CN110048374A - 一种输出短路保护电路、变换器的控制方法及变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出短路保护电路、变换器的控制方法及变换器，所述的短路保护电路包括：自启动监测电路以及由工作时序电路、休眠时序电路和逻辑电路组成的自适应打嗝保护电路；自启动监测电路监测芯片自启动的时序信号，输出自启动监测信号，保证芯片短路时的工作时间等于或大于芯片自启动所需时间；工作时序电路根据自启动监测信号、短路监测信号和时钟信号的时序进行计算，自适应调节芯片短路时的工作时间；休眠时序电路产生芯片短路时的固定休眠时间；逻辑电路根据工作时序电路和休眠时序电路的输出时序，产生自适应短路打嗝信号，控制系统的功率级和其它电路。本发明在保证芯片可以正常启动的前提下，能尽可能的降低平均短路功耗。

Description

一种输出短路保护电路、变换器的控制方法及变换器

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种开关电源变换器的输出短路保护电路及其实现方法。

背景技术

随着电力电子产品的需求和半导体技术的发展，集成电路(IC)在电力电子产品中的重要性越来越高，在开关电源等领域的应用也越来越广泛。尤其是近年来在大功率输出的模块电源产品中，为了增大电源的功率密度和集成更多功能，对产品中的IC性能功能及可靠性要求也越来越高。在这些电源产品IC中，输出短路保护是一种基本且必需的功能，它要求对应IC具有低的短路功耗和高的可靠性。在现今的开关电源的应用中，大部分控制IC和变换器IC是通过以下两种方法来实现输出短路保护的：

一、当芯片检测到输出处于短路状态时，会控制系统降低开关频率，同时降低此时的电流限制值来保证芯片不被损坏；

二、采用短路打嗝(Hiccup)保护的方式，短路打嗝就是说开关电源在输出短路故障情况下，开关电源芯片工作一段时间(Ton)试图恢复启动，然后进入休眠状态停止工作一段时间(Toff)，如果短路状态没有恢复，再进入Ton状态，如此反复不断循环这一过程直至短路状态恢复。

传统的短路保护电路结构如图1。包括功率驱动及输出级、短路检测、振荡器、电流限制和逻辑电路；短路检测通过将功率驱动及输出级的反馈电压和一个基准电压比较，来监测当前是否处于短路状态，产生短路标识信号(与下文的“短路监测信号”含义相同)，然后分别进入振荡器和电流限制电路实现降频和降电流限制值的功能。这种方式的缺点在于电路在短路状态下一直处于开关状态，导致芯片处于大短路功耗工作状态之下，易造成芯片迅速升温可靠性减低而损坏。

为了改善以上缺点，出现了改进型短路保护电路，即短路打嗝保护(Hiccup)模式结构，如图2。图2中用短路打嗝保护电路(Hiccup)取代了图1中的振荡器和电流限制，其工作原理不同之处在于：短路标识信号进入短路打嗝保护电路(Hiccup)，Hiccup电路的输出信号经过逻辑电路控制功率驱动及输出级，在短路时控制芯片在Ton时间内工作，Toff时间内停止工作，和之前的传统短路保护电路相比，Hiccup模式由于间歇性开关工作而明显降低了芯片的短路功耗。我们定义D为单个短路打嗝周期内芯片工作的时间Ton和短路打嗝周期T的比值，Toff为芯片休眠停止工作的时间。

即：

T＝Ton+Toff

然而，Hiccup模式保护电路虽然明显降低了芯片的的短路功耗，但也存在缺点，如下：

由于芯片设计完成并流片出来后，打嗝占空比D是固定的，不能进行调节，所以一般为了降低短路功耗，设计者会希望把打嗝占空比D设计的越小越好。但是由于目前集成电路的制程原因很难在工艺漂移及电压温度变化等基础上把Ton做的非常精准，所以当D值小，即Ton时间较短时，如果出现较大偏差的话，就有可能出现短路不能正常恢复启动的风险。

