CN101673938B - 输出短路的软恢复控制电路及其在dc-dc转换器中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了输出短路的软恢复控制电路及其在DC-DC转换器中的应用，初始上电过程中，FB端口的输出电压未超过设定的基准电压V9之前，软恢复控制电路的软恢复控制模块对开关模块不起作用；直到FB端口的输出电压正常后，如果FB端口的输出电压小于基准电压V9，软恢复控制模块输出关断信号至软恢复控制电路的开关控制模块，开关控制模块关断开关模块；软恢复控制模块继续检测FB端口的输出电压和负载电流，将负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块开启开关控制模块，FB端口的输出电压恢复正常。本发明可以降低输出短路时的芯片功耗并控制输出由短路恢复的时间。

Description

输出短路的软恢复控制电路及其在DC-DC转换器中的应用

技术领域

本发明涉及电源管理技术，尤其涉及电源短路保护技术。

背景技术

目前，电源管理电路的应用非常广泛，绝大多数通过开关管为负载供电的电路，如开关电源、低压差稳压器等，都需要具备输出短路保护功能，当输出过载或者短路时，开启输出短路保护功能，避免电路本身以及负载因大电流受到损坏。如图1所示的输出短路保护电路的短路保护模块(13)根据负载端的输出电压值判断是否短路，进而输出控制信号至开关控制模块(12)，完全或者间歇性关闭开关模块(11)。对于开关电源，当输出短路至地时，可以降低振荡器的频率或者电感器的最大峰值限流值，通过频率或者峰值限流值折返的方式确保电感器的电流有更多的时间衰减，减小了功耗并使负载及电路本身受到保护。

图1所示的输出短路保护模块在非同步降压型DC-DC转换器的应用，如图2所示，其中：

所述开关模块(11)为PMOS开关管M1，M1的源极作为DC-DC转换器的VIN端口，M1的漏极作为DC-DC转换器的SW端口，M1的栅极连接开关控制模块(12)；

所述开关控制模块(12)包含振荡发生器A2、误差放大器A3、比较器A4、逻辑电路A5和驱动电路A6；

所述短路模块(13)包括频率折返比较器A1，其检测FB端口的输出电压，当输出短路时降低开关控制模块(12)中振荡发生器的频率；

所述基准电压V1、V2可以为电路外部产生，也可以是内部基准电压源或其分压；

降压型DC-DC转换器同外围元器件相连构成DC-DC转换系统，如图2所示，外围元器件包括电感L1和电容C1组成的LC滤波网络、肖特基二极管D1、输出电压的分压电阻R1和R2。该DC-DC转换系统在输出短路或者负载过量时的工作过程为：输出VOUT端由于负载过大或者被短路至地，其电压值降低，至其FB端口的输出电压V_FB小于设定的基准电压V1时，频率折返模块将开关频率由f1调低至设定的较低频率f2；在某一定量的过大负载下，其输出电压稳定在固定的低电压VO_L，此时占空比

图2所示降压型DC-DC转换系统的电感电流波形如图3所示，峰值为DC-DC转换器内部设定的峰值限流Ipeak，谷值设为Ivale，如果系统工作在连续模式，开关管的导通时间和截止时间分别为：

$T_{\mathrm{ON}}=\frac{D}{f2},$ $T_{\mathrm{OFF}}=\frac{1-D}{f2}$ (其中 $D=\frac{{\mathrm{VO}}_L}{\mathrm{VIN}}$ )

电感上的纹波电流为：

$\mathrm{\ΔI}=\mathrm{Ipeak}-\mathrm{Ivale}=\frac{\mathrm{VIN}-{\mathrm{VO}}_L}{L}\×T_{\mathrm{ON}}=\frac{\mathrm{VIN}-{\mathrm{VO}}_L}{L}\×\frac{D}{f2}=\mathrm{VIN}\×\frac{1-D}{L}\×\frac{D}{f2}---\left(1\right)$

平均电感电流为：

$\mathrm{Iavg}=\frac{1}{2}(\mathrm{Ipeak}+\mathrm{Ivale})=\mathrm{Ipeak}-\frac{1}{2}\×\mathrm{VIN}\×\frac{1-D}{L}\×\frac{D}{f2}---\left(2\right)$

设工作时芯片的静态电流为I_Q，由公式(2)可推出输入VIN提供至输出VOUT的平均电流Idis为：

$\mathrm{Idis}=D\×\mathrm{lavg}=D\×(\mathrm{Ipeak}-\frac{1}{2}\×\mathrm{VIN}\×\frac{1-D}{L}\×\frac{D}{f2})---\left(3\right)$

输入VIN的总电流如图4所示：

$I_{\mathrm{total}}=I_Q+\mathrm{Idis}=I_Q+D\×(\mathrm{Ipeak}-\frac{1}{2}\×\mathrm{VIN}\×\frac{1-D}{L}\×\frac{D}{f2})$

正常工作时，降压型DC-DC转换器的最大带负载能力为：

${\mathrm{Iload}}_{\max }=\mathrm{\η}\×(\mathrm{Ipeak}-\frac{1}{2}\×\mathrm{VIN}\×\frac{1-D}{L}\×\frac{D}{f1})\×D---\left(4\right)$

当输出短路或者过量负载被去除，输出电压回升，当输出电压大于

其分压V_FB超过至设定的阈值点V1，开关频率回到正常值f1，在负载电流降低至小于公式(4)中的Iload_max时，输出电压即可完全恢复到正常。

上述DC-DC转换器输出短路保护的不足之处在于：由于输出短路时，开关动作仍在继续，损失了较大的功耗，如公式(3)；而在输出由短路状态恢复时，没有严格控制输出电流的恢复阈值点，只要负载电流降低至小于公式(4)的最大可带负载Iload_max，输出电压即可完全恢复到正常。

在实际工作中，短路时输出电压不正常时对芯片功耗的要求是越低越好；而在输出由短路恢复时，可能需要设定不同的负载电流阈值点，I1、I2......In，以及对应的输出电压VOUT1、VOUT2......VOUTn；

