CN103001490A - 含有过载保护功能的dc-dc变换控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含有过载保护功能的DC-DC变换控制电路，主要解决现有DC-DC变换器在过载、短路的异常情况时不能快速关断功率管的问题。该控制电路包括电流采样电路(1)、误差放大器EA、斜波补偿电路(2)、第一比较器(3)、第二比较器(4)、逻辑驱动电路(5)、振荡器(6)和过载保护电路(7)；电流采样电路(1)与斜波补偿电路(2)相连，误差放大器EA和斜波补偿电路(2)均与第二比较器(4)相连，过载保护电路(7)对其所在芯片的输入电压VFB进行过载检测，输出阈值控制信号V8和频率控制信号V9分别给第一比较器(3)和振荡器(6)，第一比较器(3)和振荡器(6)均与逻辑驱动电路(5)相连，逻辑驱动电路(5)在过载、短路的异常情况下输出驱动信号关断外部功率管。本发明使DC-DC变换器在过载、短路的异常情况下快速关断功率管，保证功率管不被损坏。

Description

含有过载保护功能的DC-DC变换控制器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种含有过载保护功能的DC-DC变换控制器。
背景技术
高性能的DC-DC变换器因尺寸小、重量轻、效率高、运行时间长等优势已经被广泛应用于手机、数码相机等便携式产品中。DC-DC变换器利用电感或者电容作为储能元件对负载进行充放电，维持负载电压恒定，并通过反馈系统控制功率管的导通与截止来控制储能元件的充放电电流。DC-DC变换控制器作为DC-DC变换器最核心的部分，受到越来越多的关注。
图1所示为现有DC-DC变换器的拓扑结构图，包括功率管MP1、同步管MN1、电感L和控制器；其中控制器包括电流采样模块、斜波补偿模块、斜波比较器、误差放大器EA、振荡器、峰值电流比较器和逻辑驱动模块；正常工作状态下，振荡器触发逻辑驱动模块，使得功率管MP1在每个周期均导通，输入电压VIN通过功率管MP1向电感L输出电流。在此期间，电阻R1和R2对输出电压Vout进行采样得到反馈电压VFB，电流采样模块对电感L上的电流进行采样，输出电流采样信号给峰值电流比较器，斜波补偿模块输出斜波补偿电流，电流采样信号与斜波补偿电流进行叠加后输入到斜波比较器的反相输入端，误差放大器EA连接到斜波比较器的正相输入端，斜波比较器和峰值电流比较器均输出控制信号给逻辑驱动模块，该逻辑驱动模块输出驱动信号控制功率管MP1的通断，以实现DC-DC变换。
实际应用中，功率管MP1对大电流具有较弱的承受能力，在过载、内部短路等异常情况下，功率管MP1不能快速关断，并且会流过大电流，产生的功耗会急剧增大，从而对功率管MP1产生永久性的损坏。
发明内容
本发明的目的在于针对上述DC-DC变换控制器的不足，提出了一种含有过载保护功能的DC-DC变换控制器，以在过载、内部短路的异常情况下快速关断功率管，对DC-DC变换器进行过载保护，保证功率管不被损坏。
为实现上述目的，本发明包括：电流采样电路1、误差放大器EA、斜波补偿电路2、两个比较器3，4、逻辑驱动电路5和振荡器6；电流采样电路1与斜波补偿电路2相连，误差放大器EA和斜波补偿电路2均与第二比较器4相连，第二比较器4、第一比较器3和振荡器6均与逻辑驱动电路5相连，逻辑驱动电路5输出驱动信号控制外部功率管通断；其特征在于：第一比较器3与振荡器6之间连接有过载保护电路7；
所述过载保护电路7，包括过载检测模块71、比较阈值控制模块72和振荡频率控制模块73；过载检测模块71的输入端与其所在芯片的输入电压VFB相连，输出端输出第一过载电流I1和第二过载电流I2分别给比较阈值控制模块72和振荡频率控制模块73的输入端；比较阈值控制模块72输出阈值控制信号V8给第一比较器3，用于控制第一比较器3的比较阈值；振荡频率控制模块73输出频率控制信号V9给振荡器6，用于控制振荡器6的振荡频率。
作为优选，上述过载检测模块71，包括：第一运算放大器OP1和三个NMOS管，其中：
第一运算放大器OP1，其同相输入端与其所在芯片的基准电压VREF1相连，其反相输入端与其所在芯片的输入电压VFB相连，其输出端分别与第一NMOS管MN1的栅极、漏极以及第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的栅极相连；
第一NMOS管MN1，其源极接地；
第二NMOS管MN2，其源极接地，其漏极输出第一过载电流I1给比较阈值控制模块72；
第三NMOS管MN3，其源极接地，其漏极输出第二过载电流I2给振荡频率控制模块73。
作为优选，上述比较阈值控制模块72，包括：比较器721、第三电阻R3和电流源IT；
