專利名稱：開關模式電源的控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關模式電源(SMPS)控制器和控制SMPS的方法。
背景技術：
SMPS控制器控制開關(典型地，M0SFET)的操作，所述開關使電流流過線圏。控制切換以確保流過與線圈耦合的負載的DC電流為所需的恒定值。為了使切換損耗最小化，對于SMPS控制器的習慣作法是確保當零電流流過線圈時驅動開關(因此，當開關接通時零電流將流過開關)，或者在開關和線圈之間的連接點處存在最小電壓時驅動開關。這稱作谷值切換。通過監測流過與開關和線圈之間的連接點相連的電容器的電流來檢測谷值。這基 于如下原理通過電容器的電流與電壓的變化率有夫。因此，當電流為零時，可以推斷出電壓的變化率也為零，并且電壓在峰值或谷值。峰值和谷值之間的區分是利用與線圈電磁耦合的輔助繞組來實現的在通過電容器的電流為零的時該輔助繞組上的電壓極性對于峰值和谷值是不同的。輔助繞組也向SMPS控制器供電。然而在許多應用中，輔助繞組的附加成本是昂貴的，并且必須對于SMPS控制器使用替代類型的電源。一種這樣類型的電源從線圈抽取功率，并且包括與線圈和開關之間的連接點I禹合、并且經由第一ニ極管與存儲電容器(reservoir capacitor) I禹合的電容器。第ニニ極管耦合在電容器和第一ニ極管之間的連接點以將這一點處的電壓鉗制為地電勢。利用這種類型的電源，在開關關斷的時間段期間，當線圈最初開始激振(ring)時，電容器并不導通(conducting)。然而，當開關上的電壓已經下降一定量時，電容器開始導通。當電容器開始導通時，這具有使激振頻率(ringing frequency)變慢的效果,這可能引起谷值檢測電路的錯誤觸發，因為開關處的電壓變化率已經突然減小。因此，谷值檢測電路可能在達到真實的谷值之前驅動開關。國際專利申請公開W02003/026117公開了ー種用于將輸入電壓轉換為輸出電壓的轉換器，其中通過評估信號監測輸入的電平，并且通過另ー評估信號監測其差分電平。
發明內容
根據本發明的第一方面，提出了一種開關模式電源(SMPS)控制器，包括監測電路，適用于監測輸入處電壓的變化率，并且適用于監測輸入處電壓從峰值下降的電壓降，其中所述控制器適用于當監測的變化率下降到小于第一預定閾值、以及監測的電壓降超過第ニ預定閾值時產生用于接通開關的信號。因此，本發明提出了ー種SMPS控制器，其要求檢測到谷值(監測的輸入電壓變化率小于第一預定閾值)，并且要求輸入處的電壓降已經超過第二預定閾值，然后驅動SMPS中的開關。這確保了防止上述錯誤谷值檢測引起錯誤觸發。典型地,輸入在使用中耦合至SMPS中的開關和線圈之間的連接點。輸入可以耦合至MOSFET開關的漏極。
在優選實施例中，選擇第二預定閾值的值，使得與輸入相耦合并且形成電荷泵一部分的電容器導通，所述電荷泵在使用時用于向SMPS控制器供電。監測電路可以適用于通過如下操作來監測電壓降在第一工作時間段期間將采樣電容器充電至固定電壓，在第二時間段期間從采樣電容器抽取依賴于輸入處電壓變化率的電流來對米樣電容器放電，從而使米樣電容器上的電壓隨著輸入處的電壓下降。這樣，在第ニ時間段期間的電壓降直接表示了輸入處的電壓降低。典型地，在使得用于接通開關的信號有效(assert)時，第一時間段開始且第二時間段結束。通常，在使得用于接通開關的信號無效(negate)之后的保護持續時間后，第一時間段結束且第二時間段開始。優選地，監測電路包括第一比較器，其適用于將采樣電容器上的電壓與第一電壓 進行比較。