CN114374190B - 一种开关电源保护电路和相关开关电源芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种开关电源保护电路、开关电源芯片，该电路中第一比较器模块接入使能EN_CLK信号，过电流超时OCT定时器Timer模块和脉宽调制PWM驱动Driver模块接入PWM信号，第一比较器模块的第一输入端口和第二比较器模块的第一输入端口接入开关电源的输入电压信号Vin，第一比较器模块的第二输入端口和第二比较器模块的第二输入端口接入开关电源的输出电压信号Vout。本申请可实现输出关断功能以节省能量，具有输出完全关断功能，采用过流超时功能实现升压开关电源中限流功能全范围保护，实现设备的保护。

Description

一种开关电源保护电路和相关开关电源芯片
技术领域
本申请涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源保护电路、开关电源芯片。
背景技术
在开关电源芯片中，为了保护输出设备不被损坏、输入设备不发生过载，通常都会对输出做短路保护或者输出过载保护。常见的保护模式包括Hiccup(打嗝)模式或者OCP(过流保护)模式。在buck(降压)开关电源中，打嗝或者过流保护通常都能满足要求和实现既定目标。但是在升压开关电源芯片中，上述两种保护方式均存在使得其失效的输入输出区间，在该使得保护方式失效的区间内，电流限制的值通常比其他区间的大很多，不能很好的达到保护目的。
发明内容
本申请实施例提供一种可以有效保护输入源和负载设备，并且能够有效解决限流功能失效的问题的开关电源保护电路、开关电源芯片。
第一方面，本申请实施例提供一种开关电源保护电路，包括第一比较器模块、第二比较器模块、两输入与门I1、过电流超时定时器模块(OCT Timer模块)、打嗝定时器模块(Hiccup Timer模块)、脉宽调制驱动模块(PWM Driver模块)、两输入或门I3、两输入或非门I2；
所述第一比较器模块的输出端口和所述第二比较器模块的输出端口分别连接所述两输入与门I1的两个输入端口，所述两输入与门I1的输出端口连接所述OCT Timer模块，所述OCT Timer模块连接所述Hiccup Timer模块，所述Hiccup Timer模块连接所述两输入或门I3的第一端口和所述两输入或非门I2的第一端口，所述PWM Driver模块连接所述两输入或门I3的第二端口和所述两输入或非门I2的第二端口；
所述第一比较器模块还用于接入使能EN_CLK信号，所述OCT Timer模块和所述PWMDriver模块还用于接入PWM信号，所述第一比较器模块的第一输入端口和所述第二比较器模块的第一输入端口用于接入所述开关电源的输入电压信号Vin，所述第一比较器模块的第二输入端口和所述第二比较器模块的第二输入端口用于接入所述开关电源的输出电压信号Vout，所述两输入或门I3的输出端口用于输出HDR信号以控制所述开关电源的第二功率开关管Q2的通断，所述两输入或非门I2的输出端口用于输出LDR信号以控制所述开关电源的第一功率开关管Q1的通断，所述第一功率开关管Q1和所述第二功率开关管Q2用于控制所述开关电源的通断。
第二方面，本申请实施例提供一种开关电源芯片，包括电压输入正极端口Vin+、电压输入负极端口Vin-、电感L、电容Cin、电容Cout、电阻RL、电压输出正极端口Vout+、电压输出负极端口Vout-、衬底控制模块body-sel、功率开关管Q1、功率开关管Q2和如权1至权9任一项所述的开关电源保护电路；
所述电压输入正极端口Vin+连接所述电感L的正极和所述电容Cin的正极，所述电感L的负极连接所述功率开关管Q1的源极、所述功率开关管Q2的源极以及所述衬底控制模块body-sel的第一端口，所述衬底控制模块body-sel的第二端口与所述功率开关管Q2的漏极合路后连接所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第一端以及所述电压输出正极端口Vout+，所述衬底控制模块body-sel的选通端口连接所述功率开关管Q2的源极和漏极，所述电压输入负极端口Vin-、所述电容Cin的负极、所述功率开关管Q1的漏极、所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第二段以及所述电压输出负极端口Vout-合路后接地。
