CN111352045B - 检测dc-dc转换器中的开路或短路的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种检测DC‑DC转换器中的开路或短路的电路和方法。使用各种技术，DC‑DC转换器中的每个晶体管可以具有相应的电压检测器，该电压检测器可以将晶体管的第一端子处的第一电压与晶体管的第二端子处的第二电压的差和阈值电压进行比较。然后，基于至少一个比较，控制器可以检测晶体管中一个或多个的开路或短路，而与DC‑DC转换器中的负载电流的方向无关。

Description

检测DC-DC转换器中的开路或短路的电路和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年12月21日提交的、申请号为16/231,008的、名称为“DC-DC转换器的开关故障检测技术”美国专利申请的优先权，出于所有目的通过引用将其整体合并于此。
技术领域
该文件总体上但非限制性地涉及DC/DC转换器，并且更具体地涉及DC/DC转换器中的故障检测。
背景技术
在设计便携式电子设备时，最常见的挑战之一是如何从未稳压的电压源(例如电池)生成并维持稳压电压。通常，为此目的使用电压调节器。电压调节器可以被设计为线性调节器或开关调节器。
线性调节器提供闭环控制以调节负载电压。这种类型的调节器可用于提供恒定的输出电压，该输出电压的幅度要小于未调节的电压源。
相反，开关调节器使用能量存储元件(例如电感器)以离散突发的形式将能量从未稳压电源传输到负载。反馈电路可用于调节能量传递，以在负载处保持恒定电压。由于开关调节器的工作原理是以离散突发方式传输能量，因此可以将其配置为升压或降压未稳压电压源的电压。而且，开关调节器通常比线性调节器更有效。
如今，各种类型的开关调节器通常用于便携式电子设备中。降压转换器是基于电感的调节器，用于降压或降压未稳压的电压源。升压转换器是基于电感的调节器，用于升压或升压未稳压的电压源。在某些应用中，可使用降压-升压转换器来提供与未稳压电压源更高，更低或相同的稳压输出。
发明内容
本公开尤其描述了检测DC-DC转换器中的开路或短路的技术，而与转换器中的负载电流的方向无关。因此，本公开的开关故障检测可以检测单向或双向DC-DC转换器的功率级中的开路或短路。
在一些方面，本公开涉及一种被配置为检测开关模式DC-DC转换器中的开路或短路而与负载电流的方向无关的电路，所述电路包括：跨越所述第一晶体管耦合的第一电压检测器电路，所述第一电压检测器电路被配置为将第一参考电压或输出电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；跨越所述第二晶体管耦合的第二电压检测器电路，所述第二电压检测器电路被配置为将第二参考电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；和控制器，被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
在一些方面，本公开涉及一种检测DC-DC转换器中的开路或短路而与电流方向无关的方法，该方法包括：将跨越第一晶体管的第一参考电压或输出电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；将跨越第二晶体管的第二参考电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；和基于所述比较中的至少一个来检测所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
在一些方面，本公开涉及一种被配置为检测开关模式DC-DC转换器中的开路或短路而与负载电流的方向无关的电路，所述电路包括：第一构件，用于将跨越第一晶体管的第一参考电压或输出电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；第二构件，用于将跨越第二晶体管的第二参考电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；和控制器，被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。并不旨在提供本发明的排他性或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的更多信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文档中讨论的各种实施例。
图1是可以实现本公开的各种技术的降压DC-DC转换器的示例的示意图。
图2A至图2F为图1的降压转换器电路的一部分的简化示意图。
图3是图1的降压DC-DC转换器电路的控制信号和对应的使能信号之间的时序图的示例。
图4是可以实现本公开的各种技术的升压DC-DC转换器的示例的示意图。
图5是可以实现本公开的各种技术的反相降压-升压DC-DC转换器的示例的示意图。
图6是可以实现本公开的各种技术的非反相降压-升压DC-DC转换器的示例的示意图。
图7是可以实现本公开的各种技术的H桥DC-DC转换器的示例的示意图。
图8是可用于实现本公开的各种技术的替代比较器配置的示例的示意图。
图9是图8的窗口比较器的操作的图表的示例。
具体实施方式
本发明人已经认识到需要能够检测DC-DC转换器中的开路或短路，而不管转换器中的负载电流的方向如何。使用本公开的各种技术，DC-DC转换器中的每个晶体管可以具有相应的电压检测器，该电压检测器可以将晶体管的第一端子处的第一电压与晶体管的第二端子处的第二电压之差与阈值电压进行比较。然后，基于至少一个比较，控制器可以检测一个或多个晶体管中的开路或短路，而不管DC-DC转换器中负载电流的方向如何。
