專利名稱：用于在直流-直流電力變換器中過電流保護(hù)的方法及裝置的制作方法
用于在直流-直流電力變換器中過電流保護(hù)的方法及裝置 技術(shù)領(lǐng)域0001本發(fā)明一般涉及電力變換器電路，且更具體地涉及用于提供過電流保護(hù)的開關(guān)模式電力變換器的控制電路的方法和實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)背景0002開關(guān)模式電力變換器(也被稱作"電力變換器")是電力電子 處理電路，其通過周期性地切換耦連至電感電路元件的電力開關(guān)，將輸 入電壓波形轉(zhuǎn)換為輸出電壓波形(二者一般是直流波形，但也不一定都 是直流波形)。電力開關(guān)用稱作"占空比/工作周期"的導(dǎo)通時(shí)間段來控 制。占空比/工作周期是由電力開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間段與其開頭時(shí)間段之比所 代表的比率。因此，如果電力開關(guān)在開關(guān)周期一半的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，那么 電力開關(guān)的占空比/工作周期將為0.5 (或者50%)。與電力變換器相關(guān)的 反饋控制器通過控制其中所使用的電力開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間段來管理其操 作。 一般地，反饋控制器被耦連至反饋回路配置中電力變換器的輸出(也 被稱作"控制回路"或者"閉合控制回路")，以調(diào)節(jié)電力變換器電路 的輸出特性比如輸出電壓。0003
一般，反饋控制器測(cè)量電力變換器電路的輸出特性，并且基于 此，修改電力變換器電路的電力開關(guān)的占空比/工作周期。另外，由于系 統(tǒng)的需求比如由電力變換器供電的微處理器或者其他負(fù)載動(dòng)態(tài)地變化(例如，因?yàn)槲⑻幚砥魃系挠?jì)算負(fù)載變化)，所以反饋控制器應(yīng)該被配 置為動(dòng)態(tài)地增加或者降低其中電力開關(guān)的占空比/工作周期，以將輸出特 性維持在期望值。0004圖l是現(xiàn)有技術(shù)的示例性步降(step-down)開關(guān)調(diào)節(jié)器電路的簡(jiǎn) 化示意圖。步降開關(guān)調(diào)節(jié)器是電力變換器，其將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為較 低的直流輸出電壓，而通常不需要它們之間的直流隔離。雖然圖解說明 的電力變換器使用了非隔離、降壓(buck)、開關(guān)調(diào)節(jié)器拓?fù)?，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以使用其他的變換器拓?fù)浔热缜跋蚋綦x式或者反激(flyback)變換器拓?fù)湟詫⑤斎腚妷恨D(zhuǎn)換為輸出電壓，還包括將 輸出電壓升壓或降壓到比輸入電壓更高或更低電壓電平的變換器。這些 變換器是技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的，并且為了簡(jiǎn)化描述，將不再圖解說明或 描述示例電路圖。0005圖l圖解說明的降壓(buck)開關(guān)調(diào)節(jié)器電路在其輸入處從電功 率源(圖中表示為電池105)接收直流輸入電壓Vin，并且一般提供調(diào)節(jié)的 輸出電壓V。ut來為例如耦連至開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出的微處理器供電。與降壓變換器拓?fù)涞脑硐嘁恢?，輸出電壓V。ut通常小于輸入電壓Vin，使得電力變 換器的幵關(guān)操作可以調(diào)節(jié)輸出電壓V。ut。0006主電力開關(guān)Qmain (例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管)被使能，以在主要間 隔(通常與控制器(未顯示)所產(chǎn)生的主電力開關(guān)Qmain的主要占空比/工 作周期"D"共同存在)內(nèi)導(dǎo)通，并將輸入電壓Vin耦連至輸出濾波電感 器L。ut。在主要間隔期間，由于電流從電力變換器的輸入流向輸出，流過 輸出濾波電感器L。ut的電感器電流lL。u灘加。電感器電流k。ut的交流分量被 輸出電容器C。ut濾除。0007在互補(bǔ)間隔(通常與也由控制器(未顯示)所產(chǎn)生的主電力開關(guān)Qm^的互補(bǔ)占空比/工作周期"l-D"共同存在)期間，主電力開關(guān)Qmain 被轉(zhuǎn)變?yōu)椴粚?dǎo)通狀態(tài)并且輔助電力開關(guān)Q皿(例如，續(xù)流場(chǎng)效應(yīng)晶體管或 續(xù)流二極管)被使能以導(dǎo)通。輔助電力開關(guān)Qaux提供導(dǎo)電通路以維持流過 輸出濾波電感器L。ut的電感器電流lL。ut的連續(xù)性。在互補(bǔ)間隔期間，流過 輸出濾波電感器L。ut的電感器電流lL。ut降低。 一般而言，主電力開關(guān)Qmain 和輔助電力開關(guān)Q^的占空比/工作周期可以由反饋控制器調(diào)節(jié)，以維持 電力變換器的輸出電壓V。ut的穩(wěn)定。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道， 主電力開關(guān)Qmain和輔助電力開關(guān)Qaux的導(dǎo)通周期可以被短的時(shí)間間隔隔 開，以避免其之間的交叉導(dǎo)通，并且有益地降低與電力變換器相關(guān)的開關(guān)損耗。