专利名称：限制开关电源中的最大开关电流的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般性涉及电子电路，更具体地，本发明涉及开关模式电源。
背景技术：
开关电源中的开关可能会受过电压、过电流或电压和电流的特殊组合的影响而被 损坏。瞬时电压和电流必须维持在由安全工作区所限定的界限内，以防止损坏该开关。因 此，为了保护开关，以及为了调整输出，用于开关电源的控制器通常测量电压和电流。现实器件的需求和局限之间的矛盾经常使得对于控制器来说在所有情形下测量 保护开关所必须的量变得不可能或者不实际。尽管开关上的最大电压通常可根据对直流输 入电压的简单测量推导出来，但是对开关中电流的测量通常会困难得多。控制器通常必须屏蔽在开关周期中特定时刻对开关电流的测量，从而避免错误的 过电流指示。另外，在检测到过电流和适当的响应之间经常会出现一些延迟。因此，传统的 方法不能保护开关在瞬态负载或者故障的特定条件下不被损坏。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于调整电源的方法，包括响应于驱动信号 来转换耦合到在电源输入处的能量传递元件的开关，其中所述驱动信号对从所述电源的输 出接收到的反馈做出响应；测量所述开关的导通时间；判断所述开关的导通时间是否是短 导通时间；检测所述开关的阈值数量的一个或多个连续短导通时间的出现；以及响应于所 述开关的阈值数量的一个或多个连续短导通时间的出现来延迟被耦合成由所述开关接收 的所述驱动信号的下一个脉冲。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于防止当电源具有低输出电压时在启动 或过载期间电源开关中的过大电流的方法，所述方法包括利用对时间的测量来作为对所 述电源开关中的过大电流的间接指示，包括测量所述电源开关的导通时间，而不是所述电 源开关中的电流，来识别未受控制的增长电流的状态；识别指示过大开关电流的短导通时 间；以及利用下一个开关周期中的延迟来响应一个或多个短导通时间，所述延迟有效延长 了所述开关的关断时间，从而在所述电源开关的下一个导通时间之前使所述电源开关中的 电流减小到安全值。根据本发明的另一个方面，提供了一种电源，包括耦合在电源的未经调整的输入 电压和在输入处的负载之间的能量传递元件；耦合到所述能量传递元件的输入处的初级绕 组的电源开关，用以调整从所述电源的所述未经调整的输入电压到所述输出处的负载的能 量的传递；和控制器，被耦合用以产生驱动信号，所述驱动信号被耦合由所述电源开关接 收，用于控制所述电源开关的转换，所述控制器包括短导通时间检测器，所述短导通时间检测器用以感应所述电源开关以检测电源开关的阈值数量的一个或多个连续短导通时间的 出现。
结合附图通过例子详细示出了本发明，并且本发明不局限于附图。图1是根据本发明教导的开关电源的一个实施例的功能框图，该开关电源可限制 电源开关中的峰值电流。图2是开关电源的一个实施例的功能框图的一部分，其示出了寄生电容对电源开 关中的电流的影响。图3示出了根据本发明教导的开关电源的一个实施例中的电压和电流波形，该开 关电源可限制电源开关中的峰值电流。图4说明了根据本发明的教导不能限制电源开关中的峰值电流的开关电源中电 流波形的重要参数。图5是说明了根据本发明的教导限制电源开关中的峰值电流的方法的流程图。图6是根据本发明的教导限制所包括的电源开关中的峰值电流的集成电路的功 能框图。
