直流－直流变换器的保护电路的制作方法

专利名称：直流－直流变换器的保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子系统的电源，更具体地说，涉及电子系统的电源的直流-直流变换器保护电路。
背景技术：
直流-直流变换器将直流(“DC”)电压从一种电压电平变换成另一种电压电平。电源可以产生第一种电压电平(例如，12VDC)的DC电压。直流-直流变换器接收第一种电压电平作为输入，将第一种电压电平变换成第二种电压电平(例如，3.3VDC)作为变换器的输出。与直流-直流变换器的输出连接的一个或多个负载由变换器的输出电压供电。直流-直流变换器常常用于计算机系统和许多其它类型的电子系统。各种故障模式能够使变换器或负载中断，甚至永久性地破坏变换器或负载。

发明内容
根据本发明的至少一些实施例，直流-直流变换器(和相关方法)包括第一电源模块；至少一个与第一电源模块连接的第二电源模块；以及与第一和第二电源模块连接的保护电路。每一个电源模块包括在一对功率晶体管之间形成的转换节点。当保护电路检测到所述电源模块之一的转换节点已经停止转换时，保护电路使系统电源正常信号处在表示电源问题的状态。


现在，将参照附图详细说明本发明的示范性实施例，附图中
图1示出包括为负载提供DC电压的直流-直流变换器的系统；以及图2示出直流-直流变换器和与其相关联的各种保护电路的示范性实施例。
具体实施例方式
符号和术语在以下的整个说明和权利要求书中使用了某些术语涉及具体的系统部件的。正如本专业的技术人员将明白的，计算机公司可能用不同名称称呼一个部件。本文件不打算区别不同名称的部件之间的差别，而是区别它们不同的功能。在以下的讨论和权利要求书中，术语”包括”用于一种可扩展的形式，因此，应该解释为”包括，而不局限于…”。同样，术语”连接”的意思是指或者间接或者直接的电气连接。这样，如果第一台装置与第二台装置连接，所述连接可以是通过直接的电气连接，或者通过其它装置和连接的间接电气连接。
详细说明以下讨论针对本发明的各个实施例。虽然这些实施例中的一个或几个可能是最优的，但是，说明的实施例并没有解释为(或者用作为)局限于所说明(包括权利要求书)的范围。此外，本专业的技术人员将明白，以下说明具有广泛的应用，讨论的任何实施例仅仅是示范性实施例，并不是表示所说明的(包括权利要求书的)范围局限于所述实施例。
图1示出包括连接到电源103和负载101的直流-直流变换器100的系统。所述直流-直流变换器100接收输入电压(“VIN”)，并将输入电压变换成负载可以使用的输出电压(“VOUT”)。图1所示的系统可以代表各种各样的系统(例如，计算机系统)。作为计算机系统，负载101可以代表计算机系统的微处理器、存储器或其它部件。在一些实施例中，这里说明的直流-直流变换器可以在基于机架的系统中实现，在所述基于机架系统中，电源103将功率提供给多个变换器100和负载101(例如，服务器)。
图2示出图1的直流-直流变换器100的示范性实施例。变换器100包括一对如图所示的连接在一起的稳压器模块(“VRM”)102和104以及一个或多个保护电路200和250。也可以包括一个或多个附加的稳压器模块。按照防止或至少改善一个或多个故障模式的影响的需要，可以包括保护电路200和250中任意一个或者两者。下面将首先说明直流-直流变换器100的结构和操作，接着说明保护电路200和250。
以每一个VRM 102、104处的VIN的形式表示直流-直流变换器100的输入电压。通常将每一个VRM构造成与另一个VRM相同。如图所示，每一个VRM都包括脉冲宽度调制器(“PWM”)的控制器110、栅极驱动器114、线性调节器116、电感器L1和多个电阻、电容及晶体管，如下面示出和说明的。在至少一些实施例中，PWM控制器110包括由Intersil提供的微处理器CORE稳压器多相补偿PWM控制器(部件号为6302)。栅极驱动器114可以包括也是由Intersil提供的同步整流MOSFET驱动器(部件号为6605)。