图1所示的输出短路保护电路也有类似的缺点：当输出由于过载或者被短路至地，如果开关模块被直接关闭，短路恢复时则必须重新上电；如果间歇性关闭开关模块(即所谓的“打嗝”模式，短路时周期性检测输出电压状态)，势必造成短路时电源损耗的增加。

总结上述传统输出短路保护电路的两个缺点：一是增加了输出短路时不必要的能源损耗；二是没有设定退出输出短路模式的输出电压阈值，输出由短路恢复时，没有设定负载的门限，也没有短路恢复的过程控制。

发明内容

本发明要解决现有技术的不足，提供可以减少能源损耗的，用于电源输出短路保护的软恢复控制电路。

同时，本发明还提供了短路保护的软恢复控制电路在DC-DC转换器的应用电路。

一种输出短路的软恢复控制电路，包括开关模块、开关控制模块和软恢复控制模块，其中：

所述开关控制模块的第一输入端连接软恢复控制模块的输出端、开关控制模块的第二输入端输入负载端的输出电压，开关控制模块的输出端连接开关模块的输入端；

所述软恢复控制模块的输入端输入负载端的输出电压，该模块将负载端的输出电压和基准电压V9进行比较：在电路初始上电过程中，负载端的输出电压在未超过设定的基准电压V9之前软恢复控制模块对开关模块不起作用，直到负载端的输出电压处于正常，即负载端的输出电压稳定在正常设定值；此后如果负载端的输出电压小于基准电压V9，软恢复控制模块输出关断信号至开关控制模块，开关控制模块关断开关模块；软恢复控制模块继续检测负载端的输出电压和负载电流，将负载端的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块开启开关控制模块，负载端的输出电压恢复正常。

输出短路的软恢复控制电路，还可以包括短路保护模块，所述短路保护模块的输入端输入负载端的输出电压，其输出端连接开关控制模块的第三输入端，该模块将负载端的输出电压和基准电压V1进行比较：

当所述基准电压V1＞基准电压V9时，如果负载端的输出电压降落到基准电压V1和V9之间，输出短路的软恢复控制电路按照下述两种工作方式的任意一种进行工作：

(A)短路保护模块输出控制信号通过开关控制模块关断开关模块，软恢复控制模块对开关模块不起作用；

(B)短路保护模块输出控制信号通过开关控制模块降低开关模块的频率，软恢复控制模块对开关模块不起作用，若负载端的输出电压继续降低到小于基准电压V9时，软恢复控制模块输出关断信号至开关控制模块，开关控制模块关断开关模块；软恢复控制模块继续检测负载端的输出电压和负载电流，将负载端的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块开启开关控制模块，在负载端的输出电压处于基准电压V1和V9之间，短路保护模块输出的控制信号通过开关控制模块降低开关模块的频率，直到负载端的输出电压超过基准电压V1，短路保护模块对开关模块的频率不起作用，输出短路的软恢复控制电路恢复正常工作。

当所述基准电压V1≤基准电压V9时，输出短路的软恢复控制电路的工作模式等同于图5A所示的输出短路的软恢复控制电路。

DC-DC转换器包括，输出短路的软恢复控制电路、VIN端口、SW端口以及FB端口：

所述输出短路的软恢复控制电路，包括开关模块、开关控制模块和软恢复控制模块，其中：

所述开关控制模块的第一输入端连接软恢复控制模块的输出端，开关控制模块的第二输入端输入FB端口的输出电压，开关控制模块的输出端连接开关模块的输入端；

所述软恢复控制模块的第一输入端输入FB端口的输出电压，该模块将FB端口的输出电压和基准电压V9进行比较：在电路初始上电过程中，FB端口的输出电压在未超过设定的基准电压V9之前软恢复控制模块对开关模块不起作用，直到FB端口的输出电压处于正常，即FB端口的输出电压稳定在正常设定值；此后如果FB端口的输出电压小于基准电压V9，软恢复控制模块输出关断信号至开关控制模块，开关控制模块关断开关模块；软恢复控制模块继续检测FB端口的输出电压和负载电流，将FB端口的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块开启开关控制模块，FB端口的输出电压恢复正常；

所述VIN端口连接所述开关模块的输入端和软恢复控制模块的第二输入端，所述SW端口连接所述开关模块的输出端和软恢复控制模块的第二输出端，所述开关模块控制VIN端口至SW端口的电流，当开关模块导通时，电流从VIN端口流至SW端口，否则没有电流从VIN端口流至SW端口。

所述开关控制模块包括振荡发生器、误差放大器、比较器、逻辑及驱动模块：

所述振荡发生器的输入端作为开关控制模块的输入端，输出端产生固定频率的斜坡电压信号；

所述误差放大器将FB端口的输出电压和基准电压V2进行比较，使得FB端口的输出电压稳定在基准电压V2，所述基准电压V9＜基准电压V2；

所述比较器将误差放大器的输出电压和振荡发生器输出的斜坡电压进行比较，当误差放大器的输出电压大于振荡发生器的斜坡电压时，比较器输出开启开关模块的信号至逻辑及驱动模块，否则比较器输出关断开关模块的信号至逻辑及驱动模块；

所述逻辑及驱动模块控制开关模块的开启或导通：

(A)如果软恢复控制模块输出关断开关模块的信号，则逻辑及驱动模块直接关闭开关模块；

(B)如果软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，则根据比较器输出至逻辑及驱动模块的信号决定是否开启开关模块：如果比较器输出的是开启开关模块的信号，则开启开关模块，如果比较器输出的是关断开关模块的信号，则关断开关模块。

所述开关模块为第一PMOS开关管M1，M1的源极作为DC-DC转换器的VIN端口，M1的漏极作为DC-DC转换器的SW端口，M1的栅极连接逻辑及驱动模块的输出端；