由此可见，本申请提出了一种开关电源保护电路、开关电源芯片，可以实现输出关断功能以节省能量，同时实现输入/输出设备的保护，具有输出完全关断功能。同时，采用过流超时功能实现升压开关电源中限流功能全范围保护，能够解决输出短路/过流保护中输出/输入十分接近情况下保护失效的问题。
附图说明
图1是升压开关电源电感电流的波形图；
图2是本申请提供的一种开关电源保护电路的电路原理图；
图3是本申请提供的一种开关保护电源中各信号的波形图；
图4是本申请提供的一种开关电源保护电路中开关电源的电路原理图；
图5是本申请实施例提供的一种第一比较器模块的电路原理图；
图6是本申请实施例提供的另一种第一比较器模块的电路原理图；
图7是本申请实施例提供的一种过电流定时器模块的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
目前，在升压开关电源中，短路保护发生时，是通过限制电感电流从而达到限制芯片功耗和保护输出/输入设备的目的。在输入不变的情况下，一旦输出发生过载，系统会在电感电流达到某一固定值后，限制其继续随负载增加而增加。
在过流保护中，假设电感电流峰值保护阈值为Ilimit，如图1所示，L表示开关电源的电感L的电感值，iL为开关电源的电感电流，Ton为开关电源的功率开关管的开启周期，三个波形图表示开关电源的功率开关管在不同Ton开启时间情况下的电感电流iL变化特性，在输入电压Vin不变的情况下，电感电流的上升斜率是相等的，k1＝k2＝k3＝Vin÷L，功率开关管开启时间为Ton，功率开关管的控制周期为T，图中Ton1>Ton2>Ton_min，对应的，电感电流iL跟随开启时间线性变大，并在功率开关管关断后线性降低。
输入电压为Vin，输入电流即电感电流为Iin，输入功率为Vin×Iin，输出电压为Vout，负载电流为Iout，负载电阻为RL输出功率为Vout×Iout，假设开关管为理想开关管并忽略芯片静态功耗，则转换器的效率100％，根据能量守恒原则，
Vin×Iin＝Vout×Iout＝Vout2÷RL。
当负载电流需求小于Ilimit时，输出电压维持在恒压。
当负载电流需求超过Ilimit时，维持电感电流Ilimit，输出电压Vout下降，保持输出功率和输入功率守恒。
根据连续工作模式升压(BOOST)转换比例公式：
Vout＝Vin÷(1－D)，D＝Ton÷T，
其中，D是占空比，是功率开关管导通时间占整个周期的比例，Ton为功率开关管单位周期内的开启时间，T为功率开关管的控制周期，由上述公式得到公式
Vout＝Vin÷(1－Ton÷T)＝Vin×T÷(T-Ton)，
可知，Vin不变，Ton越小，Vout越低。
在系统中，由于比较器传输延时，电流采样模块的屏蔽时间、响应时间和降低开关损耗等因素影响，为了减少开关损耗并给电流检测足够的时间，所以功率开关管开启时间不能无限小，功率开关管每次开启会设置一个最小的开启时间，即Ton_min。
由Ton_min决定了Vout_min，当负载电流逐渐增加使得电感L电流达到限流值Ilimit，并且输出电压Vout降低到Vout_min以后，输出电压Vout不再下降。
在输出电压不再下降的情况下，如果再继续增加负载电流Iin，导致输出功率增加，基于上述Vin×Ilimit＝Vout×Iout，因为输入电压恒定，所以电感电流Iin将超过设定的峰值Ilimit。导致限流值偏离设定门限。
因此，升压开关电源电路在输出电压和输入电压满足某些特定条件的情况下，存在电感电流不受控，即保护措施失效的问题。
参照图2，本实施例提供了一种开关电源保护电路，包括第一比较器模块、第二比较器模块、两输入与门I1、过电流超时定时器模块(OCT Timer模块)、打嗝定时器模块(Hiccup Timer模块)、脉宽调制驱动模块(PWM Driver模块)、两输入或门I3、两输入或非门I2；
