CN112889015B - 用以改进开关模式电力供应器的安全操作区的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种实例性系统(300)包含耦合到第一晶体管(316)的电流镜(308)。所述第一晶体管(316)包含第一栅极、第一电流端子(332)及第二电流端子(330)。所述实例性系统(300)包含耦合到所述电流镜(308)及转换器(100)的控制器(304)。所述控制器(304)输出用于第二晶体管(106)的经延迟信号。所述第二晶体管(106)是所述转换器(100)的一部分，且源极电压(306)耦合到所述电流镜(308)。

Description

用以改进开关模式电力供应器的安全操作区的方法及设备
技术领域
本发明一般来说涉及改进操作条件，且更特定来说涉及用以改进开关模式电力供应器的安全操作区的方法及设备。
背景技术
功率转换器是在各种装置中用于将输入电压转换为所要输出电压的电路。一种类型的功率转换器是降压转换器，其通过控制晶体管及/或开关将直流(DC)输入电压转换为较低DC输出电压以将电感器及/或电容器充电及/或放电。功率转换器可包含可用于控制所述功率转换器中的电流路径的一或多个电源开关，例如晶体管。功率转换器组件经受高温、高电流、高电压及高功率。
发明内容
一种实例性系统包含耦合到第一晶体管的电流镜。所述第一晶体管包含第一栅极、第一电流端子及第二电流端子。所述实例性系统进一步包含耦合到所述电流镜及转换器的控制器；所述控制器将输出用于第二晶体管的经延迟信号，所述第二晶体管是所述转换器的一部分，且源极电压耦合到所述电流镜。
附图说明
图1A是开关模式功率转换器的示意图。
图1B是已知晶体管的示意图并展示晶体管寄生组件。
图2A是在高温期间开关模式电力供应器中的电感器电流对比时间的图解。
图2B是二极管传导电流对比温度的图解。
图2C是电感器传导电流对比温度的图解。
图3是图解说明功率转换器及实例性折回电路的示意图。
图4是图解说明与图3的实例性折回电路一起使用的实例性控制器的框图。
图5是在操作期间图3的实例的各种信号的图解且包含在不使用图3的实例性折回电路的情况下电感器电流对比时间的曲线图。
图6是在操作期间图3的实例的各种信号的图解且包含在使用图3的实例性折回电路的情况下电感器电流对比时间的曲线图。
图7是表示可经执行以实施图3或4的控制器的机器可读指令的流程图。
图8是经结构化以执行图7的指令以实施图3及4的控制器或折回电路的实例性处理器平台800的框图。
具体实施方式
图式未按比例。一般来说，在所有图式及本说明中使用的相同元件符号是指相同或相似部分。尽管图式用清晰线及边界展示层及区域，但这些线及/或边界中的一些或所有线及/或边界可为理想化的。实际上，所述边界及/或线可为未观察到的、混合的及/或不规则的。
在可受益于可靠电源的应用中使用功率转换器，其在本文中称为开关模式电力供应器、转换器、功率转换器或电源开关电路。功率转换器可为步升转换器(例如，形成大于输入电压的输出电压的升压转换器)、步降转换器(例如，形成小于输入电压的输出电压的降压转换器)或以上各项的组合。尽管本文中所描述的实例包含改进步降转换器(例如，形成小于输入电压的输出电压的降压转换器)的安全操作区(SOA)，但如本文中所描述的特征及其随附优点不限于步降转换器。事实上，本文中所描述的特征及优点也适用于步升转换器。
通常，功率转换器在数个设计约束(例如，电流极限及/或电压极限)下操作。功率转换器的安全操作区称为电压及/或电流条件，其中期望装置(例如，功率转换器)在不自损的情况下操作。实践用以维持功率转换器的安全操作区的技术以用于保护转换器、转换器中的组件(例如，晶体管、电感器、电容器)及/或系统(例如，其中使用转换器的负载或应用)。
为了使功率转换器成为高效且可靠电源，由控制器调节流动穿过功率转换器电路的各个部分的电流(例如，电感器电流、晶体管电流、负载电流等)。另外，功率转换器通常包含至少一个开关(例如，晶体管)及用以接通及/或关断所述开关的控制器。所述控制器监测这些电流以调节输出电压，因此提供可靠电源。举例来说，控制器调节负载电流，此是通过调节电感器电流来实现的，以确保输出电压在所要范围内。所述控制器通过使晶体管的操作变化而调节电感器电流。所述控制器使晶体管的操作变化以取决于所要操作约束而增加或减小电感器电流。
在双晶体管或四晶体管降压转换器中，在低侧操作期间(例如，当低侧晶体管中的一或多者导电时)，负载电流与跨越低侧晶体管的电压成比例。在实例性降压转换器中，可通过测量跨越低侧晶体管的电压而确定负载电流。进一步地，在降压转换器中的低侧操作期间，低侧晶体管有效地与电感器串联，因此低侧晶体管电流等效于电感器电流。因此，通过测量跨越低侧晶体管的电压来监测穿过低侧晶体管的电流。
如本文中所描述，功率转换器开关(例如，晶体管)的实例包含例如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)的晶体管或例如双极结晶体管(BJT)的任何其它开关装置。可使用其它开关类型或技术。功率转换器晶体管(例如，MOSFET、BJT等)具有固有寄生体二极管。在正常操作条件(例如，标准操作温度条件)下，寄生体二极管载运最小电流。此外，在正常操作条件下，寄生体二极管电流在监测电感器电流时是可忽略的。
随着晶体管中的温度增加，晶体管的漏极到源极电阻(RDS或RON)增加，因此致使寄生体二极管传导更多电流。因此，失去了准确地感测穿过低侧晶体管的电流及/或电压的能力，此最终减弱控制器准确地感测负载电流的能力并导致热耗散。热耗散是在不再恰当地感测电感器的谷值电流(例如，电感器在低侧操作期间放出的电流)时发生的状况。寄生体二极管电流的增加致使电感器电流不再下降到低于电流极限值(例如，最小所要电流值或谷值电流极限)。因此，高侧晶体管在电感器电流达到谷值电流之前接通(例如，由于寄生二极管电流的增加)。另外，随着寄生体二极管载运的电流增加，对雪崩击穿的敏感性也增加。由于温度继续增加，因此装置中的碰撞电离可产生足以使寄生二极管保持接通的电流，因此导致装置故障。
