CN107658853B - Boost配合push-pull级联电路的过流保护电路 - Google Patents

Boost配合push-pull级联电路的过流保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种BOOST配合PUSH‑PULL级联电路的过流保护电路，包括前级BOOST电路、后级PUSH‑PULL电路、保护锁定电路和保护复位电路，BOOST电路工作在PWM状态，PUSH‑PULL电路工作在全脉宽互补状态下。本发明直接在PUSH‑PULL的一对推挽级开关管上取样输出电流，经过高速比较器确认过流状态后直接拉低推挽驱动电路，实现快速保护，同时为了避免单驱动周期的保护连续动作，增加了保护锁定电路。本发明原理简单，器件数量少，动作速度快，可以确保整机长期短路的可靠性，解决了BOOST电路在大功率等级使用时的过载及短路保护难点。

Description

BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路
技术领域
本发明涉及保护电路领域，特别涉及到一种BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路。
背景技术
在BOOST配合PUSH-PULL级联电路或单级BOOST电路中，比较难以处理或解决的是短路保护功能。所以单级BOOST电路一般都使用在小功率集成IC场合，或再级联一个有保护功能的单级电路，比如PWM或LLC电路。这种方式最常见的应用是带PFC功能的AC/DC电源。但在DC/DC的使用场合，上述级联电路的后级为满足软开关的需要而工作在全占空比状态。在原理上无法通过占空比调节来实现稳态限流(限功率)状态。而前级BOOST电路只能在一定负载变化范围内对输出电流进行控制。在重载或短路条件下则完全没有调节能力(此时占空比已关闭或最小)。目前级联电路使用较为广泛的是BUCK配合PUSH PULL电路，这是因为在BUCK级实现过流保护方便又可靠。
BOOST配合PUSHPULL电路组合较之BUCK配合PUSH-PULL的技术方案在低电压输入时整机效率方面有明显优势，但如果不能解决好短路保护的问题则其使用是有风险的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路，以解决上述问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路，包括前级BOOST电路和后级PUSH-PULL电路，所述BOOST电路工作在PWM状态，所述PUSH-PULL电路工作在全脉宽互补状态下。
进一步的，所述PUSH-PULL电路包括推挽级开关管，BOOST电路的电流取样取自推挽级开关管；小电流等级时取样方式为直接取自电阻，大电流场合时取样方式为用一个或两个CT来完成。
进一步的，还包括高速比较器，取样电流通过高速比较器与基准电流比较放大，并通过二极管对推挽级开关管的关断进行控制。
进一步的，所述BOOST电路包括电感L1、电容C1、开关管K1和整流管D1，电容C1的一端和电感L1的一端均与输入电压Uin的正极相连，开关管K1为N沟道场效应管，电感L1的另一端分别与整流管D1的正极以及开关管K1的D极相连，开关管K1的S极以及电容C1的另一端均与输入电压Uin的负极相连；PUSH-PULL电路包括推挽级开关管K2、推挽级开关管K3和主变压器T，推挽级开关管K2和推挽级开关管K3均为N沟道场效应管，主变压器T的A端与推挽级开关管K2的D极相连，主变压器T的B端与整流管D1的负极相连，推挽级开关管K2的S极通过电阻R20与输入电压Uin的负极相连，主变压器T的C端与推挽级开关管K3的D极相连；还包括高速比较器A1以及保护锁定电路，保护锁定电路包括三极管T1、电阻R11、电阻R9、电阻R12和二极管D10，三极管T1为PNP型三极管，三极管T1的e极通过电阻R11连接电源VC，三极管T1的c极通过电阻R12接地，三极管T1的b极通过电阻R9与高速比较器A1的输出端相连，二极管D10的正极与三极管T1的c极相连，二极管D10的负极与高速比较器A1的反相输入端相连，高速比较器A1的反相输入端通过电阻R7与推挽级开关管K3的S极相连，推挽级开关管K3的S极还与推挽级开关管K2的S极相连。
