專利名稱：限制開關(guān)電源中的最大開關(guān)電流的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及電子電路，更具體地，本發(fā)明涉及開關(guān)模式電源。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源中的開關(guān)可能會受過電壓、過電流或電壓和電流的特殊組合的影響而被 損壞。瞬時電壓和電流必須維持在由安全工作區(qū)所限定的界限內(nèi)，以防止損壞該開關(guān)。因 此，為了保護開關(guān)，以及為了調(diào)整輸出，用于開關(guān)電源的控制器通常測量電壓和電流?，F(xiàn)實器件的需求和局限之間的矛盾經(jīng)常使得對于控制器來說在所有情形下測量 保護開關(guān)所必須的量變得不可能或者不實際。盡管開關(guān)上的最大電壓通?？筛鶕?jù)對直流輸 入電壓的簡單測量推導(dǎo)出來，但是對開關(guān)中電流的測量通常會困難得多?？刂破魍ǔ１仨毱帘卧陂_關(guān)周期中特定時刻對開關(guān)電流的測量，從而避免錯誤的 過電流指示。另外，在檢測到過電流和適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)之間經(jīng)常會出現(xiàn)一些延遲。因此，傳統(tǒng)的 方法不能保護開關(guān)在瞬態(tài)負載或者故障的特定條件下不被損壞。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于調(diào)整電源的方法，包括響應(yīng)于驅(qū)動信號 來轉(zhuǎn)換耦合到在電源輸入處的能量傳遞元件的開關(guān)，其中所述驅(qū)動信號對從所述電源的輸 出接收到的反饋做出響應(yīng)；測量所述開關(guān)的導(dǎo)通時間；判斷所述開關(guān)的導(dǎo)通時間是否是短 導(dǎo)通時間；檢測所述開關(guān)的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)；以及響應(yīng)于所 述開關(guān)的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)來延遲被耦合成由所述開關(guān)接收 的所述驅(qū)動信號的下一個脈沖。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于防止當(dāng)電源具有低輸出電壓時在啟動 或過載期間電源開關(guān)中的過大電流的方法，所述方法包括利用對時間的測量來作為對所 述電源開關(guān)中的過大電流的間接指示，包括測量所述電源開關(guān)的導(dǎo)通時間，而不是所述電 源開關(guān)中的電流，來識別未受控制的增長電流的狀態(tài)；識別指示過大開關(guān)電流的短導(dǎo)通時 間；以及利用下一個開關(guān)周期中的延遲來響應(yīng)一個或多個短導(dǎo)通時間，所述延遲有效延長 了所述開關(guān)的關(guān)斷時間，從而在所述電源開關(guān)的下一個導(dǎo)通時間之前使所述電源開關(guān)中的 電流減小到安全值。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種電源，包括耦合在電源的未經(jīng)調(diào)整的輸入 電壓和在輸入處的負載之間的能量傳遞元件；耦合到所述能量傳遞元件的輸入處的初級繞 組的電源開關(guān)，用以調(diào)整從所述電源的所述未經(jīng)調(diào)整的輸入電壓到所述輸出處的負載的能 量的傳遞；和控制器，被耦合用以產(chǎn)生驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號被耦合由所述電源開關(guān)接 收，用于控制所述電源開關(guān)的轉(zhuǎn)換，所述控制器包括短導(dǎo)通時間檢測器，所述短導(dǎo)通時間檢測器用以感應(yīng)所述電源開關(guān)以檢測電源開關(guān)的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的 出現(xiàn)。


