软启动端口与输出过压和短路保护复用实现精准定时电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子领域，特别是软启动端口与输出过压和短路保护复用实现精准定时电路。

背景技术：

高可靠性，高集成度，小型化是如今电源系统的发展趋势，dcdc电源作为电子系统不可或缺的一部分，为了适应当今电源系统发展的趋势和潮流，各种保护和端口复用是必不可少的设计。软启动为dcdc电源系统核心组成部分之一，可以有效解决输出过冲问题，从而保证输出电压的精准性，以及对后级电子系统供电的可靠性，通过外围挂接电容，可以实现对整个系统启动时间的有效控制，目前市场主流的dc电源产品封装小型化，封装脚位较少，要想实现各种保护，特别是输出过压保护，输出短路保护的精准定时，选择脚位复用是必不可少的操作。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供软启动端口与输出过压和短路保护复用实现精准定时电路，通过电流比例运算器，实现对外接电容充放电的精准控制，从而实现系统启动时间，输出过压保护和输出短路保护的精准定时。

本实用新型采用以下方案实现：一种软启动端口与输出过压和短路保护复用实现精准定时电路，包括集成块启动电路、带隙基准、逻辑单元、输出过压保护比较器、输出短路保护比较器、输出过压保护与短路保护模式选择器、电流比例运算器、软启动模块和电容c；所述集成块启动电路的输入端输入开关电源输入电压，所述集成块启动电路的输出端与所述带隙基准连接；所述带隙基准还与所述逻辑单元的输入端连接，所述逻辑单元的输出端输出驱动电路控制信号；所述带隙基准的第一内部基准电流点与所述软启动模块连接；所述带隙基准的第二内部基准电流点与所述电流比例运算器连接；所述输出过压保护比较器的反向输入端与所述输出短路保护比较器的同相输入端连接，并均接入开关电源输出反馈电压；所述输出过压保护比较器的同向输入端与所述带隙基准第一内部比较器参考点连接；所述输出短路保护比较器的反向输入端与所述带隙基准第二内部比较器参考点连接；所述输出过压保护比较器的输出端与所述输出过压保护与短路保护模式选择器的第四端连接，所述输出短路保护比较器的输出端与所述输出过压保护与短路保护模式选择器的第五端连接；所述输出过压保护和短路保护模式选择器的第一端和第二端均与所述带隙基准连接，所述输出过压保护和短路保护模式选择器的第六端与所述逻辑单元连接；所述软启动模块和所述电流比例运算器连接，两者连接节点与所述输出过压保护与短路保护模式选择器的第三端连接；所述输出过压保护与短路保护模式选择器的第七端与所述电流比例运算器连接；所述电容c的一端与所述软启动模块连接，所述电容c的另一端接地。

进一步地，所述输出过压保护与短路保护模式选择器包括第一比较器、第二比较器、第一或非门、第二或非门、第三或非门、第四或非门、第五或非门、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第五反相器、第一与非门和第一nmos管n3；所述第一比较器的反相输入端与所述第二比较器的反相输入端连接并作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第三端，所述第三端连接到所述软启动模块和所述电流比例运算器的连接节点；所述第一比较器的同相输入端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第一端，所述第二比较器的同相输入端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第二端，所述第一比较器的同相输入端与所述第二比较器的同相输入端均与所述带隙基准连接；所述第一比较器的输出端分别与所述第一或非门的一输入端和所述第三反相器的输入端连接；所述第二比较器的输出端分别与所述第一或非门的另一输入端和所述第五反相器的输入端连接；所述第三反相器的输出端与所述第三或非门的一输入端连接；所述第五反相器的输出端与所述第三或非门的另一输入端连接；所述第一或非门的输出端与所述第二或非门的一输入端连接；所述第三或非门的输出端与所述第四或非门的一输入端连接；所述第二或非门的另一输入端分别与所述第四或非门的输出端和所述第四反相器的输入端连接；所述第四或非门的另一输入端分别与所述第二或非门的输出端和所述第一反相器的输入端连接；所述第一反相器的输出端分别与所述第二反相器的输入端和所述第一nmos管n3漏极连接；所述第二反相器的输出端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第六端并与所述逻辑单元连接；所述第四反相器的输出端与所述第五或非门的一输入端连接；所述第一与非门的输出端分别与所述第一nmos管n3的栅极和所述第五或非门的另一输入端连接；所述第五或非门的输出端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第七端并与所述电流比例运算器连接；所述输出过压保护比较器的输出端与所述第一与非门的一输入端即输出过压保护与短路保护模式选择器的第四端连接，所述输出短路保护比较器的输出端与所述第一与非门的另一输入端即输出过压保护与短路保护模式选择器的第五端连接；所述第一nmos管n3的源极接地。

