CN106300275A - 一种buck驱动电路、电源芯片及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种BUCK驱动电路、电源芯片及其应用，BUCK驱动电路包括将输入电压进行调节以为负载提供电源的电源输出模块、控制电源输出模块中的功率管的导通和关闭的控制模块、在电源输出模块过流时触发控制模块关闭功率管的过流保护模块、在功率管关闭后检测与驱动电路匹配的外围电路中的电感的放电电流并在放电电流超过预设电流时发送反馈信号给控制模块的电感放电电流检测模块，控制模块还在接收到反馈信号时控制功率管保持关闭状态；本发明当电感电流过流时就关闭功率管断开电感充电回路，同时减掉现有技术中的延迟模块，增加电感放电电流检测模块，确保在输出短路时每一个周期电感电流都不会过流，而且在制作成芯片时，节省芯片反馈引脚，降低电源芯片成本。

Description

一种BUCK驱动电路、电源芯片及其应用
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种BUCK驱动电路以及电源芯片。
背景技术
传统BUCK结构电源输出短路保护典型外围应用如图1所示。当输出Vout短路时，电感L放电时间需要很长时间才能放完。如果在每个开关周期内电感电流没放到一定值，控制芯片又开启的话，就会造成电感电流的积累，经过多个开关周期后，电感上的电流将会很大，控制芯片中的功率管就会被损坏，严重的还会造成系统炸机。
传统BUCK结构电源输出短路保护的具体工作原理如下：由图2可知，控制芯片通过芯片FB引脚检测输出端，当检测到V1(输出电压经R1和R2的分压)低于vref1时，比较器compar2输出低电平，并经过延迟模块持续一段时间，送至控制逻辑模块。控制逻辑模块即判断输出短路，输出控制信号，关断功率管M2。
该传统的控制方法缺点是：1)需要一个控制反馈引脚，增加了控制芯片的管脚数，相对增加了芯片成本。2)当出现输出短路错误状态时，芯片内部不能立即响应采取保护措施，延迟了一段时间(避免芯片误判断短路)，而在这段延迟时间，可能损坏芯片内部功率管。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种BUCK驱动电路以及电源芯片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种BUCK驱动电路，用于与外围电路配合给负载供电，包括用于将输入电压进行调节以为负载提供电源的电源输出模块、用于控制电源输出模块中的功率管的导通和关闭的控制模块、用于在电源输出模块过流时触发所述控制模块关闭所述功率管的过流保护模块、用于在所述功率管关闭后检测与所述驱动电路匹配的外围电路中的电感的放电电流并在放电电流超过预设电流时发送反馈信号给控制模块的电感放电电流检测模块，所述控制模块还用于在接收到所述反馈信号时控制所述功率管保持关闭状态；
所述电感与负载连接的一端通过一个二极管与所述电感放电电流检测模块连接，所述电感的另一端通过一个第一电阻与电源输出模块连接，所述控制模块分别与所述电源输出模块、过流保护模块、电感放电电流检测模块连接，所述过流保护模块还与所述电源输出模块连接。
在本发明所述的BUCK驱动电路中，所述BUCK驱动电路包括一个与二极管连接的VCC端、一个与所述第一电阻连接的GND端以及一个用于接收输入电压的D端，所述电源输出模块的输入端与D端连接、输出端与GND端连接；
所述电感放电电流检测模块包括：用于采样前一个周期功率管导通结束时的VCC端的电压的第一采样保持电路、用于采样前一个周期功率管导通期间的最高检流电压并保持到下个周期开启前的第二采样保持电路、两个电压跟随器、第一比较器、第一MOS管、第二MOS管、第二电阻、第三电阻、镜像电流模块，所述镜像电流模块的参考支路包括一个MOS管、输出支路包括K个并联的MOS管，参考支路与输出支路的输出端连接所述GND端，第一MOS管的源极连接参考支路的输入端、漏极连接第一个电压跟随器的正输入端以及通过第二电阻连接VCC端、栅极连接第一个电压跟随器的输出端，第一个电压跟随器的负输入端经由所述第一采样保持电路连接VCC端，第二MOS管的源极连接第二个电压跟随器的负输入端以及第三电阻的第一端、漏极连接内部电源、栅极连接第二个电压跟随器的输出端，第二个电压跟随器的正输入端经由所述第二采样保持电路连接电源输出模块，第一比较器的负输入端用于接收与预设电流对应的放电参考电压，第一比较器的输出端连接所述控制模块。
