CN102739036B - 开关模式电源的控制器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种开关模式电源(SMPS)控制器。该控制器包括：监测电路，适用于监测输入(1)处电压的变化率，并且适用于监测输入(1)处电压从峰值下降的电压降。该控制器适用于当监测的变化率下降为小于第一预定阈值、以及监测的电压降超过第二预定阈值时产生用于接通开关的信号。

Description

开关模式电源的控制器
技术领域
本发明涉及一种开关模式电源(SMPS)控制器和控制SMPS的方法。
背景技术
SMPS控制器控制开关(典型地，MOSFET)的操作，所述开关使电流流过线圈。控制切换以确保流过与线圈耦合的负载的DC电流为所需的恒定值。为了使切换损耗最小化，对于SMPS控制器的习惯作法是确保当零电流流过线圈时驱动开关(因此，当开关接通时零电流将流过开关)，或者在开关和线圈之间的连接点处存在最小电压时驱动开关。这称作谷值切换。
通过监测流过与开关和线圈之间的连接点相连的电容器的电流来检测谷值。这基于如下原理：通过电容器的电流与电压的变化率有关。因此，当电流为零时，可以推断出电压的变化率也为零，并且电压在峰值或谷值。峰值和谷值之间的区分是利用与线圈电磁耦合的辅助绕组来实现的：在通过电容器的电流为零的时该辅助绕组上的电压极性对于峰值和谷值是不同的。辅助绕组也向SMPS控制器供电。
然而在许多应用中，辅助绕组的附加成本是昂贵的，并且必须对于SMPS控制器使用替代类型的电源。一种这样类型的电源从线圈抽取功率，并且包括与线圈和开关之间的连接点耦合、并且经由第一二极管与存储电容器(reservoir capacitor)耦合的电容器。第二二极管耦合在电容器和第一二极管之间的连接点以将这一点处的电压钳制为地电势。
利用这种类型的电源，在开关关断的时间段期间，当线圈最初开始激振(ring)时，电容器并不导通(conducting)。然而，当开关上的电压已经下降一定量时，电容器开始导通。当电容器开始导通时，这具有使激振频率(ringing frequency)变慢的效果，这可能引起谷值检测电路的错误触发，因为开关处的电压变化率已经突然减小。因此，谷值检测电路可能在达到真实的谷值之前驱动开关。
国际专利申请公开WO2003/026117公开了一种用于将输入电压转换为输出电压的转换器，其中通过评估信号监测输入的电平，并且通过另一评估信号监测其差分电平。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种开关模式电源(SMPS)控制器，包括：监测电路，适用于监测输入处电压的变化率，并且适用于监测输入处电压从峰值下降的电压降，其中所述控制器适用于当监测的变化率下降到小于第一预定阈值、以及监测的电压降超过第二预定阈值时产生用于接通开关的信号。
因此，本发明提出了一种SMPS控制器，其要求检测到谷值(监测的输入电压变化率小于第一预定阈值)，并且要求输入处的电压降已经超过第二预定阈值，然后驱动SMPS中的开关。这确保了防止上述错误谷值检测引起错误触发。
典型地，输入在使用中耦合至SMPS中的开关和线圈之间的连接点。输入可以耦合至MOSFET开关的漏极。
在优选实施例中，选择第二预定阈值的值，使得与输入相耦合并且形成电荷泵一部分的电容器导通，所述电荷泵在使用时用于向SMPS控制器供电。
监测电路可以适用于通过如下操作来监测电压降：在第一工作时间段期间将采样电容器充电至固定电压，在第二时间段期间从采样电容器抽取依赖于输入处电压变化率的电流来对采样电容器放电，从而使采样电容器上的电压随着输入处的电压下降。这样，在第二时间段期间的电压降直接表示了输入处的电压降低。
典型地，在使得用于接通开关的信号有效(assert)时，第一时间段开始且第二时间段结束。
通常，在使得用于接通开关的信号无效(negate)之后的保护持续时间后，第一时间段结束且第二时间段开始。
优选地，监测电路包括第一比较器，其适用于将采样电容器上的电压与第一电压进行比较。可以通过产生相对于固定电压的偏移来得出第一电压。
监测电路还可以适用于：当监测的电压降超过(小于等于第二预定阈值的)第三预定阈值时，并且在使用于接通开关的信号有效之后已经过去了预定的持续时间，则产生用于接通开关的信号。
