TW201424237A - 電流的限制 - Google Patents

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Abstract

在一實施例中，一種電源供應器的控制器係包含一切換式調節器以及一電流限制器。該切換式調節器係被配置以產生一輸入電流，使得一輸出電壓係被產生以響應於該輸入電流以及一輸入電壓，並且該電流限制器係被配置以響應於一個相關該輸出電壓除以該輸入電壓的一比例之量來限制該輸入電流。例如，此種電源供應器的控制器的一實施例能夠藉由響應於一個相關該輸出電壓至該輸入電壓的比例(例如，升壓比例)之量來限制該輸入電流，以限制來自一電源供應器的輸出或負載電流至一設定的位準。

Description

電流的限制 〔優先權主張〕
此申請案係主張2012年11月2日申請的臨時專利申請案號61/721,790的優先權，該專利申請案係以其整體被納入在此作為參考。
本發明係關於電流的限制。
電源供應器，例如降壓轉換器及升壓轉換器，係用於許多產品，例如電腦以及電話。為了避免電源供應器損害本身、或是該電源供應器中進行供電的構件，該電源供應器可包含過電流保護(over-current-protection，OCP)電路系統，其係避免一或多個電流(例如，負載(供應輸出)電流和供應開關電流)超過個別的安全位準。
在一過電流狀況期間，雖然電源供應器的過電流保護電路系統能夠限制此種電流為可定義的，或是可預測的位準，但是該過電流保護電路系統不能限制一或更多其他的此種電流為可定義的，或是可預測的位準。舉例來說，雖然用於一升壓轉換器的過電流保護電路系統能夠在一過電流狀況期間將該轉換器切換電流限制成一可定義的位準，但是該過電流保護電路系統不能在一過電流狀況期間將該轉換器輸出(負載)電流限制成一可定義的，或是可預測的位準。儘管有該過電流保護電路系統的動作，該過電流保護電路系統不能在一過電流狀況期間將該轉換器輸出(負載)電 流限制成可定義的或是可預測的位準的事實可能允許在過電流狀況期間的損害發生。
在一實施例中，一種電源供應器的控制器係包含一切換式調節器以及一電流限制器。該切換式調節器係被配置以產生一輸入電流以使得一輸出電壓響應於該輸入電流以及一輸入電壓而被產生，並且該電流限制器係被配置以響應於一個相關該輸出電壓除以該輸入電壓的一比例之量來限制該輸入電流。
例如，此種電源供應器的控制器的一實施例可以是能夠響應於一個相關該輸出電壓至該輸入電壓的比例之量以限制來自一電源供應器的輸出或負載電流至一界定的位準。在該電源供應器是一種產生一具有大小係大於該輸入電壓的大小的輸出電壓之升壓轉換器的情形中，則此比例是該電源供應器的升壓比例。
10‧‧‧電源供應器
12‧‧‧負載
14‧‧‧節點
16‧‧‧節點
18‧‧‧濾波器的電感器
20‧‧‧單向電流的構件
22‧‧‧濾波器的電容器
24‧‧‧電源供應器的控制器
26‧‧‧參考節點
28‧‧‧切換式調節器
30‧‧‧電流限制器
32‧‧‧誤差放大器
34‧‧‧脈衝寬度調變的(PWM)控制器
36‧‧‧開關電晶體
38‧‧‧控制信號
40‧‧‧電流感測器
42‧‧‧限制比較器
70‧‧‧電源供應器
72‧‧‧電源供應器的控制器
74‧‧‧電流限制器
76‧‧‧限制電流的控制器
80‧‧‧電路
82‧‧‧濾波器級
84‧‧‧比較器級
86‧‧‧解碼器級
88‧‧‧參考產生器級
90‧‧‧比較器
92‧‧‧控制信號
94‧‧‧開關
96‧‧‧CLref節點
98‧‧‧電阻性分壓器
100‧‧‧電腦系統
102‧‧‧計算電路
104‧‧‧處理器
106‧‧‧輸入裝置
108‧‧‧輸出裝置
110‧‧‧資料儲存裝置
圖1是根據一實施例的包含一種電源供應器的控制器之電源供應器的圖。
圖2是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一正常的模式中的輸入電流的時序圖。
圖3是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一正常的模式中的切換電流的時序圖。
圖4是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一正常的模式中的 輸入及切換電流兩者的時序圖。
圖5是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一限制電流的模式中的切換電流的時序圖。
圖6A是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一正常的模式中以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電壓的時序圖。
圖6B是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一正常的模式中以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電流的時序圖。
圖7A是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一正常的模式中以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電壓的另一時序圖。
圖7B是根據一實施例的圖1的電源供應器當操作在一正常的模式中以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電流的另一時序圖。
圖8是根據一實施例的圖1的電源供應器的升壓比例相對於圖1的電源供應器的工作週期之曲線。
圖9是根據另一實施例的包含一種電源供應器的控制器之電源供應器的圖。
