TWI838215B

TWI838215B - 控制器和用於開關調節器的控制器中的方法

Info

Publication number: TWI838215B
Application number: TW112113581A
Authority: TW
Inventors: 之也張; 李承柱
Original assignee: 加拿大商萬國半導體國際有限合夥公司
Priority date: 2022-05-02
Filing date: 2023-04-12
Publication date: 2024-04-01

Abstract

用於開關調節器的控制器包括保護電路，以便將負電流限制到負電流閾值。在一些實施例中，回應於負電流達到負電流閾值，保護電路在最大時間段內關閉低壓側電源開關，並打開高壓側電源開關。在負電流尚未恢復的情況下，高壓側電源開關和低壓側電源開關都斷開，而高壓側電源切換開關通過高壓側電源轉換開關體二極體傳導負電流。當負電流恢復到恢復水平時，可以打開低壓側電源開關。每次檢測到負電流達到負電流閾值時，保護電路都會重複該過程。

Description

控制器和用於開關調節器的控制器中的方法

本發明涉及開關電源，確切地說，是涉及一種實現負電流保護的開關穩壓器。

諸如電腦或計算系統的電子系統，通常包括用於調節電子系統的使用電力的電力管理積體電路。此外，包含積體電路的電子系統，通常使用電壓調節器將來自供應系統的電源的主匯流排電壓，轉換為驅動其中的積體電路所需的一個或多個電壓。例如，提供給電子系統的5伏電源電壓可能需要降低到1.8伏，以驅動電子系統中的積體電路。計算系統包括處理器(或微控制器)和耦合到組件並執行嵌入式軟體，以執行某些任務的本地存儲器。實際上，處理器電源由電壓調節器提供，該電壓調節器將來自電源的輸入電壓轉換為處理器指定的電壓值。

開關模式電源或開關調節器，也稱為DC-DC轉換器，是一種電壓調節器，通常用於將輸入電源電壓轉換為積體電路所選電壓位準(Level)的期望輸出電壓。在一個示例中，12V或5V電源電壓可以降低到1V或0.9V，以便向嵌入式處理器供電。開關調節器通過低損耗元件(如電容器、電感器和變壓器) 和電源開關提供電源功能，電源開關打開和關閉，以便將能量從輸入傳輸到輸出。回饋控制電路用於調節能量傳遞，將恒定的輸出電壓保持在電路的期望負載極限內。

開關調節器可以被配置為升高輸入電壓或降低輸入電壓或兩者。具體來說，降壓開關調節器(也被稱為「降壓轉換器」)會降低輸入電壓，而升壓開關調節器，也稱為「升壓轉換器」會升高輸入電壓。降壓-升壓開關調節器或降壓-升壓轉換器提供升壓和降壓功能。

一些開關調節器採用脈寬調變(Pulse-width modulation，PWM)來控制電源開關的工作週期(Duty Ratio)。也就是說，可以通過調整脈衝寬度，以給定的固定或可變頻率來控制電源開關的接通時間。採用PWM控制的開關調節器包括PWM控制器或調變器，以便驅動功率級，功率級包括電源開關、電源開關的驅動器電路和LC濾波器電路。功率級由PWM控制器控制，將能量傳輸到輸出節點。在某些情況下，開關調節器是單相轉換器，PWM控制器生成單相PWM信號以驅動單相功率塊(power block)。在其他情況下，開關調節器是多相轉換器，多相PWM控制器生成具有不同相移的開關信號，以驅動多相功率塊，每個PWM信號驅動相應的功率塊單元。當電壓調節器必須以低輪廓解決方案提供高功率水平時，或者當需要在寬範圍的負載條件下，保持高轉換效率時，多相PWM控制器是理想的。

開關調節器的正常運行包括正電流運行和負電流運行，其中功率級向負載提供電流(正電流)，功率級從負載吸收電流(負電流)。在一些應用中，負電流操作用於提高主機系統的性能，例如通過執行負載釋放(將負載電流從高電流值改變為低電流值或負電壓轉變(通過使輸出節點放電將輸出電壓從高值改變為小值)。為了確保安全操作並防止在負電流操作期間損壞功率級，通常將負電流限制在給定閾值，並防止超過預定閾值。

本發明的目的是提供一種控制器和用於開關調節器的控制器中的方法。

為實現上述目的，本發明提供一種控制器，用於控制接收輸入電壓的開關調節器，所述控制器控制串聯連接在所述輸入電壓和地電位之間的高壓側開關和低壓側開關以驅動一開關節點產生開關電壓，所述開關節點耦合到LC濾波器電路，所述LC濾波器電路包括電感器和電容器，以在輸出節點上產生具有基本恒定幅度的調節輸出電壓，所述調節輸出電壓作為回饋電壓回饋到所述控制器，所述控制器包括：一個控制電路，所述控制電路配置為接收指示所述調節輸出電壓的回饋電壓與參考電壓之差的第一誤差信號，以產生第一脈寬調變(PWM)信號和第二PWM信號驅動所述高壓側開關和所述低壓側開關，所述第一PWM信號和所述第二PWM信號被耦合以便交替地接通和斷開所述高壓側開關和所述低壓側開關，在所述開關節點處產生所述開關電壓；以及一個保護電路，所述保護電路配置為監測一個指示流過所述電感器的電感器電流的電流感測信號，並且根據所述電流感測信號指示流過所述電感器中的負電流已經達到一個負電流閾值，所述保護電路生成控制信號，以斷開所述低壓側開關並接通所述高壓側開關；並且所述保護電路繼續監測所述電流感測信號，根據所述電流感測信號指示所述負電流已經恢復到一個負電流恢復水平或所述高壓側開關達到預定最大接通時間，所述保護電路生成控制信號以斷開所述高壓側開關，並且回應於所述電流感測信號指示所述負電流已經恢復到所述負電流恢復水平，所述保護電路產生控制信號以接通所述低壓側開關。

