CN101969188B - 用于开关电源的电阻短路保护装置和保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于开关电源的电阻短路保护装置，通过功率开关和电流检测电阻接入开关电源电路，包含电路连接的比较器、第一反相器、锁存计数器、主计数器、计数锁定/启动逻辑控制电路和第二反相器。电阻短路保护方法首先利用上电复位信号，初始化保护装置的数字逻辑，锁存计数器和主计数器处于复位状态，然后使得电阻短路保护装置的输出为高电平，开启功率开关，接着判断连续M个时钟周期，电流检测电阻上电压是否超过阈值电压，若是，则没有短路，若否，则短路发生，输出为低电平，关断功率开关。本发明提供了一种稳定可靠，可自动重启的电阻短路保护装置和保护方法，抗干扰性强，不存在死循环。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于开关电源的电阻短路保护装置和保护方法。
背景技术
开关电源变换器因其转换效率高的优点广泛应用于工业控制、网络、通信以及各种消费类电子设备。从电源系统的反馈控制方式来分，开关电源可以分为恒压控制方式开关电源和恒流控制开关电源。恒流控制方式以其动态响应速度快、调节性能好、过冲电压幅度小、系统稳定性好等特点，得到了越来越多的重视。
对于一个恒流控制方式的开关电源，一般需要将负载电流作为检测信号输入开关电源控制器。负载电流的检测一般通过电阻的方式实现。这个检测电阻可能会因为失误焊接而带来短路，而电阻短路保护可以防止因为电阻短路而带来电源系统遭受永久性损坏。
通常而言，在很多开关电源控制器上没有设计电阻短路保护模块来保护电源系统。或者，一些电源控制器仅采用简单的比较器，通过设置一个阈值电压，将电流检测电阻上的电压与该阈值电压进行比较来实现简单的电阻短路保护。这样的保护使得电源系统抗干扰能力差。一些非理想状况的发生会使得电源系统的意外关闭。
图1是一个简化的包含电阻保护电路的反激式开关电源变换器100。反激式开关电源变换器包含：初级绕组110，次级绕组111，辅助绕组112，功率开关130，电流检测电阻131，误差放大器140，比较器141，振荡器142，逻辑143，电阻短路保护144，功率管驱动145。
在开关电源变换器正常运行时，变换器分为两个阶段。第一阶段：初级绕组110（也可称为电感性绕组、变压器绕组）储能阶段；第二阶段：能量转移过程。在第一阶段，SW控制功率开关130导通，线圈110正端的电压VDC对初级绕组110储能，流过初级绕组110的电流增大，这个电流与流过电阻131的电流相等。此时，次级绕组111中流过电流为零，与次级绕组串联的二极管120截止。在第二阶段，SW控制功率开关130断开。储存在初级绕组110中的能量通过变压器传输到次级绕组111，使得二极管120开启。能量供给负载122以及储存在与负载并联的电容121中。第一阶段和第二阶段构成一个转换周期。变换器从第一阶段转换到第二阶段由变换器的内在反馈控制。具体而言，当电流检测电阻上的电压VS达到误差放大器输出电压VEA，经过PWM比较器以及后续逻辑处理，变换器由第一阶段进入第二阶段。然而在非正常状态下，由于电流检测短路，电压VS一直处于较低值，不能达到电压VEA，会使得电源变换器一直处于第一阶段。它的直接结果是，流过变压器初级线圈的电流越来越大，导致电源系统的永久损坏。然而，如图2所示，现有的电阻短路保护，采用比较器201，将电流检测信号电压VS与阈值电压Vth比较，一旦在预定时刻电压VS低于电压Vth，通过逻辑控制202和栅极驱动203关闭功率开关，防止电流进一步增大，防止电源系统的永久性损害。但是，这种简单的通过比较器判断，会出现误判断。特别是，电源系统初始上电期间，电源模块需要正确建立，即使检测电阻没有短路，也会导致误判。而且这种电阻短路保护在误判断发生后需要人为重新启动电源系统才可能使得电源正常工作。这样的保护方法具有稳定性差，可靠性低的弊端。
