短路保护电路及应用其的开关变换器的制作方法

本发明涉及电力电子技术，具体涉及开关电源领域，更具体地涉及短路保护电路及应用其的开关变换器。

背景技术：

开关变换器被广泛应用于移动设备等电子产品，通常需要短路保护功能，以防止短路时电流过大烧坏功率器件和负载。目前，开关变换器大都采用脉宽调制控制模式，通过限制流过功率管的峰值电流方式来达到短路保护的目的。在短路状态下，开关变换器通常关闭若干个周期、工作一个软启动周期。当短路故障在开关变换器正常工作的周期内且比较靠近软启动周期的后面部分解除时，由于实际的软启动时间不够，开关变换器的输出电压在这个软启动周期内无法完全恢复到工作电压，因此开关变换器仍处于短路保护状态，造成系统损耗。如果剩下的软启动时间足够开关变换器的输出电压恢复到工作电压，但是在短路故障解除时软启动电路产生的软启基准信号已经升高到一定值，而此时输出电压从零开始上升，从而减弱软启动的作用，输出电压和电流发生过冲，对功率器件和负载造成损害。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种短路保护电路，降低短路保护时开关变换器的功耗，同时在短路故障解除时，有效防止浪涌电流和过冲电压的产生，提高短路保护电路的可靠性。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种短路保护电路，包括：

输出电压检测电路，用于接收表征输出电压的反馈信号，并将所述反馈信号与参考信号比较，产生第一控制信号；

基准信号产生电路，用于接收所述第一控制信号，并产生软启基准信号；

其中，在所述反馈信号上升至所述参考信号的时刻，所述第一控制信号跳变为有效状态并保持一预定时间，以在所述预定时间内保持拉低所述软启基准信号至零，使得所述开关变换器停止工作。

优选地，在所述预定时间的起始时刻将所述软启基准信号从当前值拉低到零，在所述预定时间结束时，所述软启基准信号从零开始缓慢上升，同时所述开关变换器开始工作，其中，所述当前值大于零。

优选地，所述短路保护电路在所述预定时间内同时将补偿信号保持拉低至零，以拉低所述开关变换器的电感电流至零，其中所述补偿信号表征所述输出电压与期望输出电压的差值。

优选地，当所述反馈信号小于所述参考信号时，且当所述软启基准信号上升至预定值时，所述输出电压检测电路产生有效状态的第二控制信号，所述基准信号产生电路根据所述第二控制信号产生基准复位信号，以控制所述开关变换器进入短路保护模式。

优选地，所述短路保护电路还包括一控制电路，用以接收所述基准复位信号和所述第一控制信号以产生驱动信号；

在所述第二控制信号为有效状态时，所述开关变换器根据所述驱动信号和时钟信号在休眠状态和开关状态之间切换，在所述第一控制信号为有效状态时，所述开关变换器停止工作。

优选地，所述输出电压检测电路包括：

比较电路，用于比较所述反馈信号和参考信号，产生短路信号；

第一逻辑电路，与所述比较电路的输出端连接，用于将经过延时处理的短路信号和所述短路信号进行逻辑运算以产生所述第一控制信号。

优选地，所述第一逻辑电路还接收启动完成信号，并与所述短路信号和将延时处理的短路信号作逻辑运算以产生第二控制信号，其中所述启动完成信号用于表征所述开关变换器完成启动过程。

优选地，所述第一逻辑电路包括：

延时电路，用于将所述短路信号以预定延时时间进行延迟；

与门，其包括与所述延时电路的输出端连接的第一输入端，与所述比较电路的输出端连接的用于接收所述短路信号的第二输入端，接收所述启动完成信号的第三输入端，产生所述第二控制信号的同相输出端，和反相输出端；

单脉冲产生电路，与所述与门的反相输出端连接以产生所述第一控制信号。

优选地，所述延时电路包括：

第一电阻，其第一端连接到所述比较电路的输出端，第二端连接到所述与门的第一输入端；

第一电容，其第一端连接到所述第一电阻的第二端，第二端接地。

优选地，所述单脉冲电路包括：

第二电容，其第一端连接到所述与门的反相输出端，第二端输出所述第一控制信号；

第二电阻，其第一端连接到所述第二电容的第二端，第二端接地。

优选地，所述基准信号产生电路包括：

检测电路，用于检测所述软启基准信号，当所述软启基准信号上升至预定值，产生软启完成信号；

第二逻辑电路，用于接收所述软启完成信号，第一控制信号和第二控制信号并作逻辑运算，以产生基准复位信号；

电压产生电路，用于在所述基准复位信号的有效状态时将所述软启基准信号拉低至零，在所述基准复位信号的无效状态时控制所述软启基准信号从零上升。

优选地，当所述第一控制信号为有效状态时，所述基准复位信号在所述预定时间内同时保持为有效状态，以控制所述电压产生电路将所述软启基准信号保持拉低至零。

优选地，所述控制电路包括一触发器，所述触发器的时钟输入端接收所述基准复位信号，输入端与同相输出端连接，清零输入端接收所述第一控制信号，在同相输出端产生具有第一电平和第二电平的驱动信号；