在这种情况下，优选地，监测电路包括：第二比较器，其适用于将采样电容器上的电压与第二电压进行比较；以及定时器，当使用于接通开关的信号有效时将所述定时器复位，监测电路适用于当第二比较器指示采样电容器上的电压小于第二电压、并且定时器指示已经过去了预定的持续时间时产生用于接通开关的信号。
在典型的实施例中，监测电路适用于通过将依赖于输入处电压变化率的第一电流与基准电流进行比较来监测输入处的电压变化率，当第一电流下降为小于基准电流时，第一预定阈值被超过。
监测电路还可以适用于：如果在预定的时间段内监测的变化率没有下降为小于第一预定阈值、并且监测的电压降没有超过第三预定阈值，则阻止产生用于接通开关的信号。这提供了一种实现短路检测和防止引起损坏的简单方式。下面描述了通过这种方案实现的方式。
根据本发明的第二方面，提出了一种包括根据本发明第一方面的控制器的SMPS，控制器的输入与SMPS中的节点耦合，并且控制器的输出耦合用于操作开关。
SMPS可以是若干技术的任一种，包括降压(buck)、升压(boost)和回扫(flyback)。
SMPS可以包括串联耦合在电源两端的开关和线圈，与输入相连的节点是线圈和开关之间的连接点。如果开关是MOSFET，所述节点将是MOSFET的漏极。
根据本发明的第三方面，提出了一种控制SMPS的方法，该方法包括：监测输入处电压的变化率；监测输入处电压从峰值下降的电压降；以及当监测的变化率下降为小于第一预定阈值并且监测的电压降超过第二预定阈值时，产生用于接通开关的信号。
典型地，输入在使用时与SMPS中的开关和线圈之间的连接点耦合。输入可以与MOSFET开关的漏极耦合。
该方法还可以包括：当监测的电压降超过第三预定阈值(小于或等于第二预定阈值)时，并且在使用于接通开关的信号有效之后已经过去了预定的持续时间，产生用于接通开关的信号。
优选地，该方法还包括：如果在预定的时间段内监测的变化率没有下降为小于第一预定阈值、并且监测的电压降没有超过第三预定阈值，则阻止产生用于接通开关的信号。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了根据本发明的用于开关模式电源的监测电路的电路图。
具体实施方式
图1示出了连接至线圈和开关之间连接点的输入1(开关典型地是MOSFET，因此输入将连接至MOSFET的漏极)。输入1经由电容器2耦合至用于控制电容器5放电的电路3以及谷值检测电路4。
图1中标记为“Gate stretch”的信号在SMPS控制器内根据用于控制外部MOSFET开关的栅极切换的输出信号(在图1中标记为“Gate”)来产生。“gate stretch”信号具有与“gate”信号的上升沿一致的上升沿，并且具有在“gate”信号的下降沿之后较短时刻(典型地是1微秒)下降的下降沿。使用这种“gate stretch”信号的原因在于线圈和开关(通常是MOSFET)之间连接点处的电压可以假设为在关断开关之后的约1微秒稳定下来。
“gate stretch”信号耦合至MOSFET 6的栅极，当“gate stretch”信号为高时使MOSFET 6导通。这使得电容器5通过MOSFET 6充电至电压源7的输出电压。当“gate stretch”信号(在通过使“Gate”信号无效以使外部MOSFET开关关断之后的较短时刻)下降时，该电压将保持在电容器5上。选择电压源7的输出电压足够高到将电容器5充电至足够高的电压，使得当电容器放电时电容器5上的电压仍然足够高，以确保晶体管21不会饱和。自然地，电压源7的输出电压当然小于或等于电路的电源电压。
通过电容器2的电流将依赖于电容器2两端的电压变化率，因此依赖于输入1上的电压变化率。该电流的一部分在电路3中用来检测电压减少，一部分在谷值检测电路4中用来检测谷值。在其他实施例中，可以用两个电容器来代替电容器2，其中一个电容器耦合在输入1和晶体管21的发射极之间，另一个电容器耦合在输入1和晶体管13的发射极之间。
当输入1处的电压正在下降时，这将引起电流从电路3通过电容器2流至输入1。晶体管13和21的发射极具有基本上固定的电压。因此，通过电容器2的电流几乎与输入1处的电压变化率直接相关。相应的电流由电路3从电容器5抽取，并且电容器5上的电压因此下降。通过选择电容器2和5的值相同，电容器5上的电压降将是输入1上的电压降的一半，因为流过电容器2的电流的一半将流到晶体管13的发射极，而一半将流到晶体管21的发射极。然而，实际上电容器5将相对于电容器2的值缩放，使得电容器5上的电压降小于输入1处电压降的一半。
