CN107565514B - 一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路 - Google Patents

一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路，包括LED控制器、带隙基准及保护电路、放大器、两个分压电阻以及两个功率管；放大器的正向输入端接两个分压电阻的一端，放大器的反相输入端接带隙基准及保护电路的基准电压输出端，放大器的输出端接带隙基准及保护电路的测试电压以及LED控制器的一端；LED控制器的另一端接两个功率管的栅极；两个功率管的漏极接外部供电端口，第一功率管的源极与第一分压电阻的另一端接供电端口，第二功率管的源极与第二分压电阻的另一端接地。本发明有效地解决了电池供电时启动容易出现的误触发以及温度过高时带隙基准的温漂问题。

Description

一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及开关电源，尤其是带有低压保护及过温保护的开关电源电路。
背景技术
当前信息化时代的快速发展使得人们对电子产品及设备的依赖越来越大，而在电子产品与设备的使用过程中均离不开电源。其中，开关电源应用最为广泛。之所以选择开关电源，主要在于开关电源与线性电源相比，其具有体积与效率等方面的优势。从开关电源的组成来看，它主要由功率与控制两部分组成。功率级部分主要指在不同的应用及要求下选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件及设计成本；控制级部分主要指电路电信号的控制方式。
市场上广泛应用具有升压功能的LED控制器电路形式主要包括：恒流控制电路、恒压控制电路、PWM(脉宽调制)控制电路等。恒流控制电路与恒压控制电路常因为内部构造复杂，外围管脚多且在太阳能充电及控制时需要一些其他的元器件来进行配合使用，这样无形中增加了成本，因此这两种电路工作方式常应用于早期的LED控制，其在太阳能电路应用市场上已经越来越少。PWM控制电路通过内部特定的控制方式形成小环路，从而达到了芯片管脚少、使用方便、成本低廉等优点，比较适合户外LED驱动要求，但对于低功耗且高效率电路要求来说无法得到预期效果。
市场上LED控制器由电池或蓄电池供电时，随着芯片的供电电压逐渐升高，常常会导致在电路启动过程中尤其是空载情况下，部分电路不能正常开启，常会产生误触发或延时触发问题。而在芯片使用过程中，尤其重载情况下，芯片温度逐渐升高，这常常会导致带隙基准电压急速的变化，进而引起输出电压的变化，这就需要在芯片温度较高情况下依然保持输出电压的相对稳定变化。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路，有效地解决电池供电时启动容易出现的误触发以及温度过高时带隙基准的温漂问题。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，包括LED控制器、带隙基准及保护电路、放大器、第一分压电阻与第二分压电阻以及第一功率管与第二功率管；
所述带隙基准及保护电路包括带隙基准电路、第一开关管、第二开关管、第三开关管以及电流源；所述第一开关管的发射极/源极接带隙基准电路的基准电压输出端，所述第一开关管的基极/栅极接带隙基准电路的第二电压输出端，所述第一开关管的集电极/漏极与第二开关管的发射极/源极接地；所述第二开关管的基极/栅极接带隙基准电路的第一电压输出端，所述第二开关管的集电极/漏极与电流源的输出端及第三开关管的基极/栅极相连；所述电流源的输入端与供电端口相连；所述第三开关管的发射极/源极接地，所述第三开关管的集电极/漏极输出测试电压；
所述放大器的正向输入端接第一分压电阻的一端以及第二分压电阻的一端，所述放大器的反相输入端接带隙基准及保护电路的基准电压输出端，所述放大器的输出端接带隙基准及保护电路的测试电压以及LED控制器的一端；所述LED控制器的另一端接第一功率管的栅极以及第二功率管的栅极；所述第一功率管以及第二功率管的漏极接外部供电端口，所述第一功率管的源极与第一分压电阻的另一端接供电端口，所述第二功率管的源极与第二分压电阻的另一端接地。
