專利名稱：限制開關電源的開關中最大開關電流的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及電子電路，并且更具體地，本發明涉及開關模式電源。
背景技術：
開關電源中的開關可承受來自過電壓，過電流或者電壓和電流的特定組合所導致的損害。瞬時電壓和電流必須維持在防止對開關帶來損害的安全工作區所限定的界限內。因此，為了保護開關，以及為了調節輸出，開關電源的控制器通常測量電壓和電流。
現實器件的需求和局限性之間的矛盾經常使得控制器在所有情形下測量保護開關所必須的量變得不可能或者不實際。盡管開關上的最大電壓通常可從對直流輸入電壓的簡單測量中得到，然而開關中電流的測量通常會更加困難。
控制器典型地必須屏蔽(mask)切換周期中特定時刻開關電流的測量，從而避免了錯誤的過電流指示。另外，在過電流檢測和恰當響應之間經常會出現某些延遲。因此，傳統的方法不能防止開關在暫時負載或者故障的特定條件下出現損害。
通過實施例詳細說明了本發明，并且不限制于附圖。
圖1是根據本發明教導可限制功率開關中的峰值電流的開關電源的一個實施例的功能框圖。
圖2是示出了將寄生電容分布到功率開關中的電流的開關電源的一個實施例的功能框圖的一部分。
圖3示出了根據本發明教導可限制功率開關中的峰值電流的開關電源的一個實施例的電壓和電流波形。
圖4示出了根據本發明教導限制功率開關中的峰值電流的開關電源的電流波形的重要參數。
圖5是示出根據本發明教導限制功率開關中的峰值電流的方法的流程圖。
圖6是根據本發明教導限制所包括的功率開關中的峰值電流的集成電路的功能框圖。
具體實施例方式
這里公開了在電源中所使用的電源調節器的實施例。在下面的描述中，為了透徹的理解本發明，闡述了大量的特定細節。然而，本領域的普通技術人員應該清楚，這些特定的細節不必應用于實現本發明。為了避免使得本發明不清楚，未詳細地闡述與其實現方式相關的公知方法。
本說明書中參考“一個實施例”或者“一實施例”表示與該實施例結合所描述的特定特征、結構或者特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，本說明書不同位置出現短語“用于一個實施例”或者“在一個實施例中”并不必全部表示相同的實施例。此外，在一個或者多個實施例中可以任何合適的方式組合這些特定的特征、結構或者特性。
在電源具有低輸出電壓的啟動或者過載期間，響應功率開關中的過電流的傳統技術在使得電源工作的同時并不能防止電流在每個開關周期中變得更高，這是因為前沿消隱時間和限流延遲時間使得開關導通時間最小。此外，控制器響應低輸出電壓，同時具有使電流減小的最小切斷時間。公開了一些技術，其采用多限流值來確定需要執行可替換的控制模式，該可替換控制模式延長了開關的切斷時間，從而使得電流減小到安全值。因此，公開了一些技術，以防止開關電源的開關中的過電流。對于一個實施例來說，開關電流相對多個限流值進行測量，從而識別未受控制的漸增電流的情形。未受控制的漸增電流的識別執行可替換的控制操作，其延遲了隨后切換周期的開始。
為了進行說明，圖1通常示出了根據本發明教導限制峰值開關電流的電源的一個實施例的電源的功能框圖。圖1所示的示意性電源拓撲結構是回掃式調節器。應該理解的是，存在許多開關調節器的拓撲結構和配置，并且出于進行解釋的目的，提供圖1所示的回掃式拓撲結構，根據本發明的教導，也可使用其他類型的拓撲結構。此外，注意，盡管出于解釋的目的，在電源的范圍內此處描述了本發明的各種實施例，但是應該理解的是，本發明的教導也可應用于其他技術，例如可包括感性負載切換等的其他應用。
如在圖1的電源實施例中所示的，能量轉換元件T1 125耦合在未調節的輸入電壓VIN105和電源輸出端上的負載165之間。開關S1 120耦合到能量轉換元件125的輸入端上的初級繞組175上，以調節能量從未調節的輸入電壓VIN105到電源輸出端上的負載165的轉換。控制器145被耦合以產生驅動信號156，該驅動信號156被耦合成由開關S1 120接收以控制開關S1 120的切換。控制器145還包括被耦合以接收電流檢測140的電流檢測器，該電流檢測140檢測開關S1 120中的電流ID115。
