CN111711170B - 一种开关电源短路保护电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种开关电源的短路保护电路和方法。所述开关电源通过输出端提供输出电压，当开关电源发生短路故障时，开关电源进入短路保护模式，短路保护模式包括依次重复进行的休眠阶段和复位阶段，在休眠阶段，开关电源停止工作，在复位阶段，开关电源进行自启动。所述短路保护电路检测短路故障时开关电源的输出电压，并根据短路故障时的输出电压设置复位阶段的时长，其中复位阶段的时长和短路故障时的输出电压成正向关系。所述短路保护电路既可以降低短路故障时的平均短路功耗，又保证短路故障排除后开关电源可恢复到正常工作模式。

Description

一种开关电源短路保护电路和方法

技术领域

本发明涉及开关电源，尤其涉及开关电源的短路保护电路及方法。

技术背景

开关电源的短路保护电路可以在开关电源发生短路故障时，防止开关电源自身以及与其在同一个系统中其它电路的损坏，因此是开关电源的重要组成部分。

图1给出了现有的采用打嗝保护模式的开关电源在发生短路故障时，开关电源输出电压V_OUT的波形图。图1还给出了开关控制信号SW以表征开关电源的工作状态。当开关控制信号SW是连续的方波时，表征开关电源处于正常工作模式或者复位阶段，当开关控制信号SW是连续的逻辑低时，表征开关电源处于休眠阶段。图1所示的打嗝保护模式的工作原理是，当开关电源发生短路故障时，开关电源进入短路保护模式，依次重复工作在休眠阶段和复位阶段，并在短路故障排除后，开关电源退出短路保护模式，恢复正常工作模式。打嗝保护模式因其一方面可以避免连续工作产生的热积累而损害开关电源，另一方面还可以在短路故障排除后自动恢复正常工作模式的特点而得到广泛的应用。现有的打嗝保护模式，复位阶段的时长是固定的，因此若复位阶段的时长设计的短，短路故障时开关电源的平均短路功率低，但短路故障消除后，开关电源无法通过自启动恢复到正常工作模式，若复位阶段的时长设计的长，开关电源虽然可以在短路故障排除后通过自启动恢复到正常工作模式，但短路故障时开关电源的平均短路功率高。

因此，需要一种短路保护电路，既可以在短路故障时降低开关电源的平均短路功率，又可以在短路故障排除后通过自启动恢复到正常工作模式。

发明内容

本发明一实施例提出了一种开关电源的短路保护方法，所述开关电源通过输出端提供输出电压，当开关电源发生短路故障时，开关电源进入短路保护模式，短路保护模式包括依次重复进行的休眠阶段和复位阶段，在休眠阶段，开关电源停止工作，在复位阶段，开关电源进行自启动，所述短路保护方法包括：检测短路故障时的输出电压，并根据短路故障时的输出电压设置复位阶段的时长，其中复位阶段的时长和短路故障时的输出电压成正向关系。

本发明一实施例提出了一种用于开关电源的短路保护电路，所述开关电源通过输出端提供输出电压，所述短路保护电路包括：休眠阶段控制电路，控制开关电源工作于休眠阶段并生成休眠控制信号控制休眠阶段的时长；和复位阶段控制电路，具有输入端以接收输出电压，并根据输出电压控制复位阶段的时长，其中复位阶段的时长和输出电压成正向关系。

根据本发明提供的开关电源短路保护电路，一方面降低了短路故障时开关电源的平均短路功耗，同时又保证了开关电源在短路故障排除后可自动恢复正常工作模式。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述，这些附图仅用于示例。附图通常仅示出实施例中的部分特征，并且附图不一定是按比例绘制的。

图1给出了现有的采用打嗝保护模式的短路保护电路工作时输出电压V_OUT以及开关控制信号SW的波形图。

图2给出了根据本发明一实施例的具有短路保护功能的开关电源200的电路结构图。

图3给出了根据本发明一实施例的复位阶段控制电路的电路结构图。

图4给出了根据本发明一实施例用于开关电源的短路保护方法400的流程图。

图5给出了根据本发明一实施例的N＝2的开关电源在短路故障时(短路故障时输出电压V_OUT小于第一短路阈值电压VTH1)输出电压V_OUT以及开关控制信号SW的波形图。

图6给出了根据本发明一实施例的N＝2的开关电源在短路故障时(短路故障时输出电压V_OUT处于第一短路阈值电压VTH1和第二短路阈值电压VTH2之间)输出电压V_OUT以及开关控制信号SW的波形图。

