CN1913316A - 限制开关电源中输出功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了调节开关调节器中的限流的技术。一种典型的开关调节器包括耦合到电源的能量传输元件的开关。产生驱动信号的控制器被耦合以控制开关的转换从而调节电源的输出。在该控制器中包括限流器，该限流器调节该驱动信号，以限制流过开关的电流到可变限流值。响应耦合到能量传输元件的输入线电压，由限流器设置可变的限流值。

Description

限制开关电源中输出功率的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及一种电子电路，尤其涉及开关式电源。

背景技术

对电子设备的电源的典型需求是电源可以限制它们的输出功率。限制输出功率的一个原因是要满足安全机构以防止人员损伤的要求。限制输出功率的另一个原因是避免过载对电子元件的损害。

电源通常具有自保护电路，当输出在一个规定的时间内变得不能调节时，自保护电路便响应。然而，如果输出功率不受限制，那么在负载处的故障可消耗足够的电能以至于造成损害，或当输出被调节时超过可调节的要求。因此，如果电源传送太多的功率，那么自保护作用将是无效的。

限制开关式电源的输出功率的一个通常方法是限制开关电源输入端的电源开关中的电流。输出功率的最大值与开关中的峰值电流有关。电路响应中的固有延迟将在开关峰值电流所期望的限度和开关实际的最大峰值电流之间产生误差。该误差在较高输入电压时较大，造成较高输入电压时的最大输出功率大于较低输入电压时的最大输出功率。

附图的简单描述

通过实例详细描述了本发明，并且本发明不限制于附图。

图1是开关式电源的一个实施方式的功能框图，其根据本发明教导可以限制输出功率。

图2是开关式电源的一个实施方式的功率容量相对于开关峰值电流的曲线图。

图3是根据本发明教导的开关式电源的一个实施方式的开关中电流的波形图。

图4示出了根据本发明教导的定时信号的参数，以及限制输出功率的电源的开关中的电流参数。

图5是根据本发明教导说明限制开关式电源的输出功率的方法的流程图。

图6示出了定时信号以及开关电源的开关中电流的波形，以说明本发明的一个实施方式的操作。

图7是本发明的一个实施方式的功能框图，其包括在集成电路中的电源开关。

详细描述

下面公开了用于电源中的电源调节器的实施方式。在下面的描述中，为了提供对本发明的全面理解，给出了许多具体的细节。然而，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，不需要使用这些特定细节来实现本发明。为了避免使本发明难以理解，与实施本发明相关的公知方法没有给予详细的描述。

在说明书全文中，参考“一个实施方式”或“一实施方式”意味着结合实施方式所描述的一个具体特征，结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的不同地方出现的术语“对于一个实施方式”或“在一个实施方式中”不必指同一个实施方式。此外，具体的特征，结构或特性可以以任何适合的方式结合在一个或多个实施方式中。

正如将讨论的，根据本发明的实施方式，开关电源的功率可以通过限制电源的开关电流来限制。对于一个实施方式，开关耦合到电源的能量传输元件上，该电源具有一个控制器，该控制器生成一个驱动信号，以控制开关的转换用以调节电源的输出。该控制器包括一个限流器，该限流器将调节该驱动信号以限制流过开关的电流到可变限流值。对于一个实施方式，基于电源的输入线电压，限流器设置可变限流值。例如，可变限流可以是用于额定电压或低输入线电压的额定限流值。然而，如果输入线电压相对较高，那么根据本发明的教导，可变限流被设置到一个降低的限流值。对于一个实施方式，控制器通过测量电流在两个值之间经过花费了多长时间来推断输入电压的幅值，并且相应地调节可变限流。

该开关的可变限流值根据电源的输入电压被调节，以补偿在电流到达限流的时间和开关断开的时间之间的延迟。对于较高输入电压的较低限流值可以防止在高输入电压时的过多输出功率。对于一个实施方式，当电源在不连续导通模式下操作时，输入电压可以间接地测量从初始的零电流值到达限流值的时间来确定。通常，一个设计方案可以输出所需要的输出功率，也可以通过补偿开关所期望的最大峰值电流和开关实际最大峰值电流之间的误差以在输入电压的工作范围上限制最大输出功率。