0008圖2A描繪了圖1中的電路在正常工作狀態(tài)下的波形。振蕩器以時(shí) 鐘波形比如時(shí)鐘波形201，確立開關(guān)周期(switching cycle)的時(shí)間段 (period)。反饋控制器產(chǎn)生占空比/工作周期控制信號(hào)205，其具有主開關(guān)Qm^的導(dǎo)通時(shí)間段D。在導(dǎo)通時(shí)間段D期間，流過主電力開關(guān)Qm^的負(fù)載電流215以與輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差基本成比例的速度增 加。在互補(bǔ)時(shí)間段1-D期間，負(fù)載電流225流過輔助電力開關(guān)Qaux，并且以與電力變換器的輸出電壓基本成比例的速度降低。通過輸出電感器的電流是電流215和225的總和，并且如電感器電流波形235所顯示。直流負(fù)載 電流電平以圖2A中的虛線245示出。0009在電力變換器的實(shí)際應(yīng)用中，這通常是必要的，即感測(cè)傳送到 負(fù)載的輸出電流、或者另一電流比如電力變換器內(nèi)部的電力開關(guān)電流， 并且如果輸出電流或者另一感測(cè)的電流超過設(shè)計(jì)或其他極限值，響應(yīng)地 調(diào)節(jié)或禁能電力變換器的操作。超過設(shè)計(jì)值的電流被稱作過電流狀態(tài)， 它可以損害電力變換器、負(fù)載電路元件乃至它們之間的互連配線。過電 流狀態(tài)可以由下述原因引起，例如負(fù)載電路的意外工作、爆炸的或損壞 的電路元件、或者電路的錯(cuò)誤外接比如測(cè)試儀器的誤用。0010在電力變換器的啟動(dòng)期間保護(hù)其使之避免過電流狀態(tài)通常也是 必要的。在啟動(dòng)期間，輸出濾波電容器，比如圖l中圖解說明的濾波電容 器C。ut和可以耦連到負(fù)載的任何附加濾波電容器，隨輸出電壓的增加，一 般從放電電壓電平到調(diào)節(jié)的電壓電平來汲取大量電流。給耦連到電力變 換器輸出端兩端的電容器充電所需的電流與在輸出端耦連的電容器的總 電容基本成比例，而與輸出電壓升高到所需電壓電平的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度 基本成反比例。包括電力變換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的矛盾的需求一般將輸出 電流限制在極限值以保護(hù)電路元件，但是也要求在盡可能短的時(shí)間間隔 內(nèi)，輸出電壓成為調(diào)節(jié)的電壓電平。用于啟動(dòng)的理想電力變換器設(shè)計(jì)考 慮到這些需求，將基本以最大的極限電流電平提供輸出電流。0011在現(xiàn)有技術(shù)開關(guān)模式電力變換器中的過電流保護(hù)的電路設(shè)計(jì)中， 電力變換器電力開關(guān)中的電流一般被監(jiān)控。監(jiān)控方案包括當(dāng)電力開關(guān)接 通時(shí)監(jiān)控電力開關(guān)電流，或可替代地，監(jiān)控電路輸出部分中的電路元件 比如輸出濾波電感器中的電流。在現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)檢測(cè)到過電流狀態(tài)時(shí)， 在感測(cè)到過電流狀態(tài)的開關(guān)周期的剩余部分期間，電力開關(guān)被關(guān)閉。0012圖2B描繪了圖1中電路的波形，增加了當(dāng)主電力開關(guān)中的電流215 超過過電流限制217時(shí)，監(jiān)控主電力開關(guān)中的電流、并終止主電力開關(guān)導(dǎo)通即占空比/工作周期的過程。圖2B中的波形對(duì)應(yīng)于圖2A中的波形，其具 有的相同參考名稱，將不再次描述。當(dāng)主電力開關(guān)中的電流215超過過電 流限制時(shí)，產(chǎn)生過電流信號(hào)255，以在它被反饋控制器終止之前終止占空 比/工作周期，并且然后電感器電流以與輸出電壓基本成比例的速率下降。0013過電流保護(hù)裝置，比如上面所描述的過電流保護(hù)裝置，對(duì)于在 工作狀態(tài)范圍內(nèi)保護(hù)電路元件可以是有效的。然而，尤其對(duì)于在啟動(dòng)期 間的低輸出電壓情況或者對(duì)于在電力變換器輸出端兩端耦連的低阻抗故 障，控制過電流狀態(tài)所必需的極短的電力變換器占空比/工作周期可能導(dǎo) 致電力開關(guān)電流的失控狀態(tài)。失控狀態(tài)是接通或關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)所必需 的有限時(shí)間的結(jié)果，其導(dǎo)致電力開關(guān)的最小有效占空比/工作周期，尤其 是對(duì)于開關(guān)頻率超過100kHz的電力變換器電路。失控狀態(tài)也可以發(fā)生在 降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器電路將高輸入電壓(比如15伏特或更高電壓)轉(zhuǎn)換為低 輸出電壓(比如3.3伏特或更低電壓)的時(shí)候，降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器電路在標(biāo) 準(zhǔn)工作期間內(nèi)在地要求短的占空比/工作周期。