升压变换器以及用于升压变换器的控制器的制造方法
升压变换器以及用于升压变换器的控制器的制造方法
【专利摘要】公开了升压变换器以及用于升压变换器的控制器。升压变换器包括短路保护开关以及开关管。升压变换器启动时，导通开关管，提供控制电压至短路保护开关以逐渐导通短路保护开关；判断流经开关管的电流是否大于预设值；若该电流大于预设值，则断开开关管，同时开始计时；计时一段预设时间后，检测升压变换器是否出现输出短路；以及若升压变换器出现输出短路，则断开短路保护开关，从而为升压变换器提供保护。
【专利说明】升压变换器以及用于升压变换器的控制器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子电路，尤其涉及升压变换器及其控制器。
【背景技术】
[0002]在升压变换器中，若出现输出短路，可能会损坏器件。因此，应为升压变换器提供短路保护。
[0003]现有的一种短路保护方法是在升压变换器的开关电路和输入电压之间耦接一短路保护开关。当检测到升压变换器出现输出短路时，断开短路保护开关，从而实现短路保护。
[0004]为节约成本和/或提高电路特性，在现有技术中常采用外接短路保护开关。对于外接短路保护开关来说，其导通阈值电压通常是未知的。因此，在设计升压变换器的控制芯片时，由控制芯片提供至外接短路保护开关控制端的电压应留有足够裕量，以使控制芯片能够开启大部分外接短路保护开关。
[0005]在现有技术中，对于上述短路保护方法，常在升压变换器启动之后一预设的固定时刻去检测判断升压变换器是否出现输出短路。然而，由于外接短路保护开关的导通阈值电压不固定，因而该短路保护方法存在不准确、不及时的问题。图1利用时间轴示出现有短路保护方法的工作原理。如图1所示，tl表示升压变换器启动时刻，t2表示外接短路保护开关导通的时刻，t3表示短路检测判断时刻；T1为tl时刻至t2时刻之间的时间，T2为t2时刻至t3时刻之间的时间，T3为tl时刻至t3时刻之间的时间。如前所述，t3时刻为升压变换器启动之后一预设的固定时刻，因而T3时段为固定值。而t2时刻和外接短路保护开关的导通阈值电压相关。若外接短路保护开关的导通阈值电压较大，则Tl时段较长，即T2时段较短，开关电路中的输出电容器可能还未充够电，短路判断不准确；若外接短路保护开关的导通阈值电压较小，则Tl时段较短，即T2时段较长，输出短路可能已经发生很久，器件已经损坏，短路判断不及时。
实用新型内容
[0006]针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供具有短路保护功能的升压变换器及其控制器。
[0007]根据本实用新型实施例的一种用于升压变换器的控制器，该升压变换器包括短路保护开关和开关电路，短路保护开关具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收输入电压，开关电路包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，其第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电感器的第二端，其第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，其第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，其第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，其第二端连接至参考地，控制器包括短路保护控制电路，包括电流检测电路，判断流经开关管的电流是否达到预设值，依据判断结果产生电流检测信号；计时电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，并依据电流检测信号产生计时信号；短路检测电路，耦接至计时电路以接收计时信号，依据计时信号检测升压变换器是否短路，并依据检测结果产生短路检测信号；以及控制电压产生电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至短路检测电路以接收短路检测信号，控制电压产生电路依据电流检测信号和短路检测信号控制提供至短路保护开关控制端的控制电压的大小；以及开关控制电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至开关电路以接收表示输出电压的反馈信号，开关控制电路依据电流检测信号和反馈信号产生开关控制信号以控制开关管的导通与关断。
[0008]根据一些实施例，升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管的第二端且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及电流检测电路包括电流检测比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端接收第一参考电压，电流检测比较器比较检测电压和第一参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生电流检测信号。
[0009]根据一些实施例，短路检测电路包括短路检测比较器，具有第一输入端、第二输入端、输出端和使能端，所述第一输入端耦接至开关电路以接收反馈信号，所述第二输入端接收第二参考电压，使能端耦接至计时电路以接收计时信号，短路检测比较器依据计时信号比较反馈信号和第二参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生短路检测信号。
[0010]根据一些实施例，控制电压产生电路包括:电容器，具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压，所述第二端耦接至短路保护开关的控制端；第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第一端，所述第二端耦接至电容器的第二端，所述控制端耦接至短路检测电路以接收短路检测信号；电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电容器的第二端；以及第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电流源的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端耦接至电流检测电路以接收电流检测信号。
[0011]根据一些实施例，控制电压产生电路还包括第三开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端受计时信号和短路检测信号的控制。
[0012]根据一些实施例，升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及开关控制电路包括:电流误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端连接至参考地，电流误差放大器放大检测电压，并在所述输出端产生电流误差放大信号；电压误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收第三参考电压，所述第二输入端接收反馈信号，电压误差放大器放大第三参考电压与反馈信号之间的差值，并在所述输出端产生电压误差放大信号；脉宽调制比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电压误差放大器的输出端以接收电压误差放大信号，所述第二输入端耦接至电流误差放大器的输出端以接收电流误差放大信号，脉宽调制比较器比较电流误差放大信号和电压误差放大信号，并在所述输出端产生脉宽调制比较信号；以及第一触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收时钟信号，所述复位端耦接至脉宽调制比较器的输出端以接收脉宽调制比较信号，所述输出端耦接至开关管的控制端且提供第一触发信号以控制开关管的导通与关断。
[0013]根据一些实施例,控制电压产生电路还包括与门电路,具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至计时电路以接收计时信号，所述第二输入端耦接至短路检测电路以接收和短路检测信号反相的信号，所述输出端产生与门信号以提供至第三开关的控制端，其中，第一触发电路还具有使能端，所述使能端接收与门信号；以及开关控制电路还包括第二触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收电路启动信号，所述复位端耦接至电流检测比较器的输出端以接收电流检测比较信号，所述输出端提供第二触发信号；以及或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至第一触发电路的输出端以接收第一触发信号，所述第二输入端耦接至第二触发电路的输出端以接收第二触发信号，所述输出端产生开关控制信号以提供至开关管的控制端。
