TWI301686B - Dc/dc switch mode voltage regulator, method implemented thereon and device for short circuit current ratcheting therein - Google Patents

Description

1301686 九、發明說明： • 本申請案係請求在此被一併參考之2004年8月30曰提 出申請之臨時專利申請案第60/605,423號。 先前技術 DC/DC電壓調節器係不論電源供應電壓或負載所汲取 電流變異為何均可操作雉持位準輸出電壓。許多可攜式係 需如DC/DC電壓調節器所提供之穩定電壓供應。交換模式 φ 調節器可受到因有限時間所造成之縮短負載電流棘輪效應 以決定過電流情況。幾乎每個交換模式裝置均具有測量電 感器中電流之有限迴路響應時間。視輸入電壓而定，電流 可上升高得足以產生裝置中之災難性失敗。 針對此，固定頻率部分中，通常使用頻率返送來改變 一部份可使用之電流棘輪量。頻率返送所產生之共同問題 係為電感器中之大電流漣波。針對此，較一般旁通貨輸出 電容器為大者係被選擇來降低漣波電壓。而若該頻率被返 c 送太多，迴路可能變成不穩定。因此，選擇廣泛應用正確 返送頻率並非輕鬆任務。 發明内容 本發明係結合系統，裝置及方法做說明及敘述。除了 此摘要中所說明之本發明特徵之外，本發明其他特徵將藉 由參考圖示及閱讀以下詳細說明來理解。

一實施例中，具有高側通裝置及低側通裝置之DC/DC M61486 147239 010163596-1 147239-990416[l].doc -7- ^U1686 交換模式電遷調節器係被提供。該彻調節器係包含可於 高侧通電流限制上偵測過電流情況之裝置。該電壓調節器 亦包含若過電流情況被偵側到，則鎖定高側通裝置並開啟 低側通裝置直到該低側通裝置上之第：電流限制被達到為 止之裝置。 另-實施例中，被實施於具有高側通裝置及低侧通裝 置之DC/DC交換模式電a調節器之—方法係被提供。該方 法係包含於高側通電流限制上偵測過電流情況。該方法亦 包含若過電流情況㈣側到，則鎖定高側通裝.置並開啟低 侧通裝置直到該低側通裝置上之第二電流限制被達到為 止。 再另-實施例中，-裝置係被提供。該裝置係包含— 向側通裝置。該裝置亦包含被輕合串聯至該高侧通裝置之 -低側通裝置。該裝置另外包含被搞合至該高側通裝置及 該低側通裝置之-控制模組。該控制模组係被輕合至兮高 側通裝置及該低侧通裝置以控制該高侧通裝置及該低側通 裝置。 另外，該裝置係包含被耗合串聯至該高側 及 低側通裝置之一第一電阻器。再者，該装署在^置及/ # ^ ^裝置係包含被耦合 亚如該第一電阻器之-第—比較器。該第一比較器係且有 對應該第-電流限制之-門檻電壓輸入差分，而該第一比 較器之-輸出係被輕合至該控制模組。再者，該裝置係包 含，合感測並聯該高侧通裝置電流作為電壓之—第二比 較盗。該第二比較器後具古射t高電流限制之—門檀電壓 147239-990416flJ.doc 686 輪入差分。該第二比較器一輪 一 輸出係破耦合至該控制模 -·且。該尚電流限制係高於第一雷土 弟電机限制。同時，該控制模 、，且係可回應該第一比較器輪屮忠姐从μ — 扣权斋翰出來知作鎖定該高側通裝置直 到重設仏號被接收為止，且可廣 〜一 應这第一比較器來操作鎖 疋該咼側通裝置直到低電流信號被接收為止。 實施方式 / DC/DC交換模式㈣調節器中短電路電流棘輪效應之 糸統，方法及裝置係被提供4文獻巾所說明之特定實施 例係表示本發明之例證事項，且為本質性而非限制性例證。 以下說明中，為了解釋起見，許多特定細節係被說明 以提供本發明透徹了解。然巾’熟練技術人士應明瞭本發 明不需這些特定細節即可被實施。其他例中，結構及裝置 係以方塊圖型式被顯示以避免模糊本發明。 說明書對，，-實施例，，或，，實施例”之參考意指結合該實 施例所說明之特定特徵，'結構或特性係被包含於本發明至 少-實施例中。言兑明書中各纟出現，，一實施例中，，名詞並不 必均涉及相同實施例，也並非與其他實施例互斥之獨立或 替代實施例。 某些實施例中，本發明係說明可消除來自交換模式調 節器保護規劃之頻率返送’及不需改變整個操作持續期問 交換頻率而促成清除完成啟動之新規劃。 某些實施例中，一感測元件係被用來測量電感器中之 電流。一比較器係被用來比較該感測元件及描述標示過電 147239-99〇4l6[l].doc 1301686 流情況之有限已知電流門檻之另一匹配元件。當此電流門 檻被超過時，該比較器係發出邏輯信號來閂鎖低側交換器 直到低側電流限制被達到為止。低側上之此電流限制可視 應用而被設定為任何正，負或零電感器電流值。

