具有負(fù)電流限制保護(hù)的開關(guān)調(diào)節(jié)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有負(fù)電流限制保護(hù)的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中開關(guān)調(diào)節(jié)器包括通過電感器耦接到負(fù)載的電源級(jí)。切換電源級(jí)，使得在某一時(shí)段，電源級(jí)通過電源級(jí)的第一晶體管將正電流供應(yīng)到負(fù)載，并且在其它時(shí)段，通過第二晶體管從負(fù)載汲取負(fù)電流。開關(guān)調(diào)節(jié)器進(jìn)一步包括保護(hù)電路，可操作地響應(yīng)于流經(jīng)電感器的負(fù)電流超過預(yù)定的負(fù)閾值，迫使第二晶體管處于斷開狀態(tài)。
【專利說明】具有負(fù)電流限制保護(hù)的開關(guān)調(diào)節(jié)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開關(guān)調(diào)節(jié)器(switching regulator),具體地為對(duì)開關(guān)調(diào)節(jié)器的負(fù)電流限制保護(hù)。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)調(diào)節(jié)器的健全操作包括正電流操作，即調(diào)節(jié)器的電源級(jí)(power stage)將(正)電流供應(yīng)(source)給負(fù)載；以及負(fù)電流操作，即調(diào)節(jié)器的電源級(jí)從負(fù)載汲取(負(fù))電流。大多數(shù)常規(guī)的開關(guān)調(diào)節(jié)器不提供負(fù)電流操作，而是試圖完全地避免負(fù)電流操作。例如，DCM(不連續(xù)導(dǎo)電模式)下的操作能夠防止負(fù)電流導(dǎo)電。調(diào)節(jié)器電源級(jí)的低側(cè)晶體管通常具有負(fù)的dl/dt導(dǎo)電響應(yīng)(conduction response),這意味著當(dāng)?shù)蛡?cè)晶體管接通時(shí)，電流減小。在DCM下，一旦電流達(dá)到零，則低側(cè)晶體管被斷開。這樣做防止電流變?yōu)樨?fù)的，電流變?yōu)樨?fù)值是許多應(yīng)用所不希望的，這是因?yàn)樵谪?fù)電流導(dǎo)電期間所引起的導(dǎo)電損失會(huì)導(dǎo)致效率損失。然而，某些調(diào)節(jié)器必須依賴于負(fù)電流，以改進(jìn)動(dòng)態(tài)操作期間(例如負(fù)載釋放(load release)(即，負(fù)載電流從高值改變?yōu)榻咏愕闹?或負(fù)電壓轉(zhuǎn)換(transition) (S卩，電壓從高值改變?yōu)檩^低值需要調(diào)節(jié)器使輸出電容器放電))的性能。這對(duì)于多相轉(zhuǎn)換器是特別實(shí)際的，其中每個(gè)單獨(dú)的相的電流處理能力僅僅是轉(zhuǎn)換器總電流處理能力的一部分。當(dāng)負(fù)電流超過電源級(jí)晶體管的負(fù)電流處理能力時(shí)，會(huì)發(fā)生電源級(jí)的災(zāi)難性故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)用于開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流限制保護(hù)的方法的實(shí)施方式，該方法包括:將通過電感器耦接到負(fù)載的電源級(jí)切換為使得在某一時(shí)段，電源級(jí)通過電源級(jí)的第一晶體管將正電流供應(yīng)到負(fù)載，并且在其它時(shí)段，通過電源級(jí)的第二晶體管從負(fù)載汲取負(fù)電流；以及響應(yīng)于流經(jīng)電感器的負(fù)電流超過預(yù)定的負(fù)閾值，迫使第二晶體管處于斷開狀態(tài)。
[0004]根據(jù)開關(guān)調(diào)節(jié)器的實(shí)施方式，開關(guān)調(diào)節(jié)器包括:用于通過電感器耦接到負(fù)載的電源級(jí)；以及電流監(jiān)測(cè)電路。電源級(jí)可操作地切換為使得在某一時(shí)段，電源級(jí)通過電源級(jí)的第一晶體管將正電流供應(yīng)到負(fù)載，并且在其它時(shí)段，通過電源級(jí)的第二晶體管從負(fù)載汲取負(fù)電流。保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)電感器的負(fù)電流超過預(yù)定的負(fù)閾值，迫使第二晶體管處于斷開狀態(tài)。
[0005]根據(jù)用于多相開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流限制保護(hù)方法的實(shí)施方式，其中多相開關(guān)調(diào)節(jié)器包括具有多個(gè)相的電源級(jí)，每個(gè)相具有通過電感器耦接到負(fù)載的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管，該方法包括:在脈沖寬度調(diào)制控制器的控制下，將電源級(jí)的相切換為使得在某一時(shí)段，電源級(jí)通過一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管將正電流供應(yīng)到負(fù)載，在其它時(shí)段，通過一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管從負(fù)載汲取負(fù)電流；以及響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)電感器的負(fù)電流超過預(yù)定的負(fù)閾值，迫使脈沖寬度調(diào)制控制器切斷每個(gè)低側(cè)晶體管。
