專利名稱：控制dc/dc開關式電壓調節器中短路電流的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制DC/DC開關式電壓調節器中短路電流的方法及設備，尤其是，為DC/DC開關式電壓調節器中短路電流鋸齒狀增或減提供的方法和設備。
背景技術：
盡管負載導致電源電壓或電流的不同，但DC/DC電壓調節器可有效地維持輸出電壓電平。許多便攜式裝置需要如同由DC/DC電壓調節器提供的電源電壓一樣穩定的電源電壓。由于確定過流狀態的次數的有限，開關式調節器可能在短路負載上發生電流鋸齒狀增或減的現象。幾乎每一個開關式裝置有一個有限的回路響應時間來測量電感器中的電流。根據輸入電壓，電流能夠上升得足夠高，從而導致裝置的災難性故障。
由于這一原因，在固定頻率部分中，一般使用頻率折疊來改變部分中可能發生的電流鋸齒狀增或減的量。頻率折疊引起的常見問題是電感器中的大的電流脈動。由于該原因，選擇比比標準大的分流或者輸出電容來降低脈動電壓。并且如果頻率折疊的太多，回路可能變得不穩定。因此，為了廣泛的應用而選擇正確的折疊頻率范圍不是一件容易的工作。
發明內容
結合系統、裝置和方法描述并解釋本發明。除本發明內容中描述的本發明的這些特征之外，通過參考附圖并閱讀下面的詳細說明，本發明的進一步的特征將變得顯而易見。
在一個實施例中，提供具有高壓側通路裝置和低壓側通路裝置的DC/DC開關式電壓調節器。電壓調節器在高壓側包括用于檢測在電流極限之上的過流狀態的裝置。如果檢測到過流狀態，電壓調節器還包括用于切斷高壓側通路裝置和打開低壓側通路裝置直到到達位于低壓側通路裝置的第二電流極限的裝置。
在另一個實施例中，提供在具有高壓側通路裝置和低壓側通路裝置的DC/DC開關式電壓調節器上執行的方法。該方法包括在高壓側檢測在電流極限之上的過流狀態。如果檢測到過流狀態，該方法還包括切斷高壓側通路裝置和打開低壓側通路裝置直到到達位于低壓側通路裝置的第二電流極限。
在另一個實施例中，提供一種設備。該設備包括高壓側通路裝置。該設備還包括與高壓側通路裝置串聯的低壓側通路裝置。該設備進一步包括與高壓側通路裝置和低壓側通路裝置連接的控制模塊。該控制模塊連接到高壓側通路裝置和低壓側通路裝置，對高壓側通路裝置和低壓側通路裝置進行控制。
此外，該設備包括與高壓側通路裝置和低壓側通路裝置串聯的第一電阻器。而且，該設備包括與第一電阻器并聯的第一比較器。該第一比較器具有與第一電流極限對應的閾值電壓輸入差值，并且第一比較器的輸出連接到控制模塊。此外，該設備包括與高壓側通路裝置的感應電流連接以作為電壓的第二比較器。該第二比較器具有與第二電流極限對應的閾值電壓輸入差值。第二比較器的輸出連接到控制模塊。第二電流極限高于第一電流極限。同樣，響應于第一比較器的輸出，控制模塊可以切斷高壓側通路裝置，直到接收到復位信號，而且，響應于第二比較器的輸出，控制模塊可以切斷高壓側通路裝置，直到接收到低電流信號。
通過附圖以舉例的方式解釋本發明。應該將附圖理解為舉例而不是限制，本發明的范圍由權利要求進行限定。
圖1示出了DC-DC電壓調節器輸出端的一個實施例。
圖2示出了圖1的實施例中的電流過載。
圖3示出了圖1的實施例中的頻率折疊。
圖4示出了用于圖1的DC-DC電壓調節器輸出的電流過載保護裝置的一個實施例。
圖5示出了用于圖1的DC-DC電壓調節器輸出的電流過載保護裝置的一個可選擇的實施例。
圖6示出了圖4的實施例中的電流鋸齒狀增或減。
圖7示出了用于圖1的DC-DC電壓調節器輸出的電流過載保護裝置的另一個實施例。
圖8示出了電流限制處理方法的一個實施例。
具體實施例方式