如果为了克服以上D值小导致的短路不能正常恢复启动的风险，把打嗝占空比D设计大一些的话，又会导致短路功耗较大，芯片短路时的可靠性降低，尤其是在大功率电源产品的应用中。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提供一种输出短路保护电路，在各种应用和芯片生产工艺漂移的条件下，尽量降低短路功耗又能确保芯片没有短路恢复的启动风险；同时，本发明还提供应用该短路保护电路的变换器的控制方法及应用该短路保护电路的变换器。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种输出短路保护电路，包括自启动监测电路和自适应短路打嗝保护电路；自启动监测电路用来监测芯片自启动的时序信号，输出自启动监测信号，保证在芯片短路时的工作时间Ton等于或大于芯片自启动所需的时间；自适应打嗝保护电路包括工作时序电路、休眠时序电路和逻辑电路；工作时序电路根据自启动监测信号、短路监测信号和时钟信号的时序进行计算，自适应调节芯片短路时的工作时间Ton；休眠时序电路产生芯片短路时的固定休眠时间Toff；逻辑电路则根据工作时序电路和休眠时序电路的输出时序，产生自适应短路打嗝信号，去控制系统的功率级和其它电路。

作为自启动监测电路的一种具体的实施方式，其特征在于：包括复制电路、缓冲器和失调补偿及调节电路；来自系统的自启电压经过复制电路，得到和自启电压相同爬升时间但时序周期不同的电压信号，这个电压信号输入至缓冲器的正相端，缓冲器的输出端输出自启动监测信号；缓冲器的输出端还经过失调补偿及调节电路连接至自身的负相端，失调补偿及调节电路的作用有二，一是补偿系统及电路本身引起的失调电压，二是人为的调节缓冲器的失调电压，使缓冲器输出端的电压在正相端输入电压的基础上留有一定的裕量；自启动监测电路还包括触发电路和N型MOS管MN1，当启动监测电路不需要工作时，触发电路输出高电平会通过N型MOS管MN1拉低自启动监测信号。

优选地，缓冲器输出端的电压在正相端输入电压的基础上留有的裕量为0～100mV。

作为工作时序电路的一种具体的实施方式，其特征在于：包括比较器、上电判断电路、Ton置位电路、Ton触发器和Ton复位电路；来自系统的短路监测信号通过Ton置位电路得到Ton置位信号，该Ton置位信号控制Ton触发器的置位端决定Ton触发器的开始时序；自启动监测信号与基准信号分别输入至比较器的正相端和负相端，当自启动监测信号达到基准信号的电压时，比较器输出端输出的模拟启动信号变为高电平，与上电判断电路输出端的输出共同输入至Ton复位电路，产生Ton复位信号控制Ton触发器的复位端，决定Ton触发器的终止时序；这里上电判断电路是用来判断芯片初次上电的，屏蔽由于芯片初次上电而误认为的短路状态；Ton触发器在时钟信号、Ton置位信号和Ton复位信号共同作用下，输出代表短路状态下工作时间的Ton持续信号。

作为休眠时序电路的一种具体的实施方式，其特征在于：包括Toff自校准电路、Toff置位电路和Toff计数器；Ton持续信号经过Toff置位电路得到Toff置位信号，该Toff置位信号控制Toff计数器的置位端决定计数器开始计数；Toff计数器计数固定时间；Toff自校准电路利用一定时间周期中内部时钟和外部时钟的计数比较，产生Toff自校准信号，对Toff计数器中的时钟周期进行微调；Toff计数器输出代表短路状态下休眠时间的Toff持续信号。

优选地，Toff计数器计数的固定时间为50～100ms。

作为逻辑电路的一种具体的实施方式，其特征在于：包括两个脉冲产生器和一个RS触发器，Ton持续信号和Toff持续信号分别经过一个脉冲产生器，得到一定脉冲宽度的复、置位信号，输入至RS触发器，得到自适应短路打嗝信号。