所述MOS管M1可以为P沟道增强型MOS管；也可以将所述PMOS管M1替换为PNP型三极管。

输出短路的软恢复控制电路，还可以包括短路保护模块，其中：

所述短路保护模块的输入端输入FB端口的输出电压，其输出端连接开关控制模块的第三输入端，短路保护模块将FB端口的输出电压和基准电压V1进行比较，所述基准电压V1＜基准电压V2；

当所述基准电压V1＞基准电压V9时，如果FB端口的输出电压降落到基准电压V1和V9之间，输出短路的软恢复控制电路按照下述两种工作方式的任意一种进行工作：

(A)短路保护模块输出控制信号通过开关控制模块关断开关模块，软恢复控制模块对开关模块不起作用；

(B)短路保护模块输出控制信号通过开关控制模块降低开关模块的频率，软恢复控制模块对开关模块不起作用，若FB端口的输出电压继续降低到小于基准电压V9时，软恢复控制模块输出关断信号至开关控制模块，开关控制模块关断开关模块；软恢复控制模块继续检测FB端口的输出电压和负载电流，将FB端口的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块开启开关控制模块，在FB端口的输出电压处于基准电压V1和V9之间，短路保护模块输出的控制信号通过开关控制模块降低开关模块的频率，直到FB端口的输出电压超过基准电压V1，短路保护模块对开关模块的频率不起作用，输出短路的软恢复控制电路恢复正常工作。

当所述基准电压V1≤基准电压V9时，输出短路的软恢复控制电路的工作模式相当于短路保护模块不存在。

所述短路保护模块为频率折返比较器A1，频率折返比较器A1的正输入端输入基准电压V1，频率折返比较器A1的负输入端连接FB端口，频率折返比较器A1的输出端接振荡发生器模块A2；通过频率折返的方式确保电感器的电流有更多的时间衰减，减小了功耗并使负载及电路本身受到保护。

如上所述软恢复控制模块可以采用电阻软恢复控制模块，其包括：

电路上电检测器、软恢复电阻、第二开关管和阈值比较器，软恢复电阻和第二开关管串联后跨接于所述DC-DC转换器的VIN端口和SW端口，第二开关管的栅极连接阈值比较器的输出端，电路上电检测器的输入端输入基准电压V9和FB端口的输出电压，电路上电检测器的输出端连接阈值比较器的输入端，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9之前，电路上电检测器通过边沿检测或者定时控制的方式使阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9之后，电路上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使阈值比较器使能，比较FB端口的输出电压和基准电压V9的大小，若FB端口的输出电压小于基准电压V9则输出关断开关模块的信号至逻辑及驱动模块，否则输出开启开关模块的信号至逻辑及驱动模块；

所述第二开关管M9，根据其控制信号的极性不同，可以为N沟道增强型MOS管，也可以为P沟道增强型MOS管，还可以为NMOS管和PMOS管的组合；

所述电阻软恢复的方式，在VIN端口和SW端口还可以并联多个由软恢复电阻与第二开关管串连后的结构，各阈值比较器的输出分别控制软恢复电阻与开关管串连后的结构，各阈值比较器分别设定各自的基准电压V9...Vn；各阈值比较器的使能由电路上电检测器控制，在FB端口的输出电压第一次达到各阈值比较器的基准电压V9...Vn中的最大值之前，电路上电检测器使各阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到各阈值比较器的基准电压V9...Vn中的最大值之后，电路上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使对应阈值比较器使能；组合逻辑模块将各阈值比较器的输出进行逻辑处理，输出开启或者关断信号至逻辑电路及驱动模块。

所述软恢复控制模块还可以采用电流源软恢复的方式，包括：电路上电检测器、内部电流源I、软恢复电流源、镜像管、第三开关管和阈值比较器，所述软恢复电流源为DC-DC转换器内部任一电流源I通过镜像管的镜像输出，可以为P沟道增强型MOS管，也可以替换为PNP型三极管，还可以为多个P沟道增强型MOS管或者多个PNP型三极管的级联结构，软恢复电流源和第三开关管串联，再跨接所述VIN端口和SW端口；电路上电检测器的输入端输入基准电压V9和FB端口的输出电压，电路上电检测器的输出端连接阈值比较器的输入端；在FB端口的输出电压第一次达到V9之前，电路上电检测器通过边沿检测或者定时控制的方式使阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到V9之后，电路上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使阈值比较器使能；如果阈值比较器使能，则判断FB端口的输出电压和基准电压V9的大小，若FB端口的输出电压V_FB小于基准电压V9则输出关断开关模块的信号至逻辑及驱动模块，否则输出开启开关模块的信号至逻辑及驱动模块；

所述第三开关管，根据其控制信号的极性不同，可以为N沟道增强型MOS管，也可以为P沟道增强型MOS管，还可以为NMOS管和PMOS管的组合；

所述电流源软恢复的方式，在VIN端口和SW端口还可以并联多个由软恢复电流源与第三开关管串连后的结构，各阈值比较器的输出控制分别控制由软恢复电流源与第三开关管串连后的结构；各阈值比较器设定各自的基准电压V9...Vn，各阈值比较器的使能由电路上电检测器控制，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9...Vn中的最大值之前，电路上电检测器使各阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9...Vn中的最大值之后，上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使对应阈值比较器使能，组合逻辑模块将各阈值比较器的输出进行逻辑处理，决定输出开启或者关断信号至逻辑及驱动模块。

本发明有益效果是：采用本发明提出的输出短路的软恢复控制电路可以，通过设定短路状态的输出电压的基准电压，软恢复控制模块判断电路是否进入短路状态，进入短路状态后完全关闭开关模块的开关管，降低了输出短路时的芯片功耗，而在输出由短路恢复时，通过正确设定软恢复控制模块的基准电压、软恢复电阻阻值或者软恢复电流源的大小，仅在负载低于设定的输出电流值以内时，输出电压才恢复正常，避免反复进入输出短路模式的情况，并且控制了输出由短路恢复的时间。

