CN110034677A - 具有充电电流缩减的功率级电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以频率调制的过电流保护方法，用于电压调节器，所述电压调节器具有高侧开关、低侧开关以及电感，所述方法包括以下步骤。首先，在低侧开关导通期间，将电压调节器的电感电流信号与低侧导通参考电流信号比较以获得交越区间，其中在所述交越区间中电感电流信号大于低侧导通参考电流信号。然后，依据交越区间的时间长度线性地降低电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率，借此用以避免电压调节器产生过电流的情况。

Description

具有充电电流缩减的功率级电路
技术领域
本发明有关于一种过电流保护方法，且特别是一种用于电压调节器的以频率调制的过电流保护方法及其电路。
背景技术
请参照图1，图1是传统的电压调节器的电路图。电压调节器是用以将输入电压调整为输出电压的电压调整电路。一般的电压调节器具有高侧开关120、低侧开关130以及电感140，而高侧开关120与低侧开关130则受控于控制电路110。高侧开关120电性连接电压输入端Vin与电感140的第一端，低侧开关130电性连接电感140的第一端与接地端150，电感140的第二端连接电压输出端Vout。控制电路110交替地导通高侧开关120与低侧开关130，以调整输出端Vout的输出电压。当高侧开关120导通时，电感电流IL上升，其上升期间可以高侧开关120导通时的高侧开关导通期间HS表示，当低侧开关130导通时，电感电流IL下降，其下降期间可以低侧开关130导通时的低侧开关导通期间LS表示。
当输入端Vin和输出端Vout的电压相差越大，高侧开关的过电流的保护变化量也会越大。当输入端Vin的电压和输出端Vout的电压相差很多时，高侧开关导通期间HS的电流斜率会相当大，使得电感电流IL的改变速度相当快。由于控制电路110会依据感测到的电感电流IL大小而对开关的切换做调整，当电感电流IL的改变速度过快时，控制电路110进行反应操作时的电感电流IL已经不是原先感测到的电感电流IL的数值，如此会使得过电流保护机制会有所变异性。当输出端被短路或被瞬间抽过大电流值时，会导致输出端Vout的输出电压下降，或者高侧最小导通时间超过工作周期转换比时间(D＝Vout/(Vin×fsw))，使得每一个高侧开关导通期间HS的电流大于前一个高侧开关导通期间HS的电流，如图2A所示，当电感电流IL没被有效抑制持续上升，且电路持续仍操作时，此可能会造成过大电流甚至导致组件损毁的情况。
发明内容
本发明实施例提供一种用于电压调节器的以频率调制的过电流保护方法及其电路，用以避免电压调节器产生过电流的情况。
本发明实施例提供一种以频率调制的过电流保护方法，用于电压调节器，所述电压调节器具有高侧开关、低侧开关以及电感，所述方法包括以下步骤。首先，在低侧开关导通期间，将电压调节器的电感电流信号与低侧导通参考电流信号比较以获得交越区间，其中在所述交越区间中电感电流信号大于低侧导通参考电流信号。然后，依据交越区间的时间长度线性地降低电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率，也就是依据交越区间的时间长度对应地来增加当下低侧导通时间，亦即让当下脉冲宽度调制信号频率降低。
本发明实施例提供一种以频率调制的过电流保护电路，用于电压调节器，所述电压调节器具有高侧开关、低侧开关以及电感，此以频率调制的过电流保护电路包括电感电流感测单元以及控制电路。电感电流感测单元电性连接电感，用以感测电感额电流以获得电感电流信号。控制电路电性连接高侧开关以及低侧开关，用以控制高侧开关以及低侧开关，其中控制电路在低侧开关导通期间，将电压调节器的电感电流信号与低侧导通参考电流信号比较以获得交越区间，在所述交越区间中电感电流信号大于低侧导通参考电流信号，控制电路依据交越区间的长度线性地降低电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率。
综上所述，本发明实施例提供一种用于电压调节器的以频率调制的过电流保护方法及其电路，依据低侧开关的导通时的电感电流超过比较基准值(低侧导通参考电流信号)时的交越区间的时间长度而对应地线性地减少脉冲宽度调制信号的频率。也就是说，脉冲宽度调制信号的频率是随着低侧开关的导通时的电感电流超过比较基准值(低侧导通参考电流信号)的程度而线性地减少。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统的电压调节器的电路图。
