CN205232027U - 低功耗短路保护的降压转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低功耗短路保护的降压转换器，包括上管M1、下管M2,逻辑控制模块、谷底电流检测模块、电感L1、电阻R1、R2、输出电压与基准比较器、软启动模块、RS触发器、固定导通时间模块、PFM比较器、短路判断比较器、判断触发软启动模块、VFB电压放大器、电压比较处理器。相对于现有的短路保护，本实用新型短路期间的输入功耗极低。保护期间不需要较长时间的延时电路来达到降低功耗的目的。方案简单，同时成本低廉。检测短路保护期间，电感的上冲电流很小，提高了芯片短路器件的可靠性。短路恢复后，保证芯片软启动，控制电感电流缓慢增加，防止其浪涌电流过大，提高芯片的可靠性。

Description

低功耗短路保护的降压转换器

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域，尤其是降压型开关充电器。

背景技术

目前随着移动手持设备越来越多，开关电源的应用也越来越广泛。开关电源一般都需要短路保护功能，以防止短路时电流过大烧毁开关管。同时短路时，要求具有较低的功耗，降低对前一级电源的消耗。

目前，开关电源中的短路保护电路大都采用脉宽调制控制模式，通过限制上管的峰值来达到短路保护的功能。由于这种控制模式只是限制电感电流的峰值，在短路状态下一直处于频繁的保护与恢复状态之间切换，主回路的工作电流仍然很大，导致损耗大，同时可靠性比较低。

还有部分开关电源短路保护采用打嗝模式，来降低短路时的功耗。实现方法：通过检测输出电压，当其低于某设定值时，发出短路保护信号，关闭开关管进入休眠模式。经过一段很长时间的延时后重新软启动，启动过程若输出电压升高则判断退出短路保护。否则经过一定时间的检测启动后，重新进入休眠模式。该实现方式，若要达到较低的短路功耗，必须要求休眠时间和检测时间具有较大的比例，因此需要芯片内部有很长的延时电路，会增加芯片的面积和成本，同时芯片会在短路的情况下不断的软起，导致可靠性降低的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种低功耗短路保护的降压转换器，以降低短路保护时开关电源的功耗，并且不会因需要较长时间的延时而增大体积和成本。同时该电路可以实现自动检测短路保护退出，提高降压转换器芯片的可靠性。本实用新型采用的技术方案是：

一种低功耗短路保护的降压转换器，包括上管M1、下管M2，M1和M2均为开关管；

上管M1的输入端接输入电压VIN，输出端接下管M2的输入端和电感L1的一端，以及谷底电流检测模块的输入端；电感L1的另一端接电阻R1的一端并产生输出电压VOUT；电阻R1的另一端接电阻R2的一端并产生电压VFB；下管M2和电阻R2的另一端接地；电压VFB输入短路判断比较器的反相输入端、输出电压与基准比较器的反相输入端、以及VFB电压放大器的输入端；

短路判断比较器的同相输入端接参考电压VREF2；输出电压与基准比较器的同相输入端接参考电压VREF1；短路判断比较器和输出电压与基准比较器的输出端均连接一电压比较处理器的输入端；电压比较处理器的输出端输出电压VCOMP并输入PFM比较器的反相输入端；谷底电流检测模块的输出端接PFM比较器的同相输入端；

VFB电压放大器的输出端输出信号VSHORT并连接判断触发软启动模块的反相输入端；判断触发软启动模块为一个比较器；判断触发软启动模块输出信号EN并连接软启动模块的输入端；软启动模块的输出端输出斜坡电压VSS；斜坡电压VSS输入判断触发软启动模块的同相输入端和电压比较处理器的输入端；

PFM比较器的输出端接固定导通时间模块的输入端和RS触发器的S端；固定导通时间模块的输出端接RS触发器的R端；RS触发器的Q端接逻辑控制模块的输入端；逻辑控制模块的两个输出端分别接上管M1和下管M2的控制端。

