專利名稱：用于冗余功率系統(tǒng)的有源或運算控制器的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考本公開基于并要求享有2003年8月19日申請的序列No.60/496,284(IR-2566 PROV)和2003年10月8日申請的序列No.60/509,448(IR-2595 PROV)的專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容引入作為參考。
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域 本發(fā)明涉及一種用于使功率MOSFET能用于冗余功率(redundant power)系統(tǒng)中的有源(active)或運算(ORing)的控制器/驅(qū)動器。其尤其涉及一種具有用于有源地測試功率MOSFET條件的診斷特征的控制器/驅(qū)動器。
相關(guān)技術(shù) 傳統(tǒng)上通過利用二極管(一般稱為或運算二極管(ORing diode))將兩個或多個電源組合到一條冗余總線中來實現(xiàn)功率系統(tǒng)冗余?；蜻\算二極管有必要在被或運算的電源的其中之一出現(xiàn)短路的情況下保持存有共用的總線電壓。
有幾種二極管進行或運算的典型應(yīng)用。一種是在-48V電信級(carrier-class)系統(tǒng)中的供給源A和供給源B進行或運算操作，如圖1所示。兩個輸入源A和B通過兩個二極管連接在一起，二極管連接到電源的負端。另一種是N+1個冗余AC-DC整流器的或運算，其產(chǎn)生48V或24V以提供給各種網(wǎng)絡(luò)、電信、高端計算或存儲設(shè)備。最后，高電流低壓輸出一般是一起被或運算，以對網(wǎng)絡(luò)和計算處理器提供冗余的功率。
當(dāng)輸出功率為低時，二極管的或運算操作是提供快速有效的錯誤隔離的簡單且低成本的解決方案。然而，現(xiàn)今市場上用作或運算二極管的最好的肖特基二極管一般會產(chǎn)生具有高輸出功率的多余功耗，需要使用大的封裝和/或散熱片。例如，在提出的高級TCA規(guī)格中的每個系統(tǒng)板的功率級是200W。在該情況下由于二極管進行或運算引起的功耗可以是差不多3W，或者在最差情況的輸入電壓(40.5V)情況下為1.5％的效率損耗(對于標準的100V肖特基二極管)。具有二極管或運算的另一問題在于檢測潛在的會導(dǎo)致功率冗余損耗的二極管短路故障并不簡單。

發(fā)明內(nèi)容
為了大大地減少或運算二極管的功率損耗，可以使用功率MOSFET代替二極管作為同步整流器。表1示出了當(dāng)用于有源或運算操作中時，兩個肖特基二極管和IRF7495功率MOSFET的功率損耗。MOSFET的正向電壓降很可能是比最好的肖特基二極管幅度數(shù)量級低，功率損耗減少了90％。然而，為了在或運算電路中使用功率MOSFET，則需要控制器來驅(qū)動MOSFET以及確定何時導(dǎo)通和何時斷開，使得當(dāng)功率MOSFET處于反向時象二極管一樣工作，且當(dāng)它處于正向時具有非常小的正向電壓降。
為了滿足用于功率MOSFET的有源或運算控制器的上述要求，已提出一種新穎的集成或運算控制器(IR 5001)?？刂破髁硗膺€具有用于有源測試MOSFET條件的診斷功能。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用于控制冗余功率系統(tǒng)中的功率MOSFET的有源或運算控制器包括比較器電路，其用于檢測跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子兩端的電壓差，并用于將該電壓差與第一預(yù)定電平進行比較；以及控制電路，其接收比較器電路的輸出并且輸出施加到功率MOSFET柵極端上的控制信號?？