本文中所描述的实例包含计及由温度增加导致的热耗散的能力。本文中所描述的实例包含在低侧晶体管操作时监测低侧晶体管电压。所述实例进一步包含检测低侧晶体管中的寄生体二极管是否载运显著电流的能力。可通过检测跨越低侧晶体管的电压来推断对寄生体二极管是否载运显著电流的确定。
在本文中所描述的实例中，使用跨越低侧晶体管的电压、晶体管的电阻(例如，晶体管漏极到源极电阻，RDS或RON)及欧姆定律来计算低侧晶体管电流。跨越低侧晶体管的电压是跨越低侧晶体管相对于另一电压参考(例如，接地)测量的。在增加温度周期期间，实例性低侧晶体管的RDS值变化，因此产生不准确电压测量。
本文中所描述的实例允许检测显著电流是否行进穿过低侧晶体管的寄生体二极管的能力。行进穿过低侧晶体管的寄生体二极管的显著电流指示低侧晶体管及/或高侧晶体管太迅速地接通及/或关断。如果高侧晶体管及/或低侧晶体管太迅速地接通及/或关断，那么可调整开关频率(例如，晶体管接通及/或关断的频率)。本文中所描述的实例包含使高侧晶体管及/或低侧晶体管的开关频率折回(例如，减小)直到电感器谷值电流达到谷值电流极限为止。
本文中所描述的实例包含用于使开关频率折回以减小晶体管的开关速度的电路及系统。使频率折回包含产生表示体二极管电流传导的“折回信号”。所述折回信号发送到转换器的控制器。此信号可指示通过使时钟暂停及/或停止来减慢转换器的操作还是维持转换器的当前操作。更具体来说，可以例如延迟的方式更改控制晶体管的接通时间的时钟，以在变化时间接通晶体管。
本文中所描述的实例包含确定低侧晶体管的寄生体二极管是否传导显著电流。实例进一步包含通过测量跨越低侧晶体管的电压确定寄生体二极管是否载运显著电流。通过测量跨越低侧晶体管的电压，发生对是否使晶体管操作折回的确定(例如，减小功率转换器的开关频率)。在使功率转换器的开关频率折回时，电感器在放电时有更多时间达到谷值电流极限，因此避免热耗散。
图1A是耦合到控制器102的开关模式功率转换器100的示意图。转换器100包含两个晶体管(低侧晶体管104及高侧晶体管106)。低侧晶体管104及高侧晶体管106是n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)。低侧晶体管104及高侧晶体管106的栅极端子耦合到控制器102。高侧晶体管106的漏极端子耦合到电压输入(VIN)。高侧晶体管106的源极端子耦合到低侧晶体管104的漏极端子。晶体管节点108是耦合到高侧晶体管106的源极端子及低侧晶体管104的漏极端子的节点。此外，低侧晶体管104的源极端子耦合到接地节点110。另外，电感器112耦合到晶体管节点108。电容器114与电感器112及接地节点110串联耦合。另外，负载116(例如，汽车电子装置、工业端设备等)并联耦合到电容器114。
实例性控制器102用于调节实例性转换器100中的特定值。控制器102调节负载电压。额外实例包含调节负载电压以维持最大可允许电压或最小可允许电压，调节负载电流，或限制电感器112的最大正电流及/或最小负电流以避免对负载116、转换器100或系统(例如，转换器及/或连接到转换器的负载)的损坏。另外，控制器102控制高侧晶体管106及低侧晶体管104的状态(例如，导电或不导电)。可使用微控制器、离散组件或任何其它适合形式来实施控制器102。进一步地，在实例性转换器100中，由接地节点110提供电压参考点。接地节点110可为土地接地、数字接地、模拟接地或任何其它电压值以用作参考。
实例性低侧晶体管104是n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)。或者，低侧晶体管104可为p沟道金属氧化物半导体场效晶体管(PMOS)、双极结晶体管(BJT)或任何其它三端子装置。
实例性高侧晶体管106是n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)。或者，高侧晶体管106可为p沟道金属氧化物半导体场效晶体管(PMOS)、双极结晶体管(BJT)或任何其它三端子装置。
实例性晶体管节点108耦合到高侧晶体管106的源极端子及低侧晶体管104的漏极端子。另外，晶体管节点108耦合到电感器112。晶体管节点108为电感器112电流及/或高侧晶体管106或低侧晶体管104电压提供参考。
实例性接地节点110为功率转换器提供参考电压。在一些实例中，接地节点110是土地接地、数字接地或模拟接地。其它实例包含在接地节点110处的额外电压值及/或源。在此实例中，额外电压值及/或源为功率转换器提供参考电压。
实例性电感器112是双端子电组件，所述双端子电组件在电流流动穿过其时将能量存储于磁场中。在高侧操作期间，当高侧晶体管106导电且低侧晶体管104不导电时，将能量存储于电感器112中。在低侧操作期间，当低侧晶体管104导电且高侧晶体管106不导电时，从电感器112排放能量。
实例性电容器114是将能量存储于磁场中的双端子电组件。在高侧操作期间，当高侧晶体管106导电且低侧晶体管104不导电时，将能量存储于电容器114中。另一方面，在低侧操作(例如，低侧晶体管104导电)期间，从电容器114排放能量。
实例性负载116是电路的消耗电力的组件。负载116包含但不限于本文中所陈述的电容负载、电感负载、电阻负载或任一组合。在本文中所描述的其它实例中，负载116直接对应于汽车应用、工业部门终端设备及/或消费型电子产品的负载。举例来说，负载116可包含汽车中的内部灯、汽车中的电气继电器、移动电话、例如压床的工业设备等。
