阅读说明：本技术 使用单一比较器的欠电压及过电压保护 (Under voltage and over voltage protection using a single comparator ) 是由 G·图尔干 于 2019-02-13 设计创作，主要内容包括：装置包括脉冲宽度调制信号,该脉冲宽度调制信号对应于截止电压,周期信号产生电路,比较器及逻辑。该比较器被配置为比较电压输入与周期信号产生电路的输出,且基于电压输入与周期信号产生电路的输出的比较,产生另一脉冲宽度调制信号。该逻辑被配置为比较脉冲宽度调制信号与其他脉冲宽度调制信号,以判定电压输入是否已到达截止电压。(The apparatus includes a pulse width modulated signal corresponding to a cutoff voltage, a periodic signal generating circuit, a comparator, and logic. The comparator is configured to compare the voltage input with an output of the periodic signal generation circuit and generate another pulse width modulated signal based on the comparison of the voltage input with the output of the periodic signal generation circuit. The logic is configured to compare the pulse width modulated signal to other pulse width modulated signals to determine whether the voltage input has reached a cutoff voltage.)

使用单一比较器的欠电压及过电压保护

优先权

本申请要求2018年2月16日提交的美国临时申请第62/631,601号的优先权，该申请的内容据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

过电压和欠电压保护用在许多不同的电子电路和设备。此类保护可以确保期望给定范围内的输入或控制信号的电子设备仅处在这样的范围内。此类的一个应用可包括在切换式电源供应器(SMPS)中使用过电压和欠电压保护。该保护可以由变压器、晶体管、开关、或保护装置的其他组件制成。

SMPS可以用来提供电源，这是因为SMPS通常由于切换的反馈，而表现出良好的调节，以及有效且经济的滤波。在切换式电源供应器中，过电压保护可防止电源供应输出超出预定的最大值，从而防止发生电路故障，及对由切换式电源供应器供电的电路的可能损坏。

发明内容

本公开的实施方案包括装置。该装置可包括对应于第一截止电压的第一脉冲宽度调制信号、周期信号产生电路和比较器。比较器可被配置为比较电压输入与周期信号产生电路的输出并且，基于电压输入与周期信号产生电路的输出的比较，产生第二脉冲宽度调制信号。该装置可进一步包括逻辑，该逻辑被配置为比较第一脉冲宽度调制信号和第二脉冲宽度调制信号以判定电压输入是否已到达第一截止电压。

与上述实施方案的任意一者组合，第一脉冲宽度调制信号可由脉冲宽度调制信号产生器产生。

与上述实施方案的任意一者组合，周期信号产生电路可被配置为产生锯齿信号。与上述实施方案的任意一者组合，信号产生电路的输出的上界限可对应于电压输入的电压上限，并且信号产生电路的输出的下界限可对应于电压输入的电压下限。

与上述实施方案的任意一者组合，该装置可以进一步包括对应于第二截止电压的第三脉冲宽度调制信号，且逻辑被配置为比较第二脉冲宽度调制信号和第三脉冲宽度调制信号以判定电压输入是否已到达第二截止电压。与上述实施方案的任意一者组合，该装置可包括第三脉冲宽度调制产生器以产生第三调制信号。

与上述实施方案的任意一者组合，该装置可以进一步包括表示电压输入是否已到达第二截止电压或第一截止电压的单一逻辑输出。

与上述实施方案的任意一者组合，被配置为比较第一脉冲宽度调制信号及第二脉冲宽度调制信号的逻辑可包括与运算，该与运算具有第一脉冲宽度调制信号的第一输入和第二脉冲宽度调制信号的第二输入。