如图2所示，每一个控制器110提供一对PWM输出信号(标记为PWM1和PWM2)。每一个控制器110的PWM1输出通过晶体管Q3连接到栅极驱动器114。栅极驱动器114产生一对输出栅极驱动信号，标记为上栅极驱动信号(“UGD”)和下栅极驱动信号(“LGD”)。如图所示，UGD驱动信号提供给晶体管Q1，而LGD驱动信号提供给晶体管Q2。晶体管Q1和Q2包括功率晶体管，并且可以用这里称为金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)的晶体管来实现。在至少一些实施例中，在VRM 102、104中的MOSFET Q1和Q2分别包括由InternationalRectifier提供的6604和6607MOSFET。VRM 102中的PWM控制器110的V_SET和OV_SET输入，通过一对调节电阻器112与地连接。在图2的例子中，每一个PWM控制器110包括ENABLE输入，所述ENABLE输入在VRM 102不连接而是在VRM 104中接地。每一个PWM控制器110还包括一对感测电流输入(标记为IS1和IS2)。输入电压VIN与MOSFETQ1的漏极、线性调节器116和电阻Rg连接。MOSFET Q1和Q2与Q1的源极连接在一起，Q1的源极在节点120上与Q2的漏极连接。电感器L1连接到节点120并且连接到变换器的输出电压(“VOUT”)。电容器COUT连接在变换器的输出模式和地之间。变换器100还包括系统电源正常(“SYSTEM PG”)信号，可以确定所述信号在无故障状态下为高电平而在故障状态下为低电平。
在至少一个实施例中，直流-直流变换器100可编程为提供在大约1.1VDC至大约5.1VDC范围内的输出电压(称为VOUT)。可以通过调节电阻112来对直流-直流变换器100的输出电压进行编程。输出电压Vo等于(1.1*(Radj+1)/(1000))伏特。
VRM 102、104可以配置成或者独立模块或者并联模块。在不需要附加的负载共享电路的情况下，以并联方式连接的VRM允许比以其他方式连接的VRM可能获得的较高的输出负载电流。每一个VRM包含”电源链”，后者包括Q1、Q2、L1和COUT的组合。虽然配置成并联方式，但是以相对于另一个VRM电源链的180度的异相驱动每一个VRM电源链。因此，在没有附加同步电路的情况下，减小了输入和输出电流波纹。
每一个VRM将输入电压(例如，+12VDC)变换成能够供给设计的输出负载电流的固定的或可调节的DC输出电压。如图2中所示，使用的电路拓扑结构是同步补偿变换器，在此变换器中，以串联跨接在DC输入源(“VIN”)和地两端的两个MOSFET Q1和Q2(也分别称为”上”和”下”MOSFET)，在一个转换周期中，被交替地接通和断开。栅极驱动器114接收PWM1信号，并根据PWM1信号的占空因数以这这样的方式彼此相反地确定UGD和LGD信号，即，每一个VRM中的MOSFET Q1和Q2彼此相对异相地接通和断开。就是说，当Q1接通时，Q2断开，反之亦然。而且，栅极驱动器114防止MOSFET Q1、Q2被同时接通。在至少一些实施例中，由于每一个VRM中的MOSFET Q1和Q2的交替协调动作的结果，节点120上的电压包括从大约-0.3VDC变化到大约12VDC的转换波形，它等于输入电压减去Q1的漏极和源极两端在频率大约500KHz的电压降。因此，节点120叫做”转换”节点。转换节点120将转换波形提供给包括电感器L1和电容器COUT的低通滤波器，电容器Cout对转换电压求平均，以便获得所需的DC输出电压。
