专利名称：限制信号产生器、脉波宽度调变控制电路及控制方法
技术领域：
本发明是有关于一电源供应器(power supply),特别关于使用于一电源供应 器中的脉波宽度调变(Pulse Width Modulation, PWM)控制电路。
背景技术：
开关电源供应器(switching power supply)中，已经广泛使用PWM的技术， 来控制或是调整输出的功率。为了预防电源供应器蒙受永久性的损害，电源供 应器中多会内建有许多的保护电路，像是过电压(over voltage)、过电流(over current)电路等。其中，输出功率(output power)的限制一般是用来针对过负载 (overload)或是输出短路发生时的保护机制。
请参阅图1，为一现有技术的PWM电源供应器100。控制器106可产生 PWM信号，控制功率开关102的开启(ON)或关闭(OFF)。当功率开关102开 启时，电源电压VjN会对变压器104的主绕组(primary coil)进行充电，使得流 经主绕组的电流渐渐增加。当功率开关102关闭时，存放于变压器104中的能 量会透过次级绕组(secondary coil)对输出电容充电而释放。电阻Rcs与功率开 关102串接，所以其跨压Vcs就是对应流经过功率开关102以及/或主绕组的
电流。当跨压Vcs大于或是等于一定值时，譬如说由限制信号VuMT所表示的
值时，便意味着流经过功率开关102以及/或主绕组的电流有过大的风险，控 制器106便会据以关闭功率开关102，停止主绕组的电流继续增加。换言之， 限制信号Vl腿t可以限制PWM电源供应器100的最大输出功率。
但是，如果限制信号VL蘭t是一个常数(constant)的话，最大输出功率却可 以因为信号传递延迟(signal propagation delay)的原因，而随着电源电压V!n的
大小而改变。当跨压Vcs大于或是等于限制信号VuM!t时，到控制器106真正 关闭功率开关102时， 一定需要有一段信号延迟时间tDELAY。而在这一段信号 延迟时间tD^AY过程中，主绕组的电流依然会增加，其增加量会跟当时的电源 电压的值为正比的关系。所以，真正的最大输出功率就会随着电源电压
5V^变大而增大。
美国专利号第6,674,656号(以下简称'656专利)提供了一种解决方案，其 标题为(PWM controller having a saw-limiter for output power limit without sensing input voltage)。图2简示，656专利中的一方法概念。在，656专利中，限 制信号Vumt不是一个常数。波形转换器202接收从振荡器204所输出的锯齿 波(saw-tooth)信号，然后依序历经调整斜率、箝制处理、位准平移之后，产生 了如图2中所示的限制信号VLIMIT。在每个周期中，限制信号Vu酣随着时间 而改变， 一开始是在从一最低电压就开始上升，最后箝制于一最高电压。图3 为显示有限制信号VUMIT的波形，以及两个跨压Vcs的波形，其中电压
Vcs(V固k3h)代表的是一电源电压V-!n较高时的跨压Vcs波形，电压VCS (V肌ow)
则表示一电源电压V，较低时的跨压Vcs波形。由图3中可以发现，电源电压
V-!k较高时，其电压Vcs(V!n腦h)也上升较快，会碰到较低的限制信号Vu匿， 藉此改善了信号延迟时间所可能产生的最大输出功率不稳定的问题。
发明内容
本发明提供一种限制信号产生器，用以转换一三角波信号，成为一限制信 号。该限制信号具有一第一持平区间、 一第二持平区间、以及一上升区间。当 该三角波信号于一周期内开始上升时，该限制信号依序进入该第一持平区间
(holding period)、该上升区间、以及该第二持平区间。该限制信号产生器包含 有一乘法器、 一加法器、 一第一箝制器、以及一第二箝制器。该乘法器用以决 定该限制信号在该上升区间中的斜率。该加法器将该三角波信号与一偏移信号 相加，以决定该限制信号在该上升区间中的值。该第一箝制器使该限制信号在 该第一持平区间时为一第一默认值。该第二箝制器使该限制信号在该第二持平 区间时为一第二默认值。