与上述实施方案的任意一者组合，第一脉冲宽度调制信号可被延迟以匹配比较器的输出。

与上述实施方案的任意一者组合，被配置为比较第一脉冲宽度调制信号和第二脉冲宽度调制信号的逻辑可被配置为提供逻辑输出至切换式电源供应器输出产生器的关闭。

本公开的实施方案可包括微控制器、电源控制器、电源供应器、电源转换器、或包括上述实施方案的任何装置的电子设备。

本公开的实施方案可包括由上述的装置、微控制器、电源控制器、电源供应器、电源转换器、或电子设备的实施方案的任一者的操作所执行的方法。

附图说明

图1是根据本公开的实施方案的被配置为执行欠电压和过电压保护的电路的图示。

图2是根据本公开的实施方案的被配置为执行欠电压和过电压保护的电路的时序图。

图3示出了根据本公开的实施方案的示例测试设置。

图4A和图4B示出了根据本公开的实施方案的使用的***设备与微控制器的插脚引线。

图5A和图5B示出了根据本公开的实施方案的操作微控制器的示例代码。

图6至图12示出了根据本公开的实施方案的在测试配置中电路100的表现结果。

具体实施方式

图1是根据本公开的实施方案的电路100的图示。在一个实施方案中，电路100可被配置为执行过电压保护。在另一个实施方案中，电路100可被配置为执行欠电压保护。在又一个实施方案中，电路100可被配置为执行过电压保护和欠电压保护两者。在更进一步的实施方案中，电路100可被配置为使用单一比较器执行过电压和欠电压保护。电路100可被配置为指示被监测的电压电平是位于所期望两个边界之间还是之外。

用于过电压和欠电压保护的其他解决方案利用两个比较器。各个此类的比较器可被配置为将目前反馈电压与各个参考电压进行比较。因此，各个比较器可分别识别过电压和欠电压的状况。因此，单独比较器可用于过电压判定和欠电压判定的各者。相比之下，电路100可利用单一比较器112。

电路100可包括一个比较器112、一个可编程斜坡发生器114、一可配置逻辑单元124、和用以识别至电路100的输入电压102的欠电压和过电压的两个脉冲宽度调制(PWM)信号PWM_C118和PWM_D120。虽然电路100可能包括其他比较器(未示出)，或虽电路100可被包括在包括其他的比较器(未示出)的合适的较大系统，但在电路100内可能不需要用于执行欠电压和过电压的其他比较器。

电路100可包括在任何合适的较大系统、模块、CPU独立***(CIP)、控制器、SMPS控制器、或电子设备中。例如，电路100可被实施为微控制器中的CIP。通过将电路100实施为CIP，一旦电路100运作，其可独立于微控制器的CPU而运作。即，电路100可不需要软件或执行指令来执行其对于输入电压102的欠电压或过电压状况的持续监测。高电压和低电压的具体值可由例如在缓存器中的软件来设定，缓存器由电路100转译以供使用。然而，电路100本身可不需要来自CPU的持续指令来执行其功能。

当用于SMPS控制器中，微控制器的CIP可使用一个比较器来提供控制回路的组件。此外，峰值电流限制可利用另一比较器。此外，比较器可被用于短路检测。除了电路100的比较器112，可使用这些比较器。然而，这种比较器可不被用于过电压或欠电压检测。电路100可被实施在例如PIC16F1769、PIC16F1779，或可从本公开的受让人Microchip Technology获得的类似的微控制器。此类微控制器可在其CIPS中包括四个内部比较器。因此，微控制器上可用的三个比较器可被用于具有短路和峰值电流保护的主SMPS回路。因此，电路100可连同剩余的单一比较器被用于实施欠电压和过电压保护。更进一步，可执行剩余的单一比较器的使用，无须核心依赖组件，诸如模数转换器(ADC)。使用核心依赖组件(诸如ADC)需要由核心持续监测。ADC可在每个所需周期时间测量电压，并将获得的值用于决定是否发生欠电压或过电压事件的函数。

电路100的组件可通过模拟电路系统、数字电路系统、或其任何适当组合来实施。电路100可包括固定电压参考(FVR)116。FVR116可被用作为可编程斜坡发生器(PRG)114的输入。PRG114可被配置为产生周期锯齿三角形、逆锯齿、或类似信号。信号可从零电平上升至电压限制。所产生的锯齿信号可具有与SMPS本身相同的频率。锯齿信号可与输入电压102进行比较。结果可为将输入电压信息转为PWM信号的转换。因此，FVR116可向PRG114提供切换频率。FVR116频率可与电路100被实施或通信耦合到其中的SMPS的切换频率相同。如果FVR116频率比SMPS的切换频率快，则关闭和电压保护可比SMPS可以其他方式作用时更快地被执行。过电压和欠电压监测的检测频率应等同或快于SMPS的切换频率，否则过电压或欠电压状况可能发生但却没被检测到。