在本发明所述的BUCK驱动电路中，所述第一采样保持电路包括第三MOS管、第一电容，所述第二采样保持电路包括第四MOS管、第二电容，第三MOS管的漏极连接VCC端、源极连接第一个电压跟随器的负输入端、栅极用于接收PWM信号，第四MOS管的漏极连接电源输出模块、源极连接第二个电压跟随器的正输入端、栅极用于接收PWM信号。
在本发明所述的BUCK驱动电路中，所述过流保护模块包括第二比较器，所述第二比较器的负输入端用于接收过流参考电压、正输入端连接电源输出模块、输出端连接控制模块。
在本发明所述的BUCK驱动电路中，所述控制模块包括时钟电路、逻辑电路、驱动模块、恒压模块，所述电源输出模块包括所述串联的功率管和一个检流电阻，所述恒压模块连接至所述VCC端，所述逻辑电路分别连接所述恒压模块、时钟电路、驱动模块、第一比较器的输出端、第二比较器的输出端，驱动模块连接所述功率管的控制端，所述检流电阻的第一端连接所述第一比较器的正输入端以及第二采样保持电路，所述检流电阻的第二端连接所述GND端。
本发明还公开了一种电源芯片，所述芯片封装有所述的BUCK驱动电路。
本发明还公开了所述电源芯片的应用，用于通过将所述电源芯片与整流滤波电路、外围电路连接实现为负载提供驱动电源，所述外围电路包括：第一电阻、第二电阻、电感、二极管、续流二极管、第三电容、第四电容，电源芯片的用于接收输入电压的D端与整流滤波电路连接，电源芯片的GND端与所述第一电阻的第一端以及续流二极管的负极，第一电阻的第二端连接电感的第一端，电感的第二端作为连接外部负载的节点且通过第三电容接地，电感的第二端作还经过第二电阻连接续流二极管的正极。电感的第二端连接二极管的正极，二极管的负极连接电源芯片的VCC端，电源芯片的VCC端和电感的第一端之间连接二电容。
实施本发明的BUCK驱动电路、电源芯片及其应用，具有以下有益效果：本发明中利用过流保护模块控制电感电流的最大值，当电感电流过流时就关闭功率管进而切断电源输出模块的输出，实现断开电感充电回路。同时，减掉了延迟模块，增加了电感放电电流检测模块，其在功率管关闭后检测电感的放电电流并在放电电流超过预设电流时发送反馈信号给控制模块以保持功率管的关闭状态，即只有在放电电流小于等于预设电流时才释放对功率管的强制关闭状态，如此可以确保在输出短路时每一个周期电感电流都不会过流，避免BUCK驱动电路在输出短路时出现损坏，增加了BUCK驱动电路的可靠性。而且，在制作成芯片时，本发明的电路和外围运用节省了芯片反馈引脚FB，大大降低电源芯片成本，且外围运用更简单。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是传统BUCK结构电源输出短路保护典型外围应用图；
图2是传统BUCK结构电源芯片的内部结构原理框图；
图3是本发明的电源芯片的外围运用图；
图4是本发明的BUCK驱动电路的电路原理图；
图5是图4中的电感放电电流检测模块的电路原理图；
图6是电感放电电流检测模块对应的波形图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图3是本发明的电源芯片的外围运用图，图4是本发明的BUCK驱动电路的电路原理图。
本发明的电源芯片减掉了延迟模块，节省了芯片反馈引脚FB。通过检测电感放电电流保证电感上的电流不会累计过大。为实现电感的电流检测，在外围电路中需要增加一个第一电阻R1，通过检测第一电阻R1两端电压来实现输出短路保护功能。具体实现上是在芯片内部增加了电感放电电流检测模块，其在功率管关闭后检测电感的放电电流并在放电电流超过预设电流时发送反馈信号给控制模块以保持功率管的关闭状态，即只有在放电电流小于等于预设电流时才释放对功率管的强制关闭状态，如此可以确保在输出短路时每一个周期电感电流都不会过流。
