專利名稱：控制dc/dc開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器中短路電流的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器中短路電流的方法及設(shè)備，尤其 是，為DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器中短路電流鋸齒狀增或減提供的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
盡管負載導(dǎo)致電源電壓或電流的不同，但DC/DC電壓調(diào)節(jié)器可有效地維持輸出電 壓電平。許多便攜式裝置需要如同由DC/DC電壓調(diào)節(jié)器提供的電源電壓一樣穩(wěn)定的電源電 壓。由于確定過流狀態(tài)的次數(shù)的有限，開關(guān)式調(diào)節(jié)器可能在短路負載上發(fā)生電流鋸齒狀增 或減的現(xiàn)象。幾乎每一個開關(guān)式裝置有一個有限的回路響應(yīng)時間來測量電感器中的電流。 根據(jù)輸入電壓，電流能夠上升得足夠高，從而導(dǎo)致裝置的災(zāi)難性故障。由于這一原因，在固定頻率部分中，一般使用頻率折疊來改變部分中可能發(fā)生的 電流鋸齒狀增或減的量。頻率折疊引起的常見問題是電感器中的大的電流紋波。由于該原 因，選擇比標準大的旁路或者輸出電容來降低紋波電壓。并且如果頻率折疊的太多，回路可 能變得不穩(wěn)定。因此，為了廣泛的應(yīng)用而選擇正確的折疊頻率范圍不是一件容易的工作。

發(fā)明內(nèi)容
結(jié)合系統(tǒng)、裝置和方法描述并解釋本發(fā)明。除本發(fā)明內(nèi)容中描述的本發(fā)明的這些 特征之外，通過參考附圖并閱讀下面的詳細說明，本發(fā)明的進一步的特征將變得顯而易見。在一個實施例中，提供具有高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置的DC/DC開關(guān)式電 壓調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)器在高壓側(cè)包括用于檢測在電流極限之上的過流狀態(tài)的裝置。如果檢 測到過流狀態(tài)，電壓調(diào)節(jié)器還包括用于切斷高壓側(cè)通路裝置和打開低壓側(cè)通路裝置直到到 達位于低壓側(cè)通路裝置的第二電流極限的裝置。在另一個實施例中，提供在具有高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置的DC/DC開關(guān) 式電壓調(diào)節(jié)器上執(zhí)行的方法。該方法包括在高壓側(cè)檢測在電流極限之上的過流狀態(tài)。如果 檢測到過流狀態(tài)，該方法還包括切斷高壓側(cè)通路裝置和打開低壓側(cè)通路裝置直到到達位于 低壓側(cè)通路裝置的第二電流極限。在另一個實施例中，提供一種設(shè)備。該設(shè)備包括高壓側(cè)通路裝置。該設(shè)備還包括 與高壓側(cè)通路裝置串聯(lián)的低壓側(cè)通路裝置。該設(shè)備進一步包括與高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè) 通路裝置連接的控制模塊。該控制模塊連接到高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置，對高壓 側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置進行控制。
此外，該設(shè)備包括與高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置串聯(lián)的第一電阻器。而且， 該設(shè)備包括與第一電阻器并聯(lián)的第一比較器。該第一比較器具有與第一電流極限對應(yīng)的閾 值電壓輸入差值，并且第一比較器的輸出連接到控制模塊。此外，該設(shè)備包括與高壓側(cè)通路 裝置的感應(yīng)電流連接以作為電壓的第二比較器。該第二比較器具有與第二電流極限對應(yīng)的 閾值電壓輸入差值。第二比較器的輸出連接到控制模塊。第二電流極限高于第一電流極 限。同樣，響應(yīng)于第一比較器的輸出，控制模塊可以切斷高壓側(cè)通路裝置，直到接收到復(fù)位 信號，而且，響應(yīng)于第二比較器的輸出，控制模塊可以切斷高壓側(cè)通路裝置，直到接收到低 電流信號。