PRG114可被配置为取样其本身的输入电压。PRG114可被设定以产生三角形波形。PRG114所产生的信号周期可被配置为直接产生比较器112的输出信号周期。因此，PRG114的周期可被认定是取样速度。由PRG114产生的三角形波形的斜率，上升和下降次数可以是可配置的。电路100的用户可以因此设定取样频率和经测量电压的接受量值。

比较器112可具有经测量电压VIN102作为否定输入，及来自PRG114的输出作为正输入。比较器112的输出可以将来自VIN102的经测量电压电平作为占空比值转换成脉冲信号。比较器112的输出可以是PWM信号。

来自比较器112的所得PWM信号可能会被发出到CLC124。在一个实施方案中，CLC124可被实施为四个输入与或电路。该与或电路可被实施为两级电路，其中第一对输入是经与运算在一起，第二对输入经与运算在一起，且这些与运算的结果经或运算在一起。在第一对输入处，来自比较器112的所得PWM信号可以与PWM_C118进行与运算。在第二对输入处，来自比较器112的所得PWM信号可为否定且接着与PWM_D120进行与运算。CLC124可被配置为执行类似于PWM信号比较器的操作，且每当发生欠电压或过电压事件时输出逻辑低或高。

当监测的输入电压电平低于或高于期望的限制时，CLC124可成为逻辑“1”，且当电压电平在期望的界限中，CLC124可维持为逻辑“0”。仅当经测量输入电压电平低于期望值时，第一“与”具有PWM_C118及比较器112的输出作为输入，所以输出产生逻辑“1”。仅当经测量输入电压电平高于期望值时，第二“与”具有比较器112的否定输出和PWM_D120作为输入，所以输出产生逻辑“1”。

PWM_C118可用于设定所期望的最小接受输入电压电平(UVP电平)，并且与比较器112输出PWM信号同步。

用户可以通过更改PWM_C工作周期来控制限制。

PWM_D120可用于设定所期望的最大接受输入电压电平(OVP电平)，并且与比较器输出PWM信号同步。用户可通过更改PWM_D工作周期和起始位置来控制限制。

PWM_C118可被实施为从PWM产生电路产生的PWM信号。PWM_C118可包括对应于欠电压状况的所实施的工作周期。PWM_D120可被实施为从PWM产生电路产生的PWM信号。PWM_D120可包括对应于过电压状况的所实施的工作周期。产生PWM_C118和PWM_D120的PWM产生电路可根据用户提供的值(通过例如缓存器值)来设定。因此，PWM信号的工作周期是可配置的，且与各自对应于欠电压和过电压状况的值相关联。

如果来自比较器112的所得信号到达由PWM_C118或PWM_D120指定的电平，则CLC124的输出可被设定(在一个实施方案中为低)以导致SMPS操作的关闭。可将CLC124的输出提供给互补输出产生器(COG)108。COG108可通过电路系统的任何合适的组合来实施，并且可被配置为产生较大的SMPS的工作周期，从而控制SMPS转换和产生。工作周期可在从COG108输出的控制信号110中实现，并且可被用于启动或停止电压输出晶体管。CLC124的输出可被提供给COG108的自动关闭(AS)的输入。当关闭信号(高或低，取决于配置)在COG108的AS的输入处被接收时，COG108可停止输出转换，切断在SMPS中输入电压和输出电压间的连接。在关闭信号时，例如由通过CLC124回报的过电压或欠电压状况触发，COG124可保持关闭或自动重新启动。

PWM_A106和PWM_B104可由PWM源产生。PWM_A106可被配置为产生COG124及较大的SMPS的操作频率。PWM_A可以是可配置的。PWM_B104可以是将产生的最大工作周期的限制。

在一实施方案中，PWM_A106可以被重复使用来提供PWM_C118或PWM_D120。在这种情况下，PWM_A106的工作周期对于COG124来说可能是没有用的。COG124可能只使用PWM_A106的频率。PWM_106的工作周期可能不被COG124考虑。因此，PWM_A106可根据欠电压或过电压状况而以工作周期具体设定以供使用，并如PWM_C118或PWM_D120那样重复利用。因此，PWM_A106可被重复用于COG124与PWM_C118或PWM_D120中的一者，并且可以满足两个角色的频率与工作周期来设计。

