CN1905341B - 功率过载检测方法及其结构 - Google Patents

Abstract

在一个实施例内，使用体输入电压形成基准信号，该基准信号用于控制开关电源系统以功率过载操作模式操作。

Description

功率过载检测方法及其结构

技术领域

本发明一般涉及电子器件，并更特别地涉及形成半导体器件和结构的方法。

背景技术

过去，半导体工业使用各种方法和结构在开关电源系统例如脉宽调制(PWM)系统内实现跳转(skip)循环检测和输出功率过载检测。在轻输出负载状况期间，经常使用跳转循环检测来减小电源系统内的功耗，该跳转循环检测也被称为突发模式检测。使用功率过载检测以确定是否系统提供的输出功率的量大于预期的电源系统的具体实现可允许的最大功耗。具有功率过载检测和跳转循环检测的开关电源控制器的一个示例是Phoenix，AZ的ON Semiconductor提供的NCP1231。

输出功率过载检测方法通常比较代表电源系统形成的输出电压的信号的值与电源控制器内的固定基准电压。此方法的一个问题是如果供给电源系统的体(bulk)输入电压的值改变，则传递给负载的输出功率也会增加。在这种情况下，电源系统的电源控制器不能准确地检测功率过载情况。

跳转循环检测电路也通常将代表输出电压的值的信号与电源控制器内的固定基准电压相比较。如果供给电源系统的体输入电压的值改变，则跳转循环检测方法将在负载所需的功率减小到预期值之前使电源系统进入跳转循环模式。因此，电源系统不能向负载提供足够的功率。

因此，希望提供一种电源控制系统和方法，该方法能够准确地检测电源控制系统提供的功率，能够当体输入电压改变时准确地检测电源控制系统提供的功率，并且更准确地检测进入跳转循环模式时的负载功率。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种电源控制系统和方法，该方法能够准确地检测电源控制系统提供的功率，能够当体输入电压改变时准确地检测电源控制系统提供的功率，并且更准确地检测进入跳转循环模式时的负载功率。

本发明提供了一种用于形成开关电源系统的功率过载检测电路的方法，该方法包括：配置该电源过载检测电路使用得自并代表体电压的基准信号，其中该体电压用于形成该开关电源系统的输出电压，且基准信号的变化代表所述体电压的变化；配置该开关电源系统接收代表该输出电压的反馈信号，并使用该反馈信号来调节该输出电压的值；以及配置该功率过载检测电路比较该反馈信号和该基准信号，响应地将递送到负载的功率最大量设定为随体电压变化而基本上恒定的值。

本发明提供了一种形成电源系统的跳转循环比较器的方法，该方法包括：配置该跳转循环比较器接收得自体电压的基准信号，其中该体电压用于形成该电源系统的输出电压，其中基准信号代表该体电压且响应于该体电压的变化而变化；配置该电源系统的电源控制器的开关控制电路接收代表该输出电压的反馈信号，并使用该反馈信号来调节该输出电压的值；以及配置该跳转循环比较器比较该反馈信号和该基准信号，并响应地将递送到负载的功率最小量设定为随体电压变化而基本上恒定的值。

本发明提供了一种配置成形成驱动信号的开关电源控制器，该驱动信号可操作以控制电源开关使用体电压并形成调节后的输出电压，该开关电源控制器包括：跳转循环比较器，其耦合以接收得自并代表该体电压的第一基准信号并接收代表调节后的输出电压的反馈信号，并且响应地将递送到负载的功率最小量设定为随体电压变化而基本上恒定的值，其中第一基准信号响应于体电压的变化而改变；以及功率过载检测电路，其配置成比较该反馈信号和得自并代表该体电压的第二基准信号，并响应地将递送到负载的功率最大量设定为随体电压变化而基本上恒定。

本发明的一个技术效果是提供了一种电源控制系统和方法，该方法能够准确地检测电源控制系统提供的功率，能够当体输入电压改变时准确地检测电源控制系统提供的功率，并且更准确地检测进入跳转循环模式时的负载功率。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的电源控制系统的实施例的一部分；