圖10是根據一實施例的圖9之電源供應器的控制器的一電流限制參考的產生器的圖。
圖11A是根據一實施例的圖9的電源供應器當操作在一正常的模式中以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電壓的時序圖。
圖11B是根據一實施例的圖9的電源供應器當操作在一正常的模式中以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電流的時序圖。
圖12A是根據一實施例的圖9的電源供應器當操作在一正常的模式中 以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電壓的另一時序圖。
圖12B是根據一實施例的圖9的電源供應器當操作在一正常的模式中以及當操作在一限制電流的模式中的輸入與輸出電流的另一時序圖。
圖13是根據一實施例的一種納入圖9的電源供應器之系統的圖。
圖1是根據一實施例的一升壓轉換器電源供應器10以及一藉由該電源供應器所供電的負載12的概要圖。
該電源供應器10係被配置以在一正常的操作模式中響應於一節點16上的一輸入電壓Vin而在一節點14上產生一調節後的輸出電壓Vout，並且包含一具有一電感L之濾波器的電感器18、一單向電流的構件(在此是一個二極體)20、一具有一電容C之濾波器的電容器22、一電源供應器的控制器24、以及一參考節點(在此是一接地節點)26。
該電源供應器的控制器24係包含一被配置以產生輸入、切換、輸出及負載電流Iin、Iswitch、Iout及Iload或是造成其產生的切換式調節器28，並且包含一被配置以在一限制電流的模式期間藉由限制Iswitch以及因此限制Iin至一限制電流的參考CLref所設定的個別值來限制Iout及Iload的電流限制器30。
該切換式調節器28係包含一誤差放大器32、一脈衝寬度調變的(PWM)控制器34以及一NMOS開關電晶體36。在一正常的操作模式期間，該誤差放大器32係響應於該調節後的輸出電壓Vout以及一參考電壓Vref來產生一誤差信號，並且該PWM控制器34係響應於該誤差信號來產生一控制信號38並且調整該控制信號38的工作週期，該控制信號38係驅動 該電晶體36的閘極以便於調節Vout至一藉由Vref設定的電壓位準(例如，12伏特)。
而且，該電流限制器30係包含一電流感測器40以及一限制比較器42。在一例如是由一通過或繞過該負載12之低阻抗的路徑所引起之限制電流的操作模式期間，若Iswitch(例如，Iswitch的波峰或平均)大於該限制電流的參考CLref，則該比較器42係在其輸出產生一限制電流的信號，該限制電流的信號係具有一邏輯高的位準以使得該PWM控制器34轉變該控制切換的信號38至一邏輯低的位準以便於將該電晶體36“關斷”。以此種方式限制Iswitch可以避免對於例如是該電晶體36的損壞。而且，因為限制Iswitch會固有地限制Iout及Iload，因此以此種方式限制Iswitch亦可以避免對於該負載12的損壞。
圖2是根據一實施例的圖1的電源供應器10當操作在一正常的模式中之圖1的輸入電流Iin的時序圖。
圖3是根據一實施例，當圖1的電源供應器10操作在一正常的模式中之圖1的切換電流Iswitch的時序圖。
圖4是根據一實施例，當圖1的供應器10操作在一正常的模式中的圖2的輸入電流Iin以及圖3的切換電流Iswitch的時序圖；Iin係以虛線展示，Iswitch係以實線展示，並且Iin及Iswitch是相等之處係以粗體虛線展示。
參照圖2-4，在該電晶體36(圖1)的一切換期間T的一第一部分Ton期間-Ton係對應於圖1的控制信號38的邏輯高的部分-該電晶體係從Vin透過該電感器18導通該電流Iswitch=Iin。因為在通過一電感器的電流上的變化di/dt係等於橫跨該電感器的電壓除以該電感器的電感，因此在Ton 期間，Iswitch=Iin係在一時間t0從一谷值位準Ivalley以一個Vin/L的斜率線性地斜波上升至在一時間t1的一波峰位準Ipeak，其中Vin是橫跨該電感器18的電壓(其中假設橫跨該“導通”電晶體36的電壓降是可忽略的)，並且L是該電感器的電感。
在該時間t1，該電晶體36係“關斷”，使得Iswitch快速地減小到零，並且Iin開始以一個(Vout-Vin)/L的斜率減小，其中Vout-Vin是橫跨該電感器18的電壓(其中假設橫跨該二極體20的電壓降是可忽略的)。
在該電晶體36(圖1)的切換期間T的一第二部分Toff期間-Toff係對應於圖1的控制信號38之邏輯低的部分-該電晶體並不導通電流，並且因此Iswitch係維持在零，而Iin係持續以一個(Vout-Vin)/L的速率斜波下降，直到一時間t2為止，時間t2是下一個正常模式的切換週期的開始。
圖5是根據一實施例，當該電源供應器10操作在一限制電流的模式中的圖1的切換電流Iswitch的時序圖。使得該電源供應器10操作在該限制電流的模式中的狀況例如可能是一介於該供應器的輸出節點14以及該參考節點26(圖1)之間的低阻抗的路徑。此種低阻抗的路徑的原因可能包含該負載12的損壞、耦接到一不適當的負載、以及一橫跨該負載形成的短路(例如，來自被潑灑到的一種例如是水的導電液體)。
在該電晶體36(圖1)的切換期間T的一第一部分Ton期間-Ton係對應於圖1的控制信號38之邏輯高的部分-該電晶體係從Vin透過該電感器18來導通該電流Iswitch。因為在通過一電感器的電流上的變化di/dt係等於橫跨該電感器的電壓除以該電感器的電感，因此在Ton期間，Iswitch係從在一時間t0的Ivalley以一個Vin/L的斜率線性地斜波上升(其中假設橫跨該 “導通的”電晶體36的電壓降是可忽略的)。但是由於過電流的狀況，Iswitch係在一時間t1增加至一臨界值位準Ilimit；換言之，即使該負載12是使得其原本將會使Iswitch增加到超過該臨界值位準Ilimit而到一波峰位準Ipeak，但是該電流限制器30會防止Iswitch增加到超過Ilimit。該電源供應器10(圖1)的設計者通常選擇Ilimit以使得該電源供應器的構件(例如，該電晶體36)在一過電流的狀況存在時不會受損。
