開關式電源中故障檢測的方法和裝置的製作方法
2023-07-05 10:19:16
專利名稱：開關式電源中故障檢測的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及電子電路，尤其涉及開關式電源。
背景技術：
開關式電源的普通用途是給電池充電。通常控制電池充電器的輸出功率，以產生調節電壓和調節電流。在輸出電流範圍內，電壓在最大和最小電壓之間調節。在輸出電壓範圍內，電流在最大和最小電流之間調節。調節是通過反饋信號實現的，當輸出電壓或輸出電流超過調節值時，該反饋信號就減少電源的輸出。電源通常具有故障檢測功能，當沒有反饋信號時，防止過量的輸出電壓或過量的輸出電流。如果沒有故障檢測功能，造成反饋信號丟失的故障將使輸出電壓或輸出電流變得很高，足以對電池或電源造成破壞。因此，缺失反饋信號通常使得電源運行在自動重啟動循環，直到反饋信號恢復，這實際上會減少平均輸出電壓和平均輸出電流。
一般的電池充電器通常表現出從調節輸出電流到調節輸出電壓的急劇變化。也就是說，在笛卡爾坐標中所畫的輸出電壓和輸出電流的軌跡通常在相應於最大輸出功率點的變化點處有銳角轉角。
發明內容
設計一種在調節電壓和調節電流之間具有尖銳變化的電池充電器，將形成一個產品，該產品的成本將大於其提供期望功能所需的成本。通過在調節電壓和調節電流之間設計未調節的變化，就有可能減少電池充電器的成本並滿足所有的需要。在未調節變化的區域，輸出電壓和輸出電流由開關調節器的本質輸出特性所限制，並對給定的輸出電壓和輸出電流來說，通常遵循最大輸出功率的曲線。
為了實現較低的成本，開關調節器被設計成利用控制電路工作，該控制電路允許調節器在調節輸出電壓和調節輸出電流之間進行未調節的變化，從而使得電壓和電流被保持在它們特定的邊界。通過合理設計在輸出電壓和輸出電流的特定邊界之中的未調節變化，能夠減少最大功率輸出，並允許使用比保證較高輸出功率的元件成本更低的元件。取決於負載所需要的電流，控制電路運行開關調節器以實現調節電壓，調節電流，或未調節的變化。
故障保護功能表現為在未調節變化區域持續運行的阻礙，其中該故障保護功能響應於反饋信號的缺失。當電源運行在未調節變化區域時，由於輸出電壓和輸出電流實際上低於它們的調節值，所以反饋信號實際上為零。通過設計，在未調節變化區域電源運行產生最大輸出功率。故障保護功能通常允許電源在沒有反饋信號時的僅僅很短的一段時間內產生最大輸出功率，所述時間是在啟動之後的正常負載情況下將輸出電壓或輸出電流從零帶到調節值所需的時間。如果在正常啟動時間之後，反饋信號不存在，那麼電源進入自動重啟動循環。
藉助於實施例對本發明給予了詳細的描述，並且不限制於附圖。
圖1是開關式電源的一個實施例的功能結構圖，根據本發明的教導該開關式電源可以利用故障保護運行在未調節變化的區域。
圖2是一個圖表，示出了開關式電源的一個實施例的輸出電壓和輸出電流的邊界，根據本發明的教導該開關式電源利用故障保護可以運行在未調節變化的區域。
圖3示出了來自電源的輸出電壓和輸出電流之間的關係，根據本發明的教導該電源包括在調節電壓和調節電流之間的未調節的變化。
圖4A和圖4B示出了電源運行點的偏移，根據本發明的教導響應於輸出功率的臨時增長，電源運行點從無反饋信號的未調節狀態移動到施加反饋信號的可調節狀態。
圖5是開關式電源的最大理論輸出功率作為開關頻率的函數的一個圖表，根據本發明的教導，其描述了怎樣隨著開關頻率的臨時增長而實現輸出功率的臨時增長。