具体实施例中，包含BUCK驱动电路的芯片包括VCC端、D端、GND端。在应用时，通过将所述电源芯片与整流滤波电路、外围电路连接即可实现为负载提供驱动电源。例如，桥式整流电路和电容Cin构成的整流滤波电路与D端连接，D端用于接收输入电压。GND端与所述第一电阻R1的第一端以及续流二极管D1的负极，第一电阻R1的第二端连接电感L的第一端，电感L的第二端作为连接外部负载的节点，提供电压Vout。电感L的第二端作还经过电阻R0连接续流二极管D1的正极。电感L的第二端连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接VCC端，VCC端和电感L的第一端之间连接一个电容C3。
具体的，本发明的BUCK驱动电路包括用于将输入电压进行调节以为负载提供电源的电源输出模块100、用于控制电源输出模块100中的功率管的导通和关闭的控制模块200、用于在电源输出模块100过流时触发所述控制模块200关闭所述功率管的过流保护模块300、用于在所述功率管关闭后检测与所述驱动电路匹配的外围电路中的电感L的放电电流并在放电电流超过预设电流时发送反馈信号给控制模块200的电感放电电流检测模块400，所述控制模块200还用于在接收到所述反馈信号时控制所述功率管保持关闭状态。
控制模块200为现有技术，对此并不做限制。一个具体实施例中，所述控制模块200包括时钟电路、逻辑电路、驱动模块、恒压模块，所述电源输出模块100的输入端与D端连接、输出端与GND端连接，其具体包括所述功率管和一个检流电阻Rcs。所述过流保护模块300包括第二比较器Compar。本实施例中功率管为P型MOS管M2。
MOS管M2的漏极连接所述VCC端、源极连接检流电阻Rcs的第一端、栅极连接驱动模块，检流电阻Rcs的第二端连接GND端。所述第二比较器Compar的负输入端用于接收过流参考电压、正输入端连接检流电阻Rcs的第一端、输出端连接逻辑电路，逻辑电路通过所述恒压模块连接至所述VCC端。
参考图5，是图4中的电感放电电流检测模块的电路原理图。
一个具体的实施例中，所述电感放电电流检测模块400包括：用于采样前一个周期功率管导通结束时的VCC端的电压的第一采样保持电路、用于采样前一个周期功率管导通期间的最高检流电压并保持到下个周期开启前的第二采样保持电路、两个电压跟随器EA1和EA2、第一比较器、第一MOS管MN3、第二MOS管MN4、第二电阻R2、第三电阻R3、镜像电流模块，所述镜像电流模块的参考支路包括一个MOS管MN1、输出支路包括K个并联的MOS管MN2。
镜像电流模块的参考支路与输出支路的输出端连接所述GND端，第一MOS管MN3的源极连接参考支路的输入端、漏极连接第一个电压跟随器EA1的正输入端以及通过第二电阻R2连接VCC端、栅极连接第一个电压跟随器EA1的输出端，第一个电压跟随器EA1的负输入端经由所述第一采样保持电路连接VCC端，第二MOS管MN4的源极连接第二个电压跟随器EA2的负输入端以及第三电阻R3的第一端、漏极连接内部电源vdd、栅极连接第二个电压跟随器EA2的输出端，第二个电压跟随器EA2的正输入端经由所述第二采样保持电路连接检流电阻Rcs的第一端，第一比较器comp1的负输入端用于接收与预设电流对应的放电参考电压vref1，第一比较器comp1的输出端连接所述逻辑电路。
其中，所述第一采样保持电路包括第三MOS管MN5、第一电容C1，所述第二采样保持电路包括第四MOS管MN6、第二电容C2，第三MOS管MN5的漏极连接VCC端、源极连接第一个电压跟随器的负输入端、栅极用于接收PWM信号，第四MOS管MN6的漏极连接电源输出模块100、源极连接第二个电压跟随器的正输入端、栅极用于接收PWM信号。
下面结合图6，介绍本发明的工作原理：
一方面，第二比较器Compar的正端接MOS管M1的S端，通过检流电阻Rcs检测通过MOS管M1的电流。当MOS管M1开启，充电电流流过检流电阻Rcs和电感L，检流电阻Rcs上的电压超过基准电压Vref时，第二比较器Compar输出一个高电平信号，经过逻辑电阻、驱动模块关断MOS管M1。即通过MOS管M1上最大电流为：