通過附圖以舉例的方式解釋本發(fā)明。應(yīng)該將附圖理解為舉例而不是限制，本發(fā)明 的范圍由權(quán)利要求進行限定。圖1示出了 DC-DC電壓調(diào)節(jié)器輸出端的一個實施例。圖2示出了圖1的實施例中的電流過載。圖3示出了圖1的實施例中的頻率折疊。圖4示出了用于圖1的DC-DC電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流過載保護裝置的一個實施 例。圖5示出了用于圖1的DC-DC電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流過載保護裝置的一個可選擇 的實施例。圖6示出了圖4的實施例中的電流鋸齒狀增或減。圖7示出了用于圖1的DC-DC電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流過載保護裝置的另一個可選 實施例。圖8示出了電流限制處理方法的一個實施例。
具體實施例方式為開關(guān)式DC/DC電壓調(diào)節(jié)器中的短路電流鋸齒狀增或減提供一種系統(tǒng)、方法和設(shè) 備。本文件中說明的具體實施例是本發(fā)明示范性的例子，實質(zhì)上是說明性的而不是限制性 的。在下面的說明中，出于解釋的目的，為了提供對本發(fā)明的全面理解，提出了多個具 體的細節(jié)。但是，對本發(fā)明的技術(shù)人員而言，很顯然沒有這些具體的細節(jié)也可以實現(xiàn)本發(fā) 明。在其它的情況下，為了避免使發(fā)明變得含糊，以方框圖的形式示出結(jié)構(gòu)和裝置。說明書中“ 一個實施例，，或者“實施例，，的意思是結(jié)合實施例說明的特定的特征、 結(jié)構(gòu)、或者特性包含在發(fā)明的至少一個實施例中。在說明書的不同位置出現(xiàn)的詞組“在一個 實施例中”不是必須參考同一個實施例，也不是與其它實施例相互之間排除的單個的或者 交替的實施例。在一些實施例中，本發(fā)明描述了一種新方案，即從開關(guān)式調(diào)節(jié)器的保護方案中取 消頻率折疊，并且在整個操作期間在無需改變開關(guān)頻率的情況下允許歸零啟動。在一些實施例中，采用檢測元件測量電感器中的電流。采用比較器比較檢測元件 和另一個匹配元件，該匹配元件描述指示過流情況的限定的已知電流閾值。當(dāng)超過該電流閾值時，比較器發(fā)出信號給邏輯電路以閉鎖低壓側(cè)開關(guān)，直至到達低壓側(cè)電流極限值。根據(jù) 應(yīng)用，能夠?qū)⑦@低壓側(cè)的電流極限值設(shè)置為任何正的、負的或者零電感器電流值。在一些實施例中，DC/DC開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器由PWM控制器、串聯(lián)在電源電壓和地之間 的兩個被控制的通路裝置、與兩個通路裝置之間的公共點連接的電感器、和在電感器之后 連接在輸出節(jié)點和地之間的電容器組成。通過調(diào)制該通路裝置，電感器將累積能量并對電 容器放電。充電和放電速度由下述等式確定 電感器中的電流的增量是 其中，Vin是電源電壓，Vout是輸出電壓，Ronup是上通路裝置中的電阻。電感器中的 放電電流由下述等式限定 其中R。ndwn是下通路裝置的電阻。在標準操作期間，dlcharge = dldischarge,并且dT。n 和dT。ff是開關(guān)頻率的函數(shù)。因為回路需要有限的時間響應(yīng)，在開關(guān)時間上存在最小值。這 一時間可以低至20ns，高至200ns。這是由于上通路元件需要導(dǎo)通以檢測電感器中的電流 量，然后截止的原因引起的。