进一步的，还包括保护复位电路以及用于定时给出保护复位电路的驱动信号的推挽驱动IC，所述保护复位电路包括三极管T2、二极管D9、电容C5和电阻R13，三极管T2为NPN型三极管，三极管T2的e极以及二极管D9的正极均接地，二极管D9的负极与三极管T2的b极相连，三极管T2的b极通过电容C5和电阻R13与推挽驱动IC的A2端相连，三极管T2的c极与三极管T1的e极相连；推挽级开关管K2和推挽级开关管K3的关断分别通过二极管D7和二极管D6进行控制，推挽级开关管K2的G极通过电阻R5与推挽驱动IC的A0端相连，二极管D7的正极与推挽级开关管K2的G极相连，推挽级开关管K3的G极通过电阻R6与推挽驱动IC的A1端相连，二极管D6的正极与推挽级开关管K3的G极相连，二极管D6的负极和二极管D7的负极均与高速比较器A1的输出端相连。
进一步的，还包括与输入电压Uin的正极相连的反馈隔离电路，所述反馈隔离电路包括可控精密稳压源TL431、电阻R14、电阻R15、电阻R16和PC1。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明原理简单，器件数量少，动作速度快，可以确保整机长期短路的可靠性，解决了BOOST电路在大功率等级使用时的过载及短路保护难点。鉴于在低电压输入的DC/DC应用中，BOOST电路较之BUCK有明显的效率优势。而其保护功能不易实现的现实问题一直影响了它的使用推广，而本发明正是针对这一困难巧妙地采用了锁定和复位这两个特定功能的电路较完美地解决了这个问题难点，且电路原理简单、可靠，对电路的其它功能和指标没有影响。
附图说明
图1为本发明所述的BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路的电路简图。
图2为本发明所述的BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路的结构示意图。
图3为本发明所述的BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路的连续过载(短路)的部分节点波形图。
图4为本发明所述的BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路的瞬间过载(短路)的部分节点波形图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1和图2，图1的取样方式为直接取自电阻。图2的取样方式为用两个CT来完成，利用本发明所设计的一款车载DC/DC转换器，稍加改动也可以用在车载充电/DC一体机的场合。
技术指标为：输入直流电压：100V～200V，输出为14V/40A。
本发明所述的一种BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路，包括前级BOOST电路和后级PUSH-PULL电路。BOOST电路工作在PWM状态，以便在闭环状态下稳定输出；PUSH-PULL电路工作在全脉宽互补状态下，以便实现软开关。该级电路主要是完成对主变压器T的驱动以实现隔离和变压功能。
PUSH-PULL电路包括推挽级开关管，通过取样电阻R1，BOOST电路的电流取样取自推挽级开关管。小电流等级时取样方式为直接取自电阻，大电流场合时取样方式为用一个或两个CT来完成。
还包括高速比较器，取样电流通过高速比较器与基准电流比较放大，以判定是否有发生过流或短路情况；进而通过二极管直接关断推挽级开关管，可以实现优于10ns～30ns级的关断速度，这个对于短路保护的可靠性至关重要。
