CN1937386A - 开关式电源中故障检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种检测开关式电源中反馈电路故障的技术，此时电源运行在一种输出低于调节值的模式。电源在没有反馈信号时传送给定的开关频率下的最大功率，同时输出低于调节值。如果没有反馈信号的时间持续达到故障时间，故障保护电路充分地减少平均输出功率。当没有反馈信号时，电源通过在故障时间结束之前增加开关频率来增加最大输出功率，以使输出增加到调节值。当输出达到调节值时，反馈信号的存在恢复原始的开关频率并使输出返回到未调节值。在故障时间结束时，反馈信号的缺失使故障保护电路充分地减少输出功率。

Description

开关式电源中故障检测的方法和装置

技术领域

本发明通常涉及电子电路，尤其涉及开关式电源。

背景技术

开关式电源的普通用途是给电池充电。通常控制电池充电器的输出功率，以产生调节电压和调节电流。在输出电流范围内，电压在最大和最小电压之间调节。在输出电压范围内，电流在最大和最小电流之间调节。调节是通过反馈信号实现的，当输出电压或输出电流超过调节值时，该反馈信号就减少电源的输出。电源通常具有故障检测功能，当没有反馈信号时，防止过量的输出电压或过量的输出电流。如果没有故障检测功能，造成反馈信号丢失的故障将使输出电压或输出电流变得很高，足以对电池或电源造成破坏。因此，缺失反馈信号通常使得电源运行在自动重启动循环，直到反馈信号恢复，这实际上会减少平均输出电压和平均输出电流。

一般的电池充电器通常表现出从调节输出电流到调节输出电压的急剧变化。也就是说，在笛卡尔坐标中所画的输出电压和输出电流的轨迹通常在相应于最大输出功率点的变化点处有锐角转角。

发明内容

设计一种在调节电压和调节电流之间具有尖锐变化的电池充电器，将形成一个产品，该产品的成本将大于其提供期望功能所需的成本。通过在调节电压和调节电流之间设计未调节的变化，就有可能减少电池充电器的成本并满足所有的需要。在未调节变化的区域，输出电压和输出电流由开关调节器的本质输出特性所限制，并对给定的输出电压和输出电流来说，通常遵循最大输出功率的曲线。

为了实现较低的成本，开关调节器被设计成利用控制电路工作，该控制电路允许调节器在调节输出电压和调节输出电流之间进行未调节的变化，从而使得电压和电流被保持在它们特定的边界。通过合理设计在输出电压和输出电流的特定边界之中的未调节变化，能够减少最大功率输出，并允许使用比保证较高输出功率的元件成本更低的元件。取决于负载所需要的电流，控制电路运行开关调节器以实现调节电压，调节电流，或未调节的变化。

故障保护功能表现为在未调节变化区域持续运行的阻碍，其中该故障保护功能响应于反馈信号的缺失。当电源运行在未调节变化区域时，由于输出电压和输出电流实际上低于它们的调节值，所以反馈信号实际上为零。通过设计，在未调节变化区域电源运行产生最大输出功率。故障保护功能通常允许电源在没有反馈信号时的仅仅很短的一段时间内产生最大输出功率，所述时间是在启动之后的正常负载情况下将输出电压或输出电流从零带到调节值所需的时间。如果在正常启动时间之后，反馈信号不存在，那么电源进入自动重启动循环。

附图说明

借助于实施例对本发明给予了详细的描述，并且不限制于附图。

图1是开关式电源的一个实施例的功能结构图，根据本发明的教导该开关式电源可以利用故障保护运行在未调节变化的区域。

图2是一个图表，示出了开关式电源的一个实施例的输出电压和输出电流的边界，根据本发明的教导该开关式电源利用故障保护可以运行在未调节变化的区域。

图3示出了来自电源的输出电压和输出电流之间的关系，根据本发明的教导该电源包括在调节电压和调节电流之间的未调节的变化。

图4A和图4B示出了电源运行点的偏移，根据本发明的教导响应于输出功率的临时增长，电源运行点从无反馈信号的未调节状态移动到施加反馈信号的可调节状态。

图5是开关式电源的最大理论输出功率作为开关频率的函数的一个图表，根据本发明的教导，其描述了怎样随着开关频率的临时增长而实现输出功率的临时增长。

图6是一种方法的实施例的流程图，根据本发明的教导该方法提供了对开关式电源的一个实施例在未调节运行下的故障保护。

图7A示出了根据本发明的教导，用于开关式电源的控制器的一个实施例的功能元件。

图7B示出了自动重启动计数器的一个实施例的细节，根据本发明的教导该计数器被包含在用于开关式电源的控制器的一个实施例内。

具体实施方式

公开了可以用在电源中的电源调节器的实施例。为了提供对本发明彻底的理解，在下面的描述中，提出了大量的具体细节。然而，对熟知本领域的普通技术人员来说，很显然这些具体细节不是实施本发明所必需的。为了避免模糊本发明，一些与实现相关的公知方法没有具体的描述。