在降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器中， 占空比/工作周期大致為輸出電壓和輸入電壓的比值。0014圖2C描繪了圖1中電路的波形，其包括過電流限制217和過電流 信號(hào)255。圖2C圖解說明了低輸出電壓的過電流狀態(tài)，低輸出電壓是由耦 連在輸出端的低阻抗故障或者在啟動(dòng)期間所引起的，這兩者都產(chǎn)生低輸 出電壓。圖2C中以最小值說明占空比/工作周期D。主電力開關(guān)電流增大 直到其達(dá)到過電流限制為止，這產(chǎn)生終止占空比/工作周期的過電流信號(hào) 255。在互補(bǔ)占空比/工作周期l-D期間流過輔助電力開關(guān)的電感器電流由于低輸出電壓，而只有微弱的降低。時(shí)鐘信號(hào)最后開始電力變換器的新 的開關(guān)周期。之后主電力開關(guān)電流以接近于過電流限制的值開始，并且 在隨后的占空比/工作周期可以被終止之前超過過電流限制。以這種方式， 提供輸出電流的輸出電感器中的電流從一個(gè)周期到一個(gè)周期地增加，導(dǎo) 致電力變換器的失控電流狀態(tài)。0015在Wilcox等人的第5,481,178號(hào)美國(guó)專利中描述了控制過電流狀 態(tài)的另一種控制方案。Wilcox的專利說明了一種開關(guān)調(diào)節(jié)器電路，其中 在電力開關(guān)禁能間隔期間，當(dāng)輸出濾波電容器中的電荷足以維持調(diào)節(jié)的 輸出電壓的時(shí)候，兩個(gè)活動(dòng)的電力開關(guān)的工作在低負(fù)載電流時(shí)被間歇地禁能。Wilcox等人認(rèn)識(shí)到開關(guān)模式電力變換器中電力開關(guān)正常的周期性的工作是促使電路低效率的過程。他們所描述的控制裝置雖然當(dāng)輸出電 流較低吋，通過間歇性地禁能電力開關(guān)來增加輕負(fù)載的功率變換效率， 但是在低阻抗故障狀態(tài)(高輸出電流)下或者在啟動(dòng)期間沒能控制輸出電流。0016在現(xiàn)有技術(shù)中提供過電流保護(hù)的另一種方案是電力變換器在打 嗝模式(hiccup mode)工作。當(dāng)檢測(cè)到過電流狀態(tài)時(shí)，打嗝模式在預(yù)置 的、固定的時(shí)間段內(nèi)關(guān)閉開關(guān)模式電力變換器。這種在有限范圍的工作 狀態(tài)內(nèi)工作的設(shè)計(jì)具有在啟動(dòng)時(shí)電力變換器輸出不能達(dá)到所需輸出電壓 的風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)橐源蜞貌僮鳟a(chǎn)生的輸出電感器電流不足以為這種控制 方法提供所需的啟動(dòng)負(fù)載電流。0017因而，現(xiàn)有技術(shù)電路的首要局限性是，在電力變換器電路工作 期間可能遇到的故障狀態(tài)的范圍內(nèi)，尤其對(duì)于在電力變換器的輸出端耦 連的低阻抗故障，以及在其輸出端耦連有大量電容的電力變換器啟動(dòng)期 間，不能自適應(yīng)地響應(yīng)輸出過電流狀態(tài)。另外，現(xiàn)有技術(shù)的過電流保護(hù) 方案的配置通常在集成電路中不容易實(shí)現(xiàn)。此外，在集成電路中實(shí)現(xiàn)成 本效益的、靈活的過電流保護(hù)過程之前，通常要求對(duì)系統(tǒng)參數(shù)，包括外 部增加到配電裝置的組件之中的復(fù)雜關(guān)系有實(shí)質(zhì)的分析。因此對(duì)于改進(jìn) 的過電流保護(hù)方案存在這樣的需求，即可以防止輸出電流超過寬范圍工 作狀態(tài)的設(shè)計(jì)限制，可以穩(wěn)定地為具有一定負(fù)載范圍的啟動(dòng)提供足夠的 電流，可以用數(shù)字控制邏輯直接地實(shí)現(xiàn)，可以以最少的設(shè)計(jì)工作自適應(yīng) 地提供過電流保護(hù)，還可以在基本最少的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)電力變換器。發(fā)明內(nèi)容0018本發(fā)明的實(shí)施例作為電力變換器的過電流保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了技 術(shù)優(yōu)點(diǎn)。過電流保護(hù)方案包括用于開關(guān)模式電力變換器的控制器，其基 本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)電力變換器中超過電流限制的電 流。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，開關(guān)模式電力變換器是步降降壓(step-down buck)調(diào)節(jié)器。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供計(jì)數(shù)N， N是基本在電力開關(guān) 的最小接通時(shí)間內(nèi)，電力變換器中的電流超過電流限制的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量。然后在開關(guān)模式電力變換器中電力開關(guān)的導(dǎo)通在一定數(shù)量的周期內(nèi)被禁止，所述一定數(shù)量的周期是計(jì)數(shù)N的函數(shù)f(N)。