CN101908823B - 限制开关电源中输出功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及限制开关电源中输出功率的方法和装置。公开了调节开关调节器中的限流的技术。一种典型的开关调节器包括耦合到电源的能量传输元件的开关。产生驱动信号的控制器被耦合以控制开关的转换从而调节电源的输出。在该控制器中包括限流器，该限流器调节该驱动信号，以限制流过开关的电流到可变限流值。响应耦合到能量传输元件的输入线电压，由限流器设置可变的限流值。

Description

限制开关电源中输出功率的方法和装置

本申请是申请日为2006年7月11日、申请号为200610107698.2且发明名称为“限制开关电源中输出功率的方法和装置”的申请的分案申请。

技术领域

本发明通常涉及一种电子电路，尤其涉及开关式电源。

背景技术

对电子设备的电源的典型需求是电源可以限制它们的输出功率。限制输出功率的一个原因是要满足安全机构以防止人员损伤的要求。限制输出功率的另一个原因是避免过载对电子元件的损害。

电源通常具有自保护电路，当输出在一个规定的时间内变得不能调节时，自保护电路便响应。然而，如果输出功率不受限制，那么在负载处的故障可消耗足够的电能以至于造成损害，或当输出被调节时超过可调节的要求。因此，如果电源传送太多的功率，那么自保护作用将是无效的。

限制开关式电源的输出功率的一个通常方法是限制开关电源输入端的电源开关中的电流。输出功率的最大值与开关中的峰值电流有关。电路响应中的固有延迟将在开关峰值电流所期望的限度和开关实际的最大峰值电流之间产生误差。该误差在较高输入电压时较大，造成较高输入电压时的最大输出功率大于较低输入电压时的最大输出功率。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种电源调节器，包括：比较器，该比较器具有第一输入端和第二输入端以及输出端，所述比较器将第一输入端处的电压与第二输入端处的可变限流电压作比较，其中流过与电源的能量传输元件相耦合的开关的电流被检测为第一输入端处的电压；以及控制器，该控制器耦合到所述比较器的输出端和所述开关，以响应于反馈信号来控制所述开关的转换从而调节电源的输出，其中如果检测到的流过所述开关的电流大于可变限流，则所述控制器将所述开关禁止，其中如果在所述开关的一个跳过的转换周期后的第一个转换周期期间没有过电流情况，则响应于所述电源的输入电压，所述控制器将所述可变限流设置为第一限流值，其中所述第一个转换周期对应于所述电源的不连续导通操作模式，其中所述第一限流值对应于所述电源的额定电压或相对低的输入电压，并且其中如果在所述跳过的转换周期后的第一个转换周期期间有过电流情况，则响应于所述输入电压，所述控制器将所述可变限流设置为第二限流值，其中所述第一个转换周期对应于所述不连续导通操作模式，其中所述第二限流值对应于所述电源的相对高的输入电压，其中所述第一限流值大于所述第二限流值。

根据本发明的另一方面，提供了一种电源调节器，包括：比较器，该比较器具有第一输入端和第二输入端以及输出端，所述比较器将第一输入端处的电压与第二输入端处的可变限流电压作比较，其中流过与电源的能量传输元件相耦合的开关的电流被检测为第一输入端处的电压；以及控制器，该控制器耦合到所述比较器的输出端和所述开关，以响应于反馈信号来控制所述开关的转换从而调节电源的输出；其中如果检测到的流过所述开关的电流大于可变限流，则所述控制器将所述开关禁止，其中所述可变限流由所述控制器改变，其中每当所述可变限流被所述控制器改变时，所述可变限流由所述控制器仅响应于所述电源的输入电压而改变，其中如果在所述开关的一个跳过的转换周期后的第一个转换周期期间没有过电流情况，则所述可变限流被设置为对应于所述电源的额定或相对低的输入电压的第一限流值，如果在所述开关的跳过的转换周期后的第一个转换周期期间有过电流情况，则所述可变限流被设置为对应于所述电源的相对高的输入电压的第二限流值，其中所述第一限流值大于所述第二限流值。

