開關(guān)模式電源的制作方法
【專利摘要】一種開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其包括電感器，其被耦合到用輸入電壓可操作供電的終端。半導(dǎo)體開關(guān)被耦合到電感器，并被配置為按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得輸入電流能和不能穿過(guò)電感器。電流感測(cè)電路被耦合到半導(dǎo)體開關(guān)的電感器，并且被配置為生成電流感測(cè)信號(hào)，其表示輸入電流穿過(guò)電感器或半導(dǎo)體開關(guān)?？刂齐娐方邮赵撾娏鞲袦y(cè)信號(hào)，并且被配置為：按照時(shí)鐘頻率有規(guī)則地關(guān)閉半導(dǎo)體開關(guān)、對(duì)電流感測(cè)信號(hào)進(jìn)行積分并因此提供積分的電流感測(cè)信號(hào)、比較積分的電流感測(cè)信號(hào)與閾值，該閾值為輸入電壓的函數(shù)。
【專利說(shuō)明】開關(guān)模式電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及開關(guān)模式電源(SMPS)，其也被稱作開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。特殊實(shí)施例描述了用于開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的過(guò)電流或過(guò)功率保護(hù)。

【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)模式電源(SMPS)作為用于多種應(yīng)用的電源變得越來(lái)越常見(jiàn)。例如，SMPS可以被用作用于驅(qū)動(dòng)LED的電源，LED可以被用于為了照明目的代替白熾燈。然而，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器存在許多其他應(yīng)用，因?yàn)閷?shí)際上需要DC電源電壓(或電流)的任何電學(xué)或電子裝置能夠使用SMPS連接到電網(wǎng)。
[0003]開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器可以以多種模式工作。例如，開關(guān)轉(zhuǎn)換器尤其可以以固定開關(guān)頻率和開關(guān)的可變接通時(shí)間工作，和以固定的開關(guān)接通時(shí)間和可變頻率工作。不論開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器是否以固定或可變頻率工作，開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器可以以連續(xù)電流模式(CCM)或以不連續(xù)電流模式(DCM)工作。由于不同工作模式(具有固定接通時(shí)間的DCM、具有固定頻率的DCM、具有固定頻率的CCM等)通常需要控制(調(diào)節(jié))輸出電壓或輸出電流的不同構(gòu)思，所以一些開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為僅以單個(gè)模式(例如，CCM、固定頻率)工作。然而，開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器通常需要能夠?yàn)榇蠓秶腁C輸入電壓(例如，從85到270伏特)提供指定的恒定DC輸出電壓(或電流)。在這種情形中，開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器通常被設(shè)計(jì)為處理工作模式DCM和CCM兩者，在AC輸入電壓超過(guò)電路設(shè)計(jì)預(yù)先設(shè)定的限定的閾值電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)從CCM到DCM的模式切換。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)如上所述的控制任務(wù)，通常測(cè)量功率開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸入電流(其由功率半導(dǎo)體開關(guān)接通和斷開)，例如使用提供與穿過(guò)其的電流成比例的壓降的測(cè)量電阻器進(jìn)行該測(cè)量。所測(cè)量的輸入電流通常與參考值相比較，并且當(dāng)輸入電流超過(guò)由這個(gè)參考值所限定的閾值時(shí)，觸發(fā)所述功率半導(dǎo)體開關(guān)斷開。然而，該功率半導(dǎo)體不會(huì)以零延遲立即斷開輸入電流(有時(shí)也被稱作初級(jí)電流)。不只功率半導(dǎo)體開關(guān)顯示固有斷開延遲。此外，比較電路(其比較所測(cè)量的輸入電流與所提到的閾值)及控制電路(其控制功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)工作沖包括的其他電路元件造成額外的延遲。結(jié)果，輸入電流(初級(jí)電流)發(fā)生過(guò)沖(over-shot),這可能導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)中的功率耗散過(guò)度。
