CN108370218B - 用于开关功率转换器的短路保护 - Google Patents

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Abstract

一种用于在短路负载情况发生时保护开关功率转换器（“SPC”）的电路（100）。SPC具有利用至少一个电流变压器的输出电流传感器，电流变压器具有与整流器串联地连接的初级绕组，并且具有应当避免饱和的磁芯。脉冲宽度调制器包括向至少一个开关提供一系列的控制脉冲的略过控制器。当异常低的负载阻抗引起输入电流斜坡信号超过接近所述系列的接下来的控制脉冲的开始时间的输入电流设定点信号并且输出电流大于预定的阈值时，略过控制脉冲。如果多于预定数量的连续的开关周期被略过则停止SPC的操作，以便防止在输出电流变压器的芯饱和时SPC操作。

Description

用于开关功率转换器的短路保护
对相关申请的交叉引用
本申请要求2015年9月3日递交的美国专利申请序号62/213,726的权益，该美国专利申请被通过引用合并。
技术领域
本公开涉及电子系统。更特别地，本公开涉及用于提供用于开关功率转换器（“SPC”）的短路保护的系统和方法。
背景技术
在本领域中存在许多已知的SPC。SPC一般地被配置为通过调节至少一个开关（例如场效应晶体管（“FET”））的占空比来增加或降低输出电压或电流，该至少一个开关是利用控制脉冲来周期性地接通和关断的。负载是跨SPC的输出电压端子而连接的。在操作期间，负载可能演变出异常低的阻抗，或者可能跨输出电压端子而形成短路，其可能引起对SPC的损坏，除非适当地控制开关以防止过量的输出电流。
发明内容
本公开涉及一种用于提供用于某些SPC的短路保护的系统。在一些情形下，SPC包括：开关（例如晶体管）；输出电感器；输出整流器（例如二极管或同步开关）；和至少一个电流变压器。电流变压器包括磁芯和与输出整流器串联地连接的初级绕组。相关的SPC利用电流变压器间接地测量输出电流。保护电路遵循如下的控制算法：该控制算法使得能够在SPC的输出端子被加载有异常低的阻抗的情况下进行安全操作。
系统包括输入电流传感器、输出电流传感器、反馈控制器和电流模式脉冲宽度调制器。输入电流传感器被电连接以检测SPC的输入电流。输入电流传感器被配置为生成表示检测到的输入电流的输入电流斜坡信号SICR。输出电流传感器被电连接以通过使用电流变压器感测流动通过至少一个整流器的脉冲电流，从而检测SPC的输出电流。输出电流传感器被配置为生成表示检测到的输出电流的输出电流信号SOC。反馈控制器被电连接到输出电流传感器。反馈控制器被配置为生成具有如下的电压的电流设定点信号SCSP：该电压在一些情形下基于从所检测到的在输出电流信号SOC和基准信号之间的差得出的误差信号的电压的时间积分。可以使用模拟或数字电路实现反馈控制器。
电流模式脉冲宽度调制器被电连接到反馈控制器。电流模式脉冲宽度调制器被配置为生成要被供给到SPC以用于选择性地将SPC的至少一个开关（例如，场效应晶体管）在导通状态和断开状态之间转换的一系列控制脉冲。在正常操作期间，输入电流斜坡信号SICR小于在每个开关周期的开始处的电流设定点信号SCSP。控制脉冲在开关周期的预定开始时间开始，并且或者在输入电流斜坡信号SICR超过电流设定点信号SCSP时或者在控制脉冲持续时间达到预定的最大值时结束。
电流模式脉冲宽度调制器还被配置为：当输入电流斜坡信号SICR的第一电压水平超过接近该一系列的控制脉冲中的接下来的控制脉冲的开始时间的电流设定点信号SCSP的第二电压水平时，略过该一系列的控制脉冲中的至少一个控制脉冲的生成。当在SPC的操作期间在功率转换器的各输出端子之间连接了异常低的负载阻抗时第一电压水平超过第二电压水平。电流模式脉冲宽度调制器被进一步配置为：如果多于预定数量的连续的周期被略过，则停止SPC的操作，以便防止在至少一个电流变压器的芯饱和时SPC操作。
在一些情形中为了防止不必要的脉冲略过，仅仅当输出电流信号SOC超过预定的阈值时才允许脉冲略过。换句话说，当SPC的输出电流小于预定的阈值时阻断脉冲略过。
在一些情形中，输入电流传感器包括耦合到至少一个第一电流变压器的次级绕组的第一传感器，该至少一个第一电流变压器与SPC的开关串联地电连接。输出电流传感器包括电连接到至少一个第二电流变压器的次级绕组的第二传感器，该至少一个第二电流变压器具有电连接到输出整流器的初级绕组。第二传感器包括：串联地与第二电流变压器的次级绕组连接以防止电流在从输出电流传感器的输出朝向第二电流变压器的反转方向上流动的二极管；在SPC的整流二极管的导通时段结束之后允许跨第二电流变压器的电压的极性反转的二极管; 和/或用于限制反转极性电压水平的电压限制器（例如齐纳二极管或电阻器）。
