CN112103920A - 一种dc/dc转换器过流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种DC/DC转换器过流保护电路，包括驱动电路以及PWM控制器，所述PWM控制器输出端连接至驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接至DC/DC转换器中的开关管MP的基极，所述保护电路还包括电流检测电路和过流关断电路，所述电流检测电路用于时刻检测开关管MP中的电流大小，其输出端连接过流关断电路，所述过流关断电路用于产生关断驱动电路的VILIM信号，所述过流关断电路的输出端输出VILIM信号至驱动电路的输入端，用于控制驱动电路关断。本发明的优点在于：实现在DCDC转换器中的开关管过流时及时进行保护，而且采集的表征过流的电压信号不受温度、电源电压的影响，从而使得关断DCDC的开关管时更加准确可靠。

Description

一种DC/DC转换器过流保护电路
技术领域
本发明涉及电力电子器件保护领域，特别涉及一种DC/DC过流保护电路。
背景技术
近年来，随着电力电子及电子技术的迅猛发展，DC-DC变换器在新能源等各领域应用更加广泛。在DCDC变换器中，大功率MOSFET管在技术和应用上也有了更新的突破，压降越来越低，开关速度越来越快，凭借其出色的高频开关特性而被广泛应用，但MOSFET开关管具有较弱的承受短时过载的能力，在电源短接、内部短路等异常情况下，产生的功耗会急剧增大，从而影响MOSFET开关管正常工作，并可能对其产生永久性的损坏。因此为了保护MOSFET开关管，在DC-DC变换器内部通常需要过流保护电路。目前，一些适用于DC-DC变换器的过流保护电路，在电路结构成本、限流精度、功耗和抗干扰能力诸方面还不能很好的兼顾。如何设计出可靠而合理的过流保护电路，对于充分发挥MOSFET开关管的优点避其弱点起着至关重要的作用，也是有效利用MOSFET开关管的前提和关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种DC/DC转换器过流保护电路，用于实现在DCDC转换器中的开关管过流时及时进行保护，而且采集的表征过流的电压信号不受温度、电源电压的影响。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种DC/DC转换器过流保护电路，包括驱动电路以及PWM控制器，所述PWM控制器输出端连接至驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接至DC/DC转换器中的开关管MP的基极，所述保护电路还包括电流检测电路和过流关断电路，所述电流检测电路用于时刻检测开关管MP中的电流大小，其输出端连接过流关断电路，所述过流关断电路用于产生关断驱动电路的VILIM信号，所述过流关断电路的输出端输出VILIM信号至驱动电路的输入端，用于控制驱动电路关断。
所述电流检测电路的输入端分别连接开关管Mp的基极和发射极，其输出端输出用于表示开关管MP中电流大小的高低电位VL1。
所述电流检测电路包括开关管M1、M2、M3、M4、M5、M5、M7、M8、M9以及电阻R1，所述开关管MP的基极分别连接开关管M1的基极、M2的基极、M3的基极、M4的基极；所述开关管M1的发射极连接开关管MP的发射极，所述开关管M1的集电极连接开关管M2的发射极；电源VDD分别连接开关管M2、M3、M4的集电极；所述M2的发射极连接M5的集电极，M3的发射极连接M6的集电极，M4的发射极连接M7的集电极；所述开关管M5的发射极分别连接至M5的基极、M6的基极、M7的基极、M8的集电极；M6的发射极分别连接至M9的集电极以及M9的基极，M9的基极连接至M8的基极，M8的发射极、M9的发射极均接地；M7的发射极经电阻R1接地；在电阻R1和M7的发射极之间引出接线作为电平信号VL1的输出端子L1。
