具有对电压源短路的保护的同步降压调节器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有对电压源短路的保护的同步降压调节器。一种用于功率变换器组件的方法和装置检测过电流，如果检测到过电流则闭锁关断低侧开关，(在过电流的持续时间内)保持低侧开关闭锁关断直到PWM控制器提供预定的最小脉冲给锁存器为止，并且如果PWM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器则解锁该低侧开关。一种功率变换器组件，包括耦合到主开关的PWM控制器，该PWM控制器配置成根据占空比控制主开关。锁存器与第二开关耦合并配置成选择性地关断第二开关。PWM控制器配置成提供PWM控制信号给锁存器，并且该控制信号配置成复位该锁存器以允许第二开关仅在PWM开始用最小脉冲宽度操作时接通。
【专利说明】
具有对电压源短路的保护的同步降压调节器
技术领域
[0001]本申请一般地涉及电子电力系统，以及更特别地涉及DC到DC变换器组件和方法。
【背景技术】
[0002]电源被集成在几乎每个(消费和工业)电子设备中，包括车辆传动系统电子器件、便携式电子装备、集成的车载系统、计算机、医疗仪器，以及许多其他的设备。在电子设备内，通过使用递升或递降功率变换器(称为降压或升压)来增加或者减小电压可能是必要的。递升变换器或升压变换器可用来增加电压，以及递降变换器或降压变换器可用来减小电压。
[0003]然而，输出电压节点的短路可能导致功率变换器组件不能适当地操作。因此，本领域技术人员已经实施了短路接地解决方案。
[0004]然而，在特定条件下，输出电压节点可能短路到不同的电压轨或者非地，其比输出电压高且比输入电压低，并且尽管如此，也可导致输入电压节点上升。这样可损坏连接到输入电压节点的电子器件和/或变换器中所用的MOSFET或者其他开关。例如，在同步降压调节器中，箝位(catch)二极管由低侧开关替代，所述低侧开关的控制与高侧开关互补。因此，与二极管不同，低侧开关在接通时能双向传导电流，其在对电压轨输出短路的情况下需要被保护。这种类型的故障将导致反向电流到降压调节器输出中，该输出仅受降压电感器的DC电阻的限制。在某一时刻，低侧开关的过流保护会将其关断并且电流将开始衰减。如果这个过程将一次又一次重复，则低侧开关与降压电感器、高侧开关的体二极管以及输入电容器一起将创建升压拓扑，其将把能量从输出转移到输入。如果向同步降压调节器馈送的预调节器级(stage)可以仅提供(source)电流并且不具有足够的负载，那么输入电容器处的电压将建立可能不安全的更高水平。
[0005]因此，存在对用于同步降压变换器组件的低成本且容易实施的解决方案的需要，该同步降压变换器组件能够有效防止对外部电压源的短路。
【发明内容】
[0006]提供一种功率变换器组件，当输出短路到外部电压源时该功率变换器组件帮助防止输入电容器建立不安全的电流水平。
[0007]在一种形式(其可以与本文描述的其他形式进行组合或者分开)中，提供一种功率变换器组件。该功率变换器组件包括输入节点、与该输入节点串联耦合的主高侧开关，以及耦合到该主开关的脉宽调制(PWM)控制器。PWM控制器配置成根据由反馈环计算的占空比来控制该主开关。电感器与该主开关串联耦合，输出节点与该电感器串联耦合。第二低侧开关与主开关并且与电感器串联耦合。该第二开关耦合到地以提供同步降压变换器架构并且具有短路保护功能。锁存器与第二开关耦合并且配置成选择性地关断该第二开关。过流检测器配置成检测过电流并且当检测到过电流时置位锁存器以关断第二开关。PWM控制器配置成提供PWM控制信号给主开关和给锁存器，其中该控制信号配置成复位该锁存器以接通该第二开关，以及其中该锁存器配置成在被过流检测器置位之后保持置位直到锁存器从PWM控制器接收到控制信号为止才复位。
[0008]在另一种形式(其可以与本文提供的其他形式进行组合或者分开)中，提供了一种在功率变换器组件中防止对电压短路的方法。该方法包括用过流检测器检测过电流，如果该过流检测器检测到过电流则(使用锁存器)闭锁关断低侧开关，保持低侧开关闭锁关断直到PffM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器为止，以及如果PffM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器则解锁该低侧开关。
