CN103683203A - 开关功率变换器过热保护 - Google Patents

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Abstract

一种过热保护系统，其保护开关变换器中的双极功率开关晶体管。在给定基极电流的条件下，将双极功率开关晶体管的基极-发射极间电压测量作为接点温度的指示。比较器接收电压信息并且提供采样控制。过热保护闩锁基于比较器的输出来确定开关变换器的正常操作状态或者过热保护状态。

Description

开关功率变换器过热保护
技术领域
本发明提供了一种用于保护功率变换器电路中的功率开关双极晶体管的过热保护方案（OTP）。
背景技术
功率变换应用中所期望的安全特征是保护功率开关装置免受过热条件影响。对于使用用于功率开关的双极装置的功率变换应用来说，通常通过将双极开关装置热耦合至感测装置来实现。感测装置可以是外部正温度系数电阻器或者外部负温度系数电阻器（PTC或者NTC装置），或者可以是在诸如二极管的开关控制器IC内的装置。由控制器电路接着进一步处理来自感测装置的信号，并且将来自感测装置的信号与适当的阈值电平相比较，从而在温度超过保护电平（protecting level）时暂停电路操作。当功率开关装置的温度降至保护电平以下的另一个阈值电平时，操作恢复。
图1图示出使用PTC作为温度传感器的典型现有技术的框图。PTC热耦合至Q1。IC 1是控制外部双极开关晶体管Q1的开关占空比以完成开关变换功能的开关控制器IC。通过使用热耦合至Q1由此用作检测Q1的温度的传感器的PTC来实现过热保护（OTP）。当温度超过保护点时，PTC上的电阻改变并且通过在SW引脚（连接至Q1的基极）输出Vss电平，IC1将停止开关操作。在触发保护并且Q1的温度下降至恢复温度以下（通常大约在保护电平以下10°C）之后的某一时间，IC1恢复开关变换操作。
然而，由于在其之间存在的无论何种热耦合上均有热敏电阻，因此感测装置的温度滞后于功率开关装置的温度。
这导致了因耦合器件内的热梯度而造成的时间延迟以及准确度的降低。
发明内容
本发明旨在消除在热耦合器件中引入的时间延迟以及误差。
此处公开了一种保护开关变换器中的双极功率开关晶体管的过热保护系统，所述保护系统包括：
基极-发射极间电压测量器件，其用于测量所述双极功率开关晶体管的基极-发射极间电压；
比较器，其从所述基极-发射极间电压测量器件接收电压信息，所述比较器提供采样控制；以及
过热保护闩锁，其基于所述比较器的输出而控制所述开关变换器在正常操作状态或者过热保护状态。
优选地，所述过热保护系统进一步包括：计时控制器，其进一步控制所述过热保护闩锁的操作。
此处进一步公开了一种开关变换器，其具有双极功率开关晶体管以及如上公开的过热保护系统。
优选地，所述的开关变换器具有用于所述双极功率开关晶体管的恒电流基极驱动。
本发明利用了基极-发射极间电压和电流之间的随温度而变化的关系。因此，能够通过监测基极-发射极间电压和电流的关系来得到功率开关双极装置的温度信息。
通常，在特定的基极电流水平下，基极-发射极间电压以大约1.5-2mV/°C的速率下降。因为对于特定的双极装置能够获得特定的基极电流水平下的基极-发射极间电压与温度的关系，所以能够确定用于过热保护以及用于冷却之后的恢复操作的阈值电压点。
附图说明
现在将参照附图通过示例的方式描述本发明的优选形式，其中：
图1图示出使用PTC作为温度传感器的典型现有技术的框图；
图2是绘出控制器以及相关联的过热保护电路的示意性电路图；
图3示意性地绘出用于图2中的计时器的时序图；
图4示意性地绘出可替代的开关变换器控制器以及相关联的过热保护电路；
图5示意性地绘出用于图4中的计时器的时序图；以及
图6绘出可替代的设计实施例。
具体实施方式
图2图示出代替现有技术中的IC1的优选控制器电路，其使用恒电流驱动
Figure BDA00002175346100031
接通双极开关装置。类似于图1中的IC1，块B1处理正常的开关变换操作，其中在过热状态期间使用EN2引脚来关闭开关变换操作。块B2是处理过热保护（OTP）的电路方案。
在块B2中，A1是差分-单端放大器，其将基极-发射极间电压放大至适当的电平以确定过热保护触发电平以及冷却之后的恢复电平。
A2和A3是比较器。与R1、R2和R3一起，形成阈值确定电路。其中R3×VREF/（R1+R2+R3）对应于过热的检测电平，而（R2+R3）×VREF/（R1+R2+R3）对应于恢复温度的检测电平。A2和A3之后的两个或非门和反相器用于在双极开关装置接通期间的温度采样。当双极开关装置处于关断期间时，TR和TO均为“1”。在双极开关装置接通期间，EN1为“1”并且两个或非门被启用。A2和A3的输出被分别传递至TR和TO。这些电路一同用作过热电平和恢复电平检测块。