图1B是展示由装置材料及制造过程产生的低侧晶体管104及晶体管寄生组件118、120的示意图。寄生组件118中的一者是寄生体二极管118且其它寄生组件120是漏极到衬底二极管120。在此实例中，衬底可为硅、砷化镓等。
如图1B中所展示，三个电流路径存在于低侧晶体管104内。第一电流路径穿过晶体管沟道，经展示为电流A。电流A是穿过低侧晶体管104的所要电流。第二电流路径穿过寄生体二极管118，经展示为电流B。电流B是由于电流B绕过沟道而降低感测沟道电流(电流A)的能力的寄生电流。第三电流路径流动穿过寄生漏极到衬底二极管120，经展示为电流C。
理想地，当感测穿过晶体管的电流时，沟道电流(电流A)与漏极到源极电阻(RDS或RON)之间存在线性关系。当感测电流时，假定沟道电流(电流A)与低侧晶体管104电流线性地成比例。随着温度增加，漏极与源极之间的晶体管电阻(RDS或RON)也增加。当晶体管漏极到源极电阻(RDS或RON)增加时，寄生二极管118、120载运的电流增加。寄生组件118、120载运显著电流导致不能够恰当地感测沟道电流(电流A)。
图2A是在高温期间开关模式电力供应器中的电感器电流对比时间的图解200。线204描绘所要高侧电感器电流极限。同样地，线206描绘所要低侧电感器电流极限。由于高温及经增加晶体管漏极到源极电阻(RDS或RON)，因此寄生二极管(图1的118、120)载运(例如，流动穿过寄生二极管)的电感器电流越来越多。感测谷值电流(例如，低侧电感器电流)的能力由于寄生二极管(图1的118、120)载运电感器(图1的112)应载运的显著电流而受损。电感器电流202开始从稳定状态失控(例如，维持在经展示为线204的高侧电感器电流极限及经展示为线206的低侧电感器电流极限内)。清楚地描绘，随着时间增加且温度也增加，电感器电流202由于感测电感器谷值电流的能力受损而不再达到低侧电流极限，因此电感器电流202开始失控。
在时间208处，高侧晶体管106接通。在此时间期间，电感器112将能量存储于磁场中。电感器电流202增加。在时间210处，高侧晶体管106关断。在高侧晶体管106在时间210处关断之后，接通低侧晶体管104且通过电感器耗散存储于电感器中的能量。由于存在温度增加，因此寄生二极管118、120载运显著电流。电感器电流202达到低侧电流极限(线206)(例如，谷值电流极限)的能力受损。控制器102将命令高侧晶体管106在电感器电流完全放电到低侧电流极限(线206)(例如，谷值电流极限)之前接通。
图2B是在计及寄生电流(电流B及电流C)之后寄生二极管传导电流对比温度的图解。图2B中的变化电流线在不同电压条件中描绘寄生体二极管电流(电流B及电流C)。在图2B中，减小功率转换器100的开关速度(例如，实施延迟)以调整传导显著电流(电流B及电流C)的寄生体二极管(118、120)。图2B中的图解说明220展示维持寄生二极管电流(电流B及电流C)以不再载运显著电流。在图2B中，减小功率转换器的开关速度以调整传导显著电流的寄生体二极管。不管温度如何，寄生体二极管118及寄生漏极到衬底二极管120都限于3.5毫安(mA)的电流，线225。其它实例包含将寄生体二极管118及寄生漏极到衬底二极管120电流限制于任何其它电流值(例如，2mA、2.5mA等)。
图2C是在计及寄生电流(电流B及电流C)之后随着温度增加而出现的电感器传导电流的图解230。图2C中的描绘是在低侧操作期间针对变化电压情景的电感器电流(电流A)的描绘。在图2C中，减小功率转换器100的开关速度(例如，实施延迟)以调整传导显著电流(电流B及电流C)的寄生体二极管118、120。在图2C中清晰地展示电感器112在低侧操作70期间排放足以达到经展示为线235的实例谷值电流极限的电流(不管温度如何)的能力。
图3是包含耦合到图1的转换器100的实例性折回电路302、实例性控制器304及实例性源极电压306的系统300的示意图。图3中所描绘的实例包含转换器100，例如单体步降转换器(例如，降压转换器)。本文中所描述的实例不限于步降转换器。其它实例可包含例如降压-升压转换器、返驰转换器等的转换器。
实例性折回电路302耦合到转换器100的晶体管节点108。折回电路302确定图1的寄生二极管118、120是否载运显著电流。如果寄生二极管118、120载运显著电流，那么晶体管节点108处的电压的量值将异常地高。当晶体管节点108处的电压的量值超过折回电路302中的阈值时，折回电路302形成折回信号310。所述阈值可经预定为任何电压值。所述阈值可由源极电压306设定及/或设定为跨越电阻器326的电压降。折回信号310预示电感器112未完全放电(例如，电感器电流未达到谷值电流极限)。在此实例中，可减小转换器100的开关频率(例如，控制器304可减慢高侧晶体管106及/或低侧晶体管104的开关速度)。
实例性控制器304从折回电路302接收折回信号310。控制器304可实施用于转换器100的延迟以便调整上升电感器电流及/或所失去的在低侧操作期间恰当地感测电感器电流的能力。由控制器304实施的延迟是接通及/或关断低侧晶体管104及/或高侧晶体管106的延迟。如果将要实施延迟，那么控制器304输出用于低侧晶体管104及/或高侧晶体管的经延迟信号(例如，接通及/或关断信号)。控制器304通过延迟用于低侧晶体管104及/或高侧晶体管106的启用信号(例如，接通信号)来实施延迟。所述延迟还可由控制器304以传播延迟来实施，从而使时钟停止(例如，使低侧晶体管104及/或高侧晶体管106的接通信号停止)，或起始延迟的任何其它方法。