正如将讨论的，时间的测量被用来确定开关中所期望的最大峰值电流的适当调节，以满足该设计方案的需求。响应开关导通期间测量的时间来调节开关的限流阈值，以补偿输入线电压对开关的实际峰值电流的不期望的影响。例如本发明的一个实施例，如果在开关的一个跳过的转换周期后的第一个转换周期期间识别出一个过电流状态，那么表示一个相对较高的输入线电压。

正如将讨论的，在一个跳过的转换周期之后的第一个转换周期内，电源可能运行在一个不连续的导通运行模式下。在这种情况下，在下一个转换周期中，在开关导通之前，能量传输元件中的能量通常为零。因此，如果在第一个转换周期期间发生过电流，在转换周期的开始，能量传输元件中的能量初始为零，则高输入线电压情况被指示出来，并且根据本发明的教导可变限流相应地被设置为降低的值。另一方面，如果在开关的一个跳过转换周期之后的第一转换周期中没有识别出过电流状态，那么就假设电源的输入线电压是额定电压或是相对低的电压，从而根据本发明的教导可变限流相应地被设置为额定值。

为了描述，图1示出了电源的功能框图，其包括根据本发明的教导限制开关电流峰值的方法的实施方式。图1中描述的电源的拓扑结构被称为回扫调节器。应该理解的是存在开关调节器的许多拓扑结构和配置，并且提供图1中所示的回扫拓扑结构来说明本发明的实施方式的原理，根据本发明的教导该原理也可以应用于其它类型的拓扑结构。

正如图1中所描述的电源的例子，能量传输元件T1 125耦合在未调节的输入电压V_IN 105和电源输出端的负载165之间。开关S1 120耦合到能量传输元件125的输入端的初级绕组175以调节从未调节的输入电压V_IN 105到电源输出端的负载165的能量传输。控制器145被耦合成产生驱动信号157，该驱动信号157被耦合以由开关S1 120接收，从而控制开关S1 120的转换。在图1的例子中，能量传输元件T1 125示为具有两个绕组的变压器。初级绕组175具有N_P匝绕组，电感为L_P。次级绕组具有N_S匝。通常，该变压器可以多于两个绕组，附加的绕组用于给附加负载提供功率，提供偏置电压或检测负载上的电压。

箝位电路110耦合到能量传输元件T1 125的初级绕组175以控制开关S1120上的最大电压。在一个实施方式中，开关S1 120是晶体管，例如功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一个实施方式中，控制器145包括集成电路和分立的电子元件。开关S1 120的操作在整流器D1 130中产生由电容器C1 135滤波的脉动电流，以在负载165处产生基本恒定的输出电压V_O或基本恒定的输出电流I_O。

将被调节的输出量是U_O 150，其通常是输出电压V_O、输出电流I_O、或它们二者的结合。反馈电路160耦合到输出量U_O 150以生成反馈信号U_FB 155，该反馈信号U_FB 155是控制器145的一个输入。控制器145还包括一个被耦合用来接收电流检测140的电流检测器，其检测在开关S1 120中的电流I_D 115。用来测量开关电流、例如电流变压器，或者例如测量分立电阻器两端的电压、或者例如测量当晶体管导通时晶体管两端的电压的多种公知方法中的任何一种都可以用来测量电流I_D 115。控制器可以采用电流检测信号140来调节输出U_O150或防止对开关S1 120的损坏。

图1还示出了电流I_D 115的一个示例性波形。在任何转换周期T_S 190，开关S1 120都可以响应来自控制器145的驱动信号157导通以调节输出U_O 150。当电流I_D 115从转换周期T_S 190的开始在时间t_ON 180之后达到限流值I_PEAK195，开关S1 120断开并且持续一段时间t_OFF 185，时间t_OFF 185是转换周期T_S 190剩下的那一段时间。该电流波形示出了两种基本的操作模式。梯形170是连续导通模式(CCM)的特性，而三角形175是不连续导通模式(DCM)的特性。

