用于开关电源电路的防输出电流过冲电路的制作方法

1.本发明涉及电路领域，特别是，涉及一种用于开关电源电路的防输出电流过冲电路。


背景技术：

2.开关电源电路广泛应用于各种电子系统中，以作为负载的开关电源来控制对负载的供电。
3.通常，在开关电源电路未接收到使能信号时，其处于睡眠模式(sleep mode)。此时，开关电源电路相对于前级电路而言处于空载状态，而这会导致开关电源电路的输入电压(以及输出端的输出电压)高于在开关电源电路为负载正常供电时(带载时)的电压。因此，在开关电源电路接收到使能信号而从睡眠模式转入工作模式时，当设置输入输出电压比较接近，较高的输出电压会导致开机时流入负载的电流高于负载正常工作时的电流，因而负载可能会由于过流而损坏，甚至造成安全隐患。
4.因此，需要防止负载因过流而损坏的方式。


技术实现要素：

5.根据本发明的示例性实施例提供了一种用于开关电源电路的防输出电流过冲电路，其中，所述开关电源电路包括用于为恒流负载提供供电电压的电压提供单元、用于将所述恒流负载接入所述开关电源电路或从所述开关电源电路断开的开关、以及用于控制所述开关的开关控制单元，所述防输出电流过冲电路包括：第一控制单元，被配置为根据第一控制信号，控制所述开关控制单元开启或停止对所述开关的控制；第二控制单元，被配置为根据第二控制信号，开启或停止对所述开关的控制，其中，所述第二控制单元通过控制所述开关接通，使得所述供电电压降低到预定阈值；以及第三控制单元，被配置为根据所述供电电压，产生所述第一控制信号和所述第二控制信号。
6.根据本发明的示例性实施例的用于开关电源电路的防输出电流过冲电路，能够通过控制开关电源电路中的开关控制单元开启或停止对开关电源电路中的开关的控制，并使另外的控制单元来开启或停止对该开关的控制，而将开关电源电路的输出电压降低到预定阈值，从而能够防止开关电源电路的负载由于输出电压较大而被过流损坏，降低安全隐患。
附图说明
7.从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
8.图1示出了根据一个示例性实施例的开关电源电路的电路图。
9.图2示出了根据一个示例性实施例的开关电源电路中的信号的时序图。
10.图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的连接到开关电源电路的防输出电流过冲电路的框图。
11.图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的连接有防输出电流过冲电路的开关电源电路中的信号的时序图。
12.图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于开关电源电路的防输出电流过冲电路的电路图。
13.图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的连接有防输出电流过冲电路的开关电源电路中的信号的时序图。
具体实施方式
14.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
15.根据本发明的示例性实施例的用于开关电源电路的防输出电流过冲电路，可用于以下开关电源电路：该开关电源电路包括用于为恒流负载提供供电电压的电压提供单元、用于将恒流负载接入开关电源电路或从开关电源电路断开的开关、以及用于控制开关的开关控制单元。
16.图1示出了根据一个示例性实施例的开关电源电路的电路图。
17.如图1所示，vin为开关电源电路100从前级电路接收的ac/dc输入电压，vout为开关电源电路100的输出电压，即为负载200(例如，恒流负载，例如，图1中的led)供电的供电电压。开关m2为用于将恒流负载200(led)接入开关电源电路100或从开关电源电路100断开的开关130。lsd驱动为用于控制开关m2接通或断开的开关控制单元120。图1中的开关电源电路100的其余部分为用于为led 200提供具有适当的电压值的供电电压vout的电压提供单元110。
18.该适当的电压值可根据开关电源电路100的恒流负载来设置，例如，根据led的数量、led的额定电源和额定电流等来设置。应该理解，虽然图1中仅示出两个led，但可根据实际需要而设置任意数量的led。
