CN106532629B - 一种具有自恢复功能的过流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种具有自恢复功能的过流保护电路。本发明提出了一种自恢复过流保护机制，主要由环路部分，过流检测比较器，充放电控制信号产生部分，充放电部分，系统过流关断计时部分，COMP端放电部分构成，可以在系统发生过流、短路等各种过载情况后，系统自动进入关断计时，系统关断计时完成后系统自动进入软启动，无需额外软启动电路及管脚，节省了应用成本及整体芯片功耗，提升电源系统可靠性。

Description

一种具有自恢复功能的过流保护电路
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种具有自恢复功能的过流保护电路。
背景技术
过流保护电路是电源管理芯片基本模块。电源管理芯片在实际应用中，当系统长时间处于过流状态时，芯片有可能会损坏。因此为防止过流所造成的芯片损坏，通常在电源管理芯片中加入过流保护电路。常规过流保护芯片通过采样电流信息，与已固定的参考值进行比较，进而关断电源管理模块的充电支路，进行放电控制。但这种控制方法，一方面会导致芯片长时间处于过载的工作状态，导致电源管理模块功耗增加，系统温升加剧，加速元器件老化；另一方面由于控制环路的延迟作用，导致实际的电流限会逐周期升高，最终导致电源管理模块的烧毁，这一现象在输出短路时尤为明显。因此，常规的电流峰值比较方案，无法保证电源管理模块安全可靠的工作。
发明内容
本发明所要解决的是，针对现有过流保护电路缺陷，本发明提出了一种自恢复过流保护机制，可以在系统发生过流、短路等各种过载情况后，系统自动进入关断计时，系统关断计时完成后系统自动进入软启动，无需额外软启动电路及管脚，节省了应用成本及整体芯片功耗，提升电源系统可靠性。
本发明的技术方案是：一种具有自恢复功能的过流保护电路，所述过流保护电路用于电源管理芯片模块，且该电源管理芯片模块的环路电路包括误差放大器；所述过流保护电路包括过流比较器、充放电控制信号产生模块、充放电模块、系统关断计时模块、迟滞比较器、误差放大器输出端放电模块和充放电电容；
所述过流比较器的正向输入端接检测信号，过流比较器的反向输入端接第一外部基准电压，过流比较器的输出端接充放电控制信号产生模块的一个输入端；过流比较器用于在检测信号超过第一外部基准电压时输出高电平信号；
所述充放电控制信号产生模块为数字逻辑处理模块，所述数字逻辑处理模块的另一个输入端接迟滞比较器输出端，数字逻辑处理模块的输出端输出充放电控制信号；
所述充放电模块包括第一电流源、第二电流源、第一PMOS管和第一NMOS管；第一电流源的一端接外部基准电压，另一端接第一PMOS管的源极；第一PMOS管的栅极接充电控制信号；第一NMOS管的源极接第二电流源的一端，第二电流源的另一端接地；第一PMOS管的漏接和第一NMOS管的漏极连接；
所述系统关断计时模块用于确定发生过流后系统关断时间；包括第三NMOS管和第三电流源，第三NMOS管的漏极接第一PMOS管漏接和第一NMOS管漏极的连接点；第三NMOS管的栅极接迟滞比较器的输出端，第三NMOS管的源极接第三电流源的一端，第三电流源的另一端接地；
所述迟滞比较器的正向输入端接第一PMOS管漏接和第一NMOS管漏极的连接点，迟滞比较器的反向输入端接充放电电容上的电压值；
所述误差放大器输出端放电模块包括第二NMOS管，所述第二NMOS管的漏极接误差放大器输出端，其栅极接迟滞比较器输出端，其源极接地；
充放电电容的一端接第一PMOS管漏接和第一NMOS管漏极的连接点，另一端接地。
进一步的，所述数字逻辑处理模块包括第一D触发器、第二D触发器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第二PMOS管、第四NMOS管、第一或非门、第二或非门、电阻和电容；其中，第一D触发器的D输入端接高电平，其时钟输入端接过流比较器的输出端，第一D触发器的置位端接外部时钟信号；第一反相器的输入端接第一D触发器的正向输出端；第二PMOS管MP2的源极接外部基准电压，其栅极接第一反相器的输出端；第四NMOS管的漏极通过电阻后接第一PMOS管的漏极，第四NMOS管的栅极接第一反相器的输出端，其源极接地；第二反相器的输入端接第二PMOS管漏极与电阻的连接点；第二反相器的输入端、第二PMOS管漏极与电阻的连接点还通过电容后接地；第三反相器的输入端接第二反相器的输出端；第二D触发器的D输入端接第三反相器的输出端，第二D触发器的时钟信号输入端接外部时钟信号；第一或非门的一个输入端接第二D触发器的正向输出端，第一或非门的另一个输入端接迟滞比较器输出端；第二或非门的一个输入端接第一或非门的输出端，第二或非门的另一个输入端接迟滞比较器输出端；第四反相器的输入端接第二或非门的输出端；第一或非门的输出端输出放电控制信号，第四反相器的输出端输出充电控制信号。