依照本发明的一个方面，所述LED控制器集成为芯片。
依照本发明的一个方面，所述LED控制器为基于PFM模式的LED控制器。
依照本发明的一个方面，所述LED控制器为基于PWM模式的LED控制器。
依照本发明的一个方面，所述第一功率管和第二功率管为场效应晶体管。
依照本发明的一个方面，所述第一开关管为场效应晶体管。
依照本发明的一个方面，所述第一开关管为双极型晶体管。
依照本发明的一个方面，所述第二开关管和第三开关管为场效应晶体管。
依照本发明的一个方面，所述第二开关管和第三开关管为双极型晶体管。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路，提供了一种能够有效解决电池供电时启动容易出现的误触发以及温度过高时带隙基准的温漂问题的技术方案。本发明能够有效的在芯片上电后，尤其是空载情况下迅速启动，防止了在电池上电过程中引发误触发的问题。该开关电源电路能够在电路启动过程中带隙基准还未完全启动时通过开关管的导通与关断来避免误触发。同时，在芯片重载情况下芯片温度越来越高，通过加入开关管后可有效的在设定的温度范围内达到良好的温漂控制。该电路可集成为芯片，所需外围器件少，成本较低，生产效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中开关电源电路的框架结构示意图。
图2是本发明实施例中开关电源电路的整体结构示意图。
图3是本发明实施例中带隙基准及保护电路结构示意图。
图4是本发明实施例中PTAT电流产生电路结构示意图。
图5是本发明实施例中保护电路结构示意图。
图6是本发明实施例中未加入保护电路的温漂曲线。
图7是本发明实施例中加入保护电路后的温漂曲线。
图8是本发明实施例中开关电源电路的工作原理结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明开关电源电路的结构框图，图2为其整体结构示意图。
如图1、图2所示，本发明的开关电源电路包括LED控制器、带隙基准及保护电路、放大器A1、分压电阻R1与R2，并包括功率管MN及MP。本实施例中，功率管MN及MP为场效应晶体管。
带隙基准及保护电路具有输出端Vref和Test。放大器A1的正向输入端接分压电阻R1的一端以及分压电阻R2的一端，放大器A1的反相输入端接带隙基准及保护电路的输出端Vref，放大器A1的输出端接带隙基准及保护电路的输出端Test以及LED控制器的一端；LED控制器的另一端接功率管MP、MN的栅极；功率管MP、MN的漏极接LX端口，功率管MP的源极与分压电阻R1的另一端接供电端口VDD，功率管MN的源极与分压电阻R2的另一端接地GND。
如图3所示，带隙基准及保护电路，包括带隙基准电路、开关管Q1、M1、M2以及电流源I1。开关管Q1、M1、M2为场效应晶体管或者为双极型晶体管。本实施例中，开关管Q1为双极型晶体管，开关管M1、M2为场效应晶体管。开关管Q1的发射极接带隙基准电路的输出端Vref，开关管Q1的基极接带隙基准电路的输出端V2，开关管Q1的集电极与开关管M1的源极相连并接地GND；开关管M1的栅极接带隙基准电路的输出端V1，开关管M1的漏极与电流源I1的输出端及开关管M2的栅极相连；电流源I1的输入端与供电端口VDD相连；开关管M2的源极接地GND，开关管M2的漏极接输出端Test。
由于双极型晶体管的偏置电路实际上是与绝对温度成正比。因此将带隙基准及保护电路分两部分，一部分为如图4所示的PTAT电流产生电路(PTAT：proportional toabsolute temperature)，一部分为如图5所示的保护电路。