較佳地，所述保護電路向所述控制電路提供控制信號，由保護電路產生的所述控制信號淩駕由控制電路產生的所述PWM信號。

較佳地，所述高壓側開關被接通以傳導負電流通過所述高壓開關，並且在所述預定的最大接通時間期滿之後，所述高壓側開關被斷開，並且在負電流已經恢復到所述負電流恢復水平之前，所述高壓側開關通過高壓側開關的體二極體傳導負電流。

較佳地，回應於所述高壓側開關被接通最大接通時間，並且所述電流感測信號指示所述負電流尚未恢復到所述負電流恢復水平，所述保護電路產生控制信號，以斷開所述高壓側開關，並保持所述的低壓側開關斷開。

較佳地，高壓側開關和低壓側開關都包括N-通道MOSFET器件。

較佳地，保護電路包括：配置一個第一比較器，接收電流感測信號和負電流閾值，並產生第一輸出信號；配置一個第二比較器，接收電流感測信號和負電流恢復水平，並生成第二輸出信號；配置一個重定鎖存器，設置輸入端子接收所述第一輸出信號、重定輸入端子接受所述第二輸出信號，所述重定鎖存器產生第三輸出信號和作為所述第三輸出信號反相的第四輸出信號，所述第三輸出信號回應於所述第一輸出信號被確認而具有第一邏輯狀態，並且回應於所二輸出信號被確認而具有第二邏輯狀態；以及配置一個單觸發計時器電路，接收所述第三輸出信號，並生成第五輸出信號，其中，回應於所述第三輸出信號轉變到所述第一邏輯狀態，所述單觸發定時電路為所述預定最大接通時間生成具有所述第一輸出狀態的所述第五輸出信號；其中，所述第五輸出信號是用於驅動所述高壓側開關的控制信號，所述第四輸出信號是用於驅動所述低壓側開關的控制信號。

一種用於開關調節器的控制器中的方法，所述控制器控制串聯連接在輸入電壓和地電位之間的高壓側開關和低壓側開關以驅動一開關節點產生開關電壓，所述開關節點耦合到LC濾波器電路，所述LC濾波器電路包括電感器和電容器，以便在輸出節點上產生具有基本上恒定幅度的調節輸出電壓，所述調節輸出電壓作為回饋電壓回饋到所述控制器，所述方法包括：監測指示流過所述電感器的電感器電流的電流感測信號；回應於所述電流感測信號指示流過所述電感器的負電流已經達到一負電流閾值，產生控制信號以斷開所述低壓側開關並接通所述高壓側開關；回應於電流感測信號指示負電流已恢復到負電流恢復水平或達到預定最大接通時間，產生控制信號以斷開高壓側開關；以及回應於電流感測信號指示負電流已經恢復到負電流恢復水平，產生控制信號以接通低壓側開關。

較佳地，還包括：接收指示所述調節輸出電壓的回饋電壓與參考電壓之差的第一誤差信號；以及生成用於驅動所述高壓側開關和所述低壓側開關的第一和第二脈寬調變(PWM)信號，所述第一PWM信號和所述第二PWM信號被耦合以交替地接通和斷開所述高壓側開關和低壓側開關，從而在所述開關節點處生成所述開關電壓，其中回應於所述電流感測信號或所述預定最大接通時間而生成的所述控制信號，淩駕所述PWM信號。

較佳地，回應於所述高壓側開關被接通，所述的高壓側開關通過所述高壓側開關傳導所述負電流。

較佳地，回應於所述高壓側開關被斷開並且所述電流感測信號指示所述負電流尚未恢復到所述負電流恢復水平，所述高壓側開關通過所述高壓側開關的體二極體傳導所述的負電流。

較佳地，回應於所述高壓側開關被接通所述最大接通時間，並且所述電流感測信號指示所述負電流尚未恢復到所述負電流恢復水平，生成所述控制信號，以便斷開所述高壓側開關並保持所述低壓側開關斷開。

較佳地，高壓側開關和低壓側開關包括N-通道MOSFET器件。

綜上所述，與先前技術相比，本發明提供的控制器和用於開關調節器的控制器中的方法，具有如下有益效果。

首先，保護電路僅在給定的最長時間段內，接通高壓側電源開關。如果負電流恢復得非常慢，並且高壓側電源開關長時間處於打開狀態，則對高壓側電源開關施加最大接通時間，可防止高壓側電源開關損壞，這會由於高壓側閘極(Gate)驅動電壓的下降而導致高壓側電源開關損壞。第二，在負電流恢復到給定的恢復水平之前，保護電路不打開低壓側電源開關。通過這種方式，防止負電流失控的情況。