刂菩盘柧哂幸粋€值，使得功率MOSFET響應(yīng)落在預(yù)定電平下的電壓差而被斷開，并且在其它時間導(dǎo)通。預(yù)定電平由分別具有正極性和負極性的兩個閾值電壓限定。優(yōu)選地，負閾值電壓的絕對值比正閾值電壓小。有利地，控制電路以不相等的導(dǎo)通延遲和斷開延遲時間使功率MOSFET導(dǎo)通和斷開，導(dǎo)通延遲優(yōu)選大于斷開延遲。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，控制器還包括用于校驗功率MOSFET條件的校驗電路，校驗電路可操作為用于設(shè)置控制信號以斷開功率MOSFET；以及用于檢測上述的電壓差是否比第二預(yù)定電平低的感測電路，并且如果上述電壓差比第二預(yù)定電平低，則表明所述的功率MOSFET有故障。感測電路有利地包括比較器、MOSFET和LED；并且比較器控制MOSFET以當(dāng)電壓差比第二預(yù)定電平低時熄滅LED，并在其它時間點亮LED。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，用于控制冗余功率系統(tǒng)中的功率MOSFET的集成有源或運算控制器，包括封裝、位于封裝內(nèi)的電路以及伸出該封裝的端子?？刂破靼ū容^器電路，具有一對電壓輸入INN、INP，用于分別接收和檢測跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子兩端的電壓差，且將電壓差與第一預(yù)定電平進行比較；以及控制電路，其接收比較器電路的輸出并且在電壓輸出端子Vout處輸出施加到所述功率MOSFET的柵極端的控制信號?？刂菩盘柧哂幸粋€值，使得功率MOSFET響應(yīng)落在預(yù)定電平下的電壓差而斷開，且在其它時間導(dǎo)通。集成控制器可進一步包括校驗電路，其可操作為用于接收在端子FETck上的校驗信號，且與其響應(yīng)，設(shè)置控制信號以斷開功率MOSFET；以及感測電路，用于檢測電壓差是否比第二預(yù)定電平低，且如果電壓差比第二預(yù)定電平低，則在狀態(tài)端子FETst處表明功率MOSFET有故障。
參照附圖，根據(jù)下面描述的本發(fā)明實施例，本發(fā)明的這些和其它特征以及優(yōu)點將變得顯而易見。


圖1是包括或運算二極管的傳統(tǒng)冗余功率系統(tǒng)的方塊圖。
圖2是用于或運算功率MOSFET的有源控制器/驅(qū)動器的分立實施的示意圖。
圖3示出了用于圖2中比較器的偏移電壓和滯后電壓。
圖4示出了圖2的電路中反向電流與驅(qū)動器容量的關(guān)系曲線。
圖5是集成有源或運算控制器的方塊圖。
圖6示出了利用圖5中控制器的冗余功率系統(tǒng)。
具體實施例方式
有源或運算控制器的分立實施 可以通過使用比較器10和驅(qū)動器15來分立地實現(xiàn)主要的或運算控制功能，如圖2所示。選擇比較器和驅(qū)動器的參數(shù)用于有源或運算MOSFET M的穩(wěn)定操作，并且使得其象二極管一樣運行。
四個電阻R1-R4具有兩個功能。一個是形成電平位移電路，使得用于比較器的兩個輸入電壓在它的規(guī)格內(nèi)。電阻變化小，使得它不會引入附加的偏移電壓。例如，Vcc是12V且具有0.1％的精確度，必須考慮到的最差的情形是產(chǎn)生2.3mV的偏移。另一個功能是限制提供給具有R1和Z1的比較器的輸入電流和電壓。僅僅當(dāng)輸入源短路并且使負輸入成為正48V時會出現(xiàn)上述情形。電阻Rbias設(shè)置偏置電平。
