CN105634260A - 输出短路保护方法及电路 - Google Patents

Abstract

一种输出短路保护方法：当通过过流比较器检测到经过预处理后的CS端口电压超过控制器内部设定的CS过压阈值Vref_OSP时，生成低电平有效的CS_Fault_L信号；每周期都检测CS_Fault_L信号，若通过连续几个周期的计时，都检测到CS_Fault_L信号为低电平，那么将此低电平信号传输到逻辑模块中，使驱动管的低压驱动信号Drive_H为低电平，再将低电平的Drive_H信号传输到驱动模块中，输出功率管的栅极驱动信号GATE为低电平，关断功率管，完成保护功能。与现有技术相比，本发明既可以滤除噪声干扰，避免其使控制器误关断，抗干扰能力强，可靠性高，又可以保证在计时时间内，功率管和副边二极管所承受的电流应力不足够使之损坏，可以应用在大功率开关电源中。

Description

输出短路保护方法及电路

技术领域

本发明涉及开关电源，特别涉及一种开关电源的输出短路保护方法及电路。

背景技术

现在的开关电源控制芯片大多集成了一些保护功能，像输出过压保护、过功率保护、开环保护、输出短路保护等一些常见的开关电源保护功能。图1是常用的副边反馈控制的反激式开关电源，若当副边出现输出短路情况时，会引起输出电流大大增加，使开关电源自身功耗过大而烧掉，所以为了解决输出短路的问题，通常控制器内部要做输出短路保护功能。现有的一款控制器，如仙童公司的一款PWM控制器FAN6755W/FAN6755UW，利用FB引脚(“引脚”也称为“端”)来做输出短路保护功能，当变换器副边出现输出短路情况时，控制器检测FB端口电压VFB的值，只要VFB大于4.6V，内部计数器就开始计时62.5ms，计时过后控制器停止GATE输出，关断功率管；还有如昂宝公司的一款PWM控制器OB2269C，也是利用FB引脚来做输出短路保护功能，只要VFB大于4.4V，内部计数器就开始计时80ms，计时结束后，控制器停止GATE输出，关断功率管；这两类控制器虽然做了输出短路保护功能，但是在做大功率电源时，存在功率管和副边二极管易损坏的风险，因为在做大功率电源时，在这么长的计时时间内，控制器一直有GATE输出，导致原边峰值电流很大，开关管的应力增加，且变压器工作在深度连续模式，原边电感存储能量增加，易出现磁饱和，通过原副边匝比折算到副边，导致副边整流二极管上的峰值电流很大，超过其应力值就很容易被烧坏。

为了解决利用FB引脚做大功率电源的输出短路保护功能存在的功率管及副边整流二极管易损坏的风险的问题，现有技术利用CS引脚来做输出短路保护功能，如TI公司的一款控制器UCC28740，利用输出短路时，CS引脚电压与内部基准电压1.5V比较，产生关断信号，关断功率管；ST公司的L6563，利用CS引脚电压与内部基准电压1.7V比较，产生关断信号，关断功率管；Infineon公司的ICE3A2065ELJ，利用CS引脚电压与内部基准电压1.66V比较，产生关断信号，关断功率管，这些控制器利用CS引脚做输出短路保护功能基于的原理是：当输出短路时，变换器工作在连续模式，原边峰值电流很大，超过了最大峰值电流限制，当CS引脚电压超过控制器内部设定的过流阈值Vref_OCP时，控制器并没有马上停止GATE输出，而是经过最小导通时间后，才关断功率管。利用在最小导通时间内，CS引脚电压会继续上升，将CS引脚电压的值VCS与控制器内部设定的CS引脚过压阈值Vref_OSP比较(不同的控制器设定的阈值不一样，一般在1.6V左右)，产生功率管关断信号，关断功率管，完成保护。但是这种做法抗干扰能力差，例如当在CS引脚附近来了一个干扰信号(扬声器、对讲机等噪声源发出的信号)时，使CS引脚电压也超过了控制器内部设定的CS引脚过压阈值Vref_OSP，那么控制器会产生误关断信号，关断功率管，可靠性差。