对应地，应用上述输出短路保护电路的变换器的控制方法为：当短路监测信号翻转，提示系统输出进入短路状态时，电路进入短路状态，在工作时间Ton时间段内，内部自启动监测电路开始工作，系统启动信号开始缓慢上升，同时电路也在实时输入短路监测信号；一方面，系统输出电压在系统启动信号上升到最终的目标电压值这个过程中，如果检测到短路恢复信号使能，则系统启动信号被拉低，重新开始真正的启动并恢复正常工作，如果未检测到短路恢复信号使能，则电路进入休眠状态，系统启动信号被迅速拉低并保持；另一方面，如果系统在休眠时间Toff时间段内短路状态恢复，则电路持续当前周期既定的休眠时间Toff后在下一个周期的短路时的工作时间Ton时间段内恢复正常启动工作，否则进入下一个循环。

一种变换器，包括短路监测、误差放大器、电流比较器、逻辑电路、功率驱动、功率变换及输出以及上述输出短路保护电路；短路监测通过比较反馈电压和第一基准电压来产生短路监测信号；误差放大器通过比较反馈电压和第三基准电压来产生补偿信号，电流比较器通过比较补偿信号与电流采样信号产生数字控制信号，该数字控制信号进入逻辑电路做算法，然后通过功率驱动去控制功率变换及输出的开关占空比，调整输出电压至稳定的目标值；其中反馈电压是通过将变换器输出电压分压得到的，电流采样信号是通过电流采样电路得到的。

作为上述变换器的改进之一，其特征在于：电流比较器中还输入限流信号，对功率变换及输出中的电流过大做限流保护。

作为上述变换器的改进之二，其特征在于：还包括自启动产生器，产生自启电压输入到误差放大器，代替启动或异常恢复时的第三基准电压，使补偿信号缓慢上升，控制输出电压和输入电流也缓慢变化，起到防止输入过冲电流和输出过冲电压的作用。

本发明因为参数Ton是根据芯片的自启动时序信号经过电路计算得出的，保证了它与自启动时序信号的同步性，所以有效地避免了短路恢复时不能启动的风险，而工作时序电路的算法能尽可能减小Ton，所以同时又可以最合理的降低短路功耗，保证了芯片的可靠性，因此本申请能实现发明目的，具备以下有益效果：

短路时的工作时间Ton可以一方面提供恢复后的启动时间，又可以根据监测电路自适应最优化至最小值保证芯片最小的短路损耗。从而在保证芯片可以正常启动的前提下，通过自适应调节短路时的工作时间Ton的方法，能尽可能的降低平均短路功耗。

附图说明

图1传统短路保护电路架构1；

图2为传统短路保护电路架构2；

图3为本发明短路保护电路原理框图；

图4为本发明短路保护电路工作流程和时序框图；

图5为本发明在Ton时段内短路恢复的工作时序图；

图6为本发明在Toff时段内短路恢复的工作时序图；

图7为本发明自启动监测电路的一种具体的实施方式原理图；

图8为本发明工作时序电路的一种具体的实施方式原理图：

图9为本发明休眠时序电路的一种具体的实施方式原理图；

图10为本发明逻辑电路一种具体的实施方式原理图；

图11为采用本发明短路保护电路的DC-DC开关变换器电路架构图。

具体实施例

本申请的发明构思主要来自在非隔离的高压直流-直流(DC-DC)开关降压变换器集成电路的设计中，随着市场应用对输出功率越来越高的需求，对集成电路输出短路功能的要求也越来越高。采用传统电路结构的短路保护功能，无法在短路期间得到低的短路损耗，或为了追求低的短路损耗而存在恢复启动的风险，因此有较大的缺陷。而此种电源芯片的设计如果采用本发明的短路保护电路，则可以在在保证芯片正常启动恢复的前提下，通过自适应调节Ton时间的方法，最优化的降低短路损耗。