[0009]在另外一种形式(其可以与本文描述的其他形式进行组合或者分开)中，提供一种在功率变换器组件中防止对电压短路的方法。该方法包括如下步骤:用过流检测器检测过电流;如果该过流检测器检测到过电流则闭锁关断低侧开关；以及保持该低侧开关在对电压短路的持续时间内闭锁。
[0010]又在另一种形式(其可以与本文描述的其他形式进行组合或者分开)中，提供了一种非临时性机器可读取介质。该非临时性机器可读取介质提供指令，当由机器执行该指令时，导致机器执行下面的操作:用过流检测器检测过电流;如果该过流检测器检测到过电流则用锁存器闭锁关断低侧开关;保持低侧开关闭锁关断直到PWM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器为止;并且如果PWM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器则解锁该低侧开关。
[0011]根据下面的说明书和附图可以最佳地理解这些和其他特征，下面是附图的简要说明。
【附图说明】
[0012]仅出于说明性的目的提供下面的附图，并且下面的附图未意图限制本发明，其如权利要求中所限定。
[0013]图1A是图示了根据本公开原理的功率变换器组件的部件的示意图；
[0014]图1B是图示了根据本公开原理的另一功率变换器组件的部件的示意图；
[0015]图2是图示了根据本公开原理的在功率变换器组件中防止对电压短路的方法的框图；以及
[0016]图3是图示了根据本公开原理的在功率变换器组件中防止对电压短路的方法的变形的框图。
【具体实施方式】
[0017]下面的描述在性质上仅仅是示例性的，并且未打算限制本公开、应用或用途。
[0018]遍及下面的说明书和权利要求书使用的特定术语指的是特定的系统部件和配置。如本领域技术人员将领会的，公司可用不同的名称来涉及一个部件。本文档并不旨在对名称而并非功能上有区别的部件之间进行区分。在下面的讨论以及在权利要求书中，术语“包含”和“包括”都以开放式的方式使用，以及因此应解释为意指“包括，但并不限于……”。
[0019]下面描述本发明的示例。应该注意的是，这些以及其他示例或者实施例都是示范性的，并且旨在说明本发明而不是限制本发明。尽管本发明可广泛适用于不同类型的系统，但是在本公开中不可能包括本发明所有可能的实施例和上下文。一旦阅读本公开，本发明的许多可替代实施例对本领域普通技术人员将是显而易见的。在不脱离这里所提出的主题的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，以及可以做出其他改变。
[0020]参考图1，图示了一种用于减小DC电压的功率变换器组件，以及其一般地用10来标出。该功率变换器组件10是同步降压调节器，其配置成根据占空比将施加到该功率变换器组件10的输入上的电压进行递降。随着功率变换器组件10的正常操作，将DC电压输入到功率变换器组件10的输入节点12，并且根据下面的等式(以基础形式)转换成通过输出节点14提供的更低的DC电压:
[0021]VouT = D-Cycle^ViN,
[0022]这里VIN是输入到输入节点12的电压，D-Cycle是占空比(其为总是小于或等于I的正数)，以及Vout是从输出节点14提供的电压。在某些应用中，举例来说，可将6V的输入电压提供给输入节点12。电容器11与电阻器13和输入节点12耦合，并且电容器11和电阻器13彼此并联布置。电阻器13以及输入电容器11中的每个都耦合到地。输出电容器15可与输出节点14耦合并耦合到地。
[0023]功率变换器组件10包括与输入节点12串联耦合的主开关16或者高侧开关。主开关16可以是晶体管，诸如M0SFET。主开关16可以具有与主开关16并联布置的主体二极管17。主体二极管17配置成向输入节点12传导电流。
[0024]脉宽调制(PffM)控制器18耦合到主开关161WM控制器18配置成根据由反馈环计算的占空比来控制主开关16接通和关断。