[0014]根据本实用新型实施例的一种升压变换器，该升压变换器包括短路保护开关，具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收输入电压；开关电路，包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，其第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电感器的第二端，其第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，其第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，其第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，其第二端连接至参考地；以及控制器，该控制器包括短路保护控制电路，包括电流检测电路，判断流经开关管的电流是否达到预设值，依据判断结果产生电流检测信号；计时电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，并依据电流检测信号产生计时信号；短路检测电路，耦接至计时电路以接收计时信号，依据计时信号检测升压变换器是否短路，并依据检测结果产生短路检测信号；以及控制电压产生电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至短路检测电路以接收短路检测信号，控制电压产生电路依据电流检测信号和短路检测信号控制提供至短路保护开关控制端的控制电压的大小；以及开关控制电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至开关电路以接收表示输出电压的反馈信号，开关控制电路依据电流检测信号和反馈信号产生开关控制信号以控制开关管的导通与关断。
[0015]根据一些实施例，短路保护开关包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
[0016]在本实用新型的实施例中，短路保护电路能够及时、准确地检测升压变换器是否出现短路。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1利用时间轴示出现有短路保护方法的工作原理。
[0018]图2示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器100。
[0019]图3利用时间轴示出图2所示短路保护电路的工作原理。
[0020]图4示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器200。
[0021]图5示出依据本实用新型一个实施例的用于升压变换器的操作过程300。
【具体实施方式】
[0022]下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是:不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。
[0023]在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件” “连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0024]图2示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器100。如图2所示，升压变换器100包括开关电路110、控制器120以及短路保护开关MSCP。
[0025]开关电路110采用非同步升压变换拓扑，包括电感器L、输出电容器C、开关管M和二极管D。其中，电感器L具有第一端和第二端；二极管D具有阳极和阴极，其阳极耦接至电感器L的第二端；输出电容器C具有第一端和第二端，其第一端耦接至二极管D的阴极，其第二端连接至参考地；开关管M具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电感器L的第二端，其第二端耦接至参考地。开关电路210通过控制开关管M的导通与关断，将输入电压VIN转换为输出电压V0UT。输出电容器C两端的电压即为输出电压V0UT。在一个实施例中，开关电路110中的二极管D可由其它续流元件代替，如由晶体管代替，升压变换器100采用同步变换拓扑。在一个实施例中，控制器120集成制作为控制芯片，二极管D可外接于控制芯片外，开关管M可集成在控制芯片内。在又一个实施例中，开关电路110中的开关管可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
[0026]控制器120包括开关控制电路121和短路保护控制电路122。短路保护开关MSCP和短路保护控制电路122 —起形成短路保护电路。短路保护开关MSCP具有第一端、第二端和控制端。其中，第一端接收输入电压VIN，第二端耦接至电感器L的第一端以在短路保护开关MSCP导通时向开关电路110提供输入电压VIN。在一个实施例中，短路保护开关MSCP可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。在另一实施例中，短路保护开关MSCP可以为P型管或者N型管。在又一实施例中，短路保护开关MSCP可以集成于控制器120所在芯片之内或外接于控制器120所在芯片之外。
[0027]短路保护控制电路122包括电流检测电路1221、计时电路1222、短路检测电路1223以及控制电压产生电路1224。电流检测电路1221判断流经开关管的电流IL是否达到预设值ILref，电流检测电路1221根据判断结果产生电流检测信号SCMP1。计时电路1222耦接至电流检测电路1221以接收电流检测信号SCMPl，并依据电流检测信号SCMPl产生计时信号STIM。短路检测电路1223耦接至计时电路1222以接收计时信号STIM，并依据计时信号STM检测升压变换器100是否出现短路，从而产生短路检测信号SCP。控制电压产生电路1224耦接至电流检测电路1221以接收电流检测信号SCMPl，并依据电流检测信号SCMPl控制提供至短路保护开关MSCP控制端的控制电压VC的大小。控制电压产生电路1224还耦接至短路检测电路1223以接收短路检测信号SCP，并依据短路检测信号SCP控制短路保护开关MSCP控制端的控制电压VC，以控制短路保护开关MSCP的导通与关断。
[0028]开关控制电路121耦接至开关电路110以接收表示输出电压VOUT的反馈信号FB，且耦接至电流检测电路1221以接收电流检测信号SCMPl，并依据反馈信号FB和电流检测信号SCMPl产生开关控制信号CTRL以控制开关管M的导通与关断。开关控制电路121可以采用脉冲宽度调制方式或脉冲频率调制方式。在另一实施例中，开关控制电路121可以采用电流模式控制或电压模式控制等控制方法。
[0029]在升压变换器100启动时，开关控制电路121提供开关控制信号CTRL使开关管M导通。同时，控制电压产生电路1224提供控制电压VC至短路保护开关MSCP的控制端。其中，该控制电压VC的绝对值逐渐增大。因此，在升压变换器100刚启动时，由于控制电压VC的绝对值较小，短路保护开关MSCP未导通，几乎没有电流流过开关管M。随着控制电压VC的绝对值逐渐增大，当其达到短路保护开关MSCP的导通阈值电压时，短路保护开关MSCP导通，开关管M中流过电流IL且电流IL逐渐增大。当电流IL增大到预设值ILref时，控制电压产生电路1224根据电流检测信号SCMPl使控制电压VC的绝对值停止增大，保持恒定。开关控制电路121根据电流检测信号SCMPl输出开关控制信号CTRL以使开关管M关断。同时，计时电路1222根据电流检测信号SCMPl开始计时。在预设的计时时间后，计时信号STIM使短路检测电路1223使能，短路检测电路1223开始检测升压变换器100是否出现短路。若升压变换器100出现短路，则控制电压产生电路1224根据短路检测信号SCP关断短路保护开关MSCP。若升压变换器100未出现短路，则控制电压产生电路1224根据短路检测信号SCP使短路保护开关MSCP完全导通，升压变换器100正常工作。
[0030]图3利用时间轴示出图2所示短路保护电路的工作原理。如图3所示，tl’表示升压变换器启动时刻，t2’表示电流IL增大到预设值ILref的时刻，t3’表示短路检测判断时刻；Τ1'为tl’时刻至t2’时刻之间的时间，T2’为t2’时刻至t3’时刻之间的时间，T3’为tl’时刻至t3’时刻之间的时间。如前所述，T2’时段为时刻t2’起，且由计时电路1222预先设定的一固定值。虽然电流IL增大到预设值ILref的时刻t2’和短路保护开关MSCP的导通阈值电压大小相关，然而时段T2’的时长与短路保护开关MSCP的导通阈值电压大小无关。因此，根据本实用新型图2所示实施例提出的短路保护电路能够及时、准确地检测升压变换器100是否出现短路。
[0031]图4示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器200。如图4所示，升压变换器200包括短路保护开关MSCP、开关电路210、电流检测电阻RS、控制器220和反馈电路230。
[0032]开关电路210的结构与图2中所示开关电路110的结构类似，对其相同结构此处不再累述，而只对其不同之处进行描述。如图4所示，在开关电路210中，开关管M的第二端耦接至电流检测电阻RS的一端，且电流检测电阻RS的该端提供检测电压VRS，电流检测电阻RS的另一端连接至参考地。在另一实施例中，电流检测电阻器RS可由开关管M的导通电阻代替。在该实施例中，开关管M的第二端连接至参考地，电流误差放大器AMPl的同相输入端耦接至开关管M的第一端，其反相输入端连接至参考地。
[0033]反馈电路230耦接至输出电容器C以接收输出电压V0UT，并依据输出电压VOUT产生反馈信号VFB。在一个实施例中，反馈电路230包括由电阻器Rl和R2串联组成的电阻分压器。
[0034]控制器220包括开关控制电路221和短路保护控制电路222。在图4所示实施例中，开关控制电路221采用峰值电流模式控制。如图4所示，开关控制电路221包括电流误差放大器AMPl、电压误差放大器AMP2、脉宽调制比较器CMP3和第一触发电路TRl。电流误差放大器AMPl具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端耦接至电流检测电阻器RS的第一端，其反相输入端连接至参考地，电流误差放大器AMPl放大电流检测电阻器RS两端的检测电压VRS且在其输出端产生电流误差放大信号SAMPl。