所述过流关断电路根据电流检测电路输出端子L1的输出的电压信号VL1来输出控制信号至驱动电路以控制驱动电路的关断。
所述电流检测电路还包括同步脉冲电路，所述同步脉冲电路的输出端输出同步脉冲信号VSYN至过流关断电路，所述过流关断电路在同步脉冲信号处于低电平时，开始检测电压VL1的电位高低。
所述过流关断电路包括用于控制驱动电路关断的驱动信号电路，所述驱动信号电路包括:电阻R2、开关管M10、M11、M12、M13以及电容C1、C2，电流检测电路的L1输出端子经电阻R2连接M11的基极，M11的基极经电容C1接地，M11的集电极与M10的发射极连接，M11的发射极经电容C2连接至电源VDD，M11的集电极与M13的集电极连接，M10的基极连接M12的基极，M10的集电极连接电源VDD，M11的发射极分别连接M13的发射极、M12的集电极，M12的发射极接地；同步脉冲信号经过反相器输入到M12的基极，M13的基极经反相器输出VILIM信号至驱动电路中。
所述过流关断电路还包括用于控制PWM芯片的芯片关断电路，所述芯片关断电路对检测的过流时间进行计时和判断，当电流持续超过限流值达到设定的时间阈值时，芯片关断电路输出关断信号CONOFF至芯片中，以关断芯片的PWM信号的输出。
本发明的优点在于：实现在DCDC转换器中的开关管过流时及时进行保护，而且采集的表征过流的电压信号不受温度、电源电压的影响，从而使得关断DCDC的开关管时更加准确可靠；可以实现快速准确的检测电流数值，并转换成对应的电压电平信号，从而方便根据电平信号来控制驱动电路的工作。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明结构原理示意图；
图2为本发明电流检测示意图；
图3为本发明过流关断示意图；
图4为本发明的过流保护电路的信号示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本文设计出一种适于DC-DC变换器的采用CMOS工艺实现的过流保护电路，电路结构简单，限流及时准确，抗干扰能力强，对电源电压和温度变化而引起的限流值漂移具有较强的抑制能力，具有较高的实用价值。
过流保护电路分为两个部分，第1部分为电流检测电路，时刻检测开关管Mp中的电流，并用L1上的电位高低来表示开关管Mp中的电流大小；第2部分为过流关断电路，输入检测信号L1和同步脉冲VSYN，输出过流信号VILIM和关断信号CONOFF，过流信号VILIM与PWM比较器的输出信号VCMPOUT一起输入到驱动模块，控制每个周期内开关管Mp的关断与否，关断信号CONOFF控制整个芯片的工作与否。
如图1所示，一种DC/DC转换器过流保护电路，包括驱动电路以及PWM控制器，PWM控制器输出端连接至驱动电路的输入端，驱动电路的输出端连接至DC/DC转换器中的开关管MP的基极，PWM芯片输出信号经过驱动电路开驱动控制DCDC的开关管MP的基极电压从而控制其导通与否；保护电路还包括电流检测电路和过流关断电路，电流检测电路用于时刻检测开关管MP中的电流大小，其输出端连接过流关断电路，过流关断电路用于产生关断驱动电路的VILIM信号，所述过流关断电路的输出端输出VILIM信号至驱动电路的输入端，用于控制驱动电路关断。驱动电路主要是在当接收到VILIM信号时，停止输出驱动信号至MP的基极，从而关断MP，可以采用驱动芯片来直接实现或者采用与门电路等来实现PWM信号与VILIM信号的同时输入与门电路后进一步送入到驱动电路来控制驱动电路的使能工作。如图1所示，包括二输入与非门、缓冲驱动电路，二输入与非门的两个输入端分别输入VILIM信号以及PWM芯片输出的VCMPOUT信号，与非门的输出端经过缓冲驱动电路输出驱动信号至DCDC转换器的开关管MP的基极。