另一方面，由图5可知，在MOS管M1开启期间，经过检流电阻Rcs上的电流和第一电阻R1上的电流一致，因此，第一电阻R1上的电压变化可以反映电感L上的电流变化：同时，ΔVR1经过电容C3耦合到VCC，即VCC上的电压变化反映了电感电流的变化。图5中，Vcs的电压经过第二采样保持电路，其采样前一个周期开关开启期间最高Vcs值并保持到下个周期开启前，具体波形参考图6中的Vcs_adopt；同时，VCC的电压经过第一采样保持电路，其采样前一个开关信号导通结束时的电压，具体波形参考图6中的VCC_adopt。当开关信号结束时，芯片关断内部功率管，此时电感放电，电感电流逐渐减小，ΔVR1电压相应减小，VCC的电压逐渐上升。EA1嵌位VCC前一个周期采样的在开关结束时刻的电压。在开关关断区间，VCC的电压上升，EA1嵌位电压保持不变，其中VC电压为运放EA1嵌位电压VCC-adopt，IA在开关关断区间电流为运放EA2嵌位Vcs经过采样保持电路保持后的电压，即VD为EA2嵌位电压Vcs-adopt。在开关关断期间，比较器Comp1正端E点的电压为：VE＝VD-IB*R3＝Vcs-adopt-K*IA*R3。在功率管开启时Vcs-adopt的值反映了电感上的电流值，其为Vcs＝IL*Rs，采样保持其最大值时，相当于电感上电流达到了最大。而此时，VCC的电压值达到最小。在功率管关断期间，只有通过VCC电压来反映电感电流的变化，Vcs-adopt的值保持最大值(即电感电流最大)。上述提到，根据图5此时VCC的电压变化反映了电感L上的电流变化，VCC的电压值逐渐增大，VC的值为VCC在上个周期开启时对应的最小值(由图6所示)。因此，IA的电流值随着VCC值的增加而逐渐增大(由图6所示)。IA的增加就导致了VE的下降(由上式可知)。电压VE的变化值就反映了在芯片关断时，电感电流的变化值。电感电流从(在功率管开启时达到的最大值)逐渐下降，当VE的值等于Vref1时，相当于Vcs-adopt的电压值已经降到Vref1值了，等价于现在电感上的电流由变为可见VE的电压在关断期间逐渐下降，当VE的电压值降至vref1时，比较器Comp1输出低电平，表明此时电感电流已经放至预设电流。在这个条件满足下，当下个时钟信号到来时，再次开启功率管。
综上所述，实施本发明的BUCK驱动电路、电源芯片及其应用，具有以下有益效果：本发明中利用过流保护模块控制电感电流的最大值，当电感电流过流时就关闭功率管进而切断电源输出模块的输出，实现断开电感充电回路。同时，减掉了延迟模块，增加了电感放电电流检测模块，其在功率管关闭后检测电感的放电电流并在放电电流超过预设电流时发送反馈信号给控制模块以保持功率管的关闭状态，即只有在放电电流小于等于预设电流时才释放对功率管的强制关闭状态，如此可以确保在输出短路时每一个周期电感电流都不会过流，避免BUCK驱动电路在输出短路时出现损坏，增加了BUCK驱动电路的可靠性。而且，在制作成芯片时，本发明的电路和外围运用节省了芯片反馈引脚FB，大大降低电源芯片成本，且外围运用更简单。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种BUCK驱动电路，用于与外围电路配合给负载供电，其特征在于，包括用于将输入电压进行调节以为负载提供电源的电源输出模块(100)、用于控制电源输出模块(100)中的功率管的导通和关闭的控制模块(200)、用于在电源输出模块(100)过流时触发所述控制模块(200)关闭所述功率管的过流保护模块(300)、用于在所述功率管关闭后检测与所述驱动电路匹配的外围电路中的电感(L)的放电电流并在放电电流超过预设电流时发送反馈信号给控制模块(200)的电感放电电流检测模块(400)，所述控制模块(200)还用于在接收到所述反馈信号时控制所述功率管保持关闭状态；
所述电感(L)与负载连接的一端通过一个二极管(D2)与所述电感放电电流检测模块(400)连接，所述电感(L)的另一端通过一个第一电阻(R1)与电源输出模块(100)连接，所述控制模块(200)分别与所述电源输出模块(100)、过流保护模块(300)、电感放电电流检测模块(400)连接，所述过流保护模块(300)还与所述电源输出模块(100)连接。