综上所述，有必要设计一种更优化的电阻短路保护方式以解决上述问题。
发明内容
本发明提供的一种用于开关电源的电阻短路保护装置和保护方法，提供了一种稳定可靠，可自动重启的电阻短路保护装置和保护方法，抗干扰性强，不存在死循环。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于开关电源的电阻短路保护装置，该保护装置通过功率开关和电流检测电阻接入开关电源电路，该保护装置包含电路连接的比较器、第一反相器、锁存计数器、主计数器、计数锁定/启动逻辑控制电路和第二反相器。
所述的计数锁定/启动逻辑控制电路包含第一与门和第二与门。
所述比较器的输入为电流检测电阻上的检测电压和一个直流阈值电压，此两者的比较结果作为锁存计数器的置位/复位信号之一。
所述的锁存计数器包含电路连接的输入时钟处理逻辑模块，触发器1，触发器2……触发器M。
所述计数锁定/启动逻辑控制电路的第一与门包含三路输入：上电复位信号，比较器的输出和主计数器的输出。
所述主计数器包含触发器1，触发器2，……触发器N。
当上电复位为低电平，在逻辑控制下，锁存计数器和主计数器处于复位状态，保护装置的保护输出为高电平，此时认为短路情况未发生，以便芯片正常启动。当上电复位为高电平，电阻短路保护装置正常工作。当检测电压输入端的电压大于阈值电压时，触发锁存计数器复位，保护装置的保护输出为高电平，此时认为短路情况未发生，同时，复位主计数器。如果连续M个时钟周期，检测电压输入端的电压低于阈值电压，则锁存计数器会计数到计数状态M，锁存计数器锁定在计数状态M，保护装置的保护输出为低电平，此时认为短路情况发生，同时，主计数器开始计数，当主计数器计数到计数状态时，再次复位锁存计数器。
一种用于开关电源的电阻短路保护方法，该保护方法包含以下步骤。
步骤1、上电复位；
利用上电复位信号，初始化保护装置的数字逻辑，锁存计数器和主计数器处于复位状态。
步骤2、初始化结束，使得电阻短路保护装置的输出为高电平，开启功率开关。
步骤3、检测电流检测电阻是否短路；
判断连续M个时钟周期，电流检测电阻上电压是否超过阈值电压，若是，则没有短路，跳转到步骤2，若否，则短路发生，跳转到步骤4。
步骤4、电阻短路保护装置输出为低电平，关断功率开关。
步骤5、主计数器计数N个周期后，跳转到步骤2。
本发明的优点在于：一方面，可以通过灵活的设置锁存计数器的计数周期M，若连续M个周期，电流检测电阻上的检测电压没有超过设定阈值，即为电阻短路，具有很好的抗干扰性；另一方面，通过采用主计数器，本装置和方法不存在死循环状态，在发生电阻短路误判断时，不需要冷启动电源系统。
附图说明
图1是背景技术中反激式开关电源变换器示意图。
图2是背景技术中现有的电阻短路保护电路。
图3是本发明提供的用于开关电源的电阻短路保护装置的电路结构示意图。
图4～图6是本发明中比较器的结构示意图。
图7是本发明中锁存计数器的结构示意图。
图8是本发明中主计数器的结构示意图。
图9是本发明提供的用于开关电源的电阻短路保护装置的输入输出波形图。
图10是本发明提供的用于开关电源的电阻短路保护方法的流程图。
具体实施方式
以下根据图3～图10，具体说明本发明的较佳实施例：
如图3所示，是用于开关电源的电阻短路保护装置的电路结构示意图，该保护装置通过功率开关130和电流检测电阻131接入开关电源电路，该保护装置包含电路连接的比较器401、第一反相器402、锁存计数器405、主计数器406、计数锁定/启动逻辑控制电路和第二反相器407。