就现有的PWM控制器的输出短路保护电路，对其不足总结如下：

1、利用FB引脚做输出短路保护功能的控制器，其在设计大功率电源时，存在原边功率管承受应力大及副边整流二极管应力大，易烧坏的风险；

2、利用CS引脚做输出短路保护功能的控制器，CS引脚易受外界干扰噪声源发出信号的影响，造成控制器误判断，其抗干扰能力差，可靠性差。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的第一个技术问题是：提供一种输出短路保护方法，即使在CS引脚有干扰信号来的情况下，内部经过比较器后设定时长的计数器的持续比较，连续几个周期检测到CS引脚信号都大于控制器内部设定的CS过压阈值，控制器才做判断，进而关断功率管，这样在功率管所能承受最大电流的时间内滤除干扰信号，使控制器不会因误关断造成重启，抗干扰能力强，可靠性高。

与此相应，本发明要解决的第二个技术问题是：提供一种利用上述方法的输出短路保护电路。

本发明解决上述第一个技术问题的技术方案是：

一种输出短路保护方法：将控制器的电流检测CS端口电压通过短时间的RC滤波(10ns左右)，滤除CS端口电压上很短很小的尖峰干扰信号，同时RC滤波还利用控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L和控制器内部的低压驱动信号Drive_H同为高电平的时间内将CS引脚电压拉低，有效地滤除开关管导通瞬间由其自身电容及体二极管在反向恢复时间所产生的电流尖峰，提高信噪比。当通过过流比较器检测到经过预处理后的CS端口电压超过控制器内部设定的CS过压阈值Vref_OSP时，生成低电平有效的CS_Fault_L信号；每周期都检测CS_Fault_L信号，若通过连续几个周期的计时，都检测到CS_Fault_L信号为低电平，那么将此低电平信号传输到逻辑模块中，使驱动管的低压驱动信号Drive_H为低电平，再将低电平的Drive_H信号传输到驱动模块中，输出功率管的栅极驱动信号GATE为低电平，关断功率管，完成保护功能。

作为上述方法的具体的实施方式，所述的输出短路保护方法包括如下步骤：产生低电平有效的CS端口过压信号CS_Fault_L：将控制器的CS端口电压通过RC滤波，并且利用控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L和控制器内部的低压驱动信号Drive_H同为高电平的时间内将CS引脚电压拉低，将经过上述预处理后的CS端口电压与控制器内部设定的CS过压阈值Vref_OSP(一般设定为1.6V左右)通过过压比较器CMP_OSP进行比较，当检测到CS端口电压超过Vref_OSP时，比较器CMP_OSP翻转，产生低电平的CS端口过压信号CS_Fault_L；

持续比较生成低电平有效的CS端口持续过压保护信号CS_OSP_L：将由过压比较器CMP_OSP产生的低电平的CS端口过压信号CS_Fault_L经过非门生成高电平，再传输到D触发器的数据端，每个周期利用Drive_H的下降沿来接收此数据，通过D触发器的处理后生成高电平，与控制器内部低压初始化信号ENP_lv经过与非门和非门的处理后，传输到计数器COUNT，作为计数器COUNT的清零信号，利用Drive_H的上升沿作为计数器COUNT的触发信号，经过若干个周期的计数，若CS端口过压信号CS_Fault_L仍为低电平，则计数器COUNT生成高电平信号，将计数器COUNT生成的高电平信号经过非门后生成低电平的CS端口持续过压保护信号CS_OSP_L；

逻辑和驱动输出生成低电平有效的功率管栅极驱动信号GATE：将低电平的CS端口持续过压保护信号CS_OSP_L和初始化信号ENP_lv，分别传输到RS触发器的复位R端和置位S端，生成低电平的错误信号Fault_L，将此信号与过流保护信号CS_OCP_L经过与非门和非门的处理后，生成低电平的低压驱动信号Drive_H，再将此信号通过驱动Driver，输出功率管栅极驱动信号GATE为低电平，关断功率管。