本发明另提供一种脉波宽度调变(PWM)控制电路，包含有一振荡器、 一限 制信号产生器、 一功率开关、以及一比较控制器。该振荡器产生一三角波信号。 该限制信号产生器接收该三角波信号，并据以产生一限制信号。该限制信号具 有一第一持平区间、 一第二持平区间、以及一上升区间。当该三角波信号于一 周期内的上升区间时，该限制信号依序进入该第一持平区间、该上升区间、以 及该第二持平区间。该限制信号在该第一持平区间时为一第一默认值，在该第二持平区间时为一第二默认值。该比较控制器将对应流经该功率开关的电流的 一检测信号相较于该限制信号，并据以控制该功率开关。
本发明另提供一种脉波宽度调变控制方法。先接收一三角波信号。当该三 角波信号在一周期内的上升区间时，依序进行下列步骤，以输出一限制信号。 l)在一第一持平区间内，使该限制信号保持在一第一默认值；2)在一上升区间 内，使该限制信号由该第一默认值渐渐上升至一第二默认值；以及3)在一第二 持平区间内，使该限制信号保持在该第二默认值。比较该限制信号与对应流经 一功率开关的电流的一检测信号，并据以控制该功率开关。
图1为一现有技术的PWM电源供应器；
图2为现有技术美国专利号第6,674,656号专利中的一方法概念；
图3为依据美国专利号第6，674，656号专利实施而产生的限制信号VUMIT
的波形，以及两个Vcs的波形；
图4A为依据本发明的一实施例的一电源供应器电路示意图4B为依据本发明的一实施例，所产生的限制信号VuMrr与三角波信号
V(^c的时序关系；
图5A为图2中的限制信号VL扁T所可能产生的问题；
图5B为图4B中的限制信号VuM汀所可能产生的结果；
图6为具有用以产生图4B中的限制信号VuM汀的一种限制信号产生器；
图7为图6中的限制信号产生器的一种电路实施例。主要组件符号说明
100PWM电源供应器
106控制器
102功率开关
104变压器
202波形转换器
204振荡器
400电源供应器
402功率开关404变压器
406振荡器
408限制信号产生器
410比较器
412控制器
414二极管
Res电阻
C0整流负载电容
600限制信号产生器
602振荡器
Vosc三角波信号
Vlimit限制信号
606加法器(adder)
610乘法器(scaler)
611三角波信号
VsHIFT偏移信号
612箝帝'j器
614箝制器
702电压电流转换器
704电压电流转换器
OPosc比较器
Rose电阻
Sosc开关
OPsHIFT比较器
RsfflFT电阻S shift开关
RsCALE增益电阻
706比较器
710开关
708比较器712 开关
V0 输出电压
VrN 电源电压
Pfall 下降区间
Prise 上升区间
Phl 持平区间
lose 电流信号
PR 上升区间
Phh 持平区间
ISHIFT 电流信号
VCS.P.H 跨压
VDD 高电压源
Vcs.p.l 跨压
Vcs.p.o 跨压
Vcs小H 跨压
Vcs.ll 跨压
Vcs小o 跨压
vcs 跨压
Vhold-max 电压
Vhold國min 电压
vcs(vINLOW) 电压
VcS(V麗gh) 电压
具体实施例方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出
较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图4A为依据本发明的一实施例的一电源供应器电路示意图。电源供应器 400为一返驰式(flyback)电源转换器，包含有功率开关402、变压器404、振荡 器406、限制信号产生器408、比较器410、控制器412、电阻Rcs、 二极管414 以及整流负载电容C0。控制器412控制功率开关402关闭或是开启，以控制
9对变压器404充电或是使变压器404放电。电阻Rcs检测流经变压器404的主 绕组的电流，也用来控制电源供应器400的输出功率。振荡器406输出一三角 波信号Vosc至限制信号产生器408，而限制信号产生器408据以输出限制信 号VuM汀。限制信号产生器408将稍后做细部解释。比较器410比较限制信号 Vt腿t与电阻Rcs所产生的跨压Vcs，而控制器412则依据比较器410的输出 控制功率开关402。
请参阅图4B，显示限制信号产生器408所产生的限制信号Vl，t与三角
波信号V0SC的时序关系。三角波信号VOSC的每一周期都有一段上升区间Prjse