该第一比较器模块的输出端口和该第二比较器模块的输出端口分别连接该两输入与门I1的两个输入端口，该两输入与门I1的输出端口连接该OCT Timer模块，该OCTTimer模块连接该Hiccup Timer模块，该Hiccup Timer模块连接该两输入或门I3的第一端口和该两输入或非门I2的第一端口，该PWM Driver模块连接该两输入或门I3的第二端口和该两输入或非门I2的第二端口；
该第一比较器模块还用于接入使能EN_CLK信号，该OCT Timer模块和该PWMDriver模块还用于接入PWM信号，该第一比较器模块的第一输入端口和该第二比较器模块的第一输入端口用于接入该开关电源的输入电压信号Vin，该第一比较器模块的第二输入端口和该第二比较器模块的第二输入端口用于接入该开关电源的输出电压信号Vout，该两输入或门I3的输出端口用于输出HDR信号以控制该开关电源的第二功率开关管Q2的通断，该两输入或非门I2的输出端口用于输出LDR信号以控制该开关电源的第一功率开关管Q1的通断，该第一功率开关管Q1和该第二功率开关管Q2用于控制该开关电源的通断。
具体的，功率开关管Q1以及功率开关管Q2与开关电源保护电路的连接关系可以如图4所示。
在一个可能的示例中，所述使能EN_CLK信号用于使能所述第一比较器模块；所述PWM信号为所述PWM Driver模块的信号源，所述PWM Driver模块用于将所述PWM信号分为两路驱动信号分别作为所述两输入或门I3和所述两输入或非门I2的输入；所述第二比较器模块的输出信号为sleep信号，所述sleep信号用于表示当前电路系统处于低压差线性稳压器LDO模式或者处于开关模式；
当sleep＝0时，表示代表当前电路系统处于所述LDO模式；
当sleep＝1时，表示代表当前电路系统处于所述开关模式。
具体实现中，由于低压差线性稳压器LDO模式中，电路系统的输出是可以低于输入的，所以根据sleep信号可以将LDO模式排除。
在一个可能的示例中，所述第一比较器模块用于在预设的电压差保护窗口对所述开关电源进行关断保护，所述电压差为输入电压和输出电压的差值；
其中，所述预设的电压差保护窗口的电压范围为[0，Vdiff]，其中，Vdiff通过如下公式计算得到：
Vdiff＝[Ton_min÷(T－Ton_min)]×Vin，
其中，Ton_min为所述开关电源的功率开关管的最小开启时间，T为所述开关电源的功率开关管的实际开关周期即控制周期，Vin为所述开关电源的输入电压信号的大小。
具体实现中，根据升压开关电源的转换比例有：
Vout＝Vin÷(1－D)，D＝Ton÷T，
Vin不变，Ton越小，Vout越低。
由于存在功率开关管的最小开启时间Ton_min，所以只要开关在不停的动作，输出总会高于输入一定值。该值等于：
Vout－Vin＝[D÷(1－D)]×Vin，
将D＝Ton÷T带入得到：
Vout－Vin＝[Ton÷(T－Ton)]×Vin，
将Ton替换为Ton_min得到：
Vout－Vin＝[Ton_min÷(T－Ton_min)]×Vin，
说明工作在电感电流连续模式(Current Continue Mode，CCM)的理想升压开关电源中，由于Ton_min的存在，输出不管多大负载，输出总会比输入大一些。
由于Ton越小，Vout越低，因此，Ton_min决定了Vout_min的值，也就是说上述Vout_min－Vin＝[Ton_min÷(T－Ton_min)]×Vin中。输出电压在下降到Vout_min后理想状态下会保持不再继续下降。
而实际应用中，负载电流在逐渐增大并超过设定的阈值的过程中，由于开关导通电阻的存在，该开关导通电阻会对前述理想升压开关电源中的压降(Vout-Vin)进行分压，使得实际输出电压Vout会低于Vout_min，因此可以通过监测Vdiff来精确控制电路在该异常时段处于关断状态以避免电路导通过流损坏负载。
因此可以设定一个电压差保护窗口，在输出电压降低到一定电压范围内时，对开关电源进行关断保护。具体的，电压差保护窗口的范围大小Vdiff＝[Ton_min÷(T－Ton_min)]×Vin。
