CN105098720A - 一种pfm升压型电源转换电路的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PFM升压型电源转换电路的保护电路，该保护电路包括：反相器，用于将输出电压进行反相，并输出反相电压；减法器，用于输出反相电压与第一参考电压的差值电压；比较器，用于根据差值电压和第二参考电压的比较结果，输出控制电压；开关电路，用于根据控制电压切换地导通和断开，以控制电源转换电路的开启和关闭。该电路可在电源转换电路的输出端对地短路时，有效保护电源转换电路中的元器件。

Description

一种PFM升压型电源转换电路的保护电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种PFM升压型电源转换电路的保护电路。

背景技术

随着集成电路的快速发展，供能元件对电源转换器性能的要求越来越高，提高性能的同时简化电路成为发展的必然趋势。

图1为现有的脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation，PFM)升压型电源转换电路的电路图及其受用主集成电路(IntegratedCircuit，IC)的示意图，IC11的脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)端用于控制电源转换电路10的脉冲频率,其电压输入端NAVDD端与电源转换电路10的输出端连接,整个IC11是电源转换电路10输出电压的使用者。电源转换电路10包括第一开关管Q1、电感L、二极管D和电容C，电源转换电路10正常工作时，由IC11提供的脉冲电压控制第一开关管Q1的开启与关断，当第一开关管Q1开启时，外加电压VDD对电感L充电，当第一开关管Q1关闭时，电感L放电，电感L的一端接地，使电感L的另一端电压为负，进而使电源转换电路10的输出端输出负电压。这种电路设计使元件做到了最大简化，且可产生稳定的负压电源。但当用于稳压的电容器C损坏时，电源转换电路10的输出端相当于对地短路，这时电源转换电路10默认为输出电压不足，为增加电路中的电流，IC11会增大脉冲宽度调制端PWM的脉冲频率来加快第一开关管Q1的开关频率，当脉冲频率过大时，第一开关管Q1的开关频率相应过大，电感L内电流变大，会出现发热、冒烟、直至烧毁的现象，上述整个过程，电源转换电路10不会自我保护。

为避免元器件的损坏，为PFM升压型电源转换电路设计保护电路是十分必要的。

发明内容

本发明提供一种PFM升压型电源转换电路的保护电路，以在电源转换电路输出端对地短路时保护电路中的元件免受损坏。

本发明提供了一种PFM升压型电源转换电路的保护电路，该电路包括：反相器，所述反相器的输入端与电源转换电路的输出端连接，用于将输出电压进行反相，并输出反相电压；减法器，所述减法器的反相输入端与所述反相器的输出端连接，所述减法器的正相输入端与第一参考电压端连接，用于输出所述反相电压与第一参考电压的差值电压；比较器，所述比较器的反相输入端与第二参考电压端连接，所述比较器的正相输入端与所述减法器的输出端连接，用于根据所述差值电压和第二参考电压的比较结果，输出控制电压，其中，在所述输出电压大于所述第二参考电压时，所述控制电压为高电平电压，在所述输出电压小于所述第二参考电压时，所述控制电压为低电平电压；开关电路，所述开关电路的第一输入端与所述比较器的输出端连接，所述开关电路的第二输入端与所述IC的复位端连接，用于根据所述控制电压切换地导通和断开，以控制所述电源转换电路的开启和关闭。

进一步地，所述第二参考电压的取值大于正常差值电压，且小于所述第一参考电压；所述正常差值电压为所述输出电压为负值时所述减法器输出的差值电压。

进一步地，所述反相器包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第三电阻连接所述电源转换电路的输出端,所述第二电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第一运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻接地。

进一步地，所述减法器包括第二运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第四电阻连接所述反相器的输出端，所述第二运算放大器的正相输入端通过所述第五电阻与所述第一参考电压端连接，并通过所述第六电阻接地，所述第七电阻连接在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间。

进一步地，所述比较器包括第三运算放大器和第八电阻；所述第三运算放大器的反相输入端与所述第二参考电压端连接，所述第三运算放大器的正相输入端与所述减法器的输出端连接，所述比较器的高压控制端接所述第一参考电压端，所述比较器的低压控制端接地，所述第八电阻连接在所述第三运算放大器的输出端和所述比较器的所述高压控制端之间。

进一步地，所述开关电路包括开关管，所述开关管为N型金属氧化物半导体NMOS管；所述开关管的源极接地，所述开关管的漏极连接所述IC的复位端，用于改变复位电压，所述开关管的栅极连接所述比较器的输出端。