图3为本发明短路保护电路原理框图，包括了自启动监测电路和自适应短路打嗝保护电路，其中自适应打嗝保护电路包括工作时序电路、休眠时序电路和逻辑电路。

图4为本发明短路保护电路工作流程和时序框图，本发明电路的工作流程和时序：当电路输入的短路监测信号翻转时，即监测到系统输出进入短路状态时，电路进入短路状态，在工作时间Ton时间段内，内部自启动监测电路开始工作，系统启动信号开始缓慢上升，同时电路也在实时输入短路监测信号；一方面，系统输出电压在系统启动信号上升到最终的目标电压值这个过程中(即一个完整的系统启动阶段)，如果检测到短路恢复信号使能，则系统启动信号被拉低，重新开始真正的启动并恢复正常工作，如果未检测到短路恢复信号使能(即代表仍然保持短路状态)，则电路进入休眠状态，系统启动信号被迅速拉低并保持；另一方面，如果系统在休眠时间Toff时间段内短路状态恢复，则电路持续当前周期既定的休眠时间Toff后在下一个周期的短路时的工作时间Ton时间段内恢复正常启动工作，否则进入下一个循环。

根据上面所述，本发明在Ton时段内短路恢复的工作时序图如图5所示、在Toff时段内短路恢复的工作时序图如图6所示，根据短路监测信号的恢复时间分为在Ton时段内短路恢复和在Toff时段内短路恢复。

图7为本发明自启动监测电路的一种具体的实施方式原理图，包括复制电路、缓冲器和失调补偿及调节电路；来自系统的自启电压经过复制电路，得到和自启电压相同爬升时间但时序周期不同的电压信号，这个电压信号输入至缓冲器的正相端，缓冲器的输出端输出自启动监测信号；缓冲器的输出端还经过失调补偿及调节电路连接至自身的负相端，失调补偿及调节电路的作用有二，一是补偿系统及电路本身引起的失调电压，二是人为的调节缓冲器的失调电压，使输出端的电压在正相端输入电压的基础上留有一定的裕量，此处裕量一般设计为0～100mV，这样，自启动监测信号是在系统自启电压相同爬升时间留有一定裕量的时序信号；自启动监测电路还包括了触发电路和N型MOS管MN1，当启动监测电路不需要工作时，触发电路输出高电平会通过MN1拉低自启动监测信号。

图8为本发明工作时序电路的一种具体的实施方式原理图：整个电路的主体为受时钟信号控制的Ton触发器，包括比较器、上电判断电路、Ton置位电路、Ton触发器和Ton复位电路；来自系统的短路监测信号通过Ton置位电路得到Ton置位信号，该Ton置位信号Ton控制触发器的置位端决定Ton触发器的开始时序。自启动监测信号与基准信号分别输入至比较器的正相端和负相端，当自启动监测信号达到基准信号的电压时，比较器的输出端输出的模拟启动信号变为高电平，与上电判断电路输出端的输出共同输入至Ton复位电路，产生Ton复位信号控制Ton触发器的复位端，决定Ton触发器的终止时序。这里上电判断电路是用来判断芯片初次上电的，屏蔽由于芯片初次上电而误认为的短路状态。Ton触发器在时钟信号、Ton置位信号和Ton复位信号共同作用下，输出代表短路状态下工作时间的Ton持续信号。

图9为本发明休眠时序电路的一种具体的实施方式原理图；整个电路的主体为受时钟信号控制的Toff计数器，包括Toff自校准电路、Toff置位电路和Toff计数器。Ton持续信号经过Toff置位电路得到Toff置位信号，该Toff置位信号控制Toff计数器的置位端决定计数器开始计数。Toff计数器计数固定时间，在实际设计中一般取50～100ms。由于固定计数时间会受外界比如温度、工艺的影响，所以此电路还包括了一个Toff自校准电路，该电路利用一定时间周期中内部时钟和外部时钟的计数比较，产生Toff自校准信号，对Toff计数器中的时钟周期进行微调。Toff计数器输出代表短路状态下休眠时间的Toff持续信号。

图10为本发明逻辑电路一种具体的实施方式原理图；包括两个脉冲产生器和一个RS触发器，Ton持续信号和Toff持续信号分别经过一个脉冲产生器，得到一定脉冲宽度的复、置位信号，输入至RS触发器，得到自适应短路打嗝信号。该输出的短路打嗝信号在短路状态下去控制系统的功率级和其它电路。