实例性源极电压306设定用于晶体管320的电流端子338电压。源极电压的实例性值包含0.1伏特、0.2伏特等；然而，源极电压306值可改变。源极电压306的实例包含电池、功率转换器或任何其它电力供应器。
实例性折回电路302包含两个缓冲器312及314、四个晶体管316、318、320及322以及两个电阻器324及326。在本文中所描述的实例中的一者中，四个晶体管316、318、320及322包含至少两个电流端子(例如，漏极端子及源极端子)及一个栅极。折回电路302不限于本文中所描述的特定数目个组件。
在图3中所描述的实例中，电流镜308存在于折回电路302内。电流镜308包含实例性电阻器324及326以及实例性晶体管318及320。此外，电流镜308确保穿过电阻器324的电流被镜射成等效于穿过电阻器326的电流。电流镜308的输出耦合到缓冲器312以进一步耦合到控制器304。电流镜308可产生取决于晶体管318的操作而为电流及/或电压值的输出信号。响应于阈值而产生在电流镜308输出(例如，折回信号节点328)处产生的所述输出信号。当存在跨越晶体管318的栅极及电流端子334的正电压降时超过所述阈值。
实例缓冲器312增加可用电流。可用作为集成芯片的离散组件或实施缓冲器的任何其它方法来实施缓冲器312。缓冲器312耦合到折回信号节点328，折回信号节点328进一步耦合到控制器304。缓冲器312的输入是高阻抗输入。
实例性缓冲器314耦合到低侧晶体管104的栅极。可用作为集成芯片的离散组件或实施缓冲器的任何其它方法来实施缓冲器314。
一般来说，折回电路302从转换器100接收指示低侧晶体管电压的电压。折回电路302产生提供到实例性控制器304的折回信号310。其它实例包含折回电路302从转换器100接收指示低侧晶体管电压的任何其它度量，例如电流度量。在图3的实例中，折回电路302从转换器100的晶体管节点108接收电压。尽管在其它实例中，可从转换器100中的其它节点或位置提供电压。折回电路302也连接到低侧晶体管104栅极。在此实例中，折回电路302从晶体管节点108接收指示低侧晶体管电压的电压。折回电路302响应于电压满足阈值而产生折回信号310。如果满足阈值，那么折回电路302产生折回信号310并将折回信号310发送到控制器304。在本文中所描述的实例中，阈值是设定穿过电感器112及/或低侧晶体管104的最大可允许电流的电压及/或电流值。可在例如温度增加的条件中超过所述阈值，其中转换器100失去恰当地感测电感器112电流的能力。另外，所述阈值可为表示所要电压量的极限值。折回信号310向控制器304指示减小转换器100的开关速度(例如，低侧晶体管104及/或高侧晶体管106操作的速度)。
实例性晶体管316是在漏极端子上能够耐受高电压的漏极扩展n沟道金属氧化物半导体场效晶体管。电流端子330耦合到转换器100的晶体管节点108。实例性晶体管316获得表示转换器100中的晶体管节点108处的电压的电压。举例来说，在低侧操作期间，晶体管316可在电流端子330处获得等效于以下低侧晶体管104电压的电压：
VD＝RON*IL (1)
在低侧操作(例如，低侧晶体管104导电)期间，晶体管节点108处的电压是负的。在低侧操作期间晶体管节点108处的负电压归因于通过接地节点110、进一步通过低侧晶体管104排放电感器电流，从而导致负极性。因此，晶体管316在电流端子330处获得负电压值。其它实例不限于接收特定极性电压，因为转换器中的电压的量值及极性频繁改变。
晶体管316的电流端子332处的电压等效于晶体管节点108处的电压加上跨越晶体管316的寄生体二极管的电压。典型寄生体二极管电压是0.7伏特；然而，确切电压不限于0.7伏特。其中寄生体二极管电压并非0.7伏特的实例包含其中温度发生改变借此导致跨越寄生体二极管的电压改变的情景。同样地，实例性晶体管318的电流端子334处的电压将等效于晶体管316的电流端子332处的电压。
实例性晶体管318是n沟道金属氧化物半导体场效晶体管。另外，晶体管318可为双极结晶体管、结场效晶体管(JFET)等。晶体管318用作折回信号310的管控开关。当晶体管318接通(例如，导电)时，折回信号310将是低的。低折回信号310归因于通过晶体管318下拉穿过电阻器324的电流，因此使折回信号节点328处的折回信号310为低，举例来说，0.1伏特。
当晶体管318关断(例如，不导电)时，折回信号310将是高的。另外，当晶体管318关断时，电流流动穿过电阻器324到达高阻抗缓冲器312。以此方式，跨越电阻器324发生相对低电压降。因此，在高阻抗缓冲器312的输入处所见证的电压是高的(例如，接近于缓冲器314的输出处的电压)。作为响应，折回信号310将是高的。
晶体管318的栅极处的电压由通过实例性晶体管320提供的偏置值设定。所述偏置值可为所提供的电压及/或电流。本文中所描述的实例包含形成偏置值作为实例性电阻器326上的电压；实例性电阻器326上的所述电压是由缓冲器314传送的电压。在电阻器326上形成的偏置值(例如，偏置阈值)形成用于晶体管318的阈值。另外，在电阻器326上形成的偏置值(例如，偏置阈值)是晶体管320的电流端子340处的电压值。偏置值(例如，偏置阈值)是晶体管318的栅极处的电压值。因此，可将偏置值设定到任何电压值(例如，0.2伏特)，因此晶体管318在存在正电压降时(例如，在电流端子334处的电压是0.1伏特时)在晶体管318的栅极端子与电流端子334之间导电。
当晶体管318的栅极与电流端子334之间的电压降为正时晶体管318将导电。本文中所描述的其它实例包含晶体管318在电流端子334处的电压满足偏置阈值时导电。当(举例来说)电流端子334处的电压大于、小于或等于晶体管318的栅极处的电压时可满足偏置阈值。两个情景来自于此拓扑的操作，(a)当晶体管318导电(例如，满足偏置阈值)时或(b)当晶体管318阻断(例如，不导电或未满足偏置阈值)时。