具体实施例方式公开了可在电源中应用的电源稳压器的实施例。在接下来的描述中，为了提供对 本发明的全面的理解而给出了大量特定的细节。但是，本领域的普通技术人员应清楚的是， 不需要实现这些特定的细节来实施本发明。为了避免模糊本发明，没有详细地说明涉及实 施方式的公知方法。整个说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”表示结合该实施例描述的特定部 件、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的不同地方出现的 短语“对于一种实施例”或“在实施例中”不必都指代相同的实施例。此外，可以在一个或 多个实施例中以任何适当的方式组合所述特定的部件、结构或特性。公开了防止在开关电源的开关中出现过电流的技术。例如，公开了一种方法和装 置来防止开关电源中的功率晶体管受其安全工作区以外的条件的影响而损坏。当电源具有 低输出电压时在启动或过载期间，响应电源开关中的过电流的传统技术不能防止电流在每 个开关周期内升得更高，这是因为，前沿消隐时间和电流极限延迟时间强加了一个最小开 关导通时间，同时，低输出电压使控制器要求开关的最小关断时间。为了克服传统技术中由 对开关中的电流进行直接测量而带来的问题，所公开的方法利用对时间的测量来作为对开 关中的过电流的间接指示。例如，一种公开的技术测量开关的导通时间，而不是测量开关的 电流，从而识别未受控制的增长电流的状态。短导通时间意味着过大的开关电流。响应一 个或多个短导通时间的是下一个开关周期中的延迟，其有效地延长了关断时间，从而在开 关的下一个导通时间之前使电流减小到安全值。为了说明，图1主要示出了用于电源实施例的电源的功能框图，该电源根据本发 明的教导限制了峰值开关电流。图1中所示出的示例性电源的拓扑是反馈稳压器。应认识 到，有许多种开关稳压器的拓扑和结构，提供图1中所示的反馈拓扑只是为了说明的目的，根据本发明的教导也可以采用其它类型的拓扑。如图1的电源实例中所说明的，能量传递元件Tl 125耦合在未调整的输入电压 VIN105和电源输出端的负载165之间。电源开关Sl 120耦合到能量传递元件125输入端的 初级绕组175，用以调整能量从未调整的输入电压Vin 105到电源输出端的负载165的传递。 控制器145被耦合用以产生驱动信号156，该驱动信号156被耦合成由电源开关Sl 120接 收，以控制电源开关Sl 120的转换。如下面将讨论的，控制器145还包括短导通时间检测 器，用以感应电源开关Si，以检测电源开关Sl 120的阈值数量的一个或多个连续短导通时 间的出现。对于一种实施例，在控制器145中还包括频率调节器，该频率调节器耦合到短导 通时间检测器。对于一种实施例，频率调节器被用来响应该短导通时间检测器以调节控制 器中所包括的振荡器的振荡频率。在图1的例子中，能量传递元件Tl 125被表示成具有两个绕组的变压器。初级绕 组175具有电感为Lp的Np匝。次级绕组具有Ns匝。通常，变压器可以具有多于两个的绕 组，附加的绕组用来供电给其它负载，或提供偏置电压，或感应负载的电压，或类似功能。箝位电路110耦合到能量传递元件Tl 125的初级绕组175，以控制电源开关Sl 120的最大电压。如已经提到过的，利用由控制器电路145产生的驱动信号156接通或关断 电源开关Sl 120。对于一种实施例，开关Sl 120是晶体管，例如功率金属氧化物半导体场 效应晶体管(MOSFET)。对于一种实施例，控制器145包括集成电路和分立的电气元件。开 关Sl 120的操作在整流器Dl 130中产生的脉动电流通过电容器Cl 135进行滤波，以在负 载165上产生基本恒定的输出电压V。或基本恒定的输出电流I。。要调整的输出量是U。150，通常，其可以是输出电压V。、输出电流I0或两者的组合。 反馈电路160耦合到输出量U。150，以产生输入到控制器145的反馈信号UFB155。控制器145 的另一个输入是感应开关Sl 120中的电流Id 115的电流感应信号140。测量开关电流的 多种公知方法中的任一种都可以用来测量电流ID115，这些方法如，电流互感器、或者分立 电阻器上的电压、或者晶体管导通时晶体管上的电压。控制器可以利用电流感应信号140 来调整输出U。150或防止损坏开关Sl 120。图1还示出了在理想条件下流过电源开关Sl 120的电流ID115的示例性波形。电 源开关Sl 120响应于来自控制器145的驱动信号156的脉冲导通一定时间tw。电源开关 Sl 120响应于来自控制器145的驱动信号156打开一断开时间tQFF。