电源供应电路、切换式电源供应器及其控制电路与控制方法

摘要

本发明提出一种切换式电源供应器，其控制电路中的误差放大电路将与输出电压相关的回授讯号和一参考讯号相比较，以通过回路反馈平衡机制将回授讯号调节至该参考讯号的位准，当切换式电源供应器进入关机程序时，该参考讯号递降，以使输出电压下降至关机临界值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种切换式电源供应器及其控制方法，特别是指一种 在切换式电源供应器进入关机程序时，根据输入电压，将输出电压下 降至关机临界值的切换式电源供应器及其控制方法。

背景技术

图1A显示现有电源供应电路示意图。如图1A所示，电源供应电 路1包含滤波电路12以及两组同步降压切换式电源供应器14与16， 用以将输入电压Vin(例如为12V)，分别滤波与转换为Vo1(例如为12V)、 Vo2(例如为5V)、与Vo3(例如为3.3V)。请参阅图1B，显示电源供应电 路1进入关机程序时，输入电压Vin与输出电压Vo1、Vo2、及Vo3的 讯号波形。所谓关机程序，也就是当输入电压Vin开始降低，至电压过 低锁定临界值Under-Voltage Lockout threshold(UVLOth)以下，于是切 换式电源供应器14与16将输出电压如Vo2及Vo3降低至关机临界值 (一般为0V)，并停止将输入电压Vin转换为输出电压Vo2及Vo3。

请参阅图1B并对照图1A，于关机程序开始的时间点t0，输入电 压Vin开始降低，当时间点t1时，输入电压Vin降低至电压过低锁定 临界值UVLOth，于是切换式电源供应器14与16开始降低输出电压 Vo2及Vo3。如果此时输出电压Vo3(3.3V)供应轻载或是无载、而Vo2(5V) 供应重载，则负载电流I2大于I3，因此储存在输出电容Co3的电荷， 其放电速度将比储存在输出电容Co2的电荷放电速度慢，导致关机程 序中，于时间点t2之后，出现输出电压Vo3(正常操作时供应3.3V)大 于输出电压Vo2(正常操作时供应5V)的情况(如图中箭号所示意)，这个 结果违反一般电源供应电路的规范。

图2A与图2B显示另一种现有电源供应电路示意图，用以改善前 述现有技术的问题。如图2A所示，电源供应电路10于两组同步降压 切换式电源供应器14与16的输出电压Vo2与Vo3之间，耦接二极管 D1，其正向端电性连接于正常操作时供应较低电压的输出电压 Vo3(3.3V)，负向端电性连接于正常操作时供应较高电压的输出电压 Vo2(5V)。请参阅图2B，显示电源供应电路10进入关机程序时，输入 电压Vin与输出电压Vo1、Vo2、及Vo3的讯号波形。如图2B所示， 于关机程序开始的时间点t0，输入电压Vin开始降低，当时间点t1’时， 输入电压Vin降低至电压过低锁定临界值UVLOth，切换式电源供应 器14与16开始降低输出电压Vo2及Vo3。仍旧假设负载电流I2大于 I3的情况，于时间点t2’与时间点t3’之间，由于二极管D1的作用，当 输出电压Vo3大于输出电压Vo2加上二极管D1的顺向电压时，储存在 输出电容Co3电容的电荷将会通过此二极管D1流入输出电压Vo2端， 并且由Vo2的负载电流I2所消耗掉，直到时间点t3’时，输出电压Vo2 降低至二极管D1的顺向电压以下；而时间点t4’以后，输出电压Vo3 才降低至0V。相较于图1A所示现有技术，图2A所示的现有技术虽能 解决其问题，但仍然有几个缺点：

(1)增加一个二极管，制造成本增加。

(2)于时间点t2’与t4’之间，输出电压Vo3仍然大于输出电压Vo2， 只是幅度较小，但仍有可能造成负载电路上的操作错误。

(3)二极管D1的顺向电压要越小越好，因此选择达到此非常小顺 向电压的二极管，将会增加许多制造成本。

有鉴于此，本发明即针对上述先前技术的不足，提出一种切换式 电源供应器及其控制方法，可在不使用上述特殊的二极管D1，且于三 组输出电压(Vo1、Vo2、与Vo3)中，不论所供应的负载电路为轻载或重 载，在关机程序中都可以达到输出电压Vo1＞Vo2＞Vo3的要求，以及具 有单调收敛(monotonic)的输出电压波形的切换式电源供应器及其控制 方法。