如下面將要討論的，對于一個實施例來說，控制器145中的電流檢測器包括第一和第二比較器，第一和第二比較器被耦合以分別將電流ID115與第一和第二限流進行比較。第二限流大于第一限流。對于一個實施例來說，如果電流ID115大于第一或者第二限流，則控制器145將使驅動信號156在該開關的當前切換周期的剩余時間打開開關S1 120，直到開關的下一個切換周期開始為止。對于一個實施例來說，控制器145還包括耦合到第二比較器的頻率調節器。根據本發明的教導，如果電流ID115大于第二限流，則該頻率調節器將調節包括在控制器中的振蕩器的振蕩頻率，以延遲開關的下一個切換周期。
在圖1的實施例中，能量轉換元件T1 125示出為具有兩個繞組的變壓器。初級繞組175具有Np匝，其電感為Lp。次級繞組具有Ns匝。通常，變壓器的繞組可以多于兩個，其可具有附加繞組，用以給附加負載供電，或者提供偏壓，或者檢測負載上的電壓，等等。
箝位電路110耦合到能量轉換元件T1 125的初級繞組175上，從而控制開關S1 120上的最大電壓。如上所述，響應由控制器電路145產生的驅動信號156，導通和切斷開關S1 120。對于一個實施例來說，開關S1 120是晶體管，例如功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。對于一個實施例來說，控制器145包括集成電路和離散電子元件。開關S1 120的操作在整流器D1 130中產生脈動電流，該脈動電流由電容器C1 135進行濾波，從而在負載165上產生基本恒定的輸出電壓Vo或者基本恒定的輸出電流Io。
將要進行調節的輸出量是Uo150，通常來說可以是輸出電壓Vo，輸出電流Io，或者二者的組合。反饋電路160耦合到輸出量Uo150上，從而產生反饋信號UFB155，反饋信號UFB155是控制器145的輸入。控制器145的另一個輸入是電流檢測信號140，其檢測開關S1 120中的電流ID115。測量開關電流，例如電流變壓器，或者例如測量離散電阻器兩端的電壓，或者例如測量當晶體管導通時晶體管兩端的電壓的許多公知方法中的任何一種都可用于測量電流ID115。控制器可采用電流檢測信號140來調節輸出Uo150或者防止對開關S1 120產生損害。
圖1還示出了理想狀態下流過開關S1 120的電流ID115的示意性波形。響應來自控制器145的驅動信號156中的脈沖，開關S1 120導通時間tON。響應來自控制器145的驅動信號156，打開開關S1 120一個切斷時間tOFF。在導通時間tON的時間段中，當開關S1 120導通時，響應于施加到變壓器T1 125的初級繞組175的電感LP兩端的輸入電壓VIN105，電流隨著時間從初始電流IVAL線性增加到最終電流IPEAK。
對于一個實施例來說，控制器145操作開關S1 120，從而基本上調節輸出Uo150到其期望值。對于一個實施例來說，當輸出Uo150小于其期望值時，控制器145增加開關S1 120的導通時間tON。對于一個實施例來說，當輸出Uo150大于其期望值時，控制器145減小開關S1 120的導通時間tON。
對于一個實施例來說，控制器145用驅動信號156調節開關S1 120的操作，從而防止在其安全操作區以外操作。對于一個實施例來說，當電流ID115超過限流ILIMIT時，控制器145減小開關S1 120的導通時間tON。對于一個實施例來說，當電流ID115超過限流ILIMIT時，控制器145增加切斷時間tOFF。
圖2示出了寄生電容到開關S1 220中所測量的電流ID215的分布。由節點235上耦合到開關S1的電容器Cp 210和CDS230所表示的寄生電容的充電和放電在開關S1 220導通之后的一段很短時間內增加電流ID215。圖2還示出了變壓器T1 225的初級繞組275的電感LP上的電壓VP270。對于一個實施例來說，電壓VP在導通時間tON為正，大小為VIN。對于一個實施例來說，電壓VP在切斷時間tOFF為負，大小為VOR。電壓VP極性的突然反向將前沿電流增加到開關S1 220的初始電流IVAL。圖2中的波形示出了峰值前沿電流ILEPEAK，該峰值前沿電流ILEPEAK大于理想初始電流IVAL。對于一個實施例來說，峰值前沿電流ILEPEAK還大于最終電流IPEAK。存在于每個實際電路中的寄生電容可產生高的前沿電流，該前沿電流可與控制器調節輸出或者保護開關的性能相干擾。響應開關電流ID215的大小來調節輸出或者保護開關的控制器還響應與輸出的調節或者開關的安全操作明顯不相關的前沿電流。為了避免前沿電流產生干擾，控制器典型地屏蔽了開關中電流的測量，直到前沿消隱時間tLEB之后為止。前沿消隱時間tLEB與導通時間tON的關系示于圖3中。