图2A是传统的电压调节器的电感电流的波形图。
图2B是本发明实施例提供的在低侧开关导通期间的电感电流信号与低侧导通参考电流信号的波形图，其中电感电流信号是通过电感电流感测单元将电感电流信号转成电压形式，而参考电流信号亦以电压形式来表示。
图2C是对应于图2B的交越区间的低侧比较信号的波形图。
图3是本发明实施例提供的以频率调制的过电流保护方法的流程图。
图4是本发明实例提供的当交越区间的时间长度逐渐增加时的脉冲宽度调制信号的频率变化的示意图。
图5是本发明实例提供的控制电路的局部电路方框图。
【附图标记列表】
110： 控制电路
120： 高侧开关
130： 低侧开关
140： 电感
IL： 电感电流
150、250： 接地端
Vin： 输入端
Vout： 输出端
HS： 高侧开关导通期间
LS： 低侧开关导通期间
S310、S320： 步骤流程
VLSOC_ref： 低侧导通电流参考信号
VHSOC_ref： 高侧导通电流参考信号
210： 第一电流感测单元
220： 第二电流感测单元
230、240： 电阻性组件
260、270： 比较器
VSO、Vsum： 电压
LSOCB、HSOC： 比较信号
280： 振荡电路
290： 逻辑单元
PWMin： 脉冲宽度调制信号
CT： 交越区间
具体实施方式
用于电压调节器的以频率调制的过电流保护方法及其电路之实施例
请同时参照图1和图3，图3是本发明实施例提供的以频率调制的过电流保护方法的流程图。本实施例的以频率调制的过电流保护方法，用于电压调节器，例如图1所示，所述电压调节器具有高侧开关120、低侧开关130以及电感140。高侧开关120电性连接电压输入端Vin与电感140的第一端，低侧开关130电性连接电感140的第一端与接地端150，电感140的第二端连接电压输出端Vout。高侧开关120与低侧开关130可以例如是晶体管开关，但本发明并不因此限定。一般而言，作为电压调节器，高侧开关120以及低侧开关130以脉冲宽度调制(PWM)信号的频率交错地导通。高侧开关120导通时，电感140的电感电流IL会上升，以高侧开关导通期间HS表示。低侧开关130导通时，电感140的电感电流IL会下降，以低侧开关导通期间LS表示
所述方法包括以下步骤。首先，在步骤S310中，在低侧开关130导通期间LS，将电压调节器的电感电流信号(对应于电感电流IL)与低侧导通参考电流信号比较以获得交越区间CT，其中在所述交越区间CT中电感电流信号大于低侧导通参考电流信号。低侧导通参考电流信号是作为低侧开关130导通时(低侧开关导通期间LS)的电感电流IL的一个比较基准，例如是图2B与图5的低侧导通参考电流信号VLSOC_ref。交越区间是电感电流IL大于比较基准(低侧导通参考电流信号)的时间区间，如后续的图2B所示，其详细比较方式将在后续进一步说明。而所述电感电流信号是对应于电感电流IL，可以例如在电路的设计上以电压的形式实现，但本发明并不因此限定。当低侧开关130导通期间的电感电流IL大于比较基准(低侧导通参考电流信号)时，则代表电感140上的电感电流IL过大，而将可能产生过电流的情况。所述作为比较基准的低侧导通参考电流信号可以依据实际的电路设计而决定，作为过电流保护(Over Current Protection，OCP)触发操作的依据。也就是说，步骤S310是判断过电流情况是否发生(或者将可能要发生)。然后，在步骤S320中，依据交越区间CT的时间长度线性地降低电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率(亦即，增加当下低侧开关的导通时间)。当交越区间CT的时间长度越长，则脉冲宽度调制信号的频率越低(亦即，增加当下低侧开关的导通时间越长)，当交越区间CT的时间长度越短，则脉冲宽度调制信号的频率越高(亦即，增加当下低侧开关的导通时间越短)。
更进一步，依据此方法步骤，本实施例的以频率调制的过电流保护电路包括电感电流感测单元以及图1的控制电路110。电感电流感测单元电性连接电感140，用以感测电感140的电流以获得电感电流信号。电感电流感测单元例如是图5的第一电流感测单元210或第二电流感测单元220，本技术领域的技术人员应该能容易了解感测电感上的电流的感测电路的实现方式，不再赘述。再如图1所示，控制电路110电性连接高侧开关120以及低侧开关130，用以控制高侧开关120以及低侧开关130，其中控制电路110在低侧开关120导通期间(LS)，将电压调节器的电感电流信号(对应于电感电流IL)与低侧导通参考电流信号比较以获得交越区间CT，在所述交越区间CT中，电感电流信号大于低侧导通参考电流信号，控制电路110依据交越区间CT的时间长度线性地降低电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率。