函數(shù)f(N)是計(jì)數(shù)N的 遞增函數(shù)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，函數(shù)f(N)是函數(shù)2^1。如果在電力開關(guān) 的最小接通時(shí)間內(nèi)，在隨后的開關(guān)周期中電力變換器內(nèi)的電流沒有超過 電流限制，那么計(jì)數(shù)N被復(fù)位到初始值?；驹陔娏﹂_關(guān)的最小接通時(shí)間 內(nèi)，在隨后的開關(guān)周期中電流沒有超過電流限制的時(shí)候，計(jì)數(shù)N可以被重 置為起始值零或者取決于過電流保護(hù)方案邏輯的另一個(gè)常數(shù)。在另一實(shí) 施例中，控制器由集成電路實(shí)現(xiàn)。0019根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，開關(guān)模式電力變換器包括提 供過電流保護(hù)的控制器。用于開關(guān)模式電力變換器的控制器基本在電力 開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)檢測(cè)電力變換器中超過電流限制的電流。在一個(gè) 優(yōu)選實(shí)施例中，開關(guān)模式電力變換器是步降降壓調(diào)節(jié)器。在一個(gè)優(yōu)選實(shí) 施例中，提供計(jì)數(shù)N， N是基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，電力變換 器中的電流超過電流限制的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量。然后在開關(guān)模式電力變換 器中電力開關(guān)的導(dǎo)通在一定數(shù)量的周期內(nèi)被禁止，所述一定數(shù)量的周期 是計(jì)數(shù)N的函數(shù)f(N)。函數(shù)f(N)是計(jì)數(shù)N的遞增函數(shù)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例 中，函數(shù)f(N)是函數(shù)2^1。如果基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，隨后 的開關(guān)周期中電力變換器內(nèi)的電流沒有超過電流限制，那么計(jì)數(shù)N被復(fù)位 到起始值?；驹陔娏﹂_關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，在隨后的開關(guān)周期中電 流沒有超過電流限制時(shí)，計(jì)數(shù)N可以被重置為起始值零或者取決于過電流 保護(hù)方案邏輯的另一個(gè)常數(shù)。在另一實(shí)施例中，控制器由集成電路實(shí)現(xiàn)。0020本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是構(gòu)造用于開關(guān)模式電力變換器的控制 器的方法，控制器基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)檢測(cè)電力變換器中 超過電流限制的電流。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該方法包括將開關(guān)模式電 力變換器設(shè)計(jì)為步降降壓調(diào)節(jié)器。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該方法包括計(jì) 算計(jì)數(shù)N， N是基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，電力變換器中的電流 超過電流限制的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量。該方法進(jìn)一步包括在一定數(shù)量的周期內(nèi)禁止開關(guān)模式電力變換器中電力開關(guān)的導(dǎo)通，所述一定數(shù)量的周期是 計(jì)數(shù)N的函數(shù)f(N)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，函數(shù)f(N)被選擇為是計(jì)數(shù)N的 遞增函數(shù)。在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，函數(shù)f(N)被選擇為是函數(shù)2W-l。該方法包括如果基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，隨后的開關(guān)周期中電力變換器內(nèi)的電流沒有超過電流限制，將計(jì)數(shù)N復(fù)位到起始值。在一個(gè)優(yōu)選 實(shí)施例中，該方法包括基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，在隨后的幵 關(guān)周期中電流沒有超過電流限制的時(shí)候，將計(jì)數(shù)N重置為起始值零或者取 決于過電流保護(hù)方案邏輯的另一個(gè)常數(shù)。在又一個(gè)實(shí)施例中，該方法包 括以集成電路實(shí)現(xiàn)控制器。0021本發(fā)明通過跳過一定數(shù)量的開關(guān)周期，解決了電力變換器上嚴(yán) 重過載及在啟動(dòng)期間的過電流保護(hù)問題，跳過的開關(guān)周期的數(shù)量取決于 在電力幵關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)檢測(cè)過電流狀態(tài)的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量。0022本發(fā)明的實(shí)施例作為過電流保護(hù)方案實(shí)現(xiàn)了技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，其可以 在寬范圍的電力變換器工作狀態(tài)下工作。本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)包括用于 電力變換器的控制器，其易于由低成本和高度緊湊數(shù)字邏輯的集成電路 實(shí)現(xiàn)。