本说明书中对“一实施例”或“一个实施例”的引用表示结合该实施例所描述的独特的功能、结构、或者特性被包含在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中在各个位置出现的术语“在一实施例”或“在一个实施例”不一定都指的是同一个实施例。而且，这些独特的功能、结构或特性可以以任何合适的方式合并在一个或多个实施例中。

所公开的技术为电源提供具有针对反馈信号丢失的故障保护的运行的未调节模式，该电源以比常规的解决方案较低的成本满足电池充电器的需要。本发明的实施例针对的方法和/或装置利用响应于反馈信号缺失的故障保护电路，允许电源运行在未调节变化区域。为了描述这一点，图1显示了一个电源实施例的功能结构图，相据本发明的教导，该电源可以包括电源调节器的实施例，其也是电池充电器。图1所描述的电源的拓扑结构已知是回扫调节器。可以理解有许多开关调节器的拓扑结构和配置，并且图1所示的回扫拓扑结构被用来描述本发明一个实施例的原理，根据本发明的教导，该实施也可以使用其他类型的拓扑结构。

图1中的电源对负载165提供来自于未调节输入电压V_IN105的输出功率。在一个实施例中，负载165可以是可充电电池。输入电压V_IN105被连接到能传递元件T1 125和开关S1 120上。在图1的例子中，能量传递元件T1 125被连接在电源的输入端和输出端之间。在图1的例子中，能量传递元件T1 125被描述为带有两个线圈的变压器。通常，变压器不止有两个线圈，额外的线圈对额外的负载提供功率、提供偏移电压、或检测负载上的电压。箝位电路110被连到能量传递元件T1 125的初级线圈上，以便控制开关S1 120上的最大电压。根据本发明的教导，响应于控制器电路145的一个实施例，开关S1 120被打开和关闭。在一个实施例中，开关S1 120是晶体管，比如功率金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一个实施例中，控制器145包含集成电路和分立电子元件。开关S1 120运行时在整流器D1 130中产生脉动电流，该电流被电容器C1 135滤波以在负载165上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，通常可以是一个输出电压V_O，一个输出电流I_O或者两者的组合。调节量未必是固定的，但是可以以期望的方式响应于反馈信号被调节改变。如后面将解释的，即使未调节时，输出量U_O 150也能够以期望的方式变化。不与反馈信号响应的输出是末调节的。反馈电路160耦合到输出量U_O150上，用来产生一个输入到控制器145的反馈信号U_FB155。控制器145的另一个输入是用来检测开关S1 120中电流I_O 115的电流传感信号140。有很多测量开关电流的已知方法，比如变流器、或者分立电阻的电压、或者当晶体管导通时晶体管上的电压，其中任何一种方法都可以被用来测量电流I_O 115。

由于电路中一个或多个元件的限制，在所有电源设计中的开关具有它们不能超过的最大电流限制I_MAX。尽管所有的开关本身就是限流的，但是设计时在开关式电源中的控制器通常保护开关不超过设计的最大电流限制。

图1也示出了电流I_D 115的一个示例波形，用来显示控制器可以调整来调节输出量U_O 150的参数。电流I_D 115的最大值是I_MAX，开关周期是T_S，占空比是D。控制器通常将占空比限定到最大值D_MAX，其中该最大值小于100％。

在一个实施例中，控制器145操作开关S1 120，以便充分地调节输出U_O 150到期望值。在一个实施例中，响应于输出电压或输出电流的幅度，输出U_O从输出电压变化到输出电流。在一个实施例中，控制器145包含振荡器，其确定了一个基本不变的开关周期T_S。在一个实施例中，通过控制在开关周期内开关的导通时间实现调节。在每一个开关周期内，开关被关闭的那部分开关周期的分数是开关的占空比D。在一个实施例中，通过控制开关的最大电流I_MAX实现调节。在另一个实施例中，通过控制开关周期T_S实现调节。