进一步地，VFB电压放大器的输入为电压VFB，输出电压为5*VFB+0.7V。

进一步地，参考电压VREF1为0.6v；参考电压VREF2为0.3v。

本实用新型的优点在于：

1)短路期间的输入功耗极低。保护期间不需要较长时间的延时电路来达到降低功耗的目的。方案简单，同时成本低廉。

2)检测短路保护期间，电感的上冲电流很小，提高了芯片短路器件的可靠性

3)短路恢复后，保证芯片软启动，控制电感电流缓慢增加，防止其浪涌电流过大，提高芯片的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型专利的原理框图。

图2为TON控制模式的原理时序图。

图3为短路保护期间的原理时序图。

图4为短路保护自动检测的时序图以及保护恢复的时序图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提供一种低功耗短路保护的降压转换器，包括上管M1、下管M2，M1和M2均为开关管；

上管M1的输入端接输入电压VIN，输出端接下管M2的输入端和电感L1的一端，以及谷底电流检测模块102的输入端；电感L1的另一端接电阻R1的一端并产生输出电压VOUT；电阻R1的另一端接电阻R2的一端并产生电压VFB；下管M2和电阻R2的另一端接地；电压VFB输入短路判断比较器108的反相输入端、输出电压与基准比较器103的反相输入端、以及VFB电压放大器110的输入端；

短路判断比较器108的同相输入端接参考电压VREF2；VREF2为0.3v；输出电压与基准比较器103的同相输入端接参考电压VREF1；VREF1为0.6v；短路判断比较器108和输出电压与基准比较器103的输出端均连接一电压比较处理器111的输入端；电压比较处理器111的输出端输出电压VCOMP并输入PFM比较器107的反相输入端；PFM是指脉冲频率调制；谷底电流检测模块102的输出端接PFM比较器107的同相输入端；

VFB电压放大器110的输出端输出信号VSHORT并连接判断触发软启动模块109的反相输入端；判断触发软启动模块109输出信号EN并连接软启动模块104的输入端；软启动模块104的输出端输出斜坡电压VSS；斜坡电压VSS输入判断触发软启动模块109的同相输入端和电压比较处理器111的输入端；

PFM比较器107的输出端接固定导通时间模块106(图1中的TON模块)的输入端和RS触发器105的S端；固定导通时间模块106的输出端接RS触发器105的R端；RS触发器105的Q端接逻辑控制模块101的输入端；逻辑控制模块101的两个输出端分别接上管M1和下管M2的控制端。

本实用新型在原有开关电源的基础上，提出了短路判断比较器108，其输入为基准VREF2和反馈电压VFB，输出端控制VCOMP电压，发生短路时将VCOMP电压固定在某一电压值(本例中为1V)；图1中，标记120部分为内部自动检测短路保护电路，VFB电压放大器110的输入为电压VFB，输出电压为5*VFB+0.7V。判断触发软启动模块109输入端分别为VFB电压放大器110的输出信号VSHORT和软启动的斜坡电压VSS，输出为高低电平，高电平控制软启动模块104软启动的清零。

下面对本实用新型的主要原理进行说明：

固定导通时间模块106的信号TON导通时间控制上管M1的打开，计时结束后关闭上管M1，打开下管M2；输出电压与基准比较器103输入分别为VFB电压与基准电压VREF1；通过PFM比较器107与谷底采样电流比较，输出信号关闭下管M2，打开上管M1，同时清零固定导通时间模块106，重新开始ton计时。工作时序图如图2所示。

当输出短路时，通过短路判断比较器108输出控制逻辑信号SCP，将VCOMP的电压固定于1V，此点所对应的谷底电流检测设计为+200mA。检测期间上管M1打开时，电感L1的充电斜率近似为：由于此时输出处于短路状态VOUT电压接近为0V。同时充电的斜率会大于正常工作的斜率，短路时导通时间内电流会冲的高一点(当然可以在短路时将SCP的信号引入固定导通时间模块106，来降低TON的时间，以降低短路检测期间的电流)。上管M1打开固定TON时间后，上管M1关闭下管M2打开。此时电感L1的放电斜率近似为：Rdson是下管M2导通电阻；同样由于此时输出处于短路状态VOUT电压接近为0V，同时Il*Rdson很小所以放电斜率会非常的小，需要1m～2mS时间电流才会降低到200mA，PFM比较器107才会翻转，开启下一次的上管M1导通。所以本专利的在短路保护期间很长时间内才会导通检测一次，极大的降低短路期间的功耗和提高芯片的可靠性。工作时序图如图3所示。