附图说明

通过实例详细描述了本发明，并且本发明不限制于附图。

图1是开关式电源的一个实施方式的功能框图，其根据本发明教导可以限制输出功率。

图2是开关式电源的一个实施方式的功率容量相对于开关峰值电流的曲线图。

图3是根据本发明教导的开关式电源的一个实施方式的开关中电流的波形图。

图4示出了根据本发明教导的定时信号的参数，以及限制输出功率的电源的开关中的电流参数。

图5是根据本发明教导说明限制开关式电源的输出功率的方法的流程图。

图6示出了定时信号以及开关电源的开关中电流的波形，以说明本发明的一个实施方式的操作。

图7是本发明的一个实施方式的功能框图，其包括在集成电路中的电源开关。

具体实施方式

下面公开了用于电源中的电源调节器的实施方式。在下面的描述中，为了提供对本发明的全面理解，给出了许多具体的细节。然而，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，不需要使用这些特定细节来实现本发明。为了避免使本发明难以理解，与实施本发明相关的公知方法没有给予详细的描述。

在说明书全文中，参考“一个实施方式”或“一实施方式”意味着结合实施方式所描述的一个具体特征，结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的不同地方出现的术语“对于一个实施方式”或“在一个实施方式中”不必指同一个实施方式。此外，具体的特征，结构或特性可以以任何适合的方式结合在一个或多个实施方式中。

正如将讨论的，根据本发明的实施方式，开关电源的功率可以通过限制电源的开关电流来限制。对于一个实施方式，开关耦合到电源的能量传输元件上，该电源具有一个控制器，该控制器生成一个驱动信号，以控制开关的转换用以调节电源的输出。该控制器包括一个限流器，该限流器将调节该驱动信号以限制流过开关的电流到可变限流值。对于一个实施方式，基于电源的输入线电压，限流器设置可变限流值。例如，可变限流可以是用于额定电压或低输入线电压的额定限流值。然而，如果输入线电压相对较高，那么根据本发明的教导，可变限流被设置到一个降低的限流值。对于一个实施方式，控制器通过测量电流在两个值之间经过花费了多长时间来推断输入电压的幅值，并且相应地调节可变限流。

该开关的可变限流值根据电源的输入电压被调节，以补偿在电流到达限流的时间和开关断开的时间之间的延迟。对于较高输入电压的较低限流值可以防止在高输入电压时的过多输出功率。对于一个实施方式，当电源在不连续导通模式下操作时，输入电压可以间接地测量从初始的零电流值到达限流值的时间来确定。通常，一个设计方案可以输出所需要的输出功率，也可以通过补偿开关所期望的最大峰值电流和开关实际最大峰值电流之间的误差以在输入电压的工作范围上限制最大输出功率。

正如将讨论的，时间的测量被用来确定开关中所期望的最大峰值电流的适当调节，以满足该设计方案的需求。响应开关导通期间测量的时间来调节开关的限流阈值，以补偿输入线电压对开关的实际峰值电流的不期望的影响。例如本发明的一个实施例，如果在开关的一个跳过的转换周期后的第一个转换周期期间识别出一个过电流状态，那么表示一个相对较高的输入线电压。

正如将讨论的，在一个跳过的转换周期之后的第一个转换周期内，电源可能运行在一个不连续的导通运行模式下。在这种情况下，在下一个转换周期中，在开关导通之前，能量传输元件中的能量通常为零。因此，如果在第一个转换周期期间发生过电流，在转换周期的开始，能量传输元件中的能量初始为零，则高输入线电压情况被指示出来，并且根据本发明的教导可变限流相应地被设置为降低的值。另一方面，如果在开关的一个跳过转换周期之后的第一转换周期中没有识别出过电流状态，那么就假设电源的输入线电压是额定电压或是相对低的电压，从而根据本发明的教导可变限流相应地被设置为额定值。

为了描述，图1示出了电源的功能框图，其包括根据本发明的教导限制开关电流峰值的方法的实施方式。图1中描述的电源的拓扑结构被称为回扫调节器。应该理解的是存在开关调节器的许多拓扑结构和配置，并且提供图1中所示的回扫拓扑结构来说明本发明的实施方式的原理，根据本发明的教导该原理也可以应用于其它类型的拓扑结构。

