專利名稱：用于功率轉(zhuǎn)換器故障狀態(tài)檢測的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及功率轉(zhuǎn)換器，并且更具體地，本發(fā)明涉及調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器的輸出的控制電路。
背景技術：
諸如蜂窩電話、個人數(shù)字助理(PDA)，膝上型電腦等的許多電氣設備是由電壓相對較低的直流電源供電的。由于功率一般是作為高壓交流功率通過墻上插座進行傳送的，需要一種設備將高壓交流功率轉(zhuǎn)換為低壓直流功率，該設備通常被稱為功率轉(zhuǎn)換器?？梢杂晒β兽D(zhuǎn)換器直接提供低壓直流功率給設備或者可以使用低壓直流功率對可再充電的電池進行充電，該電池反過來為設備提供能量，但是一旦存儲的能量耗盡需要對該電池充電。典型地，用包括功率轉(zhuǎn)換器的電池充電器為電池充電，該功率轉(zhuǎn)換器符合電池所要求的恒流恒壓要求。在工作中，功率轉(zhuǎn)換器可以使用控制器調(diào)節(jié)傳送給諸如電池之類的電氣設備的輸出功率，該電氣設備通常 被稱為負載。更具體地，控制器可以耦合到傳感器，該傳感器提供功率轉(zhuǎn)換器的輸出的反饋信息，以調(diào)節(jié)傳送給負載的功率?？刂破黜憫趤碜詡鞲衅鞯姆答佇畔?，通過控制功率開關的閉合和斷開調(diào)節(jié)到負載的功率，以從諸如輸電線的輸入功率源向輸出傳輸能量脈沖。功率轉(zhuǎn)換器控制電路可以用于多種目的和應用。需要可以減少集成控制電路外部的部件數(shù)量的電路功能性。減少外部部件數(shù)量能夠使功率轉(zhuǎn)換器小型化，從而提高便攜性，減小最終確定功率轉(zhuǎn)換器設計方案需要的設計周期的數(shù)量，并且提高最終產(chǎn)品的可靠性。而且，在功率轉(zhuǎn)換器工作過程中，減少的部件數(shù)量可以提供能量效率的提高，以及降低功率轉(zhuǎn)換器的成本。功率轉(zhuǎn)換器提供潛在的部件數(shù)量減少的一個方面在于簡化或者移除先前所需要的在功率轉(zhuǎn)換器中檢測故障狀態(tài)的外部電路。在用于AC/DC功率轉(zhuǎn)換的功率轉(zhuǎn)換器中，一般在電源輸出端測量輸出電壓以經(jīng)由反饋電路產(chǎn)生反饋信號，該反饋電路耦合到功率轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)的控制電路。典型地，功率轉(zhuǎn)換器的控制電路響應于該反饋信號調(diào)節(jié)輸出端的輸出功率。更具體地，控制電路響應于該反饋信號以控制耦合的從功率轉(zhuǎn)換器的輸入向輸出傳輸能量的功率開關的切換。如果控制電路由于故障丟失了反饋信息，例如反饋電路短路或者斷路，功率轉(zhuǎn)換器會傳送可能導致耦合到功率轉(zhuǎn)換器的電氣設備或者功率轉(zhuǎn)換器本身的損壞的未經(jīng)調(diào)節(jié)的功率。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括故障檢測器，其耦合到功率轉(zhuǎn)換器的反饋電路，其中故障檢測器耦合以響應于所述功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓檢測所述功率轉(zhuǎn)換器的故障狀態(tài)；以及耦合到所述故障檢測器的控制，其中所述控制耦合以控制所述功率轉(zhuǎn)換器的功率開關的切換，從而調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出，其中所述控制耦合以響應于故障檢測器在功率開關切換期間檢測到故障狀態(tài)，禁止所述功率開關的切換。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括耦合到所述功率轉(zhuǎn)換器的反饋電路的端子；控制，所述控制耦合以控制所述功率轉(zhuǎn)換器的功率開關的切換，從而調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出；耦合于所述端子的傳感器，其中所述傳感器耦合以采樣所述端子的電流，其中采樣電流表示所述功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓；以及耦合在所述傳感器和所述控制之間的故障檢測器，其中所述故障檢測器耦合以響應于所述采樣電流檢測故障狀態(tài)，其中所述控制響應于所述故障檢測器檢測到故障狀態(tài)，降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括控制，所述控制耦合以控制功率開關的切換，從而調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出；傳感器，其耦合以接收來自所述集成電路控制器的端子的信號，在所述功率開關的至少一部分導通