專利名稱：限制開關(guān)電源的開關(guān)中最大開關(guān)電流的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電子電路，并且更具體地，本發(fā)明涉及開關(guān)模式電源。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源中的開關(guān)可承受來自過電壓，過電流或者電壓和電流的特定組合所導(dǎo)致 的損害。瞬時電壓和電流必須維持在防止對開關(guān)帶來損害的安全工作區(qū)所限定的界限內(nèi)。 因此，為了保護(hù)開關(guān)，以及為了調(diào)節(jié)輸出，開關(guān)電源的控制器通常測量電壓和電流?，F(xiàn)實器件的需求和局限性之間的矛盾經(jīng)常使得控制器在所有情形下測量保護(hù)開 關(guān)所必須的量變得不可能或者不實際。盡管開關(guān)上的最大電壓通?？蓮膶χ绷鬏斎腚妷旱?簡單測量中得到，然而開關(guān)中電流的測量通常會更加困難?？刂破鞯湫偷乇仨毱帘?mask)切換周期中特定時刻開關(guān)電流的測量，從而避免 了錯誤的過電流指示。另外，在過電流檢測和恰當(dāng)響應(yīng)之間經(jīng)常會出現(xiàn)某些延遲。因此，傳 統(tǒng)的方法不能防止開關(guān)在暫時負(fù)載或者故障的特定條件下出現(xiàn)損害。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于響應(yīng)電源的電源開關(guān)中的過電流的方 法，所述方法包括使用多個限流值來確定是否需要執(zhí)行可替換控制模式，所述可替換控制 模式延長了所述電源開關(guān)的切斷時間，使得所述電源開關(guān)中的電流減小到安全值，其中，使 用所述多個限流值包括相對所述多個限流值測量所述電源開關(guān)中的電流從而識別未受控 制的漸增電流的情形，并且，響應(yīng)于識別出未受控制的漸增電流，執(zhí)行可替換控制操作，所 述可替換控制操作延遲了隨后切換周期的開始。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了 一種執(zhí)行上述方法的電源。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種電源，包括耦合在未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入電壓和 所述電源的輸出端處的負(fù)載之間的能量轉(zhuǎn)換元件；開關(guān)，所述開關(guān)耦合到所述能量轉(zhuǎn)換元 件的輸入端處的初級繞組，用以調(diào)節(jié)從未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入電壓到所述電源的輸出端處的負(fù)載 的能量轉(zhuǎn)換；控制器，所述控制器被耦合用以生成驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號被耦合成由所述 開關(guān)接收用以控制開關(guān)的切換，其中，所述控制器包括電流檢測器，所述電流檢測器被耦合 為接收檢測開關(guān)中的電流的電流感應(yīng)，其中，所述控制器使用多個限流值來確定是否需要 執(zhí)行可替換控制模式，所述可替換控制模式延長了所述開關(guān)的切斷時間。


通過實施例詳細(xì)說明了本發(fā)明，并且不限制于附圖。圖1是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)可限制功率開關(guān)中的峰值電流的開關(guān)電源的一個實施例的功能框圖。圖2是示出了將寄生電容分布到功率開關(guān)中的電流的開關(guān)電源的一個實施例的 功能框圖的一部分。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)可限制功率開關(guān)中的峰值電流的開關(guān)電源的一個實 施例的電壓和電流波形。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)限制功率開關(guān)中的峰值電流的開關(guān)電源的電流波形 的重要參數(shù)。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)限制功率開關(guān)中的峰值電流的方法的流程圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)限制所包括的功率開關(guān)中的峰值電流的集成電路的功能 框圖。
