输出电压保护控制器及相关控制方法与流程

1.本发明涉及一种稳压器(voltage regulator)的设计，更具体地，涉及一种使用由偏移电压动态调整的电压信号来控制稳压器的输出电压保护的输出电压保护控制器和相关方法。


背景技术：

2.在电子设备中，稳压器用于向电子负载提供稳定的电源。稳压器通常设计为即使当稳压器支持的电子负载发生变化或电源波动时也能将输出电压保持在指定的范围内。但是，由于某些因素，稳压器可能无法保持稳定的输出电压。例如，稳压器的输出电压可能由于稳压器内部的故障或来自诸如配电线路中的外部原因的故障而超过电子负载的最大额定电压(maximum rated voltage)。因此，需要一种创新的稳压器输出电压保护设计。


技术实现要素：

3.本发明提供输出电压保护控制器及输出电压保护控制方法。
4.本发明实施例提供的一种输出电压保护控制器，包括：比较器电路，被配置为将第一电压信号与第二电压信号进行比较以产生用于控制稳压器的输出电压保护的控制信号，其中该第一电压信号和该第二电压信号中的一个是反馈电压，该反馈电压从该稳压器的该输出电压获取，该第一电压信号和该第二电压信号中的另一个为电压检测阈值；和电压调整电路，被配置为在该输出电压的目标稳压电平为恒定值的期间，将偏移电压注入至该第二电压信号，以调整该第二电压信号。
5.本发明实施例提供的另一种输出电压保护控制器，包括：比较器电路，被配置为将第一电压信号与第二电压信号进行比较以产生用于控制稳压器的输出电压保护的控制信号，其中该第一电压信号和第二电压信号中的一个是反馈电压，该反馈电压从该稳压器的该输出电压获取，该第一电压信号和该第二电压信号中的另一个为电压检测阈值；和电压调整电路，被配置为接收该稳压器的电感电流的感测信号，至少根据该感测信号设定偏移电压，并将该偏移电压注入至该第二电压信号，以调整该第二电压信号。
6.本发明实施例提供的一种输出电压保护控制方法，包括：比较第一电压信号与第二电压信号以产生控制稳压器的输出电压保护的控制信号，其中该第一电压信号和该第二电压信号中的一个是反馈电压，该反馈电压从该稳压器的该输出电压获取，该第一电压信号和该第二电压信号中的另一个为电压检测阈值；和在该输出电压的目标稳压电平为恒定值的期间，将偏移电压注入至该第二电压信号，以调整该第二电压信号。
7.本发明实施例提供的另一种输出电压保护控制方法，包括：比较第一电压信号与第二电压信号以产生控制稳压器的输出电压保护的控制信号，其中该第一电压信号和该第二电压信号中的一个是反馈电压，该反馈电压从该稳压器的该输出电压获取，该第一电压信号和该第二电压信号中的另一个为电压检测阈值；接收该稳压器的电感电流的感测信号；至少根据该感测信号设定偏移电压；和将该偏移电压注入至该第二电压信号，以调整该
第二电压信号。
8.综上所述，本发明实施例通过将偏移电压注入至第二电压信号可实现第二电压信号(也即，从稳压器的输出电压获取的反馈电压或电压检测阈值)的调整，由此可更好地控制稳压器的输出电压保护。
附图说明
9.图1是说明根据本发明实施例的稳压器的图。
10.图2是根据本发明一实施例的用于实现动态调整电压检测阈值的目的的一种电路设计的示意图。
11.图3是根据本发明实施例的另一种实现动态调整电压检测阈值的电路设计的示意图。
12.图4是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第一示例的图。
13.图5是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第二示例的图。
14.图6是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第三示例的图。
15.图7是示出动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第四示例的图。
16.图8为动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第一示例的示意图。
17.图9是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第二示例的图。
18.图10是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第三示例的图。
19.图11是示出动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第四示例的图。
具体实施方式
20.在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”或“大约”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”或“耦合”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
21.接下面的描述为本发明预期的最优实施例。这些描述用于阐述本发明的大致原则而不应用于限制本发明。本发明的保护范围应在参考本发明的权利要求书的基础上进行认定。