在該時間t1，該電晶體36係“關斷”，使得Iswitch快速地減小至零。
在該電晶體36(圖1)的切換期間T的第二部分Toff期間-Toff係對應於圖1的控制信號38之邏輯低的部分-該電晶體並不導通電流，並且因此Iswitch係維持在零直到一時間t2為止，t2是下一個限制電流模式的切換週期的開始。
參照圖1-5，若過電流的狀況停止存在，則該電源供應器的控制器24係從在以上結合圖5所描述之限制電流的操作模式切換至在以上結合圖2-4所描述之正常的操作模式。
參照圖1-4，根據一實施例，該電源供應器10在該正常的模式中的操作係在一切換期間T上加以描述。
在該時間t0，該PWM控制器34係轉變該控制信號38至一邏輯高的位準，因此將該電晶體36“導通”。
在該切換期間T從時間t0至時間t1的部分Ton期間，該電晶體36係透過該電感器18來導通該線性地斜坡上升的電流Iswitch=Iin，並且因此以磁能“充電”該電感器。
Ton的長度係至少部分藉由Vout至該誤差放大器32的負回授來加以決定。例如，若Vout低於一藉由Vref設定的位準，則該PWM控制器34係趨向延長該控制信號38之邏輯高的部分以便於延長Ton，並且因此以便於使得Vout朝向由Vref設定的該位準增高。相反地，若Vout高於由Vref設定的該位準，則該PWM控制器34係趨向縮短該控制信號38之邏輯高的部分以便於縮短Ton，並且因此以便於使得Vout朝向由Vref設定的該位準降低。並且儘管Vout係被描述為直接耦接至該誤差放大器32之反相的節點，但是一相關Vout但不一定等於Vout的回授信號可以替代Vout來耦接至該誤差放大器。
在該時間t1，該PWM控制器34係轉變該控制信號38至一低邏輯位準以便於關斷該電晶體36，並且因此以便於使得Iswitch快速地從其波峰位準Ipeak下降至零。
但仍然是在時間t1，因為就在該PWM控制器34將該電晶體36“關斷”之前，該電感器18正在導通具有一Ipeak位準的Iswitch=Iin，因此通過該電感器的電流Iin並不會快速地下降到零，因為如同已知的，通過電感器的電流並不會瞬間改變。
反而，在時間t1開始，通過該電感器18的輸入電流Iin係流過該二極體20，使得該輸出電流Iout等於該輸入電流Iin，亦即Iout=Iin(在Ton期間Iout=0)。
由於該電源供應器10是一升壓轉換器，因此|Vout|>|Vin|。
因此，在該切換期間T的部分Toff期間，通過該電感器18的電流Iout=Iin係衰減，其中衰減的速率係相關於該差值Vout-Vin，其係橫跨該電感器的電壓，其中假設橫跨該二極體20的電壓是相對可忽略的。儘管 該電流Iout=Iin在該週期部分Toff期間的某個時點可衰減至零，但是其通常並不衰減至零，而使得由於該電感器18及電容器32的濾波作用，ILoad係等於Iout的平均，亦即，ILoad=Iout_avg。
當操作在該正常的模式中，該電源供應器10係對於每個後續的切換期間T重複以上的步驟。
參照圖1及5，根據一實施例，該電源供應器10在該限制電流的模式中的操作係在一切換期間T上加以描述。
在該時間t0，該PWM控制器34係轉變該控制信號38至一邏輯高的位準，因此將該電晶體36“導通”。
在該切換期間T從該時間t0至該時間t1的部分Ton期間，該電晶體36係導通該通過電感器18的線性地斜坡上升之電流Iswitch=Iin，並且因此以磁能“充電”該電感器。
但是不同於當操作在該正常的模式中，該電源供應器的控制器24並不藉由Vout至該誤差放大器32的負回授來決定Ton的長度，因為此將會容許Iswitch=Iin超過一個安全值。因此，當操作在該限制電流的模式中，該切換式調節器28並不調節Vout；換言之，Vout係自由地從其經調節的位準改變，並且通常確實會從該位準改變。
因此，該電流限制器30反而是限制Iswitch=Iin的波峰位準至與Vout的位準無關的Ilimit。更詳細說，該電流感測器40係轉換橫跨該電晶體36的導通節點之電壓(此電壓是成比例於Iswitch=Iin)成為一電流感測的信號，該電流比較器42係在其非反相的(“+”)節點接收該電流感測的信號。當該電流感測的信號變成大於CLref時，該比較器42係轉變其輸出信號從一邏輯低 的位準至一邏輯高的位準，此係使得該PWM控制器34轉變該控制信號38至一邏輯低的位準，並且因此使得該PWM控制器關斷該電晶體36。換言之，該電流限制器30係限制該信號38的工作週期D，使得Iswitch及Iin的波峰位準並不超過Ilimit，其中D=Ton/T。
仍然參照圖1及5，在該時間t1，該PWM控制器34係響應於該電流限制器30來轉變該控制信號38至一低邏輯的位準以便於關斷該電晶體36，並且因此以便於使得Iswitch快速地從該限制電流的臨界值Ilimit減小至零。
但是，仍然是在時間t1，因為該電感器18就在該PWM控制器34“關斷”該電晶體36之前是導通具有一Ilimit的位準之Iswitch=Iin，因此通過該電感器的電流Iin並不會下降到零，因為如同已知的，通過一電感器的電流並不會瞬間改變。
因此，開始在該時間t1，通過該電感器18的電流Iin係流過該二極體20而作為該電流Iout，使得Iout=Iin。