图2示意性地电源控制系统的实施例的一部分，该电源控制系统是根据本发明的图1的电源控制系统的可选择实施例；

图3示意性地示出包括根据本发明的图1或图2的电源控制系统的至少一部分的半导体器件的放大平面图。

为了简化和清楚说明，附图中的元件并不一定是按比例的，并且不同附图中的相同标号指示相同元件。另外，省略了公知的步骤和元件的说明和细节以便简化说明。如在文中使用的，载流电极是指承载通过器件的电流的器件的元件，例如MOS晶体管的源极，或漏极或者双极型晶体管的发射极或集电极，或二极管的阴极或阳极；控制电极是指控制通过器件的电流的器件的元件，例如MOS晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。尽管这些器件在文中说明为特定的N沟道或P沟道器件，但是本领域的普通技术人员应理解，根据本发明也可使用互补器件。本领域的普通技术人员应理解，文中使用的词“在...期间”、“当...时”和“在...时”并不是指动作在起动动作时马上发生的准确的术语，而是在初始动作起动的反应之间可能存在一些的小但合理的延时。

具体实施方式

图1示意性地示出包括开关电源控制器30的开关电源控制系统10的实施例的一部分。系统10通常从电源例如家用电源接收功率。桥式整流器11可将来自电源的电压整流，并在电压输入节点21和电压返回节点22之间提供体电压。系统10通常接收到该体电压，并在电压输出16和电压返回17之间形成输出电压。从下文还可看到，系统10的控制器30配置成使用体电压的值以有助于更准确地检测系统10提供的功率的量是否大于系统10的预期的最大功耗。控制器30还配置成使用体电压的值以便于更准确地检测连接到系统10的负载15所需的功率是否小于使系统10进入操作的跳转循环模式的预期值。更准确地检测功率可帮助使功耗最小并提高效率。

系统10通常包括具有初级绕组和次级绕组的变压器12，和连接到该初级绕组的电源开关或功率晶体管20。控制器30开关晶体管20以便调节在输出16和返回17之间的输出电压的值。整流二极管12和滤波电容管14通常连接到次级绕组以帮助形成输出电压。负载15通常在输出16和返回17之间连接到系统10以有助于从系统10接收功率。操作电压调节器27可耦合在节点21和22之间以形成用于操作控制器30的操作电压，该电压调节器由电阻器26、稳压二极管26和电容器24示出。在一些实施例内，调节器27可具有其它配置，或者可省略该调节器。系统10的反馈网络提供反馈(FB)信号，该反馈信号代表输出16和返回17之间的输出电压的值。图1的实施例内示出的反馈网络的示例性实施例包括光耦合器18，该光耦合器具有连接在输出16和返回17之间的光二极管，和连接以提供FB信号的光晶体管。电阻可连接到光发射器以帮助形成FB信号。对于图1内所示的示例性实施例，使用控制器30内的电阻器55作为FB信号的上拉(pull-up)。电流感测电阻器19通常连接到晶体管20以便形成电流感测(CS)信号，该信号代表通过晶体管20和变压器12的电流。晶体管20、电阻器19和反馈网络通常在控制器30外部，但是在一些实施例内，晶体管20、电阻器19和反馈网络中的一些或全部可形成为控制器30的一部分。