狀態(tài)期間，來自所述端子的所述信號表示所述功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，在所述功率開關的至少一部分關斷狀態(tài)期間，來自所述端子的所述信號表示所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，其中所述傳感器耦合以在所述功率開關的該部分導通狀態(tài)期間采樣來自所述端子的所述信號；以及耦合在所述傳感器和所述控制之間的故障檢測器，其中所述故障檢測器耦合以響應于采樣信號檢測所述功率轉(zhuǎn)換器的故障狀態(tài)，其中所述控制耦合以響應于所述故障檢測器檢測到故障狀態(tài)，禁止所述功率開關的切換，從而降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平。


參考附圖描述本發(fā)明的未限制性和非窮盡性的實施例和示例，其中除非另外指定，在各個不同的附圖中同樣的參考數(shù)字表示相同的部分。圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明教導的切換(switching)功率轉(zhuǎn)換器的一個實例的功能框圖，其中該開關功率轉(zhuǎn)換器使用馳返拓撲(flyback topology)并檢測故障狀態(tài)。圖1B是示出根據(jù)本發(fā)明教導的采用控制器電路的示范功率轉(zhuǎn)換器的示意圖，其中該控制器電路響應于感測信號檢測故障狀態(tài)。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明教導的示范控制器電路的功能框圖。圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明教導的示范傳感器的示意圖，其中該傳感器輸出表示功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的采樣信號。圖3B是示出根據(jù)本發(fā)明教導的示范傳感器的示意圖，其中該傳感器輸出表示功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的采樣信號。圖4A是示出根據(jù)本發(fā)明教導的示范故障檢測器的功能框圖，其中該故障檢測器輸出指示功率轉(zhuǎn)換器的故障狀態(tài)的存在的禁止信號(inhibit signal)。
圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明教導的故障檢測器的波形，其中該故障檢測器輸出指示功率轉(zhuǎn)換器的故障狀態(tài)的存在的禁止信號。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明教導的示范功率轉(zhuǎn)換器，其中該功率轉(zhuǎn)換器包括用于檢測故障狀態(tài)的示范集成控制器電路。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明教導的用于檢測功率轉(zhuǎn)換器的故障狀態(tài)的示范方法的流程圖。
具體實施例方式公開了用于 檢測電源中故障狀態(tài)的方法和裝置。在以下描述中，為了提供本發(fā)明的更加清楚的理解，闡述了許多具體細節(jié)。然而，對本領域技術人員顯而易見的是，實施本發(fā)明并不需要采用該具體細節(jié)。在其它情況中，為了避免模糊本發(fā)明，并未描述公知的材料或方法。整個說明書中對“一個實施例”，“實施例”，“一個實例”，或“實例”的引用意味著本發(fā)明的至少一個實施例包括結(jié)合實施例或?qū)嵗龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或者特性。因此，在整個說明書中，在不同地方出現(xiàn)的短語“在一個實施例中”，“在實施例中”，“在一個實例中”或“在實例中”不一定都參考同一個實施例或?qū)嵗?。而且，該特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以在一個或者多個實施例或?qū)嵗幸匀魏芜m當?shù)慕M合和/或子組合的方式進行組合。另外，應理解此處所提供的附圖是為了向本領域技術人員解釋的目的，并且附圖不一定成比例地繪制?，F(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明教導的用于檢測電源中故障狀態(tài)的電路。圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明教導的開關功率轉(zhuǎn)換器100A(此處也稱為電源)的一個實例的功能框圖，其使用馳返拓撲并檢測故障狀態(tài)。示出的功率轉(zhuǎn)換器100A的實例包括能量傳輸元件110，箝位電路118，反饋電路121，控制器138，功率開關140，二極管166和電容器 168。