[0025]电感器20或者电感性绕组与主开关16串联耦合。当主开关16打开或关断时，没有电流将从输入节点12流到电感器20。然而，当主开关16闭合(接通)时，电流将开始增加并且流到电感器20。电感器20将响应于改变中的电流以产生跨越其端子的相反的电压。此电压降与电源电压抵消，减小了网压。随着时间过去，电感器20将以磁场的形式存储能量。电感器20与输出节点14串联耦合。
[0026]第二开关22或者低侧开关与主开关16并且与电感器20串联耦合。如所示，第二开关22耦合到地。第二开关22可具有与第二开关22并联布置的第二体二极管23。第二体二极管23配置成向主开关16和电感器20传导电流。
[0027]当主开关16打开(关断)时，第二开关22将正常闭合(接通)，反之亦然;换句话说，主开关16和第二开关22彼此异相。当主开关16打开时，电流将继续流过电感器20、输出节点
14、降压变换器负载并且返回通过地以及通过闭合的第二开关22。电感器20然后将存储在磁场中的能量放电给输出处的负载。
[0028]当第二开关22闭合时，电流可在双方向上流入通过第二开关22。相应地，在输出节点14短路到电压轨(诸如例如1.2V或者3.3V附近的电压轨)的情形中，能量可从电压轨反向提供给输入节点12。在这样的情形中，在没有下面所描述的改进的情况下，功率变换器组件10将变成反方向上的升压功率变换器，其中更高的电压将反向提供给输入电容器11和输入节点12。输入电容器11中的电流然后可能升高到不安全的水平并且损坏连接到输入节点12的电子器件。
[0029]相应地，当输出节点14短路到期望的输入和输出电压之间的电压(Vqut<Vshqrt<VIN)时，当前的功率变换器10的部件防止了以上描述的情形，这里的部件可看见电流上升到不安全水平。锁存器24与第二开关22耦合并且配置成选择性地关断第二开关24。过流检测器26配置成检测通过第二开关22的过电流，并且当检测到过电流时置位该锁存器24以关断第二开关22。因此，锁存器24将推翻(override)主开关16和第二开关22正常的互补性质，因为在过流情形下，主开关16和第二开关22两者可以关断或者打开。
[0030]锁存器24配置成在电压短路的持续时间内保持置位，以及因此来保持闭锁的第二开关22打开。PffM控制器18配置成将PffM控制信号提供给锁存器24(同时它将PffM控制信号提供给主开关16) WWM控制信号配置成复位锁存器24以闭合并接通第二开关22。因此，锁存器24配置成在由过流检测器26置位后保持置位直到锁存器24从PffM控制器18接收到控制信号为止并且复位。然而，如果电压超过期望的输出电压，将没有PWM信号从PffM控制器18发送给主开关16或者锁存器24。相应地，直到PffM控制信号发出为止，才会发生锁存器24的复位。[0031 ]例如，当故障条件去除时，输出电容器15将自然放电，并且在时间上的某点，输出电压将下降。在输出电压下降之后，控制环将重新开始主开关16的操作。在那个特定的时亥Ij，锁存器24将被复位，以及第二开关22然后将在主开关16重新打开之后闭合。因此，直到重新闭合第二开关22是安全的为止，锁存器24的复位才会发生，这是仅在主开关16闭合并且然后打开之后进行的。
[0032]现在参考图1B，图示了一种功率变换器组件的变化并且一般地标出为10b。该功率变换器组件1b具有与功率变换器组件10类似的部件，诸如输入节点12、电阻器13、输入电容器11、主开关16、主体二极管17、电感器20、输出节点14、输出电容器15、第二开关22、第二体二极管23、锁存器24，以及过流检测器26。这些部件可以与参考图1A的上文所描述的相同。
[0033]功率变换器组件1b具有P丽控制器18b，其与PWM控制器18类似，除了PWM控制器18b具有最小占空比，因为其总是以某个非零的最小占空比运行。因此，为了防止锁存器24由该最小占空比来复位，鉴别器28串联布置在PWM控制器18b和锁存器24之间。鉴别器28防止与最小占空比相关联的非常短的脉冲复位锁存器24。相应地，锁存器24将仅在功率变换器组件1b正常操作并且没有对非零电压的短路时才复位。
[0034]现在参考图2，图示了一种在功率变换器组件中防止对电压的短路的方法并且该方法一般地标出为100。该方法100可与上面所图示和描述的功率变换器组件10、10b中的一个一起使用，尽管方法100不一定必须使用功率变换器组件1、I Ob。