当晶体管318的栅极端子与电流端子334之间的电压降为正时晶体管318可导电。举例来说，当栅极电压是0.1伏特且电流端子334处的电压是0伏特时晶体管318可导电。在此实例中，漏极到源极电压降是正的且晶体管318将导电。假定体二极管电压是大致0.7伏特，晶体管节点处的电压在此情景中是大致-0.7伏特(例如，晶体管节点电压(-0.7)伏特加上体二极管电压(0.7)等于大致0伏特)。在低侧操作期间在电流流动穿过转换器100中的接地节点110时可出现此情况。另外，当晶体管318导电时，实例性电阻器324上的电流将通过实例性晶体管318传导，因此致使折回信号节点328处的电压相对低。
当晶体管318的栅极端子与电流端子334之间的电压降是负的时晶体管318可阻断(例如，阻止电流流动穿过电流端子336朝向电流端子334)。举例来说，当栅极电压是0.1伏特且电流端子334处的电压是0.2伏特时晶体管318可阻断。在此实例中，漏极到源极电压降是负的且晶体管318将阻断。假定体二极管电压是大致0.7伏特，晶体管节点处的电压在此情景中是大致-0.5伏特(例如，晶体管节点电压(-0.5)伏特加上体二极管电压(0.7)等于大致0.2伏特)。在低侧操作期间在电流流动穿过转换器100中的接地节点110时可出现此情况。另外，当晶体管318阻断时，实例性电阻器324上的电流将通过实例性缓冲器312传导，因此致使折回信号节点328处的电压相对高。
当受方程式1管控的低侧晶体管104上的电压降的量值小于晶体管316上的体二极管电压时，晶体管318可不导电。同样地，当受方程式1管控的低侧晶体管104上的电压降的量值大于或等于晶体管316上的体二极管电压时，晶体管318可导电。关于方程式1中的元素，电阻(RON或RDS)的改变可管控低侧晶体管104上的电压。其中低侧晶体管的电阻发生改变的实例是在装置温度发生改变期间。举例来说，随着温度增加，电阻增加。同样地，折回信号310的状态发生改变及/或响应于晶体管节点电压、电路温度等而确定。
晶体管320耦合到实例性晶体管318。在图3中所描绘的实例性拓扑中，由于晶体管318及320的栅极电压是等效的，因此源极端子处的源极电压的量值及极性将确定哪一晶体管接通得更快。晶体管320是n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)。在其它实例中，晶体管320可为双极结晶体管、p沟道金属氧化物半导体场效晶体管(PMOS)、结场效晶体管(JFET)等。
实例性晶体管322从实例性缓冲器314汲取电压度量。晶体管322确保电流端子334及电流端子332所共用的节点将不由于在晶体管316关断时从晶体管316的泄漏而向上漂移。在晶体管节点108电压为高时可出现此情况。举例来说，晶体管322可将电流端子332的源极电压配置为等于晶体管316的栅极端子的栅极电压。此可确保晶体管316在饱和中。晶体管322可为n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)、双极结晶体管、p沟道金属氧化物半导体场效晶体管(PMOS)、结场效晶体管(JFET)或能够将晶体管316配置为在饱和中的任何其它装置。
图4是可与折回电路302组合使用的实例性控制器304的框图。实例性控制器304包含信号接口402、信号分析器404及控制信号产生器406。信号接口402、信号分析器404及控制信号产生器406以通信方式连接。出于驱动晶体管104、106的目的，实例性控制器304接收折回信号310并产生分别驱动晶体管104、106的两个输出。控制器304中的输入及所产生输出的数目可变化。
实例性信号接口402从折回电路302接收折回信号310。信号接口402与信号分析器404及控制信号产生器406通信以用作通信链路。
实例性信号分析器404与信号接口402及控制信号产生器406通信。信号分析器404与信号接口402通信以确定在信号接口402处接收的折回信号310是高还是低。另外，在确定折回信号310是高还是低之后，信号分析器404将结果的指示(例如，折回信号310是高还是低)传递到控制信号产生器406。举例来说，如果信号分析器404确定折回信号310是高，那么将高折回信号的指示传递到控制信号产生器406。同样地，如果信号分析器404确定折回信号310是低，那么将低折回信号310的指示传递到控制信号产生器406。
实例性控制信号产生器406与信号分析器404通信以接收结果的指示(例如，折回信号310是高还是低)。控制信号产生器406响应于结果的指示而为高侧晶体管106及/或低侧晶体管104产生控制信号以接通及/或关断晶体管。举例来说，如果控制信号产生器406从信号分析器404接收到低折回信号310的指示，那么控制信号产生器406可产生与用于高侧晶体管106的接通信号对应的经延迟信号。同样地，如果控制信号产生器406从信号分析器404接收到高折回信号310的指示，那么控制信号产生器406可像往常一样继续将接通及/或关断信号发送到低侧晶体管104及/或高侧晶体管106。在其它实例中，来自信号分析器404的指示的极性可更改控制信号产生器406的动作。在其它实例中，如果控制信号产生器406从信号分析器404接收到低折回信号310的指示，那么控制信号产生器406可像往常一样继续将接通及/或关断信号发送到低侧晶体管104及/或高侧晶体管106。另外，在其它实例中，如果控制信号产生器406从信号分析器404接收到高折回信号310的指示，那么控制信号产生器406可产生与用于高侧晶体管106的接通信号对应的经延迟信号。