正如图1中所描述的电源的例子，能量传输元件T1125耦合在未调节的输入电压V_IN 105和电源输出端的负载165之间。开关S1 120耦合到能量传输元件125的输入端的初级绕组175以调节从未调节的输入电压V_IN105到电源输出端的负载165的能量传输。控制器145被耦合成产生驱动信号157，该驱动信号157被耦合以由开关S1120接收，从而控制开关S1120的转换。在图1的例子中，能量传输元件T1125示为具有两个绕组的变压器。初级绕组175具有N_P匝绕组，电感为L_P。次级绕组具有N_S匝。通常，该变压器可以多于两个绕组，附加的绕组用于给附加负载提供功率，提供偏置电压或检测负载上的电压。

箝位电路110耦合到能量传输元件T1 125的初级绕组175以控制开关S1120上的最大电压。在一个实施方式中，开关S1 120是晶体管，例如功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一个实施方式中，控制器145包括集成电路和分立的电子元件。开关S1 120的操作在整流器D1 130中产生由电容器C1 135滤波的脉动电流，以在负载165处产生基本恒定的输出电压V_O或基本恒定的输出电流I_O。

将被调节的输出量是U_O 150，其通常是输出电压V_O、输出电流I_O、或它们二者的结合。反馈电路160耦合到输出量U_O 150以生成反馈信号U_FB 155，该反馈信号U_FB 155是控制器145的一个输入。控制器145还包括一个被耦合用来接收电流检测140的电流检测器，其检测在开关S1 120中的电流I_D 115。用来测量开关电流、例如电流变压器，或者例如测量分立电阻器两端的电压、或者例如测量当晶体管导通时晶体管两端的电压的多种公知方法中的任何一种都可以用来测量电流I_D 115。控制器可以采用电流检测信号140来调节输出U_O 150或防止对开关S1120的损坏。

图1还示出了电流I_D 115的一个示例性波形。在任何转换周期T_S 190，开关S1 120都可以响应来自控制器145的驱动信号157导通以调节输出U_O 150。当电流I_D 115从转换周期T_S 190的开始在时间t_ON 180之后达到限流值I_PEAK 195，开关S1120断开并且持续一段时间t_OFF 185，时间t_OFF 185是转换周期T_S 190剩下的那一段时间。该电流波形示出了两种基本的操作模式。梯形170是连续导通模式(CCM)的特性，而三角形175是不连续导通模式(DCM)的特性。

图2示出了峰值电流I_PEAK 190是如何与图1中的电源的最大输出功率相关的。在DCM，输出功率随着I_PEAK的平方增长。在CCM，输出功率随I_PEAK线性增长。限流值I_PEAK被用来帮助限制电源的输出功率。限制限流值I_PEAK的一个困难是在电流到达限制值的时间和开关断开的时间之间总有一个延迟。

为了描述，图3示出了延迟是如何影响开关中的峰值电流的。在图3描述的例子中，I_PMAX是I_D所期望的最大值。控制器具有限流阈值I_LIMIT1，其与I_PMAX的值相同，当I_D超过I_LIMIT1时，控制器采取行动断开开关。不可避免的时间延迟t_d允许I_D超过I_LIMIT1的数量为ΔI_DELAY，ΔI_DELAY取决于延迟t_d以及在I_D超过I_LIMIT1后I_D改变的有多快。限流I_LIMIT1产生一个大于所期望的I_PMAX的峰值电流I_PEAK1。如果延迟t_d和I_D的变化率已知，那么限流可以被补偿到一个较低的值I_LIMIT2，这样增加的ΔI_DELAY将给出一个小于I_PMAX的峰值电流I_PEAK2。

采用较低限流值来补偿该延迟的复杂性在于，通常ΔI_DELAY在较高输入电压处比在较低输入电压处大，因为当输入电压高时，I_D以较高比率增长。因此，采用单一补偿限流I_LIMIT2来限制最大输出功率到高输入电压处的所期望值的电源在低输入电压处具有小于所期望的最大输出功率。事实上，如果限制功率的电路对峰值电流只有一个期望的限度，例如I_PEAK2，那么满足高输入电压处最大功率需求的设计方案不能在低输入电压处输出所需的功率。