[0006]根據(jù)多相開關(guān)調(diào)節(jié)器的實(shí)施方式，多相開關(guān)調(diào)節(jié)器包括具有多個(gè)相的電源級(jí)、脈沖寬度調(diào)制控制器和電流監(jiān)測(cè)電路。電源級(jí)的每個(gè)相具有用于通過電感器耦接到負(fù)載的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管。脈沖寬度調(diào)制控制器可操作地將電源級(jí)的相切換為使得在某一時(shí)段，電源級(jí)通過一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管將正電流供應(yīng)到負(fù)載，以及在其它時(shí)段，通過一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管從負(fù)載汲取負(fù)電流。保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)電感器的負(fù)電流超過預(yù)定的負(fù)閾值，迫使脈沖寬度調(diào)制控制器切斷一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管。
[0007]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀完下面的詳細(xì)描述并且看過附圖之后，將認(rèn)識(shí)到另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖中的元件不必相對(duì)于彼此按比例繪制。相似的參考標(biāo)號(hào)指示相應(yīng)類似的部件。各個(gè)示出的實(shí)施方式的特征可以組合，除非它們相互排斥。在附圖中描述并且以下詳細(xì)地描述了實(shí)施方式。
[0009]圖1示出了具有負(fù)電流限制保護(hù)的開關(guān)調(diào)節(jié)器的框圖。
[0010]圖2示出了對(duì)開關(guān)調(diào)節(jié)器的負(fù)電流限制保護(hù)的實(shí)施方式的流程圖。
[0011]圖3示出了根據(jù)實(shí)施方式的具有負(fù)電流限制保護(hù)和不具有負(fù)電流限制保護(hù)的開關(guān)調(diào)節(jié)器的比較操作的曲線圖。
[0012]圖4示出了對(duì)開關(guān)調(diào)節(jié)器的正和負(fù)電流限制保護(hù)的實(shí)施方式的流程圖。
[0013]圖5A至圖5C示出了用于確定開關(guān)調(diào)節(jié)器的負(fù)電流水平的檢測(cè)電路(sensecircuit)的不同實(shí)施方式的框圖。
[0014]圖6示出了具有負(fù)電流限制保護(hù)的開關(guān)調(diào)節(jié)器的詳細(xì)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本文所描述的實(shí)施方式通過迫使調(diào)節(jié)器的電源級(jí)進(jìn)入負(fù)電流不超過預(yù)定限制的切換狀態(tài)，來提供對(duì)開關(guān)調(diào)節(jié)器的負(fù)電流限制保護(hù)。本文中描述的負(fù)電流限制保護(hù)技術(shù)能夠應(yīng)用到任何開關(guān)調(diào)節(jié)器構(gòu)造中，包括:降壓型；升壓型；降壓-升壓型；回掃式；推挽式；半橋式；全橋式；和SEPIC (單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器)。降壓型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生低于輸入DC電壓的輸出DC電壓。升壓型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高于輸入電壓的輸出電壓。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生極性與輸入電壓相反的輸出電壓?；貟呤睫D(zhuǎn)換器產(chǎn)生小于或高于輸入電壓的輸出電壓以及多個(gè)輸出電壓。推挽式轉(zhuǎn)換器是在低輸入電壓時(shí)特別高效的二晶體管轉(zhuǎn)換器。半橋式轉(zhuǎn)換器是在許多離線應(yīng)用中使用的二晶體管轉(zhuǎn)換器。全橋式轉(zhuǎn)換器是通常使用在能夠產(chǎn)生非常高的輸出功率的離線設(shè)計(jì)中的四晶體管轉(zhuǎn)換器。SEPIC是DC-DC轉(zhuǎn)換器類型，其允許其輸出端的電壓大于、小于或等于其輸入端的電壓。
[0016]對(duì)于每種類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器構(gòu)造，通過支持正電流操作和負(fù)電流操作而提供穩(wěn)健操作，即調(diào)節(jié)器的電源級(jí)能夠從負(fù)載汲取(負(fù))電流，并且將(正)電流供應(yīng)到負(fù)載。為了確保在負(fù)電流條件下的安全操作，開關(guān)調(diào)節(jié)器中的負(fù)電流限制保護(hù)電路確保負(fù)電流保持在低于可接受的限制，高于該限制就會(huì)發(fā)生調(diào)節(jié)器電源級(jí)故障。
[0017]接下來描述的是負(fù)電流限制保護(hù)技術(shù)的實(shí)施方式，并且接下來所描述的是在多相開關(guān)模式降壓型轉(zhuǎn)換器的背景下進(jìn)行說明的，其中對(duì)于調(diào)節(jié)器的每個(gè)相提供負(fù)電流限制保護(hù)。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)該理解，本文中描述的負(fù)電流限制保護(hù)實(shí)施方式能夠容易地應(yīng)用到其它開關(guān)調(diào)節(jié)器構(gòu)造中，即便是修改，也只是需要微小的修改。此類修改完全是在本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員的能力范圍之內(nèi)的，不需要過度的實(shí)驗(yàn)。例如，本文中描述的負(fù)電流限制保護(hù)實(shí)施方式能夠以和多相降壓型轉(zhuǎn)換器相同的方式容易地應(yīng)用到單相降壓型轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)器中。在多相降壓型轉(zhuǎn)換器情況下，負(fù)電流極值可能更廣泛存在，因此與單相降壓型轉(zhuǎn)換器相比，各相之間會(huì)存在更大的不平衡。在每種情況下，負(fù)電流限制保護(hù)技術(shù)保護(hù)單相或多相免受過量負(fù)電流狀態(tài)。
