專利名稱：電源控制器以及電源管理控制方法
技術領域：
本發明涉及用于電源供應器中的電源管理器以及相關的控制方法，尤其涉及可以提供許多不同保護的電源管理器與控制方法。
背景技術：
電源供應器為大多電子產品所必備的一種電子裝置，用來將電池或是市電，轉換成電子產品所需求且具有特定規格的電源。在眾多的電源供應器中，開關式電源供應器具有優越的電能轉換效率以及小巧的產品體積，所以廣受電源業界所歡迎。圖1顯示一傳統的開關式電源供應器，采用返馳式架構。橋式整流器20把從交流端AC來的市電，大致整流產生直流的輸入電壓Vin，位于輸入電源端IN。功率開關34開啟時，變壓器中初級側繞組PRM儲能；功率開關34關閉時，變壓器中次級側繞組SEC與輔助繞組AUX釋能。次級側繞組SEC釋能在輸出端OUT上建立輸出電壓Vqut，對負載24供電。類似的，操作電源端VCC上會建立出操作電源Vrc，對電源控制器26供電。反饋電路30，譬如說包含有光耦合器(photo coupler)以及LT431等，檢測輸出電壓Vqut，據以在補償電容32的反饋端FB上建立反饋信號VFB。電源控制器26依據反饋信號Vfb來決定整個電源供應器的能量轉換量。通過電阻38與36，電流檢測端CS上的電流檢測信號Vcs，大致對應了流經初級側電感PRM以及功率開關34的電感電流IPKM。圖1中的開關式電源供應器往往是一直接在交流端AC，因此，需要有許多安全防護措施，來預防一些不正常(fault)狀況所可能導致的危險結果。一般所廣為業界所熟知的保護有輸出過高壓保護(over-voltage protection, 0VP)、過電流保護(over currentprotection, 0CP)、過負載保護(over load protection, 0LP)等。
發明內容
本發明的實施例公開一種電源控制器，適用于一電源供應器，包含有一時鐘產生器、一低頻時鐘產生器、以及一保護電路。該時鐘產生器提供一計時信號，具有一時鐘頻率，可用以周期性地開關一功率開關。該低頻時鐘產生器提供一低時鐘信號，其具有一低頻頻率，小于該時鐘頻率。該保護電路，包含有一過功率檢測電路以及一邏輯電路。該過功率檢測電路依據一反饋信號，判別一過功率事件是否發生。該反饋信號大致受控于該電源供應器的一輸出電壓。當該過功率事件持續發生一過功率容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關。該過功率容忍時間依據該低時鐘信號來計數決定。本發明的實施例公開一種電源管理控制方法，包含有依據具有一時鐘頻率的一計時信號，周期性地開關一功率開關；提供一低時鐘信號，其具有一低頻頻率，小于該時鐘頻率；依據一反饋信號，判別一過功率事件是否發生，其中，該反饋信號大致受控于一電源供應器的一輸出電壓；當該過功率事件發生后，以該低時鐘信號計數，以產生一第一計數結果；以及，當該計數結果指出該過功率事件持續發生超過一過功率容忍時間后，使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關。
圖1顯示一傳統的開關式電源供應器。圖2為依據本發明所實施的一電源控制器。圖3舉例抖頻信號Stb、計時信號SM、以及低時鐘信號SsaK。圖4與圖5顯示可用于圖2中的兩種保護電路。主要元件符號說明20橋式整流器24負載26,26a 電源控制器30反饋電路32補償電容
34功率開關36、38 電阻40補償電阻42、44 分壓電阻60慢時鐘產生器62快時鐘產生器64SR 觸發器66比較器68可控制的電流源70比較器72、72a 保護電路74邏輯門78、82、86 比較器80、84、88 計數器90SR 觸發器AC交流端AUX輔助繞組CS電流檢測端FB反饋端GATE門端Ibias偏壓電流IN輸入電源端OUT輸出端PRM初級側繞組Sclk計時信號SEC次級側繞組
Src電源備妥信號Speo保護信號Ssclk低時鐘信號Stb抖頻信號VBIAS_EEF參考電壓VCC操作電源端VCC_EEF過低壓參考電壓VDD電壓端V0CP_EEF過電流參考電壓VQPP_KEF過功率參考電壓
