CN114465309A - 快充协议芯片及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种快充协议芯片及其系统。根据本发明实施例提供的快充协议芯片，包括：内部供电模块，被配置为基于快充协议芯片的输入电压，产生用于对快充协议芯片的内部电路供电的内部供电电压；功率开关管，连接在内部供电模块与快充协议芯片的内部供电引脚之间；以及斜率检测模块，被配置为检测快充协议芯片的输入电压的变化斜率，并基于快充协议芯片的输入电压的变化斜率来控制功率开关管的导通与关断。通过利用斜率检测模块来控制功率开关管的导通与关断，可以防止芯片的内部供电电压掉电，也就是说，不会引起芯片失控，并且可以节省芯片的面积。

Description

快充协议芯片及其系统
技术领域
本发明总体涉及集成电路领域，尤其涉及一种快充协议芯片及其系统。
背景技术
通常，在快充应用中，可能会遇到输出VBUS短路到地的情况，在这种情况下，越来越多的应用希望快充协议芯片本身不会失控，即，对芯片的内部电路供电的内部供电电压不会掉落到电源复位电压阈值以下。现有技术中，为了解决该技术问题而采取的技术手段通常是通过利用肖特基二极管的反相阻断，以使内部供电电压不会快速掉电。
然而，在某些工艺制程里，这种肖特基二极管需要用到额外的掩模，使得系统的成本增加；另外，即使工艺制程里不用增加额外的掩模，随着芯片的功耗的增加，为了使得肖特基二极管的压降能够满足要求，导致肖特基二极管的面积随之增大，进而导致芯片的面积随之增大，芯片的成本上升。
发明内容
本发明实施例提供了一种快充协议芯片及其系统，能够利用斜率检测模块来控制功率开关管的导通与关断，可以节省芯片的面积和成本，并且在发生输出短路时，可以将功率开关管关断，以防止芯片的内部供电电压掉电，使得芯片的内部电路可以正常工作，即不会引起芯片失控。
一方面，本发明实施例提供了一种快充协议芯片，包括：内部供电模块，被配置为基于所述快充协议芯片的输入电压，产生用于对所述快充协议芯片的内部电路供电的内部供电电压；功率开关管，连接在所述内部供电模块与所述快充协议芯片的内部供电引脚之间；以及斜率检测模块，被配置为检测所述快充协议芯片的输入电压的变化斜率，并基于所述快充协议芯片的输入电压的变化斜率来控制所述功率开关管的导通与关断。
另一方面，本发明实施例提供了一种快充系统，包括如第一方面所述的快充协议芯片。
本发明实施例提供的快充协议芯片及其系统，能够通过利用斜率检测模块来控制功率开关管的导通与关断，可以防止芯片的内部供电电压掉电，也就是说，不会引起芯片失控，并且可以节省芯片的面积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了反激式脉冲宽度调制控制架构的结构示意图；
图2示出了基于反激式脉冲宽度调制控制架构的快充控制系统的结构示意图；
图3示出了现有技术提供的快充协议芯片的短路保护实现方式示意图；
图4示出了本发明实施例提供的快充协议芯片的短路保护实现方式示意图；以及
图5示出了图4所示的实施例中针对输入电压的采样环路的结构示意图。
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，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，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更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了更好地理解本发明实施例提供的快充协议芯片及其系统，以下首先对AC/DC快充系统的架构和基本的工作原理进行介绍。作为一个示例，快充系统可以采用反激式(fly-back)架构，例如，图1示出了反激式脉冲宽度调制控制架构的结构示意图。