发明内容

本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种切换 式电源供应器。

本发明另一目的在于，提出一种切换式电源供应器的控制电路与 方法。

本发明又一目的在于，提出一种电源供应电路。

为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种切换式电源 供应器，包含：一功率级电路，接收一输入电压并将其转换为一输出 电压；一误差放大电路，将与该输出电压相关的回授讯号与一参考讯 号相比较，以产生一误差放大讯号，其中，于该切换式电源供应器经 确认进入关机程序后，该参考讯号随输入电压的下降而递降；以及一 脉宽调变(pulse width modulation，PWM)讯号产生电路，根据该误差放 大讯号，产生PWM讯号控制该功率级电路。

就另一观点言，本发明也提供了一种切换式电源供应器控制方法， 该切换式电源供应器用以将一输入电压转换为一输出电压，所述切换 式电源供应器控制方法包含：将与该输出电压相关的回授讯号与一参 考讯号相比较，以产生一误差放大讯号；根据该误差放大讯号，产生 PWM讯号以控制该输入电压和该输出电压间的转换；确认该切换式电 源供应器是否进入关机程序；以及经确认进入关机程序后，使该参考 讯号随输入电压的下降而递降，以使该输出电压随而递降。

就又一观点言，本发明也提供了一种电源供应电路，用以将一输 入电压转换为多个输出电压，所述电源供应电路包含：一第一电压输 出电路，根据该输入电压，输出一第一输出电压，其中该第一电压输 出电路例如可为滤波电路，则该第一输出电压的位准与该输入电压实 质相同；以及至少一切换式电源供应器，将该输入电压转换为至少一 第二输出电压，所述切换式电源供应器包括：一功率级电路，接收一 输入电压并将其转换为一输出电压；一误差放大电路，将与该输出电 压相关的回授讯号与一参考讯号相比较，以产生一误差放大讯号，其 中，于该切换式电源供应器经确认进入关机程序后，该参考讯号随输 入电压的下降而递降；以及一脉宽调变(pulse width modulation，PWM) 讯号产生电路，根据该误差放大讯号，产生PWM讯号控制该功率级电 路。

就又一观点言，本发明也提供了一种切换式电源供应器的控制电 路，该切换式电源供应器用以接收一输入电压并将其转换为一输出电 压，该控制电路包含：一误差放大电路，将与该输出电压相关的回授 讯号与一参考讯号相比较，以产生一误差放大讯号，其中，于该切换 式电源供应器经确认进入关机程序后，该参考讯号随输入电压的下降 而递降；以及一脉宽调变(pulse width modulation，PWM)讯号产生电路， 根据该误差放大讯号，产生PWM讯号控制该输入电压和该输出电压间 的转换。

在其中一种实施型态中，该切换式电源供应器或其控制电路宜更 包含有一参考讯号产生电路，其根据该输入电压而产生第一参考讯号， 该第一参考讯号随输入电压下降而下降，且其中该误差放大电路于确 认进入关机程序后以该第一参考讯号作为前述参考讯号而与该回授讯 号比较。其中，该误差放大电路于正常操作时以一第二参考讯号作为 前述参考讯号而与该回授讯号比较。

在一种较佳的实施型态中，该第一参考讯号与该输入电压的关系 式为：

$\mathrm{Vref}1=\frac{\mathrm{Vin}-\mathrm{Vofs}}{K}$

其中，Vref1为第一参考讯号，Vin为该输入电压，Vofs为一预 设偏移，K为一常数或函数。

上述实施型态中，K例如宜为：

$K=\frac{\mathrm{Vthh}1-\mathrm{Vthl}1}{\mathrm{Vref}2}$

其中，Vref2为该第二参考讯号，Vthh1为一高临界电压，Vthl1 为一低临界电压，当该输入电压降低至该高临界电压Vthh1时，确认 进入关机程序且该误差放大电路以该第一参考讯号作为前述参考讯号 而与该回授讯号比较，当该输入电压降低至该低临界电压Vthl1时，该 第一参考讯号Vref1降低至一关机临界值。又该预设偏移Vofs可设定 为该低临界电压Vthl1。