圖6是一種方法的實施例的流程圖，根據本發明的教導該方法提供了對開關式電源的一個實施例在未調節運行下的故障保護。
圖7A示出了根據本發明的教導，用於開關式電源的控制器的一個實施例的功能元件。
圖7B示出了自動重啟動計數器的一個實施例的細節，根據本發明的教導該計數器被包含在用於開關式電源的控制器的一個實施例內。
具體實施例方式
公開了可以用在電源中的電源調節器的實施例。為了提供對本發明徹底的理解，在下面的描述中，提出了大量的具體細節。然而，對熟知本領域的普通技術人員來說，很顯然這些具體細節不是實施本發明所必需的。為了避免模糊本發明，一些與實現相關的公知方法沒有具體的描述。
本說明書中對「一實施例」或「一個實施例」的引用表示結合該實施例所描述的獨特的功能、結構、或者特性被包含在本發明的至少一個實施例中。因此，本說明書中在各個位置出現的術語「在一實施例」或「在一個實施例」不一定都指的是同一個實施例。而且，這些獨特的功能、結構或特性可以以任何合適的方式合併在一個或多個實施例中。
所公開的技術為電源提供具有針對反饋信號丟失的故障保護的運行的未調節模式，該電源以比常規的解決方案較低的成本滿足電池充電器的需要。本發明的實施例針對的方法和/或裝置利用響應於反饋信號缺失的故障保護電路，允許電源運行在未調節變化區域。為了描述這一點，圖1顯示了一個電源實施例的功能結構圖，相據本發明的教導，該電源可以包括電源調節器的實施例，其也是電池充電器。圖1所描述的電源的拓撲結構已知是回掃調節器。可以理解有許多開關調節器的拓撲結構和配置，並且圖1所示的回掃拓撲結構被用來描述本發明一個實施例的原理，根據本發明的教導，該實施也可以使用其他類型的拓撲結構。
圖1中的電源對負載165提供來自於未調節輸入電壓VIN105的輸出功率。在一個實施例中，負載165可以是可充電電池。輸入電壓VIN105被連接到能傳遞元件T1 125和開關S1 120上。在圖1的例子中，能量傳遞元件T1 125被連接在電源的輸入端和輸出端之間。在圖1的例子中，能量傳遞元件T1 125被描述為帶有兩個線圈的變壓器。通常，變壓器不止有兩個線圈，額外的線圈對額外的負載提供功率、提供偏移電壓、或檢測負載上的電壓。箝位電路110被連到能量傳遞元件T1 125的初級線圈上，以便控制開關S1 120上的最大電壓。根據本發明的教導，響應於控制器電路145的一個實施例，開關S1 120被打開和關閉。在一個實施例中，開關S1 120是電晶體，比如功率金屬氧化半導體場效應電晶體(MOSFET)。在一個實施例中，控制器145包含集成電路和分立電子元件。開關S1 120運行時在整流器D1 130中產生脈動電流，該電流被電容器C1 135濾波以在負載165上產生基本恆定的輸出電壓VO或基本恆定的輸出電流IO。
將被調節的輸出量是UO150，通常可以是一個輸出電壓VO，一個輸出電流IO或者兩者的組合。調節量未必是固定的，但是可以以期望的方式響應於反饋信號被調節改變。如後面將解釋的，即使未調節時，輸出量UO150也能夠以期望的方式變化。不與反饋信號響應的輸出是末調節的。反饋電路160耦合到輸出量UO150上，用來產生一個輸入到控制器145的反饋信號UFB155。控制器145的另一個輸入是用來檢測開關S1 120中電流IO115的電流傳感信號140。有很多測量開關電流的已知方法，比如變流器、或者分立電阻的電壓、或者當電晶體導通時電晶體上的電壓，其中任何一種方法都可以被用來測量電流IO115。
由於電路中一個或多個元件的限制，在所有電源設計中的開關具有它們不能超過的最大電流限制IMAX。儘管所有的開關本身就是限流的，但是設計時在開關式電源中的控制器通常保護開關不超過設計的最大電流限制。