附图说明

图1为传统输出短路保护电路部分结构图。

图2为传统的非同步降压型DC-DC转换器的部分结构及同外围元器件相连构成的DC-DC转换系统图。

图3为传统降压型DC-DC转换器在输出短路情况下流过外接电感的电流波形图。

图4为传统降压型DC-DC转换器在输出短路情况下输入电流曲线图。

图5为本发明软恢复控制电路的结构图。

图6为本发明包含软恢复控制电路的降压型DC-DC转换器结构图。

图7为本发明采用软恢复电阻的输出短路保护方式的降压型DC-DC转换器结构图。

图8为本发明采用软恢复电流源的输出短路保护方式的降压型DC-DC转换器结构图。

图9为本发明采用多个软恢复电阻的输出短路保护方式的降压型DC-DC转换器结构图。

图10为本发明采用多个软恢复电流源的输出短路保护方式的降压型DC-DC转换器结构图。

图11为本发明采用单一软恢复电阻或软恢复电流源前后降压型DC-DC转换器由输出短路恢复的输出电压曲线图。

图12为本发明采用多个软恢复电阻或软恢复电流源并联前后降压型DC-DC转换器由输出短路恢复的输出电压曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容进一步说明。

一种输出短路的软恢复控制电路，包括开关模块(21)、开关控制模块(22)和软恢复控制模块(27)，如图5A所示，其中：

所述开关控制模块(22)的输入端连接软恢复控制模块(27)的输出端，并输入负载端的输出电压，开关控制模块(22)的输出端连接开关模块(21)的输入端；

所述软恢复控制模块(27)输入负载端的输出电压，该模块(27)将负载端的输出电压和基准电压V9进行比较：在电路初始上电过程中，通过边沿检测或者定时控制的方式，使得负载端的输出电压在未超过设定的基准电压V9之前软恢复控制模块(27)对开关模块(22)不起作用，直到负载端的输出电压处于正常，即负载端的输出电压稳定在正常设定值；此后如果负载端的输出电压小于基准电压V9，软恢复控制模块(27)输出关断信号至开关控制模块(22)，开关控制模块(22)关断开关模块(21)；软恢复控制模块(27)继续检测负载端的输出电压和负载电流，将负载端的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块(27)的阈值电流时，软恢复控制模块(27)开启开关控制模块(22)，负载端的输出电压恢复正常。

输出短路的软恢复控制电路，还可以包括短路保护模块(23)，如图5B所示，所述短路保护模块(23)输入负载端的输出电压，其输出端连接开关控制模块(22)的输入端，该模块(23)将负载端的输出电压和基准电压V1进行比较：

当所述基准电压V1＞基准电压V9时，如果负载端的输出电压降落到基准电压V1和V9之间，输出短路的软恢复控制电路按照下述两种工作方式的任意一种进行工作：

(A)短路保护模块(23)输出控制信号通过开关控制模块(22)关断开关模块(21)，软恢复控制模块(27)对开关模块(21)不起作用；

(B)短路保护模块(23)输出控制信号通过开关控制模块(22)降低开关模块(21)的频率，软恢复控制模块(27)对开关模块(21)不起作用，若负载端的输出电压继续降低到小于基准电压V9时，软恢复控制模块(27)输出关断信号至开关控制模块(22)，开关控制模块(22)关断开关模块(21)；软恢复控制模块(27)继续检测负载端的输出电压和负载电流，将负载端的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块(27)开启开关控制模块(22)，在负载端的输出电压处于基准电压V1和V9之间，短路保护模块(23)输出的控制信号通过开关控制模块(22)降低开关模块(21)的频率，直到负载端的输出电压超过基准电压V1，短路保护模块(23)对开关模块(21)的频率不起作用，输出短路的软恢复控制电路恢复正常工作。

当所述基准电压V1≤基准电压V9时，输出短路的软恢复控制电路的工作模式等同于图5A所示的输出短路的软恢复控制电路。

DC-DC转换器包括，输出短路的软恢复控制电路、VIN端口、SW端口以及FB端口，如图6A所示：

所述输出短路的软恢复控制电路，包括开关模块(21)、开关控制模块(22)和软恢复控制模块(27)，其中：

所述开关控制模块(22)的输入端连接软恢复控制模块(27)的输出端，并输入FB端口的输出电压，开关控制模块(22)的输出端连接开关模块(21)的输入端；

所述软恢复控制模块(27)输入FB端口的输出电压，该模块(27)将FB端口的输出电压和基准电压V9进行比较：在电路初始上电过程中，通过边沿检测或者定时控制的方式，使得FB端口的输出电压在未超过设定的基准电压V9之前软恢复控制模块(27)对开关模块(21)不起作用，直到FB端口的输出电压处于正常，即FB端口的输出电压稳定在正常设定值；此后如果FB端口的输出电压小于基准电压V9，软恢复控制模块(27)输出关断信号至开关控制模块(22)，开关控制模块(22)关断开关模块(21)；软恢复控制模块(27)继续检测FB端口的输出电压和负载电流，将FB端口的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块(27)开启开关控制模块(22)，FB端口的输出电压恢复正常。

所述VIN端口连接所述开关模块(21)的输入端和软恢复控制模块(27)的输入端，所述SW端口连接所述开关模块(21)的输出端和软恢复控制模块(27)的输出端，所述开关模块(21)控制VIN端口至SW端口的电流，当开关模块(21)导通时，电流从VIN端口流至SW端口，否则没有电流从VIN端口流至SW端口。

所述开关控制模块(22)包括振荡发生器(223)、误差放大器(224)、比较器(222)、逻辑及驱动模块(221)：

所述振荡发生器(223)的输入端连接所述FB端口，输出端产生固定频率的斜坡电压信号；

所述误差放大器(224)将DC-DC转换器FB端口的输出电压V_FB和基准电压V2进行比较，使得V_FB电压稳定在基准电压V2，所述基准电压V9＜基准电压V2；

所述比较器(222)将误差放大器(224)的输出电压和振荡发生器(223)输出的斜坡电压进行比较，当误差放大器(224)的输出电压大于振荡发生器(223)的斜坡电压时，比较器(222)输出开启开关模块(21)的信号至逻辑及驱动模块(221)，否则比较器(222)输出关断开关模块(21)的信号至逻辑及驱动模块(221)，如图13所示；