对晶体管13和21的基极进行偏置，使得它们的发射极上的电压接近Vbe电压。如上所述进行选择，使得晶体管21的发射极具有固定电压。这引起较小的电流从晶体管13和晶体管21各自的发射极流到电路3的下电流镜22。这些电流将导致从电容器5抽取电流，并且可能导致输入1处电压降的错误测量。
为了防止这种情况，产生比放电电流大的补偿电流，并且将补偿电流用于抵消电容器5的任意放电。为此使用上电流镜23。从输入1提供给晶体管21的发射极的电流是通过电容器2的电流的一半。因此，如果下电流镜22比率和上电流镜23比率的乘积大于0.5，则可以确保当没有电流流过电容器2时，也不会从电容器5抽取电流。下电流镜22具有1：1的比率，并且上电流镜23具有0.55的比率(略大于0.5以补偿生产参数的扩展)。
另外，当关断外部MOSFET开关时，在其漏极上将出现激振电压。不应允许这种激振电压使电容器5在激振的连续周期上放电，因为这将导致由比较器9结合谷值检测而检测到输入1上足够的电压降、或者由比较器17在定时器19经过一定时间段(如下所述)时检测到输入1上足够的电压降。在任一种情况下，这将导致接通外部MOSFET开关。选择下电流镜22比率和上电流镜23比率的乘积大于0.5，防止发生电容器5的这种不希望的放电。
在一定的情况下，可能是一旦使得“gate”信号无效(关断外部MOSFET开关)，则输入1上的电压上升而不是下降。这可能在启动期间发生，或者是由于EMI滤波器的使用。输入1处的电压上升将引起电容器5上的电压上升，这将导致电容器5不再具有所需的电压(即与电压源7的输出电压相同)。为了防止这种情况，提供了箝位二极管8，其确保了电容器5上的电压不会上升超过电压源7的输出电压的值。
比较器9的反相输入端与电容器5相耦合，其非反相输入端与电压源10相耦合。电压源10在比较器9的非反相输入端处提供相对于电压源7输出电压的负电压偏移。因此，当电容器5上的电压大于非反相输入端上的电压时，比较器9的输出为低。另一方面，当比较器5上的电压已经下降为小于比较器9的非反相输入端上的电压时，比较器9的输出为高。因此，当输入1处的电压已经下降了超过由电压源10提供的偏移电压时，比较器9的输出将为高。比较器9的输出与D型锁存器11的D输入端相耦合。
谷值检测电路4通过将来自电流源12的基准电流与通过晶体管13抽取的电流相比较来进行操作，通过晶体管13抽取的电流依赖于输入1处的电压变化率。当输入1处的电压最初开始下降时，该电压的变化率将相对较高。因此，通过晶体管13抽取的电流将相应较高，并且至少等于电流源12提供的电流。这将引起比较器14的非反相输入端处于比由电压源15提供的反相输入端处电压低的电压，意味着比较器14的输出将为低。根据输入1处如下的电压变化率来选择基准电流源12的值，该电压变化率被视为表示谷值存在的阈值。输入1处的电压变化率的这种阈值乘以电容器2的值乘以0.5(因为假设晶体管13和21相同，只有一半的电流流过谷值检测电路4)给出了电流源12的要求值。
当输入1处的电压变化率下降时，通过晶体管13抽取的电流也将下降。最终，电流源12提供的电流将超过通过晶体管13抽取的电流，导致电流源12在正电源电压下饱和。因此，比较器14的非反相输入端处的电压将超过反相输入端15处的电压。结果，比较器14的输出将变高，表示输入1处的电压变化率为低到足以看作是谷值。当然希望确保晶体管13和21两端的电压不会变得太低以至于这些晶体管不能在其线性区域内工作。
比较器14的输出与三输入端“OR”门16的输入相耦合，三输入端“OR”门16的输出与D型锁存器11的时钟输入相耦合。因此当检测到谷值时，按时钟通过Q输出而输出D输入端上的值，所述Q输出形成了“gate”信号并且用于驱动SMPS中的外部MOSFET(或其他)开关。结果，当检测到谷值时，使“gate”信号有效，假设比较器9已经表示输入管脚1处的电压已经足够地下降。这样，防止了上述的错误触发。
