用于数据接口充电的短路保护制造技术

一种开关功率变换器，其提供有过电压保护电路，过电压保护电路响应于设备连接到用于通过耦接到电力总线开关的电力总线接收电力的数据电缆而在软启动时段期间软接通电力总线开关。

Short circuit protection for charging data interface

A switching power converter provides overvoltage protection circuit. The overvoltage protection circuit is connected to the data cable used to receive the power through the power bus connected to the power bus switch in response to the device, and the power bus switch is soft switched on during the soft start period.

【技术实现步骤摘要】
用于数据接口充电的短路保护
本申请涉及功率变换器，更特别地，涉及用于通过数据接口对设备充电的功率变换器的短路保护电路。
技术介绍
反激式开关功率变换器一般用于对移动设备充电，因为变换器的变压器提供了与AC家用电流的安全隔离。常规上使开关功率变换器通过标准接口(例如通用串行总线(USB)接口)耦接到被充电的移动设备。关于电力的输送，USB电缆仅能够提供一定量的电流。例如，USB2.0标准允许500mA的最大输出电流，而USBtypeC电力输送(PowerDeliver(PD))标准允许通过Vbus端子的5A(取决于特定电缆配置)的最大输出电流。对于如此多的电力的输送，USBtypeC协议要求向USB电缆供应电力的功率变换器包括Vbus开关，该Vbus开关在关闭时将功率变换器输出与Vbus端子隔离。Vbus开关的操作取决于USB电缆的上行端口(upstreamfacingport，UFB)是否连接到用于接收电力的移动设备。功率变换器连接到USB电缆的下行端口(downstreamfacingport，DFP)。为了检测移动设备到UFP的连接，功率变换器监测在DFP处的配置通道(configurationchannel，CC)的电压。在被连接时，移动设备使得在DFP处的CC端子放电，持续消除抖动时段。功率变换器通过从Vbus开关的默认打开状态关闭Vbus开关来对消除抖动时段的终结作出反应，以使得可以通过Vbus端子供应电力。尽管由此通过USB电缆产生的高电力输送是有利的，但是关于其实现出现了问题。例如，USB接口会变脏以使得灰尘颗粒或其他小导电物体使Vbus针脚(输送输出电压的针脚)和信号或接地针脚中的一个之间耦接。或者，USB电缆自身会由于用户的卷绕而变得磨损，以使得在Vbus导线和其余导线中的一个之间存在稍微导电的路径。结果是在Vbus端子和其余USB端子中的一个之间的“硬短路”或“软短路”。与硬短路相比，软短路在USB电缆或接口中的相应针脚(或导线)之间具有相对高的阻抗。在图1中示出了示例USBtypeC系统101。反激式开关功率变换器100包括初级侧控制器125和次级侧控制器120。初级侧控制器125调节功率开关晶体管S1的开关以提供5.0VVbus电压以对USB电缆115的USB连接器110中的Vbus端子充电。功率开关晶体管S1与具有次级绕组T2的变压器的初级绕组T1串联。当功率开关晶体管S1响应于被控制器125接通而导通时，耦接到次级绕组T2的输出二极管被反向偏置并且因此不导通。但是当功率开关晶体管S1打开时，跨接在次级绕组T2上的电压反向以使得输出二极管D1变得正向偏置并且导通。当Vbus开关晶体管S2不导通时，产生的放电不能流到Vbus端子。为了允许电缆连接的可反向性，USB连接器110包括两个配置通道端子：CC1端子和CC2端子。取决于连接定向，客户端设备105将使CC端子中的一个放电。次级控制器120通过在去除抖动时段之后关闭Vbus开关晶体管S2来对该放电作出反应。但是要注意输出电容器C1被充电到5.0V供电电压。如果短路140提供从Vbus端子到接地(GND)端子的导电路径，则输出电容器C1将通过Vbus开关晶体管S2和短路140释放短路电流。在图2中示出对于系统101产生的短路波形。Cc1针脚电压由于客户端设备106到USB电缆115的连接而在时间t0放电。在去除抖动时段终结之后，次级侧控制器120通过将其栅极电极在时间t1脉动到高而接通Vbus开关晶体管S2。Vbus端子电压响应于Vbus开关晶体管S2接通而上升。由于短路140的存在，通过Vbus开关晶体管S2的输出电流(I_discharge)脉动到高于其最大额定电流。该相对大的输出电流迅速地在时间t2将存储在输出电容器C1(VCC)之间的供电电压(VCC)拉到低于初级侧控制器重置阈值。初级侧控制器125然后重置以使得次级侧控制器120随后在时间t3重新确定Vbus开关晶体管栅极电压。输出电流再次突增并且产生的VCC中的下降导致另一重置，等等。反复地暴露于这样大的输出电流最终导致Vbus开关晶体管S2失效并且呈现不可逆的始终接通状态或不可逆的始终关断状态。这两种状态当然是不合需要的。因此，在现有技术中存在用于对通过数据接口进行充电的开关功率变换器的改进的短路保护的需要。
技术实现思路
开关功率变换器控制器控制电力总线开关以保护免受数据电缆中的软电路的损害，数据电缆包括用于对客户端设备充电的电力总线。电力总线开关的默认状态是关断，直到控制器检测到客户端设备已经连接到数据电缆。控制器然后在去除抖动时段之后发起电力总线开关的软启动，持续软启动时段。在电力总线开关的软启动期间，电力总线开关与在被完全驱动时相比具有更大电阻。如果在软启动时段期间电力总线电压上升到高于电力总线上升阈值电压，则控制器将电力总线开关驱动为完全接通。相反，如果在软启动时段期间，被电力总线开关选通的、从开关功率变换器输出的供电电压下降到低于短路检测阈值电压，则控制器打开电力总线开关。即便在数据电缆中存在短路，电力总线开关也因此从不遭受过量的输出电流。通过考虑下面的详细描述可以更好地理解这些有利特征。附图说明图1是常规反激式变换器的框图，其在响应于客户端设备的连接以通过USBtypeC电缆进行充电而关闭Vbus开关晶体管之后经历短路。图2示意了在图1的反激式变换器的短路状况期间的一些电压和电流波形。图3是包括配置成实施根据公开的方面的短路保护技术的反激式功率变换器的示例系统的图。图4是图3的反激式变换器中的次级控制器的电路图。图5示意了在图3的反激式功率变换器的短路状况期间的一些电压和电流波形。图6是用于图3的反激式功率变换器的操作的方法的流程图。通过参阅下文的详细说明将最佳地理解本公开文本的实施方式及其优势。应该意识到，类似的附图标记用于标识一个或多个附图中的类似元件。具体实施方式为了解决现有技术中对于通过数据电缆进行充电的短路保护的需要，给功率变换器提供了次级侧电力总线开关，其选通功率变换器是否通过下游端口将输出电流驱动到数据电缆内的电力总线上。不失一般性，下面的讨论将假设功率变换器是反激式功率变换器。但是将要理解，本文公开的短路保护可以方便地应用于其他类型的功率变换器。例如，降压变换器或降压/升压变换器方便地适于实施本文公开的短路保护技术。反激式功率变换器中的次级侧控制器配置为响应于要被充电的客户端设备已经自身连接到数据电缆上的上游端口的指示打开电力总线开关。为了简洁，次级侧控制器在下面将被称为次级控制器。次级控制器进一步配置为响应于连接指示而软启动电力总线开关。软启动延续软启动时段，在软启动时段期间，电力总线开关比在被完全驱动导通时电阻更大。如果在数据电缆或其接口中存在短路，则在软启动期间，与如果其已经被完全驱动导通相比，电力总线开关将因此传导减少的短路电流。软启动过程因此有利地保护电力总线开关免受过电流损坏，这将在本文进一步说明。为了在软启动过程中测试短路的存在，次级控制器在软启动过程中测试供应到电力总线开关的供电电压VCC是否下降到低于短路阈值电压。如果没有短路的指示，则次级控制器驱动电力总线开关完全接通。相反，如果在软启动过程中存在短路的指本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：检测设备已经连接到包括电力总线的数据电缆以从电力总线接收电力；在功率变换器中，将输出电容器充电到供电电压，输出电容器通过电力总线开关耦接到电力总线，电力总线开关在所述设备连接到数据电缆之后在去除抖动时段终结之前处于关断；在去除抖动时段终结之后在开始软启动时段时软接通电力总线开关，其中，与被完全接通时相比，被软接通时的电力总线开关具有更大的电阻；以及响应于供电电压已经下降到低于短路阈值电压而在软启动时段期间关断电力总线开关。