控制器30配置成在开关输出38上生成开关控制信号，该开关输出38通常连接以控制晶体管20的开关以便调节输出16上的输出电压。为了有助于此操作，控制器30通常包括元件例如开关控制器43、基准电压发生器或基准52、内部调节器51、跳转比较器58、功率过载检测电路69、和逻辑控制电路，该逻辑控制电路用于控制控制器30的操作状态和用于驱动晶体管20的开关控制信号的操作。在图1所示的实施例内，逻辑控制电路由AND门75示出，但是在其它实施例内可具有多种其它的逻辑控制元件。控制器43包括生成用于控制控制器30的操作的固定频率时钟的时钟发生器或时钟44，比较器46，和帮助在输出38上形成开关控制信号的锁存器47。尽管控制器43示出为是固定频率电流型控制器，但是本领域的技术人员应理解，可使用其它类型的控制器，例如电压型PWM控制器或准谐振控制器。在大多数实施例内，控制器30可包括其它公知的开关电源控制电路，例如任选的前沿消隐电路(LEB)53、故障检测电路、热关机电路、斜坡发生器、由节电比较器59示出的节电电路，和欠电压锁定(lock-out)电路(UVLO)54。控制器30还可包括图1内未示出的其它公知的开关电源控制电路，例如软起动电路。

控制器30通常从在功率输入31和功率返回32之间从外部调节器27接收到输入电压。通常，返回32连接到节点22。内部调节器51连接在输入31和返回32之间以从输入31接收到输入电压，并形成内部操作电压，该内部操作电压用于操作控制器30的元件，例如比较器58、电路69、基准52和控制器43。基准52分别在基准52的各第一输出56和第二输出57上生成控制器30的其它部分使用的基准信号，其包括第一基准信号和第二基准信号。控制器30还在反馈输入33接收到反馈(FB)信号，并在电路灵敏输入34接收到电流操作(CS)信号。

在正常操作时，控制器30接收FB信号和CS信号，并形成开关控制信号以调节输出16上的输出电压。如本领域内的公知的，时钟44生成周期时钟，该周期时钟设置锁存器47以开始启用晶体管20。比较器46接收FB信号和CS信号，并当CS信号的值达到FB信号的值时将锁存器47复位。控制器43的此操作是本领域的技术人员所公知的。

如果负载15消耗的功率大于预期的或额定的最大输出功耗值，则系统10消耗的功率会过多，并且应减小以便防止损害系统10的部分。功率过载检测电路69配置成检测功率过载状况，并改变控制器30的操作状态以减小传递给负载15的输出功率。为了有助于此操作，电路69包括功率过载比较器61和跨导放大器70。如果负载15所需的功率的值增加，则输出电压的值减小从而减小通过耦合器18的光发射器的电流，并且输入33上的FB信号增大。因此，FB信号也承载关于系统10消耗的功率的信息。如果FB信号的值增大超过预期值，则电路69形成控制信号，该控制信号使控制器30的操作状态改变为功率过载状态，该功率过载状态禁止开关控制信号从而禁止晶体管20开关并减小系统10的功耗。为了确保电路69准确地检测功率过载状况，控制器30使用得自节点21上的体电压的功率过载基准信号。功率过载基准信号与该体电压成比例，并随该体电压的变化成比例地改变。在优选实施例内，功率过载基准信号是连接在节点21和22之间的电阻分压器形成的基准电压。电阻分压器包括串联地连接在节点21和22之间的电阻器80、电阻器81、电阻器82和电阻器83。节点86在电阻器80和81之间的连接处形成，节点87在电阻器81和82之间的连接处形成，而节点88在电阻器81和82之间的连接处形成。如在本领域内公知的，节电比较器59使用在节点86处形成的电压来检测体电压的值，并检测节点状况。因此，节点86处的电压并不是基准电压。在节点87处形成的电压提供了用于功率过载检测的功率过载基准信号，而在节点87处形成的电压提供了用于跳转模式检测的跳转模式基准信号。本领域内的技术人员应理解，电阻器80至83可形成为三个分离的电阻分压器或两个电阻分压器，而不是图1内所述的一个电阻分压器。另外，只要基准电压是得自体电压的，并且与该体电压的变化成比例地改变优选地成反比地改变，则可使用其它公知的技术形成该基准电压。本领域内的技术人员应理解，电阻分压器上的抽头点可重新设置，并且一些抽头点，例如节电和功率过载，可合并。