10:開關調節器

11:功率塊

12:輸入節點

14:開關節點

16:公共節點

18:輸出節點

20:控制器

22:誤差放大器

24:控制電路

25:負電流保護電路

26、28、32、36、42、44:節點

36、38、45、46:曲線

30:功率級

34:開關節點

35:位準移位器

40:輸出節點

50:保護電路

52、54:比較器

56:SR閂鎖器

60:計時器電路

PWM1:第一PWM信號

PWM2:第二PWM信號

D1:二極體

L1:電感器

M1、M2:電源開關

R1、R2:電阻器

DRV1、DRV2:驅動器電路

DM1:二極體

100:方法

102、104、106、108、110、112、114:步驟

以下的詳細說明及圖式提出了本發明的各個實施例。

圖1表示在本發明的一些示例中，一種含有負電流保護電路的開關調節器的示意圖。

圖2表示在一些示例中，一種包括引導電路的電源塊的示意圖。

圖3表示在一些示例中，開關調節器的電源塊中的負電流行為。

圖4(a)表示在一些示例中，開關調節器的電源塊中的負電流行為。

圖4(b)表示在其他示例中，開關調節器的電源塊中的負電流行為。

圖5表示在一些實施例中，含有引導電路電源塊的示意圖。

圖6表示在一些實施例中，負電流保護電路的原理圖。

圖7表示在一些示例中，用於說明圖6所示的負電流保護電路操作的信號波形。

圖8表示在本發明的實施例中，負電流保護方法的流程圖。

根據本發明的實施例，用於開關調節器的控制器，接收輸入電壓並產生調節輸出電壓。更具體地，回應於開關調節器中的負電流達到負電流閾值，指示過電流事件，保護電路關閉低壓側電源開關，並在最大時間段內打開高壓側電源開關。在負電流未恢復的情況下，高壓側電源開關和低壓側電源開關均斷開(三態模式)，而高壓側電源開關通過高壓側功率切換體二極體傳導負電流。當負電流增加或恢復到恢復水平時，表明過電流事件已經過去，則可以打開低壓側電源開關。每當檢測到負電流已達到負電流閾值時，保護電路重複該過程。

與傳統的負電流保護方案相比，本發明所述的開關調節器中的保護電路顯示了許多優點。首先，保護電路僅在給定的最長時間段內，接通高壓側電源開關。如果負電流恢復得非常慢，並且高壓側電源開關長時間處於打開狀態，則對高壓側電源開關施加最大接通時間，可防止高壓側電源開關損壞，這會由於高壓側閘極驅動電壓的下降而導致高壓側電源開關損壞。第二，在負電流恢復到給定的恢復水平之前，保護電路不打開低壓側電源開關。通過這種方式，防止負電流失控的情況。

在以下的說明中，負電流保護電路和方法在應用於單相降壓開關調節器的上下文中進行描述。本領域技術人員將認識到，只要在本領域普通技術人員的能力範圍內進行微小修改(如果有的話)，本文所述的負電流保護電路和方法可以容易地應用於其他開關調節器架構，本發明的負電流保護電路和方法可以應用於任何開關調節器架構，包括降壓、升壓或降壓-升壓架構。此外，本發明的負電流保護電路和方法可以應用於單相開關調節器或多相開關調節器。在多相開關調節器的情況下，負電流保護電路可以在多相切換調節器的每一相中實現，以便向多相切換調整器的每相提供負電流保護。

圖1表示在本發明的實施例中，包含負電流保護電路的開關調節器的示意圖。在圖1所示的實施例中，開關調節器採用脈寬調變(PWM)來控制電源開關的工作週期。也就是說，通過調整電源開關控制信號的脈寬，可以在給定的固定或可變頻率下，控制電源開關的接通時間。採用PWM控制的開關調節器包括PWM控制器或PWM調變器，以便驅動包括電源開關的功率級、電源開關的驅動器電路和LC濾波器電路。在本說明書中，電源開關與驅動器電路一起有時被稱為電源塊。功率塊耦合到LC濾波器電路以向輸出節點提供能量。在一些應用中，開關調節器可用於計算系統中，向處理器、微處理器或CPU或GPU供電。開關調節器可以接收12V或19V的輸入電壓，並且可以降低輸入電壓，產生0.9V的調節輸出電壓。

參考圖1，開關調節器10包括控制器20，耦合控制器20以便驅動功率塊11，將功率塊11耦合到輸出電感器L1和輸出電容器C_OUT上。功率塊11與輸出電感器L1和輸出電容器C_OUT一起有時被稱為功率級。開關調節器10在輸入節點12上接收輸入電壓V_IN，並在輸出節點18上產生調變後的輸出電壓V_OUT(圖中沒有表示出)。控制器20實施脈寬調變(PWM)並產生PWM信號，以便驅動功率塊11。電源塊11包括一對串聯連接的電源開關M1、M2，它們通過PWM信號交替地接通和斷開，以參考目標電壓V_TARG(也稱為參考電壓)調節輸出電壓V_OUT。電源開關M1被稱為高壓側電源開關，電源開關M2被稱為低壓側電源開關。PWM控制器20包括PWM控制電路24，其產生第一PWM信號PWM1(節點26)，以便驅動高壓側電源開關M1，並產生第二PWM信號PWM2(節點28)，驅動低壓側電源開關M2。當開關調節器以連續導通模式操作時，信號PWM1和PWM2是不重疊的，並且是彼此的互補，也就是說，它們是彼此的反相邏輯。在本實施例中，高壓側電源開關和低壓側電源開關都是N溝道MOSFET器件或NMOS電晶體。在其他實施例中，高壓側電源開關和低壓側電源開關可以是NPN雙極電晶體或N溝道異質結構場效電晶體(HFET)，例如，使用GaN形成溝道。

如此配置，功率塊11中的電源開關M1和M2通過PWM信號PWM1和PWM2交替地導通和斷開，以便在開關節點14處產生開關電壓V_SW。輸出電感器L1耦合在功率塊11的開關節點14和輸出電容器C_OUT(節點18)之間。輸出電感器L1和輸出電容器C_OUT形成LC電路，用於向輸出節點18提供電流。然後，輸出電壓V_OUT可以用於驅動負載。