以及一下降区间Pfaix。相对于三角波信号Vosc的上升区间Prise，限制信号
VL腿t则具有三个区间，时序上依序是持平区间PHL、上升区间PR、以及持平 区间phh。当限制信号vl歸t于持平区间Phl吋，限制信号Vum汀持守在一定 默认值，譬如说电压VH0LD-MIN;当限制信号VuMT在上升区间PR时，限制信 号vlmt随着时间，由电压vhold.min渐渐上升，最后到达另一定默认值，譬
如说电压VH0LD-MAX;当限制信号VuMrr在持平区间Phh吋，限制信号Vlimit
持守在电压vhqld-max。
图4A中的电源供应器400，因为具有图4B中的限制信号VUMIT,所以可 以提供较高的开机输出电流，使输出电压V0比较快速地由开机时的0电位开 始上升。在电源供应器400刚刚开始接上电源时，整流负载电容Co的跨压， 因为尚未充电，所以是非常低的或是几乎等于O，因此，可以视为变压器404 的次级绕组(secondarycoil)上的跨压Vs接近于O。此时，感应到主绕组的跨压 Vp^V,Np/Ns)也会是接近于0，其中，Np以及Ns分别是主绕组与次级绕组的 线圈数。因此，变压器404在电源电压Vw—开始开机供电，而功率开关402 开启的瞬间，将呈现变压器的特性，不存放能量于变压器404中，而将通过主 绕组的能量，直接由次级绕组输出。所以，会有瞬间相当大的电流流经主绕组， 也同时感应出相对应的电流流经次级绕组对整流负载电容Co充电。而这个流 经主绕组的瞬间大电流，其值会被电阻Rcs以及当时的限制信号VUMIT所决定。
当整流负载电容Co充电到一定程度后，当功率开关402开启时，整流负 载电容Co上的跨压会阻止次级绕组的感应电流对其充电。此时，变压器404 的主绕组等同与次级绕组相离耦(decouple)，呈现一般的单一电感特性，所以 变压器404的主绕组的磁阻(reluctance)才会导致通过变压器404主绕组的电流随着时间过去而线性慢慢增加的性质。
图5A显示图2中的限制信号VuM汀所可能产生的问题。图5A也显示了 图3的一周期中的信号变化，同时也显示了电源电压VxN高时的电阻Rcs跨 压VCS.P.H、电源电压Vw低时的电阻Rcs跨压Vcs.p.l、以及输出电压Vo很低(也 就是刚刚开机不久)时的电阻Rcs跨压Vcs.p-o。由图5A中的跨压Vcs-p.h以及跨
压Vcs.p.L可知，限制信号VL麵t确实可以在不同电源电压V!n时，提供不同准
位的限制信号Vum^，而产生所希望的信号延迟补偿效果。然而，由图5A也
可知，Vcs.p.o会因为限制信号Vu丽在一周期开始时相当的低，而被受限于一 个非常低的值。也就是说，如果运用图2中的限制信号VuM,t， 一开始开机时
传送到整流负载电容Co的能量将会非常的受限。万一负载电容Co并联有其它
电阻式负载，图2中的限制信号VuMZT-甚至可能导致输出电压Vo无法到达期
望值的错误结果。
图5B显示图4B中的限制信号VuM汀所可能产生的结果。图5B也显示了 图4A的一周期中的信号变化，同时也显示了电源电压Vrn高时的电阻Rcs
跨压Vcs.lh、电源电压VjN低时的电阻Rcs跨压Vcs小L、以及输出电压Vo很低 (也就是刚刚开机不久)时的电阻RcS跨压Vcs.w)。图5B中的Vcs.lh与Vcs礼
是与图5A中的VCS_P.H以及Vcs.p.L相类似，其相同的信号延迟补偿效果不再重 述。由图5B可知，限制信号Vu^t在一周期开始时被设定在一个较高的准位， 所以Vcs.p.o会一样的会有较高的输出。也就是说，如果运用图4B中的限制信 号Vl^t， 一开始开机时传送到负载电容的能量，相较于图5A的结果，是比 较大的，也因此也比较不会有开机后输出电压Vo无法到达期望值的错误结果。 而模拟也证实了使用图4B中的限制信号Vu,所产生的输出电压V0，会比使 用图2中的限制信号VuMZT所产生的输出电压V0，更快的到达期望的一定电 压输出值。
图6具有用以产生图4B中的限制信号VUMIT的一种限制信号产生器600。 限制信号产生器600用来转换从一振荡器602所产生的一三角波信号Vosc， 而成为一限制信号VL，t。在图6中，限制信号产生器600以加法器606与乘 法器610，来线性调整三角波信号Vosc，而产生另一个三角波信号(也就是一
