本發(fā)明是關(guān)于一電源供應(yīng)器以及其控制方法，尤其是關(guān)于一開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器的反饋控制方式。

背景技術(shù)：

開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器(switching mode power supply)，因?yàn)槠渚哂邢喈?dāng)好的轉(zhuǎn)換效率，所以廣泛的應(yīng)用于不同電壓的電源間的轉(zhuǎn)換。

圖1為已知的一開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器10，用來(lái)對(duì)負(fù)載20供電。開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器10中有一個(gè)降壓式電源轉(zhuǎn)換器(buck converter)12，用來(lái)將具有一相對(duì)高電壓的輸入電壓電源V_IN，轉(zhuǎn)換成一相對(duì)低電壓的輸出電壓電源V_O-N。輸出電壓電源V_O-N的電壓訊息，通過(guò)分壓電路16，反饋給電源控制器14的反饋端FB。電源控制器14據(jù)以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)變(pulse-width-modulation，PWM)信號(hào)，控制降壓式電源轉(zhuǎn)換器12，以使輸出電壓電源V_O-N大致穩(wěn)定在一預(yù)設(shè)值。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)反饋端FB上的反饋電壓V_FB低于一個(gè)設(shè)定值時(shí)，電源控制器14就在高側(cè)端HS上提供一脈沖，使高側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_HS在一開(kāi)啟時(shí)間T_ON維持導(dǎo)通。此時(shí)，輸入電壓電源V_IN開(kāi)始供應(yīng)電能給電感L與輸出電容C_O。開(kāi)啟時(shí)間T_ON結(jié)束后，電源控制器14通過(guò)低側(cè)端LS開(kāi)啟低側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_LS，直到電感L中存放的能量完全釋放至輸出電容C_O為止。如果，反饋電壓V_FB已經(jīng)超過(guò)那設(shè)定值了，那高側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_HS就一直維持在關(guān)閉的狀態(tài)。換言之，輸出電壓電源V_O-N的電壓偏低時(shí)，輸入電壓電源V_IN就通過(guò)電感L轉(zhuǎn)換電能給輸出電壓電源V_O-N，拉升其電壓；反之，當(dāng)輸出電壓電源V_O-N的電壓偏高，電能轉(zhuǎn)換就不發(fā)生。因此，輸出電壓電源V_O-N-的電壓可大致穩(wěn)定在一預(yù)設(shè)值。但是，在一些應(yīng)用的場(chǎng)合，電源轉(zhuǎn)換器跟被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，彼此相隔非常遙遠(yuǎn)。如同圖1所示，負(fù)載20并非直接連接到輸出電壓電源V_O-N，兩者之間，有一段長(zhǎng)度可觀的傳導(dǎo)線(xiàn)18，譬如印刷電路板(PCB)上的印刷銅導(dǎo)線(xiàn)。為了說(shuō)明上的方便， 傳導(dǎo)線(xiàn)18與電源轉(zhuǎn)換器12的接點(diǎn)在此說(shuō)明書(shū)中稱(chēng)為近輸出供電端O_N，而傳導(dǎo)線(xiàn)18與負(fù)載20的接點(diǎn)稱(chēng)為遠(yuǎn)輸出供電端O_R。近輸出供電端O_N上的輸出電壓電源V_O-N也稱(chēng)為近端輸出電源V_O-N，而遠(yuǎn)輸出供電端O_R上提供有遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R。