电流检测电路的输入端分别连接开关管Mp的基极和发射极，其输出端输出用于表示开关管MP中电流大小的高低电位VL1。
如图2所示，电流检测电路包括开关管M1、M2、M3、M4、M5、M5、M7、M8、M9以及电阻R1，所述开关管MP的基极分别连接开关管M1的基极、M2的基极、M3的基极、M4的基极；所述开关管M1的发射极连接开关管MP的发射极，所述开关管M1的集电极连接开关管M2的发射极；电源VDD分别连接开关管M2、M3、M4的集电极；所述M2的发射极连接M5的集电极，M3的发射极连接M6的集电极，M4的发射极连接M7的集电极；所述开关管M5的发射极分别连接至M5的基极、M6的基极、M7的基极、M8的集电极；M6的发射极分别连接至M9的集电极以及M9的基极，M9的基极连接至M8的基极，M8的发射极、M9的发射极均接地；M7的发射极经电阻R1接地；在电阻R1和M7的发射极之间引出接线作为电平信号VL1的输出端子L1。
过流关断电路根据电流检测电路输出端子L1的输出的电压信号VL1来输出控制信号至驱动电路以控制驱动电路的关断。
电流检测电路还包括同步脉冲电路，同步脉冲电路的输出端输出同步脉冲信号VSYN至过流关断电路，所述过流关断电路在同步脉冲信号处于低电平时，开始检测电压VL1的电位高低。
如图3所示，过流关断电路包括用于控制驱动电路关断的驱动信号电路，所述驱动信号电路包括:电阻R2、开关管M10、M11、M12、M13以及电容C1、C2，电流检测电路的L1输出端子经电阻R2连接M11的基极，M11的基极经电容C1接地，M11的集电极与M10的发射极连接，M11的发射极经电容C2连接至电源VDD，M11的集电极与M13的集电极连接，M10的基极连接M12的基极，M10的集电极连接电源VDD，M11的发射极分别连接M13的发射极、M12的集电极，M12的发射极接地；同步脉冲信号经过反相器输入到M12的基极，M13的基极经反相器输出VILIM信号至驱动电路中。
过流关断电路还包括用于控制PWM芯片的芯片关断电路，所述芯片关断电路对检测的过流时间进行计时和判断，当电流持续超过限流值达到设定的时间阈值时，芯片关断电路输出关断信号CONOFF至芯片中，以关断芯片的PWM信号的输出。用于在时间达到一定时间后发出信号来控制PWM信号停止输出PWM脉冲信号。可以直接通过一些控制芯片采集VL1的电压来进行计时后输出控制信号，或者采用开关管组成电路来实现，如图3所示为本申请中采用开关管实现的PWM芯片关断电路，其输入端连接至过流关断电路中开关管M13的集电极，其输出端输出CONOFF信号至PWM信号来控制其停止工作。
大功率MOSFET开关管由于其出色的高频开关特性而被广泛应用在DC-DC变换器中，但其又具有较弱的承受短时过载的能力，因此，在DC-DC变换器内部需要过流保护电路对其进行保护。DC-DC变换器要求过流保护电路在MOSFET开关管中电流超过限流值时，输出过流信号，在当前周期内立即关断MOSFET开关管，避免管中电流的快速上升；如果MOSFET开关管中电流持续超过限流值一段时间(一般为几个毫秒)，过流保护电路经过检测和判断，并产生一个关断信号，中止芯片工作，以保护MOSFET开关管的安全。电路采用CMOS工艺器件搭建完成，结构简单，成本低于其他工艺制成的过流保护电路；电流感应的响应速度快，可以在0.01us级的时间内迅速关断开关管PMOS阻止开关管PMOS中的电流进一步上升，从而有效的保护器件；电路对因电源电压和温度变化而引起的限流值漂移具有较强的抑制能力，过流关断准确，抗干扰能力强，在DC-DC变换器中具有较好的实用价值。
DC-DC变换器的电源电压工作范围比较广，为了避免电源电压对电流检测的影响，采用下图所示的电流检测结构。该结构能及时检测开关管Mp中的电流，M2管中电流大小可以通过L1上的电位高低进行判断，并且电源电压和温度对L1上的电位影响较小。M1～M4和Mp的栅极都接控制信号Vp，因此，当开关管Mp开始工作时，过流保护电路的电流检测部分也同时开始工作。
