专利名称：似准谐振电源控制器以及相关的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电源供应器，尤其涉及一种似准谐振OiR-similar)电源控制器及相关的控制方法。
背景技术：
几乎每个电子产品都需要有电源供应器，来将外来电源(可能是市电也可能是电池)，转换成其中核心电路(core circuit)所需要的电源。在众多表现中，转换效能 (conversion efficiency)往往是电源供应器设计上所需要考虑的重点之一。准谐振(quadrature resonance, QR)电源供应器可以降低功率开关的开关损失， 在众多的电源供应器中，其转换效率在理论上是相对性的优良，所以为广受欢迎的电源供应器的架构之一。图1为一已知的QR电源供应器8。转换器10显示一升压转换器(boost converter) 10。QR电源控制器(power controller) 18切换功率开关15，来控制一次侧绕组(primary winding)PRM的储能与释能。反馈电路20检测输出端OUT的电压，产生一反馈信号Vfb于QR电源控制器(power controller) 18的反馈端FB。图2为图1中的一些信号波形，其中，由上而下分别是，门信号VeATE表示门端GATE 的电压；电压信号Vzm表示零交越检测端(zero crossing detection node)Z⑶的电压；电流检测信号V。s表示电流检测端CS的电压；信号Vcm表示连接点CN上的电压；以及一次侧电流信号Ipem表示流经一次侧绕组PRM的电流。QR电源控制器18可以依据反馈信号Vfb来控制功率开关15的开启时间TQN，其为功率开关15表现短路的时段。至于功率开关15表现为开路时的关闭时间TQFF，则是由QR 电源控制器18检测零交越检测端ZCD来控制。譬如说，在零交越时间点tzm时，QR电源控制器18检测到零交越检测端ZCD的电压信号Vzm下降交越过0伏特。所以，QR电源控制器18认定一次侧绕组PRM以及辅助绕组AUX中的电能已经释放完毕。再经过一段延迟时间后，QR电源控制器18就开启功率开关15，进入下一开关周期的开启时间TQN。—个理想的QR电源控制器18期望的是，当功率开关15被开启的瞬间，信号Vcm可以位于一个波谷，如此可以降低功率开关15的开关损失。
发明内容
本发明实施例提供一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，具有一功率开关， 包含有记录该功率开关的一开启时间；依据该开启时间，提供一预估关闭时间，该预估关闭时间大约与该开启时间正相关(positive correlation)；以及，于该预估关闭时间过去后，开启该功率开关。本发明实施例提供一似准谐振OlR-similar)电源控制器，包含有一似准谐振时序产生器。该似准谐振时序产生器于一功率开关由一开启状态切换至一关闭状态后的一预估关闭时间后，提供一似准谐振设置信号，以开启该功率开关。该预估关闭时间由该似准谐振时序产生器依据该功率开关的一开启时间推算而产生，且该预估关闭时间大约与该开启时间正相关。
15功率开关
18=QR电源控制器
20反馈电路
60似准谐振电源供应器
61似准谐振电源控制器
62时脉产生器
63电阻
64时脉时序产生器
65与门
66似准谐振时序产生器
68缓冲器
70电压控制电流源
72放大器
74放大器
76取样器
77电容
78比较器
82:SR正反器
84延迟器
88 比较器89 电容AUX 辅助绕组CN 连接点CS 电流检测端fCYC:时脉频率时脉频率fCYC_。KS 时脉频率fCYC_QES_MIN 最低频率值FB 反馈端GATE:门端IN 输入端Ipkm:—次侧电流信号Iset 电流01、02:输出OUT 输出端PRM 一次侧绕组RIN:延迟设定端Se:时脉设置信号Sdise 预估放电完毕信号Sqes 似准谐振设置信号tZCD 零交越时间点Tctc 开关周期TeTC_QKS 时脉周期Tdis 放电时间Tdise 预估放电时间Tdly 延迟时间Ton 开启时间Tqff:关闭时间Tqffe:预估关闭时间Teng 震荡时间Vcn 信号Vcs:电流检测信号VFB:反馈信号VcateJ]信号Veamp 斜坡信号Veefi、Veef2、Veef3 参考电压Vemp:信号Vsam 开启记录值
Vtak:放电目标值