根据本发明的教导，对于一个实施方式，电源可以在较低输入电压处采用第一补偿限流I_LIMIT1，在高输入电压处采用第二补偿限流I_LIMIT2，以在输入电压的宽范围上限制最大输出功率到一个期望值。

为了描述，图4示出了定时信号的一个例子，其与电流I_D一起用在本发明的一个实施方式中，以确定限流是为I_LIMIT1还是I_LIMIT2。特别的是，图4示出了两个完整的转换周期，即具有定时信号I_LIM，I_LIMMAX，和D_MAX的开关电流I_D的T₁和T₂。在图4中，只要I_D大于该限流，限流信号I_LIM就处于高。信号I_LIMMAX是定时基准，其与电流信号I_LIM相比较以确定该限流是I_LIMIT1还是I_LIMIT2。信号D_MAX设置开关的最大导通时间。当D_MAX为高时，开关被强制关闭。

图5是根据本发明的教导采用图4中的定时信号的电源控制器的一个实施方式的流程图。当开关断开时，流程从框505开始。框510设置额定限流，对于一个实施方式，其对应于图4中的I_LIMIT1并且更适合于额定电压或低输入电压。框515释译反馈信号U_FB以确定在下一个转换周期开关是导通还是保持断开。如果开关被启动，那么框520指示在框525将开关导通。如果开关没有被启动，那么框520指示在框545将开关断开。

一旦开关被导通，在框535中估计限流信号I_LIM的状态。在框540将开关的导通时间与可允许的最大导通时间作比较。如果I_LIM为高或者如果导通时间超过最大导通时间t_DMAX，那么在框545马上断开开关。在开关断开之后，当开关导通时，框550根据操作模式是CCM还是DCM而进行下一步流程。如果在开关导通之前，能量传输元件中的能量为零，那么该模式是DCM。在一个实施方式中，开关没有启动的一个单独转换周期就足以将能量降低到零。因此，在一个实施方式中，框550能够记忆在先前的转换周期期间开关是否启动，以在当前的转换周期的开始时确定操作的模式。

如果操作模式不是DCM，那么控制器在框515中继续对反馈信号进行释译。如果操作模式是DCM，那么流程转向框555。框555将到达限流的时间和基准时间t_LIMMAX进行比较。虽然在实际电路中的延迟防碍了对到达限流的时间t_LIM的精确测量，但是对于测量包括用于近似测量t_LIM的延迟的信号是足够的。对于一个实施方式，在框555中测量t_LIM和延迟t_d的总和，该总和是图3中的导通时间t_ON，以作为t_LIM的近似值与基准时间t_LIMMAX作比较。当操作在DCM模式时，根据本发明的教导，只有当输入电压高时，电流可以以比t_LIMMAX少的时间到达限流。

如果到达限流的时间小于t_LIMMAX，那么控制器在框530设置降低的限流。用于高输入电压的降低限流对应于图4中的I_LIMIT2。如果到达限流的时间不小于基准时间t_LIMMAX，那么控制器在框510设置额定限流。当开关在电流到达限流之前断开时，后者的情形也是存在的，这使得控制器在框510中设置额定限流。

图6示出了根据图5中的流程来描述操作过程的几个转换周期。在周期1，当限流已经设置在适合于额定电压或低输入电压的额定值I_LIMIT1时，开关在高输入电压下操作。在高输入电压下来自于高峰值电流的剩余能量使得控制器在周期2将开关禁止。控制器在周期3检测从短时间到达限流的高输入电压的情形，并且在周期4设置降低的限流I_LIMIT2。操作在降低限流的情况下继续直到控制器检测到其中到达限流的时间不小于基准时间t_LIMMAX的DCM操作周期为止。在周期n，开关是禁止的，并且输入电压是低的。控制器已经确定了在DCM的周期中到达限流的时间不小于基准时间t_LIMMAX。从而，控制器在周期(n+1)将限流设置到额定值I_LIMIT1。在周期(n+1)电流没有到达限流，这样到最大导通时间，开关断开，并且限流保持在I_LIMIT1。电源在CCM下在周期(n+2)和周期(n+3)中以低输入电压和限流I_LIMIT1操作。

