專利名稱：電源控制器以及電源管理控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電源供應(yīng)器中的電源管理器以及相關(guān)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(shù)：
電源供應(yīng)器為大多電子產(chǎn)品所必備的一種電子裝置，用來將電池或是市電，轉(zhuǎn)換成電子產(chǎn)品所需求且具有特定規(guī)格的電源。在眾多的電源供應(yīng)器中，開關(guān)式電源供應(yīng)器具有優(yōu)越的電能轉(zhuǎn)換效率以及小巧的產(chǎn)品體積，所以廣受電源業(yè)界所歡迎。圖1顯示一傳統(tǒng)的開關(guān)式電源供應(yīng)器，采用返馳式架構(gòu)。橋式整流器20把從交流端AC來的市電，大致整流產(chǎn)生直流的輸入電壓Vin，位于輸入電源端IN。功率開關(guān)34開啟時，變壓器中初級側(cè)繞組PRM儲能；功率開關(guān)34關(guān)閉時，變壓器中次級側(cè)繞組SEC與輔助繞組AUX釋能。次級側(cè)繞組SEC釋能在輸出端OUT上建立輸出電壓Vqut，對負(fù)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(jù)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(jù)反饋信號Vfb來決定整個電源供應(yīng)器的能量轉(zhuǎn)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(yīng)了流經(jīng)初級側(cè)電感PRM以及功率開關(guān)34的電感電流IPKM。圖1中的開關(guān)式電源供應(yīng)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(yù)防一些不正常(fault)狀況所可能導(dǎo)致的危險結(jié)果。一般所廣為業(yè)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(fù)載保護(over load protection, 0LP)等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例公開一種電源控制器，適用于一電源供應(yīng)器，包含有一時鐘產(chǎn)生器、一低頻時鐘產(chǎn)生器、以及一保護電路。該時鐘產(chǎn)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(guān)一功率開關(guān)。該低頻時鐘產(chǎn)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(jù)一反饋信號，判別一過功率事件是否發(fā)生。該反饋信號大致受控于該電源供應(yīng)器的一輸出電壓。當(dāng)該過功率事件持續(xù)發(fā)生一過功率容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)。該過功率容忍時間依據(jù)該低時鐘信號來計數(shù)決定。本發(fā)明的實施例公開一種電源管理控制方法，包含有依據(jù)具有一時鐘頻率的一計時信號，周期性地開關(guān)一功率開關(guān)；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(jù)一反饋信號，判別一過功率事件是否發(fā)生，其中，該反饋信號大致受控于一電源供應(yīng)器的一輸出電壓；當(dāng)該過功率事件發(fā)生后，以該低時鐘信號計數(shù)，以產(chǎn)生一第一計數(shù)結(jié)果；以及，當(dāng)該計數(shù)結(jié)果指出該過功率事件持續(xù)發(fā)生超過一過功率容忍時間后，使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)。


圖1顯示一傳統(tǒng)的開關(guān)式電源供應(yīng)器。圖2為依據(jù)本發(fā)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(fù)載26,26a 電源控制器30反饋電路32補償電容

34功率開關(guān)36、38 電阻40補償電阻42、44 分壓電阻60慢時鐘產(chǎn)生器62快時鐘產(chǎn)生器64SR 觸發(fā)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(shù)器90SR 觸發(fā)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(cè)繞組Sclk計時信號SEC次級側(cè)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(jù)本發(fā)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(fā)明，但本發(fā)明并不限于此實施例。電源控制器26a有兩個時鐘產(chǎn)生器快時鐘產(chǎn)生器62以及慢時鐘產(chǎn)生器60。快時鐘產(chǎn)生器62提供計時信號SM，以時鐘頻率fM，周期性設(shè)定SR觸發(fā)器64。當(dāng)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(guān)34。慢時鐘產(chǎn)生器60提供抖頻信號STB，以慢時鐘頻率fSM來周期性地調(diào)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(chǎn)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(dāng)時鐘頻率大約是60KHz時，慢時鐘頻率fSM為400Hz ;當(dāng)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(jù)以產(chǎn)生保護信號S-。當(dāng)保護信號Sito被致能(asserted)時，邏輯門74隔絕了功率開關(guān)34與計時信號Sm，持續(xù)的關(guān)閉功率開關(guān)34。