CN107634567B - 用于数据接口充电的短路保护 - Google Patents

Abstract

一种开关功率变换器，其提供有过电压保护电路，过电压保护电路响应于设备连接到用于通过耦接到电力总线开关的电力总线接收电力的数据电缆而在软启动时段期间软接通电力总线开关。

Description

用于数据接口充电的短路保护

技术领域

本申请涉及功率变换器，更特别地，涉及用于通过数据接口对设备充电的功率变换器的短路保护电路。

背景技术

反激式开关功率变换器一般用于对移动设备充电，因为变换器的变压器提供了与AC家用电流的安全隔离。常规上使开关功率变换器通过标准接口(例如通用串行总线(USB)接口)耦接到被充电的移动设备。关于电力的输送，USB电缆仅能够提供一定量的电流。例如，USB 2.0标准允许500mA的最大输出电流，而USB type C电力输送(Power Deliver(PD))标准允许通过Vbus端子的5A(取决于特定电缆配置)的最大输出电流。对于如此多的电力的输送，USB type C协议要求向USB电缆供应电力的功率变换器包括Vbus开关，该Vbus开关在关闭时将功率变换器输出与Vbus端子隔离。

Vbus开关的操作取决于USB电缆的上行端口(upstream facing port，UFB)是否连接到用于接收电力的移动设备。功率变换器连接到USB电缆的下行端口(downstreamfacing port，DFP)。为了检测移动设备到UFP的连接，功率变换器监测在DFP处的配置通道(configuration channel，CC)的电压。在被连接时，移动设备使得在DFP处的CC端子放电，持续消除抖动时段。功率变换器通过从Vbus开关的默认打开状态关闭Vbus开关来对消除抖动时段的终结作出反应，以使得可以通过Vbus端子供应电力。尽管由此通过USB电缆产生的高电力输送是有利的，但是关于其实现出现了问题。例如，USB接口会变脏以使得灰尘颗粒或其他小导电物体使Vbus针脚(输送输出电压的针脚)和信号或接地针脚中的一个之间耦接。或者，USB电缆自身会由于用户的卷绕而变得磨损，以使得在Vbus导线和其余导线中的一个之间存在稍微导电的路径。结果是在Vbus端子和其余USB端子中的一个之间的“硬短路”或“软短路”。与硬短路相比，软短路在USB电缆或接口中的相应针脚(或导线)之间具有相对高的阻抗。

在图1中示出了示例USB type C系统101。反激式开关功率变换器100包括初级侧控制器125和次级侧控制器120。初级侧控制器125调节功率开关晶体管S1的开关以提供5.0V Vbus电压以对USB电缆115的USB连接器110中的Vbus端子充电。功率开关晶体管S1与具有次级绕组T2的变压器的初级绕组T1串联。当功率开关晶体管S1响应于被控制器125接通而导通时，耦接到次级绕组T2的输出二极管被反向偏置并且因此不导通。但是当功率开关晶体管S1打开时，跨接在次级绕组T2上的电压反向以使得输出二极管D1变得正向偏置并且导通。当Vbus开关晶体管S2不导通时，产生的放电不能流到Vbus端子。为了允许电缆连接的可反向性，USB连接器110包括两个配置通道端子：CC1端子和CC2端子。取决于连接定向，客户端设备105将使CC端子中的一个放电。次级控制器120通过在去除抖动时段之后关闭Vbus开关晶体管S2来对该放电作出反应。但是要注意输出电容器C1被充电到5.0V供电电压。如果短路140提供从Vbus端子到接地(GND)端子的导电路径，则输出电容器C1将通过Vbus开关晶体管S2和短路140释放短路电流。

在图2中示出对于系统101产生的短路波形。Cc1针脚电压由于客户端设备106到USB电缆115的连接而在时间t0放电。在去除抖动时段终结之后，次级侧控制器120通过将其栅极电极在时间t1脉动到高而接通Vbus开关晶体管S2。Vbus端子电压响应于Vbus开关晶体管S2接通而上升。由于短路140的存在，通过Vbus开关晶体管S2的输出电流(I_discharge)脉动到高于其最大额定电流。该相对大的输出电流迅速地在时间t2将存储在输出电容器C1(VCC)之间的供电电压(VCC)拉到低于初级侧控制器重置阈值。初级侧控制器125然后重置以使得次级侧控制器120随后在时间t3重新确定Vbus开关晶体管栅极电压。输出电流再次突增并且产生的VCC中的下降导致另一重置，等等。反复地暴露于这样大的输出电流最终导致Vbus开关晶体管S2失效并且呈现不可逆的始终接通状态或不可逆的始终关断状态。这两种状态当然是不合需要的。