某些實施例中，DC/DC交換電壓調節器係包含一脈衝 寬度調變（PWM)控制器，被串聯於供給電壓及地面間之兩 個受控通裝置，被連接至該兩通裝置間之共用點之一電感 器，及電感器之後被連接於輸出節點及地面間之一電容 器。藉由調變該通裝置，電感器可建造能量並將其放電至 電容器。充電及放電速率係藉由方程式來管制：

v = L生 dT 電感器中之電流增加係為

Vin-R. οηυρ ^dl^-Vout ~L^： dTon

Vin係為供給電壓，Vout係為輸出電壓，而Ronup係 為上通裝置中之電阻。電感器中之放電電流係藉由方程式 來定義：

ί

Vout + Rondown x dldischarge jrr r ai〇ff

Rondown係為下通裝置中之電阻。一般操作期間， dlcharge=dldischarge，而dTon及dToff係為交換頻率之函 數。因為迴路耗用有限時間來回應交換器具有最小時間。 此時間可為20毫微秒般低而為200毫微秒般高。此係因上 147239-990416[l].doc -ιο Μ61486 147239 010163596-1 1301686 通元件必須被開起來偵測電感器中之電流量且接著被關閉 之事實。最小時間長度可被歸因為驅動器延遲，脈衝寬度 調變比較器延遲，電流感測放大器延遲等等。 電流棘輪效應係為當dlcharge> dldischarg時存在之 情況。此可發生於當輸出被短路接地時，則dTon=dTmin， 且Vout=0。接著，dToff期間電感器所放電之能量很小，且 電流週期地繼續上升。確定電感器被放電之傳統方法係藉 由增加dToff時間及藉由降低操作頻率。依據各實施例，電 感器電流係被感測，若該電流棘輪高過固定值，則迴路將 鎖定上通裝置及閂鎖下通裝置直到該電流下降至預設限制 為止。 圖示參考可提供各實施例進一步了解。第1圖描繪 DC/DC電壓調節器輸出之一實施例。系統100包含功率執 及地面間之高及低供給電晶體，一電感負載及一電容器。 電感負載110可為一實際電感器或以類似電感器方式操作 之一元件。電容器160係被耦合於電感負載110及地面150 之間。電源係從電源供應130經由功率電晶體120(電流被 發源）被供應至負載110。電流可從電感負載110經由功率 電晶體140被下沉至地面150。 此設計涉及電位問題，其中開啟及關閉電晶體120及 140所需時間可長的足以促使電流至過載電感器1'10。第2 圖描繪第1圖實施例中之電流過載。電流位準達到限制值， 而該系統降低電流位準。然而，電流衰落時間可能不允許 該電流位準下降至零。結果，裝置接著可再次增加電流位 M61486 147239 010163596-1 147239-990416flJ.doc -II - 1301686 準，此次系統之前過度作用最大電流限制係再次降低電 流。此通常因系統操作頻率而發生，其可於電流衰落之前 重設電壓調節器為可接受位準。

此問題之普遍反應係摺疊頻率-降低系統操作頻率使電 流位準可於過度限制情況中被可接受地降低。第3圖描繪 第1圖實施例中之頻率摺疊。除了使系統重設且使電流位 準棘輪效應上升之外，電流亦被較長時間下降直到可接受 限制被達到為止。未顯示的是為此情況之前導，其中裝置 可運作至該限制，且接著被降低至過高位準以避免過電流 情況。摺疊頻率可避免過電流情況，但其亦降低系統操作 及供應功率的負載。