在一个可能的示例中，所述OCT Timer模块用于在所述输出电压信号Vout减去所述输入电压信号Vin的差值处于所述预设的电压差保护窗口时被启动，并在第一计时周期TOCT之后对当前电路系统的所述输出电压信号Vout和所述输入电压信号Vin进行比较；
若所述输出电压信号Vout小于所述输入电压信号Vin+Vdiff，则输出Time_out信号为高电平，所述高电平的Time_out信号用于驱动所述Hiccup Timer模块计时，所述Hiccup Timer模块在第二计时周期TPWM_OFF内输出高电平的PWM_OFF信号，所述两输入或门I3根据所述高电平的PWM_OFF信号和所述PWM Driver模块的驱动信号输出对应的HDR信号以强制关闭所述功率开关管Q2，所述两输入或非门I2根据所述高电平的PWM_OFF信号和所述PWM Driver模块的驱动信号输出对应的LDR信号以强制关闭所述功率开关管Q1，所述电路系统在所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q1关闭情况下进入打嗝Hiccup模式。
此外，若所述输出电压信号Vout大于或等于Vin+Vdiff，则输出Time_out信号为低电平，所述Hiccup Timer模块在第二计时周期内输出低电平的PWM_OFF信号，所述两输入或门I3根据所述低电平的PWM_OFF信号与PWM Driver模块的驱动信号输出对应的HDR信号以导通所述功率开关管Q2，所述两输入或非门I2根据所述低电平的PWM_OFF信号与PWMDriver模块的驱动信号输出对应的LDR信号以导通所述功率开关管Q1，此种情况下实现正常驱动开关电源的功率开关管Q1和功率开关管Q2。
其中，功率开关管Q1以及功率开关管Q2与开关电源保护电路的连接关系可以如图4所示。
可见，本示例中，开关电源保护电路通过过电流超时(Over Current Timeout，OCT)功能实现保护。OCT在检测到输出和输入很接近进行过流保护时，还有一个超时机制处理，也就是说在设定的时间内电路系统处于过流状态，但计时到设定的时间后，就会进入打嗝模式，关闭一段时间后再次重新启动，系统不会长时间持续过流状态，从而达到保护的目的。
举例来说，参照图3，图3是本申请实施例提供的一种开关电源保护电路中各信号的波形图。当输出电压Vout降低到电压差保护窗口区间，即Vin<Vout<Vin+Vdiff时，第一比较器模块输出信号为1，第二比较器模块输出信号为1，两输入与门I1输出信号EN_timer为高电平1。
高电平的信号EN_timer驱动OCT Timer模块开始工作，即OCT Timer模块用于在输出电压信号Vout减去所述输入电压信号Vin的差值处于所述预设的电压差保护窗口时被启动，第一计时周期结束后，若检测到Vout还没有跳出保护电压差保护窗口区间，则判定为超时(timeout)，输出信号Time_out为高电平1。
高电平信号Time_out驱动打嗝Hiccup Timer模块计时，Hiccup Timer模块在第二计时周期内输出信号PWM_OFF＝1即高电平信号，两输入或门I3根据高电平的PWM_OFF信号和PWM Driver模块的驱动信号输出对应的HDR信号(例如低电平信号)以强制关闭功率开关管Q2，两输入或非门I2根据高电平的PWM_OFF信号和PWM Driver模块的驱动信号输出对应的LDR信号(例如低电平信号)以强制关闭功率开关管Q1，使得电路系统的输出电压在负载状态下逐渐降低直至恢复正常状态。
当Hiccup Timer模块计时结束后，Hiccup Timer模块输出信号PWM_OFF＝0即低电平信号，电路系统重新启动(restart)，在启动过程中，首先是LDO模式让输出上升到Vout＝Vin，然后系统进入PWM模式的升压启动。
当系统重新进入升压启动过程中，Vout满足OCT电压差保护窗口区间Vin<Vout<Vin+Vdiff时，OCT Timer模块再次被使能，检测Vout在第一计时周期内是否跨过OCT电压差保护窗口区间；