在导通时间tQN内，电 流响应于输入电压Vin105随时间从初始电流ΙνΛ线性增加到最终电流IPEffi，其中，在开关Sl 120导通时输入电压Vin105是通过变压器Tl 125的初级绕组175的电感Lp施加的。对于一种实施例，控制器145操作开关Sl 120以基本上将输出U。150调整到期望 值。对于一种实施例，控制器145在输出U。150低于期望值时增加开关Sl 120的导通时间 tQN。对于一种实施例，控制器145在输出U。150大于期望值时减小开关Sl 120的导通时间 tQN。对于一种实施例，控制器145在开关Sl 120导通时维持开关Sl 120的恒定的导通时 间，并且调节关断时间t,以调整输出U。150。对于一种实施例，跳过开关周期以对关断 时间t,进行离散调节。对于一种实施例，控制器145利用驱动信号156调节开关Sl 120的操作以防止操 作在其安全工作区以外。对于一种实施例，控制器145在电流Id115超过电流极限值Iumit 时减小开关Sl 120的导通时间tQN。对于一种实施例，控制器145在电流ID115超过电流极限值Iumit时增加关断时间t,。图2示出了寄生电容对在开关Sl 220中测量到的电流ID215的影响。在开关Sl 220接通后，由在节点235耦合到开关Sl的电容器Cp210和CDS230所表示的寄生电容的充 电和放电在短时间内增大了电流Id215。图3示出了在变压器Tl 225的初级绕组275的电 感Lp上的电压VP270。对于一种实施例，电压Vp在导通时间内为正，幅值为VIN。对于一 种实施例，电压Vp在关断时间t,内为负，幅值为Vra^电压Vp极性的突然反相增加了给开 关Sl 220的初始电流I-的前沿电流。图2和图3中的波形示出了大于理想初始电流I· 的峰值前沿电流ΙιΕΑΚ。对于一种实施例，峰值前沿电流Iieak也大于最终电流I·。在每 个实际电路中出现的寄生电容都可以产生较高的前沿电流，其可干扰控制器调整输出或保 护开关的能力。响应开关电流Id215的幅值来调整输出或保护开关的控制器也将响应不是 明显与输出的调整或开关的安全操作有关的前沿电流。为了避免受前沿电流的干扰，控制 器通常屏蔽对开关中电流的测量，直到前沿消隐时间t·结束。图3中示出了前沿消隐时 间、EB与导通时间的关系。前沿消隐时间t·足够长，以保证在电流Id变为可影响到控制器之前都可以忽略 寄生电容对电流的影响。图3还示出了电流极限延迟时间td，其是t·之后Id达到Iumit的 时间和开关停止导通的时间之间的差值。电流极限延迟时间td始终存在，这是因为实际的 电路不能即时响应。有限的电流极限延迟时间td带来的结果是在导通时间的最后峰值 电流Ipeak大于电流极限 -lLIMIT0前沿消隐时间t·和电流极限延迟td可使典型的控制器不能限制开关电流ID。图 4说明了当输出小于其调整值时在具有典型控制器的开关电源中可能出现的不希望有的情 况。在图4中，输出侧的过载导致在每个开关周期内开关电流Id都超过IUMIT。该过载还导 致了输出电压V。降低到远低于其调整值。控制器在前沿消隐时间‘的末端测量开关电流 Id,并且该开关在电流极限延迟时间td结束后断开。检测到Id大于Iumit不能将导通时间 t0N减小到低于‘加td的和。对于本发明的一种实施例，短导通时间可以被看作是该开关 的导通时间，或者例如驱动信号的脉冲宽度，其导通时间近似等于t·加td之和。图4示出了在任何开关周期(η)内，在导通时间内作为开关电流Id的电流(来自 于寄生电容的电流除外)在导通时间内增加了一定量Δ Iw以达到Ipeak，然后在关断时间内 从Ipeak开始减小一定量△ 1_。如等式1和等式2所示，电流的这种变化与输入和输出电 压有关。
权利要求
1.一种用于调整电源的方法，包括响应于驱动信号来转换耦合到在电源输入处的能量传递元件的开关，其中所述驱动信 号对从所述电源的输出接收到的反馈做出响应；测量所述开关的导通时间；判断所述开关的导通时间是否是短导通时间；检测所述开关的阈值数量的一个或多个连续短导通时间的出现；以及响应于所述开关的阈值数量的一个或多个连续短导通时间的出现来延迟被耦合成由 所述开关接收的所述驱动信号的下一个脉冲。
