CN103929046A - 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路 - Google Patents

Abstract

一种BUCK拓扑开关电源中的开关管故障检测电路，包括依次连接的输入保护电路、整流滤波电路、PWM控制电路、基本BUCK拓扑电路和输出电路，其特征在于，增设微分电路和电压比较电路，输出电路的输出连接微分电路，微分电路的输出连接电压比较电路，电压比较电路输出开关管是否出现故障的标志信号。

Description

一种BUCK拓扑开关电源中的开关管故障检测电路

技术领域

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种BUCK拓扑开关电源中的开关管故障检测电路，适用于恒压负载和相关的航空、航天、通信等领域。

背景技术

目前，BUCK拓扑的开关电源在航空、航天、卫星、船舶、通信等领域得到广泛应用，在这些应用中，对电源工作的可靠性、稳定性、安全性提出了极高的要求。而开关电源中开关管可能异常工作，导致整个电源系统崩溃。常见的开关管异常包括开关管短路和开关管断路。为了避免这种情况的发生，人们采用针对开关管错误容忍的技术，实现开关管错误容忍的前提是快速、准确的检测到开关管的故障。目前，对开关管故障的检测电路还处于技术研发阶段，相关技术还不成熟。现在出现的技术主要有：对电感电流的检测、对电感两端电压的检测。这些检测电路还存在速度较慢和检测结果不准确等不足，需要在检测电路设计中加入消除干扰的电路，距离实际应用还有一定的距离。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，基于对BUCK拓扑开关电源工作原理深入分析的基础上，提供一种BUCK拓扑开关电源中的开关管故障检测电路，可以在不增加成本的情况下实现快速准确检测开关管故障，结构非常简单，没有增加成本，同时提高了系统的可靠性和稳定性。本发明检测电路可以集成到PWM控制芯片中，通过对检测到的故障信号进行适当处理就可以实现很好的错误容忍开关电源系统。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种BUCK拓扑开关电源中的开关管故障检测电路，包括依次连接的输入保护电路、整流滤波电路、PWM控制电路、基本BUCK拓扑电路和输出电路，其特征在于，增设微分电路和电压比较电路，输出电路的输出连接微分电路，微分电路的输出连接电压比较电路，电压比较电路输出基本BUCK拓扑电路中的开关管是否出现故障的标志信号；

微分电路包括电容C1、电阻R1和集成运算放大器OP1，电容C1的一端连接BUCK开关电源通过输出电路输出的电压，电容C1的另一端连接集成运算放大器OP1的负输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接集成运算放大器OP1的输出端，集成运算放大器OP1的正输入端连接公共地端；

电压比较电路包括电阻R2、R3，直流参考电压源Vref和集成运算放大器OP2，电阻R2的一端连接微分电路中集成运算放大器OP1的输出端，电阻R2的另一端连接集成运算放大器OP2的负输入端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接直流参考电压源Vref的正极，直流参考电压源Vref的负极连接公共地端和集成运算放大器OP2的正输入端，集成运算放大器OP2正的供电电压端连接直流电压源+V_Z的正极，集成运算放大器OP2负的供电电压端连接公共地端，集成运算放大器OP2的输出端输出基本BUCK拓扑电路中的开关管是否出现故障的标志信号。

本发明具有如下优点及显着效果：

1)在输入电压范围大、输出端有电压的情况下，保证了开关管故障检测的准确性。

2)电路简单，无需专用电路的复杂控制，成本低，可靠性好。

3)对输出电压微分，可以检测到很小的开关纹波，应用范围广。

4)微分电路和电压比较电路可以集成到PWM控制芯片中，同时针对开关管故障的检测情况采取错误容忍措施，相关的电路都可以集成到PWM控制芯片中，大大降低成本。

5)在开关管故障发生后，本专利中的检测电路最长只要两个开关周期就可以准确得到故障信号，实现了开关管故障的超快速检测，保证了整个开关电源系统工作的高稳定性和高可靠性。该检测电路不受开关管控制芯片工作原理的限制，只要搭建的BUCK开关电源能够工作，该检测电路都能够有效地检测出开关管的故障。

