发明内容
本发明是为了解决DC-DC电源芯片在输入端接触不良或阶跃上电时的工作不稳定、输出存在过冲的问题。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种输入电压突变关断输出的电路及电源芯片,通过检测电源芯片输入端电压的波动,当输入电压存在剧烈的波动时,控制电源芯片内功率管停止工作,并且在波动停止后,延迟一定时间功率管再重新工作,使电源芯片在输入电压不稳定时,功率管不工作,等输入电压稳定后,再重新开始工作,从而可以避免该情况下产生的输出过冲等问题,保证系统工作稳定。
本发明第一方面提供了一种输入电压突变关断输出的电路,包括:
输入电压斜率检测模块,包括运算放大器,运算放大器的同相端接第一基准电压且反相端经第二电容接电源芯片的输入电压后输出第一电压,反相端和输出端之间相连并串联第一电阻;
关机信号生成模块,包括第一比较器、第二比较器,第一比较器接收第二基准电压和第一电压后输出第二电压,第二比较器接收第三基准电压和第一电压后输出第三电压,所述第二电压和第三电压经或门输出第四电压;
系统关机模块,包括跨导放大器、第三场效应管,跨导放大器的输出端连接第三场效应管的漏极,所述第三场效应管的源极接地,所述跨导放大器接收基准电压和电源芯片电压反馈引脚的反馈电压后经频率补偿电路生成控制电源芯片内功率管通断的第八电压,当第四电压为高电平时,所述第三场效应管导通,此时第八电压为零伏;
所述第八电压越高,所述功率管的导通占空比越大,输出的能量也越高,第八电压为零伏时,所述功率管关断。
作为进一步的改进,所述电路还包括关机信号保持模块,所述关机信号保持模块包括触发器和反相器,所述第四电压接入所述触发器的置位端和所述反相器的输入端,所述反相器接收第四电压后输出相反电压信号至所述触发器的复位端,所述触发器的输出端输出第七电压,所述触发器的输出端连接所述第三场效应管的栅极。
作为进一步的改进,所述电源芯片的输入端电压经稳压后连接第一电容,所述第一电容用于保证在输入电压有剧烈变化时,电源芯片内部电路仍可以正常工作,起到稳压的作用。
作为进一步的改进,输入电压上升且第一电压小于第一基准电压时,输入电压上升越快,第一电压越低;输入电压下降且第一电压大于第一基准电压时,输入电压下降的越快,第一电压越高。
作为进一步的改进,第一电压偏离第一基准电压的程度反应了输入电压上升或下降的斜率,再通过第一电压与第二基准电压、第三基准电压的比较输出可以反应输入电压斜率的第四电压信号。
作为进一步的改进,所述第三基准电压高于第一基准电压,第一基准电压大于第二基准电压,优选的,所述第三基准电压略高于第一基准电压,第一基准电压略大于第二基准电压。
作为进一步的改进,当输入电压上升时,且输入电压的斜率为:dVIN/dt>(VREF1-VREF2)/(R1*C2),其中:VREF1、VREF2分别为第一基准电压的电压值、第二基准电压的电压值,R1为第一电阻阻值,C2为第二电容容量,则电源芯片关机。
输入电压下降时,如果第一电压大于第三基准电压,第三电压输出高电平,此输入电压下降的斜率过大,如果第一电压小于第三基准电压,第三电压输出低电平。
当输入电压下降时,且输入电压的斜率为:
dVIN/dt<(VREF1-VREF3)/(R1*C2),其中VREF1、VREF3分别为第一基准电压的电压值、第三基准电压的电压值,R1为第一电阻阻值,C2为第二电容容量,则电源芯片关机。
当第二电压和第三电压至少一个为高电平时,第四电压输出高电平,否则第四电压输出低电平;当第四电压为高电平时,输入电压上升或下降的斜率过大。
当第四电压输出高电平时,第六电压输出低电平,第七电压输出高电平,此时所述电源芯片内的功率管关断,反之功率管导通。
作为进一步的改进,所述关机信号保持模块,包括延时单元、第三比较器和触发器,所述第四电压经延时单元延时转换后输出第五电压,第三比较器接收第五电压和基准电压后输出第六电压,所述触发器的置位端和复位端分别接收第四电压和第六电压后由输出端输出第七电压,第七电压接入第三场效应管的栅极;
当所述第四电压由高电平变为低电平时,所述恒流源通过第一场效应管对第三电容充电,所述延时单元经过一个延时时间使第六电压输出高电平,关机信号解除;其中,所述延时时间即是第五电压由零伏上升到所述基准电压的时间。
