CN101521369A - 为开关模式电源提供过载和短路保护的方法和系统 - Google Patents

为开关模式电源提供过载和短路保护的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种为开关模式电源(SMPS)提供过载和短路保护的方法和系统。本方法和系统依靠感测SMPS的元件的温度变化率，以及如果该温度变化率超过了期望的温度变化率，则执行保护方案。执行方案可包括永久地或临时地切断元件。

Description

为开关模式电源提供过载和短路保护的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(a)-(d)，要求在2007年12月27日提交的，DE 10 2007 062 777.9的国外优先权权益，其在此通过引用全文并入。
发明背景
发明领域
本发明涉及为开关模式电源(SMPS)和其它电路结构提供过载、短路和其它保护的方法和系统。
背景技术
开关模式电源(SMPS)通常被用在任何数量的应用和环境中，以便于电力分配到一个或多个负载。例如，SMPS可被设置为调节和/或分配从输入到输出的电力，例如驱动连接到输出的负载。一元件，例如但不限于晶体管或其它开关，可与其它包含在SMPS内的元件一起工作来调节SMPS的电力分配。一种控制方法，其依靠根据需要的占空比来开启和关闭元件。这种“转换”操作，连同滤波器和SMPS的其它元件一起，允许电力从输入到输出的控制的调节和分配。
在某些情况中，过载或短路的情形可造成SMPS在超出它的期望的容量工作。一些SMPS可包括电流传感器以监控电流消耗。控制器可监控电流传感器并在感测的电流超出期望的电流阈值时切断(shut-off)SMPS，以保护SMPS不受损害。一些SMPS可包括温度传感器以监控SMPS的温度。控制器可监控温度传感器并在感测的温度超出期望的温度阈值时切断SMPS，以免SMPS遭受过热的情形。
发明内容
本发明提出了一种为开关模式电源提供过载和短路保护的方法，所述方法包括：周期性地感测包括在所述开关模式电源内的元件的温度；根据感测的温度确定温度变化率，所述温度变化率表示所述元件的温度变化的速率；以及如果所述温度变化率大于期望的温度变化率，执行保护方案。
其中所述元件可以是晶体管以及执行保护方案的所述步骤可包括切断所述晶体管。
所述方法进一步可包括执行所述保护方案而不感测电流。
其中执行保护方案的所述步骤可包括切断及重启所述元件。
其中执行保护方案的所述步骤可包括：如果所述温度变化率在至少一次重启后仍然大于所述期望的温度变化率，则永久地切断所述元件。
所述方法可进一步包括：如果所述温度变化率表示所述元件的温度以比所述期望的温度变化率更快的速率增长，则执行所述保护方案。
所述方法可进一步包括：选择所述期望的温度变化率作为连接到所述开关模式电源的负载的函数。
所述方法可进一步包括：根据发生在至少两个不同时段的平均温度的变化而确定所述温度变化率。
所述方法可进一步包括：当确定每个时段的平均温度时，从所述至少两个不同时段的每个时段中除去最高温度和最低温度。
所述方法可进一步包括：当确定每个时段的平均温度时，从所述至少两个不同时段的每个时段中除去最低温度。
所述方法可进一步包括：当确定每个时段的平均温度时，从所述至少两个不同时段的每个时段中除去最高温度。
本发明还提出了一种控制开关模式电源的方法，所述方法包括：确定所述开关模式电源的元件的平均温度变化率，所述平均温度变化率从至少两个时段确定；以及如果所述温度变化率大于期望的温度变化率，执行保护方案。
其中执行保护方案的所述步骤可包括切断所述元件。
其中执行保护方案的所述步骤可包括重启所述元件，以及如果所述平均温度变化率保持在所述期望的温度变化率之上，则随后切断所述元件。
所述控制开关模式电源的方法可进一步包括在重启所述元件之前减小所述期望的温度变化率。
所述控制开关模式电源的方法可进一步包括执行所述保护方案而不确定电流。
其中执行保护方案的所述步骤可包括切断连接到所述开关模式电源的负载。
所述控制开关模式电源的方法可进一步包括：当确定所述平均温度变化率时，从所述至少两个不同时段的每个时段除去最高温度。
本发明还提出了一种为开关模式电源提供过载和短路保护的方法，所述方法包括：
周期性地感测包含在所述开关模式电源内的开关晶体管的温度；根据至少两个不同时段内感测的多个感测到的温度确定平均温度变化率，所述平均温度变化率表示所述晶体管的温度变化的速率；以及如果所述温度变化率大于期望的温度变化率，执行保护方案。
其中执行保护方案的所述步骤可包括重启所述晶体管，以及如果所述平均温度变化率保持在所述期望的温度变化率之上，则随后切断所述晶体管。
附图简述
本发明已在附加的权利要求中特别指出。然而，结合附图参考下列详细的描述，本发明的其它特征将变得更明显，且本发明可得到最好的理解，附图中：
