CN105991013B - 电源系统保护电路 - Google Patents
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Abstract
一种电源系统保护电路，所述电源系统包括具有限流保护功能的芯片，所述芯片包括设置有功率管的输出级电路，所述电源系统保护电路包括：平均电流检测单元，与所述芯片的电源输入端耦接，适于获取输入到所述芯片的平均电流；峰值电流检测单元，与所述芯片输出级电路的输出端耦接，适于检测所述输出级电路中的功率管的峰值电流；控制单元，第一输入端与所述平均电流检测单元耦接，第二输入端与所述峰值电流检测单元耦接，输出端与所述输出级电路耦接，适于当所述功率管的峰值电流大于所述平均电流时，减少所述输出级电路的输入电流，以减小所述电源输出的平均电流。采用所述电源系统保护电路，可以更加有效地对芯片以及电源进行保护。
Description
技术领域
本发明涉及电路保护领域，尤其涉及一种电源系统保护电路。
背景技术
芯片内部的保护电路是指通过一定的器件或电路结构，对芯片内部的某些参数指标进行检测，以在芯片参数异常时起到保护芯片的作用。
功率管是芯片内部的核心器件，它是一个高功率的开关器件，如果功率管上的电流较大，则功率管温度升高，可能出现烧坏的情况，即过流会导致功管的热损坏。同时，在功率管上的电流较大，或者由于其他原因导致负载短路时，功率管会从电源端抽取较大的电流，导致芯片内部或者外部扩展电路的功能异常以及由此引起的一系列安全性问题。因此，必须对功率管进行过流保护。
在对功率管进行过流保护时，需要对功率管上的电流进行检测。当功率管上的电流大于芯片电路设计的额定电流时，通过限流装置对功率管上的电流进行限制，以防止功率管损坏，同时对电源端的输入电流也进行限制，从而达到保护芯片内部和外部扩展电路的功能。
现有的芯片保护电路中，在电路的输入端检测输入峰值电流，在电路的输出端限制输出峰值电流，来实现对功率管的保护。参照图1，给出了一种电源系统保护电路，包括：功率管Q1、二极管D1、稳压电容C1、储能电感L1、输出端分压电阻R1和R2，误差放大器(ErrAmp)，脉冲宽度调制(PWM)单元以及驱动单元。
上述电源系统保护电路的工作原理如下：当功率管Q1导通时，V1节点的电压为Vin，二极管D1截止。电流通过储能电感L1流入到输出端，并且对电容C1进行充电。当功率管Q1关断时，由法拉第电磁感应定律可知，电感电流会沿着之前的电路方向流动，电感电流按固定的斜率下降，因此储能电感L1两端就产生了与原来极性相反的自感电动势，此时，二极管D1正向导通，并且将V1结点电压钳位于-Vdiode(Vdiode为二极管D1的导通压降)。
储能电感L1在功率管Q1导通期间所存储的磁能将以电能的形式向负载供电。输出端的分压电阻R1和R2检测输出电压Vo，将检测电压Vo输入到误差放大器Err Amp与参考电压Vref做差，误差放大器Err Amp将二者之差放大得到放大后的误差电压Ve。将误差电压Ve输入到PWM单元，PWM单元输出经过驱动单元后控制功率管Q1的导通与关断，实现输出端的稳压。即误差放大器Err Amp的输出Ve的值限定了输出端的峰值电流，实现了输入端检测峰值电流，输出端限制峰值电流的功能。
然而，现有的采用峰值电流检测方法的芯片保护电路在某些情况下仍然无法对芯片以及电源进行有效地保护。
发明内容
本发明实施例解决的问题是如何更加有效地对芯片以及电源进行保护。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种电源系统保护电路，所述电源系统包括具有限流保护功能的芯片，所述芯片包括设置有功率管的输出级电路，所述电源系统保护电路包括：
平均电流检测单元，与所述芯片的电源输入端耦接，适于获取输入到所述芯片的平均电流；
峰值电流检测单元，与所述芯片输出级电路的输出端耦接，适于检测所述输出级电路中的功率管的峰值电流；