系统10通常设计成提供假设体电压为可预期的最低值的额定量的功率，并在该电压电平下提供额定量的电流。如果输入电压增加，则系统10在额定电流下消耗的功率大于该额定功率。体电压值的变化可源于几个源。例如，将针对美国电源设计的设备插入欧洲电源插座(outlet)，反之亦然。功率过载基准信号的值被选择可代表导致系统10消耗的功率大于系统10应提供的功率的预期量的体电源的值。因此，控制器30有助于检测由体电压的变化导致的功耗。以前的使用固定基准电压检测功耗的系统不能检测到由体电压的变化导致的增加的功耗。

控制器30在控制器30的功率过载基准输入36上接收到节点87的功率过载基准信号。放大器70将该基准信号反相，从基准52的输出57接收到的基准电压添加偏移量，并在放大器70的输出形成放大的基准信号。该偏移量设定了放大的基准信号的共模，以确保放大器70的输出值的范围在FB信号的范围内。在放大器70的输出上的放大的基准信号与节点21上的体电压的变化成反比地改变。在优选实施例内，放大的基准信号大约等于：

Vamp＝K(Vref-Vblk)，其中

K＝常数，

Vref＝功率过载基准信号，而

Vblk＝节点21上的体电压。

因此，放大器70形成与体电压的变化成反比地改变的基准信号。比较器61接收到该放大的基准信号，并比较该基准信号和FB信号。在体电压的值大约等于为系统10设计的值的正常操作期间，FB信号的值保持小于放大的基准信号的值。如果体电压的值增加，则放大的基准信号的值减小。如果放大的基准信号的值减小到小于FB信号的值，则在比较器61的输出上的控制信号变低。门75接收到该低控制信号，该门阻隔锁存器47的输出，从而强制开关控制信号为低并禁止晶体管20开关。禁止晶体管20的开关可防止通过变压器12传递能量，从而降低系统10的功耗。因此，使用体电压的值确定系统10提供的输出功率的量，可更准确地检测系统10提供的功率大于预期的最大输出功率，该预期的最大输出功率包括作为体电压的变化的结果而提供的输出功率。本领域的技术人员应理解，通过使来自放大器70的功率过载基准信号和来自比较器61的FB信号互换，也可使FB信号形成为与输入电压的变化成反比地改变。

控制器30还使用体电压来设置控制器30进入操作的跳转模式。通常，系统10设计成使用体电压的最高的期望值来设置将导致进入跳转模式的跳转模式基准信号的值。在操作时，如果体电压的值小于该最大值，则导致进入跳转模式的FB信号的值也变低。因此，负载15进入跳转模式所需或使用的功率的阈值随着体电压的值减小而减小。这种对应关系防止控制器30和系统10在负载15之前进入跳转模式，减小负载15所需的功率量。控制器30在控制器30的跳转模式基准输入37上接收到来自节点88的跳转模式基准信号。比较器58接收到该跳转模式基准信号，并将该信号与FB信号相比较。如果跳转模式基准信号的值小于该FB信号，则比较器58的输出变低以使比较器30和系统10处于操作的跳转模式。门75接收到来自比较器58的低信号，该门阻隔锁存器47的输出，从而强制开关控制信号为低并禁止晶体管20开关。禁止晶体管20的开关可防止通过变压器12传递能量，从而降低系统10的功耗。因此，使用体电压的值确定进入操作的跳转模式时的功耗量，可使当体电压的值变化时，对于提供给负载15的预期功能值，系统10能够准确地进入跳转模式。因此，系统10可更准确地检测到系统10向负载15提供较少的功率。2003年7月22日授权给Jefferson Hall等人的美国专利号6597221公开了包括跳转模式功能的电源控制器的一个示例，该专利并入在此作为参考。