块B2内的块B3中的电路是用于过热保护的计时和控制电路块。在加电时，R4和C1将计时器块复位至初始状态，以及将使用TR和TO作为输入的由两个与非门形成的OTP闩锁（latch）复位。于是，OT将变为“0”和OTB，因此，EN2将变为“1”。这会将整个系统驱动至正常功率变换状态。
当双极开关装置的接点温度在初始时升高至恢复温度动作点之上但是保持在过热动作点以下时，TR和TO都将保持为“1”，并且整个电路将保持在正常开关变换状态。
如果接点温度升高至过热触发电平之上，则TR和TO将分别为“1”和“0”。在这种条件下，OT将变为“1”，因此OTB和EN2将变为“0”。这将禁止开关变换操作并且将系统带进过热保护模式。OT=“1”还将允许计时器块从几百个振荡器时钟周期中选择一个脉冲（例如，128或者256个周期中的1个），从而输出至CKOUT引脚。这意味着EN2将允许几百个振荡器时钟周期中的一个周期开关变换操作用于对双极开关装置的接点温度进行采样。
当双极开关装置的接点温度降低至过热动作点以下但是保持在恢复温度动作点以上时，TR和TO均将保持在“1”并且整个电路将保持在过热保护状态。
当双极开关装置的接点温度进一步降低至恢复温度触发电平以下时，TR和TO将分别为“0”和“1”。在这个条件下，OT将变为“0”，因此OTB和EN2将变为“1”。系统返回至正常功率变换操作状态。
图3中示出过热保护状态期间用于计时器的时序图。图中的字母“T”表示几百个周期的持续时间。
图4中示出替代实施例。这种形式的开关变换器控制器电路不限于恒电流作为驱动双极功率开关装置的唯一方式。
如图2所示，块B1处理正常的开关变换操作，其中EN2用于在过热状态期间关闭开关变换操作。块B2是处理过热保护的电路方案。
差分-单端放大器A1，以及比较器A2和A3和用于过热电平和恢复电平检测块的相关逻辑电路与图2中所示的相同。然而，采样控制信号从图2的EN1变为新的采样信号SP。
在这个实施例中，无论是在正常开关变换状态中还是在过热状态中，接点温度检测将仅在几百个振荡器时钟周期中的一个脉冲上发生（例如128或者256个周期中的1个）。因此，稍微改变了B3以及开关变换器B1的实现。
在开关变换器块B1中，在过热保护状态期间用于双极开关装置的驱动器将总是为“0”。在温度采样期间，通过控制信号EN1（EN1＝“1”）启用小电流源（例如10uA）。在这个期间还通过EN1将用于双极开关装置的驱动器置成高阻抗状态。
在计时和控制块B3中，过热保护闩锁和其加电初始电路以及计时器与图2中的情况相同。于是，计时器的输出用于触发单稳态电路以产生周期略小于全振荡器周期时间的SP脉冲。SP用作采样期间控制以在正常的开关变换操作状态以及过热保护状态中均插入温度感测的采样。应注意的是，SP连接至EN1，以及通过在温度感测期间将以OT和SP作为输入的或非门的输出强制为“0”，在用于温度感测的特定时钟周期中，使正常功率变换状态期间的正常开关周期失效（disabling）。
其他具体的状态变化情况与图2中的情况类似。图5中示出用于计时器和单稳态块的时序图。同样，图中的字母“T”表示几百个周期的持续时间。
因为发射极电阻通常为几欧姆，并且在极端情况下达到几十欧姆，所以可以使用基极电压来估计基极-发射极间电压。因为发射极电阻上的电压降为（1+β）IbRe，对于通常的功率开关双极晶体管来说，Ib为10uA，Re为几十欧姆以及β为10，所以Re上的电压通常小于1mV。在高温下（即，120-150°C），通常的基极-发射极间电压Vbe为大于400mV。因此，使用基极电压来估计基极-发射极间电压很实用（误差小于0.25%）。这免除了需要具有如图4所示的差分-单端放大器A1。图6图示出该设计实施例。
比较图6与图4，由于所讨论的原因而去除了差分-单端放大器A1。其他操作原理保持相同。

Claims (6)

1.一种保护开关变换器中的双极功率开关晶体管的过热保护系统，所述保护系统包括：
基极-发射极间电压测量器件，其用于测量所述双极功率开关晶体管的基极-发射极间电压；
比较器，其从所述基极-发射极间电压测量器件接收电压信息，所述比较器提供采样控制；以及
过热保护闩锁，其基于所述比较器的输出而控制所述开关变换器在正常操作状态或者过热保护状态。
2.根据权利要求1所述的过热保护系统，进一步包括：计时控制器，其进一步控制所述过热保护闩锁的操作。
3.一种开关变换器，其具有双极功率开关晶体管以及如权利要求1所述的过热保护系统。
4.根据权利要求3所述的开关变换器，其具有用于所述双极功率开关晶体管的恒电流基极驱动。
5.一种开关变换器，其具有双极功率开关晶体管以及如权利要求2所述的过热保护系统。
6.根据权利要求5所述的开关变换器，其具有用于所述双极功率开关晶体管的恒电流基极驱动。
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