本发明解决上述第二个技术问题的技术方案是：一种输出短路保护电路，包括；控制器的CS端、控制器的GATE端、过压比较单元、持续比较单元和驱动输出单元

所述的过压比较单元，用于检测控制器的电流检测CS端电压，并将预处理后的CS端电压与控制器内部设定的CS端过压阈值Vref_OSP进行比较，当CS端电压超过CS过压阈值Vref_OSP时，生成低电平信号输出；

所述的持续比较单元，用于接收过压比较器输出的低电平信号，对低电平信号在设定时长内进行连续比较，当低电平信号的持续时长达到设定时长时，将低电平信号输出给驱动输出单元；

所述的驱动输出单元，用于接收持续比较单元输出的低电平信号，并将其转化为驱动控制信号输出，用以控制功率管的关断。

优选地，所述的过压比较单元包括CS过压比较器CMP_OSP,电阻R、电容C、N沟道MOS管MN、非门INV及与非门NAND。所述的CS过压比较器CMP_OSP的正相输入端与内部比较基准Vref_OSP相连，所述控制器的CS端与电阻R的一端相连，电阻R的另一端与电容C的正极板、N沟道MOS管MN的漏极以及所述的CS过压比较器CMP_OSP的负相输入端相连，所述的电容C的负极板接地VSS，所述的N沟道MOS管MN的衬底与源极相连，并接地VSS，所述的N沟道MOS管MN的栅极与所述的非门INV的输出端相连，所述的非门INV的输入端与所述的与非门NAND的输出端相连，所述的与非门NAND的第一输入端与控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L相连，所述的与非门NAND的第二输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连。所述的CS过压比较器CMP_OSP的输出端口为CS端口过压信号CS_Fault_L。

优选地，所述的持续比较单元为计时单元，包括第一非门、D触发器、第一与非门、第二非门、第三非门、计数器和第四非门。所述的第一非门的输入端与所述的过压比较单元的输出端CS端口过压信号CS_Fault_L信号相连，所述的第一非门的输出端与所述的D触发器的数据输入端D相连，所述的D触发器的触发输入端与控制器内部的Drive_H信号相连，所述的D触发器的清零端与控制器内部低压初始化信号ENP_lv相连，所述的D触发器的输出端Q与所述的第一与非门的第一输入端相连，所述的第一与非门的第二输入端与低压初始化信号ENP_lv相连，所述的第一与非门的输出端与所述的第二非门的输入端相连，所述的第二非门的输出端与所述的计数器的清零端口CLR相连，所述的计数器的触发输入端与第三非门的输出端相连，所述的第三非门的输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连，所述的计数器的输出端与所述的第四非门的输入端相连，所述的第四非门的输出端作为持续比较单元的输出端口。

优选地，所述的驱动输出单元包括RS触发器、第二与非门、第五非门和驱动Driver单元，所述的RS触发器的触发端口S与低压初始化信号ENP_lv相连，所述的RS触发器的触发端口R与所述的持续比较单元的输出端口相连，所述的RS触发器的输出端口Q与所述的第二与非门的第二输入端相连，所述的第二与非门的第一输入端与控制器内部的每周期过流保护信号CS_OCP_L信号相连，所述的第二与非门的输出端与所述的第五非门的输入端相连，所述的第五非门的输出端与驱动Driver单元的输入端相连，所述的驱动Driver单元的输出端与所述控制器的功率管栅极驱动信号GATE端相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明巧妙地利用了持续比较单元，接收过压比较器输出的低电平信号，对低电平信号在设定时长内进行连续比较，当低电平信号的持续时长达到设定时长时将低电平信号输出给驱动输出单元，进而关断功率管。本发明既可以滤除噪声干扰，避免其使控制器误关断，抗干扰能力强，可靠性高，又可以保证在计时时间内，功率管和副边二极管所承受的电流应力不足够使之损坏，可以应用在大功率开关电源中。

