開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障檢測的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，特別是開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]由于其高效性以及所占據(jù)的面積/體積小，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器被廣泛地用于各種應(yīng)用和功率等級(jí)。廣泛接受的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括降壓、升壓、降壓-升壓、前饋、反激、半橋、全橋和SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。多相降壓轉(zhuǎn)換器尤其適于提供在低電壓下高性能集成電路所需的高電流，集成電路例如微處理器、圖形處理器、和網(wǎng)絡(luò)處理器。降壓轉(zhuǎn)換器可以用有源部件來實(shí)現(xiàn)，例如脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器IC(集成電路)、驅(qū)動(dòng)器電路、包括功率MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的一個(gè)或多個(gè)相、以及無源部件，諸如電感器、變壓器或耦合的電感器、電容器、和電阻器。多個(gè)相可以并聯(lián)連接，以滿足高輸出電流需求。
[0003]開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的部件數(shù)量眾多并且這種系統(tǒng)通常的高輸出電流和功率使得希望能檢測到任何部件或連接的故障，以檢驗(yàn)這些系統(tǒng)的全部功能，并確保開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在其整個(gè)工作范圍內(nèi)的正常操作。通常實(shí)施電壓、電流、功率和溫度的監(jiān)視，以確保在變化、不可預(yù)測和不可預(yù)見的操作條件下的正確操作。高性能集成電路，例如微處理器、圖形處理器、以及網(wǎng)絡(luò)處理器需要幾種保護(hù)機(jī)制，以針對電壓和電流變化進(jìn)行保護(hù)。相故障檢測(PFD)是一種保護(hù)機(jī)制，該保護(hù)機(jī)制保護(hù)負(fù)載，并且也為用戶提供了有效的診斷指導(dǎo)。高效、可靠以及低成本的PFD方案是極其需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)檢測開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障的方法的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括:在開關(guān)周期的兩個(gè)或多個(gè)不同點(diǎn)處測量由開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一相穿過電感器輸送到負(fù)載的相電流，在此該開關(guān)周期期間，該相在開關(guān)周期的第一間隔內(nèi)接通，并且在開關(guān)周期的第二間隔內(nèi)關(guān)斷，相電流具有期望的鋸齒形或三角形紋波圖案；并且基于在開關(guān)周期的兩個(gè)或多個(gè)不同點(diǎn)處獲得的相電流測量結(jié)果，確定該相是否有故障。
[0005]根據(jù)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例，該轉(zhuǎn)換器包括可操作為將相電流穿過電感器輸送到負(fù)載的一相。相電流具有期望的鋸齒形或三角形紋波圖案。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器還包括測量單元，其可操作為在開關(guān)周期的兩個(gè)或多個(gè)不同點(diǎn)處測量相電流，在此開關(guān)周期期間，該相在開關(guān)周期的第一間隔內(nèi)接通，并且在開關(guān)周期的第二間隔內(nèi)關(guān)斷。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器還包括分析單元，其可操作為基于在開關(guān)周期的兩個(gè)或多個(gè)不同點(diǎn)處獲得的相電流測量結(jié)果，確定該相是否有故障。
[0006]本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀以下詳細(xì)描述并且查看了附圖之后，將認(rèn)識(shí)到附加的特征和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0007]附圖中的元件不一定相對于彼此按比例繪制。相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的類似部分。各個(gè)所示實(shí)施例的特征可以組合，除非它們彼此排斥。附圖中所描繪的實(shí)施例在下面的說明中詳細(xì)描述。
[0008]圖1示出了具有相故障檢測的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例的框圖。
[0009]圖2示出了圖1的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相和對應(yīng)的離散電流感測網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施例的框圖。
[0010]圖3示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的相故障檢測方法的實(shí)施例的流程圖。
[0011]圖4示出了與圖3的相故障檢測方法和圖1的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作相關(guān)聯(lián)的各個(gè)波形圖。
[0012]圖5示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相電流分析單元的實(shí)施例的框圖。
[0013]圖6示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相電流分析單元的另一實(shí)施例的框圖。
[0014]圖7示出了圖1的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中包括的相和對應(yīng)的集成電流感測網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施例的框圖。