[0018]圖1示出了包括電源級(jí)100的多相開關(guān)調(diào)節(jié)器的實(shí)施方式，其中電源級(jí)100包括多個(gè)相。每個(gè)相具有通過電感器(L)耦接到負(fù)載(C)的高側(cè)晶體管(HS)和低側(cè)晶體管(LS)。在不同時(shí)段，每個(gè)相的高側(cè)晶體管將負(fù)載可切換地連接到輸入電壓(Vin)，并且相應(yīng)的低側(cè)晶體管將負(fù)載可切換地連接到地。圖1中示出存在三個(gè)相(N=3)，然而可以提供任何數(shù)目的相。可替換地，可以通過省略N中的2個(gè)相，而僅提供單相。
[0019]在每種情況下，脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器110切換電源級(jí)100的相，使得在一些時(shí)段，電源級(jí)100通過一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管將正電流供應(yīng)到負(fù)載，而在其它時(shí)段，通過一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管從負(fù)載汲取負(fù)電流。也就是說，開關(guān)調(diào)節(jié)器在具有電流汲取能力的連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下操作。有時(shí)(例如在輕負(fù)載條件期間)，可以激活僅第一相(N=l)。可以激活一個(gè)或多個(gè)附加相(N=2以上)，以支持負(fù)載對(duì)更大電力的需求。為此，PWM控制器110向連接到電源級(jí)100每個(gè)相的驅(qū)動(dòng)器120提供控制信號(hào)。響應(yīng)于PWM控制器110提供的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器120提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)(GHN、GLN)至相應(yīng)相的高側(cè)和低側(cè)晶體管的柵極。至少部分基于施加到負(fù)載的輸出電壓(Vsense)，確定相的激活狀態(tài)以及高側(cè)和低側(cè)晶體管的占空比，以使得調(diào)節(jié)器能夠盡可能迅速并且可靠地對(duì)改變的負(fù)載條件作出反應(yīng)。
[0020]電源級(jí)100將(正)電流供應(yīng)到負(fù)載，并且從負(fù)載汲取(負(fù))電流。例如，當(dāng)輸出電壓改變非常迅速時(shí)，電源級(jí)100可以汲取電流。在此類條件下，負(fù)載電容是放電的，并且能量能夠返回到電源級(jí)100。此外，如果沒有減輕，會(huì)發(fā)生破壞敏感的負(fù)載(例如微處理器、圖形處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器或數(shù)字信號(hào)處理器)的故障。不是破壞負(fù)載，故障引起的負(fù)電流返回到電源級(jí)100而不是被負(fù)載所吸收。在瞬時(shí)負(fù)載放電、動(dòng)態(tài)電壓變化、多負(fù)載模塊并行操作以及負(fù)載停止操作的期間，負(fù)電流條件也會(huì)發(fā)生。通常，在負(fù)電流條件下，通過PWM控制器110正常地切斷(即非導(dǎo)電的)電源級(jí)100的高側(cè)晶體管，并且正常接通(即，非導(dǎo)電的)低側(cè)晶體管，從而將負(fù)電流汲取到地。
[0021]電源級(jí)100的電流處理能力是不對(duì)稱的，具體地電源級(jí)100的正供應(yīng)電流能力通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過負(fù)汲取電流能力。例如，在降壓型轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)切斷低側(cè)晶體管，并且迫使電流流經(jīng)高側(cè)晶體管的體二極管時(shí)，大的負(fù)電流是個(gè)問題。高側(cè)晶體管的體二極管的電流處理能力通常較低，這是因?yàn)槔缦鄬?duì)于低側(cè)晶體管其尺寸較小，以及高側(cè)晶體管的浮置本性(例如沒有端子接地)。
[0022]為了防止電源級(jí)100中的過量負(fù)電流，開關(guān)調(diào)節(jié)器包括保護(hù)電路130，用于確保流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)輸出電感器的負(fù)電流不超過預(yù)定的負(fù)電流閾值(在圖1中以NCL表示)。這樣，調(diào)節(jié)器系統(tǒng)受益于某些量的負(fù)電流能力，而沒有將系統(tǒng)暴露于過量負(fù)電流引起的災(zāi)難性故障中?？梢詫?duì)電源級(jí)100的所有相，提供單個(gè)保護(hù)電路130，或者對(duì)每個(gè)相提供不同的保護(hù)電路130。
[0023]圖2示出了通過保護(hù)電路130實(shí)施負(fù)電流限制保護(hù)的方法的實(shí)施方式。在正常操作(200)期間，PWM控制器110控制電源級(jí)100的每個(gè)相，以滿足負(fù)載的電力需求。這包括在不同時(shí)段提供正(供應(yīng))電流操作和負(fù)(汲取)電流操作。在負(fù)電流操作期間，保護(hù)電路130確定流經(jīng)調(diào)節(jié)器的一個(gè)或多個(gè)輸出電感器的負(fù)電流(Isense)是否超過預(yù)定的負(fù)電流閾值NCL (210)。如果負(fù)電流沒有超過閾值(即，負(fù)電流比閾值具有更小的量值)，則正常的PWM操作繼續(xù)。然而，如果負(fù)電流超過閾值，則保護(hù)電路130通過迫使PWM控制器110切斷一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管，使正常的PWM操作無效(220)。這樣一來防止了負(fù)電流的量值進(jìn)一步增加。