如图1所示的快充系统采用反激式架构，变压器T1的原边/副边电感为异名端。在功率开关管M1导通期间，原边电感Np存储能量；在功率开关管M1关断期间，原边电感Np将存储的能量传递到副边电感Nsec，副边电感退磁并将其能量提供给负载。
作为另一示例，图2示出了基于反激式脉冲宽度调制控制架构的快充控制系统的结构示意图。如图2所示，该AC/DC快充系统主要包括：原边脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)控制器210、副边同步整流器(Synchronous Rectifier，SR)220以及快充协议芯片230等，其中，快充协议芯片230可以集成有快充协议以及恒压/恒流(CV/CC)环路。
如图2所示，PWM控制器210可以用于控制原边功率开关管M1的导通和关断。图1中的肖特基二极管被替换为图2中的同步整流器，这可以大大提高快充系统的效率。
此外，从图2中可以看出，输入电压VIN可以通过位于芯片230外部的受控的晶体管MN_ext(例如，NMOS晶体管)来产生电压VBUS，以为后续设备供电。其中，当在上电初始化完成之前，或者在工作过程中检测到任何故障，都使得晶体管MN_ext被断开，以切断输入电压VIN到VBUS的通路，从而可以保护整个快充系统。
应注意，在上述所有这些保护中，对晶体管MN_ext的关断时间要求最苛刻的是输出短路(VBUS与GND短路)保护。
为了实现短路保护，可以通过在芯片230内部设置肖特基二极管，以防止在VIN电压快速下降时，内部供电电压AVDD也跟随快速下降。具体地，如图3所示，图3示出了现有技术提供的快充协议芯片的短路保护实现方式示意图。
作为一个示例，该快充协议芯片230可以包括内部供电模块(例如，低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO))2301、输入电压检测模块2302、故障检测电路2303以及栅极驱动器2304、肖特基二极管Dsb等。该芯片230可以包括输入引脚VIN、供电引脚AVDD以及栅极驱动引脚GATE。
如图3所示，LDO 2301可以基于输入电压VIN来产生用于对芯片的内部电路进行供电的内部低压供电电压AVDD，并经过肖特基二极管Dsb输出到AVDD引脚，以供芯片外电容Cavdd进行稳压滤波。
在图3所示的示例中，当系统处于正常工作状态且没有检测到任何故障时，位于芯片外部的功率开关管MN_ext保持处于导通状态；当系统工作过程中，如果发生了VBUS短路到地的情况，则VIN电压也会随着VBUS的下降而迅速下降，但由于存在肖特基二极管Dsb的反向阻断，使得内部供电电压AVDD不会随着电压VIN的下降而快速掉电，故采用内部供电电压AVDD进行供电的输入电压检测模块2302可以正常检测到VIN的低电平，以输出处于高电平(例如“1”)的vin_low信号，然后通过后续的栅极驱动器2304来将功率开关管MN_ext关断。
可见，图3提供的快充协议芯片通过增加肖特基二极管Dsb以利用其反向阻断，可以很好地阻断VBUS短路发生时，从内部供电电压AVDD到输入电压VIN的放电通路，从而降低了对功率开关管MN_ext关断时间的要求，使得芯片可以在完全受控的情况下，进而保护整个系统。
综上，图3所示的电路可以实现短路保护，且电路比较简单和可靠。然而，上述电路存在如下若干缺点：第一，很多工艺提供的肖特基二极管通常需要用到额外的掩模(mask)，这会增加成本；第二，随着快充协议芯片的复杂化，VIN的最低输出电压设置会越来越接近AVDD复位电压阈值，并且芯片的时钟频率进一步提高，进而使得芯片的功耗增加，为了使肖特基二极管上的压降能够满足上述严格要求，导致肖特基二极管的面积随之增大，使得芯片的面积随之增加，进而导致芯片的成本上升。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种新的快充协议芯片的短路保护实现方式。下面首先对本发明实施例所提供的快充协议芯片进行介绍。