图7示出了一个实施方式，其包括在集成电路700中的电源开关736。电源开关736是一个MOSFET，其在漏极端子702和源极端子758之间传导电流。集成电路内部的电路从涉及源极端子758的内电压V_cc705供电。对于一个实施方式，漏极端子702提供内电压V_cc705。根据本领域技术人员公知的若干技术，内电压V_cc可以由漏极端子702提供或由集成电路的不同端子提供。

反馈端子754接收反馈信号U_FB。调制器752释译反馈信号U_FB，以设置使能信号744为高或为低。振荡器756提供时钟信号748和D_MAX信号746以分别确定开关736的转换周期和最大导通时间的长度。当D_MAX746为低时，开关736可以导通。当D_MAX746为高时，开关736断开。如果使能信号744为高，那么与门740设置锁存器738以由驱动信号757在转换周期的开始导通开关736。如果开关电流I_D 706超过限流或如果信号D_MAX 746为高，那么或门742复位锁存器738以由驱动信号757断开开关736。

开关电流I_D706被检测为电压V_ID，该电压通过比较器704与限流电压V_ILIMIT相比较。电阻732、以及电流源728和730产生限流电压V_ILIMIT。电流源730由p沟道晶体管724导通或断开。在一个实施方式中，电流源730是电流源728的值的十分之一。因此，当电流源730导通时，限流电压V_ILIMIT被提高10％，从而使得额定限流比降低的限流高10％。

由锁存器738输出的驱动信号757，在被与门708接收之前由上升沿消隐时间t_LEB延迟734延迟。与门708接收限流比较器704的输出以及上升沿消隐时间延迟734的输出，以提供过电流信号760。上升沿消隐时间t_LEB延迟734足够长以允许开关736在漏极端子702上放电寄生电容。漏极端子702处寄生电容的放电能产生临时超过限流，但与电源的输出无关的高漏极电流I_D706。在开关736导通后，上升沿消隐时间t_LEB延迟734在时间t_LEB期间阻止过电流信号760变高。图7中的过电流信号760对应于图4或图6中的信号I_LIM。

触发器750在转换周期的开始记忆使能信号744的状态。触发器750在每个转换周期的开始由反相器720将D_MAX信号746反相来定时。由异或门716检测从一个转换周期到下一个转换周期定时的使能信号745的状态变化。

只要定时的使能信号745有改变，异或门716和在一个输入端的延迟718就接收定时的使能信号745以设置锁存器714。延迟718足够长以产生用于设置锁存器714的输出。在一个实施方式中，延迟718是10毫微秒。只要定时的使能信号745的状态从前一个转换周期有改变，锁存器714就在转换周期的开始被设置。

如果使能信号744在电流转换周期的开始为高，锁存器726就被允许设置。如果使能信号744在电流转换周期的开始为低，那么反相器722将锁存器726复位。

锁存器714在当前的转换周期被设置以表示DCM操作。当锁存器714的输出为高时，表示DCM。锁存器726被设置以降低限流。

在图7的实施方式中，最大导通时间信号D_MAX746也是与过电流信号I_LIM760相比较的定时基准，以确定限流为I_LIMIT1或I_LILMT2。在图7的实施方式中，t_LIMMAX＝t_DMAX，表示一个实施方式中图4中的信号I_LIMMAX和D_MAX相等。然而，对于另一个实施方式，根据本发明的教导，应该理解的是t_LIMMAX不必必须等于t_DMAX，例如图4中所描述的例子。如果没有检测到过电流的情况，或者在D_MAX746为低的期间没有达到限流，那么锁存器726将不被设置。因此，根据本发明的教导，如果没有检测到过电流情况，那么电流源730将由晶体管724保持导通。

应该理解的是，虽然图7示出了用于本发明一个例子的采用了开关调节器的集成电路700，其中开关调节器响应使能信号744可以跳过电源开关736的转换周期，但是根据本发明的教导，也可以包括集成电路的其他例子。例如，根据本发明的教导，也可以包括脉宽调制(PWM)调节器电路。例如，根据本发明的教导，通过测量电流在两个值之间经过花费了多长时间，典型的PWM控制器推断输入电压的幅值，然后调节可变限流。