其中，在所述第二控制信号为有效状态时，所述驱动信号为第一电平时，所述开关型变换器工作在所述休眠状态，所述驱动信号为第二电平时，所述开关型变换器工作在所述开关状态。

优选地，当所述第一控制信号为有效状态时，所述驱动信号保持在第一电平状态，所述开关变换器停止工作。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种开关变换器，包括上述第一方面的短路保护电路，还包括：

采样电路，与所述开关变换器的输出端连接以产生所述表征输出电压的反馈信号；

误差电路，根据所述反馈信号，所述软启基准信号和参考电压产生所述补偿信号；

驱动电路，根据所述补偿信号，所述短路保护电路输出的驱动信号和时钟信号控制所述开关变换器的工作状态。

优选地，所述开关变换器还包括第一开关，所述第一开关连接到所述误差电路的输出端；当所述第一控制信号有效时，所述第一开关闭合，将所述补偿信号保持拉低至零。

本发明实施例的技术方案通过输出电压检测电路检测输出电压恢复至大于参考信号时，产生有效状态的第一控制信号并维持预定时间，在所述预定时间内，基准信号产生电路将软启基准信号从当前值拉低至零，使得开关变换器停止工作，同时将表征输出电压和期望输出电压差值的补偿信号拉低至零，当所述预定时间结束时，软启基准信号从零开始上升，开关变换器开始工作，提高了短路保护电路的工作可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的短路保护电路的电路框图；

图2是本发明实施例输出电压检测电路的电路图；

图3是本发明实施例的基准信号产生电路的电路图；

图4是本发明实施例的控制电路的电路图；

图5是本发明实施例的开关变换器的电路图；

图6是本发明实施例的短路保护电路的工作波形图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参考图1,所示为依据本发明实施例的短路保护电路的电路示意框图。

短路保护电路10包括输出电压检测电路11和基准信号产生电路12。输出电压检测电路11接收表征开关变换器的输出电压的反馈信号fb，通过比较反馈信号fb和参考信号vref，以产生第一控制信号vc1。基准信号产生电路12接收第一控制信号vc1，以产生软启基准信号ss。当开关变换器的短路故障解除时，开关变换器的输出电压跟随软启基准信号ss逐渐上升，同时反馈信号fb增大，当反馈信号fb上升至参考信号vref，第一控制信号vc1跳变为有效状态并保持预定时间，在所述预定时间内，第一控制信号vc1将基准信号产生电路12产生的软启基准信号ss保持拉低至零，使得开关变换器停止工作。

具体地，当短路故障解除时，软启基准信号ss已经从零上升到一定值，当第一控制信号vc1跳变为有效状态时，基准信号产生电路12将软启基准信号ss从当前值拉低至零，当所述预定时间结束时，基准信号产生电路12控制软启基准信号ss从零开始缓慢上升，同时开关变换器开始工作。当第一控制信号vc1跳变为有效状态时，短路保护电路10同时将补偿信号保持拉低至零，使得开关变换器的电感电流拉低至零，以避免电感电流无法及时下降，其中补偿信号表征开关变换器的输出电压与期望输出电压的差值。