[0035]方法100包括用过流检测器(诸如过流检测器26)来检测过电流的步骤112。方法100包括当过流检测器检测到过电流时用锁存器来闭锁关断低侧开关的另一步骤114。例如，锁存器24可用于闭锁关断低侧开关22。方法100还包括保持低侧开关闭锁关断直到PWM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器为止的步骤116。最后，方法100包括如果PffM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器则解锁该低侧开关。这可以是(诸如参考图1A所描述的)任何最小脉冲或者是(诸如参考图1B所描述的)高于PffM控制器的最小脉冲的最小脉冲。
[0036]方法100可包括附加步骤，诸如提供DC电流给输入节点，如上文所描述。方法100还可包括将PWM控制器提供为根据占空比而可操作的。该方法可进一步包括提供与输入节点和与PffM控制器串联的高侧开关，该PffM控制器被提供为根据占空比而可操作来控制高侧开关。
[0037]此外，方法100可包括提供其他部件，诸如参考图1A所示出和所描述的部件。例如，方法100可包括提供与所述高侧开关串联耦合的电感器和与该电感器串联耦合的输出节点；将该低侧开关提供为与该高侧开关和与电感器串联耦合;将该低侧开关提供为耦合到地；以及将该锁存器提供为与该低侧开关耦合。同样，方法100可包括提供与输入节点耦合的电阻器和输入电容器;将该电阻器和该输入电容器提供为彼此并联布置;将该电阻器和输入电容器中的每个耦合到地;提供与该高侧开关并联布置的高侧二极管;将该高侧二极管提供为配置成向输入节点传导电流;提供与该低侧开关并联布置的低侧二极管;将该低侧二极管提供为配置成向该高侧开关和该电感器传导电流；以及将该输出电容器提供为与输出节点和与地耦合。在某些变化中，方法100还可包括提供串联布置在PWM控制器和锁存器之间的鉴别器。
[0038]现在参考图3，图示了在功率变换器组件中防止对电压短路的方法的变化并且该方法一般地标出为200。方法200包括用过流检测器检测过电流的步骤212。方法200还包括如果过流检测器检测到过电流，则闭锁关断低侧开关的步骤214。方法200然后包括在对电压短路的持续时间内保持低侧开关闭锁的步骤216。例如，如上文所描述，这可以通过仅用最小PffM控制信号复位锁存器24来完成。方法200的其他步骤可以与上文所描述的关于方法100或者装置10、1b的步骤类似。
[0039]在某些变化中，使用了提供指令的非临时性机器可读取介质，其中当由机器执行该指令时，使得该机器执行操作。这些操作可包括方法100、200中的一个方法的步骤，诸如例如:用过流检测器检测过电流;如果该过流检测器检测到过电流则用锁存器闭锁关断低侧开关;保持低侧开关闭锁关断直到PWM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器为止；以及如果PffM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器则解锁该低侧开关。该机器可进一步配置成执行将DC电流接收到输入节点以及根据占空比来操作PWM控制器的操作，其中输入节点与尚侧开关親合。
[0040]尽管已经公开了本发明的实施例，本领域普通技术工作者将认识到某些修改将在本发明的范围内。鉴于此，应该研究下面的权利要求书来确定本发明真实的范围和内容。
【主权项】
1.一种功率变换器组件，包括 输入节点； 与该输入节点串联耦合的主开关； 脉宽调制(PWM)控制器，其耦合到该主开关，该HVM控制器配置成根据占空比控制该主开关； 电感器，其与该主开关串联耦合； 输出节点，其与该电感器串联耦合； 第二开关，其与该主开关和与该电感器串联耦合，该第二开关耦合到地； 锁存器，其与第二开关耦合并且配置成选择性地关断第二开关；以及过流检测器，其配置成检测过电流并且当检测到过电流时置位该锁存器以关断该第二开关， 其中该PffM控制器配置成提供PffM控制信号给该主开关和给该锁存器，该控制信号配置成复位该锁存器以接通该第二开关，该锁存器配置成在由过流检测器置位后保持置位直到该锁存器从PWM控制器接收该控制信号为止并由该控制信号复位。2.