盡管圖1中的開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器10可以將近端輸出電源V_O-N的電壓大致穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，但是，其卻無(wú)法穩(wěn)定遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載20很輕或是無(wú)載時(shí)，流過(guò)傳導(dǎo)線(xiàn)18的電流幾乎可以忽略，所以遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R與近端輸出電源V_O-N的電壓將大約一樣。但當(dāng)負(fù)載20很重(heavy)時(shí)，流過(guò)傳導(dǎo)線(xiàn)18的電流將會(huì)相當(dāng)?shù)目捎^，因此傳導(dǎo)線(xiàn)18的寄生電阻所產(chǎn)生的壓降，將造成遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓相當(dāng)明顯地低于近端輸出電源V_O-N的電壓。遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R才是真正對(duì)負(fù)載20供電的電源，因此其電壓的穩(wěn)定是非常重要的，不應(yīng)隨著負(fù)載20的輕重變化而被影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種電源供應(yīng)器，用以供電至一負(fù)載，包含有一電源轉(zhuǎn)換器、一遠(yuǎn)輸出供電端、一傳導(dǎo)線(xiàn)、一反饋電路、以及一電源控制器。該電源轉(zhuǎn)換器用以將一輸入電源轉(zhuǎn)換為一近端輸出電源。該電源轉(zhuǎn)換器具有一電源輸入端，接收該輸入電源，以及一近輸出供電端，輸出該近端輸出電源。該遠(yuǎn)輸出供電端提供一遠(yuǎn)端輸出電源至該負(fù)載。該傳導(dǎo)線(xiàn)連接于該近輸出供電端與該遠(yuǎn)輸出供電端之間。該反饋電路依據(jù)該遠(yuǎn)輸出供電端與該近輸出供電端的電位，產(chǎn)生一反饋信號(hào)。該電源控制器控制該電源轉(zhuǎn)換器，依據(jù)該反饋信號(hào)以及一參考信號(hào)，輸出一脈沖至該電源轉(zhuǎn)換器，其據(jù)以將該輸入電源轉(zhuǎn)換為該近端輸出電源。

本發(fā)明還提出一種控制方法，用以控制一電源供應(yīng)器供電至一負(fù)載。該電源供應(yīng)器包含有一電源輸入端以及一近輸出供電端。該電源輸入端接收一輸入電源，該近輸出供電端輸出一近端輸出電源，其由該輸入電源轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生。一遠(yuǎn)端輸出電源提供一遠(yuǎn)端輸出電源，對(duì)一負(fù)載供電。一傳導(dǎo)線(xiàn)連接于該近輸出供電端與該遠(yuǎn)輸出供電端之間。該電源控制方法包含有：接收該遠(yuǎn)端輸出電源；接收該近端輸出電源；依據(jù)該遠(yuǎn)端輸出電源的電位與該近端輸出電源的電位產(chǎn)生一反饋信號(hào)；依據(jù)該反饋信號(hào)與一參考信號(hào)產(chǎn)生一脈沖；以及，依據(jù)該脈沖 將該輸入電源轉(zhuǎn)換為該近端輸出電源。

附圖說(shuō)明

為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明，其中：

圖1為已知的一開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器。

圖2為另一種開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器。

圖3為依據(jù)本發(fā)明所實(shí)施的一電源供應(yīng)器。

圖4分別顯示高側(cè)端HS上的信號(hào)S_HS、低側(cè)端LS上的信號(hào)S_LS、反饋端FB上的反饋信號(hào)V_FB，以及數(shù)字比較結(jié)果S_OUT。

圖5顯示一種開(kāi)啟時(shí)間T_ON的控制方法。

圖6顯示另一種開(kāi)啟時(shí)間T_ON的控制方法。

圖中元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下：

10：開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器

12：降壓式電源轉(zhuǎn)換器

14：電源控制器

16：分壓電路

18：傳導(dǎo)線(xiàn)

20：負(fù)載

30：開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器

60：電源供應(yīng)器

62：電源控制器

64：比較器

68：脈沖產(chǎn)生器

70：反饋電路

90、92、94、96、97、98：步驟

C_DECAP：離耦電容

C_FB：反饋電容

C_o：輸出電容

FB：反饋端

GND：地端

HS：高側(cè)端

L：電感

LS：低側(cè)端

O_N：近輸出供電端

O_R：遠(yuǎn)輸出供電端

R₁：電阻

R₂：電阻

S_HS：信號(hào)

S_LS：信號(hào)

S_OUT：數(shù)字比較結(jié)果

SW_HS：高側(cè)功率開(kāi)關(guān)

SW_LH：低側(cè)功率開(kāi)關(guān)

t₀、t₁、t₂：時(shí)間

T_CYC：轉(zhuǎn)換周期

T_CYC-TAR：目標(biāo)轉(zhuǎn)換周期

T_OFF：關(guān)閉時(shí)間

T_ON：開(kāi)啟時(shí)間

V_FB：反饋信號(hào)

V_REF：參考信號(hào)

