CN101378226B - 具二极管开路保护机制的电源转换器及其脉宽调制控制器 - Google Patents

具二极管开路保护机制的电源转换器及其脉宽调制控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有二极管开路保护机制的电源转换器，该电源转换器包含一直流-直流转换电路、一检测保护电路、一脉宽调制(Pulse-WidthModulation；PWM)信号产生器以及一逻辑门。该检测保护电路，耦接至该第一二极管的一端，用以检测该第一二极管的一端的电压，以判断该第一二极管是否开路。该逻辑门接收该检测保护电路的输出信号与该PWM信号产生器输出的脉宽调制信号，当该二极管开路时，该检测保护电路的输出信号使得该脉宽调制信号无法传递至该直流-直流转换电路的功率开关。

Description

具二极管开路保护机制的电源转换器及其脉宽调制控制器
技术领域
本发明涉及一种电源转换器(converter)，特别是一种具有二极管开路保护机制的电源转换器。
背景技术
在现有技术中，如图1所示，此为一升压式直流-直流转换器(boostDC/DC converter)10。其运作方式为，当功率开关104开启时，能量从电压输入端Vin输入并储存在电感102中，当功率开关104关闭时，储存在电感102中的能量，通过二极管106将能量转移至电压输出端Vo。然而，值得注意的是，当二极管106断路时，在功率开关104的开启时间里，电感102所储存的能量并无放电的路径能用以释放该能量，因此，在功率开关104开启结束后，在功率开关104的漏极源极间的跨压为Vds＝VL+Vin＝L*d(IL)/dt+Vin(其中VL为电感102上的跨压，电感电流IL对时间的变化率会随功率开关104的关闭速度不同而有所差异)。同时，该电感102上的高跨压VL往往会造成功率开关104的损毁，若要确保功率开关104可以忍受如此的高电压而不致损毁，必须选取具有耐高压的金属氧化物半导体或者增加箝制的保护线路，然而，采取以上的方式都会增加成本与电路空间，而且还会影响整体的效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有二极管开路保护机制的电源转换器，该电源转换器包含一直流-直流转换电路(conversion circuit)、一检测保护电路、一脉宽调制(Pulse-Width Modulation；PWM)信号产生器以及一逻辑门。
该直流-直流转换电路包含：一电感、一功率开关以及一第一二极管；该电感电性连接至该直流-直流转换电路的输入端；该功率开关电性连接至该电感；该第一二极管电性连接至该电感及该功率开关。该PWM信号产生器用以产生一PWM信号以切换该功率开关。
本发明第一实施例的该检测保护电路包含一第二二极管、一电流源与一比较器，该检测保护电路耦接至该第一二极管的一端，用以检测该第一二极管的一端的电压，以判断该第一二极管是否开路。
本发明第二实施例的该检测保护电路包含一第二电子开关、一电阻与一比较器，其中该第二电子开关的击穿电压低于该功率开关的击穿电压。
该逻辑门接收该检测保护电路的比较器的输出信号与该PWM信号，当该二极管开路时，该比较器的输出信号使该PWM信号无法传递至该功率开关。
本发明第一实施例可作为电源启动初期针对该第一二极管的检测，以预防该第一二极管由于空焊或其它因素使该第一二极管浮接(floating)，造成该功率开关损毁。
本发明第二实施例可作为该直流一直流转换电路在正常运作时针对该第一二极管的检测，以预防该第一二极管因突然开路，造成功率开关损毁。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为现有的升压式直流-直流转换器；
图2为本发明第一实施例的升压式直流-直流转换器；
图3本发明第二实施例的升压式直流-直流转换器。
其中，附图标记：
10-直流-直流转换器
102-电感
104-功率开关
106-二极管
20-直流-直流转换器
200-直流-直流转换电路
202-电感
204-功率开关
206-第一二极管
208-脉宽调制信号产生器
240-检测保护电路
242-第二二极管
244-电流源
246-比较器
260-逻辑门
30-直流-直流转换器
340-检测保护电路
342-第二电子开关
344-电阻
360-触发器
380-电源启动重置电路
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图2，此为本发明第一实施例的升压式直流-直流转换器20。升压式直流-直流转换器20包含一直流-直流转换电路200、一检测保护电路240、一脉宽调制(Pulse-Width Modulation；PWM)信号产生器208以及一逻辑门260。
