具有过冲保护的开关电源的制作方法

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1.本公开涉及供电领域，更具体而言，涉及一种具有过冲保护的开关电源。

背景技术：

2.开关电源通过控制开关管的导通和关断来将由输入侧的供电装置(诸如，电池或适配器)提供的输入电压转换为适合输出侧的负载工作的输出电压，以使负载正常工作。当前，开关电源已经被广泛应用于各种电子设备的供电应用中，例如用于汽车类电子领域中。在这些应用中，输入电压经常会发生剧烈变化，从而使得输出电流和输出电压也随之突变。尤其是，在输入电压快速下降之后又快速上升的情况下，输出电压和输出电流由于跟随延迟可能出现超过其设定值的情况，这种情况也称为过冲。
3.输出电压和输出电流的过冲可能会对开关电源甚至负载的电子元器件造成损坏，影响电路或芯片的使用寿命。

技术实现要素：

4.针对上述问题，本公开提供了一种具有过冲保护的开关电源，其能够在输入电压发生突变时防止输出电压和输出电流发生过冲。
5.在本公开的一方面，提供一种具有过冲保护的开关电源。该开关电源包括：降压电路，包括串联连接的第一开关和第二开关，被配置为通过交替导通所述第一开关和所述第二开关来对电感器充电或放电，以将输入电压降压为输出电压；过冲保护电路，被配置为基于所述输入电压和所述输出电压的设定值产生补偿电压；以及开关控制电路，基于所述补偿电压和所述输入电压产生开关控制信号以控制所述第一开关和所述第二开关交替导通。
6.在一些实施例中，所述补偿电压包括第一补偿电压和第二补偿电压，并且所述第一补偿电压高于所述第二补偿电压，其中所述过冲保护电路被配置为：响应于所述输入电压低于或等于所述输出电压的设定值，产生所述第一补偿电压；以及响应于所述输入电压高于所述输出电压的设定值，产生所述第二补偿电压。
7.在一些实施例中，所述过冲保护电路包括：保护电压生成电路，被配置为基于与所述输出电压相关联的反馈电压、预定参考电压和预定电流源，产生保护电压；以及补偿电压生成电路，被配置为基于所述保护电压、所述预定参考电压和所述反馈电压，生成所述补偿电压。
8.在一些实施例中，所述保护电压生成电路包括：比较器，所述比较器的一个输入端接收所述反馈电压的第一升压值，另一个输入端接收所述预定参考电压，并且基于所述第一升压值和所述预定参考电压产生比较信号；电压缓冲器，所述电压缓冲器在所述比较信号的触发下，将所述反馈电压升压至第二升压值；以及第三开关，所述第三开关在第三开关控制信号控制下导通以将所述第二升压值提供作为所述保护电压，其中第三开关控制信号由所述比较信号和控制信号的与操作来获得。
9.在一些实施例中，所述补偿电压生成电路被配置为：响应于所述保护电压小于所
述预定参考电压，基于所述保护电压和所述反馈电压生成所述第一补偿电压；以及响应于所述保护电压大于或等于所述预定参考电压，基于所述预定参考电压和所述反馈电压生成所述第二补偿电压。
10.在一些实施例中，所述开关控制电路包括：振荡器，用于产生具有相同频率的工作时钟信号和斜坡补偿信号；脉宽调制信号发生器，将所述补偿电压与所述输入电压的采样信号与所述斜坡补偿信号之和进行比较以产生脉宽调制信号；以及开关控制信号产生电路，基于所述工作时钟信号和所述脉宽调制信号产生所述开关控制信号。
11.在一些实施例中，所述开关控制信号包括第一开关控制信号和第二开关控制信号，并且所述控制信号产生电路包括：d触发器，所述d触发器的时钟输入端接收所述工作时钟信号，被所述工作时钟信号的上升沿触发输出所述第一开关控制信号以导通所述第一开关并断开所述第二开关，所述d触发器的重置端接收所述脉宽调制信号，将所述d触发器置位以输出所述第二开关控制信号来导通所述第二开关并断开所述第一开关。
12.在一些实施例中，所述降压电路还包括：分压电路，所述分压电路被配置为对所述输出电压进行分压以产生与所述输出电压相关联的反馈电压。
13.利用本公开的方案，通过检测输出电压的变化，调整软启动电压的方式，从而实现输出电压平滑上升，避免输出电压和输出电流出现过冲，以进一步保证负载的温度工作。