C 可替代是，電路可被引進來感測電流位準並確保過 電流情況被允許適度地下降。第4圖描繪用於第1圖DC/DC 電壓調節器輸出之電流過載保護裝置之一實施例。系統400 係包含裝置410( — DC/DC電壓調節器）及可被供應為全系 統一部份之各種外部電路。裝置410可藉由啟動輸.入493 來啟動，其被附著至内部啟動電路490。電源可從被模製為 電容器493之電源供應被供應。 經由功率電晶體120被流入負載11 0之電流係被監控 通過被感測於比較器455中流經電阻器450之電流。比較 器450之輸出係被與振盪器485之輸出混合並被提供當作 對比較器480之輸入。此與通過回授模組470及誤差放大 器475，比較器480及控制模組之回授一起提供回授迴路給 裝置410之脈衝寬度調變器。電阻器460及465係提供電 M61486 147239 010163596-1 147239-990416[l].doc -12- 1301686 壓位準可被汲取給回授元件470之一分阻器。同樣地，電 阻器483及電容器487係提供可控制比較器475輸出之電阻 電容（RC)元件。 比較器435可感測來自被與功率電晶體140串聯之電 阻器440之電流，及提供對正反器445之一組輸入。比較 器430係感測流經電阻器440及功率電晶體140之電流（相 同電流）並提供對正反器445之一重設輸入。這些輸出亦被 .提供至控制邏辑415。通常，控制邏輯41 5係操作閘極420 Φ 及425來開啟及關閉功率電晶體120及140。然而，當過電 流情況被偵測到時，正反器445之輸出係使140開啟而使 電晶體120關閉。一旦流經電晶體140之電流被充分下降， 則正反器445被重設而一般操作返回。因此，藉由改變比 較器430及435之斷路點，過度限制及低電流各種電流位 準係可被設定。 調節電路之一替代實施例不需參考環繞脈衝寬度調變 電路即可被說明。第5圖描繪用於第1圖DC/DC電壓調節 c ^ 器輸出之電流過載保護裝置之一替代實施例。系統500操 作供應至負載110之電源。分阻器570及575提供被回授 且與比較器560之參考電壓做比較之電壓。比較器560之 輸出係被電晶體565偏壓，其接收Vilimit電壓輸入來決定 該位壓位準。Schmitt觸發緩衝器555接著提供比較器560 之偏壓輸出當作對正反器530之邏輯輸入。正反器520接 著控制電晶體120及140(經由反向器525)。 流經電晶體120之電流可使用感測電阻器.505(與電晶 147239-990416[l].doc •13· M61486 147239 010163596-1 1301686 串知）’比較器515’及Schmitt觸發比較器540來測 買。比較器540亦接收為輸入電晶體55〇之輸出，其被電 壓Vilimit+X偏壓》電流源545完成此元件之偏壓電路。 因此，當流經感測電阻器505之電流產生超過電晶體55〇 偏壓之一電壓時，比較器540可設定（或重設）正反器52〇。 此促使關閉對負載110之電流供應。同樣地，當電流被充 分下降時，此可經由比較器530,例如使用感測電姐器51〇 及被輕合至負載1H)之輸出節點來感測。因此，比較器53〇 可被重•又（或设疋）正反器52〇，使一般操作得以繼續。 层 偵測電阻器505及510的實際設置處及過電流及欠電 流情況如何被精確感測於不同實施例中可能不同。同樣 地，Vilimit及Vilimit+X值可於各實施例中被適當選擇。 通常，vuimit+x為高於Vilimit之值，且可提供較高電流 限制作為可被用來關閉系統及避免電流過載之限制。 裝置或系統操作可參考第6圖來理解。第6圖描繪第4 圖實施例中之電流棘輪效應。電流上升至nimh，接著被棘 輪下來。若裝置被以過高頻率操作，則電流可增加至〔 + X。在此，裝置可被關閉（藉由關閉高通電晶體12〇及開 啟低通電晶體U0)直到電流下降至可接受位準為止(可藉由 低電流值定義）。 各實施例可以相同的一般方法實施。第7圖描繪用於 第1圖DC/DC電麼調節器輸出之電流過載保護裝置之另一 替代實施例。系統700包含一電源供應，控制邏輯及一電 流監視器。電源供應模組71〇係於控制邏輯73〇控制下供 147239-990416flJ.doc · ^ ' M61486 M7239 ， 010163596-1 1301686 應電源至負載720。電流監視器740監視對負載720之電流 供應，並於過電流情況存在時岔斷控制邏輯730以關閉電 源供應71 0。 這些電路操作之處理亦可為例證。第8圖描繪電流限 制處理之一實施例。處理800包含操作裝置，監視電流， 棘輪電流下降，進一步操作，決定高限制是否被超過，及 暫時關閉裝置。處理（方法）800及本文獻其他處理係被實施 為一組模組，例如其可為處理模組或操作，具有相關功能 © 及效應之軟體模組，被設計填充該處理操作之硬體模組， 或各類模組之若干組合。處理800及在此被說明之其他處 理可被以並聯或串聯方式再安置，且可被再排序，組合或 子分割於各實施例中。 處理800係以操作模組810處之電路作為開始。電路 之電流負載係被監視於模組820處。若電流尚未超過第一 限制，則該電路繼續操作於模組810處。若電流超過第一 限制，則該電流被棘輪下降於模組840處。該電路接著繼 ^ 續操作於模組850處。於模組860處決定高電流限制是否已 被超過。若否，則該電路繼續操作於模組8 10處。若該高電 流限制被超過，則模組870處之暫時關閉發生直到電流負 載下降至可接受位準為止。 一實施例中，此係藉由使用1.7A之第一電流限制及 2.2A之高電流限制來達成。因此，若電流超過1.7A，則系 統被正常關閉。若電流超過2.2A，則系統被關閉直到電流 下降至低值為止。 147239-990416[l].doc -15- M61486 147239 010163596*1 1301686 各實施例特徵及外觀可被併入其他實施例，而本文獻所 ’ 描述之實施例不需所有特徵及外觀均被描述及說明才可被 實施。熟練技術人士將了解，雖然系統及方法特定例及實 施例已因描繪目的而被說明，但只要不背離本發明精神及 範疇均可做各種修改。例如，本發明實施例可被應用至許 多不同類型資料庫，系統及應用程式。再者，一實施例特 徵可被併入其他實施例，甚至這些特徵不被一起說明於本 文獻内之單實施例中。於是，本發明係藉由附帶申請專利 範圍來說明。 @