BOOST电路包括电感L1、电容C1、开关管K1和整流管D1。电阻R1为开关管K1的电流取样电阻。升压电路的主控制芯片为A2UCC3843。电容C1的一端和电感L1的一端均与输入电压Uin的正极相连。开关管K1为N沟道场效应管，电感L1的另一端分别与整流管D1的正极以及开关管K1的D极相连。开关管K1的S极以及电容C1的另一端均与输入电压Uin的负极相连。
PUSH-PULL电路包括推挽级开关管K2、推挽级开关管K3和主变压器T。驱动的全占空比脉冲由A4MCU给出，通过A3UCC27324的放大后驱动推挽级开关管K2和K3。由CT1、CT2完成推挽级开关管的电流取样。推挽级开关管K2和推挽级开关管K3均为N沟道场效应管。主变压器T的A端与推挽级开关管K2的D极相连，主变压器T的B端与整流管D1的负极相连。推挽级开关管K2的S极通过电阻R20与输入电压Uin的负极相连。主变压器T的C端与推挽级开关管K3的D极相连。
还包括高速比较器A1以及保护锁定电路，保护锁定电路包括三极管T1、电阻R11、电阻R9、电阻R12和二极管D10。三极管T1为PNP型三极管，三极管T1的e极通过电阻R11连接电源VC，三极管T1的c极通过电阻R12接地，三极管T1的b极通过电阻R9与高速比较器A1的输出端相连。二极管D10的正极与三极管T1的c极相连，二极管D10的负极与高速比较器A1的反相输入端相连。高速比较器A1的反相输入端通过电阻R7与推挽级开关管K3的S极相连。推挽级开关管K3的S极还与推挽级开关管K2的S极相连。保护锁定电路的功能是一旦过流状况发生，保护电路在其动作后就进入锁定状态，以避免在过载持续发生时，保护电路进入反复“动作-恢复-动作”的循环状态，此时虽然短路最大峰值电流得到抑制，但开关管在反复动作情况下功耗极大，有可能会导致器件过热失效。
过流保护电路由高速比较器A1、三极管T1、三极管T2及电阻R8～R13等器件构成。一旦采样电流超过镇定值。高速比较器A1输出低电平，BOOST驱动及PUSHPULL驱动同时拉低，通过三极管T1作用进入锁定状态。此时需等待A4MCU发出复位脉冲.一旦电路复位后，高速比较器A1再次检测过流状态，如果过流状态还是存在则继续进入锁定保护及复位循环，直至过流状态排除。
为避免保护动作后，其锁定电路需要人工恢复从而限制了它的使用范围，为此增加了保护复位电路。其驱动信号由推挽驱动IC定时给出，驱动信号的时间间隔可以根据过电流时的维持电流来设定。比较简单的方案就是用MCU来给出复位信号，通过软件可以调整复位时间间隔，在短路持续期间通过大的复位周期来使得短路功耗能降至最低。
保护复位电路包括三极管T2、二极管D9、电容C5和电阻R13。三极管T2为NPN型三极管，三极管T2的e极以及二极管D9的正极均接地，二极管D9的负极与三极管T2的b极相连。三极管T2的b极通过电容C5和电阻R13与推挽驱动IC的A2端相连，三极管T2的c极与三极管T1的e极相连。推挽级开关管K2和推挽级开关管K3的关断分别通过二极管D7和二极管D6进行控制。推挽级开关管K2的G极通过电阻R5与推挽驱动IC的A0端相连。二极管D7的正极与推挽级开关管K2的G极相连，推挽级开关管K3的G极通过电阻R6与推挽驱动IC的A1端相连。二极管D6的正极与推挽级开关管K3的G极相连，二极管D6的负极和二极管D7的负极均与高速比较器A1的输出端相连。
还包括与输入电压Uin的正极相连的反馈隔离电路，反馈隔离电路包括可控精密稳压源TL431、电阻R14、电阻R15、电阻R16和PC1。
参见图3和图4，说明了在长期过载或瞬间过载条件下的各关键节点的波形图。在正常情况下，推挽级开关管K2、K3由A4MCU给出的全占空比脉冲来驱动的，此时输出电压和输出电流与输入电压，电流呈线性比例关系，原付边传输效率最高。在输出端出现负载异常时。CT1、CT2会检测到异常电流信号，一旦超过镇定值，高速比较器A1会立即输出低压，经二极管D6的负极和二极管D7关断推挽驱动。
由A4MCU在过载后定时给出复位脉冲，如果后续短路(过载)消失，高速比较器A1可以维持正常的高电平输出，见图4；如果短路持续，则高速比较器A1输出在恢复高电平后再次进入保护地电平状态，见图3，直至负载异常消失。
