CN114079267A - 提供有短路保护的电源控制器以及相关的控制方法 - Google Patents

提供有短路保护的电源控制器以及相关的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电源控制器，控制功率开关。功率开关、电流检测电阻、及电感元件，串联于两条电源线之间。电流检测电阻提供电流检测信号。电源控制器包括PWM信号产生器及短路保护电路。PWM信号产生器产生PWM信号给功率开关，以产生多个开关周期。每一开关周期具有开启时间及关闭时间。短路保护电路接收电流检测信号，包含高通滤波器及状态检测电路。高通滤波器高通滤波电流检测信号，以产生滤波后信号。状态检测电路检测滤波后信号。当滤波后信号于开启时间内符合预设条件时，状态检测电路提供短路保护信号，禁能PWM信号产生器，使功率开关保持关闭。

Description

提供有短路保护的电源控制器以及相关的控制方法
技术领域
本发明关于一种适用于开关式电源供应器的电源控制器以及相关的控制方法；特别关于开关式电源供应器中的电流检测电阻短路时，电源控制器所提供的短路保护技术。
背景技术
电源供应器除了要求有精准的输出电压或是输出电流之外，也必须具有一些防护机制，用来预防不正常或是不预期的错误状况发生时。举例来说，一般常见的防护机制有输出过电压保护(output over-voltage protection)、输出过电流保护(output over-current protection)、过温度保护(over-temperature protection)以及短路保护(shortcircuit protection)。
短路保护所要求的是当电源供应器中的任一电子零件发生短路情形时，电源供应器不能对于外界产生任何风险。电源供应器中往往具有一电流检测电阻，用来检测流经电源供应器中功率开关的电流。当电流检测电阻发生短路时，如果没有适时地反应，往往在一两个开关周期内，流经功率开关的电流就会变得非常的大，电源供应器有爆炸或是着火的风险。
图1显示已知的返驰式电源供应器10，其中包含有变压器TF、功率开关20、电流检测电阻RCS、补偿电容CCOMP、电源控制器100、二极管DS、以及输出电容COUT，彼此的连接关系如图1所示。变压器TF包含有主绕组PRM以及二次侧绕组SEC。主绕组PRM、功率开关20、与电流检测电阻RCS串接于输入电源线IN与输入地GNDIN两条电源线之间。电源控制器100提供PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号SDRV，控制功率开关20，使得二次侧绕组SEC电感感应地产生交流电压与电流，其经过二极管DS整流后，在输出端OUT产生输出电压VOUT，提供负载24电源。电流检测电阻RCS提供电流检测信号VCS回馈给电源控制器100。
图2A显示当电流检测电阻RCS正常时，PWM信号SDRV、电流检测信号VCS与流经主绕组PRM的输入电流IIN的信号波形。当电流检测信号VCS超过电源控制器100依据补偿信号VCOMP所产生的衰减补偿信号(attenuated compensation signal)VCOMP-AN时，电源控制器100就结束开启时间TON，如此控制输入电流IIN的峰值。如同图2A所示，当电流检测电阻RCS正常时，电流检测信号VCS的波形大约等同于输入电流IIN的波形。
图2B显示当电流检测电阻RCS短路时，PWM信号SDRV、电流检测信号VCS与输入电流IIN的信号波形。由于电流检测电阻RCS的电阻等效上变成0欧姆了，因此电流检测信号VCS一直为0V。因为电流检测信号VCS一直没有超过衰减补偿信号VCOMP-AN，电源控制器100使得开启时间TON为最大开启时间(maximum ON time)，造成了关闭时间TOFF过短，输入电流IIN来不及在这开关周期内释放，又从下一个开关周期不断爬升。很快的，在一两个开关周期内，变压器TF将因为输入电流IIN过大而磁饱和，有炸机着火的危险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电源控制器以及相关的控制方法，在电流检测电阻短路时，可提供短路保护技术。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电源控制器，用以控制一功率开关。该功率开关、一电流检测电阻、以及一电感元件，串联于两条电源线之间。该电流检测电阻可提供一电流检测信号。该电源控制器包括一PWM信号产生器以及一短路保护电路。该PWM信号产生器产生一PWM信号给该功率开关，以产生多个开关周期。每一开关周期具有一开启时间以及一关闭时间。该短路保护电路接收该电流检测信号，包含有一高通滤波器以及一状态检测电路。该高通滤波器高通滤波该电流检测信号，以产生一滤波后信号。该状态检测电路检测该滤波后信号。当该滤波后信号于该开启时间内符合一预设条件时，该状态检测电路提供一短路保护信号，禁能该PWM信号产生器，使得该功率开关保持关闭。