為開關式DC/DC電壓調節器中的短路電流鋸齒狀增或減提供一種系統、方法和設備。本文件中說明的具體實施例是本發明示范性的例子，實質上是說明性的而不是限制性的。
在下面的說明中，出于解釋的目的，為了提供對本發明的全面理解，提出了多個具體的細節。但是，對本發明的技術人員而言，很顯然沒有這些具體的細節也可以實現本發明。在其它的情況下，為了避免使發明變得含糊，以方框圖的形式示出結構和裝置。
說明書中“一個實施例”或者“實施例”的意思是結合實施例說明的特定的特征、結構、或者特性包含在發明的至少一個實施例中。在說明書的不同位置出現的詞組“在一個實施例中”不是必須參考同一個實施例，也不是與其它實施例相互之間排除的單個的或者交替的實施例。
在一些實施例中，本發明描述了一種新方案，即從開關式調節器的保護方案中取消頻率折疊，并且在整個操作期間在無需改變開關頻率的情況下允許歸零啟動。
在一些實施例中，采用檢測元件測量電感器中的電流。采用比較器比較檢測元件和另一個匹配元件，該匹配元件描述指示過流情況的限定的已知電流閾值。當超過該電流閾值時，比較器發出信號給邏輯電路以閉鎖低壓側開關，直至到達低壓側電流極限值。根據應用，能夠將這低壓側的電流極限值設置為任何正的、負的或者零電感器電流值。
在一些實施例中，DC/DC開關電壓調節器由PWM控制器、串聯在電源電壓和地之間的兩個被控制的通路裝置、與兩個通路裝置之間的公共點連接的電感器、和在電感器之后連接在輸出節點和地之間的電容器組成。通過調制該通路裝置，電感器將累積能量并對電容器放電。充電和放電速度由下述等式確定V=LdIdT]]>電感器中的電流的增量是dIcharge=Vin-Ronup×dIcharge-VoutLdTon]]>其中，Vin是電源電壓，Vout是輸出電壓，Ronup是上通路裝置中的電阻。電感器中的放電電流由下述等式限定dIdischarge=Vout+Rondwn×dIdischargeLdToff]]>其中Rondwn是低通路裝置的電阻。在標準操作期間，dIcharge＝dIdischarge，并且dTon和dToff是開關頻率的函數。因為回路需要有限的時間響應，在開關時間上存在最小值。這一時間可以低至20ns，高至200ns。這是由于上通路元件需要導通以檢測電感器中的電流量，然后截止的原因引起的。時間的最小長度可能歸因于驅動器延遲、PWM比較器延遲、電流檢測放大器延遲等。
當dIcharge＞dIdischarge時存在電流鋸齒狀增或減的狀態。當輸出被接地短路時可能產生這一狀態，然后dTon＝dTmin，并且Vout為0。然后，在dToff期間由電感器放電的能量值小，并且電流循環持續上升。確保電感器放電的常見方法是增加dToff時間，和降低操作頻率。根據不同的實施例，檢測電感器電流，如果電流鋸齒狀增或減至固定值之上，回路將切斷上通路裝置并鎖定下通路裝置，直至電流衰減到預定極限值。
參考附圖可以提供對各個實施例的進一步理解。圖1示出了DC-DC電壓調節器輸出端的一個實施例。系統100包括在電源線和地之間的高壓晶體管和低壓晶體管，電感負載和電容器。電感負載110可以是實際的電感器或者以類似于電感器的方式運行的元件。電容器160連接在電感負載110和地150之間。能量從電源130通過功率晶體管120(供給電流)提供給負載110。電流可以通過功率晶體管140從電感負載110流至地150。
這一設計包括一個潛在的問題，即導通和截止晶體管120和140所花的時間長到允許電流使電感器110過載。圖2示出了圖1的實施例中的電流過載。電流電平接近極限值，系統降低電流電平。但是，電流的衰減時間可能不允許電流電平降低到零。其結果是，裝置然后又增加電流電平，在系統重新減小電流之前這一時間越過了最大電流極限值。這主要作為系統運行頻率的結果而發生，該頻率在電流衰減到一個可接收的電平之前可能重置電壓調節器。
