CN105871189B - 一种过流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种适用于BUCK变换器的过流检测电路。本发明的电路在功率上管打开时，比较器1对节点SW电压进行检测，其中SW点电压可以反映出电感电流大小，如果过流，比较器1翻转，屏蔽环路比较器，同时关闭功率上管，打开同步整流开关管，此时比较器2开始工作，当比较器2翻转时，关闭同步整流开关管，打开功率上管。通过设置比较器2的翻转点来控制过流时的开关频率，同时保证过流时电感电流稳定在两个比较器的翻转点之间，使得负载电流恒定。

Description

一种过流检测电路

技术领域

本发明属于BUCK变换器技术领域，涉及一种适用于BUCK变换器的过流检测电路。

背景技术

随着集成电路的发展，作为其关键技术的大功率器件MOSFET因其出色的高频开关特性而被广泛地应用于通信、电子等领域，但是MOSFET具有较弱的短时过载能力，当工作中因过压或过流而使管内能量聚集时，若不能及时正确处理，不仅对DC/DC变换器自身损坏，还会危及DC/DC变换器的前级或后级电路，使整个系统崩溃。因此要设计一种有效的过流检测电路，然而过流之后会屏蔽环路比较器，通过最小关断时间来控制下管开启时间，这会使得在过流时开关频率会增加到很大，导致开关管能量损耗很大甚至烧坏，因此需要做一种可以在过流后降低开关频率的过流检测电路。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种在过流之后，降低芯片开关频率，防止功率管因过流后开关频率过高而烧坏，使芯片能够稳定地检测过流。

本发明的技术方案是：如图1所示，一种过流检测电路，包括第一比较器、第二比较器、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第五反相器INV5、第六反相器INV6、第七反相器INV7、第八反相器INV8、第九反相器INV9、第十反相器INV10、第十一反相器INV11、第十二反相器INV12、第一双输入或非门NOR1、第二双输入或非门NOR2、第三双输入或非门NOR3、第四双输入或非门NOR4、第五双输入或非门NOR5、第六双输入或非门NOR6、第七双输入或非门NOR7、第八双输入或非门NOR8、第九双输入或非门NOR9、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电流源I1、第二电流源I2、第一计数器、第二计数器、第一功率管、第二功率管和驱动控制器；其中，

第一功率管的源极接电源，其栅极接第一驱动信号；第二功率管的漏极接第一功率管的漏极，第二功率管的栅极接第二驱动信号，第二功率管的源极接地；

第一比较器的正输入端通过第四电阻R4后接电源，第一比较器正输入端与第四电阻R4的连接点接第一电流源I1的一端，第一电流源I1的另一端接地；第一比较器的负输入端接第一功率管的漏极；

第一反相器INV1的输入端接第一计数器的输出端，第一反相器INV1的输出端通过第一电阻R1后接第二反相器INV2的输入端；第一电阻R1与第二反相器INV2输入端的连接点通过第一电容C1后接地；第二反相器INV2的输出端接第一双输入或非门NOR1的一个输入端，第一双输入或非门NOR1的另一个输入端接第二计数器的输出端，第一双输入或非门NOR1的输出端接第三反相器INV3的输入端，第三反相器INV3的输出端接第二双输入或非门NOR2的一个输入端，第二双输入或非门NOR2的另一个输入端接第三双输入或非门NOR3的输出端；第三双输入或非门NOR3的一个输入端接第一比较器的输出端，第三双输入或非门NOR3的另一个输入端接第二双输入或非门NOR2的输出端；

第一计数器的使能信号端接第二双输入或非门NOR2的输出端，第一计数器的时钟信号端接第五反相器INV5的输出端；第五反相器INV5的输入端接第四反相器INV4的输出端；第四反相器INV4的输入端接第一比较器的输出端；