在前面的详细描述中，已经参照具体的典型实施方式对本发明的方法和装置进行了描述。然而，很明显在不脱离本发明的精神和范围的情况下，各种修改和改变都是可以的。因此，本说明书和附图被看作是说明性的，而不是限定性的。

Claims (11)

1.一种电源调节器，包括：

比较器，该比较器具有第一输入端和第二输入端以及输出端，所述比较器将所述第一输入端处的电压与所述第二输入端处的可变限流电压作比较，其中流过与电源的能量传输元件相耦合的开关的电流被检测为所述第一输入端处的电压；以及

控制器，该控制器耦合到所述比较器的输出端和所述开关，以响应于反馈信号来控制所述开关的转换从而调节电源的输出，其中如果检测到的流过所述开关的电流大于可变限流，则所述控制器将所述开关禁止，

其中如果在所述开关的一个跳过的转换周期后的第一个转换周期期间没有过电流情况，则响应于所述电源的输入电压，所述控制器将所述可变限流设置为第一限流值，其中所述第一个转换周期对应于所述电源的不连续导通操作模式，其中所述第一限流值对应于所述电源的额定电压或相对低的输入电压，并且

其中如果在所述跳过的转换周期后的第一个转换周期期间有过电流情况，则响应于所述输入电压，所述控制器将所述可变限流设置为第二限流值，其中所述第一个转换周期对应于所述电源的不连续导通操作模式，其中所述第二限流值对应于所述电源的相对高的输入电压，

其中所述第一限流值大于所述第二限流值。

2.如权利要求1所述的电源调节器，其中，在所述开关的跳过的转换周期期间，所述电源的能量传输元件中的能量变为零。

3.如权利要求1所述的电源调节器，其中，当在所述开关的一个转换周期期间所述开关的最大导通时间出现之前流过所述开关的电流超过所述可变限流时，发生所述过电流情况。

4.如权利要求1所述的电源调节器，还包括集成电路，该集成电路包括所述控制器。

5.如权利要求4所述的电源调节器，其中，所述集成电路还包括所述开关。

6.一种电源调节器，包括：

比较器，该比较器具有第一输入端和第二输入端以及输出端，所述比较器将所述第一输入端处的电压与所述第二输入端处的可变限流电压作比较，其中流过与电源的能量传输元件相耦合的开关的电流被检测为所述第一输入端处的电压；以及

控制器，该控制器耦合到所述比较器的输出端和所述开关，以响应于反馈信号来控制所述开关的转换从而调节电源的输出；

其中如果检测到的流过所述开关的电流大于可变限流，则所述控制器将所述开关禁止，其中所述可变限流由所述控制器改变，其中每当所述可变限流被所述控制器改变时，所述可变限流由所述控制器仅响应于所述电源的输入电压而改变，

其中如果在所述开关的一个跳过的转换周期后的第一个转换周期期间没有过电流情况，则所述可变限流被设置为对应于所述电源的额定或相对低的输入电压的第一限流值，如果在所述开关的跳过的转换周期后的第一个转换周期期间有过电流情况，则所述可变限流被设置为对应于所述电源的相对高的输入电压的第二限流值，

其中所述第一限流值大于所述第二限流值。

7.如权利要求6所述的电源调节器，其中，在所述开关的跳过的转换周期后的所述第一个转换周期对应于所述电源的不连续导通操作模式。

8.如权利要求6所述的电源调节器，其中，在所述开关的跳过的转换周期期间，所述电源的能量传输元件中的能量变为零。

9.如权利要求6所述的电源调节器，其中，当在所述开关的一个转换周期期间所述开关的最大导通时间出现之前流过所述开关的电流超过所述可变限流时，发生所述过电流情况。

10.如权利要求6所述的电源调节器，还包括集成电路，该集成电路包括所述控制器。

11.如权利要求10所述的电源调节器，其中，所述集成电路还包括所述开关。

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