時間的最小長度可能歸因于驅(qū)動器延遲、PWM比較器延遲、電 流檢測放大器延遲等。當(dāng)dl。ha,ge > dldischarge時存在電流鋸齒狀增或減的狀態(tài)。當(dāng)輸出被接地短路時可 能產(chǎn)生這一狀態(tài)，然后dT。n = dTmin，并且V。ut*0。然后，在dT。ff期間由電感器放電的能量 值小，并且電流循環(huán)持續(xù)上升。確保電感器放電的常見方法是增加dT。ff時間，和降低操作 頻率。根據(jù)不同的實施例，檢測電感器電流，如果電流鋸齒狀增或減至固定值之上，回路將 切斷上通路裝置并鎖定下通路裝置，直至電流衰減到預(yù)定極限值。參考附圖可以提供對各個實施例的進一步理解。圖1示出了 DC-DC電壓調(diào)節(jié)器輸 出端的一個實施例。系統(tǒng)100包括在電源線和地之間的高壓晶體管和低壓晶體管，電感負 載和電容器。電感負載110可以是實際的電感器或者以類似于電感器的方式運行的元件。 電容器160連接在電感負載110和地150之間。能量從電源130通過功率晶體管120 (供 給電流)提供給負載110。電流可以通過功率晶體管140從電感負載110流至地150。這一設(shè)計包括一個潛在的問題，即導(dǎo)通和截止晶體管120和140所花的時間長到 允許電流使電感器110過載。圖2示出了圖1的實施例中的電流過載。電流電平接近極限 值，系統(tǒng)降低電流電平。但是，電流的衰減時間可能不允許電流電平降低到零。其結(jié)果是， 裝置然后又增加電流電平，在系統(tǒng)重新減小電流之前這一時間越過了最大電流極限值。這 主要作為系統(tǒng)運行頻率的結(jié)果而發(fā)生，該頻率在電流衰減到一個可接收的電平之前可能重 置電壓調(diào)節(jié)器。對這一問題的常見反應(yīng)是折疊頻率_減小系統(tǒng)的運行頻率，使得在極限之上的狀 態(tài)下可接受地減小電流電平。圖3示出了圖1的實施例中的頻率折疊。不是允許系統(tǒng)復(fù)位 并使電流電平鋸齒狀增，而是允許電流衰減較長的時間，直到到達可接受的極限值。未示出的是在這一狀態(tài)下的結(jié)果，在該狀態(tài)下裝置可能運行到該極限值，然后減小到某一電平，該 電平太高而不能避免過流狀態(tài)。頻率折疊能夠避免過流狀態(tài)，但也減慢了系統(tǒng)和被提供能 量的負載的運行?？蛇x擇的是，可引入電路來檢測電流電平，并確保允許過流狀態(tài)適當(dāng)?shù)厮p。圖4 示出了用于圖1的DC-DC電壓調(diào)節(jié)器輸出端的電流過載保護裝置的一個實施例。系統(tǒng)400 包括裝置410(DC-DC電壓調(diào)節(jié)器)和作為整個系統(tǒng)的一部分的各種外部電路。裝置410可 以由啟動輸入493啟動，啟動輸入493與內(nèi)部啟動電路490相關(guān)聯(lián)?？梢杂秒娙萜?33模 擬電源提供能量。通過功率晶體管120流入負載110的電流通過使該電流經(jīng)過在比較器455中檢測 的電阻器450來監(jiān)測。比較器455的輸出和振蕩器485的輸出混合，并作為比較器480的 輸入被提供。隨同通過反饋模塊470和誤差放大器475，比較器480和控制模塊415的反饋 一起，這為裝置410的脈沖寬度調(diào)制器提供反饋回路。電阻器460和465提供電阻分阻器， 從該分阻器為反饋元件470形成電壓電平。類似地，電阻器483和電容器487提供控制誤 差放大器475的輸出的RC元件。比較器435檢測來自與功率晶體管140串聯(lián)的電阻器440的電流，并且給觸發(fā)器 445提供置位輸入。比較器430檢測通過電阻器440和功率晶體管140(相同的電流)的電 流，并給觸發(fā)器445提供復(fù)位輸入。這些輸出也被提供給控制邏輯電路415。有代表性地， 控制邏輯電路415作用于門420和425，使功率晶體管120和140導(dǎo)通和截止。但是，當(dāng)檢 測到過流狀態(tài)時，觸發(fā)器445的輸出使晶體管140導(dǎo)通，并使晶體管120截止。一旦通過晶 體管140的電流進行了足夠的衰減，觸發(fā)器445就復(fù)位，并且回到正常的運行。