因此，在现有技术中存在用于对通过数据接口进行充电的开关功率变换器的改进的短路保护的需要。

发明内容

开关功率变换器控制器控制电力总线开关以保护免受数据电缆中的软电路的损害，数据电缆包括用于对客户端设备充电的电力总线。电力总线开关的默认状态是关断，直到控制器检测到客户端设备已经连接到数据电缆。控制器然后在去除抖动时段之后发起电力总线开关的软启动，持续软启动时段。在电力总线开关的软启动期间，电力总线开关与在被完全驱动时相比具有更大电阻。如果在软启动时段期间电力总线电压上升到高于电力总线上升阈值电压，则控制器将电力总线开关驱动为完全接通。相反，如果在软启动时段期间，被电力总线开关选通的、从开关功率变换器输出的供电电压下降到低于短路检测阈值电压，则控制器打开电力总线开关。即便在数据电缆中存在短路，电力总线开关也因此从不遭受过量的输出电流。

通过考虑下面的详细描述可以更好地理解这些有利特征。

附图说明

图1是常规反激式变换器的框图，其在响应于客户端设备的连接以通过USB typeC电缆进行充电而关闭Vbus开关晶体管之后经历短路。

图2示意了在图1的反激式变换器的短路状况期间的一些电压和电流波形。

图3是包括配置成实施根据公开的方面的短路保护技术的反激式功率变换器的示例系统的图。

图4是图3的反激式变换器中的次级控制器的电路图。

图5示意了在图3的反激式功率变换器的短路状况期间的一些电压和电流波形。

图6是用于图3的反激式功率变换器的操作的方法的流程图。

通过参阅下文的详细说明将最佳地理解本公开文本的实施方式及其优势。应该意识到，类似的附图标记用于标识一个或多个附图中的类似元件。

具体实施方式

为了解决现有技术中对于通过数据电缆进行充电的短路保护的需要，给功率变换器提供了次级侧电力总线开关，其选通功率变换器是否通过下游端口将输出电流驱动到数据电缆内的电力总线上。不失一般性，下面的讨论将假设功率变换器是反激式功率变换器。但是将要理解，本文公开的短路保护可以方便地应用于其他类型的功率变换器。例如，降压变换器或降压/升压变换器方便地适于实施本文公开的短路保护技术。

反激式功率变换器中的次级侧控制器配置为响应于要被充电的客户端设备已经自身连接到数据电缆上的上游端口的指示打开电力总线开关。为了简洁，次级侧控制器在下面将被称为次级控制器。次级控制器进一步配置为响应于连接指示而软启动电力总线开关。软启动延续软启动时段，在软启动时段期间，电力总线开关比在被完全驱动导通时电阻更大。如果在数据电缆或其接口中存在短路，则在软启动期间，与如果其已经被完全驱动导通相比，电力总线开关将因此传导减少的短路电流。软启动过程因此有利地保护电力总线开关免受过电流损坏，这将在本文进一步说明。

为了在软启动过程中测试短路的存在，次级控制器在软启动过程中测试供应到电力总线开关的供电电压VCC是否下降到低于短路阈值电压。如果没有短路的指示，则次级控制器驱动电力总线开关完全接通。相反，如果在软启动过程中存在短路的指示，则次级控制器关断电力总线开关晶体管。以这种方式，解决了由于数据电缆内的短路而反复地使电力总线开关承受压力直到其失效，其或是不可逆地接通或是不可逆地关断的问题。