[0035]电压误差放大器AMP2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收参考电压VREF3，其反相输入端耦接至反馈电路230以接收反馈信号VFB。电压误差放大器AMP2放大参考电压VREF3与反馈信号VFB之间的差值且在其输出端产生电压误差放大信号SAMP2。在图4所示实施例中，电压误差放大信号SAMP2经过由电阻器RC和电容器CC组成的补偿电路补偿后提供至脉宽调制比较器CMP3。在另一实施例中，电压误差放大信号SAMP2可以不经过补偿，直接提供至脉宽调制比较器CMP3。脉宽调制比较器CMP3具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端耦接至电流误差放大器AMPl的输出端以接收电流误差放大信号SAMPl，其反相输入端耦接至电压误差放大器AMP2的输出端以接收电压误差放大信号SAMP2，脉宽调制比较器CMP3将电流误差放大信号SAMPl和电压误差放大信号SAMP2进行比较且在其输出端产生脉宽调制比较信号SCMP3。第一触发电路TRl具有置位端S、复位端R、输出端Q和使能端EN，其置位端S接收时钟信号0SC，其复位端R耦接至脉宽调制比较器CMP3的输出端以接收脉宽调制比较信号SCMP3，第一触发电路TRl根据时钟信号0SC、脉宽调制比较信号SCMP3以及使能端EN接收的信号在其输出端Q产生第一触发信号STR1。第一触发电路TRl的输出端耦接至开关管M的控制端，以使第一触发信号STRl控制开关管M的导通与关断。
[0036]短路保护开关MSCP和短路保护控制电路222 —起形成短路保护电路。短路保护开关MSCP采用P型M0SFET，具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收输入电压VIN，其第二端耦接至电感器L的第一端。短路保护控制电路222包括电流检测电路、计时电路TIM、短路检测电路和控制电压产生电路2221。电流检测电路包括电流检测比较器CMPl。电流检测比较器CMPl具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端耦接至电流检测电阻器RS的第一端以接收检测电压VRS，其反相输入端接收参考电压VREFl，电流检测比较器CMPl将检测电压VRS与参考电压VREFl进行比较且在其输出端产生电流检测信号SCMP1。计时电路TIM耦接至电流检测比较器CMPl的输出端以接收电流检测信号SCMP1，并依据电流检测信号SCMPl产生计时信号STIM。短路检测电路包括短路检测比较器CMP2。短路检测比较器CMP2具有同相输入端、反相输入端、使能端和输出端，其同相输入端接收参考信号VREF2，其反相输入端耦接至反馈电路230以接收反馈信号VFB，其使能端耦接至计时电路TM以接收计时信号STIM，短路检测比较器CMP2在使能时将参考信号VREF2和反馈信号VFB进行比较且在其输出端产生短路检测信号SCP。
[0037]控制电压产生电路2221包括电容器CC、电流源IS、第一开关SI和第二开关S2。其中，电容器CC具有第一端和第二端，其第一端接收输入电压VIN，其第二端耦接至短路保护开关MSCP的控制端以为短路保护开关MSCP提供端电压VC。第一开关SI具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电容器CC的第一端，其第二端耦接至电容器CC的第二端，其控制端耦接至短路检测比较器CMP2的输出端以接收短路检测信号SCP。电流源IS具有第一端和第二端，其第一端耦接至第一开关SI的第二端。电流源IS具有从其第一端流向第二端的电流。第二开关S2具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电流源IS的第二端，其第二端连接至参考地，其控制端耦接至电流检测比较器CMPl的输出端以接收电流检测信号SCMP1。在图4所示实施例中，控制电压产生电路2221还包括第三开关S3。第三开关S3具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电容器CC的第二端，其第二端连接至参考地。
[0038]在图4所示实施例中，开关控制电路221还包括第二触发电路TR2和或门电路0R，控制电压产生电路2221还包括与门电路AND。第二触发电路TR2具有置位端S、复位端R和输出端Q，其置位端S接收电路启动信号STRT，其复位端R耦接至电流检测比较器CMPl的输出端以接收电流检测信号SCMP1，第二触发电路TR2根据电路启动信号STRT和电流检测信号SCMPl在其输出端Q产生第二触发信号STR2。或门电路OR具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至第一触发电路TRl以接收第一触发信号STR1，其第二输入端耦接至第二触发电路TR2以接收第二触发信号STR2，或门电路OR根据第一触发信号STRl和第二触发信号STR2在其输出端产生开关控制信号CTRL以提供至开关管M的控制端去控制开关管M的导通与关断。与门电路AND具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至计时电路TIM的输出端以接收计时信号STIM，其第二输入端耦接至短路检测比较器CMP2的输出端以接收短路检测信号SCP的反相信号，与门电路AND根据计时信号STIM和短路检测信号SCP在其输出端产生与门信号SAND以提供至第三开关S3的控制端以及第一触发电路TRl的使能端EN。在图4所示实施例中，第一触发电路TR1、第二触发电路TR2、与门电路AND和或门电路OR只是示例性的，在其它实施例中，可由其它形式的逻辑电路实现。
[0039]在升压变换器200启动时，电路启动信号STRT提供至第二触发电路TR2的置位端S，因而第二触发电路TR2在其输出端产生高电平的第二触发信号STR2以提供至或门电路OR的第二输入端，因此或门电路OR输出高电平的开关控制信号CTRL使开关管M导通。同时，由于短路检测比较器CMP2未使能，其输出低电平的短路检测信号SCP以使第一开关SI断开。另外，由于检测电压VRS小于第一参考信号VREFl，电流检测比较CMPl输出低电平的电流检测信号SCMPl以提供至第二开关S2的控制端，使得第二开关S2导通。而且，由于计时电路TIM未开始计时，计时电路TIM输出低电平的计时信号SHM以提供至与门电路AND的第一输入端，因而与门电路AND的输出端输出低电平的与门信号SAND使第三开关S3断开。因此，电流源IS下拉短路保护开关MSCP的控制电压VC，控制电压VC的绝对值逐渐增大。
[0040]由于在升压变换器200刚启动时，控制电压VC的绝对值较小，短路保护开关MSCP未导通，几乎没有电流流过开关管M。随着控制电压VC的绝对值逐渐增大，当其增大到短路保护开关MSCP的导通阈值电压时，短路保护开关MSCP导通，开关管M中流过电流IL。电流IL逐渐增大，从而电流检测电阻器RS两端的检测电压VRS逐渐增大。当检测电压VRS增大到参考电压VREFl时，电流检测比较器CMPl的输出端输出高电平的电流检测信号SCMP1。该高电平的电流检测信号SCMPl使得第二开关S2断开，从而，电流源IS停止下拉控制电压VC0另外，该高电平的电流检测信号SCMPl还复位第二触发电路TR2，第二触发电路TR2在其输出端产生低电平的第二触发信号STR2。由于此时第一触发电路TRl未使能，其提供的第一触发信号STRl亦为低电平，因此或门电路OR输出低电平的开关控制信号CTRL使得开关管M断开。此时，开关电路210由二极管D续流，输出电容器C上提供逐渐增大的输出电压V0UT。同时，计时电路TIM在高电平的电流检测信号SCMPl的触发下开始计时。
[0041]经过一预设时间后，计时电路--Μ输出高电平的计时信号SUM。计时信号SHM使能短路检测比较器CMP2，短路检测比较器CMP2开始比较参考电压VREF2和反馈信号VFB。若升压变换器200未出现短路，反馈信号VFB大于参考电压VREF2，则短路检测比较器CMP2在输出端产生低电平的短路检测信号SCP。此时，与门电路AND输出高电平的与门信号SAND,该高电平的与门信号SAND使第三开关S3导通，短路保护开关MSCP被完全导通，降低了损耗。另外，该高电平的与门信号SAND使能第一触发电路TR1。因此，升压变换器200开始正常工作。若升压变换器200出现短路，反馈信号VFB小于参考电压VREF2，则短路检测比较器CMP2在输出端产生高电平的短路检测信号SCP。该高电平的短路检测信号SCP导通第一开关SI，短路保护开关MSCP的控制电压VC为零，从而短路保护开关MSCP断开，以对升压变换器200提供短路保护。
[0042]升压变换器200正常工作时，第一触发电路TRl根据时钟信号OSC和脉宽调制比较信号SCMP3交替导通和关断开关管M。当时钟信号OSC的脉冲上升沿来临时，第一触发电路TRl输出高电平的第一触发信号STR1，继而或门电路OR输出高电平的开关控制信号CTRL使得开关管M导通，为电感器L和输出电容器C充电。此时，流过电感器L的电流逐渐增大，当其增大致使电流误差放大信号SAMPl大于电压误差放大信号SAMP2时,脉宽调制比较器CMP3输出高电平的脉宽调制比较信号SCMP3。该高电平的脉宽调制比较信号SCMP3复位第一触发电路TRl，使得第一触发电路TRl输出低电平的第一触发信号STRl，继而或门电路OR输出低电平的开关控制信号CTRL使得开关管M关断。此时，电流由二极管D续流，直到下一时钟信号OSC的上升沿到来。以`上动作不断重复，使得升压变换器200将输入电压VIN转换为输出电压V0UT。