具體實施例方式這里公開了在電源中所使用的電源調(diào)節(jié)器的實施例。在下面的描述中，為了透徹 的理解本發(fā)明，闡述了大量的特定細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該清楚，這些特定 的細(xì)節(jié)不必應(yīng)用于實現(xiàn)本發(fā)明。為了避免使得本發(fā)明不清楚，未詳細(xì)地闡述與其實現(xiàn)方式 相關(guān)的公知方法。本說明書中參考“一個實施例”或者“一實施例”表示與該實施例結(jié)合所描述的特 定特征、結(jié)構(gòu)或者特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，本說明書不同位置出現(xiàn)短 語“用于一個實施例”或者“在一個實施例中”并不必全部表示相同的實施例。此外，在一 個或者多個實施例中可以任何合適的方式組合這些特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性。在電源具有低輸出電壓的啟動或者過載期間，響應(yīng)功率開關(guān)中的過電流的傳統(tǒng)技 術(shù)在使得電源工作的同時并不能防止電流在每個開關(guān)周期中變得更高，這是因為前沿消隱 時間和限流延遲時間使得開關(guān)導(dǎo)通時間最小。此外，控制器響應(yīng)低輸出電壓，同時具有使電 流減小的最小切斷時間。公開了一些技術(shù)，其采用多限流值來確定需要執(zhí)行可替換的控制 模式，該可替換控制模式延長了開關(guān)的切斷時間，從而使得電流減小到安全值。因此，公開 了一些技術(shù)，以防止開關(guān)電源的開關(guān)中的過電流。對于一個實施例來說，開關(guān)電流相對多個 限流值進(jìn)行測量，從而識別未受控制的漸增電流的情形。未受控制的漸增電流的識別執(zhí)行 可替換的控制操作，其延遲了隨后切換周期的開始。為了進(jìn)行說明，圖1通常示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)限制峰值開關(guān)電流的電源的一個 實施例的電源的功能框圖。圖1所示的示意性電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是回掃式調(diào)節(jié)器。應(yīng)該理解的 是，存在許多開關(guān)調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和配置，并且出于進(jìn)行解釋的目的，提供圖1所示的回 掃式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，也可使用其他類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，注意，盡管出于解 釋的目的，在電源的范圍內(nèi)此處描述了本發(fā)明的各種實施例，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的 教導(dǎo)也可應(yīng)用于其他技術(shù)，例如可包括感性負(fù)載切換等的其他應(yīng)用。如在圖1的電源實施例中所示的，能量轉(zhuǎn)換元件T1125耦合在未調(diào)節(jié)的輸入電壓 Vin105和電源輸出端上的負(fù)載165之間。開關(guān)S1120耦合到能量轉(zhuǎn)換元件125的輸入端上 的初級繞組175上，以調(diào)節(jié)能量從未調(diào)節(jié)的輸入電壓Vin 105到電源輸出端上的負(fù)載165的 轉(zhuǎn)換?？刂破?45被耦合以產(chǎn)生驅(qū)動信號156，該驅(qū)動信號156被耦合成由開關(guān)S1120接收 以控制開關(guān)S1120的切換。控制器145還包括被耦合以接收電流檢測140的電流檢測器，該電流檢測140檢測開關(guān)Sl 120中的電流Id 115。如下面將要討論的，對于一個實施例來說，控制器145中的電流檢測器包括第一和第二比較器，第一和第二比較器被耦合以分別將電流Id 115與第一和第二限流進(jìn)行比 較。第二限流大于第一限流。對于一個實施例來說，如果電流Id 115大于第一或者第二限 流，則控制器145將使驅(qū)動信號156在該開關(guān)的當(dāng)前切換周期的剩余時間打開開關(guān)S1120， 直到開關(guān)的下一個切換周期開始為止。