作为进一步的改进,所述延时单元包括第一场效应管和第二场效应管组成的反相器、第三电容、恒流源,所述第一场效应管的源极接恒流源,第一场效应管和第二场效应管的栅极相连并接收第四电压,第二场效应管与第一场效应管的漏极相连并连接第三电容一极,第二场效应管的源极、第三电容的另一极接地。
本发明第二方面提供了一种电源芯片,所述电源芯片具有本发明第一方面提供的输入电压突变关断输出的电路。
作为进一步的改进,所述电源芯片还包括稳压源及基准电压源、锯齿皮生成模块、PWM生成模块、功率管驱动模块及功率管。
当第七电压为高电平时,第三场效应管导通,第八电压短路,所述功率管关断,起到关机的作用。
本发明通过检测电源芯片输入端电压的波动情况,判断是否要关闭电源芯片,防止系统输出电压不稳定,造成后级负载损坏。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本公开实施例的附图,对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本公开的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本公开保护的范围。
除非另外定义,本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。
需要说明的是,以下实施例中VIN为输入电压,VDD为内部供电电压,其电压是VIN电压经稳压模块稳压后获得,VREF为电源芯片内部基准电压,VREF1、VREF2、VREF3是VREF电压经电阻分压后获得,用于给电路提供基准电压源,VREF电压大于VREF1、VREF2、VREF3,VFB电压为电源芯片FB引脚的反馈电压,一般是电源系统输出电压经电阻分压等方法获得,IC2为流过第二电容C2的电流。
如图1所示,一种输入电压突变关断输出的电路,包括:
输入电压斜率检测模块100,包括运算放大器OP1,运算放大器OP1的同相输入端接第一基准电压VREF1且反相输入端经第二电容C2接电源芯片的输入电压VIN后输出第一电压V1,反相输入端和输出端之间相连并串联第一电阻R1;
关机信号生成模块200,包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2,第一比较器COMP1接收第二基准电压VREF2和第一电压V1后输出第二电压V2,第二比较器COMP2接收第三基准电压VREF3和第一电压V1后输出第三电压V3,所述第二电压V2和第三电压V3经或门OR1输出第四电压V4;
系统关机模块400,包括跨导放大器OTA1、第三场效应管M3,跨导放大器OTA1的输出端连接第三场效应管M2的漏极,所述第三场效应管M3的栅极接收第四电压V4且源极接地,所述跨导放大器OTA1接收基准电压VREF和电源芯片FB引脚的反馈电压即VFB电压后经频率补偿电路生成控制电源芯片内功率管通断的第八电压V8,当第四电压为高电平时,所述第三场效应管M3导通,此时第八电压为零伏;
所述第八电压V8越高,所述功率管的导通占空比越大,输出的能量也越高,第八电压V8为零伏时,所述功率管关断。
所述输入电压VIN经稳压模块稳压后获得内部供电电压VDD,所述输入电压VIN与内部供电电压VDD间串联有第一电容C1,如图4所示,所述第一电容C1并联于电源芯片的VDD引脚和GND引脚之间。
所述第二电容C2、第一电阻R1、运算放大器OP1组成一个简单的微分电路,通过此微分电路可以实时检测输入电压VIN的变化斜率,当VIN电压上升或下降的斜率变化时,运算放大器OP1的输出电压也随之变化,第二电容C2的电流IC2流动方向如图1中所示,电流IC2=C2*dVIN/dt,则第一电压V1的计算公式(1)为:V1=VREF1-R1*C2* dVIN/dt。
上述公式(1)中,VREF1为第一基准电压VREF1的电压值,R1为第一电阻的阻值,C2为第二电容C2的容量,dVIN/dt为VIN电压上升或下降的速率,是VIN电压随时间t变化的函数。
通过公式(1)可知,VIN上升时,第一电压V1小于第一基准电压VREF1,VIN上升越快,第一电压V1值越低;VIN下降时,第一电压V1大于第一基准电压VREF1,VIN下降的越快,第一电压V1值越高;第一电压V1偏离第一基准电压VREF1的程度可以反应VIN电压上升或下降的斜率。
