专利名称：用于开关电源变换器的多阈值过流保护的系统和方法
技术领域：
本发明涉及集成电路。更具体地说，本发明提供了一种用于电源变换器的多阈值过流保护的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已经被应用于开关电源变换器。然而应该认识到本发明具有更加广泛的可应用性。
背景技术：
电源变换器被广泛应用于诸如便携式设备的消费类电子设备。电源变换器将电源从一种形式转换到另一种形式。作为示例，电源被从交流(AC)变换成直流(DC)、从DC变换成AC、从AC变换成AC或者从DC变换成DC。此外，电源变换器可以将电源从一个电平转换到另一个电平。
电源变换器包括线性转换器和开关方式转换器。开关方式转换器常常使用脉宽调制(PWM)机制或者脉冲频率调制机制。这些机制通常利用包括有各种保护部件的开关方式控制器来实现。这些部件可以提供过电压保护、过温度保护和过电流保护(OCP)。这些保护通常可以防止开关电源变换器遭受永久性损坏。
例如，传统的OCP使用单一阈值水平，该单一阈值水平可以在逐一周期内或者逐一脉冲的基础上限制电流
。但是这种传统技术通常不能有效保护处在某些工作条件下的开关电源变换器。
因此，人们非常期望改进用于过电流保护的技术。
发明内容
本发明涉及集成电路。更具体地说，本发明提供了一种用于电源变换器的多阈值过流保护的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已经被应用于开关电源变换器。然而应该认识到本发明具有更加广泛的可应用性。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于保护开关电源变换器的系统。所述系统包括补偿系统，被配置来接收输入信号并且生成控制信号；过流保护阈值发生器，被配置来接收所述控制信号并且生成过流保护阈值；以及比较器，被配置来接收所述过流保护阈值和反馈信号并且生成比较信号。此外，该系统包括脉宽调制发生器，被配置来接收所述比较信号并且响应于所述比较信号而生成调制信号；以及开关，被配置来接收所述调制信号并且控制开关电源变换器的输入电流。所述输入电流与所述开关电源变换器的输出功率相关联。所述过流保护阈值对应于所述输出功率的阈值功率水平。所述阈值功率水平相对于所述输入信号保持恒定、下降或者增大。
根据本发明的另一个实施例，一种用于保护开关电源变换器的系统包括启动控制系统，被配置来生成第一控制信号；过流保护阈值发生器，被配置来接收所述第一控制信号并且生成过流保护阈值；以及比较器，被配置来接收所述过流保护阈值和反馈信号并且生成比较信号。此外，该系统包括脉宽调制发生器，被配置来接收所述比较信号并且响应于所述比较信号而生成调制信号；以及开关，被配置来接收所述调制信号并且控制开关电源变换器的输入电流。在启动期间，所述过流保护阈值随时间增大。
根据本发明的另一个实施例，一种用于保护开关电源变换器的系统包括过流保护阈值发生器，被配置来生成过流保护阈值；比较器，被配置来接收所述过流保护阈值和反馈信号并且生成比较信号；以及脉宽调制发生器，被配置来接收所述比较信号并且响应于所述比较信号而生成调制信号。此外，该系统包括开关，被配置来接收所述调制信号并且控制开关电源变换器的输入电流；以及模式识别系统，被配置来接收所述比较信号并且输出第一控制信号到所述过流保护阈值发生器。所述第一控制信号指明所述反馈信号是否以高于预定水平的频度超过所述过流保护阈值。所述过流保护阈值发生器还被配置来将所述过流保护阈值从第一阈值水平减小到第二阈值水平，如果所述第一控制信号指明所述反馈信号以高于所述预定水平的频度超过所述过流保护阈值的话。
根据本发明的另一个实施例，一种用于保护开关电源变换器的系统包括补偿系统，被配置来接收输入信号并且生成控制信号；阈值发生器，被配置来接收所述控制信号并且生成阈值；以及比较器，被配置来接收所述阈值和反馈信号并且生成比较信号。此外，该系统包括切断控制系统，被配置来接收所述比较信号并且生成切断信号；以及开关，耦合到所述切断控制系统并且被配置来切断开关电源变换器。所述阈值至少随所述输入信号变化。
根据本发明的另一个实施例，一种用于保护开关电源变换器的方法包括接收输入信号；至少基于与所述输入信号相关联的信息生成第一控制信号；以及生成第二控制信号，所述第二控制信号指明开关电源变换器是否处在启动状态。此外，该方法包括处理与所述第一控制信号、所述第二控制信号和第三控制信号相关联的信息；至少基于与所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号相关联的信息，生成过流保护阈值；以及处理与所述过流保护阈值和反馈信号相关联的信息。而且，该方法包括至少基于与所述过流保护阈值和所述反馈信号相关联的信息，生成比较信号；处理与所述比较信号相关联的信息；以及至少基于与所述比较信号相关联的信息生成所述第三控制信号。所述第三控制信号指明所述反馈信号是否以高于预定水平的频度超过所述过流保护阈值。并且，该方法包括至少基于与所述比较信号相关联的信息生成调制信号；以及至少基于与所述调制信号相关联的信息确定所述开关电源变换器的输入电流。
根据本发明的另一个实施例，一种用于保护开关电源变换器的方法包括接收输入信号；至少基于与所述输入信号相关联的信息生成控制信号；以及处理与所述控制信号相关联的信息。此外，该方法包括至少基于与所述控制信号相关联的信息，生成阈值；处理与所述阈值和反馈信号相关联的信息；以及至少基于与所述阈值和所述反馈信号相关联的信息，生成比较信号。而且，该方法包括处理与所述比较信号相关联的信息；以及至少基于与所述比较信号相关联的信息，切断所述开关电源变换器。所述阈值至少随所述输入信号变化。