Vthk:临界电压
Vzcd 电压信号
Z⑶零交越检测端具体实施方式
图3放大了图2中的信号Vcm以及一次侧电流信号I ，并显示了一些信号数值上的关系。
如同图3所示，开关周期Tere由开启时间Tm与关闭时间Ttw所构成。关闭时间Ttw 大致可以区分成两部分，放电时间Tdis以及震荡时间T-。放电时间Tdis大致指的是一次侧绕组PRM的放电时间，也就是一次侧电流信号Ipem从最大值放电到0所经历的时间。当一次侧绕组PRM放电完毕后，一次侧绕组PRM与连接点CN上的寄生电容形成LC共振电路，所以信号VeN开始下降。一个优良的QR电源控制器应该在信号Vcm由一波峰震荡到一波谷，所需的震荡时间Trae后，开启一功率开关。
从电路上可以推导得知，对于一理想的QR电源供应器而言，放电时间Tdis应该是跟开启时间Ton成正比，震荡时间Trae应该是跟震荡周期成正比。所以，开关周期Tctc可以用以下公式I表示。
Tclc — Ton+Toff
— Ton+Tdis+Teing
= ToN+K^ToN+K^sqr (Lpem^Ccn)...........I
其中，Kp K2表不二常数，sqr表不开根号，Lpem表不一次绕组PRM的电感值，Ccm表示在连接点CN上的等效电容值。因此，只要能够产生符合公式I的开关周期Tctc，一电源供应器便大致可以操作在准谐振模式。
已知技术中，一般只是以零交越时间点tzm跟一段预设的延迟时间，来决定关闭时间Ttw的结束，没有真正的去产生或检测放电时间Tdis以及震荡时间T■，所以，不算是精准地操作在准谐振模式。
在本发明的一实施例显示了一似准谐振(QR-similar)电源控制器，其没有检测零交越时间点tzm，便可以做到类似QR的操作模式。
图4为依据本发明实施的一似准谐振电源供应器60，其中，与图I相似或是相同的部分，为此技术领域具的普通技术人员可知悉，为简洁的缘故，不再多述。与图I不同的，似准谐振电源供应器60具有似准谐振电源控制器61，其没有零交越检测端ZCD，取而代之的是有延迟设定端RIN，连接到电阻63。似准谐振电源控制器61可以是一单芯片集成电路， 其可以具有接脚VCC、GND、GATE、CS、RIN以及FB。
图5为似准谐振电源控制器61的内部电路。在反馈端FB上的反馈信号Vfb，经过缓冲器(buffer)68、电阻分压电路以及比较器88，大致决定了电流检测信号Ves的峰值，同时也大约的决定了开启时间Tw。时脉产生器62则负责产生脉波信号，周期性地设置SR正反器82，决定开启时间Tw的起点，等于决定了前次开关周期中的关闭时间T,。
时脉产生器62中主要有两个部分似准谐振时序产生器(QR-similar timing generator) 66与时脉时序产生器(clock timing generator) 64,两个的输出01与02都连接到与门(AND gate)65，而与门65的输出除了连接到SR正反器82的S端之外，也连接到时脉时序产生器64的重置(reset)端。因为与门65这样的一个逻辑门的存在，似准谐振时序产生器(QR-similar timing generator)66所输出的似准谐振设置信号Sqks,与时脉时序产生器64所输出的时脉设置信号S。，两者比较晚到者，会设置(set) SR正反器82，使图4 中的功率开关15开启，同时重置(reset)时脉时序产生器64。
图6A为时脉时序产生器64。电压控制电流源70依据反馈信号Vfb决定其电流值， 也大约决定了斜坡信号Vkamp的斜率。当斜坡信号Veamp高过参考电压Vkefi时，比较器从输出 01送出时脉设置信号S。。时脉时序产生器64中的重置端reset，如果为逻辑上的“1”，则电容放电，所以斜坡信号Vkamp会被重置到电压为0V。
当时脉设置信号S。直接送到重置端reset时，时脉时序产生器64可以视为一时脉产生器，其时脉频率fCYC-C与反馈信号Vfb的一种可能的关系，显不于图6B。在图6B中， 如果反馈信号Vfb低于参考电压Vkef2时，时脉频率大致固定在一最低操作频率；反馈信号Vfb高于参考电压Vkef3时，时脉频率fCTe_。大致固定在一最高操作频率；反馈信号Vfb介于参考电压Vkef3与Vkef2之间时，时脉频率fCTC_。随反馈信号Vfb线性变化。