對這一問題的常見反應是折疊頻率-減小系統的運行頻率，使得在極限之上的狀態下可接受地減小電流電平。圖3示出了圖1的實施例中的頻率折疊。不是允許系統復位并使電流電平鋸齒狀增或減，而是允許電流衰減較長的時間，直到到達可接受的極限值。未示出的是在這一狀態下的結果，在該狀態下裝置可能運行到該極限值，然后減小到某一電平，該電平太高而不能避免過流狀態。頻率折疊能夠避免過流狀態，但也減慢了系統和被提供能量的負載的運行。
可選擇的是，可引入電路來檢測電流電平，并確保允許過流狀態適當地衰減。圖4示出了用于圖1的DC-DC電壓調節器輸出端的電流過載保護裝置的一個實施例。系統400包括裝置410(DC-DC電壓調節器)和作為整個系統的一部分的各種外部電路。裝置410可以由選通輸入493啟動，選通輸入493與內部啟動電路490相關聯。可以從模擬電容器433的電源提供能量。
通過功率晶體管120流入負載110的電流通過使該電流經過在比較器455中檢測的電阻器450來監測。比較器450的輸出和振蕩器485的輸出混合，并作為比較器480的輸入被提供。隨同通過反饋模塊470和誤差放大器475，比較器480和控制模塊415的反饋一起，這為裝置410的脈沖寬度調制器提供反饋回路。電阻器460和465提供電阻分阻器，從該分阻器為反饋元件470形成電壓電平。類似地，電阻器483和電容器487提供控制比較器475的輸出的RC元件。
比較器435檢測來自與功率晶體管140串聯的電阻器440的電流，并且給觸發器445提供置位輸入。比較器430檢測通過電阻器440和功率晶體管140(相同的電流)的電流，并給觸發器445提供復位輸入。這些輸出也被提供給控制邏輯電路415。有代表性地，控制邏輯電路415作用于門420和425，使功率晶體管120和140導通和截止。但是，當檢測到過流狀態時，觸發器445的輸出使晶體管140導通，并使晶體管120截止。一旦通過晶體管140的電流進行了足夠的衰減，觸發器445就復位，并且回到正常的運行。這樣，通過改變比較器430和435的斷路點，能夠為超過極限的電流和低電流設置各種電流電平。
可以在不提及周圍的脈沖寬度調制電路的情況下說明調節電路的一個選擇實施例。圖5示出了用于圖1的DC-DC電壓調節器輸出的電流過載保護裝置的一個可選擇的實施例。系統500控制負載110的電源。電阻分阻器570和575提供被反饋的電壓并和比較器560的參考電壓比較。比較器560的輸出與晶體管565一起偏置，晶體管565接收Vilimit電壓輸入以確定偏置電平。然后施密特觸發緩沖器555提供比較器560的偏置輸出，作為至觸發器530的邏輯輸入。然后觸發器520控制晶體管120和140(通過反相器525)。
能夠用檢測電阻器505(和晶體管120串聯)、比較器515、和施密特觸發比較器540測量通過晶體管120的電流。比較器540還接收晶體管550的輸出，作為輸入，該輸出被電壓Vilimit+X偏置。電流源545完成這一元件的偏置電路。因此，當通過檢測電阻器505的電流導致電壓超過晶體管550的偏置電壓時，比較器540能夠使觸發器520置位(或復位)。可以考慮停止對負載110供給電流。相似地，當電流已經充分地衰減時，可以利用例如檢測電阻器510和連接到負載110的輸出節點，通過比較器530對其進行檢測。從而，比較器530可以使觸發器520置位(或復位)，同時繼續正常操作。