图1是可以实现本公开的各种技术的降压DC-DC转换器的示例的示意图。降压转换器电路100可以分别包括第一和第二晶体管M1、M2，它们分别耦合至控制器102并由其控制。特别地，控制器102耦合到第一晶体管M1的控制节点(例如，栅极端子TG)和第二晶体管M2的控制节点(例如，栅极端子BG)。第一和第二晶体管M1、M2例如可以是场效应晶体管(FET)。
电感器104可以耦合到晶体管M1和M2之间的节点SW并且耦合到电容器106。负载(未示出)可以耦合到输出电压VOUT。控制器102可以控制晶体管M1、M2导通和截止以控制电感器104耦合到输入电压VIN的时间。
根据本公开，电压检测器电路可以包括在开关模式DC-DC降压转换器电路100中，以检测开路或短路，而不管负载电流I负载的方向如何。如以下详细描述的，第一电压检测器电路可以跨第一晶体管M1耦合，第二电压检测器电路可以跨第二晶体管M2耦合，并且控制器102可以基于由第一电压检测器电路和第二电压检测器电路执行的比较来检测第一晶体管和第二晶体管中的至少一个的开路或短路，而与转换器电路中的负载电流的方向无关。
在图1的示例配置中，第一电压检测器电路可以包括第一比较器电路COMP1和第二比较器电路COMP2。在一些示例配置中，比较器电路中的至少一个可以包括磁滞比较器。为了说明的目的，第一比较器COMP1和第二比较器COMP2中的每一个被示出为具有三个输入，即VP1、VP2和VN。第一比较器COMP1和第二比较器COMP2中的每个可以跨第一晶体管M1耦合。
第一比较器COMP1的VP1和VP2输入可以分别耦合到节点电压，例如，节点SW处的电压，和第一参考电压，例如，输入电压VIN。第一比较器COMP1的VN输入可以耦合到第一阈值电压VTH1。第一比较器COMP1可以将节点SW处的节点电压与第一参考电压VIN(例如SW电压-VIN)之间的差与第一阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第一输出“O1”。
第二比较器COMP2也可以跨第一晶体管M1耦合，其VP1和VP2输入与第一比较器COMP1相反地耦合。特别地，第二比较器COMP2的VP1和VP2输入可以分别耦合到第一参考电压，例如输入电压VIN，和节点电压，例如节点SW处的电压。第二比较器COMP2的VN输入可以耦合到第二阈值电压VTH2。第二比较器COMP2可以将第一参考电压VIN与节点SW处的节点电压之差(例如VIN-SW电压)与第二阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第二输出“O2”。
可以类似于第一电压检测器电路来配置第二电压检测器电路。如在图1的示例配置中看到的，第二电压检测器电路可以包括第三比较器电路COMP3和第四比较器电路COMP4。为了说明的目的，第三比较器COMP3和第四比较器COMP4中的每一个被示出为具有三个输入，即VP1、VP2和VN。第三比较器COMP3和第四比较器COMP4中的每个可以跨第二晶体管M2耦合。
第三比较器COMP3的VP1和VP2输入可以分别耦合到节点电压，例如节点SW处的电压，和第二参考电压，例如地。第三比较器COMP3的VN输入可以耦合到第三阈值电压VTH3。第三比较器COMP3可以将节点SW处的节点电压与第二参考电压(例如，地线，例如SW电压-地线)之差与第三阈值电压进行比较，并作为响应产生可应用于控制器102的第三输出“O3”。
第四比较器COMP4也可以跨第二晶体管M2耦合，其VP1和VP2输入与第三比较器COMP3相反地耦合。特别地，第四比较器COMP4的VP1和VP2输入可以分别耦合到第二参考电压，例如接地，以及节点电压，例如节点SW处的电压。第四比较器COMP4的VN输入可以耦合到第四阈值电压VTH4。第四比较器COMP4可以将第二参考电压(例如，地)与节点SW处的节点电压(例如，地-SW电压)之差与第四阈值电压进行比较，并作为响应，产生可以应用于控制器102的第四输出“O4”。
如以下关于图2A至图2F更详细地描述的，控制器102可以基于比较“O1”、“O2”、“O3”、“O4”中的至少一个来检测第一晶体管M1和第二晶体管M2中的至少一个中的开路或短路，与转换器电路102中负载电流的方向无关。
在一些示例配置中，比较器电路COMP1-COMP4中的至少一个可以包括被配置为接收使能信号的使能输入。在图1所示的示例配置中，每个比较器电路COMP1-COMP4被示为接收使能信号。特别地，比较器电路COMP1和COMP2接收使能信号TGBLK，并且比较器电路COMP3和COMP4接收使能信号BGBLK。比较器电路COMP1和COMP2不需要绑定到相同的使能信号。类似地，比较器电路COMP3和COMP4不需要绑定到相同的使能信号。
如在图3的时序图中更详细地示出的，在将控制信号的逻辑电平(例如逻辑高电平)施加到第一晶体管M1或第二晶体管M2之后的预定时间之后，可以将使能信号设置为逻辑电平(例如逻辑高电平)。在一些示例配置中，可以例如使用串行外围接口(SPI)通信来调整预定时间。在一些示例实现中，当使能信号(例如，使能信号TGBLK或使能信号BGBLK)为另一逻辑电平(例如，逻辑低)时，比较器的输出被锁存。
下面参照图2A至图2F描述根据本公开的用于检测降压转换器电路中的开路和短路而与负载电流的方向无关的非限制性操作理论。
图2A-2F是图1的降压转换器电路的一部分的简化示意图。在图2A中，第一晶体管M1被示为闭合，第二晶体管M2被示为具有负载电流I负载，其可以包括电感器电流，从右到左流动。在正常操作期间，当第一晶体管M1导通时，假设晶体管M1的导通电阻非常低，则节点SW处的电压近似等于输入电压VIN。因此，参考电压VIN与节点SW处的节点电压之差应较小。
如图2A所示，第一晶体管M1处于开路故障状态，并且对于正常操作，应该被关闭。节点SW与地面之间存在寄生电容，该寄生电容可由负载电流充电。随着寄生电容充电，节点SW处的电压将继续增加，直到超过参考电压VIN。
