具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

具体的，请参阅图1，在本实施例中提供了一种用于开关电源的短路保护电路100，包括采集模块110、发生模块120、比较模块130、检测模块140以及输出模块150。所述采集模块110采集输入电压VIN，并根据所述输入电压VIN生成第一电压VA。所述发生模块120用于根据基准电压VREF产生第二电压VB。所述比较模块130分别与所述发生模块120和所述采集模块110连接，用于比较所述第一电压VA和所述第二电压VB的大小。所述检测模块140连接至所述输出模块150以及外部负载电路，检测开关电源是否存在短路。当所述开关电源短路时，所述输出模块150根据所述比较模块130的比较结果输出控制信号以控制功率管模块160（参见图8）。

本实施例中提供了的短路保护电路100可以解决常规的具有短路打嗝输出功能的开关电源芯片在输入低电压时启动困难、以及在输入高电压时存在较大能量损失的问题。具体的，当开关电源系统检测到输出端出现短路时，开关电源芯片工作在打嗝模式，所述打嗝模式是指，开关电源芯片周期性地工作一段时间（工作时间），然后停止一段时间（停止时间）。打嗝占空比是指，开关电源芯片的工作时间与工作时间和停止时间之和的比例。因此，打嗝占空比越大，开关电源芯片的工作时间越长，停止时间越短。在本实施例中，通过检测开关电源系统输入端的输入电压VIN，当输入电压VIN为低电压时，增大打嗝占空比以增加开关电源芯片的工作时间，从而使在低电压输入时，每次打嗝输出也有足够的能量传输到开关电源系统的输出端，防止无法带载启动或者短路撤销无法恢复正常输出；同时，当输入电压VIN为高电压时，则减小打嗝占空比以减少开关电源芯片的工作时间，并增加停止时间，从而减小短路时的能量损失，有利于开关电源系统工作稳定，同时仍然可以带载启动。

以下将参考图2至图6以具体说明各个模块的结构和功能。

所述采集模块110包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6以及运算放大器OP1。电阻R2的一端接收输入电压VIN，电阻R2的另一端连接至所述电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地。电阻R4的一端分别连接电阻R2和电阻R1，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端和运算放大器OP1的第一输入端。电阻R3的另一端接收基准电压VREF。运算放大器OP1的第二输入端分别连接电阻R5的一端以及电阻R6的一端，电阻R5的另一端接地，电阻R6的另一端连接运算放大器OP1的输出端。运算放大器OP1的输出端输出第一电压VA。运算放大器OP1的第一电源端连接供电电压VDD。运算放大器OP1的第二电源端接地。

所述采集模块110用于采集输入电压VIN，将输入电压VIN按比例衰减后，再对其进行电位平移。如图2所示，基准电压VREF为开关电源芯片的电路提供高精度基准电压，同时，合理地设置电阻R1至电阻R6，使得当输入电压VIN在例如24V至72V变动时，第一电压VA在例如3.6V至3.8V之间变动，如图3所示。具体的，所述第一电压VA通过以下公式1进行计算：

需要注意的是，必须设置基准电压VREF。如果无基准电压VREF的存在，第一电压VA只会按比例在靠近0V附近变动，这样第一电压VA的电压值较低，只能再次通过一次放大，才能被所述比较模块130识别；否则第一电压VA的幅值太小，比较模块130不能输出合理的打嗝占空比信号。所述第一电压VA随所述输入电压VIN变化的关系图如图3所示。具体的，所述第一电压VA随所述输入电压VIN呈线性变化。因此，所述第一电压VA的变化可以反映出输入电压VIN的变化，即所述第一电压VA越大，所述输入电压VIN越大，反之亦然。