控制单元，第一输入端与所述平均电流检测单元耦接，第二输入端与所述峰值电流检测单元耦接，控制端与所述输出级电路耦接，适于当所述功率管的峰值电流大于所述平均电流时，减少所述输出级电路的输入电流，以减小所述电源输出的平均电流。
可选的，所述平均电流检测单元包括：
阻抗元件，与所述芯片的电源耦接；
平均电流检测电路，与所述阻抗元件并联，适于获取所述阻抗元件上的平均电流。
可选的，所述阻抗元件为精密电阻。
可选的，所述电源系统保护电路还包括：补偿单元，设置在所述输出级电路、所述峰值电流检测电路、所述控制单元任意两者之间，适于对所述控制单元、所述输出级电路以及所述峰值电流检测单元组成的环路进行相位补偿。
可选的，所述控制单元包括电流比较器，所述电流比较器的第一输入端与所述平均电流检测单元耦接，所述电流比较器的第二输入端与所述峰值电流检测单元耦接，所述电流比较器的控制端与所述输出级电路耦接，适于当所述功率管的峰值电流大于所述平均电流时，减少所述输出级电路的输入电流，以减小所述电源输出的平均电流。
可选的，所述控制单元包括电压比较器，所述电压比较器的第一输入端与所述平均电流检测单元通过第一电流电压转换电路耦接，第二输入端与所述峰值电流检测单元通过第二电流电压转换电路耦接，其中，所述第一电流电压转换电路适于将所述平均电流检测单元输出的平均电流转换成对应的平均电压值，所述第二电流电压转换电路适于将所述峰值电流检测单元输出的峰值电流转换成对应的峰值电压值；所述电压比较器的控制端与所述输出级电路耦接，适于当所述峰值电压值大于所述平均电压值时，减少所述输出级电路的输入电流，以减小所述电源输出的平均电流。
可选的，所述第一电流电压转换电路为跨阻放大器，所述第二电流电压转换电路为跨阻放大器。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
在芯片的电源输入端设置平均电流检测单元，以获取芯片的平均输入电流，在输出级电路的输出端设置峰值电流检测单元，以获取输出级电路中的功率管的峰值电流。通过控制单元对平均电流和峰值电流进行比较，当峰值电流大于平均电流时，控制单元控制输出级电路的输入电流，以减小芯片输出的平均电流。由于输出级电路的输入电流由芯片的电源提供，在输出级电路中的功率管的峰值电流大于平均电流时，判定功率管当前电流值较大，功率管继续工作可能会导致芯片损坏，通过控制单元控制输出级电路的输入电流，从而减小功率管上的电流，进而减少电源输出的平均电流，从而可以有效地对芯片进行保护，进而对电源系统进行了有效地保护。并且，通过在电源输入端设置平均电流检测单元获取芯片的平均输入电流，可以有效避免峰值-均值误差，减少噪声对芯片保护电路的影响。
进一步，通过在输出级电路、峰值电流检测电路、控制单元任意两者之间设置补偿单元，对控制单元、输出级电路以及峰值电流检测单元组成的环路进行相位补偿，从而可以避免环路不稳定的问题，有效避免环路振荡的产生。
附图说明
图1是一种电源系统保护电路结构示意图；
图2是本发明实施例中的一种电源系统保护电路结构示意图；
图3是本发明实施例中的另一种电源系统保护电路结构示意图。
具体实施方式
现有的芯片保护电路中，在电路的输入端检测输入峰值电流，在电路的输出端限制输出峰值电流，来实现对功率管的保护。然而，现有的采用峰值电流检测方法的芯片保护电路在某些情况下仍然无法对芯片以及电源进行有效地保护。
在本发明实施例中，在芯片的电源输入端设置平均电流检测单元，以获取芯片的平均输入电流，在输出级电路的输出端设置峰值电流检测单元，以获取输出级电路中的功率管的峰值电流。通过控制单元对平均电流和峰值电流进行比较，当峰值电流大于平均电流时，控制单元控制输出级电路的输入电流减小。由于输出级电路的输入电流由芯片的电源提供，在输出级电路中的功率管的峰值电流大于平均电流时，判定功率管当前电流值较大，功率管继续工作可能会导致芯片损坏，通过控制单元控制输出级电路的输入电流，从而减小功率管上的电流，进而减小电源输出的平均电流，从而可以有效地对芯片进行保护，进而对电源系统进行了有效地保护。并且，在对芯片进行保护时，通过在电源输入端设置平均电流检测单元获取芯片的平均输入电流，而不是直接获取芯片的峰值输入电流，可以有效避免峰值-均值误差，减少噪声对芯片保护电路的影响。