相对于传统技术，通过本发明已经实现了许多优点。例如，本发明的一些实施例提供用于过电流保护的多级阈值。例如，所述多级阈值对应于不同的工作条件。作为示例，工作条件包括输出过载条件和系统启动条件。在另一个示例中，基于输入电压自适应地调节多级阈值。在另一个示例中，多级阈值处在电流域和/或电压域。本发明的某些实施例提供了用于补偿输入电压变动的逐一周期内限流(cycle-by-cycle)阈值。例如，响应于输入电压的变动来调节最大输出功率。本发明的一些实施例提供了用于正常工作下电流限制的逐一周期内限流阈值。例如，取决于在过电流阈值水平和输入电压之间所使用的补偿方案，在正常工作下，将最大输出功率设定为随输入电压的变化而保持恒定、增大或者减小。
本发明的某些实施例响应于过电流保护的触发模式而调节逐一周期内限流阈值。触发模式反映了输出载荷条件。例如，如果在给定的时间段内触发的次数低并且是随机的，则输出载荷条件通常是正常的。可以使用用于正常工作的逐一周期内限流阈值。在另一个示例中，如果在给定的时间段内触发的次数超过了预定的水平，则逐一周期内限流阈值被减小。在另一个示例中，在短路或者严重过载的条件下，最大输出功率被减小，直到输出载荷条件变为正常为止。在另一个示例中，开关电源变换器工作在CCM或者DCM中。本发明的一些实施例在系统启动期间调节逐一周期内限流阈值以控制电流的增大。例如，在启动期间，逐一周期内限流阈值从低的值逐渐升高到用于正常工作的正常值。本发明的某些实施例区分用于启动条件的过电流保护和用于正常工作的过电流保护。在供电启动期间，开关电源变换器的输出电压通常低于用于正常工作的输出电压。反馈环路可以迫使开关电源变换器输送额外的电流并且因此输送额外的功率到输出端。结果，变压器绕组电流可能迅速升高到非常高的水平。此迅速的电流增大导致绕组的瞬时饱和并且由于双倍磁通量效应会损坏转换器系统。根据本发明的某些实施例，过电流阈值在启动期间逐渐升高，以便避免或者减小瞬时饱和以及双倍磁通量效应。因此，可以减少或者防止系统损坏。
本发明的某些实施例提供非正常阈值。例如，非正常阈值高于、等于或者低于逐周期阈值。在另一个示例中，非正常阈值被用于在短路和/或过载条件下触发系统的切断。本发明的一些实施例提供在预定的切断时间段之后的自恢复机制。例如，开关电源变换器可以工作在“突发模式”(burst mode)，以减小非正常高的过电流条件下的输出功率，并且一旦非正常高的过电流条件被清除则恢复到正常工作。如果最高的过电流阈值被触发，本发明的某些实施例提供即时且永久性的锁定切断，以及时有效地保护转换器系统免受损坏。本发明的一些实施例提供用于电流限制和系统切断两者的解决方案。本发明的某些实施例可以缩短OCP去抖动时间和/或延迟，并且克服过电流孔(over-current hole)的问题。本发明的一些实施例可以提高系统的灵活性、可靠性和安全性。本发明的某些实施例可以将复杂的OCP设计分离成一个简单的保护机制组。
参考下面的详细描述和附图，可以更加充分地了解本发明的各种其他的目的、特征和优点。
图1是根据本发明的一个实施例的用于过电流保护的简化的自适应多级阈值系统；图2是根据本发明的一个实施例的用于过电流保护的简化的自适应多级阈值系统；图3是根据本发明的一个实施例的用于过电流保护的简化的阈值补偿系统；图4是示出了根据本发明的一个实施例的作为时间的函数的逐一周期内限流阈值的简化示图；图5是根据本发明的一个实施例的简化的离线反激转换器。
具体实施例方式
本发明涉及集成电路。更具体地说，本发明提供一种用于电源变换器的多阈值过流保护的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已经被应用于开关电源变换器。然而应该认识到本发明具有更加广泛的可应用性。
传统的过电流保护(OCP)常常不能在各种条件下限制电流或者保护开关电源变换器。例如，该开关电源变换器是工作在持续电流模式(CCM)。如果输出过载或者短路，则电流可能升高到OCP阈值以上，因此使开关电源变换器超限。同样，如果开关电源变换器遇到变压器绕组的电感器饱和，同时由于OCP控制可能具有较长的延迟时间，将使得电流无限制地迅速升高并且永久性地损坏开关电源变换器。作为另一个示例，开关电源变换器工作在低占空比。“开通”时间段比OCP控制延迟短，因此OCP不能在过流条件下触发。在另一个示例中，过电流保护频繁地被某些工作条件所触发。这些条件可以向开关电源变换器施加持续的超负荷，从而降低其长期可靠性。同样，因为在这些工作条件下所输送的高功率，开关电源变换器可能不能满足某些安全要求。
图1是根据本发明的一个实施例的用于过电流保护的简化的自适应多级阈值系统。此图仅仅是示例，不应限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。系统100包括电阻器102、输入补偿系统110、启动控制系统120、模式识别系统130、逐一周期内限流阈值发生器140、非正常阈值发生器150、逐一周期内限流比较器160、非正常比较器170、切断控制系统180、脉宽调制(PWM)发生器190、开关192和反馈系统194。虽然上面已经示出了将选定的一组部件用于系统100，但是可以有许多替换、修改和变化。例如，这些部件中的一些可以被扩展和/或组合。其他的部件可以被插入上述的那些部件。依据实施例，部件的布置可以和被替换的其他布置互换。例如，系统100被用于调节开关电源变换器。在本说明书全文中，更具体地在下文中，可以找到这些部件的更多细节。
逐一周期内限流阈值发生器140分别从输入补偿系统110、启动控制系统120和模式识别系统130接收控制信号142、144和146，并且输出逐一周期内限流阈值信号148。例如，输出逐一周期内限流阈值信号148被用于限制开关电源变换器的峰值电流。非正常阈值发生器150从输入补偿系统110接收控制信号142，并输出非正常阈值信号152。在一个实施例中，非正常阈值发生器150包括n个非正常阈值子系统，并且非正常阈值信号152包括n个非正常阈值的值。n是正整数。
