开关功率转换器中的相故障检测的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及开关功率转换器，特别是开关功率转换器中的相故障检测。
【背景技术】
[0002]由于其高效性以及所占据的面积/体积小，开关功率转换器被广泛地用于各种应用和功率等级。广泛接受的开关功率转换器包括降压、升压、降压-升压、前馈、反激、半桥、全桥和SEPIC拓扑结构。多相降压转换器尤其适于提供在低电压下高性能集成电路所需的高电流，集成电路例如微处理器、图形处理器、和网络处理器。降压转换器可以用有源部件来实现，例如脉冲宽度调制(PWM)控制器IC(集成电路)、驱动器电路、包括功率MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的一个或多个相、以及无源部件，诸如电感器、变压器或耦合的电感器、电容器、和电阻器。多个相可以并联连接，以满足高输出电流需求。
[0003]开关功率转换器中包括的部件数量众多并且这种系统通常的高输出电流和功率使得希望能检测到任何部件或连接的故障，以检验这些系统的全部功能，并确保开关功率转换器在其整个工作范围内的正常操作。通常实施电压、电流、功率和温度的监视，以确保在变化、不可预测和不可预见的操作条件下的正确操作。高性能集成电路，例如微处理器、图形处理器、以及网络处理器需要几种保护机制，以针对电压和电流变化进行保护。相故障检测(PFD)是一种保护机制，该保护机制保护负载，并且也为用户提供了有效的诊断指导。高效、可靠以及低成本的PFD方案是极其需要的。
【发明内容】
[0004]根据检测开关功率转换器中的相故障的方法的一个实施例，该方法包括:在开关周期的两个或多个不同点处测量由开关功率转换器的一相穿过电感器输送到负载的相电流，在此该开关周期期间，该相在开关周期的第一间隔内接通，并且在开关周期的第二间隔内关断，相电流具有期望的锯齿形或三角形纹波图案；并且基于在开关周期的两个或多个不同点处获得的相电流测量结果，确定该相是否有故障。
[0005]根据开关功率转换器的一个实施例，该转换器包括可操作为将相电流穿过电感器输送到负载的一相。相电流具有期望的锯齿形或三角形纹波图案。开关功率转换器还包括测量单元，其可操作为在开关周期的两个或多个不同点处测量相电流，在此开关周期期间，该相在开关周期的第一间隔内接通，并且在开关周期的第二间隔内关断。开关功率转换器还包括分析单元，其可操作为基于在开关周期的两个或多个不同点处获得的相电流测量结果，确定该相是否有故障。
[0006]本领域技术人员在阅读以下详细描述并且查看了附图之后，将认识到附加的特征和优点。
【附图说明】
[0007]附图中的元件不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记表示相应的类似部分。各个所示实施例的特征可以组合，除非它们彼此排斥。附图中所描绘的实施例在下面的说明中详细描述。
[0008]图1示出了具有相故障检测的开关功率转换器的实施例的框图。
[0009]图2示出了图1的开关功率转换器中包括的相和对应的离散电流感测网络的实施例的框图。
[0010]图3示出了开关功率转换器中的相故障检测方法的实施例的流程图。
[0011]图4示出了与图3的相故障检测方法和图1的开关功率转换器的操作相关联的各个波形图。
[0012]图5示出了开关功率转换器中包括的相电流分析单元的实施例的框图。
[0013]图6示出了开关功率转换器中包括的相电流分析单元的另一实施例的框图。
[0014]图7示出了图1的开关功率转换器中包括的相和对应的集成电流感测网络的实施例的框图。
[0015]图8A示出了与图7的集成电流感测网络所检测的故障高侧电流镜相关联的各种波形图。
[0016]图SB示出了与图7的集成电流感测网络所检测的故障低侧电流镜相关联的各种波形图。
【具体实施方式】