图7A为似准谐振时序产生器66。取样器76中，放大器72的电压增益为1，所以在其输出端复制斜坡信号VKAMP。当门信号Vmte使功率开关15从开启状态切换到关闭状态时，取样器76取样了斜坡信号Veamp,记录在电容77，产生开启记录值VSAM。放大器74的电压增益为K，放大开启记录值Vsam，在输出端产生放电目标值Vtak ( = K*Vsam)。比较器78在斜坡信号Veamp高过放电目标值Vtak时，触发预估放电完毕信号Sdise。斜坡信号Veamp从OV爬升到开启记录值Vsam时,耗费了开启时间T,斜坡信号Veamp从开启记录值Vsam爬升到放电目标值Vtak，所需要的预估放电时间Tdise，可以用以下公式表示。
Tdise — (Vtar-Vsam) /Vsam^Ton
= (K-I) *Ton .............II
所以，取样器76、放大器74、与比较器78—起可以视为一放电时序产生器，在预估放电时间Tdise后，触发预估放电完毕信号Sdise。如公式II所示，预估放电时间Tdise等比例于开启时间I*。
延迟器(delaydevice)84 内部提供一延迟时间 TDIjY。延迟器(delay device)84 接收到预估放电完毕信号Sdise,经过延迟时间Tdw后，就送出似准谐振设置信号SQKS。延迟时间Tdw可以通过延迟设定端RIN接一电阻63来设定。
如果似准谐振设置信号Sqks直接送到时脉时序产生器64重置端reset，时脉时序产生器64以及似准谐振时序产生器66 —起可以视为一时脉产生器，其时脉频率fCTC_QKS与反馈信号Vfb的一种可能的关系，显示于图6B。反馈信号Vfb越高，开启时间Tm越久，预估放电时间Tdise也越久，所以时脉频率feTC_QKS就越小。时脉频率fCTe_QKS相对应的时脉周期TCTe_QKS 可以用以下公式III表示。
Tcyc_qES — Ton+Toffe
— Ton+Tdise+Tdly
= Ton+(K-I) *T0N+Tdly ................HI
其中，在此实施例中，预估关闭时间Tcwe可以是延迟时间Tdw与预估放电时间Tdise 的和，与开启时间Tm为正相关。也就是说，开启时间Tw越长，预估关闭时间Twfe就越长。只要适当的设计K以及延迟时间TD ，公式III就会等于公式I。换言之，似准谐振时序产生器66可以产生类似准谐振所需要的时序。必要时，可以在似准谐振时序产生器66中提供一个装置(未显示)，限制时脉频率 fCYC-QES的最低值。也就是，时脉频率fm-m不可以低于一预定的最低频率值 ·。Υ。-< -ΜΙΝ。因为与门65的限制，所以图5的时脉产生器62，在反馈信号Vfb所对应产生的时脉频率f。Y。，会是图7B的时脉频率fCTe_QKS与图6B的时脉频率feTC_e，两者比较低的那一个， 如同图8所示。当反馈信号Vfb偏高时，时脉产生器62所产生的时序就会类似准谐振模式所需要的时序。图9为延迟器(delay device) 84，其可以对输入端IN所接收的预估放电完毕信号 、SE，提供延迟时间TD 。在一实施例中，图4中的似准谐振电源控制器61以一单芯片的集成电路实现，而通过延迟设定端RIN外接的电阻63的电阻值，可以决定电流Iset，也相对地决定延迟时间TmY。图9中的延迟器84的操作原理可由本领域的普通技术人员所推知，故不再重述。图10为图5、图7A、以及图9中的一些信号波形，其中，信号V胃为图9中，电容89 上的电压信号。V·为一预设的临界电压。图10的信号波形的相对关系，可由图5、图7A、 以及图9的电路所了解或是推知，为简洁的缘故，不再重述。虽然以上以升压器作为实施例，但是本发明不限于此，本发明也可实施于降压器 (buck converter)、反激式转换器(flyhck converter)等其他种类的转换器。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种控制方法，适用于一开关式电源供应器，具有一功率开关，包含有 记录该功率开关的一开启时间；依据该开启时间，提供一预估关闭时间，该预估关闭时间与该开启时间正相关 (positive correlation)；以及于该预估关闭时间过去后，开启该功率开关。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，记录该开启时间的步骤包含有 提供一斜坡信号(ramp signal)；以及记录于该斜坡信号于该功率开关由一开启状态切换至一关闭状态时的一开启记录值。