一種電感短路保護電路及方法與流程

本發(fā)明涉及集成電路設計領域，特別是涉及一種電感短路保護電路及方法。

背景技術：

在開關電源設計中，常用的器件包括NMOS管、PMOS管、二極管、肖特基管、電阻、電感、電容等，其中，電感是常用的重要儲能器件。電感的短路故障輕則降低電感的電感量，影響系統(tǒng)的正常工作，重則完全短路時電流突變不可控損壞系統(tǒng)。因此針對電感的短路故障，在設計控制器時需要確保保護機制在電流突變損壞系統(tǒng)之前能夠及時觸發(fā)，并可靠關斷MOS管。

如圖1所示為傳統(tǒng)的非三端口控制器實現(xiàn)的電感短路保護，電感L0的一端連接續(xù)流二極管D0的陽極、另一端連接LED燈串的輸出端，所述續(xù)流二極管D0的陰極以及所述LED燈串的輸入端連接輸入電壓Vin，所述LED燈串的兩端還連接有穩(wěn)壓電容C0，所述控制器的SW端連接于所述續(xù)流二極管D0與所述電感L0之間、CS端連接采樣電阻Rcs、VDD端連接電容C1的上極板，所述采樣電阻Rcs的另一端、所述電容C1的下極板以及所述控制器的GND端連接參考地。所述控制器通過CS端直接檢測所述采樣電阻Rcs上的電壓，當檢測到所述采樣電阻Rcs上電壓超過內(nèi)部限流閾值Vref時，比較器輸出翻轉，并通過開關控制邏輯模塊以及驅動模塊輸出驅動信號drv關斷MOS管M0，以此來實現(xiàn)電感短路保護。但是，傳統(tǒng)的非三端口控制器電感短路保護電路的外接端口多，相應的封裝成本就高。

為了降低成本，三端口控制器應運而生，如圖2所示為現(xiàn)有技術中的三端口控制器，所述三端口控制器采用浮地架構，沒有專門的CS端檢測所述采樣電阻Rcs上的壓降。當電感短路，所述MOS管M0打開時，大電流流過所述采樣電阻Rcs，抬高了所述三端口控制器的GND電位，電源VDD與GND之間的壓降減小，容易觸發(fā)所述三端口控制器的欠壓鎖定狀態(tài)，導致內(nèi)部邏輯紊亂無法可靠關斷所述MOS管M0，電流突變至極大值將燒毀所述MOS管M0及所述采樣電阻Rcs，嚴重會導致炸機，造成不必要的經(jīng)濟損失和安全威脅。

因此，電感短路的保護已成為本領域技術人員亟待解決的問題之一。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種電感短路保護電路及方法，用于解決現(xiàn)有技術中電感短路導致的經(jīng)濟損失和安全威脅等問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種電感短路保護電路，所述電感短路保護電路至少包括：

功率開關管，連接于電感回路中，用于通過所述功率開關管的關斷實現(xiàn)電感短路的保護；

采樣電阻，連接于所述功率開關管的輸出端，用于對所述功率開關管的輸出電流進行采樣；

電壓采樣模塊，連接于所述采樣電阻和電源電壓之間，用于對所述采樣電阻上的電壓變化進行采樣；

比較模塊，連接所述電壓采樣模塊及一參考電壓，用于將采樣電壓與所述參考電壓比較，并輸出比較結果；

觸發(fā)模塊，連接所述比較模塊及一計時模塊，用于在所述采樣電壓小于所述參考電壓時發(fā)出所述功率開關管的關斷信號并將所述關斷信號鎖存，在所述計時模塊設定的計時時間后將所述關斷信號解鎖；

開關控制邏輯模塊，連接于所述觸發(fā)模塊輸出端，用于確定所述功率開關管的開通關斷時序，進而控制所述功率開關管的開關。

優(yōu)選地，還包括連接于所述比較模塊的輸出端的延時模塊，當所述采樣電壓小于所述參考電壓的時間超過設定延時時間時，觸發(fā)欠壓保護信號，控制電路進入欠壓鎖定狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述電感回路包括：連接于輸入電壓的LED模塊，連接于所述LED模塊輸出端的電感，所述電感的另一端連接續(xù)流二極管的陽極，所述續(xù)流二極管的陰極連接所述輸入電壓；所述功率開關管的漏端連接于所述電感與所述續(xù)流二極管之間。