即使該電源供應器10是一升壓轉換器，在該限制電流的模式期間是否|Vout|>|Vin|係依據過電流狀況的嚴重性而定(例如，在該輸出節點14以及該參考節點26(其中該參考節點是一接地節點)之間的一真正的短路將會使得Vout=0)。但是為了舉例之目的，可以假設在大多數的情況中，即使在該限制電流的模式期間，Vout也可以從其經調節的位準減低，而|Vout|>|Vin|至少是在該電源供應器10的限制電流的作用期間仍然成立。
因此，在該切換期間T的部分Toff期間，通過該電感器18的電流Iout=Iin係衰減，其中衰減的速率係相關於Vout-Vin，此係橫跨該電感 器的電壓，其中假設橫跨該二極體20的電壓是相對可忽略的。該電流Iout=Iin是否在該期間T的部分Toff期間的某個時點衰減至零係依據該過電流狀況的原因而定。但是在許多情況中，Iout=Iin在Toff期間並不衰減至零，而使得由於該電感器18以及該電容器22的濾波作用，Iload係等於Iout的平均，就如同其在該正常的操作模式期間所為者。
仍然參照圖1及5，當該過電流狀況持續時，該電源供應器10係對於每個後續的切換期間T重複以上的步驟。
若該過電流狀況結束，則該電源供應器10轉變至如上結合圖1-4所述之正常的操作模式。更詳細地說，若該過電流狀況結束，則該輸出電壓Vout係增加至其經調節的位準，並且此在Vout的增加係縮短該控制信號38的工作週期D，使得Iswitch=Iin的波峰位準Ipeak(圖5)亦減小。當Iswitch=Iin的波峰位準Ipeak(圖5)減小時，來自該電流感測器40之電流感測的信號的位準係減小至低於CLref，使得該比較器42不再轉變其輸出信號至一邏輯高的位準。因此，該控制信號38的工作週期D的控制係從該電流限制器30轉移回到包含該誤差放大器32的回授迴路。
根據一實施例，圖6A是當該電源供應器10操作在該正常的模式中以及在該限制電流的模式中之圖1的Vin及Vout的時序圖，並且其中Vin=5V，ILimit=5A，並且當操作在該正常的模式時，該供應器係調節Vout至16V。
根據一實施例，圖6B是當圖1的電源供應器10如同以上結合圖6A所述地操作時，通過該電感器18的電流Iin以及通過該負載12的電流ILoad的時序圖。
類似地，根據一實施例，圖7A是當該電源供應器10操作在該正常的模式中以及在該限制電流的模式中之圖1的Vin及Vout的另一時序圖，並且其中Vin=5V，ILinit=5A，並且當操作在該正常的模式時，該供應器係調節Vout至6V。
而且根據一實施例，圖7B是當圖1的電源供應器10如同以上結合圖5A所述地操作時之電流Iin及ILoad的另一時序圖。
參照圖1-7B，該電源供應器10所採用之上述的限制電流的技術之一潛在的問題是該供應器限制ILoad所到的位準可能會根據例如是Vin的位準以及該升壓比例Vout/Vin之電源供應器的設計因素而變化。
然而，此ILoad之電流限制的位準對於此種因素的相依性可能是非所要的，因為要避免該負載12的損壞，該電源供應器10的使用者可能會想要該供應器將ILoad限制到與電源供應器的設計因素無關之一可設定的值、或至少是一可預測的值。
例如，參照圖1-6B，在圖6A-6B的一時間t0，該電源供應器10係開始操作，在圖6A-6B的一時間t1，該供應器係開始升壓Vout至一位準是大於Vin的位準，並且在圖6A-6B的一時間t2，該供應器係達到在該正常的模式中之穩態的操作，該供應器在該期間係維持Vout=16V，Ipeak 4.2A，並且ILoad 3.6A-注意到的是，Ipeak是當該供應器操作在該正常的模式時的Iin之實際的波峰位準。
但是在圖6A-6B的一時間t3，該電源供應器10係響應於一過電流狀況而開始運作在該限制電流的模式中，以使得該電源供應器的控制器24使Vout減弱至約10V，此係限制該電流Iin的波峰位準至ILimit=5A， 並且限制ILoad至約2A-注意的是，ILimit是當該供應器操作在該限制電流的模式時的Iin之實際的波峰位準。
類似地，參照圖1-5及7A-7B，在圖7A-7B的一時間t0，該電源供應器10係開始操作，在圖7A-7B的一時間t1，該供應器係開始升壓Vout至一位準是大於Vin的位準，並且在圖7A-7B的一時間t2，該供應器係達到在該正常的模式中之穩態的操作，該供應器在該期間係維持Vout=6V，Ipeak 1.5A，並且ILoad 1.0A-注意到的是，Ipeak是當該供應器操作在該正常的模式時的Iin之實際的波峰位準。
但是在圖7A-7B的一時間t3，該電源供應器10係響應於一過電流狀況以開始運作在該限制電流的模式中，以使得該電源供應器的控制器24使Vout減弱至約5.5V，此係限制Iin的波峰位準至ILimit=5A，並且限制ILoad至約3.5A-注意到的是，ILimit是當該供應器操作在該限制電流的模式時的Iin之實際的波峰位準。
參照圖6A-7B，儘管在兩個例子中，當操作在該限制電流的模式時，該電源供應器的控制器24係限制Iswitch=Iin的波峰位準至ILimit=5A，但是該控制器24在每個例子中係限制ILoad至一顯著不同的位準(亦即，分別約2A及3.5A)。
再者，儘管在該第一例子中，該電源供應器的控制器24係限制ILoad至一小於其正常模式的位準(亦即，約3.6A)之限制電流模式的位準(亦即，限制到約2A)，但是在該第二例子中，該控制器24係限制ILoad至一顯著高於其正常模式的位準(亦即，約1A)之限制電流模式的位準(亦即，約3.5A)。
然而，由該兩個上述的例子所描繪的ILoad之不一致的限制對於該電源供應器10的使用者而言可能是一項問題。儘管此使用者可能會想要知道該電源供應器的控制器24在該電源供應器10操作於該限制電流的模式中時限制該切換及輸入電流Iswitch及Iin所到的限制波峰的臨界值ILimit，但是對該使用者而言通常更重要的是知道或是至少能夠預測該控制器24限制ILoad所到的位準。