可以通過產生相對于固定電壓的偏移來得出第一電壓。監測電路還可以適用于當監測的電壓降超過(小于等于第二預定閾值的)第三預定閾值時，并且在使用于接通開關的信號有效之后已經過去了預定的持續時間，則產生用于接通開關的信號。在這種情況下，優選地，監測電路包括第二比較器，其適用于將采樣電容器上的電壓與第二電壓進行比較；以及定時器，當使用于接通開關的信號有效時將所述定時器復位，監測電路適用于當第二比較器指示采樣電容器上的電壓小于第二電壓、并且定時器指示已經過去了預定的持續時間時產生用于接通開關的信號。在典型的實施例中，監測電路適用于通過將依賴于輸入處電壓變化率的第一電流與基準電流進行比較來監測輸入處的電壓變化率，當第一電流下降為小于基準電流時通過
第二預定閾值。監測電路還可以適用于如果在預定的時間段內監測的變化率沒有下降為小于第ー預定閾值、并且監測的電壓降沒有超過第三預定閾值，則阻止產生用于接通開關的信號。這提供了一種實現短路檢測和防止引起損壞的簡單方式。下面描述了通過這種方案實現的方式。根據本發明的第二方面，提出了ー種包括根據本發明第一方面的控制器的SMPS，控制器的輸入與SMPS中的節點耦合，并且控制器的輸出耦合用于操作開關。SMPS可以是若干技術的任ー種，包括降壓(buck)、升壓(boost)和回掃(flyback)。SMPS可以包括串聯耦合在電源兩端的開關和線圈，與輸入相連的節點是線圈和開關之間的連接點。如果開關是M0SFET，所述節點將是MOSFET的漏極。根據本發明的第三方面，提出了一種控制SMPS的方法，該方法包括監測輸入處電壓的變化率；監測輸入處電壓從峰值下降的電壓降；以及當監測的變化率下降為小于第ー預定閾值并且監測的電壓降超過第二預定閾值時，產生用于接通開關的信號。典型地，輸入在使用時與SMPS中的開關和線圈之間的連接點耦合。輸入可以與MOSFET開關的漏極耦合。該方法還可以包括當監測的電壓降超過第三預定閾值(小于或等于第二預定閾值)時，并且在使用于接通開關的信號有效之后已經過去了預定的持續時間，產生用于接通開關的信號。優選地，該方法還包括如果在預定的時間段內監測的變化率沒有下降為小于第ー預定閾值、并且監測的電壓降沒有超過第三預定閾值，則阻止產生用于接通開關的信號。
現在將參考附圖詳細描述本發明的示例，其中圖I示出了根據本發明的用于開關模式電源的監測電路的電路圖。
具體實施方式
圖I示出了連接至線圈和開關之間連接點的輸入I (開關典型地是M0SFET，因此輸入將連接至MOSFET的漏極)。輸入I經由電容器2耦合至用于控制電容器5放電的電路3以及谷值檢測電路4。圖I中標記為“Gate stretch”的信號在SMPS控制器內根據用于控制外部MOSFET開關的柵極切換的輸出信號(在圖I中標記為“Gate”)來產生。“gate stretch”信號具有與“ gate”信號的上升沿一致的上升沿，并且具有在“ gate”信號的下降沿之后較短時刻(典型地是I微秒)下降的下降沿。使用這種“gate stretch”信號的原因在于線圈和開關(通常是M0SFET)之間連接點處的電壓可以假設為在關斷開關之后的約I微秒穩定下來。“gate stretch”信號稱合至MOSFET 6的柵極，當“ gate stretch”信號為高時使MOSFET 6導通。這使得電容器5通過MOSFET 6充電至電壓源7的輸出電壓。當“ gatestretch ”信號(在通過使“ Gate”信號無效以使外部MOSFET開關關斷之后的較短時刻)下降吋，該電壓將保持在電容器5上。