应注意，为了便于介绍，以下实施例是以适用于反激式(fly-back)架构的快充协议芯片为例进行介绍的，可以理解的是，其仅作为示例提供，而不应被解释为限制性的。
作为一个示例，本发明实施例提供了一种更加有效的快充协议芯片的短路保护实现方式。具体地，如图4所示，图4示出了本发明实施例提供的快充协议芯片的短路保护实现方式示意图。
作为一个示例，该快充协议芯片430可以包括内部供电模块(例如，LDO)4301、输入电压检测模块4302、故障检测电路4303、栅极驱动器4304、斜率检测模块4305以及功率开关管MP0等。该芯片430可以包括输入引脚VIN、供电引脚AVDD以及栅极驱动引脚GATE。
图4所示的芯片与图3所示的芯片之间的区别主要在于：通过利用图4所示的受控的功率开关管MP0(例如，PMOS)来替换图3中的肖特基二极管Dsb以实现短路保护，其中，该功率开关管MP0连接在内部供电模块4301和内部供电引脚AVDD之间，并且新增了斜率检测模块4305，以利用该斜率检测模块4305来检测芯片的输入电压的变化斜率，并基于芯片的输入电压的变化斜率来控制功率开关管MP0的导通与关断。
可以理解的是，如果功率开关管MP0的VSG电压足够高，就可以用同样的芯片面积，实现比Dsb更小的压降。
作为一个示例，斜率检测模块4305可以被配置为在快充协议芯片的输入电压的负斜率大于负斜率阈值时，控制功率开关管MP0从导通变为关断，以及在快充协议芯片的输入电压的正斜率大于正斜率阈值时，控制功率开关管MP0从关断变为导通。
作为一个示例，斜率检测模块4305可以包括分压单元(包括电阻Rup和Rdw)、低通滤波单元(包括电阻Rlp和电容Clp)、移位单元(包括例如两个相同尺寸的晶体管MP1和晶体管MP2、电阻R1、电阻R2、开关SW1、开关SW2和电流源I0)、第一比较器comp1、第二比较器comp2以及逻辑单元(包括与门和反相器)等。
其中，分压单元可以被配置为对快充协议芯片的输入电压VIN进行分压，产生分压电压vin_div；滤波单元可以被配置为通过对分压电压vin_div进行滤波，产生滤波电压vin_div_lpf；移位单元可以被配置为通过分别对滤波电压vin_div_lpf和分压电压vin_div进行电平移位，产生第一移位电平vin_div_lpf_shift和第二移位电平vin_div_shift；第一比较器comp1可以被配置为通过对第一移位电平vin_div_lpf_shift和第二移位电平vin_div_shift进行比较，产生第一比较结果slope_det；第二比较器comp2可以被配置为通过对分压电压vin_div和基准电压vref_scp进行比较，产生第二比较结果slope_en；以及逻辑单元可以被配置为基于第一比较结果slope_det和第二比较结果slope_en，产生用于控制功率开关管MP0的导通与关断的开关控制信号sw_ctl。
类似于图3所示的快充协议芯片，图4所示的快充协议芯片也包括内部供电模块4301，可以用于产生低压供电电压AVDD；由内部供电电压AVDD供电的输入电压检测电路4302，可以用于在检测到VIN低电压时，将位于芯片外部的MN_ext关断。
作为一个示例，移位单元可以包括：第一移位支路，可以包括第一PMOS管MP1、第一开关sw1和第一电阻R1，可以被配置为在第一开关sw1处于导通状态和处于关断状态时，分别对滤波电压vin_div_lpf进行不同的电平移位；以及第二移位支路，可以包括第二PMOS管MP2、第二开关sw2和第二电阻R2，可以被配置为在第二开关sw2处于导通状态和处于关断状态时，分别对分压电压vin_div进行不同的电平移位；其中，第一开关sw1和第二开关sw2的导通与关断可以分别由经反相的开关控制信号sw_ctli和开关控制信号sw_ctl来控制。