在下面的示例实施例中，数据电缆是USB type C电缆。然而，将要理解，本文公开的短路保护电路和方法广泛适用于包括通过电力总线开关而与功率变换器隔离的电力总线的其他类型的数据电缆的保护。图3中示出了示例系统300，其包括具有初级控制器315的反激式变换器305，初级控制器315控制与还具有次级绕组T2的变压器的初级绕组T1串联的功率开关晶体管S1的开关。当初级控制器315关闭功率开关晶体管S1时，整流的输入电压Vin使得磁化电流流过初级绕组T1。当初级控制器315随后打开功率开关晶体管S1时，连接到次级绕组T2的端子的输出二极管D1变得正向偏置以使得输出电流用供电电压VCC对输出电容器C1充电。本领域普通技术人员将理解，在替代实施例中可以用同步整流开关取代输出二极管D1。

跨接输出电容器C1存储的供电电压VCC不能驱动USB电缆115的下行端口(DFP)110中的Vbus电力端子，直到次级控制器310检测到DFP端口110中的CC1端子或CC2端子的放电。默认的，Vbus功率开关晶体管S2的没有设备连接到USB电缆115的状态是关断。但是当次级控制器310检测到CC1端子或CC2端子的放电时(哪一个端子放电取决于被用户连接的USB电缆115的特定取向)，次级控制器310在去除抖动时段终结之后开始Vbus功率开关晶体管的软启动。

次级控制器310在图4中被更详细地示出。状态机400通过接通软启动开关晶体管M1在去除抖动时段终结之后开始软启动时段来响应于CC1端子或CC2端子的放电，软启动开关晶体管M1耦接在承载供电电压VCC的输出电容器C1的输出节点和具有适当地高的电阻(例如20KΩ)的软启动电阻器Rsoft之间。软启动电阻器Rsoft的输出端子通过保护二极管D2耦接以驱动Vbus开关晶体管S2的栅极。由于跨接在电阻器Rsoft之间的电压降，软启动开关晶体管M1的接通不完全接通Vbus开关晶体管S2而是使其进入三极管操作区域，以使得Vbus开关晶体管S2与其在操作的饱和模式一样被完全接通相比电阻要大得多。

状态机400配置为在软启动时段的持续期间(例如2毫秒)保持软启动开关晶体管M1接通。但是如果不存在短路，则终止软启动时段是可取的。次级控制器310因此包括比较器410，比较器410将Vbus电压与合适的Vbus上升阈值电压(例如1V)比较。如果存在短路，则在短路时段Vbus不能上升超过1V。因此，即便软启动时段还没有终结，次级控制器310也通过驱动Vbus开关晶体管S2完全导通来对来自比较410的Vbus已经超过Vbus上升阈值电压的指示作出反应。为了确保Vbus开关晶体管S2完全导通，状态机400使得电荷泵415能够用VCC供电电压开始开关，以提供通过二极管D3的增加的驱动电压，从而完全接通Vbus开关晶体管S2。例如，在VCC等于5.0V的实施例中，增加的驱动电压大于Vcc，例如为7V。以这种方式，如果在软启动期间Vbus上升超过Vbus上升阈值电压，则Vbus开关晶体管S2被完全接通。

为了在软启动时段期间检测短路的存在，状态机400通过比较器405监测VCC供电电压以确定VCC是否已经下降到低于VCC短路检测阈值电压。例如，如果VCC的默认电压是5.0V，则VCC短路检测阈值电压可以是4V。这样，在软启动时段期间由于来自输出电容器C1的输出电流通过USB电缆115(或其接口)中的短路快速放电，VCC短路检测阈值电压会被越过。状态机400通过关断软启动开关晶体管M1来对VCC下降到低于VCC短路阈值电压作出反应，以使得Vbus开关晶体管S2关断并且不暴露于非常高的输出电流。为了在存在短路的情况下帮助关断Vbus开关晶体管S2，控制器310可以包括耦接在Vbus开关晶体管S2的栅极和接地之间的放电晶体管(未示出)。控制器310可以因此接通放电，晶体管将关断软启动开关晶体管M1。