所述逻辑及驱动模块(221)控制开关模块(21)的开启或导通：

(A)如果软恢复控制模块(227)输出关断开关模块(21)的信号，则逻辑及驱动模块(221)直接关闭开关模块(21)；

(B)如果软恢复控制模块(227)输出开启开关模块(21)的信号，则根据比较器(222)输出至逻辑及驱动模块(221)的信号决定是否开启开关模块(21)：如果比较器(222)输出的是开启开关模块(21)的信号，则开启开关模块(21)，如果比较器(222)输出的是关断开关模块(21)的信号，则关断开关模块(21)；

所述开关模块(21)为PMOS开关管M1，M1的源极作为DC-DC转换器的VIN端口，M1的漏极作为DC-DC转换器的SW端口，M1的栅极连接逻辑及驱动模块的输出端；

所述MOS管M1可以为P沟道增强型MOS管；也可以将所述PMOS管M1替换为PNP型三极管。

输出短路的软恢复控制电路，还可以包括短路保护模块(23)，如图6B所示，其中：

所述短路保护模块(23)输入FB端口的输出电压，其输出端连接开关控制模块(22)的输入端，该模块(23)将FB端口的输出电压和基准电压V1进行比较，所述基准电压V1＜基准电压V2；

当所述基准电压V1＞基准电压V9时，如果FB端口的输出电压降落到基准电压V1和V9之间，输出短路的软恢复控制电路按照下述两种工作方式的任意一种进行工作：(A)短路保护模块(23)输出控制信号通过开关控制模块(22)关断开关模块(21)，软恢复控制模块(27)对开关模块(22)不起作用；

(B)短路保护模块(23)输出控制信号通过开关控制模块(22)降低开关模块(21)的频率，软恢复控制模块(27)对开关模块(21)不起作用，若FB端口的输出电压继续降低到小于基准电压V9时，软恢复控制模块(27)输出关断信号至开关控制模块(22)，开关控制模块(22)关断开关模块(21)；软恢复控制模块(27)继续检测FB端口的输出电压和负载电流，将FB端口的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块(27)的阈值电流时，软恢复控制模块(27)开启开关控制模块(22)，在FB端口的输出电压处于基准电压V1和V9之间，短路保护模块(23)输出的控制信号通过开关控制模块(22)降低开关模块(21)的频率，直到FB端口的输出电压超过基准电压V1，短路保护模块(23)对开关模块(21)的频率不起作用，输出短路的软恢复控制电路恢复正常工作。

当所述基准电压V1≤基准电压V9时，输出短路的软恢复控制电路的工作模式等同于图6A所示的输出短路的软恢复控制电路。

所述短路保护模块(23)为频率折返比较器A1，频率折返比较器A1的正输入端输入基准电压V1，频率折返比较器A1的负输入端连接DC-DC转换器的FB端口，频率折返比较器A1的输出端接振荡发生器(223)；通过频率折返的方式确保电感器的电流有更多的时间衰减，减小了功耗并使负载及电路本身受到保护。

所述基准电压V1、V2、V9可以由电路外部产生，也可以是内部基准电压源或其分压。

所述软恢复控制模块可以采用电阻软恢复控制模块，如图7所示，其包括：

电路上电检测器A7、软恢复电阻R9、第二开关管M9和阈值比较器A9，软恢复电阻R9和开关管M9串联后跨接于所述DC-DC转换器的VIN端口和SW端口，第二开关管M9的栅极连接阈值比较器A9的输出端，电路上电检测器A7的输入端输入基准电压V9和FB端口的输出电压V_FB，电路上电检测器A7的输出端连接阈值比较器A9的输入端，在FB端口的输出电压V_FB第一次达到基准电压V9之前，电路上电检测器A7通过边沿检测或者定时控制的方式使阈值比较器A9不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压V_FB第一次达到基准电压V9之后，电路上电检测器A7认为电路上电完成，输出控制信号使阈值比较器A9使能；比较FB端口的输出电压V_FB和基准电压V9的大小，若FB端口的输出电压V_FB小于基准电压V9则输出关断开关模块(21)的信号至逻辑及驱动模块(221)，否则输出开启开关模块(21)的信号至逻辑及驱动模块(221)；

所述第二开关管M9，根据其控制信号的极性不同，可以为N沟道增强型MOS管，也可以为P沟道增强型MOS管，还可以为NMOS管和PMOS管的组合；

图7所示的电路原理如下：

软恢复控制模块(27-1)中阈值比较器A9使能后，如果输出反馈电压V_FB小于设定的基准电压V9，即认为进入短路模式，此时阈值比较器A9输出为低电平，第二开关管M9导通，同时通过对逻辑模块A5的作用，并由驱动模块A6信号增强，关闭第一开关管M1，此时输入VIN不再由第一开关M1对SW端口提供电流，而仅仅通过软恢复电阻R9提供弱电流至SW端口；如果输出端的负载电流I_LOAD大于

(忽略开关管M9导通电阻的影响)，输出将一直维持在某一低电压状态V_O，V_O满足的条件是能为负载提供大小为

的电流；如果输出端负载电流值降低至以内(其中

)，电阻R9为负载提供电流的同时，对输出电容C1充电，输出电压慢慢上升，至

时，阈值比较器A9的输出翻转，由低电平转为高电平，关闭开关管M9并不再通过A5对开关管M1控制，DC-DC转换器恢复正常工作模式，并将输出电压稳定在正常设定值VOUT。