图2示出了峰值电流I_PEAK 190是如何与图1中的电源的最大输出功率相关的。在DCM，输出功率随着I_PEAK的平方增长。在CCM，输出功率随I_PEAK线性增长。限流值I_PEAK被用来帮助限制电源的输出功率。限制限流值I_PEAK的一个困难是在电流到达限制值的时间和开关断开的时间之间总有一个延迟。

为了描述，图3示出了延迟是如何影响开关中的峰值电流的。在图3描述的例子中，I_PMAX是I_D所期望的最大值。控制器具有限流阈值I_LIMIT1，其与I_PMAX的值相同，当I_D超过I_LIMIT1时，控制器采取行动断开开关。不可避免的时间延迟t_d允许I_D超过I_LIMIT1的数量为ΔI_DELAY，ΔI_DELAY取决于延迟t_d以及在I_D超过I_LIMIT1后I_D改变的有多快。限流I_LIMIT1产生一个大于所期望的I_PMAX的峰值电流I_PEAK1。如果延迟t_d和I_D的变化率已知，那么限流可以被补偿到一个较低的值I_LIMIT2，这样增加的ΔI_DELAY将给出一个小于I_PMAX的峰值电流I_PEAK2。

采用较低限流值来补偿该延迟的复杂性在于，通常ΔI_DELAY在较高输入电压处比在较低输入电压处大，因为当输入电压高时，I_D以较高比率增长。因此，采用单一补偿限流I_LIMIT2来限制最大输出功率到高输入电压处的所期望值的电源在低输入电压处具有小于所期望的最大输出功率。事实上，如果限制功率的电路对峰值电流只有一个期望的限度，例如I_PEAK2，那么满足高输入电压处最大功率需求的设计方案不能在低输入电压处输出所需的功率。

根据本发明的教导，对于一个实施方式，电源可以在较低输入电压处采用第一补偿限流I_LIMIT1，在高输入电压处采用第二补偿限流I_LIMIT2，以在输入电压的宽范围上限制最大输出功率到一个期望值。

为了描述，图4示出了定时信号的一个例子，其与电流I_D一起用在本发明的一个实施方式中，以确定限流是为I_LIMIT1还是I_LIMIT2。特别的是，图4示出了两个完整的转换周期，即具有定时信号I_LIM，I_LIMMAX，和D_MAX的开关电流I_D的T₁和T₂。在图4中，只要I_D大于该限流，限流信号I_LIM就处于高。信号I_LIMMAX是定时基准，其与电流信号I_LIM相比较以确定该限流是I_LIMIT1还是I_LIMIT2。信号D_MAX设置开关的最大导通时间。当D_MAX为高时，开关被强制关闭。

图5是根据本发明的教导采用图4中的定时信号的电源控制器的一个实施方式的流程图。当开关断开时，流程从框505开始。框510设置额定限流，对于一个实施方式，其对应于图4中的I_LIMIT1并且更适合于额定电压或低输入电压。框515释译反馈信号U_FB以确定在下一个转换周期开关是导通还是保持断开。如果开关被启动，那么框520指示在框525将开关导通。如果开关没有被启动，那么框520指示在框545将开关断开。

一旦开关被导通，在框535中估计限流信号I_LIM的状态。在框540将开关的导通时间与可允许的最大导通时间作比较。如果I_LIM为高或者如果导通时间超过最大导通时间t_DMAX，那么在框545马上断开开关。在开关断开之后，当开关导通时，框550根据操作模式是CCM还是DCM而进行下一步流程。如果在开关导通之前，能量传输元件中的能量为零，那么该模式是DCM。在一个实施方式中，开关没有启动的一个单独转换周期就足以将能量降低到零。因此，在一个实施方式中，框550能够记忆在先前的转换周期期间开关是否启动，以在当前的转换周期的开始时确定操作的模式。

