专利名称：限制开关电源的开关中最大开关电流的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电子电路，并且更具体地，本发明涉及开关模式电源。
背景技术：
开关电源中的开关可承受来自过电压，过电流或者电压和电流的特定组合所导致 的损害。瞬时电压和电流必须维持在防止对开关带来损害的安全工作区所限定的界限内。 因此，为了保护开关，以及为了调节输出，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性之间的矛盾经常使得控制器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从对直流输入电压的 简单测量中得到，然而开关中电流的测量通常会更加困难。控制器典型地必须屏蔽(mask)切换周期中特定时刻开关电流的测量，从而避免 了错误的过电流指示。另外，在过电流检测和恰当响应之间经常会出现某些延迟。因此，传 统的方法不能防止开关在暂时负载或者故障的特定条件下出现损害。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于响应电源的电源开关中的过电流的方 法，所述方法包括使用多个限流值来确定是否需要执行可替换控制模式，所述可替换控制 模式延长了所述电源开关的切断时间，使得所述电源开关中的电流减小到安全值，其中，使 用所述多个限流值包括相对所述多个限流值测量所述电源开关中的电流从而识别未受控 制的渐增电流的情形，并且，响应于识别出未受控制的渐增电流，执行可替换控制操作，所 述可替换控制操作延迟了随后切换周期的开始。根据本发明的另一个方面，提供了 一种执行上述方法的电源。根据本发明的另一个方面，提供了一种电源，包括耦合在未经调节的输入电压和 所述电源的输出端处的负载之间的能量转换元件；开关，所述开关耦合到所述能量转换元 件的输入端处的初级绕组，用以调节从未经调节的输入电压到所述电源的输出端处的负载 的能量转换；控制器，所述控制器被耦合用以生成驱动信号，所述驱动信号被耦合成由所述 开关接收用以控制开关的切换，其中，所述控制器包括电流检测器，所述电流检测器被耦合 为接收检测开关中的电流的电流感应，其中，所述控制器使用多个限流值来确定是否需要 执行可替换控制模式，所述可替换控制模式延长了所述开关的切断时间。
通过实施例详细说明了本发明，并且不限制于附图。图1是根据本发明教导可限制功率开关中的峰值电流的开关电源的一个实施例的功能框图。图2是示出了将寄生电容分布到功率开关中的电流的开关电源的一个实施例的 功能框图的一部分。图3示出了根据本发明教导可限制功率开关中的峰值电流的开关电源的一个实 施例的电压和电流波形。图4示出了根据本发明教导限制功率开关中的峰值电流的开关电源的电流波形 的重要参数。图5是示出根据本发明教导限制功率开关中的峰值电流的方法的流程图。图6是根据本发明教导限制所包括的功率开关中的峰值电流的集成电路的功能 框图。
具体实施例方式这里公开了在电源中所使用的电源调节器的实施例。在下面的描述中，为了透彻 的理解本发明，阐述了大量的特定细节。然而，本领域的普通技术人员应该清楚，这些特定 的细节不必应用于实现本发明。为了避免使得本发明不清楚，未详细地阐述与其实现方式 相关的公知方法。本说明书中参考“一个实施例”或者“一实施例”表示与该实施例结合所描述的特 定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书不同位置出现短 语“用于一个实施例”或者“在一个实施例中”并不必全部表示相同的实施例。此外，在一 个或者多个实施例中可以任何合适的方式组合这些特定的特征、结构或者特性。在电源具有低输出电压的启动或者过载期间，响应功率开关中的过电流的传统技 术在使得电源工作的同时并不能防止电流在每个开关周期中变得更高，这是因为前沿消隐 时间和限流延迟时间使得开关导通时间最小。此外，控制器响应低输出电压，同时具有使电 流减小的最小切断时间。