图4是PTAT电流产生电路的一种实施例，包括PMOS型场效应晶体管MP1、MP2及MP3，NMOS型场效应晶体管MN1与MN2，电阻R6、双极型晶体管Q3与Q4。其中，场效应晶体管MP1、MP2及MP3的栅极相连并连接到场效应晶体管MP1的漏极及场效应晶体管MN1的漏极，场效应晶体管MP1、MP2及MP3源极相连并接到供电端口VDD；场效应晶体管MP2的漏极与场效应晶体管MN1、MN2的栅极相连，并与场效应晶体管MN2的漏极相连；场效应晶体管MN1的源极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接双极型晶体管Q3的发射极；双极型晶体管Q3与Q4的基极、集电极均接地GND；双极型晶体管Q4的发射极接场效应晶体管MN2的源极；场效应晶体管MP3的漏极输出PTAT电流。
场效应晶体管MP1～MP2和MN1～MN2均为相同的对管，要使ID1＝ID2(ID1为场效应晶体管MP1、MN1到地通路的电流，ID2为场效应晶体管MP2、MN2到地通路的电流)，电路需保证场效应晶体管MN1与MN2的漏极电压相等即VA＝VB。所以，ID1＝ID2＝(VTlnn)/R6(VT：热电势)，结果使ID3(PTAT电流即场效应晶体管MP3的输出电流)产生相同的特性。在实际应用中，由于晶体管之间的不匹配以及电阻R6的温度系数，ID3的变化会偏离理想的等式。VBE3代表双极型晶体管Q3的基极-发射极电压，VBE4代表双极型晶体管Q4的基极-发射极电压。由此可以得出：
VA＝VB (1)
VA＝I1*R6+VBE3 (2)
VB＝VBE4 (3)
由式(1)、(2)、(3)可得：
I1*R6+VBE3＝VBE4 (4)
Is代表双极型晶体管饱和电流，Ic代表流过双极型晶体管集电极电流，将式(4)化简可得：
由于Ic1＝Ic2＝ID1＝ID2，假设Q3＝mQ4，则Is1：Is2＝m，由此可得：
I1*R6＝VT*lnm
I1＝VT*lnm/R6 (6)
由式(6)可以得到PTAT电流。
图5是保护电路的一种实施例，输入的2PTAT电流接带隙基准电压Vref及电阻R3，电阻R3的另一端与电阻R4、场效应晶体管M1的栅极相连；R4的另一端与电阻R5及双极型晶体管Q2的基极相连，电阻R5的另一端与双极型晶体管Q1的发射极相连，双极型晶体管Q1的基极与发射极接地GND；双极型晶体管Q2的发射极接PTAT电流，双极型晶体管Q2的集电极接地GND；场效应晶体管M1的源极接地GND，场效应晶体管M1的漏极接电流源I2以及场效应晶体管M2的栅极；场效应晶体管M2的源极接地GND，漏极为输出电压Test。
带隙基准电压Vref有：
Vref＝I1*(R3+R4+R5)+VBE1 (7)
由式(6)、(7)可得：
Vref＝VBE1+VT*lnm*(R3+R4+R5)/R6 (8)
由于VBE1是负温度系数，VT是正温度系数，由式(8)可知只要选取合适的值就能保证两项和是零温度系数。由于带隙基准电压分压V2＝(R3+R4)/(R3+R4+R5)*Vref，通过调整电阻比例，可以调节不同温度下的折返点，如图6为未加入保护点电路的温漂，如图7为加入保护电路后电路的温漂，明显可以看出加入保护电路后在超过120℃时带隙基准电压降低，从而达到了改善温漂的作用。
当带隙基准电压分压V1＝R3/(R3+R4+R5)*Vref小于场效应晶体管M1的开启电压时，由于场效应晶体管M1的漏极接电流源，因此其输出电压即场效应晶体管M2的栅极电压为高，此时输出信号Test为低，由图2可以看出其将放大器A1的输出信号强制拉低进而控制LED控制器。
如图8所示，本发明电路工作时，LX端口通过电感L连接外部供电BAT端口，同时电感L与BAT端口连接的一端通过电容C1接地；电压输出端口VDD通过电容C2后接地。此时整个电路的工作原理是：电路供电后，在BAT端电压逐渐升高时，通过电容C1存储电荷，而此时带隙基准电压随着VDD逐渐升高，在其小于开关管M1的开启电压时，此时开关管M2收到电流源上拉影响，使其栅极电压为高，进而开关管M2导通，从而将漏极输出电压Test拉低，从而给LED控制器固定低电平，进而使其不受放大器A1输出电平影响而只受其他的逻辑功能控制。随着VDD电压逐渐升高，带隙基准电压Vref逐渐升高，当Vref电压足够大时，使开关管M1开启后，此时将开关管M2的栅极电平拉低，进而Test电平只受放大器A1的影响，从而实现电路正常工作模式。随着LED控制器不断地提供高低电平，由场效应晶体管MP和MN的特性可知，高电平控制MN导通MP关断，低电平控制MP导通MN关断，形成两个通路即通路1和通路2。当开始工作后，场效应晶体管MP导通，使VDD端电压与供电电压BAT相等，从而为内部供电。随着内部电路工作的进行，场效应晶体管MN导通场效应晶体管MP关断时即通路1工作，此时电容C1不断地存储电荷；当场效应晶体管MP导通场效应晶体管MN关断时即通路2工作，此时电容C1放电且电容C2开始进行充电。当场效应晶体管MN再次导通时，输出端VDD电压由电容C2放电维持电压不变，电容C1继续进行充电。
