CN103441471B - 一种三路输出dc/dc变换器的过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，针对现有各过流保护方式的缺点，采用直接检测输出负载电流的方式，避免过流保护点漂移问题，检测的输出电流信号通过高精度采样电阻采集后接入运算放大器，由运算放大器对过流误差信号进行放大、积分后输出控制信号，实现电路限流保护。这样就利用运算放大器对过流误差信号进行调节后产生控制信号，达到精确限流及稳定控制的目的。避免了由于使用比较器造成的功率开关管频繁开关的问题，解决了检测输入开关电流的高低端保护电流漂移问题，也解决了利用电阻检测输出电流的功率开关管频繁通断以至容易烧毁的问题。

Description

一种三路输出DC/DC变换器的过流保护电路

技术领域

本发明属于半导体集成电路，涉及一种三路输出DC/DC变换器的过流保护电路。

背景技术

DC/DC变换器电路是一种已被广泛使用电子设备，为了提高其电源的可靠性，必须设计合理的保护电路。过流保护是保护电路之一，它是在输出过载或短路时对电源及功率开关器件的保护。按电流采样方式可分为两种：（1）输入开关电流检测；（2）输出电流检测。过流保护的原理是通过电流检测电路，检测输入开关电流或电源输出电流，与设定的阈值进行比较，控制PWM信号通断。当DC/DC变换器输出过载或短路时，封锁驱动信号，使DC/DC变换器停止工作，实现保护。

图1、图2所示为均检测输入开关电流的过流保护方式，该过流保护方式线路结构是通过在功率开关管S1的源极串入一个限流电阻R_SC进行输入开关电流的检测，在图1所示的晶体管保护电路中，R_SC提供一个电压降驱动晶体管S2导通。在图2所示的限流比较器保护电路中，跨接在R_SC上的限流比较器，当产生过流时，R_SC两端压差增大，比较器翻转，可以把驱动电流脉冲短路，起到保护作用。这种检测输入开关电流的过流保护方式的缺点是DC/DC变换器在一个宽的输入电压范围内，例如输入电压从16V到40V之间工作时，输入开关电流的变化很大，导致高、低端过流保护点严重漂移，不利于过流保护点的一致性。

图3所示为利用电阻检测输出电流的过流保护方式，通过R*的电流即负载电流。当输出过载或短路时，V₁导通，R3两端电压增大，并与比较器反相端的基准电压比较，控制PWM信号的通断。该方案过流保护点不受输入电压变化的影响，漂移小。缺点是如果过载或短路现象频繁出现，比较器输出将在高、低电平之间频繁变化，即功率开关管频繁开通、关断，产生热积累，容易造成损坏。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，能够达到精确限流及稳定控制的目的，既解决了检测输入开关电流的高低端保护电流漂移问题，也解决了利用电阻检测输出电流的功率开关管频繁通断以至容易烧毁的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，包括：

三个电流采样端信号端口、两个电压源供电端口和一个主路过流控制端口；

运算放大器（am1），正电源电压端接电压源供电正极端口（001），并接电容C2后接地，负电源电压端接地；运算放大器（am1）同相输入端并接电阻R1和电阻R2，其中电阻R1接电压源供电正极端口（001），电阻R2接第一电流采样端信号端口（003）；反向输入端并接电阻R3和电容C1，其中电阻R3接地，电容C1串联电阻R4，然后连至运算放大器（am1）的输出端；运算放大器（am1）的输出端接二极管D1，然后连至主路过流控制端口（006）；

主路过流控制端口（006）接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极并接电容C3、电阻R7和NPN管N2的集电极，其中电阻R7连至电压源供电负极端口（002）；NPN管N2的发射极连至第二电流采样端信号端口（004）；NPN管N2的基极连至电容C3的另一端，基极并联NPN管N1的集电极和电阻R6的一端，其中NPN管N1基极连R6的另一端；NPN管N1基集还连接电阻R5，电阻R5接至电压源供电负极端口（002）；NPN管N1的发射极连至第三电流采样端信号端口（005）。

对三路输出DC/DC变换器的主路过流保护为：

主回路的电流信号转变为电压信号VRf1，电压信号VRf1与电压源电压信号通过电阻R1和电阻R2分压电阻进行加权，为运算放大器（am1）提供同相输入电压，电容C2为电压源供电正极端口（001）的电压源端滤波，反向输入端通过电容C1、电阻R4串联接至运算放大器（am1）的输出端，构成具有对运算放大器（am1）的误差信号比例放大和积分作用的控制回路；