在那些或其它情形中，反馈控制器包括与积分器串联地连接的误差放大器。误差放大器和积分器可以被组合到一个模拟或数字电路中。电流模式脉冲宽度调制器包括比较器以确定输入电流斜坡信号SICR的第一电压水平何时超过电流设定点信号SCSP的第二电压水平。当SPC的输出电流小于最小输出电流阈值时生成用于抑制控制脉冲略过的信号。
在那些或其它情形中，电流模式脉冲宽度调制器包括略过控制器，其被编程以在时钟信号和比较器的输出信号未被声明时引起一系列的控制脉冲的控制脉冲的生成；在声明了时钟信号和比较器的输出信号中的至少一个并且SPC的输出电流没有上升到最小输出电流阈值之上时引起该一系列的控制脉冲的控制脉冲的生成；和/或当声明了时钟信号和比较器的输出信号中的至少一个并且SPC的输出电流已经上升到最小输出电流阈值之上时引起控制脉冲生成的略过。时钟信号是在SPC的输出电流上升到最小输出电流阈值之上时被声明的。比较器是基于对输入电流斜坡电压波形和电流设定点电压波形的比较的结果而被声明的。当已经达到略过限制并且在输出电流变压器的磁芯中的通量朝向饱和移动时关闭SPC。
附图说明
将参照随后的绘制图来描述本解决方案，在绘制图中贯穿各图相同的数字表示相同的项。
图1是示例性电子保护电路的示意性图示；
图2是用于在图1中示出的功率转换器和输出电流传感器的示例性架构的示意性图示；
图3A提供了示出用于图1至图2中的功率转换器的在正常操作期间的示例性波形的示图；
图3B提供了示出用于图1至图2中的功率转换器的在略过情况下的示例性波形的示图；
图3C提供了示出用于图1至图2中的功率转换器的在关闭情况下的示例性波形的示图；
图4A提供了示出用于图1中的电流模式脉冲宽度调制器的在正常操作期间的示例性波形的示图；
图4B提供了示出用于图1中的电流模式脉冲宽度调制器的在略过期间的示例性波形的示图；
图4C提供了示出用于图1中的电流模式脉冲宽度调制器的在关闭期间的示例性波形的示图；
图5是用于在图1中示出的反馈控制器的示例性架构的示意性图示；
图6是对于理解在图1中示出的略过控制器的操作而言有用的示例性方法的流程图；
图7提供了用于在图1中示出的略过计数器的示例性架构的示意性图示。
具体实施方式
本公开关注于实现用于提供用于诸如正向功率转换器的SPC的短路保护的系统和方法。方法实现如下的控制算法：该控制算法使得能够在以下的情况下进行SPC的安全操作：SPC的输出端子180、182在跨负载的低阻抗连接的情况下一起被短路。该控制算法牵涉测量SPC的输入电流和输出电流。
在诸如正向功率转换器的一些SPC中，因为电流变压器提供在SPC的输出和控制电路之间的电隔离以及对电噪声的高度免疫性，所以有利的是替代使用电流分流器直接测量直流（“DC”）输出电流而通过使用电流变压器感测在输出整流器中的脉冲电流来间接地测量输出电流。电流分流器不提供电隔离并且它们产生的小的输出信号易于由于电噪声而受到破坏。在一些SPC中，不能使控制脉冲的占空比足够小以防止在负载阻抗异常低时的过量的输出电流，因而可以略过一些脉冲以便防止输出电流变得过量。重复的连续的脉冲略过可能引起使用电流变压器的一些输出电流传感器由于电流变压器磁芯的饱和而发生故障，由此妨碍使用脉冲略过的一些SPC提供对于短路负载情况的充分的保护。本解决方案应对该问题。
现在参照图1，提供了具有用于SPC 110的保护电路的示例性SPC 100的示意性图示。SPC 110可以包括任何已知的或将是已知的功率转换器，其中可以通过与整流二极管串联地连接的电流变压器来间接地测量输出电流。例如，在一些情形中，SPC 100是正向功率转换器。正向功率转换器提供输入—输出接地隔离以及步进降低或步进升高功能。在这种情况下，SPC 100接收来自电压源（未示出）的输入电压Vin并且输出向负载供给的增加/降低的输出电压VOUT。在图3A、图3B和图3C中提供了示出SPC 110的示例性输出电压VOUT的示图。
在图2中提供了用于SPC 110的示例性架构的示意性图示。如在图2中示出的那样，SPC 110包括：开关202、204；电流变压器206、208；变压器210；电感214；二极管整流器216（由二极管218至二极管224构成）和输入电流传感器228（由二极管230至二极管238构成）。这些列出的电子部件202至电子部件242中的每个是在本领域中熟知的，并且因此将不在此描述。仍然应当理解的是，在一些情形（诸如在图1中示出的情形）中，开关202、204包括N沟道类型的增强型金属氧化物半导体FET（“MOSFET”），并且二极管整流器216包括全波桥式整流器。在这点上本解决方案不受限制。