短路期间，上管M1打开时流入的平均电流为：

$Iin=\frac{Vin}{L}*TON*\frac{1}{2}+200mA$

根据伏秒平衡原理，短路时的开关周期为：

$T=\frac{Vin}{Vlx}*TON$

所以在短路期间整个输入功耗为：

$W=\frac{Il}{T}*Vin=(\frac{Vlx}{2L}+0.2A*\frac{Vlx}{Vin}*TON)*Vin$

由上述表达式可知，可以适当的降低1V所对应的200mA反转点，来降低短路功耗。但是不能太低，否则短路恢复的时候无法检测到。(200mA电流设计可保证短路功耗在0.05W以下)。

短路保护期间的自动检测电路只有VFB电压放大器110和判断触发软启动模块109(比较器109)。VFB电压放大器110实现对VFB电压的放大，输出VSHORT＝5*VFB+0.7V。比较器109的另一输入端为软启动模块104的软起斜波信号VSS，比较之后输出逻辑信号EN对软启动模块进行清零。工作时序如图4，短路保护期间VFB(VOUT)电压几乎为0，VSHORT电压接近0.7V，此时VSS信号缓慢上升，触碰到VSHORT电压时，EN信号翻转变高，软启动模块104清零重新软起。直到短路保护退出后(SCP翻转)，此时电感电流会使VOUT电压上升，同时VSHORT电压会以5倍的VFB斜率上升，(为了保证短路保护退出后不会重新的软起，必须保证VSS上升的斜率小于VSHORT也就是5VFB的上升斜率)。

Claims (3)

1.一种低功耗短路保护的降压转换器，包括上管M1、下管M2，M1和M2均为开关管；其特征在于：

上管M1的输入端接输入电压VIN，输出端接下管M2的输入端和电感L1的一端，以及谷底电流检测模块(102)的输入端；电感L1的另一端接电阻R1的一端并产生输出电压VOUT；电阻R1的另一端接电阻R2的一端并产生电压VFB；下管M2和电阻R2的另一端接地；电压VFB输入短路判断比较器(108)的反相输入端、输出电压与基准比较器(103)的反相输入端、以及VFB电压放大器(110)的输入端；

短路判断比较器(108)的同相输入端接参考电压VREF2；输出电压与基准比较器(103)的同相输入端接参考电压VREF1；短路判断比较器(108)和输出电压与基准比较器(103)的输出端均连接一电压比较处理器(111)的输入端；电压比较处理器(111)的输出端输出电压VCOMP并输入PFM比较器(107)的反相输入端；谷底电流检测模块(102)的输出端接PFM比较器(107)的同相输入端；

VFB电压放大器(110的)输出端输出信号VSHORT并连接判断触发软启动模块(109)的反相输入端；判断触发软启动模块(109)为一个比较器；判断触发软启动模块(109)输出信号EN并连接软启动模块(104)的输入端；软启动模块(104)的输出端输出斜坡电压VSS；斜坡电压VSS输入判断触发软启动模块(109)的同相输入端和电压比较处理器(111)的输入端；

PFM比较器(107)的输出端接固定导通时间模块(106)的输入端和RS触发器(105)的S端；固定导通时间模块(106)的输出端接RS触发器(105)的R端；RS触发器(105)的Q端接逻辑控制模块(101)的输入端；逻辑控制模块(101)的两个输出端分别接上管M1和下管M2的控制端。

2.如权利要求1所述的低功耗短路保护的降压转换器，其特征在于：

VFB电压放大器(110)的输入为电压VFB，输出电压为5*VFB+0.7V。

3.如权利要求1所述的低功耗短路保护的降压转换器，其特征在于：

参考电压VREF1为0.6v；参考电压VREF2为0.3v。