CN102111070A - 待机电流减少的调节器过电压保护电路 - Google Patents

待机电流减少的调节器过电压保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种待机电流减少的调节器过电压保护电路。本发明的一个实施例涉及一种形成有误差放大器的功率转换器和有关方法。在一个实施例中，第一开关与误差放大器补偿电容器串联耦合。在检测到大于阈值水平的电流水平时，通过关断第一开关将补偿电容器从误差放大器去耦合。在一个实施例中，第二开关与补偿电容器并联耦合，而电流感测电路在检测到大于阈值水平的电流水平时使得第二开关导通，以对补偿电容器放电。在检测到小于阈值水平的电流水平时关断第二开关。在一个实施例中，电流感测电路在检测到大于阈值水平的内部电流水平时将功率转换器的输出电流控制在限流水平。

Description

待机电流减少的调节器过电压保护电路
技术领域
本公开内容主要涉及电子功率转换，并且更具体地涉及减少功率转换器中的误差放大器所需的偏置电流水平和有关方法。
背景技术
功率转换器(也称为“电压调节器”)是将输入电压波形转换成指定输出电压波形的电源或者功率处理电路。直流-直流功率转换器将直流(“dc”)输入电压转换成直流输出电压。与功率转换器关联的控制器通过控制其中所用的功率开关的导通来管理功率转换器的操作。一般而言，控制器在反馈回路配置(也称为“控制回路”或者“闭合控制回路”)中耦合于功率转换器的输入与输出之间。
通常，控制器测量功率转换器的输出特性(例如输出电压、输出电流或者输出电压和输出电流的组合)，并且基于该输出特性来控制功率转换器的功率开关的导通。例如，在运用线性调节器的功率转换器(即如下功率转换器电路拓扑，在该拓扑中功率开关置于功率转换器的输入与输出之间)中，控制器在功率开关的响应曲线的线性区域中控制功率开关的导通性，以调节功率转换器的输出电压。在运用切换模式电路拓扑的功率转换器中，控制器控制功率开关的占空比以调节输出电压。占空比是功率开关的导通时段与其切换时段之比。因此，如果功率开关在半个切换时段内导通，则用于功率开关的占空比将为百分之五十。此外，由于用于负载***的电压或者电流因***操作条件的改变而动态地改变，所以控制器应当被配置成动态地增加或者减少其中功率开关的占空比，以将输出特性如输出电压维持于希望值。控制器也应当对功率转换器的过载条件(比如在其输出的两端耦合的短路)进行响应。这样的控制器的一项设计考虑是它针对过载条件和在去除短路时可能产生过电压条件的输出电压过冲的响应时间。
现在参照图1，图示了常规待机功率转换器的示意图，该待机功率转换器包括用于在检测到输出电压过电压条件时提供对内部传输晶体管(internal pass transistor)的迅速切断的比较器。图1中所示电路包括用p型功率MOSFET Q3形成的“线性调节器”，该Q3将在调节器的输出端子处的输出电压Vout控制在经过调节的电压水平。在本领域中完全理解图1中所示常规设计，并且为求简洁这里将不进一步描述它。
如果在电路中不包括过电压保护，则常规设计的设计限制可能相互作用而产生针对调节器输出电压的很高过电压条件。待机调节器常用来将经过调节的电压供应给灵敏负载电路元件如微处理器控制单元，并且高输出过冲电压可能破坏该负载。
***、特别是便携***如笔记本计算机经常被配置成在待机模式中操作以节省由可以是电池的功率源递送的能量。经常要求这样的***在待机模式中以延长的时间段操作，并且在待机模式中使功率耗散最少，这常常是一个实现延长功率源(比如电池)操作的关键***特性。为了检测过冲电压而可能包括在电路中的过电压比较器一般消耗相当高水平的待机电流。
在待机模式中为功率转换器控制器提供低功率耗散对于市面上这样的***而言是一个关键成功因素。当前***设计在有附带成本和性能折衷的情况下利用汲取低水平偏置电流的电路部件来解决这一需要。对用于特别是在待机模式中控制功率转换器的改进布置的设计将处理仍未解决的应用需要。
发明内容