正如下面将要更详细说明的，PWM控制器110通过以控制方式改变转换节点的转换电压的占空因数来调节DC的输出电压(“VOUT”)。PWM控制器110能够通过驱动彼此180度异相的通道来控制两个同步补偿通道。当VRM 102、104并联地用于在设置在1.1V和5.1V之间的给定的输出电压下传送较高的负载电流时，180度的相移可以减小输入和输出电流的波纹。为了平衡两个电源链通道之间的负载电流，并提供过流和过载保护，控制器110要通过检测横跨在Q2的漏极和源极管脚上的小的负电压降来测量每一个通道的低端MOSFET Q2的转换电流。然后，通过电阻(“R”)将电压降按比例变换成电流，所述电流通过IS1和IS2的感测输入端加到每一个通道的控制器的电流读出电路。然后，求所述电流的平均值并将其与单个通道的电流进行比较，然后，所述差值校正所述占空因数，以便实现通道负载平衡。
如上所述，直流-直流变换器100可以配置成双通道二相PWM控制器，但是仅仅具有一个电源链通道，而不是图2所示的两个电源链通道。为了提高电源容量，可以以一个VRM为”主”、另一个VRM为”从”的形式将两个VRM并联连接(如图2所示)。在图2的实施例中，VRM102配置为”主”，而VRM 104配置为”从”。在图2的主/从配置中，跳线JP1和JP3被去除而JP2和JP4被连接。可以将从属VRM 104的PWM控制器110全部禁止或去除，以便防止直流-直流变换器100的操作中断。在图2的实施例中，通过将其ENABLE输入信号接地来禁止从属模块的PWM控制器110。在从属模块中，当把从属的ENABLE信号与地短路时，小信号开关晶体管Q3被断开。禁止晶体管Q3将维持PWM1信号的从属PWM1信号与装入来自主VRM 102的已路由的信号PWM2_M的操作隔离。这种体系结构允许主VRM的PWM控制器110直接驱动从属VRM 104的电源链通道。实际上，带有有源控制器的VRM(即主VRM)控制VRM 102、104两者。这样，来自主VRM 102的PWM控制器110的PWM1信号控制主VRM中的栅极驱动器114，同时，来自主VRM控制器的PWM2信号被规定通过跳线JP2的路线传送并控制从属104中的栅极驱动器114。此外，在从属VRM中的转换节点120的电流感测信号通过电阻R3和跳线JP4以及IS2的输入端提供给主VRM的PWM控制器110，同时，主VRM中的转换节点120的电流感测信号通过IS1的输入端提供给主VRM的PWM控制器110。用这种方法配置的变换器100起双通道、二相直流-直流变换器同步补偿设计的作用，其中每一个通道的电源链和驱动器电路设置在分离的模块中。
在上述其他实施例中，多相位、基于多VRM的直流-直流变换器100可以配置成起单相变换器的作用。为了将变换器100的配置成起单模块的作用，一个VRM(例如，VRM 102)中的PWM控制器110配备有根据第二通道电流感测信号(“IS2”)的人为产生的信号，使控制器起双通道控制器的作用。可以通过连接跳线JP1和JP3并去除跳线JP2和JP4来把主VRM 102配置成单模块。VRM 102的PWM控制器110通过栅极驱动器114输出异相的PWM1和PWM2信号，以便驱动各电源链通道。控制器110调整PWM信号的单个脉冲宽度，以便平衡通道之间的负载电流并调节输出。由于IS2没有连接到不工作的其它通道的低端MOSFET，使IS2浮动的操作有效地禁止由PWM控制器内部平均电流电路停止工作引起的过流保护。内部PWM控制器的逻辑电路使PWM2信号被驱动到大约70％的最大占空因数。为了简化内部PWM控制器逻电路辑并恢复过电流保护的作用，包括R1、C2、R2和CR1的电路118经过电阻R并通过ISEN2_M信号馈送IS2。电压I SEN2_M是一个低电平负电压信号，它很象在转换周期结束期间，当PWM控制器对电流信息采样时，正常工作(但是现在没有)的电源链MOSFET Q2低端的负电压降。PWM2_M输出信号驱动构成闭环电路的R1、C1、R2和R。Schottky二极管CR1被反向偏置因而被断开。在该时间内，控制器110没有对通道的负载电流采样，也没有在电容器C1两端产生电荷或电压。当PWM2_M转换为低电平时，通道的电流读出电路(在控制器110中)被触发，对负载电流按比例采样。这种人为产生的电流由CR1的负方向电压降(-Vf)提供，并通过电阻R2转换为适当地确定的电流。由于电容器C1两端的电荷通过CR1放电，所以当PWM2_M信号跃变时CR1将-Vf引导或箝位到低电平。虽然这种方案提供了人为固定电流，但是所述方案通常足以形成作为PWM控制器功能一部分的过流保护电路，并且由于通道负载不平衡，所以仅仅确定固定电流以便提供合适的过载保护。因此，可以通过改变电阻R2的电阻值来把过流的极限值控制在所需的电平。