逐一周期内限流阈值信号148表示逐一周期内限流阈值电压或逐一周期内限流阈值电流。非正常阈值信号152表示非正常阈值电压或非正常阈值电流。在一个实施例中，逐一周期内限流阈值电压低于、等于或者高于非正常阈值电压。在另一个实施例中，逐一周期内限流阈值电流低于、等于或者高于非正常阈值电流。
控制信号142由输入补偿系统110生成。输入补偿系统110被连接到电阻器102，所述电阻器102还被耦合到输入电压104。在一个实施例中，输入补偿系统110读出输入电压104，并且生成控制信号142。例如，输入补偿系统110接收与输入电压成比例的输入信号。
逐一周期内限流阈值发生器140使用控制信号142、144和146，以确定逐一周期内限流阈值信号148。例如，在正常工作期间，控制信号142可以调节逐一周期内限流阈值信号148，以便补偿输入电压104中的变动。在另一个实施例中，在开关电源变换器的启动期间，控制信号144被用于将逐一周期内限流阈值信号148从用于正常操作的值减小，然后将逐一周期内限流阈值信号148逐渐增大到用于正常操作的值。在一个实施例中，在启动期间，逐一周期内限流阈值随着时间和输入电压104而变化。在另一个实施例中，控制信号146可以被用于将逐一周期内限流阈值信号148从用于正常操作的值降低。在一个实施例中，如果在给定的时间段内触发逐一周期内过电流保护的频度超出了预定阈值，则控制信号146命令逐一周期内限流阈值发生器140降低逐一周期内限流阈值信号148。然后，在预定的延迟之后，阈值信号148可以恢复到用于正常操作的值。例如，所述频度等于触发的次数对给定时间段的比值。在另一个示例中，被降低的逐一周期内限流阈值信号148随输入电压104
改变。
非正常阈值发生器150使用控制信号142，以确定非正常阈值信号152。例如，控制信号142可以调节非正常阈值信号152，以便补偿输入电压104中的变动。
逐一周期内限流比较器160接收逐一周期内阈值信号148和反馈信号162。反馈信号162指明了系统100所要调节的电流的幅度。例如，反馈信号162与开关电源变换器的输入电流成比例。在一个实施例中，逐一周期内限流阈值信号148表示阈值电压，反馈信号162包括一个电压。在另一个实施例中，逐一周期内限流阈值信号148表示阈值电流，反馈信号162包括一个电流。逐一周期内限流比较器160比较逐一周期内限流阈值信号148和反馈信号162，并且生成比较信号164。
非正常比较器170接收非正常阈值信号152和反馈信号162。在一个实施例中，非正常比较器170包括n个非正常比较器子系统。每一个非正常比较器子系统接收反馈信号162并从n个非正常阈值子系统之一中接收关于非正常阈值大小的信息。n是正整数。例如，非正常阈值信号152表示阈值电压，反馈信号162包括一个电压。作为另一个实施例，非正常阈值信号152表示阈值电流，反馈信号162包括一个电流。非正常比较器170比较非正常阈值信号152和反馈信号162，并且生成比较信号172。在一个实施例中，非正常比较器170包括n个非正常比较器子系统。每一个非正常比较器子系统比较所接收到的非正常阈值和反馈信号162，并且生成比较信号172的一个分量。
比较信号172被切断控制系统180接收。如果比较信号172示出反馈信号162超过了非正常阈值信号152，则切断控制系统180可以在预定的延迟之后生成切断信号182。在一个实施例中，切断控制系统180包括n个切断控制子系统。n是正整数。每一个切断控制子系统从n个非正常比较器子系统之一接收比较信号172的一个分量。如果所述分量示出反馈信号162超过了相应的非正常阈值，则切断控制子系统可以在预定的延迟之后生成切断信号182。在一个实施例中，在任何两个切断控制子系统之间，预定的延迟可以是不同的或者相同的。例如，对于与更高的阈值相对应的切断控制子系统，预定的延迟更短。
在另一个实施例中，由一个切断控制子系统生成的切断信号182可以与由另一个切断控制子系统生成的切断信号182不同或者相同。例如，当开关电源变换器应该保持切断时，切断信号182规定切断时间段的长度。在另一个实施例中，对于由与更高的阈值相对应的切断控制子系统所生成的切断信号182，切断时间段更长。在另一个实施例中，切断时间段表示永久切断。作为一个示例，如果超过了最高的阈值，切断是永久性的。
模式识别系统130接收比较信号164。在一个实施例中，模式识别系统使用上下计数器方案或者模拟滤波法。比较信号164指明反馈信号162是否超过了逐一周期内限流阈值信号148。如果反馈信号162超过了逐一周期内限流阈值信号148，则逐一周期内过电流保护被触发。在一个实施例中，如果在给定的时间段内逐一周期内过电流保护的触发频度超过了预定的阈值，则控制信号146命令逐一周期内限流阈值发生器140降低逐一周期内限流阈值信号148。在另一个实施例中，反复地进行模式识别和控制。
PWM发生器190接收比较信号164和切断信号182，并生成调制信号196。调制信号196被用于导通或者关断开关192。例如，如果比较信号164指明反馈信号162超过了逐一周期内限流阈值信号148，则PWM发生器190激活逐一周期内过电流保护并且改变调制信号196。经改变的调制信号196关断开关192。在另一个实施例中，如果切断信号182包括带有切断时间段的切断命令，则生成调制信号196来关断开关192。在切断时间段之后，开关192被调制信号196再一次导通。例如，开关电源变换器被重新启动，并且启动控制120被激活。
开关192对于系统100所要调节的电流施加某种控制。例如，开关192包括晶体管，其栅极被连接到调制信号196。在一个实施例中，该晶体管是MOSFET。
反馈系统194生成反馈信号162。例如，反馈系统194包括电流取样器件。反馈系统194可以将或者可以不将取样的电流转换成电压。在另一个示例中，反馈信号162指明系统100所要调节的电流的大小。在一个实施例中，反馈信号162表示电压的大小。在另一个实施例中，反馈信号162表示电流的大小。
