CN101212134B

CN101212134B - 升压型开关电源的过压保护电路

Info

Publication number: CN101212134B
Application number: CN2006101481447A
Authority: CN
Inventors: 马先林; 曹正军; 蒋浩; 鲁燕宁
Original assignee: CR Powtech Shanghai Ltd
Current assignee: CRM ICBG Wuxi Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: CN101212134A

Abstract

本发明提供一种适用于升压型开关电源的过压保护电路，包括分压电路和电压比较器，所述电压比较器比较所述分压电路的输出电压和基准电压后，送入控制逻辑电路得到控制信号，所述过压保护电路进一步包括：一采样降压电路，其输入端连接所述开关电源的漏极，其输出端连接所述分压电路的输入端，用于采样所述开关电源的漏极电压并进行降压。本发明过压保护电路相对于其他的过压保护方法，采用二极管的反向击穿电压作为检测是否过压的条件，实现结构简单，成本较低。而且通过SW管脚进行检测输出电压，避免了通过检测VOUT管脚判断是否过压，减少了芯片外部管脚，节省了封装成本。

Description

升压型开关电源的过压保护电路

技术领域

本发明涉及一种适用于升压型开关电源的过压保护电路。

背景技术

升压型开关电源芯片的功能在于，以较低电压作为电源得到较高输出电压，通过调节芯片外部分压网络的分压系数而调节输出电压。当升压型开关电源芯片的外部应用电路的分压系数设置不当，或者芯片的引脚设置错误，有可能使得芯片的反馈电压被误设置至其他电位，从而导致输出电压超出正常的工作范围。现有工艺技术的不断进步使得芯片的尺寸越来越小，芯片的耐击穿电压也越来越小。当输出电压高出MOS晶体管的源漏击穿电压时，有可能使得MOS晶体管被击穿，形成对地的低阻通路，MOS晶体管会被烧毁。所以需要采取一定的过压保护机制加以保护。图1是升压型开关电源芯片10的应用框图。芯片10外部的管脚主要包括VIN、EN、SW、FB和GND。传统的过压保护方法是通过采样输出电压VOUT来实现过压阈值的比较，所以会需要额外的管脚。图2是传统过压保护电路图。它包括：电阻网络11、电压比较器12、基准电压电路13和控制逻辑电路14。这种保护电路通过电阻网络11实现分压，采样输出VOUT信号，与基准电压电路13通过比较器12比较得到的结果输出到控制逻辑电路14，然后得到控制逻辑电路14的处理结果OUT信号作为系统的关断信号。但是对于高输出电压来说，电阻网络11的阻值太小的话会导致芯片功耗过大，而将电阻网络11的阻值取得较大的话可能会耗费较大的芯片面积，增加了芯片成本。

发明内容

为避免上述方法带来的缺陷，本发明提出了一种新的具有过压保护功能的电路。与传统电路不同的是，本发明采样开关电源的MOS开关管的漏极电压SW信号，以二极管的反向击穿电压作为判断输出电压是否过压的依据。SW信号通常是脉冲信号，它通过续流肖特基二极管与VOUT信号相连，其最大值为VOUT信号加上V_D(续流肖特基二极管的正向导通压降)，V_D一般只有零点几伏，与VOUT信号相比较小，所以可以认为采样SW信号等同于采样VOUT信号。当SW端电压高于设定阈值电压时，二极管被反向击穿，采样进来的电压与参考电压比较后，比较器翻转，然后控制逻辑做出相应的处理。

本实用新型的技术方案为，一种适用于升压型开关电源的过压保护电路，包括分压电路和电压比较器，所述电压比较器比较所述分压电路的输出电压和基准电压后，送入控制逻辑电路得到控制信号，所述过压保护电路进一步包括：一采样降压电路，其输入端连接所述开关电源的漏极，其输出端连接所述分压电路的输入端，用于采样所述开关电源的漏极电压并进行降压。

比较好的是，所述采样降压电路包括反向串联的第一PN二极管和第二PN二极管和一电容，其中第一PN二极管的第一端连接所述开关电源的漏极，其第二端连接第二PN二极管的第一端，所述第一PN二极管的第二端与所述电容第一端相接，所述电容的第二端接地，所述第二PN二极管的第二端进一步串联所述分压电路，所述第一PN二极管的反向击穿电压用于判断所述采样电压是否过压，所述第二PN二极管反向阻断所述漏极采样电压。

比较好的是，所述分压电路包括两串联的电阻，其中第一电阻的输入端连接所述采样降压电路的输出端，第一、第二电阻连接点与所述电压比较器的一输入端相连，所述第二电阻的另一端接地。

