CN108899876A

CN108899876A - 开关电源中电流检测端的短路保护系统

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Publication number: CN108899876A
Application number: CN201810600175.4A
Authority: CN
Inventors: 费瑞霞; 方烈义
Original assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-11-27
Anticipated expiration: 2038-06-12
Also published as: CN108899876B; TW202002480A; TWI657647B

Abstract

本公开涉及开关电源中电流检测端的短路保护系统。提供了一种用于开关电源中的电源控制系统，包括：电流检测端；积分和采样组件，功率管，所述功率管具有第二阻抗与所述采样电阻串联连接；其中当所述开关电源正常工作时，所述功率管的导通时的切换引脚到地阻抗Rsw1为所述第一阻抗Rcs与第二阻抗Ron之和，其中所述第二阻抗Ron与所述第一阻抗Rcs的比值为k1(0<k1<1)；当所述电流检测端短路时，所述功率管的导通阻抗等于所述第二阻抗与短路阻抗之和，其中所述第二阻抗与所述短路阻抗的比值为k3(k3>>1)，调制组件；逻辑控制组件，逻辑控制组件被配置为接收调制信号，并且基于调制信号来生成驱动信号；以及驱动组件，驱动组件被配置为基于驱动信号来关断栅极。

Description

开关电源中电流检测端的短路保护系统

技术领域

本公开涉及集成电路。更具体地，本发明的一些实施例涉及开关电源中电流检测端的短路保护方法。

背景技术

图1示出了传统反激式开关电源的简化应用图。开关电源应用中的控制器一般有如下重要端口：供电端、接地端、电压检测端和电流检测端等。其中，电流检测端(CS PIN)是控制器与系统的重要接口，控制器通过系统上电流检测端到地所接电阻(一般称为采样电阻)，将流过采样电阻的电流转换为电压，从而通过检测电流检测端(CS PIN)电压间接检测开关电源线圈中的激磁电流，当达到预设值时关断激磁电流。

当电流检测端(CS PIN)短路时，控制器无法检测线圈中的激磁电流并在达到预设值时关闭，导致激磁线圈中一直存在电流，直至线圈饱和。激磁线圈饱和有很大的安全隐患，因为激磁线圈饱和后，线圈相当于短路，激磁电流会直线上升，与激磁线圈相接的功率开关管就容易出现同时承受高压大电流应力的情况，最终会过功率导致过热而损坏。目前有些技术通过控制激磁线圈最长导通时间来防止灾难发生，但是随着开关电源要求的提高，该种方法会与系统其他指标冲突。开关电源应用中兼顾各项指标的电流检测端之短路保护功能较难实现。

因此，希望提供改进的开关电源中电流检测端的短路保护方法。

发明内容

本发明的某些实施例涉及集成电路。更具体地，本发明的一些实施例提供了开关电源输出采样的模拟退磁采样方法和系统。仅通过示例，本发明的一些实施例已经被应用到功率变换系统。但是，应该认识到，本发明具有更广泛的应用范围。例如，根据本公开的方法可以适用于Buck、Boost、Buck-Boost以及反激(flyback)架构的PFC控制器。

提供了一种用于开关电源中的电源控制系统，包括：电流检测端，电流检测端链接电源控制系统和开关电源；积分和采样组件，积分和采样组件被配置为接收采样电压和参考电压，并且至少部分地基于采样电压和参考电压来生成第一信号，其中采样电压是至少部分地根据接地的采样电阻器的第一阻抗Rcs获得的，功率管，具有第二阻抗与所述采样电阻串联连接；其中当所述开关电源正常工作时，所述功率管的导通时的切换引脚到地阻抗Rsw1为所述第一阻抗Rcs与第二阻抗Ron之和，其中所述第二阻抗Ron与所述第一阻抗Rcs的比值为k1(0<k1<1)；当所述电流检测端短路时，所述功率管的导通阻抗等于所述第二阻抗与短路阻抗之和，其中所述第二阻抗与所述短路阻抗的比值为k3(k3>>1)，调制组件，调制组件被配置为接收基于第一信号的第一电压以及斜坡电压，并且基于第一电压和斜坡电压来生成调制信号；逻辑控制组件，逻辑控制组件被配置为接收调制信号，并且基于调制信号来生成驱动信号；以及驱动组件，驱动组件被配置为基于驱动信号来关断栅极。