前沿消隱時間tLEB足夠地長，以便保證寄生電容的電流分布在電流ID相對控制器變為可見之前可被忽略。圖3還示出了限流延遲時間td，限流延遲時間td是ID在tLEB之后達到ILIMIT的時刻和開關停止導通的時刻之差。限流延遲時間td總是存在，這是因為實際電路不能瞬時響應。有限的限流延遲時間td在導通時間tON末端處的結果是具有大于限流ILIMIT的峰值電流IPEAK。
前沿消隱時間tLEB以及限流延遲td使得典型的控制器限制開關電流ID變得不可能。圖4示出了當輸出小于其調節值時不期望的情況，這種情況可在具有典型控制器的開關電源中出現。在圖4中，輸出端的過載使得開關電流ID在每個切換周期都超過ILIMIT。過載還使得輸出電壓Vo下降為遠低于其調節值。控制器測量前沿消隱時間tLEB末端的開關電流ID，開關在限流延遲時間td之后打開。ID大于ILIMIT的檢測不能減小導通時間tON，該導通時間tON小于tLEB加上td的和。
圖4示出了任何切換周期(n)中，在導通時間段作為開關電流ID(除來自寄生電容的任何電流以外)出現的電流在導通時間段增加量為ΔION，從而達到IPEAK，然后在切斷時間段從IPEAK減小量為ΔIOFF。電流中的變化與輸入和輸出電壓相關，如等式1和等式2所示。
ΔION=VINtONLP=VIN(tLEB+td)LP]]>等式1ΔIOFF=VORtOFFLP=(NPNS)VOtOFFLP]]>等式2從圖4可以清楚看出，當對于每個連續脈沖或者切換周期ΔION＞ΔIOFF時，下一個切換周期(n+1)的峰值電流將大于當前切換周期(n)中的峰值電流。將輸出電壓Vo減小為基本低于其調節值的過載狀態將導致控制電路使得切斷時間tOFF盡可能的小。等式2示出了具有tOFF恒定或者減小的Vo的減小將使得ΔIOFF減小。等式1示出了前沿消隱時間tLEB和限流延遲時間td施加最小值到ΔION上。因此，通常的控制方法使得在輸出的過載過程中ΔION大于ΔIOFF。當ΔION大于ΔIOFF時，電流和電壓僅在幾個連續的切換周期之后可在開關的安全操作區之外運行。僅在許多切換周期之后響應的故障檢測電路不能保護開關以免出現故障。控制器必須在少量的切換周期內響應，以將開關的操作保持在其安全操作區內。
圖5是描述根據本發明教導，保持開關在其安全操作區內操作的一種示意性方法的流程圖。參考圖4的示意性波形，所示出的方法測量ID是否已經超過第二限流ILIMIT2，該第二限流大于第一限流ILIMIT，以確定是否執行可替換的控制操作以有助于防止峰值開關電流IPEAK變得過大。在圖5所描述的實施例中，如果在切換周期的啟動之后前沿消隱時間tLEB以外的切換周期的任何時間上ID大于ILIMIT2，則有一個可替換的控制操作。該可替換的控制操作打開開關，并且延遲下一個切換周期的啟動。對于一個實施例來說，可替換控制操作減小了振蕩器的頻率，從而有效地加長切換周期以延遲下一個切換周期的開始。在一個實施例中，電流ID大于ILIMIT2的檢測設定一個標記，其由不加長的切換周期復位。如果設置標記的同時檢測到ID大于ILIMIT2(兩個連續的周期都檢測到ID大于ILIMIT2)，那么存在另外加長的周期，使得該第二加長的切換周期大于第一加長的切換周期。可替換的控制操作提供與其他保護性操作相反的不間斷輸出調節，該其他保護性操作使得輸出失去調節，例如使得電源閉鎖關斷或者進入到操作的自動重啟動模式。
特別是，圖中的程序在框505中開始，并且然后繼續到框510，其中在框510切換周期開始。在框515，程序等待，直到導通時間tON至少在前沿消隱時間tLEB上導通。在框520，測量流過開關的電流ID。框525與框530結合示出了在電流ID不大于ILIMIT并且開關被啟動的同時，在框520中測量流過開關的電流ID。如果電流ID保持不大于ILIMIT直到在框535中指示了切換周期結束為止，則程序返回到框510中，其中在框510下一個切換周期接著開始。