所述的计数锁定/启动逻辑控制电路包含第一与门403和第二与门404。
如图4所示，为比较器的一种实施例，该实施例中，比较器401包含：比较器电流源M0、与比较器电流源M0漏极连接的两个共源级的第一晶体管M1和第二晶体管M2、以及分别与第一晶体管M1和第二晶体管M2连接的第三晶体管M3和第四晶体管M4，第三晶体管M3和第四晶体管M4共栅极。
如图5所示，为比较器的二种实施例，该实施例中，比较器401包含：比较器电流源M0、与比较器电流源M0漏极连接的两个共源级的第一晶体管M1和第二晶体管M2、以及分别与第一晶体管M1和第二晶体管M2连接的第三晶体管M3和第四晶体管M4。
如图6所示，为比较器的三种实施例，该实施例中，比较器401包含比较器电流源M0、与比较器电流源M0漏极连接的两个共源级的第一晶体管M1和第二晶体管M2、以及分别与第一晶体管M1和第二晶体管M2连接的第一电阻R1和第二电阻R2。
所述比较器401的输入为电流检测电阻131上的检测电压和一个直流阈值电压Vth，此两者的比较结果作为锁存计数器的置位/复位信号之一。
如图7所示，所述的锁存计数器405包含电路连接的输入时钟处理逻辑模块4051，触发器1，触发器2……触发器M。
当置位/复位端为低电平时，所有触发器清零，输入时钟处理逻辑模块被使能，输入时钟可以正常驱动触发器开始计数。当锁存计数器完成1,2……M的计数，也即，计数到预设定的计数状态M时，输入时钟处理逻辑模块被锁定，锁存计数器会在计数状态“M”时刻，锁定计数状态，置位/复位信号使得锁存计数器进入初态计数“1”。如果锁存计数器在完成从“1”到“M”的计数过程中，没有置位/复位信号触发，锁存计数器会在计数状态“M”时刻，锁定计数状态。直到置位/复位信号再次触发后，锁存计数器再次开始新的计数周期。
所述计数锁定/启动逻辑控制电路的第一与门403包含三路输入：上电复位信号，比较器401经过第一反相器402的输出和主计数器406的输出，三路信号中的任意一路信号为低电平，则触发置位/复位，将使得锁存计数器405进行置位/复位。同时，锁存计数器405的输出会使得主计数器406复位。若锁存计数器405的计数状态没有到达到设定的技术状态M，则主计数器406一直处于复位状态。
如图8所示，所述主计数器406包含触发器1，触发器2，……触发器N。 当置位/复位端为低电平，所有触发器清零。当置位/复位端为高电平，在输入时钟的驱动下，计数器开始计数。
所述主计数器406完成1,2……N的计数。在锁存计数器405处于计数状态时，主计数器406处于计数复位状态。当锁存计数器405处于计数锁定状态时，主计数器406处于计数状态。主计数器406的输出作为锁存计数器405的置位/复位信号之一。
如图3所示，当上电复位为低电平，在逻辑控制下，锁存计数器405和主计数器406处于复位状态，保护装置的保护输出为高电平，此时认为短路情况未发生，以便芯片正常启动。当上电复位为高电平，电阻短路保护装置正常工作。当检测电压输入端的电压大于阈值电压时，触发锁存计数器405复位，保护装置的保护输出为高电平，此时认为短路情况未发生，同时，复位主计数器406。如果连续M个时钟周期，检测电压输入端的电压低于阈值电压，则锁存计数器405会计数到计数状态M，锁存计数器405锁定在计数状态M，保护装置的保护输出为低电平，此时认为短路情况发生，同时，主计数器406开始计数，当主计数器406计数到计数状态N时，再次复位锁存计数器405。
上电复位信号、阈值电压、检测电压、保护输出的波形如图9所示。
如图10所示，是用于开关电源的电阻短路保护方法的流程图，该保护方法包含以下步骤。
