開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障檢測的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，特別是開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]由于其高效性以及所占據(jù)的面積/體積小，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器被廣泛地用于各種應(yīng)用和功率等級。廣泛接受的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括降壓、升壓、降壓-升壓、前饋、反激、半橋、全橋和SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)。多相降壓轉(zhuǎn)換器尤其適于提供在低電壓下高性能集成電路所需的高電流，集成電路例如微處理器、圖形處理器、和網(wǎng)絡(luò)處理器。降壓轉(zhuǎn)換器可以用有源部件來實現(xiàn)，例如脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器IC(集成電路)、驅(qū)動器電路、包括功率MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的一個或多個相、以及無源部件，諸如電感器、變壓器或耦合的電感器、電容器、和電阻器。多個相可以并聯(lián)連接，以滿足高輸出電流需求。
[0003]開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的部件數(shù)量眾多并且這種系統(tǒng)通常的高輸出電流和功率使得希望能檢測到任何部件或連接的故障，以檢驗這些系統(tǒng)的全部功能，并確保開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在其整個工作范圍內(nèi)的正常操作。通常實施電壓、電流、功率和溫度的監(jiān)視，以確保在變化、不可預(yù)測和不可預(yù)見的操作條件下的正確操作。高性能集成電路，例如微處理器、圖形處理器、以及網(wǎng)絡(luò)處理器需要幾種保護機制，以針對電壓和電流變化進行保護。相故障檢測(PFD)是一種保護機制，該保護機制保護負載，并且也為用戶提供了有效的診斷指導(dǎo)。高效、可靠以及低成本的PFD方案是極其需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)檢測開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障的方法的一個實施例，該方法包括:在開關(guān)周期的兩個或多個不同點處測量由開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一相穿過電感器輸送到負載的相電流，在此該開關(guān)周期期間，該相在開關(guān)周期的第一間隔內(nèi)接通，并且在開關(guān)周期的第二間隔內(nèi)關(guān)斷，相電流具有期望的鋸齒形或三角形紋波圖案；并且基于在開關(guān)周期的兩個或多個不同點處獲得的相電流測量結(jié)果，確定該相是否有故障。
[0005]根據(jù)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一個實施例，該轉(zhuǎn)換器包括可操作為將相電流穿過電感器輸送到負載的一相。相電流具有期望的鋸齒形或三角形紋波圖案。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器還包括測量單元，其可操作為在開關(guān)周期的兩個或多個不同點處測量相電流，在此開關(guān)周期期間，該相在開關(guān)周期的第一間隔內(nèi)接通，并且在開關(guān)周期的第二間隔內(nèi)關(guān)斷。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器還包括分析單元，其可操作為基于在開關(guān)周期的兩個或多個不同點處獲得的相電流測量結(jié)果，確定該相是否有故障。
[0006]本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀以下詳細描述并且查看了附圖之后，將認識到附加的特征和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0007]附圖中的元件不一定相對于彼此按比例繪制。相同的附圖標記表示相應(yīng)的類似部分。各個所示實施例的特征可以組合，除非它們彼此排斥。附圖中所描繪的實施例在下面的說明中詳細描述。
[0008]圖1示出了具有相故障檢測的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的實施例的框圖。
[0009]圖2示出了圖1的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相和對應(yīng)的離散電流感測網(wǎng)絡(luò)的實施例的框圖。
[0010]圖3示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障檢測方法的實施例的流程圖。
[0011]圖4示出了與圖3的相故障檢測方法和圖1的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作相關(guān)聯(lián)的各個波形圖。
[0012]圖5示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相電流分析單元的實施例的框圖。
[0013]圖6示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相電流分析單元的另一實施例的框圖。