再次參照圖1，一種該電源供應器的控制器24可以採用於該電源供應器10操作在一限制電流的模式時限制ILoad至一可預測的位準之技術將會是去監視ILoad，並且限制ILoad至一設定的臨界值位準。
但是此技術可能會需要該電源供應器的控制器24包含一用於接收ILoad或是用於接收一相關於ILoad的信號之額外的接腳，並且可能需要該電源供應器10包含用於感測ILoad之額外的電路(例如，一霍爾效應的感測器)。
然而，包含一額外的接腳可能會增加該電源供應器的控制器24之成本、覆蓋區或複雜度、或是降低效率，並且包含額外的電路可能會增加該電源供應器10的成本、覆蓋區或複雜度、或是降低效率。
仍然參照圖1，一種用於限制ILoad至一可設定或至少是可預測的位準之技術的一實施例係需要響應於該電源供應器10的升壓比例Vout/Vin或是響應於一個相關於該升壓比例的量來限制Iswitch，並且因此限制Iin及ILoad。
從能量守恆的理論，根據以下的方程式，亦為已知的是，進入一例如是該電源供應器10之一理想的版本之理想的轉換器的功率係等 於離開該理想的轉換器的功率(因為在一理想的轉換器中沒有損失)：(1)V in ．I in_avg =V out ．I out_avg
並且假設該負載12純粹是電阻性的，由於該輸出濾波器的電容器22的濾波作用，吾人可以假設在一穩定的狀態中Iout_avg=ILoad。因此，從方程式(1)，吾人可以導出以下在Iin_avg及ILoad之間的數學關係式：(2)I in_avg /I Load =V out /V in =Boost_Ratio
(3)I Load =I in_avg ．(vin/V out )=Iin_avg/Boost_Ratio
並且儘管圖1的電源供應器10不是一個理想的供應器，但是由這些方程式所給出的ILoad值對於電流限制之目的而言是足夠正確的。
因此，如同在以下進一步所述，因為Iin_avg、Vin及Vout是已經藉由圖1之電源供應器的控制器24之現有的接腳接收、或是可從該些接腳來判斷出，因此吾人可以是能夠在該控制器或供應器的成本、覆蓋區或複雜度上很小的增加或沒有增加下，並且在效率上很小的減少或沒有減少下，配置圖1之電源供應器的控制器以及電源供應器10以利用一種使用該電源供應器的升壓比例之限制電流的技術。
再者，對於圖1的升壓電源供應器10之一理想的版本而言也為已知的是：(4)Vout/Vin=Boost_Ratio=1/(1-D)
其中D=Ton/T是驅動該開關電晶體36的控制信號38的工作週期。
類似地，對於一升降壓電源供應器(未顯示)之一理想的版本而言 (5)Vout/Vin=Boost_Ratio=D/(1-D)
圖8是分別根據方程式(4)及(5)，針對0D<1，對於圖1的升壓電源供應器10之一理想的版本之Boost_Ratio相對於工作週期D的一曲線60、以及對於一升降壓電源供應器(未顯示)之一理想的版本之升壓比例相對於該工作週期的一曲線62。
對於圖1的升壓電源供應器10之一理想的版本，吾人可以從方程式(3)及(4)導出以下的方程式：(6)I Load =(1-D)．I in_avg =(1-D)．(I valley +(I peak -I valley )T/2)
參照圖1及方程式(6)，因為該PWM控制器34係產生該控制信號38，所以該工作週期D也是可供該電源供應器的控制器24利用為一個相關於該Boost_Ratio的量。
根據一實施例，圖9是一電源供應器70的一實施例，其係被配置以利用一種用於響應於該電源供應器的Boost_Ratio=Vout/Vin、或是響應於一個相關於該Boost_Ratio的量來限制ILoad至一可設定或至少是一可預測的位準之技術。如同在以下敘述的，該電源供應器70係如此藉由響應於該Boost_Ratio或是響應於一個相關於該Boost_Ratio的量以限制Iswitch及Iin的波峰來限制ILoad。再者，該電源供應器70中類似於圖1的電源供應器10之個別的構件的每個構件係在圖1及9中標示以相同的元件符號，並且為了簡潔的緣故而不再敘述。
圖9的電源供應器70係包含一電源供應器的控制器72，該控制器72係包含除了該切換式調節器28之外的一電流限制器74。
除了該比較器42之外，該電流限制器74係包含一限制電 流的控制器76，該控制器76係包含該電流感測器40並且接收除了橫跨該電晶體36的電壓之外的Vin、Vout以及PWM控制信號38。
因此，當該電源供應器70操作在一限制電流的模式中，該電源供應器的控制器72可以根據方程式(3)來判斷出ILoad的位準，並且響應於ILoad之判斷出的值來產生及改變CLref以便於限制ILoad至一設定的界值位準。例如，若ILoad將被限制為1A，但是最初設定的切換電流限制臨界值是ILimit=5A，則響應於操作的狀況，該電源供應器的控制器72係被配置以調整(例如，降低)CLref的位準。該電源供應器的控制器72係持續調整CLref、根據方程式(3)來判斷ILoad的位準、以及監視此位準直到該負載電流小於或等於1A的臨界值限制位準為止。換言之，該控制器72係利用Iin、Vout以及Vin的負回授來調整Iswitch及Iin的波峰位準，直到藉由解出方程式(3)所獲得的ILoad的位準小於或等於該臨界值限制位準為止，該臨界值限制位準在以上的例子中是1A。