本发明的实施例提供一种控制方法，适用于一电源控制器，其控制一功率开关。该功率开关、一电流检测电阻、以及一电感元件，串联于两条电源线之间。该电流检测电阻可提供一电流检测信号。该控制方法包括：开关该功率开关，以产生多个开关周期，每一开关周期具有一开启时间以及一关闭时间；于该开启时间内，高通滤波该电流检测信号，以产生一滤波后信号；以及，当该滤波后信号于该开启时间内符合一预设条件时，提供一短路保护信号，使得该功率开关保持关闭。
本发明的有益功效在于：上述的电源控制器以及相关的控制方法，在电流检测电阻短路时，可提供短路保护技术。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1显示已知的返驰式电源供应器。
图2A显示当电流检测电阻正常时，PWM信号、电流检测信号与流经主绕组的输入电流的信号波形。
图2B显示当电流检测电阻短路时，PWM信号、电流检测信号与输入电流的信号波形。
图3显示依据本发明所实施的电源控制器。
图4A显示当电流检测电阻正常时，电源控制器的PWM信号、电流检测信号、前沿屏蔽信号、短脉冲、滤波后信号、风险信号、与短路保护信号的信号波形。
图4B显示当电流检测电阻短路时的一些信号波形。
其中，附图标记：
10：返驰式电源供应器
20：功率开关
24：负载
100、100a：电源控制器
101：PWM信号产生器
102：频率控制器
104：开启时间控制器
106：逻辑电路
108：短路保护电路
110：驱动电路
112：前沿屏蔽信号产生器
114：衰减器
116：比较器
118：高通滤波器
119：状态检测电路
120：比较器
121：钳制电路
122：脉冲产生器
124：开关
125：SR正反器
126：D正反器
128：SR正反器
BEN：禁能端
CCOMP：补偿电容
COUT：输出电容
CS：电流检测接脚
DS：二极管
GNDIN：输入地
IN：输入电源线
IIN：输入电流
OUT：输出端
PRM：主绕组
RCS：电流检测电阻
SCHK：短脉冲
SDRV、SG：PWM信号
SEC：二次侧绕组
SLEB：前沿屏蔽信号
SRISK：风险信号
SS_PRO：短路保护信号
t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7：时间点
TCYC：开关周期
TF：变压器
TLEB：前沿屏蔽时间
TOFF：关闭时间
TON：开启时间
VCOMP：补偿信号
VCOMP-AN：衰减补偿信号
VCS：电流检测信号
VCS-HPF：滤波后信号
VREF：预设电压
VOUT：输出电压
具体实施方式
在本说明书中，有一些相同的符号，其表示具有相同或是类似的结构、功能、原理的元件，且为业界具有一般知识能力者可以依据本说明书的教导而推知。为说明书的简洁度考量，相同的符号的元件将不再重述。
尽管以下本发明的实施例具有返驰式架构，但是本发明并不限于此。在其他的实施例中，本发明可适用于其他电源转换架构，譬如升压器(booster)。
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
图3显示依据本发明所实施的电源控制器100a。在一实施例中，电源控制器100a取代图1中的电源控制器100，来控制功率开关20。电源控制器100a包含有PWM信号产生器101与短路保护电路108。
PWM信号产生器101依据补偿信号VCOMP与电流检测信号VCS，产生PWM信号SDRV给开关功率开关20，产生多个开关周期TCYC，每一开关周期TCYC以一开启时间TON与一关闭时间TOFF所构成。
补偿信号VCOMP可以依据输出电压VOUT与预设的目标电压的比较结果而产生。举例来说，一误差放大器可以比较输出电压VOUT与目标电压，据以对补偿电容CCOMP充电或是放电，产生补偿信号VCOMP，目的是使得输出电压VOUT大约控制在目标电压。
频率控制器102依据补偿信号VCOMP，决定开关周期TCYC的长度。大约一开关周期TCYC后，频率控制器102设置逻辑电路106中的SR正反器128，使得PWM信号SG为逻辑上的“1”。依据PWM信号SG，驱动电路110产生相对应的PWM信号SDRV，通过PWM信号SDRV，开始开启功率开关20。因此，PWM信号SDRV与PWM信号SG逻辑上是相互等同，尽管他们的电压电位可能不同。频率控制器102决定了开启时间TON的起点，或是关闭时间TOFF的终点。