该直流-直流转换电路200包含：一电感202、一功率开关204以及一第一二极管206；该电感202电性连接至该直流-直流转换电路200的输入端；该功率开关204电性连接至该电感202；该第一二极管206电性连接至该电感202及该功率开关204；该脉宽调制(PWM)信号产生器208用以产生一PWM信号Vpwm以切换该功率开关204。
该检测保护电路240包含一第二二极管242、一电流源244(其电流值为I2)与一比较器246。
该逻辑门260接收该比较器246的输出信号与该PWM信号Vpwm，当该第一二极管206开路时，该比较器246的输出信号使得该脉宽调制信号Vpwm无法传递至该功率开关204，其详细运作原理如下所述。
比较器246的输入端的参考电压为Vin-Vf2，正输入端的电压为Vin-Vf1(即输出端的电压Vo)，此处的Vf2及Vf1分别为一第二二极管242及第一二极管206的顺向压降。
在电源启动后，若第一二极管206为开路(open)状态，比较器246的正输入端的电压(即输出端的电压Vo)为零，比较器246的负输入端的电压为Vin-Vf2，因此，比较器246的输出端信号将维持在逻辑低准位，逻辑门260接收比较器246的输出端信号，使得PWM产生器208输出的PWM信号Vpwm无法传递至功率开关204，功率开关204无法进行切换，因此电感202上也不会有储能，更不会在功率开关204有突波(spike)电压发生。
在电源启动后，若第一二极管206正常工作，比较器246的正输入端的电压Vo(输出电容Co的充电电压)很快地被充电至饱和，此时由于流经第二二极管242的电流I2远大于流经第一二极管206的电流I1，因此二极管的顺向压降Vf2将远大于Vf1，从而造成比较器246的正输入端电压Vin-Vf1将大于负输入端的电压为Vin-Vf2，因此比较器246的输出端信号将转为逻辑高准位，逻辑门260接收比较器246的输出端信号，使得PWM产生器208输出的脉宽调制信号Vpwm可传递至功率开关204，功率开关204开始进行切换。
本发明第一实施例可作为电源启动初期针对第一二极管206的检测，以预防第一二极管206由于空焊或其它因素使第一二极管206浮接(floating)，造成功率开关204损毁。本实施例的电流源244也可用一电阻进行取代。
本发明第一实施例的脉宽调制信号产生器208、检测保护电路240以及逻辑门260可以整合于一脉宽调制控制器，该脉宽调制控制器通常为一芯片形式，甚至功率开关204也可整合于一脉宽调制控制芯片。
请参考图3，此为本发明第二实施例的升压式直流-直流转换器30。在本实施例中，升压式直流-直流转换器30除包含一直流-直流转换电路200、一检测保护电路340、一脉宽调制PWM信号产生器208以及一逻辑门260外，还可包含一触发器360及一电源启动重置(power on reset)电路380。
该检测保护电路340包含一第二电子开关342、一电阻344与一比较器246。第二电子开关342电性连接至该第一二极管206的阳极端及该电感；电阻344的一端电性连接一接地端，该电阻344的另一端电性连接该第二电子开关342；比较器246的一输入端电性连接该第二电子开关342及电阻344，该比较器246的另一输入端电性连接一参考电压VTH。
触发器360含有重置(set)及清除(reset)二输入端，其中该清除的输入端R电性连接该比较器246的输出端，该触发器的重置的输入端S电性连接该电源启动重置电路380的输出端，该触发器的输出端电性连接该逻辑门260的输入端。该升压式直流-直流转换器30详细运作原理如下所述。
第二电子开关342具有比前述功率开关204更低的漏极源极间的击穿电压，用来作为功率开关204击穿前的预知，而具较低击穿电压的第二电子开关342因为有电阻344的存在，从而不致于由于第二电子开关342击穿而损毁。
当不正常高电压或突波电压产生时，利用第二电子开关342击穿时的电流I3流经电阻344，比较器246的正输入端电压(电流I3*电阻344)与参考电压VTH进行比较，设计使I3*电阻344≥VTH时，比较器246的输出端信号将转为逻辑高准位，触发器360的清除的输入端R接收比较器246的输出端信号，则触发器360的输出端信号将转为逻辑低准位并锁定(latch)在逻辑低准位，逻辑门260接收触发器360的输出端信号，使得PWM产生器208输出的脉宽调制信号Vpwm无法传递至功率开关204，功率开关204停止进行切换，使得电感202上不再继续储能，从而得以保护功率开关204。
在确定第一二极管206开路故障排除后，利用电源启动重置电路380输出逻辑高准位的信号来重置触发器360，则触发器360的输出端信号将转为逻辑高准位，触发器360的输出信号再传递给逻辑门260，使得PWM产生器208输出的脉宽调制信号Vpwm可再传递至功率开关204，功率开关204可再重新切换。
本发明第二实施例可作为直流-直流转换电路200在正常运作时针对第一二极管206的检测，以预防第一二极管206由于突然开路，而造成功率开关204损毁。