为了有助于实现此操作功能，电阻器80的第一端子连接到节点21，而第二端子连接到电阻器81的第一端子并连接到输入35。电阻器81的第二端子公共地连接到输入36和电阻器82的第一端子。电阻器82的第二端子公共地连接到输入37和电阻器83的第一端子，该电阻器83的第二端子连接到节点22。调节器51的电源端子连接到输入31，调节器51的功率返回端子连接到返回32。调节器51的电压输出连接到电阻器55的第一端子，该电阻器55的第二端子连接到输入33。比较器46的反相输入公共地连接到输入33、比较器61的非反相输入，和比较器58的非反相输入。比较器46的非反相输入连接到任选的LEB 53的输出，该LEB的输入连接到输入34。比较器46的输出连接到锁存器47的复位输入。锁存器47的设置输入连接到时钟44的输出。锁存器47的Q极输出连接到门75的第一输入。比较器59的非反相输入连接到输入35，而比较器59的反相输入连接到基准52的输出56。比较器59的输出连接到门75的第二输入。放大器70的非反相输入连接到基准52的输出57。放大器70的反相输入公共地连接到电阻器71的第一端子和电阻器72的第一端子。电阻器71的第二端子连接到输入36。电阻器72的第二端子公共地连接到放大器70的输出和比较器61的反相输入。比较器61的输出连接到门75的第三输入。门75的第四输入连接到比较器58的输出。门75的第五输入连接到UVLO 54的输出，该UVLO的输入连接到输入31。

图2示意性地示出功率过载检测电路92的实施例的一部分，该实施例是图1的说明内解释的电路69的可选择实施例。电路92包括差分对耦合晶体管93和95，电流源102和103，电平移位晶体管96和97，电阻器94和104，以及电流镜像耦合晶体管98、99和100。晶体管93从输入36接收到功率过载基准信号，而晶体管95从基准52的输出57接收第二基准信号。电流源102和103提供电流以偏置各个晶体管93和95。晶体管95的栅极上的电压由晶体管95的Vgs上移，并由晶体管97的Vbe再次上移，并且由晶体管96的Vbe和晶体管93的Vgs而下移。因此，如果功率过载基准信号等于第二基准信号，则没有电流流过镜像晶体管98和100，从而电阻器104两端没有压降，并且输出73基本等于返回32的电位。如果功率过载基准信号减小并变得小于第二基准信号，则电流流过晶体管93，使得电阻器94两端产生压降，并且相等的电流流过晶体管98。流过晶体管98的电流由晶体管100镜像，导致电流流过电阻器104，并在输出73上形成输出电压。因此，当输入36上的功率过载基准信号减小时，输出73上的输出电压增大。输出电压的绝对值依赖于晶体管98和100之间的比率。因此，电路92用作反相放大器，其增益由晶体管98的尺寸与晶体管100的尺寸的比率确定。电路92的实现使用于形成与输入成反比的输出的元件的数量最少。另外，电路92没有使用电容器，这可进一步减小电阻92的大小。

为了实现电路92的这种功能，源102的第一端子连接到输出50，第二端子公共地连接到晶体管96的发射极和电阻器94的第一端子。电阻器94的第二端子连接到晶体管93的源极。晶体管93的栅极连接到输入36，而漏极连接到返回32。晶体管96的基极公共地连接到晶体管97的基极和集电极、晶体管99的漏极和源103的第一端子。晶体管96的集电极公共地连接到晶体管98的漏极和栅极，并连接到晶体管99和100的栅极。晶体管98、99和100的源极连接到源103的第二端子并连接到输出50。晶体管97的发射极连接到晶体管95的源极。晶体管95的栅极连接到输入57，而漏极连接到返回32。晶体管100的漏极连接到输出73并连接到电阻器104的第一端子。电阻器104的第二端子连接到返回32。

图3示意性地示出在半导体芯片111上形成的半导体器件110的实施例的一部分的放大平面图。控制器30形成在芯片111上。芯片111还可包括为了使附图简明而未在图3内示出的其它电路。使用本领域的技术人员公知的半导体制造技术在芯片111上形成控制器30和器件110。