0023圖l圖解說明了現(xiàn)有技術(shù)的步降開關(guān)調(diào)節(jié)器；0024圖2A、 2B和2C圖解說明了圖1中所說明電路的波形；0025圖3圖解說明了電力變換器電路的波形，該電力變換器電路包括 本發(fā)明的動(dòng)態(tài)頻移過程的實(shí)施例；0026圖4圖解說明了電力變換器電路的電感器電流波形，該電力變 換器電路包括本發(fā)明的動(dòng)態(tài)頻移過電流保護(hù)過程的實(shí)施例；0027圖5圖解說明了本發(fā)明的過電流保護(hù)過程實(shí)施例的邏輯流程的方 框圖；以及0028圖6圖解說明了由本發(fā)明的周期跳躍控制器控制的步降開關(guān)調(diào)節(jié)器。
具體實(shí)施方式
0029下面詳細(xì)地描述了優(yōu)選實(shí)施例的制造與使用。然而，應(yīng)該意識(shí) 到本發(fā)明提供了許多可應(yīng)用的發(fā)明概念，其可以具體表現(xiàn)為許多各種各 樣的特定情境。所討論的特定實(shí)施例僅僅說明了制造和使用本發(fā)明的特定的方式，并不限制本發(fā)明的范圍。0030關(guān)于特定情境中的優(yōu)選實(shí)施例來描述本發(fā)明的實(shí)施例，即具有 用于過電流保護(hù)的動(dòng)態(tài)頻移的直流-直流電力變換器。0031可選實(shí)施例包括隔離的和非隔離的電力變換器，并且電力變換 器將輸入電壓升壓或降壓到更高或更低的輸出電壓。0032本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例使用至少兩個(gè)步驟來提供過電流保護(hù)。在 提供過電流保護(hù)的優(yōu)選實(shí)施例的第一步中，在電力開關(guān)接通時(shí)，即在開 關(guān)周期內(nèi)使能導(dǎo)通時(shí)，檢測(cè)電力開關(guān)中的過電流狀態(tài)。這一步可以通過 檢測(cè)主電力開關(guān)比如MOSFET電力開關(guān)兩端的電壓，以及使用比較器將 電力開關(guān)兩端的電壓與電壓閾值相比較來實(shí)現(xiàn)?？商娲?，可以使用與 電力開關(guān)串聯(lián)的電流感測(cè)變壓器，電阻器和其他必要組件耦連至電流感 測(cè)變壓器次級(jí)繞組，以感測(cè)電力開關(guān)電流。在本發(fā)明的寬范圍之內(nèi)的更 多可替代的電流感測(cè)裝置包括技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)公知的電阻器和霍爾效應(yīng)器 件。0033在優(yōu)選實(shí)施例的第二步，如果在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)檢 測(cè)到過電流狀態(tài)，那么使能動(dòng)態(tài)頻移過電流保護(hù)過程。如果基本在電力 開關(guān)的最小接通時(shí)間之后，例如在500kHz電力變換器中電力開關(guān)的最小 接通時(shí)間后的超過20ns之后，檢測(cè)到過電流狀態(tài)，那么不使能動(dòng)態(tài)頻移 過電流保護(hù)過程。在500kHz電力變換器中所使用的電力開關(guān)的最小接通 時(shí)間一般可以在100-200ns的范圍內(nèi)。0034當(dāng)動(dòng)態(tài)頻移過電流保護(hù)過程被使能時(shí)，它在至少隨后的開關(guān)周 期內(nèi)禁止接通主電力開關(guān)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)頻移過程被 使能的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量。如果該過程在一個(gè)周期內(nèi)不被使能，即基本在 主電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到過電流狀態(tài)，那么使能次數(shù)的 連續(xù)計(jì)數(shù)被復(fù)位到零或者被復(fù)位到為了與過電流保護(hù)過程中的控制邏輯 相適應(yīng)所必需的其他合適值。如果動(dòng)態(tài)頻移過電流保護(hù)過程連續(xù)N次被 使能，那么主電力開關(guān)在函數(shù)f(N)所確定的一定數(shù)量的周期內(nèi)不被接通， 其中f(N)取決于連續(xù)的使能計(jì)數(shù)。函數(shù)f(N)是正函數(shù)，其隨連續(xù)使能計(jì) 數(shù)N的增加而增加。函數(shù)f(N)優(yōu)選是函數(shù)2W-l。函數(shù)f(N)的其他優(yōu)選函 數(shù)包括并不限制于函數(shù)2 ，N-l和函數(shù)N。