如此，通过合理设定V9的电压值，正确选取R9的阻值，可以得到两个输出短路保护的电压和电流阈值点，以及输出由短路恢复的软恢复时间：

$V_{\mathrm{TH}}=\frac{\mathrm{VOUT}\×V9}{V_{\mathrm{FB}}}---\left(5\right)$

$I_{\mathrm{TH}}=\frac{{\mathrm{VIN}-V}_{\mathrm{TH}}}{R9}=\frac{\mathrm{VIN}-\frac{\mathrm{VOUT}\×V9}{V_{\mathrm{FB}}}}{R9}---\left(6\right)$

假设输出短路恢复时的负载为I_LOAD(其中I_LOAD小于公式(6)中的I_TH)，R9提供的弱电流源对电容C1充电，忽略输出分压电阻R1、R2上的电流，满足下式：

$C1\×\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{VIN}-v}{R9}-I_{\mathrm{LOAD}}$ (其中v为某一时刻t的输出电压)              (7)

输出由短路开始恢复时的电压为V0，对公式(7)积分得：

t＝R9×C1×[In(VIN-V0-R9×I_LOAD)-In(VIN-v-R9×I_LOAD)]

可推出因此输出由短路恢复至基准电压V_TH的软恢复时间T_SS为：

T_SS＝R9×C1×[In(VIN-V0-R9×I_LOAD)-In(VIN-V_TH-R9×I_LOAD)]     (8)

如图8所示，所述电阻软恢复的方式，在VIN端口和SW端口还可以并联多个由软恢复电阻R9与开关管M9串连后的结构，各阈值比较器A9...An的输出分别控制软恢复电阻R9与开关管M9串连后的结构，各阈值比较器A9...An分别设定各自的基准电压V9...Vn；各阈值比较器A9...An的使能由电路上电检测A7控制，在FB端口的输出电压V_FB第一次达到V9...Vn中的最大值max(V9...Vn)之前，电路上电检测器A7使A9...An不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压V_FB第一次达到max(V9...Vn)之后，电路上电检测器A7认为电路上电完成，输出控制信号使对应阈值比较器A9...An使能；组合逻辑模块A8，将各阈值比较器A9...An的输出进行逻辑处理，输出开启或者关断信号至逻辑电路及驱动模块(221)。

所述软恢复控制模块也可以采用电流源软恢复控制模块，如图9所示，其包括：

电路上电检测器A7、内部电流源I、软恢复电流源M9、镜像管M2、第三开关管M91和阈值比较器A9，所述软恢复电流源M9为DC-DC转换器内部任一电流源I通过镜像管M2的镜像输出，可以为P沟道增强型MOS管，也可以替换为PNP型三极管，还可以为多个P沟道增强型MOS管或者多个PNP型三极管的级联结构，软恢复电流源M9和第三开关管M91串联，再跨接所述VIN端口和SW端口；电路上电检测器A7的输入端输入基准电压V9和FB端口的输出电压V_FB，电路上电检测器的输出端连接阈值比较器A9的输入端；在FB端口的输出电压V_FB第一次达到V9之前，电路上电检测器A7通过边沿检测或者定时控制的方式使阈值比较器A9不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压V_FB第一次达到V9之后，电路上电检测器A7认为电路上电完成，输出控制信号使阈值比较起A9使能；如果阈值比较器A9使能，则判断FB端口的输出电压V_FB和基准电压V9的大小，若FB端口的输出电压V_FB小于基准电压V9则输出关断开关模块(21)的信号至逻辑及驱动模块(221)，否则输出开启开关模块(21)的信号至逻辑及驱动模块(221)；

所述开关管M9，根据其控制信号的极性不同，可以为N沟道增强型MOS管，也可以为P沟道增强型MOS管，还可以为NMOS管和PMOS管的组合；

如图9所示的电路原理如下：

软恢复控制模块(27-3)中阈值比较器A9使能后，如果输出反馈电压V_FB小于设定的基准电压V9，即认为输出进入短路模式，此时阈值比较器A9输出为低电平，开关管M9导通，同时通过对逻辑模块A5的作用，并由驱动模块A6信号增强，关闭开关管M1，此时输入VIN不再由第一开关M1对SW端口提供电流，而仅仅通过弱电流源I9提供电流至SW端口；如果输出端的负载电流I_LOAD大于I9，输出将一直维持在某一低电压状态V_O，V_O满足的条件是能为负载提供大小为I9的电流，例如负载

为电阻型负载R_LOAD，则V_O＝R_LOAD×I9；

如果输出端负载电流值降低至I9以内，电流源I9提供电流至负载的同时，对输出电容C1充电，输出电压慢慢上升，至

时，阈值比较器A9的输出翻转，由低电平转为高电平，关闭开关管M9并不再通过A5对开关管M1控制，DC-DC转换器恢复正常工作模式，并将输出电压稳定在正常设定值VOUT。

如此，通过合理设定V9的电压值，正确选取I9的阻值，可以得到两个输出短路保护的电压和电流阈值点，以及输出由短路恢复的软恢复时间：

$V_{\mathrm{TH}}=\frac{\mathrm{VOUT}\×V9}{V_{\mathrm{FB}}}---\left(9\right)$

I_TH＝I9      (10)

假设输出短路恢复时的负载为I_LOAD(其中I_LOAD小于公式(10)中的I_TH)，电流源I9提供的弱电流源对电容C1充电，满足下式：

$C1\×\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=I9-I_{\mathrm{LOAD}}$ (其中V为某一时刻t的输出电压)      (11)

假设输出由短路开始恢复时的电压值为V0(例如负载为电阻型负载R_LOAD，则V0＝R_LOAD×I_LOAD)，对公式(11)积分可推出因此输出由短路恢复至基准电压V_TH的软恢复时间T_SS为：

$T_{\mathrm{SS}}=\frac{C1\×(V_{\mathrm{TH}}-V0)}{I9-I_{\mathrm{LOAD}}}---\left(12\right)$