第二比较器的正输入端接电源与第二电流源I2一端的连接点，第二电流源I2的另一端通过第五电阻R5后接第二功率管的漏极；第二比较器的负输入端接地；

第六反相器INV6的输入端接第二计数器的输出端，第六反相器INV6的输出端通过第二电阻R2后接第七反相器INV7的输入端；第二电阻R2与第七反相器INV7输入端的连接点通过第二电容C2后接地；第七反相器INV7的输出端接第四双输入或非门NOR4的一个输入端，第四双输入或非门NOR4的另一个输入端接第一比较器的输出端，第四双输入或非门NOR4的输出端接第八反相器INV8的输入端；第八反相器INV8的输出端接第五双输入或非门NOR5的一个输入端，第五双输入或非门NOR5的另一个输入端接第六双输入或非门NOR6的输出端；第六双输入或非门NOR6的一个输入端接第五双输入或非门NOR5的输出端，第六双输入或非门NOR6的另一个输入端接第二比较器的输出端；第二计数器的使能信号端接第五双输入或非门NOR5的输出端，第二计数器的时钟信号端接第十反相器INV10的输出端；第十反相器INV10的输入端接第九反相器INV9的输出端；第九反相器INV9的输入端接外部PWM信号；

第七双输入或非门NOR7的一个输入端接外部PWM信号，其另一个输入端接第八双输入或非门NOR8的输出端，第七双输入或非门NOR7的输出端接驱动控制器；第八双输入或非门NOR8的一个输入端接第二比较器的输出端，第八双输入或非门NOR8的另一个输入端接第九双输入或非门NOR9的输出端；第九双输入或非门NOR9的一个输入端接第八双输入或非门NOR8的输出端，第九双输入或非门NOR9的另一个输入端接第一比较器的输出端；

第十一反相器INV11的输入端接第八双输入或非门NOR8的输出端，第十一反相器INV11的输出端通过第三电阻R3后接第十二反相器INV12的输入端；第三电阻R3与第十二反相器INV12输入端的连接点通过第三电容C3后接地；第十二反相器INV12的输出端接第二比较器的使能信号端。

图1中，第二功率管的漏极通过电感L后连接负载，由电容Cout和电阻Rload并联组成。

本发明的技术方案，如图1所示，在功率上管(第一功率管)打开时，比较器1对节点SW电压进行检测，其中SW点电压可以反映出电感电流大小，如果过流，比较器1翻转，屏蔽环路比较器，同时关闭功率上管，打开同步整流开关管(第二功率管)，此时比较器2开始工作，当比较器2翻转时，关闭同步整流开关管，打开功率上管。这里通过设置比较器2的翻转点来控制过流时的开关频率，同时保证过流时电感电流稳定在两个比较器的翻转点之间，使得负载电流恒定。如果连续96次检测到过流，计数器1计满后Ctrl1信号翻转，重启芯片；如果未计满96次过流在之后连续6个开关周期内没有检测到过流(认为芯片恢复正常工作)，计数器2输出Ctrl2信号翻转，对计数器1清零，也就是对之前的过流计数清零。

本发明的有益效果为，通过设计两条过流限，功率上管打开时，当电感电流碰到电流上限时，屏蔽环路，功率上管关闭，同步整流开关管打开；当电感电流碰到电流下限时，同步整流开关管关闭，功率上管打开。因为过流之后输出电压被降到很低，电感电流下降的斜率会减小，所以这里通过设置电流下限的大小即可降低过流时的开关频率，避免了芯片在过流后频率增加到很大而烧坏开关管的情况，降低了开关损耗。

附图说明

图1为本发明的过流检测原理的示意图；

图2为过流检测原理的流程图；

图3为计满96次过流时过流检测原理的时序分析图；

图4为未计满96次过流便不再过流时过流检测原理的时序分析图；

图5为计满96次过流时电感电流波形示意图；

图6为未计满96次过流便不再过流时电感电流波形示意图；

图7为芯片进入打嗝模式后电感电流与输出电压的波形；

图8为过流状态下电感电流的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明的过流检测原理如图1所示，其中，IN信号是触发器的初始化信号，在使能信号未建立之前为高电平，建立之后为低电平，因此或非门NOR2、NOR5、NOR8的初始输出为低，计数器1和计数器2输出为低。(注:计数器EN端为高时开始计数，为低时清零，计数器1设置计数96次输出跳高，计数器2设置计数6次输出跳高)