使用了優(yōu)選函數(shù)2^1或其他函數(shù)的函數(shù)f(N)可以被修改，比如通過增加常數(shù)，以適應(yīng)過電流保護(hù)過程 中的控制邏輯。0035圖3圖解說明了由步降開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的波形，步降開關(guān)調(diào)節(jié) 器是由優(yōu)選實(shí)施例中的動(dòng)態(tài)頻移過電流保護(hù)控制的。時(shí)鐘信號(hào)301確立 電力變換器的開關(guān)周期的時(shí)間段。波形305表示電力變換器工作在最小 占空比/工作周期。波形365表示在主電力開關(guān)的最小接通時(shí)間期間可能 檢測(cè)到的過電流信號(hào)，并且動(dòng)態(tài)頻移信號(hào)(dfs) 375表示在主電力開關(guān) 的最小接通時(shí)間期間檢測(cè)過電流信號(hào)。波形385表示輸出電感器中的電 流。虛線317表示過電流限制。0036現(xiàn)在參看圖4，其圖解說明了在啟動(dòng)期間，或者由耦連在電力變 換器的輸出端的低阻抗故障所產(chǎn)生的，具有低輸出電壓的優(yōu)選實(shí)施例中 直流-直流變換器內(nèi)電感器電流的波形。這個(gè)示例中的過電流限制420是 3.6安培。在T1時(shí)刻主電力開關(guān)接通，電感器電流410增加。特定地在 主電力開關(guān)的最小接通時(shí)間期間，電感器電流不超過3.6安培，并且動(dòng)態(tài) 頻移信號(hào)不被使能。在下一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，在主電力開關(guān)的最小導(dǎo)通期 間，在T2時(shí)刻檢測(cè)到過電流狀態(tài)，從而使能動(dòng)態(tài)頻移信號(hào)。N=l時(shí)使用 函數(shù)2W-1， 一個(gè)開關(guān)周期被跳過。在跳過一個(gè)開關(guān)周期之后，在T3時(shí)刻 主電力開關(guān)被使能以再次導(dǎo)通，并且在主電力開關(guān)的最小導(dǎo)通期間，檢 測(cè)過電流狀態(tài)，再次使能動(dòng)態(tài)頻移信號(hào)。因?yàn)樵诓粰z測(cè)過電流狀態(tài)的條 件下，插入開關(guān)周期不被執(zhí)行，所以N的計(jì)數(shù)器增加到2，并使用函數(shù) 2N-1，現(xiàn)在三個(gè)開關(guān)周期被跳過。該過程繼續(xù)，因?yàn)樵谥麟娏﹂_關(guān)的最小 導(dǎo)通期間又連續(xù)檢測(cè)到過電流狀態(tài)，所以在T4時(shí)刻跳過七個(gè)開關(guān)周期， 且之后因?yàn)橄嗤脑颍赥5時(shí)刻15個(gè)開關(guān)周期被跳過，計(jì)數(shù)連續(xù)的 過電流檢測(cè)。因此，動(dòng)態(tài)頻移過電流保護(hù)過程自適應(yīng)地調(diào)節(jié)電力變換器 的工作，以防止電力變換器的輸出端在嚴(yán)重故障狀態(tài)下或者在輸出電壓 較低而輸出電容器正被充電時(shí)的啟動(dòng)期間的過電流失控。0037在優(yōu)選實(shí)施例中保留了現(xiàn)有技術(shù)中在電力變換器開關(guān)周期內(nèi)的 任何時(shí)間，主電力開關(guān)的占空比/工作周期的常規(guī)中止。0038現(xiàn)在參考圖5，其圖解說明了用于動(dòng)態(tài)頻移過電流保護(hù)過程的過 電流控制器500的實(shí)施例的方框圖。圖5中所說明的邏輯流程包括在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)在電力開關(guān)中檢測(cè)到的過電流狀態(tài)的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量的計(jì)數(shù)N，以及在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)過電流狀態(tài)的檢測(cè) 之后剩下要被跳過的電力變換器開關(guān)周期的數(shù)量的計(jì)數(shù)C。假定這兩個(gè) 計(jì)數(shù)在電力變換器的啟動(dòng)時(shí)都已經(jīng)被初始化為零值。0039在電力變換器的每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，過程在標(biāo)為"開始"的方框 510處開始。在方框520中，剩下要被跳過的電力變換器開關(guān)周期的數(shù)量 的計(jì)數(shù)C遞減1，并且在方框530中，防止C的值小于零。在方框540， 如果計(jì)數(shù)C不為零，即如果C大于零，那么過程退出而不接通電力開關(guān)。 由于在較早開關(guān)周期內(nèi)檢測(cè)到在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間期間的過電流 狀態(tài)，所以電力開關(guān)周期將要被跳過，因此電力開關(guān)不被接通。在方框 540中如果計(jì)數(shù)C等于零，那么在方框550中邏輯繼續(xù)，并且電力變換 器開關(guān)周期被使能工作，同時(shí)在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間期間感測(cè)電力 開關(guān)中的電流。