具有減小的浪涌電流及故障保護(hù)的切換式電容器dc-dc轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有減小的浪涌電流及故障保護(hù)的切換式電容器DC-DC轉(zhuǎn)換器
[0001]相關(guān)串請(qǐng)案交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張對(duì)張金東(Jindong Zhang)等人于2014年I月17日申請(qǐng)的以引用方式并入本文中的第61/928，745號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)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(lái)說(shuō)涉及一種具有電流限制電路及故障保護(hù)電路的切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0004]也稱(chēng)為電荷泵的切換式電容器網(wǎng)絡(luò)通常用以對(duì)輸入電壓Vin進(jìn)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(fù)載可為常規(guī)電阻型負(fù)載、電壓調(diào)節(jié)器(例如，降壓轉(zhuǎn)換器)或任何其它類(lèi)型的負(fù)載。
[0005]關(guān)于此類(lèi)切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)問(wèn)題是輸入電壓直接耦合到電容器。在系統(tǒng)的啟動(dòng)后，當(dāng)首先施加Vin時(shí)，到電容器中的浪涌電流在達(dá)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(guò)1000A。這對(duì)設(shè)計(jì)強(qiáng)加了各種約束及風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]圖1圖解說(shuō)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(chēng)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(dāng)跨越電容器Cl連接時(shí)重復(fù)地將電容器C2充電到Vin/2，且當(dāng)跨越電容器C3連接時(shí)將電荷轉(zhuǎn)移到電容器C3 (及負(fù)載12) ο電容器Cl及C3在啟動(dòng)時(shí)最初由Vin充電，其中Cl與C3的節(jié)點(diǎn)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(kāi)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(wú)電容器Cl的情況下恰當(dāng)?shù)夭僮?。在此情況中，當(dāng)FET Ql及Q3接通時(shí)，電容器C2及C3串聯(lián)地由Vin充電。當(dāng)FET Q2及Q4接通時(shí)，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(shuō)明在Vin電力供應(yīng)于時(shí)間TO通電后當(dāng)電容器C1-C3具有零初始電壓時(shí)，浪涌電流可如何容易地超過(guò)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(guò)FET的安全操作電流且在設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)Q1-Q4之后達(dá)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(dǎo)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(yīng)在操作期間檢測(cè)故障且采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 在優(yōu)選實(shí)施例中，用于切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)控制器電路裝納在與電流限制電路及故障檢測(cè)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(dāng)在啟動(dòng)期間或在穩(wěn)態(tài)期間檢測(cè)到故障時(shí)，所述FET還充當(dāng)保護(hù)FET。在啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)期間使用不同的故障檢測(cè)技術(shù)。
[0012]在啟動(dòng)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(shí)切換式電容器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout在預(yù)計(jì)時(shí)間限制內(nèi)斜升到其穩(wěn)態(tài)Vout。當(dāng)浪涌電流低于電流限制閾值時(shí)，串聯(lián)FET完全接通以將全輸入電壓供應(yīng)到切換式電容器轉(zhuǎn)換器。
[0013]故障檢測(cè)電路包含對(duì)浪涌電流的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)器。如果持續(xù)時(shí)間在第一閾值時(shí)間之外，那么系統(tǒng)關(guān)斷串聯(lián)FET并發(fā)出故障信號(hào)。此外，在啟動(dòng)階段期間，如果Vout在第一閾值時(shí)間內(nèi)不處于目標(biāo)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(hào)。
[0014]另一電路在穩(wěn)態(tài)操作期間檢測(cè)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(dá)多于第二閾值時(shí)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(hào)。上閾值電壓及下閾值電壓分別以小的正或負(fù)偏移系結(jié)到Vin/N (其中N等于目標(biāo)Vin/Vout)。此外，在穩(wěn)態(tài)操作期間，輸入電流達(dá)到電流限制達(dá)長(zhǎng)于第二閾值時(shí)間，那么關(guān)斷串聯(lián)FET且發(fā)出故障信號(hào)。所述第一閾值時(shí)間可不同于所述第二閾值時(shí)間。