14.提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
15.通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的上述以及其他目的、结构和特征将更加清楚。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
16.图1示出了根据现有技术的开关电源的示意图。
17.图2示出了根据现有技术的开关电源的波形时序图。
18.图3示出了根据本公开实施例的具有过冲保护的开关电源的示意性框图。
19.图4示意性地示出了根据本公开一些实施例的具有过冲保护的开关电源的详细电路图。
20.图5示意性地示出了根据本公开实施例的具有过冲保护的开关电源的工作波形时序图。
具体实施方式
21.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。在一些或所有情形中可以明显的是，可以不采用以下所述具体设计细节而实施以下所述的任何实施例。在其他一些情形中，以框图形式示出广泛已知的结构和装置以使得容易描述一个或多
个实施例。
22.在本公开的实施例的描述中，表述“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。表述“基于”应当理解为“至少部分地基于”。表述“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。表述“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
23.图1示出了根据现有技术的开关电源10的示意图。图2示出了根据现有技术的开关电源的波形时序图。
24.如图1中所示，开关电源10可以包括降压电路110，降压电路110可以将输入电压vin降压为输出电压vout。例如，降压电路110可以交替导通其中的两个开关来对其中的电感器进行充电和放电，以实现降压转换。
25.开关电源10还可以包括开关控制电路130，其中，开关控制电路130可以将与输出电压vout相关联的反馈电压vfb与预定参考电压vref进行比较，根据比较结果产生补偿电压vcomp。该补偿电压vcomp与输入电压vin的采样电压vsense一起，在开关控制电路130所产生的时钟信号clk的作用下确定降压电路110中的两个开关的导通和关断。
26.如图2中所示，假设在t1时刻，输入电压vin开始快速下降。到t2时刻之后，输入电压vin可能会下降到输出电压vout的设定值v0以下。此后，输出电压vout会跟随输入电压vin下降，反馈电压vfb会随之下降，小于预定参考电压vref，从而补偿电压vcomp会快速升高到最大值。
27.如果输入电压vin在降低到最小值(t3时刻)之后不久(t4时刻)，再次开始突然增大，此时由于输出电压vout不能突变，反馈电压vfb仍然小于预定参考电压vref，补偿电压vcomp继续保持为高，以持续提升输出电压vout。
28.在输出电压vout达到其设定值v0的时刻t5，反馈电压vfb开始大于参考电压vref，补偿电压vcomp开始下降，控制环路对反馈电压vfb进行调整以将补偿电压vcomp调整到稳定值。在这个过程中输出电压vout有可能会出现过冲(如图2中标号202所示)，并且在输出电压vout上升过程中(例如在t4时刻到t5时刻期间)，输出电流iout也可能会出现过冲(如图2中标号204所示)。输出电压vout和输出电流iout的过冲都是不希望的，都可能会对整个开关电源甚至负载造成损害。
29.可以看出，造成过冲的主要原因在于输出电压vout不能突变，使得跟随其变化的反馈电压vfb也相对滞后，从而由反馈电压vfb和预定参考电压vref确定的补偿电压vcomp也相对滞后，造成在输出电压vout已经达到其设定值v0时补偿电压vcomp仍然可能在对其进行补偿，从而产生了输出电压过冲。