優(yōu)選地，所述比較模塊的反向輸入端連接所述采樣電壓、正向輸入端連接所述參考電壓。

優(yōu)選地，所述觸發(fā)模塊為RS觸發(fā)器，所述RS觸發(fā)器的S端連接于所述比較模塊的輸出端，所述RS觸發(fā)器的R端連接于所述計時模塊的輸出端。

更優(yōu)選地，所述計時模塊的輸入端連接于所述觸發(fā)模塊的輸出端，從所述關斷信號起效開始計時。

優(yōu)選地，所述采樣電阻與所述功率開關管相連的一端作為所述電感短路保護電路的參考地，所述采樣電阻的另一端連接系統(tǒng)的參考地，其中，所述電感短路保護電路參考地的電位高于所述系統(tǒng)參考地的電位。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種電感短路保護方法，所述電感短路保護方法至少包括：

當電感短路時，電感回路中電流瞬間增大，所述電感到參考地的通路中的采樣電流瞬間 增大，采樣點與電源電壓之間的壓差變小，當所述采樣點與所述電源電壓之間的壓差小于參考電壓時關斷信號起效，所述關斷信號將所述電感到參考地的通路斷開，進而實現(xiàn)電感短路的保護；所述關斷信號持續(xù)設定計時時間后無效，所述電感回路正常工作。

優(yōu)選地，所述采樣點與所述電源電壓之間的壓差小于所述參考電壓的時間超過設定延時時間則觸發(fā)欠壓保護信號，控制電路進入欠壓鎖定狀態(tài)。

如上所述，本發(fā)明的電感短路保護電路及方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明的電感短路保護電路及方法通過檢測所述電感短路保護電路的電源電壓VDD與參考地GND之間的壓差，根據(jù)VDD相對于GND的欠壓持續(xù)時間判斷控制器進入欠壓鎖定狀態(tài)或電感短路保護狀態(tài)。若設定延時時間內(nèi)出現(xiàn)短暫VDD欠壓毛刺則觸發(fā)電感短路保護；若VDD欠壓持續(xù)時間超過設定延時時間，則控制器進入欠壓鎖定狀態(tài)。從而保證電感短路保護機制觸發(fā)于欠壓鎖定狀態(tài)之前，及時可靠地關斷功率開關管M0，確保電感所在電路的正常工作，避免電感短路故障對器件的損壞。

附圖說明

圖1顯示為現(xiàn)有技術中的非三端口控制器的結構示意圖。

圖2顯示為現(xiàn)有技術中的三端口控制器的結構示意圖。

圖3顯示為本發(fā)明的電感短路保護電路的原理示意圖。

圖4顯示為本發(fā)明的電感短路保護電路的信號波形示意圖。

元件標號說明

1 電感短路保護電路

11 電壓采樣模塊

12 比較模塊

13 觸發(fā)模塊

14 計時模塊

15 開關控制邏輯模塊

16 驅動模塊

17 延時模塊

2 LED模塊

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖3～圖4。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。