所述第一比较器COMP1的同相输入端接收第二基准电压VREF2,且反相输入端接收第一电压V1后输出第二电压V2;所述第二比较器COMP2的同相输入端接收第一电压V1,且反相输入端接收第三基准电压VREF3后输出第三电压V3,第二电压V2、第三电压V3经或门OR1后输出第四电压V4。
所述第二基准电压VREF2略低于第一基准电压VREF1,例如第二基准电压VREF2比第一基准电压VREF1小0.2V,在一些实施例中,第二基准电压VREF2比第一基准电压VREF1小0.1V~0.2V。
所述第三基准电压VREF3略高于第一基准电压VREF1,例如,第三基准电压VREF3比第一基准电压VREF1高0.2V,在一些实施例中,第三基准电压VREF3比第一基准电压VREF1高0.1~0.2V。
可见,所述第三基准电压VREF3大于第一基准电压VREF1,第一基准电压VREF1大于第二基准电压VREF2,所述第一基准电压VREF1、第二基准电压VREF2、第三基准电压VREF3的电压值可以根据实际需求设置。
当输入电压VIN上升时,第一电压V1小于第二基准电压VREF2,第二电压V2输出高电平,此时可以认为输入电压VIN上升的斜率过大,第一电压V1小于第二基准电压VREF2,则第二电压V2输出低电平。
第二电压V2输出高电平的条件为:VREF2>V1=VREF1-R1*C2*dVIN/dt。
由此可知,当输入电压VIN上升时,且输入电压的斜率为:dVIN/dt>(VREF1-VREF2)/(R1*C2),则电源芯片关机,其中:VREF1、VREF2分别为第一基准电压的电压值、第二基准电压的电压值,R1为第一电阻阻值,C2为第二电容容量;当输入电压VIN下降时,且第一电压V1大于第一基准电压VREF1,如果第一电压V1同时大于第三基准电压VREF3,则第三电压V3输出高电平,此时可以认为输入电压VIN下降的斜率过大,第一电压V1小于第三基准电压VREF3时,第三电压V3输出低电平。
第三电压V3输出高电平的条件为:VREF3<V1=VREF1-R1*C2*dVIN/dt,由此可知,输入电压VIN下降时,且输入电压的斜率为:dVIN/dt<(VREF1-VREF3)/(R1*C2),则电源芯片关机,其中:VREF1、VREF2、VREF3分别为第一基准电压的电压值、第二基准电压的电压值、第三基准电压的电压值,R1为第一电阻阻值,C2为第二电容容量,输入电压下降时,dVIN/dt为负值。
当第二电压V2、第三电压V3中至少一个为高电平时,第四电压V4输出高电平,否则输出低电平,当所述关机信号生成模块200输出的第四电压V4为高电平时,表示输入电压VIN上升或下降的斜率过大。
如图2所示,所述输入电压突变关断输出的电路,还包括关机信号保持模块300,包括触发器SREF1、延时单元、第三比较器COMP3,所述第四电压V4经延时单元延时转换后输出第五电压V5,第三比较器COMP3接收第五电压V5和基准电压VREF后输出第六电压V6,所述触发器的置位端即S端和复位端即R端分别接收第四电压V4和第六电压V6后输出第七电压V7。
当具有关机信号保持模块300时,所述触发器输出的第七电压接入第三场效应管M3的栅极,当第四电压V4为高电平时,第七电压V7也为高电平,第三场效应管M3导通。
所述延时单元,包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三电容C3、恒流源IS1,所述第一场效应管M1的源极接恒流源IS1,第一场效应管M1和第二场效应管M2的栅极相连并接收第四电压V4,第二场效应管M2与第一场效应管M1的漏极相连并连接第三电容C3一极,第二场效应管M2的源极、第三电容C3的另一极接地,所述第一场效应管M1和第二场效应管M2构成反相器。
在一些实施例中,第一场效应管M1为pmos管,第二场效应管M2为nmos管。
当第四电压V4为高电平时,所述第一场效应管M1关断,第二场效应管M2导通,第三电容C3通过第二场效应管M2放电,由于第三电容C3的电容较小,瞬间可以把第三电容C3的电压放至零伏。