30.针对上述问题，在本公开的实施例中，通过检测输出电压vout的变化来调整软启动电压的方式(即补偿电压vcomp的产生方式)，从而避免出现在输出电压vout已经达到设定值v0时补偿电压vcomp仍在对其进行补偿。
31.图3示出了根据本公开实施例的具有过冲保护的开关电源20的示意性框图。开关电源20可以将电源(未示出)提供的输入电压vin降压转换为输出电压vout，以向负载(未示出)供电。图3的开关电源是一个典型的峰值电流和输出电压双环路控制的降压转换器。
32.与图1中的开关电源10类似，开关电源20也可以包括与降压电路110和开关控制电路130类似的降压电路210和开关控制电路230。与图1中的开关电源10不同，开关电源20还
包括过冲保护电路220。
33.降压电路210包括串联连接的第一开关q1和第二开关q2(如图4中所示)，被配置为通过交替导通第一开关q1和第二开关q2来对电感器l充电或放电，以将输入电压vin降压为输出电压vout。
34.过冲保护电路220被配置为基于输入电压vin和输出电压vout的设定值v0产生补偿电压vcomp。
35.这里，具体地，补偿电压vcomp可以包括第一补偿电压vcomp1和第二补偿电压vcomp2。过冲保护电路220被配置为在输入电压vin低于或等于输出电压vout的设定值v0时，产生第一补偿电压vcomp1，并且在输入电压vin高于输出电压vout的设定值v0时，产生第二补偿电压vcomp2。这里，第一补偿电压vcomp1高于第二补偿电压vcomp2。通过这种方式，在输入电压vin低于或等于输出电压vout的设定值v0时，过冲保护电路220可以产生较高的补偿电压vcomp，并且在输入电压vin再次升高到高于输出电压vout的设定值v0时，过冲保护电路220可以产生较低的补偿电压vcomp，从而避免输出电压vout由于较高的补偿电压vcomp而出现过冲。
36.这里，取决于开关电源20的不同应用，设定值v0可以有不同的取值，并且输出电压vout的设定值v0可以由内部或外部电压源来提供，这里不再赘述。
37.开关控制电路230可以基于补偿电压vcomp和输入电压vin产生开关控制信号以控制第一开关q1和第二开关q2交替导通。
38.图4示出了根据本公开一些实施例的具有过冲保护的开关电源20的详细电路图。
39.如图4中所示，降压电路210包括串联接地的第一开关q1和第二开关q2，并且第一开关q1和第二开关q2的连接处与电感器l和电容器co串联。在来自开关控制电路230的开关控制信号的控制下，第一开关q1和第二开关q2交替导通，以对电感器l进行充电和放电，从而将输入电压vin降压为输出电压vout。第一开关q1和第二开关q2可以使用场效应晶体管(mosfet)来实现。例如，如图4中所示，第一开关q1和第二开关q2都使用n型mosfet(nmos管)来实现，其中第一开关q1的栅极连接开关控制信号(更具体地，第一开关控制信号hsd，如下文所述)，漏极连接输入电压vin，源极连接第二开关q2的漏极。第二开关q2的栅极连接开关控制信号(更具体地，第二开关控制信号lsd，如下文所述)，漏极连接第一开关q1的源极，源极接地(gnd)。然而，本领域技术人员可以理解，本发明并不局限于此，第一开关q1和第二开关q2也可以使用其他各种二极管、双极性晶体管或其他电子器件或其组合来实现。
40.此外，降压电路210还包括与电容器co并联接地的电阻ro，以对电容co的充放电进行保护。
41.当第一开关q1导通时，输入电压vin向电感器l和电容器co充电，以产生输出电压vout来向负载供电。在此期间，第二开关q2断开，流经电感器l的电流等于流经第一开关q1的电流，并且随着时间的推移而逐渐增大。当第一开关q1断开、第二开关q2导通时，电感器l和电容器co向负载供电，流经电感器l的电流逐渐降低。由此，通过使第一开关q1和第二开关q2交替导通，降压电路210可以将输入电压vin降压为输出电压vout以向负载供电。
42.在一些实施例中，降压电路210还可以包括分压电路，用于对输出电压vout进行分压以产生与输出电压vout相关联的反馈电压vfb。分压电路例如可以由串联的电阻rf1和rf2构成，一端与电感器l相连，接收输出电压vout，另一端接地，并且电阻rf1和rf2的连接