結(jié)合附圖通過例子詳細示出了本發(fā)明，并且本發(fā)明不局限于附圖。圖1是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的開關(guān)電源的一個實施例的功能框圖，該開關(guān)電源可限制 電源開關(guān)中的峰值電流。圖2是開關(guān)電源的一個實施例的功能框圖的一部分，其示出了寄生電容對電源開 關(guān)中的電流的影響。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的開關(guān)電源的一個實施例中的電壓和電流波形，該開 關(guān)電源可限制電源開關(guān)中的峰值電流。圖4說明了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)不能限制電源開關(guān)中的峰值電流的開關(guān)電源中電 流波形的重要參數(shù)。圖5是說明了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)限制電源開關(guān)中的峰值電流的方法的流程圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)限制所包括的電源開關(guān)中的峰值電流的集成電路的功 能框圖。
具體實施例方式公開了可在電源中應(yīng)用的電源穩(wěn)壓器的實施例。在接下來的描述中，為了提供對 本發(fā)明的全面的理解而給出了大量特定的細節(jié)。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)清楚的是， 不需要實現(xiàn)這些特定的細節(jié)來實施本發(fā)明。為了避免模糊本發(fā)明，沒有詳細地說明涉及實 施方式的公知方法。整個說明書中提到的“一個實施例”或“實施例”表示結(jié)合該實施例描述的特定部 件、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在整個說明書的不同地方出現(xiàn)的 短語“對于一種實施例”或“在實施例中”不必都指代相同的實施例。此外，可以在一個或 多個實施例中以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇M合所述特定的部件、結(jié)構(gòu)或特性。公開了防止在開關(guān)電源的開關(guān)中出現(xiàn)過電流的技術(shù)。例如，公開了一種方法和裝 置來防止開關(guān)電源中的功率晶體管受其安全工作區(qū)以外的條件的影響而損壞。當(dāng)電源具有 低輸出電壓時在啟動或過載期間，響應(yīng)電源開關(guān)中的過電流的傳統(tǒng)技術(shù)不能防止電流在每 個開關(guān)周期內(nèi)升得更高，這是因為，前沿消隱時間和電流極限延遲時間強加了一個最小開 關(guān)導(dǎo)通時間，同時，低輸出電壓使控制器要求開關(guān)的最小關(guān)斷時間。為了克服傳統(tǒng)技術(shù)中由 對開關(guān)中的電流進行直接測量而帶來的問題，所公開的方法利用對時間的測量來作為對開 關(guān)中的過電流的間接指示。例如，一種公開的技術(shù)測量開關(guān)的導(dǎo)通時間，而不是測量開關(guān)的 電流，從而識別未受控制的增長電流的狀態(tài)。短導(dǎo)通時間意味著過大的開關(guān)電流。響應(yīng)一 個或多個短導(dǎo)通時間的是下一個開關(guān)周期中的延遲，其有效地延長了關(guān)斷時間，從而在開 關(guān)的下一個導(dǎo)通時間之前使電流減小到安全值。為了說明，圖1主要示出了用于電源實施例的電源的功能框圖，該電源根據(jù)本發(fā) 明的教導(dǎo)限制了峰值開關(guān)電流。圖1中所示出的示例性電源的拓撲是反饋穩(wěn)壓器。應(yīng)認識 到，有許多種開關(guān)穩(wěn)壓器的拓撲和結(jié)構(gòu)，提供圖1中所示的反饋拓撲只是為了說明的目的，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)也可以采用其它類型的拓撲。如圖1的電源實例中所說明的，能量傳遞元件Tl 125耦合在未調(diào)整的輸入電壓 VIN105和電源輸出端的負載165之間。電源開關(guān)Sl 120耦合到能量傳遞元件125輸入端的 初級繞組175，用以調(diào)整能量從未調(diào)整的輸入電壓Vin 105到電源輸出端的負載165的傳遞。 控制器145被耦合用以產(chǎn)生驅(qū)動信號156，該驅(qū)動信號156被耦合成由電源開關(guān)Sl 120接 收，以控制電源開關(guān)Sl 120的轉(zhuǎn)換。如下面將討論的，控制器145還包括短導(dǎo)通時間檢測 器，用以感應(yīng)電源開關(guān)Si，以檢測電源開關(guān)Sl 120的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時 間的出現(xiàn)。對于一種實施例，在控制器145中還包括頻率調(diào)節(jié)器，該頻率調(diào)節(jié)器耦合到短導(dǎo) 通時間檢測器。