“gate stretch”信号也与三输入端“OR”门16的输入相耦合以在“gate”信号为有效及随后的较短时间(典型地，1微秒)时防止D型锁存器11的任何定时。“gate”信号也与三输入端“OR”门16的输入相耦合，因为当检测到谷值时输入1处(因此外部MOSFET开关)的电压变化率为低。当“gate”信号变高时，由于外部MOSFET开关在一延长的时间段内将输入1拉低至地电位，可能错误地检测到新的谷值。这将导致D型锁存器11的时钟输入变高，并且因为比较器9的输出此时为低，D型锁存器11的Q输出将也变低，导致外部MOSFET开关在错误的时间关断。理论上，不需要“gate”信号(因为“gate stretch”信号满足了功能)。然而，实际上由于传播延迟，“gate stretch”信号将比“gate”信号稍晚变高，因此最好也使用“gate”信号。
第二比较器的反相输入端与电容器5相耦合，其非反相输入端与电压源18相耦合。该电压源18提供了相对于电压源7输出电压的负偏移电压(小于由电压源10提供的偏移电压)。因此，如果电容器5上的电压(因此，输入1上的电压)下降超过电压源18的偏移电压，比较器17的输出将为高。
这一输出与定时器19相耦合，当“gate stretch”信号变高时将定时器19复位。当定时器检测到从其被复位开始已经过去预定的时间段时，其输出变高，假设比较器17的输出此时也为高。定时器19的输出与“OR”门20的输入相耦合，“OR”门20的输出与D型锁存器11的置位输入端相耦合。如果电容器5上的电压已经下降得大于电压源18的偏移电压并且定时器19的时间段已经过去了，这强制Q输出变高，从而使得“gate”信号有效。
“OR”门20的另一输入与信号Toffmax相耦合，当已经达到了“gate”信号为无效的最大允许时间段时，所述信号Toffmax变高。这确保了即使在过长的时间段没有检测到谷值，也可以使“gate”时间段有效，并且这防止了SMPS的操作停转。然而对于高频应用，由于这种方案，启动时间段将变得非常长。
如果没有比较器17和定时器19的电路，比较器9将不得不在转换器开始在正确频率下工作之前检测输入1处的充分电压降。在实现这种电压降之前，电路将在达到Toffmax时接通“gate”信号。因此，工作频率非常低，这可能导致传送至输出的电流也相当低以及缓慢的启动。然而，当比较器17检测到电压降(与比较器9检测到的电压降相比相对较小)时，那么谷值可能有望在随后短时间内出现。如果谷值检测电路4没有检测到谷值，当定时器19的时间段已经过去时，无论如何都将使“gate”信号有效。这导致更快速的启动，因为在启动时间段期间，系统将按照更高的频率运行。
比较器17和定时器19的电路用于克服这一问题。选择定时器19的时间段大于SMPS的最小激振频率的周期的一半。因此，在最小激振频率是200kHz的情况下，定时器19的时间段的合适值是2.5微秒。这种结构是以这样的假设为基础的：当已经在输入1处检测到一定的电压降时，谷值将在之后有限时间段内出现。
信号Tonmax与D型锁存器11的复位输入端相耦合，以在已经使“gate”信号有效大于所允许的时间段的情况下强制使“gate”信号无效。
Tonmax信号用于防止SMPS过热。通过外部MOSFET开关的峰值电流将用于调节输出参数(例如，通过负载的电流或者输出电压)。在低输入电压时，达到要求的峰值电流所需要的时间可能较长，导致外部MOSFET开关过热。为此原因，Tonmax信号用于确保在最大允许接通时间Tonmax之后将关断外部MOSFET开关。
也可以实现短路保护机制。当将输出短路时，在外部MOSFET开关关断时，需要经历较长的时间才能使通过SMPS中线圈的电流变为零。结果，将不会发生谷值检测，并且比较器17将不会在Toffmax时间内看到电容器5上足够的电压降而被触发。因此，短路保护机制使D型锁存器11的复位输入端有效，以在Toffmax信号有效时既没有发生谷值检测也没有发生比较器17的触发的情况下，禁止使“gate”信号有效。
上述SMPS控制器在许多领域中得到了应用，例如在LED照明设备供电以及干线适配器中。
本领域普通技术人员在实践本发明时，根据对于附图、本公开和所附权利要求的学习，应该理解和实现对于所公开实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一个”或“一”不排除多个。单独的处理器或其他单元可以满足在权利要求中描述的若干项的功能。在不同从属权利要求中描述特定措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考符号不应该解释为限制其范围。