步骤1、上电复位；
利用上电复位信号，初始化保护装置的数字逻辑，锁存计数器405和主计数器406处于复位状态。
步骤2、初始化结束，使得电阻短路保护装置的输出为高电平，开启功率开关130。
步骤3、检测电流检测电阻是否短路；
判断连续M个时钟周期，电流检测电阻上电压是否超过阈值电压，若是，则没有短路，跳转到步骤2，若否，则短路发生，跳转到步骤4。
步骤4、电阻短路保护装置输出为低电平，关断功率开关130。
步骤5、主计数器406计数N个周期后，跳转到步骤2。
通过这种方法，既可以很好的保护芯片，同时可以防止误触发导致芯片停止工作。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种用于开关电源的电阻短路保护装置，该保护装置通过功率开关（130）和电流检测电阻（131）接入开关电源电路，其特征在于，该保护装置包含电路连接的比较器（401）、第一反相器（402）、锁存计数器（405）、主计数器（406）、计数锁定/启动逻辑控制电路和第二反相器（407）；
所述的计数锁定/启动逻辑控制电路包含第一与门（403）和第二与门（404）；
所述比较器（401）的输入为电流检测电阻（131）上的检测电压和一个直流阈值电压（Vth），此两者的比较结果作为锁存计数器的置位/复位信号之一；
所述计数锁定/启动逻辑控制电路的第一与门（403）包含三路输入：上电复位信号，比较器（401）的输出和主计数器（406）的输出。
2.如权利要求1所述的用于开关电源的电阻短路保护装置，其特征在于，所述的比较器（401）包含：比较器电流源（M0）、与比较器电流源（M0）漏极连接的两个共源级的第一晶体管（M1）和第二晶体管（M2）、以及分别与第一晶体管（M1）和第二晶体管（M2）连接的第三晶体管（M3）和第四晶体管（M4），第三晶体管（M3）和第四晶体管（M4）共栅极。
3.如权利要求1所述的用于开关电源的电阻短路保护装置，其特征在于，所述的比较器（401）包含：比较器电流源（M0）、与比较器电流源（M0）漏极连接的两个共源级的第一晶体管（M1）和第二晶体管（M2）、以及分别与第一晶体管（M1）和第二晶体管（M2）连接的第三晶体管（M3）和第四晶体管（M4）。
4.如权利要求1所述的用于开关电源的电阻短路保护装置，其特征在于，所述的比较器（401）包含比较器电流源（M0）、与比较器电流源（M0）漏极连接的两个共源级的第一晶体管（M1）和第二晶体管（M2）、以及分别与第一晶体管（M1）和第二晶体管（M2）连接的第一电阻（R1）和第二电阻（R2）。
5.如权利要求1所述的用于开关电源的电阻短路保护装置，其特征在于，所述的锁存计数器（405）包含电路连接的输入时钟处理逻辑模块（4051），M个触发器。
6.如权利要求1所述的用于开关电源的电阻短路保护装置，其特征在于，所述的主计数器（406）包含N个触发器。
7.一种用于开关电源的电阻短路保护方法，其特征在于，该保护方法包含以下步骤：
步骤1、上电复位；
利用上电复位信号，初始化保护装置的数字逻辑，锁存计数器（405）和主计数器（406）处于复位状态；
步骤2、初始化结束，使得电阻短路保护装置的输出为高电平，开启功率开关（130）；
步骤3、检测电流检测电阻是否短路；
判断连续M个时钟周期，电流检测电阻上电压是否超过阈值电压，若是，则没有短路，跳转到步骤2，若否，则短路发生，跳转到步骤4；
步骤4、电阻短路保护装置输出为低电平，关断功率开关（130）；
步骤5、主计数器（406）计数N个周期后，跳转到步骤2。
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