V_IN：輸入電壓電源

V_O-N：輸出電壓電源、近端輸出電源

V_O-R：遠(yuǎn)端輸出電源

具體實(shí)施方式

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，一種可能的解決方式是將圖1中的近端監(jiān)測(cè)，改成遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)(remote sensing)，如同圖2所示。圖2為另一種開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器30，對(duì)負(fù)載20供電。圖2中的分壓電路16連接在遠(yuǎn)輸出供電端O_R與一地端 GND之間，檢測(cè)遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓，將檢測(cè)結(jié)果反饋給電源控制器14的反饋端FB。

理論上，既然圖2中的電源控制器14監(jiān)控的是遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓，開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器30應(yīng)該可以將遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓穩(wěn)定在一預(yù)設(shè)值。但是，實(shí)作上圖2的開(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器30仍可能發(fā)生遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R電壓不穩(wěn)定的情形，或是輸出漣波(output ripple)過(guò)大的問(wèn)題。甚至有許多電源控制器的應(yīng)用說(shuō)明書(shū)中，都明白的指出其電源控制器不可應(yīng)用于遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)，原因的一即是受傳導(dǎo)線(xiàn)18中所寄生的電感與電阻影響。一旦傳導(dǎo)線(xiàn)18相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)，其中所寄生的電感與電阻就變得相當(dāng)可觀。電感與電阻構(gòu)成了一個(gè)低通電路，產(chǎn)生了信號(hào)延遲，也導(dǎo)致了整個(gè)控制回路的不穩(wěn)定。

圖3為依據(jù)本發(fā)明所實(shí)施的一電源供應(yīng)器60，對(duì)負(fù)載20供電。電源供應(yīng)器60可以穩(wěn)定遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓。

電源供應(yīng)器60包含有一電源控制器62、一降壓式電源轉(zhuǎn)換器12、一傳導(dǎo)線(xiàn)18、以及一反饋電路70。

電源控制器62可以是一集成電路，具有(但不限于)反饋端FB、高側(cè)端HS、與低側(cè)端LS的接腳。降壓式電源轉(zhuǎn)換器12，用來(lái)將具有一相對(duì)高電壓的輸入電壓電源V_IN，轉(zhuǎn)換成一相對(duì)低電壓的近端輸出電源V_O-N。傳導(dǎo)線(xiàn)18連接于近輸出供電端O_N與遠(yuǎn)輸出供電端O_R之間，其寄生有電感與電阻所構(gòu)成一低通電路，所以為一低通傳導(dǎo)線(xiàn)。輸出電容C_o連接于近輸出供電端O_N與地端GND之間，離耦電容C_DECAP連接于遠(yuǎn)輸出供電端O_R與地端GND之間。

反饋電路70包含有反饋電容C_FB、電阻R₁、與電阻R₂。反饋電容C_FB連接于近輸出供電端O_N與反饋端FB之間。電阻R₁與R₂以反饋端FB作為連接點(diǎn)，串接于遠(yuǎn)輸出供電端O_R與地端GND之間。經(jīng)由簡(jiǎn)單的電路推導(dǎo)可知，反饋信號(hào)V_FB、遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R與近端輸出電源V_O-N的關(guān)系可以表示為以下公式(1)

其中，VFB、VON、VOR分為反饋信號(hào)V_FB、近端輸出電源V_O-N、遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓，CFB為反饋電容C_FB的電容值，i為虛數(shù)，f為信號(hào)頻率， R1與R2分別為電阻R₁與R₂的阻值，R1//R2表示電阻R₁與R₂并聯(lián)后的等效電阻值。

反饋電路70提供遠(yuǎn)輸出供電端O_R上的遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R低通濾波，可以在反饋端FB產(chǎn)生遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的一低通信號(hào)(即公式(1)的后半部)。反饋電路70也提供近輸出供電端O_N上的近端輸出電源V_O-N高通濾波，可以在反饋端FB產(chǎn)生近端輸出電源V_O-N的一高通信號(hào)(即公式(1)的前半部)。所以，圖3中，反饋端FB上的反饋信號(hào)V_FB大約就是遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的一電位(于本實(shí)施例中即為該低通信號(hào))，以及近端輸出電源V_O-N的一電位(于本實(shí)施例中即為該高通信號(hào))，兩者的組合。在其他實(shí)施例中，反饋電路70可以以其他種電路架構(gòu)所組成，其只要能在反饋端FB提供遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電位，以及近端輸出電源V_O-N的電位，即可達(dá)到相同效果。