19.在开关电源电路100处于睡眠模式(sleep mode)时，开关电源电路100不工作。在开关电源电路100接收到使能信号ena(未示出，例如，高电平信号)而转入工作模式时，开关电源电路100开始工作，即开关电源电路可为恒流负载(led)供电。
20.在图1中，c1为输入端电容器，用于稳定输入电压vin。c2为输出端电容器，用于稳定输出电压vout。l1为电感器，用于在开关m1接通时储能，并在开关m1断开时输出能量、即用于通过二极管d1向输出端输出能量，使输出端的输出电压vout具有适当的电压值。开关m1通过由栅极驱动提供的栅极信号gate来控制。栅极驱动的输入端连接到rs触发器。rs触发器的s输入端子接收振荡器osc输出的时钟信号clk，rs触发器的r输入端子接收比较器cmp输出的信号。在一个实施例中，例如，rs触发器的s输入端子接收的时钟信号clk为用于使开关m1断开的信号，rs触发器的r输入端子接收的信号为用于使开关m1接通的信号。
21.rs触发器的r输入端子接收的信号可通过放大器ea和比较器cmp来产生。在一个实施例中，放大器ea的负输入端子接收反馈检测电阻器r2与开关m2之间的节点fb处的电压信号，放大器ea的正输入端子接收稳定态参考信号vref_ea。稳定态参考电压信号vref_ea与开关电源电路的恒流负载(led)200的正常工作电流和正常工作电压相关。例如，稳定态参考电压信号vref_ea的电压值等于在恒流负载(led)200稳定工作时节点fb处的电压值。例如，在led的正常工作电压为3v时，稳定态参考电压信号vref_ea可以为400mv。放大器ea的输出端子输出comp电压信号，该comp电压信号的电压值与电容器c3正极端的电压值相等。放大器ea的输出信号输入到比较器cmp的负输入端子，比较器cmp的正输入端子输入的是：感测节点cs处的电压与振荡器osc的输出端子输出的信号osc_out的叠加信号ramp，该感测节点cs位于电阻器r1与开关m1之间。
22.例如，在开关电源电路100接收到使能信号ena(例如，高电平)而转入工作模式时，开关电源电路100产生开启lsd驱动的开启信号led_start(未示出)，lsd驱动120根据开启信号led_start使开关m2接通，以将led 200接入开关电源电路100，从而通过供电电压vout为led 200供电。此时，为使供电电压vout满足与led 200对应的电压要求，可通过rs触发器和栅极驱动输出的栅极信号gate来控制开关m1的接通或断开，以在开关m1接通时使电感器l1储能，并在开关m1断开时使电感器l1通过二极管d1向输出端释放能量，使输出的供电电压vout达到适于led的适当电压值。
23.在一个实施例中，lsd驱动120可接收根据使能信号ena产生的开启信号led_start，以在开启信号led_start例如变为高电平时使开关m2接通，从而使led点亮。此外，在另一实施例中，lsd驱动120还可接收用于控制led的亮度的调光控制信号pwm，从而lsd驱动120可根据开启信号led_start和调光控制信号pwm来控制开关m2的接通或断开，从而控制led的量度。此外，在另一实施例中，调光信号pwm可用作使能信号ena，即调光信号pwm的第一个上升沿可用于使开关电源电路100结束睡眠状态、转入工作状态。应该理解，使能信号ena可以是从用于控制开关电源电路100的外部源接收的能够控制开关电源电路100的工作模式的任意信号。
24.在接收到使能信号ena的瞬间，开关电源电路100从睡眠模式转入工作模式，以开始对led 200供电。然而，由于开关电源电路100在处于睡眠模式时相对于前级电路为空载状态(或轻载状态)，因此输入电压vin以及输出电压vout可能会大于正常带载时的电压(输入输出电压设置比较近)。这会导致led在被接入开关电路时，流经led的电流大于正常工作电流而出现过流(过冲)，由此可能会导致led损坏或造成安全隐患。
25.图2示出了根据一个示例性实施例的开关电源电路100中的信号的时序图。