图中比较器1和比较器2通过对SW点电压采样，间接判断电感电流大小，比较器1是过流比较器，在功率上管开时进行检测，用于设置电流上限；比较器2用于设置电流下限，在同步整流开关管开时开始工作。

电流上限I_OCL1的设置：

在功率上管打开时，当V_SW≤V_IN-I₁R₄时，比较器1翻转，其中：

V_SW＝V_IN-I_LR_{ds(on)_p}(R_{ds(on)_p}表示功率上管导通电阻)

因此：

电流下限I_OCL2的设置：

在同步整流开关管打开时，当V_SW+I₂R₅≥0时，比较器2翻转，其中：

V_SW＝I_LR_{ds(on)_n}(R_{ds(on)_n}表示同步整流开关管导通电阻)

因此：

综上，在功率上管打开时，当电感电流超过I_OCL1时，系统判定过流，比较器1输出OCP_Flag跳高，此时，OCP_Flag跳高会影响三处地方:

1:或非门NOR2输出端(即计数器1的EN端)跳高，计数器1开始计数，同时OCP_Flag信号作为计数器1的计数脉冲。

2:或非门NOR4输出为低，NOR5输出(即计数器2的EN端)为低。

3:或非门NOR9输出为低，NOR8输出为高，屏蔽环路比较器从而去控制Driver模块，关闭功率上管，开启同步整流开关管。

可总结为:电路过流时，关闭功率上管开启功率开关管，计数器1计数加1，计数器2清零一次。

当过流之后，功率开关管打开，或非门NOR8跳高，反相器INV12输出LO跳高，比较器2才开始工作(此处LO信号的目的就是在芯片正常工作时，即不过流时，计数器2不会计数)。因为过流之后，环路比较器被屏蔽，只能靠比较器2来开启功率上管。当电感电流下降到I_OCL2之后，比较器2输出LA跳高，此时，LA跳高会影响三处地方：

1：或非门NOR5输出跳高，计数器2开始计数，PWM_Flag信号作为计数器2的计数脉冲。

2：LO信号跳低，比较器2停止工作，其输出LA被拉到低电平，此处用R3和C3做的延时用于控制LA信号窄脉冲的宽度。

3：或非门NOR8输出跳低，此时放开环路比较器。

可总结为：电路过流之后，功率开关管打开，信号LA跳高时，计数器2准备计数，如果在这之后不再过流，PWM_Flag信号产生6个脉冲信号时(即计数器2计数6次)，计数器2输出Ctrl2跳高，使得或非门NOR1输出跳低，NOR2输出跳低，计数器1清零。同时，当Ctrl2跳高之后，又会时反相器INV6输出跳低，经过R2C2的延时之后，又会使计数器2清零，Ctrl2输出跳低，R2C2做的延时作为Ctrl2窄脉冲的宽度。其波形图如图6所示。

综上所述，在过流计数过程中，如果不存在连续的6个开关周期不过流，那么当过流次数累计到96次时，计数器1输出信号Ctrl1跳高，同样，Ctrl1跳高之后，反相器INV1输出跳低，经过R1C1延时之后，又会使计数器1清零，R1C1做的延时作为Ctrl1窄脉冲的宽度。如图5所示。

当信号Ctrl1跳高之后，会去控制软启动模块，重启芯片。如果一直处于过流状态，芯片进入打嗝模式。如图7所示。

芯片处于过流状态时开关频率的计算

如图8所示，芯片过流之后，电感电流稳定在电流上限和电流下限之间，此时输出电压为：

电感电流上升的斜率为：

电感电流下降的斜率为：

电感电流上升的时间为：

电感电流下降的时间为：

综上所述，过流状态下单个开关周期为：

此时开关频率为：

对于一款特定的芯片，其承载电流的能力是确定的，即电流上限是确定的，并且电源电压、电感大小都是确定的，因此，由上述公式可知这里只需通过设置电流下限即可设置过流状态下的开关频率，可以避免过流时开关频率过高的情况，并且该开关频率随着负载电阻的下降而下降，进一步降低了芯片在过流状态下的开关损耗。

Claims (1)