[0005]為了避免提到的功率耗散過(guò)度，應(yīng)該消除(或至少部分地補(bǔ)償)所提到的延遲的效果。然而，在已知解決方法中，這個(gè)延遲時(shí)間補(bǔ)償被設(shè)計(jì)為或者用于DCM或用于DCM。因此，改進(jìn)SMPS的控制電路會(huì)是有用的，以便獨(dú)立于開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的工作模式(DCM、CCM)來(lái)避免功率耗散過(guò)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明公開了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括電感器和半導(dǎo)體開關(guān)，電感器被耦合到用輸出電壓可操作供電的終端，半導(dǎo)體開關(guān)被耦合到電感器并且被配置為按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得輸入電流能和不能穿過(guò)電感器。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器還包括電流感測(cè)電路，其被耦合到半導(dǎo)體開關(guān)或電感器，并且被配置為生成電流感測(cè)信號(hào)，其表示輸入電流穿過(guò)電感器或半導(dǎo)體開關(guān)?？刂齐娐方邮赵撾娏鞲袦y(cè)信號(hào)，并且被配置為按照時(shí)鐘頻率有規(guī)則地關(guān)閉半導(dǎo)體開關(guān)、對(duì)電流感測(cè)信號(hào)求積分并因此提供積分的電流感測(cè)信號(hào)、比較所積分的電流感測(cè)信號(hào)與閾值、并且取決于比較的結(jié)果打開半導(dǎo)體開關(guān)。該閾值是輸入電壓的函數(shù)。
[0007]按照本發(fā)明的另一方面，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括電感器和半導(dǎo)體開關(guān)，電感器被耦合到用輸出電壓可操作供電的終端，半導(dǎo)體開關(guān)被耦合到電感器并且被配置為按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得輸入電流能和不能穿過(guò)電感器。電流感測(cè)電路被耦合到半導(dǎo)體開關(guān)或電感器，并且被配置為生成電流感測(cè)信號(hào)，其表示輸入電流穿過(guò)電感器或半導(dǎo)體開關(guān)?？刂齐娐方邮针娏鞲袦y(cè)信號(hào)以及表示輸入電壓的信號(hào)。此外，該控制電路包括閾值生成器，其接收表示輸入電壓的信號(hào)。該閾值生成器被配置為生成閾值，其為輸入電壓的函數(shù)。該控制電路還包括積分器，其接收電流感測(cè)信號(hào)。該積分器被配置為生成表示被積分的輸入電流的信號(hào)。此夕卜，該控制電路包括比較器，其接收閾值和表示積分的輸入電流的信號(hào)。該比較器被配置為指示表示積分的輸入電流的信號(hào)什么時(shí)候達(dá)到該閾值。驅(qū)動(dòng)電路被配置為按照時(shí)鐘信號(hào)周期性地接通半導(dǎo)體開關(guān)，并且當(dāng)比較器指示表示積分的輸入電流的信號(hào)已經(jīng)達(dá)到閾值時(shí)將其斷開。
[0008]除了上述，本發(fā)明公開了一種用于操作功率轉(zhuǎn)換器的方法，其中大功率變壓器可以包括電感器，其被耦合到用輸入電壓可操作供電的終端。按照本發(fā)明的另一方面，該方法包括按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得輸入電流能和不能穿過(guò)電感器，從而使用被耦合到電感器的半導(dǎo)體開關(guān)。生成表示穿過(guò)電感器或半導(dǎo)體開關(guān)的輸入電流的電流感測(cè)信號(hào)。該方法還包括按照時(shí)鐘頻率有規(guī)則地關(guān)閉半導(dǎo)體開關(guān)、對(duì)電流感測(cè)信號(hào)求積分并因此提供積分的電流感測(cè)信號(hào)、和比較所積分的電流感測(cè)信號(hào)與閾值，該閾值為輸入電壓的函數(shù)。根據(jù)比較的結(jié)果打開半導(dǎo)體開關(guān)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]參考下列附圖和描述能夠更好地理解本發(fā)明。圖中的部件不必按比例，而是將重點(diǎn)放在說(shuō)明本發(fā)明的原理上。此外，在圖中，相近的附圖標(biāo)記標(biāo)明相應(yīng)零件。在圖中:
[0010]圖1是說(shuō)明反激轉(zhuǎn)換器的基本部件的電路圖；
[0011]圖2包括圖2A到2B，其提供了說(shuō)明輸入(初級(jí))電流、輸出(次級(jí))電流、和以DCM(2A)和CCM (2B)的功率半導(dǎo)體開關(guān)的相應(yīng)門信號(hào)的時(shí)序圖；
[0012]圖3說(shuō)明了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的控制電路中的被測(cè)量的輸入電流的處理；
[0013]圖4是說(shuō)明在圖3中所示的信號(hào)處理中使用的AC輸入電壓和閾值電壓之間的關(guān)系的圖表；
[0014]圖5是實(shí)施圖3中說(shuō)明的信號(hào)處理構(gòu)思的示例性電路；
[0015]圖6是在圖5的實(shí)施方式中使用的圖4的閾值電壓曲線的翻轉(zhuǎn)版本(flippedvers1n);和
[0016]圖7更詳細(xì)地說(shuō)明圖5的實(shí)例中使用的積分器的執(zhí)行。