如上所讨论的，在一个实施例中，在正常工作期间，控制信号142可以调节逐一周期内限流阈值信号148，以便补偿输入电压104中的变动。逐一周期内限流阈值信号148被用于调节开关电源变换器的输入电流。开关电源变换器可以将输入电压转换成与开关电源变换器的输出功率相关的输出电压。逐一周期内限流阈值信号148对应于阈值输入电流，以及输出功率的阈值功率水平。阈值功率水平是输入电压104的函数。例如，阈值功率水平相对于输入电压104保持恒定。在另一个示例中，阈值功率水平随输入电压104增大或者减小。在另一个示例中，阈值功率水平被用作可被逐一周期内限流阈值所允许的最大输出功率。
图2是根据本发明的另一个实施例的用于过电流保护的简化的自适应多级阈值系统。此图仅仅是示例，不应限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。系统200包括晶体管201到217、电阻器220和222、运算放大器230和232、分压器234、多路器240、逻辑系统242、模式识别系统250、比较器260、262和264、控制器270和开关272。虽然上面已经示出了将选定的一组部件用于系统200，但是可以有许多替换、修改和变化。例如，这些部件中的一些可以被扩展和/或组合。其他的部件可以被插入上述的那些部件。依据实施例，部件的布置可以和被替换的其他布置互换。例如，系统200可以是系统100的示例。在本说明书全文中，更具体地说在下文中，可以找到这些部件的更多细节。
晶体管201到208被用于取样输入电压302。在一个实施例中，晶体管201和202形成电流镜。例如，晶体管201和202是PMOS晶体管。晶体管201的漏极被连接到供电电压304。晶体管201和202的源极都通过电阻器220被连接到输入电压302。例如，电阻器220具有从数百kΩ到数MΩ范围的电阻。通过电阻器220，电流306基于晶体管201和202的大小在这两个晶体管之间分配。此外，电流306与输入电压302成比例。
晶体管203和204形成共栅极放大器。在一个实施例中，该共栅极放大器提高了包括晶体管201和202的电流镜的输出阻抗，并且提高了被取样电流的精度。在另一个实施例中，晶体管203和204是PMOS晶体管。晶体管205和206形成一对开关。在一个实施例中，这些开关被用来为取样输入电压302提供额外的控制。在另一个实施例中，晶体管205和206是PMOS晶体管。
晶体管207和208形成电流镜。在一个实施例中，晶体管207向包括晶体管203和204的共栅极放大器提供漏电流和偏压。晶体管208接收被取样的电流并将被读出的电流镜像到晶体管207和诸如晶体管209的其他器件。被取样的电流指明输入电压302的大小。例如，被取样电流与输入电压302成比例。在另一个实施例中，晶体管207和208是NMOS晶体管。
晶体管209到214被用于对电流进行加和。在一个实施例中，晶体管209到212是NMOS晶体管，并且晶体管213和214是PMOS晶体管。在另一个实施例中，晶体管209镜像被取样的电流。参考电流308被馈送到晶体管210并且被晶体管211和212镜像。晶体管212的漏极电流312被馈送到运算放大器230的负输入端。漏极电流312等于参考电流308。参考电流308和等于被取样电流的电流310在晶体管213的漏极处被加起来。晶体管213的漏极电流被晶体管214镜像，所述晶体管214输出电流314到运算放大器232的正输入端。电流314等于参考电流308和电流310的加和。
运算放大器230和232、晶体管215和216以及分压器234被用于调节逐一周期内限流阈值和非正常阈值，并补偿输入电压302的变动。图3是根据本发明的一个实施例的用于过电流保护的简化阈值补偿系统。此图仅仅是示例，不应限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。
如图2和图3所示，运算放大器230的输出端402被连接到分压器234。在一个实施例中，分压器234包括多个串联的电阻器。例如，所述多个电阻器包括具有两个端子406和408的电阻器404。端子406被连接到端子402。端子408通过电阻器215和216被连接到运算放大器230的负输入端。例如，晶体管215和216是两个相同的NMOS晶体管。两个晶体管215和216、运算放大器230以及电阻器404形成了一个环路。晶体管215和216的漏极被连接到运算放大器232的正输入端。晶体管215和216的栅极被连接到运算放大器232的输出端410。运算放大器232和晶体管215和216形成另一个环路。
运算放大器230的正输入端和运算放大器232的负输入端分别与两个参考电压412和414相连。例如，参考电压412由Vbiasl表示，而参考电压414由Vbias2表示。晶体管215和216的漏极端416具有基本等于Vbias2的电平，并且运算放大器230的负输入端具有基本等于Vbiasl的电平。
电流312等于参考电流308，并且从运算放大器230的负输入端和晶体管215的源极流出。例如，电流312的大小由Iref表示。此外，电流314等于参考电流308和电流310的加和。例如，电流310的大小由Isense表示，并且电流314的大小由Iref+Isense表示。电流314流向运算放大器232的正输入端以及晶体管215和216的漏极端416。
当电流达到平衡时，晶体管215和216的漏极电流分别基本等于Iref和Isense。电流源418被连接到晶体管216的源极，并被用于收集晶体管216的漏极电流。例如，电流源418包括晶体管217。
在一个实施例中，如果晶体管215工作在三极管区，则晶体管215的漏极电流可以按如下计算Id215=μCox2WL[2(Vgs-Vt)Vds215-Vds2152]]]>(等式1)其中Id215表示晶体管215的漏极电流。Vds215是相对于晶体管215的源极电压的漏极电压，Vgs是相对于晶体管215的源极电压的栅极电压。Vt是晶体管215的阈值电压。W和L是晶体管215的宽度和长度。μ是晶体管215的电子迁移率，Cox是横跨晶体管215栅极氧化物的单位面积电容。