在一个实施例中，控制器145在开关的最大电流或最大占空比时操作开关S1 120，以产生未调节的输出U_O 150，此时反馈信号U_FB不存在或者太低而不能影响输出调节。太低而不能影响输出调节的反馈信号U_FB等同于反馈信号不存在。未调节输出U_O的值由电路的一组特定的运行状态的最大功率容量确定。瞬时输出功率P_O是输出电压V_O与输出电流I_O的乘积。

在一个实施例中，控制器145包含保护功能，使电源运行在降低的平均输出电压和降低的平均输出电流情况下，以避免使反馈信号无法到达控制器的故障造成的破坏。在一个实施中，保护功能是自动重启动循环。在自动重启动循环的一个实施例中，控制器145允许电源开关S1 120未调节地运行一段时间，该时间足够长使得输出U_O能够产生反馈信号U_FB 155，如果在允许的开关时间内输出没有产生反馈信号U_FB 155，那么接着是没有开关的较长间隔。自动重启动循环反复进行直到反馈信号U_FB 155满足用于调节的合理标准。

当不响应反馈信号U_FB 155时，参数I_MAX、D和T_S可以是固定的或者允许响应于其他数量的改变而变化，比如输入电压V_IN 105或负载165。在一个实施例中，这样的改变是由功率转换器的拓扑结构，如回扫拓扑结构，的本质特性所决定的。比如，对于固定量V_IN 105、I_MAX和T_S，占空比D是输出电压V_O的已知函数。因此，可以设计一个调节器的实施例，使得根据本发明的教导，当输出没有被反馈信号调节时，输出可以期望的方式运转。正如将讨论的，包含在控制器145中的振荡器的一个实施例被配置为，在较高的频率处临时切换以增加电路的最大输出功率容量。

图2示出了根据本发明的教导运行的开关式电源的一个实施例的输出电压和输出电流的边界。电源的输出被限制在位于内边界205和外边界210之间的实线215的区域内。外边界210规定了一个最大输出电压V_OMAX和一个最大输出电流I_OMAX，其在V_OMAX和I_OMAX的直线交叉点200处限定了最大输出功率P_MAX。具有实线215的区域内的输出特性的电源将运行在外边界210和内边界205之间，其输出功率小于最大输出功率P_MAX。这样电源的成本通常比能够在P_MAX处运行的电源成本低。

图3显示了根据本发明的教导运行的开关式电源的一个实施例的输出电压和输出电流的特性。输出电压和输出电流遵循一条曲线，该曲线包含三个不同的线段。每一个线段对应不同的运行区域。在调节电压区域，输出电压被按照线段300调节。在调节电流区域，输出电流被按照线段320调节。在未调节变化区域，输出电压和电流沿着线段310不被调节，线段310描述了没有反馈的情况下在给定的输入电压和给定的开关频率下的最大输出功率。如图所示，输出电压和输出电流落在特定边界330和350内。

在一个实施例中，开关式电源具有保护功能，当不存在反馈信号时，防止最大输出功率持续传送。在一个实施例中，反馈信号不存在的时间如果大于故障检测周期T_FAULT，将导致电源进入自动重启动模式，充分地减少了平均输出功率。因此，保护功能不允许电源运行在未调节最大功率的线段310上的时间大于时间T_FAULT。

如果反馈不存在的时间稍微小于T_FAULT，那么通过在一小段时间内增加电源的最大输出功率，本发明的实施例克服了由自动重启动保护功能所施加的限制。最大输出功率的增加把输出电压或输出电流的值沿着线段310分别提高到调节值V_REG或I_REG。如果在反馈电路中没有故障，反馈信号将使控制器分路进入自动重启动循环模式，并沿着线段310把最大输出功率复位成它的原始值。

图4A和4B描述了响应于输出功率的临时增长，操作点从无反馈信号时的未调节状态到施加反馈信号的可调节状态的运动。根据本发明的教导，图中显示了开关式电源的输出电压和输出电流的轨迹。输出电压沿着线段400被调节。输出电流沿着线段420被调节。输出电压和输出电流沿着线段410未调节。在一个实施例中，输出功率的增长使得操作点430从它在未调节操作线段410上的位置运动到调节电流450，如图4A所示的运动440。在一个实施例中，输出功率的增长使得操作点430从它在未调节操作线段410上的位置运动到调节电压460，如图4B所示的运动470。当操作点从未调节运行的线段410运动到调节电压460或调节电流450，以响应最大输出功率的增长时，电源电路和负载的具体特性确定了操作点的实际路径。