C 147239-990416[l].doc •16· M61486 147239 010163596-1 1301686 圖式簡單說明 第1圖描繪DC/DC電壓調節器輸出之一實施例。 第2圖描繪第1圖實施例.中之電流過載。 第3圖描繪第1圖實施例中之頻率摺疊。 第4圖描繪用於第1圖DC/DC電壓調節器輸出之電流 過載保護裝置之一實施例。 第5圖描繪用於第1圖DC/DC電壓調節器輸出之電流 過載保護裝置之一替代實施例。 @ 第6圖描繪第4圖實施例中之電流棘輪效應。 第7圖描繪用於第1圖DC/DC電壓調節器輸出之電流 過載保護裝置之另一替代實施例。 第8圖描繪電流限制處理之一實施例。 元件符號說明 100、 400、 500 系 統 110 電 感 負 載 120、 140 電 晶 體 130 電 源供 應 150 地 面 410 裝 置 420、 425 閘 極 445 ' 520 正 反 器 160、 487、 493 .電 容 器 545 電 流源 525、 530 反 向 器 550、 565 電 晶 體 555 緩 衝 器 570 ' 575 分 阻 器 800 處 理 PWM 脈衝 寬 度調 450、 460、 465、 483、 505、 510 電 阻 器 515、 540、 560 比 較 器 147239-990416[l].doc 17 M61486 147239 010163596-1

Claims (1)