每个MOSFET具有分别被定义为源极、栅极和漏极的三个（3）端子。关于第一MOSFET202，源极、栅极和漏极端子被分别地利用参考标号250、252、254标识。第二MOSFET 204的源极、栅极和漏极端子被分别地利用参考标号256、258、260标识。提供了从每个MOSFET 202、204的源极到漏极的电路径。该路径在此一般被称为源极—漏极路径。
如在图2中示出的那样，每个MOSFET 202、204的栅极被连接以便接收来自外部设备（例如，图1中的电流模式脉冲宽度调制器102）的控制脉冲1501或1502。在图3A至图3C中提供了示出示例性控制脉冲1501、1502的示图。控制脉冲1501、1502引起MOSFET 202、204在它们的“导通”状态和“断开”状态之间转换。当MOSFET 202或204处于它的“导通”状态时，电流IDS从它的漏极254、260流动到它的源极250、256。
MOSFET 202的源极—漏极路径与电流变压器206的初级绕组206A和变压器210的初级绕组210A串联地连接。这些电子部件202、206A、210A是跨输入线路270、272而连接的。相似地，MOSFET 204的源极—漏极路径与电流变压器208的初级绕组208A和变压器210的初级绕组210B串联地连接。这些电子部件204、208、210B是跨输入线路270、272而连接的。输入线路270电耦合到电压源（未示出），从该电压源供给VIN。输入线路272被电耦合到大地。
在操作期间，MOSFET 202、204经由控制脉冲1501、1502而被选择性地“接通”和“关断”，从而脉冲电流274和276在变压器210中流动。脉冲电流274和276引起将由变压器210的次级绕组210C产生的感生次级电流。感生次级电流流动通过二极管整流器216。二极管整流器216生成经整流的脉冲292、294。经整流的脉冲292、294流动通过输出电流传感器116，输出电流传感器116对其进行监控以产生输出信号SOC，输出信号SOC表示通过输出端子180、182流动到负载（未示出）的输出电流。
特别地，电感器214是滤波器输出滤波电感器。整流二极管的输出是脉冲电压。电感器214使向负载供给的电流平滑。在图3A至图3C中提供了示出示例性电感器电流的示图。
为了控制控制脉冲1501、1502的持续时间的目的并且为了检测低阻抗或短路情况，还对SPC 110A和110B的输入电流进行监控。在这点上，SPC 110还包括输入电流传感器228。输入电流传感器228包括二极管230至二极管238，并且能够检测SPC 110的输入电流和经由变压器206、208的次级绕组206B、208B生成感生的次级电流。感生的次级电流流动到二极管230、236。二极管230、236的输出被称为输入电流斜坡信号SICR。在图3A至图3C中提供了示出示例性输入电流斜坡信号SICR的示图。
二极管230、236确保电流仅仅在方向298上流动，并且不在反向方向上流动。二极管232、238允许跨电流变压器206、208的电压的极性在开关时段结束之后反转。电流变压器206、208的磁化电流流动通过二极管232、238进入到齐纳二极管234中，直到它们耗散为止。这重置了电流变压器206、208的芯中的通量。齐纳二极管234限制电压将达到的负值的程度。典型地，对于齐纳二极管234（例如，68伏特二极管）而言击穿电压将是在十（10）至一百（100）伏特的范围中。增加击穿电压使重置电流变压器206、208的芯所要求的时间减少。
再次参照图1至图2，脉冲292、294（来自SPC 110的输出）流动到输出电流传感器116。输出电流传感器116包括电流变压器122、124和传感器184。特别地，在一些情形中，提供了单个而不是两个电流变压器（例如，当功率转换器具有单端输出时）。每个电流变压器122、124在其次级绕组122B、124B中产生脉冲电流。这些电流在此被称为感生次级电流140、142。每个感生次级电流140、142是与在相应的电流变压器的初级绕组中所测量的电流136、138成比例的。在图3A至图3C中示出了示出示例性电流136、138的示图。感生次级电流140、142适合于由传感器184测量。
在一些情形中，传感器184包括但是不限制于如在图2中示出的那样布设的二极管244至二极管252。二极管244至二极管252促进检测感生次级电流140、142和生成与检测到的电流成比例的输出电流信号SOC。在图3A至图3C中示出了示例性输出电流信号SOC。更具体地，二极管244、248确保电流在方向299上流动并且不在反向方向上流动。二极管246、252允许跨输出电流变压器122、124的电压的极性在整流二极管220、224的导通时段结束之后反转。电流变压器的磁化电流通过二极管246、252进入到齐纳二极管250中直到它们耗散为止。这重置了电流变压器芯中的通量。齐纳二极管250限制电压将达到的负值的程度。典型地，对于齐纳二极管250（例如，68伏特二极管）而言击穿电压将是在十（10）至一百（100）伏特的范围中。增加击穿电压使重置电流变压器122、124的芯所要求的时间减少。图2示出了被配置为产生正电流299的输出电流传感器116，但是在一些情形中负输出电流299可能是想要的。在这样的情形中，二极管244至二极管250的极性定向被从在图2中所示出的极性定向反转。