根据权利要求1所述的功率变换器组件，还包括与输入节点耦合的电阻器和输入电容器，该电阻器和输入电容器彼此并联布置，该电阻器和该输入电容器中的每个耦合到地。3.根据权利要求2所述的功率变换器组件，还包括与该主开关并联布置的主二极管，该主二极管配置成向该输入节点传导电流。4.根据权利要求3所述的功率变换器组件，还包括与该第二开关并联布置的第二二极管，该第二二极管配置成向该主开关和该电感器传导电流。5.根据权利要求4所述的功率变换器组件，还包括与输出节点和与地耦合的输出电容器。6.根据权利要求5所述的功率变换器组件，该PWM控制器可操作成发送该控制信号作为输入脉冲，该输入脉冲可操作成接通和关断该主开关。7.根据权利要求6所述的功率变换器组件，还包括串联布置在PWM控制器和锁存器之间的鉴别器。8.根据权利要求6所述的功率变换器组件，其中该主开关是MOSFET并且该第二开关是MOSFETo9.根据权利要求8所述的功率变换器组件，其中该功率变换器组件可操作成降低DC电压输入到输出节点，该功率变换器组件可操作成从该输出节点输出DC电压。10.一种在功率变换器组件中防止对电压短路的方法，该方法包括步骤: 用过流检测器检测过电流； 如果该过流检测器检测到过电流则用锁存器闭锁关断低侧开关； 保持低侧开关闭锁关断直到PWM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器为止；以及 如果PffM控制器提供预定的最小脉冲给锁存器则解锁该低侧开关。11.根据权利要求10所述的方法，还包括提供DC电流给输入节点。12.根据权利要求11所述的方法，还包括将PWM控制器提供为根据占空比而可操作。13.根据权利要求12所述的方法，还包括提供与所述输入节点以及与所述PWM控制器串联的高侧开关，该PWM控制器被提供为可操作来根据所述占空比控制所述高侧开关。14.根据权利要求13所述的方法，还包括提供与所述高侧开关串联耦合的电感器和与所述电感器串联耦合的输出节点;该方法还包括将所述低侧开关提供为与所述高侧开关和所述电感器串联耦合;该方法还包括将所述低侧开关提供为耦合到地；以及该方法还包括将所述锁存器提供为与所述低侧开关耦合。15.根据权利要求14所述的方法，还包括提供与所述输入节点耦合的电阻器和输入电容器;该方法还包括将所述电阻器和所述输入电容器提供为彼此并联布置;该方法还包括将所述电阻器和所述输入电容器中的每个耦合到地;该方法还包括提供与所述高侧开关并联布置的高侧二极管；该方法还包括将所述高侧二极管提供为配置成向输入节点传导电流;该方法还包括提供与所述低侧开关并联布置的低侧二极管;该方法还包括将所述低侧二极管提供为配置成向所述高侧开关和所述电感器传导电流；以及该方法还包括将输出电容器提供为与所述输出节点以及与地耦合。16.根据权利要求15所述的方法，还包括提供串联布置在所述PWM控制器和所述锁存器之间的鉴别器。17.—种在功率变换器组件中防止对电压短路的方法，该方法包括如下步骤: 用过流检测器检测过电流； 如果过流检测器检测到过电流则闭锁关断低侧开关；以及 在对电压短路的持续时间内保持该低侧开关闭锁关断。18.一种提供指令的非临时性机器可读取介质，其中当由机器执行该指令时，导致机器执行的操作包括: 用过流检测器检测过电流； 如果该过流检测器检测到过电流则用锁存器闭锁关断低侧开关； 保持低侧开关闭锁关断直到PWM控制器提供预定的最小脉冲给该锁存器为止；以及 如果PffM控制器提供预定的最小脉冲给锁存器则解锁该低侧开关。19.根据权利要求18所述的非临时性机器可读取介质，其中该机器进一步配置成执行下面的操作: 将DC电流接收到输入节点，该输入节点与高侧开关親合；以及 根据占空比操作PWM控制器。
【文档编号】H02H7/12GK106067732SQ201610344305
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年4月20日 公开号201610344305.3, CN 106067732 A, CN 106067732A, CN 201610344305, CN-A-106067732, CN106067732 A, CN106067732A, CN201610344305, CN201610344305.3
【发明人】A·菲施, M·扎欣
【申请人】大陆汽车系统公司