1301686 十、申請專利範圍： 1. 一種於具有一高側通裝置及一低側通裝置之DC/DC 交換模式電壓調節器上所實施的方法，該方法包含： 於該高側通裝置之高電流限制上偵測超過該高側通裝 置的該高電流限制之過電流情況， 若偵側到該過電流情況，則鎖定該高側通裝置並開啟 該低側通裝置，直到達到該低側通裝置上之一第二電流限 制為止； 偵測超過一第一電流限制的過電流情況， ^ 若偵側到超過該第一電流限制之該過電流情況，則鎖 定該高側通裝置並開啟該低側通裝置，直到接收到一重設 信號為止；及 重設該DC/DC交換模式電壓調節器，該重設提供該重 設信號。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含： 經由該高側通裝置提供電源。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，進一步包含： C 回應一啟動信號以操作該DC/DC交換模式電壓調節 器。 4. 一種用於DC/DC交換模式電壓調節器中短電路電流棘 輪效應之裝置，包含： 一高側通裝置； 一低侧通裝置，與該高側通裝置串聯耦合； 一控制模組，耦合至該高側通裝置及該低側通裝置， M61486 147239 010163596-1 147239-990416[l].doc D60 該f制模組麵合至該高側通裳置及該低側通裝置，以控制 s亥咼側通裝置及該低側通裝置； 耦合^第-電阻器’與該高侧通裝置及該低側通裝置串聯 旦有：：一：較器，與該第-電阻器並聯，該第-比較器 ，、有對應-第-電流限制之，電虔輸入差分，該第一 比較盗之一輸出耦合至該控制模組； 第一比較盗’耦合至該高側通裝置的感測電流作為 一电壓，該第二比較器具有對庫—古 Μ輸人差分，該第限制之一門捏電 ^ 輸出耦合至該控制模組， 該咼電流限制高於該第一電流限制，·及 =中該控制模組回應該第—比較器的該輸出來操作鎖 疋该向側通裝置，直到一番机 夏到重叹k唬被接收為止，且回應該 第-比較器的該輸出來操作鎖定該高側通裝置，直到一低 電流信號被接收為止。' 5·如申請專利範圍第4項之裝置，.進—步包含： 一第二電阻器，與該低側通裝置串聯耦合丨及 -第三比較器’與該第二電阻器並聯耦合，該第三比 較器之-輸出係耗合至該控制模組，該第三比較器之該輸 出包含一低電流信號。 6·如申請專利範圍第5項之裝置，進一步包含： 一啟動輸入，耦合至該控制模組；及 其中該控制模組回應該啟動信號而可操作該高及該低 側通裝置。 147239-990416[l].doc M61486 I47239 OIOI63596-I 1301686 7’如申請專利範圍第4項之裝置，其中： 該高側通裝置及胃低側通裝£為功帛金屬氧化半導體 場效電晶體（MOSFET)。 8·如申請專利範圍第4項之裝置，其中' 該第二比較器之輸入與該低側通裝置並聯耦合。 9·如申請專利範圍第4項之裝置，其中： 該第二比較器之輸入與該第一電阻器並聯耦合。 1〇.如申請專利範圍第6項之裝置，進一步包含： 至該裝置之-第-外部輸入是麵合至該控制模組，該㈣ 輸入接收來自-分阻器之電壓，該分阻器裁合至該裝置的 一負載。 11. 如申請專利範圍第10項之裝置，進一步包含： 至孩裝置之一第二外部輸入是耦合至該控制模組，該 輸入接收來自一電阻器及—雷空_ _ ^ ^ 電奋盗之電壓’該電阻器與耦 合串聯。 12. 如申請專利範圍第丨丨項之裝置，進—步包含： 振盈器輕合至§亥第一比較器的輸出，.以混合該第 G 一比較器的該輸出及該振盪器的一輸出信號，而該經混合 信號被提供至.該控制模組。 13·如申請專利範圍第12項之裝置，進—步包含： 一比較益，具有一第一輸入及一第二輸入，該第一輸 入耦合至該經混合信號，而該第二輸入耦合至該第一外部 輸入’該比較器的一輸出揭合至f亥控制模組。 14. 一種具有一高側通裝置及一低側通裝置之 147239-9904l6fIJ.doc 3_ "' M61486 147239 010163596-1 1301686 交換模式電壓調節器，包含： 一用於偵測超過該高側通裝置的一高電流限制的一過 電流情況之裝置；及 若偵測到該過電流情況，則鎖定該高側通裝置並開啟 該低側通裝置’直到達到該低侧通裝置上之一第二電流限 制為止之裝置。 15. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中： 該用於偵測的裝置包含^一感測元件及一有限電流位準 比較器’決定過電流情況。 16. 如申請專利範圍第14項之裝置，進一步包含： 用於決定該過電流情況何時被移除之裝置。 17. 如申請專利範圍第丨4項之裝置，進一步包含：· 一栓鎖，可消除一脈衝寬度調變系統之控制，以保持 該高侧通裝置關閉及保持該低侧通裝置開啟。 18·如申請專利範圍第14項之裝置，進一步包含： 一用於啟動該DC/DC交換模式電壓調節器之裝置。 147239-990416[l].doc M61486 !47239 010163596-1