如果操作模式不是DCM，那么控制器在框515中继续对反馈信号进行释译。如果操作模式是DCM，那么流程转向框555。框555将到达限流的时间和基准时间t_LIMMAX进行比较。虽然在实际电路中的延迟防碍了对到达限流的时间t_LIM的精确测量，但是对于测量包括用于近似测量t_LIM的延迟的信号是足够的。对于一个实施方式，在框555中测量t_LIM和延迟t_d的总和，该总和是图3中的导通时间t_ON，以作为t_LIM的近似值与基准时间t_LIMMAX作比较。当操作在DCM模式时，根据本发明的教导，只有当输入电压高时，电流可以以比t_LIMMAX少的时间到达限流。

如果到达限流的时间小于t_LIMMAX，那么控制器在框530设置降低的限流。用于高输入电压的降低限流对应于图4中的I_LIMIT2。如果到达限流的时间不小于基准时间t_LIMMAX，那么控制器在框510设置额定限流。当开关在电流到达限流之前断开时，后者的情形也是存在的，这使得控制器在框510中设置额定限流。

图6示出了根据图5中的流程来描述操作过程的几个转换周期。在周期1，当限流已经设置在适合于额定电压或低输入电压的额定值I_LIMIT1时，开关在高输入电压下操作。在高输入电压下来自于高峰值电流的剩余能量使得控制器在周期2将开关禁止。控制器在周期3检测从短时间到达限流的高输入电压的情形，并且在周期4设置降低的限流I_LIMIT2。操作在降低限流的情况下继续直到控制器检测到其中到达限流的时间不小于基准时间t_LIMMAX的DCM操作周期为止。在周期n，开关是禁止的，并且输入电压是低的。控制器已经确定了在DCM的周期中到达限流的时间不小于基准时间t_LIMMAX。从而，控制器在周期(n+1)将限流设置到额定值I_LIMIT1。在周期(n+1)电流没有到达限流，这样到最大导通时间，开关断开，并且限流保持在I_LIMIT1。电源在CCM下在周期(n+2)和周期(n+3)中以低输入电压和限流I_LIMIT1操作。

图7示出了一个实施方式，其包括在集成电路700中的电源开关736。电源开关736是一个MOSFET，其在漏极端子702和源极端子758之间传导电流。集成电路内部的电路从涉及源极端子758的内电压V_cc 705供电。对于一个实施方式，漏极端子702提供内电压V_cc 705。根据本领域技术人员公知的若干技术，内电压V_cc可以由漏极端子702提供或由集成电路的不同端子提供。

反馈端子754接收反馈信号U_FB。调制器752释译反馈信号U_FB，以设置使能信号744为高或为低。振荡器756提供时钟信号748和D_MAX信号746以分别确定开关736的转换周期和最大导通时间的长度。当D_MAX 746为低时，开关736可以导通。当D_MAX 746为高时，开关736断开。如果使能信号744为高，那么与门740设置锁存器738以由驱动信号757在转换周期的开始导通开关736。如果开关电流I_D 706超过限流或如果信号D_MAX 746为高，那么或门742复位锁存器738以由驱动信号757断开开关736。

开关电流I_D706被检测为电压V_ID，该电压通过比较器704与限流电压V_ILIMIT相比较。电阻732、以及电流源728和730产生限流电压V_ILIMIT。电流源730由p沟道晶体管724导通或断开。在一个实施方式中，电流源730是电流源728的值的十分之一。因此，当电流源730导通时，限流电压V_ILIMIT被提高10％，从而使得额定限流比降低的限流高10％。

由锁存器738输出的驱动信号757，在被与门708接收之前由上升沿消隐时间t_LEB延迟734延迟。与门708接收限流比较器704的输出以及上升沿消隐时间延迟734的输出，以提供过电流信号760。上升沿消隐时间t_LEB延迟734足够长以允许开关736在漏极端子702上放电寄生电容。漏极端子702处寄生电容的放电能产生临时超过限流，但与电源的输出无关的高漏极电流I_D706。在开关736导通后，上升沿消隐时间t_LEB延迟734在时间t_LEB期间阻止过电流信号760变高。图7中的过电流信号760对应于图4或图6中的信号I_LIM。