[0015]電容器開(kāi)關(guān)可在封裝內(nèi)部或外部，此取決于所述開(kāi)關(guān)的電流要求。
[0016]切換式電容器轉(zhuǎn)換器可對(duì)輸入電壓進(jìn)行倍增或分壓。連接到轉(zhuǎn)換器的輸出的負(fù)載可為電阻負(fù)載、電壓調(diào)節(jié)器或任何其它類(lèi)型的負(fù)載。
[0017]本發(fā)明描述了各種實(shí)施例。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1圖解說(shuō)明常規(guī)切換式電容器DC/DC轉(zhuǎn)換器。
[0019]圖2圖解說(shuō)明施加到圖1中的開(kāi)關(guān)的信號(hào)。
[0020]圖3圖解說(shuō)明在啟動(dòng)時(shí)在圖1的轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的各種波形。
[0021]圖4圖解說(shuō)明發(fā)明性電路的尚級(jí)不意圖。
[0022]圖5圖解說(shuō)明在啟動(dòng)時(shí)圖4的電路內(nèi)的各種波形。
[0023]圖6更詳細(xì)地圖解說(shuō)明圖4的經(jīng)封裝電路。
[0024]圖7A是識(shí)別由圖6的電路在啟動(dòng)階段期間執(zhí)行的步驟的流程圖。
[0025]圖7B是識(shí)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(shuō)明電容器網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載可如何作為降壓轉(zhuǎn)換器。
[0027]圖9圖解說(shuō)明電容器網(wǎng)絡(luò)可如何經(jīng)連接以對(duì)輸入電壓進(jìn)行倍增。
[0028]以相同編號(hào)標(biāo)記相同或等效的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0029]圖4圖解說(shuō)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(jí)示意圖。在一個(gè)實(shí)施例中，除圖1中的電容器C1-C3之外的整個(gè)電路均在具有用于連接到印刷電路板的引線的單個(gè)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(yīng)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(cè)電阻器感測(cè)輸入電流Iin，且將對(duì)應(yīng)于Iin的信號(hào)施加到電流浪涌控制器22。控制器22在啟動(dòng)期間驅(qū)動(dòng)FET 18的柵極使得Iin處于可設(shè)定電流限制?？刂破?2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(shí)質(zhì)上完全充電為止。此時(shí)，Iin將變?yōu)榈陀陔娏飨拗疲铱刂破?2增加FET 18的柵極電壓直到FET 18完全導(dǎo)通為止。此時(shí)，Vin2將大致等于Vinl，且穩(wěn)態(tài)操作可開(kāi)始。
[0032]圖5圖解說(shuō)明在啟動(dòng)時(shí)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(dá)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(shí)，轉(zhuǎn)換器10開(kāi)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(shí)間一起檢測(cè)輸出電壓Vout。如果電流限制花費(fèi)長(zhǎng)于閾值時(shí)間(時(shí)間I)或如果Vout在某一范圍(在Vhigh與Vlow之間)超出閾值時(shí)間(時(shí)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(bào)告信號(hào)。
[0034]如果在啟動(dòng)階段期間不存在故障，那么電路塊24繼續(xù)控制開(kāi)關(guān)Q1_Q4(圖1及2)以產(chǎn)生大致(Vinl)/2的輸出電壓Vout以實(shí)現(xiàn)操作穩(wěn)態(tài)。
[0035]圖6更詳細(xì)地圖解說(shuō)明圖4的電路的一個(gè)實(shí)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(yīng)啟動(dòng)。
[0037]到轉(zhuǎn)換器10中的電流流動(dòng)穿過(guò)低值串聯(lián)電阻器32及FET 18(或其它類(lèi)型的晶體管或可控制導(dǎo)體)?？缭诫娮杵?2的電壓由比較器34檢測(cè)。偏移電壓Vlim由電壓源36產(chǎn)生。當(dāng)跨越電阻器32的電壓超過(guò)Vlim時(shí)，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(dòng)器38控制到FET 18的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)器38產(chǎn)生足以使電流傳導(dǎo)穿過(guò)FET 18的柵極電壓使得到比較器34中的輸入不超過(guò)跳脫閾值。因此，在啟動(dòng)時(shí)，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(guò)檢測(cè)到輸入電流處于電流限制而使第一計(jì)時(shí)器起動(dòng)，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(dòng)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(duì)慢的速率斜升到48V (通過(guò)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(biāo)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(jiǎn)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