[0024]在過量負(fù)電流的情況下，保護(hù)電路130向PWM控制器110提供控制信號(hào)(Cl、C2……CN)，以使PWM控制器110無效。在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)負(fù)電流超過閾值時(shí)，保護(hù)電路130迫使PWM控制器110接通電源級(jí)100的一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管，使得通過每個(gè)接通的高側(cè)晶體管而不是低側(cè)晶體管來汲取負(fù)電流。在另一個(gè)實(shí)施方式中，保護(hù)電路130迫使PWM控制器110保持一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管處于斷開狀態(tài)，使得通過處于斷開狀態(tài)的每個(gè)高側(cè)晶體管的體二極管而不是相應(yīng)的低側(cè)晶體管來汲取負(fù)電流。在每種情況下，當(dāng)超過閾值時(shí)，保護(hù)電路130防止負(fù)電流進(jìn)一步增大，同時(shí)通過電源級(jí)100的高側(cè)安全地汲取現(xiàn)有的負(fù)電流。
[0025]負(fù)電流限制事件平息之后，保護(hù)電路130準(zhǔn)許PWM控制器110恢復(fù)對(duì)電源級(jí)100的完全控制(即，正常的PWM操作)(230)。在一個(gè)實(shí)施方式中，在自確定負(fù)電流超過閾值時(shí)逝去預(yù)定時(shí)間量之后，保護(hù)電路130確定負(fù)電流限制事件可能平息。例如，保護(hù)電路130可設(shè)定檢測(cè)到負(fù)電流限制事件時(shí)的定時(shí)器，并且假定計(jì)時(shí)器終止時(shí)事件已經(jīng)平息。在另一個(gè)實(shí)施方式中，緊接在確定負(fù)電流超過閾值所在的PWM時(shí)段之后的PWM時(shí)段期間，保護(hù)電路130準(zhǔn)許PWM控制器110在指定時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)正常的PWM操作。例如，當(dāng)PWM控制信號(hào)從高變低或從低變高時(shí)，或在轉(zhuǎn)換之間的某個(gè)點(diǎn)上(例如在轉(zhuǎn)換之間的中途時(shí))，PWM控制器110能夠恢復(fù)正常的PWM操作。在另一個(gè)實(shí)施方式中，響應(yīng)于負(fù)電流降低到低于第二預(yù)定負(fù)閾值(其中例如，如圖3所示，第二預(yù)定負(fù)閾值比第一閾值具有更小的量值)，保護(hù)電路130準(zhǔn)許PWM控制器110恢復(fù)正常的PWM操作。
[0026]圖3繪出示例性多相開關(guān)調(diào)節(jié)器的三個(gè)相的電流。在第一個(gè)200 u s期間，開關(guān)調(diào)節(jié)器以正電流模式操作，即電源級(jí)100通過一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管將電流供應(yīng)到負(fù)載。引起負(fù)電流事件發(fā)生的條件發(fā)生，即電源級(jí)100開始通過一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管從負(fù)載汲取電流。當(dāng)通過一個(gè)或多個(gè)輸出電感器的負(fù)電流(I sense )超過預(yù)定的負(fù)電流閾值(NCLl),保護(hù)電路130經(jīng)由提供給PWM控制器110的控制信號(hào)(Cl、C2……CN)，使PWM控制器110無效。響應(yīng)地，保護(hù)電路130迫使PWM控制器110切斷電源級(jí)100的低側(cè)晶體管或者接通一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管以汲取負(fù)電流，或保持所有高側(cè)晶體管處于斷開狀態(tài)，使得高側(cè)晶體管的體二極管汲取負(fù)電流。在任何一種情況下，保護(hù)電路130防止負(fù)電流超過較低的閾值。
[0027]在圖3中，僅為了示意性目的，將較低的閾值示出為-40A。低側(cè)晶體管保持?jǐn)嚅_直至負(fù)電流降低到低于較低的預(yù)定負(fù)閾值(NCL2)。在圖3中，僅為了示意性目的，將較低的閾值為-20A。當(dāng)負(fù)電流降低到低于較低的閾值時(shí)，PWM控制器110準(zhǔn)許恢復(fù)電源級(jí)100的完全控制。這可以包括如圖3所示的連續(xù)負(fù)電流操作。
[0028]每當(dāng)負(fù)電流超過較大的閾值(NCLl)時(shí)，保護(hù)電路130使PWM控制器110失效，并且當(dāng)負(fù)電流降低到低于較低的閾值(NCL2)時(shí)，準(zhǔn)許PWM控制器110恢復(fù)對(duì)電源級(jí)100的完全控制。閾值的選擇可以取決于幾個(gè)因素，并且各種閾值界限是在
【發(fā)明者】預(yù)期之中的。在每種情況下，防止電源級(jí)100汲取的負(fù)電流變得太大。為了比較的目的，在圖3中還示出了沒有負(fù)電流限制保護(hù)的相電流。沒有負(fù)電流保護(hù)的情況下，負(fù)電流處理地更快，但是真正的危險(xiǎn)是損壞電源級(jí)100的高側(cè)晶體管，這是由于過大的負(fù)電流所致。