功率轉(zhuǎn)換器100A從未調(diào)節(jié)的輸入電壓102向負載124提供輸出功率。輸入電壓102耦合到能量傳輸元件110和功率開關140。在圖1A的實例中，能量傳輸元件110是具有輸入線圈112和輸出線圈114的變壓器。“輸入線圈”也可以稱為“初級線圈”，“輸出線圈”也可以稱為“次級線圈”。箝位電路118耦合到能量傳輸元件110的輸入線圈112，以限制功率開關140上的最大電壓。響應于控制器138，功率開關140可以閉合，從而允許電流通過開關傳導，也可以斷開，從而基本上終止通過該開關的傳導。因此，可以稱閉合的開關在“導通”狀態(tài)，而稱斷開的開關在“關斷”狀態(tài)。在一個實例中，功率開關140是晶體管。在一個實例中，控制器138可以被實施為單片集成電路或者分立的電氣元件或者分立和集成電路的組合。在功率轉(zhuǎn)換器的工作過程中，功率開關140的切換在二極管166中產(chǎn)生脈動電流，該脈動電流經(jīng)過電容器168進行濾波以在負載124處產(chǎn)生基本恒定的輸出電壓122或輸出電流130。控制器138切換功率開關140調(diào)節(jié)的輸出量可以是輸出電壓122，輸出電流130，或二者的組合。反饋電路121耦合以輸出感測信號150。在一個實例中，感測信號150代表在功率開關140處于“導通”狀態(tài)時的輸入電壓102。在一個實例中，感測信號150代表在功率開關140處于“關斷”狀態(tài)時的輸出電壓122。如所述實例中示出的，控制器138耦合以采樣由反饋電路121產(chǎn)生的感測信號150。然后控制器138使用采樣的感測信號來確定反饋電路121中是否存在故障狀態(tài)。在工作過程中，控制器138操作功率開關140以充分調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器100A的輸出量。如果響應于來自反饋電路121的感測信號150檢測到故障狀態(tài)，控制器138降低由功率轉(zhuǎn)換器100A提供給負載124的輸出功率電平。圖1B是示出根據(jù)本發(fā)明教導的采用控制器138的示范功率轉(zhuǎn)換器100B的示意圖，其中該控制器138響應于感測信號150檢測故障狀態(tài)。功率轉(zhuǎn)換器100B代表功率轉(zhuǎn)換器100A的一種可能的實施方式。功率轉(zhuǎn)換器100B的不出實例包括第一和第二輸入端104和106，能量傳輸元件110，箝位電路118，整流器電路120，反饋電路121，第一和第二輸出端126和128,控制器138,功率開關140,輸入返回(input return) 142和輸出返回(outputreturn) 158。能量傳輸元件110的所示實例包括輸入線圈112,輸出線圈114,以及輔助線圈116。箝位電路118被示出為包括電容器160，電阻器162和二極管164。整流器電路120被示出為包括二極管166和電容器168。反饋電路121的所示實例包括輔助線圈116以及電阻器134和136。控制器138被示出為包括反饋端144，輸出端146，以及接地端148。在一個實例中，功率轉(zhuǎn)換器100B是隔離的返馳式轉(zhuǎn)換器(flyback converter),其中輸入返回142和輸出返回158彼此隔離。在一個實例中，能量傳輸元件110基本上阻止了直流電流從功率轉(zhuǎn)換器100B的輸入側(cè)流入輸出側(cè)。在另一實例中，能量傳輸元件110是輸入返回142和輸出返回158耦合在一起的非隔離轉(zhuǎn)換器。需要注意的是在其它實例中，根據(jù)本發(fā)明的教導，功率轉(zhuǎn)換器100B可以具有多于一個的輸出。如圖所示，控制器138耦合到功率開關140，在一個實例中，該功率開關140是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關，雙極晶體管等。功率開關140耦合到能量傳輸元件110的輸入線圈112，輸入線圈112耦合到輸入電壓102。在所示實例中，箝位電路118耦合在輸入線圈112的兩端以限制功率開關140兩端的最大電壓。在一個實例中，控制器138和功率開關140可以形成集成電路的一部分，該集成電路可以被制造為混合或者單片集成電路。

在所示實例中，控制器138耦合以調(diào)節(jié)從功率轉(zhuǎn)換器100B的第一和第二輸入端104和106傳送給耦合到負載124的功率轉(zhuǎn)換器輸出端126和128的能量。在一個實例中，被調(diào)節(jié)的具體輸出參數(shù)是直流輸出電壓122。感測信號150通過由電阻器134和136形成的電阻分壓器從輔助線圈116耦合到控制器138。在一個實例中，基于期望的輸出電壓122選擇或調(diào)整電阻器134和136的值。在工作過程中，控制器138響應于感測信號150通過切換功率開關140調(diào)節(jié)電源100的輸出。當功率開關140處于導通狀態(tài)時,能量從輸入端104和106傳送到能量傳輸兀件110的輸入線圈112。當功率開關140處于關斷狀態(tài)時，存儲在輸入線圈112中的能量被傳輸給輸出線圈114。