开关式电源的最大输出功率由最大开关电流I_MAX和与开关周期T_S成倒数的开关频率f_S所规定。尽管元件性能的限制通常阻止了电流I_MAX的增长，但是通常有可能增加开关频率，使其充分地超过它的最优值。通常选择开关频率的最优值以便获得其他设计约束的范围内的最高的效率。在较高开关频率运行一段时间时效率的减少通常是可以忽略的。因此，开关频率的临时增加能够在没有显著损失的情况下，增加开关式电源的最大输出功率。

图5示出了理论最大输出功率和具有限流开关的开关式电源的开关频率之间的关系。图5的波形描述了两个运行的基本模式，由电流的不同形状所指示。三角形状530是非连续导通模式(DCM)的特性，而梯形形状540是连续导通模式(CCM)的特性。

对给定的最大开关电流I_MAX，开关式电源的最大输出功率由开关频率的两个简单函数所描述：

$P=\left(\frac{P_{\mathrm{MAXDCM}}}{f_{\mathrm{SMAXDCM}}}\right)f_S\begin{array}{cc}& \end{array}0\≤f_S\≤f_{\mathrm{SMAXDCM}}$ 公式1

和

$\begin{array}{cc}P=P_{\mathrm{MAXDCM}}(2-\frac{f_{\mathrm{SMAXDCM}}}{f_S})& f_S\≥f_{\mathrm{SMAXDCM}}\end{array}$ 公式2

这里f_S是开关频率，P_MAXDCM是非连续导通模式下的最大功率，而f_SMAXDCM是非连续导通模式下的最大开关频率，其允许开关中的电流达到I_MAX。P_MAXDCM和f_SMAXDCM的值由电路中的元件值所确定，熟知本领域的技术人员都知道这一点。因此，在表达式中它们是常量。

图5示出了区域510中在频率为0和非连续导通模式下的最大频率f_SMAXDCM之间的由公式1所描述的线性关系。在线性区域510，输出功率与开关频率fS完全成比例。非连续导通模式下的最大功率是开关频率f_SMAXDCM处的P_MAXDCM。

在区域520，频率大于f_SMAXDCM时，电源运行在连续导通模式。在连续导通模式下，功率曲线是由公式2所描述的部分双曲线，并逼近于两倍P_MAXDCM的最大值。图5表明较高的开关频率产生较高的输出功率。

图6是一个流程图，描述了为开关式电源提供故障检测的一种方法的实施例，根据本发明的教导该电源具有未调节的输出。如图所示，开关频率在模块605中被设定为两个值中较低的一个，在模块610中故障计时器被复位。在模块615中测量反馈信号U_FB。

如果反馈信号U_FB存在，如模块620所示，那么开关频率保持为低，故障计时器被复位，分别如模块625和610所示。如果反馈信号U_FB不存在，将自从故障计时器被复位后的时间和一个比故障时间T_FAULT小的时间T_CHECK进行比较，如模块630所示。

在T_CHECK和T_FAULT之间的期间内，电源利用反馈检测操作检查反馈电路的运行情况。反馈检测操作增加开关频率到两个值中较高的一个，由此增加输出功率以提高输出电压或输出电流到调节值，如模块635、640、615和620所示。响应于输出功率的增长，反馈信号的存在将开关频率减少到较低的值，并且复位故障计时器。如果在故障时间T_FAULT之后反馈信号不存在，电源将进入自动重启动循环，如模块640和645所示。自动重启动循环一直持续到反馈信号存在为止。

图7A根据本发明的教导示出了一个集成电路的实施例。在一个实施例中，示出了用于开关式电源的控制器的一个实施例的功能元件。例如，图7A示出了集成电路700的功能结构图，该集成电路包括功率晶体管开关750，振荡器740和自动重启动计数器710。在一个实施例中，其中集成电路700在电源中可运行，使能/欠电压端745接收反馈信号，该反馈信号指示功率晶体管750是否应该被导通。反馈信号缺失能够指示反馈电路中有故障或者是未调节运行的期望模式。集成电路使用自动重启动计数器710和振荡器740来选择开关750的期望动作。

根据来自于自动重启动计数器710的信号，振荡器740在不同的开关频率产生时钟信号735。该时钟信号735具有标称的开关频率，其有平均值，比如132kHz。该标称的开关频率通过频率调制，如±4kHz，调制为平均值，以响应从自动重启动计数器710接收的抖动信号730。频率调制通常比标称的开关频率的平均值小得多。抖动信号730在抖动调制率下，如1kHz，调制标称的开关频率。该抖动调制率通常比抖动调制小得多。反馈检测频率是标称值的两倍，选择该反馈检测频率以响应来自于自动重启动计数器710的环路检测信号720。选择故障频率以响应来自于自动重启动计数器710的故障存在信号715。故障频率通常是标称开关频率的5％。