所述比较器721，其同相输入端分别与过载检测模块71所输出的第一过载电流I1、电流源IT和第三电阻R3的一端相连，其反相输入端与电流采样电路1所输出的电流采样信号V1相连，其输出端输出阈值控制信号V8给第一比较器3；
所述第三电阻R3的另一端接地。
作为优选，上述振荡频率控制模块73，包括：第二运算放大器OP2、触发器731、电容C1、五个PMOS管、四个NMOS管和反相器INV，其中：
第二运算放大器OP2，其同相输入端与其所在芯片的输入电压VCMP相连，其反相输入端与过载检测模块71所输出的第二过载电流I2相连，其输出端与触发器731的第一输入端相连；
RS触发器，其第二输入端分别与第三PMOS管MP3的漏极和第七NMOS管MN7的漏极相连，其输出端分别与第四NMOS管MN4的栅极、第五PMOS管MP5的栅极以及反相器INV的输入端相连；
反相器INV的输出端连接到振荡器6；
第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，其栅极均与电流源IT相连，其源极均与其所在芯片的电源电压VCC相连；第一PMOS管MP1的漏极与电流源IT相连，第二PMOS管MP2的漏极与过载检测模块71所输出的第二过载电流I2相连，第四PMOS管MP4的漏极与第五PMOS管MP5的源极相连；
第五PMOS管MP5的漏极分别与第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7的栅极以及第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5的漏极相连；
第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源极均接地；
第六NMOS管MN6的漏极、第七NMOS管MN7的源极以及电容C1的一端均与过载检测模块71所输出的第二过载电流I2相连，电容C1的另一端接地。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明由于添加了过载保护电路，可在DC-DC变换器过载、内部短路的异常情况下快速关断功率管，保证功率管不被损坏。
2、本发明由于在过载保护电路中设有过载检测电路，可对DC-DC变换器过载、内部短路的异常进行实时监测。
3、本发明由于在过载保护电路中设有比较阈值控制电路，可在DC-DC变换器过载、内部短路的异常情况下降低第一比较器的比较阈值，以使DC-DC变换器的输出电压降低。
4、本发明由于在过载保护电路中设有振荡频率控制电路，可在DC-DC变换器过载、内部短路的异常情况下降低振荡器的振荡频率，以使流过功率管的电流减小。
附图说明
图1为现有的DC-DC变换器的拓扑结构图；
图2为本发明的结构图；
图3为本发明过载保护电路的结构图；
图4为本发明过载保护电路中的过载检测模块原理图；
图5为本发明过载保护电路中的比较阈值控制模块原理图；
图6为本发明过载保护电路中的振荡频率控制模块原理图。
具体实施方式
以下参照附图及其实施例对本发明作进一步描述。
参照图2，本发明的DC-DC变换控制器包括：电流采样电路1、误差放大器EA、斜波补偿电路2、第一比较器3、第二比较器4、逻辑驱动电路5、振荡器6和过载保护电路7；电流采样电路1与斜波补偿电路2相连，误差放大器EA和斜波补偿电路2均与第二比较器4相连，过载保护电路7分别与第一比较器3和振荡器6相连，第一比较器3、第二比较器4和振荡器6均与逻辑驱动电路5相连，逻辑驱动电路5输出驱动信号控制外部功率管通断。其中：
电流采样电路1对其所在芯片的输入电压VCS进行采样，输出电流采样信号V1给斜波补偿电路2；斜波补偿电路2对电流采样信号V1进行斜波补偿，输出斜波补偿信号V7给第二比较器4的反相输入端；误差放大器EA对其所在芯片的输入电压VFB进行初步放大，输出误差信号V2给第二比较器4的同相输入端；第二比较器4通过对误差信号V2和斜波补偿信号V7进行比较，输出控制信号V4给逻辑驱动电路5；过载保护电路7对其所在芯片的输入电压VFB进行过载检测，输出阈值控制信号V8和频率控制信号V9分别给第一比较器3和振荡器6，阈值控制信号V8用来控制第一比较器3的比较阈值，频率控制信号V9用来控制振荡器6的振荡频率；振荡器6产生振荡信号V10给逻辑驱动电路5；第一比较器3输出比较阈值V3给逻辑驱动电路5；逻辑驱动电路5对比较阈值V3、控制信号V4和振荡信号V10进行逻辑综合，输出驱动信号V5和V6用来控制外部功率管的通断。
参照图3，所述过载保护电路7，包括过载检测模块71、比较阈值控制模块72和振荡频率控制模块73；过载检测模块71对其所在芯片的输入电压VFB进行过载检测，产生第一过载电流I1和第二过载电流I2分别给比较阈值控制模块72和振荡频率控制模块73；比较阈值控制模块72输出阈值控制信号V8给第一比较器3；振荡频率控制模块73输出频率控制信号V9给振荡器6，以控制振荡器6的振荡频率。
