CN102035181B - 一种开关电源中过流过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过流过压保护电路，特别是开关电源中的过流过压保护电路。该电路用来检测系统的输入电流和电压是否在芯片正常工作范围内，当电流或者电压超过系统正常工作范围时，该模块输出一个过流过压保护信号。当系统温度再次恢复正常工作电压电流范围时，该模块输出一个正常的过流过压信号。该保护电路可以集成在控制芯片中，以实现用最小的电路规模，提供可靠的保护结构。

Description

一种开关电源中过流过压保护电路

技术领域

本发明涉及一种过流过压保护电路，尤其是一种可集成在开关电源控制芯片中的过流过压保护电路。

背景技术

开关电源已经广泛地使用在各个领域，为各类设备提供工作电压。现有的开关电源技术一般包括控制芯片、驱动电路、开关电路、整流和滤波电路等。通常来说，控制芯片里面包含基准电路、电源管理电路、振荡电路以及各种保护电路等等。其中保护电路一般包含有过压保护、欠压保护、过流保护和过温保护等。本专利主要涉及保护电路中的过流和过压保护，并提供一种可以集成到控制芯片中的实用的电路结构，过流过压保护电路在开关电源中的应用如图1所示。

在开关电源在工作时，由于上电或掉电，以及外围器件的老化等原因会使电压和电流的大小不稳定，当超过设计容许范围时会导致输出不满足设计要求，甚至有可能造成器件烧坏，带来巨大的经济损失。因此，我们在设计开关电源的时候通常会加入过流过压保护电路，一旦开关电源内部的电流或者电压超过其允许的最大和最小值时，将停止内部电路的工作，为整个开关电源提供自身的保护，同时也保护了开关电源所供电的整机电路免遭破坏。而当电源内部电压和电流恢复到允许工作的范围时，又能重新激活开关电源使之正常工作。

通常来说，更多功能的加入，会使得系统更加复杂，不管芯片面积的增加还是板上电路的增加，都会导致面积的增大和成本的增加。所以作为一个必不可少的功能电路，怎样让其小型化、简单化而又不失精确度将是研究的重点方向。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种过流过压保护电路，旨在解决现有的过流过压保护电路保护点变化大，保护动作不可靠的问题。

按照本发明提供的技术方案，所述开关电源中过流过压保护电路包括：外部电源连接在第十PNP管、第十一PNP管、第十二PNP管、第十三PNP管的发射极端，同时外部电源连接第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻的一端，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻另一端分别连接第一PNP管发射极、第二PNP管发射极、第三PNP管发射极、第四PNP管发射极，第四电阻另一端同时还连接第七电阻的一端；偏置电压连接第一PNP管基极、第二PNP管基极、第三PNP管基极、第四PNP管基极，第一PNP管基极与第二PNP管基极相连，第一PNP管集电极与第二PNP管的集电极相连并连接第五电阻的一端，所述第五电阻的一端还连接第八NPN管的基极，第五电阻另一端连接第五PNP管发射极；第三PNP管基极与第四PNP管的基极相连，第三PNP管集电极与第四PNP管的集电极相连并连接第九NPN管基极以及第六电阻的一端，所述第六电阻的一端还连接第九NPN管基极，第六电阻另一端连接第六PNP管发射极；第五PNP管基极与过流过压采样信号相连，第五PNP管集电极接地；第六PNP管基极与基准电压相连，第六PNP管集电极接地；第十PNP管基极与第十一PNP管的基极相连，第十一PNP管基极与自身的集电极相连，第十一PNP管集电极与第九NPN管集电极相连；第十PNP管集电极与第八NPN管的集电极及第十二PNP管的集电极相连，第八NPN管发射极与第十四NPN管集电极相连，第九NPN管发射极与第十四NPN管的集电极相连，第十四NPN管发射极接地，第十四NPN管基极与第十五NPN管的基极相连；第十二PNP管基极与第十三PNP管的基极和自身的集电极相连，第十三PNP管集电极与第八电阻和第九电阻的一端相连，并且与输出端相连，第八电阻另一端接地，第九电阻另一端与第七NPN管的基极相连；第七电阻的另一端与第七NPN管的集电极相连，第七NPN管发射极接地；第十五NPN管发射极接地，第十五NPN管集电极与基准电流源相连；其集电极与自身的基极相连，其基极与第十四NPN管基极相连，向该比较器电路提供偏置电流。