公开了一些技术，其采用多限流值来确定需要执行可替换的控制 模式，该可替换控制模式延长了开关的切断时间，从而使得电流减小到安全值。因此，公开 了一些技术，以防止开关电源的开关中的过电流。对于一个实施例来说，开关电流相对多个 限流值进行测量，从而识别未受控制的渐增电流的情形。未受控制的渐增电流的识别执行 可替换的控制操作，其延迟了随后切换周期的开始。为了进行说明，图1通常示出了根据本发明教导限制峰值开关电流的电源的一个 实施例的电源的功能框图。图1所示的示意性电源拓扑结构是回扫式调节器。应该理解的 是，存在许多开关调节器的拓扑结构和配置，并且出于进行解释的目的，提供图1所示的回 扫式拓扑结构，根据本发明的教导，也可使用其他类型的拓扑结构。此外，注意，尽管出于解 释的目的，在电源的范围内此处描述了本发明的各种实施例，但是应该理解的是，本发明的 教导也可应用于其他技术，例如可包括感性负载切换等的其他应用。如在图1的电源实施例中所示的，能量转换元件T1125耦合在未调节的输入电压 Vin105和电源输出端上的负载165之间。开关S1120耦合到能量转换元件125的输入端上 的初级绕组175上，以调节能量从未调节的输入电压Vin 105到电源输出端上的负载165的 转换。控制器145被耦合以产生驱动信号156，该驱动信号156被耦合成由开关S1120接收 以控制开关S1120的切换。控制器145还包括被耦合以接收电流检测140的电流检测器，该电流检测140检测开关Sl 120中的电流Id 115。如下面将要讨论的，对于一个实施例来说，控制器145中的电流检测器包括第一和第二比较器，第一和第二比较器被耦合以分别将电流Id 115与第一和第二限流进行比 较。第二限流大于第一限流。对于一个实施例来说，如果电流Id 115大于第一或者第二限 流，则控制器145将使驱动信号156在该开关的当前切换周期的剩余时间打开开关S1120， 直到开关的下一个切换周期开始为止。对于一个实施例来说，控制器145还包括耦合到第 二比较器的频率调节器。根据本发明的教导，如果电流Id 115大于第二限流，则该频率调 节器将调节包括在控制器中的振荡器的振荡频率，以延迟开关的下一个切换周期。在图1的实施例中，能量转换元件T1125示出为具有两个绕组的变压器。初级绕 组175具有Np匝，其电感为Lp。次级绕组具有Ns匝。通常，变压器的绕组可以多于两个， 其可具有附加绕组，用以给附加负载供电，或者提供偏压，或者检测负载上的电压，等等。箝位电路110耦合到能量转换元件Tl 125的初级绕组175上，从而控制开关Sl 120 上的最大电压。如上所述，响应由控制器电路145产生的驱动信号156，导通和切断开关 S1120。对于一个实施例来说，开关S1120是晶体管，例如功率金属氧化物半导体场效应晶 体管(MOSFET)。对于一个实施例来说，控制器145包括集成电路和离散电子元件。开关 S1120的操作在整流器D1130中产生脉动电流，该脉动电流由电容器C1135进行滤波，从而 在负载165上产生基本恒定的输出电压V。或者基本恒定的输出电流I。。将要进行调节的输出量是U。150，通常来说可以是输出电压V。，输出电流I。，或者 二者的组合。反馈电路160耦合到输出量U。150上，从而产生反馈信号Ufb 155，反馈信号 Ufb155是控制器145的输入。控制器145的另一个输入是电流检测信号140，其检测开关 S1120中的电流Id 115。测量开关电流，例如电流变压器，或者例如测量离散电阻器两端的 电压，或者例如测量当晶体管导通时晶体管两端的电压的许多公知方法中的任何一种都可 用于测量电流Id 115。控制器可采用电流检测信号140来调节输出U。150或者防止对开 关S1120产生损害。图1还示出了理想状态下流过开关S1120的电流Id 115的示意性波形。响应来自 控制器145的驱动信号156中的脉冲，开关S1120导通时间t,响应来自控制器145的驱 动信号156，打开开关S1120 —个切断时间t,。