如果顺利跨过保护区间，则进入正常的开关模式；
如果没有跨越OCT保护窗口区间，则输出信号Time_out＝1，再次驱动HiccupTimer模块工作，如此循环。
在一个可能的示例中，所述第一计时周期按照如下预设条件进行设计：保证当前电路系统的负载在过流情况下不损坏。
具体实现中，由于第一计时周期内电路系统中电感电流可能持续处于过流状态，因此第一计时周期的设计需要保证当前电路系统的负载在过流情况下不会损坏。
可见，本示例中，第一计时周期按照保证当前电路系统的负载在过流情况下不损坏的条件设置，有利于对电路系统进行保护。
在一个可能的示例中，所述第一计时周期TOCT通过如下公式计算得到：
TOCT＝(1÷α)×TPWM_OFF，
其中，α为计时时长影响因子。
具体实现中，TOCT计数器的计时时长可以为几个毫秒。
在一个可能的示例中，α＝10[2－(Vout－Vin)÷Vdiff]。
具体实现中，Vout越接近Vin，电路系统的电感电流越大，第一计时周期应越短以避免负载处于大电流情况下的持续时间过长而损坏。
可见，本示例中计时时长影响因子根据电路系统的输入电压和输出电压动态确定，动态计算机制能够更精准的监控电路系统的异常电流情况，提高安全性。
在一个可能的示例中，α的取值为预设数值范围内的任意值，所述预设数值范围的最小值大于或等于10，所述预设数值范围的最大值小于或等于100。
具体实现中，设置PWM_OFF信号周期大于OCT区间即第一计时周期，例如TPWM OFF>(10～100)TOCT，所以即使在OCT区间内电路系统的电感电流很大，但整个TPWM_OFF+TOCT周期内平均电流是很小的，因此能够达到保护整体电路系统的目的。
在一个可能的示例中，参照图4，所述开关电源还包括电压输入正极端口Vin+、电压输入负极端口Vin-、电感L、电容Cin、电容Cout、电阻RL、电压输出正极端口Vout+、电压输出负极端口Vout-以及衬底控制模块body-sel；
所述电压输入正极端口Vin+连接所述电感L的正极和所述电容Cin的正极，所述电感L的负极连接所述功率开关管Q1的源极、所述功率开关管Q2的源极以及所述衬底控制模块body-sel的第一端口，所述衬底控制模块body-sel的第二端口与所述功率开关管Q2的漏极合路后连接所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第一端以及所述电压输出正极端口Vout+，所述衬底控制模块body-sel的选通端口连接所述功率开关管Q2的源极和漏极，所述电压输入负极端口Vin-、所述电容Cin的负极、所述功率开关管Q1的漏极、所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第二段以及所述电压输出负极端口Vout-合路后接地。
其中，开关电源保护电路的电路原理图可以如图2所示。
Q1、Q2的开关是相对D极(漏极)、S极(源极)的导通状态来说的，具体通过栅源电压Vgs实现。其中，Q1可为NMOS，Q2可为PMOS。PMOS管在Vgs大于阈值时截止，Vgs小于阈值时导通，NMOS管在Vgs大于阈值时导通，Vgs小于阈值时截止。
衬底控制模块body-sel的输出控制衬底body连接的位置，body-sel是动态控制的。通过比较器实时比较源极和漏极电压，从而把body接到相对较高的一侧。Body_sel可用于控制Q2中的反并联二极管的续流，具体在Q1关断、Q2还未开启的死区时间内充当续流二极管。因为输出完全关断后，输出电压为0，这时候PMOS(Q2)的N型body会根据body-sel的输出接到Q1和Q2的公共节点，该点电压等于Vin>0，比关断情况下的0V输出高。
如图5所示，第一比较器模块的一种实现方式中，具体可以包括一个Vdiff模块和一个比较器COMP1，Vdiff模块的第一端口用于接入所述开关电源的输出电压信号Vout，Vdiff模块的第二端口连接比较器COMP1的负极输入端口，比较器COMP1的正极输入端口用于接入所述开关电源的输入电压信号Vin。