本发明的优点是：本发明所提供的电路，可以用简单的电路结构，提供精确的、具有迟滞功能、可集成的过流过压保护解决方案。

附图说明

图1为过流过压保护电路在开关电源中的应用图。

图2为本发明过流过压保护电路结构图。

图3为图1中过流过压采样电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明所述的过流过压保护电路包括：(1)由电阻R1、R2、R5、PNP管Q1、Q2、Q5组成的电压输入第一支路；由电阻R3、R4、R6、PNP管Q3、Q4、Q6组成的电压输入第二支路；由NPN管Q8、Q9、PNP管Q10、Q11、Q12、Q13、NPN管Q14、Q15、电阻R8组成的比较器电路；由电阻R7、R9、NPN管Q7组成的迟滞电路；VDD为外部提供的电源，连接在Q10、Q11、Q12、Q13的发射极端，R1、R2、R3、R4的一端与VDD相连；Vref为外部提供的基准电压，连接在Q6的基极端；Vi为过流过压保护电路的输入信号正端，连接在Q5的基极端；Vout为输出电压，连接在R2与Q13的集电极之间。Iref为外部输入的基准电流源，与Q15的集电极相连。gnd为地端，与Q15、Q5、Q6、Q7、Q14的集电极和R8一端相连。

(2)R1为电阻，其一端与VDD相连；另一端连接Q1的发射极。

(3)R2为电阻，其一端与VDD相连；另一端连接Q2的发射极。

(4)R3为电阻，其一端与VDD相连；另一端连接Q3的发射极。

(5)R4为电阻，其一端与VDD相连；另一端连接Q4的发射极，并且还与R7相连。

(6)Q1为PNP管，其发射极与R1相连；其基极与偏置电压Vb和Q2的基极相连；其集电极与Q2的集电极及R5的一端相连。

(7)Q2为PNP管，其发射极与R2相连；其基极与偏置电压Vb和Q1的基极相连；其集电极与Q1的集电极及R5的一端相连。

(8)R5为电阻，其一端与Q1的集电极及Q2的集电极相连，并且与Q8的基极相连；另一端连接Q5的发射极。

(9)Q5为PNP管，其发射极与R5相连；其基极与过流过压采样信号Vi相连；其集电极gnd端相连。

(10)Q3为PNP管，其发射极与R3相连；其基极与偏置电压Vb和Q4的基极相连；其集电极与Q4的集电极及R6的一端相连。

(11)Q4为PNP管，其发射极与R4相连；其基极与偏置电压Vb和Q3的基极相连；其集电极与Q3的集电极及R6的一端相连。

(12)R6为电阻，其一端与Q3的集电极及Q4的集电极相连，并且与Q9的基极相连；另一端连接Q6的发射极。

(13)Q6为PNP管，其发射极与R6相连；其基极与基准电压Vref相连；其集电极gnd端相连。

(14)Q10为PNP管，其发射极与VDD相连；其基极与Q11的基极相连；其集电极与Q8的集电极及Q12的集电极相连。

(15)Q11为PNP管，其发射极与VDD相连；其基极与Q10的基极和自身的集电极相连；其集电极与Q9的集电极相连。

(16)Q8为NPN管，其发射极与Q14的集电极相连；其基极与Q1和Q2的集电极和R5的一端相连；其集电极与Q10和Q12的集电极相连。

(17)Q9为NPN管，其发射极与Q14的集电极相连；其基极与Q3和Q4的集电极和R6的一端相连；其集电极与Q11的集电极相连。

(18)Q14为NPN管，其发射极与gnd端相连；其基极与Q15的基极相连；其集电极与Q8和Q9的集电极相连。

(19)Q12为PNP管，其发射极与VDD相连；其基极与Q13的基极和自身的集电极相连；其集电极与Q10和Q8的集电极相连。