图1举例了依照本发明的一个非限制方面为开关模式电源(SMPS)提供保护的系统。
图2举例了依照本发明的一个非限制方面执行保护方案的方法的流程图；和
图3举例了依照本发明的一个非限制方面执行基于平均温度的保护方案的方法的流程图。
优选实施方式的详述
图1举例了依照本发明的一个非限制方面为开关模式电源(SMPS)12提供保护的系统10。系统10在保护SMPS12免受过载、短路和其它危险工作情形方面是有利的。系统10可包括温度传感器14，温度传感器14用于感测包含在SMPS12内的元件16的温度。可包括控制器18以控制SMPS12的工作状态作为感测到的温度的函数，且必要时，执行作为感测到的温度的函数的保护方案。
概略表示的SMPS12调节从输入22到输出24的电力。电源(未显示)和负载(未显示)可被连接到输入22和输出24。SMPS12可包括任何数量的元件16和特征以便于用来调节电力分配的“开关”操作。SMPS12可被设置为将AC输入调节为期望的AC或DC输出，将DC输入调节为期望的DC或AC输出。没有显示每个这些不同的结构所必需的元件16，因为本发明并不旨在限于SMPS12的任何特定的结构或操作。
控制器18可设置为监控SMPS12的输入22和输出24，并控制SMPS12的工作状态作为输入22和输出24的函数。这可包括控制包含在SMPS12内的任何数量的元件16的许多工作情形。控制器18也可设置为监控电源及负载的工作情形和参数，并控制SMPS12的工作状态作为所述工作情形和参数的函数。控制器18显示为独立的部件，但它可与SMPS12集成或包含在SMPS12内。控制器18可以被编程或是可编程的以便于如本发明预期的那样，控制和保护SMPS12。
显示的晶体管16是为了举例说明通常包含在SMPS12内以便于用来调节电力分配的“开关”操作的元件。本发明计划用温度传感器14监控晶体管16的温度，并执行保护方案作为晶体管16的温度的函数。温度传感器14可以是任何适合监控晶体管16的温度的温度传感器。可选择地，温度传感器14可直接连接到晶体管16，例如通过焊接，或用其他方式把传感器14直接或接近地连接到用来将晶体管16连接到PCB的焊盘(soldering pad)。
监控单个晶体管16的温度，并控制它的工作状态以提供避免过载和短路情形的保护是为了示范的目的，而不旨在限制本发明的范围和意图。本发明充分预期了执行基于多个晶体管16和/或任何数量的可包含在SMPS12内的其它元件的使用、温度监控或控制的SMPS12保护方案。
图2举例了依照本发明的一个非限制方面为SMPS12或其它电路结构执行保护方案的方法的流程图30。保护方案可被用来防止SMPS12的过载、短路或其它危险工作情形。如下面更加详细地描述的，保护方案可为基于温度的保护方案。所述方案可作为SMPS12的温度和/或一个或多个包含在SMPS12上的元件(例如但不限于在图1中举例的晶体管16)的一个或多个温度的函数而被执行、控制以及调整。
块32涉及启动SMPS12控制器以支持保护方案的执行。这可能包括通过软件应用加载控制器，例如如果保护方案通过配件市场(after-market)或已在使用中的SMPS12而使用，和/或在制造时对控制器编程，例如如果控制器被包含为具有SMPS12的集成电路或其它封装件的一部分。
块34涉及确定包含在SMPS12上的元件的温度变化率。控制器18可被设置为根据与元件关联的温度传感器14记录的温度值确定温度变化率。温度变化率可包括确定温度正在增高和/或降低。
块36涉及确定温度变化率是否大于期望的温度变化率。依赖于负载，控制器18可被编程以确定可接受的温度变化率。例如，对于元件的温度，可以接受的是：对一特定的负载，在SMPS12驱动该特定的负载达特定的一段时间时，元件的温度以一特定的速率上升，而在使用SMPS12驱动一不同的负载时，元件的温度以一不同的速率上升。相似地，期望的温度变化率可随所期望的负载工作状态而变化。控制器18可被设置为选择期望的温度变化率作为SMPS12和/或负载的这些及其它工作情形中任何工作情形的函数。
如果温度变化率小于期望的温度变化率，可假定SMPS12和/或负载工作在可接受的工作范围。可返回块34并重复过程。如果温度变化率大于期望的变化率，可假定过载、短路或其它不期望的情形已经在SMPS12和/或负载中发生。控制器可随后执行块38中的保护方案。保护方案可包括按照保护SMPS12和/或负载免受损害的方式来调整对SMPS12和/或负载的控制。
评估温度变化率并执行作为所述温度变化率的函数的合适的保护方案的能力允许本发明执行保护方案而不依靠电流传感器和/或温度极限阈值。其它基于温度的保护方案的一个问题是，这些保护方案不在温度变化时，监控并追踪温度，而是等到温度达到预定的阈值才执行保护方案。这些系统不能评估元件的温度随着时间的变化，并不能执行基于温度变化率的保护策略。