使用图1的第一电压检测器电路，图1的控制器102可以检测第一晶体管M1的开路故障。例如，图1的第一比较器COMP1可以比较节点SW处的节点电压与参考电压VIN的差。如果该差超过第一电压阈值VTH1，则控制器可以确定第一晶体管M1存在开路故障。例如，如果节点SW处的节点电压与参考电压VIN之差超过0.5V-2V，则例如，控制器102可以利用从右向左流动的负载电流来检测开路故障。
在图2B中，与图2A相反，第一晶体管M1被示为闭合，第二晶体管M2被示为具有负载电流，该负载电流可以包括从左向右流动的电感器电流。在正常操作期间，当第一晶体管M1导通时，假设晶体管M1的导通电阻非常低，则节点SW处的电压近似等于输入电压VIN。因此，参考电压VIN与节点SW处的节点电压之差应较小。
如图2B所示，第一晶体管M1处于开路故障状态，并且对于正常操作，应该被闭合。节点SW与地之间存在寄生电容。当负载电流流出节点SW时，寄生电容最终将导致节点SW处的电压变为负值，从而参考电压VIN与节点SW处的节点电压之间的差将大于0，例如VIN–节点SW上的电压大于0。
使用图1的第一电压检测器电路，图1的控制器102可以检测第一晶体管M1的开路故障。例如，图1的第二比较器COMP2可以比较参考电压VIN和节点SW处的节点电压的差。如果该差超过第二电压阈值VTH2，则控制器102可以确定第一晶体管M1存在开路故障。例如，如果参考电压VIN与节点SW处的节点电压之差超过0.5V-2V，则控制器102可以利用负载电流从左向右流动来检测开路故障。
在图2C中，第一晶体管M1被示为闭合，第二晶体管M2被示为具有负载电流，该负载电流可以包括电感器电流，该负载电流从左向右或从右向左流动。再次，在正常操作期间，当第一晶体管M1导通时，假设晶体管M1的导通电阻非常低，则节点SW处的电压近似等于输入电压VIN。因此，参考电压VIN与节点SW处的节点电压之差应较小。
如图2C所示，第二晶体管M2处于短路故障状态，并且对于正常操作，应该被打开。在第二晶体管M2短路的情况下，第一晶体管M1和第二晶体管M2的导通电阻形成电阻分压器。为简单起见，假设两个导通电阻相等。然后，节点SW处的电压将为参考电压VIN的一半。
使用图1的第一电压检测器电路，图1的控制器102可以检测第二晶体管M2的短路故障。例如，图1的第二比较器COMP2可以比较参考电压VIN和节点SW处的节点电压的差。如果该差超过第二电压阈值VTH2，则控制器102可以确定第二晶体管M2存在短路故障。例如，如果参考电压VIN和节点SW处的节点电压之差超过0.5V-2V，则控制器102可以不管负载电流的方向如何检测第二晶体管M2中的短路故障。
在图2D中，第一晶体管M1被示为断开，第二晶体管M2被示为闭合，其中负载电流从左向右流动，该负载电流可以包括电感器电流。在正常操作期间，当第二晶体管M2导通时，假设第二晶体管M2的导通电阻非常低，则节点SW处的电压大约为地。因此，参考电压接地与节点SW处的节点电压之差应较小。
如图2D所示，第二晶体管M2处于开路故障状态，并且对于正常操作，应该被闭合。节点SW与地之间存在寄生电容。当负载电流流出节点SW时，寄生电容最终将导致节点SW处的电压变为负值，因此节点SW处的节点电压与参考电压地之间的差将小于0，例如，电压在节点SW–地面小于0。
使用图1的第二电压检测器电路，图1的控制器102可以检测第二晶体管M2的开路故障。例如，图1的第三比较器COMP3可以比较节点SW处的节点电压与参考电压地的差。如果该差超过第三电压阈值VTH3，则控制器102可以确定第二晶体管M2存在开路故障。例如，如果节点SW处的节点电压与参考电压接地之间的差小于-0.5V至-2V，则控制器102可以利用负载电流从左向右流动来检测开路故障。
在图2E中，第一晶体管M1示出为断开，第二晶体管M2示出为闭合，其中负载电流从右向左流动，该负载电流可以包括电感器电流。在正常操作期间，当第二晶体管M2导通时，假设第二晶体管M2的导通电阻非常低，则节点SW处的电压大约为地。因此，参考电压接地与节点SW处的节点电压之差应较小。
如图2E所示，第二晶体管M2处于开路故障状态，并且对于正常操作，应该被闭合。节点SW与地面之间存在寄生电容，该寄生电容可由负载电流充电。随着寄生电容充电，节点SW上的电压将继续增加，以使节点SW上的节点电压与参考电压接地之间的差大于0，例如，节点SW上的电压–接地大于0。
使用图1的第二电压检测器电路，图1的控制器102可以检测第二晶体管M2的开路故障。例如，图1的第三比较器COMP3可以比较节点SW处的节点电压与参考电压地的差。如果该差超过第三电压阈值VTH3，则控制器102可以确定第二晶体管M2存在开路故障。例如，如果节点SW处的节点电压与参考电压地的差超过0.5V-2V，则例如，控制器102可以利用从右向左流动的负载电流来检测开路故障。
在图2F中，第一晶体管M1被示为打开，第二晶体管M2被示为以负载电流从左到右或从右到左流动，该负载电流可以包括电感器电流。在正常操作期间，当第二晶体管M2导通时，假设第二晶体管M2的导通电阻非常低，则节点SW处的电压大约为地。因此，参考电压接地与节点SW处的节点电压之差应较小。
如图2F所示，第一晶体管M1处于短路故障状态，并且对于正常操作，应该被打开。在第一晶体管M1短路的情况下，第一晶体管M1和第二晶体管M2的导通电阻形成电阻分压器。为简单起见，假设两个导通电阻相等。然后，节点SW处的电压将为参考电压VIN的一半。
使用图1的第二电压检测器电路，图1的控制器102可以检测第一晶体管M1的短路故障。例如，图1的第三比较器COMP3可以比较参考电压地和节点SW处的节点电压的差。如果该差超过第三电压阈值VTH3，则控制器102可以确定第一晶体管M1存在短路故障。例如，如果节点SW处的节点电压与参考电压地的差超过0.5V-2V，则例如，控制器102可以与负载电流的方向无关地检测第一晶体管M1中的短路故障。
使用这些技术，无论负载电流(例如单向或双向负载电流)的方向如何，第一和第二电压检测器电路(分别跨接在各自的晶体管上)可用于检测图1的降压DC-DC转换器电路中的开路或短路。如以上参考图1所述，第一电压检测器电路可以包括第一对比较器电路，并且第二电压检测器电路可以包括第二对比较器电路。