进一步地，所述电流比例运算器包括第一pmos管p1、第二pmos管p2、第三pmos管p3、第一bjt管q1、第二bjt管q2、第二nmos管n2、第三nmos管n1；所述第一pmos管p1的源极、第二pmos管p2的源极、第三pmos管p3的源极均接开关电源输入电压；所述第一pmos管p1的栅极与所述第二pmos管p2的栅极及所述第一pmos管p1的漏极连接，并作为第二内部基准电流点输入端与所述带隙基准第二内部基准电流点连接；所述第二pmos管p2的漏极分别与所述第二bjt管q2的集电极和基极以及第五或非门的输出端连接；所述第三pmos管p3的漏极分别与所述第一bjt管q1的集电极和基极连接；所述第一bjt管q1的发射极分别与所述三nmos管n1的漏极、所述三nmos管n1的栅极、所述第二nmos管n2的栅极连接；所述第二bjt管q2的发射极分别与所述第二nmos管n2的漏极、所述软启动模块、所述第一比较器的反向输入端、所述第二比较器的反向输入端连接；所述第二nmos管n2的源极、所述第三nmos管n1的源极均接地。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本发明软启动，输出过压保护，输出短路保护三功能复用一个端口，能够增加端口的使用效率，并增加三种功能的精准定时，进一步提高开关电源的可靠性，已经满足小型化的需求。并进一步减少开关电源的外围应用器件，降低使用成本。

(2)本发明能够根据整个电源系统要求，通过内部逻辑设置精确的电流比例，实现对外接软启动电容充放电的精准控制。从而实现软启动端口与输出过压和短路保护复用实现精准定时。

附图说明

图1为本实用新型实施例的软启动端口与输出过压和短路保护复用实现精准定时电路原理图，其中102为集成块启动电路、103为带隙基准、110为逻辑单元、111为输出过压保护比较器、112为输出短路保护比较器、113为输出过压保护与短路保护模式选择器、115为电流比例运算器、122为软启动模块；所述输出过压保护和短路保护模式选择器电路的第一端为106，第二端为107，第三端为116，第四端为117，第五端为118，第六端为119，第七端为120；所述带隙基准103的第一内部基准电流点为109，第二内部基准电流点为108，第一内部比较器参考点为104，第二内部比较器参考点为105。

图2为本实用新型实施例的集成块启动电路原理图。

图3为本实用新型实施例的逻辑单元电路原理图。

图4为本实用新型实施例的软启动模块电路原理图。

图5为本实用新型实施例的输出过压保护与短路保护模式选择器电路原理图，其中，1131为第一比较器、1132为第二比较器、i1为第一或非门、i2为第二或非门、i3为第一反相器、i4为第二反相器、i5为第三反相器、i6为第三或非门、i7为第四或非门、i8为第四反相器、i9为第五或非门、i10为第五反相器、i11为第一与非门i11。