22.如果电压检测阈值(例如，过压检测阈值(overvoltage detection threshold)或欠压检测阈值(undervoltage detection threshold))由输出电压的恒定目标稳压电平(target regulated voltage level)下的恒定电平(constant level)设定，则当稳压器的负载遭受负载攻击(load attack)和负载释放(load release)时稳压器的输出电压可能遭受不期望的过冲(overshoot)或下冲(undershoot)。例如，使用恒定电压检测阈值(例如，具有固定的840mv的电压检测阈值，该阈值通过将固定偏移添加到输出电压的恒定目标稳压电平来确定)的典型稳压器可能产生具有较大动态阻尼(damping)(例如，范围从-59mv到 200mv)的输出电压。为解决此问题，本发明提出一种输出电压保护控制器，其采用动态电压检测阈值(例如动态过压检测阈值或动态欠压检测阈值)。例如，使用动态电压检测阈值(例如，具有从768mv到840mv动态范围的电压检测阈值)的稳压器可产生具有较小动态阻尼(例如，范围从-43mv到 101mv)的输出电压。此外，使用所提出的动态电压检测阈值(例如动态过压检测阈值或动态欠压检测阈值)对稳压器的稳定性没有影响。下面将参照附图描述所提出的稳压器中的输出电压保护控制器的进一步细节。
23.图1是说明根据本发明实施例的稳压器的图。稳压器100可以是开关稳压器。如图1所示，稳压器100可以包括脉宽调制控制器(标记为“pwm”)102、功率级电路(标记为“ps”)104、电感器l和输出电容器c。脉宽调制控制器102可以通过控制功率级电路104来调整传输到负载106的输出电压vout。例如，功率级电路104可以包括由脉宽调制控制器102的输出控制的高边开关(high-side switch)和低边开关(low-side switch)。当设定目标稳压电平vreftar时，脉宽调制控制器102响应于输出电压vout和目标稳压电平vreftar之间的差值来控制功率级电路104。因此，通过对功率级电路104施加适当的反馈(feedback)控制，输出电压vout的电压电平将接近(approach)目标稳压电平vreftar。由于所属技术领域具有通常知识者可以很容易地理解脉宽调制控制器102、功率级电路104、电感器l和输出电容器c的细节，因此在此不再对这些模块的细节进行赘述。
24.稳压器100还包括输出电压保护电路110。在本实施例中，输出电压保护电路110包括输出电压保护控制器112和保护电路114，其中输出电压保护控制器112包括电压调整电路116和比较器电路118。应该注意，图1中所示的开关稳压器架构是仅用于说明目的，并不意味着对本发明的限制。实际上，任何使用输出电压保护电路110的稳压器(特别是输出电压保护电路110的输出电压保护控制器112)都落入本发明的范围内。
25.比较器电路118被布置为比较两个电压信号fb和vref以生成控制信号s
en
，该控制信号s
en
控制(启用或禁用)稳压器100的输出电压保护。具体地，保护电路114被布置为根据控制信号s
en
选择性地启用稳压器100的输出电压保护。在本发明的一些实施例中，稳压器100的输出电压保护可以是过压保护，以防止输出电压vout高于可接受的水平。在本发明的一些其他实施例中，稳压器100的输出电压保护可以是欠压保护，以防止输出电压vout低于可接受的水平。电压信号fb是从稳压器100的输出电压vout得到的反馈电压。例如，电压信号fb可以等于稳压器100的输出电压vout。电压信号vref是电压检测阈值。例如，电压信号vref可以是过压检测阈值或欠压检测阈值。
26.电压调整电路116被布置为在输出电压vout的目标稳压电平vreftar为恒定值的时段设定偏移电压v
os
并将偏移电压v
os
注入至电压信号fb和vref之一。换言之，在为输出电压vout设定恒定的目标稳压电平vreftar的情况下，通过将偏移电压v
os
注入至电压信号fb和vref之一可以达到动态调整电压检测阈值(例如过压检测阈值或欠压检测阈值)的效果。
27.在一个示例性设计中，电压调整电路116被布置为将偏移电压v
os
注入至电压信号vref。图2是根据本发明一实施例的用于实现动态调整电压检测阈值的目的的一种电路设计的示意图。电压调整电路116可以包括加法器202，加法器202被配置为将偏移电压v
os
加到电压信号vref上(即vref＝vref v
os
)。图2所示的比较器电路118观察到的电压差等于fb
–
(vref v
os
)。
28.由于比较器电路118通过比较电压信号fb与电压信号vref来确定控制信号s
en
，因此动态调整电压信号vref的效果与动态调整电压信号fb的效果相同。在另一示例性设计中，电压调整电路116被布置为将偏移电压v
os
注入至电压信号fb。图3是根据本发明实施例的另一种实现动态调整电压检测阈值的电路设计的示意图。电压调整电路116可以包括减法器302，减法器302被配置为从电压信号fb中减去偏移电压v
os
(即，fb＝fb-v
os
)。图3所示的比较器电路118观察到的电压差等于(fb-v
os
)-vref，其与图2所示的比较器电路118观察到的电压差fb-(vref v
os
)相同。
29.如前所述，电压调整电路116负责设定偏移电压v
os
，以实现电压信号fb/vref的动态调整。施加到电压信号fb和vref之一的调整可以基于直流(dc)电平(例如，恒定电压v
dc
)，或时变信号(例如，电感器l的电感电流il的感测信号il
sen
)，或基于dc电平和时变信号，具体取决于实际设计考虑。此外，根据实际设计考虑，偏移电压v
os
对电压信号fb/vref施加的调整可以增加电压信号fb/vref的电压电平或降低电压信号fb/vref的电压电平。
30.在本实施例中，电压调整电路116可以由事件感知电压调整电路来实现。因此，电压调整电路116还用于检测事件的发生以产生检测结果，并参考检测结果将偏移电压v