如图10所示，所述电流源软恢复的方式，在VIN端口和SW端口还可以并联多个由软恢复电流源M9与第三开关管M91串连后的结构，各阈值比较器A9...An的输出控制分别控制由软恢复电流源M9与第三开关管M91串连后的结构；各阈值比较器设定各自的基准电压V9...Vn，阈值比较器A9...An的使能由电路上电检测器A7控制，在FB端口的输出电压V_FB第一次达到基准电压V9...Vn中的最大值max(V9...Vn)之前，电路上电检测器A7使各阈值比较器A9...An不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压V_FB第一次达到max(V9...Vn)之后，上电检测器A7认为电路上电完成，输出控制信号使对应阈值比较器A9...An使能，组合逻辑模块A8将各阈值比较器A9...An的输出进行逻辑处理，决定输出开启或者关断信号至逻辑及驱动模块(221)。

图10中，设定多个软恢复电路的阈值点，对应相应的输出电压V_TH1......V_THn、负载电流I_TH1......I_THn和软恢复时间T_SS1......T_SSn，对于电流源软恢复的方式：

$V_{\mathrm{THm}}=\frac{\mathrm{VOUT}\×\mathrm{Vm}}{V_{\mathrm{FB}}},$ Vm为阈值比较器Am设定的基准电压，1≤m≤n；

I_THm＝(n-m+1)×I，I为软恢复电流源电流值，1≤m≤n；

分别设输出由短路开始恢复时的负载电流和输出电压值为I_LOAD(I_LOAD＜I_THm)、V0：设V_THp-1≤V0≤V_THp(1≤p≤m，1≤m≤n)，则 $T_{\mathrm{SSm}}=\frac{C1\×(V_{\mathrm{THp}}-V0)}{I_{\mathrm{THp}}-I_{\mathrm{LOAD}}}+\underset{q=p+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C1\×(V_{\mathrm{THq}}-V_{\mathrm{THq}-1})}{I_{\mathrm{THq}}-I_{\mathrm{LOAD}}},$ p≤q≤m，1≤p≤m，1≤m≤n；

判断进入输出进入短路模式的条件可以确定为VOUT小于V_TH1......V_THn中的任意一个V_THm，但一旦输出进入短路模式，只有负载电流小于对应的电流阈值I_THm，输出电压才能恢复至V_THm，阈值比较器Am的输出翻转，由低电平转为高电平，关闭开关管Mn并不再通过A5对开关管M1控制，DC-DC转换器恢复正常工作模式，并将输出电压稳定在正常设定值VOUT。

如图7-10所示的DC-DC转换器的输出短路保护的软恢复控制电路，通过设定短路的输出电压阈值，判断是否进入短路模式；通过选取电阻或者电流源的电流值，设定输出端负载电流阈值，进而判断是否由短路恢复至正常工作模式，电阻或者电流源电流值的大小，决定了短路恢复的软恢复时间，如果外围电容或者反馈电阻网络发生变化，则可以调整电压阈值V9以及电阻R9或者电流值I9的大小，得到正确合理的软恢复时间。

图11为采用单一软恢复电阻或软恢复电流源前后降压型DC-DC转换器在输出短路恢复时的输出电压曲线图；图12为采用多个软恢复电阻或软恢复电流源并联前后降压型DC-DC转换器在输出短路恢复的输出电压曲线图。

本发明公开了输出短路保护的软恢复控制电路，并通过其在DC-DC转换器的具体应用，参照附图描述了本发明的具体实施方式和效果。应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，包括但不限于将本发明的输出短路软恢复控制原理应用于其它开关电源或者低压差稳压器等领域、对输出进入短路模式的判断方式的修改、对软恢复控制模块中软恢复电阻和软恢复电流源的实现方式的修改、对电路的局部构造的变更(如利用本领域技术人员所能想到的技术方法替换本发明中的阈值比较器模块A9，替换开关管M9和R9或者I9的连接方式，将R9...Rn由并联方式改为串联方式，将R9...Rn、I9...In由相同值改为某一比例值或者随机的不同值等)、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.DC-DC转换器，其特征在于包括输出短路的软恢复控制电路、VIN端口、SW端口以及反馈FB端口，所述VIN端口输入电流：

所述输出短路的软恢复控制电路，包括开关模块、开关控制模块和软恢复控制模块，其中：

所述开关控制模块的第一输入端连接软恢复控制模块的输出端，开关控制模块的第二输入端输入FB端口的输出电压，开关控制模块的输出端连接开关模块的输入端；

所述软恢复控制模块的第一输入端输入FB端口的输出电压，所述软恢复控制模块将FB端口的输出电压和基准电压V9进行比较：在电路初始上电过程中，FB端口的输出电压在未超过设定的基准电压V9之前软恢复控制模块对开关模块不起作用，直到FB端口的输出电压处于正常，即FB端口的输出电压稳定在正常设定值；此后如果FB端口的输出电压小于基准电压V9，软恢复控制模块输出关断信号至开关控制模块，开关控制模块关断开关模块；软恢复控制模块继续检测FB端口的输出电压和负载电流，将FB端口的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块开启开关控制模块，FB端口的输出电压恢复正常；

所述VIN端口连接所述开关模块的输入端和软恢复控制模块的第二输入端，所述SW端口连接所述开关模块的输出端和软恢复控制模块的第二输出端，所述开关模块控制VIN端口至SW端口的电流，当开关模块导通时，电流从VIN端口流至SW端口，否则没有电流从VIN端口流至SW端口。

2.如权利要求1所述DC-DC转换器，其特征在于所述开关控制模块包括振荡发生器、误差放大器、比较器、逻辑及驱动模块：

所述振荡发生器的输入端作为开关控制模块的输入端，输出端产生固定频率的斜坡电压信号；

所述误差放大器将FB端口的输出电压和基准电压V2进行比较，使得FB端口的输出电压稳定在基准电压V2，所述基准电压V9＜基准电压V2；

所述比较器将误差放大器的输出电压和振荡发生器输出的斜坡电压进行比较，当误差放大器的输出电压大于振荡发生器的斜坡电压时，比较器输出开启开关模块的信号至逻辑及驱动模块，否则比较器输出关断开关模块的信号至逻辑及驱动模块；