2.如权利要求1所述的用于调整电源的方法，其中，响应于所述开关的阈值数量的一 个或多个连续短导通时间的出现来延迟被耦合成由所述开关接收的所述驱动信号的下一 个脉冲包括调节产生驱动信号的振荡信号的频率。
3.如权利要求1所述的用于调整电源的方法，其中，响应于所述开关的阈值数量的一 个或多个连续短导通时间的出现来延迟被耦合成由所述开关接收的所述驱动信号的下一 个脉冲包括跳过驱动信号中的下一个脉冲。
4.如权利要求1所述的用于调整电源的方法，其中，检测所述开关的阈值数量的一个 或多个连续短导通时间的出现包括检测驱动信号中导通时间近似等于前沿消隐时间和电 流极限延迟时间之和的脉冲。
5.如权利要求1所述的用于调整电源的方法，其中，检测所述开关的阈值数量的一个 或多个连续短导通时间的出现包括每次出现所述一个或多个连续短导通时间，递增短导通 时间计数器。
6.如权利要求1所述的用于调整电源的方法，其中，判断所述开关的导通时间是否是 短导通时间包括检测流过所述开关的开关电流是否超过电流极限值，并且其中，延迟所述 驱动信号的下一个脉冲包括响应于检测到所述开关电流超过所述电流极限值并且如果所 述开关的导通时间小于或等于前沿消隐时间和电流极限延迟时间之和，则延长所述开关的 关断时间。
7.如权利要求6所述的用于调整电源的方法，其中，延长所述开关的关断时间包括不 依赖于所述反馈信号而延长所述开关的关断时间。
8.一种用于防止当电源具有低输出电压时在启动或过载期间电源开关中的过大电流 的方法，所述方法包括利用对时间的测量来作为对所述电源开关中的过大电流的间接指示，包括测量所述电 源开关的导通时间，而不是所述电源开关中的电流，来识别未受控制的增长电流的状态；识别指示过大开关电流的短导通时间；以及利用下一个开关周期中的延迟来响应一个或多个短导通时间，所述延迟有效延长了所 述开关的关断时间，从而在所述电源开关的下一个导通时间之前使所述电源开关中的电流 减小到安全值。
9.一种电源，包括 耦合在电源的未经调整的输入电压和在输入处的负载之间的能量传递元件；耦合到所述能量传递元件的输入处的初级绕组的电源开关，用以调整从所述电源的所 述未经调整的输入电压到所述输出处的负载的能量的传递；和控制器，被耦合用以产生驱动信号，所述驱动信号被耦合由所述电源开关接收，用于控 制所述电源开关的转换，所述控制器包括短导通时间检测器，所述短导通时间检测器用以 感应所述电源开关以检测电源开关的阈值数量的一个或多个连续短导通时间的出现。
10.如权利要求9所述的电源，其中，所述控制器还包括耦合到所述短导通时间检测器 的频率调节器，所述频率调节器用以响应于所述短导通时间检测器来调节所述控制器中所 包括的振荡器的振荡频率。进一步包括耦合在电源的输出和控制器之间的反馈电路，该反馈电路用以提供来自于 电源的输出的反馈信号给该控制器。
11.如权利要求9所述的电源，其中所述能量传递元件是具有至少两个绕组的电压器；并且箝位电路耦合到所述能量传递元件的初级绕组，以控制所述电源开关的最大电压。
12.如权利要求9所述的电源，其中所述控制器具有第一输入端，被耦合为接收由耦合到输出量的反馈电路产生的反馈信号；以及第二输入端，被耦合为接收电流感应信号，所述电流感应信号感应了所述电源开关中 的电流。
全文摘要
公开了一种限制开关电源中的最大开关电流的方法和装置。示例性的开关稳压器电路包括耦合到电源的能量传递元件的电源开关。控制器产生被耦合成由该电源开关接收的驱动信号以控制该电源开关的转换。该控制器包括一个短导通时间检测器。该短导通时间检测器被用来检测该开关的阈值数量的一个或多个连续短导通时间的出现。该控制器还包括一个耦合到该短导通时间检测器的频率调节器。该频率调节器被用于响应该短导通时间检测器来调节包括在控制器中的振荡器的振荡频率。
文档编号H02M7/48GK102064701SQ20101055169
公开日2011年5月18日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年7月8日
发明者A·B·詹格里安, A·J·莫里什 申请人:电力集成公司