來自輸出線圈112的能量被傳輸給電源100B的輸出，其中輸出電流130通過正向偏置的功率二極管166流向輸出電容器168和負載124。當在功率開關140的關斷狀態(tài)期間輸出電流130流過功率二極管166時，輸出電壓122基本上等于輸出線圈114兩端的電壓。在工作過程中，控制器138在整流器電路120中產(chǎn)生脈動電流，在所示實例中，整流器電路120包括二極管166，通過電容器168對二極管166濾波以產(chǎn)生基本恒定的輸出電壓122。如圖1B中所示，控制器138耦合以接收感測信號150，在一個實例中，該感測信號150是電壓信號，而在另一實例中，依然受益于本發(fā)明的教導，該感測信號150是電流信號或表示電源輸入和/或輸出的其它信號。如圖1B中所示，輔助線圈116提供反射電壓174，反射電壓174代表在功率開關140處于關斷狀態(tài)時的輸出電壓122。反射電壓174也可以代表在功率開關140處于導通狀態(tài)時的輸入電壓102。在一個實例中，感測信號150表不反射電壓174并且通過反饋端144被控制器138接收。如上所述，與反射電壓174—樣，感測信號150可以代表在功率開關140處于導通狀態(tài)時的輸入電壓102以及代表在功率開關140處于關斷狀態(tài)時的輸出電壓122。在一個實例中，反射電壓174和/或感測信號150代表功率開關140處于關斷狀態(tài)的僅一部分時間的輸出電壓122并且代表功率開關140處于導通狀態(tài)的僅一部分時間的輸入電壓102。在功率開關140處于導通狀態(tài)時，漏電流156流過輸入線圈112，從而允許反射電壓174代表與輸入電壓102成正比的電壓。反射電壓174可以與輸入電壓102成正比，其比例為輔助線圈116的匝數(shù)與輸入線圈112的匝數(shù)之間的比值。匝數(shù)比與電壓比之間的示例關系如下所示:
權(quán)利要求
1.一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括: 反饋電路，其接收反射電壓，所述反射電壓在功率轉(zhuǎn)換器的導通狀態(tài)的至少一部分期間基本上表示輸入電壓并且在所述功率轉(zhuǎn)換器的關斷狀態(tài)的至少一部分期間基本上表示輸出電壓，其中所述反饋電路被耦合以在所述功率開關的至少該部分關斷狀態(tài)期間提供表示所述反射電壓的感測信號； 傳感器，其被耦合以從所述反饋電路接收所述感測信號； 故障檢測器，其耦合到所述功率轉(zhuǎn)換器的反饋電路，其中所述故障檢測器被耦合以響應于一段時間內(nèi)來自所述反饋電路的所述感測信號低于故障閥值來檢測所述功率轉(zhuǎn)換器的故障狀態(tài)；以及 耦合到所述故障檢測器的控制，其中所述控制被耦合以控制所述功率轉(zhuǎn)換器的功率開關的切換來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出，其中所述控制被耦合以響應于故障檢測器在功率開關切換期間檢測到故障狀態(tài)來禁止所述功率開關的切換。
2.如權(quán)利要求1所述的集成電路控制器，其中所述傳感器被耦合以通過采樣所述感測信號產(chǎn)生采樣信號，其中所述故障檢測器響應于所述采樣信號檢測故障狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的集成電路控制器，其中其中所述故障檢測器包括比較器，所述比較器被耦合以比較所述采樣信號與故障閾值，并且輸出決策信號來指示是否存在故障狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求2所述的集成電路控制器，其中所述感測信號是電流，并且其中所述采樣信號是基本上與所述感測信號成比例的采樣電流。
5.如權(quán)利要求1所述的集成電路控制器，其中所述控制被耦合以控制所述功率轉(zhuǎn)換器的功率開關的切換，從而通過在導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)之間交替切換所述功率開關來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出，其中所述控制通過禁用所述功率開關來禁止所述功率開關的切換。
6.如權(quán)利要求1所述的集成電路控制器，其中所述故障狀態(tài)包括所述反饋電路中的短路。
7.如權(quán)利要求1所述的集成電路控制器，其中所述故障檢測器包括計數(shù)器從而確定檢測故障狀態(tài)的時間量，并且如果所確定的時間量大于或者等于第一閾值時間間隔，則輸出禁止信號到所述控制來降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平。
8.如權(quán)利要求7所述的集成電路控制器，其中不管故障狀態(tài)是否仍然存在，所述計數(shù)器輸出禁止信號到所述控制來降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平第二閾值時間間隔。