對于一種實施例，頻率調(diào)節(jié)器被用來響應(yīng)該短導(dǎo)通時間檢測器以調(diào)節(jié)控制 器中所包括的振蕩器的振蕩頻率。在圖1的例子中，能量傳遞元件Tl 125被表示成具有兩個繞組的變壓器。初級繞 組175具有電感為Lp的Np匝。次級繞組具有Ns匝。通常，變壓器可以具有多于兩個的繞 組，附加的繞組用來供電給其它負載，或提供偏置電壓，或感應(yīng)負載的電壓，或類似功能。箝位電路110耦合到能量傳遞元件Tl 125的初級繞組175，以控制電源開關(guān)Sl 120的最大電壓。如已經(jīng)提到過的，利用由控制器電路145產(chǎn)生的驅(qū)動信號156接通或關(guān)斷 電源開關(guān)Sl 120。對于一種實施例，開關(guān)Sl 120是晶體管，例如功率金屬氧化物半導(dǎo)體場 效應(yīng)晶體管(MOSFET)。對于一種實施例，控制器145包括集成電路和分立的電氣元件。開 關(guān)Sl 120的操作在整流器Dl 130中產(chǎn)生的脈動電流通過電容器Cl 135進行濾波，以在負 載165上產(chǎn)生基本恒定的輸出電壓V?；蚧竞愣ǖ妮敵鲭娏鱅。。要調(diào)整的輸出量是U。150，通常，其可以是輸出電壓V。、輸出電流I0或兩者的組合。 反饋電路160耦合到輸出量U。150，以產(chǎn)生輸入到控制器145的反饋信號UFB155?？刂破?45 的另一個輸入是感應(yīng)開關(guān)Sl 120中的電流Id 115的電流感應(yīng)信號140。測量開關(guān)電流的 多種公知方法中的任一種都可以用來測量電流ID115，這些方法如，電流互感器、或者分立 電阻器上的電壓、或者晶體管導(dǎo)通時晶體管上的電壓?？刂破骺梢岳秒娏鞲袘?yīng)信號140 來調(diào)整輸出U。150或防止損壞開關(guān)Sl 120。圖1還示出了在理想條件下流過電源開關(guān)Sl 120的電流ID115的示例性波形。電 源開關(guān)Sl 120響應(yīng)于來自控制器145的驅(qū)動信號156的脈沖導(dǎo)通一定時間tw。電源開關(guān) Sl 120響應(yīng)于來自控制器145的驅(qū)動信號156打開一斷開時間tQFF。在導(dǎo)通時間tQN內(nèi)，電 流響應(yīng)于輸入電壓Vin105隨時間從初始電流ΙνΛ線性增加到最終電流IPEffi，其中，在開關(guān)Sl 120導(dǎo)通時輸入電壓Vin105是通過變壓器Tl 125的初級繞組175的電感Lp施加的。對于一種實施例，控制器145操作開關(guān)Sl 120以基本上將輸出U。150調(diào)整到期望 值。對于一種實施例，控制器145在輸出U。150低于期望值時增加開關(guān)Sl 120的導(dǎo)通時間 tQN。對于一種實施例，控制器145在輸出U。150大于期望值時減小開關(guān)Sl 120的導(dǎo)通時間 tQN。對于一種實施例，控制器145在開關(guān)Sl 120導(dǎo)通時維持開關(guān)Sl 120的恒定的導(dǎo)通時 間，并且調(diào)節(jié)關(guān)斷時間t,以調(diào)整輸出U。150。對于一種實施例，跳過開關(guān)周期以對關(guān)斷 時間t,進行離散調(diào)節(jié)。對于一種實施例，控制器145利用驅(qū)動信號156調(diào)節(jié)開關(guān)Sl 120的操作以防止操 作在其安全工作區(qū)以外。對于一種實施例，控制器145在電流Id115超過電流極限值Iumit 時減小開關(guān)Sl 120的導(dǎo)通時間tQN。對于一種實施例，控制器145在電流ID115超過電流極限值Iumit時增加關(guān)斷時間t,。圖2示出了寄生電容對在開關(guān)Sl 220中測量到的電流ID215的影響。在開關(guān)Sl 220接通后，由在節(jié)點235耦合到開關(guān)Sl的電容器Cp210和CDS230所表示的寄生電容的充 電和放電在短時間內(nèi)增大了電流Id215。圖3示出了在變壓器Tl 225的初級繞組275的電 感Lp上的電壓VP270。對于一種實施例，電壓Vp在導(dǎo)通時間內(nèi)為正，幅值為VIN。對于一 種實施例，電壓Vp在關(guān)斷時間t,內(nèi)為負，幅值為Vra^電壓Vp極性的突然反相增加了給開 關(guān)Sl 220的初始電流I-的前沿電流。圖2和圖3中的波形示出了大于理想初始電流I· 的峰值前沿電流ΙιΕΑΚ。對于一種實施例，峰值前沿電流Iieak也大于最終電流I·。在每 個實際電路中出現(xiàn)的寄生電容都可以產(chǎn)生較高的前沿電流，其可干擾控制器調(diào)整輸出或保 護開關(guān)的能力。