作为一个示例，第一移位支路还可以包括第一电流源I0和第一晶体管MP1，其中，第一电流源I0可以连接在快充协议芯片的内部供电引脚AVDD和第一电阻R1之间，第一晶体管MP1的源极和漏极可以分别连接到第一电阻R1和参考地，第一晶体管MP1的栅极可以接收滤波电压vin_pin_lpf；并且，第二移位支路还可以包括第二电流源I0和第二晶体管MP2，其中，第二电流源I0可以连接在快充协议芯片的内部供电引脚AVDD和第二电阻R2之间，第二晶体管MP2的源极和漏极可以分别连接到第二电阻R2和参考地，第二晶体管MP2的栅极可以接收分压电压vin_div。
具体地，输入电压VIN通过分压单元进行分压之后，产生分压电压vin_div，该分压电压又经过低通滤波单元进行滤波之后，产生滤波电压vin_div_lpf，分压电压vin_div和滤波电压vin_div_lpf被分别提供给后续移位单元的两个输入端，即MP2和MP1的栅极，以分别产生经电平移位的电压vin_div_shift和vin_div_lpf_shift，接下来，电压vin_div_shift和vin_div_lpf_shift被分别提供给比较器comp1的两个输入端(例如，负相输入端和正相输入端)，使得比较器comp1可以对二者进行比较，以产生第一比较结果slope_det，同时，分压电压vin_div可以被提供给比较器comp2一个输入端(例如，负相输入端)，比较器comp2的另一输入端(例如，正相输入端)可以接收基准电压vref_scp，使得比较器comp2可以对二者进行比较，以产生第二比较信号slope_en，第一比较信号slope_det和第二比较信号slope_en经过“与”门进行逻辑与运算之后，可以产生开关控制信号sw_ctl，开关控制信号sw_ctl可以用于控制功率开关管MP0的导通和关断，开关控制信号sw_ctl还可以通过反相器进行反相，以产生经反相的开关控制信号sw_ctli，信号sw_ctl和sw_ctli可以被分别提供给移位单元中的开关sw2和sw1以控制这两个开关的导通和关断，从而用于产生正斜率阈值、负斜率阈值以及必要的迟滞电压等(这将在下面进行详细介绍)。
其中，当信号sw_ctl处于高电平时，开关sw2处于导通状态，当信号sw_ctl处于低电平时，开关sw2处于关断状态；当信号sw_ctli处于高电平时，开关sw1处于导通状态，当信号sw_ctli处于低电平时，开关sw1处于关断状态。
在图4所示的实施例中，当发生VBUS短路时，芯片可以检测到VIN的负斜率大于负斜率阈值，则断开功率开关管MP0，以防止内部供电电压AVDD掉电，从而使得电压检测电路可以正常工作，即对VIN低电压进行检测；然后，在VIN电压恢复时，芯片可以检测到VIN的正斜率大于正斜率阈值，则接通功率开关管MP0。
以下对快充协议芯片的工作原理进行详细介绍，例如，该快充协议芯片可以包括三种工作状态：正常工作状态、短路保护状态和电压恢复状态等。以下主要对上述三种状态分别进行介绍。
作为一个示例，针对正常工作状态，当功率开关管MP0处于导通状态、第一开关sw1处于导通状态、第二开关sw2处于关断状态、分压电压vin_div等于滤波电压vin_div_lpf时，第二移位电平vin_div_shift大于第一移位电平vin_div_lpf_shift，第一比较结果slope_det处于低电平，第二比较结果slope_en与分压电压vin_div和基准电压vref_scp有关。
具体地，当快充系统处于正常工作状态时，位于芯片外部的晶体管MN_ext处于导通状态，芯片的输入电压VIN通过晶体管MN_ext给VBUS供电，功率开关管MP0的开关控制信号sw_ctl＝“0”，即MP0处于导通状态，经反相的开关控制信号sw_ctli＝“1”，分别利用开关控制信号sw_ctl和sw_ctli来控制开关sw2处于关断状态、开关sw1处于导通状态，在输入电压VIN稳定时，分压电压vin_div和滤波电压vin_div_lpf相等，由于移位单元中的第一电阻R1被第一开关sw1短路，由于第二开关sw2关断而在第二电阻R2上存在I