比较好的是，所述分压电路包括两个串联相接的PMOS晶体管组成，其中第一PMOS晶体管的栅极与漏极相接，其源极与所述采样降压电路中第二PN二极管的阴极相连，第二PMOS晶体管的栅极与漏极相接，其源极与第一PMOS管21的漏极相连。

比较好的是，所述第、第二PMOS晶体管具有相同的器件尺寸且电性匹配。

比较好的是，所述基准电压电路包括串联的具有负温度系数的电流源和电阻。

比较好的是，所述的电压比较器包括第一、第二、第六PMOS晶体管和第三、第四NMOS晶体管构成的差分比较电路，第七PMOS晶体管和第八NMOS晶体管构成二级放大电路，对所述差分比较电路的输出进行放大，第五、六、七PMOS晶体管构成电流镜，分别作为一级差分比较电路的尾电流和二级放大电路的偏置电流。

与传统的过压保护电路相比，本发明所提供的电路直接对SW端电压进行采样比较，避免了通过采样VOUT来实现过压保护功能，节省了芯片管脚，减轻了封装成本。另外以二极管的反向击穿电压作为采样电路的一部分，避免了使用电阻分压网络作为采样电路的缺点，节省了芯片的面积，有助于成本的优化。

本发明包括了采样电路，用于采样开关管的漏极电压SW信号；分压网络，用于将采样电路的结果进行进一步分压，以得到分压结果与基准参考电压进行比较；电压比较器，其作用在于比较分压网络的结果与基准电压，并将比较的结果输出至控制逻辑电路；基准电压，用于产生负温度系数的基准参考电压。控制逻辑电路，用于将比较器的输出结果进行相应的逻辑处理，得到系统关断信号。本发明电路与传统过压保护电路相比，减小了芯片面积，不需要额外的采样管脚，具有成本低的优势。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是传统的升压型开关电源的一个应用示意图；

图2传统的过压保护电路图；

图3是本发明的原理框图；

图4是图3中分压网络1的另一较佳实施例的电路图；

图5是图3中基准电压电路4的电路图；

图6是图3中控制逻辑电路5的电路图；

图7是本发明一过压保护电路实施例的电路图。

具体实施方式

以下参照附图描述本发明的具体工作情况。

图3是本发明的原理框图。它包括采样降压电路1，用于对升压型开关电源芯片内的开关MOS管的漏极电压进行采样，以测试输出电压是否过压；该采样降压电路1的输出连接分压电路2的输入端，对采样降压电路1的结果进行进一步的分压，因为二极管的反向击穿电压是相对固定的，所以分压电路1对结果进行进一步分压至基准电压电路5的基准电压的比较范围；分压后的输出电压送入电压比较器3，用于将分压电路2的结果与基准电压电路4相比较，并将电压比较器3的输出结果输出至控制逻辑电路5进行处理；该基准电压4是一个与负温度系数的基准电压，用于电压比较器2的基准电压；该控制逻辑电路5对比较器2的输出结果进行逻辑处理，并得到相应的系统控制信号。

其中，图3中的采样升压电路1包括两个PN二极管11、12和电容13。其中采样电路1中以PN二极管11的反向击穿电压作为判断输出电压是否过压的依据，根据不同的过压阈值，可选择不同二极管的反向击穿电压。PN二极管12起到反向阻断的作用，用于采样升压电路1结果的保持。因为图1中应用时SW端信号与开关管D1的漏极相连，当开关管D1开启导通时，SW端信号会被拉至地电位。如果PN二极管12不存在时，PN二极管11将处于正偏状态，采样进来的电压不再被保持。电容13的作用在于对采样的结果信号进行滤波，从而保证电压比较器2能够正确响应。这样采样升压电路1的采样结果为：

V_sample＝V_sw-V_rd11-V_d12

其中，V_sample为该采样升压电路1的输出电压，V_sw为SW端的采样电压，V_rd11为二极管11的正向击穿电压，V_rd12为二极管12的反向击穿电压。

该采样电压V_sample送入分压电路2中，该分压电路2包括分压电阻21和22。因为基于微电子工艺的二极管的反向击穿电压是相对固定的值，为了保证采样降压电路1的结果能够与基准电压进行正确的比较，需要将采样升压电路1的结果进行一定的分压。所以分压结果是：