参照图4，本发明的过载检测模块71，包括但不局限于第一运算放大器OP1、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3；
所述第一运算放大器OP1，其同相输入端与其所在芯片的基准电压VREF1相连，其反相输入端与其所在芯片的输入电压VFB相连，第一运算放大器OP1对其所在芯片的基准电压VREF1进行初步放大后输出误差信号连接到第一NMOS管MN1的漏极；
所述第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3，其栅极均与第一运算放大器OP1所输出的误差信号V2相连；其源极均接地；第二NMOS管MN2的漏极输出第一过载电流I1给比较阈值控制模块72；第三NMOS管MN3的漏极输出第二过载电流I2给振荡频率控制模块73。第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3构成电流镜。
参照图5，本发明的比较阈值控制模块72，包括但不局限于比较器721、第三电阻R3和电流源IT；
所述比较器721的同相输入端分别与过载检测模块71所输出的第一过载电流I1、电流源IT和第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3作为第一过载电流I1和电流源IT的负载，其另一端接地；比较器721的反相输入端与电流采样电路1所输出的电流采样信号V1相连，比较器721对电流采样信号V1和第三电阻R3上的电压进行比较，输出阈值控制信号V8给第一比较器3的反相输入端。
参照图6，本发明的振荡频率控制模块73，包括但不局限于第二运算放大器OP2、触发器731、电容C1、五个PMOS管、四个NMOS管和反相器INV，其中：
第二运算放大器OP2，其同相输入端与其所在芯片的输入电压VCMP相连；其反相输入端分别与过载检测模块71所输出的第二过载电流I2、第六NMOS管MN6的漏极、第七NMOS管MN7的源极和电容C1的一端相连；第二运算放大器OP2对其所在芯片的输入电压VCMP和电容C1上的电压进行初步比较放大，输出放大信号给触发器731的第一输入端；
电容C1作为过载检测模块71所输出的第二过载电流I2的负载，其另一端接地；
触发器731，其第二输入端分别与第三PMOS管MP3的漏极和第七NMOS管MN7的漏极相连，其输出端分别与第四NMOS管MN4的栅极、第五PMOS管MP5的栅极以及反相器INV的输入端相连；
反相器INV的输出端输出频率控制信号V9给振荡器6，频率控制信号V9用来控制振荡器6的振荡频率；
第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，其栅极均与电流源IT相连，其源极均与其所在芯片的电源电压VCC相连；
第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4构成电流镜，第一PMOS管MP1的漏极与电流源IT相连，第二PMOS管MP2的漏极与过载检测模块71所输出的第二过载电流I2相连，第四PMOS管MP4的漏极与第五PMOS管MP5的源极相连；
第五PMOS管MP5的漏极分别与第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7的栅极以及第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5的漏极相连；
第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源极均接地，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6构成电流镜。
本发明的工作原理如下：
如图4所示，过载检测模块71中的第一运算放大器OP1对其所在芯片的输入电压VFB和其所在芯片的基准电压VREF1进行比较放大。
当VFB≥VREF1时，第一运算放大器OP1输出低电平，第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3处于截止状态，第一过载电流I1和第二过载电流I2为零；
当VFB<VREF1时，第一运算放大器OP1输出高电平，第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3处于导通状态，第一过载电流I1和第二过载电流I2不为零。
如图5所示，当第一过载电流I1不为零时，第三电阻R3上的电压降低，比较器721输出的阈值控制信号V8翻转为低电平，第一比较器3的翻转阈值降低。
