CN1732612A - 在dc－dc变速器加电期间提供过电压保护的机构 - Google Patents

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Abstract

一种防止诸如DC－DC电源的上开关电子器件(3)中的短路等异常传播到下流电路的过电压保护电路(10)。该过电压保护电路(10)包括一个耦合在上或高边FET(3)的输出端和下FET(4)的栅极之间的过电压传感电阻(50)，并且可以在系统的初始加电期间生效，通过上或高边FET检测出电路通路中的短路故障情况。响应此情况，下LFET器件(4)导通，以提供一个过电压情况到地的直接旁路，从而防止通过输出端(8)将过度电压加到下流的通电的电路。

Description

在DC-DC变换器加电期间提供过电压保护的机构
相关申请的交叉引用
本申请要求了共同申请美国申请号：60/437、179，申请日：2002年12月31日，申请人：N.B.Dequina等人，名称：“在DC-DC变换器加电期间提供过电压保护的机构”的权益，该申请转让给了本申请的受让人，并将其公开的内容包含在此。
技术领域
本发明通常涉及DC电源系统及其部件，且特别针对一种新的改进的过电压保护器件，该器件配置成检测与DC-DC的发生短路的上FET相关联的过电压情况的袭击，响应这种状态过电压情况的受控旁路生效并断开电源，籍此保护通电的电路。
背景技术
集成电路(IC)(例如但不限于个人电脑的微处理器芯片)的电源，通常由一个或多个直流电(电池)电源(例如：反抗模式(buck-mode)的基于脉冲宽度调制(PWM)的图1所图示的类型的DC-DC变换器)提供。如图中所示，PWM控制电路1将同步的PWM信号提供给开关电路驱动器2，该信号控制一对与通电的负荷9相耦合的电子电源开关器件的导通和截止。在所示的DC-DC变换器中，该电子电源开关器件包括上(或高边)电源NMOSFET(或NFET)器件3和下(或低边)电源NFET器件4，它们的漏极-源极电流通路串联在一对电源干线(例如：VIN和地(GND))之间。
通过从驱动器2提供到其栅极的上栅极开关信号UGATE来导通和截止上NMOSFET器件3而通过从驱动器2提供的下栅极开关信号LGATE来导通和截止下NFET器件4。两个NFET之间的公共或相位节点5通过一个电感器6耦合至与参考电压端(GND)的相耦合的负荷存储电容器7。电感器6和电容器7之间的连接8用作一输出节点，从该节点将希望的(稳压的)DC输出电压Vout提供给负荷(LOAD)9(接地)。
输出节点连接点8也通过反馈电阻10反馈至PWM控制器1中的误差信号放大器。该误差信号放大器用于调节相对于参考电压源的变换器的DC输出电压。另外，两个可控制地开关的NFET之间的公共节点5通过电流传感电阻11耦合至控制器1中的电流传感电路相应地控制器按需要调节PWM信号的占空比，以维持变换器的DC输出在预定参量组范围内。
在将电力从电源提供给其通电的部件的过程中，诸如上开关NFET中的短路之类的电源通路异常(可能是由制作过程的坏部件或疏忽缺少栅极而引起的)不传播到下流电路，尤其是微处理器芯片是非常关键的。
发明内容
本发明利用合并到FET开关电路中的过电压保护电路成功地解决了这个潜在问题。该过电压保护电路可以用来在系统的初始加电期间检测出通过上或高边FET的电路通路中的短路故障情况并相应地导通下NFET器件。这导致将过电压情况直接旁路至地，从而防止通过输出端将过度电压加到下流已通电的电路。
附图简要说明
图1图示出传统的反抗模式(buck-mode)的基于脉冲宽度调制(PWM)的DC-DC变换器；
图2图示出本发明的过电压保护模式的一个实施例；
图3A-3E为与包括了图2的过电压保护模式的DC-DC变换器的正常加电操作相关联的时序图；和
