具有減小的浪涌電流及故障保護的切換式電容器dc-dc轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說明】具有減小的浪涌電流及故障保護的切換式電容器DC-DC轉(zhuǎn)換器
[0001]相關(guān)串請案交叉參考
[0002]本申請案主張對張金東(Jindong Zhang)等人于2014年I月17日申請的以引用方式并入本文中的第61/928，745號美國臨時申請案的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及DC/DC轉(zhuǎn)換器，且特定來說涉及一種具有電流限制電路及故障保護電路的切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0004]也稱為電荷泵的切換式電容器網(wǎng)絡(luò)通常用以對輸入電壓Vin進行倍增或分壓。輸出電壓Vout與Vin成比例，例如2X、3X、1/2X、1/3X等。連接到Vout的負載可為常規(guī)電阻型負載、電壓調(diào)節(jié)器(例如，降壓轉(zhuǎn)換器)或任何其它類型的負載。
[0005]關(guān)于此類切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器的一個問題是輸入電壓直接耦合到電容器。在系統(tǒng)的啟動后，當首先施加Vin時，到電容器中的浪涌電流在達到穩(wěn)態(tài)之前可因低阻抗互連而容易地在幾納秒內(nèi)超過1000A。這對設(shè)計強加了各種約束及風險。
[0006]圖1圖解說明輸出為輸入電壓Vin的大致一半的電壓Vout的常規(guī)2: I切換式電容器轉(zhuǎn)換器10。在穩(wěn)態(tài)操作期間，切換FET Q1-Q4，如圖2中所展示，以循環(huán)地將稱為飛跨電容器的電容器C2充電及放電。展示了所述FET的本體二極管。當跨越電容器Cl連接時重復地將電容器C2充電到Vin/2，且當跨越電容器C3連接時將電荷轉(zhuǎn)移到電容器C3 (及負載12) ο電容器Cl及C3在啟動時最初由Vin充電，其中Cl與C3的節(jié)點處于Vin/2。通常，電容器由于其大的尺寸而連接在任何控制器封裝外部。如果電流為高的，那么開關(guān)Q1-Q4也可在封裝外部。輸入電壓Vin直接連接到FET Ql及電容器Cl的頂部端子。
[0007]2: I切換式電容器轉(zhuǎn)換器可在無電容器Cl的情況下恰當?shù)夭僮?。在此情況中，當FET Ql及Q3接通時，電容器C2及C3串聯(lián)地由Vin充電。當FET Q2及Q4接通時，電容器C2及C3為并聯(lián)的。這迫使電容器C2及C3電壓彼此極為接近，處于大約Vin/2。
[0008]圖3圖解說明在Vin電力供應于時間TO通電后當電容器C1-C3具有零初始電壓時，浪涌電流可如何容易地超過1000A(取決于路徑中的任何寄生電阻)。高電流可僅持續(xù)小于I微秒，但可容易地超過FET的安全操作電流且在設(shè)計中需要加以考慮。輸出電壓Vout僅在電容器Cl、C2及C3被完全充電且如圖2中所展示而控制開關(guān)Q1-Q4之后達到其穩(wěn)態(tài)電壓。Vout波形展示在浪涌電流之后的某一振鈴。
[0009]在故障條件(例如電容器C3變?yōu)槎搪?中，由于切換式電容器電路中不存在限制電流的電感器，因此輸入浪涌電流可快速升高到極高的電平，從而導致FET失效及系統(tǒng)損壞。
[0010]需要一種用于控制其中浪涌電流減小的切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器的完整電路。所述電路還應在操作期間檢測故障且采取適當?shù)陌踩胧?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 在優(yōu)選實施例中，用于切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器電路裝納在與電流限制電路及故障檢測電路相同的封裝中。并非將輸入電壓直接連接到切換式電容器轉(zhuǎn)換器，而是將輸入電壓連接到控制輸入引線與電容器之間的串聯(lián)FET的電流限制電路。當在啟動期間或在穩(wěn)態(tài)期間檢測到故障時，所述FET還充當保護FET。在啟動及穩(wěn)態(tài)期間使用不同的故障檢測技術(shù)。
