CN101917116A - 控制dc/dc开关式电压调节器中短路电流的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在具有高压侧通路装置和低压侧通路装置的DC/DC开关式电压调节器上执行的方法，该方法包括：检测在高压侧通路的电流极限之上的过流状态；和如果检测到过流状态，切断高压侧通路装置并开低压侧通路装置，直到到达位于低压侧通路装置上的第二电流极限。本发明还提供一种设备，该设备包括高压侧通路装置、与高压侧通路装置串联的低压侧通路装置、与高压侧通路装置和低压侧通路装置连接的控制模块、与高压侧通路装置和低压侧通路装置串联的第一电阻器、与第一电阻器并联的第一比较器、包括与高压侧通路装置的检测电流连接以作为电压的第二比较器。

Description

控制DC/DC开关式电压调节器中短路电流的方法和设备

本申请是于2005年8月30日向中国专利局提交的名称为“控制DC/DC开关式电压调节器中短路电流的方法和设备”的发明专利申请2005101132564的分案申请。

对相关申请的参考

本申请要求于2004年8月30日提交的美国临时专利申请No.60/605423的优先权，该申请在此并入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种控制DC/DC开关式电压调节器中短路电流的方法及设备，尤其是，为DC/DC开关式电压调节器中短路电流锯齿状增或减提供的方法和设备。

背景技术

尽管负载导致电源电压或电流的不同，但DC/DC电压调节器可有效地维持输出电压电平。许多便携式装置需要如同由DC/DC电压调节器提供的电源电压一样稳定的电源电压。由于确定过流状态的次数的有限，开关式调节器可能在短路负载上发生电流锯齿状增或减的现象。几乎每一个开关式装置有一个有限的回路响应时间来测量电感器中的电流。根据输入电压，电流能够上升得足够高，从而导致装置的灾难性故障。

由于这一原因，在固定频率部分中，一般使用频率折叠来改变部分中可能发生的电流锯齿状增或减的量。频率折叠引起的常见问题是电感器中的大的电流纹波。由于该原因，选择比标准大的旁路或者输出电容来降低纹波电压。并且如果频率折叠的太多，回路可能变得不稳定。因此，为了广泛的应用而选择正确的折叠频率范围不是一件容易的工作。

发明内容

结合系统、装置和方法描述并解释本发明。除本发明内容中描述的本发明的这些特征之外，通过参考附图并阅读下面的详细说明，本发明的进一步的特征将变得显而易见。

在一个实施例中，提供具有高压侧通路装置和低压侧通路装置的DC/DC开关式电压调节器。电压调节器在高压侧包括用于检测在电流极限之上的过流状态的装置。如果检测到过流状态，电压调节器还包括用于切断高压侧通路装置和打开低压侧通路装置直到到达位于低压侧通路装置的第二电流极限的装置。

在另一个实施例中，提供在具有高压侧通路装置和低压侧通路装置的DC/DC开关式电压调节器上执行的方法。该方法包括在高压侧检测在电流极限之上的过流状态。如果检测到过流状态，该方法还包括切断高压侧通路装置和打开低压侧通路装置直到到达位于低压侧通路装置的第二电流极限。

在另一个实施例中，提供一种设备。该设备包括高压侧通路装置。该设备还包括与高压侧通路装置串联的低压侧通路装置。该设备进一步包括与高压侧通路装置和低压侧通路装置连接的控制模块。该控制模块连接到高压侧通路装置和低压侧通路装置，对高压侧通路装置和低压侧通路装置进行控制。

此外，该设备包括与高压侧通路装置和低压侧通路装置串联的第一电阻器。而且，该设备包括与第一电阻器并联的第一比较器。该第一比较器具有与第一电流极限对应的阈值电压输入差值，并且第一比较器的输出连接到控制模块。此外，该设备包括与高压侧通路装置的感应电流连接以作为电压的第二比较器。该第二比较器具有与第二电流极限对应的阈值电压输入差值。第二比较器的输出连接到控制模块。第二电流极限高于第一电流极限。同样，响应于第一比较器的输出，控制模块可以切断高压侧通路装置，直到接收到复位信号，而且，响应于第二比较器的输出，控制模块可以切断高压侧通路装置，直到接收到低电流信号。