图6为本实用新型实施例的电流比例运算器电路原理图。

图7为本实用新型实施例的输出短路保护控制时序示意图。

图8为本实用新型实施例的输出过压保护控制时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1、2、3、4所示，本实施例提供了一种软启动端口与输出过压和短路保护复用实现精准定时电路，包括集成块启动电路102、带隙基准103、逻辑单元110、输出过压保护比较器111、输出短路保护比较器112、输出过压保护与短路保护模式选择器113、电流比例运算器115、软启动模块122和电容c；所述集成块启动电路102的输入端输入开关电源输入电压，所述集成块启动电路102的输出端与所述带隙基准103连接；所述带隙基准103还与所述逻辑单元110的输入端连接，所述逻辑单元110的输出端输出驱动电路控制信号；所述带隙基准103的第一内部基准电流点109与所述软启动模块连接；所述带隙基准103的第二内部基准电流点108与所述电流比例运算器连接；所述输出过压保护比较器111的反向输入端与所述输出短路保护比较器112的同相输入端连接，并均接入开关电源输出反馈电压；所述输出过压保护比较器的同向输入端与所述带隙基准103第一内部比较器参考点104连接；所述输出短路保护比较器的反向输入端与所述带隙基准第二内部比较器参考点105连接；所述输出过压保护比较器111的输出端与所述输出过压保护与短路保护模式选择器113的第四端117连接，所述输出短路保护比较器112的输出端与所述输出过压保护与短路保护模式选择器113的第五端118连接；所述输出过压保护和短路保护模式选择器113的第一端106和第二端107均与所述带隙基准103连接，所述输出过压保护和短路保护模式选择器113的第六端119与所述逻辑单元110连接；所述软启动模块122和所述电流比例运算器115连接，两者连接节点与所述输出过压保护与短路保护模式选择器113的第三端116连接；所述输出过压保护与短路保护模式选择器113的第七端120与所述电流比例运算器115连接；所述电容c的一端与所述软启动模块122连接，所述电容c的另一端接地。

如图5所示，在本实施例中，所述输出过压保护与短路保护模式选择器113包括第一比较器1131、第二比较器1132、第一或非门i1、第二或非门i2、第三或非门i6、第四或非门i7、第五或非门i9、第一反相器i3、第二反相器i4、第三反相器i5、第四反相器i8、第五反相器i10、第一与非门i11和第一nmos管n3；所述第一比较器1131的反相输入端与所述第二比较器1132的反相输入端连接并作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第三端116，所述第三端116连接到所述软启动模块122和所述电流比例运算器115的连接节点；所述第一比较器1131的同相输入端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第一端106，所述第二比较器1132的同相输入端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第二端107，所述第一比较器1131的同相输入端与所述第二比较器1132的同相输入端均与所述带隙基准103连接；所述第一比较器1131的输出端分别与所述第一或非门i1的一输入端和所述第三反相器i5的输入端连接；所述第二比较器1132的输出端分别与所述第一或非门i1的另一输入端和所述第五反相器i10的输入端连接；所述第三反相器i5的输出端与所述第三或非门i6的一输入端连接；所述第五反相器i10的输出端与所述第三或非门i6的另一输入端连接；所述第一或非门i1的输出端与所述第二或非门i2的一输入端连接；所述第三或非门i6的输出端与所述第四或非门i7的一输入端连接；所述第二或非门i2的另一输入端分别与所述第四或非门i7的输出端和所述第四反相器i8的输入端连接；所述第四或非门i7的另一输入端分别与所述第二或非门i2的输出端和所述第一反相器i3的输入端连接；所述第一反相器i3的输出端分别与所述第二反相器i4的输入端和所述第一nmos管n3漏极连接；所述第二反相器i4的输出端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第六端119并与所述逻辑单元110连接；所述第四反相器i8的输出端与所述第五或非门i9的一输入端连接；所述第一与非门i11的输出端分别与所述第一nmos管n3的栅极和所述第五或非门i9的另一输入端连接；所述第五或非门i9的输出端作为输出过压保护与短路保护模式选择器的第七端120并与所述电流比例运算器115连接；所述输出过压保护比较器111的输出端与所述第一与非门i11的一输入端即输出过压保护与短路保护模式选择器的第四端117连接，所述输出短路保护比较器112的输出端与所述第一与非门i11的另一输入端即输出过压保护与短路保护模式选择器的第五端118连接；所述第一nmos管n3的源极接地。