图3是图1的降压DC-DC转换器电路的控制信号和对应的使能信号之间的时序图的示例。如上所述，在一些示例配置中，比较器电路中的至少一个，例如图1的COMP1-COMP4，可以包括被配置为接收使能信号的使能输入。在图1中，比较器电路COMP1和COMP2接收使能信号TGBLK，并且比较器电路COMP3和COMP4接收使能信号BGBLK。
当控制信号TG切换到第一逻辑状态以导通图1中的第一晶体管M1时，会发生尖峰。可能希望向比较器电路中的至少一个增加时间延迟，以防止在施加控制信号TG的时间与使能比较器电路的时间之间的短路故障的错误检测。
现在参考图3，在示例配置中，控制信号TG切换到逻辑电平108，例如逻辑高，以使第一晶体管M1导通。在时间延迟t空白之后，图1的控制器102可以将具有逻辑电平110(例如逻辑高)的使能信号TGBLK输出到图1的比较器电路COMP1和COMP2中的至少一个。
类似地，在示例配置中，在控制信号TG切换到逻辑电平112(例如，逻辑低电平)以使第一晶体管M1截止时，控制信号BG切换到逻辑电平114(例如，逻辑高电平)以将第二晶体管M2导通。在时间延迟t空白之后，图1的控制器102可以将具有逻辑电平116(例如，逻辑高)的使能信号BGBLK输出到图1的比较器电路COMP3和COMP4中的至少一个。在一些示例配置中，两个时间延迟t空白可以相同。在一些示例配置中，可以例如使用串行外围接口(SPI)通信来调整预定时间。
除了降压DC-DC转换器电路之外，本公开的技术还可以与其他DC-DC转换器电路组合使用，包括例如升压DC-DC转换器电路、非反相降压-升压DC-DC转换器、反相降压-升压DC-DC转换器电路和H桥接转换器电路，如图4至图7所示和所述。
图4是可以实现本公开的各种技术的升压DC-DC转换器的示例的示意图。升压转换器电路120可以分别包括第一和第二晶体管M1、M2，它们分别耦合至控制器102并由其控制。特别地，控制器102耦合到第一晶体管M1的控制节点(例如，栅极端子TG)和第二晶体管M2的控制节点(例如，栅极端子BG)。第一和第二晶体管M1、M2例如可以是场效应晶体管(FET)。
电感器104耦合在输入电压VIN与节点SW之间，并且节点SW耦合至晶体管M1和M2。第一晶体管耦合到电容器106。负载(未示出)可以耦合到输出电压VOUT。控制器102控制晶体管M1、M2导通和截止。
类似于图1，电压检测器电路可以包括在开关模式DC-DC升压转换器电路120中，以检测开路或短路，而不管负载电流I负载的方向如何。类似于图1，第一电压检测器电路可以跨第一晶体管M1耦合，第二电压检测器电路可以跨第二晶体管M2耦合，并且控制器102可以基于第一和第二电压检测器电路执行的比较而检测第一晶体管和第二晶体管中的至少一个的开路或短路，而与转换器电路中的负载电流的方向无关。
在图4的示例配置中，第一电压检测器电路可以包括第一比较器电路COMP1和第二比较器电路COMP2。在一些示例配置中，比较器电路中的至少一个可以包括磁滞比较器。为了说明的目的，第一比较器COMP1和第二比较器COMP2中的每一个被示出为具有三个输入，即VP1、VP2和VN。第一比较器COMP1和第二比较器COMP2中的每个可以跨第一晶体管M1耦合。
第一比较器COMP1的VP1和VP2输入可以分别耦合到节点电压，例如节点SW处的电压，和输出电压，例如电压VOUT。第一比较器COMP1的VN输入可以耦合到第一阈值电压VTH1。第一比较器COMP1可以将节点SW处的节点电压与输出电压VOUT(例如SW电压-VOUT)之间的差与第一阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第一输出“O1”。
第二比较器COMP2也可以跨第一晶体管M1耦合，其VP1和VP2输入与第一比较器COMP1相反地耦合。特别地，第二比较器COMP2的VP1和VP2输入可以分别耦合到输出电压，例如输出电压VOUT，以及节点电压，例如节点SW处的电压。第二比较器COMP2的VN输入可以耦合到第二阈值电压VTH2。第二比较器COMP2可以将输出电压VOUT和节点SW处的节点电压之差(例如，VOUT-SW电压)与第二阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第二输出“O2”。
可以类似于第一电压检测器电路来配置第二电压检测器电路。如在图4的示例配置中所见，第二电压检测器电路可以包括第三比较器电路COMP3和第四比较器电路COMP4。为了说明的目的，第三比较器COMP3和第四比较器COMP4中的每一个被示出为具有三个输入，即VP1、VP2和VN。第三比较器COMP3和第四比较器COMP4中的每个可以跨第二晶体管M2耦合。
第三比较器COMP3的VP1和VP2输入可以分别耦合到节点电压，例如节点SW处的电压，和参考电压，例如地。第三比较器COMP3的VN输入可以耦合到第三阈值电压VTH3。第三比较器COMP3可以将节点SW处的节点电压与参考电压(例如，地，例如SW电压-地)的参考电压之差与第三阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第三输出“O3”。
第四比较器COMP4也可以跨第二晶体管M2耦合，其VP1和VP2输入与第三比较器COMP3相反地耦合。特别地，第四比较器COMP4的VP1和VP2输入可以分别耦合到例如地的参考电压和例如节点SW处的电压的节点电压。第四比较器COMP4的VN输入可以耦合到第四阈值电压VTH4。第四比较器COMP4可以将参考电压(例如，地)与节点SW处的节点电压(例如，地SW电压)之差与第四阈值电压进行比较，并作为响应产生可以应用于控制器102的第四输出“O4”。控制器102被配置为不论DC-DC转换器中负载电流的方向如何，均基于至少一项比较来检测至少一个晶体管M1-M2中的开路或短路。