選擇電壓源7的輸出電壓足夠高到將電容器5充電至足夠高的電壓，使得當電容器放電時電容器5上的電壓仍然足夠高，以確保晶體管21不會飽和。自然地，電壓源7的輸出電壓當然小于或等于電路的電源電壓。通過電容器2的電流將依賴于電容器2兩端的電壓變化率，因此依賴于輸入I上的電壓變化率。該電流的一部分在電路3中用來檢測電壓減少，一部分在谷值檢測電路4中用來檢測谷值。在其他實施例中，可以用兩個電容器來代替電容器2，其中ー個電容器耦合在輸入I和晶體管21的發射極之間，另ー個電容器耦合在輸入I和晶體管13的發射極之間。當輸入I處的電壓正在下降時，這將引起電流從電路3通過電容器2流至輸入I。晶體管13和21的發射極具有基本上固定的電壓。因此，通過電容器2的電流幾乎與輸入I處的電壓變化率直接相關。相應的電流由電路3從電容器5抽取，并且電容器5上的電壓因此下降。通過選擇電容器2和5的值相同，電容器5上的電壓降將是輸入I上的電壓降的一半，因為流過電容器2的電流的一半將流到晶體管13的發射極，而一半將流到晶體管21的發射極。然而，實際上電容器5將相對于電容器2的值縮放,使得電容器5上的電壓降小于輸入I處電壓降的一半。對晶體管13和21的基極進行偏置，使得它們的發射極上的電壓接近Vbe電壓。如上所述進行選擇，使得晶體管21的發射極具有固定電壓。這引起較小的電流從晶體管13和晶體管21各自的發射極流到電路3的下電流鏡22。這些電流將導致從電容器5抽取電流，并且可能導致輸入I處電壓降的錯誤測量。
為了防止這種情況，產生比放電電流大的補償電流，并且將補償電流用于抵消電容器5的任意放電。為此使用上電流鏡23。從輸入I提供給晶體管21的發射極的電流是通過電容器2的電流的一半。因此，如果下電流鏡22比率和上電流鏡23比率的乘積大于0. 5，則可以確保當沒有電流流過電容器2吋，也不會從電容器5抽取電流。下電流鏡22具有I : I的比率，并且上電流鏡23具有0.55的比率(略大于0.5以補償生產參數的擴展)。另外，當關斷外部MOSFET開關時，在其漏極上將出現激振電壓。不應允許這種激振電壓使電容器5在激振的連續周期上放電，因為這將導致由比較器9結合谷值檢測而檢測到輸入I上足夠的電壓降、或者由比較器17在定時器19經過一定時間段(如下所述)時檢測到輸入I上足夠的電壓降。在任一種情況下，這將導致接通外部MOSFET開關。選擇下電流鏡22比率和上電流鏡23比率的乘積大于0. 5，防止發生電容器5的這種不希望的放電。在一定的情況下，可能是一旦使得“gate”信號無效(關斷外部MOSFET開關)，則輸入I上的電壓上升而不是下降。這可能在啟動期間發生，或者是由于EMI濾波器的使用。輸入I處的電壓上升將引起電容器5上的電壓上升，這將導致電容器5不再具有所需的電壓(即與電壓源7的輸出電壓相同)。為了防止這種情況，提供了箝位ニ極管8，其確保了電容器5上的電壓不會上升超過電壓源7的輸出電壓的值。比較器9的反相輸入端與電容器5相耦合，其非反相輸入端與電壓源10相耦合。電壓源10在比較器9的非反相輸入端處提供相對于電壓源7輸出電壓的負電壓偏移。因此，當電容器5上的電壓大于非反相輸入端上的電壓時，比較器9的輸出為低。另ー方面，當比較器5上的電壓已經下降為小于比較器9的非反相輸入端上的電壓吋，比較器9的輸出為高。因此，當輸入I處的電壓已經下降了超過由電壓源10提供的偏移電壓吋，比較器9的輸出將為高。比較器9的輸出與D型鎖存器11的D輸入端相耦合。谷值檢測電路4通過將來自電流源12的基準電流與通過晶體管13抽取的電流相比較來進行操作，通過晶體管13抽取的電流依賴于輸入I處的電壓變化率。