26.如图2所示，当开关电源电路100处于睡眠模式时，输入电压vin和输出电压vout较高，即高于正常工作电压。led的电流iled为零。在开关电源电路100接收到使能信号ena时、即使能信号ena变为高电平时，开关电源电路100转入工作模式。此时，开关电源电路100产生开启信号led_start、即开启信号led_start变为高电平。led被接入开关电源电路。此时，由于输入电压vin和vout均高于正常工作电压，因而会导致流经led的电流iled高于正常工作电流。即，在工作模式的初始阶段，led可能会因过流而被损坏或造成安全隐患。
27.为防止led过流，在开关电源电路100结束睡眠模式时，可首先对供电电压vout进行放电，使其电压值降低至对led的安全电压范围内，然后再使开关电源电路100进入工作
模式。
28.图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的连接到开关电源电路100的防输出电流过冲电路300的框图。
29.如图3所示，根据本发明的实施例的防输出电流过冲电路300可以连接在图1的开关电源电路100的lsd驱动120与由led驱动120控制的开关m2(130)之间。防输出电流过冲电路300可包括第一控制单元310、第二控制单元320和第三控制单元330。
30.第一控制单元310被配置为根据第一控制信号(例如，以上开启信号led_start)，控制开关控制单元120开启或停止对开关m2的控制。例如，第一控制单元310可将lsd驱动120与开关m2之间的连接断开或接通，从而断开lsd驱动120对开关m2的控制、或接通lsd驱动120对开关m2的控制。
31.第二控制单元320被配置为根据第二控制信号，开启或停止对开关m2的控制。这里，第二控制单元320通过控制开关m2接通，可以使得供电电压vout降低到预定阈值。在一个实施例中，例如，第一控制信号和第二控制信号可具有第一电平(例如，低电平)或第二电平(例如，高电平)，并且第一控制信号和第二控制信号反相。例如，在第一控制信号为以上开启信号led_start时，第二控制信号可以为反相开启信号led_start_n。
32.第三控制单元330被配置为根据供电电压vout，产生第一控制信号和第二控制信号。例如，第三控制单元330可根据与供电电压vout相关、即与led的工作电压以及工作电流相关的稳定态参考信号vref_ea(如图1所示)，来产生第一控制信号和第二控制信号。
33.在一个实施例中，例如，在开关电源电路100开启时(例如，图2中的使能信号ena变为高电平时)，第三控制单元330产生的第一控制信号330可具有第一电平(例如，开启信号led_start为低电平)，第三控制单元330产生的第二控制信号可具有第二电平(例如，反相开启信号led_start_n为高电平)。此时，第一开关控制单元310可控制开关控制单元(lsd驱动)120停止对开关m2的控制，第二控制单元320控制开关m2接通，使得供电电压vout通过led、开关m2、反馈检测电阻器r2与地gnd之间的回路来放电，从而使供电电压vout降低到预定阈值。该阶段例如可以为开关电源电路100的放电阶段。
34.在供电电压vout降低到预定阈值时，第三控制单元330产生的第一控制信号可具有第二电平(例如，开启信号led_start为高电平)，第三控制单元330产生的第二控制信号可具有第一电平(例如，反相开启信号led_start_n为低电平)。此时，第一开关控制单元310可控制开关控制单元(lsd驱动)120开启对开关m2的控制，第二控制单元320可停止对开关m2的控制。即，此时开关控制单元(lsd驱动)120可重新被连接到开关m2以对开关m2进行正常控制，第二控制单元320可不再对开关m2进行控制、即不再对供电电压vout进行放电。此时，开关电源电路可进入图2中的工作阶段。
35.在一个实施例中，在以上放电阶段中，第二控制单元320可被配置为：在开关电源电路100开启时(例如，图2中的使能信号ena变为高电平时)，根据与预定阈值对应的第一参考电压产生第一中间信号，第一中间信号用于控制开关m2接通。例如，该预定阈值可以与直流负载200的工作电压和工作电流相关，例如，该预定阈值可对应于在使流过直流负载200的电流为预定百分比(例如，10％)的工作电流时的电压vout。在这种情况下，例如，第一参考电压(vref1)可以为图1中的稳定态参考电压信号vref_ea的电压值的10％，例如，40mv。
