM轨迹而变化。所以，过电压保护时间与过电流保护时间将会比较精准。

图3A显示在一实施例中，使用于过电流保护的偏移量V_OFFSET，与输入电源V_IN的电压的关系。当输入电源V_IN越高时，偏移量V_OFFSET越高。换言之，在电流检测信号V_CS上升时，比较高的输入电源V_IN会导致图1中的比较器34比较早认定过电流事件的发生。如此，可以提供适当的线电压补偿(linecompensation)。良好的线电压补偿，可以使过电流保护触发时，输出电源V_OUT上的输出负载15为一个大致不随输入电源V_IN变化的一定值。在不同的实施例中，输入电源V_IN的检测可以有不同的方法。举例来说，电源控制器20可以检测在功率开关14导通时，电感耦合于变压器12的一辅助绕组(auxiliarywinding)的跨压，达到检测输入电源V_IN的目的。在另一个实施例有一个分压电路耦接于输入电源V_IN与接地线之间，分压电路提供比例于输入电源V_IN的分压信号，来影响偏移量V_OFFSET。在另一个实施例中，偏移量V_OFFSET随着交流市电的峰值电压升高而增加，也可以达到相当的线电压补偿。

良好的线电压补偿，也可以采用偏移量V_OFFSET随着脉冲宽度调制信号S_PWM的开启时间(ON time)T_ON增加而变小来达成，如同图3B所示。开启时间T_ON是脉冲宽度调制信号S_PWM位于逻辑“1”的时间，也就是功率开关14维持在导通的时间。电源供应器10有相同的输出功率下，比较短的开启时间T_ON，意味了输入电源V_IN比较高。因此，图3B中的偏移量V_OFFSET与开启时间T_ON的关系，所造成的线电压补偿，可能可以跟图3A所造成的线电压补偿，非常的接近。

本发明的实施例可以得到较精确的过功率保护时间与过电流保护时间。此外，本发明的实施例也提供偏移量V_OFFSET与输入电源V_IN或偏移量V_OFFSET与开启时间T_ON的关系，可以达到良好的线电压补偿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种电源控制器，具有过功率保护，其提供一脉冲宽度调制信号，用以控制一功率开关，包含有：

一脉冲宽度调制信号产生器，用以产生该脉冲宽度调制信号；

一第一振荡器，耦接至该脉冲宽度调制信号产生器，决定该脉冲宽度调制信号的一开关周期；

一第二振荡器，用以决定一过功率保护时间；以及

一过功率检测器，用以检测一过功率事件是否发生；

其中，当该过功率事件持续发生达该过功率保护时间时，该脉冲宽度调制信号持续关闭该功率开关，

该第一振荡器受控于一补偿电压，

当该补偿电压超过一预设值时，第二振荡器才开始振荡。

2.根据权利要求1所述的电源控制器，其中，该补偿电压关联于一电源供应器的一输出功率。

3.根据权利要求2所述的电源控制器，其中，该过功率检测器比较该补偿电压以及一预设的过功率电压。

4.根据权利要求1所述的电源控制器，还包含有：

一计数器，耦接至该第二振荡器，用以计算该过功率事件是否持续发生达该过功率保护时间。

5.根据权利要求1所述的电源控制器，还包含有：

一过电流检测器，用以检测一过电流事件是否发生；

其中，该第二振荡器也用以决定一过电流保护时间，当该过电流事件持续发生达该过电流保护时间时，该脉冲宽度调制信号持续关闭该功率开关。

6.根据权利要求5所述的电源控制器，其中，该过电流检测器比较一电流检测信号以及一电流限制信号，该电流检测信号表示流经一电感元件的电流。

7.根据权利要求6所述的电源控制器，其中，当电流检测信号与一偏移量的和大于该电流限制信号时，该过电流检测器认定该过电流事件发生。

8.根据权利要求7所述的电源控制器，其中，该偏移量关联于在该电感元件的一输入端的一输入电源。

9.根据权利要求7所述的电源控制器，其中，该偏移量关联于在该脉冲宽度调制信号的一开启时间。

10.根据权利要求5所述的电源控制器，还包含有：

一过功率计数器以及一过电流计数器，均耦接至该第二振荡器，分别用以计算该过功率事件是否持续发生达该过功率保护时间，与该过电流事件是否持续发生达该过电流保护时间；

其中，该过电流保护时间短于该过功率保护时间。