如在图1中示出的那样，输出电流信号SOC被传给反馈控制器114。输出电流信号SOC包括复制整流器电流292、294的波形之和的信号，并且因此表示按电流变压器的初级—次级匝数比成比例降低的输出负载电流。在图3A至图3C中提供了示例性输出电流信号SOC。
在反馈控制器114处，输出电流信号SOC被处理以生成电流设定点信号SCSP。反馈控制器114向电流模式脉冲宽度调制器102供给电流设定点信号SCSP以用于在随后的比较操作中使用。
在图5中提供了用于反馈控制器114的示例性架构的示意性图示。如在图5中示出的那样，反馈控制器114包括误差放大器504和积分器508。图5是功能图，并且反馈控制器114可以包括模拟或数字电路。误差放大器和积分器是在本领用中所熟知的，并且因此在此将不详细地描述。仍然应当理解的是，在误差放大器504处，将输出电流信号SOC的电压与由外部控制器（未示出）设定的输出电流设定点信号502的参考电压进行比较。
参考电压是依照特定的应用而选择的。例如，在一些情形中，SPC 110意图向负载供给预定的电流水平。负载可以包括但是不限制于电弧喷射或霍尔推进器。SPC 100的外部控制器使用某准则来确定在时间上的特定点处适当的电流水平是什么。该准则是特定于应用的。例如，准则可以包括但是不限制于调节向负载供给的电压或功率以控制推力。
在两个信号SOC、502的电压之间的任何差引起误差放大器504的输出电压增加或降低。如果在两个信号SOC、502的电压之间不存在差，则那么误差放大器的输出电压是零。误差放大器504的输出被称为补偿电压误差信号506。补偿电压误差信号506流动到积分器508。
在积分器508处，基于补偿电压误差信号506而生成电流设定点信号SCSP。电流设定点信号SCSP的电压近似地是补偿电压误差信号506的电压的时间积分。在一些情形中，反馈控制器114可以是在没有积分器508的情况下而构造的，并且简单地使用由误差放大器504提供的成比例的控制。附加地，在一些情形中，如有必要确保针对特定情形的稳定性那样，在本领域中已知的附加的补偿电路可以被添加到反馈控制器114。
再次参照图1，电流模式脉冲宽度调制器102一般地被配置为：（a）确定开关周期的开始时间，在开关周期期间，控制脉冲1501、1502出现；和（b）确定控制脉冲1501、1502的持续时间。在这点上，电流模式脉冲宽度调制器102包括：时钟104；比较器108；和略过控制器106。部件104至部件108共同地操作以生成在导通和断开之间切换的方波信号。方波信号包括控制脉冲1501、1502的序列。在图3A至图3C和图4A至图4B中提供了示出示例性控制脉冲的序列的示图。
一般地提供时钟104以协调电流模式脉冲宽度调制器102和略过计数器112的动作。对应地，时钟104包括但是不限制于时钟生成器。时钟生成器是在本领域中所熟知的，并且因此在此将不描述。任何已知的或将是已知的时钟生成器可以在此在没有限制的情况下使用。
在所有的情形中，时钟生成器生成在高状态和低状态之间振荡时钟信号152、154。在图4A至图4C中提供了示出示例性时钟信号152、154的示图。特别地，在诸如图4A中示出的情形的一些情形中，时钟信号152直到输出电流136、138上升到最小输出电流阈值之上为止才出现，因为在非常低的输出电流水平处，当时钟信号152为高时出现比较器108为高可能不是忽略应当出现的可靠的指标。时钟信号152、154包括具有固定的恒定频率的方波，但是在一些情形中频率可能是变化的。时钟信号152被传给略过控制器106。如在图4B中所示出的那样，略过控制器106在时钟信号152的上升边缘处变成激活的。时钟信号154被传给略过计数器112。略过计数器112在时钟信号154的上升边缘处变成激活的，并且当略过信号190被声明时对被略过的周期的数量进行计数。
如在图4A中所示出的那样，提供了短划线以图示控制脉冲1501或1502开始于时钟信号154的前边缘处。提供了长划线以图示当比较器108的输出电压VCOM波形是“导通”时控制脉冲1501或1502结束。由于如下而在此使用了词语“导通”而不是高：取决于正在使用的比较器的类型或者为了方便，当输入电流斜坡电压波形超过电流设定点电压波形时比较器输出电压VCOM可能被声明为低或者高。在此将使用词语“断开”来表示“导通”的反义词。