附图说明

图1为现有常用的副边反馈控制的反激式开关电源；

图2为本发明第一实施例的电路图；

图3为本发明第二实施例的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图2所示，为本发明实施例一的电路原理图，一种输出短路保护电路，包括：过压比较单元101、持续比较单元102、驱动输出单元103。其中，持续比较单元102为计时单元。

过压比较单元101包括：CS过压比较器CMP_OSP101，电阻R101、电容C101、N沟道MOS管MN101、非门INV101及与非门NAND101。CS过压比较器CMP_OSP101的正相输入端与控制器内部比较基准Vref_OSP相连，控制器的电流检测引脚即CS端与电阻R101的一端相连，电阻R101的另一端与电容C101的正极板、N沟道MOS管MN101的漏极以及CS过压比较器CMP_OSP101的负相输入端相连，电容C101的负极板接地VSS，N沟道MOS管MN101的衬底与源极相连，并接地VSS，N沟道MOS管MN101的栅极与非门INV101的输出端相连，非门INV101的输入端与非门NAND101的输出端相连，与非门NAND101的第一输入端与控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L相连，与非门NAND101的第二输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连。CS过压比较器CMP_OSP101的输出端作为过压比较单元101的输出CS端口过压信号CS_Fault_L。

持续比较单元102包括：非门INV102、D触发器DFF101、非门INV103、与非门NAND102、非门INV104、计数器COUNT101和非门INV105。非门INV102的输入端与过压比较单元101的输出端CS端口过压信号CS_Fault_L，非门INV102的输出端与D触发器DFF101的数据输入端D相连，D触发器DFF101的触发输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连，D触发器DFF101的清零端与控制器内部低压初始化信号ENP_lv相连，D触发器DFF101的输出端Q与与非门NAND102的第一输入端相连，与非门NAND102的第二输入端与低压初始化信号ENP_lv相连，与非门NAND102的输出端与非门INV103的输入端相连，非门INV103的输出端与计数器COUNT101的清零端口CLR相连，计数器COUNT101的触发输入端与非门INV104的输出端相连，非门INV104的输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连，计数器COUNT101的输出端与非门INV105的输入端相连，非门INV105的输出端作为持续比较单元102的输出CS端口持续过压保护信号CS_OSP_L。

驱动输出单元103包括：RS触发器RS101、与非门NAND103、非门INV106和驱动单元Driver101。RS触发器RS101的置位输入端S与低压初始化信号ENP_lv相连，RS触发器RS101的复位输入端R与持续比较单元102的输出CS端口持续过压保护信号CS_OSP_L相连，RS触发器RS101的输出端Q与与非门NAND103的第一输入端相连，与非门NAND103的第二输入端与内部过流保护信号CS_OCP_L相连，与非门NAND103的输出端与非门INV106的输入端相连，非门INV106的输出端与驱动单元Driver101的输入端相连，驱动单元Driver101的输出端作为驱动输出单元103的输出功率管栅极驱动信号GATE。

本实施例的基本工作原理：如图2所示，一旦输出发生短路，控制器的CS端电压会很快上升，当控制器的CS端电压经过RC滤波以及由控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L和控制器内部的低压驱动信号Drive_H信号同为高电平的时间构成的滤除开关管导通瞬间由电容及整流管反向恢复时间产生的电流尖峰电路预处理后，若超过控制器的内部基准电压Vref_OSP时，经过过压比较单元101后，输出CS端口过压信号CS_Fault_L为低电平，将低电平的CS_Fault_L信号经过非门生成高电平作为D触发器DFF101的数据输入端，在每个Drive_H下降沿，通过D触发器DFF101的处理生成高电平，此高电平信号与控制器内部低压初始化信号ENP_lv经过与非门NAND102和非门INV103的处理后生成高电平，传输到计数器COUNT101的清零端CLR，计数器COUNT101开始计时，经过若干个周期的计时(计时时间的长短要保证功率管和副边整流二极管所承受的电流应力不超过其最大值)后，若经过计数器COUNT101的计时后，输出为高电平，则将此高电平信号经过非门INV105后，输出低电平的CS端口持续过压保护信号CS_OSP_L，再将信号CS_OSP_L经过RS触发器RS101生成低电平的错误信号Fault_L，由于在最小导通时间内，过流保护信号CS_Fault_L信号为高电平，非有效低电平，则将Fault_L信号与此时高电平的CS_Fault_L信号经过与非门NAND103和非门INV106的处理后，生成低电平的低压驱动信号Drive_H，再将此信号送到驱动Driver101，经过驱动的处理，最终生成低电平的功率管栅极驱动信号GATE，将功率管关断。