當輸入I處的電壓最初開始下降時，該電壓的變化率將相對較高。因此，通過晶體管13抽取的電流將相應較高，并且至少等于電流源12提供的電流。這將引起比較器14的非反相輸入端處于比由電壓源15提供的反相輸入端處電壓低的電壓，意味著比較器14的輸出將為低。根據輸入I處如下的電壓變化率來選擇基準電流源12的值，該電壓變化率被視為表示谷值存在的閾值。輸入I處的電壓變化率的這種閾值乘以電容器2的值乘以0. 5(因為假設晶體管13和21相同，只有一半的電流流過谷值檢測電路4)給出了電流源12的要求值。當輸入I處的電壓變化率下降時，通過晶體管13抽取的電流也將下降。最終，電流源12提供的電流將超過通過晶體管13抽取的電流，導致電流源12在正電源電壓下飽和。因此，比較器14的非反相輸入端處的電壓將超過反相輸入端15處的電壓。結果，比較器14的輸出將變高，表示輸入I處的電壓變化率為低到足以看作是谷值。當然希望確保晶體管13和21兩端的電壓不會變得太低以至于這些晶體管不能在其線性區域內工作。比較器14的輸出與三輸入端“0R”門16的輸入相耦合，三輸入端“0R”門16的輸出與D型鎖存器11的時鐘輸入相耦合。因此當檢測到谷值時，按時鐘通過Q輸出而輸出D輸入端上的值，所述Q輸出形成了“ gate”信號并且用于驅動SMPS中的外部MOSFET (或其他)開關。結果，當檢測到谷值時，使“ gate”信號有效，假設比較器9已經表示輸入管腳I、處的電壓已經足夠地下降。這樣，防止了上述的錯誤觸發。“gate stretch”信號也與三輸入端“OR”門16的輸入相耦合以在“gate”信號為有效及隨后的較短時間(典型地，I微秒)時防止D型鎖存器11的任何定時。“gate”信號也與三輸入端“0R”門16的輸入相耦合，因為當檢測到谷值時輸入I處(因此外部MOSFET開關)的電壓變化率為低。當“gate”信號變高吋，由于外部MOSFET開關在一延長的時間段內將輸入I拉低至地電位，可能錯誤地檢測到新的谷值。這將導致D型鎖存器11的時鐘輸入變高，并且因為比較器9的輸出此時為低，D型鎖存器11的Q輸出將也變低，導致外部MOSFET開關在錯誤的時間關斷。理論上，不需要“ gate”信號(因為“gate stretch”信號滿足了功能)。然而，實際上由于傳播延遲，“gate stretch”信號將比“ gate”信號稍晚變高，因此最好也使用“gate”信號。第二比較器的反相輸入端與電容器5相耦合，其非反相輸入端與電壓源18相耦合。該電壓源18提供了相對于電壓源7輸出電壓的負偏移電壓(小于由電壓源10提供的偏移電壓)。因此，如果電容器5上的電壓(因此，輸入I上的電壓)下降超過電壓源18的偏移電壓，比較器17的輸出將為高。這ー輸出與定時器19相耦合，當“ gate stretch”信號變高時將定時器19復位。當定時器檢測到從其被復位開始已經過去預定的時間段時，其輸出變高，假設比較器17的輸出此時也為高。定時器19的輸出與“0R”門20的輸入相耦合，“0R”門20的輸出與D型鎖存器11的置位輸入端相耦合。如果電容器5上的電壓已經下降得大于電壓源18的偏移電壓并且定時器19的時間段已經過去了，這強制Q輸出變高，從而使得“gate”信號有效。“0R”門20的另ー輸入與信號Toffmax相耦合，當已經達到了 “gate”信號為無效的最大允許時間段時，所述信號Toffmax變高。這確保了即使在過長的時間段沒有檢測到谷值，也可以使“ gate”時間段有效，并且這防止了 SMPS的操作停轉。