上述实施例采用了基于PFM模式的LED控制器作为基础，在本发明中，上述基于PFM模式的LED控制器可由其他LED控制器替代，例如基于PWM的LED控制器、恒压控制器、恒流控制器等。
本发明中，该LED控制器能够集成为芯片。
综上，本发明提供了一种能够有效的在芯片上电后(尤其是空载情况下)迅速启动，防止了在电池上电过程中引发误触发的问题。该电路能够在电路启动过程中带隙基准还未完全启动时通过开关管的导通与关断来避免误触发；同时，在芯片重载情况下芯片温度越来越高，通过加入开关管Q1后可有效的在设定的温度范围内达到良好的温漂控制。该电路可集成为芯片，所需外围器件少，成本较低，生产效率高。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本专利。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，包括LED控制器、带隙基准及保护电路、放大器、第一分压电阻与第二分压电阻以及第一功率管与第二功率管；
所述带隙基准及保护电路包括带隙基准电路、第一开关管、第二开关管、第三开关管以及电流源；所述第一开关管的发射极/源极接带隙基准电路的基准电压输出端，所述第一开关管的基极/栅极接带隙基准电路的第二电压输出端，所述第一开关管的集电极/漏极与第二开关管的发射极/源极接地；所述第二开关管的基极/栅极接带隙基准电路的第一电压输出端，所述第二开关管的集电极/漏极与电流源的输出端及第三开关管的基极/栅极相连；所述电流源的输入端与供电端口相连；所述第三开关管的发射极/源极接地，所述第三开关管的集电极/漏极输出测试电压；
所述放大器的正向输入端接第一分压电阻的一端以及第二分压电阻的一端，所述放大器的反相输入端接带隙基准及保护电路的基准电压输出端，所述放大器的输出端接带隙基准及保护电路的测试电压以及LED控制器的一端；所述LED控制器的另一端接第一功率管的栅极以及第二功率管的栅极；所述第一功率管以及第二功率管的漏极接外部供电端口，所述第一功率管的源极与第一分压电阻的另一端接供电端口，所述第二功率管的源极与第二分压电阻的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路集成为芯片。
3.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述LED控制器为基于PFM模式的LED控制器。
4.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述LED控制器为基于PWM模式的LED控制器。
5.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述第一功率管和第二功率管为场效应晶体管。
6.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述第一开关管为场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述第一开关管为双极型晶体管。
8.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述第二开关管和第三开关管为场效应晶体管。
9.根据权利要求1所述的带有低压保护及过温保护的开关电源电路，其特征在于，所述第二开关管和第三开关管为双极型晶体管。
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