所以圖1中的電源供應(yīng)器就停止后續(xù)的電源轉(zhuǎn)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(fā)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(xiàn)象。在圖2中，當(dāng)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(jīng)過電阻38與36到初級側(cè)的接地端。偏壓電流Ibias依據(jù)功率開關(guān)34的工作比例(duty ratio)D而產(chǎn)生，用來調(diào)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(guān)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(fā)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(xiàn)象。當(dāng)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(shè)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(shù)器80,84以及88，與SR觸發(fā)器90。當(dāng)電源控制器26a的操作電壓Vrc達(dá)一定程度時，電源備妥(power good)信號Src會使SR觸發(fā)器90所輸出的保護信號Spkq的初使?fàn)顟B(tài)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(fā)生。當(dāng)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(fā)生，計數(shù)器80被清空或是重置，回復(fù)到O。反饋信號Vfb會隨著負(fù)載24的增大而上升。當(dāng)反饋信號Vfb高過過功率參考電壓Vwmef時，過功率事件發(fā)生，計數(shù)器80依據(jù)低時鐘信號SsaK，開始計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器80的計數(shù)結(jié)果達(dá)一預(yù)定數(shù)目時，意味著過功率事件持續(xù)發(fā)生了一過功率容忍時間，計數(shù)器80就通過SR觸發(fā)器90，致能保護信號SPKQ，進(jìn)而使持續(xù)關(guān)閉了功率開關(guān)34。如此，過功率容忍時間依據(jù)低時鐘信號Ssm來計數(shù)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(fā)生。當(dāng)負(fù)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(fā)生，計數(shù)器84開始計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器84的計數(shù)結(jié)果達(dá)一預(yù)定數(shù)目時，意味著過電流事件持續(xù)發(fā)生一過電流容忍時間，計數(shù)器84致能保護信號SPM，進(jìn)而持續(xù)關(guān)閉了功率開關(guān)34。過電流容忍時間依據(jù)低時鐘信號Ssm來計數(shù)決定。在一實施例中，在過電流事件大約發(fā)生時，時鐘頻率約是60KHz ;在過功率事件大約發(fā)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(fā)生。當(dāng)負(fù)載24突然呈現(xiàn)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(biāo)，來觸發(fā)相關(guān)的保護機制。當(dāng)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(fā)生，計數(shù)器88開始計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器88的計數(shù)結(jié)果達(dá)一預(yù)定數(shù)目時，意味著過低壓事件持續(xù)發(fā)生一過低壓容忍時間，計數(shù)器88致能保護信號Spro,進(jìn)而持續(xù)關(guān)閉了功率開關(guān)34。過低壓容忍時間依據(jù)低時鐘信號Ssm來計數(shù)決定。在圖4中，只要過負(fù)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(fù)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(shù)器88只有在過低壓事件以及過負(fù)載事件都發(fā)生后，才開始計數(shù)。在本發(fā)明的一實施例中，也可使計數(shù)器88只有在過低壓事件以及過電流事件都發(fā)生后，才開始計數(shù)，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(shù)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(fā)生持續(xù)超過數(shù)個毫秒后，才能夠確認(rèn)而觸發(fā)。舉例來說，如果過負(fù)載保護是在過負(fù)載事件發(fā)生持續(xù)10毫秒后才觸發(fā)，那以400Hz的低時鐘信號Ssm作為時鐘，就只要計數(shù)4次，大約兩個D觸發(fā)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(shù)600次，需要高達(dá)9個D觸發(fā)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(dāng)?shù)臏p少電路成本。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求書所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種電源控制器,適用于一電源供應(yīng)器,包含有 一時鐘產(chǎn)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(guān)一功率開關(guān); 一低頻時鐘產(chǎn)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(jù)一反饋信號，判別一過功率事件是否發(fā)生，其中，該反饋信號大致受控于該電源供應(yīng)器的一輸出電壓；以及 一邏輯電路，當(dāng)該過功率事件持續(xù)發(fā)生一過功率容忍時間后，使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)； 其中，該過功率容忍時間依據(jù)該低時鐘信號來計數(shù)決定。