图11为采用本发明短路保护电路的DC-DC开关变换器电路架构图，其中包括自启动产生器、短路监测、自启动监测(即图3中的“自启动监测电路”)、自适应短路打嗝保护电路(即图3中的“自适应短路打嗝保护电路”)、误差放大器、电流比较器、逻辑电路、功率驱动、功率变换及输出、输出电容Cout、反馈电阻Rfb1和Rfb2。

该变换器的工作原理为：误差放大器通过比较反馈电压和第三基准电压(即图11中的基准电压3)来产生补偿信号，电流比较器通过比较补偿信号与电流采样信号产生数字控制信号，该数字控制信号进入逻辑电路做算法，然后通过功率驱动去控制功率变换及输出的开关占空比，调整输出电压至稳定的目标值。其中反馈电压是通过反馈电阻Rfb1和Rfb2对输出电压分压得到的，电流采样信号是通过没有画出来的电流采样电路得到的，输入电流比较器的限流信号来自内部没有画出的“电流偏置补偿电路”，是为了防止功率变换中的电流过大而做的限流保护。为了有效的防止芯片启动或异常恢复时输入过冲电流和输出过冲电压，芯片设计了自启动产生器，产生自启电压输入误差放大器，代替启动或异常恢复时的基准电压3，使补偿信号缓慢上升，控制输出电压和输入电流也缓慢变化，达到防止输入过冲电流和输出过冲电压的作用。

该变换器的短路保护工作原理为：短路监测通过比较反馈电压和第一基准电压(即图11中的基准电压1)实时监测短路是否恢复，输出代表短路状态的短路监测信号。自启动监测电路通过监测系统的自启电压来监测芯片自启动的时序，输出自启动监测信号。而自适应短路打嗝保护电路作为短路保护的核心电路，根据短路监测信号、自启动监测信号和时钟信号的时序进行计算，产生自适应Hiccup信号。芯片正常工作时，如果短路监测电路监测到系统输出短路，输出高电平的短路监测信号，此信号进入自适应短路打嗝保护电路，系统进入短路状态Ton时间段，此时自启动监测电路开始工作，自启电压开始缓慢上升，如果输出电压在系统启动信号上升到第二基准电压(即图11中的基准电压2，这个电压设置在复制电路内部)这个过程中检测到短路监测信号变为低电平，则启动信号被拉低重新开始真正的启动并恢复正常工作，如果电路在这个过程中未检测到短路恢复信号变低，则电路进入Toff状态，自启电压被迅速拉低。当系统进入Toff时段内后，同样实时判断短路监测信号的电平，如果短路监测信号变为低电平，则持续既定的休眠时间Toff后在下一个Ton时段内恢复正常启动工作，否则进入下一个循环。

这样，由于电路通过实时判断自启电压来设定Ton的数值，一方面系统不会存在异常恢复启动的风险，另一方面可以保证Ton的时间最短，达到最大化减小短路损耗的功能。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种输出短路保护电路，包括自启动监测电路和自适应短路打嗝保护电路；自启动监测电路用来监测芯片自启动的时序信号，输出自启动监测信号，保证在芯片短路时的工作时间Ton等于或大于芯片自启动所需的时间；自适应打嗝保护电路包括工作时序电路、休眠时序电路和逻辑电路；工作时序电路根据自启动监测信号、短路监测信号和时钟信号的时序进行计算，自适应调节芯片短路时的工作时间Ton；休眠时序电路产生芯片短路时的固定休眠时间Toff；逻辑电路则根据工作时序电路和休眠时序电路的输出时序，产生自适应短路打嗝信号，去控制系统的功率级和其它电路。

2.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于：自启动监测电路包括复制电路、缓冲器和失调补偿及调节电路；来自系统的自启电压经过复制电路，得到和自启电压相同爬升时间但时序周期不同的电压信号，这个电压信号输入至缓冲器的正相端，缓冲器的输出端输出自启动监测信号；缓冲器的输出端还经过失调补偿及调节电路连接至自身的负相端，失调补偿及调节电路的作用有二，一是补偿系统及电路本身引起的失调电压，二是人为的调节缓冲器的失调电压，使缓冲器输出端的电压在正相端输入电压的基础上留有一定的裕量；自启动监测电路还包括触发电路和N型MOS管MN1，当启动监测电路不需要工作时，触发电路输出高电平会通过N型MOS管MN1拉低自启动监测信号。