[0029]圖4示出了通過保護(hù)電路130實(shí)施的正電流限制保護(hù)和負(fù)電流限制保護(hù)的方法的實(shí)施方式。在正常操作期間(300)，PWM控制器110控制電源級(jí)100的每個(gè)相以滿足負(fù)載的電力需求。這包括提供正(供應(yīng))電流操作和負(fù)(汲取)電流操作。在正電流操作期間，保護(hù)電路130確定流經(jīng)調(diào)節(jié)器中的一個(gè)或多個(gè)輸出電感器的正電流(Isense)是否超過預(yù)定的正電流閾值NCL (310)。如果正電流超過閾值，則保護(hù)電路130通過迫使PWM控制器110斷開一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管，并且接通一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管，來使正常的PWM操作無效(override) (320)。這樣一來防止正電流進(jìn)一步增加。正電流限制事件平息之后，保護(hù)電路130準(zhǔn)許PWM控制器110恢復(fù)對(duì)電源級(jí)100的完全控制(即，正常的PWM操作)(330)。否則，在正電流限制事件期間，保護(hù)電路130繼續(xù)使PWM控制器110失效。
[0030]在負(fù)電流操作期間，保護(hù)電路130確定流經(jīng)調(diào)節(jié)器的一個(gè)或多個(gè)輸出電感器的負(fù)電流(I sense )是否超過負(fù)電流閾值NCL (340 )。如果負(fù)電流沒有超過閾值(即，負(fù)電流比閾值具有更小的量值)，則正常的PWM操作繼續(xù)。然而，如果負(fù)電流超過閾值，則保護(hù)電路130通過迫使PWM控制器110切斷一個(gè)或多個(gè)低側(cè)晶體管來防止負(fù)電流量值進(jìn)一步增加，并且通過根據(jù)本文中先前描述的任何實(shí)施方式的電源級(jí)100的高側(cè)汲取負(fù)電流，使正常的PWM操作無效(350)。負(fù)電流限制事件平息之后，保護(hù)電路130準(zhǔn)許PWM控制器110恢復(fù)對(duì)電源級(jí)100的完全控制(360)。否則，在負(fù)電流限制事件期間，保護(hù)電路130繼續(xù)使PWM控制器110失效。
[0031]如圖1所示，保護(hù)電路130基于表示流經(jīng)每個(gè)電感器的電流量的反饋信息
(IsenseU Isense2......1senseN)確定是否超過負(fù)電流限制閾值和正電流限制閾值，其中
電感器將輸出級(jí)100的相耦接到負(fù)載。在一個(gè)實(shí)施方式中，串聯(lián)連接的電阻器(R)和電容器(C)與每個(gè)電感器(L)并聯(lián)連接，并且如圖5A所示，反饋信息對(duì)應(yīng)于電容器兩端的電壓(Vc)0在另一個(gè)實(shí)施方式中，電阻器與每個(gè)電感器串聯(lián)連接，并且如圖5B所示，反饋信息對(duì)應(yīng)于電阻器兩端的電壓(VK)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，鏡像(miiTor)電路400連接到每個(gè)相的低側(cè)或高側(cè)晶體管上，并且如圖5C所示，反饋信息對(duì)應(yīng)于鏡像電路400的電壓(VM)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，保護(hù)電路130基于PWM控制器110提供的電源級(jí)100的開關(guān)狀態(tài)，確定流經(jīng)每個(gè)相的電感器的負(fù)電流是否超過預(yù)定的負(fù)閾值。
[0032]圖6示出了具有負(fù)電流限制保護(hù)的開關(guān)調(diào)節(jié)器的實(shí)施方式。根據(jù)這個(gè)實(shí)施方式，PWM控制器110使用電壓檢測(cè)輸入(VSEN)來測(cè)量輸出電壓和電壓識(shí)別(VID)，以設(shè)定調(diào)節(jié)器設(shè)定點(diǎn)，即負(fù)載電流為零時(shí)的目標(biāo)電壓。動(dòng)態(tài)的電壓轉(zhuǎn)換電路500通過使目標(biāo)電壓斜升(ramp)，控制從一個(gè)VID到另一個(gè)VID的改變。參考DAC (數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)510將用于調(diào)節(jié)器的目標(biāo)電壓設(shè)置為與VSEN比較的模擬參考電壓。電壓檢測(cè)ADC (模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)520將誤差電壓(即目標(biāo)電壓和電壓檢測(cè)之間的差)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字表示。PID (比例-積分-微分)濾波器530實(shí)施補(bǔ)償傳遞函數(shù)，其中誤差電壓作為輸入，占空比作為輸出。PWM控制器110將數(shù)字的占空比表示轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖寬度調(diào)制的波形，PWM控制器110與驅(qū)動(dòng)器120連接以控制電源級(jí)100的開關(guān)狀態(tài)。電流檢測(cè)ADC540將電流檢測(cè)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚯娏餍畔?。自適應(yīng)電壓位置電路550將相電流信息轉(zhuǎn)變?yōu)榕c設(shè)定點(diǎn)的偏移量，從而基于負(fù)載電流設(shè)置調(diào)節(jié)器目標(biāo)電壓。電流平衡電路560將相電流信息轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)每個(gè)單獨(dú)相的占空比的調(diào)整，從而調(diào)整相電流使得其保持平衡。保護(hù)電路130監(jiān)測(cè)相電流，并且可以迫使PWM控制器110修改PWM脈沖，以如本文中之前所述確保相電流不超過正限制或負(fù)限制。另外，如果在不超過一些其它正限制或負(fù)限制的情況下不能保持調(diào)節(jié)器操作，則保護(hù)電路130通過關(guān)閉調(diào)節(jié)器，還可以提供過電流保護(hù)(OCP)。過電壓保護(hù)(OVP)電路570監(jiān)測(cè)輸出電壓，從而確保輸出電壓在操作的一些合理范圍之內(nèi)。如果在不超過某一限制的情況下不能保持調(diào)節(jié)器操作，則OVP電路570還可以關(guān)閉調(diào)節(jié)器。