根据一个示例性实施例和有关方法，一种功率转换器形成有误差放大器，该功率转换器包括与误差放大器补偿电容器串联耦合的第一开关，其中在检测到大于阈值水平的电流水平时将补偿电容器从误差放大器去耦合。在一个实施例中，通过关断第一开关将补偿电容器从误差放大器去耦合。误差放大器可以被配置成感测功率转换器的输出电压。在一个实施例中，功率转换器包括功率开关，而功率开关耦合到功率转换器的输出端子。误差放大器被配置成控制功率开关的导通性，以调节功率转换器的输出特性，比如输出电压。在一个实施例中，感测功率转换器内部的电流水平。电流感测电路感测电流并且在检测到大于阈值水平的电流水平时产生用于禁止第一开关导通的信号。在一个实施例中，电流感测电路感测功率开关中的电流，以检测大于阈值水平的电流水平。
可以用各种功率转换器拓扑中的任一种(比如线性调节器电路拓扑)形成功率转换器。功率开关用作线性调节器中的电路部件或者用作切换模式功率转换器拓扑如降压型(buck)拓扑中的切换元件。
在一个实施例中，第二开关与补偿电容器并联耦合，而电流感测电路在检测到大于阈值水平的电流水平时使得第二开关导通。第二开关在检测到大于阈值水平的电流水平时对补偿电容器放电。在检测到小于阈值水平的电流水平时禁止第二开关导通。在一个实施例中，电流感测电路在检测到大于阈值水平的内部电流水平时将功率转换器的输出电流控制在限流水平。
附图说明
在附图和以下描述中阐述本公开内容的一个或者多个实施例的细节。在图中，相同标号一般在各图中通篇表示相同组成部分并且可以仅被描述一次以求简洁。为了更完整理解本发明，现在参照以下结合附图作出的描述，其中：
图1图示了配置为电压调节器的常规待机功率转换器的示意图，该功率转换器包括用于在检测到输出电压过电压条件时提供对内部传输晶体管的迅速切断的比较器；
图2图示了根据一个实施例构造的配置为电压调节器的待机功率转换器的示意图，该功率转换器包括配置成在检测到输出过电流条件时断开补偿电容器以提供对功率晶体管的迅速切断的开关；以及
图3图示了在去除图2中所示电路的输出端子与本地电路接地之间的短路时输出电压和所得电流的图形表示。
具体实施方式
下文具体讨论示例实施例的实现和运用。然而应当理解，讨论的具体实施例仅为示例而不限制本发明的范围。
将参照示例实施例(例如一种用于响应于检测到电流水平跨过阈值水平来更改线性调节器中的误差放大器的响应时间的电路和方法)描述本公开内容。
本公开内容的一个实施例也可以应用于其它功率转换器布置，例如用切换模式功率转换拓扑形成的功率转换器。可以利用这里描述的发明概念使用这里在不同背景中介绍的过程来构造和应用更多误差放大器布置，例如用来控制电机速度的功率转换器或者配置成放大音频信号的功率放大器。
现在参照图2，图示了形成为线性调节器的待机功率转换器的示意图，该线性调节器包括开关Q5，配置成在检测到输出过电流条件时断开误差放大器EA中的补偿电容器Cc，以提供对线性调节器功率晶体管Q3的迅速切断。在一个示例性实施例中，图2中所示电路从14V的偏置电压源VBAT产生3.3V的输出电压Vout。在一个替代实施例中，可以产生不同的输出电压，比如5.0V的输出电压Vout。将补偿晶体管Cc从误差放大器EA的输出断开的电路有利地防止对调节器在输出端子203的输出电压进行感测的反馈控制回路由于补偿电容器Cc的存在而过于缓慢地使功率MOSFET Q3截止。对功率MOSFET Q3的缓慢截止可能例如在如开关S关断所代表的那样从输出端子203去除与接地的短接时，产生输出电压Vout的过冲。这里介绍的待机电压调节器因此运用开关Q5来在检测到过电流条件时将补偿电容器Cc从电路断开以加速它的响应。该电路有利地能够消耗最小待机电流，因为在待机条件中没有电流从节点N1流过补偿电阻器Rc，这不同于用比较器形成的常规补偿电路。