在导通时间的时间段中，当开关S1120 导通时，响应于施加到变压器Tl 125的初级绕组175的电感Lp两端的输入电压Vin105，电流 随着时间从初始电流I-线性增加到最终电流IPEAK。对于一个实施例来说，控制器145操作开关S1120，从而基本上调节输出U0 150 到其期望值。对于一个实施例来说，当输出U。150小于其期望值时，控制器145增加开关 S1120的导通时间tQN。对于一个实施例来说，当输出U0 150大于其期望值时，控制器145减 小开关Sl 120的导通时间tQN。对于一个实施例来说，控制器145用驱动信号156调节开关S1120的操作，从而 防止在其安全操作区以外操作。对于一个实施例来说，当电流Id 115超过限流Iumit时，控 制器145减小开关S 1120的导通时间tQN。对于一个实施例来说，当电流Id 115超过限流 Ilimit时，控制器145增加切断时间tQFF。图2示出了寄生电容到开关S1220中所测量的电流Id 215的分布。由节点235上 耦合到开关Sl的电容器Cp 210和Cds 230所表示的寄生电容的充电和放电在开关S1220导通之后的一段很 短时间内增加电流Id 215。图2还示出了变压器T1225的初级绕组275的 电感Lp上的电压VP270。对于一个实施例来说，电压Vp在导通时间为正，大小为VIN。对 于一个实施例来说，电压Vp在切断时间t,为负，大小为νΜ。电压Vp极性的突然反向将前 沿电流增加到开关S1220的初始电流ΙνΛ。图2中的波形示出了峰值前沿电流Iieak,该峰 值前沿电流Iieak大于理想初始电流Im。对于一个实施例来说，峰值前沿电流IIeak还大 于最终电流IPEAK。存在于每个实际电路中的寄生电容可产生高的前沿电流，该前沿电流可 与控制器调节输出或者保护开关的性能相干扰。响应开关电流Id 215的大小来调节输出或 者保护开关的控制器还响应与输出的调节或者开关的安全操作明显不相关的前沿电流。为 了避免前沿电流产生干扰，控制器典型地屏蔽了开关中电流的测量，直到前沿消隐时间t· 之后为止。前沿消隐时间、ΕΒ与导通时间的关系示于图3中。前沿消隐时间t·足够地长，以便保证寄生电容的电流分布在电流Id相对控制器 变为可见之前可被忽略。图3还示出了限流延迟时间td，限流延迟时间td是Id在t·之后 达到Iumit的时刻和开关停止导通的时刻之差。限流延迟时间td总是存在，这是因为实际 电路不能瞬时响应。有限的限流延迟时间td在导通时间末端处的结果是具有大于限流
-lLIMIT 的峰值电流IPEffi。前沿消隐时间t·以及限流延迟td使得典型的控制器限制开关电流Id变得不可 能。图4示出了当输出小于其调节值时不期望的情况，这种情况可在具有典型控制器的开 关电源中出现。在图4中，输出端的过载使得开关电流Id在每个切换周期都超过IUMIT。过 载还使得输出电压V。下降为远低于其调节值。控制器测量前沿消隐时间t·末端的开关电 流ID，开关在限流延迟时间td之后打开。Id大于Iumit的检测不能减小导通时间，该导通 时间tQN小于、EB加上td的和。图4示出了任何切换周期(η)中，在导通时间段作为开关电流ID(除来自寄生电 容的任何电流以外)出现的电流在导通时间段增加量为Δ Iw，从而达到Ipeak，然后在切断 时间段从Ipeak减小量为△〗_。电流中的变化与输入和输出电压相关，如等式1和等式2所 示。
权利要求
1.一种用于响应电源的电源开关中的过电流的方法，所述方法包括使用多个限流值来确定是否需要执行可替换控制模式，所述可替换控制模式延长了所 述电源开关的切断时间，使得所述电源开关中的电流减小到安全值，其中，使用所述多个限 流值包括相对所述多个限流值测量所述电源开关中的电流从而识别未受控制的渐增电流 的情形，并且，响应于识别出未受控制的渐增电流，执行可替换控制操作，所述可替换控制 操作延迟了随后切换周期的开始。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行可替换控制操作包括响应于所述电源开关 中的电流在除了切换周期开始时的前沿消隐时间期间之外的在所述切换周期期间的任何 时间大于第二限流值，而执行所述可替换控制操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可替换控制操作导通所述开关并延迟随后 切换周期的开始。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可替换控制操作有效加长所述电源开关的 切换周期。