附图说明

通过附图以举例的方式解释本发明。应该将附图理解为举例而不是限制，本发明的范围由权利要求进行限定。

图1示出了DC-DC电压调节器输出端的一个实施例。

图2示出了图1的实施例中的电流过载。

图3示出了图1的实施例中的频率折叠。

图4示出了用于图1的DC-DC电压调节器输出的电流过载保护装置的一个实施例。

图5示出了用于图1的DC-DC电压调节器输出的电流过载保护装置的一个可选择的实施例。

图6示出了图4的实施例中的电流锯齿状增或减。

图7示出了用于图1的DC-DC电压调节器输出的电流过载保护装置的另一个可选实施例。

图8示出了电流限制处理方法的一个实施例。

具体实施方式

为开关式DC/DC电压调节器中的短路电流锯齿状增或减提供一种系统、方法和设备。本文件中说明的具体实施例是本发明示范性的例子，实质上是说明性的而不是限制性的。

在下面的说明中，出于解释的目的，为了提供对本发明的全面理解，提出了多个具体的细节。但是，对本发明的技术人员而言，很显然没有这些具体的细节也可以实现本发明。在其它的情况下，为了避免使发明变得含糊，以方框图的形式示出结构和装置。

说明书中“一个实施例”或者“实施例”的意思是结合实施例说明的特定的特征、结构、或者特性包含在发明的至少一个实施例中。在说明书的不同位置出现的词组“在一个实施例中”不是必须参考同一个实施例，也不是与其它实施例相互之间排除的单个的或者交替的实施例。

在一些实施例中，本发明描述了一种新方案，即从开关式调节器的保护方案中取消频率折叠，并且在整个操作期间在无需改变开关频率的情况下允许归零启动。

在一些实施例中，采用检测元件测量电感器中的电流。采用比较器比较检测元件和另一个匹配元件，该匹配元件描述指示过流情况的限定的已知电流阈值。当超过该电流阈值时，比较器发出信号给逻辑电路以闭锁低压侧开关，直至到达低压侧电流极限值。根据应用，能够将这低压侧的电流极限值设置为任何正的、负的或者零电感器电流值。

在一些实施例中，DC/DC开关电压调节器由PWM控制器、串联在电源电压和地之间的两个被控制的通路装置、与两个通路装置之间的公共点连接的电感器、和在电感器之后连接在输出节点和地之间的电容器组成。通过调制该通路装置，电感器将累积能量并对电容器放电。充电和放电速度由下述等式确定：

$V=L\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dT}}$

电感器中的电流的增量是：

${\mathrm{dI}}_{\mathrm{ch}\arg e}=\frac{\mathrm{Vin}-R_{\mathrm{onup}}\×{\mathrm{dI}}_{\mathrm{ch}\arg e}-\mathrm{Vout}}{L}{\mathrm{dT}}_{\mathrm{on}}$

其中，V_in是电源电压，V_out是输出电压，R_onup是上通路装置中的电阻。电感器中的放电电流由下述等式限定：

${\mathrm{dI}}_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{\mathrm{Vout}+R_{\mathrm{ondwn}}\×d{I}_{\mathrm{disch}\arg e}}{L}{\mathrm{dT}}_{\mathrm{off}}$

其中R_ondwn是下通路装置的电阻。在标准操作期间，dI_charge＝dI_discharge，并且dT_on和dT_off是开关频率的函数。因为回路需要有限的时间响应，在开关时间上存在最小值。这一时间可以低至20ns，高至200ns。这是由于上通路元件需要导通以检测电感器中的电流量，然后截止的原因引起的。时间的最小长度可能归因于驱动器延迟、PWM比较器延迟、电流检测放大器延迟等。