具體實施例方式圖2為依據本發明所實施的電源控制器26a。以下將以電源控制器26a取代圖1中的電源控制器26，作為一實施例來解釋本發明，但本發明并不限于此實施例。電源控制器26a有兩個時鐘產生器快時鐘產生器62以及慢時鐘產生器60。快時鐘產生器62提供計時信號SM，以時鐘頻率fM，周期性設定SR觸發器64。當保護信號Spkq為禁能時，計時信號Sm可 以通過門端GATE，周期性地開啟功率開關34。慢時鐘產生器60提供抖頻信號STB，以慢時鐘頻率fSM來周期性地調整時鐘頻率舉例來說，抖頻信號Stb使時鐘頻率有65 55KHz的周期變化，變化的頻率，也就是慢時鐘頻率fSM，則是400Hz。慢時鐘產生器60也提供低時鐘信號Ssm，具有慢時鐘頻率，給予保護電路72。由上而下，圖3舉例抖頻信號Stb、計時信號SM、以及低時鐘信號SsaK。從圖3中可見，抖頻信號Stb越高，計時信號Sm的時鐘頻率越高。在一實施例中，慢時鐘頻率fSM隨著時鐘頻率上升而上升。譬如說，當時鐘頻率大約是60KHz時，慢時鐘頻率fSM為400Hz ;當時鐘頻率fM大約是20KHz時，慢時鐘頻率fSM為133Hz。在另一個實施例中，慢時鐘頻率獨立于時鐘頻率譬如說，不論時鐘頻率是20或是60KHz，慢時鐘頻率都維持在400Hz。圖2中，保護電路72檢測操作電源端VCC、電流檢測端CS、與反饋端FB，以低時鐘信號Ssm為時鐘來判別時間長短，據以產生保護信號S-。當保護信號Sito被致能(asserted)時，邏輯門74隔絕了功率開關34與計時信號Sm，持續的關閉功率開關34。所以圖1中的電源供應器就停止后續的電源轉換。補償電阻40連接在電壓端VDD與反饋端FB之間。通過分壓電阻42以及44，以及比較器66，反饋端FB上的反饋信號Vfb可以大約限定在電流檢測端CS的電流檢測信號Vcs的峰值。如同先前所述，反饋信號Vfb通過反饋電路30，受控于輸出電壓VOTT。比較器70與可控制的電流源68可以改善在保護差不多發生時，從輸出端OUT所輸出的功率會隨輸入電壓Vin不同而飄移的現象。在圖2中，當反饋信號Vfb高于參考電壓VBIAS_EEF時，可控制的電流源68可以提供偏壓電流IBIAS，從電流檢測端CS流出電源控制器26a，然后經過電阻38與36到初級側的接地端。偏壓電流Ibias依據功率開關34的工作比例(duty ratio)D而產生，用來調整電流檢測信號Vcs。工作比例一般是定義為開啟時間Tqn除以工作周期。在一實施例中，工作比例(duty ratio)D越小，也就是功率開關34的開啟時間Tm越短，偏壓電流Ibias越大。偏壓電流Ibias以及電阻38，可以改善保護發生時，從輸出端OUT所輸出的電流或是功率會隨輸入電壓Vin不同而改變的現象。當反饋信號Vfb低于參考電壓VBIAS_KEF時，可控制的電流源68所提供的電流無法流到電流檢測端CS，所以偏壓電流Ibias為O。如此設計，可以降低電源控制器26a在輕載或是無載時所消耗的功率。圖4顯示圖2中的保護電路72，包含有三個比較器78、82、以及86，三個計數器80,84以及88，與SR觸發器90。當電源控制器26a的操作電壓Vrc達一定程度時，電源備妥(power good)信號Src會使SR觸發器90所輸出的保護信號Spkq的初使狀態為禁能。比較器78可以視為一過功率檢測電路，其比較反饋信號Vfb與一過功率參考電壓V0PP-EEF,用以判別過功率事件是否發生。當反饋信號Vfb低于過功率參考電壓Vtffp.時，過功率事件視為沒有發生，計數器80被清空或是重置，回復到O。反饋信號Vfb會隨著負載24的增大而上升。當反饋信號Vfb高過過功率參考電壓Vwmef時，過功率事件發生，計數器80依據低時鐘信號SsaK，開始計數。當計數器80的計數結果達一預定數目時，意味著過功率事件持續發生了一過功率容忍時間，計數器80就通過SR觸發器90，致能保護信號SPKQ，進而使持續關閉了功率開關34。如此，過功率容忍時間依據低時鐘信號Ssm來計數決定。類似的，比較器82可以視為一過電流檢測電路，其比較電流檢測信號Vcs與過電流參考電壓VreP_KEF，用以判別過電流事件是否發生。