如圖3～圖4所示，本發(fā)明提供一種電感短路保護電路1，所述電感短路保護電路1包括：

功率開關管M0、采樣電阻Rcs、電壓采樣模塊11、比較模塊12、觸發(fā)模塊13、計時模塊14、開關控制邏輯模塊15、驅動模塊16以及延時模塊17。

如圖3所示，所述功率開關管M0連接于電感回路中，用于通過所述功率開關管的關斷實現(xiàn)所述電感的短路保護。

具體地，在本實施例中，所述電感回路包括：連接于輸入電壓Vin的LED模塊2，連接于所述LED模塊2輸出端的電感L0，所述電感L0的另一端連接于續(xù)流二極管D0的陽極，所述續(xù)流二極管D0的陰極連接于所述輸入電壓Vin，所述LED模塊2的兩端還連接有穩(wěn)壓電容C0。所述電感回路也可以是其他的包括電感的電路，包括但不僅限于本實施例所列舉的電感回路。所述功率開關管M0的漏端連接于所述電感L0與所述續(xù)流二極管D0之間，在本實施例中，所述功率開關管M0為NMOS管，當所述功率開關管M0的柵端連接高電平，所述功率開關管M0導通，所述電感L0處于充電狀態(tài)；當所述功率開關管M0的柵端連接低電平，所述功率開關管M0截止，所述電感L0處于放電狀態(tài)，沒有電流流過所述功率開關管M0以及所述采樣電阻Rcs。

如圖3所示，所述采樣電阻Rcs連接于所述功率開關管M0的源端，用于對所述功率開關管M0的輸出電流進行采樣。

具體地，所述采樣電阻Rcs的一端連接所述功率開關管M0的源端、另一端連接系統(tǒng)的參考地VSS，可對流經(jīng)所述功率開關管M0的電流進行采樣，并轉化為所述功率開關管M0的源端電壓。

如圖3所示，所述電壓采樣模塊11連接于所述功率開關管M0的源端和電源電壓VDD之間，用于對所述功率開關管M0的源端的電壓變化進行采樣。

具體地，所述電壓采樣模塊11一端連接于所述功率開關管M0的源端、另一端連接電源 電壓VDD。在本實施例中，所述電源電壓VDD為外部提供的電壓，通過電容C1儲存電能，所述電容C1的另一端連接系統(tǒng)的參考地VSS。在本實施例中，所述電壓采樣模塊11包括串聯(lián)的第一電阻R1以及第二電阻R2，所述第一電阻R1以及所述第二電阻R2對電源電壓VDD和所述功率開關管M0源端之間的電壓進行分壓，得到采樣電壓。

如圖3所示，所述比較模塊12連接于所述電壓采樣模塊11及一參考電壓Vref，用于將采樣電壓與所述參考電壓Vref比較，并輸出比較結果aocp。

具體地，在本實施例中，所述比較模塊12為一比較器，包括正向輸入端和反向輸入端，所述比較模塊12的反向輸入端連接所述采樣電壓、正向輸入端連接所述參考電壓Vref，若所述采樣電壓大于所述參考電壓Vref，則所述比較模塊12輸出低電平；若所述采樣電壓小于所述參考電壓Vref，則所述比較模塊12輸出高電平。本實施例所列舉的連接方式僅為一種特例，本領域的技術人員可根據(jù)不同的邏輯關系采用不同的連接方式，不以本實施例為限。

如圖3所示，所述觸發(fā)模塊13連接于所述比較模塊12及一計時模塊14，用于在所述采樣電壓小于所述參考電壓時發(fā)出所述功率開關管M0的關斷信號latch并將所述關斷信號latch鎖存，在所述計時模塊14設定的計時時間后將所述關斷信號latch解鎖。

具體地，在本實施例中，所述觸發(fā)模塊13為一RS觸發(fā)器，所述RS觸發(fā)器的S端連接所述比較模塊12的輸出端，所述RS觸發(fā)器的R端連接所述計時模塊14的輸出端。當所述RS觸發(fā)器的R端輸入為高電平時，所述RS觸發(fā)器輸出為低電平；當所述RS觸發(fā)器的S端輸入為高電平且所述RS觸發(fā)器的R端輸入為低電平時，所述RS觸發(fā)器輸出為高電平；當所述RS觸發(fā)器的S端輸入為低電平時，所述RS觸發(fā)器的輸出保持前一狀態(tài)。所述計時模塊14的輸入端連接所述觸發(fā)模塊13的輸出端，從所述觸發(fā)模塊13輸出所述關斷信號latch開始計時，在本實施例中，所述關斷信號latch為高電平時有效，則所述計時模塊14接收到所述觸發(fā)模塊13輸出的高電平開始計時，計時時間可根據(jù)實際應用設定，在本實施例中，設定計時時間為t1，待計時結束后發(fā)出高電平信號，所述觸發(fā)模塊13的鎖存狀態(tài)被消除，所述功率開關管M0正常工作。