這樣，通過 改變比較器430和435的跳變點，能夠為超過極限的電流和低電流設(shè)置各種電流電平?？梢栽诓惶峒爸車拿}沖寬度調(diào)制電路的情況下說明調(diào)節(jié)電路的一個選擇實施 例。圖5示出了用于圖1的DC-DC電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流過載保護裝置的一個可選擇的實 施例。系統(tǒng)500控制負載110的電源。電阻分阻器570和575提供被反饋的電壓并和比較器 560的參考電壓比較。比較器560的輸出與晶體管565 —起偏置，晶體管565接收Vilimit 電壓輸入以確定偏置電平。然后施密特觸發(fā)緩沖器555提供比較器560的偏置輸出，作為 至觸發(fā)器520的邏輯輸入。然后觸發(fā)器520控制晶體管120和140 (通過反相器525)。能夠用檢測電阻器505 (和晶體管120串聯(lián))、比較器515、和施密特觸發(fā)比較器 540測量通過晶體管120的電流。比較器540還接收晶體管550的輸出，作為輸入，該輸出 被電壓Vilimit+X偏置。電流源545完成這一元件的偏置電路。因此，當(dāng)通過檢測電阻器 505的電流導(dǎo)致電壓超過晶體管550的偏置電壓時，比較器540能夠使觸發(fā)器520置位(或 復(fù)位)?？梢钥紤]停止對負載110供給電流。相似地，當(dāng)電流已經(jīng)充分地衰減時，可以利用 例如檢測電阻器510和連接到負載110的輸出節(jié)點，通過比較器530對其進行檢測。從而， 比較器530可以使觸發(fā)器520置位(或復(fù)位)，同時繼續(xù)正常操作。在不同的實施例中，在哪里精確地放置檢測電阻器50 5和510，和怎樣精確地 檢測過流和欠流狀態(tài)可能不相同。同樣，在不同的實施例中可以選擇合適的Vilimit和 Vilimit+X的值。一般來講，Vilimit+X的值高于Vilimit的值，并且提供較高的電流極限 值，作為能夠用來關(guān)閉系統(tǒng)和避免電流過載的極限值?？梢詤⒖紙D6理解裝置或系統(tǒng)的運行。圖6示出了圖4的實施例中的電流鋸齒狀增或減。電流可以上升到Ilimiit，然后漸漸回落。如果裝置正在以太高的頻率運行，那么 電流能增加到Ilimiit+X。在這一點，裝置可能被關(guān)閉(通過使高通晶體管120截止，并使 低通晶體管140導(dǎo)通)，直至電流衰減到一個可以接收的電平(可以通過一個低電流值來限 定)。可以采用相同的常用方法來實施各個實施例。圖7示出了用于圖1的DC-DC電壓 調(diào)節(jié)器輸出的電流過載保護裝置的另一個實施例。系統(tǒng)700包括電源，控制邏輯，負載和電 流監(jiān)測器。電源模塊710在控制邏輯730的控制下給負載720提供能量。電流監(jiān)測器740 監(jiān)測提供給負載720的電流，并且當(dāng)過流狀態(tài)發(fā)生時中斷控制邏輯730以切斷電源710。也將解釋這些電路運行的流程。圖8示出了電流限制流程的一個實施例。流程800 包括運行裝置，監(jiān)測電流，使電流漸降，進一步的操作，確定是否超過了上限，和暫時使裝置 關(guān)閉。本文件的流程(方法)800和其它的流程作為一組模塊被實施，這可以是例如流程模 塊或操作，與功能或效果相關(guān)聯(lián)的軟件模塊，用于實現(xiàn)流程操作的硬件模塊，或者各種類型 的模塊的某種組合。在不同的實施例中，可以調(diào)整這里描述的流程800和其它流程的模塊， 如以并聯(lián)或者串聯(lián)的方式，并且可以重排、結(jié)合或者細分。流程800開始于模塊810中電路的運行。在模塊820檢測電路的電流負載。如果 電流沒有超過第一極限，在模塊810中電路繼續(xù)運行。如果電流超過了第一極限，在模塊 840中電流漸漸下降。然后，在模塊850中，電路繼續(xù)運行。在模塊860中，確定是否超過電 流上限或者第二電流極限。如果沒有，在模塊810中電路繼續(xù)運行。如果超過了第二電流 極限，則在模塊870產(chǎn)生暫時的關(guān)閉，直至電流負載衰減到一個可接受的電平。在一個實施例中，這是通過采用1. 7A的第一電流極限和2. 