PWM信号可由在其中实施电路100的系统或微控制器上可用的各种CIP或其他组件来产生。产生的PWM信号的频率和工作周期可根据缓存器或指令来设定。

图2示出了根据本公开的实施方案的时序图200。该时序图可说明电路100的操作。

PRG202示出了示例性周期信号，诸如锯齿信号。PRG202可表示PRG114的可能的输出。

VIN204示出了示例输入电压，诸如在VIN102处接收的电压。VIN204将随时间根据实际接收的输入电压而改变。

CMP206和～CMP208可彼此反相。CMP206可包括比较器112的输出。

PWM_C212可示出PWM_C118的表现。PWM_D214可示出PWM_D120的表现。

CLC_OUT216可示出CLC124的输出。

如图2所示，两个欠电压保护的例子可在方框UVP210中验证、展示。此外，三个过电压保护的例子可在方框OVP218中验证、展示。图2中的垂直虚线可以说明所示出的信号中事件一起发生的特定时间。

VIN204在UVP210和OVP218方框或区域的各者中可以是平坦的。VIN204可以在UVP210和OVP218方框或区域之间上升。

如图所示，由于在UVP210中，VIN204低于欠电压讯号，CLC_OUT216可据此脉冲。在OVP218中，VIN204是过电压信号，则CLC_OUT216可据此脉冲。然而，CLC_OUT可不一定持续脉冲，或在欠电压或过电压的周期的持续期间可不一定脉冲。相反，在一个实施方案中，当遇到欠电压或过电压时，CLC_OUT可在PRG202的周期期间脉冲一次。

如上所述，PWM_C118/212和PWM_D120/214可以是可控参考，其工作周期对应于特定电压。连同参考锯齿信号，PWM信号可实验性地判定，如图1所示，其中特定的截止电压通过比较器。所得到的信号可被观察且根据其工作周期再产生以实施PWM_C或PWM_D。

图3根据本公开的实施方案描绘了一个示例测试设置。图3的内容仅呈现为示例，其他测试配置也可以使用。

为了测试功能或实验性地判定PWM信号，可使用以下设备，例如：PICDEM LAB II板302、PIC16F176X/7X微控制器304、用来仿真可变输入电压的电位计306、导线、MPLAB ICD3PIC编程器(未示出)、验证信号的示波器(未示出)。

VDD可由MPLAB ICD3 PIC3编程器提供。

配置可使用MPLABX的MPLAB CODE CONFIGURATOR软件插件来设定。插件可包括代码段以开始PRG114并调整PWM_D120(在以下代码标示为PWM5)开始时间。在此类配置之后，电路100可独立于任何核心干预而操作。

对于微控制器304而言，可使用PIC内部振荡器32MHz(8MHz×4PLL)。

图4A和图4B示出了根据本公开的实施方案的使用的***设备与微控制器的插脚引线。图4可示出用于编程微控制器304的软件的截图。视图402可示出被选择以用于操作的CIP。视图404可示出CLC124的配置。视图406示出微控制器304的插脚引线。

可连同示例设定来使用以下的微控制器304的CIP：

·TMR2：可以2μs的周期设定以决定SMPS切换频率

·CCP1：TMR2的周期，设定为70％的工作周期；CCP1低到高转变可触发COG108的上升事件；CCP1高至低转变可触发COG108的下降事件，作为最大工作周期限制

·FVR：设定为4.096V，并用作PRG源；实施为FVR116

·PRG：实施为PRG114；PRG114可被配置为交替斜坡发生器；可包括2.5V/μs的斜率

·PWM3：(未示出)；50％DC，TMR2作为源；可被用作PRG114的开始斜坡上升和开始斜坡下降

·CMP1：实施为CMP112；否定输入可以连接到输入电压的等值，以及正输入可是连接的PRG114输出；CMP1的输出可包括PWM信号，其具有等值于输入电压电平的工作周期

·CLC2：实施为CLC124；可配置为与或；与1输入可以是CMP1的输出和PWM4；与2输入可以是CMP1的否定输出和PWM5；CLC的输出可直接连接到COG的自动关闭以在有不规则输入时停止设备，可实施中断例程以在保护期间处理系统