0*R2的压降，故分压电压vin_div和滤波电压vin_div_lpf通过移位单元产生的电压vin_div_shift高于电压vin_div_lpf_shift，使得比较器comp1对二者进行比较而输出比较结果slope_det＝“0”，同时分压电压vin_div电压与基准电压vref_scp通过比较器comp2进行比较，目的是让该斜率检测模块4305只在输入电压VIN低于一个预设值的情况下，才进行工作，从而避免输入电压VIN正常输出时，误触发这种斜率检测，故正常工作时分压电压vin_div高于基准电压vref_scp，使得比较器comp2输出比较结果slope_en＝“0”。
并且，在快充系统处于正常工作状态时，输入电压检测模块4302的输出信号vin_low＝“0”，如果故障检测电路4303没有检测到其他故障，输出指示没有故障的检测结果，栅极驱动器4304可以基于来自输入电压检测模块4302的输出信号vin_low和来自故障检测电路4303的检测结果而维持晶体管MN_ext处于导通状态。
作为一个示例，针对VBUS短路状态，当分压电压vin_div比滤波电压vin_div_lpf小第一预设阈值、第二移位电平vin_div_shift小于第一移位电平vin_div_lpf_shift、第一比较结果slope_det处于高电平、且第二比较结果slope_en处于高电平时，开关控制信号sw_ctl处于高电平，功率开关管MP0处于关断状态。
具体地，发生VBUS与地短路时，输入电压VIN会跟随VBUS的下降而迅速下降，使得输入电压VIN产生负斜率，此时，通过分压电阻Rup和Rdw分压后的分压电压vin_div比其通过低通滤波后的vin_div_lpf下降得更快，如果输入电压VIN下降的负斜率足够大，那么，必然有那么一个时刻，可以使得分压电压vin_div比滤波电压vin_div_lpf低I0*R2的压降，进而可以使得第二移位电平vin_div_shift电压低于第一移位电平vin_div_lpf_shift，第一比较器comp1的输出信号slope_det从“0”变为“1”，此时，如果输入电压VIN足够低到使得分压电压vin_div低于基准电压vref_scp，则第二比较器comp2的输出信号slope_en也从“0”变为“1”，来自比较器comp1和比较器comp2的输出信号slope_det和slope_en经过“与”门进行逻辑与运算，产生的开关控制信号sw_ctl从“0”变为“1”，当开关控制信号sw_ctl处于高电平时，将功率开关管MP0关断，同时，处于高电平的开关控制信号sw_ctl和处于低电平的经反相的开关控制信号sw_ctli可以分别用来控制第二开关sw2导通、第一开关sw1关断，使得第一移位电平vin_div_lpf_shift瞬间比第二移位电平vin_div_shift高I0*(R1+R2)的压降，即引入了迟滞，进而可以提高斜率检测模块4305在检测阈值附近的抗干扰能力。由于这种斜率检测方式，可以在输入电压VIN较高的情况下，快速完成检测，阻断VBUS短路发生时从内部供电电压AVDD到输入电压VIN的放电通路，故输入电压检测模块4302可以在内部供电电压AVDD正常的情况下，完成VIN低电压检测，使得输入电压检测模块4302的输出信号vin_low从“0”变为“1”，栅极驱动器4304可以有足够的时间来关断晶体管MN_ext，输入电压VIN不再随着VBUS的下降而下降。