不同示意图中的相同的附图标记表示相同或者相似的部分或特征。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其它实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在本公开的说明书及权利要求书中，若采用了诸如“左、右、内、外、上、下、之上、之下”等一类词，均只是为了便于描述，而不表示组件/结构的必然或者永久的相对位置。本领域的技术人员应该理解这类词在合适的情况下是可以互换的，例如，以使的本公开的实施例可以在不同于本说明书描绘的方向下仍可以运作。在本公开的上下文中，将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者他们之间可以存在居中层/元件。此外“耦接”一词意味着以直接或者间接的电气的或者非电气的方式连接。“一个/这个/那个”并不用于特指单数，而可能涵盖复数形式。整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”不一定都指同一个实施例或者示例。本领域普通技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的各个具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图2给出了根据本发明一实施例的具有短路保护功能的开关电源200的电路结构图。开关电源200包括功率电路21，功率电路21包括至少一个开关S1。开关电源200通过控制所述的至少一个开关S1的导通和关断将输入电压V_IN转换成输出电压V_OUT并为负载提供输出电流I_OUT。开关电源200还包括短路保护电路22，当开关电源200发生短路故障时，短路保护电路22控制开关电源200工作于包括休眠阶段和复位阶段的短路保护模式。在图2中，短路保护电路22包括休眠阶段控制电路和复位阶段控制电路，其中休眠阶段控制电路接收短路故障指示信号EN_SCP，当短路故障指示信号EN_SCP有效时，休眠阶段控制电路被使能开始工作。休眠阶段控制电路还生成休眠控制信号Latch到功率电路21以控制休眠阶段的时长。在一实施例中，休眠阶段控制电路还接收短路故障时的输出电压V_OUT，并根据短路故障时的输出电压V_OUT生成休眠控制信号Latch。在一实施例中，休眠阶段的时长和短路故障时的输出电压V_OUT成正向关系，即短路故障时的输出电压V_OUT越高，休眠阶段的时长越长。复位阶段控制电路具有输入端以接收短路故障时的输出电压V_OUT，并根据短路故障时的输出电压V_OUT生成复位控制信号ON以控制复位阶段的时长，所述复位阶段的时长和短路故障时的输出电压V_OUT成正向关系，即短路故障时的输出电压V_OUT越高，复位阶段的时长越长。在一实施例中，复位阶段控制电路还具有N个输入端以接收N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN，其中N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN依次增大，即VTH1＜VTH2…VTHN，复位阶段控制电路根据短路故障时的输出电压V_OUT和N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN生成复位控制信号ON到功率电路21以控制复位阶段的时长。在一实施例中，短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN成等差数列递减，即VTH2-VTH1＝VTH3-VTH2…＝VTHN-VTH(N-1)。在以上实施例中，N是大于等于2的自然数。

在图2中，短路保护电路22还包括短路检测电路，短路检测电路耦接于功率电路21并根据开关电源200的输出电压V_OUT和/或输出电流I_OUT生成短路故障指示信号EN_SCP以表征开关电源200是否发生短路故障。在一实施例中，当输出电压V_OUT小于短路故障电压V_TH和/或输出电流I_OUT大于短路故障电流I_TH时，短路故障指示信号EN_SCP有效，短路保护电路22控制开关电源200工作于短路保护模式。

图3给出了根据本发明一实施例的复位阶段控制电路的电路结构图。复位阶段控制电路控制复位阶段包括N个自启动阶段P1、P2…PN，并根据N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN和短路故障时的输出电压V_OUT生成复位控制信号ON以控制复位阶段的时长。在图3中，复位阶段控制电路包括选择器MUX，状态机和比较器CMP。其中选择器MUX具有N个输入端以接收N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN，以及输出端。状态机具有输入端以接收休眠控制信号Latch，当休眠控制信号Latch控制休眠阶段结束后，状态机被使能。状态机还具有时钟输入端以接收N个时钟信号ON1、ON2…ONN以一一对应地控制N个自启动阶段P1、P2…PN的时长，其中第i时钟信号ONi控制第i自启动阶段的时长为Ti。状态机控制选择器MUX在第i自启动阶段Pi输出对应的第i短路阈值电压VTHi。比较器CMP，比较其接收的第i短路阈值电压VTHi和输出电压V_OUT，并在输出端生成复位控制信号ON。复位阶段控制电路的工作原理如下：在第i自启动阶段Pi结束时，选择器MUX在状态机控制下输出第i短路阈值电压VTHi到比较器CMP，比较器CMP比较输出电压V_OUT和第i短路阈值电压VTHi，若输出电压V_OUT小于第i短路阈值电压VTHi，则状态机停止工作，复位阶段结束，睡眠阶段开始，此时复位阶段的时长等于(T1+…+Ti)，否则，复位阶段控制电路控制开关电源进入第i自启动阶段P(i+1)，其中i从1到N-1。在图3中，复位阶段控制电路还包括计时器，计时器为状态机提供N个时钟信号ON1、ON2…ONN，应当知晓的是，在其它实施例中，计时器可以集成在状态机内部并为状态机提供时钟信号。