点的电压作为反馈电压vfb以输入至过冲保护电路220。
43.过冲保护电路220可以包括保护电压生成电路222，保护电压生成电路222被配置为基于与输出电压vout相关联的反馈电压vfb、预定参考电压vref和预定电流源iss，产生保护电压vss。这里，取决于开关电源20的应用参数，预定参考电压vref可以有不同的取值，并且预定参考电压vref可以由内部或外部电压源来提供，这里不再赘述。
44.过冲保护电路220还可以包括补偿电压生成电路224，补偿电压生成电路224被配置为基于保护电压vss、预定参考电压vref和反馈电压vfb，生成补偿电压vcomp。
45.在一些实施例中，保护电压生成电路222可以包括比较器cmp1、电压缓冲器buf1和第三开关k1。
46.比较器cmp1的一个输入端接收反馈电压vfb的第一升压值va，另一个输入端接收预定参考电压vref，并且基于该第一升压值va和预定参考电压vref产生比较电压fb_l。这里，反馈电压vfb的第一升压值va例如可以通过将反馈电压vfb通过固定电压源os1进行升压而得到，该固定电压源例如是一个可以提供几十mv电压vos1的弱电压源。第一升压值va可以表示为va＝vfb+vos1。
47.电压缓冲器buf1在比较电压fb_l(例如由低电平变为高电平时)的触发下，将反馈电压vfb升压至第二升压值vb。这里，类似地，第二升压值vb也可以通过将反馈电压vfb通过另一固定电压源os2进行升压而得到，该固定电压源os2例如可以提供几十mv电压vos2，其可以与固定电压源os1相同或不同。第二升压值可以表示为vb＝vfb+vos2。
48.第三开关k1可以在第三开关控制信号en_k的控制下导通以将第二升压值vb提供作为保护电压vss，即vss＝vb＝vfb+vos2。这里，第三开关控制信号en_k例如可以由与门i1对比较电压fb_l和控制信号ldo_mode执行与操作来获得。
49.补偿电压生成电路224被配置为将保护电压vss与预定参考电压vref进行比较，并且基于比较结果生成补偿电压vcomp。
50.具体地，如果保护电压vss小于预定参考电压vref，则补偿电压生成电路224可以基于保护电压vss和反馈电压vfb生成第一补偿电压vcomp1；如果保护电压vss大于或等于预定参考电压vref，则补偿电压生成电路224可以基于预定参考电压vref和反馈电压vfb生成第二补偿电压vcomp2。这里，补偿电压生成电路224例如可以利用误差放大器(ea)来实现，该误差放大器的两个正输入端分别连接保护电压vss和预定参考电压vref，负输入端连接反馈电压vfb，如图4中所示。
51.通过这种方式，可以随着输出电压vout的改变产生不同的保护电压vss，并且随着保护电压vss的大小来改变补偿电压vcomp的产生方式，从而避免在输出电压vout已经达到设定值v0时补偿电压vcomp仍在对其进行补偿。
52.在一些实施例中，开关控制电路230可以包括振荡器232、脉宽调制信号发生器234和开关控制信号产生电路236。
53.振荡器232用于产生工作时钟信号clk和斜坡补偿信号ramp。斜坡补偿信号ramp与工作时钟信号clk频率相同，波形不同，为斜坡波形。
54.脉宽调制信号发生器234可以将补偿电压vcomp与输入电压vin的采样信号vsense与斜坡补偿信号ramp之和进行比较以产生脉宽调制信号pwm。这里，输入电压vin的采样信号vsense可以是在第一开关q1每次导通时对输入电压vin进行采样得到的。通过将斜坡补
偿信号ramp与输入电压vin的采样信号vsense相加再与补偿电压vcomp进行比较，能够避免高占空比时的次谐波振荡，并提高抗噪声性能。
55.开关控制信号产生电路236可以基于工作时钟信号clk和脉宽调制信号pwm产生开关控制信号。
56.在一些实施例中，开关控制信号可以包括第一开关控制信号和第二开关控制信号。其中，第一开关控制信号用于导通第一开关q1并且断开第二开关q2，第二开关控制信号用于导通第二开关q2并且断开第一开关q1。