[0043]图5示出依据本实用新型一个实施例的用于升压变换器的操作过程300。升压变换器包括开关电路和短路保护开关MSCP。短路保护开关MSCP具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至输入电压。开关电路包括电感器、开关管M、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至短路保护开关MSCP的第二端；开关管M具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感器的第二端，所述第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至续流元件的第二端，所述第二端连接至参考地。如图5所示，短路保护方法300包括步骤301~308。在步骤301中，升压变换器启动，进入步骤302。在步骤302中，开关管M导通；同时，向短路保护开关MSCP的控制端提供控制电压VC，该控制电压VC的绝对值逐渐增大。在一个实施例中，短路保护开关MSCP可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。在另一实施例中，短路保护开关MSCP可以为P型管或者N型管。当短路保护开关MSCP为P型管时，控制电压VC为负值；当短路保护开关MSCP为N型管时，控制电压VC为正值。
[0044]在步骤303中，检测流过开关管M的电流IL，并判断电流IL是否大于预设值ILref。若电流IL大于预设值ILref,则进入步骤304,断开开关管M,同时开始计时。在另一实施例中，步骤304还包括维持控制电压VC不变。若电流IL小于预设值ILref，则回到步骤302，继续导通开关管M，且继续增大控制电压VC的绝对值。在步骤305中，计时一段预设时间，短路保护方法300进入步骤306，判断升压变换器是否出现输出短路。在一个实施例中，判断升压变换器是否出现输出短路的步骤包括检测表示输出电压的反馈信号，并将反馈信号与参考电压进行比较，若反馈信号小于参考电压，则断定升压变换器输出短路；若反馈信号大于参考电压，则断定升压变换器未出现输出短路。若升压变换器未出现输出短路，则进入步骤308，升压变换器正常工作。若升压变换器出现短路，则进入步骤307，断开短路保护开关MSCP。
[0045]虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种用于升压变换器的控制器，其特征在于，升压变换器包括短路保护开关和开关电路，短路保护开关具有第一端、第二端和控制端，所述第一端接收输入电压，开关电路包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感器的第二端，所述第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，所述第二端连接至参考地，控制器包括: 短路保护控制电路，包括: 电流检测电路，判断流经开关管的电流是否达到预设值，依据判断结果产生电流检测信号; 计时电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，并依据电流检测信号产生计时信号; 短路检测电路，耦接至计时电路以接收计时信号，依据计时信号检测升压变换器是否短路，并依据检测结果产生短路检测信号；以及 控制电压产生电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至短路检测电路以接收短路检测信号，控制电压产生电路依据电流检测信号和短路检测信号控制提供至短路保护开关控制端的控制电压的大小；以及 开关控制电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至开关电路以接收表示输出电压的反馈信号，开关控制电路依据电流检测信号和反馈信号产生开关控制信号以控制开关管的导通与关断。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于: 升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管的第二端且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及 电流检测电路包括电流检测比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端接收第一参考电压，电流检测比较器比较检测电压和第一参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生电流检测信号。
3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，短路检测电路包括短路检测比较器，具有第一输入端、第二输入端、输出端和使能端，所述第一输入端耦接至开关电路以接收反馈信号，所述第二输入端接收第二参考电压，使能端耦接至计时电路以接收计时信号，短路检测比较器依据计时信号比较反馈信号和第二参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生短路检测信号。
4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，控制电压产生电路包括: 电容器，具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压，所述第二端耦接至短路保护开关的控制端； 第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第一端，所述第二端耦接至电容器的第二端，所述控制端耦接至短路检测电路以接收短路检测信号； 电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电容器的第二端；以及 第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电流源的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端耦接至电流检测电路以接收电流检测信号。
5.如权利要求4所述的控制器，其特征在于，控制电压产生电路还包括第三开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端受计时信号和短路检测信号的控制。
6.如权利要求1所述的控制器，其特征在于: 升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及 开关控制电路包括: 电流误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端连接至参考地，电流误差放大器放大检测电压，并在所述输出端产生电流误差放大信号； 电压误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收第三参考电压，所述第二输入端接收反馈信号，电压误差放大器放大第三参考电压与反馈信号之间的差值，并在所述输出端产生电压误差放大信号； 脉宽调制比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电压误差放大器的输出端以接收电压误差放大信号，所述第二输入端耦接至电流误差放大器的输出端以接收电流误差放大信号，脉宽调制比较器比较电流误差放大信号和电压误差放大信号，并在所述输出端产生脉宽调制比较信号；以及 第一触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收时钟信号，所述复位端耦接至脉宽调制比较器的输出端以接收脉宽调制比较信号，所述输出端耦接至开关管的控制端且提供第一触发信号以控制开关管的导通与关断。
7.如权利要求6所述的控制器，其`特征在于: 控制电压产生电路还包括与门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至计时电路以接收计时信号，所述第二输入端耦接至短路检测电路以接收和短路检测信号反相的信号，所述输出端产生与门信号以提供至第三开关的控制端，其中，第一触发电路还具有使能端，所述使能端接收与门信号；以及 开关控制电路还包括第二触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收电路启动信号，所述复位端耦接至电流检测比较器的输出端以接收电流检测比较信号，所述输出端提供第二触发信号；以及或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至第一触发电路的输出端以接收第一触发信号，所述第二输入端耦接至第二触发电路的输出端以接收第二触发信号，所述输出端产生开关控制信号以提供至开关管的控制端。
8.一种升压变换器，其特征在于，包括: 短路保护开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端接收输入电压； 开关电路，包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感器的第二端，所述第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，所述第二端连接至参考地；以及根据权利要求1至7中任一权利要求所述的控制器。
9.如权利要求8所述的升压变换器，其特征在于，短路保护开关包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
【文档编号】H02M3/155GK203674692SQ201420014903
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】李伊珂, 郭王瑞 申请人:成都芯源系统有限公司