当dI_charge＞dI_discharge时存在电流锯齿状增或减的状态。当输出被接地短路时可能产生这一状态，然后dT_on＝dT_min，并且V_out为0。然后，在dT_off期间由电感器放电的能量值小，并且电流循环持续上升。确保电感器放电的常见方法是增加dT_off时间，和降低操作频率。根据不同的实施例，检测电感器电流，如果电流锯齿状增或减至固定值之上，回路将切断上通路装置并锁定下通路装置，直至电流衰减到预定极限值。

参考附图可以提供对各个实施例的进一步理解。图1示出了DC-DC电压调节器输出端的一个实施例。系统100包括在电源线和地之间的高压晶体管和低压晶体管，电感负载和电容器。电感负载110可以是实际的电感器或者以类似于电感器的方式运行的元件。电容器160连接在电感负载110和地150之间。能量从电源130通过功率晶体管120(供给电流)提供给负载110。电流可以通过功率晶体管140从电感负载110流至地150。

这一设计包括一个潜在的问题，即导通和截止晶体管120和140所花的时间长到允许电流使电感器110过载。图2示出了图1的实施例中的电流过载。电流电平接近极限值，系统降低电流电平。但是，电流的衰减时间可能不允许电流电平降低到零。其结果是，装置然后又增加电流电平，在系统重新减小电流之前这一时间越过了最大电流极限值。这主要作为系统运行频率的结果而发生，该频率在电流衰减到一个可接收的电平之前可能重置电压调节器。

对这一问题的常见反应是折叠频率-减小系统的运行频率，使得在极限之上的状态下可接受地减小电流电平。图3示出了图1的实施例中的频率折叠。不是允许系统复位并使电流电平锯齿状增，而是允许电流衰减较长的时间，直到到达可接受的极限值。未示出的是在这一状态下的结果，在该状态下装置可能运行到该极限值，然后减小到某一电平，该电平太高而不能避免过流状态。频率折叠能够避免过流状态，但也减慢了系统和被提供能量的负载的运行。

可选择的是，可引入电路来检测电流电平，并确保允许过流状态适当地衰减。图4示出了用于图1的DC-DC电压调节器输出端的电流过载保护装置的一个实施例。系统400包括装置410(DC-DC电压调节器)和作为整个系统的一部分的各种外部电路。装置410可以由启动输入493启动，启动输入493与内部启动电路490相关联。可以用电容器433模拟电源提供能量。

通过功率晶体管120流入负载110的电流通过使该电流经过在比较器455中检测的电阻器450来监测。比较器455的输出和振荡器485的输出混合，并作为比较器480的输入被提供。随同通过反馈模块470和误差放大器475，比较器480和控制模块415的反馈一起，这为装置410的脉冲宽度调制器提供反馈回路。电阻器460和465提供电阻分阻器，从该分阻器为反馈元件470形成电压电平。类似地，电阻器483和电容器487提供控制误差放大器475的输出的RC元件。

比较器435检测来自与功率晶体管140串联的电阻器440的电流，并且给触发器445提供置位输入。比较器430检测通过电阻器440和功率晶体管140(相同的电流)的电流，并给触发器445提供复位输入。这些输出也被提供给控制逻辑电路415。有代表性地，控制逻辑电路415作用于门420和425，使功率晶体管120和140导通和截止。但是，当检测到过流状态时，触发器445的输出使晶体管140导通，并使晶体管120截止。一旦通过晶体管140的电流进行了足够的衰减，触发器445就复位，并且回到正常的运行。这样，通过改变比较器430和435的跳变点，能够为超过极限的电流和低电流设置各种电流电平。

可以在不提及周围的脉冲宽度调制电路的情况下说明调节电路的一个选择实施例。图5示出了用于图1的DC-DC电压调节器输出的电流过载保护装置的一个可选择的实施例。系统500控制负载110的电源。电阻分阻器570和575提供被反馈的电压并和比较器560的参考电压比较。比较器560的输出与晶体管565一起偏置，晶体管565接收Vilimit电压输入以确定偏置电平。然后施密特触发缓冲器555提供比较器560的偏置输出，作为至触发器520的逻辑输入。然后触发器520控制晶体管120和140(通过反相器525)。