一般而言，如果Vbus开关晶体管S2具有充分低的阈值电压，以使得在没有短路的情况下其能够在软启动时段将Vbus驱动得高于Vbus上升阈值电压是优选的。Vbus晶体管S2的工艺角可能会是这样：其具有比正常阈值电压高的电压。因此可能会是这样的情况：在通过VCC与VCC短路阈值电压的比较没有短路的任何指示的情况下软启动时段已经终结，但是Vbus仍保持低于Vbus上升阈值电压。这样的状况可能是由下述原因导致的：Vbus开关晶体管S2具有相对高的阈值电压以使得在软启动时段其保持过大的电阻而不能将Vbus充电到高于Vbus上升阈值电压。状态机400因此配置为如果Vbus小于Vbus上升阈值电压并且不存在短路的指示则在软启动时段终结时使能电荷泵415，以使得VCC保持高于VCC短路阈值电压。以这种方式，Vbus开关晶体管S2被驱动完全导通而不管其相对高的阈值电压。

通过考察图5中示出的电压和电流波形可以更好地理解在存在短路的情况下次级控制器310的操作。在时间t0，客户端设备连接到USB电缆并且使CC1端子放电。当去除抖动时段在时间t1结束时，次级控制器接通软启动开关晶体管M1，以使得Vbus开关晶体管S2的栅极电压开始向上斜升。Vbus电压也开始斜升，但是由于短路的存在其不超过Vbus上升阈值电压，这使得通过Vbus开关晶体管S2的输出电流I_discharge超过功率变换器的输出电流限，但是不超过Vbus开关晶体管S2的最大额定电流。由输出电容器C1供应的相对稳健的输出电流使得在时间t2供电电压VCC下降到低于VCC短路检测阈值电压。响应于VCC短路检测阈值电压的越过，次级控制器通过使其栅极电压放电来关断Vbus开关晶体管S2。次级控制器然后进入相对长的错误恢复时段(例如2秒)，在这之后短路保护过程可以在时间t3重复。

再次参考图3，次级控制器310可以通过接地隔离的通信通道(例如光耦合器350)与初级控制器315连通。例如，假设没有检测到短路，这样Vbus电压上升到其额定值，例如5.0V。客户端设备105可以在次级控制器310和客户端设备105之间的枚举过程中指示其支持更高的充电电压。次级控制器310然后向初级控制器315发送信号以改变其对功率开关晶体管S1的调节，以使得获得Vbus的更高值。初级控制器315可以配置为实施仅初级反馈或者可以通过另一光耦合器(未示意)接收关于Vbus的反馈信息。此外，次级控制器310可以配置为警告初级控制器315其已经检测到短路状况。初级控制器315可以然后例如通过重置来相应地作出反应。

现在将针对图6的流程图，讨论用于包括用于对设备充电的电力总线的数据电缆的短路保护的操作的方法。所述方法包括动作600：检测设备已经连接到包括电力总线的数据电缆以从电力总线接收电力。关于图3所讨论的检测CC1端子和CC2端子的放电是动作600的示例。所述方法还包括动作605：在功率变换器中，将输出电容器充电到供电电压，输出电容器通过电力总线开关耦接到电力总线，电力总线开关在设备连接到数据电缆之后在去除抖动时段终结之前处于关断。对反激式电源100中的输出电容器C1充电是动作605的示例。所述方法还包括动作610：在去除抖动时段终结之后在开始软启动时段时软接通电力总线开关，其中与在被完全接通时相比，软接通时的电力总线开关具有更大的电阻。关于图4所讨论的通过软启动电阻器Rsoft对Vbus功率开关晶体管S2的栅极充电是动作610的示例。最后，所述方法包括动作615：响应于供电电压已经下降到低于短路阈值电压而在软启动时段关断电力总线开关。关于图5所讨论的在时间t2关断电力总线开关晶体管S2是动作615的示例。

现在，本领域技术人员将意识到，取决于当前特定的应用，可以在本公开的材料、装置、配置和设备的使用方法中(或对它们)进行许多改进、替换和改变，而不脱离本公开的范围。鉴于这点，本公开的范围不应该被限制于本文所示出和描述的特定实施方式的范围，这是因为这些实施方式仅仅是通过其一些实例来展示，本公开的范围应该与随附权利要求及其功能性等价物的范围完全相当。

Claims (20)