图2中所示电压调节器电路包括用p型功率MOSFET Q3形成的线性调节器，该p型功率MOSFET Q3将调节器的输出电压Vout控制在经过调节的电压水平。线性调节器通过控制跨过功率开关如MOSFET Q3的电压降来控制功率转换器的输出电压。在本公开内容的广义范围内设想可以运用其它调节器拓扑，比如降压型切换调节器，其中通过控制功率开关的切换占空比来调节输出电压。用电阻器R1和R2形成的电阻器-分压器网络将从输出电压Vout导出的缩放反馈电压FB提供给误差放大器EA的反相输入。误差放大器EA的非反相输入耦合到带隙参考VBG，比如但不限于1.25V带隙参考。从5V偏置电压源向误差放大器EA供电。根据设计要求也可以使用提供另一电压水平的偏置电压源。从作为例子的14V偏置电压源VBAT向驱动器201和限流电路202供电。14V偏置电压源VBAT也将电流供应给MOSFET Q3的源极，该Q3供应电压调节器电路的输出电流。
误差放大器EA将栅极-驱动信号提供给n型MOSFET Q2的栅极，该n型MOSFET Q2又将控制信号提供给驱动器201，该驱动器驱动功率MOSFET Q3的栅极。误差放大器EA的增益和相位特性同样受补偿电阻器Rc和补偿电容器Cc影响。限流电路202利用电流感测电阻器Rsense感测功率MSOFET Q3的源极电流，以提供与功率MOSFET Q3的栅极耦合的过电流信号OC1。在检测到过电流条件时，限流电路202将功率MSOFET Q3的栅极钳位至如下电压水平，该电压水平使MSOFET Q3能够传导由限流电路202确定的短路电流，由此避免电流在MSOFET Q3中的完全导通。
限流电路202也将信号OC2作为输入提供给反相器INV1。反相器INV1的输出耦合到反相器INV2的输入和MOSFET Q5的栅极。反相器INV2的输出耦合到MOSFET Q4的栅极。如果输出电压Vout如开关S闭合所代表的那样与接地短接，则信号OC2由限流电路202提升至例如5V的水平。信号OC2由齐纳二极管Z1保护而免于高电压和负电压。例如，如果信号OC2的高水平是输入偏置电压源VBAT的电压，而反相器INV1是最大操作电压为5V的电路部件，则齐纳二极管Z1可以用来将信号OC2(假设该信号被供给有高的源阻抗)钳位以避免击穿反相器INV1的输入电路。一旦信号OC2变为不活跃，电阻器R4可以吸收电流从而使信号OC2快速地下降。电阻器R4(比如电阻为11kΩ量级的电阻器)和齐纳二极管Z1(比如5V的齐纳二极管)是根据设计要求可以从具体设计中省略的可选电路元件。
如果输出电压Vout与接地短接，则包括误差放大器EA(它的反相输入耦合到信号FB)的反馈控制回路脱离调节，而电路节点N1和信号OC2变高。补偿电容器Cc的一个端子将由MOSFET Q5断开，而电路节点N1的电压将由误差放大器EA快速地减少至接地水平，因为电路节点N1现在未耦合到补偿电容器Cc。电路节点N1可能由于它没有补偿电容器Cc的电容加载而表现高的转换速率。反相器INV2在MOSFET Q5断开时使MOSFET Q4导通，由此对补偿电容器Cc放电。当去除与接地的短接时，对输出电容器Cout充电而输出电压Vout增加。如果输出电压Vout增加至比希望的调节电压水平更高的水平，则电路节点N1的电压水平将快速地减少，同样因为电路节点N1未耦合到补偿电容器Cc，而穿过功率MOSFET Q3的电流Isense将快速地减少至短路水平以下。以这一方式，反馈控制回路响应于信号FB而快速地返回到正常电路操作。信号OC2在短路电流被清除时立即转变至0V。MOSFET Q5由反向器INV1导通，从而通过补偿电阻器Rc将电容器Cc重新连接到电路节点N1，以提供针对反馈回路的正常补偿。反相器INV2使MOSFET Q4截止，由此去除与电容器Cc并联的低阻抗路径。反馈控制回路快速地恢复正常操作。就汲取低偏置电流的误差放大器而言，最终结果为输出电压Vout的很小过冲。