为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图2，本发明实施例给出了一种电源系统保护电路，包括：电源、输出级电路202、平均电流检测单元203、峰值电流检测单元204以及控制单元205，其中：
电源的输出电压为Vin，输出级电路202中包含有大功率的功率管。
在本发明实施例中，输出级电路202可以是任意具有强驱动负载能力的电路，即电源所提供的电流主要由输出级电路202消耗，输出级电路202设置在具有限流保护功能的芯片中。
平均电流检测单元203与电源的输出端耦接，以获取电源输入到芯片的电流，并对输入到芯片的电流进行平均，得到输入到芯片的平均电流。
在电源工作时，电源输出的电流值为Iin，即输出级电路202的输入电流为Iin，平均电流检测单元203的输入电流也为Iin。平均电流检测单元203对Iin进行平均，得到电源输出的平均电流值，也即输入到芯片的平均电流值。
在本发明实施例中，平均电流检测单元203可以通过如下方式获取输入到芯片的平均电流值：平均电流检测单元203对预设时间内的电源输出电流进行积分运算，并将积分运算的结果除以预设时间，得到的值即为电源输出的平均电流值，也即输入到芯片的平均电流值。在实际应用中，还可以通过其他的方式获取输入到芯片的平均电流值，此处不做赘述。
峰值电流检测单元204，与芯片的输出级电路202的输出端耦接，适于检测输出级电路202中的功率管的峰值电流。
控制单元205，包括至少两个输入端和一个控制端。其中，控制单元205的第一输入端可以与平均电流检测单元203耦接，以获取平均电流检测单元203获取到的输入到芯片的平均电流。控制单元205的第二输入端可以与峰值电流检测单元204耦接，以获取峰值电流检测单元204获取到的输出级电路202中功率管的峰值电流。控制单元205的控制端与输出级电路202耦接，控制单元205可以根据第一输入端接收到的平均电流与第二输入端接收到的峰值电流之间的大小关系，产生相应的控制信号，控制信号通过控制端输入至输出级电路202，输出级电路202根据控制信号执行相应的操作。
在本发明一实施例中，控制单元包括电流比较器，包括第一输入端和第二输入端，将第一输入端的输入电流与第二输入端的输入电流进行比较，根据比较结果，输出对应的控制信号。例如，当第一输入端的输入电流大于第二输入端的输入电流时，输出的控制信号为低电平信号。当第二输入端的输入电流大于第一输入端的输入电流时，输出的控制信号为高电平信号。输出级电路根据接收到的电平信号，执行相应的操作。
在本发明一实施例中，当控制单元205的第一输入端接收到的平均电流大于第二输入端接收到的峰值电流时，判定当前输出级电路202中的功率管上的电流较小，可以不对功率管的电流进行限制，控制单元205产生高电平信号作为控制信号，通过控制端输入至输出级电路202，输出级电路202接收到高电平信号，不对功率管的电流进行限制。
当控制单元205的第二输入端接收到的峰值电流大于第一输入端接收到的平均电流时，判定当前输出级电路202中的功率管上的电流较大，控制单元205产生低电平信号作为控制信号，通过控制端输入至输出级电路202，输出级电路202接收到低电平信号，控制功率管断开，以减少输入到输出级电路202的电流，即降低Iin。