图5是可以实现本公开的各种技术的反相降压-升压DC-DC转换器的示例的示意图。反相降压-升压转换器电路130可以分别包括第一和第二晶体管M1、M2，它们分别耦合到控制器102并由其控制。特别地，控制器102耦合到第一晶体管M1的控制节点(例如，栅极端子TG)和第二晶体管M2的控制节点(例如，栅极端子BG)。第一和第二晶体管M1、M2例如可以是场效应晶体管(FET)。
第一和第二晶体管M1、M2可以在节点SW处耦合在一起。电感器104可以耦合在节点SW与地之间，并且电容器可以在输出耦合至第二晶体管M2。负载(未示出)可以耦合到输出电压VOUT。控制器102控制晶体管M1、M2导通和截止。
电压检测器电路可以被包括在开关模式DC-DC反相降压-升压转换器电路130中，以检测开路或短路，而不管负载电流I负载的方向如何。第一电压检测器电路可以耦合在第一晶体管M1两端，第二电压检测器电路可以耦合在第二晶体管M2两端，并且控制器102基于第一电压检测器电路和第二电压检测器电路执行的比较，无论转换器电路中负载电流的方向如何，都可以检测第一晶体管和第二晶体管中至少一个的开路或短路。
第一比较器COMP1的VP1和VP2输入可以分别耦合到第一参考电压，例如输入电压VIN，和节点电压，例如节点SW处的电压。第一比较器COMP1的VN输入可以耦合到第一阈值电压VTH1。第一比较器COMP1可以将第一参考电压VIN与节点SW处的节点电压之差(例如VIN-SW电压)与第一阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第一输出“O1”。
第二比较器COMP2也可以跨第一晶体管M1耦合，其VP1和VP2输入与第一比较器COMP1相反地耦合。特别地，第二比较器COMP2的VP1和VP2输入可以分别耦合到节点电压，例如，节点SW处的电压，和第一参考电压，例如，输入电压VIN。第二比较器COMP2的VN输入可以耦合到第二阈值电压VTH2。第二比较器COMP2可以将节点SW处的节点电压与第一参考电压VIN(例如SW电压-VIN)之间的差与第二阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第二输出“O2”。
第三比较器COMP3的VP1和VP2输入可以分别耦合到节点电压，例如节点SW处的电压，和输出电压，例如电压VOUT。第三比较器COMP3的VN输入可以耦合到第三阈值电压VTH3。第三比较器COMP3可以将节点SW处的节点电压与输出电压VOUT(例如SW电压-VOUT)之间的差与第三阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第三输出“O3”。
第四比较器COMP4也可以跨第二晶体管M2耦合，其VP1和VP2输入与第三比较器COMP3相反地耦合。特别地，第四比较器COMP4的VP1和VP2输入可以分别耦合到输出电压，例如输出电压VOUT，以及节点电压，例如节点SW处的电压。第四比较器COMP4的VN输入可以耦合到第四阈值电压VTH4。第四比较器COMP4可以将输出电压VOUT与节点SW处的节点电压之差(例如，VOUT-SW电压)与第四阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第二输出“O4”。所述控制器被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述晶体管M1-M2中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
除了上述的DC-DC转换器电路外，本公开内容的各种技术可以与非反相降压-升压和H桥接转换器电路结合使用，如以下关于图6和7所述。因为非反相降压-升压和H桥转换器电路均使用四个晶体管，四个电压检测器电路可用于检测开路和短路。
图6是可以实现本公开的各种技术的非反相降压-升压DC-DC转换器的示例的示意图。非反相降压-升压转换器电路140可以包括四个晶体管M1-M4，每个晶体管M1-M4耦合至控制器102并由其控制。特别地，控制器102耦合至四个晶体管中的相应控制节点(例如，栅极端子)，例如栅极端子TG1、BG1、TG2和BG2。晶体管M1-M4可以是例如场效应晶体管(FET)。
电感器104耦合在晶体管M1和M3之间。晶体管M2可以在晶体管M1和电感器104的第一端子之间的节点SW1处接地。晶体管M4可以在晶体管M3和电感器104的第二端子之间的节点SW2处接地。负载(未示出)可以耦合到输出电压VOUT。控制器102控制晶体管M1-M4导通和截止。
比较器COMP1和COMP2可以跨在晶体管M1之间，耦合在第一参考电压(例如，输入电压VIN)和节点电压(例如，节点SW1处的电压)之间。比较器COMP1和COMP2的VP1、VP2和VPN输入可以类似于图1的比较器COMP1和COMP2的VP1、VP2和VPN输入耦合，并且为了简洁起见，将不再详细描述。
第一比较器COMP1可以将节点SW1处的节点电压和第一参考电压VIN(例如SW1电压-VIN)之间的差与第一阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第一输出“O1”。第二比较器COMP2可以将第一参考电压VIN与节点SW1处的节点电压之差(例如VIN-SW1电压)与第二阈值电压进行比较，并作为响应产生可应用于控制器102的第二输出“O2”。
比较器COMP3和COMP4可以跨接在晶体管M2之间，例如，在节点电压SW1处的节点电压与例如地电位的第二参考电压之间。比较器COMP3和COMP4的VP1、VP2和VPN输入可以类似于图1的比较器COMP3和COMP4的VP1、VP2和VPN输入耦合，并且为了简洁起见，将不再详细描述。