现在参照图3，图示了当在时间t＝0去除输出端子203(图2中所示)与本地电路接地之间的短路时输出电压Vout和流过电流感测电阻器Rsense的电流Isense的图形表示。对开关S的关断(图2中所示)可以代表对这样的短路的去除。在电流Isense超过阈值水平(比如虚线304所示水平)时的时间段期间，反相器INV1的输出信号为低，从而禁止MOSFET Q5导通，而反相器INV2的输出信号为高从而使MOSFET Q4导通。因而，补偿电容器Cc由MOSFET Q5从电路断开，并且补偿电容器Cc由MOSFET Q4放电。补偿电容器Cc的断开明显地缩短误差放大器EA的响应时间，使输出电压Vout能够快速地增加，如曲线302所示，从而对输出电容器Cout充电。如输出电压Vout在时间t＝0之后增加时观察的那样，需要大量电流以对输出电容器Cout充电，如曲线301在时间区间305期间所示。随着输出电压Vout逼近虚线303所代表的研究状态值，电流Isense在约14ms处快速地下降至它的研究状态值，而在约30ms处有一些小的振荡。与没有MOSFET Q4和Q5和关联控制电路的对应电路的仿真相比，图3中所示输出电压Vout呈现出最小过冲和迅速响应时间。
已经介绍一个构造有误差放大器的功率转换器的实施例，其中第一开关与误差放大器中的补偿电容器串联耦合，并且在检测到功率转换器中大于阈值水平的电流水平时通过关断第一开关将补偿电容器从误差放大器去耦合。电流感测电路被配置成感测功率转换器中的电流，而电流感测电路被配置成在检测到功率转换器中大于阈值水平的电流水平时产生用于关断第一开关的信号。在一个实施例中，误差放大器被配置成感测功率转换器的输出电压。在又一实施例中，功率开关耦合到功率转换器的输出端子，而误差放大器被配置成控制功率开关的导通性以调节功率转换器的输出电压。在一个实施例中，电流感测电路被配置成感测功率开关中的电流，以检测大于阈值水平的电流水平。在一个实施例中，功率转换器运用线性调节器电路拓扑以产生输出电压，而功率开关用作线性调节器中的受控压降(voltage-dropping)电路部件。
在又一实施例中，第二开关与补偿电容器并联耦合，而电流感测电路被配置成在检测到大于阈值水平的电流水平时使得第二开关导通。在一个实施例中，第二开关被配置成在检测到大于阈值水平的电流水平时对补偿电容器放电。在又一实施例中，在检测到小于阈值水平的电流水平时关断第二开关。在又一实施例中，补偿电阻器与补偿电容器和第一开关串联耦合。在一个实施例中，电流感测电路被配置成在检测到大于阈值水平的内部电流水平时将功率转换器的输出电流控制在限流水平。
另一示例性实施例提供一种控制功率转换器的方法。该方法包括：利用形成有补偿电容器的误差放大器来感测功率转换器的输出电压；将第一开关与补偿电容器耦合；感测功率转换器的内部电流水平；以及在感测到大于阈值水平的内部电流水平时禁止第一开关导通。
在一个实施例中，该方法包括利用误差放大器感测功率转换器的输出电压。在又一实施例中，该方法包括：将功率开关耦合到功率转换器的输出端子；以及利用误差放大器来控制功率开关的导通性，以调节功率转换器的输出电压。在一个实施例中，感测功率开关中的电流以感测功率转换器的内部电流水平。在一个实施例中，用线性调节器形成功率转换器，而线性调节器包括作为电路部件的功率开关。
在又一实施例中，该方法包括：将第二开关与补偿电容器并联耦合；并且在感测到大于阈值水平的内部电流水平时使得第二开关导通。在一个实施例中，该方法包括在检测到小于阈值水平的电流水平时关断第二开关。在一个实施例中，第二开关在感测到大于阈值水平的内部电流水平时对补偿电容器放电。在又一实施例中，该方法包括将补偿电阻器与补偿电容器和第一开关串联耦合。在又一实施例中，该方法包括在检测到大于阈值水平的内部电流水平时控制功率转换器的输出电流。
另一示例性实施例提供一种用调节器构造的功率转换器，该调节器耦合到偏置电压源以产生经过调节的输出电压。形成误差放大器，该误差放大器的输入耦合到输出电压，而补偿电容器耦合到该误差放大器的输出。开关与补偿电容器串联耦合，而电流感测电路被配置成感测线性调节器中的电流水平，并且在检测到大于阈值水平的电流水平时产生使得开关导通的信号。
虽然已经描述将补偿电容器从误差放大器去耦合的过程和有关方法应用于功率转换器，但是应当理解，在本发明的广义范围内可以设想这些过程的其它应用(比如用于电机控制器或者功率放大器)，并且这些应用无需限于运用这里介绍的过程进行的功率转换器应用。