[0012]在啟動后，連接于反饋回路中的串聯(lián)FET即刻將浪涌電流限制于受控制最大值，同時切換式電容器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout在預計時間限制內(nèi)斜升到其穩(wěn)態(tài)Vout。當浪涌電流低于電流限制閾值時，串聯(lián)FET完全接通以將全輸入電壓供應到切換式電容器轉(zhuǎn)換器。
[0013]故障檢測電路包含對浪涌電流的持續(xù)時間進行計時的計時器。如果持續(xù)時間在第一閾值時間之外，那么系統(tǒng)關(guān)斷串聯(lián)FET并發(fā)出故障信號。此外，在啟動階段期間，如果Vout在第一閾值時間內(nèi)不處于目標電壓范圍內(nèi)，那么系統(tǒng)關(guān)斷串聯(lián)FET并發(fā)出故障信號。
[0014]另一電路在穩(wěn)態(tài)操作期間檢測故障。如果在穩(wěn)態(tài)操作期間轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout在上閾值電壓及下閾值電壓的范圍之外達多于第二閾值時間，那么發(fā)生輸出電壓故障，且關(guān)斷串聯(lián)FET。系統(tǒng)接著發(fā)出故障信號。上閾值電壓及下閾值電壓分別以小的正或負偏移系結(jié)到Vin/N (其中N等于目標Vin/Vout)。此外，在穩(wěn)態(tài)操作期間，輸入電流達到電流限制達長于第二閾值時間，那么關(guān)斷串聯(lián)FET且發(fā)出故障信號。所述第一閾值時間可不同于所述第二閾值時間。
[0015]電容器開關(guān)可在封裝內(nèi)部或外部，此取決于所述開關(guān)的電流要求。
[0016]切換式電容器轉(zhuǎn)換器可對輸入電壓進行倍增或分壓。連接到轉(zhuǎn)換器的輸出的負載可為電阻負載、電壓調(diào)節(jié)器或任何其它類型的負載。
[0017]本發(fā)明描述了各種實施例。
【附圖說明】
[0018]圖1圖解說明常規(guī)切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器。
[0019]圖2圖解說明施加到圖1中的開關(guān)的信號。
[0020]圖3圖解說明在啟動時在圖1的轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的各種波形。
[0021]圖4圖解說明發(fā)明性電路的尚級不意圖。
[0022]圖5圖解說明在啟動時圖4的電路內(nèi)的各種波形。
[0023]圖6更詳細地圖解說明圖4的經(jīng)封裝電路。
[0024]圖7A是識別由圖6的電路在啟動階段期間執(zhí)行的步驟的流程圖。
[0025]圖7B是識別由圖6的電路在穩(wěn)態(tài)期間執(zhí)行的步驟的流程圖。
[0026]圖8圖解說明電容器網(wǎng)絡(luò)的負載可如何作為降壓轉(zhuǎn)換器。
[0027]圖9圖解說明電容器網(wǎng)絡(luò)可如何經(jīng)連接以對輸入電壓進行倍增。
[0028]以相同編號標記相同或等效的元件。
【具體實施方式】
[0029]圖4圖解說明含有圖1的切換式電容器轉(zhuǎn)換器10的發(fā)明性電路的高級示意圖。在一個實施例中，除圖1中的電容器C1-C3之外的整個電路均在具有用于連接到印刷電路板的引線的單個封裝14內(nèi)。
[0030]封裝14的輸入電壓Vinl端子16耦合到電力供應及串聯(lián)晶體管(例如FET 18)的第一端子。FET 18的第二端子耦合到切換式電容器轉(zhuǎn)換器10的輸入且將輸入電壓Vin2施加到轉(zhuǎn)換器10。Vin2將耦合到圖1中的電容器Cl的頂部端子。濾波器電容器20耦合到FET 18的第二端子。