所述发生模块120包括：电流源IS1、电容C1、场效应晶体管M1、电阻R8和R9，以及运算放大器OP2。所述电流源IS1的一端连接至供电电压VDD，另一端分别连接电容C1的一端和场效应晶体管M1的漏极。所述电容C1的另一端接地。所述运算放大器OP2的第一输入端连接所述场效应晶体管M1的漏极，所述运算放大器OP2的第二输入端分别连接所述电阻R8的一端和所述电阻R9的一端，所述运算放大器OP2的第一输入端接收第二电压VB。所述电阻R8的另一端接收基准电压VREF，所述电阻R9的另一端连接所述运算放大器OP2的输出端和场效应晶体管M1的栅极。场效应晶体管M1的源极接地。所述运算放大器OP2的第一电源端连接供电电压VDD。所述运算放大器OP2的第二电源端接地。

所述发生模块120根据基准电压VREF产生第二电压VB，其中所述第二电压VB为具有预设周期T的锯齿波电压，如图4所示。再参阅图2，所述发生模块120的运算放大器OP2可以轨到轨输出，即高电平可以达到供电电压VDD，低电平可以达到0V，则该发生模块120生成的锯齿波VB（第二电压VB）的峰值VB1和谷值VB2可以分别根据以下公式2和公式3获得：

公式2：

公式3：

同时，由于场效应晶体管M1与电容C1组成的放电回路电阻很小，相比于充电时间，可以忽略电容C1的放电时间。当忽略放电时间时，第二电压VB的锯齿波的频率f根据以下公式4获得：

其中，所述IS为电流源IS1的电流值，C为电容C1的容值，VB1和VB2分别为发生模块120生成的锯齿波VB的峰值VB1和谷值VB2。另外，将所计算的频率f求倒数，即可获得所述预设周期T。

所述比较模块130包括比较器COMP1。所述比较器COMP1的第一输入端连接所述发生模块120的运算放大器OP2的第一输入端，所述比较器COMP1的第二输入端连接所述采集模块110的所述运算放大器OP1的输出端。所述比较器COMP1的第一电源端连接供电电压VDD。所述比较器COMP1的第二电源端接地。所述比较器COMP1的输出端输出第三电压VC。

所述比较模块130分别与所述发生模块120和所述采集模块110连接，用于比较所述第一电压VA和所述第二电压VB的大小。具体的，当所述第二电压VB大于所述第一电压VA时，所述比较模块130的第三电压VC输出高电平；当所述第二电压VB小于所述第一电压VA时，第三电压VC输出低电平。当所述第二电压VB等于所述第一电压VA时处于临界状况，可以忽略不计。所述比较模块130用于比较所述第二电压VB和所述第一电压VA的电平高度，以生成不同打嗝占空比的矩形波（即第三电压）VC。矩形波VC的打嗝占空比D根据以下公式5获得：

具体的，如果第一电压VA大于第二电压VB的峰值VB1，则矩形波VC的打嗝占空比D为0（合理设计VA始终小于VB1）。第一电压VA小于第二电压VB的谷值VB2时，占空比为1（也可以合理设计VA始终大于谷值VB2）。从上述公式5可以看出，第一电压VA越小，打嗝占空比D越大；而第一电压VA越大，打嗝占空比D越小。由于第一电压VA与输入电压VIN呈线性关系（如图3所示），可以理解，输入电压VIN越小，打嗝占空比D越大，则开关电源芯片在打嗝周期（即预设周期T）内工作的时间越长，开关电源芯片内的功率管的开关次数越多；相反，输入电压VIN越大，打嗝占空比D越小，开关电源芯片在打嗝周期内工作的时间越短，开关电源芯片内的功率管的开关次数越少。不同的第一电压VA（即，不同的输入电压VIN）下输出的矩形波VC占空比如图5A和图5B所示，其中图5A中的第一电压VA电压较小，图5B中的第一电压VA电压较高。可以理解，图5A中的打嗝占空比D大于图5B的打嗝占空比，即开关电源芯片在低电压输入时的工作时间（即，图5A和5B中矩形波VC输出高电平的时间段）比在高电压输入时更长。