根据实施例，可以实现一个或多个有益效果。参考下面的详细描述和附图，将完全明白本发明的这些有益效果、以及各种附加目的、特征、和优点。

附图说明

图1示出了传统反激式开关电源的简化应用图。

图2示出了根据本公开的实施例的反激式开关电源的功能框图。

图3示出了根据本公开的实施例的开关电源控制器的一种启动电路图。

图4示出了根据本公开的实施例的开关电源控制器的另一启动电路图。

图5示出了根据本公开的实施例的正常模式和失效模式下电压CS与电压Vsw和系数k乘积的关系的图示。

图6示出了根据本公开的实施例的电流检测端短路保护的一种示例性实现方式。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图2示出了根据本公开的实施例的反激式开关电源的功能框图。该图仅作为示例，其不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该理解很多变化、替代和修改。控制器主要由启动和参考电压产生模块，退磁信号产生模块，采样模块，误差放大器模块，核心控制模块，峰值电流检测模块，逻辑控制模块、驱动模块和保护模块等组成。

电源系统包括电磁干扰(EMI)滤波电路、整流滤波电路。根据不同的应用，EMI滤波电路可以包括一个或两个电感。在图1所示的实施例中，输出整流滤波电路包括4个输出整流二极管，并且可选的包括滤波电容。针对不同的输出纹波要求，输出整流滤波电路可以增加π型滤波电路或者共模滤波电路来改善滤波效果。本领域技术人员可以根据需要对二极管设置不同接法，以达到不同的纹波要求。整流二极管上可以并有RC吸收电路，RC吸收电路根据需要可以调整或者不用。

图3示出了根据本公开的实施例的开关电源控制器的一种启动电路图。图示了功率MOS管驱动的一种启动电路，其中M1、M2为功率管。M2置于控制器内，M1置于系统上。控制器受使能信号PG(power good)信号控制：启动前PG为低电平，M2不导通，启动后PG为高电平，M2导通，等效为一个开关。系统启动后电感中的电流Ipk流过M2，再流过采样电阻Rcs。为了不影响系统效率以及降低控制器温度，M2的导通阻抗需要尽量小。

考虑到实际设计控制器时的芯片面积和成本，根据优选的实施例，常温时M2的导通阻抗可以设计在150毫欧左右。系统上采样电阻Rcs阻值由系统输出电压电流要求确定，一般为几百毫欧至几欧姆。所以，正常工作时，M2的导通阻抗小于Rcs。当CS pin短路时(一般为零欧姆或者几毫欧接触电阻)，M2的阻抗大于Rcs。利用这一特性，本发明实现了CSPIN短路保护功能。

在一个示例中，功率晶体管是双极结型晶体管。在又另一示例中，功率晶体管是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。优选地，功率晶体管是场效应晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。

图4示出了根据本公开的实施例的开关电源控制器的另一启动电路图。上图3或图4中功率管M2或采样电阻Rcs两端的电压降可以用公式表示如下：

其中，Vline为输入电压，Lm为激磁线圈的感量，R为功率管M2的导通电阻Ron或者Rcs，t为流过电流的时间。V为功率管M2两端或Rcs两端的压降。上述公式电压V随时间t的变化见下图5所示。

具体阻抗计算如下：

SW PIN和CS PIN到地电阻为：

(1)当正常工作时：

SW PIN到地阻抗：M2导通阻抗Ron+Rcs，记为Rsw1；

其中Ron<Rcs，记Ron＝k1*Rcs(0<k1<1)，

则Rsw1＝(1+k1)*Rcs。

CS PIN到地阻抗：Rcs

记k2*Rsw1＝k2*(1+k1)*Rcs

若k2*Rsw1<Rcs，则0<k2<(1/(1+k1))<1。k1越小，k2可以越大。

(2)当CS PIN短路时：

SW PIN到地阻抗：M2导通阻抗Ron+Rshort(Rshort为CS PIN短路到地后的阻抗)，记为Rsw2，

则Rsw2＝Ron+Rshort，Rshort<<Ron；

记Ron＝k3*Rshort(k3>>1)；

Rsw2＝(k3+1)*Rshort；

CS PIN到地阻抗：Rshort，

有Rsw2>>Rshort；

记k2*Rsw2＝k2*(k3+1)*Rshort

若k2*Rsw2>Rshort，则k2>(1/(1+k3)。

综上，k2的取值需满足条件：(1/(1+k3)<k2<(1/(1+k1))。k2取值合适，能使上述两种情况下k2*Rsw与Rcs、k2*Rsw与Rshort有足够裕量。