当第四电压V4变为低电平时,第一场效应管M1导通,第二场效应管M2关断,此时恒流源IS1通过第一场效应管M1对第三电容C3充电,所述第三电容C3两端的第五电压V5计算公式(2)为:V5=IS1*t/C3,其中,IS1为恒流源提供的电流值,C3为第三电容C3的容量,t为充电时间。
通过上述公式(2)可知,第五电压V5随着时间而上升,当第五电压V5上升至大于基准电压VREF后,第六电压V6输出高电平,由于第四电压V4已经上高电平变为低电平,第五电压V5由低电平变为高电平的时间T公式(3)为:T=C3*VREF/IS1,其中,C3为第三电容的容量,VREF为基准电压的电压值,IS1为所述恒流源提供的电流值,所述恒流源的典型值为1uA。
通过对所述第三电容C3进行充电,使经过上述延迟时间T后触发器再执行不同的操作,起到延时的效果,使电源芯片的输入电压VIN更稳定之后再工作,进一步提升了稳定性。
作为实施例,所述关机信号保持模块300也可以不具有延时功能,这样第四电压V4仍然接入触发器的S端,当第四电压V4为高电平时,输出的第七电压V7为高电平,对应控制电源芯片关机。此时,所述第三比较器COMP3的同相输入端可以不连接第三电容C3,而是直接连接nmos管的漏极,此时第一场效应管M1的漏极连接恒流源或连接电阻,这样当第四电压V4为高电平时,nmos管关断,第三比较器COMP3输出电平仍然为低电平,第七电压V7对应输出高电平,对应控制电源芯片关机。
在另一些实施例中,所述第四电压V4可以直接接入反相器,反相器的输出端接入触发器的R端,通过反相器将第四电压V4的反向信号输送至触发器的R端,当第四电压V4为高电平时,R端电压为低电平零伏,第七电压V7输出高电平。
反相器的具体实施形式可以有多种,只要实现输出与第四电压相反的电压信号以便所述触发器复位即可,例如所述第四电压V4可以一路接入触发器的S端,另一路经非门接入触发器的R端,同样也可以实现第四电压V4为高电平时,触发器输出关机信号;可见不设置延时单元,也可以在输入电压斜率较大时输出电源芯片的关机信号。
由此可见,所述关机信号保持模块300,可以只包括触发器和反相器,所述第四电压接入所述触发器的置位端和所述反相器的输入端,所述反相器接收第四电压后输出相反电压信号至所述触发器的复位端,所述触发器的输出端输出第七电压并连接第三场效应管的栅极,通过第七电压来控制第三场效应管M3的通断,进而通过第八电压V8来控制电源芯片内功率管的通断。
在具体实施时,所述反相器根据需要来判断是否进行上拉设计,在此不再展开说明。
所述第三比较器COMP3的同相输入端接收第三电压C3两端的第五电压V5,反相输入端接收芯片内部的基准电压VREF,输出端连接触发器SRFF1的R端,在一些实施例中,所述触发器为RS触发器。
所述RS触发器的真值表如下表1所示:
S |
R |
Q |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
保持之前状态 |
1 |
1 |
非法输入 |
表1
上表1中:“1”表示高电平,“0”表示低电平,S、R、Q为触发器对应的连接端,S端、R端为输入端,Q为输出端。
所述第七电压V7为关机信号,初始时,第三电容C3的两端电压即第五电压V5为零伏,故第六电压V6为零伏,触发器SRFF1的Q端输出的第七电压V7为高电平,即表示输入端电压波动较大,功率管需要关机。
所述跨导放大器OTA1接收电源芯片的VFB电压与基准电压VREF,将基准电压VREF与VFB电压之差进行放大,并经过频率补偿电路生成第八电压V8,第八电压V8再经其他电路生成电源芯片内置功率管的控制信号,以控制所述功率管的通断,进而改变输出电压,使VFB电压接近VREF电压,从而实现稳定输出的作用。
其中,第八电压V8电压越高,功率管的导通占空比越大,输出的能量也越高。当第八电压V8为零伏时,功率管不导通。
当第七电压V7为高电平时,输入电压的斜率过高,通过第七电压V7控制第三场效应管M3导通,使第八电压V8短路到地,电源芯片内功率管不导通,起到关机的作用。另外,第八电压V8短接到地,则相当于功率管驱动电路重启。
一种电源芯片,具有上述实施例中的输入电压突变关断输出的电路,所述电源芯片可以为升压型电源芯片也可以为降压型电源芯片。