其中，所述Vdiff模块可以是基准电压差，作用在于给比较器产生一个偏移量，该偏移量跟Vout和Vin的差值相关，其值等于保护窗口的上限，即Vdiff＝[Ton_min÷(T－Ton_min)]×Vin。
此外，第二比较器模块可以为一个比较器COMP2，比较器COMP2的正极输入端口用于接入所述开关电源的输入电压信号Vin，COMP2的负极输入端口用于接入所述开关电源的输出电压信号Vout。
如图6所示，第一比较器模块的另一种实现方式中，具体可以包括电阻R、反相器I01、场效应管Men1、场效应管Men2、场效应管Ms1、场效应管Ms2、场效应管Mhy、场效应管M1、场效应管M2、场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、场效应管M6、场效应管M7。
所述反相器I01的输入端用于接入信号使能信号enclk，所述反相器I01的输出端连接所述场效应管Ms1的栅极、所述场效应管Ms2的栅极、所述场效应管Men1的栅极、所述场效应管Men2的栅极，所述场效应管Ms1的源极连接电流源isk以接入信号Vdda，所述场效应管Ms1的漏极连接所述Men1的漏极、所述场效应管M3的栅极、所述场效应管M4的栅极、所述场效应管M5的栅极、所述场效应管M6的栅极，所述场效应管Men1的源极连接所述场效应管M3的源极、所述场效应管M4的源极、所述场效应管M5的源极、所述场效应管M6的源极和所述场效应管M7的源极、所述场效应管M7的衬底、所述场效应管M7的漏极、所述场效应管Men2的源极后接地，所述场效应管Ms2的源极连接所述场效应管M2的漏极，所述场效应管Ms2的漏极连接所述场效应管Mhy的栅极、所述场效应管Men2的漏极、所述场效应管M6的漏极以及所述场效应管M7的栅极，所述场效应管Mhy的源极连接所述M5的漏极，所述场效应管Mhy的漏极所述场效应管M1的漏极、所述场效应管M1的栅极和所述场效应管M4的漏极，所述场效应管Men2的源极连接所述场效应管M3的源极、所述场效应管M4的源极、所述场效应管M5的源极、所述场效应管M6的源极和所述场效应管M7的源极、所述场效应管M7的衬底、所述场效应管M7的漏极、所述场效应管Men1的源极后接地。
所述场效应管M1的源极串联所述电阻R后连接电源输出端口Vout，所述场效应管M2的源极连接电源输入端口Vin，所述场效应管M1的栅极连接所述场效应管M2的栅极、所述场效应管M1的漏极，所述场效应管M1的漏极连接所述场效应管Mhy的漏极、所述场效应管M4的漏极。
参照图7，图7是本申请实施例提供的一种过电流定时器模块的电路原理图，具体可以包括依次串联的三输入或非门q1、三输入或非门q2、三输入或非门q3、三输入或非门q4、三输入或非门q5、三输入或非门q6、三输入或非门q7、三输入或非门q8、三输入或非门q9、三输入或非门q10，所述三输入或非门q1的第一输入端、所述三输入或非门q2的第一输入端、所述三输入或非门q3的第一输入端、所述三输入或非门q4的第一输入端、所述三输入或非门q5的第一输入端、所述三输入或非门q6的第一输入端、所述三输入或非门q7的第一输入端、所述三输入或非门q8的第一输入端、所述三输入或非门q9的第一输入端、所述三输入或非门q10的第一输入端接入EN_timer信号，所述三输入或非门q1的第二输入端接入信号pwm，所述三输入或非门q10的输出端输出Time_out信号。
参照图6和图7，在Sleep＝0的情况下，当Vout远大于Vin时，即Vout＞Vin+Vdiff时，Vcomp＝EN_timer＝0，开关pwm(功率开关管开关控制信号)还没有动作，所以需要屏蔽并清零定时器，Time_out＝0，表示功率开关管可以正常驱动；
当Vout降低到小于Vin+I0×R时，即Vout＜Vin+Vdiff时，Vcomp＝EN_timer＝1，定时器开始工作并对功率开关管开关进行计数，当计数达到设定时间后，若Vout仍然小于Vin+Vdiff，则判定系统非正常工作状态，Time_out＝1，需要强制关闭功率开关管驱动。然后系统进入打嗝模式，从而对升压开关电源中限流功能全范围保护。