如果温度的感测滞后于SMPS12的操作，则以这样的单个值、阈值为基础的基于温度的保护方案可能很成问题。在某些情况下，到过热情形被记录的时候，温度可能在保护方案的执行之前已经继续升高。这将导致对SMPS12和/或负载的损害。如果温度迅速升高并很快超过期望的温度阈值，这可能很成问题。由于本发明能够监控温度变化率，在温度超过危险阈值之前可迅速评估温度的快速变化，从而允许本发明在一个较早的时间执行保护方案。
图3举例说明了依照本发明的一个非限制方面执行用于SMPS12或其它电路结构的基于平均温度的保护方案的方法的流程图40。该保护方案可被用来防止SMPS12的过载、短路或其它危险工作情形。如下面更加详细地描述的，保护方案可为基于平均温度的保护方案。所述方案可作为SMPS12的温度和/或一个或多个包含在SMPS上的元件(例如但不限于在图1中举例的晶体管16)的一个或多个温度的函数而被执行、控制、以及调整。
块42涉及启动SMPS12控制器以支持保护方案的执行。这可能包括通过软件应用加载控制器，例如如果保护方案通过配件市场或已在使用中的SMPS12而使用，和/或在制造时对控制器编程，例如如果控制器被包含为具有SMPS12的集成电路或其它封装件的一部分。
块44涉及确定包含在SMPS12上的元件的平均温度的温度变化率。控制器可被设置为根据与元件关联的温度传感器记录的平均温度值确定温度变化率。平均温度可基于在特定的一段时间出现的一个或更多的温度读数。这些读数的平均数可与下段时间的平均温度相比较以确定温度变化率。
根据图2描述的方法需要总共两个温度读数来确定温度变化率。图3的方法需要至少两个温度读数来确定第一平均温度和至少另两个温度读数来确定第二平均温度。至少第一平均温度和第二平均温度可随后被用来确定平均温度变化率。
平均温度变化率在限制错误温度读数的影响方面是有利的。系统中的干扰或其它干扰作用(disruption)可造成温度传感器14记录错误高温值。如果依靠这种错误的值来确定温度变化率，将导致保护方案的不必要的执行。对不同时段的多个温度读数取平均可帮助改善这个问题，因为同样的干扰不大可能持续一段延长的时间。在确定平均温度变化率时，可要求任何数量的温度读数来确定任何数量的不同时段的平均温度。
可包括另外的数学变换来改进用于确定平均温度变化率的平均温度值。这可包括除去待被确定平均温度的每个时段的最高温度值和/或最低温度值。例如，如果在连续的10ms时段内取40个温度读数，则每个10ms时段的最高读数和/或最低读数可被除去。平均温度变化率则将对应于一个10ms时段的38个温度值相对于下一个10ms时段的38个温度值的温度差别。
块46涉及确定平均温度变化率是否大于期望的平均温度变化率。依赖于负载，控制器可被编程以确定可接受的平均温度变化率。例如，对于元件16的平均温度，可以接受的是：对于一特定的负载，在SMPS12驱动该特定的负载达特定的一段时间时，元件16的平均温度以一特定的速率上升，而在使用SMPS12驱动一不同的负载时，元件16的平均温度以一不同的速率上升。相似地，期望的平均温度变化率可随负载的期望的工作状态而变化。控制器可被设置为选择期望的平均温度变化率作为SMPS和/或负载的这些及其它工作情形中任何工作情形的函数。
如果平均温度变化率小于期望的平均温度变化率，可假定SMPS12和/或负载工作在可接受的工作范围。可返回块44并重复过程。如果平均温度变化率大于期望的变化率，可假定过载、短路或其它不期望的情形已经在SMPS12和/或负载中发生。控制器可随后执行保护方案。
图3包括切断保护方案，其始于块48中的将元件16切断。元件16的切断可需要控制器控制元件16在不工作(off)或关闭位置，例如打开晶体管和/或完成关闭SMPS12和/或负载，这在任一方案中都可防止电力分配到负载。在一段时间后，元件16和/或SMPS12可被重启，上述一段时间由控制器基于负载的类型、负载的工作状态、温度变化率或其它变量而选定。重启的元件16可随后启动SMPS12以开始驱动负载。
在实现重启之前，能够到达块50并确定“切断”的数量。控制器可对元件16和/或SMPS12每一次被切断进行跟踪，以与切断的阈值相比较。在块52，这个数量可与阈值比较。如果这个数量大于阈值，则元件16和/或SMPS12可在块54永久切断以便于修理或其它的维护。如果这个数量小于阈值，则可到达块56而重启元件16和/或SMPS12。此过程可重复。如果错误持续存在，也就是，如果平均温度变化率在充足的测试周期内保持在期望的平均温度变化率之上，则最终到达块54以永久切断元件16和/或SMPS12。可选择地，负载可被切断或中止。
重启的阙值数量在允许如果发生临时的温度干扰的情况下继续工作和/或在如果元件16的临时关闭纠正了该问题的情况下继续工作的方面可以是有利的。可选择地，在切断和重启之间的时间可由控制器控制，并作为先前切断的数量、平均温度变化率、负载的类型或工作情形和/或任何数量的其它变量的函数而增加或减少。