如果Vgs-Vt＞＞Vds215，等式1可以被简化如下Ld≈WLμCox(Vgs-Vt)Vds215]]>(等式2)因此，Vds216=Vds215Ids216Ids215=L·IsenseWμCox(Vgs-VT)]]>(等式3)其中，Id216表示晶体管216的漏极电流，Vds216表示相对于晶体管216的源极电压的漏极电压。相应地，端子408处的电压水平被确定如下Vterminal=Vbias2-Vds216=Vbias2-L·IsenseWμCox(Vgs-VT)]]>(等式4)其中Vterminal表示端子408处的电平。被取样电流Isense指明输入电压302的大小。例如，被取样电流与输入电压302成比例。根据等式4，Vterminal被调节以补偿输入电压302中的变动。
在另一个实施例中，分压器234包括n个电阻器以及电阻器404。n是正整数。n个电阻器向多路器240提供n个电平。例如，n个电平包括Vthn、Vth(n-1)、……、Vth2和Vth1。Vthn等于Vterminal。
系统200的非正常阈值电压340等于端点406处的电平。系统200的逐一周期内限流阈值电压350由被逻辑系统242所控制的多路器240生成。在一个实施例中，根据预定的逻辑基于n个电平来确定对于正常工作的逐一周期内限流阈值电压350。例如，逐一周期内限流阈值电压350等于用于正常工作的Vthn。在另一个实施例中，在开关电源变换器的启动期间，逐一周期内限流阈值电压350随着启动时间的增加而增大。例如，逐一周期内限流阈值电压350根据来自控制系统242的指令，逐步地从Vth1、Vth2、……、Vth(n-1)和Vthn增大。在另一个实施例中，逻辑系统242被用作启动控制系统120。
在另一个实施例中，多路器240向应于来自模式识别系统250的信号316降低逐一周期内限流阈值电压350。模式识别检测逐一周期内过电流保护的触发频度。如果在给定的时间段内该频度超过了预定的阈值，则信号316命令多路器240根据预定的逻辑来降低逐一周期内限流阈值电压350。在预定的延迟之后，逐一周期内限流阈值电压350可以恢复到用于正常工作的值。例如，逐一周期内限流阈值电压350根据来自模式识别系统250的指令，从Vth1、Vth2、……、Vth(n-1)和Vthn中的一个下降到Vth1、Vth2、……、Vth(n-1)和Vthn中的另一个。
模式识别系统250例如包括低通滤波器252、比较器254以及定时器256。输出信号316被用于自适应地调节阈值电压350。
逐一周期内限流阈值电压350和非正常阈值电压340被用于触发过电流保护。非正常阈值电压340被提供给非正常比较器260。非正常比较器260还接收被取样电压318。被取样电压318与系统200所要调节的电流320成比例。例如，被取样电压318由电阻器222生成。非正常比较器260比较非正常阈值电压340和被取样电压318，并且生成比较信号322。
逐一周期内限流阈值电压350被提供给逐一周期内限流比较器262，所述逐一周期内限流比较器262还接收被取样电压318。逐一周期内限流比较器262比较逐一周期内限流阈值电压350和被取样电压318，并且生成比较信号324。比较信号324被发送到控制器270和模式识别系统250两者。
此外，被取样电压318被提供给PWM比较器264，所述PWM比较器264还接收由反馈环路生成的反馈(FB)电压326。PWM比较器264比较反馈电压326和被取样电压318，并生成比较信号328。
控制器270接收信号322、324和328，并生成调制信号330。调制信号330用于导通或关断开关272。例如，开关272包括晶体管。例如，如果信号322指明被取样电压318超过了逐一周期内限流阈值电压350，则控制器270激活逐一周期内过电流保护并且改变调制信号330。经改变的调制信号330被用于关断开关272。在另一个实施例中，如果信号324指明被取样电压318超过了非正常阈值电压340，则生成调制信号330来立即或者在预定的延迟之后关断开关272。切断或者是永久性的或者是暂时的。例如，在预定的切断时间段之后，开关272被调制信号330再一次导通。在另一个实施例中，如果信号328指明被取样电压318超过了反馈电压326，则生成调制信号330来关断开关272。
如上所讨论的，在一个实施例中，在正常工作期间，逐一周期内限流阈值电压350补偿输入电压302的变动。逐一周期内限流阈值电压350被用于调节开关电源变换器的电流320。开关电源变换器可以将输入电压302转换成与开关电源变换器的输出功率相关联的输出电压。逐一周期内限流阈值电压350对应于电流320的阈值电流水平，进而对应于输出功率的阈值功率水平。阈值功率水平是输入电压302的函数。例如，阈值功率水平相对于输入电压302保持恒定。在另一个示例中，阈值功率水平随输入电压302增大或者减小。在另一个示例中，阈值功率水平被用作可被逐一周期内限流阈值电压350所允许的最大输出功率。在另一个示例中，晶体管208和209形成电流镜。电流镜的增益可以确定阈值功率水平相对于输入电压302是恒定、增大还是减小。在一个实施例中，电流镜的增益被调节，以便选择阈值功率水平相对于输入电压302是恒定、增大还是减小。
图4是示出了根据本发明的一个实施例的作为时间的函数的逐一周期内限流阈值的简图。此图仅仅是示例，不应限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。纵轴510表示逐一周期内限流阈值电压或者电流，而横轴520表示时间。曲线530示出了在启动开始时逐一周期内限流阈值等于起始值532，然后在启动的过程中随时间而增大。曲线530可以由系统100和/或系统200产生。
