电压调节器过电流保护的制作方法
【专利说明】电压调节器过电流保护
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年4月I日提交的题为“POWER RE⑶LAT0R(功率调节器)”的美国临时申请S/N.61/807，212以及于2014年I月9日提交的题为“VOLTAGE REGULATOROVER-CURRENT PROTECT1N(电压调节器过电流保护)”的美国非临时申请S/N.14/151，725的权益，这两件申请通过援弓I被整体明确纳入于此。
[0003]背景
[0004]领域
[0005]本发明一般涉及电压调节器。更具体而言，本发明涉及用于保护降压调节器免于过电流的实施例。
【背景技术】
[0006]无线通信设备需要电池或外部DC功率供应来作为电源。在无线通信设备内，存在通常以比附连到该无线通信设备的电池或外部DC功率供应低得多的DC电压来操作的集成电路(IC)。为便于集成电路在低操作电压处操作，通常需要开关电压调节器来将外部DC功率供应或电池电压转换成集成电路较低的供电电压。开关电压调节器是配置成用于快速打开和关闭功率晶体管(例如，M0SFET)以稳定输出电压或电流的控制电路。开关调节器通常在需要较高效率、较小大小或较轻重量时用作线性调节器的替代。然而，开关调节器更复杂且它们的开关电流在没有仔细抑制的情况下可造成噪声问题。
[0007]作为开关调节器的示例，降压调节器是步进下降DC到DC转换器。降压转换器通常包括两个开关(例如，晶体管和二极管)以及用于过滤输出电压波纹的电感器和电容器。同步降压调节器是其中二极管被第二晶体管代替的、基本降压调节器电路拓扑的修改版本。一般而言，降压调节器在将电感器连接到源电压以将能量存储在电感器中(“开启状态”)与将电感器放电到负载(“关闭状态”)之间交替。
[0008]存在对增强型降压调节器的需要。更具体而言，存在对与保护降压调节器免于过电流状况相关的实施例的需要。
[0009]附图简述
[0010]图1示出包括多个晶体管的降压调节器。
[0011]图2解说了根据本发明的一示例性实施例的包括调节器的设备。
[0012]图3解说了根据本发明的示例性实施例的包括调节器的另一设备。
[0013]图4是描绘根据本发明的示例性实施例的方法的流程图。
[0014]图5是描绘调节器的各种信号的标绘。
[0015]图6是描绘表示通过调节器的电感器的电流的信号的另一标绘。
[0016]图7是描绘指示调节器退出折返模式并恢复正常占空比操作的信号的又一标绘。
[0017]图8是描绘根据本发明的示例性实施例的方法的流程图。
[0018]图9是描绘根据本发明的示例性实施例的另一方法的流程图。
[0019]图10解说了根据本发明的示例性实施例的包括调节器的设备。
[0020]详细描述
[0021]以下结合附图阐述的详细描述旨在作为本发明的示例性实施例的描述，而无意表示能在其中实践本发明的仅有实施例。贯穿本描述使用的术语“示例性”意指“用作示例、实例或解说”，并且不应当一定要解释成优于或胜过其他示例性实施例。本详细描述包括具体细节以提供对本发明的示例性实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践本发明的示例性实施例。在一些实例中，公知的结构和器件以框图形式示出以免煙没本文给出的示例性实施例的新颖性。
[0022]图1解说降压调节器100，它可被用来降低来自电池的电压并将DC电压供应给电子设备。降压调节器100包括晶体管102和104，它们中的每一者由控制器106控制。降压调节器100还包括二极管108、电容器112、电感器110、以及负载120，负载120接收降压调节器100的输出电压。如将理解的，控制器106被配置成改变晶体管102和104被导通以将电感器110与源电压(Vin)交替连接和断开连接的占空比。在电感器110存储能量并将能量放电时，它产生输出电压Vout，其略小于源电压Vin。