每一个VRM中的PWM控制器110可以包括过压保护电路。如果主或从属VRM 102、104中各上MOSFET Q1中的任意一个损坏，那么就可能出现过压状态。MOSFET的失效模式可以导致在晶体管漏极和源极端子之间形成短路。保护电路200可以起检测DC-DC变换器输入端上超过预定阈值的电压的作用。当在输出端上检测到由缺乏反馈机制引起的过压状态时，PWM控制器110禁止正常的PWM操作并使SYSTEM PG信号处在表示主系统(例如，负载101)出现故障状态的状态(例如，低电平)。当通过Q1的漏极和源极端子之间的短路而在输出端上检测到由Q1的故障引起的过压状态时，PWM控制器110禁止正常的PWM操作并接通Q2，保证输出不会超过过压极限值，因而，表示主系统(例如，负载101)出现故障状态。PWM控制器继续这种保护，一直到存储于连接在控制器的Vcc引线和接地(“GND”)引线之间的电容器中的工作电压放电到比PWM控制器的工作阈值还低为止。在该时间内，VRM的输入保险丝(没有特别示出)因承受高电流使其断开，从而，使输出与输入隔离。然而，除非控制器的Vcc处于或超过最小电压，否则，PWM控制器的过压保护装置可能不工作。这样，在Vcc(由线性调节器116提供)从0伏特朝4.5VDC的端子电压斜坡上升(增加)的起始期间(例如，接通电源期间)，可能存在一个时段，在所述时段中，可能出现故障，但是PWM控制器的过压保护电路还不能工作。当PWM控制器的机内保护还不能工作时，电路200起防止过压状态的作用。当Vcc低于阈值(例如，在断电或”brown out”期间)时保护电路200也不能防止过压状态，并且PWM控制器的内部保护停止工作。
正如图2所示，保护电路200包括电阻R4、R5、R6和R7；电容器C2；晶体管Q4和Q5；以及双Schottky二极管CR2。电阻R4和R5构成分压器，其输入信号为Vin。在节点202上被分出的电压提供给晶体管Q4的基极。电容器C2提供滤波，并将晶体管Q4基极与地连接。电压Vin通过电阻R6提供给晶体管Q4的集电极和晶体管Q5的基极。电阻R7将晶体管Q4的基极连接到晶体管Q5的集电极。如图所示，晶体管Q5的集电极还连接到封装的一对Schottky二极管CR2，二极管CR2又连接到栅极驱动器114的栅极输入端115。
电路200提供了过压保护，以便防止负载和变换器100出现过压状态(例如，在VRM 102、104中至少一个上MOSFET Q1的漏极和源极被短路)，过压状态可能出现在变换器加电期间，在变换器加电期间，控制器的过压保护还不能工作。在加电期间，Vin从0伏朝端子电压(例如，12VDC)跃变。这样设置R4、R5和R6电阻值，使得晶体管Q5在加电期间比晶体管Q4先接通。当晶体管Q5接通时，晶体管Q5的Vin可以达到约1伏特，在栅极驱动器114的栅极输入端115上将出现低电压。在将栅极的输入端接地的情况下，就将栅极驱动器114配置成接通下MOSFET Q2而断开上MOSFET Q1或使上MOSFET Q1保持断开状态。由于MOSFET Q2的源极端子接地，所以迫使转换节点120处在低电平，因而，变换器100输出给负载的电压维持在低电压电平。这样，在加电期间，加到负载上的电压VOUT起始时被强制为预定的低电平(例如，0伏特)。当Vin上升到PWM控制器内部过压保护电路可工作的电压时，晶体管Q4就将被接通。当晶体管Q4接通时，晶体管Q5的基极出现低电压，从而断开晶体管Q5。在晶体管Q5断开的情况下，先前强加在栅极驱动器114的栅极输入端115上的低电压将被去除，从而，允许VRM 102、104开始正常工作。