【专利摘要】公开了升压变换器以及用于升压变换器的控制器。升压变换器包括短路保护开关以及开关管。升压变换器启动时，导通开关管，提供控制电压至短路保护开关以逐渐导通短路保护开关；判断流经开关管的电流是否大于预设值；若该电流大于预设值，则断开开关管，同时开始计时；计时一段预设时间后，检测升压变换器是否出现输出短路；以及若升压变换器出现输出短路，则断开短路保护开关，从而为升压变换器提供保护。
【专利说明】升压变换器以及用于升压变换器的控制器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子电路，尤其涉及升压变换器及其控制器。
【背景技术】
[0002]在升压变换器中，若出现输出短路，可能会损坏器件。因此，应为升压变换器提供短路保护。
[0003]现有的一种短路保护方法是在升压变换器的开关电路和输入电压之间耦接一短路保护开关。当检测到升压变换器出现输出短路时，断开短路保护开关，从而实现短路保护。
[0004]为节约成本和/或提高电路特性，在现有技术中常采用外接短路保护开关。对于外接短路保护开关来说，其导通阈值电压通常是未知的。因此，在设计升压变换器的控制芯片时，由控制芯片提供至外接短路保护开关控制端的电压应留有足够裕量，以使控制芯片能够开启大部分外接短路保护开关。
[0005]在现有技术中，对于上述短路保护方法，常在升压变换器启动之后一预设的固定时刻去检测判断升压变换器是否出现输出短路。然而，由于外接短路保护开关的导通阈值电压不固定，因而该短路保护方法存在不准确、不及时的问题。图1利用时间轴示出现有短路保护方法的工作原理。如图1所示，tl表示升压变换器启动时刻，t2表示外接短路保护开关导通的时刻，t3表示短路检测判断时刻；T1为tl时刻至t2时刻之间的时间，T2为t2时刻至t3时刻之间的时间，T3为tl时刻至t3时刻之间的时间。如前所述，t3时刻为升压变换器启动之后一预设的固定时刻，因而T3时段为固定值。而t2时刻和外接短路保护开关的导通阈值电压相关。若外接短路保护开关的导通阈值电压较大，则Tl时段较长，即T2时段较短，开关电路中的输出电容器可能还未充够电，短路判断不准确；若外接短路保护开关的导通阈值电压较小，则Tl时段较短，即T2时段较长，输出短路可能已经发生很久，器件已经损坏，短路判断不及时。
实用新型内容
[0006]针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供具有短路保护功能的升压变换器及其控制器。
[0007]根据本实用新型实施例的一种用于升压变换器的控制器，该升压变换器包括短路保护开关和开关电路，短路保护开关具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收输入电压，开关电路包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，其第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电感器的第二端，其第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，其第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，其第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，其第二端连接至参考地，控制器包括短路保护控制电路，包括电流检测电路，判断流经开关管的电流是否达到预设值，依据判断结果产生电流检测信号；计时电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，并依据电流检测信号产生计时信号；短路检测电路，耦接至计时电路以接收计时信号，依据计时信号检测升压变换器是否短路，并依据检测结果产生短路检测信号；以及控制电压产生电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至短路检测电路以接收短路检测信号，控制电压产生电路依据电流检测信号和短路检测信号控制提供至短路保护开关控制端的控制电压的大小；以及开关控制电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至开关电路以接收表示输出电压的反馈信号，开关控制电路依据电流检测信号和反馈信号产生开关控制信号以控制开关管的导通与关断。
[0008]根据一些实施例，升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管的第二端且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及电流检测电路包括电流检测比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端接收第一参考电压，电流检测比较器比较检测电压和第一参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生电流检测信号。
[0009]根据一些实施例，短路检测电路包括短路检测比较器，具有第一输入端、第二输入端、输出端和使能端，所述第一输入端耦接至开关电路以接收反馈信号，所述第二输入端接收第二参考电压，使能端耦接至计时电路以接收计时信号，短路检测比较器依据计时信号比较反馈信号和第二参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生短路检测信号。
[0010]根据一些实施例，控制电压产生电路包括:电容器，具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压，所述第二端耦接至短路保护开关的控制端；第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第一端，所述第二端耦接至电容器的第二端，所述控制端耦接至短路检测电路以接收短路检测信号；电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电容器的第二端；以及第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电流源的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端耦接至电流检测电路以接收电流检测信号。
[0011]根据一些实施例，控制电压产生电路还包括第三开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端受计时信号和短路检测信号的控制。
[0012]根据一些实施例，升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及开关控制电路包括:电流误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端连接至参考地，电流误差放大器放大检测电压，并在所述输出端产生电流误差放大信号；电压误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收第三参考电压，所述第二输入端接收反馈信号，电压误差放大器放大第三参考电压与反馈信号之间的差值，并在所述输出端产生电压误差放大信号；脉宽调制比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电压误差放大器的输出端以接收电压误差放大信号，所述第二输入端耦接至电流误差放大器的输出端以接收电流误差放大信号，脉宽调制比较器比较电流误差放大信号和电压误差放大信号，并在所述输出端产生脉宽调制比较信号；以及第一触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收时钟信号，所述复位端耦接至脉宽调制比较器的输出端以接收脉宽调制比较信号，所述输出端耦接至开关管的控制端且提供第一触发信号以控制开关管的导通与关断。
[0013]根据一些实施例,控制电压产生电路还包括与门电路,具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至计时电路以接收计时信号，所述第二输入端耦接至短路检测电路以接收和短路检测信号反相的信号，所述输出端产生与门信号以提供至第三开关的控制端，其中，第一触发电路还具有使能端，所述使能端接收与门信号；以及开关控制电路还包括第二触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收电路启动信号，所述复位端耦接至电流检测比较器的输出端以接收电流检测比较信号，所述输出端提供第二触发信号；以及或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至第一触发电路的输出端以接收第一触发信号，所述第二输入端耦接至第二触发电路的输出端以接收第二触发信号，所述输出端产生开关控制信号以提供至开关管的控制端。