os
注入至电压信号fb和vref之一。例如，电压调整电路116可以比较输出电压vout(或指示输出电压vout的电压信号fb)与事件检测阈值vth以确定事件是否发生。例如，假设保护电路114被设定为为稳压器100提供过压保护，事件检测阈值vth可以通过目标稳压电平vreftar减去特定的非零电平来设定，且待检测的事件为输出电压vout(或表示输出电压vout的电压信号fb)低于事件检测阈值vth。又例如，假设保护电路114被设定为为稳压器100提供欠压保护，事件检测阈值vth可以由目标稳压电平vreftar减去特定的非零电平来设定，且待检测的事件为输出电压vout(或表示输出电压vout的电压信号fb)高于事件检测阈值vth。应该注意，电压调整电路116要检测的事件可以根据实际设计考虑而变化。
31.图4是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第一示例的图。电压信号vref用作过压检测阈值。事件检测阈值vth由稳压器100使用的现存阈值vrefdip设定，其中现存阈值vrefdip等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv1。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout低于事件检测阈值vth。另外，偏移电压v
os
由恒定电压v
dc
设定，即，应用至过压检测阈值的调整为直流偏移。如图4所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefov，并且在事件发生期间电压调整电路116将偏移电压v
os
注入至电压信号vref。当输出电压vout低于vrefdip时(即事件发生)，过压保护阈值被调整为较低的电平，这样可以防止电感提供的额外能量迫使输出电压
vout跳得太高。当输出电压vout高于vrefdip(即事件消失)时，过压保护阈值从较低电平恢复到正常电平vrefov以进行过压保护。
32.图5是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第二示例的图。电压信号vref用作过压检测阈值。事件检测阈值vth是不属于稳压器100使用的现存阈值的附加阈值。事件检测阈值vth等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv2(dv2≠dv1)。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout低于事件检测阈值vth。另外，偏移电压v
os
由恒定电压v
dc
设定，即，应用至过压检测阈值的调整为直流偏移。如图5所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefov，并且在事件发生期间电压调整电路116将偏移电压v
os
注入至电压信号vref。当输出电压vout低于vrefdip时(即事件发生)，过压保护阈值被调整为较低的电平，这样可以防止电感提供的额外能量迫使输出电压vout跳得太高。当输出电压vout高于vrefdip(即事件消失)时，过压保护阈值从较低电平恢复到正常电平vrefov以进行过压保护。
33.图6是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第三示例的图。电压信号vref用作过压检测阈值。事件检测阈值vth由稳压器100使用的现存阈值vrefdip设定，其中现存阈值vrefdip等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv1。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout低于事件检测阈值vth。此外，偏移电压v
os
根据电感电流il的感测信号il
sen
设定，即应用至过压检测阈值的调整与时变电感电流il有关。如图6所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefov，并且在事件发生期间电压调整电路116将偏移电压v
os
(其为时变电压)注入至电压信号vref。例如，偏移电压v
os
可以由a*(il
sen-il
avg
)设定，其中a是非零比率，il
avg
是电感电流il的平均值。又例如，偏移电压v
os
可由v1-a*(il
sen-il
avg
)设定，其中v1为直流电平，a为非零比率，il
avg
为电感电流il的平均值。
34.图7是示出动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的过压保护的过压检测阈值的第四示例的图。电压信号vref用作过压检测阈值。事件检测阈值vth是不属于稳压器100使用的现存阈值的附加阈值。事件检测阈值vth等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv2(dv2≠dv1)。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout低于事件检测阈值vth。此外，偏移电压v
os
根据电感电流il的感测信号il
sen
设定，即应用至过压检测阈值的调整与时变电感电流il有关。如图7所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefov，并且在事件发生期间电压调整电路116将偏移电压v