仍然參照圖9，替代的是，該電源供應器的控制器72可以根據方程式(6)來判斷出ILoad的位準，並且響應於ILoad之判斷出的位準來產生及改變(例如，降低)CLref，以便於限制ILoad至該臨界值限制位準。例如，若ILoad將被限制為1A，但是該切換限制位準是ILimit=5A，則該電源供應器的控制器72係調整CLref的位準，此係藉由調整在該期間T中，該比較器42轉變其輸出至一邏輯高的位準之時間來調整(例如，縮短)Ton，並且因此調整該控制信號38的工作週期D。該電源供應器的控制器72係持續調整CLref、根據方程式(6)來判斷ILoad的一位準、以及監視此判斷出的位準直到該判斷出的位準小於或等於該臨界值位準1A為止。換言之，該電源供應器的控制器72 係使用Iin及工作週期D的負回授來調整Iin，直到藉由解出方程式(6)所獲得的ILoad的位準小於或等於該臨界值限制位準為止。
該電源供應器的控制器72可以藉由在圖2-4之個別的時間t0及t1量測橫跨該電晶體36的電壓並且藉由將這些電壓除以該電晶體的導通電阻RDSon來判斷出在方程式(6)中的Ivalley及Ipeak的值。或者是，因為該差值Ipeak-Ivalley相較於Ivalley可被視為可忽略的，因此該電源供應器的控制器72可以將Iin_avg近似為等於Ivalley或Ipeak、或是近似為等於(Ipeak-Ivalley)/2。再者，有其它習知的用於判斷Iin_avg之技術可供該電源供應器的72採用。
參照圖2-5及9，根據一實施例，該電源供應器70的操作係被描述。
參照圖2-4及9，當該電源供應器70操作在一正常的模式時，其係以一種類似於如上結合圖1-4所述的圖1的電源供應器10在一正常的模式中操作所用的方式來操作。
參照圖5及9，當操作在一限制電流的模式時，該電源供應器70係在不直接感測ILoad之下限制ILoad至一臨界值位準。
當該電源供應器70首先進入該限制電流的模式時，該電流限制器74係如上結合圖1及5所述地限制Iswitch及Iin的波峰位準至ILimit。
再者，該限制電流的控制器76係根據方程式(3)或方程式(6)來判斷ILoad的一位準。例如，若根據方程式(3)來判斷ILoad的一位準，則該控制器76可以包含計算Iin_avg=(Ivalley+(ILimit-Ivalley)T/2)並且將Vout除以Vin來計算該Boost_Ratio的電路。或者是，若根據方程式(6)來判斷ILoad的一位準，則該控制器76可以包含計算Iin_avg=(Ivalley+(ILimit-Ivalley)T/2)、藉由將該時間Ton除以該期 間T以計算該工作週期D、並且計算1-D的電路。
接著，該限制電流的控制器76係比較針對ILoad所判斷出的位準與該負載電流的限制臨界值。
若針對ILoad所判斷出的位準小於或等於該負載電流的限制臨界值，則該限制電流的控制器76係將CLref維持在其目前的位準。
但是若針對ILoad所判斷出的位準大於該負載電流的限制臨界值，則該限制電流的控制器76視需要地調整(例如，降低)CLref的位準以降低ILoad；該控制器76可以利用一種抖動(dithering)技術以決定是提升或降低CLref的位準來降低ILoad，並且可以用步階或是根據一連續的斜率來調整CLref的位準，以避免振盪。
接著，該限制電流的控制器76係持續判斷ILoad的一位準、比較此位準與該負載電流的限制臨界值、以及調整CLref的位準直到ILoad之判斷出的位準小於或等於該負載電流的限制臨界值為止。
若該過電流狀況的原因被移除，則ILoad將會減少到低於該負載電流的限制臨界值，並且該限制電流的控制器76將會響應以設定CLref的位準回到其正常模式的位準。
仍然是參照圖5及9，該限制電流的模式的替代實施例係被思及。例如，上述的動作可以用任何適當的順序來執行，該些動作中的一或多個可被省略，並且一或多個其它動作可以加入。
參照圖9及10，根據一實施例，該電源供應器70只有使用該工作週期D來調整CLref的一實施例係被描述。
根據一實施例，圖10是一種被配置以響應於該控制信號 38的工作週期D來產生CLref，並且可被設置在圖9的限制電流的控制器76上之電路80的圖。
該電路80係包含一濾波器級82、一比較器級84、一解碼器級86以及一參考產生器級88。
該濾波器級82係轉換該控制信號38成為其平均DC值，此係成比例於該工作週期D。
該比較器級84係包含一或多個比較器90(在此為三個比較器)，該些比較器90係分別比較來自該濾波器級82的控制信號38的DC值與一個別的參考電壓VREF(這些參考電壓可以是不同於圖9的參考電壓Vref)。
該解碼器級86係接收來自該比較器級84之一或多個比較器產生的輸出信號，並且響應於這一或多個輸出信號以產生一或多個控制信號92。
該參考產生器級88係包含一或多個開關94，該些開關94係耦接一對應於該一或多個控制信號92的電壓至一CLref節點96；換言之，CLref係等於該級88耦接至該節點96的電壓。在一實施例中，該等開關94可耦接至該節點96的一或多個電壓係藉由一電阻性分壓器98以及另一參考電壓VREF(此參考電壓可以是不同於圖9的參考電壓Vref以及該比較器級84的參考電壓VREF)來加以產生。
參照圖2-4以及9-10，當在該正常的模式中，該電源供應器70係以一種類似於如上結合圖1-4所述的圖1的電源供應器10在該正常的模式期間操作所用的方式來操作。
參照圖5以及9-10，當該電源供應器70操作在該限制電流的模式中，該電路80係響應於該控制信號38的工作週期D來調整CLref，以便於使得ILoad小於或等於該負載電流的限制臨界值。若該過電流狀況結束，則該工作週期D係回到其穩態的正常操作的值，並且該電路80係響應以使得CLref回到其正常操作的位準。參照圖5，即使在此實施例中Iload並非響應於Iin_avg來加以判斷出，但是該工作週期D係響應於該過電流狀況而增長，因為Ilimit(圖5)是大於Ipeak的正常模式的位準(圖2-4)。因此，當D增長到超過一藉由該電路80所設定的臨界值位準時，此電路係調整CLref以便於降低ILoad至一較低的更可預測的位準。
