CN1741341A - 利用mosfet的导通电阻的过热保护感应的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种为过热保护使用功率MOSFET导通电阻Rds_on的电源控制器。该脉宽调制控制器的MOSFET导通电阻Rds_on感应温度,该温度与预定温度阈值相比较,其中当感应温度超过了预定温度阈值时该脉宽调制控制器检测到过热条件。脉宽调制控制器包括具有第一端和第二端的Rp电阻;电压比较器电路,该电压比较器电路具有第一输入端、第二输入端、和输出端,该电压比较器电路的第一输入端连接到Rp电阻的第二端;和MOSFET,该MOSFET在其处于ON状态时具有导通电阻Rds_on,该Rds_on具有第一端和第二端,该Rds_on的第二端连接到该电压比较器电路的第二输入端,该Rds_on感应温度值,并且该Rds_on的值根据温度值的变化波动。

Description

利用MOSFET的导通电阻的过热保护感应的系统和方法
技术领域
本发明主要涉及电源,更具体而言涉及在电源中用于过热保护的控制器。
背景技术
由于新设计要求具有更高处理器功率和更多功能,同时要求提供一种检测可能发生的过热状态的机制,所以便携式和桌面式电子设备的电源已经受到越来越多的关注和设计考虑。作为一种提高功率转换效率的技术,被称为脉宽调制(PWM)功率变换器的电源已经被广泛应用于不同的电子产品中。
脉宽调制控制器生成带有可变通断(on-to-off)比的方波。调制有可变通断比的脉宽能将大小可变的功率传递到负载,这将有效地减少了总功率的消耗,并提供了一种将功率传递到负载的有效技术。
一种典型地使用脉宽调制控制器的传统功率变换器是一种DC-DC变换器,该变换器具有可调的降压(step-down)电路,能为供给直流低压总线,例如,3.3V、5V、和12V的总线进行同步整流。这种DC-DC变换器通过使用现有的开关设备来防止负载过流的状态,消除了对分立式电流敏感电阻器的需要。但是,已知的温度保护电路为了提供这种功能,需要使用一个分立组件。
因此,存在一种为电源提供过热保护的需要,同时要将为电路增加更多特征的成本最小化,并且要将电路板的空间尺寸保持相对紧凑。
发明内容
本发明提供了一种为过热保护使用功率型MOSFET导通电阻Rds_on的电源控制器。参数,导通电阻Rds_on,被用作由温度决定的变量,该变量致使脉宽调制控制器在MOSFET过热时断开。脉宽调制控制器的MOSFET导通电阻Rds_on感应温度,该温度与预定温度阈值相比较,其中脉宽调制控制器在感应的温度超过预定温度阈值时检测到一过热状态。
广义而言,本发明提供了一种用于过热保护的脉宽调制控制器,该控制器包括具有第一端和第二端的Rp电阻;电压比较器电路,该电压比较器电路具有第一输入端、第二输入端、和输出端,该电压比较器电路的第一输入端与Rp电阻的第二端相连;和MOSFET,该MOSFET在处于ON状态时具有导通电阻Rds_on,该Rds_on具有第一端和第二端,Rds_on的第二端与电压比较器电路的第二输入端相连,该Rds_on感应温度值并且该Rds_on的值随着温度值的变化波动;其中Rp电阻是与Rds_on的最大允许温度相关的预定值,电压比较器电路比较跨接在Rds_on的第一压降Vb和跨接在Rp电阻的第二压降Vc,当流经MOSFET Rds_on的电流Io等于或大于阈值电流Ip时,若第二压降Vc比第一压降Vb大,则电压比较器电路生成过热输出信号。
有利地,本发明为电源控制器提供了附加功能而产生很少或不需要额外的成本。此外,本发明也显著减少了提供温度感应组件所需的电路板空间大小。
通过以下说明、所附权利要求和附图,本发明的这些和其它实施方式、特征、方面和优点将变得更容易理解。
附图说明
图1是一个简化框图,说明了依照本发明的用于过热保护的脉宽调制控制器。
图2A是一个电路图,说明了依照本发明的电路中MOSFET的符号;图2B是电路图,说明了依照本发明当MOSFET转换成ON时MOSFET的等效电路;图2C是电路图,说明了依照本发明当MOSFET转换成OFF时MOSFET的等效电路。