[0014]根据本实用新型实施例的一种升压变换器，该升压变换器包括短路保护开关，具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收输入电压；开关电路，包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，其第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电感器的第二端，其第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，其第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，其第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，其第二端连接至参考地；以及控制器，该控制器包括短路保护控制电路，包括电流检测电路，判断流经开关管的电流是否达到预设值，依据判断结果产生电流检测信号；计时电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，并依据电流检测信号产生计时信号；短路检测电路，耦接至计时电路以接收计时信号，依据计时信号检测升压变换器是否短路，并依据检测结果产生短路检测信号；以及控制电压产生电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至短路检测电路以接收短路检测信号，控制电压产生电路依据电流检测信号和短路检测信号控制提供至短路保护开关控制端的控制电压的大小；以及开关控制电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至开关电路以接收表示输出电压的反馈信号，开关控制电路依据电流检测信号和反馈信号产生开关控制信号以控制开关管的导通与关断。
[0015]根据一些实施例，短路保护开关包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
[0016]在本实用新型的实施例中，短路保护电路能够及时、准确地检测升压变换器是否出现短路。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1利用时间轴示出现有短路保护方法的工作原理。
[0018]图2示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器100。
[0019]图3利用时间轴示出图2所示短路保护电路的工作原理。
[0020]图4示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器200。
[0021]图5示出依据本实用新型一个实施例的用于升压变换器的操作过程300。
【具体实施方式】
[0022]下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是:不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。
[0023]在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件” “连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0024]图2示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器100。如图2所示，升压变换器100包括开关电路110、控制器120以及短路保护开关MSCP。
[0025]开关电路110采用非同步升压变换拓扑，包括电感器L、输出电容器C、开关管M和二极管D。其中，电感器L具有第一端和第二端；二极管D具有阳极和阴极，其阳极耦接至电感器L的第二端；输出电容器C具有第一端和第二端，其第一端耦接至二极管D的阴极，其第二端连接至参考地；开关管M具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电感器L的第二端，其第二端耦接至参考地。开关电路210通过控制开关管M的导通与关断，将输入电压VIN转换为输出电压V0UT。输出电容器C两端的电压即为输出电压V0UT。在一个实施例中，开关电路110中的二极管D可由其它续流元件代替，如由晶体管代替，升压变换器100采用同步变换拓扑。在一个实施例中，控制器120集成制作为控制芯片，二极管D可外接于控制芯片外，开关管M可集成在控制芯片内。在又一个实施例中，开关电路110中的开关管可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
[0026]控制器120包括开关控制电路121和短路保护控制电路122。短路保护开关MSCP和短路保护控制电路122 —起形成短路保护电路。短路保护开关MSCP具有第一端、第二端和控制端。其中，第一端接收输入电压VIN，第二端耦接至电感器L的第一端以在短路保护开关MSCP导通时向开关电路110提供输入电压VIN。在一个实施例中，短路保护开关MSCP可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。在另一实施例中，短路保护开关MSCP可以为P型管或者N型管。在又一实施例中，短路保护开关MSCP可以集成于控制器120所在芯片之内或外接于控制器120所在芯片之外。
[0027]短路保护控制电路122包括电流检测电路1221、计时电路1222、短路检测电路1223以及控制电压产生电路1224。电流检测电路1221判断流经开关管的电流IL是否达到预设值ILref，电流检测电路1221根据判断结果产生电流检测信号SCMP1。计时电路1222耦接至电流检测电路1221以接收电流检测信号SCMPl，并依据电流检测信号SCMPl产生计时信号STIM。短路检测电路1223耦接至计时电路1222以接收计时信号STIM，并依据计时信号STM检测升压变换器100是否出现短路，从而产生短路检测信号SCP。控制电压产生电路1224耦接至电流检测电路1221以接收电流检测信号SCMPl，并依据电流检测信号SCMPl控制提供至短路保护开关MSCP控制端的控制电压VC的大小。控制电压产生电路1224还耦接至短路检测电路1223以接收短路检测信号SCP，并依据短路检测信号SCP控制短路保护开关MSCP控制端的控制电压VC，以控制短路保护开关MSCP的导通与关断。
[0028]开关控制电路121耦接至开关电路110以接收表示输出电压VOUT的反馈信号FB，且耦接至电流检测电路1221以接收电流检测信号SCMPl，并依据反馈信号FB和电流检测信号SCMPl产生开关控制信号CTRL以控制开关管M的导通与关断。开关控制电路121可以采用脉冲宽度调制方式或脉冲频率调制方式。在另一实施例中，开关控制电路121可以采用电流模式控制或电压模式控制等控制方法。
[0029]在升压变换器100启动时，开关控制电路121提供开关控制信号CTRL使开关管M导通。同时，控制电压产生电路1224提供控制电压VC至短路保护开关MSCP的控制端。其中，该控制电压VC的绝对值逐渐增大。因此，在升压变换器100刚启动时，由于控制电压VC的绝对值较小，短路保护开关MSCP未导通，几乎没有电流流过开关管M。随着控制电压VC的绝对值逐渐增大，当其达到短路保护开关MSCP的导通阈值电压时，短路保护开关MSCP导通，开关管M中流过电流IL且电流IL逐渐增大。当电流IL增大到预设值ILref时，控制电压产生电路1224根据电流检测信号SCMPl使控制电压VC的绝对值停止增大，保持恒定。开关控制电路121根据电流检测信号SCMPl输出开关控制信号CTRL以使开关管M关断。同时，计时电路1222根据电流检测信号SCMPl开始计时。在预设的计时时间后，计时信号STIM使短路检测电路1223使能，短路检测电路1223开始检测升压变换器100是否出现短路。若升压变换器100出现短路，则控制电压产生电路1224根据短路检测信号SCP关断短路保护开关MSCP。若升压变换器100未出现短路，则控制电压产生电路1224根据短路检测信号SCP使短路保护开关MSCP完全导通，升压变换器100正常工作。
[0030]图3利用时间轴示出图2所示短路保护电路的工作原理。如图3所示，tl’表示升压变换器启动时刻，t2’表示电流IL增大到预设值ILref的时刻，t3’表示短路检测判断时刻；Τ1'为tl’时刻至t2’时刻之间的时间，T2’为t2’时刻至t3’时刻之间的时间，T3’为tl’时刻至t3’时刻之间的时间。如前所述，T2’时段为时刻t2’起，且由计时电路1222预先设定的一固定值。虽然电流IL增大到预设值ILref的时刻t2’和短路保护开关MSCP的导通阈值电压大小相关，然而时段T2’的时长与短路保护开关MSCP的导通阈值电压大小无关。因此，根据本实用新型图2所示实施例提出的短路保护电路能够及时、准确地检测升压变换器100是否出现短路。
[0031]图4示出依据本实用新型一个实施例的升压变换器200。如图4所示，升压变换器200包括短路保护开关MSCP、开关电路210、电流检测电阻RS、控制器220和反馈电路230。
[0032]开关电路210的结构与图2中所示开关电路110的结构类似，对其相同结构此处不再累述，而只对其不同之处进行描述。如图4所示，在开关电路210中，开关管M的第二端耦接至电流检测电阻RS的一端，且电流检测电阻RS的该端提供检测电压VRS，电流检测电阻RS的另一端连接至参考地。在另一实施例中，电流检测电阻器RS可由开关管M的导通电阻代替。在该实施例中，开关管M的第二端连接至参考地，电流误差放大器AMPl的同相输入端耦接至开关管M的第一端，其反相输入端连接至参考地。
[0033]反馈电路230耦接至输出电容器C以接收输出电压V0UT，并依据输出电压VOUT产生反馈信号VFB。在一个实施例中，反馈电路230包括由电阻器Rl和R2串联组成的电阻分压器。
[0034]控制器220包括开关控制电路221和短路保护控制电路222。在图4所示实施例中，开关控制电路221采用峰值电流模式控制。如图4所示，开关控制电路221包括电流误差放大器AMPl、电压误差放大器AMP2、脉宽调制比较器CMP3和第一触发电路TRl。电流误差放大器AMPl具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端耦接至电流检测电阻器RS的第一端，其反相输入端连接至参考地，电流误差放大器AMPl放大电流检测电阻器RS两端的检测电压VRS且在其输出端产生电流误差放大信号SAMPl。