根據一實施例，兩個描繪圖9的電源供應器70可以限制ILoad至一可預測或可設定的臨界值限制的例子係在以下結合圖11A-12B來加以描述。
根據一實施例，圖11A是當該電源供應器70操作在該正常的模式中以及在該限制電流的模式中的圖9的Vin及Vout的時序圖，並且其中Vin=5V，Ilimit(用於Iswitch及Iin的波峰之限制臨界值)=5A，用於ILoad之負載電流的限制臨界值是1.5A，並且當操作在該正常的模式時，該供應器係調節Vout至16V。
根據一實施例，圖11B是當圖9的電源供應器70如上結合圖11A所述地操作時，通過該電感器18的電流Iin以及通過該負載12的電流ILoad的時序圖。
類似地，根據一實施例，圖12A是當圖9的電源供應器70操作在該正常的模式中以及在該限制電流的模式中之圖9的Vin及Vout的時 序圖，並且其中Vin=5V，Ilimit=5A，用於ILoad之負載電流的限制臨界值是1.5A，並且當操作在該正常的模式時，該供應器係調節Vout至6V。
而且根據一實施例，圖12B是當圖9的電源供應器70如上結合圖12A所述地操作時，電流Iin及Iload的時序圖。
例如，參照圖2-4、9以及11A-11B，在圖11A-11B的一時間t0，該電源供應器70係開始運作，在圖11A-11B的一時間t1，該供應器係開始升壓Vout至一位準是大於Vin的位準，並且在圖11A-11B的一時間t2，該供應器係達到在該正常的模式中之一穩態的操作，在該期間，其係維持Vout=16V，Ipeak 4.2A，並且Iload 3.6A。
但是在圖11A-11B的一時間t3，同時亦參考圖5及9，該電源供應器70係響應於一過電流狀況而開始運作在該限制電流的模式中，以使得該電源供應器的控制器72使Vout減弱至約8V，其最初係限制該切換及輸入電流Iswitch及Iin的波峰位準至ILimit=5A，並且接著在該電流限制器74限制ILoad至該設定的1.5A的臨界值時，限制該切換及輸入電流Iswitch及Iin的波峰位準至約3A。
類似地，參照圖2-4、9以及12A-12B，在圖12A-12B的一時間t0，該電源供應器70係開始運作，在圖12A-12B的一時間t1，該供應器係開始升壓Vout至一位準是大於Vin的位準，並且在圖12A-12B的一時間t2，該供應器係達到在該正常的模式中之穩態的操作，在該期間，該供應器係維持Vout=6V，Ipeak 1.5A，並且Iload 1.0A。
但是在圖12A-12B的一時間t3，同時亦參考圖5及9，該電源供應器70係響應於一過電流狀況而開始運作在該限制電流的模式中， 以使得該電源供應器的控制器24使Vout減弱至5.5V，其係限制該切換及輸入電流Iswitch及Iin的波峰位準至ILimit 2A，並且限制ILoad到該1.5A的負載電流的限制臨界值。
因此，參照圖11A-12B，不同於圖1的電源供應器10，圖9的電源供應器70係限制ILoad至1.5A的限制臨界值，該限制臨界值係與例如是Vin、Vout、該波峰切換/輸入電流限制ILimit以及該Boost_Ratio=Vout/Vin之電源供應器的設計以及電源供應器的實施之因素無關。
參照圖9-12B，該電源供應器70的替代實施例係被思及。例如，該電源供應器的控制器72可以用硬體、韌體或軟體、或是用其之任意組合或子組合來加以實施。再者，若該限制電流的控制器72在該限制電流的模式中只有使用該控制信號38的工作週期D來限制Iswitch、Iin及ILoad，則其可以不接收Vout及Vin，並且若其在該限制電流的模式中只有使用該Boost_Ratio=Vout/Vin來限制Iswitch、Iin及ILoad，則其可以不接收該控制信號38。再者，除了該工作週期D之外，該限制電流的控制器76可以在該限制電流的操作模式期間使用相關於該Boost_Ratio的量來限制Iswitch、Iin及ILoad。此外，一種具有除了升壓轉換器拓撲之外的一拓撲之電源供應器(例如，一升降壓拓撲或是一返馳拓撲，其中I Load =[(1-D)/D]．I in_avg )也可以採用上述用於限制Iswitch、Iin及ILoad的實施例中之一實施例。
根據一實施例，圖13是一種電腦系統100的一實施例的方塊圖，其係納入圖9的電源供應器70。儘管該系統100係被描述為一電腦系統，但是其可以是任何該電源供應器70的一實施例所適用的系統。
該系統100係包含計算電路102、至少一輸入裝置106、至 少一輸出裝置108、以及至少一資料儲存裝置110，該計算電路102係包含除了該供應器10之外的一藉由該供應器所供電的處理器104。
除了處理資料之外，該處理器104可以編程或控制該供應器70。例如，該電源供應器的控制器72、PWM控制器34以及限制電流的控制器76(圖9)的功能可藉由該處理器104來加以執行。
該輸入裝置(例如，鍵盤、滑鼠)106係容許提供資料、程式以及命令至該計算電路102。
該輸出裝置(例如，顯示器、印表機、揚聲器)108係容許該計算電路102能夠以一種可被人類操作者感知的形式來提供資料。
而且該資料儲存裝置(例如，隨身碟、硬碟機、RAM、光碟機)110係容許例如是程式及資料的儲存。
從前述內容將會體認到的是，儘管特定實施例已經在此為了說明之目的來加以敘述，但是各種的修改可以在不偏離該揭露內容的精神及範疇下加以完成。再者，在一替代方案被揭示用於一特定實施例的情形中，即使未明確敘明，此替代方案亦可以應用到其它實施例。再者，上述的構件可被設置在單一或多個IC晶粒上以形成一或多個IC，這一或多個IC可以耦接至一或多個其它IC。此外，任何敘述的構件或操作都可以用硬體、軟體、韌體、或是硬體、軟體及韌體的任意兩個或多個的一組合來加以實施/執行。再者，一種所敘述的裝置或系統中的一或多個構件可能為了清楚起見或是其它原因而已經從該說明中省略。再者，一種所敘述的裝置或系統中的一或多個已經內含在該說明中的構件可以從該裝置或系統中省略。