开启时间控制器104包含有衰减器(attenuator)114，其依据补偿信号VCOMP，产生衰减补偿信号VCOMP-AN。衰减补偿信号VCOMP-AN可以说是缩减版的补偿信号VCOMP。举例来说，衰减补偿信号VCOMP-AN大约为常数K与补偿信号VCOMP的乘积，而常数K介于0到1之间。开启时间控制器104依据补偿信号VCOMP与电流检测信号VCS，来决定开启时间TON。在开启时间TON内，如果电流检测信号VCS超过了衰减补偿信号VCOMP-AN，比较器116可以重置SR正反器128，使得PWM信号SG与SDRV为逻辑上的”0”，结束开启时间TON，开始关闭时间TOFF。
开启时间控制器104另包含有前沿屏蔽信号产生器112，其由PWM信号SG的上升沿所触发，产生前沿屏蔽信号SLEB，可以定义开启时间TON一开始时的前沿屏蔽时间TLEB。如同图3所示，在前沿屏蔽信号SLEB为逻辑上的“1”的前沿屏蔽时间TLEB内，比较器116的输出被挡住，无法重置SR正反器128。因此，前沿屏蔽信号产生器112使得开启时间TON的长度至少是前沿屏蔽时间TLEB。
短路保护电路108有高通滤波器118、钳制电路121、与状态检测电路119。
高通滤波器118对电流检测信号VCS进行高通滤波，产生滤波后信号VCS-HPF。举例来说，高通滤波器118可以包含有一电容以及一电阻，串联于电流检测接脚CS与比较器120的反向输入端之间。另一实施例中，高通滤波器118有一电容，串联于电流检测接脚CS与比较器120的反向输入端之间，以及一电阻，连接于比较器120的反向输入端与输入地GNDIN之间。
钳制电路121有开关124与一些逻辑闸。钳制电路121在关闭时间TOFF以及开启时间TON一开始时的前沿屏蔽时间TLEB内，将滤波后信号VCS-HPF钳制为一起始值，这起始值在图3中举例但不限定为0V。换言之，钳制电路121在关闭时间TOFF与前沿屏蔽时间TLEB内，将滤波后信号VCS-HPF设定为起始值。
状态检测电路119检测滤波后信号VCS-HPF。当滤波后信号VCS-HPF于开启时间TON内符合一预设条件时，状态检测电路119提供短路保护信号SS_PRO，通过禁能端BEN，禁能PWM信号产生器101，使得功率开关20保持关闭。状态检测电路119包含有比较器120、SR正反器125、D正反器126、以及脉冲产生器122。在一实施例中，这预设条件是滤波后信号VCS-HPF不高于预设电压VREF。
风险信号SRISK在前沿屏蔽时间TLEB内，被SR正反器125预设为逻辑上的“1”。比较器120比较滤波后信号VCS-HPF以及预设电压VREF。预设电压VREF可以是，但不限定是0.1V。一但滤波后信号VCS-HPF超过了预设电压VREF，就把风险信号SRISK重置为逻辑上的“0”。脉冲产生器122在前沿屏蔽时间TLEB后的一预设时间点，提供短脉冲SCHK给D正反器126的时脉输入端，来检查风险信号SRISK，据以产生短路保护信号SS_PRO。
图4A显示当电流检测电阻RCS正常时，电源控制器100a的PWM信号SDRV与SG、电流检测信号VCS、前沿屏蔽信号SLEB、短脉冲SCHK、滤波后信号VCS-HPF、风险信号SRISK、与短路保护信号SS_PRO的信号波形。图4A与图2A相似或相同之处，可以参阅先前的教导而得知，不再重述。
如同图4A所示，前沿屏蔽信号SLEB定义了开启时间TON一开始时的前沿屏蔽时间TLEB，也就是前沿屏蔽信号SLEB为逻辑上的“1”的时间。在图4A中，前沿屏蔽时间TLEB位于时间点t0到t1之间。在前沿屏蔽时间TLEB与关闭时间TOFF内，滤波后信号VCS-HPF被钳制电路121钳制为0V。在前沿屏蔽时间TLEB内，风险信号SRISK预设为第一电平，亦即逻辑上的“1”。
前沿屏蔽时间TLEB后，钳制电路121不再钳制滤波后信号VCS-HPF。因此，滤波后信号VCS-HPF反应电流检测信号VCS的动态变化，开始从0V上升。当滤波后信号VCS-HPF超过预设电压VREF时，风险信号SRISK转为不同于第一电平，亦即逻辑上的“0”。
脉冲产生器122在前沿屏蔽时间TLEB后的时间点t2，提供短脉冲SCHK给D正反器126的时脉输入端。此时，因为风险信号SRISK为逻辑上的“0”，因此短路保护信号SS_PRO还是保持为逻辑上的“0”，视为电流检测电阻RCS为正常。因此，PWM信号产生器101可以在时间点t4，再度开启功率开关20，开始新的开启时间TON。
相较于图4A，图4B显示当电流检测电阻RCS短路时的一些信号波形。图4B中，因为电流检测电阻RCS短路了，所以电流检测信号VCS大约都维持在0V。
在图4B中，前沿屏蔽时间TLEB位于时间点t5到t6之间。在前沿屏蔽时间TLEB内，滤波后信号VCS-HPF被钳制电路121钳制为0V，所以风险信号SRISK被预设为逻辑上的“1”。