实施例二

如图3所示，与实施例一相比，区别在于持续比较单元202为计数单元，具体的，持续比较单元202里的计数器COUNT201是由三个级联的D触发器构成，过压比较单元201、驱动输出单元203与实施例一相同，仅在单元数字编号改成201和203加以区分，这里不再赘述。

计数器COUNT201包括：D触发器DFF202、D触发器DFF203和D触发器DFF204，D触发器DFF202、D触发器DFF203、D触发器DFF204的清零端CLR接在一起，D触发器DFF202的数据接收端D与其输出端相连，D触发器DFF202的触发输入端作为计数器的输入端，用于与非门INV204的输出端相连，以接入低压驱动信号Drive_H；D触发器DFF202的输出端Q与D触发器DFF203的触发输入端相连，D触发器DFF203的数据接收端D与其输出端相连，D触发器DFF203的输出端Q与D触发器DFF204的触发输入端相连，D触发器DFF204的数据接收端D与其输出端相连，D触发器DFF204的输出端Q作为计数器COUNT201的输出。

本实施例与第一实施例相比，工作原理基本一致，区别在于：计数器COUNT201采用了三级D触发器级联的形式，是计数器COUNT101的一种具体实现方式，当计数器COUNT201连续八个周期都检测到CS端口过压信号CS_Fault_L为低电平，则将生成的低电平的CS端口持续过压保护信号CS_OSP_L信号送到驱动输出单元203生成功率管栅极驱动信号GATE为低电平，关断功率管。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种输出短路保护电路，包括过压比较单元，其特征在于：还包括预处理单元、持续比较单元和驱动输出单元，

所述预处理单元，与过压比较单元连接，用于将控制器的CS端电压通过RC滤波和前沿消隐处理后，滤除CS端电压上的干扰信号，以及滤除开关管导通瞬间的电流尖峰；

过压比较单元，与持续比较单元连接，用于检测控制器的电流检测CS端电压，并将CS端电压与控制器内部设定的CS端过压阈值Vref_OSP进行比较，当CS端电压超过CS过压阈值Vref_OSP时，生成低电平信号输出；

持续比较单元，与驱动输出单元连接，用于接收过压比较器输出的低电平信号，对低电平信号在设定时长内进行连续比较，当低电平信号的持续时长达到设定时长时，将低电平信号输出给驱动输出单元；

驱动输出单元，用于接收持续比较单元输出的低电平信号，并将其转化为驱动控制信号输出，用以控制功率管的关断。

2.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于：所述持续比较单元，为计时单元，通过对过压比较器输出的低电平信号进行设定时长的连续计数，当低电平信号的持续计数时长达到设定时长时，将低电平信号输出给驱动输出单元。

3.根据权利要求2所述的输出短路保护电路，其特征在于：所述计时单元，包括第一非门、第二非门、D触发器、与非门、第三非门、计数器和第四非门，第一非门的输入端与过压比较单元的输出端相连，第一非门的输出端与D触发器的数据输入端D相连；D触发器的触发输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连，D触发器的清零端CLR与控制器内部低压初始化信号ENP_lv相连，D触发器的输出端Q与所述的与非门的第一输入端相连，与非门的第二输入端与低压初始化信号ENP_lv相连，与非门的输出端与第二非门的输入端相连，第二非门的输出端与计数器的清零端口CLR相连，计数器的触发输入端与第三非门的输出端相连，第三非门的输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连，计数器的输出端与第四非门的输入端相连，第四非门的输出端作为计时单元的输出端。