所述逻辑及驱动模块控制开关模块的开启或导通：

(A)如果软恢复控制模块输出关断开关模块的信号，则逻辑及驱动模块直接关闭开关模块；

(B)如果软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，则根据比较器输出至逻辑及驱动模块的信号决定是否开启开关模块：如果比较器输出的是开启开关模块的信号，则开启开关模块，如果比较器输出的是关断开关模块的信号，则关断开关模块。

3.如权利要求1、2所述DC-DC转换器，其特征在于所述开关模块为PMOS开关管M1，M1的源极作为DC-DC转换器的VIN端口，M1的漏极作为DC-DC转换器的SW端口，M1的栅极连接驱动电路A6的输出端。

4.如权利要求2所述DC-DC转换器，其特征在于还包括短路保护模块，所述短路保护模块的输入端输入FB端口的输出电压，其输出端连接开关控制模块的第三输入端，短路保护模块将FB端口的输出电压和基准电压V1进行比较，所述基准电压V1＜基准电压V2，所述基准电压V1＞基准电压V9，如果FB端口的输出电压降落到基准电压V1和基准电压V9之间，输出短路的软恢复控制电路按照下述两种工作方式的任意一种进行工作：

(A)短路保护模块输出控制信号通过开关控制模块关断开关模块，软恢复控制模块对开关模块不起作用；

(B)短路保护模块输出控制信号通过开关控制模块降低开关模块的频率，软恢复控制模块对开关模块不起作用，若FB端口的输出电压继续降低到小于基准电压V9时，软恢复控制模块输出关断信号至开关控制模块，开关控制模块关断开关模块；软恢复控制模块继续检测FB端口的输出电压和负载电流，将FB端口的负载电流和阈值电流进行比较，当负载电流小于软恢复控制模块的阈值电流时，软恢复控制模块开启开关控制模块，在FB端口的输出电压处于基准电压V1和基准电压V9之间，短路保护模块输出的控制信号通过开关控制模块降低开关模块的频率，直到FB端口的输出电压超过基准电压V1，短路保护模块对开关模块的频率不起作用，输出短路的软恢复控制电路恢复正常工作。

5.如权利要求4所述DC-DC转换器，其特征在于所述短路保护模块为频率折返比较器，频率折返比较器的正输入端输入基准电压V1，频率折返比较器的负输入端连接FB端口，频率折返比较器A1的输出端接振荡发生器模块；通过频率折返的方式确保电感器的电流有更多的时间衰减，减小了功耗并使负载及电路本身受到保护。

6.如权利要求2所述DC-DC转换器，其特征在于所述软恢复控制模块采用电阻软恢复控制模块，包括：

电路上电检测器、软恢复电阻、第二开关管和阈值比较器，软恢复电阻和第二开关管串联后跨接于所述DC-DC转换器的VIN端口和SW端口，第二开关管的栅极连接阈值比较器的输出端，电路上电检测器的输入端输入基准电压V9和FB端口的输出电压，电路上电检测器的输出端连接阈值比较器的输入端，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9之前，电路上电检测器通过边沿检测或者定时控制的方式使阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9之后，电路上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使阈值比较器使能，比较FB端口的输出电压和基准电压V9的大小，若FB端口的输出电压小于基准电压V9则输出关断开关模块的信号至逻辑及驱动模块，否则输出开启开关模块的信号至逻辑及驱动模块。

7.如权利要求6所述DC-DC转换器，其特征在于所述软恢复控制模块，在VIN端口和SW端口并联多个由软恢复电阻与第二开关管串连后的结构，各阈值比较器的输出分别控制软恢复电阻与开关管串连后的结构，各阈值比较器分别设定各自的基准电压V9…Vn；各阈值比较器的使能由电路上电检测器控制，在FB端口的输出电压第一次达到各阈值比较器的基准电压V9…Vn中的最大值之前，电路上电检测器使各阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到各阈值比较器的基准电压V9…Vn中的最大值之后，电路上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使对应阈值比较器使能；组合逻辑模块将各阈值比较器的输出进行逻辑处理，输出开启或者关断信号至逻辑电路及驱动模块。

8.如权利要求2所述DC-DC转换器，其特征在于软恢复控制模块采用电流源软恢复控制模块，包括：电路上电检测器、内部电流源I、软恢复电流源、镜像管、第三开关管和阈值比较器，所述软恢复电流源为DC-DC转换器内部电流源I通过镜像管的镜像输出，软恢复电流源和第三开关管串联，再跨接所述VIN端口和SW端口；电路上电检测器的输入端输入基准电压V9和FB端口的输出电压，电路上电检测器的输出端连接阈值比较器的输入端；在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9之前，电路上电检测器通过边沿检测或者定时控制的方式使阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9之后，电路上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使阈值比较器使能；如果阈值比较器使能，则判断FB端口的输出电压和基准电压V9的大小，若FB端口的输出电压V_FB小于基准电压V9则输出关断开关模块的信号至逻辑及驱动模块，否则输出开启开关模块的信号至逻辑及驱动模块。

9.如权利要求8所述DC-DC转换器，其特征在于所述软恢复控制模块采用电阻软恢复控制模块，在VIN端口和SW端口并联多个由软恢复电流源与第三开关管串连后的结构，各阈值比较器的输出控制分别控制由软恢复电流源与第三开关管串连后的结构；各阈值比较器设定各自的基准电压V9...Vn，各阈值比较器的使能由电路上电检测器控制，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9...Vn中的最大值之前，电路上电检测器使各阈值比较器不使能，软恢复控制模块输出开启开关模块的信号，在FB端口的输出电压第一次达到基准电压V9...Vn中的最大值之后，上电检测器认为电路上电完成，输出控制信号使对应阈值比较器使能，组合逻辑模块将各阈值比较器的输出进行逻辑处理，决定输出开启或者关断信号至逻辑及驱动模块。

Images