调整后信号)611。加法器606把三角波信号Vosc与偏移信号VsH!ft相减，也
就是调整直流准位。乘法器610接收加法器606的一输出，进行斜率调整，产生三角波信号6U。因为是线性调整，所以三角波信号611跟三角波信号Vosc
之间差异在斜率以及直流准位的不同，而周期与相对应的上升与下降切换起始 点是大致上一样的。
三角波信号611接着透过箝制器612与614，进行箝制处理。如果三角波
信号611高于箝制器612所设定的一默认值，譬如说电压VHQLD.MAX，则箝制
器612会使限制信号VuM汀持守在电压VHOLD_MAX。相对的，如果三角波信号 611低于箝制器614所设定的一默认值，譬如说电压Vhold.min，则箝制器614 会使限制信号Vl蘭t持守在Vhqld-画。如果三角波信号611的值位于VHOLD.MAX
与VHQLD掘N之间，则限制信号V固汀的输出值跟三角波信号611的值一样。
因此，如同图4B所示，限制信号Vum汀便会在三角波信号Vosc的上升区间 Prise中，依序进入一持平区间PHL、 一上升区间PR、以及另一持平区间PHH。 加法器606以及乘法器610 —起决定限制信号VuwT在上升区间PK时的值。 箝制器612使限制信号V固!t在持平区间PHH时持守在VH0LD_MAX;箝制器614 使限制信号VuM汀在持平区间PHL时持守在VH0LD_MIN。
图7为图6中的限制信号产生器600的一种电路实施例。当然，图7并非 限制本发明的实施，限制信号产生器600也可以由不同于图7的电路来实施。
电压电流转换器702把三角波信号Vosc转换成电流信号Iosc。电压电流 转换器702具有一比较器OPosc、电阻Rosc、开关Sosc、以及两个晶体管所构 成的电流镜(current mirror)。电压电流转换器704把偏移信号VsH訂转换成电
流信号ISHIFT。电压电流转换器704具有一比较器OPsmFT、电阻R训FT、以及 开关S細ft。电流信号I細打与Iosc相减后，透过两个电流镜，送到增益电阻 RSCALE。增益电阻RSCALE就可以视为一个乘法器，其电阻值与电阻RqSC的电 阻值的比值，可以决定限制信号Vu丽在上升区间Pr吋的上升斜率，对三角
波信号Vosc的上升斜率的比值。于图7中，箝制器612具有一比较器706以 及一开关710。如果电压VSCALE的电压高于电压VHOU>MAX，则比较器706的 输出会导通开关710，迫使限制信号VtMT被一低电压源下拉，使得限制信号 Vu匿不至于大于电压VHOLD-MAX。类似的，图7中的箝制器614具有一比较
器708以及一开关712。如果电压VscALE的电压低于VHOLD.MjN，则比较器706
的输出会导通开关710，迫使限制信号VuMn4皮一高电压源VDD上拉，使得
限制信号Vt腿t不至于小于电压VH0U>MIN。而当电压VscALE的电压介于电压V恥LD-MAX 与电压VHOLD.M!N之间时，开关712与开关710都是关闭状态，所以
限制信号VL腿T会等于电压VSCALE。换言之，箝制器612与614 --起将电压 VSCALE箝制于电压VH0LD_MAX与电压VHOLD-MIN之间，以输出限制信号VUMIT。
运用本发明的实施例所产生的限制信号，可以使电源供应器的输出电压快 速的从O开始上升，可以预防开机后，输出电压因为变压器的功率限制过小， 而导致的开机失败的问题。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不 背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作 出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权 利要求的保护范围。
权利要求
1.一种限制信号产生器，用以转换一三角波信号，成为一限制信号，该限制信号具有一第一持平区间、一第二持平区间、以及一上升区间，当该三角波信号于一周期内开始上升时，该限制信号依序进入该第一持平区间、该上升区间、以及该第二持平区间，其特征在于，该限制信号产生器包含有一乘法器，用以决定该限制信号于该上升区间中的斜率；一加法器，用以将该三角波信号与一偏移信号相减，以决定该限制信号在该上升区间甲的值；一第一箝制器，使该限制信号于该第一持平区间时为一第一默认值；以及一第二箝制器，使该限制信号于该第二持平区间时为一第二默认值。