·PWM4：实施为PWM_C118；此信号的工作周期决定UVP限制

·PWM5：实施为PWM_D120；此信号的工作周期决定OVP限制；该信号的开始可被延迟以调整限制电平

·OPA1：设定为单位增益而PRG1设置为输入；可连同示波器被用来监测内部PRG信号

·COG1：实施为COG108；可用于验证保护信号周期的自动关闭功能

图5A和5B示出了根据本公开的实施方案示的操作微控制器304的示例代码。图5可示出用于编程微控制器304的软件的截图。图5中的代码可启动PRG。此外，图5中的代码可延迟PWM5。这种延迟可使PWM5与CMP1的输出同步。

图6至图11示出了根据本公开的实施方案的在测试配置中的电路100的表现的结果。这些可使用示波器和根据图5被编程的微控制器来达成，该示波器用于测量在图3和图4所示的引脚处发现的相关信号。捕获/比较/PWM(CCP)输出(如CCP1)可用于使示波器上的测量同步，使得捕获具有相同的同步来源。

图6示出了当输入电压(VIN102)在可接受的范围内的比较器输出(CMP1，比较器112)。可接受的范围可由PRG114来定义。比较器112的输出可以是PWM信号。该PWM信号可相对于PWM信号进行逻辑与或运算，这些PWM信号定义由PRG114定义的高阈值和低阈值。

CCP1可被实施为具有捕获和比较功能的PWM。CCP1可具有与图1的PWM_A和PWM_B相同的角色。

图7示出了当输入电压(VIN102)低于期望的限制时的比较器输出(CMP1，比较器112)。与图6相比时，图7的比较器输出具有工作周期长得多的部分处于逻辑“高”值。因此，比较器输出可相对于PWM信号进行逻辑与或运算，其中逻辑高值中的工作周期对应于可接受电压输入范围的较高阈值。

图8示出了在输入电压(VIN102)超过期望的限制时的比较器输出(CMP1，比较器112)。与图6相比时，图7的比较器输出具有工作周期长得多的部分处于逻辑“低”值。因此，比较器输出可相对于PWM信号进行逻辑与或运算，其中逻辑低值中的工作周期对应于可接受电压输入范围的较低阈值。

图9示出了当输入电压在定义的界限内的CLC的输出(CLCAND1,CLC 124)。图9可以对应于图6，但其中CLC输出不仅是比较器输出。也显示PWM4(PWM_C118)。PWM4和比较器输出的逻辑与可不产生CLC的输出中的逻辑高状况。这可对应于输入电压处于定义的界限内的事实。

图10示出当输入电压低于较低阈值电压的CLC输出(CLCAND1,CLC 124)。图10可以对应于图7，但其中CLC输出不仅是比较器输出。也显示PWM4(PWM_C118)。PWM4和比较器输出的逻辑与可产生CLC的输出的逻辑高状况。这可对应于输入电压低于定义的界限的事实。

在一个实施方案中，图9和图10的CLC输出可示出CLC124的第一级的一半的输出。

图11示出当输入电压在定义的界限内时CLC的输出(CLCAND2,CLC 124)。图11可以对应于图6，但其中CLC输出不仅是比较器输出。也显示PWM5(PWM_D120)。PWM5和否定比较器输出的逻辑与可不产生CLC的输出中的逻辑高状况。这可对应于输入电压处于定义的界限内的事实。如图4所示，CLC124被配置为改变设定为输入的信号的逻辑。C1OUT404可作为输入连接至或，其具有标注“1”和“3”。对于标注为“1”的或，信号为原样，因此连接正常线。对于标注为“3”的或，信号为否定，如由存在在输入处的圆圈所示。

图12示出当输入电压低于较低阈值电压时的CLC输出(CLCAND2,CLC 124)。图12可对应于图8，但其中CLC输出不仅是比较器输出。也显示PWM5(PWM_D120)。PWM5和否定比较器输出的逻辑与可产生CLC的输出中的逻辑高状况。这可对应于输入电压高于定义的界限的事实。

在一个实施方案中，图10和图11的CLC输出可示出CLC124的第一级的另一半的输出。

已根据一个或多个实施方案描述了本公开，并且应当理解，除了明确陈述的那些之外，许多等同物、替代物、变型和修改是可能的并且在本公开的范围内。虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其具体示例性实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对具体示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的特定形式。