短路保护电路10还包括控制电路13。在开关变换器的启动过程中，软启基准信号ss作为开关变换器的电压控制环路的基准电压，开关变换器通过电压控制环路控制输出电压跟随软启基准信号ss缓慢上升，当软启基准信号ss上升至预定值时，基准信号产生电路12产生有效状态的启动完成信号ss_ok，以表征开关变换器完成启动过程。输出信号检测电路11接收启动完成信号ss_ok，以检测开关变换器的输出电压状态，因此本发明实施例中的短路保护电10只有在开关变换器启动完成后若发生短路故障时才会起作用。启动完成后，开关变换器的输出电压恒定的保持在期望输出值。当开关变换器发生短路故障时，开关变换器的输出电压快速下降，反馈信号fb下降到小于参考信号vref，输出电压检测电路11产生第二控制信号vc2。基准信号产生电路12接收第二控制信号vc2并产生基准复位信号ss_rst，短路保护电路10进入短路保护模式，控制电路13根据基准复位信号ss_rst和第一控制信号vc1产生驱动信号vd以控制开关变换器的工作状态，从而限制开关变换器输出电流的大小。当第二控制信号vc2为有效状态时，开关变换器根据驱动信号vd和时钟信号在休眠状态和开关状态之间切换，其中时钟信号用于设定开关变换器的工作频率。当短路故障解除，控制电路13接收有效状态的第一控制信号vc1，输出无效的驱动信号vd，同时软启基准信号ss保持拉低至零，开关变换器停止工作，直至软启基准信号ss从零开始上升。

参考图2，所示为依据本发明实施例的输出电压检测电路的电路图。输出电压检测电路20包括比较器21和第一逻辑电路22。比较器21的第一输入端(例如，同相输入端)接收参考信号vref，第二输入端(例如，反相输入端)接收反馈信号fb，当反馈信号fb小于参考信号vref，比较器21输出高电平有效的短路信号short。第一逻辑电路22与比较器21的输出端连接，用于将延时处理的短路信号和原短路信号short作逻辑运算以产生第一控制信号vc1。第一逻辑电路22还接收启动完成信号ss_ok，并与短路信号short和经延时处理的短路信号作逻辑运算以产生第二控制信号vc2。

具体地，第一逻辑电路22包括延时电路221，与门222和单脉冲产生电路223。延时电路221的输入端连接至比较器21的输出端并对短路信号short进行延迟。与门222的第一输入端连接至延时电路221的输出端并接收经延迟的短路信号，第二输入端连接至比较器21的输出端并接收短路信号short，第三输入端接收启动完成信号ss_ok，当与门222的输入端信号均为高电平有效时，与门222的同相输出端产生第二控制信号vc2。单脉冲产生电路223的输入端连接至与门222的反相输出端。当反馈信号fb上升至参考信号vref时，比较器21输出的短路信号short为低电平，第二控制信号vc2由有效高电平跳变为低电平，单脉冲产生电路223产生有效状态的第一控制信号vc1并保持预定时间。

如图2所示的延时电路221进一步包括电阻r1和电容c1，以提供一定的延迟。电阻r1的第一端连接至比较器21的输出端以接收短路信号short，第二端连接到与门222的第一输入端以提供经延迟的短路信号。电容器c1的第一端连接至电阻r1的第二端，第二端接地。延时电路221还包括二极管d1，用于对短路信号的上升沿进行延时。应理解，电阻r1的阻值和电容c1的容值可以被选择为预定值，以提供预定的延时时间。本实施例中的延时电路以预定的延迟仅对短路信号short的上升沿进行延迟，其他能够实现上述功能的电路结构均可应用于本实施例中。

单脉冲产生电路将223进一步包括电阻r2和电容c2，以产生具有预定脉冲宽度的第一控制信号vc1。电容c2的第一端连接至与门222的反相输出端，在第二端产生第一控制信号vc1。电阻r2的第一端连接至电容c2的第二端，电阻r2的第二端连接至地。单脉冲产生电路223还包括第二二极管d2，用于对第一控制信号vc1进行箝位，使其仅输出正脉冲。应理解，电阻r2的阻值和电容c2的容值可以被选择为预定值，以提供具有预定脉冲宽度的第一控制信号vc1。应理解，本实施例中单脉冲电路采用微分电路以提供具有预定脉冲宽度的第一控制信号vc1，其他能够实现上述功能的电路结构均可用于本实施例中。

参考图3，所示为依据本发明实施例的基准信号产生电路的电路图。基准信号产生电路30包括第二逻辑电路31，电压产生电路32和检测电路33。检测电路33接收软启基准信号ss，通过比较软启基准信号ss和设定值v1的大小，以产生软启完成信号ss_done。第二逻辑电路31接收第一控制信号vc1，第二控制信号vc2和软启完成信号ss_done，以产生基准复位信号ss_rst。电压产生电路32根据基准复位信号ss_rst的状态产生软启基准信号ss。

具体地，第二逻辑电路31包括与门311和或门312。与门311包括接收软启完成信号ss_done的第一输入端和接收第二控制信号vc2的第二输入端。与门311的输出信号和第一控制信号vc1均输入至或门312，当软启完成信号ss_done和第二控制信号vc2均有效时，或第一控制信号vc1有效时，或门312产生有效状态的基准复位信号ss_rst。