1.一种功率变换器的操作的方法，包括：

检测设备已经连接到包括电力总线的数据电缆以从所述电力总线接收电力；

在功率变换器中，将输出电容器充电到供电电压，所述输出电容器通过电力总线开关耦接到电力总线，电力总线开关在所述设备连接到数据电缆之后在去除抖动时段终结之前处于关断；

在去除抖动时段终结之后在开始软启动时段时软接通电力总线开关，其中，与被完全接通时相比，被软接通时的电力总线开关具有更大的电阻；以及

响应于确定所述供电电压已经下降到低于短路阈值电压而在软启动时段期间关断所述电力总线开关。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述软接通电力总线开关包括：接通软开关晶体管以通过软启动电阻器将电力总线开关晶体管的栅极耦接到被充电到供电电压的节点。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在软启动时段期间将所述供电电压与上升阈值电压相比较；以及

响应于比较指示所述供电电压大于上升电压阈值而完全接通电力总线开关晶体管。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述数据电缆是USB电缆。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述USB电缆是USB C型电缆。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，将输出电容器充电到供电电压包括通过反激式变换器的第二级对输出电容器充电。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述设备已经连接到数据电缆包括检测USB接口中的配置通道端子已经被放电到接地。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

从反激式变换器中的次级控制器，根据供电电压已经下降到低于短路阈值电压的确定，警告所述反激式变换器中的初级控制器短路状况。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，警告所述初级控制器包括所述次级控制器通过光耦合器向所述初级控制器发送信号。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定在软启动时段期间电力总线上的电力总线电压是否已经超过电力总线电压上升阈值；以及

响应于电力总线电压超过电力总线电压上升阈值而在软启动时段期间完全接通所述电力总线开关。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，完全接通所述电力总线开关包括：通过电荷泵将电力总线开关晶体管的栅极充电到大于供电电压的电压。

12.一种功率变换器，包括：

用于存储供电电压的具有输出节点的输出电容器；

耦接在所述输出节点和电力总线的电力总线端子之间的电力总线开关晶体管，所述电力总线包含在用于对设备充电的数据电缆内；以及

控制器，所述控制器被配置为响应于所述设备已经连接到数据电缆以通过电力总线接收电力的检测，在软启动时段开始时软接通电力总线开关晶体管，其中，与被完全接通时相比，所述电力总线开关晶体管在被软接通时具有更大的电阻，所述控制器进一步被配置为响应于确定供电电压已经下降到低于短路阈值电压而在软启动时段期间关断电力总线开关晶体管。

13.根据权利要求12所述的功率变换器，其中，所述控制器包括：

状态机，所述状态机被配置为检测配置通道端子的放电以检测所述设备已经连接到数据电缆；

软启动开关晶体管，所述软启动开关晶体管具有耦接到所述输出电容器的所述输出节点的第一端子；

软启动电阻器，所述软启动电阻器耦接在所述软启动开关晶体管的第二端子和所述电力总线开关晶体管的栅极之间，其中，所述状态机进一步被配置为接通软启动开关晶体管以开始软启动时段。

14.根据权利要求13所述的功率变换器，其中，所述控制器进一步包括：

电荷泵，所述电荷泵耦接在所述电容器的所述输出节点和所述电力总线开关晶体管的所述栅极之间，其中，所述控制器进一步被配置为使得所述电荷泵能够响应于确定在数据电缆上不存在短路而用大于供电电压的电压对所述电力总线开关晶体管的栅极充电。

15.根据权利要求14所述的功率变换器，其中，所述控制器进一步包括：

比较器，所述比较器被配置为将电力总线的电力总线电压与电力总线上升阈值电压相比较，其中，如果在软启动时段期间从比较器确定电力总线电压已经超过电力总线上升阈值电压，则确定在数据电缆上不存在短路。

16.根据权利要求12所述的功率变换器，其中，所述功率变换器是反激式变换器。

17.根据权利要求16所述的功率变换器，其中，所述数据电缆是USB电缆。

18.根据权利要求17所述的功率变换器，其中，所述USB电缆是USB C型电缆。

19.根据权利要求16所述的功率变换器，其中，所述反激式变换器包括被配置为用于仅初级反馈的初级控制器。

20.根据权利要求12所述的功率变换器，其中，所述供电电压为5伏，并且其中，短路阈值电压是4伏。

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