當負載24增大而反饋信號Vfb上升時，電流檢測信號Vcs的峰值也會一起上升。一旦電流檢測信號Vcs高過過電流參考電壓VOT_KEF時，判定過電流事件發生，計數器84開始計數。當計數器84的計數結果達一預定數目時，意味著過電流事件持續發生一過電流容忍時間，計數器84致能保護信號SPM，進而持續關閉了功率開關34。過電流容忍時間依據低時鐘信號Ssm來計數決定。在一實施例中，在過電流事件大約發生時，時鐘頻率約是60KHz ;在過功率事件大約發生時，時鐘頻率約是120KHz。比較器86可以視為一過低壓檢測電路，其比較操作電壓Vrc與過低壓參考電壓Vrc-KEF，用以判別過低壓事件是否發生。當負載24突然呈現短路時，變壓器所存儲的能量幾乎都無法釋放。因為缺乏電壓器釋放能量來支撐，操作電壓V。。將會隨時間而下降。操作電壓V。。便可以被視為一指標，來觸發相關的保護機制。當操作電壓V。。低過過低壓參考電壓VCC_EEF時，判別過低壓事件發生，計數器88開始計數。當計數器88的計數結果達一預定數目時，意味著過低壓事件持續發生一過低壓容忍時間，計數器88致能保護信號Spro,進而持續關閉了功率開關34。過低壓容忍時間依據低時鐘信號Ssm來計數決定。在圖4中，只要過負載、過電流、或是過低壓容忍時間任何一個一超過，保護信號Sito就被致能。但是，保護機制的邏輯判斷并不限于圖4中的實施例。在另一個實施例中，過負載、過電流、或是過低壓容忍時間全部超過了，保護信號Spro才被致能。圖5顯示另一個保護電路72a，在一實施例中，可以取代保護電路72。在圖5中，計數器88只有在過低壓事件以及過負載事件都發生后，才開始計數。在本發明的一實施例中，也可使計數器88只有在過低壓事件以及過電流事件都發生后，才開始計數，其實施方式與圖5相似，將圖4中比較器82與比較器86的輸出以與門(AND)連接后再連接至計數器88即可。使用低時鐘信號Ssm作為時鐘，可能可以有效減少電路成本。OLP、OCP與過低壓保護機制，一般都是要在不正常狀況發生持續超過數個毫秒后，才能夠確認而觸發。舉例來說，如果過負載保護是在過負載事件發生持續10毫秒后才觸發，那以400Hz的低時鐘信號Ssm作為時鐘，就只要計數4次，大約兩個D觸發器(D flip-flop)就夠了。如果以60KHz的計時信號Sm為時鐘，那就要計數600次，需要高達9個D觸發器。因此，相比較下，使用低時鐘信號Ssm作為時鐘，確實可以相當的減少電路成本。以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求書所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種電源控制器,適用于一電源供應器,包含有 一時鐘產生器，用以提供一計時信號，具有一時鐘頻率，可用以周期性地開關一功率開關; 一低頻時鐘產生器，提供一低時鐘信號，其具有一低頻頻率，小于該時鐘頻率； 一保護電路，包含有 一過功率檢測電路，依據一反饋信號，判別一過功率事件是否發生，其中，該反饋信號大致受控于該電源供應器的一輸出電壓；以及 一邏輯電路，當該過功率事件持續發生一過功率容忍時間后，使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關； 其中，該過功率容忍時間依據該低時鐘信號來計數決定。
2.如權利要求1所述的電源控制器，其中，該電源供應器包含有一電感元件，該保護電路包含有 一過電流保護電路，依據一電流檢測信號，判別一過電流事件是否發生，其中，該電流檢測信號大致對應流經該電感元件的一電感電流； 其中，當該過電流事件持續發生超過一過電流容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關，該過電流容忍時間依據該低時鐘信號來計數決定。
3.如權利要求2所述的電源控制器，其中，當該過功率事件大約發生時，該時鐘頻率為一第一時鐘頻率，當該過電流事件大約發生時，該時鐘頻率為一第二時鐘頻率，其中，該第一時鐘頻率大約為該第二時鐘頻率的兩倍。
