一种电感短路保护电路及方法与流程

本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种电感短路保护电路及方法。

背景技术：

在开关电源设计中，常用的器件包括NMOS管、PMOS管、二极管、肖特基管、电阻、电感、电容等，其中，电感是常用的重要储能器件。电感的短路故障轻则降低电感的电感量，影响系统的正常工作，重则完全短路时电流突变不可控损坏系统。因此针对电感的短路故障，在设计控制器时需要确保保护机制在电流突变损坏系统之前能够及时触发，并可靠关断MOS管。

如图1所示为传统的非三端口控制器实现的电感短路保护，电感L0的一端连接续流二极管D0的阳极、另一端连接LED灯串的输出端，所述续流二极管D0的阴极以及所述LED灯串的输入端连接输入电压Vin，所述LED灯串的两端还连接有稳压电容C0，所述控制器的SW端连接于所述续流二极管D0与所述电感L0之间、CS端连接采样电阻Rcs、VDD端连接电容C1的上极板，所述采样电阻Rcs的另一端、所述电容C1的下极板以及所述控制器的GND端连接参考地。所述控制器通过CS端直接检测所述采样电阻Rcs上的电压，当检测到所述采样电阻Rcs上电压超过内部限流阈值Vref时，比较器输出翻转，并通过开关控制逻辑模块以及驱动模块输出驱动信号drv关断MOS管M0，以此来实现电感短路保护。但是，传统的非三端口控制器电感短路保护电路的外接端口多，相应的封装成本就高。

为了降低成本，三端口控制器应运而生，如图2所示为现有技术中的三端口控制器，所述三端口控制器采用浮地架构，没有专门的CS端检测所述采样电阻Rcs上的压降。当电感短路，所述MOS管M0打开时，大电流流过所述采样电阻Rcs，抬高了所述三端口控制器的GND电位，电源VDD与GND之间的压降减小，容易触发所述三端口控制器的欠压锁定状态，导致内部逻辑紊乱无法可靠关断所述MOS管M0，电流突变至极大值将烧毁所述MOS管M0及所述采样电阻Rcs，严重会导致炸机，造成不必要的经济损失和安全威胁。

因此，电感短路的保护已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电感短路保护电路及方法，用于解决现有技术中电感短路导致的经济损失和安全威胁等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电感短路保护电路，所述电感短路保护电路至少包括：

功率开关管，连接于电感回路中，用于通过所述功率开关管的关断实现电感短路的保护；

采样电阻，连接于所述功率开关管的输出端，用于对所述功率开关管的输出电流进行采样；

电压采样模块，连接于所述采样电阻和电源电压之间，用于对所述采样电阻上的电压变化进行采样；

比较模块，连接所述电压采样模块及一参考电压，用于将采样电压与所述参考电压比较，并输出比较结果；

触发模块，连接所述比较模块及一计时模块，用于在所述采样电压小于所述参考电压时发出所述功率开关管的关断信号并将所述关断信号锁存，在所述计时模块设定的计时时间后将所述关断信号解锁；

开关控制逻辑模块，连接于所述触发模块输出端，用于确定所述功率开关管的开通关断时序，进而控制所述功率开关管的开关。

优选地，还包括连接于所述比较模块的输出端的延时模块，当所述采样电压小于所述参考电压的时间超过设定延时时间时，触发欠压保护信号，控制电路进入欠压锁定状态。

优选地，所述电感回路包括：连接于输入电压的LED模块，连接于所述LED模块输出端的电感，所述电感的另一端连接续流二极管的阳极，所述续流二极管的阴极连接所述输入电压；所述功率开关管的漏端连接于所述电感与所述续流二极管之间。

优选地，所述比较模块的反向输入端连接所述采样电压、正向输入端连接所述参考电压。

优选地，所述触发模块为RS触发器，所述RS触发器的S端连接于所述比较模块的输出端，所述RS触发器的R端连接于所述计时模块的输出端。

更优选地，所述计时模块的输入端连接于所述触发模块的输出端，从所述关断信号起效开始计时。

优选地，所述采样电阻与所述功率开关管相连的一端作为所述电感短路保护电路的参考地，所述采样电阻的另一端连接系统的参考地，其中，所述电感短路保护电路参考地的电位高于所述系统参考地的电位。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电感短路保护方法，所述电感短路保护方法至少包括：