[0033]使用術(shù)語例如“第一”、“第二”等來描述各種元件、區(qū)域、部分等，并且也不意味著是限制性的。在整篇說明書中，相似的術(shù)語指的是相似的元件。
[0034]如本文中所使用的，術(shù)語“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是開放式終止的術(shù)語，其指示存在陳述的元件或特征，但是不排除附加的元件或特征。除非文中明確說明，否則冠詞“一”、“一個(gè)”和“這個(gè)”意味著包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)。
[0035]應(yīng)該理解，除非明確說明，否則本文中描述的各種實(shí)施方式的特征可以彼此結(jié)合。
[0036]雖然本文中已經(jīng)說明和描述了具體的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不背離本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下，各種替代性和/或等同實(shí)施方式可以取代所示出和描述的【具體實(shí)施方式】。本申請(qǐng)意旨涵蓋本文中討論的【具體實(shí)施方式】的任何調(diào)整和變化。因此,意旨本發(fā)明僅由權(quán)利要求和其等同物來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流限制保護(hù)方法，所述方法包括: 切換通過電感器耦接到負(fù)載的電源級(jí)，使得在某一時(shí)段所述電源級(jí)通過所述電源級(jí)的第一晶體管將正電流供應(yīng)到所述負(fù)載，并且在其它時(shí)段通過所述電源級(jí)的第二晶體管從所述負(fù)載汲取負(fù)電流；以及 響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過第一預(yù)定的負(fù)閾值，迫使所述第二晶體管進(jìn)入斷開狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，接通所述第一晶體管，使得所述第一晶體管而不是所述第二晶體管汲取所述負(fù)電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，保持所述第一晶體管處于斷開狀態(tài)，使得所述第一晶體管的體二極管而不是所述第二晶體管汲取所述負(fù)電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過脈沖寬度調(diào)制控制器控制所述電源級(jí)的操作，并且其中響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，使所述脈沖寬度調(diào)制控制器對(duì)所述電源級(jí)的控制失效。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于自流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流被確定為超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值之后逝去預(yù)定時(shí)間量，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述電源級(jí)的完全控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括:緊接在流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流被確定為超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值所在的時(shí)段之后的脈沖寬度調(diào)制時(shí)段期間，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器在指定時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)對(duì)所述電源級(jí)的完全控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流降低到低于第二預(yù)定的負(fù)閾值，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述電源級(jí)的完全控制，其中所述第二預(yù)定的負(fù)閾值比所述第一預(yù)定的負(fù)閾值具有更小的量值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述正電流超過預(yù)定的正閾值，迫使所述第一晶體管處于斷開狀態(tài)。
9.一種開關(guān)調(diào)節(jié)器，包括: 電源級(jí)，所述電源級(jí)通過電感器耦接到負(fù)載，所述電源級(jí)可操作地切換為在某一時(shí)段所述電源級(jí)通過所述電源級(jí)的第一晶體管將正電流供應(yīng)到所述負(fù)載，并且在其它時(shí)段通過所述電源級(jí)的第二晶體管從所述負(fù)載汲取負(fù)電流；以及 保護(hù)電路，可操作地響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過第一預(yù)定的負(fù)閾值，迫使所述第二晶體管處于斷開狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，接通所述第一晶體管，以使得所述第一晶體管而不是所述第二晶體管汲取所述負(fù)電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，保持所述第一晶體管處于斷開狀態(tài)，使得所述第一晶體管的體二極管而不是所述第二晶體管汲取所述負(fù)電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步包括脈沖寬度調(diào)制控制器，所述脈沖寬度調(diào)制控制器可操作地控制所述電源級(jí)的操作，并且其中所述保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，使所述脈沖寬度調(diào)制控制器對(duì)所述電源級(jí)的控制失效。