当主回路中输出电流信号过大时，电压信号VRf1与电压源供电正极端口（001）的偏置电压信号加权后会小于等于0，此时运算放大器（am1）输出翻转，输出低电平使得主路过流控制端口（006）端口信号拉低，导致整个功率回路停止工作。

所述电压信号V_Rf1和稳定的电压源电压信号V_CC2电压经电阻R1和电阻R2加权后作为运算放大器同相端输入电压，运算放大器（am1）反相端通过电阻R3接地。限流点由以下公式可进行计算：

$I_f=\frac{V_{\mathrm{CC}2}\·R_2}{R_1\·R_{\mathrm{Rf}1}}.$

所述的电阻R1、电阻R2以及主回路的电流信号采集电阻Rf1均为精密电阻。

所述电容C1、电阻R4串联后接在运算放大器（am1）的反相端与输出之间，构成了对误差信号具有比例放大和积分作用的反馈控制回路，运算放大器（am1）的输出与输入之间的关系为：

其中Ve为主路电流采样产生的误差信号。

所述对三路输出DC/DC变换器的辅路过流保护为：

对两路辅路的电流采样，转变为电压信号VRf2、电压信号VRf3，其中VRf2采样的负电压信号，VRf3采样的为正电压信号；正常情况下，NPN管N1始终导通，并设置R6的阻值使得NPN管N2无法导通；当辅路正电压输出回路输出电流过大时，电压信号VRf2过大，NPN管N2管的Ube将会大于或等于0.7V，此时NPN管N2管导通，运算放大器（am1）输出被拉低，通过二极管D1，使得主路过流控制端口（006）的电压信号也拉低，导致整个功率回路停止工作；

当辅路负电压输出回路中电流过大时，电压信号VRf3过大，此时NPN管N1无法导通，NPN管N2管导通，运算放大器（am1）输出被拉低，通过二极管D2，使得主路过流控制端口（006）的电压信号也拉低，导致整个功率回路停止工作。

所述电容C3为缓冲电容，防止辅路过流频繁，避免NPN管N2管频繁导通和关断而烧毁。

正常情况下，NPN管N1的Ube始终满足大于或等于0.7V，NPN管N1始终导通，而NPN管N2的Ube小于0.7V，NPN管N2无法导通；

当辅路正电压输出回路输出电流过大时，NPN管N2的Ube大于或等于0.7V，此时NPN管N2导通；

当辅路负电压输出回路中电流过大时，NPN管N1的Ube低于0.7V，NPN管N1无法导通，则NPN管N2满足Ube大于或等于0.7V，NPN管N2导通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，针对现有各过流保护方式的缺点，采用直接检测输出负载电流的方式，避免过流保护点漂移问题，检测的输出电流信号通过高精度采样电阻采集后接入运算放大器，由运算放大器对过流误差信号进行放大、积分后输出控制信号，实现电路限流保护。这样就利用运算放大器对过流误差信号进行调节后产生控制信号，达到精确限流及稳定控制的目的。避免了由于使用比较器造成的功率开关管频繁开关的问题，解决了检测输入开关电流的高低端保护电流漂移问题，也解决了利用电阻检测输出电流的功率开关管频繁通断以至容易烧毁的问题。其他辅路输出的输出电流信号通过高精度采样电阻采集后经电平调整电路送PNP管的发射极，利用PNP管的工作特性来控制电路输出基准电压、反馈信号大小，从而达到电路限流的目的。

附图说明

图1为晶体管保护电路示意图；

图2为限流比较器保护电路示意图；

图3为利用电阻检测输出电流保护电路示意图；

图4为三路输出DC/DC变换器功率变换回路线路示意图；

图5为三路输出DC/DC变换器的过流保护电路示意图；

图6为主路输出过流保护线路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，解决了多路输出高可靠抗辐照DC/DC变换器的每路输出的限流保护问题。

图4为常见的三路输出DC/DC变换器功率变换回路线路简图，其中Rf1、Rf2、Rf3分别为主路输出、辅路正输出和辅路负输出的负载电流采样电阻，V_Rf1、V_Rf2、V_Rf3为对应的过流电压信号。

如图5所示，本发明提供的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，001和002端口为电压源供电端，端口003、004和005分别为三路电流采样端信号VRf1、VRf2和VRf3，006端口为主路过流控制端；