[0035]电压误差放大器AMP2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收参考电压VREF3，其反相输入端耦接至反馈电路230以接收反馈信号VFB。电压误差放大器AMP2放大参考电压VREF3与反馈信号VFB之间的差值且在其输出端产生电压误差放大信号SAMP2。在图4所示实施例中，电压误差放大信号SAMP2经过由电阻器RC和电容器CC组成的补偿电路补偿后提供至脉宽调制比较器CMP3。在另一实施例中，电压误差放大信号SAMP2可以不经过补偿，直接提供至脉宽调制比较器CMP3。脉宽调制比较器CMP3具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端耦接至电流误差放大器AMPl的输出端以接收电流误差放大信号SAMPl，其反相输入端耦接至电压误差放大器AMP2的输出端以接收电压误差放大信号SAMP2，脉宽调制比较器CMP3将电流误差放大信号SAMPl和电压误差放大信号SAMP2进行比较且在其输出端产生脉宽调制比较信号SCMP3。第一触发电路TRl具有置位端S、复位端R、输出端Q和使能端EN，其置位端S接收时钟信号0SC，其复位端R耦接至脉宽调制比较器CMP3的输出端以接收脉宽调制比较信号SCMP3，第一触发电路TRl根据时钟信号0SC、脉宽调制比较信号SCMP3以及使能端EN接收的信号在其输出端Q产生第一触发信号STR1。第一触发电路TRl的输出端耦接至开关管M的控制端，以使第一触发信号STRl控制开关管M的导通与关断。
[0036]短路保护开关MSCP和短路保护控制电路222 —起形成短路保护电路。短路保护开关MSCP采用P型M0SFET，具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收输入电压VIN，其第二端耦接至电感器L的第一端。短路保护控制电路222包括电流检测电路、计时电路TIM、短路检测电路和控制电压产生电路2221。电流检测电路包括电流检测比较器CMPl。电流检测比较器CMPl具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端耦接至电流检测电阻器RS的第一端以接收检测电压VRS，其反相输入端接收参考电压VREFl，电流检测比较器CMPl将检测电压VRS与参考电压VREFl进行比较且在其输出端产生电流检测信号SCMP1。计时电路TIM耦接至电流检测比较器CMPl的输出端以接收电流检测信号SCMP1，并依据电流检测信号SCMPl产生计时信号STIM。短路检测电路包括短路检测比较器CMP2。短路检测比较器CMP2具有同相输入端、反相输入端、使能端和输出端，其同相输入端接收参考信号VREF2，其反相输入端耦接至反馈电路230以接收反馈信号VFB，其使能端耦接至计时电路TM以接收计时信号STIM，短路检测比较器CMP2在使能时将参考信号VREF2和反馈信号VFB进行比较且在其输出端产生短路检测信号SCP。
[0037]控制电压产生电路2221包括电容器CC、电流源IS、第一开关SI和第二开关S2。其中，电容器CC具有第一端和第二端，其第一端接收输入电压VIN，其第二端耦接至短路保护开关MSCP的控制端以为短路保护开关MSCP提供端电压VC。第一开关SI具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电容器CC的第一端，其第二端耦接至电容器CC的第二端，其控制端耦接至短路检测比较器CMP2的输出端以接收短路检测信号SCP。电流源IS具有第一端和第二端，其第一端耦接至第一开关SI的第二端。电流源IS具有从其第一端流向第二端的电流。第二开关S2具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电流源IS的第二端，其第二端连接至参考地，其控制端耦接至电流检测比较器CMPl的输出端以接收电流检测信号SCMP1。在图4所示实施例中，控制电压产生电路2221还包括第三开关S3。第三开关S3具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电容器CC的第二端，其第二端连接至参考地。
[0038]在图4所示实施例中，开关控制电路221还包括第二触发电路TR2和或门电路0R，控制电压产生电路2221还包括与门电路AND。第二触发电路TR2具有置位端S、复位端R和输出端Q，其置位端S接收电路启动信号STRT，其复位端R耦接至电流检测比较器CMPl的输出端以接收电流检测信号SCMP1，第二触发电路TR2根据电路启动信号STRT和电流检测信号SCMPl在其输出端Q产生第二触发信号STR2。或门电路OR具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至第一触发电路TRl以接收第一触发信号STR1，其第二输入端耦接至第二触发电路TR2以接收第二触发信号STR2，或门电路OR根据第一触发信号STRl和第二触发信号STR2在其输出端产生开关控制信号CTRL以提供至开关管M的控制端去控制开关管M的导通与关断。与门电路AND具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至计时电路TIM的输出端以接收计时信号STIM，其第二输入端耦接至短路检测比较器CMP2的输出端以接收短路检测信号SCP的反相信号，与门电路AND根据计时信号STIM和短路检测信号SCP在其输出端产生与门信号SAND以提供至第三开关S3的控制端以及第一触发电路TRl的使能端EN。在图4所示实施例中，第一触发电路TR1、第二触发电路TR2、与门电路AND和或门电路OR只是示例性的，在其它实施例中，可由其它形式的逻辑电路实现。
[0039]在升压变换器200启动时，电路启动信号STRT提供至第二触发电路TR2的置位端S，因而第二触发电路TR2在其输出端产生高电平的第二触发信号STR2以提供至或门电路OR的第二输入端，因此或门电路OR输出高电平的开关控制信号CTRL使开关管M导通。同时，由于短路检测比较器CMP2未使能，其输出低电平的短路检测信号SCP以使第一开关SI断开。另外，由于检测电压VRS小于第一参考信号VREFl，电流检测比较CMPl输出低电平的电流检测信号SCMPl以提供至第二开关S2的控制端，使得第二开关S2导通。而且，由于计时电路TIM未开始计时，计时电路TIM输出低电平的计时信号SHM以提供至与门电路AND的第一输入端，因而与门电路AND的输出端输出低电平的与门信号SAND使第三开关S3断开。因此，电流源IS下拉短路保护开关MSCP的控制电压VC，控制电压VC的绝对值逐渐增大。
[0040]由于在升压变换器200刚启动时，控制电压VC的绝对值较小，短路保护开关MSCP未导通，几乎没有电流流过开关管M。随着控制电压VC的绝对值逐渐增大，当其增大到短路保护开关MSCP的导通阈值电压时，短路保护开关MSCP导通，开关管M中流过电流IL。电流IL逐渐增大，从而电流检测电阻器RS两端的检测电压VRS逐渐增大。当检测电压VRS增大到参考电压VREFl时，电流检测比较器CMPl的输出端输出高电平的电流检测信号SCMP1。该高电平的电流检测信号SCMPl使得第二开关S2断开，从而，电流源IS停止下拉控制电压VC0另外，该高电平的电流检测信号SCMPl还复位第二触发电路TR2，第二触发电路TR2在其输出端产生低电平的第二触发信号STR2。由于此时第一触发电路TRl未使能，其提供的第一触发信号STRl亦为低电平，因此或门电路OR输出低电平的开关控制信号CTRL使得开关管M断开。此时，开关电路210由二极管D续流，输出电容器C上提供逐渐增大的输出电压V0UT。同时，计时电路TIM在高电平的电流检测信号SCMPl的触发下开始计时。
[0041]经过一预设时间后，计时电路--Μ输出高电平的计时信号SUM。计时信号SHM使能短路检测比较器CMP2，短路检测比较器CMP2开始比较参考电压VREF2和反馈信号VFB。若升压变换器200未出现短路，反馈信号VFB大于参考电压VREF2，则短路检测比较器CMP2在输出端产生低电平的短路检测信号SCP。此时，与门电路AND输出高电平的与门信号SAND,该高电平的与门信号SAND使第三开关S3导通，短路保护开关MSCP被完全导通，降低了损耗。另外，该高电平的与门信号SAND使能第一触发电路TR1。因此，升压变换器200开始正常工作。若升压变换器200出现短路，反馈信号VFB小于参考电压VREF2，则短路检测比较器CMP2在输出端产生高电平的短路检测信号SCP。该高电平的短路检测信号SCP导通第一开关SI，短路保护开关MSCP的控制电压VC为零，从而短路保护开关MSCP断开，以对升压变换器200提供短路保护。
[0042]升压变换器200正常工作时，第一触发电路TRl根据时钟信号OSC和脉宽调制比较信号SCMP3交替导通和关断开关管M。当时钟信号OSC的脉冲上升沿来临时，第一触发电路TRl输出高电平的第一触发信号STR1，继而或门电路OR输出高电平的开关控制信号CTRL使得开关管M导通，为电感器L和输出电容器C充电。此时，流过电感器L的电流逐渐增大，当其增大致使电流误差放大信号SAMPl大于电压误差放大信号SAMP2时,脉宽调制比较器CMP3输出高电平的脉宽调制比较信号SCMP3。该高电平的脉宽调制比较信号SCMP3复位第一触发电路TRl，使得第一触发电路TRl输出低电平的第一触发信号STRl，继而或门电路OR输出低电平的开关控制信号CTRL使得开关管M关断。此时，电流由二极管D续流，直到下一时钟信号OSC的上升沿到来。以`上动作不断重复，使得升压变换器200将输入电压VIN转换为输出电压V0UT。