关于步骤S310的交越区间CT，以及步骤S320的依据交越区间CT的时间长度线性地降低电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率的步骤的实现方式，请同时参照图2A、图2B和图5，图2B是本发明实施例提供的在低侧开关导通期间的电感电流信号与低侧导通参考电流信号的波形图，图5是本发明实例提供的控制电路的局部电路方框图。值得一提的是，图5的控制电路仅是本发明实施例的其中一种实现方式，图5的电路仅是为了帮助说明，基于控制相关的逻辑电路设计，在其他实施例中，也有其他可以实现图3的步骤S310和步骤S320的电路，因此，基于本实施例的说明，本技术领域的技术人员容易通过简单改变而实现其他形式但具有相同功能的控制电路。
如图5所示，将电感电流感测单元以第一电流感测单元210与第二电流感测单元220实现。在高侧开关120导通时的高侧开关导通期间HS时，第一电流感测单元210感测电感电流IL。在低侧开关130导通时的低侧开关导通期间LS时，第二电流感测单元220感测电感电流IL。第一电流感测单元210与第二电流感测单元220也可以是同一个电路，图5的电路表示法仅是用以代表其在不同状态时的输出信号的功能，并非用以限定本发明。
第一电流感测单元210电性连接电阻性组件230，电阻性组件230再电性连接至接地端250，使得电压Vsum是高侧开关120导通时的电感电流信号。比较信号HSOC是通过比较器260将电压Vsum与高侧导通电流参考信号VHSOC_ref做比较而得到。高侧导通电流参考信号VHSOC_ref可以依据实际电路而被设计决定，本发明并不限定。
第二电流感测单元220电性连接电阻性组件240，电阻性组件240再电性连接至接地端250，使得电压VSO是低侧开关120导通时(低侧开关导通期间LS)的电感电流信号。如图2B所示，电压VSO是周期性的信号，在每一个周期内的低侧开关130导通时的电压VSO的波形是如同图2A的。比较信号LSOB是通过比较器270将电压VSO与低侧导通电流参考信号VLSOC_ref做比较而得到。低侧导通电流参考信号VLSOC_ref也可以依据实际电路而被设计决定，本发明并不限定。
比较信号LSOB输入至振荡电路280以线性调整用于脉冲宽度调制信号PWMin的工作频率。振荡电路280输出的信号频率传送至逻辑单元290。逻辑单元依据比较信号HSOC、比较信号LSOB以及振荡电路280输出的信号频率而产生脉冲宽度调制信号PWMin，所述脉冲宽度调制信号PWMin用以控制高侧开关120与低侧开关130的责任周期，同时脉冲宽度调制信号PWMin的工作频率是振荡电路280输出的信号频率。本技术领域的技术人员应容易了解以脉冲宽度调制的电压调节器的工作原理，借此图5的逻辑单元290及其相关的电路操作也是本技术领域的技术人员可以依据实际需要而设计的，在此不再赘述。
基于图5的示范性电路，配合图2A和图2B，若电压调节器的电感电流IL在工作时如图2A的波形逐渐上升(即每一个高侧开关导通期间HS的电流大于前一个高侧开关导通期间HS的电流，且每一个低侧开关导通期间LS的电流大于前一个低侧开关导通期间LS的电流)，则在低侧开关130导通时，本实施例的步骤S310和对应的控制电路的工作，将以电压VSO表示的电感电流IL与低侧导通电流参考信号VLSOC_ref做比较，如图2B所示，可以得到交越区间CT，交越区间CT也就是电感电流IL大于比较基准值(低侧导通电流参考信号VLSOC_ref)的区间。接着，依据交越区间CT，可以得到比较信号LSOCB，比较信号LSOCB代表在每一个周期的交越区间CT的时间长度，在图2C中，交越区间CT是利用比较信号LSOCB的低电压位准(LOW)来表示，但本发明并不因此限定。比较信号LSOCB表示交越区间CT也可以用高电压位准(HIGH)表示。
当电感电流IL越大时，可以发现交越区间CT的时间长度越长，如图2A的电感电流IL越来越大的情况，使得图2C显示的比较信号LSOCB其交越区间CT的时间长度越来越长。借此，本实施例的步骤S320与控制电路可以依据交越区间CT的时间长度线性地降低电压调节器的脉冲宽度调制信号PWMin的频率(亦即，增加当下低侧开关导通时间)。在实施例中，依据图2C的波形，步骤S320可以周期性地调整脉冲宽度变信号PWMin的频率，但本发明并不因此限定。