如上所述，在接通电源周期的初始部分，由于低的栅极输入电压的缘故，栅极驱动器114将MOSFET Q1断开并且将MOSFET Q2接通。然而，如果上MOSFET Q1损坏(例如，在开始接通电源之前损坏)，那么，如上所述，栅极驱动器114将接通Q2，尽管栅极驱动器114试图断开Q1，但是晶体管Q1将由于Q1损坏而被短路(即，接通)。这时，MOSFET Q1和Q2两者都将从Vin到地继续吸收电流。随着Vin的上升，通过MOSFET Q1和Q2的电流将上升到这样强度，在该电流强度下，由于强电流通过保险丝而使它断开，并使输出与输入隔离，VRM的输入保险丝将保护VRM的输出。
图2示出了每一个VRM 102、104提供分别标记为PG_M和PG_S的输出信号。每一个VRM包括电源正常检测电路，所述电路根据VRM是否存在问题控制相应的PG输出信号。在一些实施例中，电源正常信号被设置为高电平表示没有问题(例如，部分不能工作的VRM)而低电平表示存在问题。由VRM 102将标记为SYSTEM PG的信号控制为表示系统100的电源状态，并可以由主系统(例如，负载101)监视。这样，高电平的SYSTEM PG信号可以表示变换器1处在正常工作状态，而低电平的SYSTEM PG信号可以表示至少一个VRM(例如，从属VRM)处在不正常工作状态。
保护电路250的作用是检测从属VRM 104故障，并使SYSTEM PG信号为低电平，表示这种故障。电路250检测到的故障可以包括从属VRM 104转换的终止。由于从属VRM的PWM控制器110没有被启动，所以检测VRM工作问题的电源正常检测电路也被禁止。只有主VRM的PG电路是有效的，只要主VRM的输出电压Vout处于调整的范围内，它允许主VRM将SYSTEM PG信号设置为表示没有出现电源问题的状态。这样，当由于例如丢失来自主VRM的PWM2_M信号使从属VRM的电源链通道停止转换而故障出现时，由于主VRM继续调节输出电压，所以虽然由于从属VRM已经”死”了而使过载达到两倍的负载电流，但是，主VRM 102的PG_M输出信号(因而，即SYSTEM PG信号)继续设置为表示没有故障的状态。因此，SYSTEM PG信号继续表示没有问题的状态。
如上所述，在从属VRM 104正常工作期间，转换节点120上的电压包括转换波形。在一个实施例中，转换波形可以包括在大约500KHz的频率下在约-0.3VDC和约12VDC之间转换的电压。如果从属VRM 104停止转换(由于故障的缘故)，节点120上的电压变成近似等于为由变换器100驱动的负载设计的输出电压的DC电压电平。保护电路250致力于当从属VRM 104停止工作时保证把SYSTEM PG信号控制到表示主系统的电源问题的状态，即使主VRM 102继续正常工作。如下所述，电路250配置成区分正常工作状态(例如，转换节点120上的500KHz下0至12VDC的转换波形)和失效模式(例如，转换节点120上恒定的DC电压)。
电路250包括电阻R8和R9、电容C3、Schottky二极管CR3、以及晶体管Q6和Q7。零件R8、R9和C3的组合构成平均电路，它对接收到的从属VRM 104的节点120的转换波形进行滤波。滤波后的转换波形可以用来利用适当大小的内部电阻Ra和Rb使偏压晶体管Q6的基极-发射极连接进行反转，以便保证晶体管Q6在无问题工作(例如，充分工作的VRM 104)期间保持截止。在至少一个实施例中，只要Q6上的输入电压至少约为11.4伏特，晶体管Q6将保持截止。因此，这样选取R8、R9和C3的元件值，使得Q6的偏置电压在从属VRM 104正常转换工作期间(即，转换节点120上的转换波形为500KHz下0至12VDC)至少为11.4伏特。在晶体管Q6截止的情况下，晶体管Q7被迫截止。晶体管Q7用它自己内部的偏置电阻驱动系统的PG信号并连接到主VRM 102中PWM控制器110内部的断开的集电极晶体管。