图7A显示了自动重启动计数器710接收使能/线路欠电压信号705、时钟信号735，和复位信号725。自动重启动计数器710产生抖动信号730、反馈检测信号720和故障存在信号715。图7B根据本发明的教导显示了自动重启动计数器710的一个实施例的细节。如图所示，自动重启动计数器710包括14位的二进制计数器755，该二进制计数器具有逻辑门760、775、780、765和770。

自动重启动计数器710提供用于开关频率变化的定时，用于检测反馈电路的运行，和当检测到故障时自动重启动运行。来自于二进制计数器755的14个输出位被标示为Q₁到Q₁₄，其中Q₁是最低位，Q₁₄是最高位。四位Q₄、Q₅、Q₆和Q₇组成抖动信号730。四个最高位Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃和Q₁₄构成故障计时器。位Q₁₁到Q₁₄由逻辑门775、765、780和770解码以产生反馈检测信号720和故障存在信号715。复位输入725仅把计数器的位Q₈到Q₁₄复位为0。位Q₁到Q₇不被复位，以允许计数器755保持用于抖动输出730的定时。

表格785显示，当标称开关频率平均为132kHz时，在故障计时器被复位之后，反馈检测信号720被维持大约38.8毫秒，除非故障计时器被端部745存在的反馈信号在更短的时间内复位。然后反馈检测信号720把振荡器的频率加倍，使反馈检测时间近似为11.6毫秒，除非故障计时器被端部745存在的反馈信号在更短的时间内复位。如果故障计时器没有被存在的反馈信号在反馈检测时间内复位，自动重启动计数器710断定有故障存在信号715。故障存在信号715将振荡器的频率减少到故障频率，使故障频率约为标称值的5％。端部745存在的反馈信号把故障计时器复位，并把振荡器复位到标称的开关频率。

在上述详细的描述中，本发明的方法和装置已经参照它的具体的实施例给予了描述。然而，很明显不脱离本发明的较宽精神和范围的前提下对其进行的各种修改和改变都是可以的。因此，本发明说明书和附图被看作是说明性的，而不是限定性的。

Claims (10)

1.一种开关式调节器电路，包括：

与电源的能量传递元件耦合的开关；

与控制器相连的反馈电路，用来接收来自于电源输出端的反馈信号；

与开关和反馈电路相连的控制器，用来控制开关的切换以调节电源输出端的输出电压和输出电流的组合，其中输出电压和输出电流的组合对应于输出区域，使得至少有一个调节的输出区域和一个未调节的输出区域；控制器包括具有第一和第二开关频率的振荡器，其中第二开关频率大于第一开关频率；控制器还包括故障检测电路，其具有故障计时器用来测量适当的反馈信号不存在的持续时间；故障检测电路具有运行的故障模式和运行的反馈检测模式；当反馈信号不存在的时间大于故障时间时，运行的故障模式充分地减少电源输出端的平均功率；当反馈信号不存在的时间小于故障时间时，运行的反馈检测模式把开关频率从第一开关频率提高到第二开关频率。

2.权利要求1的开关式调节器，其中所述开关式调节器被包含在一个电池充电器中。

3.权利要求1的开关式调节器，其中所述控制器包含集成电路。

4.权利要求1的开关式调节器，其中所述控制器包含分立电子元件。

5.一种方法，包括：

测量从电源输出端处接收的反馈信号，以便控制电源的输出功率；

在适当的反馈信号不存在达第一时间之后，使电源运行在未调节的反馈检测模式；

在适当的反馈信号不存在达大于第一时间的第二时间之后，使电源运行在未调节的自动重启动模式。

6.权利要求5的方法还包括在未调节反馈检测模式期间增加开关频率。

7.权利要求5的方法还包括测量适当的反馈信号不存在的持续时间。

8.权利要求5的方法还包括通过增加电源的输出功率将电源的操作点从未调节状态移动到调节电流操作点。

9.权利要求5的方法还包括通过增加电源的输出功率将电源的操作点从未调节状态移动到调节电压操作点。

10.权利要求5的方法还包括调节电源的最大输出功率，使其响应于电源的开关频率。

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