然而對于高頻應用，由于這種方案，啟動時間段將變得非常長。如果沒有比較器17和定時器19的電路，比較器9將不得不在轉換器開始在正確頻率下工作之前檢測輸入I處的充分電壓降。在實現這種電壓降之前，電路將在達到Toffmax時接通“gate”信號。因此，工作頻率非常低，這可能導致傳送至輸出的電流也相當低以及緩慢的啟動。然而，當比較器17檢測到電壓降(與比較器9檢測到的電壓降相比相對較小)時，那么谷值可能有望在隨后短時間內出現。如果谷值檢測電路4沒有檢測到谷值，當定時器19的時間段已經過去時，無論如何都將使“gate”信號有效。這導致更快速的啟動，因為在啟動時間段期間，系統將按照更高的頻率運行。比較器17和定時器19的電路用于克服這ー問題。選擇定時器19的時間段大于SMPS的最小激振頻率的周期的一半。因此，在最小激振頻率是200kHz的情況下，定時器19的時間段的合適值是2. 5微秒。這種結構是以這樣的假設為基礎的當已經在輸入I處檢測到一定的電壓降時，谷值將在之后有限時間段內出現。信號Tonmax與D型鎖存器11的復位輸入端相耦合，以在已經使“gate”信號有效大于所允許的時間段的情況下強制使“gate”信號無效。Tonmax信號用于防止SMPS過熱。通過外部MOSFET開關的峰值電流將用于調節輸出參數(例如，通過負載的電流或者輸出電壓)。在低輸入電壓時，達到要求的峰值電流所需要的時間可能較長，導致外部MOSFET開關過熱。為此原因，Tonmax信號用于確保在最大允許接通時間Tonmax之后將關斷外部MOSFET開關。也可以實現短路保護機制。當將輸出短路時，在外部MOSFET開關關斷時，需要經歷較長的時間才能使通過SMPS中線圈的電流變為零。結果，將不會發生谷值檢測，并且比較器17將不會在Toffmax時間內看到電容器5上足夠的電壓降而被觸發。因此，短路保護機制使D型鎖存器11的復位輸入端有效，以在TofTmax信號有效時既沒有發生谷值檢測也沒有發生比較器17的觸發的情況下，禁止使“gate”信號有效。上述SMPS控制器在許多領域中得到了應用，例如在LED照明設備供電以及干線適配器中。本領域普通技術人員在實踐本發明時，根據對于附圖、本公開和所附權利要求的學習，應該理解和實現對于所公開實施例的其他變體。在權利要求中，詞語“包括”不排除 其他元件或步驟，不定冠詞“ー個”或“一”不排除多個。単獨的處理器或其他単元可以滿足在權利要求中描述的若干項的功能。在不同從屬權利要求中描述特定措施的事實并不表示不能有利地使用這些措施的組合。權利要求中的任何參考符號不應該解釋為限制其范圍。
權利要求
1.一種開關模式電源SMPS控制器,包括 監測電路，適用于監測輸入(I)處電壓的變化率，并且適用于監測輸入(I)處電壓從峰值下降的電壓降， 其中所述控制器適用于當監測的變化率下降為小于第一預定閾值、以及監測的電壓降超過第二預定閾值時產生用于接通開關的信號， 其特征在于，所述監測電路適用于通過如下操作來監測所述電壓降在第一工作時間段期間將采樣電容器(5)充電至固定電壓，以及在第二時間段期間通過根據輸入(I)處的電壓變化率從米樣電容器(5)抽取電流來對米樣電容器(5)放電,從而使米樣電容器(5)上的電壓隨著輸入(I)處的電壓下降。
2.根據權利要求I所述的SMPS控制器，其中選擇第二預定閾值的值，使得與輸入(I) 耦合并且形成電荷泵一部分的電容器導通，所述電荷泵在使用時用于向SMPS控制器供電。
3.根據權利要求I或2所述的SMPS控制器，其中在使得用于接通開關的信號有效時，第一時間段開始且第二時間段結束。