對于一個實施例來說，控制器145還包括耦合到第 二比較器的頻率調(diào)節(jié)器。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，如果電流Id 115大于第二限流，則該頻率調(diào) 節(jié)器將調(diào)節(jié)包括在控制器中的振蕩器的振蕩頻率，以延遲開關(guān)的下一個切換周期。在圖1的實施例中，能量轉(zhuǎn)換元件T1125示出為具有兩個繞組的變壓器。初級繞 組175具有Np匝，其電感為Lp。次級繞組具有Ns匝。通常，變壓器的繞組可以多于兩個， 其可具有附加繞組，用以給附加負(fù)載供電，或者提供偏壓，或者檢測負(fù)載上的電壓，等等。箝位電路110耦合到能量轉(zhuǎn)換元件Tl 125的初級繞組175上，從而控制開關(guān)Sl 120 上的最大電壓。如上所述，響應(yīng)由控制器電路145產(chǎn)生的驅(qū)動信號156，導(dǎo)通和切斷開關(guān) S1120。對于一個實施例來說，開關(guān)S1120是晶體管，例如功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶 體管(MOSFET)。對于一個實施例來說，控制器145包括集成電路和離散電子元件。開關(guān) S1120的操作在整流器D1130中產(chǎn)生脈動電流，該脈動電流由電容器C1135進(jìn)行濾波，從而 在負(fù)載165上產(chǎn)生基本恒定的輸出電壓V?；蛘呋竞愣ǖ妮敵鲭娏鱅。。將要進(jìn)行調(diào)節(jié)的輸出量是U。150，通常來說可以是輸出電壓V。，輸出電流I。，或者 二者的組合。反饋電路160耦合到輸出量U。150上，從而產(chǎn)生反饋信號Ufb 155，反饋信號 Ufb155是控制器145的輸入?？刂破?45的另一個輸入是電流檢測信號140，其檢測開關(guān) S1120中的電流Id 115。測量開關(guān)電流，例如電流變壓器，或者例如測量離散電阻器兩端的 電壓，或者例如測量當(dāng)晶體管導(dǎo)通時晶體管兩端的電壓的許多公知方法中的任何一種都可 用于測量電流Id 115?？刂破骺刹捎秒娏鳈z測信號140來調(diào)節(jié)輸出U。150或者防止對開 關(guān)S1120產(chǎn)生損害。圖1還示出了理想狀態(tài)下流過開關(guān)S1120的電流Id 115的示意性波形。響應(yīng)來自 控制器145的驅(qū)動信號156中的脈沖，開關(guān)S1120導(dǎo)通時間t,響應(yīng)來自控制器145的驅(qū) 動信號156，打開開關(guān)S1120 —個切斷時間t,。在導(dǎo)通時間的時間段中，當(dāng)開關(guān)S1120 導(dǎo)通時，響應(yīng)于施加到變壓器Tl 125的初級繞組175的電感Lp兩端的輸入電壓Vin105，電流 隨著時間從初始電流I-線性增加到最終電流IPEAK。對于一個實施例來說，控制器145操作開關(guān)S1120，從而基本上調(diào)節(jié)輸出U0 150 到其期望值。對于一個實施例來說，當(dāng)輸出U。150小于其期望值時，控制器145增加開關(guān) S1120的導(dǎo)通時間tQN。對于一個實施例來說，當(dāng)輸出U0 150大于其期望值時，控制器145減 小開關(guān)Sl 120的導(dǎo)通時間tQN。對于一個實施例來說，控制器145用驅(qū)動信號156調(diào)節(jié)開關(guān)S1120的操作，從而 防止在其安全操作區(qū)以外操作。對于一個實施例來說，當(dāng)電流Id 115超過限流Iumit時，控 制器145減小開關(guān)S 1120的導(dǎo)通時間tQN。對于一個實施例來說，當(dāng)電流Id 115超過限流 Ilimit時，控制器145增加切斷時間tQFF。圖2示出了寄生電容到開關(guān)S1220中所測量的電流Id 215的分布。由節(jié)點235上 耦合到開關(guān)Sl的電容器Cp 210和Cds 230所表示的寄生電容的充電和放電在開關(guān)S1220導(dǎo)通之后的一段很 短時間內(nèi)增加電流Id 215。圖2還示出了變壓器T1225的初級繞組275的 電感Lp上的電壓VP270。對于一個實施例來說，電壓Vp在導(dǎo)通時間為正，大小為VIN。對 于一個實施例來說，電壓Vp在切斷時間t,為負(fù)，大小為νΜ。