本发明通过设计PFM升压型电源转换电路的保护电路，使电源转换电路在输出端对地短路时实现了自我保护，避免了电路中元件的损坏。

附图说明

图1为现有的PFM升压型电源转换电路电路图及其受用主集成电路的示意图；

图2是本发明实施例一中PFM升压型电源转换电路的保护电路的结构图；

图3是本发明实施例二中PFM升压型电源转换电路的保护电路的示例电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图2是本发明实施例一中PFM升压型电源转换电路的保护电路的结构图，该电路用于在电源转换电路的输出端对地短路时保护电源转换电路中的元件，PFM升压型电源转换电路保护电路具体包括：反相器21、减法器22、比较器23和开关电路24。

其中，反相器21的输入端与电源转换电路的输出端Uo连接，用于将输出电压进行反相，并输出反相电压。

减法器22的反相输入端与反相器21的输出端连接，减法器22的正相输入端与第一参考电压端VGH1连接，用于输出反相电压与第一参考电压的差值电压。

具体的，第一参考电压可以由IC的参考电压端口提供，IC是PFM升压型电源转换电路输出电压的使用者。

比较器23的反相输入端与第二参考电压端VGH2连接，比较器23的正相输入端与减法器22的输出端连接，用于根据差值电压和第二参考电压的比较结果，输出控制电压，其中，在输出电压大于第二参考电压时，控制电压为高电平电压，在输出电压小于第二参考电压时，控制电压为低电平电压；

具体的，第二参考电压的取值大于正常差值电压，且小于第一参考电压；正常差值电压为电源转换电路的输出端Uo的输出电压为负值时减法器22输出的差值电压。

电源转换电路正常工作时，比较器23输出的是低电平电压，根据比较器23的工作原理可知，此时比较器23的反相输入端电压大于正相输入端电压，即第二参考电压的取值大于正常差值电压。此外，IC的参考电压端口串联一个电阻后的输出电压，串联电阻上会产生一定的电压降，因此第二参考电压的电压值小于第一参考电压，开关电路24的第一输入端与比较器23的输出端连接，开关电路24的第二输入端与IC的复位端RSTB连接，用于根据控制电压切换地导通和断开，以控制电源转换电路的开启和关闭。

比较器23根据两个输入端的电压值比较结果，可输出高电平电压和低电平电压两个电压值，优选的，高电平电压为20V，低电平电压为0V，比较器23的输出端连接开关电路24中第二开关管的栅极，第二开关管优选为N型金属氧化物半导体(N-MetalOxideSemiconductor，NMOS)管，当输出电压为高电平电压时第二开关管导通，输出为低电平电压时第二开关管关闭，第二开关管的导通和关闭可控制复位电压端的电压，进而控制IC的停止或工作。

本发明实施例中电源转换电路的保护电路，通过给电源转换电路设计保护电路，实现了对电源转换电路中元件的保护。

实施例二

图3是本发明实施例二中PFM升压型电源转换电路的保护电路的示例电路结构图，电源转换电路以上述实施例一为基础，进一步的，给出电源转换电路的反相器21、减法器22、比较器23和开关电路24的优选电路结构。

反相器21具体包括：第一运算放大器210、电阻R11、电阻R12和电阻R13，第一运算放大器210的反相输入端通过电阻R13连接电源转换电路的输出端Uo，电阻R12连接在第一运算放大器210的反相输入端和输出端之间，第一运算放大器210的正相输入端通过电阻R11接地。

减法器22具体包括：第二运算放大器220、电阻R21、电阻R22、电阻R23和电阻R24，第二运算放大器220的反相输入端通过电阻R21连接反相器21的输出端，第二运算放大器220的正相输入端通过电阻R22与第一参考电压端VGH1连接，并通过电阻R23接地，电阻R24连接在第二运算放大器220的反相输入端和输出端之间。

比较器23具体包括：第三运算放大器230和电阻R31，第三运算放大器230的反相输入端与第二参考电压端VGH2连接，第三运算放大器230的正相输入端与减法器22的输出端连接，比较器23的高电压控制端连接第一参考电压端VGH1,低电压控制端接地，电阻R31连接在第三运算放大器230的输出端和比较器23的高电压控制端之间。比较器23中的电阻R31具体用于稳定电路中的电压。

开关电路24具体包括：第二开关管Q2，第二开关管Q2优选为NMOS管，第二开关管Q2的源极接地，第二开关管Q2的漏极连接IC的复位端RSTB，用于改变复位电压，第二开关管Q2的栅极连接比较器23的输出端。