图3是一个电路图,说明了依照本发明的用于过热保护的脉宽调制控制器的第一实施方式,该脉宽调制控制器使用上侧Q1 MOSFETRds_on,而下侧Q2 MOSFET处于OFF状态。
图4是一个电路图,说明了依照本发明的用于过热保护的脉宽调制控制器的第二实施方式,该脉宽调制控制器使用下侧Q2 MOSFETRds_on,而上侧MOSFET处于OFF状态。
图5是一个电路图,说明了依照本发明的应用单一放大器的用于过热保护的脉宽调制控制器的第三实施方式。
图6是一个流程图,说明了依照本发明,在第一实施方式所述的通过使用上侧Q1 MOSFET导通电阻Rds_on作为温度感应元件来在电源中提供过热保护的过程。
图7是一个流程图,说明了依照本发明,在第二实施方式所述的通过使用下侧Q2 MOSFET导通电阻Rds_on作为温度感应元件来在电源中提供过热保护的过程。
图8是一个原理图,说明了依照本发明的非隔离式DC-DC降压变换器。
图9是一个原理图,说明了依照本发明利用脉宽调制控制器的示例性设计实现的降压变换器。
附图中使用附图标记或名称来表示其中的特定组件、方面或特征,其中在一个以上附图中的相同的附图标记表示其中所示的相同组件、方面或特征。
具体实施方式
参考图1,显示了一个说明用于过热保护的脉宽调制控制器100的简化框图。该脉宽调制控制器包括MOSFET Q1 110、Rp电阻120、和控制器130,其中MOSFET 110具有漏极端子111、栅极端子112和源极端子113。在负载电流恒定的条件下,跨接在MOSFET 110的,漏极端子111和源极端子113之间的压降是导通电阻Rds_on的函数。导通电阻,Rds_on的值将作为温度的函数发生变化。以另一种方式表达,该导通电阻Rds_on参数是由温度决定的变量。节点a 114和节点b 115之间的分段示出了跨接漏极端子111和源极端子113的压降。
图2B中显示了当功率MOSFET 110转换成ON(即,开关闭合)时图1所示的MOSFET Q1 110的等效电路。如图2B中所示,110可以用电阻,Rds_on 200来表示。也就是说,节点a 114和节点b 115之间的分段实际上变成导通电阻Rds_on 200。该Rds_on 200的电阻值通常是一个很小的数目。MOSFET Q1 110中的导通电阻Rds_on 200可以既提供过流保护功能又提供过热保护功能。图2C显示了当MOSFET110变成OFF(即,开关打开)时MOSFET 110的等效电路,由带有打开的开关202的Rds_on 200来表示。
图3是一个电路图,示出了通过使用上侧Q1 MOSFET Rds_on而下侧Q2 MOSFET处于OFF状态的,用于过热保护的脉宽调制控制器400的第一实施方式。控制器400包括上侧Q1 MOSFET导通电阻Rds_on 310、Rp电阻320、恒定电流源330、电压输入端VIN 340、电压比较器350、三极管360、电感器370、电容器380、负载390、下侧Q2 MOSFET 410、接地415、二极管D 420,和接地425。由于上侧Q1MOSFET导通电阻Rds_on 310的值随温度变化波动,所以控制器400通过使用上侧Q1 MOSFET导通电阻Rds_on 310作为温度感应装置来提供过热保护。过热保护特征是上侧Q1 MOSFET导通电阻Rds_on 310和Rp电阻320,和它们各自的电流,Io 375和Ip1之间的相互作用的函数,其中若假设电压比较器350是一个理想的电压比较器,其非反相端和反相端具有无限的输入阻抗的情况下,Ip1=Iocs,且其中Ip代表Io的阈值电流。当电流Io 375等于或大于预定电流阈值Ip时若节点325上的压降Vc大于节点305上的Vb,则脉宽调制控制器400触发一个过热保护信号。Ip的阈值根据以下参数确定:Rp、Iocs、和Rds_on。这些参数当中,参数Rds_on作为温度的函数变化。温度波动将影响Ip的设定点。当温度上升时,Ip的值变小。当温度下降时,Ip的值变大。这个特征是电源中温度保护所期望的。节点b 115处电压Vb 305是跨接导通电阻Rds_on 310的,即,节点a 114和节点b 115之间的压降的函数。这个电压可以在数学上如下表达:Vb=VIN-Io*Rds_on。节点c116处的电压Vc 325可以在数学上如下表达:Vc=VIN-Iocs*Rp。因为参数Rds_on 310是由温度决定的变量,Rds_on 310的值的变化将反过来影响压降Vb 305的值。当控制器400中的温度波动时,参数Rp电阻320被重新计算以响应Rds_on 310的值的变化,则压降Vc 325的值也将改变。