比較器滯后電壓與它的偏移電壓相比是足夠高的，使得比較器具有不同極性的兩個輸入閾值電壓，如圖3所示。例如，一個是正的，另一個是負的。如果兩個閾值電壓都在負極側(cè)，則當(dāng)比較器的輸入電壓(Vin+-Vin-)低于零時MOSFET將導(dǎo)通，因此當(dāng)存在通過MOSFET的一些反向電流時MOSFET可導(dǎo)通。由于MOSFET的RDSon可以很小，所以反向電流可以很大，其是不允許的。同樣，如果兩個閾值電壓都在正極側(cè)，則當(dāng)輸入電壓(Vin+-Vin-)為正時MOSFET斷開，使得當(dāng)MOSFET具有正電流時可斷開。這將導(dǎo)致產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振蕩。這會發(fā)生，因為當(dāng)MOSFET接通時，它的Vsd電壓可以很小，使得它不能保持接通且將被斷開。斷開之后，它的Vsd電壓將增加到約0.7V，其對于再一次導(dǎo)通MOSFET肯定是足夠的。因此，兩個閾值電壓具有不同的極性以防止有源或運算電路具有穩(wěn)態(tài)振蕩。
負閾值電壓由于反向電流而必須是小的。MOSFET允許穿過的反向電流等于負閾值電壓除以MOSFET的Rdson。為了使MOSFET當(dāng)處于反向時象二極管一樣運行，負閾值電壓必須是小值。通常，其小于10mV。
為了快速地斷開MOSFET，總的斷開傳輸延遲和斷開時間必須是小值。當(dāng)存在一個輸入源短路時，其產(chǎn)生某一反向電流以觸發(fā)MOSFET斷開，需要一段斷開延遲時間來發(fā)送邏輯信號以斷開MOSFET。在延遲期間，MOSFET保持導(dǎo)通且反向電流保持增加，而總電壓保持下降。圖4示出了反向電流如何依賴于驅(qū)動器的容量。當(dāng)驅(qū)動器的容量大于3A時，反向電流不會改變很多。在9A驅(qū)動器和7ns比較器的情況下，在MOSFET短路和斷開之間僅使用了55ns。反向電流是6A，總線電壓的變化小于3V。然而，如果時間從55ns增加到700ns，則104A反向電流可看出有6V的總線電壓降。因此，斷開傳輸延遲和斷開時間必須是小值，以保證小的反向電流和小的總線電壓降。
有源或運算操作MOSFET快速導(dǎo)通和斷開可能會使電路動態(tài)不穩(wěn)定。有源或運算電路正好在開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的前面。開關(guān)噪聲將被拾取和出現(xiàn)在比較器的輸入處。如果開關(guān)噪聲的幅度高于比較器的滯后電壓，且比較器和驅(qū)動器快，則有源或運算操作MOSFET將被開關(guān)噪聲所導(dǎo)通和斷開，而導(dǎo)致有源或運算電路的振蕩。為了調(diào)整這種情形，期望導(dǎo)通有源或運算操作的延遲是長的。換句話說，導(dǎo)通和斷開延遲很不對稱。由于驅(qū)動器在導(dǎo)通和斷開方面一般具有相似的驅(qū)動器容量，所以可以在驅(qū)動器和或運算操作MOSFET的柵極之間添加一個或多個附加的二極管(如圖2虛線所示)以獲得所需要的不對稱驅(qū)動時間。
用于前述分立的有源或運算電路、關(guān)于偏移電壓、滯后、導(dǎo)通和斷開傳輸延遲時間、導(dǎo)通和斷開時間的需求，使比較器和驅(qū)動器的選擇非常受限。
而且，為了檢測有源或運算操作MOSFET的短路，必須添加另一附加的電路(圖2中未示出)。附加電路必須斷開有源或運算操作MOSFET，且測量漏-源電壓的變化。如果當(dāng)MOSFET處于斷開時MOSFET的漏-源電壓很小，且如果存在有一些電流通過，則可以確定MOSFET是壞的。該電路的實施需要至少一個以上的比較器和其它的邏輯柵極。
有源或運算控制器IC(IR 5001) 因此，為了滿足使用MOSFET的有源或運算控制器的上述需求，已開發(fā)了一種新穎的集成或運算控制器(IR 5001)。