图6示出了根据本公开的实施例的电流检测端短路保护的一种示例性实现方式。以驱动功率MOS管为例，其主要原理是：正常工作时，功率管M2的导通阻抗小于CS PIN到地电阻(采样电阻Rcs)，CS PIN短路时M2的导通阻抗大于CS PIN到地电阻(为零或者几毫欧短路接触阻抗)。由于功率管M2和CS PIN到地电阻是串行连接，并且直接比较电阻大小在电路实现上会较复杂，所以将正常工作状态和CS PIN短路状态下功率管M2导通阻抗和CS PIN到地电阻的阻值大小关系变化转换为功率管M2两端电压与CS PIN电压的大小关系变化。

在图6中，功率管M2和CS PIN到地电阻在正常工作模式和CS PIN短路时电阻大小关系的变化转换为功率管M2两端电压和CS PIN电压的大小关系变化。功率管M2两端电压为SW与CS的电压差，记为VSW-VCS。CS PIN到地电位之间的电压差，即为CS PIN的电压，记为VCS。正常工作状态下VSW-VCS<VCS；CS PIN短路时VSW-VCS>VCS。

由前述正常工作模式和CS PIN短路状态下的阻抗计算可知，若Ron＝k1*Rcs(0<k1<1)，Ron＝k3*Rshort(k3>>1)，则k2在(1/(1+k3))<k2<(1/(1+k1))范围内时满足：正常工作状态下，k2*VSW<VCS；CS PIN短路时k2*VSW>VCS。作为例子，k1取0.25，则0<k2<0.8。我们取k2＝0.5，则：正常工作状态下，0.5*VSW<VCS；CS PIN短路时0.5*VSW>VCS。

电路实现方式中，增加开关管M3，将SW PIN的电压转移至节点SW_cs的电压。图6中R10和R11的阻值之和远远大于R9，R9的作用仅是保护控制器内的比较器，从而SW_cs电压接近SW PIN电压。R10和R11的阻值之和需要足够大，使得流过R10和R11的电流远小于流过功率管M2的电流。

当节点SW_cs的电压达到内部设定的vref值时，检测节点SW_k的电压是否高于CSPIN电压。在正常工作时，节点SW_k的电压小于CS PIN的电压，CS PIN短路时节点SW_k的电压大于CS PIN的电压。节点SW_k的电压为R10/(R10+R11)*VSW，R10/(R10+R11)即为前述的k2。当连续几个开关周期检测到节点SW_k电压高于CS PIN电压，则认为CS PIN发生短路失效，控制器被关闭，直至控制器电源VDDH掉电重启或者系统重新上电(Vline重新上电)，这可以依据系统要求而设定。

同样，vref的设定也可以根据系统需要而设定，vref的选取既需要不影响正常工作，又需要保证线圈中的电流IPK在CS PIN短路时不会损坏M1、M2和变压器绕组。

根据本公开的实施例，提供了一种用于开关电源中的电源控制系统，包括：电流检测端，电流检测端链接电源控制系统和开关电源；积分和采样组件，积分和采样组件被配置为接收采样电压和参考电压，并且至少部分地基于采样电压和参考电压来生成第一信号，其中采样电压是至少部分地根据接地的采样电阻器的第一阻抗Rcs获得的，功率管，具有第二阻抗与所述采样电阻串联连接；其中当所述开关电源正常工作时，所述功率管的导通时的切换引脚到地阻抗Rsw1为所述第一阻抗Rcs与第二阻抗Ron之和，其中所述第二阻抗Ron与所述第一阻抗Rcs的比值为k1(0<k1<1)；当所述电流检测端短路时，所述功率管的导通阻抗等于所述第二阻抗与短路阻抗之和，其中所述第二阻抗与所述短路阻抗的比值为k3(k3>>1)，调制组件，调制组件被配置为接收基于第一信号的第一电压以及斜坡电压，并且基于第一电压和斜坡电压来生成调制信号；逻辑控制组件，逻辑控制组件被配置为接收调制信号，并且基于调制信号来生成驱动信号；以及驱动组件，驱动组件被配置为基于驱动信号来关断栅极。

根据本公开的实施例，假设系数k2*Rsw1＝k2*(1+k1)*Rcs，则系数k2的取值满足(1/(1+k3)<k2<(1/(1+k1))。

根据本公开的实施例，电源控制系统还包括峰值电流检测模块，峰值电流检测模块用于检测开关电源的峰值电流，并且至少部分地基于峰值电流来调整参考电压。

根据本公开的实施例，电源控制系统还包括退磁检测组件，退磁检测组件被配置为检测电源控制系统的反馈信号，并且基于反馈信号生成触发信号；其中驱动组件还被配置为：基于触发信号来关断栅极。