如上所证明的，本发明的一个非限制方面涉及监控包括在SMPS12上的元件的温度的变化率，以及涉及在温度以不期望的速率变化时，执行保护方案。本发明可优于监控从SMPS12输入/输出和/或流经晶体管的电流的当前的控制方法，因为这些方法可能为反应性的并包括附加的电流感测元件。本发明可优于温度阈值方法，因为这些方法不能作为温度变化的速度的函数而在不同时间点执行不同的保护方案。
根据需要，在这里公开了本发明的详细的实施方式；然而，应理解公开的实施方式仅仅是本发明的代表，本发明可由不同的及可选择的形式体现。图形不必按比例绘制，一些特征可能被夸大或最小化以显示特定元件的细节。因此，这里公开的具体的结构的和功能的细节并不应认为是限制的意思，而仅仅作为权利要求的有代表性的基础和/或用来教授本领域技术人员多样地使用本发明的有代表性的基础。

Claims (20)

1.一种为开关模式电源提供过载和短路保护的方法，所述方法包括：
周期性地感测包括在所述开关模式电源内的元件的温度；
根据感测的温度确定温度变化率，所述温度变化率表示所述元件的温度变化的速率；以及
如果所述温度变化率大于期望的温度变化率，执行保护方案。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述元件是晶体管以及执行保护方案的所述步骤包括切断所述晶体管。
3.如权利要求1所述的方法，其进一步包括执行所述保护方案而不感测电流。
4.如权利要求1所述的方法，其中执行保护方案的所述步骤包括切断及重启所述元件。
5.如权利要求4所述的方法，其中执行保护方案的所述步骤包括：如果所述温度变化率在至少一次重启后仍然大于所述期望的温度变化率，则永久地切断所述元件。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：如果所述温度变化率表示所述元件的温度以比所述期望的温度变化率更快的速率增长，则执行所述保护方案。
7.如权利要求6所述的方法，其进一步包括：选择所述期望的温度变化率作为连接到所述开关模式电源的负载的函数。
8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：根据发生在至少两个不同时段的平均温度的变化而确定所述温度变化率。
9.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：当确定每个时段的平均温度时，从所述至少两个不同时段的每个时段中除去最高温度和最低温度。
10.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：当确定每个时段的平均温度时，从所述至少两个不同时段的每个时段中除去最低温度。
11.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：当确定每个时段的平均温度时，从所述至少两个不同时段的每个时段中除去最高温度。
12.一种控制开关模式电源的方法，所述方法包括：
确定所述开关模式电源的元件的平均温度变化率，所述平均温度变化率从至少两个时段确定；以及
如果所述温度变化率大于期望的温度变化率，执行保护方案。
13.如权利要求12所述的方法，其中执行保护方案的所述步骤包括切断所述元件。
14.如权利要求13所述的方法，其中执行保护方案的所述步骤包括重启所述元件，以及如果所述平均温度变化率保持在所述期望的温度变化率之上，则随后切断所述元件。
15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括在重启所述元件之前减小所述期望的温度变化率。
16.如权利要求12所述的方法，其进一步包括执行所述保护方案而不确定电流。
17.如权利要求12所述的方法，其中执行保护方案的所述步骤包括切断连接到所述开关模式电源的负载。
18.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：当确定所述平均温度变化率时，从所述至少两个不同时段的每个时段除去最高温度。
19.一种为开关模式电源提供过载和短路保护的方法，所述方法包括：
周期性地感测包含在所述开关模式电源内的开关晶体管的温度；
根据至少两个不同时段内感测的多个感测到的温度确定平均温度变化率，所述平均温度变化率表示所述晶体管的温度变化的速率；以及
如果所述温度变化率大于期望的温度变化率，执行保护方案。
20.如权利要求19所述的方法，其中执行保护方案的所述步骤包括重启所述晶体管，以及如果所述平均温度变化率保持在所述期望的温度变化率之上，则随后切断所述晶体管。
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