然而，如果電流ID達到大于限流ILIMIT的值，接著框545和555示出在當前切換周期的剩余時間打開開關并且不再關閉直到下一個切換周期開始為止。對于一個實施例來說，不同步或者基本上立即打開開關，使得當前切換周期不能正常完成。回到圖5，框550示出了接著確定電流ID是否達到較大的第二限流ILIMIT2。如果不是，那么在框545，在當前切換周期的剩余時間打開開關直到該切換周期結束為止或者直到下一個切換周期為止，如框540所示。程序接著返回到框510以開始下一個切換周期或者循環。根據本發明的教導，如果在框550確定電流ID達到第二限流ILIMIT2，那么在框555打開開關，并且在框560延遲下一個切換周期的開始。在框560的延遲之后，程序返回到框510以開始下一個切換周期。根據本發明的教導，通過等待框560中額外延遲期間所提供的額外時間，給出電流ID足夠減小的機會，從而有助于限制流過開關的最大電流ID，并且有助于防止開關的電流和/或電壓在安全操作區之外運行。
圖6示出了在示意性集成電路600中實施的根據本發明教導的一種方法的實施例。在所示的實施例中，集成電路600包括耦合到漏極端602和源極端646的功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關628。端子648接收反饋信號UFB。對于一個實施例來說，集成電路600可任意包括一個或多個其他的端子，該一個或多個其他的端子接收信號并且執行在本實施例中并未描述的功能。
在圖6所示的實施例中，調制器626翻譯來自端子648的反饋信號UFB，以確定啟動信號662是高還是低。振蕩器640提供時鐘信號644和最大導通時間信號DMAX664。在所示的實施例中，振蕩器640包括耦合到鎖存器638的輸出端的FREQ ADJ端。對于一個實施例來說，響應鎖存器638的輸出，振蕩器640的頻率從較高的頻率變化到較低的頻率。開關628響應在鎖存器634的輸出端上產生的驅動信號656，該鎖存器634接收來自與門632以及或門666的信號。如果時鐘644和啟動662都為高，而DMAX644和過電流650為低，則開關628導通。如果DMAX644或者過電流650為高，則開關628切斷。
在圖6的實施例中，根據本發明的教導，電流檢測器或者限流電路用所示的比較器604和605實現。特別是，比較器604的其中一端被耦合以檢測流過開關628的電流ID，并且將其與第一限流ILIMIT進行比較，該第一限流耦合到比較器604的另一端。與門606被耦合以接收比較器604的輸出以及tLEB延遲622。只要在消隱時間延遲tLEB之后ID超過ILIMIT，則與門606的輸出變為高，從而通過或門666復位鎖存器634，以切斷開關628。在所示的實施例中，比較器605用于比較ID和ILIMIT2。如圖所示，如果在tLEB之后切換周期中的任何時刻ID超過ILIMIT2，那么比較器605的輸出變為高，使得與門607的輸出660變為高，使鎖存器638置位。
在圖6所示的實施例中，根據本發明的教導，頻率調節器用鎖存器638和振蕩器640的FREQ ADJ輸入實現。對于一個實施例來說，當鎖存器638置位時，振蕩器640從較高的頻率變化為較低的頻率，根據本發明的教導其有效地延遲了下一個切換周期的開始。對于一個實施例來說，配置振蕩器640以便置位鎖存器638并且因此激活振蕩器640的FREQ ADJ輸入使得驅動信號的下一個脈沖被跳過，根據本發明的教導，其有效地使得振蕩器640的頻率減小。在所示的實施例中，鎖存器638在下一個切換周期的開始由時鐘信號644進行復位。
在上述的說明中，本發明的方法和裝置已經參考其特定示意性實施例來進行描述。然而，很明顯，在不脫離本發明較寬的精神和范圍內，可進行各種修改和改變。本說明書和附圖因此被認為是示意性的而不是限制性的。
權利要求