上述电源供应电路中，可包括多个切换式电源供应器，产多个输 出电压，且其中，切换式电源供应器所产生的较高输出电压降低至关 机临界值的时间点，不晚于较低输出电压降低至该关机临界值的时间 点。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技 术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A显示现有电源供应电路示意图；

图1B举例示出图1A中各讯号的波形；

图2A显示另一种现有电源供应电路示意图；

图2B举例示出图2A中各讯号的波形；

图3显示本发明的一个应用实施例；

图4A显示本发明的切换式电源供应器的一个较具体的实施例；

图4B为波形图，举例显示图4A实施例中的各讯号波形；

图4C为波形图，举例显示切换式电源供应器24和26可经适当的 设定而确保达成输出电压Vo1＞Vo2＞Vo3的要求；

图5A与5B显示功率级电路的实施例；

图6显示误差放大电路的实施例；

图7A-7C总结显示本发明的概念。

图中符号说明

1，10，20      电源供应电路

12             滤波电路

14，16，24，26 切换式电源供应器

260            控制电路

262            参考讯号产生电路

264            误差放大电路

266            PWM讯号产生电路

268            功率级电路

270            回授电路

I2，I3         负载电流

L              电感

SWL            下桥开关

SWU            上桥开关

t0，t1，t2，t1’，t2’，t3’，t4’，t1”，t2”，t3”，t4”，t5”时间点

UVLOth         电压过低锁定临界值

Vfb            回授讯号

Vin            输入电压

Vo1，Vo2，Vo3  输出电压

Vref           参考讯号

Vref1          第一参考讯号

Vref2          第二参考讯号

Vthh1，Vthh2   高临界电压

Vthl1，Vthl2   低临界电压

具体实施方式

请参阅图3，显示本发明第一个实施例。本实施例显示利用本发 明的一种应用架构，但本发明不限于应用在此种架构。如图3所示， 在所举例的应用架构中，电源供应电路20用以将输入电压Vin转换为 多个输出电压Vo1、Vo2、及Vo3，其中，输入电压Vin例如但不限于 为12V，输出电压Vo1、Vo2、及Vo3例如但不限于为12V、5V、及 3.3V。电源供应电路20包含滤波电路12、切换式电源供应器24、以 及切换式电源供应器26。其中，滤波电路12将输入电压Vin滤波处理 后并不降压，转换为输出电压Vo1；切换式电源供应器24与切换式电 源供应器26分别将输入电压Vin转换为输出电压Vo2与Vo3。在以上 举例的应用架构中，输出电压Vo1与输入电压Vin的位准实质相同， 而滤波电路12是用以过滤噪声，但如不在意噪声，则滤波电路12亦 可省略。与现有技术不同的是，本实施例中切换式电源供应器24与切 换式电源供应器26具有关机控制的功能，于输入电压Vin降低进入关 机程序时，根据输入电压Vin，适应性地将输出电压Vo2与Vo3降低 至关机临界值(例如为0V)，使得切换式电源供应器26所产生的输出电 压Vo3(3.3V)降低至关机临界值(0V)的时间点，不晚于输出电压 Vo1(12V)和Vo2(5V)降低至关机临界值的时间点，而切换式电源供应 器24所产生的输出电压Vo2(5V)降低至关机临界值(0V)的时间点，不 晚于输出电压Vo1(12V)降低至关机临界值的时间点。也就是提供较小 输出电压的切换式电源供应器，于关机程序中，其输出电压降低至关 机临界值的时间，不晚于较大的输出电压降低至关机临界值的时间点， 以符合一般电源供应电路的规范，且不需要使用前述现有技术的特殊 二极管D1，可降低制造成本。又，若仅使切换式电源供应器24与切 换式电源供应器26其中之一具有关机控制的功能，也当然属于本发明 的范围。