其中，Vdiff＝[Ton_min÷(T－Ton_min)]×Vin＝I0×R，I0为场效应管Men1的源极电流，R为电阻R的阻值，
具体实现中，Vdiff根据Ton_min，T和Vin确定，设置电路中偏置电流I0和R的乘积等于Vdiff。
Vcomp＝1以后，迟滞管Mhy开启，形成正反馈，防止Vcomp振荡。场效应管M5和Mhy构成迟滞作用。
此外，对于图7所示的电路而言，过电流超时定时器模块中可根据Vout和Vin，动态使能用于统计计时时长的多个三输入或非门。
本实施例提供了一种开关电源芯片，包括电压输入正极端口Vin+、电压输入负极端口Vin-、电感L、电容Cin、电容Cout、电阻RL、电压输出正极端口Vout+、电压输出负极端口Vout-、衬底控制模块body-sel、功率开关管Q1、功率开关管Q2和如前述实施例所述的开关电源保护电路；
所述电压输入正极端口Vin+连接所述电感L的正极和所述电容Cin的正极，所述电感L的负极连接所述功率开关管Q1的源极、所述功率开关管Q2的源极以及所述衬底控制模块body-sel的第一端口，所述衬底控制模块body-sel的第二端口与所述功率开关管Q2的漏极合路后连接所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第一端以及所述电压输出正极端口Vout+，所述衬底控制模块body-sel的选通端口连接所述功率开关管Q2的源极和漏极，所述电压输入负极端口Vin-、所述电容Cin的负极、所述功率开关管Q1的漏极、所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第二段以及所述电压输出负极端口Vout-合路后接地。
由此可见，本申请提出了一种开关电源保护电路、开关电源芯片，可以实现输出关断功能以节省能量，同时实现输入/输出设备的保护，具有输出完全关断功能。
需要说明的是，以上仅为本申请的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本申请做出的非实质性修改，也均落入本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种开关电源保护电路，其特征在于，包括第一比较器电路、第二比较器电路、两输入与门I1、过电流超时定时器电路、打嗝定时器电路、脉宽调制驱动电路、两输入或门I3、两输入或非门I2；
所述第一比较器电路的输出端口和所述第二比较器电路的输出端口分别连接所述两输入与门I1的两个输入端口，所述两输入与门I1的输出端口连接所述过电流超时定时器电路，所述过电流超时定时器电路连接所述打嗝定时器电路，所述打嗝定时器电路连接所述两输入或门I3的第一端口和所述两输入或非门I2的第一端口，所述脉宽调制驱动电路连接所述两输入或门I3的第二端口和所述两输入或非门I2的第二端口；
其中，
所述第一比较器电路用于接入使能EN_CLK信号，所述过电流超时定时器电路和所述脉宽调制驱动电路还用于接入PWM信号，所述第一比较器电路的第一输入端口和所述第二比较器电路的第一输入端口用于接入所述开关电源的输入电压信号Vin，所述第一比较器电路的第二输入端口和所述第二比较器电路的第二输入端口用于接入所述开关电源的输出电压信号Vout，所述两输入或门I3的输出端口用于输出HDR信号以控制所述开关电源的第二功率开关管Q2的通断，所述两输入或非门I2的输出端口用于输出LDR信号以控制所述开关电源的第一功率开关管Q1的通断，所述第一功率开关管Q1和所述第二功率开关管Q2用于控制所述开关电源的通断；
其中，第二比较器电路为一个比较器COMP2，比较器COMP2的正极输入端口用于接入所述开关电源的输入电压信号Vin，COMP2的负极输入端口用于接入所述开关电源的输出电压信号Vout。
2.根据权利要求1所述的开关电源保护电路，其特征在于，
所述使能EN_CLK信号用于使能所述第一比较器电路；
所述PWM信号为所述脉宽调制驱动电路的信号源，所述脉宽调制驱动电路用于将所述PWM信号分为两路驱动信号分别作为所述两输入或门I3和所述两输入或非门I2的输入；