36.之后，在供电电压vout降低到预定阈值时，第二控制单元320还可以被配置为：根
据第一参考电压产生第二中间信号，第二中间信号可用于控制开关m2接通。
37.此时，即在供电电压vout降低到预定阈值时，在一个实施例中，第三控制单元330可被配置为：根据第二中间信号和与预定阈值对应的第二参考电压(例如，例如，第二中间信号的电压值与第一参考电压相关，而第二参考电压与第二中间信号的电压值相关)，产生第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号具有第二电平(例如，开启信号led_start为高电平)，第二控制信号具有第一电平(例如，反相开启信号led_start_n为低电平)。此时，具有第一电平的第二控制信号会使第二控制单元320停止对开关m2的控制，即停止对供电电压vout的放电，同时具有第二电平的第一控制信号会使lsd驱动120开启对开关m2的控制。开关电源电路100进入正常的工作模式。
38.这里，通过在lsd驱动120与开关m2之间设置防输出电流过冲电路300，可在开关电源电路100结束睡眠模式时，首先断开lsd驱动120对开关m2的控制，进而在防输出电流过冲电路300的控制下使过高的供电电压vout降低到预定电平以下，然后再开启lsd驱动120对开关m2(即，对led)的控制，从而能够防止流经led的电流过高而对led造成损坏甚至带来安全隐患。
39.图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的连接有防输出电流过冲电路300的开关电源电路中的信号的时序图。
40.如图4所示，在使能信号ena从低电平变为高电平时，开关电源电路100进入放电阶段，此时输入电压vin和供电电压(输出电压)vout逐渐的降低，led中流过比正常工作电流小的电流iled。在放电阶段结束、即供电电压vout降低到预定阈值之后，开关电源电路100进入工作模式，信号led_start由低电平变为高电平，led中的电流iled变为正常工作电流。
41.图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于开关电源电路的防输出电流过冲电路300的电路图。
42.如图5所示，第一控制单元310可包括第一开关sw1。第一开关sw1的第一连接端子和第二连接端子可连接在开关控制单元120(lsd驱动)的输出端子与开关m2的控制端子之间，第一开关sw1的控制端子可接收第一控制信号(开启信号)led_start。
43.第二控制单元320可包括第一放大器op1和第二开关sw2。第一放大器op1的正输入端子接收第一参考信号vref1，第一放大器op1的负输入端子连接到开关m2的电流输出端子。第二开关sw2的第一连接端子和第二连接端子连接在第一放大器op1的输出端子与开关m2的控制端子之间，第二开关sw2的控制端子接收第二控制信号(反相开启信号)led_start_n。第二开关sw2与开关m2的控制端子之间的节点处的电压对应于第一中间信号的电压或第二中间信号的电压vgate。
44.第三控制单元330可包括第一比较器cmp1和第一d触发器d1。第一比较器cmp1的正输入端子连接到开关m2的控制端子，第一比较器cmp1的负输入端子接收第二参考电压vref2。第一d触发器d1的时钟输入端子clk接连接到第一比较器cmp1的输出端子，第一d触发器d1的d端子接收开关电源电路100的预定内部电压dvdd，第一d触发器d1的第一输出端子q输出第一控制信号led_start，第一d触发器d1的第二输出端子qn输出第二控制信号led_start_n。
45.在一个实施例中，第三控制单元330还可包括延迟单元(debounce)340。延迟单元340可连接在第一比较器cmp1的输出端子与第一d触发器d1的时钟输入端子clk之间，以将
第一比较器cmp1输出的信号s1延迟预定时间，并将延迟后的信号输入到第一d触发器d1的时钟输入端子clk。