能够用检测电阻器505(和晶体管120串联)、比较器515、和施密特触发比较器540测量通过晶体管120的电流。比较器540还接收晶体管550的输出，作为输入，该输出被电压Vilimit+X偏置。电流源545完成这一元件的偏置电路。因此，当通过检测电阻器505的电流导致电压超过晶体管550的偏置电压时，比较器540能够使触发器520置位(或复位)。可以考虑停止对负载110供给电流。相似地，当电流已经充分地衰减时，可以利用例如检测电阻器510和连接到负载110的输出节点，通过比较器530对其进行检测。从而，比较器530可以使触发器520置位(或复位)，同时继续正常操作。

在不同的实施例中，在哪里精确地放置检测电阻器505和510，和怎样精确地检测过流和欠流状态可能不相同。同样，在不同的实施例中可以选择合适的Vilimit和Vilimit+X的值。一般来讲，Vilimit+X的值高于Vilimit的值，并且提供较高的电流极限值，作为能够用来关闭系统和避免电流过载的极限值。

可以参考图6理解装置或系统的运行。图6示出了图4的实施例中的电流锯齿状增或减。电流可以上升到Ilimiit，然后渐渐回落。如果装置正在以太高的频率运行，那么电流能增加到Ilimiit+X。在这一点，装置可能被关闭(通过使高通晶体管120截止，并使低通晶体管140导通)，直至电流衰减到一个可以接收的电平(可以通过一个低电流值来限定)。

可以采用相同的常用方法来实施各个实施例。图7示出了用于图1的DC-DC电压调节器输出的电流过载保护装置的另一个实施例。系统700包括电源，控制逻辑，负载和电流监测器。电源模块710在控制逻辑730的控制下给负载720提供能量。电流监测器740监测提供给负载720的电流，并且当过流状态发生时中断控制逻辑730以切断电源710。

也将解释这些电路运行的流程。图8示出了电流限制流程的一个实施例。流程800包括运行装置，监测电流，使电流渐降，进一步的操作，确定是否超过了上限，和暂时使装置关闭。本文件的流程(方法)800和其它的流程作为一组模块被实施，这可以是例如流程模块或操作，与功能或效果相关联的软件模块，用于实现流程操作的硬件模块，或者各种类型的模块的某种组合。在不同的实施例中，可以调整这里描述的流程800和其它流程的模块，如以并联或者串联的方式，并且可以重排、结合或者细分。

流程800开始于模块810中电路的运行。在模块820检测电路的电流负载。如果电流没有超过第一极限，在模块810中电路继续运行。如果电流超过了第一极限，在模块840中电流渐渐下降。然后，在模块850中，电路继续运行。在模块860中，确定是否超过电流上限或者第二电流极限。如果没有，在模块810中电路继续运行。如果超过了第二电流极限，则在模块870产生暂时的关闭，直至电流负载衰减到一个可接受的电平。

在一个实施例中，这是通过采用1.7A的第一电流极限和2.2A的第二电流极限来实现的。因此，如果电流超过1.7A，系统正常关闭。如果电流超过2.2A，则系统关闭，直到电流衰减到一个低的值。

各个实施例的特征和方式可以结合到其它的实施例中，并且本文件中解释的实施例可以在不具有解释或说明的所有的特征或者方式的情况下实施。本领域的技术人员将理解，尽管处于解释的目的，描述了系统和方法的具体例子和实施例，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。例如，本发明的实施例可以应用到不同类型的数据库、系统和应用程序中。此外，即使在本文件中这些特征没有在单个实施例中一起描述，一个实施例的特征可以合并到其它实施例中。因此，由附加的权利要求描述本发明。

Claims (20)