如图6所示，在本实施例中，所述电流比例运算器115包括第一pmos管p1、第二pmos管p2、第三pmos管p3、第一bjt管q1、第二bjt管q2、第二nmos管n2、第三nmos管n1；所述第一pmos管p1的源极、第二pmos管p2的源极、第三pmos管p3的源极均接开关电源输入电压；所述第一pmos管p1的栅极与所述第二pmos管p2的栅极及所述第一pmos管p1的漏极连接，并作为第二内部基准电流点输入端与所述带隙基准第二内部基准电流点108连接；所述第二pmos管p2的漏极分别与所述第二bjt管q2的集电极和基极以及第五或非门i9的输出端连接；所述第三pmos管p3的漏极分别与所述第一bjt管q1的集电极和基极连接；所述第一bjt管q1的发射极分别与所述三nmos管n1的漏极、所述三nmos管n1的栅极、所述第二nmos管n2的栅极连接；所述第二bjt管q2的发射极分别与所述第二nmos管n2的漏极、所述软启动模块122、所述第一比较器1131的反向输入端、所述第二比较器1132的反向输入端连接；所述第二nmos管n2的源极、所述第三nmos管n1的源极均接地。

较佳的，在本实施例中，如图5所示，

输出过压和短路保护模式选择器电路包括第一端106，第二端107，第三端116，第四端117，第五端118，第六端119，第七端120；

所述第一端106与带隙基准电压103相连；

所述第二端107与带隙基准电压103相连；

所述第三端116与软启动模式109以及电流比例运算器115相连；

所述第四端117与输出过压保护比较器111输出相连；

所述第五端118与输出短路保护比较器112输出相连；

所述第六端119与逻辑单元110相连；

所述第七端120与电流比例运算器115相连。

较佳的，在本实施例中，所述带电基准103的第二内部基准电流点108与所述电流比例运算器连接；所述带电基准103的第一内部基准电流点109与所述软启动模块连接；所述带电基准103的第一内部比较器参考点104与所述输出过压保护比较器111的同相输入端连接；所述带电基准103的第二内部比较器参考点105与所述输出断路保护比较器112的反向输入端连接。

较佳的，在本实施例中，所述的输出过压与短路保护模式选择器、电流比例运算器115电路集成于一个集成块中。

较佳的，在本实施例中，所述软启动端口与输出过压保护定时，输出短路保护定时复用一个ss端口，并集成在同一集成块上，适用一切电源系统。

图1是本实例整体集成块控制示意图。图中，开关电源的输入电压vdd经启动电路102后，集成块电路10开始正常工作，带隙基准模块103产生基准参考点电压：vref1、vref2、vref3、vref4以及基准电流参考点iref1、iref2，为该集成块各子模块提供电压和电流参考点。fb端口为开关电源输出反馈电压采集端口，通过对fb端口电压的判断，从而判断输出是否发生了短路状态或者过压状态。比较器111为过压保护比较器，当输出发生过压情况时，比较器111会输出低电平信号，并控制定时器定时；比较器112为输出短路保护比较器，当输出发生短路情况时，比较器112会输出低电平信号，以上两种保护状态输出信号，通过内部逻辑控制电容c充放电，从而达到定时保护的目的。软启动模块122，通过外接电容c，在ic上电时实现软启动作用，保证输出无过冲现象。电流比例运算器115(图6)通过带隙基准103得到基准电流108，该基准电流不随外部输入电压，温度的变化而变化。通过电流比例运算器115精确设定输出端口116的source和sink电流配比，通过输出过压和短路保护模式选择器113的输出逻辑控制选择source和sink电流，从而达到对电容c充放电时间的精确控制。输出过压和短路保护模式选择器113(如图5)，通过带隙基准103得到基准电压106和107，在短路保护或者过压保护状态下，电容c作为保护定时电容来使用，通过基准电压106和107设定电容c充放电的上下限阈值。在电容c充电阶段，控制逻辑关断pwm信号，从而整个ic输出关断；在电容c放电阶段：若输出发生短路保护：则控制逻辑会打开pwm信号，让ic工作，如果在放电阶段结束后，短路保护依旧没有解除，则电容c重复上述过程。若输出发生过压保护，则逻辑控制一直关断pwm信号，直至保护状态解除。当检测到输出短路或输出过压保护解除后，电容c会放电到零，重新开始软启动动作，确保ic的高可靠性。从而达到软启动，输出短路保护，输出过压保护三个功能复用软启动端口电容c，并实现保护状态精准定时的目的。波形详情见图7和图8.