[0043]图5示出依据本实用新型一个实施例的用于升压变换器的操作过程300。升压变换器包括开关电路和短路保护开关MSCP。短路保护开关MSCP具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至输入电压。开关电路包括电感器、开关管M、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至短路保护开关MSCP的第二端；开关管M具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感器的第二端，所述第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至续流元件的第二端，所述第二端连接至参考地。如图5所示，短路保护方法300包括步骤301~308。在步骤301中，升压变换器启动，进入步骤302。在步骤302中，开关管M导通；同时，向短路保护开关MSCP的控制端提供控制电压VC，该控制电压VC的绝对值逐渐增大。在一个实施例中，短路保护开关MSCP可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。在另一实施例中，短路保护开关MSCP可以为P型管或者N型管。当短路保护开关MSCP为P型管时，控制电压VC为负值；当短路保护开关MSCP为N型管时，控制电压VC为正值。
[0044]在步骤303中，检测流过开关管M的电流IL，并判断电流IL是否大于预设值ILref。若电流IL大于预设值ILref,则进入步骤304,断开开关管M,同时开始计时。在另一实施例中，步骤304还包括维持控制电压VC不变。若电流IL小于预设值ILref，则回到步骤302，继续导通开关管M，且继续增大控制电压VC的绝对值。在步骤305中，计时一段预设时间，短路保护方法300进入步骤306，判断升压变换器是否出现输出短路。在一个实施例中，判断升压变换器是否出现输出短路的步骤包括检测表示输出电压的反馈信号，并将反馈信号与参考电压进行比较，若反馈信号小于参考电压，则断定升压变换器输出短路；若反馈信号大于参考电压，则断定升压变换器未出现输出短路。若升压变换器未出现输出短路，则进入步骤308，升压变换器正常工作。若升压变换器出现短路，则进入步骤307，断开短路保护开关MSCP。
[0045]虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种用于升压变换器的控制器，其特征在于，升压变换器包括短路保护开关和开关电路，短路保护开关具有第一端、第二端和控制端，所述第一端接收输入电压，开关电路包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感器的第二端，所述第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，所述第二端连接至参考地，控制器包括: 短路保护控制电路，包括: 电流检测电路，判断流经开关管的电流是否达到预设值，依据判断结果产生电流检测信号; 计时电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，并依据电流检测信号产生计时信号; 短路检测电路，耦接至计时电路以接收计时信号，依据计时信号检测升压变换器是否短路，并依据检测结果产生短路检测信号；以及 控制电压产生电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至短路检测电路以接收短路检测信号，控制电压产生电路依据电流检测信号和短路检测信号控制提供至短路保护开关控制端的控制电压的大小；以及 开关控制电路，耦接至电流检测电路以接收电流检测信号，且耦接至开关电路以接收表示输出电压的反馈信号，开关控制电路依据电流检测信号和反馈信号产生开关控制信号以控制开关管的导通与关断。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于: 升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管的第二端且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及 电流检测电路包括电流检测比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端接收第一参考电压，电流检测比较器比较检测电压和第一参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生电流检测信号。
3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，短路检测电路包括短路检测比较器，具有第一输入端、第二输入端、输出端和使能端，所述第一输入端耦接至开关电路以接收反馈信号，所述第二输入端接收第二参考电压，使能端耦接至计时电路以接收计时信号，短路检测比较器依据计时信号比较反馈信号和第二参考电压，并根据比较结果在所述输出端产生短路检测信号。
4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，控制电压产生电路包括: 电容器，具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压，所述第二端耦接至短路保护开关的控制端； 第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第一端，所述第二端耦接至电容器的第二端，所述控制端耦接至短路检测电路以接收短路检测信号； 电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电容器的第二端；以及 第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电流源的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端耦接至电流检测电路以接收电流检测信号。
5.如权利要求4所述的控制器，其特征在于，控制电压产生电路还包括第三开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容器的第二端，所述第二端连接至参考地，所述控制端受计时信号和短路检测信号的控制。
6.如权利要求1所述的控制器，其特征在于: 升压变换器还包括电流检测电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至开关管且提供检测电压，所述第二端连接至参考地；以及 开关控制电路包括: 电流误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电阻的第一端以接收检测电压，所述第二输入端连接至参考地，电流误差放大器放大检测电压，并在所述输出端产生电流误差放大信号； 电压误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收第三参考电压，所述第二输入端接收反馈信号，电压误差放大器放大第三参考电压与反馈信号之间的差值，并在所述输出端产生电压误差放大信号； 脉宽调制比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电压误差放大器的输出端以接收电压误差放大信号，所述第二输入端耦接至电流误差放大器的输出端以接收电流误差放大信号，脉宽调制比较器比较电流误差放大信号和电压误差放大信号，并在所述输出端产生脉宽调制比较信号；以及 第一触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收时钟信号，所述复位端耦接至脉宽调制比较器的输出端以接收脉宽调制比较信号，所述输出端耦接至开关管的控制端且提供第一触发信号以控制开关管的导通与关断。
7.如权利要求6所述的控制器，其`特征在于: 控制电压产生电路还包括与门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至计时电路以接收计时信号，所述第二输入端耦接至短路检测电路以接收和短路检测信号反相的信号，所述输出端产生与门信号以提供至第三开关的控制端，其中，第一触发电路还具有使能端，所述使能端接收与门信号；以及 开关控制电路还包括第二触发电路，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收电路启动信号，所述复位端耦接至电流检测比较器的输出端以接收电流检测比较信号，所述输出端提供第二触发信号；以及或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至第一触发电路的输出端以接收第一触发信号，所述第二输入端耦接至第二触发电路的输出端以接收第二触发信号，所述输出端产生开关控制信号以提供至开关管的控制端。
8.一种升压变换器，其特征在于，包括: 短路保护开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端接收输入电压； 开关电路，包括电感器、开关管、续流元件以及输出电容器，电感器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至短路保护开关的第二端；开关管具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感器的第二端，所述第二端耦接至参考地；续流元件具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第二端；输出电容器具有第一端和第二端，所述第一端耦接至续流元件的第二端且提供输出电压，所述第二端连接至参考地；以及根据权利要求1至7中任一权利要求所述的控制器。
9.如权利要求8所述的升压变换器，其特征在于，短路保护开关包括P型金属氧化物半导体场效应晶体管。
【文档编号】H02M3/155GK203674692SQ201420014903
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】李伊珂, 郭王瑞 申请人:成都芯源系统有限公司
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