虽然已经主要结合具体示例性实施例示出和描述了本公开内容，但是本领域技术人员应当理解，可以进行其在配置和细节上的各种改变而不脱离如由所附权利要求限定的本发明实质和范围。本发明的范围因此由所附权利要求书确定，并且本意在于使落在权利要求的含义范围及其等效范围内的所有更改为权利要求书所涵盖。

Claims (20)

1.一种功率转换器，包括：
误差放大器，包括补偿电容器；
第一开关，与所述补偿电容器串联耦合；以及
电流感测电路，被配置成在检测到大于阈值水平的内部电流水平时产生用于禁止所述第一开关导通的信号。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述误差放大器被配置成感测所述功率转换器的输出电压。
3.如权利要求2所述的功率转换器，还包括与所述功率转换器的输出端子耦合的功率开关，其中所述误差放大器被配置成控制所述功率开关的导通性，以调节所述功率转换器的输出电压。
4.如权利要求3所述的功率转换器，其中所述电流感测电路被配置成感测所述功率开关中的电流。
5.如权利要求3所述的功率转换器，其中所述功率转换器被配置为线性调节器。
6.如权利要求1所述的功率转换器，还包括与所述补偿电容器并联耦合的第二开关，其中所述电流感测电路被配置成在检测到大于所述阈值水平的电流水平时使得所述第二开关导通。
7.如权利要求6所述的功率转换器，其中所述第二开关被配置成在检测到大于所述阈值水平的电流水平时将所述补偿电容器放电。
8.如权利要求6所述的功率转换器，其中所述第二开关被配置成在检测到小于所述阈值水平的电流水平时为不导通。
9.如权利要求1所述的功率转换器，还包括与所述补偿电容器和所述第一开关串联耦合的补偿电阻器。
10.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述电流感测电路被配置成在检测到大于所述阈值水平的内部电流水平时将所述功率转换器的输出电流控制在限流水平。
11.一种控制功率转换器的方法，所述方法包括：
利用形成有补偿电容器的误差放大器来感测所述功率转换器的输出电压，从而感测所述功率转换器的内部电流水平；以及
在检测到大于阈值水平的内部电流水平时，禁止与所述补偿电容器串联耦合的第一开关导通。
12.如权利要求11所述的方法，还包括利用所述误差放大器来控制与所述功率转换器的输出端子耦合的功率开关的导通性，以调节所述功率转换器的输出电压。
13.如权利要求12所述的方法，其中感测所述功率转换器的内部电流水平包括感测所述功率开关中的电流。
14.如权利要求12所述的方法，其中在所述功率开关的响应曲线的线性区域内控制所述功率开关的导通性。
15.如权利要求11所述的方法，还包括在感测到大于所述阈值水平的内部电流水平时使得与所述补偿电容器并联耦合的第二开关导通。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在检测到小于所述阈值水平的内部电流水平时禁止所述第二开关导通。
17.如权利要求15所述的方法，其中当使得所述第二开关导通时，所述补偿电容器通过所述第二开关放电。
18.如权利要求11所述的方法，还包括在检测到大于所述阈值水平的内部电流水平时控制所述功率转换器的输出电流。
19.一种功率转换器，包括：
调节器，耦合到偏置电压源并且配置成产生经过调节的输出电压；
误差放大器，包括补偿电容器，所述误差放大器具有耦合到所述输出电压的输入；
开关，与所述补偿电容器串联耦合；以及
电流感测电路，配置成感测所述调节器中的电流水平并且在检测到大于阈值水平的电流水平时产生用于禁止所述开关导通的信号。
20.如权利要求19所述的功率转换器，其中所述功率转换器将输入直流(DC)电压转换成输出直流(DC)电压。
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