CN103929046B - 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路 - Google Patents

一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路 Download PDF

Info

Publication number
CN103929046B
CN103929046B CN201410168532.6A CN201410168532A CN103929046B CN 103929046 B CN103929046 B CN 103929046B CN 201410168532 A CN201410168532 A CN 201410168532A CN 103929046 B CN103929046 B CN 103929046B
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
connects
operational amplifier
output
integrated operational
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410168532.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103929046A (zh
Inventor
孙伟锋
张太之
许满超
朱俊杰
钱钦松
陆生礼
时龙兴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201410168532.6A priority Critical patent/CN103929046B/zh
Publication of CN103929046A publication Critical patent/CN103929046A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103929046B publication Critical patent/CN103929046B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)

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+VZ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DiagnoseSignal的波形图；
图4是采用了本发明结构的开关管开路时DiagnoseSignal的波形图；
图5是采用了本发明结构的开关管正常工作时DiagnoseSignal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+VZ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fp＝1/2π*Co*(ESR+Rload)和一个零点fz＝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VT＝-(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VT,将阈值电压VT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(DiagnoseSignal),当集成运算放大器OP1的输出电压VOP1<VT时，集成运算放大器OP2的输出电压DiagnoseSignal＝+VZ,当集成运算放大器OP1的输出电压VOP1>VT时，集成运算放大器OP2的输出电压DiagnoseSignal＝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DiagnoseSignal＝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DiagnoseSignal＝+VZ。
7)通过电压比较电路7的DiagnoseSignal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，DiagnoseSignal恒为零，当N沟道MOSFET短路时，DiagnoseSignal恒为+VZ。
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DiagnoseSignal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DiagnoseSignal恒为VZ。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DiagnoseSignal恒为VZ。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DiagnoseSignal的波形，从图中可以看出该开关管开路后DiagnoseSignal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、基本BUCK拓扑电路和输出电路，还包括PWM控制电路与基本BUCK拓扑电路连接，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+VZ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。
CN201410168532.6A 2014-04-24 2014-04-24 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路 Active CN103929046B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410168532.6A CN103929046B (zh) 2014-04-24 2014-04-24 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410168532.6A CN103929046B (zh) 2014-04-24 2014-04-24 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103929046A CN103929046A (zh) 2014-07-16
CN103929046B true CN103929046B (zh) 2016-03-30

Family

ID=51147156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410168532.6A Active CN103929046B (zh) 2014-04-24 2014-04-24 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103929046B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108983079A (zh) * 2017-06-05 2018-12-11 通用电气公司 故障检测装置、系统及方法
CN109358295B (zh) * 2018-09-20 2021-06-08 北京时代民芯科技有限公司 一种应用于dc-dc的电源故障指示电路

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102023280A (zh) * 2010-10-28 2011-04-20 哈尔滨工业大学 交流电阻焊机可控硅导通角和触发角的测量电路
CN103207362A (zh) * 2012-01-11 2013-07-17 Abb研究有限公司 用于实时监测igbt器件的操作状态的系统和方法
CN103472381A (zh) * 2013-09-27 2013-12-25 南京航空航天大学 一种功率开关管故障特征参数提取方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE602004029667D1 (de) * 2004-08-04 2010-12-02 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Steuerung eines getakteten Umrichters und Steuerungsvorrichtung für einen getakteten Umrichter
US7593200B2 (en) * 2006-08-15 2009-09-22 International Rectifier Corporation Buck converter fault detection method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102023280A (zh) * 2010-10-28 2011-04-20 哈尔滨工业大学 交流电阻焊机可控硅导通角和触发角的测量电路
CN103207362A (zh) * 2012-01-11 2013-07-17 Abb研究有限公司 用于实时监测igbt器件的操作状态的系统和方法
CN103472381A (zh) * 2013-09-27 2013-12-25 南京航空航天大学 一种功率开关管故障特征参数提取方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103929046A (zh) 2014-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103746342B (zh) 升压变换器以及用于升压变换器的控制器及短路保护方法
US8963515B2 (en) Current sensing circuit and control circuit thereof and power converter circuit
CN107656124B (zh) 无需外部采样电阻的Boost负载电流检测电路及方法
CN107147082A (zh) 过压保护电路和应用其的集成电路和开关变换器
TW200726049A (en) DC-DC converter control circuit and DC-DC converter control method
CN105842526A (zh) 一种零电流检测电路和方法、及电压变换电路
CN108418459B (zh) 一种电流滞环控制的逆变器开路故障容错控制方法和装置
CN104600963A (zh) 一种开关电源输出电压双模检测电路
CN103378617A (zh) 一种锂电充电电路
CN102163834A (zh) 开关控制电路
CN103051178A (zh) 一种检测并阻止反向电流的降压变换器
CN102944723A (zh) 一种电压检测电路以及电压检测方法
CN104360143A (zh) 负载过零点检测电路及方法,负载电压检测电路及方法
CN105162314A (zh) 一种用于buck变换器的过流检测电路
CN115389808B (zh) 电流检测电路及降压变换器
CN105811761A (zh) 一种电流采样电路及集成电流采样电路的boost电路
CN104101764A (zh) 一种应用于dc-dc转换器的新型电感电流检测电路
CN103929046B (zh) 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路
CN111796196A (zh) Buck变换器故障检测方法
CN113759288B (zh) 一种漏电流检测电路、方法及漏电流检测器
CN106300248B (zh) 一种电流控制方式的欠压保护电路
CN103472283A (zh) 电压检测方法及电路以及带该电压检测电路的开关电源
CN104901574A (zh) 桥式电路及其短路保护方法
CN103236679B (zh) 交流断路器电子式后备保护装置
CN205725459U (zh) 一种自适应开关电源均流电路

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant