控制模块、切换式电源供应装置及峰值电流模式控制方法与流程

本发明是关于电源供应技术，且特别是有关于应用于切换式电源供应装置，以及切换式电源供应装置的峰值电流模式控制方法。

背景技术：

电子装置使用电力来操作。切换式电源通常因具有高效率、小尺寸及低重量，故用以供电给许多今日的电子设备。电流模式控制是用于切换式电源转换器的常用控制方法，与电压模式控制相比，改善控制回路动态响应，并可得到更好的线噪声抑制。

就电流反馈机制的不同，常用电流模式控制有平均电流控制(averagecurrentmodecontrol)与峰值电流模式控制(peakcurrentmodecontrol)两大类。在峰值电流模式下，需要额外加入斜率补偿(slopecompensator)以增进系统稳定度。

在输入电压相对小的变化的应用(如直流对直流转换器)中，因其输入电压及输出电压为固定，故可设计特定斜率以满足直流对直流转换器的需求条件。然而，在变化的输入如功率因数校正器等交流输入的应用情形，补偿斜率需要动态性地改变，导致电路设计不易。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种切换式电源供应装置的峰值电流模块控制方法、切换式电源供应装置及其控制模块。

依据本发明提供一种切换式电源供应装置的峰值电流模式控制方法，其包含如下步骤:a)依据切换式电源供应装置的输入电压及输出电压来产生关闭时间控制信号；b)依据参考电压值及输出电压的比较来产生电压比较信号；c)依据电压比较信号来产生电流参考信号；d)于切换式电源供应装置的电感电流相同于电流参考信号时产生电流比较信号；e)依据关闭时间控制信号及 电流比较信号于关闭时间后产生触发信号；以及f)由触发信号以触发脉冲宽度调制信号以控制切换式电源供应装置的操作。

依据本发明另提供一种控制模块包含:一电流命令产生单元，电连接于电源转换模块，电流命令产生单元依据输出电压产生电流参考信号；一电流感测器，用以感测电源转换模块的电感电流，并产生电流感测信号；一电流比较器，用以于电流感测信号相同于电流参考信号时产生电流比较信号；关闭时间控制器，依据输入电压及输出电压产生关闭时间控制信号；一时间基准计数器，接收电流比较信号及关闭时间控制信号，并于关闭时间控制信号所反应的关闭时间后产生触发信号；以及一峰值电流控制单元，依据触发信号控制功率开关的导通。

本发明更提供一种切换式电源供应装置，包含:一电源转换模块，电连接于输入电压及输出电压，并包含相互电连接的电感器及功率开关；一控制模块，包含:一电流命令产生单元，电连接于电源转换模块，并依据输出电压产生电流参考信号；一电流感测器，依据通过电感器的电感电流来产生电流感测信号；一电流比较器，电连接于电流命令产生单元、峰值电流控制单元及电流感测器，电流比较器于电流感测信号相同于电流参考信号时产生电流比较信号；一关闭时间控制器，依据输入电压及输出电压产生关闭时间控制信号；一时间基准计数器，电连接于电流比较器及关闭时间控制器，时间基准计数器接收电流比较信号及关闭时间控制信号，并于关闭时间控制信号所反应的关闭时间后产生触发信号以触发峰值电流控制单元以控制功率开关的操作；以及一峰值电流控制单元，依据电流比较信号与触发信号关闭与导通功率开关。

附图说明

图1绘示依照本发明第一实施方式的切换式电源供应装置的一电路方块图；

图2绘示依照本发明第二实施方式的切换式电源供应装置的一电路方块图；

图3绘示依照交换示电源供应装置在峰值电流控制器的电感电流及关闭时间的关系图；

图4绘示依照本发明第二实施方式的切换式电源供应装置的运作时序图；

图5绘示依照本发明第三实施方式的切换式电源供应装置的一电路方块图；

图6绘示依照本发明第四实施方式的切换式电源供应装置的一电路方块图；以及

图7绘示依照本发明第五实施方式的切换式电源供应装置的电路方块图。

其中，附图标记：

10、10a、10b切换式电源供应装置

100直流对直流电源转换模块

100a交流对直流电源转换模块

100b直流对交流电源转换模块

120控制模块

122峰值电流控制单元

124电流比较器

126数字控制单元

128电压比较器

129参考电压源

130输出电压转换器

132时间基准计数器

134关闭时间控制器

136输入电压转换器

138电流转换器

140电流感测器

142电流命令产生单元

comp电流比较信号

il模拟电感电流

iref模拟电流参考信号

isense模拟电流感测信号

l电感器

pwm脉冲宽度调制信号

toff关闭时间控制信号

vin模拟输入电压

vout模拟输出电压

vref参考电压值

zero触发信号

具体实施方式

请参照图1，其绘示依照本发明第一实施方式的切换式电源供应装置的电路方块图。在图1中，切换式电源供应装置10包含电源转换模块100及控制模块120。控制模块120是以峰值电流模式来控制电源转换模块100的运作。切换式电源供应装置10可例如是为直流对直流转换电源供应装置、交流对直流转换电源供应装置或直流对交流电源转换装置。

进一步地，当控制模块120使切换式电源供应装置10操作于连续导通模式(continuous-conductionmode，ccm)中。在连续导通模式中，通过切换式电源供应装置10的电感器l上的电流属于连续导通的模式，即电感电流il的最小值不为零(即电感器l不完全放电)，因而保持连续导通模式。

电源转换模块100接收模拟输入电压vin，并依据控制模块120的脉冲宽度调制信号pwm将模拟输入电压vin转换成模拟输出电压vout，并提供模拟输出电压vout给负载。

请参阅图2，其绘示依照本发明第二实施方式的切换式电源转换装置的电路方块图。在图2中，电源转换模块100为直流对直流电源转换模块，其接受成直流形式的输入电压vin，并提供成直流形式的输出电压vout给负载。控制模块120电连接于电源转换模块100，并依据电源转换模块100的输入电压vin、输出电压vout及电感电流il来控制电源转换模块100的运作。

控制模块120包含峰值电流控制单元122、电流比较器124、数字控制单元126、电压比较器128、参考电压源129、输出电压转换器130、时间基准计数器132、关闭时间控制器134、输入电压转换器136、电流转换器138及电流感测器140。

峰值电流控制单元122供传递信号至电源转换模块100，电流比较器124接收电流感测器140与电流转换器138的信号并输出信号至峰值电流控制单元122与时间基准计数器132，输出电压转换器130接收电源转换模块100的输出电压 vout并输出信号至电流命令产生单元142，电流命令产生单元142产生信号至电流转换器138。时间基准计数器132接收关闭时间控制器134与电流比较器124产生的信号并输出信号至峰值电流控制单元122，关闭时间控制器134接收输出电压转换器130及输入电压转换器136输出的信号。输入电压转换器136接收电源转换模块100的模拟输入电压vin。

输出电压转换器130为模拟数字转换器。输出电压转换器130接收直流对直流电源转换模块100的模拟输出电压vout，并将模拟输出电压vout转换成为相应的数字输出电压。

电压比较器128接收输出电压转换器130输出的数字输出电压，并将数字输出电压与参考电压源129提供的参考电压值vref进行比较后的产生的电压比较信号传递至数字控制单元126。数字控制单元126接收电压比较信号，并依据电压比较信号产生数字电流参考信号，其中数字控制单元126用以提供输出电压稳定的反馈补偿，可为任何数字控制方法，例如数字pid控制。

电流转换器138为数字模拟转换器，其接收数字控制单元126输出的数字电流参考信号，并将数字电流参考信号转换成为模拟电流参考信号iref。电流感测器140可例如是比流器或分流电阻；电流感测器140感测通过电感器l的模拟电感电流il，并产生模拟电流感测信号isense。

电流比较器124接收电流感测器140输出的模拟感测电流信号isense及电流转换器138输出的模拟电流参考信号iref，并依据模拟感测电流信号isense及模拟电流参考信号iref的比较产生电流比较信号comp；所述的电流比较信号comp会由电流比较器124的输出端传递至峰值电流控制单元122及时间基准计数器132。

输入电压转换器136为模拟数字转换器。输入电压转换器136接收电源转换模块100的模拟输入电压vin，并将模拟输入电压vin转换成为相应的数字输入电压。

关闭时间控制器134接收数字输入电压及数字输出电压，并依据数字输入电压及数字输出电压进行电源转换模块100的功率开关的关闭时间的计算后，输出关闭时间控制信号toff予时间基准计数器132。

时间基准计数器132接收关闭时间计数器134输出的关闭时间控制信号toff，并于接收到电流比较器124输出的电流比较信号comp延迟toff所呈现的关闭时间，输出触发信号zero予峰值电流控制单元122。

峰值电流控制单元122可例如为一sr触发器。峰值电流控制单元122在接收到触发信号zero时送出脉冲宽度调制信号pwm予电源转换模块100，以使电源转换模块100中的功率开关依据脉冲宽度调制信号pwm操作，且于接收到电流比较器124输出的电流比较信号comp时关闭脉冲宽度调制信号pwm，意即电源转换模块100中的功率开关会依据脉冲宽度调制信号pwm而进行于导通(turn-on)或关闭(turn-off)。

一般来说，当电源转换模块100中的功率开关的每个周期的长度为ts，功率开关的每次关闭时间(offtime)为toff，功率开关的每次导通时间(ontime)为ton，其满足下列条件:

ts＝toff+ton。

进一步地，在峰值电流控制模式中，功率开关周期性的导通且于模拟电感电流il的模拟电流感测信号isense同于模拟电流参考信号iref时关闭，故功率开关的导通时间不可预期，取决于参考信号iref。因此，当功率开关导通时间过大时可能无法操作于预定的ccm区域(如图3虚线所示)，本发明利用控制功率开关的关闭时间来达成操作于ccm区域，且不需使用斜率补偿。

根据伏秒平衡原理，若操作于ccm情况下，满足下列条件:

其中，ts为直流对直流电源转换模块100中的功率开关的每个周期的长度；

toff为功率开关的每次关闭时间；

vin为电源转换模块100的输入电压；以及

vout为电源转换模块100的输出电压。

由前述条件可知，在电源转换模块100具有输入电压vin及输出电压vout固定时，藉由控制关闭时间toff便可使电源转换模块100操作于ccm情况下(如图3实线所示)。更具体言之，在传统峰值电流控制模式下，当模拟电流参考信号iref增加时，如需要更多输出功率的情况，功率开关导通时间会跟着增加。 因此，在功率开关的周期时间(ts)固定的前提下，功率开关的关闭时间(toff)就会变短。如此一来，当周期时间到达时再度开启功率开关便会产生脱离ccm操作。

本发明的控制模块120透过控制功率开关的关闭时间toff，以让功率开关维持预定的关闭时间，便可使电源转换模块100于ccm下正常操作(如图3实线所示)，同时进入ccm后继续维持一样的周期时间(即时间点2ts’-ts’＝3ts’-2ts’＝ts)。其中，根据上述伏秒平衡原理应可理解当电源转换模块100具有输入电压vin及输出电压vout固定时，若控制关闭时间为一固定值时会有固定的周期时间(ts)。

请同时参阅照图2及图4，其中图4绘示依照本发明第一实施方式的切换式电源供应装置的运作时序图，且其绘示出时间基准计数器132的计数信号time-basecount、模拟电流参考信号iref、模拟电流感测信号isense、脉冲宽度调制信号pwm、电流比较信号comp及触发信号zero。

于实际操作时，控制模块120会取得直流对直流电源转换模块100的模拟输入电压vin、模拟输出电压vout及模拟电感电流il，并进一步地将模拟输入电压vin、模拟输出电压vout及模拟电感电流il分别转换为数字输入电压、数字输出电压及模拟电流感测信号isense。其中，控制模块120是利用输入电压转换器136接收模拟输入电压vin，并将模拟输入电压vin转换为数字输入电压；控制模块120是利用输出电压转换器130接收模拟输出电压vout，并将模拟输出电压vout转换为数字输出电压；利用电流转换器140感测模拟电感电流il，并将模拟电感电流il转换成为模拟电流感测信号isense。

数字输出电压接着被传递至关闭时间控制器134及电压比较器128。关闭时间控制器134依据数字输入电压及数字输出电压来产生关闭时间控制信号toff。另一方面，电压比较器128依据参考电压源129产生的参考电压值vref及数字输出电压的比较来产生电压比较信号，此电压比较信号接着会被传递至数字控制单元126。