[0017]圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括反激轉(zhuǎn)換器，其為在需要電位隔離的應(yīng)用中通常使用的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｈ欢?，下面關(guān)于反激轉(zhuǎn)換器討論的原理也可以被應(yīng)用于其他轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌T如浮動(dòng)降壓轉(zhuǎn)換器等。通過(guò)積分該輸入(初級(jí))電流感測(cè)信號(hào)并比較這個(gè)積分信號(hào)與閾值信號(hào)，可以避免功率耗散過(guò)度。這個(gè)閾值信號(hào)可以取決于被應(yīng)用到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。
[0019]圖1說(shuō)明了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器電路，其包括具有初級(jí)繞組Lp和次級(jí)繞組Ls的變壓器
I。輔助繞組Laux可以被用于為控制電路提供電源電壓，該控制電路控制功率半導(dǎo)體開關(guān)T1的工作，該功率半導(dǎo)體開關(guān)T1被串聯(lián)耦合到初級(jí)繞組LP，以便通過(guò)初級(jí)繞組Lp的輸入電流(還被稱作初級(jí)電流iP)能夠按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ve (例如，在MOSFET或IGBT的情形中，門電壓信號(hào)或門電流信號(hào))由半導(dǎo)體開關(guān)T1接通并斷開。該輸入電壓Vin在半導(dǎo)體開關(guān)T1接通的時(shí)間間隔期間(即，在接通時(shí)間期間)被施加到初級(jí)繞組LP。在半導(dǎo)體開關(guān)Tl斷開的時(shí)間間隔期間(即，在關(guān)掉時(shí)間期間)，該輸入電壓Vin跨功率半導(dǎo)體開關(guān)T1實(shí)質(zhì)上下降。為了測(cè)量初級(jí)電流iP，電流感測(cè)電路可以被耦合到功率半導(dǎo)體開關(guān)?\。在圖1的本實(shí)例中，電流感測(cè)電阻Rcs被連接在功率半導(dǎo)體開關(guān)T1和接地終端GND1之間，以便通過(guò)晶體管T1的初級(jí)電流也通過(guò)電流感測(cè)電阻Rcs?？珉娮杵鱎?的電壓降Vcs與初級(jí)電流iP成比例。然而，應(yīng)該注意，可使用其他電流測(cè)量技術(shù)代替電流感測(cè)電阻RCS。例如，也能夠使用被耦合到負(fù)載晶體管的傳感晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量。
[0020]該輸入電壓Vin可以具有對(duì)應(yīng)于(全波)經(jīng)整流正弦信號(hào)的波形。這是整流器被用于將開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器耦合到AC電網(wǎng)的時(shí)候的情況。在本實(shí)例中，橋式整流電路2被用于將AC線路電壓VAC轉(zhuǎn)換為輸入電壓VIN。在本實(shí)例中，期望開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器能夠處理85到270伏特rms (rms=均方根)的AC線路電壓，而將輸出電壓(或輸出電流)維持在指定電平。然而，從85到270伏特的這個(gè)間隔僅僅是一個(gè)實(shí)例，并且實(shí)際的輸入電壓范圍可以取決于實(shí)際應(yīng)用。然而，為了能夠在全世界各種國(guó)家中的電網(wǎng)正常工作，輸入電壓范圍通常比較寬。
[0021]變壓器I的次級(jí)繞組Ls被耦合到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出。整流二極管D2被耦合在次級(jí)繞組Ls的第一端和輸出終端之間，在該輸出終端提供輸出電壓Vtot。次級(jí)繞組的第二端被耦合到接地終端GND2。可以使用輸出電容器Qjut緩沖輸出電壓VOT，所述輸出電容器被耦合在輸出終端和相應(yīng)的接地終端GND2之間。應(yīng)該注意，被耦合到變壓器I的初級(jí)側(cè)的電路部件參考“初級(jí)側(cè)接地”GND1供電，其中被耦合到變壓器I的次級(jí)側(cè)的電路部件參考“次級(jí)側(cè)接地”GND2供電。兩側(cè)的接地終端GNDpGND2彼此隔離，以保證初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間完全電位分離。然而，兩側(cè)的接地終端GNDpGND2可以經(jīng)由電容器(圖中未示出)耦合。
[0022]為了調(diào)節(jié)輸出電壓Vott或輸出電流(還被稱作次級(jí)電流is)，該輸出終端可以被耦合到反饋電路4，其被配置為從輸出電壓Vott或次級(jí)電流Is生成反饋信號(hào)Sfb(例如，反饋電壓)。進(jìn)一步，反饋電路4在其輸入和輸出之間提供電位隔離，例如所述電位隔離可以使用光耦合器實(shí)現(xiàn)。提供表示輸出電壓或次級(jí)電流的反饋信號(hào)并包括用于電位隔離的光耦合器的電路本身在本領(lǐng)域中已知，因此在本文中沒(méi)有詳細(xì)討論。