附图说明

图1是本发明电路方框图；

图2是本发明电路原理图；

图3是采用了本发明结构的开关管短路时Diagnose Signal的波形图；

图4是采用了本发明结构的开关管开路时Diagnose Signal的波形图；

图5是采用了本发明结构的开关管正常工作时Diagnose Signal的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明检测BUCK拓扑开关电源中开关管故障的电路，包括依次连接的输入保护电路1、整流滤波电路2、PWM控制电路3、基本BUCK拓扑电路4和输出电路5，上述电路均为已知的现有技术。在上述电路的基础上，增设微分电路6和电压比较电路7，输出电路5的输出连接微分电路6，微分电路6的输出连接电压比较电路7，电压比较电路7输出基本BUCK拓扑电路中的开关管是否出现故障的标志信号。

如图2所示，输入保护电路1、整流滤波电路2、PWM控制电路3、基本BUCK拓扑电路4和输出电路5均为已知的现有技术，因此不再说明他们的电路结构和连接关系。微分电路6包括电容C1、电阻R1和集成运算放大器OP1，电容C1的一端连接BUCK电路的输出电压，电容C1的另一端连接集成运算放大器OP1的负输入端，电阻R1的一端连接集成运算放大器OP1的负输入端，电阻R1的另一端连接集成运算放大器OP1的输出端，集成运算放大器OP1的输出端连接电压比较电路中电阻R2的一端，集成运算放大器OP1的正输入端连接公共地端。

电压比较电路7包括电阻R2、R3，直流参考电压源Vref和集成运算放大器OP2，电阻R2的一端连接微分电路中集成运算放大器OP1的输出端，电阻R2的另一端连接集成运算放大器OP2的负输入端，电阻R3的一端连接集成运算放大器OP2的负输入端，电阻R3的另一端连接直流参考电压源Vref的正极，直流参考电压源Vref的正极连接电阻R3的一端，直流电压源Vref的负极连接公共地端，集成运算放大器OP2的正输入端连接公共地端，集成运算放大器OP2的负输入端连接电阻R2、R3的连接端，集成运算放大器OP2的正的供电电压端连接直流电压源+V_Z的正极，集成运算放大器OP2的负的供电电压端连接公共地端，集成运算放大器OP2的输出端输出基本BUCK拓扑电路中的开关管是否出现故障的标志信号。

本发明的工作原理如下：

1)系统上电后，BUCK开关电源正常工作，PWM控制信号根据反馈信号实时调整。当PWM控制信号为高电平时，基本BUCK拓扑电路4中的N沟道MOSFET导通，当PWM控制信号为低电平时，N沟道MOSFET关断。

2)在基本的BUCK拓扑电路4中，当考虑储能电解电容Co的等效的串联电阻ESR时，储能电解电容Co及其等效串联电阻ESR和输出负载Rload同时引进一个极点f_p＝1/2π*Co*(ESR+Rload)和一个零点f_z＝1/2π*Co*ESR，而一个零点相当于对输出电压进行了一次微分，故输出电压的高频纹波波形与电感中电流的波形一致。

3)当N沟道MOSFET导通时，基本的BUCK拓扑电路4中电感L电流不断增加，则输出电压的纹波也不断增加，通过微分电路6得到负值(因为集成运算放大器OP1工作在负反馈状态，引入了一个负号)，同理，当N沟道MOSFET关断时，基本的BUCK拓扑电路4中电感L电流不断降低，则输出电压的纹波也不断降低，通过微分电路6得到正值(因为集成运算放大器OP1工作在负反馈状态，引入了一个负号)。

4)电压比较电路7中，阈值电压V_T＝-(R2/R3)*Vref，当Vref设定后，可以通过调整R2与R3的比值得到合适的阈值电压V_T,将阈值电压V_T调整到接近于零的正值，从而得到比较准确的基本的BUCK拓扑电路4中开关管MOSFET故障的检测信号(Diagnose Signal),当集成运算放大器OP1的输出电压V_OP1<V_T时，集成运算放大器OP2的输出电压DiagnoseSignal＝+V_Z,当集成运算放大器OP1的输出电压V_OP1>V_T时，集成运算放大器OP2的输出电压Diagnose Signal＝0,N沟道MOSFET正常工作时得到的方波就是PWM波形。