4.根据权利要求3所述的输出短路保护电路，其特征在于：所述计时单元里的计数器，是由三个级联的D触发器构成，即由D触发器DFF202、D触发器DFF203和D触发器DFF204构成，D触发器DFF202、D触发器DFF203、D触发器DFF204的清零端CLR接在一起，D触发器DFF202的数据接收端D与其输出端相连，D触发器DFF202的触发输入端作为计数器的输入端，用于与非门INV204的输出端相连，以接入低压驱动信号Drive_H；D触发器DFF201的输出端Q与D触发器DFF203的触发输入端相连，D触发器DFF203的数据接收端D与其输出端相连，D触发器DFF203的输出端Q与D触发器DFF204的触发输入端相连，D触发器DFF204的数据接收端D与其输出端相连，D触发器DFF204的输出端Q作为计数器的输出。

5.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于：所述预处理单元，将控制器的电流检测CS端口电压通过短时间的RC滤波，用于滤除CS端口电压上很短很小的尖峰干扰信号，同时RC滤波还利用控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L和控制器内部的低压驱动信号Drive_H同为高电平的时间，将CS端电压拉低，用以滤除开关管导通瞬间由其电容及体二极管在反向恢复时间所产生的电流尖峰。

6.根据权利要求5所述的输出短路保护电路，其特征在于：所述过压比较单元的预处理单元，包括电阻R、电容C、N沟道MOS管MN、逻辑非门INV及与非门NAND，电阻R的一端与控制器的CS端相连，电阻R的另一端与电容C的正极板、N沟道MOS管MN的漏极以及过压比较器的负相输入端相连；电容C的负极板接地；N沟道MOS管MN的衬底与源极相连，并接地；N沟道MOS管MN的栅极与逻辑非门INV的输出端相连，逻辑非门INV的输入端与与非门NAND的输出端相连，与非门NAND的第一输入端与控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L相连，与非门NAND的第二输入端与控制器内部的低压驱动信号Drive_H相连。

7.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于：所述驱动输出单元包括RS触发器、第二与非门、第五非门和驱动单元，RS触发器的触发端S与低压初始化信号ENP_lv相连，RS触发器的触发端R与持续比较单元的输出端相连，RS触发器的输出端Q与第二与非门的第二输入端相连，第二与非门的第一输入端与控制器内部的每周期过流保护信号CS_OCP_L信号相连，第二与非门的输出端与第五非门的输入端相连，第五非门的输出端与驱动单元的输入端相连，所述的驱动单元的输出端引出作为驱动输出单元的输出，用于与控制器的栅极驱动电压GATE端相连。

8.一种输出短路保护方法，包括如下步骤，

预处理CS端电压，将控制器的CS端电压通过RC滤波和前沿消隐处理后，滤除CS端电压上的干扰信号，以及滤除开关管导通瞬间的电流尖峰；

检测控制器的CS端电压，并将CS端电压与控制器内部设定的CS过压阈值Vref_OSP进行比较，当CS端电压超过CS过压阈值Vref_OSP时，生成低电平信号输出；

接收低电平信号，对低电平信号在设定时长内进行连续比较，当低电平信号的持续时长达到设定时长时，将低电平信号转化为驱动控制信号输出，用以控制功率管的关断。

9.根据权利要求8所述的输出短路保护方法，其特征在于：所述预处理CS端电压，是将控制器的电流检测CS端口电压通过短时间的RC滤波，用于滤除CS端口电压上很短很小的尖峰干扰信号，同时RC滤波还利用控制器内部的低压驱动反馈信号Feedback_L和控制器内部的低压驱动信号Drive_H同为高电平的时间，将CS端电压拉低，用以滤除开关管导通瞬间由其电容及体二极管在反向恢复时间所产生的电流尖峰。

10.根据权利要求8所述的输出短路保护方法，其特征在于：所述设定时长，由功率管所能承受最大电流的上升时间来决定。