如圖3所示，所述開關控制邏輯模塊15連接于所述觸發(fā)模塊13輸出端，用于確定所述功率開關管M0的開通關斷時序，進而控制所述功率開關管M0的開關。

具體地，所述開關控制邏輯模塊15接收所述關斷信號latch，由于所述功率開關管M0的柵端接收到低電平信號后，所述功率開關管M0會關斷，因此，所述開關控制邏輯模塊15將接收到所述關斷信號latch(高電平)轉換為低電平信號。若所述關斷信號latch為高電平，則所述開關控制邏輯模塊15仍輸出低電平，不對所述關斷信號latch做反向處理。

如圖3所示，所述驅動模塊16連接于所述開關控制邏輯模塊15，驅動所述功率開關管M0。

具體地，所述驅動模塊16的輸入端連接所述開關控制邏輯模塊15的輸出端，所述驅動模塊16的輸出端連接所述功率開關管M0的柵端，所述開關控制邏輯模塊15輸出的信號經(jīng)過所述驅動模塊16后為驅動信號drv，所述驅動信號drv的電平與所述開關控制邏輯模塊15輸出的信號一致，驅動能力提高。

如圖3所示，所述延時模塊17連接于所述比較模塊12的輸出端，當所述采樣電壓小于所述參考電壓Vref的時間超過設定延時時間時，觸發(fā)欠壓保護信號，控制電路進入欠壓鎖定狀態(tài)。

具體地，所述延時模塊17中設定了延時時間，在本實施例中，所述設定延時時間為t2，若所述比較結果aocp為高電平的時間超過所述設定延時時間t2，則觸發(fā)欠壓保護信號uvlo，進入欠壓鎖定狀態(tài)；若所述比較結果aocp為高電平的時間未超過所述設定延時時間t2，則觸發(fā)電感短路保護，將所述功率開關管M0關斷。

在本實施例中，所述電容C1及所述采樣電阻Rcs為片外器件，所述采樣電阻Rcs與所述功率開關管M0的源端以及所述第一電阻R1相連的一端作為芯片內(nèi)部的參考地，即所述電感短路保護電路的參考地GND。

本發(fā)明的電感短路保護電路的保護方法如下：

當電感L0短路時，電感回路中電流瞬間增大，所述電感L0到參考地(GND或VSS)的通路中的采樣電流瞬間增大，采樣點(所述采樣電阻Rcs的輸入端)與電源電壓VDD的壓差變小，當所述采樣點與所述電源電壓VDD的壓差小于一參考電壓Vref時則關斷信號latch起效，所述關斷信號latch將所述電感L0到參考地的通路斷開，進而實現(xiàn)電感短路的保護，所述關斷信號latch持續(xù)設定計時時間t1后無效，所述電感回路正常工作。

所述采樣點與所述電源電壓VDD的壓差小于所述參考電壓Vref的時間超過設定延時時間t2則觸發(fā)欠壓保護信號uvlo，控制電路進入欠壓鎖定狀態(tài)。

具體地，如圖3所示，當所述電感L0出現(xiàn)短路故障后，所述功率開關管M0一旦打開，流過所述功率開關管M0、所述采樣電阻Rcs的電流將瞬間突變至極大值，所述采樣電阻Rcs上的壓降將瞬間增加。如圖4所示，由于所述電感短路保護電路的參考地GND與所述采樣電阻Rcs相連，所述電感短路保護電路的參考地GND的電位被抬高，此時所述電源電壓VDD相對于所述電感短路保護電路的參考地GND的電位降低。