圖1也示出了電流ID115的一個示例波形，用來顯示控制器可以調整來調節輸出量UO150的參數。電流ID115的最大值是IMAX，開關周期是TS，佔空比是D。控制器通常將佔空比限定到最大值DMAX，其中該最大值小於100％。
在一個實施例中，控制器145操作開關S1 120，以便充分地調節輸出UO150到期望值。在一個實施例中，響應於輸出電壓或輸出電流的幅度，輸出UO從輸出電壓變化到輸出電流。在一個實施例中，控制器145包含振蕩器，其確定了一個基本不變的開關周期TS。在一個實施例中，通過控制在開關周期內開關的導通時間實現調節。在每一個開關周期內，開關被關閉的那部分開關周期的分數是開關的佔空比D。在一個實施例中，通過控制開關的最大電流IMAX實現調節。在另一個實施例中，通過控制開關周期TS實現調節。
在一個實施例中，控制器145在開關的最大電流或最大佔空比時操作開關S1 120，以產生未調節的輸出UO150，此時反饋信號UFB不存在或者太低而不能影響輸出調節。太低而不能影響輸出調節的反饋信號UFB等同於反饋信號不存在。未調節輸出UO的值由電路的一組特定的運行狀態的最大功率容量確定。瞬時輸出功率PO是輸出電壓VO與輸出電流IO的乘積。
在一個實施例中，控制器145包含保護功能，使電源運行在降低的平均輸出電壓和降低的平均輸出電流情況下，以避免使反饋信號無法到達控制器的故障造成的破壞。在一個實施中，保護功能是自動重啟動循環。在自動重啟動循環的一個實施例中，控制器145允許電源開關S1 120未調節地運行一段時間，該時間足夠長使得輸出UO能夠產生反饋信號UFB155，如果在允許的開關時間內輸出沒有產生反饋信號UFB155，那麼接著是沒有開關的較長間隔。自動重啟動循環反覆進行直到反饋信號UFB155滿足用於調節的合理標準。
當不響應反饋信號UFB155時，參數IMAX、D和TS可以是固定的或者允許響應於其他數量的改變而變化，比如輸入電壓VIN105或負載165。在一個實施例中，這樣的改變是由功率轉換器的拓撲結構，如回掃拓撲結構，的本質特性所決定的。比如，對於固定量VIN105、IMAX和TS，佔空比D是輸出電壓VO的已知函數。因此，可以設計一個調節器的實施例，使得根據本發明的教導，當輸出沒有被反饋信號調節時，輸出可以期望的方式運轉。正如將討論的，包含在控制器145中的振蕩器的一個實施例被配置為，在較高的頻率處臨時切換以增加電路的最大輸出功率容量。
圖2示出了根據本發明的教導運行的開關式電源的一個實施例的輸出電壓和輸出電流的邊界。電源的輸出被限制在位於內邊界205和外邊界210之間的實線215的區域內。外邊界210規定了一個最大輸出電壓VOMAX和一個最大輸出電流IOMAX，其在VOMAX和IOMAX的直線交叉點200處限定了最大輸出功率PMAX。具有實線215的區域內的輸出特性的電源將運行在外邊界210和內邊界205之間，其輸出功率小於最大輸出功率PMAX。這樣電源的成本通常比能夠在PMAX處運行的電源成本低。
圖3顯示了根據本發明的教導運行的開關式電源的一個實施例的輸出電壓和輸出電流的特性。輸出電壓和輸出電流遵循一條曲線，該曲線包含三個不同的線段。每一個線段對應不同的運行區域。在調節電壓區域，輸出電壓被按照線段300調節。在調節電流區域，輸出電流被按照線段320調節。在未調節變化區域，輸出電壓和電流沿著線段310不被調節，線段310描述了沒有反饋的情況下在給定的輸入電壓和給定的開關頻率下的最大輸出功率。如圖所示，輸出電壓和輸出電流落在特定邊界330和350內。