继续图3中复位阶段控制电路的说明，若在第N自启动阶段PN结束时，输出电压V_OUT大于第N短路阈值电压VTHN，则表明短路故障被排除，开关电源退出短路保护模式并恢复正常工作模式。对于开关电源，开关电源正常工作时输出电压V_OUT的值为输出电压预设值，当上电后，输出电压V_OUT升高到输出电压预设值所需的时间为软启动周期。同一开关电源，当输出端所接的负载不同时，软启动周期不同。比如说负载是电容时，电容的容值越高，软启动周期越长。在一实施例中，第N短路阈值电压VTHN小于等于输出电压预设值的一半。在一实施例中，N个自启动阶段的时长的和(T1+T2+…TN)小于开关电源的软启动周期。在以上实施例中，N是大于等于2的自然数。

图4给出了根据本发明一实施例用于开关电源的短路保护方法400的流程图。为了便于理解，下面结合图2中所示的开关电源200对短路保护方法400进行说明。如图2所示，开关电源200具有输出端以提供输出电压V_OUT和输出电流I_OUT，所述开关电源200包括最少一个开关S1，并通过控制所述最少一个开关S1的导通和关断将输入电压V_IN转换成输出电压V_OUT。对于开关电源，开关电源正常工作时输出电压V_OUT的值为输出电压预设值，当上电后，输出电压V_OUT升高到输出电压预设值所需的时间为软启动周期。同一开关电源，当输出端所接的负载不同时，软启动周期不同。比如说负载是电容时，电容的容值越高，软启动周期越长。当开关电源200发生短路故障时，开关电源200工作于包括休眠阶段和复位阶段的短路保护模式，在短路保护模式，休眠阶段和复位阶段依次重复进行。在休眠阶段，开关电源停止工作，在复位阶段，开关电源进行自启动。短路保护方法400包括步骤SA和步骤SB。在步骤SA，控制开关电源工作于睡眠阶段。在步骤SB，控制开关电源工作于复位阶段，其中复位阶段的时长和短路故障时输出电压V_OUT成正向关系，即短路故障时的输出电压V_OUT越高，复位阶段的时长越长。在一实施例中，开关电源具有N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN，且N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN依次增大，即VTH1＜VTH2＜VTH3…VTHN，其中复位阶段的时长由输出电压V_OUT和N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN决定。在一实施例中，短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN成等差数列递减，即VTH2-VTH1＝VTH3-VTH2…＝VTHN-VTH(N-1)。在以上实施例中，N是大于等于2的自然数。

继续图4的说明，在图4中开关电源具有N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN，且N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN依次增大，即VTH1＜VTH2＜VTH3…VTHN。步骤SB包括步骤SB_1、SB_2…SB_N，其中，在步骤SB_i，控制开关电源进行自启动，并在第i自启动阶段Pi结束时，检测输出电压V_OUT和第i短路阈值电压VTHi进行比较，若输出电压V_OUT小于第i短路阈值电压VTHi，回到步骤SA，此时自动阶段结束，复位阶段的时长为(T1+T2+…Ti)，否则进行步骤SB_(i+1)，其中i从1到N-1。其中若在第N自启动阶段PN结束时，输出电压V_OUT大于第N短路阈值电压VTHN，开关电源退出短路保护模式。在以上实施例中，N是大于等于2的自然数。

对于开关电源，开关电源正常工作时输出电压V_OUT的值为输出电压预设值，当上电后，输出电压V_OUT升高到输出电压预设值所需的时间为软启动周期。同一开关电源，当输出端所接的负载不同时，软启动周期不同。比如说负载是电容时，电容的容值越高，软启动周期越长。在一实施例中，第N短路阈值电压VTHN小于等于输出电压预设值的一半。在一实施例中，N个自启动阶段的时长的和(T1+T2+…TN)小于开关电源的软启动周期。在一实施例中，休眠阶段的时长是固定的。在另一实施例中，休眠阶段的时长和短路故障时输出电压V_OUT成正向关系，即短路故障时输出电压V_OUT越大，休眠阶段的时长越长。