如在图4B中示出的那样，提供了两条（2）虚线以示出：（a）当比较器108的输出电压VCOM和时钟信号152两者都被声明时开始略过；并且（b）当该条件不再为真时停止略过。
特别地，电流斜坡波形脉冲的前边缘具有开关噪声尖峰。时钟信号154的宽度被设定，从而比较器108的输出电压VCOM波形在噪声尖峰结束之后结束的时间段内被抑制。这是存在用于控制脉冲的最小脉冲宽度或占空比的一个原因。存在许多用于抑制噪声尖峰的影响(或者“前沿消隐（“LEB”）”的已知的方法。在此没有提供其细节。特定的实现可以依赖于除时钟信号154的宽度以外的事物以实现LEB。LEB的持续时间限制控制脉冲1501和1502的最小持续时间。
控制脉冲1501和1502的持续时间相比于开关时段的比率被称作占空比。LEB的持续时间设定用于SPC 110的最小占空比。在一些情形中，可以对最小占空比设置进一步的约束。在诸如当电感器214中的电流在开关时段内没有降到零时的一些情形中，SPC 110的输出电压是与占空比成比例的。在当负载阻抗变成异常低时的一些情形中，最小占空比可能不是足够小以防止过量的输出电流流动通过输出端子180、182。在这些情形中，一个或多个控制脉冲1501和1502可以被略过以将输出电流限制到安全水平。
除了确定控制脉冲1501和1502的脉冲宽度之外，当输入电流斜坡信号SICR的电压水平超过接近一系列的控制脉冲1501或1502中的接下来的控制脉冲的开始时间的电流设定点信号SCSP时比较器108还促进略过该系列的控制脉冲1501或1502中的至少一个控制脉冲。像这样，比较器108包括具有反向输入端子155、非反向输入端子156和开关输出端子158的放大器。电流设定点信号SCSP是从反馈控制器114供给到反向输入端子155的。输入电流斜坡信号SICR是从SPC 110供给到反向输入端子156的。
在正常的操作情况下，在每个开关周期的开始时与反向输入端子155相比非反向输入端子156处于更低的电压（即，SICR<SCSP），因此在输出端子158处的VCOM信号是断开的。当开关202或204在开关周期的开始时由控制脉冲接通时，电感器214中的电流开始上升并且因此脉冲初级电流274和276也开始上升并且这引起SICR以斜坡波形上升。当与反向输入端子155相比非反向输入端子156处于稍微更高的电压时（即，SICR>SCSP），在输出端子158处的VCOM信号接通并且无论哪个导通的开关都被关断，直到接下来的开关周期开始为止。
现在参照图1和图5，当负载的阻抗足够低以至于不能使占空比足够低以将输出电流保持在由输出电流设定点信号502所命令的值处时，电流设定点信号SCSP将被从它的典型值减小并且在一些情形中可以具有反转的极性。最终，当时钟152为高时，在接近于开关周期的开始，与非反向输入端子156相比反向输入端子155将处于更低的电压（即SCSP<SICR），并且略过控制器106将引起略过即将到来的开关周期，这意味着在该开关周期期间控制脉冲1501、1502将不被接通。
略过控制器106生成具有基于预定的开关周期的所选择时段的控制脉冲1501、1502。控制脉冲1501、1502具有用于控制SPC 110（其具有最小占空比并且因此需要脉冲略过以处理短路）中的至少一个开关202、204（例如MOSFET）的状态的至少最小的持续时间。控制脉冲1501、1502是基于开关周期的预定的开始时间、开关周期的时段、电流设定点信号SCSP和输入电流斜坡信号SICR而产生的。以下通过图6的讨论，其中基于列出的准则产生控制脉冲的方式将进一步变得明显。
当就在控制脉冲1501、1502的开始时间之前比较器108感测到输入电流斜坡信号SICR的电压超过电流设定点信号SCSP的电压时，略过控制器106引起控制脉冲1501、1502被略过。当异常低的负载阻抗（诸如短路）被连接在SPC 110的输出端子180、182之间时，就在接下来的控制脉冲的开始时间之前出现输入电流斜坡信号的电压超过电流设定点信号的电压的情况。在该情况下，由于控制脉冲1501、1502的最小持续时间，输出电流不能被维持在设定点水平之下。
略过控制器106向略过计数器112提供略过信号190。在图4A至图4C中提供了示出示例性略过信号的示图。略过信号190指示开关周期已经被略过。脉冲略过允许输出电流被维持到安全水平。
电流变压器122、124的磁芯可能在当许多开关周期被略过时的时间期间变得饱和。这可能在存储在输出电感器214中的能量在没有开关的时段期间迫使电流通过电流变压器122、124时出现。在正常的开关期间的每个周期重置电流变压器122、124的磁芯。当在足够长的略过事件之后出现开关时，输出电流传感器116可能在电流变压器122、124的磁芯是饱和的或者朝向饱和移动时提供不准确的输出电流信号。不准确的输出电流信号可能妨碍反馈控制器有效地将SPC 110的输出电流限制到安全水平。因此想要的是，当通过略过计数器112计数了一定数量的略过周期从而已经略过了多于预定数量的开关周期时关闭SPC—当已经达到该一定数量的略过周期时略过计数器112产生关闭信号148。