[0023]該反饋信號(hào)Sfb以及電流感測(cè)信號(hào)Vk被供給到控制電路5，控制電路5被配置為依賴于其為半導(dǎo)體開關(guān)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ve。從而,該控制電路5結(jié)合控制規(guī)律，以將輸出電壓Vout或次級(jí)電流is調(diào)整為匹配指定的(預(yù)設(shè)定或可調(diào)節(jié))期望值。該控制電路4可以具有其自己的電源。在本實(shí)例中，該控制電路5由電容器CVC供電，該電容器(^經(jīng)由整流二極管Dvc通過(guò)輔助繞組充電。然而，用于控制電路的不同電源可以適用。下面參考圖2中所示的時(shí)序圖更詳細(xì)地討論控制電路4的功能。
[0024]圖2的時(shí)序圖中示出了兩個(gè)不同的情形。左列圖表涉及以非連續(xù)電流模式(DCM)的開關(guān)操作，然而右列圖表涉及以連續(xù)電流模式(CCM)的開關(guān)操作。操作模式可以取決于輸入電壓Vin的電平。在兩個(gè)操作模式(DCM和CCM)中，半導(dǎo)體開關(guān)接通的時(shí)刻h和t5和半導(dǎo)體開關(guān)斷開的時(shí)刻t2和t6可以是時(shí)間觸發(fā)的或事件觸發(fā)的。在以固定頻率和可變接通時(shí)間(即，可變負(fù)載循環(huán))工作的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中，這些時(shí)刻是時(shí)間觸發(fā)的。在實(shí)行準(zhǔn)諧振振蕩的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中，接通時(shí)間以及斷開時(shí)間可以是事件觸發(fā)的。例如，觸發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)斷開的“事件”可以是例如初級(jí)電流iP達(dá)到閾值VKEF/RK，而觸發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)接通的事件可以是跨半導(dǎo)體開關(guān)的電壓處于(局部)最小值。為了進(jìn)一步討論，以固定頻率fs Cfs=V1)工作并且具有可變占空比D (D=T0N/Ts)的反激轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為是說(shuō)明性的實(shí)例。
[0025]如在圖2的左列中的圖表中說(shuō)明的，下列考慮假設(shè)在DCM下的靜態(tài)操作。開關(guān)循環(huán)在時(shí)刻A開始，并在隨后的開關(guān)循環(huán)開始時(shí)的時(shí)刻t4結(jié)束。也就是說(shuō)，一個(gè)循環(huán)的時(shí)期Ts能夠被計(jì)算為:
[0026]Ts= (I^t1) =fs'
[0027]控制半導(dǎo)體開關(guān)T1的開關(guān)狀態(tài)的該驅(qū)動(dòng)信號(hào)(例如，門電壓Ve)在時(shí)刻h接通并且在時(shí)刻t2斷開。也就是說(shuō)，接通時(shí)間Ton能夠被計(jì)算為
[0028]Ton= (tft) =D.Ts=D.(^t1)，
[0029]其中D表示占空比(D e [O, I])。一個(gè)周期的剩余時(shí)間是關(guān)閉時(shí)間Ttw,其能夠被計(jì)算為
[0030]Toff= (t4_t2) = (1-D).Ts.
[0031]在接通時(shí)間Ton期間，初級(jí)電流iP從零上升到期峰值iPP。電流斜坡的斜度是Vin/Lp (Lp表示初級(jí)繞組的電感)，如果輸入電壓Vin在一個(gè)循環(huán)期間沒(méi)有顯著變化，VIN/LP幾乎恒定。在時(shí)刻t2，在電感器中儲(chǔ)存的能量Edqi能夠被計(jì)算為
[0032]Edcm (t2) =Lp.ipp2/2.
[0033]隨著半導(dǎo)體開關(guān)T1在時(shí)刻t2斷開，由于感應(yīng)耦合，能量Edqi從變壓器I的初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí)側(cè)(參看圖1)。次級(jí)電流“在接通時(shí)間I?期間為零(隨著整流二極管D2反向偏置)，并且從其初始峰值iSP (在時(shí)刻t2發(fā)生)降至零(在時(shí)刻t3達(dá)到)。該次級(jí)電流is在時(shí)刻&和&之間仍舊為零。應(yīng)該注意，在本討論中忽略延遲時(shí)間(上升和下降時(shí)間)，以便允許集中于電路的基本功能。次級(jí)峰值電流iSP滿足等式EDeM(t2)=Ls.iSP2/2=LP.iPP2/2，其中Ls表示次級(jí)繞組的電感。次級(jí)電流斜坡的坡度在關(guān)閉時(shí)間Ttw是(Vot^Vd2VLs，其中Vd2是整流二極管D2的正向電壓。與CCM相反，DCM特征在于次級(jí)電流“在開關(guān)循環(huán)期間(在Isp開始)降到零，而在CCM期間不是這樣。在本實(shí)例中，時(shí)間t2。