(20)Q13为PNP管，其发射极与VDD相连；其基极与Q12的基极相连；其集电极与R8和R9的一端相连，并且与输出端Vout相连。

(21)R8为电阻，其一端与Q13的集电极及输出端Vout相连；另一端连接gnd端。

(22)R9为电阻，其一端与输出端Vout相连；另一端与Q7的基极相连。

(23)R7为电阻，其一端与Q4的发射极及R4的一端相连；另一端与Q7的集电极相连。

(24)Q7为NPN管，其发射极与gnd端相连；其基极与R9的一端相连；其集电极与R7的一端相连。

(25)Q15为NPN管，其发射极与gnd端相连；其基极与Q14的基极相连；其集电极与基准电流源Iref相连。

本发明所提供的过流过压保护电路可以应用于开关电源等需要过流过压保护的电路及设备中，该电路模块用来检测系统的输入电压和输出电流是否在芯片正常工作范围内，当电压或电流超过系统正常工作时，该模块输出一个过流过压保护信号。当系统温度再次恢复正常工作所设计的电流和电压时，该模块输出一个正常的过流过压信号。

该过流过压保护电路其基本原理是：当采样到的过压或过流信号使正向输入端Vi值低于负向输入端的基准电压Vref的值时，该电路输出为低电平，表明输入电压和输出电流在正常范围内。当采样到的过压或过流信号使正向输入端Vi值高于负向输入端的Vref时，该电路输出高电平，表明输入电压和输出电流在超出正常范围，此高电平将使电源模块停止工作。

1、电路输入/输出信号功能描述：

其输入/输出信号功能如下表所示。

2、电路分析：

(1)由R1、R2、、R5、Q1，Q2、Q5组成的电压输入第一支路为比较器正向输入端电路，为Q8提供采样信号，使Q8的输入电压为：

$V_{+}=\mathrm{Vi}+V_T\ln \frac{I_{R5}}{I_{s5}}+I_{R_5}{R}_5---\left(1\right)$

(2)由R3、R4、R6、Q3、Q4、Q6组成的电压输入第二支路为比较器负向输入端电路，为Q9提供偏置信号，使Q9的输入电压为：

$V_{-}=V_{\mathrm{ref}}+V_T\ln \frac{I_{R6}}{I_{s6}}+I_{R_6}{R}_6---\left(2\right)$

(3)由Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、R8组成的比较器电路。其中Q8、Q9、Q10、Q11、Q14、Q15组成比较器的第一级。第一级的增益约为：

A_V＝g_m8(r_o8//r_o10)   (3)

“//”为并联符号，Q12、Q13、R8为输出级。

(4)由R7、R9、Q7组成的迟滞电路，当过流过压采样信号Vi由低变高时，Vi等于基准电压Vref时比较器输出发生翻转；当过流过压采样信号Vi由高变低时，Vi小于基准电压Vref时才发生翻转；其迟滞量的大小设计为：

ΔV＝I_Q4×R₆＝10mV    (4)

这个迟滞量忽略了流过晶体管Q6的电流变化引起的V_beQ6的变化。如果考虑上晶体管V_be的变化(流过晶体管Q6的电流变化为12.5μA，引起V_beQ6的变化约为10mV)，比较器的迟滞量应为：

ΔV＝I_Q4×R₆+ΔV_beQ6＝10mV+10mV＝20mV   (5)

(5)过压保护部分：根据电阻分压关系，如图3所示的采样电路部分，设计得到：

$\mathrm{Vi}=V_{\mathrm{dc}}\frac{R_{12}}{R_{10}+R_{11}+R_{12}}=0.021V_{\mathrm{dc}}---\left(6\right)$