10‧‧‧電源供應器
12‧‧‧負載
14‧‧‧節點
16‧‧‧節點
18‧‧‧濾波器的電感器
20‧‧‧單向電流的構件
22‧‧‧濾波器的電容器
24‧‧‧電源供應器的控制器
26‧‧‧參考節點
28‧‧‧切換式調節器
30‧‧‧電流限制器
32‧‧‧誤差放大器
34‧‧‧脈衝寬度調變的(PWM)控制器
36‧‧‧開關電晶體
38‧‧‧控制信號
40‧‧‧電流感測器
42‧‧‧限制比較器

Claims (24)

  1. 一種電源供應器的控制器，其係包括：一切換式調節器，其係被配置以產生一輸入電流，使得一調節後的輸出電壓響應於該輸入電流以及一輸入電壓而被產生；以及一電流限制器，其係被配置以響應於一個量來限制該輸入電流，該量相關於該調節後的輸出電壓除以該輸入電壓的一比例。
  2. 如申請專利範圍第1項之電源供應器的控制器，其中該切換式調節器係被配置以產生用於控制一電源供應器的開關之一控制信號，該電源供應器的開關係被配置以傳導該輸入電流。
  3. 如申請專利範圍第2項之電源供應器的控制器，其進一步包括該電源供應器的開關。
  4. 如申請專利範圍第2項之電源供應器的控制器，其中該量係包含該控制信號。
  5. 如申請專利範圍第2項之電源供應器的控制器，其中該量係包含該控制信號的一工作週期。
  6. 如申請專利範圍第2項之電源供應器的控制器，其中該量係包含1減去該控制信號的一工作週期。
  7. 如申請專利範圍第2項之電源供應器的控制器，其中該量係包含一差值除以該控制信號的一工作週期，該差值係等於1減去該工作週期。
  8. 如申請專利範圍第1項之電源供應器的控制器，其中該量係等於該輸出電壓除以該輸入電壓的比例。
  9. 如申請專利範圍第2項之電源供應器的控制器，其中該量係包含一 信號，該信號係具有相關於該控制信號的一工作週期之一位準。
  10. 一種電源供應器，其係包括：一輸入節點，其係被配置以接收一輸入電壓；一輸出節點，其係被配置以載有一調節後的輸出電壓；一開關，其係被配置以響應於一控制信號來傳導來自該輸入節點的一輸入電流；以及一電源供應器的控制器，其係包含一開關控制器，其係被配置以產生該控制信號，以及一電流限制器，其係被配置以響應於一個量來限制該輸入電流，該量相關該輸出電壓除以該輸入電壓的一比例。
  11. 如申請專利範圍第10項之電源供應器，其中該開關係包含一電晶體，該電晶體係具有被配置以接收該控制信號的一控制節點。
  12. 如申請專利範圍第10項之電源供應器，其進一步包括：一電感器，其係耦接在該輸入節點與該開關之間，並且被配置以在該開關的一週期的一第一部分期間傳導該輸入電流，以及在該週期的一第二部分期間傳導一放電電流；以及一單向電流的裝置，其係耦接在該電感器與該輸出節點之間，並且被配置以在該週期的該第二部分期間傳導該放電電流。
  13. 如申請專利範圍第10項之電源供應器，其進一步包括：一參考節點；一電感器，其係耦接在該輸入節點與該開關之間，並且被配置以在該開關的一週期的一第一部分期間傳導該輸入電流，以及在該週期的一第二 部分期間傳導一放電電流；一單向電流的裝置，其係耦接在該電感器與該輸出節點之間，並且被配置以在該週期的該第二部分期間傳導該放電電流；以及一電容器，其係耦接在該輸出節點與該參考節點之間。
  14. 一種系統，其係包括：一電源供應器，其係包含一輸入節點，其係被配置以接收一輸入電壓，一輸出節點，其係被配置以載有一輸出電壓，一開關，其係被配置以響應於一控制信號來傳導來自該輸入節點的一輸入電流，以及一電源供應器的控制器，其係包含一開關控制器，其係被配置以產生該控制信號，以及一電流限制器，其係被配置以響應於一個量來限制該輸入電流，該量相關該輸出電壓除以該輸入電壓的一比例；以及一負載，其係耦接至該電源供應器的該輸出節點。
  15. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該電源供應器係包含一升壓轉換器。
  16. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該負載係包含一積體電路。
  17. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該負載以及該電源供應器的一部分係被設置在同一個積體電路的晶粒上。
  18. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該負載以及該電源供應器的一部分係被設置在個別的積體電路的晶粒上。
  19. 如申請專利範圍第14項之系統，其中：該負載係被配置以傳導一負載電流；以及該電流限制器係被配置以響應於該量來限制該負載電流。
  20. 一種方法，其係包括：響應於一輸入電壓以及一輸入電流以產生一輸出電壓；以及響應於一個量以限制該輸入電流，該量相關於該輸出電壓除以該輸入電壓的一比例。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中：產生該輸出電壓係包含週期性地使得該輸入電流根據一工作週期來流動；以及該量係相關於該工作週期。
  22. 如申請專利範圍第20項之方法，其中產生該輸出電壓係包含使得該輸出電壓具有一大小是大於該輸入電壓的一大小。
  23. 如申請專利範圍第20項之方法，其進一步包括響應於該量來限制一輸出電流。
  24. 一種方法，其係包括：響應於一輸入電壓以產生一輸出電壓以及一輸出電流；以及響應於一個量以限制該輸出電流，該量相關於該輸出電壓除以該輸入電壓的一比例。
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