图5是当温度增加且停用实例性折回电路302时电感器电流信号502的信号曲线图。线504表示转换器100的温度从125摄氏度增长到200摄氏度的时间。在图解说明中清晰地展示，电感器电流信号502在5μs之后失控，如在线504处所展示。安全操作区指示信号506指示转换器100是否按要求操作。随着温度在线504处增加，在低侧操作(例如，低侧晶体管104导电)期间，低侧晶体管104的寄生二极管开始载运显著电流。因此，监测转换器(例如，控制器)的装置失去恰当地监测电感器电流信号502的能力。因此，电感器电流信号502失控且不再恰当地被控制。
时钟508像往常一样操作，从而控制高侧晶体管106的接通时间。线510描绘高侧晶体管106的最小接通时间。启用信号512描绘低侧晶体管104的接通时间(例如，当启用信号512为高时，低侧晶体管104导电)。折回信号514描绘折回信号节点328是高还是低且偏置信号516描绘折回电路302中的偏置信号的振幅。
由于停用折回电路302，因此在转换器100中的温度增加时控制转换器100的装置(例如，控制器)不再能够恰当地感测电感器电流502。在线504处，转换器100的温度显著地增加(例如，从125摄氏度到200摄氏度)。因此，在停用折回电路302的情况下，无法恰当地调整(例如，延迟等)启用信号512且电感器电流信号502失控到不安全状况。
图6是当温度增加且启用折回电路302时电感器电流信号602的信号曲线图。线604表示转换器100的温度从125摄氏度增长到200摄氏度的时间。在图解说明中清晰地展示，电感器电流信号602独立于温度增加而维持在所要范围内，如在线604处所展示。安全操作区指示信号606指示转换器100是否按要求操作。随着温度在线604处增加，在低侧操作(例如，低侧晶体管104导电)期间，低侧晶体管104的寄生二极管开始载运显著电流。因此，监测转换器的装置(例如，控制器)失去恰当地监测电感器电流信号602的能力。
时钟608像往常一样操作，从而控制高侧晶体管106的接通时间。线610描绘高侧晶体管106的最小接通时间。启用信号612描绘低侧晶体管104的接通时间(例如，当启用信号612为高时，低侧晶体管104导电)。折回信号614描绘折回信号节点328是高还是低且偏置信号616描绘折回电路302中的偏置信号的振幅。
由于启用折回电路302，因此在转换器100中的温度增加时控制转换器100的装置(例如，控制器)不再能够恰当地感测电感器电流602。在线604处，转换器100的温度显著地增加(例如，从125摄氏度到200摄氏度)。因此，在启用折回电路302的情况下，延迟高侧晶体管106的接通时间(例如，启用信号612是高的直到转换器100返回到安全操作条件为止)。启用信号612保持为高直到安全操作区指示信号606是高的为止。在图6中所图解说明的实例中，电感器电流信号602不再失控。
虽然在图3中图解说明实施图3及4的控制器的实例性方式，但可组合、划分、重新布置、省略、消除及/或以任何其它方式实施图3中所图解说明的元件、过程及/或装置中的一或多者。进一步地，图3及4的实例性信号接口402、实例性信号分析器404、实例性控制信号产生器406、实例性折回电路302、实例性电流镜308及/或更一般来说为实例性控制器304可由硬件、软件、固件及/或硬件、软件及/或固件的任一组合实施。因此，举例来说，实例性信号接口402、实例性信号分析器404、实例性控制信号产生器406、实例性折回电路302、实例性电流镜308及/或更一般来说为实例性控制器304中的任一者可由一或多个模拟或数字电路、逻辑电路、可编程处理器、可编程控制器、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)及/或现场可编程逻辑装置(FPLD)实施。当阅读此专利的设备或系统权利要求中的任一者以涵盖纯软件及/或固件实施方案时，实例性信号接口402、实例性信号分析器404、实例性控制信号产生器406、实例性折回电路302、实例性电流镜308及/或实例性控制器304中的至少一者据此明确地经定义以包含非暂时性计算机可读存储装置或存储磁盘，例如包含软件及/或固件的存储器、数字通用光盘(DVD)、高密光盘(CD)、蓝光光盘等。
更进一步地，图4的实例性控制器可包含除了或替代图3中所图解说明的那些的一或多个元件、过程及/或装置，及/或可包含所图解说明元件、过程及装置中的任一者或所有元件、过程及装置中的多于一者。如本文中所使用，短语“进行通信”包含其变化形式，囊括直接通信及/或通过一或多个中间组件进行的间接通信，且不需要直接物理(例如，有线)通信及/或恒定通信，而是另外包含以周期性间隔、排定间隔、非周期性间隔及/或一次就可完成事件进行的选择性通信。
在图7中展示表示用于实施图3及4的控制器的实例性硬件逻辑、机器可读指令、硬件实施状态机及/或其任一组合的流程图。所述机器可读指令可为可执行程序或可执行程序的一部分以由例如下文结合图7所论述的实例性处理器平台800中所展示的处理器812的计算机处理器执行。程序可体现于存储于非暂时性计算机可读存储媒体(例如CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、DVD、蓝光光盘或与处理器812相关联的存储器)上的软件中，但整个程序及/或其部分可替代地由除处理器812以外的装置执行及/或体现于固件或专用硬件中。进一步地，尽管参考图7中所图解说明的流程图描述实例性程序，但可替代地使用实施实例性控制器的许多其它方法。举例来说，可改变框的执行次序及/或可改变、消除或组合所描述的框中的一些框。另外或替代地，框中的任一者或全部可由经结构化以执行对应操作而不执行软件或固件的一或多个硬件电路(例如，离散及/或集成模拟及/或数字电路系统、FPGA、ASIC、比较器、运算放大器(op-amp)、逻辑电路等)实施。