本发明的有益效果为，本发明与传统方案相比，具有以下优点：(1)该保护机制可以在过流、短路等各种过载应用，保证整体电源系统的安全可靠工作；(2)用户可以灵活地设置系统过流时间，使得芯片应用范围广；(3)该保护机制可以自动进入系统关断重启状态，灵活设置过流发生后系统关断时间；(4)该保护机制在完成过流保护后，系统自动进入软启动阶段，无需额外电路和芯片管脚作用于软启动电路，节省了应用成本及整体芯片功耗。
附图说明
图1为本发明提出的自恢复过流保护电路的逻辑结构示意图；
图2为本发明提出的充放电控制信号产生部分电路架构图；
图3为本发明提出的充放电控制信号产生部分时序图；
图4为本发明提出的自恢复过流保护机制时序图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出的一种过流保护电路架构图如图1所示，由6部分组成，环路部分，过流检测比较器，充放电控制信号产生部分，充放电部分，系统过流关断计时部分，COMP端放电部分。如图1中所标识，过流检测比较器主要作用是为了检测系统是否过流，充放电控制信号产生模块将过流信号转换为OCP端电容充放电信号，充放电部分主要作用是为了给OCP端电容充放电，系统关断计时部分主要是在发生过流后OCP端电容缓慢放电，确定发生过流后系统关断时间，迟滞比较器主要是为了检测OCP电容上电压，确定系统过流时间和发生过流后系统关断时间；COMP端放电部分作用是为了发生过流后迅速将COMP端拉低从而关断芯片，并且使系统处于重启状态避免系统长时间处于大电流工作状态来提升系统效率和可靠性。下面结合具体实例进行详细分析该发明。
当CS端电压超过设定过流值(Vref1)时过流检测比较器输出高电平，此时恒流源I1打开给OCP端电容充电，当系统长时间处于过流状态超过系统过流时间，电容COCP上电压升高至Vref2，迟滞比较器翻高输出COMP_Ctrl为高电平，则第二NMOS功率管MN2打开，由第二NMOS功率管MN2产生的电流很大，迅速将COMP端拉低，时间可以忽略不计；此时COMP_Crtl为高电平，恒流源I1和I2都关断，OCP外挂电容COCP通过恒流源I4向地缓慢放电，当电容上电压低于Vref3时迟滞比较器翻转，COMP_Ctrl为低电平，系统通过COMP端外挂大电容实现软启动，无需相关电路作用于软启动电路。若系统仍然发生过流，上述过流保护机制继续作用，若系统不发生过流状态，恒流源I2打开，OCP端电容放电。
充放电控制信号产生部分是本设计的核心所在，如图2电路全图所示，CSCOMP_H为过流检测比较器的输出端，当CS端电压超过设定过流值(Vref1)时为高；CSCOMP_H接第一D触发器DFF1的时钟输入端，第一触发器的D端接高电平，第一触发器的置位端接CLK，第一触发器的正向输出端Q1接第一反相器INV1，第一反相器的输出端接第二PMOS管MP2和第四NMOS管MN4的栅极，第二PMOS管MP2源级接供电电压VREF，第二PMOS管漏极接电阻R、C、以及第二反相器的输入，第四NMOS管MN4的源级接地，第四NMOS管漏极接电阻R，第二反向器的输出接第三反向器的输入，第三反相器的输出接第二D触发器的输入端D，第二D触发器的时钟信号接CLK，第二D触发器的正向输出端Q2和COMP_Ctrl接第一或非门NOR1，第一或非门NOR1的输出端作为OCP端电容放电的控制信号，同时第一或非们NOR1的输出端和COMP_Ctrl接第二或非门NOR2的输入，第二或非门NOR2的输出端作为第四反相器的输入，第四反相器的输出作为OCP端电容充电的控制信号。
具体工作原理结合图3充放电控制信号产生部分时序图说明：当发生过流时，CSCOMP_H为高，经第一D触发器输出Q1为高，当时钟上升沿到来第一D触发器输出端Q1置位为0，同时第二D触发器采样Q1端电位输出信号Q2；此时在Q1端和第二D触发器的输入D端增加延时电路以保证在时钟上升沿时能将Q1端电位准确采样。Q2和COMP_Ctrl信号经第一和第二或非门产生系统OCP端电容充放电控制信号，COMP_Ctrl为高电平的时候，Charge_Ctrl为高，Discharge_Ctrl为低，恒流源I1和I2对OCP端电容不起作用，系统处于关断状态。当COMP_Ctrl为低电平时，Charge_Ctrl和Discharge_Ctrl由Q2控制；当发生过流时，Q2为高，Charge_Ctrl和Discharge_Ctrl都为低电平，恒流源I1给OCP端电容充电；当系统没有发生过流状态时，Charge_Ctrl和Discharge_Ctrl都为高电平，恒流源I2打开，OCP端电容处于放电状态；由此实现了在系统工作状态中对OCP端电容充放电的控制。