请参阅图4A，显示切换式电源供应器24或26的一个较具体的实 施例，说明切换式电源供应器24或26如何根据输入电压Vin，适应性 地将输出电压Vo2或Vo3降低至关机临界值。为便利说明，以下将以 切换式电源供应器26为例。如图4A所示，切换式电源供应器26包含 控制电路260、功率级电路268和回授电路270，其中回授电路270可 视情况而省略，此情况下直接以输出电压Vo3作为回授讯号Vfb。控 制电路260中包含参考讯号产生电路262、误差放大电路264、和PWM 讯号产生电路266。参考讯号产生电路262根据输入电压Vin，以产生 第一参考讯号Vref1。误差放大电路264根据回授讯号Vfb、及第一参 考讯号Vref1或第二参考讯号Vref2，比较后产生误差放大讯号输出给 PWM讯号产生电路266。PWM讯号产生电路266根据该误差放大讯号， 产生PWM讯号控制功率级电路268中的上桥与下桥开关SWU与 SWL，并经由电感L，产生输出电压Vo2。

在正常操作中，误差放大电路264回授讯号Vfb与第二参考讯号 Vref2比较，根据回路的反馈平衡机制，将回授讯号Vfb调节至第二参 考讯号Vref2的位准，以控制输出电压Vo3。当电源供应电路进入关机 程序时，输入电压Vin下降，参考讯号产生电路262所产生的第一参 考讯号Vref1也逐渐下降，当第一参考讯号Vref1低于正常操作时的参 考讯号，也就是第二参考讯号Vref2时，第一参考讯号Vref1取代第二 参考讯号Vref2成为误差放大电路264的比较基准，亦即误差放大电路 264将回授讯号Vfb与第一参考讯号Vref1比较，而回路的反馈平衡机 制会将回授讯号Vfb调节至第一参考讯号Vref1的位准，从而使得输出 电压Vo3随输入电压Vin降低而适应性调整，逐渐降低至关机临界值 (例如为0V)。

详言之，请参阅图4B，举例显示图4A实施例中，各讯号波形。 如图4B所示，当电源供应电路进入关机程序，首先于时间点t0时，输 入电压Vin开始降低，根据本发明，第一参考讯号Vref1也随着输入电 压Vin降低。当输入电压Vin降低至预设的高临界电压Vthh1，或是当 第一参考讯号Vref1降低至第二参考讯号Vref2时，误差放大电路264 改选择第一参考讯号Vref1取代第二参考讯号Vref2作为比较基准，而 回路的反馈平衡机制将回授讯号Vfb调节至第一参考讯号Vref1的位 准，于是输出电压Vo3对应地下降，以于时间点t3”时，也就是输入电 压Vin降低至低临界电压Vthl1时，将输出电压Vo3降低至0V。

图4B中，高临界电压Vthh1对应于第一参考讯号Vref1等于第二 参考讯号Vref2时的输入电压Vin，如此安排的目的是避免输入电压 Vin的微幅波动造成输出电压Vo3改变，亦即当输入电压Vin低于高 临界电压Vthh1时，才确认电源供应电路进入关机程序，并以第一参 考讯号Vref1取代第二参考讯号Vref2，但当输入电压Vin不低于高临 界电压Vthh1时，则认为电源供应电路还在正常操作，仍以第二参考 讯号Vref2作为误差放大电路264的比较基准。但当然，以上仅是较佳 实施方式而非限制，如不设定此高临界电压Vthh1，而直接自t0时间 点起，以第一参考讯号Vref1取代第二参考讯号Vref2，也应属于本发 明的范围。

又，设定低临界电压Vthl1的目的在于控制t3”的时间点，使输出 电压Vo3降低至0V的时间，早于输入电压Vin到达或低于电压过低锁 定临界值UVLOth的时间，因当输入电压Vin到达或低于电压过低锁 定临界值UVLOth时，切换式电源供应器26将停止进行控制操作，故 设定Vthl1高于UVLOth，可确保输出电压Vo3在受控状态下降低至 0V，且也必然早于输出电压Vo1降低至0V的时间。但当然，以上仅 是较佳实施方式而非限制，如不设定此低临界电压Vthl1，或将低临界 电压Vthl1设定为低于UVLOth的任何值，也应属于本发明的范围。

此外，图中显示第二参考讯号Vref2为定值，此亦为举例而并非 限制；视不同的应用而定，第二参考讯号Vref2亦可为可变值。例如， 在某些应用环境中，输出端所连接的电路会产生讯号，回授给电源供 应电路而动态改变输出电压，此情况下第二参考讯号Vref2即会动态地 改变。