根据本公开的实施例，电源控制系统还包括开关管，开关管与功率管并联并且与第一电阻和第二电阻串联，第一电阻和第二电阻的电阻值需要足够大以使得流过第一电阻和第二电阻的电流远小于流过功率管的电流。

根据本公开的实施例，启动电路中功率管M2的导通阻抗和系统上的采样电阻在正常模式和失效模式下的阻值大小关系发生变化，利用这一特性实现电流检测端口短路保护功能，同时不影响系统其他性能。

根据本公开的实施例，本文中描述的电流检测端口的短路保护电路仅作为一个示例参考，而不是限制性的。

本文中描述的电流检测端口的短路保护方法和电路适合开关电源电路的不同模式，包括但不限于电流断续模式，电流连续模式以及临界电流模式。

本文中描述的电流检测端口之短路保护适用于文中描述之启动电路。本文中描述的电流检测端口的短路保护电路也适合于功率三极管做驱动管的情形。

例如，本发明的各种实施例的一些或所有组件均被使用一个或多个软件组件、一个或多个硬件组件、和/或软件和硬件组件的一个或多个组合，单独和/或至少与另一组件结合实现。在另一示例中，本发明的各种实施例的一些或所有组件均被单独和/或至少与另一组件结合实现在一个或多个电路中，这些电路诸如是一个或多个模拟电路和/或一个或多个数字电路。在又一示例中，本发明的各种实施例和/或示例可以被结合。

尽管描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将理解的是其他实施例相当于所描述的实施例。因此，将理解的是，本发明不限于具体示出的实施例，而仅受所附权利要求的范围的限制。

Claims

1.一种用于开关电源中的电源控制系统，包括：

电流检测端，所述电流检测端链接所述电源控制系统和所述开关电源；

积分和采样组件，所述积分和采样组件被配置为接收采样电压和参考电压，并且至少部分地基于所述采样电压和所述参考电压来生成第一信号，其中所述采样电压是至少部分地根据接地的采样电阻器的第一阻抗Rcs获得的，

功率管，所述功率管具有第二阻抗与所述采样电阻串联连接；其中当所述开关电源正常工作时，所述功率管的导通时的切换引脚到地阻抗Rsw1为所述第一阻抗Rcs与第二阻抗Ron之和，其中所述第二阻抗Ron与所述第一阻抗Rcs的比值为k1(0<k1<1)；当所述电流检测端短路时，所述功率管的导通阻抗等于所述第二阻抗与短路阻抗之和，其中所述第二阻抗与所述短路阻抗的比值为k3(k3>>1)，

调制组件，所述调制组件被配置为接收基于所述第一信号的第一电压以及斜坡电压，并且基于所述第一电压和所述斜坡电压来生成调制信号；

逻辑控制组件，所述逻辑控制组件被配置为接收所述调制信号，并且基于所述调制信号来生成驱动信号；以及

驱动组件，所述驱动组件被配置为基于所述驱动信号来关断栅极。

2.如权利要求1所述的电源控制系统，其中假设系数k2*Rsw1＝k2*(1+k1)*Rcs，则所述系数k2的取值满足(1/(1+k3)<k2<(1/(1+k1))。

3.如权利要求1所述的电源控制系统，还包括峰值电流检测模块，所述峰值电流检测模块用于检测所述开关电源的峰值电流，并且至少部分地基于所述峰值电流来调整所述参考电压。

4.如权利要求1所述的电源控制系统，还包括退磁检测组件，所述退磁检测组件被配置为检测所述电源控制系统的反馈信号，并且基于所述反馈信号生成触发信号；

其中所述驱动组件还被配置为：基于所述触发信号来导通栅极。

5.一种包括如权利要求1-4所述的控制器的开关电源。

6.一种用于开关电源中的电源控制系统，包括：

逻辑控制组件，所述逻辑控制组件被配置为接收所述调制信号，并且基于所述调制信号来生成驱动信号；

驱动组件，所述驱动组件被配置为基于所述驱动信号来关断栅极；以及

开关管，所述开关管与所述功率管并联并且与第一电阻和第二电阻串联，所述第一电阻和第二电阻的电阻值之和需要足够大以使得流过所述第一电阻和第二电阻的电流远小于流过所述功率管的电流。

7.如权利要求6所述的电源控制系统，还包括二极管和第三电阻，其中所述第三电阻与所述开关管的栅极连接；所述二极管的正极与所述开关管的漏极连接，负极与所述开关管的栅极连接。

8.如权利要求6所述的电源控制系统，其中所述开关管的漏极到源极之间连接有体二极管。