2A的第二電流極限來 實現(xiàn)的。因此，如果電流超過1.7A，系統(tǒng)正常關(guān)閉。如果電流超過2. 2A，則系統(tǒng)關(guān)閉，直到 電流衰減到一個低的值。各個實施例的特征和方式可以結(jié)合到其它的實施例中，并且本文件中解釋的實施 例可以在不具有解釋或說明的所有的特征或者方式的情況下實施。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理 解，盡管處于解釋的目的，描述了系統(tǒng)和方法的具體例子和實施例，但在不脫離本發(fā)明的精 神和范圍的情況下，可以作出各種修改。例如，本發(fā)明的實施例可以應(yīng)用到不同類型的數(shù)據(jù) 庫、系統(tǒng)和應(yīng)用程序中。此外，即使在本文件中這些特征沒有在單個實施例中一起描述，一 個實施例的特征可以合并到其它實施例中。因此，由附加的權(quán)利要求描述本發(fā)明。
權(quán)利要求
一種在具有高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置的DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器上執(zhí)行的方法，該方法包括檢測在高壓側(cè)通路的電流極限之上的過流狀態(tài)；和如果檢測到過流狀態(tài)，切斷高壓側(cè)通路裝置并開低壓側(cè)通路裝置，直到到達位于低壓側(cè)通路裝置上的第二電流極限。
2.如權(quán)利要求1的方法，還包括 檢測電流下限之上的過流狀態(tài)；和如果檢測到電流下限之上的過流狀態(tài)，切斷高壓側(cè)通路裝置并且接通低壓側(cè)通路裝 置，直至接收到復(fù)位信號。
3.如權(quán)利要求2的方法，還包括使DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器復(fù)位，該復(fù)位操作提供復(fù) 位信號。
4.如權(quán)利要求3的方法，還包括通過高壓側(cè)通路裝置提供能量。
5.如權(quán)利要求4的方法，還包括響應(yīng)于啟動信號來運行該DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器。
6.一種設(shè)備，包括 高壓側(cè)通路裝置；與高壓側(cè)通路裝置串聯(lián)的低壓側(cè)通路裝置；與高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置連接的控制模塊，該控制模塊連接到高壓側(cè)通路 裝置和低壓側(cè)通路裝置，對高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置進行控制； 與高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置串聯(lián)的第一電阻器；與第一電阻器并聯(lián)的第一比較器，該第一比較器具有與第一電流極限對應(yīng)的閾值電壓 輸入差值，第一比較器的輸出連接到控制模塊；與高壓側(cè)通路裝置的檢測電流連接以作為電壓的第二比較器，第二比較器具有與第二 電流極限對應(yīng)的閾值電壓輸入差值，第二比較器的輸出連接到控制模塊，第二電流極限高 于第一電流極限；和其中，響應(yīng)于第一比較器的輸出，控制模塊切斷高壓側(cè)通路裝置，直到接收到復(fù)位信 號，而且，響應(yīng)于第二比較器的輸出，控制模塊切斷高壓側(cè)通路裝置，直到接收到低電流信號。
7.如權(quán)利要求6的設(shè)備，還包括和低壓側(cè)通路裝置串聯(lián)的第二電阻器；和與第二電阻器并聯(lián)的第三比較器，第三比較器的輸出連接到控制模塊，第三比較器的 輸出構(gòu)成一個低電流信號。
8.如權(quán)利要求7的設(shè)備，還包括 連接到控制模塊的啟動輸入；和其中響應(yīng)于啟動信號，控制模塊運行高壓和低壓側(cè)通路裝置。
9.如權(quán)利要求6的設(shè)備，其中高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置是功率MOSFET。