5.根据权利要求4所述的方法，其中识别未受控制的渐增电流的情形包括检测出所述电源开关中的电流大于所述多个限 流值中的第二限流值，其中所述第二限流值大于所述多个限流值中的第一限流值；并且所述方法还包括响应于检测出所述电源开关中的电流大于所述第一限流值，设定一 个标记，所述标记通过以后的不加长的切换周期被复位。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述标记被设定了的时候检测出所述电源开关中的电流大于所述多个限流值中的 第二限流值；以及进一步加长所述切换周期。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可替换控制操作使得不间断地调节所述电 源的输出。
8.一种电源，被配置为执行权利要求1至7中任意一个所述的方法。
9.一种电源，包括耦合在未经调节的输入电压和所述电源的输出端处的负载之间的能量转换元件；开关，所述开关耦合到所述能量转换元件的输入端处的初级绕组，用以调节从未经调 节的输入电压到所述电源的输出端处的负载的能量转换；控制器，所述控制器被耦合用以生成驱动信号，所述驱动信号被耦合成由所述开关接 收用以控制开关的切换，其中，所述控制器包括电流检测器，所述电流检测器被耦合为接收 检测开关中的电流的电流感应，其中，所述控制器使用多个限流值来确定是否需要执行可 替换控制模式，所述可替换控制模式延长了所述开关的切断时间。
10.根据权利要求9所述的电源，其中，所述控制器包括第一和第二比较器，所述第一 和第二比较器被耦合为将所述开关中的电流与所述多个限流值中的第一限流值和第二限 流值相比较。
11.根据权利要求10所述的电源，其中，所述控制器包括振荡器；耦合到所述第二比较器的频率调节器，所述频率调节器用于响应于所述第二比较器而调节所述控制器中所包括的振荡器的振荡频率。
12.根据权利要求11所述的电源，其中，所述频率调节器响应于所述第二比较器而降 低所述振荡器的振荡频率，从而延迟所述开关的下一切换周期。
13.根据权利要求11所述的电源，其中，所述频率调节器响应于所述第二比较器而降 低所述振荡器的振荡频率，从而跳过延迟所述开关的下一切换周期。
14.根据权利要求11所述的电源，其中，所述频率调节器调节所述振荡器的振荡频率， 从而提供在与所述能量转换元件耦合的输出端处的不间断调节。
15.根据权利要求9所述的电源，其中，所述开关和所述控制器被包含在单个集成电路中。
16.根据权利要求9所述的电源，还包括前沿消隐电路，所述前沿消隐电路包括在所述 控制器中并耦合到所述电流检测器。
全文摘要
公开了限制开关电源的开关中最大开关电流的方法和装置。一种示意性开关调节器电路包括耦合到能量转换元件的开关。控制器耦合到开关上从而控制开关的切换。电流检测器被包括在控制器中。该电流检测器包括第一和第二比较器，该第一和第二比较器被耦合以分别将开关中的电流与第一和第二限流相比较。该控制器响应第一或第二比较器，以在开关的当前切换周期的剩余时间打开开关直到开关的下一个切换周期为止。频率调节器还被包括在控制器中，并且耦合到第二比较器上。该频率调节器响应第二比较器来调节包括在控制器中的振荡器的振荡频率。
文档编号H02M3/338GK102075074SQ20101056892
公开日2011年5月25日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年7月8日
发明者D·J·克勒斯 申请人:电力集成公司