電壓Vp極性的突然反向?qū)⑶?沿電流增加到開關(guān)S1220的初始電流ΙνΛ。圖2中的波形示出了峰值前沿電流Iieak,該峰 值前沿電流Iieak大于理想初始電流Im。對于一個實施例來說，峰值前沿電流IIeak還大 于最終電流IPEAK。存在于每個實際電路中的寄生電容可產(chǎn)生高的前沿電流，該前沿電流可 與控制器調(diào)節(jié)輸出或者保護(hù)開關(guān)的性能相干擾。響應(yīng)開關(guān)電流Id 215的大小來調(diào)節(jié)輸出或 者保護(hù)開關(guān)的控制器還響應(yīng)與輸出的調(diào)節(jié)或者開關(guān)的安全操作明顯不相關(guān)的前沿電流。為 了避免前沿電流產(chǎn)生干擾，控制器典型地屏蔽了開關(guān)中電流的測量，直到前沿消隱時間t· 之后為止。前沿消隱時間、ΕΒ與導(dǎo)通時間的關(guān)系示于圖3中。前沿消隱時間t·足夠地長，以便保證寄生電容的電流分布在電流Id相對控制器 變?yōu)榭梢娭翱杀缓雎?。圖3還示出了限流延遲時間td，限流延遲時間td是Id在t·之后 達(dá)到Iumit的時刻和開關(guān)停止導(dǎo)通的時刻之差。限流延遲時間td總是存在，這是因為實際 電路不能瞬時響應(yīng)。有限的限流延遲時間td在導(dǎo)通時間末端處的結(jié)果是具有大于限流
-lLIMIT 的峰值電流IPEffi。前沿消隱時間t·以及限流延遲td使得典型的控制器限制開關(guān)電流Id變得不可 能。圖4示出了當(dāng)輸出小于其調(diào)節(jié)值時不期望的情況，這種情況可在具有典型控制器的開 關(guān)電源中出現(xiàn)。在圖4中，輸出端的過載使得開關(guān)電流Id在每個切換周期都超過IUMIT。過 載還使得輸出電壓V。下降為遠(yuǎn)低于其調(diào)節(jié)值?？刂破鳒y量前沿消隱時間t·末端的開關(guān)電 流ID，開關(guān)在限流延遲時間td之后打開。Id大于Iumit的檢測不能減小導(dǎo)通時間，該導(dǎo)通 時間tQN小于、EB加上td的和。圖4示出了任何切換周期(η)中，在導(dǎo)通時間段作為開關(guān)電流ID(除來自寄生電 容的任何電流以外)出現(xiàn)的電流在導(dǎo)通時間段增加量為Δ Iw，從而達(dá)到Ipeak，然后在切斷 時間段從Ipeak減小量為△〗_。電流中的變化與輸入和輸出電壓相關(guān)，如等式1和等式2所 示。
權(quán)利要求
1.一種用于響應(yīng)電源的電源開關(guān)中的過電流的方法，所述方法包括使用多個限流值來確定是否需要執(zhí)行可替換控制模式，所述可替換控制模式延長了所 述電源開關(guān)的切斷時間，使得所述電源開關(guān)中的電流減小到安全值，其中，使用所述多個限 流值包括相對所述多個限流值測量所述電源開關(guān)中的電流從而識別未受控制的漸增電流 的情形，并且，響應(yīng)于識別出未受控制的漸增電流，執(zhí)行可替換控制操作，所述可替換控制 操作延遲了隨后切換周期的開始。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行可替換控制操作包括響應(yīng)于所述電源開關(guān) 中的電流在除了切換周期開始時的前沿消隱時間期間之外的在所述切換周期期間的任何 時間大于第二限流值，而執(zhí)行所述可替換控制操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可替換控制操作導(dǎo)通所述開關(guān)并延遲隨后 切換周期的開始。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可替換控制操作有效加長所述電源開關(guān)的 切換周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中識別未受控制的漸增電流的情形包括檢測出所述電源開關(guān)中的電流大于所述多個限 流值中的第二限流值，其中所述第二限流值大于所述多個限流值中的第一限流值；并且所述方法還包括響應(yīng)于檢測出所述電源開關(guān)中的電流大于所述第一限流值，設(shè)定一 個標(biāo)記，所述標(biāo)記通過以后的不加長的切換周期被復(fù)位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括在所述標(biāo)記被設(shè)定了的時候檢測出所述電源開關(guān)中的電流大于所述多個限流值中的 第二限流值；以及進(jìn)一步加長所述切換周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可替換控制操作使得不間斷地調(diào)節(jié)所述電 源的輸出。