第三比较器COMP3可以将节点SW1处的节点电压与第二参考电压(例如，SW1电压-地)之差与第三阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第三输出“O3”。第四比较器COMP4可以将第二参考电压(例如，地)与节点SW1处的节点电压(例如，地SW1电压)之差与第四阈值电压进行比较，并作为响应产生可以应用于控制器102的第四输出“O4”。
如上所述，两个附加电压检测器电路可以用于检测非反相降压-升压转换器电路140的两个附加晶体管M3和M4中的开路和短路。图6的电路140可以包括具有比较器COMP5和COMP6的第三电压检测器电路，该比较器可以跨晶体管M3耦合在第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)和输出电压(例如，输出电压VOUT)之间。比较器COMP5和COMP6中的每一个可以接收对应的阈值电压VTH5、VTH6。比较器COMP5和COMP6的VP1、VP2和VPN输入可以类似于图4的比较器COMP1和COMP2的VP1、VP2和VPN输入耦合，并且为了简洁起见，将不再详细描述。。比较器COMP5和COMP6可以配置为将SW2处的输出电压和第二节点电压之差与相应的阈值电压VTH5、VTH6进行比较，并产生可应用于控制器102的相应的第五和第六输出“O5”和“O6”。
另外，图6的电路140可以包括具有比较器COMP7和COMP8的第四电压检测器电路，该比较器COMP7和COMP8可以跨晶体管M4耦合在第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)和第二参考电压(例如地)之间。比较器COMP7和COMP8中的每一个可以接收对应的阈值电压VTH7、VTH8。比较器COMP7和COMP8的VP1、VP2和VPN输入可以类似于图4的比较器COMP3和COMP4的VP1、VP2和VPN输入耦合，并且为了简洁起见，将不再详细描述。比较器COMP7和COMP8可以被配置为将第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)和第二参考电压(例如，地)之差与对应的阈值电压VTH7、VTH8进行比较，并作为响应产生可应用于控制器102的相应的第七和第八输出“O7”和“O8”。控制器配置为基于比较中的至少一项，检测至少一个晶体管M1-M4中的开路或短路，而与DC-DC转换器中负载电流的方向无关。
图7是可以实现本公开的各种技术的H桥DC-DC转换器的示例的示意图。H桥转换器电路150可以包括四个晶体管M1-M4，每个晶体管M1-M4耦合到控制器102并由其控制。特别地，控制器102耦合到例如四个晶体管的相应控制节点，例如栅极端子，如栅极端子TG1、BG1、TG2和BG2。晶体管M1-M4可以是例如场效应晶体管(FET)。
第一晶体管M1可以耦合在第一参考电压(例如，输入电压VIN)和第一节点电压(例如，节点SW1处的电压)之间，并且第二晶体管M2可以耦合在第一节点电压(例如，节点SW1处的电压)和第二参考电压(例如地)之间。第三晶体管M3可以耦合在第一参考电压(例如，输入电压VIN)和第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)之间，第四晶体管M4可以耦合在第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)第二参考电压(例如地)之间。输出电压VOUT在第一节点电压SW1和第二节点电压SW2之间。控制器102控制晶体管M1-M4导通和截止。
比较器COMP1和COMP2可以跨晶体管M1耦合，并且比较器COMP3和COMP4可以跨晶体管M2耦合。比较器COMP1-COMP4的VP1、VP2和VPN输入可以类似于图6的比较器COMP1-COMP4的VP1、VP2和VPN输入耦合，并且为了简洁起见，将不再详细描述。
第一比较器COMP1可以将节点SW1处的节点电压和第一参考电压VIN(例如SW1电压-VIN)之间的差与第一阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第一输出“O1”。第二比较器COMP2可以将第一参考电压VIN与节点SW1处的节点电压之差(例如VIN-SW1电压)与第二阈值电压进行比较，并作为响应产生可应用于控制器102的第二输出“O2”。
第三比较器COMP3可以将节点SW1处的节点电压与第二参考电压(例如，SW1电压-地)之差与第三阈值电压进行比较，并作为响应，产生可应用于控制器102的第三输出“O3”。第四比较器COMP4可以将第二参考电压(例如，地)与节点SW1处的节点电压(例如，地SW1电压)之差与第四阈值电压进行比较，并作为响应产生可以应用于控制器102的第四输出“O4”。
像图6中一样，两个附加电压检测器电路可以用于检测非反相降压-升压转换器电路150的两个附加晶体管M3和M4中的开路和短路。图7的电路150可以包括具有比较器COMP5和COMP6的第三电压检测器电路，可以跨晶体管M3耦合在第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)和第一参考电压(例如，输入电压VIN)之间。比较器COMP5和COMP6中的每一个可以接收对应的阈值电压VTH5、VTH6。比较器COMP5和COMP6的VP1、VP2和VPN输入可以类似于图4的比较器COMP1和COMP2的VP1、VP2和VPN输入耦合，并且为了简洁起见，将不再详细描述。比较器COMP5和COMP6可以被配置为将输入电压和第二节点电压的差与对应的阈值电压VTH5、VTH6进行比较，并且作为响应，产生可应用于控制器102的相应的第五和第六输出“O5”和“O6”。