鉴于上文的全部，很明显揭示了一种新颖的器件和方法。其中包括这样的特征，即形成使用体电压的值来形成用于控制该电源控制器的功率过载操作模式的基准信号的电源控制器。另外，还使用体电压来形成用于控制电源控制器的跳转模式的基准信号。使用体电压形成基准电压有助于更准确地确定功耗，以控制电源控制器以功率过载模式操作以及以跳转模式操作。

尽管使用特定的优选实施例说明本发明，但是很明显，半导体领域内的那些技术人员可明显地认识到许多替换和变型。例如，输入33上接收到的FB信号可例如用放大器反相而不是通过使功率负载基准信号反相来实现。全文使用词“连接”以便使说明清楚，但是，其意义旨在与词“耦合”相同。因此，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (10)

1.一种用于形成开关电源系统的功率过载检测电路的方法，该方法包括：

配置该电源过载检测电路使用得自并代表体电压的基准信号，其中该体电压用于形成该开关电源系统的输出电压，且基准信号的变化代表所述体电压的变化；

配置该开关电源系统接收代表该输出电压的反馈信号，并使用该反馈信号来调节该输出电压的值；以及

配置该功率过载检测电路比较该反馈信号和该基准信号，响应地将递送到负载的功率最大量设定为随体电压变化而基本上恒定的值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述配置该电源过载检测电路使用得自并代表体电压的基准信号的步骤包括配置该电源过载检测电路形成与该体电压的变化成反比地改变的基准信号。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述配置该电源过载检测电路使用得自并代表体电压的基准信号的步骤包括配置跨导放大器接收该基准信号，并作为响应形成与该基准信号成反比地改变的放大的基准信号。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述配置该电源过载检测电路使用得自并代表体电压的基准信号的步骤包括耦合单个放大器以形成与该体电压的变化成反比地改变的基准信号。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述耦合单个放大器以形成与该体电压的变化成反比地改变的基准信号的步骤包括耦合差分耦合的晶体管对以接收代表该体电压的信号并接收固定的基准信号，并且还包括将该晶体管对耦合到电流镜像器。

6.一种形成电源系统的跳转循环比较器的方法，该方法包括：

配置该跳转循环比较器接收得自体电压的基准信号，其中该体电压用于形成该电源系统的输出电压，其中基准信号代表该体电压且响应于该体电压的变化而变化；

配置该电源系统的电源控制器的开关控制电路接收代表该输出电压的反馈信号，并使用该反馈信号来调节该输出电压的值；以及

配置该跳转循环比较器比较该反馈信号和该基准信号，并响应地将递送到负载的功率最小量设定为随体电压变化而基本上恒定的值。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述配置该跳转循环比较器接收得自体电压的基准信号的步骤包括耦合电阻分压器以形成与该体电压成比例的基准电压。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述配置该跳转循环比较器比较该反馈信号和该基准电压的步骤包括耦合该跳转循环比较器以比较该反馈信号和该基准信号，并将该跳转循环比较器的输出耦合到控制电路，该控制电路禁止切换用于调节输出电压的电源开关。

9.一种配置成形成驱动信号的开关电源控制器，该驱动信号可操作以控制电源开关使用体电压并形成调节后的输出电压，该开关电源控制器包括：

跳转循环比较器，其耦合以接收得自并代表该体电压的第一基准信号并接收代表调节后的输出电压的反馈信号，并且响应地将递送到负载的功率最小量设定为随体电压变化而基本上恒定的值，其中第一基准信号响应于体电压的变化而改变；以及

功率过载检测电路，其配置成比较该反馈信号和得自并代表该体电压的第二基准信号，并响应地将递送到负载的功率最大量设定为随体电压变化而基本上恒定。

10.根据权利要求9的开关电源控制器，其特征在于，该功率过载检测电路包括：配置成接收代表该体电压的信号的差分耦合晶体管，配置成从该差分耦合晶体管接收第一电流并形成与该体电压的变化成反比的第二电流的电流镜像器，和耦合以将该第二电流转变成与该体电压的变化成反比的电压的电阻器。

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