控制器30(圖5)裝入小的SO8封裝中且僅需要用于正確操作的小偏置電容器(圖6)。它的偏移電壓和滯后電壓、傳輸延遲以及柵極驅(qū)動器容量需要快速的故障保護并消除振蕩的任何可能性。結(jié)合FET校驗功能以提供用于有源或運算操作MOSFET的有效檢查(livecheckup)，使得在設(shè)備的使用期限中保持系統(tǒng)冗余。這是重要且唯一的特征，其在現(xiàn)今的系統(tǒng)中始終沒有獲得。
圖5示出了有源控制器(IR 5001)的功能方塊圖?？刂破?0的主要功能是，通過比較器50A和一對或運算柵極52、54，當(dāng)跨越電壓輸入INP、INN(Vin+-Vin-)兩端的電壓低于幾-mV時，在端子OUT處將輸出設(shè)置為低，且當(dāng)輸入電壓(Vin+-Vin-)超過幾十mV時，將輸出電壓設(shè)置為高。
控制器具有足夠的滯后電壓以抵抗穩(wěn)態(tài)振蕩。例如，兩個閾值電壓可以是23mV和-5mV，其表示28mV的滯后電壓。當(dāng)輸入電壓(Vin+-Vin-)超過23mV時，控制器將輸出設(shè)置為高。該高輸出信號用于導(dǎo)通相應(yīng)的功率MOSFET M1或MOSFET M2(圖6)。在功率MOSFET導(dǎo)通后，輸入電壓(Vin+-Vin-)減小。然而，輸入電壓(Vin+-Vin-)的極性不會改變?yōu)樨?，或小于零。因此，在控制器將輸出設(shè)置為從低到高之后，它不會將輸出設(shè)置為從高到低，這樣會防止穩(wěn)態(tài)振蕩。
不對稱傳輸延遲時間設(shè)計使控制器免受應(yīng)用電路中的噪聲影響。用于驅(qū)動輸出從高到低的傳輸延遲時間很短。典型的延遲時間是50ns，具有10nF作為負載。另一方面，用于驅(qū)動輸出從低到高的傳輸延遲時間很長。該典型的延遲時間是3ms，其約為將輸出設(shè)置為從高到低的延遲的六萬倍。因此，將輸出設(shè)置為從低到高比將輸出設(shè)置為從高到低需要使用更長的時間，其提高了控制器的抗擾性。例如，在輸入(Vin+-Vin-)處，假設(shè)存在從-50mV到+50mV具有50％占空比以及小于1ms脈沖寬度的脈沖信號。輸出電壓一直是邏輯低，因為對于將邏輯信號從輸入提供到輸出以用于驅(qū)動輸出從低到高，1ms的時間不足夠長，而1ms的時間足夠長以提供邏輯信號來驅(qū)動輸出從高到低。因此，如果在有源或運算控制器的輸入出現(xiàn)具有小于1ms脈沖寬度的任何噪聲，則該有源或運算控制器將保持它的輸出為低而沒有任何的振蕩，其提高了控制器的動態(tài)抗擾性。
或運算控制器具有一個FET校驗(FET_ck)管腳，以當(dāng)FET_ck管腳電壓處于邏輯高時將輸出OUT設(shè)置為低。該特征進行功率MOSFET狀態(tài)的有效校驗。
FET狀態(tài)(FET_st)管腳用于顯示出功率MOSFET的狀態(tài)(未示出)。無論何時輸入電壓(Vin+-Vin-)小于-0.3V，MOSFET 40都會由比較器50B控制，使得FET_st管腳具有邏輯低信號，并且熄滅相應(yīng)的LED D1或LEDD2。
或運算控制器示范板 圖6是示范板的示意圖。在該電路中使用的兩個100V N溝道(IRF7495)功率MOSFET M1、MOSFET M2能夠在36V至75V的范圍內(nèi)處理等于200W的冗余功率。四個3.3μF、80V鋁電容器C1-C4連接在冗余總線上。功率負載可以是電負載或電阻器。標準的1/4程序塊、1/8程序塊或IR2085 DC總線轉(zhuǎn)換器示范板同樣可以用作負載(在示范板上提供了管腳相容的通孔可軟焊連接)。兩個LED D1、LEDD2被用于顯示兩個相應(yīng)功率MOSFET M1、M2的狀態(tài)。在示范板上，有一個正常斷開的開關(guān)S1。當(dāng)開關(guān)閉合時，邏輯高信號施加到兩個FET_ck管腳上以斷開兩個功率MOSFET M1、M2。根據(jù)LED的接通或斷開狀態(tài)，確定了功率MOSFET的狀態(tài)。