图5给出了根据本发明一实施例的N＝2的开关电源在短路故障时(短路故障时输出电压V_OUT小于第一短路阈值电压VTH1)输出电压V_OUT以及开关控制信号SW的波形图。对于图5的开关电源，N＝2，因此开关电源包括第一短路阈值电压VTHI和第二短路阈值电压VTH2，复位阶段包括依次连续进行的第一自启动阶段P1和第二自启动阶段P2，其中第一自启动阶段P1的时长为T1，第二自启动阶段P2的时长为T2。图5还给出了开关控制信号SW以表征开关电源的工作状态。当开关控制信号SW是连续的方波，表征开关电源处于正常工作模式或者短路保护模式下的复位阶段，当开关控制信号SW是连续的逻辑低时，表征开关电源处于休眠阶段。在图5中，在时刻ta之前，开关电源工作于正常工作模式，在时刻ta，开关电源发生短路故障，进入短路保护模式。短路保护模式包括连续重复的休眠阶段和复位阶段，其中从时刻ta到时刻tb为休眠阶段，所述休眠阶段的时长为Ts。在时刻tb，休眠阶段结束，复位阶段开始，经过第一自启动阶段的时长T1后，即在时刻tc，第一自启动阶段P1结束时，比较输出电压V_OUT和第一短路阈值电压VTH1，由于输出电压V_OUT小于第一短路阈值电压VTH1，因此复位阶段结束，开始下一个休眠阶段，此时复位阶段的时长T_ON等于第一自启动阶段的时长T1，即T_ON＝T1。从时刻ta到时刻td，开关电源依次重复工作在休眠阶段和复位阶段，在这段时间内，由于在每个第一自启动阶段P1结束时，输出电压V_OUT均小于第一短路阈值电压VTH1，因此每个复位阶段的时长T_ON等于T1。假设在时刻td，短路故障被排除，在从时刻te开始的复位阶段，当第一自启动阶段P1结束时，即在时刻tf，由于此时输出电压V_OUT大于第一短路阈值电压VTH1，因此进入第二自启动阶段P2，在第二自启动阶段P2结束时，即在时刻tg，由于此时输出电压V_OUT大于第二短路阈值电压VTH2，因此开关电源退出短路工作模式，开始正常工作模式。

图6给出了根据本发明一实施例的N＝2的开关电源在短路故障时(短路故障时输出电压V_OUT处于第一短路阈值电压VTH1和第二短路阈值电压VTH2之间)输出电压V_OUT以及开关控制信号SW的波形图。对于图6的开关电源，N＝2，因此开关电源包括第一短路阈值电压VTHI和第二短路阈值电压VTH2，复位阶段包括依次连续进行的第一自启动阶段P1和第二自启动阶段P2，其中第一自启动阶段P1的时长为T1，第二自启动阶段P2的时长为T2。图6还给出了开关控制信号SW以表征开关电源的工作状态。和图5相同，当开关控制信号SW是连续的方波，表征开关电源处于正常工作模式或者短路保护模式下的复位阶段，当开关控制信号SW是连续的逻辑低时，表征开关电源处于休眠阶段。在图6中，在时刻tA之前，开关电源工作于正常工作模式，在时刻tA，开关电源发生短路故障，开关电源进入短路保护模式。短路保护模式包括连续重复的休眠阶段和复位阶段，其中从时刻tA到时刻tB为休眠阶段，所述休眠阶段的时长为Ts。在时刻tB，休眠阶段结束，复位阶段开始，经过第一自启动阶段的时长T1后，即在时刻tC，第一自启动阶段P1结束时，比较输出电压V_OUT和第一短路阈值电压VTH1，由于输出电压V_OUT大于第一短路阈值电压VTH1，因此进入第二自启动阶段P2，并在第二自启动阶段P2结束时，即时刻tD比较输出电压V_OUT和第二短路阈值电压VTH2，由于输出电压V_OUT小于第二短路阈值电压VTH2，因此复位阶段结束，进入休眠阶段，此时复位阶段的时长T_ON为第一自启动阶段的时长T1和第二自启动阶段的时长T2两者的和，即T_ON＝T1+T2。从时刻tA到时刻tE，开关电源工作于短路保护模式，休眠阶段和复位阶段重复依次进行。在这段时间内，由于在每个第一自启动阶段P1结束时，输出电压V_OUT均大于第一短路阈值电压VTH1，因此每个复位阶段的时长T_ON等于T1+T2。假设在时刻tE，短路故障被排除，因此从时刻tF开始的复位阶段，当第一自启动阶段P1结束时，即在时刻tG，由于此时输出电压V_OUT大于第一短路阈值电压VTH1，进入第二自启动阶段P2，在第二自启动阶段P2结束时，即在时刻tH，由于此时输出电压V_OUT大于第二短路阈值电压VTH2，因此开关电源退出短路工作模式，开始正常工作模式。