開關調節器10實現回饋控制回路，以調節輸出電壓V_OUT。為此，控制器20在輸出節點18處或在負載處，接收指示調節輸出電壓V_OUT的回饋電壓V_FB。在一些示例中，回饋電壓V_FB是輸出電壓V_OUT的降壓電壓。例如，回饋電壓V_FB可以由包括電阻器R1和R2的分壓器產生，並且電阻器R1和電阻器R2之間的公共節點16提供分壓輸出電壓作為回饋電壓V_FB。控制器20還接收參考電壓或目標電壓V_TARG，其指示調節輸出電壓或回饋點所需的電壓值。

控制器20包括用於實現開關調節器的回饋控制回路，以便生成PWM信號，驅動功率塊11的電路。確切地說，控制器20包括誤差放大器22，耦合誤差放大器22，將回饋電壓V_FB與目標電壓V_TARG進行比較，從而產生控制回路誤差信號V_ERR。誤差信號V_ERR可以是電壓信號或電流信號。例如，誤差放大器22可以產生輸出電流，該輸出電流可以通過耦合到誤差放大器22的輸出的環路濾波器(圖中沒有表示出)轉換成電壓信號。誤差信號V_ERR被提供給PWM控制電路24，其可以包括諸如調變比較器和鎖存器電路的電路等，從而生成PWM信號。由此產生的PWM信號PWM1和PWM2耦合到相應的驅動器電路DRV1和DRV2，以驅動相應的電源開關M1和M2。如上所述，PWM信號通常彼此反相。通過這種方式，高壓側電源開關M1和低壓側電源開關M2通過PWM信號交替地接通和斷開。

在本示例中，開關調節器10被配置為降壓調節器，以降低輸入電壓V_IN(例如19V)，生成電壓值低於輸入電壓(例如1.8V)的輸出電壓V_OUT。控制器20生成具有第一信號部分和第二信號部分的PWM信號。PWM信號的第一信號部分接通高壓側電源開關M1(並斷開低壓側電源開關M2)，以使電流從輸入電壓節點12通過高壓側開關M1流向電感器L1。電感器L1存儲來自電流的電荷。PWM信號的第二信號部分接通低壓側電源開關M2(並斷開高壓側電源開關M1)，從而通過低壓側電源切換M2將開關節點14連接到地電位。因此，開關調節器10將電感器L1中存儲的電荷傳送到輸出電容器C_OUT。開關電壓V_SW在輸入電壓V_IN和地電位之間切換，並且由電感器L1和輸出電容器C_OUT形成的LC濾波器電路，產生具有基本恒定幅度的調節輸出電壓。

圖1所示的開關調節器10表示一種單相電壓調節器。在其他示例中，開關調節器可以被配置為多相電壓調節器。多相開關調節器包括多相控制器，該多相控制器產生用於驅動多相功率級的一組PWM信號。在本示例中，多相功率級包括多個功率塊，每個功率塊耦合到連接到相應開關節點的相應輸出電感器。多個功率塊連接到輸出電容器C_OUT，以便形成多相功率級。輸出電容器連接到輸出節點，提供輸出電壓V_OUT。然後，輸出電壓V_OUT可以用於驅動負載。多相控制器接收回饋電壓V_FB和參考電壓V_TARG，並產生一組具有不同相位的PWM信號。多相控制器使開關調節器能夠在寬範圍的負載條件下，高精度地提供調節輸出電壓。

在正常操作中，開關調節器10可以向負載(節點18)提供電流。源電流也稱為正電流。開關調節器10還可以從負載(節點18)吸收電流。下沉電流也稱為負電流。在本發明的實施例中，控制器20包括負電流保護電路25，以保護電源開關M1和M2免受可能損壞電源開關的過大負電流的影響。下面將更詳細地描述保護電路25中的負電流保護的構造和實現。簡言之，保護電路25接收指示流過電源塊11中的電源開關電流的電流感測信號。在本實施例中，電流感測信號是電壓信號Vis。電流感測信號可以通過感測電感器電流I_L、或流過低壓側電源開關M2的電流和/或流過高壓側電源開關M1的電流來產生。保護電路25監測電流感測信號Vis以確定負電流是否已達到預定閾值，指示負過電流事件。根據檢測到的負過電流事件，保護電路25產生高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic和低壓側閘極驅動信號GL_logic。高壓側和低壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic和GL_logic被提供給PWM控制電路24，並淩駕在正常操作中產生的PWM信號。通過這種方式，電源塊11由邏輯信號GH_logic和GL_logic控制，以在負電流保護模式下操作。保護電路25檢測負過電流事件何時已經過去，並釋放對高壓側和低壓側驅動信號的控制。然後，PWM控制電路24可以恢復正常操作。