[0015]圖8A示出了與圖7的集成電流感測網(wǎng)絡(luò)所檢測的故障高側(cè)電流鏡相關(guān)聯(lián)的各種波形圖。
[0016]圖SB示出了與圖7的集成電流感測網(wǎng)絡(luò)所檢測的故障低側(cè)電流鏡相關(guān)聯(lián)的各種波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本文描述的實(shí)施例分析開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的相電流測量結(jié)果，以檢測可能的相故障。相電流可在相開關(guān)周期的兩個(gè)或多個(gè)不同點(diǎn)處測量，以測量正和負(fù)紋波，且測量結(jié)果可以與閾值進(jìn)行比較，以識(shí)別指示相故障的任何非預(yù)期的響應(yīng)。本文描述的方法能夠在該相的電流不是所期望的時(shí)候，檢測故障相。這可以包括在相電流的負(fù)部分、正部分或二者期間在兩個(gè)或多個(gè)不同點(diǎn)處測量相電流。具有相電流的正部分和/或負(fù)部分的任意一個(gè)部分的兩個(gè)或多個(gè)樣本可以指示該相電流是否表現(xiàn)得如同預(yù)期一樣。
[0018]圖1示出了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例，其包括功率級(jí)100，包括多個(gè)相102及諸如微控制器、微處理器、ASIC(專用集成電路)等的用于控制功率級(jí)100的操作的控制器200。每個(gè)相102可操作為通過單獨(dú)的電感器(LX)向負(fù)載104輸送相電流(IPX)，負(fù)載104經(jīng)由電感器和輸出電容器(Cout)連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。電感器電流在圖1中被標(biāo)記為IPUIP2...1PNo所述負(fù)載104可以是高性能集成電路，諸如微處理器、圖形處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器等或其它類型的需要電壓調(diào)節(jié)的電子電路。
[0019]每個(gè)相102具有用于通過相應(yīng)的電感器耦合到負(fù)載104的高側(cè)晶體管(HSX)和低側(cè)晶體管(LSX)。每一相102的高側(cè)晶體管可切換地將負(fù)載104連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓(Vin)，并且所述相應(yīng)的低側(cè)晶體管可切換地在不同的周期將負(fù)載104連接到大地。為了便于舉例說明，在圖1中示出三個(gè)相102 (N= 3)，然而功率級(jí)100可以包括任意數(shù)量的相102，包括單相或多于一個(gè)相。
[0020]控制器200通過調(diào)節(jié)輸送到負(fù)載104的相電流來調(diào)節(jié)由功率級(jí)100輸送到負(fù)載104的電壓(Vsense)?？刂破?00包括脈沖寬度調(diào)制器(PWM) 202，用于通過PWM控制信號(hào)(PWMUPWM2...PWMN)對功率級(jí)100的每個(gè)相102進(jìn)行開關(guān)，使得功率級(jí)100通過相應(yīng)的電感器和高側(cè)或低側(cè)晶體管向負(fù)載104發(fā)出(source)或匯入(sink)電流。當(dāng)PWM控制信號(hào)處于邏輯高電平，高側(cè)晶體管被置于導(dǎo)通狀態(tài)，電感器電流通過高側(cè)晶體管被發(fā)出或匯入，而且流過電感器的電流持續(xù)增加。其在此一般被稱為“接通時(shí)間(on-time)”，并且功率級(jí)100被認(rèn)為是“接通的”。當(dāng)PWM控制信號(hào)處于邏輯低電平，低側(cè)晶體管置于導(dǎo)通狀態(tài)，電流從低側(cè)晶體管被發(fā)出或匯入，并且流過電感器的電流持續(xù)下降。其在此一般被稱為“關(guān)斷時(shí)間(off-time)”，并且功率級(jí)100被認(rèn)為是“關(guān)斷的”。當(dāng)PWM控制信號(hào)處于三態(tài)或高阻抗邏輯電平(PWM控制信號(hào)既不高也不低)，高側(cè)和低側(cè)晶體管兩者均被置于非導(dǎo)通狀態(tài)，電流通過低側(cè)或高側(cè)晶體管的主體二極管被發(fā)出或匯入，并且流過電感器的電流幅度減小到零。其在此一般被稱為“高阻時(shí)間(HiZ-time) ”或“靜止時(shí)間(inactive time)”，并且功率級(jí)100被認(rèn)為處于“高阻抗”或靜止?？商鎿Q地，第二數(shù)字輸入可以用于啟用或禁用功率級(jí)100，使得該輸入可以表示功率級(jí)100高側(cè)導(dǎo)通、低側(cè)導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)。在CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式)期間，每個(gè)開關(guān)周期由一個(gè)“接通時(shí)間”和一個(gè)“關(guān)斷時(shí)間”以及兩者之間的最小死區(qū)時(shí)間組成，其中死區(qū)時(shí)間用于轉(zhuǎn)變，在所述轉(zhuǎn)變之間晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器可以發(fā)出或匯入電流，且電感器電流具有預(yù)期的鋸齒或三角形或紋波圖案，這是由于取決于哪個(gè)晶體管導(dǎo)通，電感器電流必須要么降低要么增加。在DCM(非連續(xù)導(dǎo)通模式)中，當(dāng)電感器電流為零時(shí)，不允許低側(cè)晶體管導(dǎo)通。那么該周期包含接通時(shí)間，隨后是關(guān)斷時(shí)間，再隨后是高阻時(shí)間。在高阻時(shí)間期間，電感器電流接近于零，而且一旦它接近零，則在周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)不改變。
[0021]在CCM或者DCM中，驅(qū)動(dòng)器106響應(yīng)于由PWM 202提供的PWM控制信號(hào)而向?qū)?yīng)的相102的高側(cè)及低側(cè)晶體管的柵極提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)(GHX、GLX)。相102的激活狀態(tài)以及高側(cè)和低側(cè)晶體管的占空比至少部分地基于施加到負(fù)載104上的輸出電壓(Vsense)確定，使得開