在不同的實施例中，在哪里精確地放置檢測電阻器505和510，和怎樣精確地檢測過流和欠流狀態可能不相同。同樣，在不同的實施例中可以選擇合適的Vilimit和Vilimit+X的值。一般來講，Vilimit+X的值高于Vilimit的值，并且提供較高的電流極限值，作為能夠用來關閉系統和避免電流過載的極限值。
可以參考圖6理解裝置或系統的運行。圖6示出了圖4的實施例中的電流鋸齒狀增或減。電流可以上升到Ilimiit，然后漸漸回落。如果裝置正在以太高的頻率運行，那么電流能增加到Ilimiit+X。在這一點，裝置可能被關閉(通過使高通晶體管120截止，并使低通晶體管140導通)，直至電流衰減到一個可以接收的電平(可以通過一個低電流值來限定)。
可以采用相同的常用方法來實施各個實施例。圖7示出了用于圖1的DC-DC電壓調節器輸出的電流過載保護裝置的另一個實施例。系統700包括電源，控制邏輯，負載和電流監測器。電源模塊710在控制邏輯730的控制下給負載720提供能量。電流監測器740監測提供給負載720的電流，并且當過流狀態發生時中斷控制邏輯730以切斷電源710。
也將解釋這些電路運行的流程。圖8示出了電流限制流程的一個實施例。流程800包括運行裝置，監測電流，使電流漸降，進一步的操作，確定是否超過了上限，和暫時使裝置關閉。本文件的流程(方法)800和其它的流程作為一組模塊被實施，這可以是例如流程模塊或操作，與功能或效果相關聯的軟件模塊，用于實現流程操作的硬件模塊，或者各種類型的模塊的某種組合。在不同的實施例中，可以調整這里描述的流程800和其它流程的模塊，如以并聯或者串聯的方式，并且可以重排、結合或者細分。
流程800開始于模塊810中電路的運行。在模塊820檢測電路的電流負載。如果電流沒有超過第一極限，在模塊810中電路繼續運行。如果電流超過了第一極限，在模塊840中電流漸漸下降。然后，在模塊850中，電路繼續運行。在模塊860中，確定是否超過電流上限或者第二電流極限。如果沒有，在模塊810中電路繼續運行。如果超過了第二電流極限，則在模塊870產生暫時的關閉，直至電流負載衰減到一個可接受的電平。
在一個實施例中，這是通過采用1.7A的第一電流極限和2.2A的第二電流極限來實現的。因此，如果電流超過1.7A，系統正常關閉。如果電流超過2.2A，則系統關閉，直到電流衰減到一個低的值。
各個實施例的特征和方式可以結合到其它的實施例中，并且本文件中解釋的實施例可以在不具有解釋或說明的所有的特征或者方式的情況下實施。本領域的技術人員將理解，盡管處于解釋的目的，描述了系統和方法的具體例子和實施例，但在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以作出各種修改。例如，本發明的實施例可以應用到不同類型的數據庫、系統和應用程序中。此外，即使在本文件中這些特征沒有在單個實施例中一起描述，一個實施例的特征可以合并到其它實施例中。因此，由附加的權利要求描述本發明。
權利要求
1.一種在具有高壓側通路裝置和低壓側通路裝置的DC/DC開關式電壓調節器上執行的方法，該方法包括檢測在高壓側通路的電流極限之上的過流狀態；和如果檢測到過流狀態，切斷高壓側通路裝置并開低壓側通路裝置，直到到達位于低壓側通路裝置上的第二電流極限。
2.如權利要求1的方法，還包括檢測電流下限之上的過流狀態；和如果檢測到電流下限之上的過流狀態，切斷高壓側通路裝置并且接通低壓側通路裝置，直至接收到復位信號。
3.如權利要求2的方法，還包括使DC/DC開關式電壓調節器復位，該復位操作提供復位信號。
4.如權利要求3的方法，還包括通過高壓側通路裝置提供能量。
5.如權利要求4的方法，還包括響應于啟動信號來運行該DC/DC開關式電壓調節器。