2.根据权利要求1所述的BUCK驱动电路，其特征在于，所述BUCK驱动电路包括一个与二极管(D2)连接的VCC端、一个与所述第一电阻(R1)连接的GND端以及一个用于接收输入电压的D端，所述电源输出模块(100)的输入端与D端连接、输出端与GND端连接；
所述电感放电电流检测模块(400)包括：用于采样前一个周期功率管导通结束时的VCC端的电压的第一采样保持电路、用于采样前一个周期功率管导通期间的最高检流电压并保持到下个周期开启前的第二采样保持电路、两个电压跟随器、第一比较器、第一MOS管(MN3)、第二MOS管(MN4)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、镜像电流模块，所述镜像电流模块的参考支路包括一个MOS管、输出支路包括K个并联的MOS管，参考支路与输出支路的输出端连接所述GND端，第一MOS管(MN3)的源极连接参考支路的输入端、漏极连接第一个电压跟随器的正输入端以及通过第二电阻(R2)连接VCC端、栅极连接第一个电压跟随器的输出端，第一个电压跟随器的负输入端经由所述第一采样保持电路连接VCC端，第二MOS管(MN4)的源极连接第二个电压跟随器的负输入端以及第三电阻(R3)的第一端、漏极连接内部电源、栅极连接第二个电压跟随器的输出端，第二个电压跟随器的正输入端经由所述第二采样保持电路连接电源输出模块(100)，第一比较器的负输入端用于接收与预设电流对应的放电参考电压，第一比较器的输出端连接所述控制模块(200)。
3.根据权利要求2所述的BUCK驱动电路，所述第一采样保持电路包括第三MOS管(MN5)、第一电容(C1)，所述第二采样保持电路包括第四MOS管(MN6)、第二电容(C2)，第三MOS管(MN5)的漏极连接VCC端、源极连接第一个电压跟随器的负输入端、栅极用于接收PWM信号，第四MOS管(MN6)的漏极连接电源输出模块(100)、源极连接第二个电压跟随器的正输入端、栅极用于接收PWM信号。
4.根据权利要求2所述的BUCK驱动电路，其特征在于，所述过流保护模块(300)包括第二比较器，所述第二比较器的负输入端用于接收过流参考电压、正输入端连接电源输出模块(100)、输出端连接控制模块(200)。
5.根据权利要求4所述的BUCK驱动电路，其特征在于，所述控制模块(200)包括时钟电路、逻辑电路、驱动模块、恒压模块，所述电源输出模块(100)包括所述串联的功率管和一个检流电阻(Rcs)，所述恒压模块连接至所述VCC端，所述逻辑电路分别连接所述恒压模块、时钟电路、驱动模块、第一比较器的输出端、第二比较器的输出端，驱动模块连接所述功率管的控制端，所述检流电阻(Rcs)的第一端连接所述第一比较器的正输入端以及第二采样保持电路，所述检流电阻(Rcs)的第二端连接所述GND端。
6.一种电源芯片，其特征在于，所述芯片封装有如权利要求1-5任一项所述的BUCK驱动电路。
7.一种如权利要求6所述的电源芯片的应用，其特征在于，用于通过将所述电源芯片与整流滤波电路、外围电路连接实现为负载提供驱动电源，所述外围电路包括：第一电阻(R1)、第二电阻(R0)、电感(L)、二极管(D2)、续流二极管(D1)、第三电容(Cout)、第四电容(C3)，电源芯片的用于接收输入电压的D端与整流滤波电路连接，电源芯片的GND端与所述第一电阻(R1)的第一端以及续流二极管(D1)的负极，第一电阻(R1)的第二端连接电感(L)的第一端，电感(L)的第二端作为连接外部负载的节点且通过第三电容(Cout)接地，电感(L)的第二端作还经过第二电阻(R0)连接续流二极管(D1)的正极。电感(L)的第二端连接二极管(D2)的正极，二极管(D2)的负极连接电源芯片的VCC端，电源芯片的VCC端和电感(L)的第一端之间连接二电容(C3)。
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