所述第二比较器电路的输出信号为sleep信号，所述sleep信号用于表示当前电路系统处于低压差线性稳压器LDO模式或者处于开关模式；
当sleep＝0时，表示代表当前电路系统处于所述LDO模式；
当sleep＝1时，表示代表当前电路系统处于所述开关模式。
3.根据权利要求2所述的开关电源保护电路，其特征在于，
所述第一比较器电路用于在预设的电压差保护窗口对所述开关电源进行关断保护，所述电压差为输入电压和输出电压的差值；
其中，所述预设的电压差保护窗口的电压范围为[0，Vdiff]，其中，Vdiff通过如下公式计算得到：
Vdiff＝[Ton_min÷(T－Ton_min)]×Vin，
其中，Ton_min为所述开关电源的功率开关管的最小开启时间，T为所述开关电源的功率开关管的实际开关周期，Vin为所述开关电源的输入电压信号的大小。
4.根据权利要求3所述的开关电源保护电路，其特征在于，
所述过电流超时定时器电路用于在所述输出电压信号Vout减去所述输入电压信号Vin的差值处于所述预设的电压差保护窗口时被启动，并在第一计时周期TOCT之后对当前电路系统的所述输出电压信号Vout和所述输入电压信号Vin进行比较；
若所述输出电压信号Vout小于所述输入电压信号Vin+Vdiff，则输出Time_out信号为高电平，所述高电平的Time_out信号用于驱动所述打嗝定时器电路计时，所述打嗝定时器电路电路在第二计时周期TPWM_OFF内输出高电平的PWM_OFF信号，所述两输入或门I3根据所述高电平的PWM_OFF信号和所述脉宽调制驱动电路的驱动信号输出对应的HDR信号以强制关闭所述第二功率开关管Q2，所述两输入或非门I2根据所述高电平的PWM_OFF信号和所述脉宽调制驱动电路的驱动信号输出对应的LDR信号以强制关闭所述第一功率开关管Q1，所述电路系统在所述第二功率开关管Q2和所述第一功率开关管Q1关闭情况下进入打嗝Hiccup模式。
5.根据权利要求4所述的开关电源保护电路，其特征在于，所述第一计时周期按照如下预设条件进行设计：
保证当前电路系统的负载在过流情况下不损坏。
6.根据权利要求5所述的开关电源保护电路，其特征在于，所述第一计时周期TOCT通过如下公式计算得到：
TOCT＝(1÷α)×TPWM_OFF，
其中，α为计时时长影响因子，TPWM_OFF表示第二计时周期。
7.根据权利要求6所述的开关电源保护电路，其特征在于，
α＝10[2－(Vout－Vin)÷Vdiff]。
8.根据权利要求1-7任一项所述的开关电源保护电路，其特征在于，所述开关电源还包括电压输入正极端口Vin+、电压输入负极端口Vin-、电感L、电容Cin、电容Cout、电阻RL、电压输出正极端口Vout+、电压输出负极端口Vout-以及衬底控制电路body-sel；
所述电压输入正极端口Vin+连接所述电感L的正极和所述电容Cin的正极，所述电感L的负极连接所述功率开关管Q1的源极、所述功率开关管Q2的源极以及所述衬底控制电路body-sel的第一端口，所述衬底控制电路body-sel的第二端口与所述功率开关管Q2的漏极合路后连接所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第一端以及所述电压输出正极端口Vout+，所述衬底控制电路body-sel的选通端口连接所述功率开关管Q2的源极和漏极，所述电压输入负极端口Vin-、所述电容Cin的负极、所述功率开关管Q1的漏极、所述电容Cout的正极、所述电阻RL的第二段以及所述电压输出负极端口Vout-合路后接地。
9.一种开关电源芯片，其特征在于，包括：
电压输入正极端口Vin+、电压输入负极端口Vin-、电感L、电容Cin、电容Cout、电阻RL、电压输出正极端口Vout+、电压输出负极端口Vout-、衬底控制电路body-sel、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2和如权利要求1至权利要求8任一项所述的开关电源保护电路。
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