6.一種設備，包括高壓側通路裝置；與高壓側通路裝置串聯的低壓側通路裝置；與高壓側通路裝置和低壓側通路裝置連接的控制模塊，該控制模塊連接到高壓側通路裝置和低壓側通路裝置，對高壓側通路裝置和低壓側通路裝置進行控制；與高壓側通路裝置和低壓側通路裝置串聯的第一電阻器；與第一電阻器并聯的第一比較器，該第一比較器具有與第一電流極限對應的閾值電壓輸入差值，第一比較器的輸出連接到控制模塊；與高壓側通路裝置的檢測電流連接以作為電壓的第二比較器，第二比較器具有與第二電流極限對應的閾值電壓輸入差值，第二比較器的輸出連接到控制模塊，第二電流極限高于第一電流極限；和其中，響應于第一比較器的輸出，控制模塊可以切斷高壓側通路裝置，直到接收到復位信號，而且，響應于第二比較器的輸出，控制模塊可以切斷高壓側通路裝置，直到接收到低電流信號。
7.如權利要求6的設備，還包括和低壓側通路裝置串聯的第二電阻器；和與第二電阻器并聯的第三比較器，第三比較器的輸出連接到控制模塊，第三比較器的輸出構成一個低電流信號。
8.如權利要求7的設備，還包括連接到控制模塊的啟動輸入；和其中響應于啟動信號，控制模塊可以運行高壓和低壓側通路裝置。
9.如權利要求6的設備，其中高壓側通路裝置和低壓側通路裝置是功率MOSFET。
10.如權利要求6的設備，其中第二比較器的輸入端和低壓側通路裝置并聯。
11.如權利要求6的設備，其中第二比較器的輸入端和第一電阻器并聯。
12.如權利要求8的設備，還包括連接到控制模塊的設備的第一外部輸入端，該輸入端從與該裝置的負載連接的電阻分阻器接收電壓。
13.如權利要求12的設備，還包括連接到控制模塊的設備的第二外部輸入端，該輸入端從串聯的電阻器和電容器接收電壓。
14.如權利要求13的設備，還包括連接到第一比較器的輸出端以混合第一比較器的輸出和振蕩器的輸出信號的振蕩器，將該混合信號提供給控制模塊。
15.如權利要求14的設備，還包括具有第一輸入端和第二輸入端的比較器，第一輸入端連接到混合信號，第二輸入端連接到第一外部輸入端，比較器的輸出連接到控制模塊。
16.一種具有高壓側通路裝置和低壓側通路裝置的DC/DC開關式電壓調節器，包括用于檢測在高壓側通路的電流極限之上的過流狀態的裝置；和如果檢測到過流狀態，用于切斷高壓側通路裝置和導通低壓側通路裝置，直到到達位于低壓側通路裝置上的第二電流極限的裝置。
17.如權利要求16的設備，其中用于檢測的裝置包括檢測元件和確定過流狀態的有限電流電平比較器。
18.如權利要求16的設備，還包括用于確定過流狀態何時已被消除的裝置。
19.如權利要求16的設備，還包括鎖存器，用于超馳PWM系統的控制，保持高壓側通路裝置的截止和低壓側通路裝置的導通。
20.如權利要求16的設備，還包括用于啟動DC/DC開關式電壓調節器的裝置。
全文摘要
本發明提供一種在具有高壓側通路裝置和低壓側通路裝置的DC/DC開關式電壓調節器上執行的方法，該方法包括檢測在高壓側通路的電流極限之上的過流狀態；和如果檢測到過流狀態，切斷高壓側通路裝置并開低壓側通路裝置，直到到達位于低壓側通路裝置上的第二電流極限。本發明還提供一種設備，該設備包括高壓側通路裝置、與高壓側通路裝置串聯的低壓側通路裝置、與高壓側通路裝置和低壓側通路裝置連接的控制模塊、與高壓側通路裝置和低壓側通路裝置串聯的第一電阻器、與第一電阻器并聯的第一比較器、包括與高壓側通路裝置的檢測電流連接以作為電壓的第二比較器。
文檔編號H02H7/122GK1790885SQ20051011325
公開日2006年6月21日 申請日期2005年8月30日 優先權日2004年8月30日
發明者安德魯·吳 申請人:美國芯源系統股份有限公司