在一些情形中，略过控制器106被（例如数字地）实现在如下中：现场可编程门阵列（“FPGA”）、专用集成电路（“ASIC”）、通用处理器（“GPP”）或使用算法而编程的可编程逻辑设备（“PLD”）。FPGA、ASIC、GPP和PLD在本领域中是熟知的并且因此在此将不进行描述。在没有限制的情况下，在此可以利用任何已知的或将是已知的FPGA、ASIC、GPP和PLD。例如，FPGA具有部件编号RTAX250S-CQ208V并且是从在加利福尼亚州亚里索维耶荷具有总部的Microsemi公司可获得的。附加地，在此可以使用任何编程语言以用于实现算法。例如，依照在图6中示出的流程图，使用VHSIC硬件描述语言（“VHDL”）来对FPGA进行编程。本解决方案并不限制于该示例的细节。还可以在用于实现略过控制器106的同一FPGA内实现时钟104、略过计数器112和反馈控制器114。
返回到图1，提供了略过计数器112以引起开关周期停止。在这点上，略过计数器112生成关闭信号148并且将其提供给电流模式脉冲宽度调制器102和反馈控制器114。在图4C中提供了示出示例性关闭信号的示图。关闭信号148可以引起控制环路被重置。在以下情况下提供关闭信号148：（a）在已经略过了预定数量的开关周期之后；或者（b）在已经略过了多于预定数量的开关周期的情况下，如果已经流逝了预定的时间间隔的话。如果在关闭信号148已经出现之前略过信号190被移除，则重置略过计数器112。关闭信号148被锁存，直到：（a）在存储在SPC 110的输出电感器214中的能量上的衰减之后的预定时间间隔之后略过计数器112已经被重置；或者（b）略过计数器112已经被外部信号重置。
现在参照图6，提供了由略过控制器106实现的方法600的流程图。如在图6中示出的那样，方法600以步骤602开始并且以步骤604而继续，在步骤604处SPC 110被接通，关闭信号148被关断（例如，设定为低或高），并且略过计数器112被重置。在接下来的步骤606中，开始脉冲宽度调制（“PWM”）周期以用于生成控制脉冲1501或1502的序列中的控制脉冲。PWM周期在此还被称为开关周期。PWM周期的持续时间在时钟信号152的脉冲的前边缘上开始，并且此后在步骤608中重置电流模式脉冲宽度调制器102。
当完成步骤608时，执行步骤610至步骤632以或者生成控制脉冲或者略过PWM周期（或者换句话说，略过控制脉冲的生成）。在这点上，应当注意的是，控制脉冲是基于PWM周期的预定的开始时间、PWM周期的时段、电流设定点信号SCSP和输入电流斜坡信号SICR而生成的。随着讨论进展，这将变得更加明显。仍然应当理解的是，电流设定点信号SCSP和输入电流斜坡信号SICR是通过使用比较器108而被考虑进来的。像这样，为了以上说明的目的，在方法600中由略过控制器106使用比较器108的输出电压VCOM。
如在图6中示出的那样，执行决定步骤610以确定时钟信号152和/或比较器108的输出信号VCOM是否是导通的或激活的（例如，设定为高或低）。例如，如在图4B中示出的那样，如果这些信号中的一个未被声明（例如，低）[610：否]，则那么执行PWM周期，其中在步骤612至步骤622中生成控制脉冲1501或1502。相反，如果这些信号两者都被声明（例如，高）[610：是]，则那么略过控制器106在步骤626至步骤632中执行略过操作。本解决方案不限制于该示例的细节。替换地，当被设定为低而不是设定为高时，信号可以被认为是导通的或激活的。
再次参照图6，当做出了信号152、VCOM中的一个未导通或者未被声明[610：否]的确定时，方法600利用步骤612至步骤622而继续。步骤612至步骤622牵涉：重置略过计数器112；在时钟信号154的前边缘上开始控制脉冲；等待直到时钟信号154的后边缘为止；以及如在决定步骤618中示出那样当比较器108的输出电压VCOM为导通以及/或者已经达到最大控制脉冲持续时间时结束控制脉冲宽度。在PWM周期的结束时，方法600返回到步骤606，在步骤606处开始接下来的PWM周期。
在PWM周期被略过之前，必须满足一个或多个限定条件。特别地在一些情形中，该限定条件可能不是必要的。该限定条件与输出电流SOC关联。如由图6的决定步骤626示出的那样，做出关于输出电流SOC是否已经上升到最小输出电流阈值之上的确定。如果输出电流SOC尚未上升到最小输出电流阈值之上[626：否]，则那么方法600利用步骤612至步骤622而继续，在步骤612至步骤622中生成控制脉冲。以上讨论了这些步骤612至步骤622。