电压产生电路32包括并联连接在节点n和地之间的可控开关k1，电容c3和电流源i1，在节点n处产生软启基准信号ss。电流源i1包括连接至节点n的负端和接地的正端。可控开关k1受控于基准复位信号ss_rst进行导通和关断，当基准复位信号ss_rst为有效高电平时，可控开关k1导通，电容c3和电流源i1短路，软启基准信号ss被拉低至零，使得开关变换器停止工作；当基准复位信号ss_rst为低电平时，可控开关k1关断，电流源i1给电容c3充电，使得节点n处产生的软启基准信号ss从零开始上升。电压产生电路32还包括连接在节点n和输入电压vin之间的二极管d3，用于箝位软启基准信号ss。

检测电路33包括比较器331和rs触发器332。比较器331的第一输入端(例如，同相输入端)接收软启基准信号ss，第二输入端(例如，反相输入端)接收预定值v1，当软启基准信号ss上升至预定值v1，比较器331输出软启完成信号ss_done。rs触发器322包括接收软启完成信号ss_done的置位端，接收第一控制信号vc1的复位端，当软启完成信号ss_done为高电平有效时，rs触发器332产生高电平的启动完成信号ss_ok，此时输出电压检测电路开始工作，避免在开关变换器启动中，反馈信号fb低于参考信号vref时短路保护电路控制开关变换器进入短路保护模式；当第一控制信号vc1跳变为有效状态时，启动完成信号ss_ok被复位至低电平，直到软启基准信号ss上升至预定值v1，rs触发器322再次产生启动完成信号ss_ok。

参考图4，所示为依据本发明实施例的控制电路的电路图。控制电路包括d触发器40。d触发器40包括接收基准复位信号ss_rst的时钟输入端clk，相互连接的输入端d与反相输出端和接收第一控制信号的清零输入端clr,以在输出端q产生驱动信号vd。d触发器40由基准复位信号ss_rst触发产生具有第一电平和第二电平的驱动信号vd。在短路状态，当软启基准信号ss由零上升至预定值v1，产生有效的软启完成信号ss_done。当软启完成信号ss_done和第二控制信号vc2均有效时，基准复位信号ss_rst具有有效短脉冲，触发d触发器40产生驱动信号vd，同时基准复位信号ss_rst控制基准信号产生电路将软启基准信号ss拉低至零，因此基准复位信号ss_rst的周期等于软启基准信号ss由零上升至预定值v1的时间。驱动信号vd随着基准复位信号ss_rst周期性地在第一电平和第二电平之间切换。当驱动信号vd为第二电平时，开关变换器开始开关操作，使得输出电压开始上升，进入开关状态；当驱动信号vd由第二电平切换到第一电平时，开关变换器停止开关动作，使得输出电压保持为零，进入休眠状态，依次循环，直到短路故障解除。当短路故障解除，反馈信号fb上升至参考信号vref，第一控制信号vc1跳变为有效状态并保持预定时间，d触发器40根据第一控制信号vc1将驱动信号vd保持在第一电平，开关变换器停止工作。在所述预定时间结束后，软启基准信号ss从零开始上升，开关变换器开始工作。

参考图5，所示为本发明实施例的开关变换器。开关变换器50包括功率级电路51，采样电路52，误差电路53，驱动电路54和短路保护电路55。本实施例中，功率级电路51为降压型拓扑，应理解可以采用各种现有的开关变换器拓扑，例如升压型拓扑、升降压型拓扑等。

功率级电路51用于接收输入电压vin并产生输出电压vout以驱动负载。功率级电路51包括电感l，晶体管q1和q2，滤波电容co和负载ro。采样电路52包括串联连接的电阻rh和rl，用于对输出电压vout进行采样以产生反馈信号fb。误差电路53的第一输入端(例如反向输入端)接收反馈信号fb，第二输入端(例如同相输入端)接收参考电压ref或软启基准信号ss，以输出表征输出电压vout和期望输出电压差值的补偿信号vc。开关变换器在启动过程中和短路状态时，误差电路53第二输入端接收软启基准信号ss。当开关变换器正常工作时，误差电路53第二输入端的输入信号由软启基准信号ss切换至参考电压ref。驱动电路54根据补偿信号vc和时钟信号clk产生控制信号d以调节晶体管q1和q2的工作时间，使得输出电压vout恒定在期望输出电压值。