当电感短路时，电感回路中电流瞬间增大，所述电感到参考地的通路中的采样电流瞬间 增大，采样点与电源电压之间的压差变小，当所述采样点与所述电源电压之间的压差小于参考电压时关断信号起效，所述关断信号将所述电感到参考地的通路断开，进而实现电感短路的保护；所述关断信号持续设定计时时间后无效，所述电感回路正常工作。

优选地，所述采样点与所述电源电压之间的压差小于所述参考电压的时间超过设定延时时间则触发欠压保护信号，控制电路进入欠压锁定状态。

如上所述，本发明的电感短路保护电路及方法，具有以下有益效果：

本发明的电感短路保护电路及方法通过检测所述电感短路保护电路的电源电压VDD与参考地GND之间的压差，根据VDD相对于GND的欠压持续时间判断控制器进入欠压锁定状态或电感短路保护状态。若设定延时时间内出现短暂VDD欠压毛刺则触发电感短路保护；若VDD欠压持续时间超过设定延时时间，则控制器进入欠压锁定状态。从而保证电感短路保护机制触发于欠压锁定状态之前，及时可靠地关断功率开关管M0，确保电感所在电路的正常工作，避免电感短路故障对器件的损坏。

附图说明

图1显示为现有技术中的非三端口控制器的结构示意图。

图2显示为现有技术中的三端口控制器的结构示意图。

图3显示为本发明的电感短路保护电路的原理示意图。

图4显示为本发明的电感短路保护电路的信号波形示意图。

元件标号说明

1 电感短路保护电路

11 电压采样模块

12 比较模块

13 触发模块

14 计时模块

15 开关控制逻辑模块

16 驱动模块

17 延时模块

2 LED模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3～图4所示，本发明提供一种电感短路保护电路1，所述电感短路保护电路1包括：

功率开关管M0、采样电阻Rcs、电压采样模块11、比较模块12、触发模块13、计时模块14、开关控制逻辑模块15、驱动模块16以及延时模块17。

如图3所示，所述功率开关管M0连接于电感回路中，用于通过所述功率开关管的关断实现所述电感的短路保护。

具体地，在本实施例中，所述电感回路包括：连接于输入电压Vin的LED模块2，连接于所述LED模块2输出端的电感L0，所述电感L0的另一端连接于续流二极管D0的阳极，所述续流二极管D0的阴极连接于所述输入电压Vin，所述LED模块2的两端还连接有稳压电容C0。所述电感回路也可以是其他的包括电感的电路，包括但不仅限于本实施例所列举的电感回路。所述功率开关管M0的漏端连接于所述电感L0与所述续流二极管D0之间，在本实施例中，所述功率开关管M0为NMOS管，当所述功率开关管M0的栅端连接高电平，所述功率开关管M0导通，所述电感L0处于充电状态；当所述功率开关管M0的栅端连接低电平，所述功率开关管M0截止，所述电感L0处于放电状态，没有电流流过所述功率开关管M0以及所述采样电阻Rcs。

如图3所示，所述采样电阻Rcs连接于所述功率开关管M0的源端，用于对所述功率开关管M0的输出电流进行采样。

具体地，所述采样电阻Rcs的一端连接所述功率开关管M0的源端、另一端连接系统的参考地VSS，可对流经所述功率开关管M0的电流进行采样，并转化为所述功率开关管M0的源端电压。

如图3所示，所述电压采样模块11连接于所述功率开关管M0的源端和电源电压VDD之间，用于对所述功率开关管M0的源端的电压变化进行采样。

具体地，所述电压采样模块11一端连接于所述功率开关管M0的源端、另一端连接电源 电压VDD。在本实施例中，所述电源电压VDD为外部提供的电压，通过电容C1储存电能，所述电容C1的另一端连接系统的参考地VSS。在本实施例中，所述电压采样模块11包括串联的第一电阻R1以及第二电阻R2，所述第一电阻R1以及所述第二电阻R2对电源电压VDD和所述功率开关管M0源端之间的电压进行分压，得到采样电压。