4.根據任一前述權利要求所述的SMPS控制器，其中在使得用于接通開關的信號無效之后的保護持續時間后，第一時間段結束且第二時間段開始。
5.根據任一前述權利要求所述的SMPS控制器，其中所述監測電路包括第一比較器(9)，所述第一比較器(9)適用于將采樣電容器(5)上的電壓與第一電壓(10)進行比較。
6.根據任一前述權利要求所述的SMPS控制器，其中所述監測電路還適用于當監測的電壓降超過第三預定閾值并且在使得用于接通開關的信號有效之后已經過去了預定的持續時間時，產生用于接通開關的信號，第三預定閾值小于或等于第二預定閾值。
7.根據從屬于權利要求3至5中任一項的權利要求6所述的SMPS控制器，其中所述監測電路包括 第二比較器(17)，適用于將采樣電容器(5)上的電壓與第二電壓(18)進行比較；以及 定時器(19)，在使得用于接通開關的信號有效時將所述定時器復位， 所述監測電路適用于當第二比較器(17)指示采樣電容器(5)上的電壓小于第二電壓(18)、并且所述定時器(19)指示已經過去了所述預定的持續時間時產生用于接通開關的信號。
8.根據任一前述權利要求所述的SMPS控制器，其中所述監測電路適用于通過將依賴于輸入處電壓變化率的第一電流與基準電流(12)進行比較來監測輸入處電壓的變化率，當第一電流下降為小于基準電流(12)時通過所述第二預定閾值。
9.根據任一前述權利要求所述的SMPS控制器，其中所述監測電路還適用于如果在預定的時間段內監測的變化率沒有下降為小于第一預定閾值、并且監測的電壓降沒有超過第三預定閾值，則阻止產生用于接通開關的信號。
10.一種開關模式電源SMPS，包括根據任一前述權利要求所述的控制器，所述控制器的輸入與SMPS中的節點耦合，并且所述控制器的輸出耦合用于操作開關。
11.一種控制開關模式電源SMPS的方法,所述方法包括 監測輸入⑴處電壓的變化率； 監測輸入(I)處電壓從峰值下降的電壓降；以及 當監測的變化率下降為小于第一預定閾值并且監測的電壓降超過第二預定閾值時，產生用于接通開關的信號， 其中，監測電壓降包括 在第一操作時間段期間將采樣電容器(5)充電至固定的電壓，以及在第二時間段期間通過根據輸入(I)處的電壓變化率從采樣電容器(5)抽取電流來對米樣電容器(5)放電，從而使米樣電容器(5)上的電壓隨著輸入(I)處的電壓下降。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括當監測的電壓降超過第三預定閾值并且在使用于接通開關的信號有效之后已經過去了預定的持續時間時，產生用于接通開關的信號，第三預定閾值小于或等于第二預定閾值。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括如果在預定的時間段內監測的變化率沒有下降為小于第一預定閾值、并且監測的電壓降沒有超過第三預定閾值，則阻止產生用于接通開關的信號。
全文摘要
公開了一種開關模式電源(SMPS)控制器。該控制器包括監測電路，適用于監測輸入(1)處電壓的變化率，并且適用于監測輸入(1)處電壓從峰值下降的電壓降。該控制器適用于當監測的變化率下降為小于第一預定閾值、以及監測的電壓降超過第二預定閾值時產生用于接通開關的信號。
文檔編號H02M3/00GK102739036SQ20121008930
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優先權日2011年4月4日
發明者威廉默斯·朗厄塞格 申請人:Nxp股份有限公司