另外，图7的电路150可以包括具有比较器COMP7和COMP8的第四电压检测器电路，该比较器COMP7和COMP8可以跨晶体管M4耦合在第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)和第二参考电压(例如，地)之间。比较器COMP7和COMP8中的每一个可以接收对应的阈值电压VTH7、VTH8。比较器COMP7和COMP8的VP1、VP2和VPN输入可以类似于比较器COMP3和COMP4的VP1、VP2和VPN输入耦合，并且为了简洁起见，将不再详细描述。比较器COMP7和COMP8可以被配置为将第二节点电压(例如，节点SW2处的电压)和第二参考电压(例如，地)之差与对应的阈值电压VTH7、VTH8进行比较，并作为响应产生可应用于控制器102的相应的第七和第八输出“O7”和“O8”。控制器配置为基于比较中的至少一项，检测至少一个晶体管M1-M4中的开路或短路，而与DC-DC转换器中负载电流的方向无关。
图8是可用于实现本公开的各种技术的替代比较器配置的示例的示意图。在图8所示的示例配置中，第一电压(例如，参考电压VIN)和第二电压(例如，节点SW处的电压)可以被施加到减法电路160。减法电路160的输出是差分信号VSNS＝VIN–SW，可以施加到窗口比较器162的第一输入。在概念上，窗口比较器162的第二输入被示出为接收两个阈值电压VTH1、VTH2。在非限制性示例实现中，如下图9所示，VTH1>VTH2，其中VTH1＝1.0V，并且VTH2＝-1.0V。
图9是图8的窗口比较器的操作曲线图的示例。x轴表示电压VSNS，它是图8的减法电路160的输出，并且是应用于窗口比较器162的第一输入的差分信号(VSNS＝VIN–SW)，并且y轴表示图8的比较器162的输出“O”。当输入电压VSNS大于阈值电压VTH1(在一些示例实现中，加上一些滞后电压VHYST)时或当输入电压VSNS小于阈值电压VTH2时(在某些示例实现中，减去一些磁滞电压VHYST)，窗口比较器162的输出变高。当输入电压VSNS在VTH2<VSNS<VTH1的窗口(在164处示出)内时，窗口比较器162的输出变低。在一些示例实现中，当使能信号(例如，使能信号TGBLK或使能信号BGBLK)为第一逻辑电平(例如，逻辑低)时，比较器162的输出被锁存。
本文描述的每个非限制性方面或示例可以独立存在，或者可以与一个或多个其他示例以各种排列或组合的方式组合。
上面的详细描述包括对附图的引用，这些附图形成了详细描述的一部分。附图通过说明的方式示出了可以实践本发明的特定实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这些示例可以包括除了示出或描述的那些元件之外的元件。然而，本发明人还考虑了仅提供示出或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还设想了使用示出或描述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例，关于此处显示或描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或其他示例(或其一个或多个方面)。
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本文描述的方法示例可以是至少部分地由机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作以配置电子设备以执行如以上示例中所述的方法。这样的方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以构成计算机程序产品的一部分。此外，在示例中，可以将代码有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形的计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如光盘和数字视频光盘)、盒式磁带、存储卡或存储棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
上面的描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在回顾以上描述之后，例如可以由本领域的普通技术人员使用其他实施例。提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，以使读者能够快速确定技术公开的性质。提交本文档时应理解为不会将其用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在以上详细描述中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开。这不应该被解释为意在意味未声明的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。而是，发明主题可以在于少于特定公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此作为示例或实施例被并入到详细描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且可以想到的是，这样的实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求书以及这些权利要求书所赋予的等效物的全部范围来确定。

Claims (14)

1.一种被配置为检测开关模式DC-DC转换器中的开路或短路而与负载电流的方向无关的电路，该电路包括：
跨越第一晶体管耦合的第一电压检测器电路，所述第一电压检测器电路被配置为将第一参考电压或输出电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；
跨越第二晶体管耦合的第二电压检测器电路，所述第二电压检测器电路被配置为将第二参考电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；和
控制器，被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