所述检测模块140包括：比较器COMP2、以及电阻R10和电阻R11。所述运比较器COMP2的第一输入端连接外部反馈电路，用于检测外部开关电源系统的输出端是否短路。所述比较器COMP2的第二输入端分别连接电阻R10的一端和电阻R11的一端。所述电阻R10的另一端接收基准电压VREF，所述电阻R11的另一端接地。所述比较器COMP2的第一电源端连接供电电压VDD。所述比较器COMP2的第二电源端接地。所述比较器COMP2的输出端输出第四电压VD。

所述检测模块140用于检测输出端是否存在短路现象。其中输入电压VFB为反馈引脚电压，在正常工作时，该电压等于VREF，当短路或者刚启动时，输入电压VFB电压很低，如果输入电压VFB低于一预设值即可认为是短路。在本实施例中，如图2所示，如果VFB<VREF*R11/(R11+R10)，则认为输出短路。当开关电源系统的输出端短路时，所述检测模块140的第四电压VD为低电平；当开关电源系统正常工作时，第四电压VD为高电平。

所述输出模块150包括：反相器N1和N2，以及与门A1。所述反相器N1的输入端连接所述比较模块130的所述比较器COMP1的输出端。所述反相器N2的输入端连接所述检测模块140的所述比较器COMP2的输出端。所述反相器N1的输出端连接所述与门A1的第一输入端，以及所述反相器N2的输出端连接所述与门A1的第二输入端。所述与门A1的输出端输出控制信号VE至功率管模块160（如图8所示）。

在本实施例中，只有当所述开关电源系统的输出端短路时，即所述检测模块140的第四电压VD输出低电平时，所述输出模块150根据所述比较模块130的比较结果输出控制信号VE以控制功率管模块160。具体的，当所述比较模块130输出的第三电压VC和所述检测模块140的第四电压VD同时为低电平时，控制信号VE输出高电平；当所述第三电压VC输出高电平，同时所述第四电压VD输出低电平时，控制信号VE输出低电平，具体可参见图6所示。当控制信号VE输出高电平时，开关电源芯片的功率管模块160彻底关掉功率管；当控制信号VE输出低电平时，功率管模块160正常工作，也就是说，在这个时间段内，功率管模块160内的功率管开始按照正常模式工作，即周期性的开启与关闭。

此外，可以理解的是，当所述开关电源系统的输出端不存在短路时，即所述检测模块140的第四电压VD输出高电平时，不论所述比较模块130输出的第三电压VC是高电平还是低电平，所述输出模块150的控制信号VE始终输出低电平，从而控制功率管模块160正常工作，即周期性的开启与关闭。

本发明的实施例能够实现在检测到所述开关电源系统的输出端存在短路时（即第四电压VD输出低电平时），通过输入电压VIN的大小调整比较模块130输出的第三电压VC为高电平的时长（即调整打嗝占空比D），从而调整所述功率管模块160内的功率管正常工作的时长，达到控制所述功率管的输出能量的目的。在正常工作的时间段内，开关电源芯片的功率管是可以按照正常模式工作的，即不断的开启与关闭。

图7为图2所示的短路保护电路的短路保护方法的流程图。当所述开关电源短路时，即所述检测模块140的第四电压VD输出低电平时，所述短路保护方法的具体步骤如下：

步骤S701，采集输入电压，并根据所述输入电压生成第一电压。

步骤S702，根据基准电压产生第二电压，其中，所述第二电压为具有预设周期的锯齿波电压。

步骤S703，比较所述第一电压和所述第二电压的大小。

步骤S704，根据所述比较模块的比较结果输出控制信号以控制外部功率管。

图8为采用了图2所示的短路保护电路100的开关电源芯片200的结构框图。图9为采用了图2所示的短路保护电路100的开关电源芯片200的连接示意图。如图8和图9所示，所述开关电源芯片200还包括供电模块170以及功率管模块160，其中所述供电模块170分别与所述采集模块110、所述发生模块120、所述比较模块130以及所述检测模块140连接，用于提供电压VDD。所述功率管模块160与所述输出模块150连接，用于根据所述输出模块150的控制信号控制所述功率管模块160内的功率管工作或停止工作。所述开关电源芯片200还包括频率补偿模块180，其与所述功率管模块160连接，用于使电源芯片的控制环路稳定。