作为一个示例，针对电压恢复状态，可以分为如下两种情况：一种情况是，在输入电压VIN恢复过程中，分压电压vin_div比滤波电压vin_div_lpf大第二预设阈值、使得第二移位电平vin_div_shift大于第一移位电平vin_div_lpf_shift、使得第一比较结果slope_det处于低电平时，开关控制信号sw_ctl处于低电平，功率开关管MP0处于导通状态；另一种情况是，在输入电压VIN恢复过程中，分压电压vin_div没能比滤波电压vin_div_lpf大第二预设阈值，使得第二移位电平vin_div_shift不会大于第一移位电平vin_div_lpf_shift、使得第一比较结果slope_det一直处于高电平，但输入电压VIN上升到使得分压电压vin_div大于基准电压vref_scp，使得比较器comp2的输出信号slope_en处于低电平时，也可以使功率开关管MP0恢复导通状态。对于本领域技术人员来说，第二种情况相对容易理解，为了便于描述，以下仅对第一种情况的控制原理进行详细描述。
具体地，由于检测到VIN短路保护会将外部晶体管MN_ext断开，原边PWM控制器提供的能量会使输入电压VIN上升，此时，通过分压电阻Rup和Rdw分压后的分压电压vin_div比其经过低通滤波后的滤波电压vin_div_lpf上升得更快，如果输入电压VIN上升的正斜率足够大，必然有那么一个时刻，使得分压电压vin_div比滤波电压vin_div_lpf高I0*R1的压降，进而使第二移位电平vin_div_shift高于第一移位电平vin_div_lpf_shift，比较器comp1的输出信号slope_det从“1”变为“0”，此时，不管比较器comp2的输出信号slope_en是何值，“与”门都会输出处于低电平的开关控制信号sw_ctl，使得开关控制信号sw_ctl控制功率开关管MP0导通，输入电压VIN再次给内部供电电压AVDD供电。同时，处于低电平的开关控制信号sw_ctl和处于高电平的经反相的开关控制信号sw_ctli可以分别控制第二开关sw2关断、第一开关sw1导通，使得第一移位电平vin_div_lpf_shift瞬间比第二移位电平vin_div_shift低I0*(R1+R2)的压降，即引入了迟滞，从而提高了斜率检测模块4305在检测阈值附近的抗干扰能力。接下来，如果输入电压检测模块4302检测到输入电压VIN恢复到正常值以上，则输入电压检测模块4302的输出信号vin_low从“1”变为“0”，通过栅极驱动器4304基于该输出信号vin_low来再次导通外部晶体管MN_ext，使得所有电路都恢复到正常工作时的初态，为下一次短路检测做好准备。
进一步地，需要进一步确定短路保护时的负斜率阈值和输入电压恢复时的正斜率阈值取决于哪些电路参数，以便电路设计者在设计电路时，可以选取合适的电路参数来获得合适的负斜率阈值和正斜率阈值。具体地，下面的公式是基于基尔霍夫电压定律来推导的，如图5所示，图5示出了图4所示的实施例中针对输入电压的采样环路的结构示意图。
VR(t)+Vlpf(t)＝Vdiv(t)…………………(1)
公式(1)可以进一步细化，得到公式(2)：
Figure BDA0003493061310000111
其中，Vin(t)为输入电压VIN随时间变化的函数，当发生VBUS短路时，Vin(t)可以近似表示为如下所示的线性函数：
Vin(t)＝V0-k·t………………………(3)
在公式(3)中，V0为VBUS短路发生时VIN的初始电压，k为VBUS短路发生时VIN的下降斜率，将公式(3)代入公式(2)中，可得：
Figure BDA0003493061310000112
在公式(4)中，Rlp和Clp是图4所示的低通滤波器中的电阻的电阻值和电容的电容值，Rdw和Rup是VIN的分压电阻，通过求解公式(4)的一阶微分方程，可以得到Vlpf(t)的函数：
Figure BDA0003493061310000113
当输出短路发生时，图4在检测点处满足如下条件：
Vlpf(t)-Vdiv(t)＝I0·R2………………(6)
将公式(3)和公式(5)代入公式(6)中，可得：
Figure BDA0003493061310000114
在公式(7)中，当满足t＞＞Rlp·Clp时，可以得到短路检测的负斜率阈值与电路参数之间的对应关系，如公式(8)所示：
Figure BDA0003493061310000121