在图5和图6中，第二短路阈值电压VTH2小于等于输出电压预设值V_SET的一半，第一自启动阶段的时长T1和第二自启动阶段的时长T2的和小于开关电源的软启动周期。

在图5和图6所示实施例中，休眠阶段的时长T_S是固定，在其它实施例中，休眠阶段的时长T_S可以随着短路故障时的输出电压V_OUT的变化而变化。在一实施例中，休眠阶段的时长Ts和短路故障时的输出电压V_OUT成正向关系，即当短路故障时的输出电压V_OUT的增大，休眠阶段的时长T_S增加。

采用本发明的短路保护电路，一方面，在发生短路故障时，若短路故障是死短(输出电压V_OUT的值接近于0V，比如说输出电压V_OUT被极小的电阻或者导线短接到参考地)，复位阶段的时长被控制到最小，从而最大限度的减小开关电源的平均短路功耗，另一方面，在短路故障排除后，复位阶段的时长被控制到最大，从而保证开关电源有足够长的复位阶段恢复到正常工作模式。

上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明。这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其它可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其它变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。

Claims (6)

1.一种开关电源的短路保护方法，所述开关电源通过输出端提供输出电压，当开关电源发生短路故障时，开关电源进入短路保护模式，短路保护模式包括依次重复进行的休眠阶段和复位阶段，在休眠阶段，开关电源停止工作，在复位阶段，开关电源进行自启动，所述短路保护方法包括：检测短路故障时的输出电压，并根据短路故障时的输出电压设置复位阶段的时长，其中复位阶段的时长和短路故障时的输出电压成正向关系，所述开关电源具有N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN，其中VTH1＜VTH2＜…VTHN，复位阶段的时长由短路故障时的输出电压和N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN决定，其中N是大于等于2的自然数，所述复位阶段包括依次连续进行的N个自启动阶段，第i自启动阶段对应第i短路阈值电压，其中在第i自启动阶段结束时，检测输出电压并将输出电压和第i短路阈值电压比较，若输出电压小于第i短路阈值电压，则复位阶段结束，进入休眠阶段，否则进入第(i+1)自启动阶段，其中i从1到N-1。

2.如权利要求1所述的短路保护方法，若在第N自启动阶段结束时，输出电压大于第N短路阈值电压，开关电源退出短路保护模式。

3.如权利要求1所述的短路保护方法，开关电源正常工作时输出电压的值为输出电压预设值，其中第N短路阈值电压小于等于输出电压预设值的一半。

4.如权利要求1所述的短路保护方法，其中休眠阶段的时长与短路故障时输出电压成正向关系。

5.一种用于开关电源的短路保护电路，所述开关电源通过输出端提供输出电压，所述短路保护电路包括：

休眠阶段控制电路，控制开关电源工作于休眠阶段并生成休眠控制信号控制休眠阶段的时长；和

复位阶段控制电路，具有输入端以接收输出电压，并根据输出电压生成复位控制信号控制复位阶段的时长，其中复位阶段的时长和输出电压成正向关系，所述复位阶段控制电路接收N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN，其中VTH1＜VTH2＜…VTHN，并将输出电压和N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN依次进行比较，并根据比较结果控制复位阶段的时长，其中N是大于等于2的自然数；

所述复位阶段控制电路包括选择器，所述选择器具有N个输入端以接收N个短路阈值电压VTH1、VTH2…VTHN；

所述复位阶段控制电路包括状态机，所述状态机控制复位阶段包括N个自启动阶段，并控制选择器在第i自启动阶段输出第i短路阈值电压；

所述复位阶段控制电路包括比较器，所述比较器将输出电压和接收到的第i短路阈值电压进行比较，并在输出端生成复位控制信号，其中i从1到N-1。

6.如权利要求5所述的短路保护电路，其中休眠阶段控制电路还接收输出电压，并根据输出电压控制休眠阶段的时长。

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