在一個實施例中，開關式電源具有保護功能，當不存在反饋信號時，防止最大輸出功率持續傳送。在一個實施例中，反饋信號不存在的時間如果大於故障檢測周期TFAULT，將導致電源進入自動重啟動模式，充分地減少了平均輸出功率。因此，保護功能不允許電源運行在未調節最大功率的線段310上的時間大於時間TFAULT。
如果反饋不存在的時間稍微小於TFAULT，那麼通過在一小段時間內增加電源的最大輸出功率，本發明的實施例克服了由自動重啟動保護功能所施加的限制。最大輸出功率的增加把輸出電壓或輸出電流的值沿著線段310分別提高到調節值VREG或IREG。如果在反饋電路中沒有故障，反饋信號將使控制器分路進入自動重啟動循環模式，並沿著線段310把最大輸出功率復位成它的原始值。
圖4A和4B描述了響應於輸出功率的臨時增長，操作點從無反饋信號時的未調節狀態到施加反饋信號的可調節狀態的運動。根據本發明的教導，圖中顯示了開關式電源的輸出電壓和輸出電流的軌跡。輸出電壓沿著線段400被調節。輸出電流沿著線段420被調節。輸出電壓和輸出電流沿著線段410未調節。在一個實施例中，輸出功率的增長使得操作點430從它在未調節操作線段410上的位置運動到調節電流450，如圖4A所示的運動440。在一個實施例中，輸出功率的增長使得操作點430從它在未調節操作線段410上的位置運動到調節電壓460，如圖4B所示的運動470。當操作點從未調節運行的線段410運動到調節電壓460或調節電流450，以響應最大輸出功率的增長時，電源電路和負載的具體特性確定了操作點的實際路徑。
開關式電源的最大輸出功率由最大開關電流IMAX和與開關周期TS成倒數的開關頻率fS所規定。儘管元件性能的限制通常阻止了電流IMAX的增長，但是通常有可能增加開關頻率，使其充分地超過它的最優值。通常選擇開關頻率的最優值以便獲得其他設計約束的範圍內的最高的效率。在較高開關頻率運行一段時間時效率的減少通常是可以忽略的。因此，開關頻率的臨時增加能夠在沒有顯著損失的情況下，增加開關式電源的最大輸出功率。
圖5示出了理論最大輸出功率和具有限流開關的開關式電源的開關頻率之間的關係。圖5的波形描述了兩個運行的基本模式，由電流的不同形狀所指示。三角形狀530是非連續導通模式(DCM)的特性，而梯形形狀540是連續導通模式(CCM)的特性。
對給定的最大開關電流IMAX，開關式電源的最大輸出功率由開關頻率的兩個簡單函數所描述P=(PMAXDCMfSMAXDCM)fS0fSfSMAXDCM]]>公式1和P=PMAXDCM(2-fSMAXDCMfS)fSfSMAXDCM]]>公式2這裡fS是開關頻率，PMAXDCM是非連續導通模式下的最大功率，而fSMAXDCM是非連續導通模式下的最大開關頻率，其允許開關中的電流達到IMAX。PMAXDCM和fSMAXDCM的值由電路中的元件值所確定，熟知本領域的技術人員都知道這一點。因此，在表達式中它們是常量。
圖5示出了區域510中在頻率為0和非連續導通模式下的最大頻率fSMAXDCM之間的由公式1所描述的線性關係。在線性區域510，輸出功率與開關頻率fS完全成比例。非連續導通模式下的最大功率是開關頻率fSMAXDCM處的PMAXDCM。
在區域520，頻率大於fSMAXDCM時，電源運行在連續導通模式。在連續導通模式下，功率曲線是由公式2所描述的部分雙曲線，並逼近於兩倍PMAXDCM的最大值。圖5表明較高的開關頻率產生較高的輸出功率。