当出现故障状态(例如，从属VRM处的转换停止，从而将转换节点120上电压减小到设计的输出电压)时，Q6基极上的电压将比保持晶体管Q6截止所需电压小。这样，晶体管Q6接通，从而将晶体管Q7驱动到接通状态。在晶体管Q7处在接通状态的情况下，SYSTEM PG信号被拉到低电平，从而表示主系统的故障状态。Schottky二极管CR3起隔离平均电路(R8、R9和C3)的作用，并帮助避免错误地接通晶体管Q6。
上述讨论是要说明本发明的原理和各个实施例。一旦上述讨论被本专业的技术人员完全理解，本发明的各种变化和修改将变得更加明显。以下的如权利要求说明书将看作为包含了所有这些变化和修改。
权利要求
1.一种直流-直流变换器(100)，它包括第一电源模块(102)；至少一个与所述第一电源模块连接的第二电源模块(104)；与所述第一和第二电源模块连接的保护电路(250)；其中每一个电源模块包括形成在一对功率晶体管(Q1、Q2)之间的转换节点(120)，并且其中当所述保护电路(250)检测到所述电源模块之一的转换节点(120)已经停止转换时，所述保护电路(250)使系统电源正常信号处在表示电源问题的状态。
2.如权利要求1所述的变换器(100)，其中，所述保护电路(250)包括产生表示所述电源模块之一上转换波形的平均电压的电压的平均电路(R8，A9，C3)，所述电压用于控制晶体管(Q7)，所述晶体管(Q7)使所述系统电源正常信号被控制来表示出现或没有出现电源问题。
3.如权利要求1所述的变换器，其中，所述第一电源模块(102)根据所述第一模块是否工作来控制所述系统电源正常信号，并且如果所述第二模块(104)不工作则所述保护电路(250)使系统电源正常信号处在表示电源问题的状态。
4.如权利要求1所述的变换器，其中还包括第二保护电路(200)，在所述直流-直流变换器加电的至少一部分时间内，所述第二保护电路(200)迫使所述变换器的输出电压为低电平。
5.如权利要求4所述的变换器，其中，至少在每一个模块的过压保护电路工作之前，所述第二保护电路(200)迫使所述输出电压为低电平。
6.一种方法，它包括通过第一稳压器模块(102)将输入DC电压变换成输出DC电压；通过所述第一稳压器模块(102)控制系统电源正常信号；在至少一个第二稳压器模块(104)中产生转换波形；通过所述第二稳压器模块(104)将所述输入DC电压变换成输出DC电压；接收所述第二稳压器模块(104)的所述转换波形；对所述接收到的转换波形进行滤波；以及根据滤波后的转换波形控制所述系统电源正常信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中，根据所述滤波后的转换波形控制所述系统电源正常信号的步骤包括如果所述滤波后的转换波形表示工作的第二稳压器模块(104)，则将所述电源正常信号设置为表示不存在电源问题的状态。
8.如权利要求6所述的方法，其中，根据所述滤波后的转换波形控制所述系统电源正常信号的步骤包括如果所述滤波后的转换波形表示所述第二稳压器模块(104)的不正常的工作，则将所述电源正常信号设置为表示存在电源问题的状态。
全文摘要
直流－直流变换器(100)包括第一电源模块(102)、至少一个与第一电源模块(102)连接的第二电源模块和与第一和第二电源模块连接的保护电路(250)。当保护电路(250)检测到电源模块之一的转换节点(120)已经停止转换时，保护电路(250)使系统电源正常信号处在表示存在电源问题的状态。
文档编号H02H7/10GK1716738SQ20051007895
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月13日 优先权日2004年6月14日
发明者M·A·贝马特, R·P·多明戈, H·N·阮 申请人:惠普开发有限公司