为了让一般技术人员更好的理解本实施例，下面结合电路对本发明的工作原理做进一步的描述：

图7是本实例软启动和输出短路保护复用时序图，结合图1，图5，图6和图7分析。vref4为稳态状态下软启动最终电压，电容c的充电电流为iref1，tss为ic软启动时间，电容初始状态电压为0，则在ic上电时，可知软启动时间：

通过控制电容值c和充电电流iref1的值就可以实现对上电软启动时间tss的精确控制。

一旦ic发生输出短路状态，我们设定输出电压低于正常值的40％时，电路进入短路保护状态模式，输出过压和短路保护选择器113开始控制电容c充电，在电容c充电过程中，输出被关断，电容c充电初始电压为vref4，充电结束电压为vref3，充电电流通过电流比例运算器处理为a*iref2，设充电时间为t1，可知:

时间t1即是输出短路保护关断定时时间，通过计算公式可知，通过c，vref3，vref4，iref2可以精确设置时间t1。

在电容c充电结束后，迅速开启放电模式，在放电过程中，输出被打开，电容c放电初始电压为vref3，放电结束电压为vref4，放电电流通过电流比例运算器处理为b*iref2，设放电时间为t2，可知:

时间t2即是输出短路保护状态下允许输出开启的时间，通过计算公式可知，通过c，vref3，vref4，iref2可以精确设置时间t2。

若电容c放电结束后，输出短路保护状态解除，则电容c放电到0，重新开启软启动模式，电路正常工作；若电容c放电结束后，输出短路保护状态未解除，则继续重复相同的充放电过程，直至短路保护状态解除。

通过t1和t2可知：t1/t2＝b/a。所以通过电流比例运算器，可以轻松自如的设置在保护状态下，输出关断和开启的时间比例。根据不同ic自身需求，灵活应用。

图8是本实例软启动和输出过压保护复用时序图，结合图1，图5，图6和图8分析。

一旦ic发生输出过压状态，我们设定输出电压高于正常值的20％时，电路进入过压保护状态，输出过压和短路保护选择器113开始控制电容c充电，在电容c充电过程中，输出被关断，由于过压保护的特殊性，在电容c放电阶段输出依然被关断，但电路一直在检测输出状态，一旦输出正常，电容c会迅速放电到0，重新开始软启动动作，ic开始正常工作。

在本实施例中，主要组件符号说明：

102：集成块启动电路

103：带隙基准

110：逻辑单元

111：输出过压保护比较器

112：输出短路保护比较器

113：输出过压保护与短路保护模式选择器

115：电流比例运算器

122：软启动模块

1131：比较器

1132：比较器

c：定时电容器

104vref1、105vref2、vref3、vref4：内部比较器参考点

109iref1、108iref2：内部基准电流点

vdd：开关电源输入电压

fb：开关电源输出反馈电压

out：驱动电路控制信号

ss：软启动外围pin

tss：软启动时间

tnormal：正常工作时间

tscp:短路保护时间

tovp:输出过压保护时间

值得一提的是，本实用新型保护的是硬件结构，至于控制方法不要求保护。以上仅为本实用新型实施例中一个较佳的实施方案。但是，本实用新型并不限于上述实施方案，凡按本实用新型方案所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。