[0034]在圖2的右列圖表中說(shuō)明了連續(xù)電流模式(CCM)。開關(guān)循環(huán)在時(shí)刻t5開始，并且在隨后的開關(guān)循環(huán)開始的時(shí)候的時(shí)刻t7結(jié)束。在靜態(tài)操作中，在DCM中會(huì)是零的初始初級(jí)電流iP(l (Ip0=Ip(t5))大于CCM中的零，因?yàn)榉謩e“存儲(chǔ)”在變壓器繞組Lp和Ls中的能量Era在關(guān)閉時(shí)間Ttw期間從未下降到零。在時(shí)刻t5，關(guān)閉半導(dǎo)體開關(guān)h (驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ve在高電平)，并且初級(jí)電流iP開始從初始值iro勻變上升到峰值電平iPP，其中iPP=iro+A ip。當(dāng)初級(jí)電流在時(shí)刻t6到達(dá)其峰值iPP (由閾值VKEF/Res限定)時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)T1被斷開，并且次級(jí)電流從其峰值iSP勻變下降到其最終值iS(l，其中iSP=iS(1+A is。在變壓器中“存儲(chǔ)”的能量從Eccfcin=Ls.iS02/2=LP.iP02/2 變化到 EcCMmax-Ls.Isp /2~L? ? iPP2/2。在時(shí)刻t7，該循環(huán)再次開始，次級(jí)電流is由整流二極管D2阻斷，并且初級(jí)電流“跳”到初始值iP(l，并且如上一循環(huán)中勻變上升。
[0035]為了進(jìn)一步考慮，感興趣的是計(jì)算平均輸入功率Pin，其為Ριν=(1/2).?Ρ.?ΡΡ2在DCM 中，
[0036]然而，其為
[0037]Pin= (1/2).Lp.iPAVG2 在 CCM 中。
[0038]盡管用于輸入功率的理論計(jì)算完全不同于上面兩個(gè)等式，但是重要的是注意，輸入功率與初級(jí)電流波形下的面積有關(guān)。因此，通過(guò)在一個(gè)開關(guān)時(shí)期上對(duì)初級(jí)電流感測(cè)信號(hào)Vcs求積分，可以獲得表示輸入功率的值。也就是說(shuō)，該積分值表示輸入功率。
[0039]如上面提到的，可以通過(guò)比較初級(jí)電流感測(cè)信號(hào)Vcs (參看圖1)與閾值Vkef，來(lái)確定斷開半導(dǎo)體開關(guān)T1的時(shí)刻。也就是說(shuō)，當(dāng)下列不等式成立時(shí)斷開半導(dǎo)體開關(guān)T1:VCS ^ Veef,其等同于iP ^ Vkef/Rk。用于確定半導(dǎo)體開關(guān)T1的斷開時(shí)刻的這種策略可以導(dǎo)致上面進(jìn)一步提到的功率過(guò)沖和對(duì)補(bǔ)償延遲的需要。根據(jù)本文中所述的示例性實(shí)施例，以不同于圖3中所說(shuō)明的方式確定斷開時(shí)刻。
[0040]因此，積分電流感測(cè)信號(hào)Vkint與閾值信號(hào)Vth相比較，其中這個(gè)閾值可以是輸入電壓Vin的函數(shù)。圖4說(shuō)明閾值信號(hào)Vth，其在本實(shí)施例中為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)為AC線路電壓\c的函數(shù)(Vin= I Vac I)。圖3的電路說(shuō)明一部分控制電路5，控制電路5在圖1中示出并且被配置為發(fā)出將半導(dǎo)體開關(guān)T1斷開的信號(hào)。該電路包括閾值生成器電路103，其接收表示輸入電壓Vin (或AC線路電壓Vac)的電平的信號(hào)并且由此生成相應(yīng)的閾值信號(hào)Vth。該電路還包括積分器101，其接收電流感測(cè)信號(hào)Vcs并且對(duì)這個(gè)電流感測(cè)信號(hào)積分，由此提供積分信號(hào)V。.(其可以是電壓信號(hào))。比較器102接收兩個(gè)信號(hào)Vth和V。.，并且評(píng)估該不等式Vth〈Vcsint。當(dāng)這個(gè)不等式成立時(shí)，通過(guò)比較器輸出(其被耦合到SR鎖存器104的重置輸入)重置SR鎖存器104。結(jié)果,SR鎖存器104的輸出信號(hào)Sqn被重置到低的輸出電平,其指示半導(dǎo)體開關(guān)的接通時(shí)間的結(jié)束并且發(fā)出讓開關(guān)T1斷開的信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)應(yīng)用適當(dāng)?shù)脑O(shè)定信號(hào)重新激活SR鎖存器104，例如該適當(dāng)?shù)脑O(shè)定信號(hào)可以由時(shí)鐘發(fā)生器生成。當(dāng)使用固定的開關(guān)頻率時(shí)，根據(jù)開關(guān)頻率周期性地生成設(shè)定信號(hào)。
[0041]圖4說(shuō)明示例性特征曲線，其由圖3中描繪的閾值生成器電路103執(zhí)行。如上面提到的，輸入電壓涉及輸入電壓VIN，并因此過(guò)度功率閾值Vth (積分電流感測(cè)信號(hào)Vkint與其相比較)來(lái)源于輸入電壓VIN。過(guò)度功率閾值Vth和輸入電壓Vin之間的典型(理想化)關(guān)系通過(guò)圖4中的折線說(shuō)明。這個(gè)特征曲線(由圖4在的轉(zhuǎn)折線表示)的實(shí)施可能是難的。然而，該曲線可以由至少兩個(gè)直線來(lái)近似，即通過(guò)將曲線分為兩段(對(duì)應(yīng)于輸入電壓間隔)并且將每段中的曲線直線化。得到的簡(jiǎn)化特征曲線也在圖4中說(shuō)明并由兩個(gè)直線表示。也就是說(shuō)，在本實(shí)例中，該特征曲線被分為兩段(例如，輸入電壓低于或等于大約145伏特并且電壓高于大約145伏特)，其中在每段中，閾值Vth是輸入電壓Vin的線性函數(shù)(加偏移量)。