相反，如果输出电流136、138已经上升到最小输出电流阈值之上[626：是]，则执行步骤628，在步骤628处使略过计数器112递增。接下来在步骤630中，做出关于是否已经达到略过限制的决定。如在此所使用的术语“略过限制”是指在略过信号190被设定为高（或者替换地设定为低）之后应当被略过的PWM周期的最大数目。例如，如在图4B中示出的那样，在由第一虚线（即，最左边的竖向虚线）指示的时间t处略过信号190被设定为高。此后，在接下来的N个PWM周期中没有生成控制脉冲1501和1502，其中N是整数（例如，小于被指明为略过限制的预定数值（诸如十二）的任何整数）。在第N个PWM周期结束之后，如由第二虚线（即，最右边的虚线）示出的那样，略过信号190被设定为低（或者替换地设定为高）。随后，可以再次生成控制脉冲1501和1502。因此，如在图6中示出的那样，方法600在其中为如下的一些情形中利用步骤622继续：尚未达到略过限制（例如12个PWM周期）并且电感器214并未趋向于不准确的操作（即，电感器214的电流已经放电以便返回到零或者电感器的磁芯中的通量并非正朝向饱和移动）[630：否]。
在诸如在图4C中示出的情况的其它情况下，当因为输出电流变压器122和124趋向于不准确的操作（即，电感器214的电流尚未充分放电以便返回到零，使得在输出电流变压器122和124的磁芯中的通量正朝向饱和移动）所以达到略过限制时[630：是]，不生成控制脉冲1501和1502。注意，电路实际上不知道是否即将发生饱和，其只是在已经达到略过限制时关闭。电路设计者基于对何时可能发生饱和的分析来设定允许的略过周期的数量。相应地，方法600利用步骤632继续，在步骤632处SPC 110被关闭以防止对SPC 100的损坏或进一步的损坏。随后，执行步骤634，在步骤634处方法600结束或者执行其它的处理。
在图7中提供了用于略过计数器112的示例性架构的示意性图示。如在图7中示出的那样，略过计数器112包括串联地布设的多个触发器7021、7042、……702N-1、702N。在一些情形中，触发器的总的数目是基于略过限制值（例如12）而选择的。例如，如果略过限制值是十二（12），则那么提供十二（12）个触发器。至第一触发器7021的输入是略过信号190和时钟信号154。第一触发器7021的输出被传至第二第一触发器7022的输入，并且以此类推。所有的触发器7021、7042、……702N-1、702N被连接以便接收重置信号192。本解决方案不限制于在图7中示出的略过计数器架构。

Claims (19)

1.一种用于提供用于开关功率转换器（“SPC”）的短路保护的系统，包括：
输入电流传感器，其被电连接以检测SPC的输入电流并且被配置为生成表示检测到的输入电流的输入电流斜坡信号SICR；
输出电流传感器，其被电连接以通过使用至少一个电流变压器感测流动通过SPC的输出整流器的脉冲电流从而检测SPC的输出电流，并且被配置为生成表示检测到的输出电流的输出电流信号SOC；
反馈控制器，其被电连接到输出电流传感器并且被配置为生成电流设定点信号SCSP，电流设定点信号SCSP具有基于从所检测到的在输出电流信号SOC和基准信号之间的差得出的误差信号的电压；和
电流模式脉冲宽度调制器，其被电连接到反馈控制器并且被配置为：
生成要被供给到SPC以用于选择性地将SPC的至少一个开关在导通状态和断开状态之间转换的一系列的控制脉冲，控制脉冲中的每个脉冲在开关周期的预定的开始时间开始，并且或者在输入电流斜坡信号SICR超过电流设定点信号SCSP时或者在脉冲的持续时间达到预定的最大值时结束，
当输入电流斜坡信号SICR的第一电压水平超过接近所述一系列的控制脉冲中的接下来的控制脉冲的开始时间的电流设定点信号SCSP的第二电压水平时，略过所述一系列的控制脉冲中的至少一个控制脉冲的生成，当在SPC的操作期间在SPC的各输出端子之间连接了异常低的负载阻抗时第一电压水平超过第二电压水平，以及
如果多于预定数量的连续的开关周期被略过，则停止SPC的操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中在SPC的正常操作期间，输入电流斜坡信号SICR小于在每个开关周期的开始时的电流设定点信号SCSP。
3.根据权利要求1所述的系统，其中仅仅当输出电流信号SOC超过预定的阈值时才允许进行脉冲略过。
4.根据权利要求1所述的系统，其中当SPC的输出电流小于预定的阈值时，阻断脉冲略过。