电压比较器IC 350将压降Vc 325与压降Vb 305相比较,以确定过热状态是否被触发。如果在Io≥Ip时Vc>Vb,则过热状态被触发。这将导致以下等式:Ip=(Rp*Iocs/Rds_on)。
图4是说明用于过热保护的脉宽调制控制器450的第二实施方式的电路图,其在下侧Q2 MOSFET处于ON状态并且上侧MOSFET处于OFF状态时使用下侧MOSFET的Rds_on。控制器450包括上侧Q1MOSFET 440、下侧Q2 MOSFET导通电阻Rds_on 455、Rp电阻485、恒定电流源480、电压输入端VIN 490、放大器A 460、电阻RA 465、电阻466RA、电压比较器470、三极管475、电感器370、电容器380、和负载390。当Q2 MOSFET 455处于ON状态时,Q2 MOSFET 455被模拟为电阻Rds_on 455。当负载电流,Io 452流经Q2 MOSFET Rds_on455时,其在节点452处生成一个负电压Va 495。节点452被连接到电阻RA 466和具有反馈电阻RA 465的放大器A 460。节点453处的电压Vb 496承载相对于电压Va 495的相反的信号极性,作为放大器A 460提供的一对一变换比率的函数,如以下数学等式所示:Vb=-Va=-(-Io*Rds_on)=Io*Rds_on。换句话说,放大器A 460是一个增益为负1的放大器。电流,Iocs 482由电流源480产生。当前的Iocs 482生成一个跨接电阻Rp 485的压降,Vc 497,也就是,Vc=Iocs*Rp。IC 470是比较电压Vb 496和电压Vc 497的电压比较器。如果在Io≥Ip时Vb>Vc,则过热保护被触发,这产生以下等式:Ip=(Rp*Iocs)/Rds_on。
上侧Q1 MOSFET Rds_on 310为图3中的Q1 MOSFET 310提供过热保护的同时,它也为Q2 MOSFET 410提供过热保护。类似地,下侧Q2 MOSFET Rds_on 455为图4中的Q2 MOSFET 455提供过热保护的同时,它也为Q1 MOSFET 440提供过热保护。
图5所示的原理电路说明了用于过热保护的脉宽调制控制器500的第三实施例,其中仅仅需要单个放大器。在此实施方式中,如图4中所示的放大器A 460无需使电路500能够为使用Q2’s Rds_on 455的脉宽调制控制器500提供过热保护能力。
图6是一个流程图,说明了通过将上侧Q1 MOSFET导通电阻Rds_on 310作为温度感应元件使用来在电源300或400中提供过热保护的过程600。在步骤610,过程600通过利用最大允许温度重新选择上侧Q1 MOSFET Rds_on 310的值,为电源300或400预置温度保护阈值,Tp。Tp通过以下等式与Ip相关
T p = I p 2 · R ds _ ON · θ ja + T a
其中θja是变换因子,且Ta是计算Tp时的参考环境温度。那么,相应的Ip可以这样得到: I p = T p - T a R ds _ ON · θ ja