如上文所提及，图3及4的实例性过程可使用存储于其中信息被存储达任何持续时间(例如，达延长的时间段、永久性地、达短暂时刻、用于暂时缓冲及/或用于高速缓存信息)的非暂时性计算机及/或机器可读媒体(例如硬盘驱动器、快闪存储器、只读存储器、高密光盘、数字通用光盘、高速缓冲存储器、随机存取存储器及/或任何其它存储装置或存储磁盘)上的可执行指令(例如，计算机及/或机器可读指令)实施。如本文中所使用，术语非暂时性计算机可读媒体明确地定义为包含任何类型的计算机可读存储装置及/或存储磁盘且排除传播信号并排除传输媒体。
在此说明中，术语“及/或”(在以例如A、B及/或C的形式使用时)是指A、B、C的任一组合或子集，例如：(a)单独A；(b)单独B；(c)单独C；(d)A与B；(e)A与C；(f)B与C；及(g)A与B且与C。而且，如本文中所使用，短语“A或B中的至少一者”(或“A及B中的至少一者”)是指包含以下各项中的任一者的实施方案：(a)至少一个A；(b)至少一个B；及(c)至少一个A及至少一个B。
图7是表示可经执行以实施图3或4的控制器的机器可读指令的流程图700。信号接口402响应于在折回电路302中满足了阈值(例如，阈值得到满足)而从折回电路302接收折回信号310(框710)。
在信号接口402接收到折回信号310之后，信号分析器404基于折回信号310而确定转换器是否在安全操作区区域内操作(框720)。如果信号分析器404确定转换器不再在安全操作区区域内操作，那么将不恰当操作的指示发送到控制信号产生器406。(框725)。举例来说，所述指示是去往控制信号产生器406的用以实施低侧晶体管104及/或高侧晶体管106的延迟的信号。控制信号产生器406将延迟低侧晶体管104及/或高侧晶体管106的开关频率(框735)。
如果信号分析器404确定转换器在安全操作区区域内操作，那么将恰当操作的指示发送到控制信号产生器406。(框730)。举例来说，所述指示是去往控制信号产生器406的用以按照先前计划继续操作(例如，不实施低侧晶体管104及/或高侧晶体管106的延迟)的信号。控制信号产生器406将不延迟低侧晶体管104及/或高侧晶体管106的开关频率(框740)。
控制信号产生器406将新延迟及/或未延迟的信号发送到高侧晶体管106及/或低侧晶体管104(框750)。举例来说，如果从信号分析器404接收到不恰当操作条件的指示，那么控制信号产生器406可延迟高侧晶体管106的接通时间。同样地，如果从信号分析器404接收到恰当操作条件的指示，那么控制信号产生器406可像以前一样继续操作。
控制器304确定是否继续操作(框760)。其中过程停止继续的例子包含功率损失、对各种组件的意外损坏或装置出故障。如果过程将要继续，那么信号接口402将在下一时钟循环内接收折回信号310(框710)。
图8是实例性处理器平台800的框图，实例性处理器平台800经结构化以执行图7的指令以实施图3及4的控制器或折回电路。举例来说，处理器平台800可为服务器、个人计算机、工作站、自学机器(例如，神经网络)、汽车计算机系统、制造设备、工业电力供应器或任何其它类型的计算装置。
所图解说明的实例的处理器平台800包含处理器812。所图解说明的实例的处理器812是硬件。举例来说，处理器812可由来自任何所要族群或制造商的一或多个集成电路、逻辑电路、微处理器、GPU、DSP或控制器实施。硬件处理器可为基于半导体(例如，基于硅)的装置。在此实例中，处理器实施实例性信号接口402、实例性信号分析器404、实例性控制信号产生器406、实例性折回电路302及/或实例性电流镜308。
所图解说明的实例的处理器812包含本地存储器813(例如，高速缓冲存储器)。所图解说明的实例的处理器812经由总线818与包含易失性存储器814及非易失性存储器816的主存储器通信。易失性存储器814可由同步动态随机存取存储器(SDRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)及/或任何其它类型的随机存取存储器装置实施。非易失性存储器816可由快闪存储器及/或任何其它所要类型的存储器装置实施。对主存储器814、816的存取由存储器控制器控制。
所图解说明的实例的处理器平台800还包含接口电路820。接口电路820可由任何类型的接口标准(例如以太网接口、通用串行总线(USB)、近场通信(NFC)接口及/或PCI高速接口)实施。
在所图解说明的实例中，一或多个输入装置822连接到接口电路820。输入装置822准许用户将数据及/或命令输入到处理器812中。举例来说，输入装置可由音频传感器、麦克风、摄像机(静物或视频)、键盘、按钮、鼠标、触摸屏、跟踪垫、轨迹球、等位点装置(isopoint)及/或声音辨识系统实施。
一或多个输出装置824也连接到所图解说明的实例的接口电路820。举例来说，输出装置824可由显示装置(例如，发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、液晶显示器(LCD)、阴极射线管显示器(CRT)、就地开关(IPS)显示器、触摸屏等)、触觉输出装置、打印机、功率转换器及/或扬声器实施。因此，所图解说明的实例的接口电路820通常包含图形驱动器卡、图形驱动器芯片及/或图形驱动器处理器。
所图解说明的实例的接口电路820还包含例如发射器、接收器、收发器、调制解调器、住宅网关、无线存取点及/或网络接口的通信装置以促进经由网络826与外部机器(例如，任一种类的计算装置)进行数据交换。举例来说，通信可经由以太网连接、数字用户线路(DSL)连接、电话线路连接、同轴电缆系统、卫星系统、直线对传式无线系统、移动电话系统等。