如上所讨论并在此所强调的，图1-4仅仅是示例，不应限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。例如，逐一周期内限流阈值发生器140可以被另一种类型的周期内限流阈值发生器替代。在一个实施例中，该周期内限流阈值发生器包括n倍周期内限流阈值发生器。n是正整数。在另一个示例中，逐一周期内限流阈值信号148可以被另一种类型的周期内限流阈值信号替代。在一个实施例中，该周期内限流阈值信号包括n倍周期内限流阈值信号。n是正整数。在另一个示例中，由逐一周期内限流阈值信号148表示的逐一周期内限流阈值被另一个类型的周期内限流阈值替代。在一个实施例中，该周期内限流阈值包括n倍周期内限流阈值。n是正整数。在另一个示例中，逐一周期内限流阈值电压350可以被另一种类型的周期内限流阈值电压替代。在一个实施例中，该周期阈值电压包括n倍周期内限流阈值电压。n是正整数。
根据本发明的另一个实施例，一种用于保护开关电源变换器的方法包括接收输入信号，至少基于与输入信号相关联的信息来生成第一控制信号，以及生成第二控制信号，该第二控制信号指明开关电源变换器是否处在启动状态。此外，该方法包括处理与第一控制信号、第二控制信号以及第三控制信号相关联的信息，至少基于与第一控制信号、第二控制信号以及第三控制信号相关联的信息来生成过流保护阈值，以及处理与过流保护阈值和反馈信号相关联的信息。而且，该方法包括至少基于与过流保护阈值和反馈信号相关联的信息来生成比较信号，处理与比较信号相关联的信息，以及至少基于与比较信号相关联的信息来生成第三控制信号。第三控制信号指明反馈信号是否以大于预定水平的频度超过过流保护阈值。此外，该方法包括至少基于与比较信号相关联的信息来生成调制信号，并至少基于与调制信号相关联的信息来确定开关电源变换器的输入电流。例如，该方法可以由系统100和/或系统200执行。
根据本发明的另一个实施例，一种用于保护开关电源变换器的方法包括接收输入信号，至少基于与输入信号相关联的信息来生成控制信号，以及处理与控制信号相关联的信息。此外，该方法包括至少基于与控制信号相关联的信息来生成阈值，处理与阈值和反馈信号相关联的信息，以及至少基于与阈值和反馈信号相关联的信息来生成比较信号。而且，该方法包括处理与比较信号相关联的信息，以及至少基于与比较信号相关联的信息来关闭开关电源变换器。阈值至少随输入信号变化。例如，该方法可以由系统100和/或系统200执行。
本发明具有各种应用。例如，系统100和/或系统200可以利用脉宽调制向开关模式开关电源变换器提供过电流保护(OCP)。例如，开关方式开关电源变换器是正向转换器或者离线反激转换器。在另一个示例中，开关方式开关电源变换器工作在非连续电流模式(DCM)或者连续电流模式(CCM)。
图5是根据本发明的一个实施例的简化离线反激转换器。此图仅仅是示例，不应限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。系统500包括PWM控制器510。PWM控制器510包括耦合到多个保护系统的PWM发生器520。所述多个保护系统包括用于过温度保护(OTP)的系统522、用于过电压保护(OVP)的系统524、用于欠电压封锁(UVLO)的系统526以及用于过电流保护(OCP)的系统528。例如，OCP系统528包括系统100的某些或者全部器件。在另一个示例中，OCP系统528包括系统200的某些或者全部器件。PWM控制器510接收被取样信号530并且输出控制信号532。被取样信号530指明电压域或电流域中的电流534的大小。控制信号532被用于导通或者关断开关540。开关540可以控制流过系统500的初级绕组550的电流。
如图5所示，OCP系统528可以限制电流534免于超过预设值。若没有适当的OCP保护方案，当输出短路或者过载发生时，电流534可能达到高的水平。由于在开关时由 产生的过电压冲击或者工作时的热失控，该高电流可以导致对开关540的损坏。L表示初级绕组550的电感，i表示流过初级绕组550的电流。此外，若没有适当的OCP保护方案，由于在开关电源变换器500的开关时的过电压和电流应力水平可能使开关电源变换器500的次级侧的整流器部件遭受永久性损坏。因此，根据本发明某些实施例的OPC系统528可以为可靠开关方式转换器设计提供重要的保护。
本发明具有各种优点。本发明的一些实施例提供用于过电流保护的多级阈值。例如，所述多级阈值对应于不同的工作条件。作为示例，工作条件包括输出过载条件和系统启动条件。在另一个示例中，基于输入电压自适应地调节多级阈值。在另一个示例中，多级阈值处在电流域和/或电压域。本发明的某些实施例提供用于补偿输入电压变动的逐一周期内限流阈值。例如，响应于输入电压的变动而调节最大输出功率。本发明的一些实施例提供用于正常工作下的电流限制的逐一周期内限流阈值。例如，取决于在过电流阈值水平和输入电压之间所使用的补偿方案，在正常工作下，将最大输出功率设为随输入电压的变化而保持恒定、增大或者减小。
本发明的某些实施例响应于过电流保护的触发模式而调节逐一周期内限流阈值。触发模式反映了输出载荷条件。例如，如果在给定的时间段内触发的次数低并且是随机的，则输出载荷条件通常是正常的。可以使用用于正常工作的逐一周期内限流阈值。在另一个示例中，如果在给定的时间段内触发的次数超过了预定的水平，则逐一周期内限流阈值被减小。在另一个示例中，在短路或者严重过载的条件下，最大输出功率被减小，直到输出载荷条件变为正常为止。在另一个示例中，开关电源变换器工作在CCM或者DCM中。在系统启动期间，本发明的一些实施例调节逐一周期内限流阈值以控制电流的增大。例如，在启动期间，逐一周期内限流阈值从低的值逐渐升高到用于正常工作的正常值。本发明的某些实施例区分用于启动条件的过电流保护和用于正常工作的过电流保护。在供电启动期间，开关电源变换器的输出电压通常低于用于正常工作的输出电压。反馈环路可以迫使开关电源变换器输送额外的电流并且因此输送额外的功率到输出端。结果，变压器绕组电流可能迅速升高到非常高的水平。此迅速的电流增大导致绕组的瞬时饱和并由于双倍磁通量效应而损坏转换器系统。根据本发明的某些实施例，在启动期间，过电流阈值逐渐升高，以便避免或者减小瞬时饱和以及双倍磁通量效应。因此，可以减少或者防止系统损坏。