线性调整脉冲宽度调制信号PWMin的频率的方式，可以例如是用图5的振荡电路280实现，振荡电路280所输出的频率可以依据比较信号LSOCB的交越区间CT的长度增加而以线性逐渐降低。振荡电路280依据比较信号LSOCB线性调整其输出频率，借此逻辑单元290的工作频率可随之线性调整。如图3所示，当图2A的电感电流IL越来越大时，脉冲宽度调制信号PWMin的频率降低的幅度随着交越区间CT的时间长度增加而线性地减少。也就是说，当交越区间CT的时间长度越长(当下低侧开关导通时间就增加越长)，则脉冲宽度调制信号PWMin的频率越低，当交越区间CT的时间长度越短(当下低侧开关导通时间就增加越短)，则脉冲宽度调制信号PWMin的频率越高。如此，使得原本逐渐上升的电感电流IL(如图2A所示的电感电流)可以因为逐渐降低频率的脉冲宽度调制信号PWMin，而被降低，也就是说通过本发明实施例的方法可以抵销因传统上的电路操作所造成的电感电流IL上升的情况，进而达到过电流保护的功效。
实施例的有益效果
综上所述，本发明实施例所提供用于电压调节器的以频率调制的过电流保护方法及其电路，依据低侧开关的导通时的电感电流超过比较基准值(低侧导通参考电流信号)时的交越区间的时间长度而对应地线性地减少脉冲宽度调制信号的频率(亦即，增加低侧开关导通时间，进而让当下脉冲宽度调制信号频率降低)。也就是说，脉冲宽度调制信号的频率是随着低侧开关的导通时的电感电流超过比较基准值(低侧导通参考电流信号)的程度而线性地减少。再者，由本实施例可知，基于交越区间的时间长度，当交越区间的时间长度越长，则脉冲宽度调制信号的频率越低(当下低侧开关导通时间就增加越长)，当交越区间的时间长度越短，则脉冲宽度调制信号的频率越高(当下低侧开关导通时间就增加越短)，如此可达到线性调整脉冲宽度调制信号的频率的目的。
以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

Claims (10)

1.一种以频率调制的过电流保护方法，用于电压调节器，该电压调节器具有高侧开关、低侧开关以及电感，该方法包括：
在该低侧开关导通期间，将该电压调节器的电感电流信号与低侧导通参考电流信号比较以获得交越区间，其中在该交越区间中该电感电流信号大于该低侧导通参考电流信号；以及
依据该交越区间的时间长度线性地降低该电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率。
2.如权利要求1所述的以频率调制的过电流保护方法，其特征在于，该高侧开关以及该低侧开关以该脉冲宽度调制信号的频率交错地导通。
3.如权利要求1所述的以频率调制的过电流保护方法，其特征在于，该脉冲宽度调制信号的频率降低的幅度随着该交越区间的时间长度增加而线性地减少。
4.如权利要求1所述的以频率调制的过电流保护方法，其特征在于，依据该交越区间的时间长度线性地降低该电压调节器的该脉冲宽度调制信号的频率的步骤，是以周期性地调整该脉冲宽度变信号的频率。
5.如权利要求1所述的以频率调制的过电流保护方法，其特征在于，该高侧开关电性连接电压输入端与该电感的第一端，该低侧开关电性连接该电感的该第一端与接地端，该电感的第二端连接电压输出端。
6.一种以频率调制的过电流保护电路，用于电压调节器，该电压调节器具有高侧开关、低侧开关以及电感，该以频率调制的过电流保护电路包括：
电感电流感测单元，电性连接该电感，用以感测该电感的电流以获得电感电流信号；以及
控制电路，电性连接该高侧开关以及该低侧开关，用以控制该高侧开关以及该低侧开关，其特征在于，该控制电路在该低侧开关导通期间，将该电压调节器的该电感电流信号与低侧导通参考电流信号比较以获得交越区间，在该交越区间中该电感电流信号大于该低侧导通参考电流信号，该控制电路依据该交越区间的长度线性地降低该电压调节器的脉冲宽度调制信号的频率。
7.如权利要求6所述的以频率调制的过电流保护电路，其特征在于，该脉冲宽度调制信号的频率降低的幅度随着该交越区间的时间长度增加而线性地减少。
8.如权利要求6所述的以频率调制的过电流保护电路，其特征在于，依据该交越区间的时间长度线性地降低该电压调节器的该脉冲宽度调制信号的频率的步骤，是以周期性地调整该脉冲宽度变信号的频率。
9.如权利要求6所述的以频率调制的过电流保护电路，其特征在于，该高侧开关电性连接电压输入端与该电感的第一端，该低侧开关电性连接该电感的该第一端与接地端，该电感的第二端连接电压输出端。
10.如权利要求6所述的以频率调制的过电流保护电路，其特征在于，该高侧开关以及该低侧开关以该脉冲宽度调制信号的频率交错地导通。
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