系统正常工作时，输入电压在32V→55V之间变化。因此，Vi在0.672V→1.155V之间变化，小于基准电压Vref时，如图2所示的过流过压保护模块的输出Vout为低电平。当输入电压进一步升高，使Vi的电压大于基准电压Vref时，过流过压保护模块的输出Vout为高电平。由于该过流过压保护模块的比较器的迟滞量为20mV，因此过压保护的迟滞量为：

ΔV_IN＝20mV/0.021＝1000mV   (7)

(6)过流保护部分：如图3所示，当电流I0在R14上的压降使二极管D1正向导通时，流过D1的电流对电容C1充电，使C1上的电压升高，当C1上的电压超过基准电压Vref时，图2的过流过压保护模块中输出Vout变为高电平，系统停止工作。正常工作时，输入电压Vdc为48V，图3所示的过流过压采样电路中Vi上的分压为1V，而二极管的导通电压为0.8V左右。因此当电阻R14上的电压高于1.8V时，二极管导通，对电容充电。从而使过流过压采样信号Vi升高。

Claims (1)

1.一种开关电源中过流过压保护电路，其特征是包括：

外部电源(VDD)连接在第十PNP管(Q10)、第十一PNP管(Q11)、第十二PNP管(Q12)、第十三PNP管(Q13)的发射极端，同时外部电源(VDD)连接第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)的一端，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)另一端分别连接第一PNP管(Q1)发射极、第二PNP管(Q2)发射极、第三PNP管(Q3)发射极、第四PNP管(Q4)发射极，第四电阻(R4)另一端同时还连接第七电阻(R7)的一端；偏置电压(Vb)连接第一PNP管(Q1)基极、第二PNP管(Q2)基极、第三PNP管(Q3)基极、第四PNP管(Q4)基极，第一PNP管(Q1)基极与第二PNP管(Q2)基极相连，第一PNP管(Q1)集电极与第二PNP管(Q2)的集电极相连并连接第五电阻(R5)的一端，所述第五电阻(R5)的一端还连接第八NPN管(Q8)的基极，第五电阻(R5)另一端连接第五PNP管(Q5)发射极；第三PNP管(Q3)基极与第四PNP管(Q4)的基极相连，第三PNP管(Q3)集电极与第四PNP管(Q4)的集电极相连并连接第九NPN管(Q9)基极以及第六电阻(R6)的一端，所述第六电阻(R6)的一端还连接第九NPN管(Q9)基极，第六电阻(R6)另一端连接第六PNP管(Q6)发射极；第五PNP管(Q5)基极与过流过压采样信号(Vi)相连，第五PNP管(Q5)集电极接地(gnd)；第六PNP管(Q6)基极与基准电压(Vref)相连，第六PNP管(Q6)集电极接地(gnd)；第十PNP管(Q10)基极与第十一PNP管(Q11)的基极相连，第十一PNP管(Q11)基极与自身的集电极相连，第十一PNP管(Q11)集电极与第九NPN管(Q9)集电极相连；第十PNP管(Q10)集电极与第八NPN管(Q8)的集电极及第十二PNP管(Q12)的集电极相连，第八NPN管(Q8)发射极与第十四NPN管(Q14)集电极相连，第九NPN管(Q9)发射极与第十四NPN管(Q14)的集电极相连，第十四NPN管(Q14)发射极接地(gnd)，第十四NPN管(Q14)基极与第十五NPN管(Q15)的基极相连；第十二PNP管(Q12)基极与第十三PNP管(Q13)的基极和自身的集电极相连，第十三PNP管(Q13)集电极与第八电阻(R8)和第九电阻(R9)的一端相连，并且与输出端(Vout)相连，第八电阻(R8)另一端接地(gnd)，第九电阻(R9)另一端与第七NPN管(Q7)的基极相连；第七电阻(R7)的另一端与第七NPN管(Q7)的集电极相连，第七NPN管(Q7)发射极接地(gnd)；第十五NPN管(Q15)发射极接地(gnd)，第十五NPN管(Q15)集电极与基准电流源(Iref)相连；第十五NPN管(Q15)集电极与自身的基极相连。

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