CN104362592B - Boost升压电路主功率mosfet的过载保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，对主功率MOSFET的导通压降进行采样，并将预定的参考电压作为门限，根据导通压降是否超过参考电压来判断主功率MOSFET是否过载，并在过载时，关断主功率MOSFET驱动控制电路的输出，进而使得主功率MOSFET停止工作，达到过载保护的目的。

Description

BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置。

背景技术

激光光源设备驱动常采用恒流驱动模式，中间级DC转DC的BOOST升压电路中，主功率MOSFET的安全可靠性是激光光源能否持久工作不易损坏的重要设计指标。

然而实际应用时，特别是输入12V低压，输出50V高压，而且输出到功率高达几百瓦的转换器装置中，输入电流是输出电流的4到5倍，致使主功率MOSFET在工作中因电流过大而易于损坏。

发明内容

基于上述情况，本发明提出了一种BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，以避免产生主功率MOSFET电流过大的情况。为此，本发明采用的技术方案如下。

一种BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，包括参考信号输入电路、过流采样电路和比较器U3A；

所述参考信号输入电路向所述比较器U3A的同相输入端输入参考电压，所述过流采样电路采集BOOST升压电路主功率MOSFET的导通压降，将导通压降叠加直流电压后形成反相端电压，将反相端电压输入到所述比较器U3A的反相输入端；

所述参考电压与主功率MOSFET的驱动电路输出的方波信号同步，且参考电压的大小与所述反相端电压的大小相适应；

所述比较器U3A比较同相输入端的参考电压与反相输入端的反相端电压，输出相应的高低电平至主功率MOSFET驱动控制电路的使能端，使得主功率MOSFET的导通压降低于限制的安全区电压时，主功率MOSFET驱动控制电路输出方波信号至BOOST升压电路的主功率MOSFET，保护装置不动作，主功率MOSFET正常工作，主功率MOSFET的导通压降高于限制的安全区电压时，主功率MOSFET驱动控制电路不再输出方波信号至BOOST升压电路的主功率MOSFET，保护装置动作，主功率MOSFET停止工作。，整个电路得到保护。

本发明BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，对主功率MOSFET的导通压降进行采样，并将预定的参考电压作为门限，根据导通电压是否超过参考电压来判断主功率MOSFET是否过载，并在过载时，控制主功率MOSFET的驱动电路，进而使得主功率MOSFET停止工作，达到过载保护的目的。

附图说明

图1为本发明BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置的结构示意图；

图2为本发明的过载保护装置、BOOST升压电路及其主功率MOSFET驱动控制电路的连接关系示意图；

图3为本发明BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置的一个具体实施例的电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本发明的BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，如图1所示，包括参考信号输入电路、过流采样电路和比较器。

其中，所述参考信号输入电路向比较器U3A的同相输入端输入参考电压，所述过流采样电路采集BOOST升压电路主功率MOSFET的导通压降，将导通压降叠加直流电压后形成反相端电压，将反相端电压输入到所述比较器U3A的反相输入端。

为了避免主功率MOSFET因过流而损坏，需要把主功率MOSFET的SOA区作为限制安全区，以保证主功率MOSFET在损坏前有足够的预警时间。只要主功率MOSFET工作在SOA区，就能正常工作。

在高温下，MOSFET的导通电阻Rds(on)通常是常温下的1.8倍，但在一定的条件下，MOSFET的导通电阻Rds(on)是固定的，此时导通压降Uds(on)与电流Id成正比，Uds(on)＝Id*Rds(on)。因而，本发明通过检测主功率MOSFET的导通压降Uds(on)值来判断负载是否过载。具体是预先设置一个上述参考电压作为门限，采样的主功率MOSFET的导通压降由于数值较小，因而叠加一个直流电压，形成反相端电压再与参考电压比较大小。

所设置的参考电压与主功率MOSFET的驱动电路输出的方波信号同步，且参考电压的大小与所述反相端电压的大小相适应。所述驱动电路，如图2所示，是为主功率MOSFET提供方波驱动信号的电路，只有驱动电路输出方波信号时，主功率MOSFET才能正常工作，否则将停止工作。本发明正是利用这一特点，在监测到主功率MOSFET过载时，切断方波信号的输出，使主功率MOSFET停止工作免于损坏，达到过载保护的目的，具体的判断比较过程如下。