如图3所示，所述比较模块12连接于所述电压采样模块11及一参考电压Vref，用于将采样电压与所述参考电压Vref比较，并输出比较结果aocp。

具体地，在本实施例中，所述比较模块12为一比较器，包括正向输入端和反向输入端，所述比较模块12的反向输入端连接所述采样电压、正向输入端连接所述参考电压Vref，若所述采样电压大于所述参考电压Vref，则所述比较模块12输出低电平；若所述采样电压小于所述参考电压Vref，则所述比较模块12输出高电平。本实施例所列举的连接方式仅为一种特例，本领域的技术人员可根据不同的逻辑关系采用不同的连接方式，不以本实施例为限。

如图3所示，所述触发模块13连接于所述比较模块12及一计时模块14，用于在所述采样电压小于所述参考电压时发出所述功率开关管M0的关断信号latch并将所述关断信号latch锁存，在所述计时模块14设定的计时时间后将所述关断信号latch解锁。

具体地，在本实施例中，所述触发模块13为一RS触发器，所述RS触发器的S端连接所述比较模块12的输出端，所述RS触发器的R端连接所述计时模块14的输出端。当所述RS触发器的R端输入为高电平时，所述RS触发器输出为低电平；当所述RS触发器的S端输入为高电平且所述RS触发器的R端输入为低电平时，所述RS触发器输出为高电平；当所述RS触发器的S端输入为低电平时，所述RS触发器的输出保持前一状态。所述计时模块14的输入端连接所述触发模块13的输出端，从所述触发模块13输出所述关断信号latch开始计时，在本实施例中，所述关断信号latch为高电平时有效，则所述计时模块14接收到所述触发模块13输出的高电平开始计时，计时时间可根据实际应用设定，在本实施例中，设定计时时间为t1，待计时结束后发出高电平信号，所述触发模块13的锁存状态被消除，所述功率开关管M0正常工作。

如图3所示，所述开关控制逻辑模块15连接于所述触发模块13输出端，用于确定所述功率开关管M0的开通关断时序，进而控制所述功率开关管M0的开关。

具体地，所述开关控制逻辑模块15接收所述关断信号latch，由于所述功率开关管M0的栅端接收到低电平信号后，所述功率开关管M0会关断，因此，所述开关控制逻辑模块15将接收到所述关断信号latch(高电平)转换为低电平信号。若所述关断信号latch为高电平，则所述开关控制逻辑模块15仍输出低电平，不对所述关断信号latch做反向处理。

如图3所示，所述驱动模块16连接于所述开关控制逻辑模块15，驱动所述功率开关管M0。

具体地，所述驱动模块16的输入端连接所述开关控制逻辑模块15的输出端，所述驱动模块16的输出端连接所述功率开关管M0的栅端，所述开关控制逻辑模块15输出的信号经过所述驱动模块16后为驱动信号drv，所述驱动信号drv的电平与所述开关控制逻辑模块15输出的信号一致，驱动能力提高。

如图3所示，所述延时模块17连接于所述比较模块12的输出端，当所述采样电压小于所述参考电压Vref的时间超过设定延时时间时，触发欠压保护信号，控制电路进入欠压锁定状态。

具体地，所述延时模块17中设定了延时时间，在本实施例中，所述设定延时时间为t2，若所述比较结果aocp为高电平的时间超过所述设定延时时间t2，则触发欠压保护信号uvlo，进入欠压锁定状态；若所述比较结果aocp为高电平的时间未超过所述设定延时时间t2，则触发电感短路保护，将所述功率开关管M0关断。

在本实施例中，所述电容C1及所述采样电阻Rcs为片外器件，所述采样电阻Rcs与所述功率开关管M0的源端以及所述第一电阻R1相连的一端作为芯片内部的参考地，即所述电感短路保护电路的参考地GND。

本发明的电感短路保护电路的保护方法如下：

当电感L0短路时，电感回路中电流瞬间增大，所述电感L0到参考地(GND或VSS)的通路中的采样电流瞬间增大，采样点(所述采样电阻Rcs的输入端)与电源电压VDD的压差变小，当所述采样点与所述电源电压VDD的压差小于一参考电压Vref时则关断信号latch起效，所述关断信号latch将所述电感L0到参考地的通路断开，进而实现电感短路的保护，所述关断信号latch持续设定计时时间t1后无效，所述电感回路正常工作。