2.权利要求1所述的电路，其中所述第一电压检测器电路包括第一对比较器电路，并且其中所述第二电压检测器电路包括第二对比较器电路。
3.权利要求2所述的电路，其中所述第一对比较器电路和所述第二对比较器电路中的至少一个包括磁滞比较器。
4.权利要求2所述的电路，其中所述第一对比较器电路和所述第二对比较器电路中的一个或两个形成窗口比较器电路。
5.权利要求2所述的电路，其中所述第一对比较器电路和所述第二对比较器电路中的至少一个包括被配置为接收使能信号的使能输入，其中所述使能信号被配置为在将控制信号的第二逻辑电平施加到所述第一晶体管或第二晶体管之后的预定时间之后被设置为第一逻辑电平。
6.权利要求5所述的电路，其中所述预定时间是可调的。
7.权利要求1所述的电路，其中，所述电路结合降压DC-DC转换器、升压DC-DC转换器、反相降压-升压DC-DC转换器、非反相降压-升压DC-DC转换器或H-桥接电路中的一个。
8.权利要求1所述的电路，其中，所述电路结合非反相降压-升压DC- DC转换器，所述节点电压是第一节点电压，所述电路还包括：
跨越第三晶体管耦合的第三电压检测器电路，所述第三电压检测器电路被配置为将第二参考电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
跨越第四晶体管耦合的第四电压检测器电路，所述第四电压检测器电路被配置为将输出电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
其中所述控制器进一步被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述第三晶体管和所述第四晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
9.权利要求1所述的电路，其中，所述电路结合H-桥接电路，所述节点电压是第一节点电压，所述电路还包括：
跨越第三晶体管耦合的第三电压检测器电路，所述第三电压检测器电路被配置为将第二参考电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
跨越第四晶体管耦合的第四电压检测器电路，所述第四电压检测器电路被配置为将第一参考电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
其中所述控制器进一步被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述第三晶体管和所述第四晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
10.一种检测DC-DC转换器中的开路或短路而与电流方向无关的方法，该方法包括：
将跨越第一晶体管的第一参考电压或输出电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；
将跨越第二晶体管的第二参考电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；和
基于所述比较中的至少一个来检测所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
11.权利要求10所述的方法 ，其中该方法还包括：
接收使能信号，所述使能信号被配置为在将控制信号的第二逻辑电平施加到所述第一晶体管或第二晶体管之后的预定时间之后被设置为第一逻辑电平，其中所述预定时间是可调的。
12.权利要求11所述的方法，其中所述节点电压是第一节点电压，
该方法还包括：
将跨越第三晶体管的第二参考电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
将跨越第四晶体管的输出电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
基于所述比较中的至少一个来检测所述第三晶体管和所述第四晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关；
或，该方法还包括：
将跨越第三晶体管的第二参考电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
将跨越第四晶体管的第一参考电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
基于所述比较中的至少一个来检测所述第三晶体管和所述第四晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
13.一种被配置为检测开关模式DC-DC转换器中的开路或短路而与负载电流的方向无关的电路，所述电路包括：
第一构件，用于将跨越第一晶体管的第一参考电压或输出电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；
第二构件，用于将跨越第二晶体管的第二参考电压与节点电压的差和第一与第二阈值电压中的对应一个进行比较；和
控制器，被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
14.权利要求13所述的电路，其中所述电路还包括：
第三构件，用于将跨越第三晶体管的第二参考电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
第四构件，用于将跨越第四晶体管的输出电压与第二节点电压的差和第三与第四阈值电压中的对应一个进行比较；
其中所述控制器进一步被配置为基于所述比较中的至少一个来检测所述第三晶体管和所述第四晶体管中的至少一个中的开路或短路，而与所述DC-DC转换器中的负载电流的方向无关。
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