在本发明其他实施例中，在控制单元205接收到平均电流后，可以并不是直接将平均电流与峰值电流进行比较，而是先将获取到的平均电流与预设的芯片的基准电流进行运算，并将经过运算之后的电流与峰值电流进行比较。例如，将获取到的平均电流与基准电流进行相减，将得到的差值与峰值电流进行比较。在实际应用中，还可以根据实际的应用场景，例如具体的芯片电路等，对平均电流进行运算处理，将经过运算处理后的电流与峰值电流进行比较，并根据比较结果输出相应的控制信号。
下面对本发明实施例中提供的电源系统保护电路的工作原理进行说明。
电源向芯片进行供电，平均电流检测单元203获取到电源输出的平均电流值，将平均电流值输出到控制单元205的第一输入端。
输出级电路202的输入电流为Iin，在输出级电路202的输出端设置峰值电流检测单元204。峰值电流检测单元204获取输出级电路202中的功率管的输出电流，并将获取到的输出电流输入至控制单元的第二输入端。
控制单元205在接收到平均电流检测单元203获取到的平均电流，以及峰值电流检测单元204获取到的输出峰值电流后，对平均电流和峰值电流进行比较。当流经功率管的峰值电流大于平均电流时，控制单元205向输出级电路202发送控制输入电流减小的信号，断开功率管，从而降低输出级电路202的输入电流，实现对功率管的保护。
同时，由于输出级电路202的输入电流是由电源提供，即电源的输出电流主要由功率管消耗。因此，降低输出级电路202的输入电流时，可以降低功率管从电源中抽取的电流，因此可以避免电源输出过大的电流，从而可以对电源进行有效地保护。
可以理解的是，在本发明实施例中，控制单元205也可以包括电压比较器，包括第一输入端和第二输入端。可以在平均电流检测单元203的输出端口处设置一个电流电压转换单元(图中未示出)，通过电流电压转换单元将平均电流检测单元输出的平均电流转换成对应的平均电压值，将平均电压值输入到电压比较器的第一输入端。也可以在平均电流检测单元内部设置一个电流电压转换单元，将平均电流检测单元输出的平均电流转换成对应的平均电压值。
可以在峰值电流检测单元的输出端口处设置一个电流电压转换单元(图中未示出)，通过电流电压转换单元将峰值电流检测单元输出的峰值电流转换成对应的峰值电压值，将峰值电压值输入到电压比较器的第二输入端。也可以在峰值电流检测单元内部设置一个电流电压转换单元，将峰值电压检测单元输出的峰值电流转换成对应的峰值电压值。
在本发明实施例中，电流电压转换单元可以是跨阻放大器，也可以是其他能够将电流转换成对应电压的器件或电路，此处不做赘述。
电压比较器将第一输入端接收到的平均电流对应的平均电压值，与第二输入端接收到的峰值电流对应的峰值电压值进行比较。当峰值电压值小于平均电压值时，可以判定流经当前功率管的电流较小，向输出级电路202发送高电平控制信号，输出级电路202接收高电平控制信号，不限制功率管的电流。
当峰值电压值大于平均电压值时，可以判定流经当前功率管的电流较大，若功率管继续处于大电流工作模式可能会导致功率管发热或烧坏，导致芯片收到损坏，因此必须对功率管的电流进行限制。此时，电压比较器输出低电平信号，输出级电路接收到电压比较输出的低电平信号后，断开输出级电路中的功率管，从而降低输出级电路的输入电流，因此避免了功率管发热导致芯片损坏的情况发生，同时限制电源输出的平均电流。
在本发明实施例中，平均电流检测单元可以包括一个阻抗元件2031和平均电流检测电路2032，参照图3，其中，阻抗元件2031可以串联在电源的输出端口处，平均电流检测电路2032可以与阻抗元件2031并联。阻抗元件2031可以是电阻元件，例如，在本发明一实施例中，阻抗元件2031是精密电阻。平均电流检测电路2032实时获取流经精密电阻上的电流值，并对获取到的电流值进行平均，从而获取输入到芯片的平均电流。
本发明实施例提供的电源系统保护电路中，控制单元205、输出级电路202以及峰值电流检测单元204组成一个闭环环路，通过闭环控制来控制输出级电路202中的功率管的电流。但是，在闭环环路中，存在环路不稳定而导致环路振荡的问题。因此，本发明实施例在上述发明实施例提供的电源系统保护电路的基础上，增加了补偿单元，用于对闭环环路的相位进行补偿，以避免环路振荡。