本发明的原理是直接在PUSH-PULL的一对推挽级开关管K2和K3上取样输出电流，经过高速比较器确认过流状态后直接拉低推挽驱动电路，实现快速保护，同时为了避免单驱动周期的保护连续动作，增加了保护锁定电路；为了使保护动作状态在输出端过流解除后能快速恢复，又引入由三极管T2、二极管D9、电容C5和电阻R13构成的解锁电路，使得过流或短路状态能即时恢复。本发明用较为简单的电路实现了BOOST或BOOST配合PUSH-PULL电路极难解决的短路保护问题，同时又克服了一般电路恢复性能不佳的问题且电路原理简洁清晰、动作可靠，对电路的其它功能和指标没有影响。
本发明推出的这个过流保护方案可以比较完美地解决短路保护带来的风险问题。这个电路本身也可以使用在单级BOOST电路中，也可以使用在其他形式的全脉宽驱动的拓扑电路中，比如半桥和全桥电路中。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路，其特征在于：包括前级BOOST电路和后级PUSH-PULL电路，所述BOOST电路工作在PWM状态，所述PUSH-PULL电路工作在全脉宽互补状态下；
所述PUSH-PULL电路包括推挽级开关管，BOOST电路的电流取样取自推挽级开关管；小电流等级时取样方式为直接取自电阻，大电流场合时取样方式为用一个或两个CT来完成；
还包括高速比较器，取样电流通过高速比较器与基准电流比较放大，并通过二极管对推挽级开关管的关断进行控制。
2.根据权利要求1所述的BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路，其特征在于：所述BOOST电路包括电感L1、电容C1、开关管K1和整流管D1，电容C1的一端和电感L1的一端均与输入电压Uin的正极相连，开关管K1为N沟道场效应管，电感L1的另一端分别与整流管D1的正极以及开关管K1的D极相连，开关管K1的S极以及电容C1的另一端均与输入电压Uin的负极相连；PUSH-PULL电路包括推挽级开关管K2、推挽级开关管K3和主变压器T，推挽级开关管K2和推挽级开关管K3均为N沟道场效应管，主变压器T的A端与推挽级开关管K2的D极相连，主变压器T的B端与整流管D1的负极相连，推挽级开关管K2的S极通过电阻R20与输入电压Uin的负极相连，主变压器T的C端与推挽级开关管K3的D极相连；还包括高速比较器A1以及保护锁定电路，保护锁定电路包括三极管T1、电阻R11、电阻R9、电阻R12和二极管D10，三极管T1为PNP型三极管，三极管T1的e极通过电阻R11连接电源VC，三极管T1的c极通过电阻R12接地，三极管T1的b极通过电阻R9与高速比较器A1的输出端相连，二极管D10的正极与三极管T1的c极相连，二极管D10的负极与高速比较器A1的反相输入端相连，高速比较器A1的反相输入端通过电阻R7与推挽级开关管K3的S极相连，推挽级开关管K3的S极还与推挽级开关管K2的S极相连。
3.根据权利要求2所述的BOOST配合PUSH-PULL级联电路的过流保护电路，其特征在于：还包括保护复位电路以及用于定时给出保护复位电路的驱动信号的推挽驱动IC，所述保护复位电路包括三极管T2、二极管D9、电容C5和电阻R13，三极管T2为NPN型三极管，三极管T2的e极以及二极管D9的正极均接地，二极管D9的负极与三极管T2的b极相连，三极管T2的b极通过电容C5和电阻R13与推挽驱动IC的A2端相连，三极管T2的c极与三极管T1的e极相连；推挽级开关管K2和推挽级开关管K3的关断分别通过二极管D7和二极管D6进行控制，推挽级开关管K2的G极通过电阻R5与推挽驱动IC的A0端相连，二极管D7的正极与推挽级开关管K2的G极相连，推挽级开关管K3的G极通过电阻R6与推挽驱动IC的A1端相连，二极管D6的正极与推挽级开关管K3的G极相连，二极管D6的负极和二极管D7的负极均与高速比较器A1的输出端相连。
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