系统由过流状态进入关断计时状态，以及系统关断计时结束后自动进入软启动，而无需额外电路是本发明的关键，同时本发明可设置过流时间和系统关断时间。
当系统发生过流时，电容COCP上电压变化量为Vref2，所以系统过流时间为：
系统发生过流后系统进入关断状态，OCP端上电压变化量为Vref2—Vref3，则系统关断所需时间为：
设置恒流源I1、I2、I4以及OCP端电容COCP，确定系统的过流时间以及系统发生过流后的关断时间。
图4为该过流保护电路时序图(该实例中发生过流后系统需要较长的关断时间)。当系统启动后出现长时间过流时，OCP端电容充电，OCP端电压上升至Vref2输出过流关断信号将COMP端迅速拉低，芯片关断；OCP端电容开始放电至OCP端电压降为Vref3，系统通过COMP端自动进入软启动，COMP端电压缓慢上升，若发生过流，过流保护电路继续作用将芯片关断；若系统没有长时间处于过流状态时，系统正常工作；若系统发生短暂过流状态，则OCP端电容在过流阶段充电，非过流状态时电容放电，此时芯片仍可以正常工作。

Claims (2)

1.一种具有自恢复功能的过流保护电路，所述过流保护电路用于电源管理芯片模块，且该电源管理芯片模块的环路电路包括误差放大器；所述过流保护电路包括过流比较器、充放电控制信号产生模块、充放电模块、系统关断计时模块、迟滞比较器、误差放大器输出端放电模块和充放电电容；
所述过流比较器的正向输入端接检测信号，过流比较器的反向输入端接第一外部基准电压，过流比较器的输出端接充放电控制信号产生模块的一个输入端；过流比较器用于在检测信号超过第一外部基准电压时输出高电平信号；
所述充放电控制信号产生模块为数字逻辑处理模块，所述数字逻辑处理模块的另一个输入端接迟滞比较器输出端，数字逻辑处理模块的输出端输出充放电控制信号；
所述充放电模块包括第一电流源、第二电流源、第一PMOS管和第一NMOS管；第一电流源的一端接外部基准电压，另一端接第一PMOS管的源极；第一PMOS管的栅极接充电控制信号；第一NMOS管的源极接第二电流源的一端，第二电流源的另一端接地；第一PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极连接；
所述系统关断计时模块用于确定发生过流后系统关断时间；包括第三NMOS管和第三电流源，第三NMOS管的漏极接第一PMOS管漏极和第一NMOS管漏极的连接点；第三NMOS管的栅极接迟滞比较器的输出端，第三NMOS管的源极接第三电流源的一端，第三电流源的另一端接地；
所述迟滞比较器的正向输入端接第一PMOS管漏极和第一NMOS管漏极的连接点，迟滞比较器的反向输入端接充放电电容上的电压值；
所述误差放大器输出端放电模块包括第二NMOS管，所述第二NMOS管的漏极接误差放大器输出端，其栅极接迟滞比较器输出端，其源极接地；
充放电电容的一端接第一PMOS管漏极和第一NMOS管漏极的连接点，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种具有自恢复功能的过流保护电路，其特征在于，所述数字逻辑处理模块包括第一D触发器、第二D触发器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第二PMOS管、第四NMOS管、第一或非门、第二或非门、电阻和电容；其中，第一D触发器的D输入端接高电平，其时钟输入端接过流比较器的输出端，第一D触发器的置位端接外部时钟信号；第一反相器的输入端接第一D触发器的正向输出端；第二PMOS管MP2的源极接外部基准电压，其栅极接第一反相器的输出端；第四NMOS管的漏极通过电阻后接第一PMOS管的漏极，第四NMOS管的栅极接第一反相器的输出端，其源极接地；第二反相器的输入端接第二PMOS管漏极与电阻的连接点；第二反相器的输入端、第二PMOS管漏极与电阻的连接点还通过电容后接地；第三反相器的输入端接第二反相器的输出端；第二D触发器的D输入端接第三反相器的输出端，第二D触发器的时钟信号输入端接外部时钟信号；第一或非门的一个输入端接第二D触发器的正向输出端，第一或非门的另一个输入端接迟滞比较器输出端；第二或非门的一个输入端接第一或非门的输出端，第二或非门的另一个输入端接迟滞比较器输出端；第四反相器的输入端接第二或非门的输出端；第一或非门的输出端输出放电控制信号，第四反相器的输出端输出充电控制信号。
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