所述比较器U3A比较同相输入端的参考电压与反相输入端的反相端电压，输出相应的高低电平至主功率MOSFET驱动控制电路的使能端，使得主功率MOSFET的导通压降低于限制的安全电压时，保护装置不动作，主功率MOSFET驱动控制电路输出方波信号至BOOST升压电路的主功率MOSFET，主功率MOSFET正常工作，主功率MOSFET的导通压降高于限制的安全电压时，保护装置动作，主功率MOSFET驱动控制电路关断方波信号的输出，主功率MOSFET停止工作，整个电路得到保护。

作为一个优选的实施例，如图3所示，上述参考信号输入电路包括：

运算放大器U8，同相输入端接主功率MOSFET驱动控制电路的时钟信号，反相输入端通过电阻R45接地，同时通过电阻R46接输出端，输出端通过电阻R47接三极管Q1的基极；

三极管Q1，基极还连接电阻R47，并通过电阻R1接地，发射极接地，集电极通过依次串联的电阻R5、电阻R4接电源；

电源经电阻R4接比较器U3A的同相输入端，比较器U3A的同相输入端还通过电容C1接地。

当主功率MOSFET驱动控制电路的时钟信号CLKOUT是低电平时，三极管Q1截止，比较器U3A同相输入端为12V电源经电阻R4和电容C1分压的电压，则U3A的同相输入端电平始终大于反相端输入端电平，U3A输出高电平，这样，主功率MOSFET的导通压降Uds(on)无论多大，本保护装置都不会动作。

当主功率MOSFET驱动控制电路的时钟信号CLKOUT是高电平时，主功率MOSFET的Vgate也处于高电平，CLKOUT经运算放大器U8放大后作为本装置的启动信号，三极管Q1导通，电源电压经电阻R4、R5分压后输入比较器U3A的同相输入端，并与反相输入端的电压比较。当反相输入端的电压大于同相端的输入电压时，U3A输出电压Uo3a为低电平，则认定MOSFET过载，发出保护信号。I/P1和I/P2经过两个二极管组成的或门叠加一个直流电压后加在U3A的反相输入端，而I/P1、I/P2分别是两个主功率MOSFET的导通压降值。

作为一个优选的实施例，如图3所示，所述过流采样电路包括：

并联的二极管D2和二极管D3，两者的负极分别接两个主功率MOSFET的导通电阻，两者的正极通过依次串联的电阻R6和电阻R7接比较器U3A的反相输入端，二极管D4，正极接地，负极接在电阻R6和电阻R7之间；电源通过依次串联的电阻R9和电阻R8接地，并在经过电阻R9分压后输入值比较器U3A的反相输入端，比较器U3A的反相输入端还通过电容C2接地。

并联的二极管D2和二极管D3形成或门，将两个主功率MOSFET中较大的导通压降叠加电阻R9和电阻R8之间的电压后输入到比较器U3A的反相输入端。

作为一个优选的实施例，如图3所示，本保护装置还包括滞回比较器、延时保护电路和集电极开路电路，下面一一介绍。

滞回比较器包括：

比较器U3B，反相输入端通过依次串联的电阻R10和电阻R11接电源，及通过电容C5接地，正相输入端通过依次串联的电阻R13和电阻R12接电源，及通过依次串联的电阻R14和电阻R21接电源，输出端连接比较器U3C的反相输入端；

电阻R10和电阻R11之间的节点接比较器U3A的输出端，电阻R12和电阻R13之间的节点通过电容C3接地，电阻R21和电阻R14之间的节点通过二极管D1接到电阻R4和电阻R5之间。

所述集电极开路电路包括：

比较器U3C，反相输入端接到电阻R21和电阻R14之间，同相输入端通过电阻R16接地，输出端接主功率MOSFET驱动电路的使能端。

所述延时保护电路包括：

比较器U3D，同相输入端通过电阻R17连接比较器U3C的同相输入端，及通过电阻R12接电源，反相输入端通过依次串联的电阻R18、二极管D6和电阻R21接电源，及通过并联的电阻R19和电容C4接地，输出端接比较器回路的输出端。

U3B构成的滞回比较器，其反相输入端电压为比较器U3A的输出端电压，而其同相输入端电压由R13、R14分压得到两个阈值电压Uf1、Uf2，且Uf1>Uf2。当Uo3a>Uf1时，U3B输出电压Uo3b为低电平，否则为高电平，当Uf2<Uo3a<Uf1时，U3B输出电压保持不变。

U3D为延时保护电路中的比较器，通过给电容C4充放电，起到定时锁死保护的功能，U3C构成OC门输出电路，当U3B输出电压为高电平时，U3C输出低电平，当U3B输出电压为低电平时，U3C输出端为集电极开路状态。