运算放大器am1，正电源电压端接端口001，并接电容C2后接地，运算放大器am1负电源电压端接地；运算放大器am1同相输入端并接电阻R1和电阻R2，其中电阻R1接到端口001，电阻R2接到端口003；运算放大器am1反向输入端并接电阻R3和电容C1，其中电阻R3接地，电容C1串联电阻R4，然后连至运算放大器am1的输出端，该运算放大器输出端接二极管D1，然后连至006端口；

006端口接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极并接电容C3、电阻R7和NPN管N2的集电极，其中电阻R7连至端口002；NPN管N2的发射极连至端口004；NPN管N2的基极连至电容C3的另一端，另外NPN管N2的基极并联NPN管N1的集电极和电阻R6，其中NPN管N1基极连电阻R6的另一端；NPN管N1基集还连一电阻R5，电阻R5接至端口002；N1的发射极连至端口005。

图5所示的电路中，通过对如图4（常见的三路功率变换回路线路）中的三路进行输出电流采样，实现三路的过流保护。具体情况为：

主路保护情况：通过图4中的Rf1对主回路进行输出电流采样，转变为电压信号VRf1，在图5中，VRf1与电压源电压信号通过电阻R1和电阻R2分压电阻进行加权，为运算放大器am1提供同相输入电压，电容C2为001端口的电压源端滤波，反向输入端通过电容C1、电阻R4串联接至am1的输出端，构成具有对am1的误差信号比例放大和积分作用的控制回路。

由于Rf1采到信号为负的电压值，当主回路中输出电流信号过大时，VRf1与001端口的偏置电压信号加权后会小于等于0，此时会出现am1输出翻转（为低电平），使得006端口信号拉低，从而导致整个功率回路停止工作。

如图6为主路输出的过流保护部分，电路采用精确过流保护方式，采样电阻Rf1采集主路输出的负载电流，转化为电压信号V_Rf1，V_Rf1和稳定的供电电压V_CC2电压经电阻R1和电阻R2加权后作为运算放大器同相端输入电压。运算放大器反相端通过电阻R3接地。限流点由以下公式可进行计算：

$I_f=\frac{V_{\mathrm{CC}2}\·R_2}{R_1\·R_{\mathrm{Rf}1}}$

通过电阻R1、电阻R2和Rf1采用精密电阻即可实现精确限流。

电容C1、电阻R4串联后接在运算放大器的反相端与输出之间，构成了对误差信号具有比例放大和积分作用的反馈控制回路。运放的输出与输入之间的关系为：

其中Ve为主路电流采样产生的误差信号。

由此可看到，由于电容C1和电阻R4的积分作用，运放的输出不会瞬变，从而可以避免频繁通断的问题。

辅路保护情况：通过图4中的Rf2和Rf3对辅路的双路进行采样，转变为电压信号VRf2、VRf3，其中VRf2采样的负电压信号，VRf3采样的为正电压信号。正常情况下，由于VRf3采样的正电压信号很小，所以NPN管N1的Ube（基极和发射极的压降）始终满足大于或等于0.7V，N1管始终导通，通过设置R6的阻值，使得N2管的Ube小于0.7V，所以NPN管N2无法导通。当辅路正电压输出回路输出电流过大时，即VRf2过大时（极大的一个负电压），NPN管N2的Ube将会大于或等于0.7V，此时NPN管N2导通，运放am1输出被拉低，通过二极管D1，使得006端口的电压信号也拉低，以至整个功率回路停止工作。

当辅路负电压输出回路中电流过大时，使得采样到的电压信号VRf3是比较大的值（正电压），以致于NPN管N1处的Ube低于0.7V，NPN管N1无法导通，则NPN管N2处任何时刻都可以满足Ube大于或等于0.7V，N2管导通，以至运放am1输出拉低，通过二极管D2，以至006端口信号也拉低，最终导致整个功率回路停止工作。

电容C3是为了防止辅路过流频繁，导致N2管频繁导通和关断而烧毁，电容C3为缓冲电容的作用。

以型号为LHDCD100512TRHDC/DC变换器为例，该DC/DC变换器输入电压范围为80V～140V，输出功率为30W，主路输出5V，4A；辅助输出为两路，一路输出为12V，0416A，另一路输出为-12V，0.416A。对该产品的过流保护点进行测试，一致性好，随输入电压及温度的变化量小，主路5V输出的限流点测试数据如下表所示：

该线路已在多个DC/DC变换器模块中使用，效果良好。

Claims (8)