46.在一个具体实施例中，在开关电源电路100开启时(例如，图4中的使能信号ena变为高电平时)，开关电源电路不立即使启用信号led_start(第一控制信号)变为高电平，此时，第一开关sw1处于断开状态，lsd驱动120断开对开关m2的控制。反相启用信号led_start_n具有高电平，第二开关sw2接通，由第一放大器op1形成的负反馈使得第二开关sw2与开关m2之间的节点处的电压vgate具有第一值(对应第一中间信号)，使得开关m2接通。供电电压vout由通过led、反馈检测电阻器r2和地形成的回路放电，供电电压降低，此时该回路的电流具有恒定值。
47.此后，在供电电压vout降低到接近预定阈值时，输入到第一放大器op1的负输入端子的电压不再与第一参考电压vref1相等，上述回路的电流开始下降，第二开关sw2与开关m2之间的节点处的电压vgate升高。当电压vgate升高到与第二参考电压vref2对应的电压值时(例如，在图1中的稳定态参考电压信号vref_ea为400mv，第一参考单元vref1为40mv时，第二参考电压vref2可以为4v)，第一比较器cmp1输出信号s1，该信号s1进而使得第一d触发器输出具有高电平的启用信号led_start(第一控制信号)和具有低电平的反相启用信号led_start_n(第二控制信号)，并且第一d触发器锁定其输出的第一控制信号led_start和第二控制信号led_start_n。此时，第二开关sw2由于低电平的第二控制信号led_start_n而断开，第一开关sw1由于高电平的第一控制信号led_start而接通，第二控制单元320断开与开关m2的连接，lsd驱动120连接到开关m2而开启对开关m2的控制。开关控制电路100进入正常的工作模式。
48.此外，在一个实施例中，为了防止在输出电压vout降低到接近预定阈值的情况下，第一放大器cmp1输出的信号s1由于第二开关sw2与开关m2之间的电压vgate的变化而变化，可在第一放大器cmp1与第一d触发器d1之间设置延迟单元340。延迟单元340可以在第一放大器cmp1输出信号s1一段时间之后，再将一段时间之后的信号s1输入到第一d触发器d1，以提高防输出电流过冲电路300的稳定性。
49.在以上过程中，开关控制单元(lsd驱动)120可接收第一控制信号(启动信号led_start)，以在第一控制单元310控制开关控制单元120开启对开关m2的控制时，根据第一控制信号led_start控制开关m2的接通或断开。
50.此外，在一个实施例中，开关控制单元(lsd驱动)120还可以接收用于控制恒流负载200(例如，至少一个led)的亮度的调光控制信号pwm，以在第一控制单元310控制开关控制单元120开启对开关m2的控制时，根据第一控制信号led_start和调光控制信号pwm，控制开关m2的接通或断开。
51.应该理解，以上示图中示出的led的个数仅为示例，可根据实际需要设置作为恒流负载的任意数量的led。以上示例中的电压值、参考电压值、比例值、电平的高低以及其他值均为示例，可根据实际需要设置任意的电压值、参考电压值、比例值、电平的高低以及其他值。
52.图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的连接有防输出电流过冲电路300的开关电源电路100中的信号的时序图。
53.图6与图4的区别在于，图4中的使能信号ena由调光信号pwm代替，调光信号pwm的
第一个上升沿用作使开关电源电路结束睡眠模式的使能信号。此外，图6示出的电压vgate可在放电阶段结束之后，具有与调光信号pwm同步的脉冲波形。图6的工作阶段可对应于开关电源电路100的正常工作阶段。
54.根据本发明的示例性实施例的用于开关电源电路的防输出电流过冲电路，能够通过控制开关电源电路中的开关控制单元开启或停止对开关电源电路中的开关的控制，并使另外的控制单元来开启或停止对该开关的控制，而将开关电源电路的供电电压降低到预定阈值，从而能够防止开关电源电路的负载由于供电电压较大而被过流损坏，降低安全隐患。
55.本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。