有效的FET校驗功能 理解FET校驗功能的一種簡單方式是假設(shè)只有一個電源。如果功率MOSFET是好的且傳導(dǎo)電流，則當(dāng)它接通時，它的Vds電壓降很小，且它的LED斷開；以及當(dāng)它斷開時，它的Vds電壓降約為0.7V，且它的LED接通。因此，LED是否接通還是斷開的信息表示功率MOSFET的狀態(tài)。
在實際的系統(tǒng)中，實際上不可能斷開兩個源的其中之一。如果不能改變每個源的電壓，則不容易確定功率MOSFET是否工作。通常，能夠確定FET的其中之一是否正常工作。那個MOSFET必須連接到較高的電壓源。原因是如果它通常運轉(zhuǎn)正常，當(dāng)它斷開時，F(xiàn)ET在Vds上具有高于300mV的壓降，其在有效檢查期間將它的LED接通。對于連接到具有相對低電壓的電源的FET，不能直接地確定FET是否是好的。原因跨越FET兩端的Vds由TFT和兩個源電壓確定。當(dāng)FET短路時，它的Vds一直小于300mV，其斷開它的LED。當(dāng)FET沒有短路時，跨越FET兩端的Vds是基于兩個源之間的差。通常，如表2所示的真值表能被應(yīng)用于確定基于源A和B的各種可能狀態(tài)的單個FET的狀態(tài)。注意的是，該表不僅可以確定FET是否短路，而且可以確定它是否是開路的。
結(jié)論 有源或運算控制器使N溝道功率MOSFET當(dāng)它處于反向時象二極管一樣工作。當(dāng)N溝道MOSFET處于正向時使它導(dǎo)通，其中它的Vds壓降至少比肖特基二極管小十倍。它的低Vds壓降顯著地降低了功率損耗。它的偏移和滯后設(shè)計防止其穩(wěn)態(tài)振蕩。兩個不同的傳輸延遲提高了它的動態(tài)抗擾性?？梢岳肍ET校驗功能來提供功率MOSFET狀態(tài)的有效檢查，以提高系統(tǒng)功率冗余的可靠性。
盡管已對其中的具體實施例描述了本發(fā)明，但許多其它的變化和修改以及其它的使用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都將變得顯而易見。因此，本發(fā)明不被其中的具體公開內(nèi)容所限制。
表1表1.或運算器件的功率損耗估計

表2表2.用于IR5001“FET校驗特征”的真值表

注意VA、VB是兩個源，其分別與FET A和FET B連接。LED A和LED B是相應(yīng)于FET A和FET B的LED。
權(quán)利要求
1.一種用于控制冗余功率系統(tǒng)中功率MOSFET的有源或運算控制器，所述控制器包括比較器電路，用于檢測跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子兩端的電壓差，且將所述的電壓差與第一預(yù)定電平進行比較；以及控制電路，其接收所述比較器電路的輸出，并且輸出施加到所述功率MOSFET的柵極端的控制信號；所述控制信號具有一個值，使得響應(yīng)落在所述預(yù)定電平以下的所述電壓差而斷開所述功率MOSFET，且在其它時間導(dǎo)通所述功率MOSFET。
2.如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述預(yù)定電平由分別具有正極性和負極性的兩個閾值電壓所限定。
3.如權(quán)利要求2所述的控制器，其中所述負閾值電壓的絕對值比所述的正閾值電壓小。
4.如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述控制電路以不相等的導(dǎo)通延遲和斷開延遲使所述的功率MOSFET導(dǎo)通和斷開。