2.如權(quán)利要求1所述的電源控制器，其中，該電源供應(yīng)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(jù)一電流檢測信號，判別一過電流事件是否發(fā)生，其中，該電流檢測信號大致對應(yīng)流經(jīng)該電感元件的一電感電流； 其中，當(dāng)該過電流事件持續(xù)發(fā)生超過一過電流容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)，該過電流容忍時間依據(jù)該低時鐘信號來計數(shù)決定。
3.如權(quán)利要求2所述的電源控制器，其中，當(dāng)該過功率事件大約發(fā)生時，該時鐘頻率為一第一時鐘頻率，當(dāng)該過電流事件大約發(fā)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(quán)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(jù)該操作電源的一操作電壓，判別一過低壓事件是否發(fā)生； 其中，當(dāng)該過低壓事件持續(xù)發(fā)生超過一過低壓容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)，該過低壓容忍時間依據(jù)該低時鐘信號來計數(shù)決定。
5.如權(quán)利要求1所述的電源控制器，其中，該電源供應(yīng)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(jīng)該電感元件的電感電流；以及 一可控制的電流源，依據(jù)該功率開關(guān)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(quán)利要求5所述的電源控制器，其中，當(dāng)該反饋信號低于一預(yù)設(shè)值時，該偏壓電流固定為O。
7.如權(quán)利要求1所述的電源控制器，其中，該低頻時鐘產(chǎn)生器為一抖頻控制器，用以周期性地調(diào)整該時鐘頻率。
8.如權(quán)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(quán)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(jù)具有一時鐘頻率的一計時信號，周期性地開關(guān)一功率開關(guān)；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(jù)一反饋信號，判別一過功率事件是否發(fā)生，其中，該反饋信號大致受控于一電源供應(yīng)器的一輸出電壓； 當(dāng)該過功率事件發(fā)生后，以該低時鐘信號計數(shù)，以產(chǎn)生一第一計數(shù)結(jié)果；以及當(dāng)該計數(shù)結(jié)果指出該過功率事件持續(xù)發(fā)生超過一過功率容忍時間后，使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)。
11.如權(quán)利要求10所述的電源管理控制方法，包含有 檢測流經(jīng)一電感元件的一電感電流，以產(chǎn)生一電流檢測信號； 依據(jù)該電流檢測信號，判別一過電流事件是否發(fā)生； 當(dāng)該過電流事件發(fā)生后，以該低時鐘信號計數(shù)，以產(chǎn)生一第二計數(shù)結(jié)果；以及當(dāng)該第二計數(shù)結(jié)果指出該過電流事件持續(xù)發(fā)生一過電流容忍時間后，使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)。
12.如權(quán)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(jù)該操作電源的一操作電壓，判別一過低壓事件是否發(fā)生； 當(dāng)該過低壓事件發(fā)生后，以該低時鐘信號計數(shù)，以產(chǎn)生一第二計數(shù)結(jié)果；以及當(dāng)該第二計數(shù)結(jié)果指出該過低壓事件持續(xù)發(fā)生該過低壓容忍時間后，使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)。
13.如權(quán)利要求10所述的電源管理控制方法，還包含有 檢測流經(jīng)一電感元件的一電感電流，以產(chǎn)生一電流檢測信號；以及 依據(jù)該功率開關(guān)的一工作比例(duty ratio)，調(diào)整該電流檢測信號。
14.如權(quán)利要求10所述的電源管理控制方法，還包含有 依據(jù)該低頻頻率，周期性地調(diào)整該時鐘頻率。
全文摘要
本發(fā)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(yīng)器。一公開的電源控制器包含有一時鐘產(chǎn)生器、一低頻時鐘產(chǎn)生器、以及一保護電路。該時鐘產(chǎn)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(guān)一功率開關(guān)。該低頻時鐘產(chǎn)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(jù)一反饋信號，判別一過功率事件是否發(fā)生。該反饋信號大致受控于該電源供應(yīng)器的一輸出電壓。當(dāng)該過功率事件持續(xù)發(fā)生一過功率容忍時間后，該邏輯電路使該功率開關(guān)隔絕于該時鐘信號，以持續(xù)關(guān)閉該功率開關(guān)。該過功率容忍時間依據(jù)該低時鐘信號來計數(shù)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(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者鄒明璋, 黃國建 申請人:通嘉科技股份有限公司