综上，本保护装置将主功率MOSFET的导通压降作为采样点，经过电路比较判断来实时的保护主功率MOSFET，只要主功率MOSFET限制功率超出其工作的安全范围，本保护装置即可关断驱动控制电路，起到保护主功率MOSFET的作用。从而，本保护装置为各种功率MOSFET处于过流、短路等异常情况下提供了实时有效的的保护方式，也为主功率MOSFET过载保护的多种方式中又新增了另外一种有效的手段，拓展了保护MOSFET的技术思路，展现了新颖的有别于传统的采样方式，针对不同功率等级的MOSFET，可以设计出不同的保护对策。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，其特征在于，包括参考信号输入电路、过流采样电路和比较器U3A；

所述参考信号输入电路向所述比较器U3A的同相输入端输入参考电压，所述过流采样电路采集BOOST升压电路主功率MOSFET的导通压降，将导通压降叠加直流电压后形成反相端电压，将反相端电压输入到所述比较器U3A的反相输入端；

所述参考电压与主功率MOSFET驱动控制电路输出的方波信号同步，且参考电压的大小与所述反相端电压的大小相适应；所述主功率MOSFET驱动控制电路是为主功率MOSFET提供方波驱动信号的电路；

所述比较器U3A比较同相输入端的参考电压与反相输入端的反相端电压，输出相应的高低电平至主功率MOSFET驱动控制电路的使能端，使得主功率MOSFET的导通压降低于限制的安全电压时，主功率MOSFET驱动控制电路输出方波信号至BOOST升压电路的主功率MOSFET，主功率MOSFET正常工作，主功率MOSFET的导通压降高于限制的安全电压时，主功率MOSFET驱动控制电路关断方波信号的输出，主功率MOSFET停止工作；

所述参考信号输入电路包括：

运算放大器U8，同相输入端接主功率MOSFET驱动控制电路的时钟信号，反相输入端通过电阻R45接地，同时通过电阻R46接输出端，输出端通过电阻R47接三极管Q1的基极；

三极管Q1，基极还连接电阻R47，并通过电阻R1接地，发射极接地，集电极通过依次串联的电阻R5、电阻R4接电源；

电源经电阻R4接比较器U3A的同相输入端，比较器U3A的同相输入端还通过电容C1接地，

当主功率MOSFET驱动控制电路的时钟信号是高电平时，三极管Q1导通，电源电压经电阻R4分压后输入比较器U3A的同相输入端；当主功率MOSFET驱动控制电路的时钟信号是低电平时，三极管Q1截止，比较器U3A同相输入端为电源电压经电阻R4和电容C1分压的电压。

2.根据权利要求1所述的BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，其特征在于，

所述过流采样电路包括：

并联的二极管D2和二极管D3，两者的负极分别接两个主功率MOSFET的导通电阻，两者的正极通过依次串联的电阻R6和电阻R7接比较器U3A的反相输入端，二极管D4，正极接地，负极接在电阻R6和电阻R7之间；

电源通过依次串联的电阻R9和电阻R8接地，并在经过电阻R9分压后输入值比较器U3A的反相输入端，比较器U3A的反相输入端还通过电容C2接地，

并联的二极管D2和二极管D3形成或门，将两个主功率MOSFET中较大的导通压降叠加电阻R9和电阻R8之间的电压后输入到比较器U3A的反相输入端。

3.根据权利要求1所述的BOOST升压电路主功率MOSFET的过载保护装置，其特征在于，

还包括滞回比较器、延时保护电路和集电极开路电路；

滞回比较器包括：

比较器U3B，反相输入端通过依次串联的电阻R10和电阻R11接电源，及通过电容C5接地，正相输入端通过依次串联的电阻R13和电阻R12接电源，及通过依次串联的电阻R14和电阻R21接电源，输出端连接比较器U3C的反相输入端；

电阻R10和电阻R11之间的节点接比较器U3A的输出端，电阻R12和电阻R13之间的节点通过电容C3接地，电阻R21和电阻R14之间的节点通过二极管D1接到电阻R4和电阻R5之间；

所述集电极开路电路包括：

比较器U3C，反相输入端接到电阻R21和电阻R14之间，同相输入端通过电阻R16接地，输出端接主功率MOSFET驱动电路的使能端；

所述延时保护电路包括：

比较器U3D，同相输入端通过电阻R17连接比较器U3C的同相输入端，及通过电阻R12接电源，反相输入端通过依次串联的电阻R18、二极管D6和电阻R21接电源，及通过并联的电阻R19和电容C4接地，输出端接比较器回路的输出端。