[0042]圖5說(shuō)明了對(duì)于通過(guò)兩個(gè)直線來(lái)近似實(shí)現(xiàn)圖4中所示的特征曲線的情形，怎樣實(shí)施圖3中所示的通用電路的一個(gè)具體實(shí)例。本實(shí)例利用“反轉(zhuǎn)”特征曲線VTH’，其能夠使用等式Vth’ =3V-VTH從圖4中的曲線Vth直接獲得。3V的偏移量毫無(wú)疑問(wèn)被認(rèn)為是示例性值，其已經(jīng)被用于本文中所述的實(shí)施方式中。特征曲線的這種反轉(zhuǎn)(翻轉(zhuǎn))使得圖3的電路易于實(shí)施。因此，用電流感測(cè)信號(hào)Vcs供給的控制電路5 (參看圖1)包括積分器INT，該積分器INT接收電流感測(cè)信號(hào)Vcs，并且在其輸出處提供積分信號(hào)VCSINT。積分器INT的輸出信號(hào)可以被放大(增益G3),其中該增益可以是負(fù)的(例如，G3=-1)，以便也使積分電流感測(cè)信號(hào)Vcsint以可以從圖4中獲得圖6中特征曲線的相同方式“翻轉(zhuǎn)”?？梢栽黾悠浦礦□移動(dòng)放大器AMP3的輸出(增益G3)。這個(gè)操作通過(guò)電平移動(dòng)器電路LS3實(shí)現(xiàn)，該電路LS3的輸出信號(hào)被標(biāo)記為VINT。共同地，放大器AMP3和電平移動(dòng)器LS3實(shí)行下列算術(shù)運(yùn)算:
[0043]Vint-V0S3+G3.Vcsint。
[0044]在本實(shí)例G3=-1和VQS3=3V中，上面等式變成
[0045]Vint_3V_Vcsint。
[0046]Vint表示積分電流感測(cè)值VesiNT。也就是說(shuō)，該積分電流感測(cè)信號(hào)以與表示圖4中所示的閾值的特征曲線的相同方式被反轉(zhuǎn)(翻轉(zhuǎn))。
[0047]放大器AMP1和AMP2以及電平移動(dòng)器LS1和LS2和電流源Q被用于生成閾值信號(hào)VTH’，例如如圖6中所示，該閾值信號(hào)Vth’為圖4的兩部分閾值曲線的“反轉(zhuǎn)”版本。由于閾值Vth (參看圖4)取決于輸入電壓VIN，使用例如由兩個(gè)電阻器R1和R2形成的電阻分壓器將一小部分輸入電壓Vin供給到電路節(jié)點(diǎn)TH(其可以為控制電路4的終端)。該電流源Q也被耦合到電路節(jié)點(diǎn)TH，以便由電流源Q發(fā)源的電流^通過(guò)分壓器。結(jié)果，在電路節(jié)點(diǎn)TH存在的該電壓Vx能夠被計(jì)算為:
[0048]Vx=Vin.R2/ (R^R2) +1s.R1R2/ (?+?).
[0049]能夠看出，電壓是輸入電壓Vin的一小部分加上與電流&成比例的偏移量。在分別具有增益G1和G2的放大器AMPi和AMP2的輸入處接收電壓Vx。該放大器輸出信號(hào)G1 -Vx和G2.Vx被分別供給到電平移動(dòng)器LS1和LS2,并且受到電平移動(dòng)。電平移動(dòng)器LS1和LS2分別提供了偏移電壓Vffil和Vffi2t5也就是說(shuō)，電平移動(dòng)器LS1和LS2的輸出信號(hào)Vthi和Vth2能夠分別被表不為:
[0050]Vm=G1-VJVosiJ
[0051]Vth2-G2.Vx+Vos2 ο
[0052]在已經(jīng)為測(cè)試進(jìn)行的本示例性執(zhí)行中，電流込是I微安(Ls=I μ Α)，增益G1是單位一(G1=I),增益G2是0.16 (G2=0.16)，偏移電壓Vqsi是零(Vqsi=OV),偏移電壓Vqs2是2伏特(V0S2=2V)。
[0053]電平移動(dòng)器LS2的輸出信號(hào)Vth2可以被過(guò)濾，以補(bǔ)償將門信號(hào)應(yīng)用于電源MOS晶體管T1以便使其斷開的時(shí)刻和發(fā)生晶體管負(fù)載電流ies的實(shí)際斷開的相應(yīng)時(shí)刻之間的傳播延遲的效果。作為這個(gè)傳播延遲的結(jié)果，電流過(guò)沖可能在比較器102發(fā)出讓SR鎖存器104的重置(參看圖3)的信號(hào)和功率晶體管T1的實(shí)際斷開的時(shí)刻之間發(fā)生。這個(gè)過(guò)沖隨輸入電壓Vin的增加而增加。也就是說(shuō)，輸入電壓Vin越高，這個(gè)過(guò)沖也會(huì)越高。為了避免提到的延遲的這個(gè)不良影響，可以在電平移動(dòng)器LS2和對(duì)應(yīng)的比較器CMP2之間插入所謂的傳播延遲補(bǔ)償電路。類似的電路也可以被提供于電平移動(dòng)器LS1和對(duì)應(yīng)的比較器CMP2之間的信號(hào)通路中。然而，在本實(shí)例中，在到比較器CMP2的信號(hào)通路中只提供延遲補(bǔ)償電路，該比較器CMP2對(duì)對(duì)應(yīng)于較高輸入電壓的閾值Vth2有效。實(shí)質(zhì)上延遲補(bǔ)償電路包括小的負(fù)偏移量Vimip(在本示例性實(shí)施方式中大約-1OmV)和低通濾波器，該低通濾波器的時(shí)間常數(shù)等于或類似于傳播延遲以補(bǔ)償(在本示例性實(shí)施方式中大約I μ S)。提到的偏移量Vcbcotp可以與由電平移動(dòng)器LS2提供的偏移量Vre2合(lump)在一起，并因此延遲補(bǔ)償電路可以是簡(jiǎn)單的RC低通電路LP0
[0054]表示圖6的“反轉(zhuǎn)”(翻轉(zhuǎn))閾值曲線的閾值信號(hào)Vthi和Vth2被分別送到比較器CMP1和CMP2的不倒相輸入中。比較器CMP1和CMP2兩者的倒相輸入接收如上所討論的“反轉(zhuǎn)”(翻轉(zhuǎn))積分電流感測(cè)信號(hào)VINT。比較器CMPi和CMP2的輸出由或門X1結(jié)合，或門X1在其輸出處提供設(shè)定信號(hào)Sset，該設(shè)定信號(hào)Sset由SR鎖存器104的設(shè)定輸入接收(參看圖3)。也就是說(shuō)，當(dāng)信號(hào)Vint降到閾值Vthi以下或閾值Vth2以下時(shí)設(shè)定SR鎖存器104，其中兩個(gè)閾值信號(hào)均取決于輸入電壓VIN。以這種方式，實(shí)施圖4的近似的閾值曲線。