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于自流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流被確定為超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值之后逝去預(yù)定時(shí)間量，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述電源級(jí)的完全控制。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路可操作地于緊接在流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流被確定為超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值的時(shí)段之后的脈沖寬度調(diào)制時(shí)段期間，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器在指定時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)對(duì)所述電源級(jí)的完全控制。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流降低到低于第二預(yù)定的負(fù)閾值，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述電源級(jí)的完全控制，其中第二預(yù)定的負(fù)閾值比所述第一預(yù)定的負(fù)閾值具有更小的量值。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路進(jìn)一步可操作地基于與電阻器串聯(lián)的電容器兩端的電壓，確定流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流是否超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，其中所述電容器和所述電阻器與所述電感器并聯(lián)連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路進(jìn)一步可操作地基于與所述電感器串聯(lián)的電阻器兩端的電壓，確定流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流是否超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路進(jìn)一步可操作地基于連接到所述第一晶體管或所述第二晶體管的鏡像電路的電壓，確定流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流是否超過所述第一預(yù)定的 負(fù)閾值。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述保護(hù)電路進(jìn)一步可操作地基于所述電源級(jí)的開關(guān)狀態(tài)，確定流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流是否超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值。
20.一種用于多相開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流限制保護(hù)方法，所述多相開關(guān)調(diào)節(jié)器包括具有多個(gè)相的電源級(jí)，其中每個(gè)相具有通過電感器耦接到負(fù)載的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管，所述方法包括: 在脈沖寬度調(diào)制控制器的控制下，將所述電源級(jí)的相切換為在某一時(shí)段所述電源級(jí)通過一個(gè)或多個(gè)所述高側(cè)晶體管將正電流供應(yīng)到所述負(fù)載，并且在其它時(shí)段，通過一個(gè)或多個(gè)所述低側(cè)晶體管從所述負(fù)載汲取負(fù)電流；以及 響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流超過第一預(yù)定的負(fù)閾值，迫使所述脈沖寬度調(diào)制控制器切斷一個(gè)或多個(gè)所述低側(cè)晶體管。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，接通一個(gè)或多個(gè)所述高側(cè)晶體管，使得一個(gè)或多個(gè)接通的所述高側(cè)晶體管而不是所述低側(cè)晶體管汲取所述負(fù)電流。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，保持一個(gè)或多個(gè)所述高側(cè)晶體管處于斷開狀態(tài)，使得處于斷開狀態(tài)的所述一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管的體二極管而不是相應(yīng)的所述低側(cè)晶體管汲取所述負(fù)電流。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于自流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值之后逝去預(yù)定時(shí)間量，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述低側(cè)晶體管的完全控制。