图4A-4D为与包括了图2的过电压保护模式的DC-DC变换器的跨接上FET的源极-漏极通路的短路相关联的时序图。
具体实施方式
注意图2，其中根据本发明的过电压保护模式的一个实施例图示成包括加入了上电清零信号并作为扩充部分结合到图1的电路的驱动器电路2中的过电压保护(OVP)控制电路10。控制电路10可用于执行图1的控制电路1的功能并包括实施下述过电压保护控制功能的组合逻辑和触发器。图2的保护电路还包括各自的上和下前级驱动器电路30和40，该驱动电路可用于将栅极驱动信号提供给上NFET3和下NFET4。另外，过电压保护电阻50耦合在相位节点5和下NFET4的LGATE输入点之间。
上前级驱动器电路30受耦合从OVP控制器电路10接收一个上驱动控制信号，并将第一和第二输出控制线31和32分别耦合到上PFET开关33和上NFET开关34的栅极。PFET开关33和下NFET开关34的源极-漏极通路串联在自举电源节点BOOT和相位节点5之间。将PFET33和NFET34的公共连接点35作为上栅极驱动UGATE耦合至上NFET 3。
下前级驱动器器电路40受耦合从OVP控制器10接收一个下驱动控制信号，并将第一和第二输出控制线41和42分别耦合到下PFET开关33和下NFET开关44的栅极。PFET开关43和下NFET开关44的源极-漏极通路串联在12V电源节点和电源接地(PGND)节点之间。将PFET 43和NFET 44的公共连接点45作为下栅极驱动UGATE耦合至下NFET 4。
图3A-3E为没有跨接上FET 3的短路的正常加电操作的时序图。具体地，图3A示出由上前级驱动器器电路加到上UFET 3的栅极上的上栅极UGATE电压值在OV左右。图3B示出相位节点5处的相位电压值也在OV左右。类似地，图3C示出在处由下前级驱动器加到LFET 4的栅极上的下栅极LGATE电压值也在OV左右。图3D示出加电复位(power on reset)输入电压斜着向上升，跟踪图3E所示的加在电压输入端上的电源电压的斜线上升。最后，如图3D所示，工作电源电平到达5VDC左右的电压。接着，开关模式工作开始，如图的右手部分所示，使输出节点处于其调节后的电压。
加电期间跨接上NFET3的源极-漏极通路上发生短路的情况在图4A-4D中示出。具体地，图4A示出输入节点Vin处的电压从0朝着12V斜着向上。跨接上NFET 3的源极和漏极的短路会引起相位节点5处的电压也朝着电源干线12V斜线上升。随着相位电压增加，OVP电阻50将此电压耦合到下NFET 4的LGATE输入端，如图4B所示。响应这个超过下NFET 4的阈值电压的电压，NFET 4导通，产生一条从电源输入端Vin处的通过UFET 3和LFET 4的源极-漏极通路到电源接地端的电流通路。
当此发生时，电源的控制电路中的电压误差信号放大器会检测到一个到电源输出处存在接地的短路，并采取行动停止变换器的工作以防止对通电的部件的潜在损害。另外，在此短路情况期间，控制器1开始工作使前级驱动器器30和40切断上和下FET对33、34和43、44。这确保对LFET 4的栅极驱动只通过OVP电阻50跟踪到UFET 3的短路状态。图4C示出UGATE斜线上升，而图4D示出加电复位(power on reset)(POR)电压斜线上升到5伏。
可从前文得知本发明可用于通过结合在FET开关电路中的过电压保护电路防止将诸如DC-DC电源的上开关电子器件中的短路之类的异常传播到下流电路。此过电压保护电压可用于检测在系统的初始加电期间通过上或高边FET的电路通路中的短路故障情况，并相应地导通下NFET器件。这导致过电压情况直接旁路至接地，从而防止从输出端将过电压将到下流通电的电路。
应理解所示和所述的根据本发明的实施例并不是把本发明的只限定于此，而是如本领域技术人员已知的那样可以有许多变化和修改。因此，我们不希望将本发明限定于本文所示和所描述的细节，而旨在覆盖对本领域的技术人员来说是明显的那些变化和修改。