響應(yīng)開關(guān)電流Id215的幅值來調(diào)整輸出或保護開關(guān)的控制器也將響應(yīng)不是 明顯與輸出的調(diào)整或開關(guān)的安全操作有關(guān)的前沿電流。為了避免受前沿電流的干擾，控制 器通常屏蔽對開關(guān)中電流的測量，直到前沿消隱時間t·結(jié)束。圖3中示出了前沿消隱時 間、EB與導(dǎo)通時間的關(guān)系。前沿消隱時間t·足夠長，以保證在電流Id變?yōu)榭捎绊懙娇刂破髦岸伎梢院雎?寄生電容對電流的影響。圖3還示出了電流極限延遲時間td，其是t·之后Id達到Iumit的 時間和開關(guān)停止導(dǎo)通的時間之間的差值。電流極限延遲時間td始終存在，這是因為實際的 電路不能即時響應(yīng)。有限的電流極限延遲時間td帶來的結(jié)果是在導(dǎo)通時間的最后峰值 電流Ipeak大于電流極限 -lLIMIT0前沿消隱時間t·和電流極限延遲td可使典型的控制器不能限制開關(guān)電流ID。圖 4說明了當(dāng)輸出小于其調(diào)整值時在具有典型控制器的開關(guān)電源中可能出現(xiàn)的不希望有的情 況。在圖4中，輸出側(cè)的過載導(dǎo)致在每個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)電流Id都超過IUMIT。該過載還導(dǎo) 致了輸出電壓V。降低到遠低于其調(diào)整值?？刂破髟谇把叵[時間‘的末端測量開關(guān)電流 Id,并且該開關(guān)在電流極限延遲時間td結(jié)束后斷開。檢測到Id大于Iumit不能將導(dǎo)通時間 t0N減小到低于‘加td的和。對于本發(fā)明的一種實施例，短導(dǎo)通時間可以被看作是該開關(guān) 的導(dǎo)通時間，或者例如驅(qū)動信號的脈沖寬度，其導(dǎo)通時間近似等于t·加td之和。圖4示出了在任何開關(guān)周期(η)內(nèi)，在導(dǎo)通時間內(nèi)作為開關(guān)電流Id的電流(來自 于寄生電容的電流除外)在導(dǎo)通時間內(nèi)增加了一定量Δ Iw以達到Ipeak，然后在關(guān)斷時間內(nèi) 從Ipeak開始減小一定量△ 1_。如等式1和等式2所示，電流的這種變化與輸入和輸出電 壓有關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)整電源的方法，包括響應(yīng)于驅(qū)動信號來轉(zhuǎn)換耦合到在電源輸入處的能量傳遞元件的開關(guān)，其中所述驅(qū)動信 號對從所述電源的輸出接收到的反饋做出響應(yīng)；測量所述開關(guān)的導(dǎo)通時間；判斷所述開關(guān)的導(dǎo)通時間是否是短導(dǎo)通時間；檢測所述開關(guān)的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)；以及響應(yīng)于所述開關(guān)的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)來延遲被耦合成由 所述開關(guān)接收的所述驅(qū)動信號的下一個脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的用于調(diào)整電源的方法，其中，響應(yīng)于所述開關(guān)的閾值數(shù)量的一 個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)來延遲被耦合成由所述開關(guān)接收的所述驅(qū)動信號的下一 個脈沖包括調(diào)節(jié)產(chǎn)生驅(qū)動信號的振蕩信號的頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的用于調(diào)整電源的方法，其中，響應(yīng)于所述開關(guān)的閾值數(shù)量的一 個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)來延遲被耦合成由所述開關(guān)接收的所述驅(qū)動信號的下一 個脈沖包括跳過驅(qū)動信號中的下一個脈沖。
4.如權(quán)利要求1所述的用于調(diào)整電源的方法，其中，檢測所述開關(guān)的閾值數(shù)量的一個 或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)包括檢測驅(qū)動信號中導(dǎo)通時間近似等于前沿消隱時間和電 流極限延遲時間之和的脈沖。