在本實施例中，功率塊11中的電源開關M1和M2都是NMOS電晶體。為了確保有足夠的閘極到源極電壓來接通高壓側電源開關M1，通常使用引導電路，來提高高壓側開關M1的閘極到電源電壓。圖2表示在一些實施例中，包括引導電路電源塊的示意圖。參考圖2，功率級30包括連接在輸入電壓V_IN(節點32)和地之間的一對串聯連接的電源開關M1、M2。在本實施例中，電源開關M1和M2(也稱為高壓側電源開關和低壓側電源開關)都是NMOS電晶體。高壓側電源開關M1的源極端子連接到低壓側電源開關M2的汲極(Drain)端子，該汲極端子是提供開關電壓V_SW的開關節點34。在高壓側開關M1和低壓側開關M2交替導通和斷開的情況下，開關電壓V_SW在輸入電壓V_IN(節點32)和地電位之間切換。當高壓側電源開關M1的源極端子處於輸入電壓V_IN時，需要在電源開關M1兩端存在足夠的閘極到源極電壓以接通NMOS電源開關M1。也就是說，為了接通高壓側電源開關，電源開關M1的閘極端子處的閘極驅動信號GH(節點36)需要具有高於輸入電壓V_IN的電壓值，以便接通NMOS電晶體。

為此，提供包括電容器C_BOOT和二極體D1的啟動電路，以提升閘極驅動信號GH(節點36)。驅動電壓V_DR耦合到二極體D1的陰極(節點42)。電容器C_BOOT連接在二極體D1的陽極(節點44)和開關節點34之間。在電容器C_BOOT的頂板(節點44)處提供電壓V_BOOT。在操作中，當低壓側電源開關M2接通(並且高壓側電源開關M1斷開)時，開關電壓V_SW(節點34)處於地電位，並且二極體D1被正向偏置，使得電容器C_BOOT通過二極體D1被充電到驅動電壓V_DR。然後，當高壓側電源開關M1導通(並且低壓側電源開關斷開)時，開關電壓V_SW(節點34)處於輸入電壓V_IN，並且二極體D1被反向偏置，防止電流流回驅動電壓V_DR(節點42)。同時，耦合電壓V_BOOT(節點44)以向驅動器電路DRV1提供用於生成閘極驅動信號GH的電壓。在啟動電路中，二極體D1用作電壓阻斷器件。在其他實施例中，可以使用其他電壓阻斷器件來代替二極體。使用二極體D1作為電壓阻斷裝置僅用於解釋說明。

如此配置，電壓V_BOOT具有V_SW+V_DR的電壓值。當開關電壓V_SW擺動到輸入電壓V_IN時，電壓V_BOOT因此具有V_IN+V_DR的電壓值。在一個示例中，輸入電壓V_IN為19V，驅動電壓V_DR為5V。當閘極驅動信號GH具有邏輯高值時，閘極驅動信號GH具有V_IN+V_DR的電壓值，並且電源開關M1的閘極-源極電壓接近驅動電壓V_DR，確保電源開關M1充分導通。

值得注意的是，隨著閘極驅動信號GH在驅動器電路DRV1處被升壓，到驅動器電路的輸入信號(閘極驅動邏輯信號GH_logic或PWM1)將需要被位準移位元到適當的電壓位準。在本實施例中，提供位準移位器電路35(Level shifter)，以將閘極驅動邏輯信號GH_logic或PWM1的電壓位準移位元到適合於驅動器電路DRV1的電壓位準。

同時，低壓側電源開關M2的驅動器電路DRV2由驅動電壓V_DR供電。因此，閘極驅動信號具有邏輯高值的電壓值V_DR，當電源開關M2的源極端子處於地電位時，該電壓值足以導通低壓側電源開關M2。閘極驅動邏輯信號GL_logic可以被提供給驅動電路DRV2而沒有任何位準移位。

在操作中，功率級30交替地接通和斷開高壓側電源開關M1和低壓側電源開關M2，以在開關節點34處產生開關電壓V_SW。作為開關電壓V_SW的結果，電感器電流I_L流過輸出電感器L1。如上所述，電感器電流I_L可以是流向負載的源電流或正電流，或者是從負載流出的漏電流或負電流。典型地，源電流I_SRC從輸入電壓V_IN(節點32)通過高壓側電源開關M1和電感器L1流向輸出節點40；並且吸收電流I_SNK從輸出節點40通過電感器L1和低壓側電源開關M2流到地。為了確保安全操作，正電流和負電流在各自的安全操作範圍內操作，以防止損壞電源開關。如果正負電流超過各自的安全工作範圍，電源開關可能會遭受災難性損壞。

在一些示例中，施加正電流限制(過電流保護或OCP)以限制在每個PWM週期中可以從功率級30流過的正電流的量，並且施加負電流限制(負過電流保護或者NOCP)以限制可以在每個PWM循環中流入功率塊11的負電流的量。設置正電流和負電流限制，以便電源塊可以在不損壞電源開關的情況下提供有效電流。本發明的實施例提供了用於在開關調節器中防止過大負電流的保護電路和保護方案。

圖3表示在一些示例中，開關調節器電源塊中的負電流行為。參考圖3，在正常操作中，到高壓側和低壓側電源開關的閘極驅動信號GH和GL是互補的。因此，當閘極驅動信號GL(曲線38)處於邏輯高位準時，閘極驅動信號GH(曲線36)處於邏輯低位準時，反之亦然。值得注意的是，在實際的實現中，閘極驅動信號GH和GL是不重疊的，並且信號的轉變可以具有間隙持續時間。例如，閘極驅動信號GH的由低到高電晶體可以在閘極驅動信號GL的高到低轉變之後的給定持續時間內發生。類似地，閘極驅動電壓GL的低到低電晶體可以在閘驅動信號GH從高到低的轉變之後的特定持續時間內出現。閘極驅動信號GH和GL都為邏輯低的持續時間有時被稱為非重疊週期或停滯週期，並且在兩個閘極驅動信號的轉變期間通常是非常短的持續時間。