当发生短路故障时，短路故障信号st控制开关k2导通，输出电压vout下降，反馈信号fb下降到小于参考信号vref，短路保护电路55产生具有第一电平和第二电平的驱动信号vd。驱动电路54接收驱动信号vd，补偿信号vc和时钟信号clk以控制晶体管q1和q2的工作状态。驱动信号vd为第一电平状态时，驱动电路54关断晶体管q1和q2，使得电感电流il为零。当驱动信号vd为第二电平状态时，短路保护电路55产生软启基准信号ss并输入到误差电路53的正相输入端，误差电路53产生补偿信号vc。驱动电路54根据补偿信号vc和时钟信号clk产生控制信号d以调节晶体管q1和q2的工作时间，使得开关变换器开始工作，以此循环，直到短路故障解除。应理解，开关k2和短路故障信号st用于等效短路故障发生时将输出电压降低，实际应用中当发生短路故障时，例如由于负载短路导致输出电压降低，或者由于开关变换器内部性能降低，导致输出电压降低等。

当短路故障解除，短路故障信号st关断开关k2，输出电压vout开始上升，当反馈信号上升至参考信号vref，短路保护电路55产生有效状态的第一控制信号vc1并保持预定时间，驱动信号vd保持在第一电平。在所述预定时间内，软启基准信号ss保持拉低至零，使得开关变换器停止工作。为了将开关变换器的电感电流il拉低至零，第一控制信号vc1控制开关k3导通，同时将补偿信号vc保持拉低至零。当所述预定时间结束，短路保护电路55产生从零开始上升的软启基准信号ss，误差电路53的正相输入端接收软启基准信号ss，驱动电路54根据补偿信号vc和时钟信号clk控制开关变换器开始启动。启动完成后，误差电路53的同相输入端接收参考电压ref，以输出表征输出电压vout和期望输出电压差值的补偿信号vc。

参考图6，所示为依据本发明实施例的短路保护电路的工作波形图。

在t0时刻，开关变换器发生短路故障，短路故障信号st将输出电压拉低至零，使得反馈信号fb降低，补偿信号vc升高，电感电流il增大。

在t0～t1期间，反馈信号fb低于参考信号vref，输出电压检测电路经过延时时间△t(t1-t0)产生有效的第二控制信号vc2，短路保护电路控制开关变换器进入短路保护模式。

在t1时刻，基准信号产生电路产生的软启基准信号ss达到预定值v1，产生有效的软启完成信号ss_done，同时输出有效短脉冲基准复位信号ss_rst。基准电压产生电路根据基准复位信号ss_rst将软启基准信号ss拉低至零，再从零开始上升。控制电路根据基准复位信号ss_rst产生具有第一电平的驱动信号vd。驱动信号vd控制开关变换器停止开关动作进入休眠状态，电感电流il保持为零。

在t2时刻，软启基准信号ss上升至预定值v1，基准信号产生电路再次产生有效短脉冲基准复位信号ss_rst，驱动信号vd由第一电平切换至第二电平，控制开关变换器开始开关动作进入开关状态，电感电流il上升。直到t3时刻，开关状态结束再次进入休眠状态，以此循环。

在t4时刻，短路故障解除，短路故障信号st由高电平切换为低电平。在t5时刻，反馈信号fb上升至参考信号vref，输出电压检测电路产生有效状态的第一控制信号vc1并维持预定时间△t1(t6-t5)，驱动信号vd保持在第一电平。在预定时间△t1起始时刻(也即t5时刻)，基准信号产生电路根据第一控制信号vc1将软启基准信号ss从当前值拉低至零，同时将补偿信号vc保持拉低至零，使得开关变换器停止工作，电感电流il保持拉低至零。

在t6时刻，预定时间△t1结束，短路保护电路控制开关变换器退出短路保护模式，软启基准信号ss从零开始上升，开关变换器开始工作，反馈信号fb开始缓慢上升，同时电感电流也开始上升。

本发明实施例的技术方案通过在开关变换器的短路故障解除时，基准信号产生电路根据第一控制信号将软启基准信号从当前值拉低至零并保持预定时间，同时第一控制信号将表征开关变换器输出电压和期望输出电压差值的补偿信号在所述预定时间内保持拉低至零，使得开关变换器停止工作，当预定时间结束，软启基准信号从零开始上升，开关变换器跟随软启基准信号开始工作，使得输出电压缓慢上升，可以保证在短路故障解除时开关变换器安全可靠地工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。