另外，从公式(7)中也可以得到不同的VIN负斜率下，比较器comp1的检测时间与VIN斜率k之间的对应关系，如公式(9)所示：
Figure BDA0003493061310000122
从公式(9)中可以看出，当发生输出短路时，输入电压VIN下降得越快，k越大，则比较器comp1的检测时间越短。
同理，当输入电压VIN正在恢复时，可以得到，正斜率阈值与电路参数之间的对应关系，如公式(10)所示：
Figure BDA0003493061310000123
公式(8)和(10)中的kthn和kthp分别是系统实际测试得到的短路保护发生和输入电压恢复时，对应的VIN负斜率阈值和正斜率阈值，通过公式(8)和公式(10)的量化，可以合理地选取电路元件的参数，以便有效地实现输出VBUS的短路保护。
综上，本发明实施例提供的快充协议芯片和包括该芯片的快充系统，可以降低芯片的成本，并实现一种可靠且有效的输出短路保护方案。
具体地，相比于传统的利用肖特基二极管的反向阻断实现的短路保护方法，本发明实施例提供的快充协议芯片及其系统可以实现诸如以下优点：可以节省芯片的成本；可以将输入电压的斜率转换为实时的电压差进行比较，提供了一种快速的斜率检测方法，可以有效防止芯片的内部供电电压掉电，即，不会引起芯片失控；可以分别设置输出短路发生时的负斜率阈值和VIN恢复时的正斜率阈值，提高了灵活性；无论是在负斜率阈值还是正斜率阈值的检测点附近，均引入了迟滞，提高了抗干扰能力；增加了VIN绝对值电压的判断，作为使能斜率检测的条件，即，只有在输入电压VIN低于预设阈值、并高于安全工作电压时，才允许在进行负斜率检测时，通过斜率检测模块断开功率开关管MP0，这可以避免在VIN的典型输出下，进行输出动态或者VIN降压操作时，误触发短路保护；在短路保护状态下，斜率检测模块可以用于断开内部供电模块LDO到内部供电电压AVDD之间的功率开关管MP0，即便在正常工作中，由于某种原因而误关了功率开关管MP0，内部供电模块LDO的输出信号仍然可以通过MP0的寄生二极管D0给AVDD供电(只是短期压降会增大)，并且D0同样具有类似于传统方式中的肖特基二极管Dsb的反向阻断功能；另外，斜率检测模块的输出不会用来直接关断外部晶体管MN_ext。因此，针对系统ESD等之类的外部冲击，抗干扰能力更好。
本发明实施例还提供了一种快充系统的短路保护方案，包括如上所述的本发明实施例提供的快充协议芯片，其中的芯片的细节在上文中进行了详细的介绍，因此，为了便于描述，在此不再赘述。
综上，本发明实施例提供了一种可以适用于反激式架构AC/DC副边快充芯片的短路保护方案，在对快充系统的可靠性要求更高的应用中，本发明实施例提供的快充协议芯片及其系统可以很好地进行输出短路检测，从而可以有效地保护整个快充系统。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种快充协议芯片，其特征在于，包括：
内部供电模块，被配置为基于所述快充协议芯片的输入电压，产生用于对所述快充协议芯片的内部电路供电的内部供电电压；
功率开关管，连接在所述内部供电模块与所述快充协议芯片的内部供电引脚之间；以及
斜率检测模块，被配置为检测所述快充协议芯片的输入电压的变化斜率，并基于所述快充协议芯片的输入电压的变化斜率来控制所述功率开关管的导通与关断。
2.根据权利要求1所述的快充协议芯片，其特征在于，所述斜率检测模块进一步被配置为：
在所述快充协议芯片的输入电压的负斜率大于负斜率阈值时，控制所述功率开关管从导通变为关断。
3.根据权利要求1所述的快充协议芯片，其特征在于，所述斜率检测模块进一步被配置为：
在所述快充协议芯片的输入电压的正斜率大于正斜率阈值时，控制所述功率开关管从关断变为导通。
4.根据权利要求1或2所述的快充协议芯片，其特征在于，所述斜率检测模块包括：
分压单元，被配置为通过对所述快充协议芯片的输入电压进行分压，产生分压电压；
滤波单元，被配置为通过对所述分压电压进行滤波，产生滤波电压；