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其中还包含有以一预定的倍数，放大该开启记录值，作为一放电目标值；以及比较该斜坡信号与该放电目标值；以及当该斜坡信号高于该放电目标值时，触发一预估放电完毕信号。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其中包含有 于该预估关闭时间过去后，提供一第一设置信号； 比较该斜坡信号以及一参考电压；当该斜坡信号高于该参考电压时，产生一第二设置信号；以及以该第一与第二设置信号中，比较晚到的，来开启该功率开关。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其中，提供该预估关闭时间的该步骤，包含有 依据该开启时间，产生一预估放电时间，该预估放电时间与该开启时间成正比；提供一延迟时间；以及于该预估放电时间以及该延迟时间之后，开启该功率开关。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其中包含有 于该预估放电时间后，触发一预估放电完毕信号；以及于该预估放电完毕信号被触发后的该延迟时间后，提供一似准谐振设置(set)信号， 以开启该功率开关。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其中包含有 于该预估关闭时间过去后，提供一似准谐振设置信号； 依据一反馈信号，产生一时脉设置信号；以及以该似准谐振与时脉设置信号中，比较晚到的，来开启该功率开关。
8.一种似准谐振OlR-similar)电源控制器，包含有一似准谐振时序产生器OlR-similar timing generator)，于一功率开关由一开启状态切换至一关闭状态后的一预估关闭时间，提供一似准谐振设置信号，以开启该功率开关；其中，该预估关闭时间由该似准谐振时序产生器依据该功率开关的一开启时间推算而产生，且该预估关闭时间与该开启时间正相关(positive correlation)。
9.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中包含有 一时脉产生器(clock generator),包含有该似准谐振时序产生器； 一时脉时序产生器，提供一时脉设置信号；以及一逻辑门，以该时脉设置信号以及该似准谐振设置信号中，比较晚到的作为一设置信号，来开启该功率开关。
10.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有一放电时序产生器，于该开启时间后的一预估放电时间后，触发一预估放电完毕信号；以及一延迟器，接收该预估放电完毕信号，提供一延迟时间后，以触发一似准谐振设置信号；其中，该预估放电时间等比例于该开启时间。
11.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有一取样器，于该功率开关由一开启状态切换至一关闭状态时，取样一斜坡信号，以产生一开启记录值。
12.根据权利要求11所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有一放大器，将该开启记录值放大，产生一放电目标值。
13.根据权利要求12所述的似准谐振电源控制器，其中，该似准谐振时序产生器包含有一比较器，比较该斜坡信号与该放电目标值，以产生一预估放电完毕信号。
14.根据权利要求8所述的似准谐振电源控制器，其中包含有一延迟器，接收一预估放电完毕信号，于一延迟时间后，以触发该似准谐振设置信号； 其中，该似准谐振电源控制器形成于一单芯片集成电路，其具有一外接接脚，该延迟器通过该外接接脚，连接一延迟设定电阻。
全文摘要
一种似准谐振(QR-similar)电源控制器以及相关的控制方法。一种控制方法适用于一开关式电源供应器，具有一功率开关，包含有记录该功率开关的一开启时间；依据该开启时间，提供一预估关闭时间，该预估关闭时间大约与该开启时间正相关；以及，于该预估关闭时间过去后，开启该功率开关。
文档编号H02M1/08GK102545545SQ201110145759
公开日2012年7月4日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年1月3日
发明者徐志学, 林建良 申请人:芯瑞科技股份有限公司