曲線46描繪了電感器電流I_L或流過功率級30的開關節點34的電流。當低壓側電源開關M2導通時，電感器電流I_L正在減小(具有負斜率)，並且可以減小到0A以下以變成負電流。當高壓側電源開關M1導通時，電感器電流I_L增加(具有正斜率)。在圖3所示的描述中，電感器電流I_L為負電流。在本說明書中，負電流具有負電流值，並且當負電流具有越來越負的電流值或負電流的大小在增加(即更大的電流大小)時，負電流被描述為「減小」。此外，當負電流具有越來越小的負電流值或負電流的幅度正在減小(即，較小的電流幅度)時，負電流被描述為「增加」。

在某些應用中，開關調節器在負電流模式下運行，以釋放負載的電流或電壓。在常規操作中，低壓側電源開關接通(高壓側電源開關斷開)，負電流的幅值增大(即負電流減小)，直到負電流達到負電流閾值(NOCP)。當負電流達到負電流閾值時，低壓側電源開關斷開，高壓側電源開關接通。然後，電感器電流I_L增加，負電流的幅度減小(即負電流增加)，直到負電流達到一個負電流恢復水平(NOCP_{_}RC或「恢復水平」)，指示負過電流條件不再存在。然後，開關調節器將關閉高壓側電源開關並打開低壓側電源開關，並且負電流可以再次減小(即，負電流的大小可以增大)。在一個示例中，負電流閾值(NOCP)為-40A，負電流恢復水平(NOCP_RC)為-30A。

傳統的負電流操作有幾個缺點。圖4(a)說明了一些示例中開關調節器的電源塊中的負電流行為。參考圖4(a)，在某些情況下，當高壓側電源開關接通時，負電流恢復需要太長時間，並且電感器電流I_L(曲線46)需要很長時間才能達到負電流恢復水平(NOCP_RC)。當開關調節器的輸出電壓接近輸入電壓時，即電壓V_OUT接近電壓V_IN時，可能發生這種情況。在這種情況下，高壓側電源開關長時間處於開啟狀態，而電感器電流緩慢上升。同時，高壓側電源開關由閘極驅動信號GH接通，閘極驅動信號由電壓V_BOOT升壓。參考圖2，電壓V_BOOT是通過在低壓側電源開關接通且開關節點34接地的時間段期間對電容器C_BOOT充電而產生的。因此，當高壓側開關長時間保持接通時，電壓V_BOOT將由於高壓側電源開關的工作電流以及來自電容器C_BOOT或二極體D1的漏電流而下降。當電壓V_BOOT下降時，驅動高壓側電源開關的閘極到源極電壓降低，並且高壓側電源開關可以在傳導大量電流的同時以具有高汲極到源極電阻的線性或三極管模式操作。因此，高壓側電源開關可以在高功率位準(功率=I_L ²*Rds)下操作，這可能導致對高壓側電源開關的損壞。

圖4(b)說明了其他示例中，開關調節器電源塊中的負電流行為。參考圖4(b)，為了避免高壓側電源開關長時間保持接通，可以對高壓側閘極驅動信號GH施加最大接通時間(Ton_max)。因此，每次高壓側電源切換接通時，高壓側電源都接通至最大接通時間。即使負電流尚未恢復到恢復水平(NOCP_RC)，高壓側電源開關也被斷開，而低壓側電源開關被接通最短接通時間(Ton_min)。然而，在負過電流事件期間，在最小接通時間內重複接通低壓側電源開關會導致負電流失控，因為每次接通低壓側電源開關時，負電流不斷減小(負電流的大小不斷增大)。

在本發明的實施例中，提供了一種克服傳統操作缺點的負電流保護電路和方法。參考上圖1，負電流保護電路25被併入控制器20中，以回應於負過電流事件的檢測而產生用於高壓側電源開關和低壓側電源開關的閘極驅動信號。負電流保護電路25接收指示流過電源塊11中的電源開關的電流的電流感測信號Vis，並產生高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic和低壓側閘極驅動信號GL_logic淩駕於PWM控制電路24產生的PWM信號之上。高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic和低壓側閘極驅動信號GL_logic以向電源塊提供負電流保護的方式控制電源塊11，而不會產生上述不利影響，例如對高壓側電源開關造成損壞或允許負電流失控。

圖5是一些實施例中包括引導電路的電源塊的示意圖。確切地說，圖5是圖2的複製品，增加了電流感測電路。圖2和圖5中的相同元件給出了相同的參考數字，將不再進一步描述。在圖5所示的實施例中，功率級30使用與電感器L1串聯的電阻器Rs實現電感器電流感測。電阻器Rs兩端產生電壓Vis，指示流過電阻器的電感器電流。特別是，Vis=Rs*I_L。電壓Vis用作電流感測信號，以指示流入或流出功率級30的電感器電流的大小。

圖5所示的電流感測電路和方法僅是說明性的，並非旨在限制。可以使用用於感測開關調節器中的電感器電流的其他方法。用於電流感測的方法在本發明的實踐中不是關鍵的。在其他示例中，可以通過測量流過低壓側電源開關、高壓側電源開關或兩者的電流來實現電流感測。