V_{s} = V_{sample} \frac{R_{22}}{R_{21} + R_{22}}

其中，V_s是分压后的电压，R₂₁是电阻21的阻抗，R₂₂是电阻22的阻抗。

此外，图3中的分压电路2还可以采用图4中的两个串级PMOS晶体管21和22组成，其中PMOS晶体管21的栅极与漏极相接，形成二极管接法，其源极与采样降压电路1中PN二极管12的阴极相连。同样，PMOS晶体管22的栅极与漏极相接，形成二极管接法，其源极与PMOS管21的漏极相连。PMOS晶体管21、22需要具有相同的器件尺寸，并且尽量匹配以实现精确的分压。

图5是本发明电路中的基准电压电路的原理图，包括依次相连的具有负温度系数的电流源41和电阻42。因为二极管的反向击穿电压是正温度系数的，随着温度的上升，采样降压电路1的输出将会是负温度系数的。如果所用的基准电压是零温度系数(或正温度系数)的，那么会导致本发明的过压保护电路的阈值电压随着温度上升而上升，从而导致过压保护电路的判断结果不正确。所以通过负温度系数电流源41和电阻42实现负温度系数的基准电压以避免温度的影响。

图6是本发明的控制逻辑电路的一个电路示意图，其主要功能是实现模拟信号到数字信号的转换。当系统输出电压超过设定电压值时，过压保护电路的输出信号控制升压型开关电源内部的开关管，停止升压过程。一般控制开关管的信号是数字信号，噪声较大。所以通过控制逻辑完成模拟信号到数字信号的转换。

图6提供了本发明电路的具体实施电路图，包括：采样降压电路1、分压电路2、电压比较器3、基准电压电路4和控制逻辑电路5。其中，PN二极管11、12和电容13构成采样电路，PMOS晶体管21、22组成分压网络。PMOS晶体管31、32、36、37和NMOS晶体管33、34、38构成电压比较器。偏置电流Ibias与PMOS晶体管35的漏极相连，通过PMOS电流镜35、36镜象后作为电压比较器的尾电流。采样电路1将SW信号采集进来之后，通过分压网络与PMOS晶体管31的栅极相连，基准电压4与PMOS晶体管32的栅极相连，当采样信号Vs大于基准电压Vref时，由于PMOS晶体管36中的电流是一个相对恒定的值，所以PMOS晶体管31中流过的电流变小，而PMOS晶体管32中流过的电流变大。NMOS晶体管33、34中的电流分别等于PMOS晶体管31、32中的电流，而NMOS晶体管33、34是电流镜关系，所以NMOS晶体管34的漏极电压变高以满足电流的变化，NMOS晶体管34的漏极与NMOS晶体管38的栅极相连，所以NMOS晶体管38的漏极电压变为低电平。NMOS晶体管38的漏极输出作为电压比较器的输出连接至控制逻辑5做出相应的动作。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims

1.一种适用于升压型开关电源的过压保护电路，包括分压电路和电压比较器，所述电压比较器比较所述分压电路的输出电压和基准电压后，送入控制逻辑电路得到控制信号，所述过压保护电路进一步包括：

一采样降压电路，其输入端连接所述开关电源的漏极，其输出端连接所述分压电路的输入端，所述采样降压电路包括反向串联的第一PN二极管和第二PN二极管和一电容，其中第一PN二极管的阴极连接所述开关电源的漏极，其阳极连接第二PN二极管的阳极，所述第一PN二极管的阳极与所述电容第一端相接，所述电容的第二端接地，所述第二PN二极管的阴极进一步串联所述分压电路，所述第一PN二极管的反向击穿电压用于判断所述开关电源的漏极电压是否过压，所述第二PN二极管反向阻断所述开关电源的漏极电压，所述采样降压电路用于采样所述开关电源的漏极电压并进行降压。

2.根据权利要求1所述的适用于升压型开关电源的过压保护电路，其特征在于，

所述分压电路包括两串联的电阻，其中第一电阻的输入端连接所述采样降压电路的输出端，第一电阻、第二电阻连接点与所述电压比较器的一输入端相连，所述第二电阻的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的适用于升压型开关电源的过压保护电路，其特征在于，

所述分压电路由两个串联相接的PMOS晶体管组成，其中第一PMOS晶体管的栅极与漏极相接，其源极与所述采样降压电路中第二PN二极管的阴极相连，第二PMOS晶体管的栅极与漏极相接，其源极与第一PMOS晶体管的漏极相连。

4.根据权利要求3所述的适用于升压型开关电源的过压保护电路，其特征在于，

所述第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管具有相同的器件尺寸且电性匹配。

5.根据权利要求2或4所述的适用于升压型开关电源的过压保护电路，其特征在于，

所述基准电压电路包括串联的具有负温度系数的电流源和电阻。