[0055]圖7是電路圖，其說(shuō)明積分器INT、放大器AMP3和電平移動(dòng)器LS3的一個(gè)示例性實(shí)施方式。這三個(gè)部件INT、AMP3和LS3在一個(gè)電路中一起實(shí)施。通過(guò)緩沖放大器BI接收被應(yīng)用于電路節(jié)點(diǎn)CS的電流感測(cè)信號(hào)Vk，該緩沖放大器BI在其輸出處將這種信號(hào)提供給晶體管M1的門，以便晶體管M1的負(fù)載電流ies是Ls=Ves/!^這個(gè)負(fù)載電流被放大并且“復(fù)制”到電流通路，使用電流反射鏡CM1和CM2將電容器Cint耦合到該電流通路。相應(yīng)的反射電流ics>給該電容器Cint充電，該電容被耦合在提供“翻轉(zhuǎn)”放大積分電流感測(cè)信號(hào)Vint的輸出電流節(jié)點(diǎn)和提供內(nèi)部電源電壓Vdd的內(nèi)部電源電壓節(jié)點(diǎn)之間。由于電容器“積分”反射電流ics>實(shí)現(xiàn)該積分。該電容器電壓Vhnt能夠被計(jì)算為

【權(quán)利要求】
1.一種開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，包括: 電感器，被耦合到用輸入電壓進(jìn)行可操作供電的終端； 半導(dǎo)體開關(guān)，被耦合到所述電感器，并且被配置為按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得輸入電流能和不能通過(guò)所述電感器； 電流感測(cè)電路，被耦合到所述電感器或所述半導(dǎo)體開關(guān)，并且被配置為生成表示所述輸入電流通過(guò)所述電感器或所述半導(dǎo)體開關(guān)的電流感測(cè)信號(hào)； 控制電路，被耦合為接收所述電流感測(cè)信號(hào)，并且被配置為: 按照時(shí)鐘頻率有規(guī)律地關(guān)閉所述半導(dǎo)體開關(guān)； 對(duì)所述電流感測(cè)信號(hào)求積分，由此提供積分的電流感測(cè)信號(hào)； 將所述積分的電流感測(cè)信號(hào)與作為所述輸入電壓的函數(shù)的閾值相比較；以及 取決于所述比較的結(jié)果，打開所述半導(dǎo)體開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述閾值為所述輸入電壓的函數(shù)，并且其中所述函數(shù)包括至少兩個(gè)線性分支，每個(gè)分支都具有恒定梯度和偏移量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制電路包括積分器，其被配置為接收所述電流感測(cè)信號(hào)并且提供積分的電流感測(cè)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制電路包括閾值生成器電路，其被耦合為接收表示所述輸入電壓的信號(hào)，并且所述閾值生成器電路被配置為生成作為所述輸入電壓的函數(shù)的閾值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括比較器，其被耦合為接收所述積分的電流感測(cè)信號(hào)和所述閾值，所述比較器被配置為當(dāng)所述積分的電流感測(cè)信號(hào)達(dá)到所述閾值時(shí)發(fā)出信號(hào)， 其中當(dāng)所述比較器發(fā)出所述積分的電流感測(cè)信號(hào)已經(jīng)達(dá)到所述閾值的信號(hào)時(shí)，打開所述半導(dǎo)體開關(guān)。
6.一種開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，包括: 電感器，被耦合到用輸入電壓進(jìn)行可操作供電的終端； 半導(dǎo)體開關(guān)，被耦合到所述電感器，并且被配置為按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得輸入電流能和不能通過(guò)所述電感器； 電流感測(cè)電路，被耦合到所述電感器或所述半導(dǎo)體開關(guān)，并且被配置為生成表示所述輸入電流通過(guò)所述電感器或所述半導(dǎo)體開關(guān)的電流感測(cè)信號(hào)； 控制電路，被耦合為接收所述電流感測(cè)信號(hào)和表示所述輸入電壓的信號(hào)，其中所述控制電路還包括: 閾值生成器，被耦合為接收表示所述輸入電壓的所述信號(hào)，并且被配置為生成閾值，所述閾值為所述輸入電壓的函數(shù)； 積分器，被耦合為接收作為輸入電流的所述電流感測(cè)信號(hào)，并且被配置為生成表示積分的輸入電流的信號(hào)； 比較器，被耦合為接收所述閾值和表示所述積分的輸入電流的所述信號(hào)，并且被配置為指示表示所述積分的輸入電流的所述信號(hào)什么時(shí)候達(dá)到所述閾值；以及 驅(qū)動(dòng)電路，被配置為按照時(shí)鐘信號(hào)周期性地接通所述半導(dǎo)體開關(guān)，并且被配置為當(dāng)所述比較器指示表示所述積分的輸入電流的所述信號(hào)已經(jīng)達(dá)到所述閾值時(shí)斷開所述半導(dǎo)體開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述驅(qū)動(dòng)電路包括SR鎖存器，其被配置為: 響應(yīng)于所述時(shí)鐘信號(hào)周期性地進(jìn)行設(shè)定； 被耦合到所述比較器；和 當(dāng)所述比較器指示表示所述積分的輸入電流的所述信號(hào)已經(jīng)達(dá)到所述閾值時(shí)，進(jìn)行重置； 其中所述半導(dǎo)體開關(guān)被耦合到所述SR鎖存器的輸出，并且按照所述SR鎖存器的輸出接通和斷開。