上述PFM升压型电源转换电路保护电路中的八个电阻，其阻值在实现各电阻所在部分功能的前提下是可调的。

本实施例所提供的保护电路，其工作原理为：

PFM升压型电源转换电路保护电路的输入端与PFM升压型电源转换电路的输出端连接，电源转换电路正常工作时，例如其输出电压为-6V，相应的，保护电路的输入端电压为-6V，经反相器21进行电压反相后，反相器21输出电压为6V。反相器21的输出端作为减法器22的反相输入端，其电压值为6V，第一参考电压端VGH1为减法器22的正相输入端，优选的，本发明中第一参考电压值为20V，减法器22的输出电压值为14V。减法器22的输出端连接比较器23的比较电压端，比较器23的另一输入端为基准电压端，基准电压端连接IC的第二参考电压端VGH2，优选的，其电压值为18V。比较电压端为比较器23的正相输入端，基准电压端为比较器23的反相输入端，根据比较器23正相输入端的电压值小于反相输入端的电压值时输出低电平电压，优选的，比较器23的低电平电压为0V，即比较器23的输出电压值为0V。比较器23的输出端连接开关电路24中第二开关管Q2的栅极，第二开关管Q2的栅极电压即为0V，第二开关管Q2优选为NMOS管，此时，第二开关管Q2关闭，复位电压端RSTB的电压值为一个定值，优选为3.3V，由IC提供。

当PFM升压型电源转换电路的输出端对地短路时，其输出电压为0V，电源转换电路的保护电路的输入电压为0V，以上述电路正常工作时的分析方法，可确定比较器23的输出电压为比较器23的输出高电平电压值，优选为第一参考电压值20V。此时，开关电路24的第二开关管Q2开启，复位电压端接地，其值为0V，IC感应复位电压端这一电压变化并停止工作，第二开关管Q2栅极连接IC的PWM端，此PWM端为电源转换电路提供脉冲，以控制开关管Q2的开启和关闭。当IC停止工作后，PWM端不再提供控制脉冲，开关管Q2一直处于关闭的状态，使电源转换电路停止工作。

本实施例提供的PFM升压型电源转换电路保护电路，给已有的PFM升压型电源转换电路设计了保护电路，解决了电源转换电路输出端对地短路时，电路中的元件因电路中电流过大而烧坏的问题，实现了电路的自我保护，避免元件的损坏。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种脉冲频率调制PFM升压型电源转换电路的保护电路，其特征在于，包括：

反相器，所述反相器的输入端与电源转换电路的输出端连接，用于将输出电压进行反相，并输出反相电压；

减法器，所述减法器的反相输入端与所述反相器的输出端连接，所述减法器的正相输入端与第一参考电压端连接，用于输出所述反相电压与第一参考电压的差值电压；

比较器，所述比较器的反相输入端与第二参考电压端连接，所述比较器的正相输入端与所述减法器的输出端连接，用于根据所述差值电压和第二参考电压的比较结果，输出控制电压，其中，在所述输出电压大于所述第二参考电压时，所述控制电压为高电平电压，在所述输出电压小于所述第二参考电压时，所述控制电压为低电平电压；

开关电路，所述开关电路的第一输入端与所述比较器的输出端连接，所述开关电路的第二输入端与所述电源转换电路的受用主集成电路的复位端连接，用于根据所述控制电压切换地导通和断开，以控制所述电源转换电路的开启和关闭。

2.如权利要求1所述的脉冲频率调制PFM升压型电源转换电路的保护电路，其特征在于：

所述第二参考电压的取值大于正常差值电压，且小于所述第一参考电压；

所述正常差值电压为所述输出电压为负值时所述减法器输出的差值电压。

3.如权利要求2所述的脉冲频率调制PFM升压型电源转换电路的保护电路，其特征在于，所述反相器包括：

第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第三电阻连接所述电源转换电路的输出端,所述第二电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第一运算放大器的正相输入端通过所述第一电阻接地。

4.如权利要求2所述的脉冲频率调制PFM升压型电源转换电路的保护电路，其特征在于，所述减法器包括：

第二运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第四电阻连接所述反相器的输出端，所述第二运算放大器的正相输入端通过所述第五电阻与所述第一参考电压端连接，并通过所述第六电阻接地，所述第七电阻连接在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间。

5.如权利要求2所述的脉冲频率调制PFM升压型电源转换电路的保护电路，其特征在于，所述比较器包括：

第三运算放大器和第八电阻；

所述第三运算放大器的反相输入端与所述第二参考电压端连接，所述第三运算放大器的正相输入端与所述减法器的输出端连接，所述比较器的高压控制端接所述第一参考电压端，所述比较器的低压控制端接地，所述第八电阻连接在所述第三运算放大器的输出端和所述比较器的所述高压控制端之间。

6.如权利要求2所述的脉冲频率调制PFM升压型电源转换电路的保护电路，其特征在于，所述开关电路包括：

开关管，所述开关管为N型金属氧化物半导体NMOS管；

所述开关管的源极接地，所述开关管的漏极连接所述受用主集成电路的复位端，用于改变复位电压，所述开关管的栅极连接所述比较器的输出端。