在方框560，如果在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間期間，感測(cè) 的電力開關(guān)中的電流超過電流限制，那么在方框570，連續(xù)的過電流計(jì)數(shù) N遞增l。在方框580，計(jì)算剩余要被跳過的開關(guān)周期的計(jì)數(shù)。整數(shù)"1" 被加到函數(shù)f(N)以適應(yīng)圖5中所表示的邏輯。之后過程退出。0040然而，在方框560，如果感測(cè)的電流不超過電流限制，那么在方 框5卯，連續(xù)的過電流周期的計(jì)數(shù)被復(fù)位到零，并且過程退出。0041在圖5中所表示的優(yōu)選實(shí)施例的過程中，在方框550中，當(dāng)電 力變換器工作時(shí)并且感測(cè)到電力開關(guān)電流，如果感測(cè)的電流大于電流限 制，即使在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間期間沒有檢測(cè)到過電流狀態(tài)，那么 占空比/工作周期也立即被中止。在又一個(gè)的實(shí)施例中，可以感測(cè)電路中 別處的電流而不是電力開關(guān)電流，比如輸出電感器中的電流。0042圖5中所圖解說明的邏輯流程可以使用技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)被普遍理解 的技術(shù)，在傳統(tǒng)數(shù)字集成電路或混合信號(hào)集成電路中直接地實(shí)現(xiàn)，或者 可以由微處理器或其他處理方法執(zhí)行。0043現(xiàn)在參看圖6，其圖解說明了由本發(fā)明的周期跳躍控制器120控 制的步降開關(guān)調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)化電路圖。0044為了簡(jiǎn)化描述，與圖1中電路元件相對(duì)應(yīng)的圖6中的電路元件 將不被重新描述。圖6中的電路包括反饋控制器130，其感測(cè)輸出電壓V。ut，并產(chǎn)生主電力開關(guān)Q^n的占空比/工作周期D，以調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)節(jié)器 的輸出電壓V。ut?？商娲兀_關(guān)調(diào)節(jié)器的另一個(gè)特征可以被調(diào)節(jié)，比如 輸出電流，或者輸出電壓和輸出電流的結(jié)合。該電路包括周期跳躍控制器120，其根據(jù)參考圖5所闡明的周期跳躍邏輯實(shí)現(xiàn)。周期跳躍控制器選 擇性地禁止由反饋控制器130產(chǎn)生的電力開關(guān)占空比/工作周期D，根據(jù) 需要產(chǎn)生占空比/工作周期D*，以控制主電力開關(guān)Qmain，并且互補(bǔ)控制 信號(hào)l-Df來控制輔助電力開關(guān)Qaux。在主電力開關(guān)的最小接通時(shí)間期間，主電力開關(guān)Qmain中的電流被感測(cè)，比如主電力開關(guān)源引線中的電流傳感 器110。如果在最小接通時(shí)間期間和在如前面描述的連續(xù)開關(guān)周期內(nèi)，感測(cè)的電流超過電流限制，那么主電力開關(guān)的導(dǎo)通被周期跳躍控制器120 禁止。0045可替代地，電路中別處的電流可以被感測(cè)到，比如通過與輸出 電感器L。ut串聯(lián)的電流傳感器115。如果超過電力開關(guān)的最小接通時(shí)間， 感測(cè)的電流超過電流限制，則主電力開關(guān)的導(dǎo)通也可以被停止，這可以 以常規(guī)電流限制電路實(shí)現(xiàn)。按照技術(shù)領(lǐng)域所普遍理解的，可以這樣執(zhí)行電流感測(cè)例如通過使用與電力開關(guān)或者與電路中其他部件相串聯(lián)的電阻器，使用電流傳感變壓器，其中電阻器或者其他電路元件耦連至變壓 器次級(jí)繞組，使用霍爾效應(yīng)器件，或者通過感測(cè)電力開關(guān)兩端的電壓。0046本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將意識(shí)到存在其他實(shí)施例，并且 對(duì)于所描述的示例性實(shí)施方式可以做出各種大量的修改，而不偏離本發(fā) 明所要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有過電流保護(hù)的開關(guān)模式電力變換器，其包括控制器，其包括檢測(cè)器，其具有耦連至所述電力變換器輸出的輸入，基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，所述檢測(cè)器檢測(cè)所述電力變換器中超過電流限制的電流，并輸出過電流信號(hào)；計(jì)數(shù)器，其被耦連至所述檢測(cè)器以接收所述過電流信號(hào)，所述檢測(cè)器提供計(jì)數(shù)N，該計(jì)數(shù)N是基本在所述電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，所述電力變換器中的電流超過所述電流限制的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量；和禁止電路，其被耦連至所述計(jì)數(shù)器并接收所述計(jì)數(shù)N，所述禁止電路在一定數(shù)量的周期內(nèi)禁止所述開關(guān)模式電力變換器中所述電力開關(guān)的導(dǎo)通，所述一定數(shù)量的周期是所述計(jì)數(shù)N的函數(shù)，其中所述計(jì)數(shù)N的函數(shù)是所述計(jì)數(shù)N的遞增函數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電力變換器，其中所述開關(guān)模式 