1.一种三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，包括：

三个电流采样端信号端口、两个电压源供电端口和一个主路过流控制端口；

运算放大器(am1)，正电源电压端接电压源供电正极端口(001)，并接电容C2后接地，负电源电压端接地；运算放大器(am1)同相输入端并接电阻R1和电阻R2的一端，其中电阻R1的另一端接电压源供电正极端口(001)，电阻R2的另一端接第一电流采样端信号端口(003)；反向输入端并接电阻R3和电容C1的一端，其中电阻R3的另一端接地，电容C1的另一端串联电阻R4，然后连至运算放大器(am1)的输出端；运算放大器(am1)的输出端接二极管D1的阳极，然后二极管D1的阴极连至主路过流控制端口(006)；

主路过流控制端口(006)接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极并接电容C3的一端、电阻R7的一端和NPN管N2的集电极，其中电阻R7的另一端连至电压源供电负极端口(002)；NPN管N2的发射极连至第二电流采样端信号端口(004)；NPN管N2的基极连至电容C3的另一端，基极并联NPN管N1的集电极和电阻R6的一端，其中NPN管N1基极连R6的另一端；NPN管N1基极还连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接至电压源供电负极端口(002)；NPN管N1的发射极连至第三电流采样端信号端口(005)。

2.如权利要求1所述的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，对三路输出DC/DC变换器的主路过流保护为：

主回路的电流信号转变为电压信号VRf1，电压信号VRf1与电压源电压信号通过电阻R1和电阻R2分压电阻进行加权，为运算放大器(am1)提供同相输入电压，电容C2为电压源供电正极端口(001)的电压源端滤波，反向输入端通过电容C1、电阻R4串联接至运算放大器(am1)的输出端，构成具有对运算放大器(am1)的误差信号比例放大和积分作用的控制回路；

当主回路中输出电流信号过大时，电压信号VRf1与电压源供电正极端口(001)的偏置电压信号加权后会小于等于0，此时运算放大器(am1)输出翻转，输出低电平使得主路过流控制端口(006)端口信号拉低，导致整个功率回路停止工作。

3.如权利要求2所述的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，电压信号V_Rf1和稳定的电压源电压信号V_CC2电压经电阻R1和电阻R2加权后作为运算放大器同相端输入电压，运算放大器(am1)反相端通过电阻R3接地；限流点由以下公式可进行计算：

其中，I_f表示限流点。

4.如权利要求3所述的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，所述的电阻R1、电阻R2以及主回路的电流信号采集电阻Rf1均为精密电阻。

5.如权利要求2所述的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，电容C1、电阻R4串联后接在运算放大器(am1)的反相端与输出之间，构成了对误差信号具有比例放大和积分作用的反馈控制回路，运算放大器(am1)的输出与输入之间的关系为：

$V_o=V_e\·\left(1+\frac{R_4}{R_3}\right)+\frac{1}{R_3{C}_1}{\∫}_0^t{V}_{e}dt$

其中Ve为主路电流采样产生的误差信号。

6.如权利要求1所述的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，对三路输出DC/DC变换器的辅路过流保护为：

对两路辅路的电流采样，转变为电压信号VRf2、电压信号VRf3，其中VRf2采样的负电压信号，VRf3采样的为正电压信号；正常情况下，NPN管N1始终导通，并设置R6的阻值使得NPN管N2无法导通；当辅路正电压输出回路输出电流过大时，电压信号VRf2过大，NPN管N2管的Ube将会大于或等于0.7V，此时NPN管N2管导通，运算放大器(am1)输出被拉低，通过二极管D1，使得主路过流控制端口(006)的电压信号也拉低，导致整个功率回路停止工作；

当辅路负电压输出回路中电流过大时，电压信号VRf3过大，此时NPN管N1无法导通，NPN管N2管导通，运算放大器(am1)输出被拉低，通过二极管D2，使得主路过流控制端口(006)的电压信号也拉低，导致整个功率回路停止工作。

7.如权利要求6所述的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，电容C3为缓冲电容，防止辅路过流频繁，避免NPN管N2管频繁导通和关断而烧毁。

8.如权利要求6所述的三路输出DC/DC变换器的过流保护电路，其特征在于，正常情况下，NPN管N1的Ube始终满足大于或等于0.7V，NPN管N1始终导通，而NPN管N2的Ube小于0.7V，NPN管N2无法导通；

当辅路正电压输出回路输出电流过大时，NPN管N2的Ube大于或等于0.7V，此时NPN管N2导通；

当辅路负电压输出回路中电流过大时，NPN管N1的Ube低于0.7V，NPN管N1无法导通，则NPN管N2满足Ube大于或等于0.7V，NPN管N2导通。