在确定上侧Q1 MOSFET Rds_on 310的值时,要考虑一个减额因子和一个相应温度因子来调整上侧Q1 MOSFET Rds_on 310的值。在重新选择了上侧Q1 MOSFET Rds_on 310的值之后,Rp 320的值被重新计算以反映相对于上侧Q1 MOSFET Rds_on 310值的Rp 320的相应变化,其中Rp=(Ip*Rds_on)/Iocs并且Vc=VIN-(Iocs*Rp),这样就使Ip表示Io的预定阈值。节点c 325处的压降可以在数学上如下表示:Vc=VIN-(Iocs*Rp)。在步骤630,MOSFET Rds_on 310为过热保护感应节点b 115处的电压Vb 305。上侧Q1 MOSFET Rds_on 310的值是一个由温度决定的变量,其对应感应温度的变化波动。可选地,上侧Q1 MOSFET Rds_on 310也为过流保护感应跨接漏极端子和节点b 115处的源极端子的压降Vb 325。在步骤640,电压比较器350将预置温度阈值与由上侧Q1 MOSFET Rds_on 310感应到的温度相比较,以确定过热保护条件是否已经被触发。如果感应温度没有超过温度保护阈值,可表示为Vc≤Vb,那么过程400返回步骤430,来进一步感应温度以检测过热状态是否存在。但是,如果上侧Q1 MOSFET Rds_on 310感应到超过过热保护阈值的温度,那么过程600在步骤650触发过热保护信号,可在数学上表示为当Io≥Ip时Vc>Vb,其中Ip=(Rp*Iocs/Rds_on)。
图7是一个流程图,说明了在控制器450中通过将下侧Q2MOSFET导通电阻Rds_on 455作为温度感应元件使用来提供过热保护的过程700。在步骤710,过程700通过利用最大允许温度重新选择下侧Q2 MOSFET Rds_on 455的值,为控制器450预置温度保护阈值。在确定下侧Q2 MOSFET Rds_on 455的值时,要考虑减额因子和相应温度因子来调整下侧Q2 MOSFET Rds_on 455的值。在重新选择了下侧Q2 MOSFET Rds_on 455的值之后,Rp 485的值被重新计算以反映对应下侧Q2 MOSFET Rds_on 455值的Rp 485的相应变化,其中Rp=(Ip*Rds_on)/Iocs并且Vc=VIN-(Iocs*Rp),这样就使Ip表示Io的预定阈值。节点496处压降Vb可以在数学上如下表达为:
Vb=-Va=-(-Io*Rds_on)=Io*Rds_on。在步骤730,下侧Q2 MOSFETRds_on 455为过热保护在节点a 495感应跨接Q2 MOSFET Rds_on 455的漏极端子和源极端子的压降。下侧Q2 MOSFET Rds_on 455的值是一个由温度决定的变量,其对应感应温度的变化波动。可选地,下侧Q2 MOSFET Rds_on 455也为过流保护在节点Va 495处感应跨接Q2MOSFET Rds_on 455的漏极端子和源极端子的压降。在步骤740,电压比较器470将预置的温度阈值与由下侧Q2 MOSFET Rds_on 455感应到的温度进行比较,以确定过热保护条件是否已经被触发。如果感应温度没超过温度保护阈值,可表示为Vb≤Vc,那么过程700返回步骤730,来进一步感应温度以检测过热条件是否存在。但是,如果下侧Q2 MOSFET Rds_on 455感应到超过过热保护阈值的温度,那么过程700在步骤750触发对控制器450的过热保护,在数学上表示为当Io=Ip时Vb>Vc,其中Ip=(Rp*Iocs/Rds_on)。
对于本发明的一种适当应用是在非隔离DC-DC电源中,其也被称为非隔离负载点(POL)电源。在非隔离DC-DC电源当中,具有过流保护(OCP)功能的脉宽调制控制器经常被选为具有嵌入的对跨接MOSFET Rds_on的压降进行感应的实现选择。
参考图8,显示了一个说明非隔离DC-DC降压变换器800的原理图。非隔离DC-DC降压变换器800包括脉宽调制控制器810、第一MOSFET Q1 820、第二MOSFET Q2 830,和负载840。负载电流在一部分时间内流经电力开关Q1 820和Q2 830,导致跨接电力开关Q1 820和Q2 830的压降。如果负载电流是一个恒定值,则跨接电力开关Q1 820和Q2 830的压降将随着导通电阻Rds_on变化。该压降大小的波动将对应MOSFET温度。可以预置一个电压阈值,以在如果温度超过该电压阈值时下触发过热保护信号。