57.在一些实施例中，开关控制信号产生电路236可以包括一个d触发器dff，如图4中所示。该d触发器dff的时钟输入端(clk)接收工作时钟信号clk，被工作时钟信号clk的上升沿触发以输出第一开关控制信号hsd。d触发器dff的重置端(reset)接收脉宽调制信号pwm，该脉宽调制信号pwm将d触发器dff置位以输出第二开关控制信号lsd。具体地，如图4中所示，在工作时钟信号clk的上升沿时，d触发器dff的输出端q变为高电平，从而输出高电平的第一开关控制信号hsd来驱动第一开关q1导通，同时，输出端xq(其是输出端q的反相)变为低电平，即第二开关控制信号lsd为低，以断开第二开关q2。在脉宽调制信号pwm变为高电平时，将d触发器dff置位，此时输出端q变为低电平，从而输出低电平的第一开关控制信号hsd来驱动第一开关q1断开，同时，输出端xq变为高电平，即，第二开关控制信号lsd变高，以驱动第二开关q2导通。
58.图5示意性地示出了根据本公开实施例的具有过冲保护的开关电源20的工作波形时序图。
59.如图5中所示，在开关电源20开始启动之后，电流源iss给电容css充电，保护电压vss从零开始上升，反馈电压vfb随着保护电压vss上升。
60.在t1'时刻，保护电压vss升高到高于预定参考电压vref，此时反馈电压vfb的大小开始由预定参考电压vref决定(即vfb＝vref，如图所示)，而保护电压vss可以继续上升直至接近电流源iss的电压。同时，由于vfb》vref-vos1，va》vref，因此比较电压fb_l由高变低。
61.假设在输出电压vout处于设定值v0之后的时刻t2'，输入电压vin突然从高到低变化，降低到低于输出电压vout的设定值v0，此时反馈电压vfb开始小于预定参考电压vref。
62.当反馈电压vfb降低至低于预定参考电压vref时，补偿电压vcomp开始由低电平升至高电平。当反馈电压vfb继续降低至低于vref-vos1时(时刻t3')，比较器cmp1开始工作，比较电压fb_l由低变高，同时由于输入电压vin小于输出电压vout的设定值v0，触发控制信号ldo_mode也为高电平。此时，电压缓冲器buf1被使能，输出电压vb，vb＝vfb+vos2。此时由于输入电压vin低于输出电压vout的设定值v0，由于第一开关q1导通，因此最终输出电压vout接近于等于输入电压vin。此时，由于电阻rf1和rf2的分压作用，反馈电压vfb达到基本上稳定的电压值vfb0，可以表示为：
63.vfb0＝rf2/(rf1+rf2)*vout＝rf2/(rf1+rf2)*vin
64.此时，第一开关q1保持常开，控制信号ldo_mode为高，比较信号fb_l也为高，通过与门i1，第三开关控制信号en_k为高电平，第三开关k1处于导通状态。由于电流源iss的电流能力比较弱，通常为na级别，而电压缓冲器buf1的输出驱动能力比较强，因此保护电压vss被强制设置为vss＝vb＝vfb0+vos2。
65.之后，假设在时刻t4'，输入电压vin突然快速升高到正常电压，此时第一开关q1断开，在输入电压vin升高至高于输出电压vout时，控制信号ldo_mode由高变低。此时在与门i1作用下，第三开关控制信号en_k变为低电平，第三开关k1被断开，保护电压vss开始从vfb0+vos2慢慢升高，反馈电压vfb也会跟随保护电压vss的电压慢慢升高，从而补偿电压vcomp会在反馈电压vfb上升的过程中被下降到一个合理的值，就不会出现输出电流iout和输出电压vout的过冲。
66.利用本公开的实施例，通过检测输出电压的变化，调整软启动电压的方式，从而实现输出电压平滑上升，避免输出电压和输出电流出现过冲，以进一步保证负载的温度工作。
67.此外，本公开提供了各种示例实施例，如所描述的以及如附图所示。然而，本公开不限于本文所描述和说明的实施例，而是可以延伸到其他实施例，如本领域技术人员已经知道或将会知道的。说明书中对“一个实施例”、“该实施例”、“这些实施例”或“一些实施例”的引用意指所描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中，并且这些短语在说明书中各个地方的出现不必全部指代相同的实施例。