参照图3，本发明实施例中，补偿单元206可以设置在峰值电流检测单元204、控制单元205以及输出级电路202组成的闭环环路中任一个位置，即补偿单元206可以设置在输出级电路202、峰值电流检测电路204、控制单元205任意两者之间。参照图3，在本发明一实施例中，补偿单元206设置在峰值电流检测单元204与控制单元205之间，第一端与峰值电流检测单元耦接，第二端与控制单元的第二输入端耦接。又如，在本发明另一实施例中，补偿单元206设置在峰值电流检测单元204与输出级电路202之间。又如，在本发明另一实施例中，补偿单元206设置在输出级电路202和控制单元205之间。
在本发明实施例中，补偿单元206的主要作用在于：当闭环环路的环路增益为1时，对环路的相位进行补偿，使得补偿后的环路相位裕度达到足够大。例如，使得补偿后的信号的相位裕度大于60°。
在本发明实施例中，电源系统保护电路还可以包括一些其他电路，例如基准电路、低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)等。还可以存在其他一些类型的元器件或电路，此处不做赘述。
此外，通过在输出级电路与控制单元之间设置补偿单元，对控制单元、输出级电路以及峰值电流检测单元组成的环路进行相位补偿，从而可以避免环路不稳定的问题，有效避免环路振荡的产生。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (6)
1.一种电源系统保护电路，包括：设置有功率管的输出级电路，所述输出级电路设置在具有限流保护功能的芯片中，其特征在于，所述电源系统保护电路包括：
平均电流检测单元，与所述芯片的电源输入端耦接，适于获取输入到所述芯片的平均电流；
峰值电流检测单元，与所述输出级电路的输出端耦接，适于检测所述输出级电路中的功率管的峰值电流；
控制单元，第一输入端与所述平均电流检测单元耦接，第二输入端与所述峰值电流检测单元耦接，控制端与所述输出级电路耦接，适于当所述功率管的峰值电流大于所述平均电流时，减少所述输出级电路的输入电流；
补偿单元，设置在所述输出级电路、所述峰值电流检测电路、所述控制单元任意两者之间，适于对所述控制单元、所述输出级电路以及所述峰值电流检测单元组成的环路进行相位补偿。
2.如权利要求1所述的电源系统保护电路，其特征在于，所述平均电流检测单元包括：
阻抗元件，与所述芯片的电源耦接；
平均电流检测电路，与所述阻抗元件并联，适于获取所述阻抗元件上的平均电流。
3.如权利要求2所述的电源系统保护电路，其特征在于，所述阻抗元件为精密电阻。
4.如权利要求1所述的电源系统保护电路，其特征在于，所述控制单元包括电流比较器，所述电流比较器的第一输入端与所述平均电流检测单元耦接，所述电流比较器的第二输入端与所述峰值电流检测单元耦接，所述电流比较器的控制端与所述输出级电路耦接，适于当所述功率管的峰值电流大于所述平均电流时，减少所述输出级电路的输入电流。
5.如权利要求1所述的电源系统保护电路，其特征在于，所述控制单元包括电压比较器，所述电压比较器的第一输入端与所述平均电流检测单元通过第一电流电压转换电路耦接，第二输入端与所述峰值电流检测单元通过第二电流电压转换电路耦接，其中，所述第一电流电压转换电路适于将所述平均电流检测单元输出的平均电流转换成对应的平均电压值，所述第二电流电压转换电路适于将所述峰值电流检测单元输出的峰值电流转换成对应的峰值电压值；所述电压比较器的控制端与所述输出级电路耦接，适于当所述峰值电压值大于所述平均电压值时，减少所述输出级电路的输入电流。
6.如权利要求5所述的电源系统保护电路，其特征在于，所述第一电流电压转换电路为跨阻放大器，所述第二电流电压转换电路为跨阻放大器。
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