1.一种在具有高压侧通路装置和低压侧通路装置的DC/DC开

关式电压调节器上执行的方法，该方法包括：

检测在高压侧通路的电流极限之上的过流状态；和

如果检测到过流状态，切断高压侧通路装置并开低压侧通路装置，直到到达位于低压侧通路装置上的第二电流极限。

2.如权利要求1的方法，还包括：

检测电流下限之上的过流状态；和

如果检测到电流下限之上的过流状态，切断高压侧通路装置并且接通低压侧通路装置，直至接收到复位信号。

3.如权利要求2的方法，还包括：使DC/DC开关式电压调节器复位，该复位操作提供复位信号。

4.如权利要求3的方法，还包括：通过高压侧通路装置提供能量。

5.如权利要求4的方法，还包括：响应于启动信号来运行该DC/DC开关式电压调节器。

6.一种设备，包括：

高压侧通路装置；

与高压侧通路装置串联的低压侧通路装置；

与高压侧通路装置和低压侧通路装置连接的控制模块，该控制模块连接到高压侧通路装置和低压侧通路装置，对高压侧通路装置和低压侧通路装置进行控制；

与高压侧通路装置和低压侧通路装置串联的第一电阻器；

与第一电阻器并联的第一比较器，该第一比较器具有与第一电流极限对应的阈值电压输入差值，第一比较器的输出连接到控制模块；

与高压侧通路装置的检测电流连接以作为电压的第二比较器，第二比较器具有与第二电流极限对应的阈值电压输入差值，第二比较器的输出连接到控制模块，第二电流极限高于第一电流极限；和

其中，响应于第一比较器的输出，控制模块切断高压侧通路装置，直到接收到复位信号，而且，响应于第二比较器的输出，控制模块切断高压侧通路装置，直到接收到低电流信号。

7.如权利要求6的设备，还包括：

和低压侧通路装置串联的第二电阻器；和

与第二电阻器并联的第三比较器，第三比较器的输出连接到控制模块，第三比较器的输出构成一个低电流信号。

8.如权利要求7的设备，还包括：

连接到控制模块的启动输入；和

其中响应于启动信号，控制模块运行高压和低压侧通路装置。

9.如权利要求6的设备，其中：

高压侧通路装置和低压侧通路装置是功率MOSFET。

10.如权利要求6的设备，其中：

第二比较器的输入端和低压侧通路装置并联。

11.如权利要求6的设备，其中：

第二比较器的输入端和第一电阻器并联。

12.如权利要求8的设备，还包括：

连接到控制模块的设备的第一外部输入端，该输入端从与该装置的负载连接的电阻分阻器接收电压。

13.如权利要求12的设备，还包括：

连接到控制模块的设备的第二外部输入端，该输入端在内部连接误差放大器输出端并从串联的一电阻器和一电容器接收电压。

14.如权利要求13的设备，还包括：

连接到第一比较器的输出端以混合第一比较器的输出和振荡器的输出信号的振荡器，将该混合信号提供给控制模块。

15.如权利要求14的设备，还包括：

具有第一输入端和第二输入端的比较器，第一输入端连接到混合信号，第二输入端连接到第一外部输入端，比较器的输出连接到控制模块。

16.一种具有高压侧通路装置和低压侧通路装置的DC/DC开关式电压调节器，包括：

用于检测在高压侧通路的电流极限之上的过流状态的装置；和

如果检测到过流状态，用于切断高压侧通路装置和导通低压侧通路装置，直到到达位于低压侧通路装置上的第二电流极限的装置。

17.如权利要求16的DC/DC开关式电压调节器，其中

用于检测的装置包括检测元件和确定过流状态的比较器。

18.如权利要求16的DC/DC开关式电压调节器，还包括：

用于确定过流状态何时已被消除的装置。

19.如权利要求16的DC/DC开关式电压调节器，还包括：

锁存器，用于PWM系统的控制，保持高压侧通路装置的截止和低压侧通路装置的导通。

20.如权利要求16的DC/DC开关式电压调节器，还包括：

用于启动DC/DC开关式电压调节器的装置。

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