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中表示由控制電路接收的所述輸入電壓的所述信號(hào)是在電阻分壓器的中間抽頭處分接的輸入電壓的一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制電路還包括電流源，其被耦合到所述分壓器的中間抽頭，由此影響迭加到所述輸入電壓的所述一部分上的偏移電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述閾值生成器包括第一串聯(lián)電路和第二串聯(lián)電路，所述第一串聯(lián)電路包括第一放大器和第一電平移動(dòng)器，第二串聯(lián)電路包括第二放大器和第二電平移動(dòng)器，以用于提供第一閾值和第二閾值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述比較器被配置為使用所述第一閾值或所述第二閾值作為閾值。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述比較器包括第一比較電路和第二比較電路，所述第一比較電路被配置為比較表示所述積分的輸入電流的所述信號(hào)與所述第一閾值，所述第二比較電路被配置為比較表示所述積分的輸入電流的所述信號(hào)與所述第二閾值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中所述比較器還包括或門，其被耦合為結(jié)合所述第一比較電路和所述第二比較電路的輸出。
14.一種用于操作功率轉(zhuǎn)換器的方法，所述功率轉(zhuǎn)換器包括電感器，其被耦合到用輸入電壓進(jìn)行可操作供電的終端，所述方法包括: 通過(guò)使用被耦合到所述電感器的半導(dǎo)體開關(guān)，按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得輸入電流能和不能通過(guò)所述電感器； 生成電流感測(cè)信號(hào)，所述電流感測(cè)信號(hào)表示通過(guò)所述電感器或所述半導(dǎo)體開關(guān)的所述輸入電流； 按照時(shí)鐘頻率有規(guī)律地關(guān)閉所述半導(dǎo)體開關(guān)； 對(duì)所述電流感測(cè)信號(hào)求積分，由此提供積分的電流感測(cè)信號(hào)； 將所述積分的電流感測(cè)信號(hào)與作為所述輸入電壓的函數(shù)的閾值相比較；以及 取決于所述比較的結(jié)果，打開所述半導(dǎo)體開關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述閾值為所述輸入電壓的函數(shù)，并且所述函數(shù)包括至少兩個(gè)線性分支，每個(gè)分支都具有恒定梯度和偏移量。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中比較所述積分的電流感測(cè)信號(hào)包括檢測(cè)所述積分的電流感測(cè)信號(hào)什么時(shí)候達(dá)到所述閾值，并且其中打開所述半導(dǎo)體開關(guān)包括響應(yīng)于所述積分的電流感測(cè)信號(hào)達(dá)到所述閾值而打開所述半導(dǎo)體開關(guān)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括生成閾值信號(hào)，其實(shí)際值被用作閾值，所述閾值信號(hào)為所述輸入電壓的函數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述閾值信號(hào)在比較所述積分電流感測(cè)信號(hào)與所述閾值之前被低通濾波。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法,其中生成閾值包括生成第一閾值信號(hào)和第二閾值信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法,其中生成所述第一閾值信號(hào)和所述第二閾值信號(hào)包 括: 接收所述輸入電壓的一部分； 將偏移量應(yīng)用到所述輸入電壓，由此提供第一信號(hào)； 分別用第一增益和第二增益放大所述第一信號(hào)；和 將所述第一信號(hào)分別電平移動(dòng)第一偏移量和第二偏移量； 其中所述第一閾值信號(hào)包括被以第一增益放大且以第一偏移量電平移動(dòng)的所述第一信號(hào)；和 其中所述第二閾值信號(hào)包括被以第二增益放大且以第二偏移量電平移動(dòng)的所述第一信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中比較所述積分的電流感測(cè)信號(hào)包括: 使用第一比較器比較所述積分的電流感測(cè)信號(hào)與所述第一閾值信號(hào)； 使用第二比較器比較所述積分的電流感測(cè)信號(hào)與所述第二閾值信號(hào)；和 結(jié)合所述第一比較器和所述第二比較器的輸出。
【文檔編號(hào)】H02M1/08GK104079174SQ201410119074
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月28日
【發(fā)明者】Y·S·陶, 弓小武 申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司