10.如權(quán)利要求6的設(shè)備，其中第二比較器的輸入端和低壓側(cè)通路裝置并聯(lián)。
11.如權(quán)利要求6的設(shè)備，其中第二比較器的輸入端和第一電阻器并聯(lián)。
12.如權(quán)利要求8的設(shè)備，還包括連接到控制模塊的設(shè)備的第一外部輸入端，該輸入端從與該裝置的負載連接的電阻分 阻器接收電壓。
13.如權(quán)利要求12的設(shè)備，還包括連接到控制模塊的設(shè)備的第二外部輸入端，該輸入端在內(nèi)部連接誤差放大器輸出端并 從串聯(lián)的一電阻器和一電容器接收電壓。
14.如權(quán)利要求13的設(shè)備，還包括連接到第一比較器的輸出端以混合第一比較器的輸出和振蕩器的輸出信號的振蕩器， 將該混合信號提供給控制模塊。
15.如權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括具有第一輸入端和第二輸入端的比較器，第一輸入端連接到混合信號，第二輸入端連 接到第一外部輸入端，比較器的輸出連接到控制模塊。
16.一種具有高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置的DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器，包括 用于檢測在高壓側(cè)通路的電流極限之上的過流狀態(tài)的裝置；和如果檢測到過流狀態(tài)，用于切斷高壓側(cè)通路裝置和導(dǎo)通低壓側(cè)通路裝置，直到到達位 于低壓側(cè)通路裝置上的第二電流極限的裝置。
17.如權(quán)利要求16的DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器，其中用于檢測的裝置包括檢測元件和確定過流狀態(tài)的比較器。
18.如權(quán)利要求16的DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器，還包括 用于確定過流狀態(tài)何時已被消除的裝置。
19.如權(quán)利要求16的DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器，還包括鎖存器，用于PWM系統(tǒng)的控制，保持高壓側(cè)通路裝置的截止和低壓側(cè)通路裝置的導(dǎo)通。
20.如權(quán)利要求16的DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器，還包括 用于啟動DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在具有高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置的DC/DC開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器上執(zhí)行的方法，該方法包括檢測在高壓側(cè)通路的電流極限之上的過流狀態(tài)；和如果檢測到過流狀態(tài)，切斷高壓側(cè)通路裝置并開低壓側(cè)通路裝置，直到到達位于低壓側(cè)通路裝置上的第二電流極限。本發(fā)明還提供一種設(shè)備，該設(shè)備包括高壓側(cè)通路裝置、與高壓側(cè)通路裝置串聯(lián)的低壓側(cè)通路裝置、與高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置連接的控制模塊、與高壓側(cè)通路裝置和低壓側(cè)通路裝置串聯(lián)的第一電阻器、與第一電阻器并聯(lián)的第一比較器、包括與高壓側(cè)通路裝置的檢測電流連接以作為電壓的第二比較器。
文檔編號H02M3/155GK101917116SQ20101028377
公開日2010年12月15日 申請日期2005年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月30日
發(fā)明者安德魯·吳 申請人:美國芯源系統(tǒng)股份有限公司