数字控制单元126接收电压比较信号，并依据电压比较信号产生数字电流参考信号，并将数字电流参考信号通过电流转换器138转换成为模拟电流参考信号iref后输出至电流比较器124。电流比较器124依据模拟电流感测信号isense及模拟电流参考信号iref的比较来产生电流比较信号comp，此电流比较信号 comp传递至峰值电流控制单元122及时间基准计数器132。在此要特别说明的是，电流比较器124可以仅于模拟电流感测信号isense相同于模拟电流参考信号iref时送出电流比较信号comp，或者，电流比较器124可以于模拟电流感测信号isense不同于模拟电流参考信号iref时，输出呈低准位的电流比较信号comp，并于模拟电流感测信号isense相同于模拟电流参考信号iref时，输出呈高准位的电流比较信号comp。

在时间基准计数器132接收到(呈高准位的)电流比较信号comp时，时间基准计数器132会于对应关闭时间控制信号toff所呈现的关闭时间后送出触发信号zero以使电源转换模块100的功率开关导通(turn-on)，而非如传统峰值电流模式周期性的导通功率开关，所以当电流参考信号iref忽然增加时(图4)，开关周期会暂时增加(如图3所示由ts暂时增加到ts’)，而之后恢复原先的周期时间，如此可以不用斜率补偿而能正确操作于ccm且响应快速。

在此要特别说明的是，前述数字控制单元126、电压比较器128及参考电压源129所提供的功能可以由电流命令产生单元142以提供。也就是说，电流命令产生单元142除了可以依据输出电压转换器130输出的数字输出电压及参考电压值vref来产生电压比较信号，并将电压比较信号转换成为数字电流参考信号。进一步地，控制模块120可以为集成电路，此集成电路可依据直流对直流转换模块100的输入电压vin、输出电压vout及电感电流il来控制功率开关的关闭时间，而让切换式电源供应装置操作于ccm下。

综上所述，本发明的切换式电源供应装置的峰值电流模式控制方法包含如下步骤。首先，控制模块120会依据电源转换模块100的输入电压vin及输出电压vout来产生关闭时间控制信号，并依据参考电压值vref及输出电压vout的比较来产生电压比较信号。接着，控制模块120会依据电压比较信号来产生电流参考信号，并于直流电源转换模块100的模拟电感电流il相同于电流参考信号iref时产生电流比较信号。最后，控制模块120接收电流比较信号及关闭时间控制信号，并于关闭时间后产生触发信号，并由触发信号以触发脉冲宽度调制信号以控制直流对直流电源转换模块100的操作。

请参阅图5，其绘示依照本发明第三实施方式所示的交换式电源供应装置的电路方块图。图5所绘示的交换式电源供应装置与图2所绘示的交换式电源供应装置类似，且相同的元件标示以相同的元件符号，其差异处在于图5的电源 转换模块100所连接到的输入电压vin为经过整流器20但未经过滤波的脉动直流电压，特别应用于功率因数校正器的使用。整流器20可例如是桥式整流器。

因功率因数校正器目的使输入电流与交流输入电压形状接近，因此，控制模块120更包含乘法器140，其接收经电流命令产生单元142产生的数字电流参考信号，以及输出电压转换器136产生的数字输入电压，并依据数字电流参考信号与数字输出电压的乘积输出与电流转换器138以作为功率因数校正器的电流参考信号。图5所绘示的电源转换模块100的其他元件的功用及相关说明，实际上与图2所绘示的第二实施方式的电源转换模块100相同，在此不予赘述。图5所绘示的交换式电源供应装置至少可达到与图2所绘示的交换式电源供应装置相同的功能。根据上述伏秒平衡原理，应可理解当作为功率因数校正器使用时，若控制关闭时间toff与瞬时输入电压成比例变化，则会有固定的周期时间(ts)。进一步地，图2所绘示的尚可以应用于控制如图6所绘示的交流对直流电源转换模块100a，以及图7所绘示的直流对交流电源转换模块100b(如图7所示)，以使交流对直流电源转换模块100a及直流对交流电源转换模块100b进行峰值电流模式的控制。

虽然本发明已以实施方式公开如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求保护范围所界定者为准。