本发明的某些实施例提供非正常阈值。例如，非正常阈值高于、等于或者低于逐一周期内限流阈值。在另一个示例中，非正常阈值被用于在短路和/或过载条件下触发系统的切断。本发明的一些实施例提供在预定切断时间段之后的自恢复机制。例如，开关电源变换器可以工作在“突发模式”，以减小非正常高的过电流条件下的输出功率，并且一旦非正常高的过电流条件被清除则恢复到正常工作。如果最高的过电流阈值被触发，则本发明的某些实施例提供即时并且永久性的锁闭切断，以及时有效地保护转换器系统免受损坏。本发明的一些实施例提供用于电流限制和系统切断两者的解决方案。本发明的某些实施例可以缩短OCP去抖动时间和/或延迟，并且克服过电流孔的问题。本发明的一些实施例可以提高系统的灵活性、可靠性和安全性。本发明的某些实施例可以将复杂的OCP设计分离成一个简单的保护机制组。
虽然已经描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将理解还存在与所描述的实施例等同的其他实施例。因此，应该理解本发明不应受到具体的所说明实施例的限制，而是应该由权利要求限制。
权利要求
1.一种用于保护开关电源变换器的系统，所述系统包括补偿系统，被配置来接收输入信号并且生成控制信号；过流保护阈值发生器，被配置接收所述控制信号并生成过流保护阈值；比较器，被配置接收所述过流保护阈值和反馈信号并生成比较信号；脉宽调制发生器，被配置来接收所述比较信号并且响应于所述比较信号而生成调制信号；开关，被配置来接收所述调制信号并且控制开关电源变换器的输入电流；其中所述输入电流与所述开关电源变换器的输出功率相关联；所述过流保护阈值对应于所述输出功率的阈值功率水平；所述阈值功率水平相对于所述输入信号保持恒定、下降或者增大。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入信号与输入电压成比例；所述开关电源变换器被配置来将所述输入电压转换成输出电压；所述输出电压与所述输出功率相关联。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述阈值功率水平相对于所述输入电压保持恒定。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述阈值功率水平相对于所述输入电压下降。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述阈值功率水平相对于所述输入电压增大。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述反馈信号与所述输入电流成比例；所述开关电源变换器被配置来将所述输入电压转换成输出电压；所述输出电压与所述输出功率相关联。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述过流保护阈值包括选自由阈值电压或阈值电流组成的组中的至少一个。
8.一种用于保护开关电源变换器的系统，所述系统包括启动控制系统，被配置来生成第一控制信号；过流保护阈值发生器，被配置来接收所述第一控制信号并且生成过流保护阈值；比较器，被配置来接收所述过流保护阈值和反馈信号并且生成比较信号；脉宽调制发生器，被配置来接收所述比较信号并且响应于所述比较信号而生成调制信号；开关，被配置来接收所述调制信号并控制开关电源变换器的输入电流；其中在启动期间，所述过流保护阈值随时间增大。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括补偿系统，被配置来接收输入信号并生成第二控制信号；其中所述过流保护阈值发生器还被配置来接收所述第二控制信号并至少基于所述第一控制信号和第二控制信号来生成所述过流保护阈值；在所述启动期间，所述过流保护阈值随时间和所述输入信号变化。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述反馈信号与所述输入电流成比例。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述过流保护阈值发生器包括多路器，所述多路器被配置来接收多个阈值水平和所述第一控制信号，并且至少基于与所述多个阈值水平和所述第一控制信号相关联的信息来生成所述过流保护阈值。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述多路器还被配置来在第一时间从所述多个阈值水平选择第一阈值水平，并且在第二时间从所述多个阈值水平选择第二阈值水平；所述第二时间迟于所述第一时间；所述第二阈值水平高于所述第一阈值水平。
13.一种用于保护开关电源变换器的系统，所述系统包括过流保护阈值发生器，被配置来生成过流保护阈值；比较器，被配置来接收所述过流保护阈值和反馈信号并且生成比较信号；脉宽调制发生器，被配置来接收所述比较信号并且响应于所述比较信号而生成调制信号；开关，被配置来接收所述调制信号并且控制开关电源变换器的输入电流；模式识别系统，被配置来接收所述比较信号并且输出第一控制信号到所述过流保护阈值发生器；其中所述第一控制信号指明所述反馈信号是否以高于预定水平的频度超过所述过流保护阈值；所述过流保护阈值发生器还被配置来将所述过流保护阈值从第一阈值水平减小到第二阈值水平，如果所述第一控制信号指明所述反馈信号以高于所述预定水平的频度超过所述过流保护阈值的话。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括补偿系统，被配置来接收输入信号并生成第二控制信号；其中所述过流保护阈值发生器还被配置来接收所述第二控制信号并至少基于所述第一控制信号和所述第二控制信号来生成所述过流保护阈值；所述过流保护阈值至少随所述输入信号而变化。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述反馈信号与所述输入电流成比例。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述过流保护阈值发生器还被配置来在预定的时间段之后将所述过流保护阈值从所述第二阈值水平变化到第三阈值水平。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第三阈值水平等于所述第一阈值水平。