图9是说明依照本发明的用脉宽调制控制器的实例设计实现的降压变换器900的原理图。在此实施方式中,该脉宽调制控制器通过将Q1半导体管910的MOSFET Rds_on作为电流感应元件使用来提供过流保护。通过感应在MOSFET Q1 910变成ON时流经MOSFET Q1910上侧的电流,脉宽调制控制器的一个特定管脚用于过流保护。假设电流恒定的情况下,跨接MOSFET Q1 910,从漏极端子到源极端子的压降,是Rds_on的函数。为了确定电流保护阈值,Ip,其可以由以下公式来表示:
Ip = Rp * Iocs Rds _ on                              等式(1)
Rp电阻920被连接到MOSFET漏极端子的上端。在一个典型的规范中,该参数值可以按以下这样赋值:在4.5V门驱动电压,11A和25℃下,Iocs=200μA,Rds_on=11.5mΩ。如果设定Ip=11A,则根据等式(1)计算出Rp为632.5Ωohm。
为了将本发明用于过热保护,利用最大允许温度重新选择Rds_on的值。下面的实例说明了对Rp的计算。如果最大允许结温度(juncion temperature)为175℃,其中减额因子为85%,则允许的结温度为148℃。可以得到1.61的相应温度因子以调整Rds_on,这样就使Rds_on=11.5mΩ×1.61(温度因子)=18.5mΩ。因此,Rp的值被重新计算,以生成1017Ω的值。
对于本领域普通技术人员来说很明显的是,本发明可以被应用于不同的应用系统中,包括但不限于,具有同步整流功能的可调降压/升压控制器,单输出的动态脉宽调制控制器,诸如在DDR存储器电源中这样的宽范围输入(wide-input)同步降/升压控制器,用于VRM(或非VRM)应用的多相位交错同步降压变换器,低输入高效能的同步降/升压控制器,和N-通道MOSFET。
本领域的技术人员可以从上述说明中理解到,本发明实施方式的上位技术可以以多种形式来实现。例如,本领域的技术人员应该认识到,功率模块可以包括功率变换装置或电源。此外,卷线架(cord reelstand)可以被设计成不同构造,诸如多叶形状(vanes-shape)的结构。因此,尽管本发明的实施方式已经联系其特定实施方式说明,但本发明实施方式的真正范围不应该被这样限制,因为根据对以上附图、说明书、和以下权利要求的研读,无论是该说明明确提供的还是该说明隐含的其它修改对于本领域的技术人员来说都将变得很明显。

Claims (24)

1.一种用于过热保护的脉宽调制控制器,包括:
第一MOSFET,其在所述第一MOSFET处于ON状态时具有导通电阻Rds_on,该Rds_on具有第一端和第二端,该Rds_on的电阻值根据温度值的改变波动;
具有第一端和第二端的Rp电阻,其中以所述MOSFET的最大允许温度的函数计算所述Rp电阻的值;以及
电压比较器电路,该电压比较器电路具有第一输入端、第二输入端、和输出端,所述电压比较器电路的所述第一输入端被连接到所述Rp电阻,所述电压比较器电路将跨接所述Rds_on的第一压降与跨接所述Rp电阻的第二压降相比较,当所述第二压降大于所述第一压降时所述电压比较器电路生成一个过热输出信号。
2.如权利要求1所述的控制器,进一步包括被连接到所述Rp电阻的第二端的电流源,该电流源是恒定电流源。
3.如权利要求1所述的控制器,进一步包括被连接到所述Rp电阻的第一端和所述Rds_on的第一端的VIN电压。
4.如权利要求1所述的控制器,其中所述导通电阻Rds_on也被用于感应过流状态。
5.如权利要求1所述的控制器,进一步包括被连接到所述第一MOSFET的第二MOSFET,所述第一MOSFET为所述第一MOSFET和第二MOSFET两者提供过热保护。
6.如权利要求1所述的控制器,其中所述Rp电阻是根据所述Rds_on的最大允许温度、减额因子,和相应温度因子的预定值。
7.一种用于过热保护的系统,包括:
具有第一端和第二端的Rp电阻;
具有电压比较器电路的控制器,该电压比较器电路具有第一输入端、第二输入端、和输出端,所述电压比较器电路的第一输入端被连接到所述Rp电阻的第二端;和