圖6是一個流程圖，描述了為開關式電源提供故障檢測的一種方法的實施例，根據本發明的教導該電源具有未調節的輸出。如圖所示，開關頻率在模塊605中被設定為兩個值中較低的一個，在模塊610中故障計時器被復位。在模塊615中測量反饋信號UFB。
如果反饋信號UFB存在，如模塊620所示，那麼開關頻率保持為低，故障計時器被復位，分別如模塊625和610所示。如果反饋信號UFB不存在，將自從故障計時器被復位後的時間和一個比故障時間TFAULT小的時間TCHECK進行比較，如模塊630所示。
在TCHECK和TFAULT之間的期間內，電源利用反饋檢測操作檢查反饋電路的運行情況。反饋檢測操作增加開關頻率到兩個值中較高的一個，由此增加輸出功率以提高輸出電壓或輸出電流到調節值，如模塊635、640、615和620所示。響應於輸出功率的增長，反饋信號的存在將開關頻率減少到較低的值，並且復位故障計時器。如果在故障時間TFAULT之後反饋信號不存在，電源將進入自動重啟動循環，如模塊640和645所示。自動重啟動循環一直持續到反饋信號存在為止。
圖7A根據本發明的教導示出了一個集成電路的實施例。在一個實施例中，示出了用於開關式電源的控制器的一個實施例的功能元件。例如，圖7A示出了集成電路700的功能結構圖，該集成電路包括功率電晶體開關750，振蕩器740和自動重啟動計數器710。在一個實施例中，其中集成電路700在電源中可運行，使能/欠電壓端745接收反饋信號，該反饋信號指示功率電晶體750是否應該被導通。反饋信號缺失能夠指示反饋電路中有故障或者是未調節運行的期望模式。集成電路使用自動重啟動計數器710和振蕩器740來選擇開關750的期望動作。
根據來自於自動重啟動計數器710的信號，振蕩器740在不同的開關頻率產生時鐘信號735。該時鐘信號735具有標稱的開關頻率，其有平均值，比如132kHz。該標稱的開關頻率通過頻率調製，如±4kHz，調製為平均值，以響應從自動重啟動計數器710接收的抖動信號730。頻率調製通常比標稱的開關頻率的平均值小得多。抖動信號730在抖動調製率下，如1kHz，調製標稱的開關頻率。該抖動調製率通常比抖動調製小得多。反饋檢測頻率是標稱值的兩倍，選擇該反饋檢測頻率以響應來自於自動重啟動計數器710的環路檢測信號720。選擇故障頻率以響應來自於自動重啟動計數器710的故障存在信號715。故障頻率通常是標稱開關頻率的5％。
圖7A顯示了自動重啟動計數器710接收使能/線路欠電壓信號705、時鐘信號735，和復位信號725。自動重啟動計數器710產生抖動信號730、反饋檢測信號720和故障存在信號715。圖7B根據本發明的教導顯示了自動重啟動計數器710的一個實施例的細節。如圖所示，自動重啟動計數器710包括14位的二進位計數器755，該二進位計數器具有邏輯門760、775、780、765和770。
自動重啟動計數器710提供用於開關頻率變化的定時，用於檢測反饋電路的運行，和當檢測到故障時自動重啟動運行。來自於二進位計數器755的14個輸出位被標示為Q1到Q14，其中Q1是最低位，Q14是最高位。四位Q4、Q5、Q6和Q7組成抖動信號730。四個最高位Q11、Q12、Q13和Q14構成故障計時器。位Q11到Q14由邏輯門775、765、780和770解碼以產生反饋檢測信號720和故障存在信號715。復位輸入725僅把計數器的位Q8到Q14復位為0。位Q1到Q7不被復位，以允許計數器755保持用於抖動輸出730的定時。