移位单元，被配置为通过分别对所述滤波电压和所述分压电压进行电平移位，产生第一移位电平和第二移位电平；
第一比较器，被配置为通过对所述第一移位电平和所述第二移位电平进行比较，产生第一比较结果；
第二比较器，被配置为通过对所述分压电压和基准电压进行比较，产生第二比较结果；以及
逻辑单元，被配置为基于所述第一比较结果和所述第二比较结果，产生用于控制所述功率开关管的导通与关断的开关控制信号。
5.根据权利要求4所述的快充协议芯片，其特征在于，所述移位单元包括：
第一移位支路，包括第一开关和第一电阻，被配置为在所述第一开关处于导通状态和处于关断状态时，分别对所述滤波电压进行不同的电平移位；以及
第二移位支路，包括第二开关和第二电阻，被配置为在所述第二开关处于导通状态和处于关断状态时，分别对所述分压电压进行不同的电平移位；其中，
所述第一开关和所述第二开关的导通与关断由所述功率开关管的开关控制信号控制。
6.根据权利要求5所述的快充协议芯片，其特征在于，所述第一移位支路还包括第一电流源和第一晶体管，其中，所述第一电流源连接在所述快充协议芯片的内部供电引脚和所述第一电阻之间，所述第一晶体管的源极和漏极分别连接到所述第一电阻和参考地，所述第一晶体管的栅极接收所述滤波电压；并且，
所述第二移位支路还包括第二电流源和第二晶体管，其中，所述第二电流源连接在所述快充协议芯片的内部供电引脚和所述第二电阻之间，所述第二晶体管的源极和漏极分别连接到所述第二电阻和参考地，所述第二晶体管的栅极接收所述分压电压。
7.根据权利要求6所述的快充协议芯片，其特征在于，
当所述功率开关管的开关控制信号处于高电平时，所述第一开关处于关断状态，所述第二开关处于导通状态；
当所述功率开关管的开关控制信号处于低电平时，所述第一开关处于导通状态，所述第二开关处于关断状态。
8.根据权利要求4所述的快充协议芯片，其特征在于，当所述分压电压比所述滤波电压小第一预设阈值、所述第二移位电平小于所述第一移位电平、所述第一比较结果处于高电平、且所述第二比较结果处于高电平时，所述功率开关管的开关控制信号处于高电平，所述功率开关管处于关断状态。
9.根据权利要求4所述的快充协议芯片，其特征在于，当所述分压电压比所述滤波电压大第二预设阈值、所述第二移位电平大于所述第一移位电平、且所述第一比较结果处于低电平时，所述功率开关管的开关控制信号处于低电平，所述功率开关管处于导通状态。
10.根据权利要求5所述的快充协议芯片，其特征在于，当所述功率开关管处于导通状态、所述第一开关处于导通状态、所述第二开关处于关断状态、所述分压电压等于所述滤波电压时，所述第二移位电平大于所述第一移位电平，所述第一比较结果处于低电平，所述第二比较结果与所述分压电压和所述基准电压有关。
11.根据权利要求6所述的快充协议芯片，其特征在于，所述负斜率阈值是根据以下公式确定的：
Figure FDA0003493061300000031
其中，kthn为所述负斜率阈值，I0为所述第一电流源或所述第二电流源提供的电流值，R2为所述第二电阻的电阻值，Rlp和Clp分别为所述滤波模块中包括的电阻的电阻值和电容的电容值，Rup和Rdw分别为所述分压模块中包括的、分别连接至所述输入电压和参考地的电阻的电阻值。
12.根据权利要求5所述的快充协议芯片，其特征在于，所述正斜率阈值是根据以下公式确定的：
Figure FDA0003493061300000032
其中，kthp为所述正斜率阈值，I0为所述第一电流源或所述第二电流源提供的电流值，R1为所述第一电阻的电阻值，Rlp和Clp分别为所述滤波模块中包括的电阻的电阻值和电容的电容值，Rup和Rdw分别为所述分压模块中包括的、分别连接至所述输入电压和参考地的电阻的电阻值。
13.一种快充协议系统，其特征在于，包括如权利要求1至12中任一项所述的快充协议芯片。
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