所图解说明的实例的处理器平台800还包含用于存储软件及/或数据的一或多个大容量存储装置828。此类大容量存储装置828的实例包含软盘驱动器、硬盘驱动器、高密光盘驱动器、蓝光光盘驱动器、冗余独立磁盘阵列(RAID)系统及数字通用光盘(DVD)驱动器。
图7的机器可执行指令832可存储于大容量存储装置828中、存储于易失性存储器814中、存储于非易失性存储器816中及/或存储于可装卸非暂时性计算机可读存储媒体(例如CD或DVD)上。
依据前文，实例性方法、设备及制件允许恰当大小的开关及/或晶体管存在于转换器中。实例性方法、设备及制件不再含有尺寸过大及/或补偿过高的组件以在安全条件中操作。所描述方法、设备及制件通过增加装置的安全操作区且允许装置在其完全约束下操作而改进使用计算装置的效率。此外，所描述方法、设备及制件改进使用功率转换器来给负载(例如汽车电子设备、制造设备或工业部门设备)供电且维持在功率转换器的安全操作区内的能力。所描述方法、设备及制件因此针对于计算机的运作的一或多个改进。
修改在所描述实施例中是可能的，且其它实施例在权利要求书的范围内是可能的。

Claims (15)

1.一种设备，其包括：
电流镜，其直接连接到源极电压且直接耦合到控制器；
第一晶体管，其包含第一栅极、第一电流端子及第二电流端子，所述第一电流端子直接连接到所述电流镜，且所述第二电流端子可操作以直接连接到转换器；及
第二晶体管，其包含第二栅极、第三电流端子及第四电流端子，所述第二栅极直接耦合到所述第一栅极及所述第一电流端子，所述第三电流端子直接耦合到所述控制器，且其中所述第四电流端子直接耦合到所述第二栅极及所述第一栅极。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述转换器包含开关模式电力供应器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一晶体管的所述第二电流端子经配置以耦合到所述转换器的晶体管节点以获得第一信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一信号是晶体管节点电压的函数。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一信号将与二极管电压相加，其中所述二极管电压将是跨越所述第一晶体管的所述第一电流端子及所述第二电流端子确立的。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包含信号接口、信号分析器及控制信号产生器，所述控制器将输出与所述转换器中的第三晶体管的接通时间对应的经延迟信号。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述电流镜进一步包含第三晶体管，其中所述第三晶体管包含第三栅极、第五电流端子及第六电流端子。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述第五电流端子耦合到所述第一电流端子，所述第六电流端子经配置以耦合到所述控制器。
9.一种系统，其包含具有开关晶体管的转换器、源极电压、折回电路和可操作以控制所述开关晶体管的控制器，所述折回电路包括：
第一晶体管，其具有第一栅极、第一电流端子和第二电流端子，所述第二电流端子可操作以直接连接到所述开关晶体管的电流端子；
第二晶体管，其具有第二栅极、第三电流端子和第四电流端子，所述第二栅极连接到所述第一栅极、所述第一电流端子和所述第四电流端子，且所述第三电流端子可操作以通过缓冲器连接到所述控制器；及
电流镜，其直接连接到所述第一电流端子和所述第三电流端子，所述电流镜可操作以直接连接到所述源极电压。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述转换器包含开关模式电力供应器。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制器包含信号接口、信号分析器及控制信号产生器，所述控制器将输出与所述开关晶体管的接通时间对应的经延迟信号。
12.一种电压转换器，其具有耦合到负载的输入电压和输出电压，所述电压转换器包括：
高侧晶体管，其具有第一控制端子、第一电流端子和第二电流端子，所述第一电流端子耦合到所述输入电压；
低侧晶体管，其具有第二控制端子和第三电流端子，所述第三电流端子耦合到所述第二电流端子；
控制器，其具有耦合到所述第一控制端子的第一输出和耦合到所述第二控制端子的第二输出；
第一晶体管，其具有第三控制端子、第四电流端子和第五电流端子，所述第四电流端子直接耦合到所述第三电流端子；
第二晶体管，其具有第四控制端子、第六电流端子和第七电流端子，所述第三控制端子和所述第四控制端子直接耦合到所述第五电流端子和所述第六电流端子；及
电流镜，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子直接耦合到所述第三控制端子和所述第四控制端子，且所述第二端子耦合到所述控制器和所述第二控制端子。
13.根据权利要求12所述的电压转换器，其中所述第二端子直接耦合到所述第二控制端子。
14.根据权利要求13所述的电压转换器，其中所述第二端子通过电阻器和缓冲器而直接耦合到所述控制器。
15.根据权利要求12所述的电压转换器，其中所述电流镜进一步包含耦合到所述第二端子的第三端子。
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