os
(其为时变电压)注入至电压信号vref。例如，偏移电压v
os
可以由a*(il
sen-il
avg
)设定，其中a是非零比率，il
avg
是电感电流il的平均值。又例如，偏移电压v
os
可由v1-a*(il
sen-il
avg
)设定，其中v1为直流电平，a为非零比率，il
avg
为电感电流il的平均值。
35.动态调整用于控制过压保护的过压检测阈值的概念同样可以应用于欠压保护应用。图8为动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第一示例的示意图。电压信号vref用作欠压检测阈值。事件检测阈值vth由稳压器100使用的现存阈值vrefdip设定，其中现存阈值vrefdip等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv1。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout高于事件检测阈值vth。另外，偏移电压v
os
由恒定电压v
dc
设定，即，应用至过压检测阈值的调整为直流偏移。如图8所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefuv，并且在事件发生期间电压调整电路
116将偏移电压v
os
注入至电压信号vref。
36.图9是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第二示例的图。电压信号vref用作欠压检测阈值。事件检测阈值vth是不属于稳压器100使用的现存阈值的附加阈值。事件检测阈值vth等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv3(dv3≠dv1)。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout高于事件检测阈值vth。另外，偏移电压v
os
由恒定电压v
dc
设定，即，应用至过压检测阈值的调整为直流偏移。如图9所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefuv，并且在事件发生期间电压调整电路116将偏移电压v
os
注入至电压信号vref。
37.图10是说明动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第三示例的图。电压信号vref用作欠压检测阈值。事件检测阈值vth由稳压器100使用的现存阈值vrefdip设定，其中现存阈值vrefdip等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv1。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout高于事件检测阈值vth。此外，偏移电压v
os
根据电感电流il的感测信号il
sen
设定，即应用至过压检测阈值的调整与时变电感电流il有关。如图10所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefuv，并且在事件发生期间电压调整电路116将偏移电压v
os
(其为时变电压)注入至电压信号vref。例如，偏移电压v
os
可以由a*(il
sen-il
avg
)设定，其中a是非零比率，il
avg
是电感电流il的平均值。又例如，偏移电压v
os
可由v1-a*(il
sen-il
avg
)设定，其中v1为直流电平，a为非零比率，il
avg
为电感电流il的平均值。
38.图11是示出动态调整输出电压保护控制器112用于控制稳压器100的欠压保护的欠压检测阈值的第四示例的图。电压信号vref用作欠压检测阈值。事件检测阈值vth是不属于稳压器100使用的现存阈值的附加阈值。事件检测阈值vth等于目标稳压vretar减去特定的非零电平dv3(dv3≠dv1)。电压调整电路116要检测的事件是输出电压vout高于事件检测阈值vth。此外，偏移电压v
os
根据电感电流il的感测信号il
sen
设定，即应用至过压检测阈值的调整与时变电感电流il有关。如图11所示，在事件未发生期间电压信号vref具有恒定电压vrefuv，并且在事件发生期间电压调整电路116将偏移电压v
os
(其为时变电压)注入至电压信号vref。例如，偏移电压v
os
可以由a*(il
sen-il
avg
)设定，其中a是非零比率，il
avg
是电感电流il的平均值。又例如，偏移电压v
os
可由v1-a*(il
sen-il
avg
)设定，其中v1为直流电平，a为非零比率，il
avg
为电感电流il的平均值。
39.应该注意的是，图4-11中所示的偏移电压v
os
仅用于说明目的，并不意味着对本发明的限制。对于第一种情况，偏移电压v
os
可以通过向上的dc偏移来设定。对于第二种情况，偏移电压v
os
可以通过向下的dc偏移来设定。对于第三种情况，偏移电压v
os
可以是具有斜率上升波形(ramp-up waveform)(与电感电流有关)的时变电压。对于第四种情形，偏移电压v
os
可以是具有斜率下降波形(ramp-down waveform)(与电感电流有关)的时变电压。
40.本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。