图8和图9所示的开关电源芯片200可以实现低电压输入时，短路打嗝输出时打嗝占空比大；高电压输入时，打嗝占空比小。其优点在于，在低电压输入时，打嗝占空比大，这样在此期间开关电源芯片的功率管开启次数多，虽然输入电压低，但是开关电源芯片的功率管开启的次数多，累积输出的能量可以有效的解决常规短路打嗝电路在低电压输入时存在的带载启动困难问题，即可以实现低压输入带载启动，也可以实现短路撤销后，输出端即使连接负载，输出电压自动恢复；同时在高电压输入时，打嗝占空比小，这样在此期间开关电源芯片的功率管开启次数少，虽然输入电压高，但是累积输出的能量较常规的短路打嗝模式小，损耗低，可以实现短路撤销后，输出端即使连接负载，输出电压也可以自动恢复。

图10为采用了图8所示的开关电源芯片200的开关电源系统300的连接示意图。所述开关电源芯片200的第一管脚IN连接输入端VIN1。电容CIN以及电容C2的一端均分别连接输入端VIN1，另一端均接地GND。所述开关电源芯片200的第二管脚FB分别连接电容CFF、电阻R2以及电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端接地GND，所述电容CFF和电阻R2的另一端均分别连接至电感L1的一端以及输出端VOUT。所述电感L1的另一端连接所述开关电源芯片200的第三管脚SW和二极管D1的负极。所述二极管D1的正极接地。电容COUT和电容C3的一端均连接至所述输出端VOUT，另一端均接地GND。其中，所述第一管脚IN用于向所述开关电源芯片200提供输入电压VIN；所述第二管脚FB用于接收反馈电压VFB以稳定输出端VOUT的输出电压，同时检测所述开关电源系统300是否存在短路；以及所述第三管脚SW用于输出电压VSW以向外部负载提供能量。

具体的，当负载短路时，不同输入电压VIN下，开关电源芯片200的输出电压VSW波形如图11A、图11B以及图12A、图12B所示。图11A是输入电压VIN为24V时输出电压VSW的波形，图12A是输入电压VIN为72V时输出电压VSW的波形。图11B为输入电压VIN为24V时输出电压VSW的波形的局部放大图。图12B为输入电压VIN为72V时输出电压VSW的波形的局部放大图。从图11A至图12B中可以看出，当短路或启动时，低电压输入（例如，24V）时，在同一时间区间内（例如0.00074s至0.0008s区间内）功率管正常工作的时间占比大于高电压输入（例如，72V）时的功率管正常工作的时间占比（即当短路或启动时，同一时间区间内，低电压输入时功率管开启的次数高于高电压输入时功率管开启的次数），从而使低电压时带重载启动时更容易。

本发明实施例提供的一种开关电源的短路保护电路、芯片及系统，通过输入电压的大小调整打嗝占空比，能够解决常规的短路打嗝保护方式在低电压输入时带载启动或短路撤销后自恢复输出困难，与高压输入时输出短路损耗大的问题，并实现在低电压输入时增大打嗝占空比，使得打嗝占空比期间输出有足够的能量传输到开关电源系统的输出端，以实现可以带载启动；同时，在高电压输入时减小打嗝占空比，使得减小短路时的能量损失，有利于系统工作稳定，同时仍然可以带载启动。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例所提供的一种用于开关电源的短路保护电路、芯片及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。