本发明第二实施例的脉宽调制信号产生器208、检测保护电路340、触发器360、电源启动重置电路380以及逻辑门260可以整合于一脉宽调制控制器，脉宽调制控制器通常为一芯片形式，甚至功率开关204也可整合于一脉宽调制控制芯片。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具二极管开路保护机制的电源转换器，其特征在于，包含：
一升压式直流-直流转换电路，包含：
一电感，电性连接至该直流-直流转换电路的输入端；
一功率开关，电性连接至该电感；以及
一第一二极管，电性连接至该电感及该功率开关；
一脉宽调制信号产生器，用以产生一脉宽调制信号以切换该功率开关；
一检测保护电路，耦接至该第一二极管的一端，用以检测该第一二极管的一端的电压，以判断该第一二极管是否开路；以及
一逻辑门，接收该检测保护电路的输出信号与该脉宽调制信号，当该第一二极管开路时，该检测保护电路的输出信号使得该脉宽调制信号无法传递至该功率开关。
2.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该检测保护电路包含：
一第二二极管，其阳极端电性连接该直流-直流转换电路的输入端；
一电流源，其一端电性连接一接地端，该电流源的另一端电性连接该第二二极管的阴极端；以及
一比较器，其一输入端电性连接该第一二极管的阴极端，该比较器的另一输入端电性连接该第二二极管的阴极端。
3.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该检测保护电路包含：
一第二二极管，其阳极端电性连接该直流-直流转换电路的输入端；
一电阻，其一端电性连接一接地端，该电阻的另一端电性连接该第二二极管的阴极端；以及
一比较器，其一输入端电性连接该第一二极管的阴极端，该比较器的另一输入端电性连接该第二二极管的阴极端。
4.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该检测保护电路包含：
一第二电子开关，电性连接至该第一二极管的阳极端及该电感；
一电阻，其一端电性连接到一接地端，该电阻的另一端电性连接该第二电子开关；
一比较器，其一输入端电性连接该第二电子开关及电阻，该比较器的另一输入端电性连接一参考电压；以及，
一触发器，其含有重置及清除二输入端，其中该清除的输入端电性连接该比较器的输出端；以及
一电源启动重置电路，其输出端电性连接该触发器重置的输入端，该触发器的输出端电性连接该逻辑门的输入端。
5.如权利要求4所述的电源转换器，其特征在于，该第二电子开关的击穿电压低于该功率开关的击穿电压。
6.一种脉宽调制控制器，应用于具有二极管开路保护机制的升压式直流-直流转换器，该直流-直流转换器包含该脉宽调制控制器、一电感、一功率开关以及一第一二极管，其特征在于，该脉宽调制控制器包含：
一脉宽调制信号产生器，用以产生一脉宽调制信号以切换该功率开关；
一检测保护电路，耦接至该第一二极管的一端，用以检测该第一二极管的一端的电压，以判断该第一二极管的开路；以及
一逻辑门，接收该检测保护电路的输出信号与该脉宽调制信号，当该第一二极管开路时，该检测保护电路的输出信号使得该脉宽调制信号无法传递至该功率开关。
7.如权利要求6所述的脉宽调制控制器，其特征在于，该检测保护电路包含：
一第二二极管，其阳极端电性连接该直流-直流转换电路的输入端；
一电流源，其一端电性连接一接地端，该电流源的另一端电性连接该第二二极管的阴极端；以及
一比较器，其一输入端电性连接该第一二极管的阴极端，该比较器的另一输入端电性连接该第二二极管的阴极端。
8.如权利要求6所述的脉宽调制控制器，其特征在于，该检测保护电路包含：
一第二二极管，其阳极端电性连接该直流-直流转换电路的输入端；
一电阻，其一端电性连接一接地端，该电阻的另一端电性连接该第二二极管的阴极端；以及
一比较器，其一输入端电性连接该第一二极管的阴极端，该比较器的另一输入端电性连接该第二二极管的阴极端。
9.如权利要求6所述的脉宽调制控制器，其特征在于，该检测保护电路包含：
一第二电子开关，电性连接至该第一二极管的阳极端及该电感；
一电阻，其一端电性连接到一接地端，该电阻的另一端电性连接该第二电子开关；
一比较器，其一输入端电性连接该第二电子开关及电阻，该比较器的另一输入端电性连接一参考电压；以及，
一触发器，其含有重置及清除二输入端，其中该清除的输入端电性连接该比较器的输出端；以及
一电源启动重置电路，其输出端电性连接该触发器重置的输入端，该触发器的输出端电性连接该逻辑门的输入端。
10.如权利要求9所述的脉宽调制控制器，其特征在于，该第二电子开关的击穿电压低于该功率开关的击穿电压。
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