圖6表示在一些實施例中，負電流保護電路的示意圖。值得注意的是，圖6中的邏輯電路只是用於解釋說明的，而不是限制性的。可以理解，邏輯元件的其他佈置可以用於實現生成用於負電流保護的所需閘極驅動邏輯信號的相同邏輯操作。圖6表示出了在本發明的一些示例中，實現負電流保護電路的邏輯電路的一個示例性實施例。參考圖6，負電流保護電路50接收指示流入或流出功率級的電感器電流的電流感測信號Vis。保護電路50還接收指示負電流閾值NOCP的信號。負電流閾值NOCP指示負電流的下限。即，負電流不應超過負電流閾值NOCP。當電流感測信號指示電感器電流已達到負電流閾值時，指示負過電流事件。保護電路50還接收指示負電流恢復水平NOCP_RC(「恢復水平」)的信號，該信號指示負電流的恢復和負過電流事件的結束。電流感測信號Vis在各個比較器52、54處與負電流閾值NOCP和恢復水平NOCP_RC進行比較。比較器52的輸出將電流感測信號Vis與負電流閾值進行比較，並耦合到置位復位鎖存器56(「SR閂鎖器(SR LATCH)」)的置位輸入。同時，將電流感測信號Vis與恢復水平進行比較的比較器54的輸出耦合到SR閂鎖器56的復位輸入。

確切地說，電流感測信號Vis在比較器52處與負電流閾值(NOCP)進行比較。回應於電流感測信號Vis降低到低於負電流閾值，比較器52確認其輸出以觸發SR閂鎖器56的置位輸入。結果，SR閂鎖器56的非反相輸出Q(節點58)被確認。非反相輸出Q(也稱為信號GH’)耦合到單觸發計時器電路60，將最大接通時間Ton_max施加到信號GH’。最大打開時間Ton_max可以是固定值或可變值。或者，最大接通時間Ton_max可以是開關調節器的輸入電壓或輸出電壓或兩者的函數。

回應於信號GH’被確認，單觸發計時器電路60產生具有最大導通持續時間的高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic。同時，SR閂鎖器56的反相輸出Q/(節點62)提供低壓側閘極驅動邏輯信號GL_logic並被解除確認。通過這樣的配置，高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic和低壓側閘極驅動信號GL_logic仍然是彼此的邏輯互補，因為一次只有一個信號被確認。高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic受到最大導通時間Ton_max的限制，使得存在高壓側閘極驅動器邏輯信號GH_logic和低壓側閘極驅動邏輯信號GL_logic同時處於邏輯低電位或解除確認的時期。在本說明書中，高壓側電源開關和低壓側電源開關都被斷開的功率級的操作模式被稱為三態模式。

同時，電流感測信號Vis也與比較器54處的負電流恢復水平(NOCP_RC)進行比較。回應於電流感測信號Vis增加到負電流恢復水平以上，比較器54確認其輸出以觸發SR閂鎖器56的復位輸入。結果，SR閂鎖器56的非反相輸出Q(節點58)被解除確認，並且高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic被解除確認。值得注意的是，高壓側閘極驅動邏輯信號GH_logic可以在單觸發計時器電路60設置的最大接通持續時間之前被解除確認。但是當負電流已經恢復到恢復水平時，單觸發計時器電路60設置高壓側電源開關的最大接通持續時間。

同時，隨著重置輸入被觸發，SR閂鎖器56的反相輸出Q/(節點62)被確認，低壓側閘極驅動邏輯信號GL_logic處於邏輯高。低壓側電源開關的接通時間可以是固定的，例如最小接通時間，或者可以是可變的。例如，低壓側電源開關的接通持續時間，可以是開關調節器的輸入電壓或輸出電壓或兩者的函數。也就是說，僅當負電流達到負電流閾值時，低壓側電源開關不必斷開。

本發明的保護電路50通過單次計時器60實現高壓側電源開關的最大接通時間。通過這種方式，在負電流恢復緩慢的情況下，高壓側電源開關不會長時間保持打開。同時，保護電路50僅在負電流已經恢復並且負過電流事件被視為結束時接通低壓側電源開關。通過這種方式，防止了負電流失控。此外，當低壓側電源開關接通時，啟動電容器C_BOOT被再充電，並且啟動電壓V_BOOT被恢復。

圖7包括一些示例中用於說明圖6的負電流保護電路操作的信號波形。在圖7中，曲線45描繪了一些示例中功率級中的負電流行為。作為負電流保護電路的結果，產生高壓側閘極驅動信號GH(曲線36)和低壓側閘極驅動電路GL(曲線38)。參考圖7，在低壓側電源開關打開的情況下，在時間T1，當電感器電流I_L降低到負電流閾值NOCP時，檢測到負過電流事件。在這種情況下，在時間T1，低壓側電源開關斷開，高壓側電源開關接通。結果，電感器電流以斜率di/dt1=(V_IN-V_OUT)/L1斜坡上升。在本示例中，假設斜率di/dt1很小，並且電感器電流不會很快上升。

在時間T2，在電感器電流沒有增加到負電流恢復水平NOCP_RC的情況下，達到高壓側電源開關的最大接通時間Ton_max。在這種情況下，由於最大接通時間，高壓側電源開關斷開，而由於負電流沒有增加到恢復水平，低壓側電源開關保持斷開。在時間段T2至T3期間，功率級在三態模式下運行，高壓側電源開關和低壓側電源開關均斷開。在時間段T3至T2期間，負電流從開關節點34通過高壓側功率電晶體M1的體二極體DM1流向輸入電壓節點32(圖5)。電感器電流以斜率di/dt2=(V_IN+V_DM1-V_OUT)/L1上升，其中V_DM1表示體二極體DM1兩端的電壓降。由於高壓側體二極體DM1，斜率di/dt2大於斜率di/dt1。