電源控制器62可以操作于漣波控制模式(ripple mode)。所謂漣波控制模式是指電源轉(zhuǎn)換器所執(zhí)行的電能轉(zhuǎn)換，是由輸出電源的電壓所觸發(fā)的一種操作模式。舉例來(lái)說(shuō)，電源控制器62有一比較器64與一脈沖產(chǎn)生器68。比較器64比較反饋信號(hào)V_FB與一參考信號(hào)V_REF，參考信號(hào)V_REF可以為固定的2.5V。依據(jù)反饋信號(hào)V_FB與參考信號(hào)V_REF的差異，比較器64輸出一數(shù)字比較結(jié)果S_OUT。當(dāng)數(shù)字比較結(jié)果S_OUT從邏輯上的”0”轉(zhuǎn)態(tài)為”1”時(shí)(反饋信號(hào)V_FB低于參考信號(hào)V_REF)，脈沖產(chǎn)生器68被觸發(fā)，而在高側(cè)端HS上提供一脈沖。當(dāng)比較結(jié)果S_OUT維持在邏輯上的”0”時(shí)(反饋信號(hào)V_FB高于參考信號(hào)V_REF)，脈沖就不提供。相較于一般用運(yùn)算放大器的電源控制器而言，操作于漣波控制模式的電源控制器62的反應(yīng)速度會(huì)比較快，可以使遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R具有較低的輸出漣波。

降壓式電源轉(zhuǎn)換器12具有一高側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_HS、一低側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_LH、以及一電感L。高側(cè)端HS上的一脈沖的脈沖寬度大致決定了高側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_HS的開(kāi)啟時(shí)間T_ON。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)反饋信號(hào)V_FB低于參考信號(hào)V_REF時(shí)，比較器64輸出一邏輯值為”1”的數(shù)字比較結(jié)果S_OUT，脈沖產(chǎn)生器68據(jù)以在高側(cè)端HS提供一個(gè)脈沖，開(kāi)啟高側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_HS。

圖4分別顯示高側(cè)端HS上的信號(hào)S_HS、低側(cè)端LS上的信號(hào)S_LS、反饋端FB上的反饋信號(hào)V_FB，以及數(shù)字比較結(jié)果S_OUT。信號(hào)S_HS具有數(shù)個(gè)脈沖。每個(gè)脈沖的脈沖寬度，稱(chēng)為開(kāi)啟時(shí)間T_ON。兩個(gè)連續(xù)脈沖之間，稱(chēng)為關(guān)閉時(shí)間T_OFF。 一個(gè)開(kāi)啟時(shí)間T_ON與一個(gè)關(guān)閉時(shí)間T_OFF的合，稱(chēng)為轉(zhuǎn)換周期T_CYC。在時(shí)間t₀，反饋信號(hào)V_FB低于參考信號(hào)V_REF時(shí)，信號(hào)S_HS出現(xiàn)一個(gè)脈沖，高側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_HS被開(kāi)啟，開(kāi)啟時(shí)間T_ON開(kāi)始。開(kāi)啟時(shí)間T_ON結(jié)束后，信號(hào)S_LS出現(xiàn)另一個(gè)脈沖，用來(lái)開(kāi)啟低側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_LS。低側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_LS用來(lái)提供同步整流(synchronous rectifier，SR)的功能。

電源控制器62可以操作于最小關(guān)閉時(shí)間(minimum OFF-time)模式，也就是一個(gè)開(kāi)啟時(shí)間T_ON后的關(guān)閉時(shí)間T_OFF，不能小于一個(gè)最小關(guān)閉時(shí)間T_OFF-MIN。換言之，高側(cè)功率開(kāi)關(guān)SW_HS在時(shí)間t₁關(guān)閉后，至少需要間隔最小關(guān)閉時(shí)間T_OFF-MIN后，才能被再次開(kāi)啟，進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)啟時(shí)間T_ON。舉例來(lái)說(shuō)，在圖3中，當(dāng)反饋信號(hào)V_FB低于參考信號(hào)V_REF，且關(guān)閉時(shí)間T_OFF超過(guò)最小關(guān)閉時(shí)間T_OFF-MIN時(shí)，脈沖產(chǎn)生器6才在時(shí)間t₂于高側(cè)端HS上提供另一脈沖，開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)啟時(shí)間T_ON。