表格785顯示，當標稱開關頻率平均為132kHz時，在故障計時器被復位之後，反饋檢測信號720被維持大約38.8毫秒，除非故障計時器被端部745存在的反饋信號在更短的時間內復位。然後反饋檢測信號720把振蕩器的頻率加倍，使反饋檢測時間近似為11.6毫秒，除非故障計時器被端部745存在的反饋信號在更短的時間內復位。如果故障計時器沒有被存在的反饋信號在反饋檢測時間內復位，自動重啟動計數器710斷定有故障存在信號715。故障存在信號715將振蕩器的頻率減少到故障頻率，使故障頻率約為標稱值的5％。端部745存在的反饋信號把故障計時器復位，並把振蕩器復位到標稱的開關頻率。
在上述詳細的描述中，本發明的方法和裝置已經參照它的具體的實施例給予了描述。然而，很明顯不脫離本發明的較寬精神和範圍的前提下對其進行的各種修改和改變都是可以的。因此，本發明說明書和附圖被看作是說明性的，而不是限定性的。
權利要求
1.一種開關式調節器電路，包括與電源的能量傳遞元件耦合的開關；與控制器相連的反饋電路，用來接收來自於電源輸出端的反饋信號；與開關和反饋電路相連的控制器，用來控制開關的切換以調節電源輸出端的輸出電壓和輸出電流的組合，其中輸出電壓和輸出電流的組合對應於輸出區域，使得至少有一個調節的輸出區域和一個未調節的輸出區域；控制器包括具有第一和第二開關頻率的振蕩器，其中第二開關頻率大於第一開關頻率；控制器還包括故障檢測電路，其具有故障計時器用來測量適當的反饋信號不存在的持續時間；故障檢測電路具有運行的故障模式和運行的反饋檢測模式；當反饋信號不存在的時間大於故障時間時，運行的故障模式充分地減少電源輸出端的平均功率；當反饋信號不存在的時間小於故障時間時，運行的反饋檢測模式把開關頻率從第一開關頻率提高到第二開關頻率。
2.權利要求1的開關式調節器，其中所述開關式調節器被包含在一個電池充電器中。
3.權利要求1的開關式調節器，其中所述控制器包含集成電路。
4.權利要求1的開關式調節器，其中所述控制器包含分立電子元件。
5.一種方法，包括測量從電源輸出端處接收的反饋信號，以便控制電源的輸出功率；在適當的反饋信號不存在達第一時間之後，使電源運行在未調節的反饋檢測模式；在適當的反饋信號不存在達大於第一時間的第二時間之後，使電源運行在未調節的自動重啟動模式。
6.權利要求5的方法還包括在未調節反饋檢測模式期間增加開關頻率。
7.權利要求5的方法還包括測量適當的反饋信號不存在的持續時間。
8.權利要求5的方法還包括通過增加電源的輸出功率將電源的操作點從未調節狀態移動到調節電流操作點。
9.權利要求5的方法還包括通過增加電源的輸出功率將電源的操作點從未調節狀態移動到調節電壓操作點。
10.權利要求5的方法還包括調節電源的最大輸出功率，使其響應於電源的開關頻率。
全文摘要
公開了一種檢測開關式電源中反饋電路故障的技術，此時電源運行在一種輸出低於調節值的模式。電源在沒有反饋信號時傳送給定的開關頻率下的最大功率，同時輸出低於調節值。如果沒有反饋信號的時間持續達到故障時間，故障保護電路充分地減少平均輸出功率。當沒有反饋信號時，電源通過在故障時間結束之前增加開關頻率來增加最大輸出功率，以使輸出增加到調節值。當輸出達到調節值時，反饋信號的存在恢復原始的開關頻率並使輸出返回到未調節值。在故障時間結束時，反饋信號的缺失使故障保護電路充分地減少輸出功率。
文檔編號H02J7/02GK1937386SQ20061011088
公開日2007年3月28日 申請日期2006年6月30日 優先權日2005年7月1日
發明者S·鮑爾勒, W·M·波利夫卡 申請人:電力集成公司