在時間T3，電感器電流已達到負電流恢復水平NOCP_RC，表明負過電流事件已結束。然後，可以重新接通低壓側電源開關。當接通低壓側電源開關時，電感器電流具有負斜率di/dt3。特別地，di/dt3=-V_OUT/L1。同時，電容器C_BOOT在低壓側電源開關接通的持續時間期間被充電，將電壓V_BOOT恢復到期望的V_SW+V_DR位準。

當電感器電流達到負電流恢復水平時，電源開關可以恢復正常PWM操作，直到檢測到另一個負過電流事件。當檢測到另一個負過電流事件時，負電流保護電路以與上述相同的方式操作，以便將負電流限制到閾值，並允許負電流在再次接通低壓側電源開關之前恢復，將存在高壓側電源開關和低壓側電源開關都斷開的時段。在本說明書中稱為「三態模式」的這一時段，與用於提供高壓側驅動信號和低壓側驅動信號的非重疊轉換的停滯時段不同。與之相反，本發明的保護電路根據檢測到負過電流事件而產生邏輯信號，以保持高壓側電源開關和低壓側電源開關都斷開，直到負電流增加到恢復水平(或者負電流的幅度減小到恢復水平的幅度)為止。

圖8表示出本發明實施例中的負電流保護方法的流程圖。在一些實施例中，負電流保護方法可以在圖1的開關調節器中實現，並使用圖6中的保護電路。參考圖8，操作負電流保護方法100，包含步驟102~114。接收指示開關調節器(102)的開關節點處的電感器電流的電流感測信號。在正常PWM操作中操作開關調節器，並且電源開關由PWM控制電路回應於回饋電壓和目標電壓而生成的PWM信號控制。方法100檢測電感器電流是否具有減小到負電流閾值的負電流(104)。替代地，方法100檢測負電流的大小是否已經增加到負電流閾值的大小。在上述描述中，負電流閾值表示為NOCP。當電感器電流在負電流閾值處不具有負電流值時，方法100繼續監測電感器的電流。在電感器電流具有已降低到負電流閾值的負電流的情況下，指示負過電流事件，方法100關閉低壓側電源開關，並打開高壓側電源開關(106)。在高壓側電源開關接通的情況下，方法100確定負電流是否已增加到負電流恢復水平(108)，指示負電流的恢復和負過電流事件的結束。可替換地，方法100檢測負電流的大小是否已經減小到負電流恢復水平的大小。更具體地說，在高壓側電源開關接通的情況下，高壓側電源開關將負電流從電感器通過開關節點傳導到輸入電壓節點。當負電流沒有增加到恢復水平時，方法100繼續監測電感器電流。同時，方法100還確定是否已達到高壓側最大開啟時間(110)。回應於達到最大接通時間，方法100關閉高壓側電源開關(112)。此時，低壓側電源開關仍處於關閉狀態，因此高壓側和低壓側電源都處於關閉狀態。開關調節器以三態模式運行，負電流通過高壓側電源開關的體二極體傳導至輸入電壓節點。

在高壓側電源開關在負電流已經恢復之前達到最大接通時間的情況下，方法100斷開高壓側電源開關，並繼續監測電感器電流，同時高壓側電源和低壓側電源開關都斷開。當負電流最終恢復並增加到恢復水平(或者負電流的幅度減小到恢復水平的幅度)時，指示負過電流事件已經結束，方法100接通低壓側電源開關(114)。方法100繼續接收電流感測信號(102)並繼續監測負過電流事件。特別地，開關調節器返回到正常的PWM操作，並且電源開關由PWM控制電路回應於回饋控制回路(包括回饋電壓和目標電壓)生成的PWM信號驅動。

在某些情況下，負過電流事件可能在高壓側電源開關的最大接通時間之前結束。也就是說，在高壓側電源開關接通期間，負電流已經增加到恢復水平。在這種情況下，方法100關閉高壓側電源開關，並打開低壓側電源開關(114)。方法100繼續接收電流感測信號(102)並繼續監測負過電流事件。特別地，開關調節器返回到正常的PWM操作，並且由PWM控制電路根據回饋控制回路(包括回饋電壓和目標電壓)生成的PWM信號，驅動電源開關。

如上所述，負電流保護方法100有效地將負電流限制在負電流閾值，同時防止高壓側和低壓側電源開關因不期望的條件而損壞，例如高壓側電源開關長時間處於開啟狀態或導致負電流失控的條件。

在本詳細說明書中，針對一個實施例描述的工藝步驟可用於不同的實施例，即使在不同的實施方案中未明確描述工藝步驟。當本文參考包括兩個或多個定義步驟的方法時，可以以任何順序或同時執行定義步驟，除非上下文指示或本文另外提供特定指令。此外，除非上下文指示或以其他方式提供表達指令，否則該方法還可以包括在任何定義步驟之前、在兩個定義步驟之間或在所有定義步驟之後執行的一個或多個其他步驟。

在該詳細描述中，本發明的各種實施例或示例可以多種方式實現，包括作為過程；裝置；系統；以及物質的組成。上面提供了本發明的一個或多個實施例的詳細描述以及說明本發明原理的圖式。結合這些實施例描述了本發明，但本發明不限於任何實施例。在本發明範圍內的許多修改和變化是可能的。本發明的範圍僅受申請專利範圍的限制，並且本發明包括許多替代方案、修改和等同物。為了提供對本發明的透徹理解，在說明書中闡述了許多具體細節。這些細節是為了示例的目的而提供的，並且本發明可以根據申請專利範圍來實踐。為了清楚起見，在與本發明相關的技術領域中已知的技術材料沒有被詳細描述，因此本發明不會被不必要地模糊。本發明由所附申請專利範圍限定。