【技术特征摘要】
2016.07.15 US 15/212,1241.一种方法，包括：检测设备已经连接到包括电力总线的数据电缆以从电力总线接收电力；在功率变换器中，将输出电容器充电到供电电压，输出电容器通过电力总线开关耦接到电力总线，电力总线开关在所述设备连接到数据电缆之后在去除抖动时段终结之前处于关断；在去除抖动时段终结之后在开始软启动时段时软接通电力总线开关，其中，与被完全接通时相比，被软接通时的电力总线开关具有更大的电阻；以及响应于供电电压已经下降到低于短路阈值电压而在软启动时段期间关断电力总线开关。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述软接通电力总线开关包括：接通软开关晶体管以通过软启动电阻器将电力总线开关晶体管的栅极耦接到被充电到供电电压的节点。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：在软启动时段期间将供电电压与上升阈值电压比较；以及响应于比较指示供电电压大于上升阈值电压而完全接通电力总线开关晶体管。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述数据电缆是USB电缆。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述USB电缆是USBtypeC电缆。6.根据权利要求1所述的方法，其中，将输出电容器充电到供电电压包括通过反激式变换器的第二级对输出电容器充电。7.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述设备已经连接到数据电缆包括检测USB接口中的配置通道端子已经被放电到接地。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：从反激式变换器中的次级控制器，根据供电电压已经下降到低于短路阈值电压的确定，警告反激式变换器中的初级控制器短路状况。9.根据权利要求8所述的方法，其中，警告初级控制器包括次级控制器通过光耦合器向初级控制器发送信号。10.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定在软启动时段期间电力总线上的电力总线电压是否已经超过电力总线电压上升阈值；以及响应于电力总线电压超过电力总线电压上升阈值而在软启动时段期间完全接通电力总线开关。11.根据权利要求10所述的方法，其中，完全接通电力总线开关包括：通过电荷泵将电力总线开关晶体管的栅极充...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈一民，M·刘，D·多恩，X·张，姚建明，
申请(专利权)人：戴洛格半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US