[0031]在操作期間，例如借助低值串聯(lián)感測電阻器感測輸入電流Iin，且將對應于Iin的信號施加到電流浪涌控制器22。控制器22在啟動期間驅(qū)動FET 18的柵極使得Iin處于可設(shè)定電流限制。控制器22使Iin維持處于電流限制直到轉(zhuǎn)換器10中的所有電容器被實質(zhì)上完全充電為止。此時，Iin將變?yōu)榈陀陔娏飨拗?，且控制?2增加FET 18的柵極電壓直到FET 18完全導通為止。此時，Vin2將大致等于Vinl，且穩(wěn)態(tài)操作可開始。
[0032]圖5圖解說明在啟動時圖4的電路內(nèi)的各種波形，假定Vinl為48V。如所展示，存在Iin的快速斜升直到達到電流限制(例如3-10X穩(wěn)態(tài)電流)為止。Iin保持處于電流限制直到電容器被完全充電為止。盡管Iin受到限制，但Vin2斜升直到其處于大約48V的穩(wěn)態(tài)電壓為止。同時，轉(zhuǎn)換器10開關(guān)(圖1中的Q1-Q4)經(jīng)控制以使輸出電壓Vout斜升到大致24V，假定轉(zhuǎn)換器為(Vinl)/2分壓器。
[0033]隨著電流限制的時間一起檢測輸出電壓Vout。如果電流限制花費長于閾值時間(時間I)或如果Vout在某一范圍(在Vhigh與Vlow之間)超出閾值時間(時間I)，那么電路塊24假定故障，且控制器22將FET 18關(guān)閉并產(chǎn)生故障報告信號。
[0034]如果在啟動階段期間不存在故障，那么電路塊24繼續(xù)控制開關(guān)Q1_Q4(圖1及2)以產(chǎn)生大致(Vinl)/2的輸出電壓Vout以實現(xiàn)操作穩(wěn)態(tài)。
[0035]圖6更詳細地圖解說明圖4的電路的一個實施例。將參考圖7A及7B的流程圖描述圖6的電路的操作。
[0036]在圖7A的步驟30中，系統(tǒng)由產(chǎn)生Vinl的電力供應啟動。
[0037]到轉(zhuǎn)換器10中的電流流動穿過低值串聯(lián)電阻器32及FET 18(或其它類型的晶體管或可控制導體)?？缭诫娮杵?2的電壓由比較器34檢測。偏移電壓Vlim由電壓源36產(chǎn)生。當跨越電阻器32的電壓超過Vlim時，比較器34產(chǎn)生邏輯1，從而指示輸入電流Iin處于或高于電流限制閾值。
[0038]比較器34的輸出經(jīng)由柵極驅(qū)動器38控制到FET 18的柵極驅(qū)動電壓。驅(qū)動器38產(chǎn)生足以使電流傳導穿過FET 18的柵極電壓使得到比較器34中的輸入不超過跳脫閾值。因此，在啟動時，用以將電容器C1、C2、C3及20充電的浪涌電流處于電流限制閾值(圖7中的步驟40)。還通過檢測到輸入電流處于電流限制而使第一計時器起動，如下文所描述。電容器42以及電阻器43及44防止振蕩。柵極驅(qū)動器38包含電平移位器及邏輯。
[0039]由于輸入電流受到限制，因此電容器C1、C2、C3及20將以與在不存在電流限制的情況下相比慢得多的速率充電。這在圖5中由Iin處于受限值且Vin2以相對慢的速率斜升到48V (通過各種電容器充電)展示。
[0040]在Vin2的斜升期間，切換轉(zhuǎn)換器10，如關(guān)于圖1及2所描述。
[0041]經(jīng)分壓Vout作為Vfb反饋到比較器64及66。高閾值電壓值Vhigh施加到比較器64，且低閾值Vlow施加到比較器66。N為目標切換式電容器電路轉(zhuǎn)換比率，S卩，N等于Vm/VQUT。Vhigh閾值被設(shè)定為1/N Vinl加上正的Vinl偏移，然后除以Vout被分壓的相同百分比。Vlow閾值被設(shè)定為1/N Vinl減去y% Vinl偏移，然后除以Vout被分壓的相同百分比。簡單電阻網(wǎng)絡(luò)及連接到Vinl的電荷泵電路67可用以產(chǎn)生Vhigh及Vlow。因此，Vhigh及Vlow遵循