3.根据权利要求2所述的输出短路保护电路，其特征在于：缓冲器输出端的电压在正相端输入电压的基础上留有的裕量为0～100mV。

4.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于：工作时序电路包括比较器、上电判断电路、Ton置位电路、Ton触发器和Ton复位电路；来自系统的短路监测信号通过Ton置位电路得到Ton置位信号，该Ton置位信号控制Ton触发器的置位端决定Ton触发器的开始时序；自启动监测信号与基准信号分别输入至比较器的正相端和负相端，当自启动监测信号达到基准信号的电压时，比较器输出端输出的模拟启动信号变为高电平，与上电判断电路输出端的输出共同输入至Ton复位电路，产生Ton复位信号控制Ton触发器的复位端，决定Ton触发器的终止时序；这里上电判断电路是用来判断芯片初次上电的，屏蔽由于芯片初次上电而误认为的短路状态；Ton触发器在时钟信号、Ton置位信号和Ton复位信号共同作用下，输出代表短路状态下工作时间的Ton持续信号。

5.根据权利要求4所述的输出短路保护电路，其特征在于：休眠时序电路包括Toff自校准电路、Toff置位电路和Toff计数器；Ton持续信号经过Toff置位电路得到Toff置位信号，该Toff置位信号控制Toff计数器的置位端决定计数器开始计数；Toff计数器计数固定时间；Toff自校准电路利用一定时间周期中内部时钟和外部时钟的计数比较，产生Toff自校准信号，对Toff计数器中的时钟周期进行微调；Toff计数器输出代表短路状态下休眠时间的Toff持续信号。

6.根据权利要求5所述的输出短路保护电路，其特征在于：Toff计数器计数的固定时间为50～100ms。

7.根据权利要求5所述的输出短路保护电路，其特征在于：逻辑电路包括两个脉冲产生器和一个RS触发器，Ton持续信号和Toff持续信号分别经过一个脉冲产生器，得到一定脉冲宽度的复、置位信号，输入至RS触发器，得到自适应短路打嗝信号。

8.一种变换器的控制方法，其特征在于：当短路监测信号翻转，提示系统输出进入短路状态时，电路进入短路状态，在工作时间Ton时间段内，内部自启动监测电路开始工作，系统启动信号开始缓慢上升，同时电路也在实时输入短路监测信号；一方面，系统输出电压在系统启动信号上升到最终的目标电压值这个过程中，如果检测到短路恢复信号使能，则系统启动信号被拉低，重新开始真正的启动并恢复正常工作，如果未检测到短路恢复信号使能，则电路进入休眠状态，系统启动信号被迅速拉低并保持；另一方面，如果系统在休眠时间时Toff间段内短路状态恢复，则电路持续当前周期既定的休眠时间Toff后在下一个周期的短路时的工作时间Ton时间段内恢复正常启动工作，否则进入下一个循环。

9.一种变换器，其特征在于：包括短路监测、误差放大器、电流比较器、逻辑电路、功率驱动、功率变换及输出以及权利要求1至7任一项所述的输出短路保护电路；短路监测通过比较反馈电压和第一基准电压来产生短路监测信号；误差放大器通过比较反馈电压和第三基准电压来产生补偿信号，电流比较器通过比较补偿信号与电流采样信号产生数字控制信号，该数字控制信号进入逻辑电路做算法，然后通过功率驱动去控制功率变换及输出的开关占空比，调整输出电压至稳定的目标值；其中反馈电压是通过将变换器的输出电压分压得到的，电流采样信号是通过电流采样电路得到的。

10.根据权利要求9所述的变换器，其特征在于：电流比较器中还输入限流信号，对功率变换及输出中的电流过大做限流保护。

11.根据权利要求9所述的变换器，其特征在于：还包括自启动产生器，产生自启电压输入到误差放大器，代替启动或异常恢复时的第三基准电压，使补偿信号缓慢上升，控制输出电压和输入电流也缓慢变化，起到防止输入过冲电流和输出过冲电压的作用。