如图3所示,当所述输入电压突变关断输出的电路应用于降压型电源芯片时,所述跨导放大器OTA1输出端连接PWM生成模块,所述PWM生成模块接收第八电压V8和锯齿波生成模块生成的锯齿波信号后输出PWM信号给功率管驱动模块,所述功率管驱动模块控制功率管的通断。
作为实施例,所述电源芯片内的稳压源及基准电压源从输入电压VIN取电,生成稳压电压VDD和基准电压VREF。
所述电源芯片的FB引脚为反馈引脚,图1、图2中的VFB电压即来自于电源芯片FB引脚的反馈电压,VIN引脚为输入电压引脚,用于接系统的输入。
所述电源芯片的DV SET引脚为输入电压VIN斜率最大值设置引脚,DV SET引脚和VIN引脚之间并联有第二电容C2,用于检测输入电压VIN的上升或下降斜率。
如图4所示,一种电源系统,具有上述实施例中所述的电源芯片,所述电源芯片的VDD引脚上连接第一电容C1,DV SET引脚上连接第二电容C2,SW引脚为功率管的输出端引脚并连接第一电感L1和第一二极管D1一端,图4中其他连接部分为常规降压型芯片电路的常规连接,如FB引脚上的分压电阻RB、RT,以及电容CFF,与第一电感L1一端连接的电容C0、电容C5,并联于VIN引脚和GND引脚间的电容CIN、C4等等,本发明不再展开说明。
如图5所示,图5中自上而下共有第一部分、第二部分、第三部分、第四部分四个部分构成,下面以第一基准电压VREF1为0.4V为例,说明第一电压V1、第四电压V4、第七电压V7随输入电压VIN的变化情况。
第一部分显示的是输入电压VIN的波动,当输入端接触不良时,输入电压VIN会产生类似的波动,图5只是简图,只是为了更好的说明本发明,真实上电时的情况会更复杂多变。
第二部分是第一电压V1的变化,输入电压VIN稳定时,第一电压V1等于第一基准电压VREF1,当输入电压VIN上升时,第一电压V1会下降,低于0.4V,当输入电压VIN下降时,第一电压V1会上升,高于0.4V;输入电压VIN上升或下降的越快,第一电压V1偏离0.4V越多。
第三部分是第四电压V4的变化,当第一电压V1偏离0.4V一定程度,例如第一电压V1高于0.6V或V1低于0.2V,第四电压V4输出高电平。输入电压VIN下降缓慢或上升缓慢时,第四电压V4不会变为高电平,图5中输入电压VIN的第一次下降,因为比较平缓,故第四电压V4未变为高电平。
第四部分为第七电压V7的变化,第七电压V7是由第四电压V4延时得到的,从图中可以看出第七电压V7的脉宽大于第四电压V4的脉宽,图5中延时为35us左右,即第七电压V7的脉宽比第四电压V4的脉宽大35us,这一延时时间是对第三电容C3充电至第五电压V5由零伏到达基准电压VREF的时间,在实施时可以根据需求的变化而不同,一般而言,对于200KHZ的开关频率,延时时间大约7个开关周期。
本发明通过检测输入端电压的波动情况,判断是否要关闭电源芯片,防止电源系统输出不稳定,造成后级负载损坏。
上述实施例中,第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第三比较器COMP3输入端上接收的基准电压信号,可以连接于同相输入端上,也还可以连接于反相输入端上,对于本领域技术人员来说,可以在本发明的基础上进行修改,获得相同功能的关机信号生成模块,实现在输入电压上升或下降的过快时,第四电压V4输出高电平信号。
最后要说明的是,所述第一电容C1的容量较大,一般采用外置连接,当第一电容C1外置时,可以视为所述输入电压斜率检测模块100的一部分,也可视为连接于所述输入电压斜率检测模块100上;而第二电容C2可以集成于电源芯片内,也可以外置,当第二电容C2外置时,方便用户自行设置该电容的容量,以实现不同输入电压斜率情况下的关机。
对于本领域普通技术人员来说,上述实施例中未尽描述,可以根据附图获知,不影响本发明的实施。
以上实施例中,各电路或模块的组成部分,可以采用等同功能的电路或者模块替代,对于实现相同功能的电路结构,也可以采用现有公知的其他电路结构代替,本发明不再一一实施说明。
以上所述,仅为本公开的具体实施方式,但本公开的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此,本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。