1.一種開關調節器電路，包括耦合到能量轉換元件的開關；耦合到開關上以控制該開關切換的控制器；電流檢測器，該電流檢測器被包括在控制器中，并且該電流檢測器包括第一和第二比較器，該第一和第二比較器被耦合以分別將開關中的電流與第一和第二限流相比較，該控制器響應第一或第二比較器，以在開關的當前切換周期的剩余時間打開開關直到該開關的下一個切換周期為止；以及頻率調節器，該頻率調節器被包括在該控制器中，并且該頻率調節器耦合到第二比較器，該頻率調節器響應第二比較器來調節包括在控制器中的振蕩器的振蕩頻率。
2.根據權利要求1的開關調節器，其中頻率調節器響應第二比較器減小振蕩器的振蕩頻率，以延遲開關的下一個切換周期。
3.根據權利要求1的開關調節器，其中頻率調節器響應第二比較器減小振蕩器的振蕩頻率，以跳過開關的下一個切換周期。
4.根據權利要求1的開關調節器，其中該控制器被包括在集成電路中。
5.根據權利要求4的開關調節器，其中該開關被包括在該集成電路中。
6.根據權利要求1的開關調節器，其中第二限流大于第一限流。
7.根據權利要求1的開關調節器，還包括前沿消隱電路，該前沿消隱電路被包括在控制器中并且耦合到電流檢測器上。
8.根據權利要求1的開關調節器，其中頻率調節器調節振蕩器的振蕩頻率，從而在耦合到能量轉換元件的輸出端上提供不間斷調節。
9.一種用于調節能量轉換的方法，包括切換開關，該開關耦合到能量轉換元件上，以調節通過能量轉換元件的能量轉換；如果開關中的電流大于第一或者第二限流，則在開關的當前切換周期中的剩余時間打開該開關直到開關的下一個切換周期為止；以及如果開關中的電流大于該第二限流，則延遲開關的下一個切換周期。
10.根據權利要求9的調節能量轉換的方法，其中延遲開關的下一個切換周期包括如果開關中的電流大于第二限流，則調節振蕩器的頻率。
11.根據權利要求9的調節能量轉換的方法，其中延遲開關的下一個切換周期包括如果開關中的電流大于第二限流，則跳過開關的下一個切換周期。
12.根據權利要求9的調節能量轉換的方法，其中第二限流大于第一限流。
13.根據權利要求9的調節能量轉換的方法，還包括在開關的每個切換周期的前沿消隱時間內忽略流過開關的電流。
14.根據權利要求9的調節能量轉換的方法，其中延遲下一個切換周期包括維持耦合到能量轉換元件的輸出端上的不間斷調節。
15.一種電源，包括耦合在該電源的輸入端和輸出端之間的能量轉換元件；開關，該開關耦合到能量轉換元件的輸入端，從而調節能量從電源的輸入端到電源的輸出端的轉換；耦合到開關上以控制開關切換的控制器；電流檢測器，該電流檢測器被包括在控制器中，并且該電流檢測器包括第一和第二比較器，該第一和第二比較器被耦合以分別將開關中的電流與第一和第二限流相比較，該控制器響應第一或第二比較器，以在開關的當前切換周期的剩余時間打開開關直到開關的下一個切換周期為止；以及頻率調節器，該頻率調節器被包括在控制器中，并且該頻率調節器耦合到第二比較器，該頻率調節器響應第二比較器來調節包括在控制器中的振蕩器的振蕩頻率。
16.根據權利要求15的電源，還包括反饋電路，該反饋電路耦合在電源的輸出端和控制器之間，從而從電源的輸出端提供反饋信號到控制器。
17.根據權利要求15的電源，還包括集成電路，該集成電路包括該控制器。
18.根據權利要求17的電源，其中該集成電路還包括該開關。
19.根據權利要求15的電源，其中第二限流大于第一限流。
20.根據權利要求15的電源，其中頻率調節器調節振蕩器的振蕩頻率，從而在電源的輸出端上提供不間斷調節。
全文摘要
公開了限制開關電源的開關中的電流的技術。一種示意性開關調節器電路包括耦合到能量轉換元件的開關。控制器耦合到開關上從而控制開關的切換。電流檢測器被包括在控制器中。該電流檢測器包括第一和第二比較器，該第一和第二比較器被耦合以分別將開關中的電流與第一和第二限流相比較。該控制器響應第一或第二比較器，以在開關的當前切換周期的剩余時間打開開關直到開關的下一個切換周期為止。頻率調節器還被包括在控制器中，并且耦合到第二比較器上。該頻率調節器響應第二比較器來調節包括在控制器中的振蕩器的振蕩頻率。
文檔編號H02M7/48GK1913312SQ20061010768
公開日2007年2月14日 申請日期2006年7月7日 優先權日2005年7月8日
發明者D·J·克勒斯 申請人:電力集成公司