電源控制器62可以操作于固定開(kāi)啟時(shí)間(constant ON-time)模式，也就是說(shuō)，開(kāi)啟時(shí)間T_ON一直為固定值。然而在另一實(shí)施例，雖然鄰近的數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)換周期中每一個(gè)開(kāi)啟時(shí)間T_ON大致都相同，但是長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，開(kāi)啟時(shí)間T_ON仍可依據(jù)檢測(cè)結(jié)果而緩慢地被調(diào)整。

圖5顯示一種開(kāi)啟時(shí)間T_ON的控制方法，可以使用于電源控制器62中。在步驟90，脈沖產(chǎn)生器68檢測(cè)輸入電壓電源V_IN與近端輸出電源V_O-N的電壓；然后步驟92依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，決定開(kāi)啟時(shí)間T_ON。舉例來(lái)說(shuō)，T_ON＝K*VON/VIN(公式一)，其中，K是常數(shù)，VON為近端輸出電源V_O-N的電壓，VIN為輸入電壓電源V_IN的電壓。當(dāng)依據(jù)公式一來(lái)控制開(kāi)啟時(shí)間T_ON時(shí)，且降壓式電源轉(zhuǎn)換器12操作于連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous conduction mode，CCM)時(shí)，可以使得轉(zhuǎn)換周期T_CYC大約維持在一個(gè)常數(shù)。所謂CCM指的是在一轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，電感元件所存放的能量尚未完全釋放，而下一轉(zhuǎn)換周期就開(kāi)始了；相對(duì)的，不連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode，DCM)指的是一轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，電感元件所存放的能量一定完全釋放，而下一轉(zhuǎn)換周期才會(huì)開(kāi)始了。

圖6顯示另一種開(kāi)啟時(shí)間T_ON的控制方法，一樣也適用于電源控制器62。步驟94檢測(cè)轉(zhuǎn)換周期T_CYC的時(shí)間長(zhǎng)度。舉例來(lái)說(shuō)，步驟94檢測(cè)信號(hào)S_HS中兩個(gè)連續(xù)的上升緣(rising edge)或下降緣之間的時(shí)間長(zhǎng)度。步驟96比較轉(zhuǎn)換周期 T_CYC與一目標(biāo)轉(zhuǎn)換周期T_CYC-TAR。如果轉(zhuǎn)換周期T_CYC大于目標(biāo)轉(zhuǎn)換周期T_CYC-TAR，步驟98減少開(kāi)啟時(shí)間T_ON。開(kāi)啟時(shí)間T_ON比較短，因?yàn)殡姼蠰存放了比較少的電能，所以近端輸出電源V_O-N與遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R就會(huì)比較早下降，可以縮短之后的轉(zhuǎn)換周期T_CYC。相反的，如果轉(zhuǎn)換周期T_CYC小于目標(biāo)轉(zhuǎn)換周期T_CYC-TAR，步驟97增加開(kāi)啟時(shí)間T_ON。圖6的控制方法，可以使轉(zhuǎn)換周期T_CYC往目標(biāo)轉(zhuǎn)換周期T_CYC-TAR接近。

利用遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的一遠(yuǎn)端輸出值，以及近端輸出電源V_O-N的一近端輸出值作為反饋，圖3的電源供應(yīng)器60可以提供足夠快的反應(yīng)速度，來(lái)穩(wěn)定遠(yuǎn)端輸出電源V_O-R的電壓。

盡管圖3以一操作于漣波控制模式的同步整流降壓式電源轉(zhuǎn)換器為例，但是本發(fā)明并不限于此。舉例來(lái)說(shuō)，本發(fā)明也可以適用于非同步的電源轉(zhuǎn)換器，本發(fā)明也可以適用于一升壓電源轉(zhuǎn)換器(boost converter)。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。