2. 如权利要求1所述的限制信号产生器，其特征在于，该加法器包含有 一第一电压电流转换器，用以将该三角波信号转换成一三角波电流；以及 一第二电压电流转换器，用以将该偏移信号转换成一偏移电流；其中，该加法器输出该三角波电流与该偏移电流的差电流。
3. 如权利要求1所述的限制信号产生器，其特征在于，该乘法器包含有一 第一电阻，且该加法器包含有一第二电阻，该第一电阻与该第二电阻的电阻值 比值影响该限制信号在该上升区间的上升斜率。
4. 如权利要求1所述的限制信号产生器，其特征在于， 该加法器接收该三角波信号以及该偏移信号； 该乘法器接收该加法器的一输出，产生一调整后信号；以及 该第一箝制器以及该第二箝制器监测该调整后信号，并使该调整后信号不会超过一该第一默认值以及一该第二默认值。
5. 如权利要求4所述的限制信号产生器，其特征在于，该第一箝制器包含有一第一比较器，用以比较该调整后信号与该第一默认值；以及 一第一开关，受控于该第一比较器的一输出，具有一第一端以及一第二端， 分别接收一高电源以及该调整后信号。
6. 如权利要求5所述的限制信号产生器，其特征在于，该第二箝制器包含一第二比较器，用以比较该调整后信号与该第二默认值；以及 一第二幵关，受控于该第二比较器的一输出，具有一第一端以及一第二端， 分别接收一低电源以及该调整后信号。
7. 如权利要求1所述的限制信号产生器，其特征在于，该第一默认值低于 该第二默认值。
8. —种脉波宽度调变控制电路，其特征在于，包含有； 一振荡器，用以产生一三角波信号；一限制信号产生器，接收该三角波信号，并据以产生一限制信号，该限制 信号具有一第一持平区间、 一第二持平区间、以及一上升区间，当该三角波信 号在一周期内的上升区间时，该限制信号依序进入该第一持平区间、该上升区 间、以及该第二持平区间，该限制信号在该第一持平区间时为一第一默认值， 在该第二持平区间时为一第二默认值；一功率开关；以及一比较控制器，将对应流经该功率开关的电流的一检测信号相较于该限制 信号，并据以控制该功率开关。
9. 如权利要求8所述的脉波宽度调变控制电路，其特征在于，该第一默认 值低于该第二默认值。
10. 如权利要求8所述的脉波宽度调变控制电路，其特征在于，该限制 信号产生器包含有一乘法器，用以决定该限制信号在该上升区间中的斜率； 一加法器，用以将该三角波信号与一偏移信号相减，以决定该限制信号在 该上升区间中的值；一第一箝制器，使该限制信号在该第一持平区间时为该第一默认值；以及 一第二箝制器，使该限制信号在该第二持平区间时为该第二默认值。
11. 一种脉波宽度调变控制方法，其特征在于，包含有 接收一三角波信号；当该三角波信号于一周期内的上升区间时，依序进行下列步骤，以输出一 限制信号在一第一持平区间内，使该限制信号保持在一第一默认值； 在一上升区间内，使该限制信号由该第一默认值渐渐上升至一第二默认值；以及在一第二持平区间内，使该限制信号保持在该第二默认值；以及 比较该限制信号与对应流经一功率开关的电流的一检测信号，并据以控制 该功率开关。
12.如权利要求11所述的脉波宽度调变控制方法，其特征在于，另包含有线性调整该三角波信号，而产生一调整后信号；及箝制该调整后信号于该第一默认值与该第二默认值之间，以输出该限制信号
全文摘要
本发明公开了一种脉波宽度调变(PWM)控制电路，包含有一振荡器、一限制信号产生器、一功率开关、以及一比较控制器。该振荡器产生一三角波信号。该限制信号产生器接收该三角波信号，并据以产生一限制信号。该限制信号具有一第一持平区间、一第二持平区间、以及一上升区间。当该三角波信号在一周期内的上升区间时，该限制信号依序进入该第一持平区间、该上升区间、以及该第二持平区间。该限制信号在该第一持平区间时为一第一默认值，在该第二持平区间时为一第二默认值。该比较控制器将对应流经该功率开关的电流的一检测信号相较于该限制信号，并据以控制该功率开关。
文档编号H02M3/28GK101577480SQ200810099309
公开日2009年11月11日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者陈仁义, 陈俊德, 魏大钧 申请人:通嘉科技股份有限公司