Claims (12)

1.一种开关模式电源SMPS控制器，包括：
监测电路，适用于监测输入(1)处电压的变化率，并且适用于监测输入(1)处电压从峰值下降的电压降，
其中所述控制器适用于当监测的变化率下降为小于第一预定阈值、以及监测的电压降超过第二预定阈值时产生用于接通开关的信号，
其特征在于，所述监测电路适用于通过如下操作来监测所述电压降：在第一工作时间段期间将采样电容器(5)充电至固定电压，以及在第二时间段期间通过根据输入(1)处的电压变化率从采样电容器(5)抽取电流来对采样电容器(5)放电，从而使采样电容器(5)上的电压随着输入(1)处的电压下降，
其中在使得用于接通开关的信号有效时，第一工作时间段开始且第二工作时间段结束。
2.根据权利要求1所述的SMPS控制器，其中选择第二预定阈值的值，使得与输入(1)耦合并且形成电荷泵一部分的电容器导通，所述电荷泵在使用时用于向SMPS控制器供电。
3.根据权利要求1或2所述的SMPS控制器，其中在使得用于接通开关的信号无效之后的保护持续时间后，第一时间段结束且第二时间段开始。
4.根据权利要求1或2所述的SMPS控制器，其中所述监测电路包括第一比较器(9)，所述第一比较器(9)适用于将采样电容器(5)上的电压与第一电压(10)进行比较。
5.根据权利要求1或2所述的SMPS控制器，其中所述监测电路还适用于：当监测的电压降超过第三预定阈值并且在使得用于接通开关的信号有效之后已经过去了预定的持续时间时，产生用于接通开关的信号，第三预定阈值小于或等于第二预定阈值。
6.根据权利要求1或2所述的SMPS控制器，其中所述监测电路包括：
第二比较器(17)，适用于将采样电容器(5)上的电压与第二电压(18)进行比较；以及
定时器(19)，在使得用于接通开关的信号有效时将所述定时器复位，
所述监测电路适用于当第二比较器(17)指示采样电容器(5)上的电压小于第二电压(18)、并且所述定时器(19)指示已经过去了预定的持续时间时产生用于接通开关的信号。
7.根据权利要求1或2所述的SMPS控制器，其中所述监测电路适用于通过将依赖于输入处电压变化率的第一电流与基准电流(12)进行比较来监测输入处电压的变化率，当第一电流下降为小于基准电流(12)时，所述第一预定阈值被超过。
8.根据权利要求1或2所述的SMPS控制器，其中所述监测电路还适用于：如果在预定的时间段内监测的变化率没有下降为小于第一预定阈值、并且监测的电压降没有超过第三预定阈值，则阻止产生用于接通开关的信号。
9.一种开关模式电源SMPS，包括根据任一前述权利要求所述的控制器，所述控制器的输入与SMPS中的漏极耦合，并且所述控制器的输出用于操作开关。
10.一种控制开关模式电源SMPS的方法，所述方法包括：
监测输入(1)处电压的变化率；
监测输入(1)处电压从峰值下降的电压降；以及
当监测的变化率下降为小于第一预定阈值并且监测的电压降超过第二预定阈值时，产生用于接通开关的信号，
其中，监测电压降包括：
在第一工作时间段将采样电容器(5)充电至固定的电压，以及
在第二工作时间段通过根据输入(1)处的电压变化率从采样电容器(5)抽取电流来对采样电容器(5)放电，从而使采样电容器(5)上的电压随着输入(1)处的电压下降，
其中在使得用于接通开关的信号有效时，第一工作时间段开始且第二工作时间段结束。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：当监测的电压降超过第三预定阈值并且在使用于接通开关的信号有效之后已经过去了预定的持续时间时，产生用于接通开关的信号，第三预定阈值小于或等于第二预定阈值。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：如果在预定的时间段内监测的变化率没有下降为小于第一预定阈值、并且监测的电压降没有超过第三预定阈值，则阻止产生用于接通开关的信号。
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