[0023]—般需要降压调节器以提供对在经调节输出节点处短路到接地的保护。主动电流限制可被实现为峰值电流检测，以决定何时超驰正常控制环路来截止调节器的P型场效应晶体管(PFET)并导通调节器的η型场效应晶体管(NFET)。必须作出与使用什么事件来截止NFET并导通PFET且给予正常控制环路恢复控制的机会有关的决定。示例实现包括使用降压开关时钟的上升沿或在时间值上使用恒定NFET。这两种方法在输出电压很低或在接地故障状况下发生问题，因为在NFET导通以将在PFET导通时添加的所有电感器能量放电时，通常没有跨电感器的足够的负差分。如果这样的状况存在，则电感器电流的多个连续净增长循环将造成被称为电流限制失控的状况。
[0024]电流限制检测速度上的实际限制需要PFET导通达最小时间量以声明有效的过电流状况。这造成期望电流限制阈值的有限过冲。在低输出电压处，过冲量级是最大的。过冲造成在PFET导通时更多能量被添加，且接地故障使得在NFET导通时能量不能完全耗散，从而导致失控关切的最差情形情况。电流限制失控可以是功率FET和电感器的可靠性的严重问题。它还可导致使电池供电的应用负担过重的不合乎需要的浪涌电流。
[0025]如本文所描述的，各示例性实施例涉及与电压调节器的过电流保护有关的设备和方法。根据一个示例性实施例，一种设备可包括选择性地耦合到输出端和电源的电感器。该设备还可包括配置成在从电源流到电感器的电流量等于或大于电流阈值的情况下检测过电流事件的控制器。控制器还可被配置成在输出端处的电压小于或等于参考电压的情况下检测低电压事件。此外，响应于过电流事件和低电压事件，控制器可被配置成防止电流从电源流向电感器，直至电感器所存储的基本上所有能量已耗散。
[0026]根据另一示例性实施例，本发明包括用于保护电压调节器免于电流失控的方法。这样的方法的各实施例可包括将电压调节器的输出电压与参考电压相比较并将通过调节器的电感器的电流与阈值电流相比较。此外，该方法可包括在通过电感器的电流大于或等于阈值电流且输出电压小于或等于参考电压的情况下耗散由电感器存储的所有能量。
[0027]通过考虑随后的描述、所附的附图以及附加的权利要求，本发明的其他方面以及各种方面的特征和益处对于本领域技术人员来说将会是显而易见的。
[0028]图2解说了根据本发明的示例性实施例的设备200。作为示例，设备200可包括降压调节器。设备200包括可编程参考单元202、调制器204、控制器206、以及栅极驱动器208。可编程参考单元202的输出端耦合到调制器204的一个输入端，并且调制器204的输出端耦合到控制器206的一个输入端。此外，控制器206的输出端耦合到栅极驱动器208的输入端。
[0029]设备200还包括晶体管M3，且M3耦合在供电电压VDD和接地电压GND之间。更具体地，晶体管M3的源极耦合到供电电压VDD且晶体管M4的源极耦合到接地电压GND。此夕卜，晶体管M3的漏极在节点A处耦合到晶体管M4的漏极，节点A也可被称为“开关节点”。另外，晶体管M3和晶体管M4中的每一者的栅极被耦合且被配置成接收来自栅极驱动器208的信号。晶体管M3可包括PFET，它在此也可被称为“高侧FET”。此外，晶体管M4可包括NFET,它在此也可被称为“低侧FET”。设备200还包括一端耦合到节点A且另一端耦合到输出端Vout的电感器L。另外，设备200包括耦合在输出端Vout和接地电压GND之间的电容器C以及也耦合在输出端Vout和接地电压GND之间的负载225。
[0030]如本领域普通技术人员将理解的，可编程参考单元202和调制器204向控制器206提供具有期望占空比的信号。基于占空比，控制器206和栅极驱动器208可被配置成使晶体管M3 “导通”和“截止”以将供电电压VDD提供的能量存储在电感器L中。控制器206和栅极驱动器208可被进一步配置成基于占空比来使晶体管M4 “导通”和“截止”以将电感器L所存储的能量通过负载225来放电。这一经放电的能量在通常被