所述采样点与所述电源电压VDD的压差小于所述参考电压Vref的时间超过设定延时时间t2则触发欠压保护信号uvlo，控制电路进入欠压锁定状态。

具体地，如图3所示，当所述电感L0出现短路故障后，所述功率开关管M0一旦打开，流过所述功率开关管M0、所述采样电阻Rcs的电流将瞬间突变至极大值，所述采样电阻Rcs上的压降将瞬间增加。如图4所示，由于所述电感短路保护电路的参考地GND与所述采样电阻Rcs相连，所述电感短路保护电路的参考地GND的电位被抬高，此时所述电源电压VDD相对于所述电感短路保护电路的参考地GND的电位降低。

如图3～图4所示，在本实施例中，所述采样电阻R0、R1采样VDD电位，以此对所述 采样点与所述电源电压VDD的压差进行采样，并与所述参考电压Vref比较。t0时刻，所述电源电压VDD分压后的电平低于所述参考电压Vref，所述比较模块12输出的比较结果aocp翻转为高电平，经所述触发模块13输出高电平的关断信号latch并锁定。高电平的关断信号latch经所述开关控制逻辑模块15输出低电平信号，并通过所述驱动模块16产生驱动信号drv，所述驱动信号drv的低电平控制所述功率开关管M0关断。所述功率开关管M0关断后，无电流流过所述采样电阻Rcs，所述电感短路保护电路的参考地GND的电位降低。

之后所述电源电压VDD相对于所述电感短路保护电路的参考地GND的电位恢复，所述比较结果aocp由高电平翻转为低电平。由于所述触发模块13的锁定，所述关断信号latch仍旧保持高电平，因此所述功率开关管M0持续关断。如图4所示，当所述关断信号latch为高电平时，所述计时模块14开始计时，计时时间持续t1后输出信号reset为高电平脉冲信号，解锁RS触发器，所述关断信号latch失效(低电平)，所述功率开关管M0的开关功能恢复，即恒流控制。

如图4所示，若所述比较结果aocp翻为高电平后，持续时间超过所述延时模块17中的设定延时时间t2，则所述欠压保护信号uvlo翻转为高电平，即进入欠压锁定状态，系统将复位重新上电。若所述比较结果aocp在所述设定延时时间t2内恢复为低电平，则所述欠压保护信号uvlo维持低电平，即处于非欠压锁定状态，系统正常工作，只触发短路保护机制，关断所述功率开关管M0。

本发明的电感短路保护电路及方法通过检测所述电感短路保护电路的电源电压VDD与参考地GND之间的压差，根据VDD相对于GND的欠压持续时间判断控制器进入欠压锁定状态或电感短路保护状态。若设定延时时间内出现短暂VDD欠压毛刺则触发电感短路保护；若VDD欠压持续时间超过设定延时时间，则控制器进入欠压锁定状态。从而保证电感短路保护机制触发于欠压锁定状态之前，及时可靠地关断功率开关管M0，确保电感所在电路的正常工作，避免电感短路故障对器件的损坏。

综上所述，本发明提供一种电感短路保护电路，所述电感短路保护电路至少包括：用于实现电感短路保护的功率开关管；用于对所述功率开关管的输出电流进行采样的采样电阻；用于对所述采样电阻上的电压变化进行采样的电压采样模块；用于将采样电压与所述参考电压比较，并输出比较结果的比较模块；用于在所述采样电压小于所述参考电压时发出所述功率开关管的关断信号并锁存，在计时模块设定的计时时间后将所述关断信号解锁的触发模块；用于确定所述功率开关管的开通关断时序，进而控制所述功率开关管的开关的开关控制逻辑模块。本发明的电感短路保护电路及方法通过检测所述电感短路保护电路的电源电压VDD 与参考地GND之间的压差，根据VDD相对于GND的欠压持续时间判断控制器进入欠压锁定状态或电感短路保护状态。若设定延时时间内出现短暂VDD欠压毛刺则触发电感短路保护；若VDD欠压持续时间超过设定延时时间，则控制器进入欠压锁定状态。从而保证电感短路保护机制触发于欠压锁定状态之前，及时可靠地关断功率开关管M0，确保电感所在电路的正常工作，避免电感短路故障对器件的损坏。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。