触发器750在转换周期的开始记忆使能信号744的状态。触发器750在每个转换周期的开始由反相器720将D_MAX信号746反相来定时。由异或门716检测从一个转换周期到下一个转换周期定时的使能信号745的状态变化。

只要定时的使能信号745有改变，异或门716和在一个输入端的延迟718就接收定时的使能信号745以设置锁存器714。延迟718足够长以产生用于设置锁存器714的输出。在一个实施方式中，延迟718是10毫微秒。只要定时的使能信号745的状态从前一个转换周期有改变，锁存器714就在转换周期的开始被设置。

如果使能信号744在电流转换周期的开始为高，锁存器726就被允许设置。如果使能信号744在电流转换周期的开始为低，那么反相器722将锁存器726复位。

锁存器714在当前的转换周期被设置以表示DCM操作。当锁存器714的输出为高时，表示DCM。锁存器726被设置以降低限流。

在图7的实施方式中，最大导通时间信号D_MAX746也是与过电流信号I_LIM 760相比较的定时基准，以确定限流为I_LIMIT1或I_LILMIT2。在图7的实施方式中，t_LIMMAX＝t_DMAX，表示一个实施方式中图4中的信号I_LIMMAX和D_MAX相等。然而，对于另一个实施方式，根据本发明的教导，应该理解的是t_LIMMAX不必必须等于t_DMAX，例如图4中所描述的例子。如果没有检测到过电流的情况，或者在D_MAX746为低的期间没有达到限流，那么锁存器726将不被设置。因此，根据本发明的教导，如果没有检测到过电流情况，那么电流源730将由晶体管724保持导通。

应该理解的是，虽然图7示出了用于本发明一个例子的采用了开关调节器的集成电路700，其中开关调节器响应使能信号744可以跳过电源开关736的转换周期，但是根据本发明的教导，也可以包括集成电路的其他例子。例如，根据本发明的教导，也可以包括脉宽调制(PWM)调节器电路。例如，根据本发明的教导，通过测量电流在两个值之间经过花费了多长时间，典型的PWM控制器推断输入电压的幅值，然后调节可变限流。

在前面的详细描述中，已经参照具体的典型实施方式对本发明的方法和装置进行了描述。然而，很明显在不脱离本发明的精神和范围的情况下，各种修改和改变都是可以的。因此，本说明书和附图被看作是说明性的，而不是限定性的。

Claims (30)