[0017]本文描述的实施例分析开关功率转换器的相电流测量结果，以检测可能的相故障。相电流可在相开关周期的两个或多个不同点处测量，以测量正和负纹波，且测量结果可以与阈值进行比较，以识别指示相故障的任何非预期的响应。本文描述的方法能够在该相的电流不是所期望的时候，检测故障相。这可以包括在相电流的负部分、正部分或二者期间在两个或多个不同点处测量相电流。具有相电流的正部分和/或负部分的任意一个部分的两个或多个样本可以指示该相电流是否表现得如同预期一样。
[0018]图1示出了开关功率转换器的一个实施例，其包括功率级100，包括多个相102及诸如微控制器、微处理器、ASIC(专用集成电路)等的用于控制功率级100的操作的控制器200。每个相102可操作为通过单独的电感器(LX)向负载104输送相电流(IPX)，负载104经由电感器和输出电容器(Cout)连接到开关功率转换器。电感器电流在图1中被标记为IPUIP2...1PNo所述负载104可以是高性能集成电路，诸如微处理器、图形处理器、网络处理器等或其它类型的需要电压调节的电子电路。
[0019]每个相102具有用于通过相应的电感器耦合到负载104的高侧晶体管(HSX)和低侧晶体管(LSX)。每一相102的高侧晶体管可切换地将负载104连接到开关功率转换器的输入电压(Vin)，并且所述相应的低侧晶体管可切换地在不同的周期将负载104连接到大地。为了便于举例说明，在图1中示出三个相102 (N= 3)，然而功率级100可以包括任意数量的相102，包括单相或多于一个相。
[0020]控制器200通过调节输送到负载104的相电流来调节由功率级100输送到负载104的电压(Vsense)。控制器200包括脉冲宽度调制器(PWM) 202，用于通过PWM控制信号(PWMUPWM2...PWMN)对功率级100的每个相102进行开关，使得功率级100通过相应的电感器和高侧或低侧晶体管向负载104发出(source)或汇入(sink)电流。当PWM控制信号处于逻辑高电平，高侧晶体管被置于导通状态，电感器电流通过高侧晶体管被发出或汇入，而且流过电感器的电流持续增加。其在此一般被称为“接通时间(on-time)”，并且功率级100被认为是“接通的”。当PWM控制信号处于逻辑低电平，低侧晶体管置于导通状态，电流从低侧晶体管被发出或汇入，并且流过电感器的电流持续下降。其在此一般被称为“关断时间(off-time)”，并且功率级100被认为是“关断的”。当PWM控制信号处于三态或高阻抗逻辑电平(PWM控制信号既不高也不低)，高侧和低侧晶体管两者均被置于非导通状态，电流通过低侧或高侧晶体管的主体二极管被发出或汇入，并且流过电感器的电流幅度减小到零。其在此一般被称为“高阻时间(HiZ-time) ”或“静止时间(inactive time)”，并且功率级100被认为处于“高阻抗”或静止。可替换地，第二数字输入可以用于启用或禁用功率级100，使得该输入可以表示功率级100高侧导通、低侧导通和非导通状态。在CCM(连续导通模式)期间，每个开关周期由一个“接通时间”和一个“关断时间”以及两者之间的最小死区时间组成，其中死区时间用于转变，在所述转变之间晶体管处于导通状态。开关功率转换器可以发出或汇入电流，且电感器电流具有预期的锯齿或三角形或纹波图案，这是由于取决于哪个晶体管导通，电感器电流必须要么降低要么增加。在DCM(非连续导通模式)中，当电感器电流为零时，不允许低侧晶体管导通。那么该周期包含接通时间，随后是关断时间，再随后是高阻时间。在高阻时间期间，电感器电流接近于零，而且一旦它接近零，则在周期的持续时间内不改变。
[0021]在CCM或者DCM中，驱动器106响应于由PWM 202提供的PWM控制信号而向对应的相102的高侧及低侧晶体管的栅极提供栅极驱动信号(GHX、GLX)。相102的激活状态以及高侧和低侧晶体管的占空比至少部分地基于施加到负载104上的输出电压(Vsense)确定，使得开