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括:緊接在流經(jīng)所述電感器的所述負(fù)電流被確定為超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值的時(shí)段之后的脈沖寬度調(diào)制時(shí)段期間，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器在指定時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)對(duì)所述電源級(jí)的完全控制。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流降低到低于第二預(yù)定的負(fù)閾值，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述低側(cè)晶體管的完全控制，其中第二預(yù)定的負(fù)閾值比所述第一預(yù)定的負(fù)閾值具有更小的量值。
26.一種多相開關(guān)調(diào)節(jié)器，包括: 包括多個(gè)相的電源級(jí)，每個(gè)相具有通過電感器耦接到負(fù)載的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管； 脈沖寬度調(diào)制控制器，可操作地將所述電源級(jí)的相切換為在某一時(shí)段，所述電源級(jí)通過一個(gè)或多個(gè)所述高側(cè)晶體管將正電流供應(yīng)到所述負(fù)載，并且在其它時(shí)段，通過一個(gè)或多個(gè)所述低側(cè)晶體管從所述負(fù)載汲取負(fù)電流；以及 一個(gè)或多個(gè)保護(hù)電路，可操作地響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流超過第一預(yù)定的負(fù)閾值，迫使所述脈沖寬度調(diào)制控制器切斷一個(gè)或多個(gè)所述低側(cè)晶體管。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的多相開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，迫使所述脈沖寬度調(diào)制控制器接通一個(gè)或多個(gè)所述高側(cè)晶體管，使得所述一個(gè)或多個(gè)接通的高側(cè)晶體管而不是所述低側(cè)晶體管汲取所述負(fù)電流。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的多相開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值，迫使所述脈沖寬度調(diào)制控制器保持一個(gè)或多個(gè)所述高側(cè)晶體管處于斷開狀態(tài)，使得處于斷開狀態(tài)的所述一個(gè)或多個(gè)高側(cè)晶體管的體二極管而不是所述相應(yīng)低側(cè)晶體管汲取所述負(fù)電流。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的多相開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流被確定超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值之后逝去預(yù)定的時(shí)間量，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述低側(cè)晶體管的完全控制。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的多相開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)保護(hù)電路可操作地緊接在流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流被確定為超過所述第一預(yù)定的負(fù)閾值的時(shí)段之后的脈沖寬度調(diào)制時(shí)段，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器在指定時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)對(duì)所述低側(cè)晶體管的完全控制。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的多相開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)保護(hù)電路可操作地響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述負(fù)電流降低到低于第二預(yù)定的負(fù)閾值，準(zhǔn)許所述脈沖寬度調(diào)制控制器恢復(fù)對(duì)所述低側(cè)晶體管的完全控制，其中第二預(yù)定的負(fù)閾值比所述第一預(yù)定的負(fù)閾值具有更小的量值。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的多相開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中，所述一個(gè)或多個(gè)保護(hù)電路進(jìn)一步可操作地響應(yīng)于流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)所述電感器的所述正電流超過預(yù)定的正閾值，迫使所述脈沖寬度調(diào)制控制器切斷一個(gè)或多個(gè)所述高側(cè)晶體管以進(jìn)入斷開狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】H02M3/156GK103606894SQ201310272479
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】本杰明·唐, 阿米爾·巴扎德赫 申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司