1.一种开关调节电路，包括：

与电源的能量传输元件相耦合的开关；

控制器，其生成驱动信号，该控制器被耦合以控制开关的转换，以调节电源的输出；

包括在控制器中的限流器，其调节该驱动信号以限制流过开关的电流到一个可变限流值，其中响应于耦合到能量传输元件的输入线电压，由限流器设置该可变的限流值。

2.如权利要求1的开关调节电路，其中如果在开关的一个跳过的转换周期之后出现的第一个转换周期期间没有过电流情况，那么该可变限流值被设置到第一限流值。

3.如权利要求2的开关调节电路，其中如果在开关的所述跳过的转换周期之后出现的第一个转换周期期间有过电流情况，那么该可变限流值被设置到第二限流值。

4.如权利要求3的开关调节电路，其中该第一限流值大于该第二限流值。

5.如权利要求2的开关调节电路，其中该第一限流值对应于与能量传输元件相耦合的额定电压或相对低的输入线电压。

6.如权利要求3的开关调节电路，其中该第二限流值对应于与能量传输元件相耦合的相对高的输入线电压。

7.如权利要求2的开关调节电路，其中在开关的所述跳过的转换周期之后发生出现的第一转换周期对应于电源的不连续导通操作模式。

8.如权利要求2的开关调节电路，其中在开关的所述跳过的转换周期期间，能量传输元件中的能量变为零。

9.如权利要求2的开关调节电路，其中在一个开关转换周期期间，开关的最大导通时间出现之前，当流过开关的电流超过可变限流值时，出现过电流情况。

10.如权利要求1的开关调节电路，进一步包括集成电路，该集成电路包括控制器。

11.如权利要求10的开关调节电路，其中该集成电路进一步包括该开关。

12.一种方法，包括：

转换耦合到能量传输元件的开关以调节通过能量传输元件的能量转换；

如果有一个额定电压或相对低的输入线电压耦合到能量传输元件，那么限制流过开关的电流到第一限流值；以及

如果有一个相对高的输入线电压耦合到能量传输元件，那么限制流过开关的电流到第二限流值。

13.如权利要求12的方法，进一步包括，如果在开关的一个跳过的转换周期之后出现的第一转换周期期间没有过电流的情况，那么确定额定电压或相对低的输入线电压。

14.如权利要求13的方法，进一步包括，如果在开关的一个跳过的转换周期之后出现的第一转换周期期间有过电流的情况，那么确定相对高的输入线电压。

15.如权利要求13的方法，进一步包括，如果流过开关的电流超过可变限流值，那么确定过电流情况，其中该可变限流值至少是第一限流值或第二限流值中的一个。

16.电源，包括：

能量传输元件，其耦合在输入线电压和电源的输出端之间；

开关，其耦合到能量传输元件的输入端，以调节从电源的输入端到电源的输出端的能量转换；

控制器，其耦合到开关以控制开关的转换；以及

包括在控制器中的限流器，其将流过开关的电流限制到可变电流值，其中响应耦合到能量传输元件的输入线电压，由限流器设置可变限流值。

17.如权利要求16的电源，其中如果该输入线电压是额定电压或相对低的电压，那么可变限流值被设置到第一限流值。

18.如权利要求17的电源，其中如果在电源的非连续导通操作模式的第一转换周期期间没有过电流情况，那么输入线电压是额定电压或相对低的电压。

19.如权利要求17的电源，其中如果该输入线电压是相对高的电压，那么可变限流值被设置到第二限流值。

20.如权利要求19的电源，其中如果在电源的非连续导通操作模式的第一转换周期期间有过电流情况，那么输入线电压是相对高的电压。

21.一种开关调节电路，包括：

与电源的能量传输元件相耦合的开关；

耦合到该开关的控制器，其控制开关的转换以调节输出，该控制器在转换周期内周期性地切换开关；以及

包括在该控制器中的限流器，该限流器与开关相耦合，当开关中的电流超过可变限流时断开开关，该限流器响应于开关中的电流值之间的测量时间来调节可变限流。

22.如权利要求21的开关调节电路，其中该限流器被耦合以测量在一个转换周期内开关中的电流从第一电流值上升到第二电流值的时间量，其中该限流器被耦合以响应所测量的时间量设置可变限流。

23.如权利要求21的开关调节电路，其中当所测量的时间量不小于基准时间时，该限流器被耦合以设置该可变限流到第一限流值，并且其中当所测量的时间量小于基准时间时，该限流器被耦合以设置可变限流到第二限流值。

24.如权利要求21的开关调节电路，其中该第一电流值基本上等于零，并且该第二电流值是限流值。

25.如权利要求21的开关调节电路，其中该调节器被耦合以在转换周期期间的非连续导通操作模式中运行。

26.如权利要求21的开关调节电路，其中该控制器和开关被包括在集成电路中。

27.一种方法，包括：

转换耦合到能量传输元件的开关，以调节通过能量传输元件中的能量转换；

测量在一个转换周期内开关中的电流从第一电流值上升到第二电流值的时间量；以及

响应所测量的时间量，调节可变限流。

28.如权利要求27的方法，进一步包括响应第二电流值，断开开关，其中该第一电流值基本上为零。

29.如权利要求27的方法，进一步包括确定开关调节器运行在非连续导通操作模式。

30.如权利要求27的方法，其中调节可变限流包括：

当所测量的时间量不小于基准时间时，设置该可变限流为第一限流值；以及

当所测量的时间量小于基准时间时，设置该可变限流为第二限流值；

转换与能量传输元件耦合的开关，以调节通过能量传输元件的能量转换；

测量在一个转换周期内开关中的电流从第一电流值上升到第二电流值的时间量；以及

响应所测量的时间量，调节可变限流。

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