[0014]圖7示出了圖1的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相和對應(yīng)的集成電流感測網(wǎng)絡(luò)的實施例的框圖。
[0015]圖8A示出了與圖7的集成電流感測網(wǎng)絡(luò)所檢測的故障高側(cè)電流鏡相關(guān)聯(lián)的各種波形圖。
[0016]圖SB示出了與圖7的集成電流感測網(wǎng)絡(luò)所檢測的故障低側(cè)電流鏡相關(guān)聯(lián)的各種波形圖。
【具體實施方式】
[0017]本文描述的實施例分析開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的相電流測量結(jié)果，以檢測可能的相故障。相電流可在相開關(guān)周期的兩個或多個不同點處測量，以測量正和負紋波，且測量結(jié)果可以與閾值進行比較，以識別指示相故障的任何非預(yù)期的響應(yīng)。本文描述的方法能夠在該相的電流不是所期望的時候，檢測故障相。這可以包括在相電流的負部分、正部分或二者期間在兩個或多個不同點處測量相電流。具有相電流的正部分和/或負部分的任意一個部分的兩個或多個樣本可以指示該相電流是否表現(xiàn)得如同預(yù)期一樣。
[0018]圖1示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一個實施例，其包括功率級100，包括多個相102及諸如微控制器、微處理器、ASIC(專用集成電路)等的用于控制功率級100的操作的控制器200。每個相102可操作為通過單獨的電感器(LX)向負載104輸送相電流(IPX)，負載104經(jīng)由電感器和輸出電容器(Cout)連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。電感器電流在圖1中被標記為IPUIP2...1PNo所述負載104可以是高性能集成電路，諸如微處理器、圖形處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器等或其它類型的需要電壓調(diào)節(jié)的電子電路。
[0019]每個相102具有用于通過相應(yīng)的電感器耦合到負載104的高側(cè)晶體管(HSX)和低側(cè)晶體管(LSX)。每一相102的高側(cè)晶體管可切換地將負載104連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(Vin)，并且所述相應(yīng)的低側(cè)晶體管可切換地在不同的周期將負載104連接到大地。為了便于舉例說明，在圖1中示出三個相102 (N= 3)，然而功率級100可以包括任意數(shù)量的相102，包括單相或多于一個相。
[0020]控制器200通過調(diào)節(jié)輸送到負載104的相電流來調(diào)節(jié)由功率級100輸送到負載104的電壓(Vsense)?？刂破?00包括脈沖寬度調(diào)制器(PWM) 202，用于通過PWM控制信號(PWMUPWM2...PWMN)對功率級100的每個相102進行開關(guān)，使得功率級100通過相應(yīng)的電感器和高側(cè)或低側(cè)晶體管向負載104發(fā)出(source)或匯入(sink)電流。當(dāng)PWM控制信號處于邏輯高電平，高側(cè)晶體管被置于導(dǎo)通狀態(tài)，電感器電流通過高側(cè)晶體管被發(fā)出或匯入，而且流過電感器的電流持續(xù)增加。其在此一般被稱為“接通時間(on-time)”，并且功率級100被認為是“接通的”。當(dāng)PWM控制信號處于邏輯低電平，低側(cè)晶體管置于導(dǎo)通狀態(tài)，電流從低側(cè)晶體管被發(fā)出或匯入，并且流過電感器的電流持續(xù)下降。其在此一般被稱為“關(guān)斷時間(off-time)”，并且功率級100被認為是“關(guān)斷的”。當(dāng)PWM控制信號處于三態(tài)或高阻抗邏輯電平(PWM控制信號既不高也不低)，高側(cè)和低側(cè)晶體管兩者均被置于非導(dǎo)通狀態(tài)，電流通過低側(cè)或高側(cè)晶體管的主體二極管被發(fā)出或匯入，并且流過電感器的電流幅度減小到零。其在此一般被稱為“高阻時間(HiZ-time) ”或“靜止時間(inactive time)”，并且功率級100被認為處于“高阻抗”或靜止?？商鎿Q地，第二數(shù)字輸入可以用于啟用或禁用功率級100，使得該輸入可以表示功率級100高側(cè)導(dǎo)通、低側(cè)導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)。在CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式)期間，每個開關(guān)周期由一個“接通時間”和一個“關(guān)斷時間”以及兩者之間的最小死區(qū)時間組成，其中死區(qū)時間用于轉(zhuǎn)變，在所述轉(zhuǎn)變之間晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器可以發(fā)出或匯入電流，且電感器電流具有預(yù)期的鋸齒或三角形或紋波圖案，這是由于取決于哪個晶體管導(dǎo)通，電感器電流必須要么降低要么增加。在DCM(非連續(xù)導(dǎo)通模式)中，當(dāng)電感器電流為零時，不允許低側(cè)晶體管導(dǎo)通。那么該周期包含接通時間，隨后是關(guān)斷時間，再隨后是高阻時間。在高阻時間期間，電感器電流接近于零，而且一旦它接近零，則在周期的持續(xù)時間內(nèi)不改變。
[0021]在CCM或者DCM中，驅(qū)動器106響應(yīng)于由PWM 202提供的PWM控制信號而向?qū)?yīng)的相102的高側(cè)及低側(cè)晶體管的柵極提供柵極驅(qū)動信號(GHX、GLX)。相102的激活狀態(tài)以及高側(cè)和低側(cè)晶體管的占空比至少部分地基于施加到負載104上的輸出電壓(Vsense)確定，使得開