如图6所示，当第二过载电流I2为零时，电容C1上的电压降低，第二运算放大器OP2输出高电平，反相器INV输出的振荡频率控制信号V9翻转为高电平，振荡器6的振荡频率降低。
实际应用中，当芯片处于过载、短路的异常情况时，其所在芯片的输入电压VFB小于其所在芯片的基准VREF1，第一基准电流I1和第二基准电流I2均不为零，振荡器6的振荡频率降低，流过功率管的电流减小；第一比较器3的翻转阈值降低，逻辑驱动电路5输出驱动信号将功率管关断，保证功率管不被损坏。
以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (4)

1.一种含有过载保护功能的DC-DC变换控制器，包括电流采样电路(1)、误差放大器EA、斜波补偿电路(2)、两个比较器(3，4)、逻辑驱动电路(5)和振荡器(6)；电流采样电路(1)与斜波补偿电路(2)相连，误差放大器EA和斜波补偿电路(2)均与第二比较器(4)相连，第二比较器(4)、第一比较器(3)和振荡器(6)均与逻辑驱动电路(5)相连，逻辑驱动电路(5)输出驱动信号控制外部功率管通断；其特征在于：第一比较器(3)与振荡器(6)之间连接有过载保护电路(7)；
所述过载保护电路(7)，包括过载检测模块(71)、比较阈值控制模块(72)和振荡频率控制模块(73)；过载检测模块(71)的输入端与其所在芯片的输入电压VFB相连，输出端输出第一过载电流I1和第二过载电流I2分别给比较阈值控制模块(72)和振荡频率控制模块(73)的输入端；比较阈值控制模块(72)输出阈值控制信号V8给第一比较器(3)，用于控制第一比较器(3)的比较阈值；振荡频率控制模块(73)输出频率控制信号V9给振荡器(6)，用于控制振荡器(6)的振荡频率。
2.根据权利要求书1所述的DC-DC变换控制器，其特征在于过载检测模块(71)，包括：第一运算放大器OP1和三个NMOS管，其中：
第一运算放大器OP1，其同相输入端与其所在芯片的基准电压VREF1相连，其反相输入端与其所在芯片的输入电压VFB相连，其输出端分别与第一NMOS管MN1的栅极、漏极以及第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的栅极相连；
第一NMOS管MN1，其源极接地；
第二NMOS管MN2，其源极接地，其漏极输出第一过载电流I1给比较阈值控制模块(72)；
第三NMOS管MN3，其源极接地，其漏极输出第二过载电流I2给振荡频率控制模块(73)。
3.根据权利要求书1所述的DC-DC变换控制电路，其特征在于比较阈值控制模块(72)，包括：比较器(721)、第三电阻R3和电流源IT；
所述比较器(721)，其同相输入端分别与过载检测模块(71)所输出的第一过载电流I1、电流源IT和第三电阻R3的一端相连，其反相输入端与电流采样电路(1)所输出的电流采样信号V1相连，其输出端输出阈值控制信号V8给第一比较器(3)；
所述第三电阻R3的另一端接地。
4.根据权利要求书1所述的DC-DC变换控制电路，其特征在于振荡频率控制模块(73)，包括：第二运算放大器OP2、触发器(731)、电容C1、五个PMOS管、四个NMOS管和反相器INV，其中：
第二运算放大器OP2，其同相输入端与其所在芯片的输入电压VCMP相连，其反相输入端与过载检测模块(71)所输出的第二过载电流I2相连，其输出端与触发器(731)的第一输入端相连；
触发器(731)，其第二输入端分别与第三PMOS管MP3的漏极和第七NMOS管MN7的漏极相连，其输出端分别与第四NMOS管MN4的栅极、第五PMOS管MP5的栅极以及反相器INV的输入端相连；
反相器INV的输出端连接到振荡器(6)；
第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，其栅极均与电流源IT相连，其源极均与其所在芯片的电源电压VCC相连；第一PMOS管MP1的漏极与电流源IT相连，第二PMOS管MP2的漏极与过载检测模块(71)所输出的第二过载电流I2相连，第四PMOS管MP4的漏极与第五PMOS管MP5的源极相连；
第五PMOS管MP5的漏极分别与第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7的栅极以及第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5的漏极相连；
第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6的源极均接地；
第六NMOS管MN6的漏极、第七NMOS管MN7的源极以及电容C1的一端均与过载检测模块(71)所输出的第二过载电流I2相连，电容C1的另一端接地。
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