5.如權(quán)利要求1所述的用于調(diào)整電源的方法，其中，檢測所述開關(guān)的閾值數(shù)量的一個 或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)包括每次出現(xiàn)所述一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間，遞增短導(dǎo)通 時間計數(shù)器。
6.如權(quán)利要求1所述的用于調(diào)整電源的方法，其中，判斷所述開關(guān)的導(dǎo)通時間是否是 短導(dǎo)通時間包括檢測流過所述開關(guān)的開關(guān)電流是否超過電流極限值，并且其中，延遲所述 驅(qū)動信號的下一個脈沖包括響應(yīng)于檢測到所述開關(guān)電流超過所述電流極限值并且如果所 述開關(guān)的導(dǎo)通時間小于或等于前沿消隱時間和電流極限延遲時間之和，則延長所述開關(guān)的 關(guān)斷時間。
7.如權(quán)利要求6所述的用于調(diào)整電源的方法，其中，延長所述開關(guān)的關(guān)斷時間包括不 依賴于所述反饋信號而延長所述開關(guān)的關(guān)斷時間。
8.一種用于防止當(dāng)電源具有低輸出電壓時在啟動或過載期間電源開關(guān)中的過大電流 的方法，所述方法包括利用對時間的測量來作為對所述電源開關(guān)中的過大電流的間接指示，包括測量所述電 源開關(guān)的導(dǎo)通時間，而不是所述電源開關(guān)中的電流，來識別未受控制的增長電流的狀態(tài)；識別指示過大開關(guān)電流的短導(dǎo)通時間；以及利用下一個開關(guān)周期中的延遲來響應(yīng)一個或多個短導(dǎo)通時間，所述延遲有效延長了所 述開關(guān)的關(guān)斷時間，從而在所述電源開關(guān)的下一個導(dǎo)通時間之前使所述電源開關(guān)中的電流 減小到安全值。
9.一種電源，包括 耦合在電源的未經(jīng)調(diào)整的輸入電壓和在輸入處的負載之間的能量傳遞元件；耦合到所述能量傳遞元件的輸入處的初級繞組的電源開關(guān)，用以調(diào)整從所述電源的所 述未經(jīng)調(diào)整的輸入電壓到所述輸出處的負載的能量的傳遞；和控制器，被耦合用以產(chǎn)生驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號被耦合由所述電源開關(guān)接收，用于控 制所述電源開關(guān)的轉(zhuǎn)換，所述控制器包括短導(dǎo)通時間檢測器，所述短導(dǎo)通時間檢測器用以 感應(yīng)所述電源開關(guān)以檢測電源開關(guān)的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)。
10.如權(quán)利要求9所述的電源，其中，所述控制器還包括耦合到所述短導(dǎo)通時間檢測器 的頻率調(diào)節(jié)器，所述頻率調(diào)節(jié)器用以響應(yīng)于所述短導(dǎo)通時間檢測器來調(diào)節(jié)所述控制器中所 包括的振蕩器的振蕩頻率。進一步包括耦合在電源的輸出和控制器之間的反饋電路，該反饋電路用以提供來自于 電源的輸出的反饋信號給該控制器。
11.如權(quán)利要求9所述的電源，其中所述能量傳遞元件是具有至少兩個繞組的電壓器；并且箝位電路耦合到所述能量傳遞元件的初級繞組，以控制所述電源開關(guān)的最大電壓。
12.如權(quán)利要求9所述的電源，其中所述控制器具有第一輸入端，被耦合為接收由耦合到輸出量的反饋電路產(chǎn)生的反饋信號；以及第二輸入端，被耦合為接收電流感應(yīng)信號，所述電流感應(yīng)信號感應(yīng)了所述電源開關(guān)中 的電流。
全文摘要
公開了一種限制開關(guān)電源中的最大開關(guān)電流的方法和裝置。示例性的開關(guān)穩(wěn)壓器電路包括耦合到電源的能量傳遞元件的電源開關(guān)?？刂破鳟a(chǎn)生被耦合成由該電源開關(guān)接收的驅(qū)動信號以控制該電源開關(guān)的轉(zhuǎn)換。該控制器包括一個短導(dǎo)通時間檢測器。該短導(dǎo)通時間檢測器被用來檢測該開關(guān)的閾值數(shù)量的一個或多個連續(xù)短導(dǎo)通時間的出現(xiàn)。該控制器還包括一個耦合到該短導(dǎo)通時間檢測器的頻率調(diào)節(jié)器。該頻率調(diào)節(jié)器被用于響應(yīng)該短導(dǎo)通時間檢測器來調(diào)節(jié)包括在控制器中的振蕩器的振蕩頻率。
文檔編號H02M7/48GK102064701SQ20101055169
公開日2011年5月18日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者A·B·詹格里安, A·J·莫里什 申請人:電力集成公司