根据上述的控制机制，第一参考讯号Vref1例如但不限于设定为：

$\mathrm{Vref}1=\frac{\mathrm{Vin}-\mathrm{Vofs}}{K}$

其中，Vofs为预设偏移，K为常数或函数，可视需要而设计；在 图4B实施例中，Vofs设定为低临界电压Vthl1，亦即决定时间点t3”， 而常数K决定Vref1的下降速率，亦即决定Vref1与Vref2交错的时间 t1”，例如在图4B实施例中，K设定为：

$K=\frac{\mathrm{Vthh}1-\mathrm{Vthl}1}{\mathrm{Vref}2}$

但当然，如前所述，Vofs和K都可以设定为其它数值，例如Vofs 可等于UVLOth、或为大于零的任何数值、或为零；K可以设定为任意 的下降速率等。

在图3所举例的应用架构中，包含两切换式电源供应器24及26， 并希望在关机程序时，达成输出电压Vo1＞Vo2＞Vo3的要求。此情况下， 请参阅图4C，例如可在切换式电源供应器26中将Vofs设定为Vthl1、 将K设定为(Vthh1-Vthl1)/Vref2，而在切换式电源供应器24中将Vofs 设定为Vthl2、将K设定为(Vthh2-Vthl2)/(Vref2’)，且 Vthh1＞Vthh2＞Vthl1＞Vthl2＞UVLOth，其中Vref2’为切换式电源供应器 24在正常操作时，切换式电源供应器24中的误差放大电路的比较基准。 由于Vthh1、Vthh2、Vthl1、Vthl2分别决定时间点t1”、t2”、t3”、t4”， 且输出电压Vo1必然在输入电压Vin低于UVLOth之后才会降为0， 故如此安排可确保在关机程序时，达成输出电压Vo1＞Vo2＞Vo3的要 求。

图5A与5B显示显示功率级电路(例如为切换式电源供应器26 中的功率级电路268)两种较具体的实施例。如图5A与5B所示，功 率级电路268例如但不限于为降压型切换式电源供应器或升降压型切 换式电源供应器。

图6显示误差放大电路264的实施例。如图所示，误差放大电路 264例如可具有三输入端，并将最高的负输入讯号与正输入讯号相比 较，换言之会将回授讯号Vfb和(参考讯号Vref1与参考讯号Vref2的 绝对值较低者)相比较。除此之外，误差放大电路264亦可用其它方 式实施，并不限于图示的实施方式。

图7A与7B总结显示本发明的概念。切换式电源供应器中，误差 放大电路(例如为切换式电源供应器26中的误差放大电路264)将回 授讯号Vfb和参考讯号Vref比较，而回路的反馈平衡机制会将回授讯 号Vfb调节至参考讯号Vref的位准，以控制输出电压。本发明的概念 是，在确认进入关机程序后(确认的时间点可以是关机程序的起始， 例如图4B的t0、或在一段安全区间之后，例如图4B的t1”)，使参考 讯号Vref逐步下降，以控制输出电压逐步下降至0。而参考讯号Vref 的下降速率和下降至0V的时间点，则可视需要来设定。至于产生图 7B中参考讯号Vref波形的方式，前述各实施例仅是举例而非限制，任 何在确认进入关机程序后，使参考讯号Vref波形递降的方式，都属于 本发明的概念。此外，参考讯号Vref的下降方式也不限于必须呈斜坡 递减，例如图7C呈步阶方式下降、或其它规则或不规则下降的方式， 也都属于本发明的概念。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本 领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范 围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。 例如，在所示各实施例电路中，可插入不影响讯号主要意义的元件， 如其它开关等；又例如误差放大器或比较器的输入端正负可以互换， 仅需对应修正电路的讯号处理方式即可。又例如，电压过低锁定临界 值UVLOth并非必要的限制条件，本发明亦可以应用于未设定电压过 低锁定临界值UVLOth的电源供应电路，例如但不限于提供双电源(dual  power)的电源供应电路。再例如，本发明亦可以应用于仅产生单一输出 电压的情况，而不限于必须应用于两个或两个以上输出电压的情况。 凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应 涵盖上述及其它所有等效变化。