68.最后，虽然已经以专用于结构特征和/或方法动作的语言描述了各个实施例，但是应当理解，在所附表示中限定的主题不一定限于所描述的具体特征或动作。相反，具体特征和动作被公开作为实现所要求保护的主题的示例形式。

技术特征：

1.一种具有过冲保护的开关电源，包括：降压电路，包括串联连接的第一开关和第二开关，被配置为通过交替导通所述第一开关和所述第二开关来对电感器充电或放电，以将输入电压降压为输出电压；过冲保护电路，被配置为基于所述输入电压和所述输出电压的设定值产生补偿电压；以及开关控制电路，基于所述补偿电压和所述输入电压产生开关控制信号以控制所述第一开关和所述第二开关交替导通。2.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述补偿电压包括第一补偿电压和第二补偿电压，并且所述第一补偿电压高于所述第二补偿电压，其中所述过冲保护电路被配置为：响应于所述输入电压低于或等于所述输出电压的设定值，产生所述第一补偿电压；以及响应于所述输入电压高于所述输出电压的设定值，产生所述第二补偿电压。3.根据权利要求2所述的开关电源，其中所述过冲保护电路包括：保护电压生成电路，被配置为基于与所述输出电压相关联的反馈电压、预定参考电压和预定电流源，产生保护电压；以及补偿电压生成电路，被配置为基于所述保护电压、所述预定参考电压和所述反馈电压，生成所述补偿电压。4.根据权利要求3所述的开关电源，其中所述保护电压生成电路包括：比较器，所述比较器的一个输入端接收所述反馈电压的第一升压值，另一个输入端接收所述预定参考电压，并且基于所述第一升压值和所述预定参考电压产生比较信号；电压缓冲器，所述电压缓冲器在所述比较信号的触发下，将所述反馈电压升压至第二升压值；以及第三开关，所述第三开关在第三开关控制信号控制下导通以将所述第二升压值提供作为所述保护电压，其中第三开关控制信号由所述比较信号和控制信号的与操作来获得。5.根据权利要求3所述的开关电源，其中所述补偿电压生成电路被配置为：响应于所述保护电压小于所述预定参考电压，基于所述保护电压和所述反馈电压生成所述第一补偿电压；以及响应于所述保护电压大于或等于所述预定参考电压，基于所述预定参考电压和所述反馈电压生成所述第二补偿电压。6.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述开关控制电路包括：振荡器，用于产生具有相同频率的工作时钟信号和斜坡补偿信号；脉宽调制信号发生器，将所述补偿电压与所述输入电压的采样信号与所述斜坡补偿信号之和进行比较以产生脉宽调制信号；以及开关控制信号产生电路，基于所述工作时钟信号和所述脉宽调制信号产生所述开关控制信号。7.根据权利要求6所述的开关电源，其中所述开关控制信号包括第一开关控制信号和第二开关控制信号，并且所述控制信号产生电路包括：d触发器，所述d触发器的时钟输入端接收所述工作时钟信号，被所述工作时钟信号的上升沿触发输出所述第一开关控制信号以导通所述第一开关并断开所述第二开关，所述d
触发器的重置端接收所述脉宽调制信号，将所述d触发器置位以输出所述第二开关控制信号来导通所述第二开关并断开所述第一开关。8.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述降压电路还包括：分压电路，所述分压电路被配置为对所述输出电压进行分压以产生与所述输出电压相关联的反馈电压。

技术总结

本公开提供了一种具有过冲保护的开关电源。该开关电源包括：降压电路，包括串联连接的第一开关和第二开关，被配置为通过交替导通所述第一开关和所述第二开关来对电感器充电或放电，以将输入电压降压为输出电压；过冲保护电路，被配置为基于所述输入电压和所述输出电压的设定值产生补偿电压；以及开关控制电路，基于所述补偿电压和所述输入电压产生开关控制信号以控制所述第一开关和所述第二开关交替导通。替导通。替导通。