如圖3～圖4所示，在本實施例中，所述采樣電阻R0、R1采樣VDD電位，以此對所述 采樣點與所述電源電壓VDD的壓差進行采樣，并與所述參考電壓Vref比較。t0時刻，所述電源電壓VDD分壓后的電平低于所述參考電壓Vref，所述比較模塊12輸出的比較結果aocp翻轉為高電平，經(jīng)所述觸發(fā)模塊13輸出高電平的關斷信號latch并鎖定。高電平的關斷信號latch經(jīng)所述開關控制邏輯模塊15輸出低電平信號，并通過所述驅動模塊16產(chǎn)生驅動信號drv，所述驅動信號drv的低電平控制所述功率開關管M0關斷。所述功率開關管M0關斷后，無電流流過所述采樣電阻Rcs，所述電感短路保護電路的參考地GND的電位降低。

之后所述電源電壓VDD相對于所述電感短路保護電路的參考地GND的電位恢復，所述比較結果aocp由高電平翻轉為低電平。由于所述觸發(fā)模塊13的鎖定，所述關斷信號latch仍舊保持高電平，因此所述功率開關管M0持續(xù)關斷。如圖4所示，當所述關斷信號latch為高電平時，所述計時模塊14開始計時，計時時間持續(xù)t1后輸出信號reset為高電平脈沖信號，解鎖RS觸發(fā)器，所述關斷信號latch失效(低電平)，所述功率開關管M0的開關功能恢復，即恒流控制。

如圖4所示，若所述比較結果aocp翻為高電平后，持續(xù)時間超過所述延時模塊17中的設定延時時間t2，則所述欠壓保護信號uvlo翻轉為高電平，即進入欠壓鎖定狀態(tài)，系統(tǒng)將復位重新上電。若所述比較結果aocp在所述設定延時時間t2內(nèi)恢復為低電平，則所述欠壓保護信號uvlo維持低電平，即處于非欠壓鎖定狀態(tài)，系統(tǒng)正常工作，只觸發(fā)短路保護機制，關斷所述功率開關管M0。

本發(fā)明的電感短路保護電路及方法通過檢測所述電感短路保護電路的電源電壓VDD與參考地GND之間的壓差，根據(jù)VDD相對于GND的欠壓持續(xù)時間判斷控制器進入欠壓鎖定狀態(tài)或電感短路保護狀態(tài)。若設定延時時間內(nèi)出現(xiàn)短暫VDD欠壓毛刺則觸發(fā)電感短路保護；若VDD欠壓持續(xù)時間超過設定延時時間，則控制器進入欠壓鎖定狀態(tài)。從而保證電感短路保護機制觸發(fā)于欠壓鎖定狀態(tài)之前，及時可靠地關斷功率開關管M0，確保電感所在電路的正常工作，避免電感短路故障對器件的損壞。

綜上所述，本發(fā)明提供一種電感短路保護電路，所述電感短路保護電路至少包括：用于實現(xiàn)電感短路保護的功率開關管；用于對所述功率開關管的輸出電流進行采樣的采樣電阻；用于對所述采樣電阻上的電壓變化進行采樣的電壓采樣模塊；用于將采樣電壓與所述參考電壓比較，并輸出比較結果的比較模塊；用于在所述采樣電壓小于所述參考電壓時發(fā)出所述功率開關管的關斷信號并鎖存，在計時模塊設定的計時時間后將所述關斷信號解鎖的觸發(fā)模塊；用于確定所述功率開關管的開通關斷時序，進而控制所述功率開關管的開關的開關控制邏輯模塊。本發(fā)明的電感短路保護電路及方法通過檢測所述電感短路保護電路的電源電壓VDD 與參考地GND之間的壓差，根據(jù)VDD相對于GND的欠壓持續(xù)時間判斷控制器進入欠壓鎖定狀態(tài)或電感短路保護狀態(tài)。若設定延時時間內(nèi)出現(xiàn)短暫VDD欠壓毛刺則觸發(fā)電感短路保護；若VDD欠壓持續(xù)時間超過設定延時時間，則控制器進入欠壓鎖定狀態(tài)。從而保證電感短路保護機制觸發(fā)于欠壓鎖定狀態(tài)之前，及時可靠地關斷功率開關管M0，確保電感所在電路的正常工作，避免電感短路故障對器件的損壞。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。