9.一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括: 耦合到所述功率轉(zhuǎn)換器的反饋電路的端子； 控制，所述控制被耦合以控制所述功率轉(zhuǎn)換器的功率開關的切換，從而調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出； 耦合于所述端子的傳感器，其中所述傳感器被耦合以采樣所述端子處的電流，其中采樣電流表示所述功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓；以及 耦合在所述傳感器和所述控制之間的故障檢測器， 其中所述故障檢測器耦合以響應于所述采樣電流檢測故障狀態(tài)，其中所述控制響應于所述故障檢測器檢測到故障狀態(tài)來降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平， 其中所述故障檢測器包括計數(shù)器，所述計數(shù)器確定檢測故障狀態(tài)的時間量，并且如果所確定的時間量大于或者等于第一閾值時間段，則輸出禁止信號到所述控制來降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平。
10.如權(quán)利要求9所述的集成電路控制器，其中所述故障檢測器包括電流比較器，所述電流比較器被耦合以比較所述采樣電流和閾值電流，并且產(chǎn)生決策信號來指示是否存在故障狀態(tài)。
11.如權(quán)利要求9所述的集成電路控制器，其中所述故障狀態(tài)包括所述反饋電路被從所述集成電路控制器的所述端子解耦。
12.如權(quán)利要求9所述的集成電路控制器，其中所述控制被耦合以通過調(diào)整所述功率開關的切換頻率來降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平。
13.如權(quán)利要求9所述的集成電路控制器，其中所述功率開關被集成到所述集成電路控制器中。
14.如權(quán)利要求9所述的集成電路控制器，其中所述傳感器被耦合以在所述功率開關的至少一部分導通狀態(tài)期間將所述端子箝位在基本固定的電壓。
15.如權(quán)利要求1所述的集成電路控制器，其中不管所述故障狀態(tài)是否依然存在，所述計數(shù)器輸出禁止信號到所述控制來降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平第二閾值時間間隔。
16.一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括: 反饋電路，其接收在功率轉(zhuǎn)換器的導通狀態(tài)的至少一部分期間基本上表示輸入電壓的反射電壓以及在所述功率轉(zhuǎn)換器的關斷狀態(tài)的至少一部分期間基本上表示輸出電壓的所述反射電壓，其中所述反饋電路被耦合以提供所述反射電壓的感測信號； 傳感器，其被耦合以 從所述反饋電路接收所述感測信號； 故障檢測器，其耦合到所述功率轉(zhuǎn)換器的反饋電路，其中所述故障檢測器被耦合以響應于一段時間內(nèi)來自所述反饋電路的所述感測信號低于故障閥值來檢測所述功率轉(zhuǎn)換器的故障狀態(tài)；以及 耦合到所述故障檢測器的控制，其中所述控制被耦合以控制所述功率轉(zhuǎn)換器的功率開關的切換來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出，其中所述控制被耦合以響應于故障檢測器在功率開關切換期間檢測到故障狀態(tài)來禁止所述功率開關的切換， 其中所述故障檢測器包括計數(shù)器，所述計數(shù)器確定檢測故障狀態(tài)的時間量，并且如果所確定的時間量大于或者等于第一閾值時間段，則輸出禁止信號到所述控制來降低所述功率轉(zhuǎn)換器的功率輸出電平。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于功率轉(zhuǎn)換器故障狀態(tài)檢測的方法和裝置。一種示范控制器包括故障檢測器和控制。故障檢測器耦合到功率轉(zhuǎn)換器的反饋電路，以響應于功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓而檢測功率轉(zhuǎn)換器中的故障狀態(tài)。所述控制耦合到故障檢測器，并耦合以控制功率開關的切換，從而調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出。所述控制耦合以響應于在功率開關的切換期間故障檢測器檢測故障狀態(tài)而禁止功率開關的切換。
文檔編號H02M1/32GK103248237SQ20131011245
公開日2013年8月14日 申請日期2008年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者A·B·詹格里安, E·伯坎 申請人:電力集成公司