電力變換器是步降降壓調(diào)節(jié)器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)模式電力變換器，其中所述計(jì)數(shù) N的函數(shù)是函數(shù)21^1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)模式電力變換器，其中如果基本 在所述電力開關(guān)的所述最小接通時(shí)間內(nèi)，所述電力變換器內(nèi)的電流沒有 超過所述電流限制，那么所述計(jì)數(shù)N被復(fù)位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電力變換器，其中如果基本在所 述電力開關(guān)的所述最小接通時(shí)間內(nèi)，所述電力變換器內(nèi)的電流沒有超過 所述電流限制，那么所述計(jì)數(shù)N被復(fù)位到零值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)模式電力變換器，其中所述控制 器是以集成電路實(shí)現(xiàn)的。
7. —種為開關(guān)模式電力變換器提供過電流保護(hù)的控制器，其包括-用于基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)所述電力變換器中的電流超過電流限制的電路；一電路，其被耦連至用于檢測(cè)所述電力變換器中電流的電路，用于 提供計(jì)數(shù)N，該計(jì)數(shù)N是基本在所述電力開關(guān)的所述最小接通時(shí)間內(nèi)， 所述電力變換器中的所述電流超過所述電流限制的連續(xù)次數(shù)的數(shù)量；和一電路，其被耦連至用于提供所述計(jì)數(shù)N的電路，用于在一定數(shù)量 的周期內(nèi)禁止所述開關(guān)模式電力變換器中所述電力開關(guān)的導(dǎo)通，所述一 定數(shù)量的周期是所述計(jì)數(shù)N的函數(shù)，其中所述函數(shù)是所述計(jì)數(shù)N的遞增 函數(shù)。
8. —種為開關(guān)模式電力變換器提供過電流保護(hù)的方法，其包括 基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)所述電力變換器中超過電流限制的電流；最小接通時(shí)間計(jì)算基本在所述電力開關(guān)的所述最小接通時(shí)間內(nèi)所述 電力變換器中的所述電流超過所述電流限制的連續(xù)次數(shù)N的數(shù)量；以及在一定數(shù)量的周期內(nèi)禁止所述幵關(guān)模式電力變換器中所述電力開關(guān)的導(dǎo)通，所述一定數(shù)量的周期為所述計(jì)數(shù)N的函數(shù)，其中所述計(jì)數(shù)N的 函數(shù)是所述計(jì)數(shù)N的遞增函數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括用所述函數(shù)2氣1計(jì)算所述計(jì)數(shù)N。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括如果基本在所述電力幵關(guān)的所 述最小接通時(shí)間內(nèi)，所述電力變換器中的所述電流沒有超過所述電流限 制，那么將所述計(jì)數(shù)N復(fù)位到起始值。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括如果基本在所述電力開關(guān)的 所述最小接通時(shí)間內(nèi)，所述電力變換器中的所述電流沒有超過所述電流限制，那么將所述計(jì)數(shù)N復(fù)位到零值,
全文摘要
一種用于開關(guān)模式電力變換器的控制器和方法通過基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)檢測(cè)電力變換器中超過電流限制的電流來自適應(yīng)地提供過電流保護(hù)。計(jì)算計(jì)數(shù)N，它為基本在電力開關(guān)的最小接通時(shí)間內(nèi)電流超過電流限制的連續(xù)工作開關(guān)周期的數(shù)量。在一定數(shù)量的周期數(shù)內(nèi)禁止電力開關(guān)導(dǎo)通，該周期數(shù)是計(jì)數(shù)N的函數(shù)，是N的遞增函數(shù)。計(jì)數(shù)N的函數(shù)優(yōu)選為函數(shù)2N-1。如果基本在電力開關(guān)的最小的接通時(shí)間內(nèi)，電力變換器中的電流不超過電流限制，則計(jì)數(shù)N被復(fù)位為0。對(duì)于許多應(yīng)用而言，可以很容易地用數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)該控制器。
文檔編號(hào)H02H9/00GK101258657SQ200680032394
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2006年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者N·唐 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司