5)当N沟道MOSFET开路时，不管PWM控制信号是否是高电平，输出电压的纹波都要降低，经过微分电路6和电压比较电路7得到的Diagnose Signal＝0。

6)当N沟道MOSFET短路时，不管PWM控制信号是否是低电平，输出电压的纹波都要升高，经过微分电路6和电压比较电路7得到的Diagnose Signal＝+V_Z。

7)通过电压比较电路7的Diagnose Signal与PWM控制信号的比较，就可以在N沟道MOSFET发生故障的本周期或下一个开关周期内检测出来，当N沟道MOSFET开路时，Diagnose Signal恒为零，当N沟道MOSFET短路时，Diagnose Signal恒为+V_Z。

本发明工作过程如下：

系统上电后，BUCK开关电源正常工作，PWM控制信号根据反馈信号实时调整，此时得到的Diagnose Signal就是PWM波形。当N沟道MOSFET开路时，不管PWM控制信号是否是高电平，输出电压的纹波都要降低，经过微分电路6和电压比较电路7得到的DiagnoseSignal恒为零。当N沟道MOSFET短路时，不管PWM控制信号是否是低电平，输出电压的纹波都要升高，经过微分电路6和电压比较电路7得到的Diagnose Signal恒为V_Z。N沟道MOSFET不管是开路还是短路，经过微分电路6和电压比较电路7得到的DiagnoseSignal恒为一个单一电平，那么就可以在N沟道管MOSFET发生故障的本开关周期或下一个开关周期内检测到开关故障。

采用本发明，大大提高了检测开关管故障的速度，为采取相应的保护措施争取到宝贵的时间。本发明大大提高了电源系统工作的安全性、稳定性和连续性，满足了相关应用领域对电源的要求。同时，本发明采用了一个简单的检测电路实现了开关管故障的准确检测，降低了传统检测电路对系统正常工作的干扰。

为了证明本发明的电路性能，设计并测试了一块基于本发明结构的开关管故障检测电路，图3所示是采用了本发明基本BUCK拓扑电路4中的开关管MOSFET短路时DiagnoseSignal的波形，从图中可以看出该开关管短路后Diagnose Signal恒为V_Z。图4所示是采用了本发明结构的基本BUCK拓扑电路4中的开关管MOSFET开路时Diagnose Signal的波形，从图中可以看出该开关管开路后Diagnose Signal恒为零。从以上结果可以看出，采用本发明后可以大大降低故障检测时间，效果明显。

Claims (1)

1.一种BUCK拓扑开关电源中的开关管故障检测电路，包括依次连接的输入保护电路、整流滤波电路、PWM控制电路、基本BUCK拓扑电路和输出电路，其特征在于，增设微分电路和电压比较电路，输出电路的输出连接微分电路，微分电路的输出连接电压比较电路，电压比较电路输出基本BUCK拓扑电路中的开关管是否出现故障的标志信号；

微分电路包括电容C1、电阻R1和集成运算放大器OP1，电容C1的一端连接BUCK开关电源通过输出电路输出的电压，电容C1的另一端连接集成运算放大器OP1的负输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接集成运算放大器OP1的输出端，集成运算放大器OP1的正输入端连接公共地端；

电压比较电路包括电阻R2、R3，直流参考电压源Vref和集成运算放大器OP2，电阻R2的一端连接微分电路中集成运算放大器OP1的输出端，电阻R2的另一端连接集成运算放大器OP2的负输入端和电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接直流参考电压源Vref的正极，直流参考电压源Vref的负极连接公共地端和集成运算放大器OP2的正输入端，集成运算放大器OP2正的供电电压端连接直流电压源+V_Z的正极，集成运算放大器OP2负的供电电压端连接公共地端，集成运算放大器OP2的输出端输出基本BUCK拓扑电路中的开关管是否出现故障的标志信号。