5.如權(quán)利要求4所述的控制器，其中所述導(dǎo)通延遲大于所述斷開延遲。
6.如權(quán)利要求5所述的控制器，其中所述控制電路包括載有所述用于增加所述導(dǎo)通延遲的控制信號的一個或多個二極管。
7.如權(quán)利要求1所述的控制器，其進一步包括校驗電路，其可操作為設(shè)置所述的控制信號以斷開所述功率MOSFET；以及感測電路，用于檢測所述電壓差是否比第二預(yù)定電平低，且如果所述電壓差比第二預(yù)定電平低，則表明所述的功率MOSFET有故障。
8.如權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述感測電路包括比較器、MOSFET和LED；以及其中所述比較器控制所述的MOSFET，以當(dāng)所述電壓差比所述第二預(yù)定電平低時熄滅所述LED，且在其它時間點亮所述的LED。
9.一種用于控制冗余功率系統(tǒng)中的功率MOSFET的集成有源或運算控制器，所述控制器包括封裝、封裝內(nèi)的電路和伸出封裝的端子，所述控制器包括比較器電路，具有一對電壓輸入INN、INP，用于分別接收和檢測跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子兩端的電壓差，以及將所述電壓差與第一預(yù)定電平進行比較；以及控制電路，其接收所述比較器電路的輸出，并且在電壓輸出端子Vout處輸出施加到所述功率MOSFET柵極端的控制信號；所述控制信號具有一個值，使得響應(yīng)落在所述預(yù)定電平以下的所述電壓差而斷開所述功率MOSFET，以及在其它時間導(dǎo)通所述功率MOSFET。
10.如權(quán)利要求9所述的集成控制器，其進一步包括校驗電路，其可操作為接收在端子FETck上的校驗信號，且與其響應(yīng)，設(shè)置所述控制信號來斷開所述功率MOSFET；以及感測電路，用于檢測所述電壓差是否比第二預(yù)定電平低，如果所述的電壓差比第二預(yù)定電平低，則表明所述的功率MOSFET有故障。
11.如權(quán)利要求10所述的集成控制器，其進一步包括線電壓輸入端子Vline；內(nèi)調(diào)整器，連接到所述線電壓并且將調(diào)整的輸出電壓提供給內(nèi)總線，所述內(nèi)總線連接到端子Vcc；以及地端子GND。
12.如權(quán)利要求11所述的集成控制器，其進一步包括連接在所述內(nèi)總線端子和所述地端子之間的電容器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種或運算二極管，其用于功率冗余。為了減少由于二極管正向壓降而引起的功率損耗，提出用有源或運算功率MOSFET(M1、M2)來代替二極管。利用有源或運算控制器(30)和功率MOSFET(M1、M2)，功率損耗容易降低90％。為了使N溝道MOSFET(M)當(dāng)其處于反向時象二極管一樣工作，并且當(dāng)處于正向時具有很小的正向壓降，提供了一種或運算控制器(30)。針對速度、穩(wěn)定性和抗擾性來優(yōu)化它的偏移、滯后和傳輸延遲時間。在或運算示范板中測試它的或運算功能。它的FET校驗特征對或運算功率MOSFET(M1、M2)進行有效檢查，以提高冗余功率系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號G05F1/10GK1856754SQ200480027367
公開日2006年11月1日 申請日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月19日
發(fā)明者范偉棟, G·斯托伊契奇, D·于姆 申請人:國際整流器公司