在图4B的前沿屏蔽时间TLEB后，尽管钳制电路121不再钳制滤波后信号VCS-HPF，电流检测信号VCS还是大约为0V，几乎没有动态变化，所以滤波后信号VCS-HPF大约为0V。滤波后信号VCS-HPF一直没有超过预设电压VREF，所以风险信号SRISK还是维持在第一电平，亦即逻辑上的“1”。
脉冲产生器122在前沿屏蔽时间TLEB后的时间点t7，提供短脉冲SCHK给D正反器126的时脉输入端。此时，因为风险信号SRISK为第一电平，亦即逻辑上的“1”，因此短路保护信号SS_PRO转为逻辑上的“1”，马上就通过逻辑电路106关闭了功率开关20。因为短路保护信号SS_PRO会一直维持在逻辑上的“1”，所以功率开关20将会一直维持在关闭状态，达到短路保护的效果。
从图4B可知，当电流检测电阻RCS短路时，电源控制器100a在一个开启时间TON内，就可以快速的检测出来，并且对应地关闭功率开关20，终止了电源转换，提供了即时短路保护机制。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种电源控制器，用以控制一功率开关，该功率开关、一电流检测电阻、以及一电感元件，串联于两条电源线之间，该电流检测电阻可提供一电流检测信号，其特征在于，该电源控制器包括：
一PWM信号产生器，用以产生一PWM信号给该功率开关，以产生多个开关周期，每一开关周期具有一开启时间以及一关闭时间；以及
一短路保护电路，用以接收该电流检测信号，包含有：
一高通滤波器，用以高通滤波该电流检测信号，以产生一滤波后信号；以及
一状态检测电路，检测该滤波后信号，当该滤波后信号于该开启时间内符合一预设条件时，该状态检测电路提供一短路保护信号，禁能该PWM信号产生器，使得该功率开关保持关闭。
2.如权利要求1所述的电源控制器，其特征在于，该短路保护电路另包含有：
一钳制电路，用以在该开启时间的一开始时，设定该滤波后信号为一起始值。
3.如权利要求2所述的电源控制器，其特征在于，该PWM信号产生器包含有一前沿屏蔽信号产生器，用以定义该开启时间一开始的一前沿屏蔽时间，该钳制电路在该前沿屏蔽时间内，设定该滤波后信号为该起始值。
4.如权利要求3所述的电源控制器，其特征在于，该PWM信号产生器依据该电流检测信号，来决定该开启时间，且该开启时间至少是该前沿屏蔽时间。
5.如权利要求3所述的电源控制器，其特征在于，该状态检测电路包含有一比较器，比较该滤波后信号以及一预设电压，用以产生一风险信号。
6.如权利要求5所述的电源控制器，其特征在于，该起始值小于该预设电压，使得该风险信号于该前沿屏蔽时间内为一第一电平。
7.如权利要求6所述的电源控制器，其特征在于，该状态检测电路于该前沿屏蔽时间后的一预设时间点，检查该风险信号，据以产生该短路保护信号。
8.如权利要求7所述的电源控制器，其特征在于，于该预设时间点，当该滤波后信号大于该预设电压时，该风险信号为不同于该第一电平，该状态检测电路不产生该短路保护信号；当该滤波后信号小于该预设电压时，该风险信号为该第一电平，该状态检测电路产生该短路保护信号。
9.一种控制方法，适用于一电源控制器，其控制一功率开关，该功率开关、一电流检测电阻、以及一电感元件，串联于两条电源线之间，该电流检测电阻可提供一电流检测信号，其特征在于，该控制方法包括：
开关该功率开关，以产生多个开关周期，每一开关周期具有一开启时间以及一关闭时间；
于该开启时间内，高通滤波该电流检测信号，以产生一滤波后信号；以及
当该滤波后信号于该开启时间内符合一预设条件时，提供一短路保护信号，使得该功率开关保持关闭。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，另包括：
使得该开启时间至少为一前沿屏蔽时间；以及
于该前沿屏蔽时间内，将该滤波后信号设定为一起始值。
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，另包括：
比较该滤波后信号与一预设电压，用以产生一风险信号；以及
于该前沿屏蔽时间后的一预设时间点，检查该风险信号，据以产生该短路保护信号。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，另包括：
该起始值小于该预设电压，使该风险信号为一第一电平；
当该滤波后信号大于该预设电压时，于该预设时间点前，该风险信号为不同于该第一电平，而不产生该短路保护信号；以及
当该滤波后信号小于该预设电压时，于该预设时间点，该风险信号仍为该第一电平，进而产生该短路保护信号。
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