5.根据权利要求1所述的系统，其中当SPC的输出电流小于最小输出电流阈值时，生成用于抑制控制脉冲略过的信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其中电流模式脉冲宽度调制器包括略过控制器，其被编程以在时钟信号和比较器的输出信号未被声明时引起所述一系列的控制脉冲中的控制脉冲的生成，时钟信号是在SPC的输出电流上升到最小输出电流阈值之上时被声明的，并且比较器是基于输入电流斜坡电压波形与电流设定点电压波形的比较的结果而被声明的。
7.根据权利要求1所述的系统，其中电流模式脉冲宽度调制器包括略过控制器，其被编程以在（a）时钟信号和比较器的输出信号中的至少一个被声明时以及（b）在正常操作期间SPC的输出电流尚未上升到最小输出电流阈值之上时引起所述一系列的控制脉冲中的控制脉冲的生成。
8.根据权利要求1所述的系统，其中电流模式脉冲宽度调制器包括略过控制器，其被编程以在（a）时钟信号和比较器的输出信号中的至少一个被声明时以及（b）SPC的输出电流已经上升到最小输出电流阈值之上时引起控制脉冲生成的略过。
9.一种用于提供免遭短路的保护的电路，包括：
电流模式脉冲宽度调制器，该电流模式脉冲宽度调制器：
接收来自功率转换器的输入电流斜坡信号，电流模式脉冲宽度调制器被连接到该功率转换器；
接收来自反馈控制器的电流设定点信号，其中反馈控制器连接到输出电流传感器和电流模式脉冲宽度调制器，并且输出电流传感器被连接到功率转换器；以及
向功率转换器提供一系列的控制脉冲，控制脉冲基于开关周期的预定的开始时间、开关周期的时段、输入电流斜坡信号和设定点信号，以及
电流模式脉冲宽度调制器的略过控制器，当输入电流斜坡信号超过接近所述一系列的控制脉冲的接下来的一个的开始时间的电流设定点信号时，该电流模式脉冲宽度调制器的略过控制器引起所述一系列的控制脉冲中的一个被略过。
10.根据权利要求9所述的电路，进一步包括：
计数器，其响应于预定数量的控制脉冲被略过而向反馈控制器提供关闭信号；
其中计数器被连接到反馈控制器和电流模式脉冲宽度调制器。
11.一种用于提供用于开关功率转换器（“SPC”）的短路保护的方法，包括：
检测开关功率转换器（“SPC”）的输入电流；
生成表示检测到的输入电流的输入电流斜坡信号SICR；
通过使用至少一个电流变压器感测流动通过SPC的输出整流器的脉冲电流从而检测SPC的输出电流；
生成表示检测到的输出电流的输出电流信号SOC；
生成电流设定点信号SCSP，电流设定点信号SCSP具有基于从所检测到的在输出电流信号SOC和基准信号之间的差而得出的误差信号的电压；
生成要被供给到SPC以用于选择性地将SPC的至少一个开关在导通状态和断开状态之间转换的一系列的控制脉冲，控制脉冲中的每个脉冲在开关周期的预定的开始时间开始，并且在或者在输入电流斜坡信号SICR超过电流设定点信号SCSP时或者在脉冲的持续时间达到预定的最大值时结束；
当输入电流斜坡信号SICR的第一电压水平超过接近所述一系列的控制脉冲中的接下来的控制脉冲的开始时间的电流设定点信号SCSP的第二电压水平时，略过所述一系列的控制脉冲中的至少一个控制脉冲的生成，当在SPC的操作期间在SPC的各输出端子之间连接了异常低的负载阻抗时第一电压水平超过第二电压水平；和
如果多于预定数量的连续的开关周期被略过，则停止SPC的操作。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在SPC的正常操作期间，输入电流斜坡信号SICR小于在每个开关周期的开始时的电流设定点信号SCSP。
13.根据权利要求11所述的方法，其中仅仅当输出电流信号SOC超过预定的阈值时才允许进行所述略过。
14.根据权利要求11所述的方法，其中当SPC的输出电流小于预定的阈值时，阻断所述略过。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括当SPC的输出电流小于最小输出电流阈值时生成用于抑制控制脉冲略过的信号。
16.根据权利要求11所述的方法，其中当时钟信号和比较器的输出信号未被声明时生成所述一系列的控制脉冲中的控制脉冲，时钟信号是在SPC的输出电流上升到最小输出电流阈值之上时被声明的，并且比较器是基于输入电流斜坡电压波形与电流设定点电压波形的比较的结果而被声明的。
17.根据权利要求11所述的方法，其中在（a）时钟信号和比较器的输出信号中的至少一个被声明时以及（b）在正常操作期间SPC的输出电流尚未上升到最小输出电流阈值之上时，生成所述一系列的控制脉冲中的控制脉冲。
18.根据权利要求11所述的方法，其中在（a）时钟信号和比较器的输出信号中的至少一个被声明时以及（b）SPC的输出电流已经上升到最小输出电流阈值之上时，略过控制脉冲生成。
19.根据权利要求1所述的系统，其中电流设定点信号SCSP的电压基于误差信号的电压的时间积分。
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