在所述MOSFET处于ON状态时具有导通电阻Rds_on的MOSFET,该Rds_on具有第一端和第二端,所述Rds_on的第二端被连接到所述电压比较器电路的第二输入端,所述Rds_on感应温度值并且所述Rds_on的值根据该温度值的变化波动。
8.如权利要求7所述的系统,其中所述Rp电阻是对应于所述Rds_on的最大允许温度的预定值,所述电压比较器电路将跨接所述Rds_on的第一压降Vb与跨接所述Rp电阻的第二压降Vc相比较,当流经MOSFET Rds_on的电流等于或大于阈值电流Ip时若所述第二压降Vc大于所述第一压降Vb,则所述电压比较器电路生成过热输出信号。
9.如权利要求7所述的系统,其中所述控制器包括脉宽调制控制器。
10.如权利要求7所述的系统,进一步包括被连接到所述Rp电阻的第二端的电流源,Iocs,所述电流源Iocs是恒定电流源。
11.如权利要求7所述的系统,进一步包括VIN电压,其被连接到所述Rp电阻的第一端和所述Rds_on的第一端之间。
12.如权利要求7所述的系统,其中所述导通电阻Rds_on也被用于感应过流保护。
13.如权利要求7所述的系统,其中所述Rp值是相对于所述Rds_on的最大允许温度、减额因子、和相应温度因子计算出来的。
14.一种用于提供过热保护电路的方法,包括:
通过由导通电阻Rds_on的最大允许温度计算Rp电阻值来选择预定的温度阈值;
当MOSFET处于ON状态时,从该MOSFET的导通电阻Rds_on感应温度值,所述Rds_on的值根据所述感应的温度波动;以及
将从所述导通电阻Rds_on感应的温度值与预定的电压阈值相比较;
其中,如果所述感应的温度大于所述预定的温度阈值,则过热保护被触发。
15.如权利要求14所述的方法,其中所述Rp值是相对于所述Rds_on的最大允许温度、减额因子、和相应温度因子计算出来的。
16.如权利要求14所述的方法,其中,在所述比较步骤中,包括若在Io=Ip时Vc=Vb则触发一个过热,参数Vc表示跨接所述Rp电阻的压降,参数Vb表示跨接所述Rds_on的压降,电流Io表示流经所述Rds_on的电流,并且电流Ip1表示流经所述Rp电阻的电流。
17.如权利要求14所述的方法,其中所述压降Vc=VIN-Iocs*Rp。
18.如权利要求14所述的方法,其中所述压降Vb=VIN-Io*Rds_on。
19.一种用于过热保护的脉宽调制控制器,包括:
下侧MOSFET,该MOSFET在其处于ON状态时具有导通电阻Rds_on,该Rds_on具有被连接到第一电压Va的第一端和被连接接地的第二端,该Rds_on的电阻值根据温度值的改变波动;
具有第一端和连接接地的第二端的Rp电阻,该Rp电阻的值以所述MOSFET最大允许温度的函数来计算;以及
电压比较器电路,该电压比较器电路具有第一输入端、第二输入端、和输出端;所述电压比较器电路的第一输入端被连接到所述MOSFETRds_on的第一端,用于接收第一压降Va;所述电压比较器的第二输入端被连接到所述Rp电阻的第一端,用于接收第三压降Vc;第二电压Vb是Va的反向极性值;所述电压比较器电路将所述第二压降Vb与所述第三压降Vc相比较,并且当所述第二压降Vb大于所述第三压降Vc时生成过热输出信号。
20.如权利要求19所述的控制器,进一步包括具有导通电阻Rds_on的上侧MOSFET,其被连接到所述下侧MOSFET。
21.如权利要求20所述的控制器,其中所述下侧MOSFET Rds_on为所述下侧MOSFET和所述上侧MOSFET两者提供过热保护。
22.如权利要求19所述的控制器,进一步包括被连接到所述Rp电阻第一端的电流源,Iocs,该电流源Iocs是恒定电流源。
23.如权利要求19所述的控制器,进一步包括放大器A,该放大器连接在所述电压比较器的第一输入端和所述下侧MOSFET Rds_on的第一端之间,该放大器A具有输入端。
24.如权利要求23所述的控制器,进一步包括被连接到所述电压比较器的第一输入端和所述放大器A的输入端之间的一个或多个电阻。
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