8.一種電源，被配置為執(zhí)行權(quán)利要求1至7中任意一個所述的方法。
9.一種電源，包括耦合在未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入電壓和所述電源的輸出端處的負(fù)載之間的能量轉(zhuǎn)換元件；開關(guān)，所述開關(guān)耦合到所述能量轉(zhuǎn)換元件的輸入端處的初級繞組，用以調(diào)節(jié)從未經(jīng)調(diào) 節(jié)的輸入電壓到所述電源的輸出端處的負(fù)載的能量轉(zhuǎn)換；控制器，所述控制器被耦合用以生成驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號被耦合成由所述開關(guān)接 收用以控制開關(guān)的切換，其中，所述控制器包括電流檢測器，所述電流檢測器被耦合為接收 檢測開關(guān)中的電流的電流感應(yīng)，其中，所述控制器使用多個限流值來確定是否需要執(zhí)行可 替換控制模式，所述可替換控制模式延長了所述開關(guān)的切斷時間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電源，其中，所述控制器包括第一和第二比較器，所述第一 和第二比較器被耦合為將所述開關(guān)中的電流與所述多個限流值中的第一限流值和第二限 流值相比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電源，其中，所述控制器包括振蕩器；耦合到所述第二比較器的頻率調(diào)節(jié)器，所述頻率調(diào)節(jié)器用于響應(yīng)于所述第二比較器而調(diào)節(jié)所述控制器中所包括的振蕩器的振蕩頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電源，其中，所述頻率調(diào)節(jié)器響應(yīng)于所述第二比較器而降 低所述振蕩器的振蕩頻率，從而延遲所述開關(guān)的下一切換周期。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電源，其中，所述頻率調(diào)節(jié)器響應(yīng)于所述第二比較器而降 低所述振蕩器的振蕩頻率，從而跳過延遲所述開關(guān)的下一切換周期。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電源，其中，所述頻率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所述振蕩器的振蕩頻率， 從而提供在與所述能量轉(zhuǎn)換元件耦合的輸出端處的不間斷調(diào)節(jié)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電源，其中，所述開關(guān)和所述控制器被包含在單個集成電路中。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電源，還包括前沿消隱電路，所述前沿消隱電路包括在所述 控制器中并耦合到所述電流檢測器。
全文摘要
公開了限制開關(guān)電源的開關(guān)中最大開關(guān)電流的方法和裝置。一種示意性開關(guān)調(diào)節(jié)器電路包括耦合到能量轉(zhuǎn)換元件的開關(guān)。控制器耦合到開關(guān)上從而控制開關(guān)的切換。電流檢測器被包括在控制器中。該電流檢測器包括第一和第二比較器，該第一和第二比較器被耦合以分別將開關(guān)中的電流與第一和第二限流相比較。該控制器響應(yīng)第一或第二比較器，以在開關(guān)的當(dāng)前切換周期的剩余時間打開開關(guān)直到開關(guān)的下一個切換周期為止。頻率調(diào)節(jié)器還被包括在控制器中，并且耦合到第二比較器上。該頻率調(diào)節(jié)器響應(yīng)第二比較器來調(diào)節(jié)包括在控制器中的振蕩器的振蕩頻率。
文檔編號H02M3/338GK102075074SQ20101056892
公開日2011年5月25日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者D·J·克勒斯 申請人:電力集成公司