4.如權利要求1所述的電源控制器，其中，該電源控制器被一操作電源所供電，該保護電路包含有 一過低壓檢測電路，依據該操作電源的一操作電壓，判別一過低壓事件是否發生； 其中，當該過低壓事件持續發生超過一過低壓容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關，該過低壓容忍時間依據該低時鐘信號來計數決定。
5.如權利要求1所述的電源控制器，其中，該電源供應器包含有一電感元件，該電源控制器還包含有 一電流檢測端，耦接以檢測流經該電感元件的電感電流；以及 一可控制的電流源，依據該功率開關的一工作比例(duty ratio),提供一偏壓電流從該電流檢測端流出該電源控制器。
6.如權利要求5所述的電源控制器，其中，當該反饋信號低于一預設值時，該偏壓電流固定為O。
7.如權利要求1所述的電源控制器，其中，該低頻時鐘產生器為一抖頻控制器，用以周期性地調整該時鐘頻率。
8.如權利要求7所述的電源控制器，其中，該低頻頻率隨該時鐘頻率增大而增大。
9.如權利要求7所述的電源控制器，其中，該低頻頻率獨立于該時鐘頻率。
10.一種電源管理控制方法，包含有 依據具有一時鐘頻率的一計時信號，周期性地開關一功率開關；提供一低時鐘信號，其具有一低頻頻率，小于該時鐘頻率； 依據一反饋信號，判別一過功率事件是否發生，其中，該反饋信號大致受控于一電源供應器的一輸出電壓； 當該過功率事件發生后，以該低時鐘信號計數，以產生一第一計數結果；以及當該計數結果指出該過功率事件持續發生超過一過功率容忍時間后，使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關。
11.如權利要求10所述的電源管理控制方法，包含有 檢測流經一電感元件的一電感電流，以產生一電流檢測信號； 依據該電流檢測信號，判別一過電流事件是否發生； 當該過電流事件發生后，以該低時鐘信號計數，以產生一第二計數結果；以及當該第二計數結果指出該過電流事件持續發生一過電流容忍時間后，使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關。
12.如權利要求10所述的電源管理控制方法，包含有 提供一操作電源，對一電源控制器供電； 依據該操作電源的一操作電壓，判別一過低壓事件是否發生； 當該過低壓事件發生后，以該低時鐘信號計數，以產生一第二計數結果；以及當該第二計數結果指出該過低壓事件持續發生該過低壓容忍時間后，使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關。
13.如權利要求10所述的電源管理控制方法，還包含有 檢測流經一電感元件的一電感電流，以產生一電流檢測信號；以及 依據該功率開關的一工作比例(duty ratio)，調整該電流檢測信號。
14.如權利要求10所述的電源管理控制方法，還包含有 依據該低頻頻率，周期性地調整該時鐘頻率。
全文摘要
本發明的實施例公開電源控制器與電源管理控制方法，適用于一電源供應器。一公開的電源控制器包含有一時鐘產生器、一低頻時鐘產生器、以及一保護電路。該時鐘產生器提供一計時信號，具有一時鐘頻率，可用以周期性地開關一功率開關。該低頻時鐘產生器提供一低時鐘信號，其具有一低頻頻率，小于該時鐘頻率。該保護電路，包含有一過功率檢測電路以及一邏輯電路。該過功率檢測電路依據一反饋信號，判別一過功率事件是否發生。該反饋信號大致受控于該電源供應器的一輸出電壓。當該過功率事件持續發生一過功率容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關隔絕于該時鐘信號，以持續關閉該功率開關。該過功率容忍時間依據該低時鐘信號來計數決定。
文檔編號H02H3/24GK103050945SQ20111030815
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月12日 優先權日2011年10月12日
發明者鄒明璋, 黃國建 申請人:通嘉科技股份有限公司