Claims (14)

1.一种装置，用于在与通电的器件相耦合的输出节点处产生一个稳压的直流电(DC)输出电压，其特征在于，包括：
一个与电源电压相耦合的DC-DC变换器，用于产生一个由所述电源电压导出的稳压的输出电压，所述DC-DC变换器具有一个脉冲宽度调制(PWM)发生器，所述脉冲宽度调制(PWM)发生器产生一个可切换地控制开关电路的工作的开关信号，所述开关电路包括耦合在各第一和第二电源端之间的第一和第二电源开关器件，其公共节点通过一电感元件耦合到输出电压端；和
一过电压传感电路，它可用于响应跨接在所述第一电源开关器件的受控电流通路上的短路，导通所述第二电源开关器件籍以在所述第一和第二电源端之间的提供一个过电压旁路电流通路，从而防止所述过电压从所述输出节点施加到所述通电器件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述过电压传感电路包括一个耦合在所述第一电子电源开关器件的输出和所述第二电子电源开关器件的控制输入端之间的过电压传感电阻。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述开关电路还包括一个上前级驱动器开关电路，所述上前级驱动器开关电路包括分别耦合到第三电源端与所述第一和第二电子电源开关器件的公共连接点之间的第三和第四电子电源开关器件，且其公共节点耦合到所述第一电子电源开关器件的控制电极上。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述开关电路还包括一个下前级驱动器开关电路，所述下前级驱动开关电路包括分别耦合到所述第四电源端和所述第二电源端和之间的第五和第六电子电源开关器件，且其公共节点耦合到所述第二电子电源开关器件的控制极上。
5.一种装置，用于在与通电器件相耦合的节点处产生一个稳压的直流电(DC)输出电压，其特征在于，包括：
一个与电源电压相耦合的DC-DC变换器，用于产生一个由所述电源电压导出的稳压的输出电压，所述DC-DC变换器具有一个脉冲宽度调制(PWM)发生器，所述脉冲宽度调制(PWM)发生器产生一个可切换地控制开关电路的工作的开关信号，所述开关电路包括耦合到各自的第一电源端和第二电源端之间的第一和第二电子电源开关器件，其公共节点通过一电感元件耦合到输出电压端；和
一个过电压保护电路，用于传感与所述第一电源开关器件的短路情况相关联的过电压情况的袭击，并相应地影响使过压情况的受控旁路生效并断开电源，籍此保护通电的电子电路。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述过压传感电路可用于响应越过所述第一电源开关器件的受控电流通路的短路，导通所述第二电子电源开关器件从而在所述第一和第二电源端之间提供一个过压旁路电流通路，从而防止所述过度电压从所述输出节点施加到所述通电器件。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述过压传感电路包括一个耦合到所述第一电子电源开关器件的输出端和所述第二电子电源开关器件的控制输入端之间的过压传感电阻。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述开关电路还包括一个上前级驱动器开关电路，所述上前级驱动器开关电路包括分别耦合在第三电源端与所述第一和第二电子电源开关器件的公共连接点之间的第三和第四电子电源开关器件，且其公共节点耦合到所述第一电源开关器件的控制极上。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述开关电路还包括一个下前级驱动器开关电路，所述下前极驱动开关电路包括分别耦合在第四电源端和所述第二电源端和公共连接之间的第五和第六电子电源开关器件，且其公共节点耦合到所述第二电子电源开关器件的控制极上。
10.一种控制DC-DC变换器的工作的方法，该变换器用于在与通电器件相耦合的输出节点处产生一个稳压的直流电(DC)输出电压，所述DC-DC变换器与一电源电压相耦合并用于产生由所述电源电压导出的所述稳压的输出电压，并具有一个脉冲宽度调制(PWM)发生器，所述脉冲宽度调制(PWM)发生器产生一个可切换地控制开关电路的工作的开关信号，所述开关信号可切换地控制开关电路的工作，所述开关电路包括耦合在各自的第一和第二电源端之间的第一和第二电源开关器件，其公共节点通过一电感元件耦合到输出电压端，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)监视所述第一电子电源开关器件是否发生与所述第一电子电源开关器件的短路情况相关联的过压情况；和
(b)响应检测到的所述过压情况，提供一个它的旁路和电源的断开，从而保护由它供电的电子电路。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：响应于跨接所述第一电源开关器件的受控电流通路的短路，导通所述第二电子电源开关器件以使在所述第一和第二电源端之间提供一个过压旁路电流通路，从而防止所述过度电压从所述输出节点施加到所述通电器件。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：在所述第一电源开关器件的输出端和所述第二电子电源开关器件的控制输入端之间耦合一个过压传感电阻，响应所述过电压传感电阻检测到的一个跨接所述第一电源开关器件的受控电流通路的短路，可控制地导通所述第二电子电源开关器件，从而在所述第一和第二电源端之间提供一个过压旁路电流通路，从而防止所述过电压从所述输出节点施加到所述通电器件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述开关电路还包括一个上前级驱动器开关电路，所述上前级驱动器开关电路包括分别耦合在第三电源端与所述第一和第二电子电源开关器件的公共连接点之间的第三和第四电子电源开关器件，且其公共节点耦合到所述第一电源开关器件的控制极上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述开关电路还包括一个下前级驱动器开关电路，所述下前级驱动开关电路包括分别耦合在第四电源端和所述第二电源端之间的第五和第六电子电源开关器件，且其公共节点耦合到所述第二电子电源开关器件的控制极上。
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