18.根据权利要求13所述的系统，其中所述过流保护阈值发生器包括多路器，所述多路器被配置来接收多个阈值水平和所述第一控制信号，并且至少基于与所述多个阈值水平和所述第一控制信号相关联的信息来生成所述过流保护阈值。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述多路器还被配置来从所述多个阈值水平选择所述第一阈值水平，并且从所述多个阈值水平选择所述第二阈值水平。
20.一种用于保护开关电源变换器的系统，所述系统包括补偿系统，被配置来接收输入信号并且生成控制信号；阈值发生器，被配置来接收所述控制信号并且生成阈值；比较器，被配置来接收所述阈值和反馈信号并且生成比较信号；切断控制系统，被配置来接收所述比较信号并且生成切断信号；开关，耦合到所述切断控制系统并且被配置来切断开关电源变换器；其中所述阈值至少随所述输入信号变化。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述反馈信号与所述输入电流成比例。
22.根据权利要求20所述的系统，还包括脉宽调制发生器，被配置来接收所述切断信号并生成开关信号；其中所述开关还被配置来接收所述开关信号，并且响应于所述开关信号而切断所述开关电源变换器。
23.根据权利要求20所述的系统，其中所述切断控制系统还被配置来在预定的延迟之后生成所述比较信号。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述预定的延迟随所述阈值的增大而减小。
25.根据权利要求20所述的系统，其中所述开关还被配置来切断所述开关电源变换器持续切断时间段的时间。
26.根据权利要求24所述的系统，其中所述切断时间段随所述阈值的增大而增大。
27.一种用于保护开关电源变换器的方法，所述方法包括接收输入信号；至少基于与所述输入信号相关联的信息来生成第一控制信号；生成第二控制信号，所述第二控制信号指明开关电源变换器是否处在启动状态；处理与所述第一控制信号、所述第二控制信号和第三控制信号相关联的信息；至少基于与所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号相关联的信息，生成过流保护阈值；处理与所述过流保护阈值和反馈信号相关联的信息；至少基于与所述过流保护阈值和所述反馈信号相关联的信息，生成比较信号；处理与所述比较信号相关联的信息；至少基于与所述比较信号相关联的信息来生成所述第三控制信号，所述第三控制信号指明所述反馈信号是否以高于预定水平的频度超过所述过流保护阈值；至少基于与所述比较信号相关联的信息来生成调制信号；至少基于与所述调制信号相关联的信息来确定所述开关电源变换器的输入电流。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述输入电流与所述开关电源变换器的输出功率相关联；所述过流保护阈值对应于所述输出功率的阈值功率水平；所述阈值功率水平相对于所述输入信号保持恒定、下降或者增大。
29.根据权利要求27所述的方法，其中生成过流保护阈值的操作包括在启动期间随时间增大所述过流保护阈值，如果所述第二控制信号指明所述开关电源变换器处在所述启动状态的话。
30.根据权利要求27所述的方法，其中生成过流保护阈值的操作包括将所述过流保护阈值从第一阈值水平减小到第二阈值水平，如果所述第三控制信号指明所述反馈信号以高于所述预定水平的频度超过所述过流保护阈值的话。
31.一种用于保护开关电源变换器的方法，所述方法包括接收输入信号；至少基于与所述输入信号相关联的信息来生成控制信号；处理与所述控制信号相关联的信息；至少基于与所述控制信号相关联的信息，生成阈值；处理与所述阈值和反馈信号相关联的信息；至少基于与所述阈值和所述反馈信号相关联的信息，生成比较信号；处理与所述比较信号相关联的信息；至少基于与所述比较信号相关联的信息，切断所述开关电源变换器；其中，所述阈值至少随所述输入信号变化。
32.根据权利要求31所述的方法，其中处理与所述比较信号相关联的信息的操作包括至少基于与所述比较信号相关联的信息来生成切断信号。
33.根据权利要求32所述的方法，其中至少基于与所述比较信号相关联的信息来切断所述开关电源变换器的操作包括至少基于与所述切断信号相关联的信息来切断所述开关电源变换器。
全文摘要
本发明公开了一种用于开关电源变换器的多阈值过流保护的系统和方法。该系统包括补偿系统，被配置来接收输入信号并生成控制信号；多组过流保护阈值发生器，被配置来接收控制信号并生成过流保护阈值；以及比较器，被配置来接收过流保护阈值和反馈信号并生成比较信号。所述系统还包括脉宽调制发生器，被配置来接收比较信号并且响应于所述比较信号而生成调制信号；以及开关，被配置来接收调制信号并控制开关电源变换器的输入电流。所述输入电流与开关电源变换器的输出功率相关联。过流保护阈值对应于输出功率的阈值功率水平。阈值功率水平相对于输入信号保持恒定、下降或者增大。
文档编号H02H3/08GK1815838SQ200510023920
公开日2006年8月9日 申请日期2005年2月3日 优先权日2005年2月3日
发明者朱臻, 叶俊, 赵时峰, 方烈义, 陈志樑 申请人:昂宝电子(上海)有限公司