1.一种过流检测电路，包括第一比较器、第二比较器、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第五反相器INV5、第六反相器INV6、第七反相器INV7、第八反相器INV8、第九反相器INV9、第十反相器INV10、第十一反相器INV11、第十二反相器INV12、第一双输入或非门NOR1、第二双输入或非门NOR2、第三双输入或非门NOR3、第四双输入或非门NOR4、第五双输入或非门NOR5、第六双输入或非门NOR6、第七双输入或非门NOR7、第八双输入或非门NOR8、第九双输入或非门NOR9、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电流源I1、第二电流源I2、第一计数器、第二计数器、第一功率管、第二功率管和驱动控制器；其中，

第一功率管的源极接电源，其栅极接第一驱动信号；第二功率管的漏极接第一功率管的漏极，第二功率管的栅极接第二驱动信号，第二功率管的源极接地；

第一比较器的正输入端通过第四电阻R4后接电源，第一比较器正输入端与第四电阻R4的连接点接第一电流源I1的一端，第一电流源I1的另一端接地；第一比较器的负输入端接第一功率管的漏极；

第一反相器INV1的输入端接第一计数器的输出端，第一反相器INV1的输出端通过第一电阻R1后接第二反相器INV2的输入端；第一电阻R1与第二反相器INV2输入端的连接点通过第一电容C1后接地；第二反相器INV2的输出端接第一双输入或非门NOR1的一个输入端，第一双输入或非门NOR1的另一个输入端接第二计数器的输出端，第一双输入或非门NOR1的输出端接第三反相器INV3的输入端，第三反相器INV3的输出端接第二双输入或非门NOR2的一个输入端，第二双输入或非门NOR2的另一个输入端接第三双输入或非门NOR3的输出端；第三双输入或非门NOR3的一个输入端接第一比较器的输出端，第三双输入或非门NOR3的另一个输入端接第二双输入或非门NOR2的输出端；

第一计数器的使能信号端接第二双输入或非门NOR2的输出端，第一计数器的时钟信号端接第五反相器INV5的输出端；第五反相器INV5的输入端接第四反相器INV4的输出端；第四反相器INV4的输入端接第一比较器的输出端；

第二比较器的正输入端接电源与第二电流源I2一端的连接点，第二电流源I2的另一端通过第五电阻R5后接第二功率管的漏极；第二比较器的负输入端接地；

第六反相器INV6的输入端接第二计数器的输出端，第六反相器INV6的输出端通过第二电阻R2后接第七反相器INV7的输入端；第二电阻R2与第七反相器INV7输入端的连接点通过第二电容C2后接地；第七反相器INV7的输出端接第四双输入或非门NOR4的一个输入端，第四双输入或非门NOR4的另一个输入端接第一比较器的输出端，第四双输入或非门NOR4的输出端接第八反相器INV8的输入端；第八反相器INV8的输出端接第五双输入或非门NOR5的一个输入端，第五双输入或非门NOR5的另一个输入端接第六双输入或非门NOR6的输出端；第六双输入或非门NOR6的一个输入端接第五双输入或非门NOR5的输出端，第六双输入或非门NOR6的另一个输入端接第二比较器的输出端；第二计数器的使能信号端接第五双输入或非门NOR5的输出端，第二计数器的时钟信号端接第十反相器INV10的输出端；第十反相器INV10的输入端接第九反相器INV9的输出端；第九反相器INV9的输入端接外部PWM信号；

第七双输入或非门NOR7的一个输入端接外部PWM信号，其另一个输入端接第八双输入或非门NOR8的输出端，第七双输入或非门NOR7的输出端接驱动控制器；第八双输入或非门NOR8的一个输入端接第二比较器的输出端，第八双输入或非门NOR8的另一个输入端接第九双输入或非门NOR9的输出端；第九双输入或非门NOR9的一个输入端接第八双输入或非门NOR8的输出端，第九双输入或非门NOR9的另一个输入端接第一比较器的输出端；

第十一反相器INV11的输入端接第八双输入或非门NOR8的输出端，第十一反相器INV11的输出端通过第三电阻R3后接第十二反相器INV12的输入端；第三电阻R3与第十二反相器INV12输入端的连接点通过第三电容C3后接地；第十二反相器INV12的输出端接第二比较器的使能信号端。