把M1的宽长比设置得比较大以降低其压降，因此，M1可看作一个开关。当Vp为低电平时，M1导通，M2的漏端电位约等于开关管Mp的漏端电位，又由于M2和开关管Mp的栅、源端电位相等，所以M2和开关管Mp近似地组成一个电流镜。这样，M2就检测到了开关管Mp中的电流，通过选择合适的电阻类型，可以降低温度对电位VL1的影响。因此，该电路能够准确的感应开关管Mp中的电流，较好的抑制限流值的漂移。
过流保护电路的第二部分为过流关断电路，它是过流保护电路的核心，如图3所示。一旦开关管Mp中电流超过限流值时，产生的过流信号VILIM通过驱动电路立即关断开关管Mp，避免该周期内开关管Mp中电流的再次上升；同时，过流关断电路会检测和判断过流时间的长短，如果开关管Mp中电流持续超过限流值到一定时间，过流关断电路就会产生一个关断信号CONOFF，立即中止芯片工作以保护开关管Mp，电流保护电路工作过程如图4所示。
过流关断电路在同步脉冲VSYN为低电平时，检测感应信号L1上的电位高低，并转变为过流信号VILIM，控制每个周期中开关管Mp的关断与否。一旦开关管Mp中的电流超过限流值时，通过适当设置R1的阻值，使得电流感应电路中的L1上电位刚好变为高电平，过流信号VILIM变为低电平，立即关断开管Mp，避免了Mp管中电流的快速上升。
当开关管Mp中电流超过限流值时，L2上面的信号为脉冲信号，与过流信号VILIM相反。当L2为低电平时，电源电压通过M15、M16给C3充电；当L2为高电平时，C3上电荷通过M17放电。在本电路中，把C3设置的足够大，使得A点电位在电路过流情况下一直为低电平。这样，在过流情况下，B点电位也一直为低电平，电源电压给C4充电，C点电位持续上升。经过一段时间(时间长短主要跟C4的大小有关，在本电路中设置为1ms)，C点电位上升使得M28导通，输出过流关断信号CONOFF＝1，芯片立即中止工作。如果过流持续一小段时间(小于1ms)之后又恢复正常，则C4上积蓄的电荷立即通过M25放电，过流关断信号CONOFF保持为低电平，不影响电路的正常工作。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种DC/DC转换器过流保护电路，包括驱动电路以及PWM控制器，所述PWM控制器输出端连接至驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接至DC/DC转换器中的开关管MP的基极，其特征在于：所述保护电路还包括电流检测电路和过流关断电路，所述电流检测电路用于时刻检测开关管MP中的电流大小，其输出端连接过流关断电路，所述过流关断电路用于产生关断驱动电路的VILIM信号，所述过流关断电路的输出端输出VILIM信号至驱动电路的输入端，用于控制驱动电路关断。
2.如权利要求1所述的一种DC/DC转换器过流保护电路，其特征在于：所述电流检测电路的输入端分别连接开关管Mp的基极和发射极，其输出端输出用于表示开关管MP中电流大小的高低电位VL1。
3.如权利要求2所述的一种DC/DC转换器过流保护电路，其特征在于：所述电流检测电路包括开关管M1、M2、M3、M4、M5、M5、M7、M8、M9以及电阻R1，所述开关管MP的基极分别连接开关管M1的基极、M2的基极、M3的基极、M4的基极；所述开关管M1的发射极连接开关管MP的发射极，所述开关管M1的集电极连接开关管M2的发射极；电源VDD分别连接开关管M2、M3、M4的集电极；所述M2的发射极连接M5的集电极，M3的发射极连接M6的集电极，M4的发射极连接M7的集电极；所述开关管M5的发射极分别连接至M5的基极、M6的基极、M7的基极、M8的集电极；M6的发射极分别连接至M9的集电极以及M9的基极，M9的基极连接至M8的基极，M8的发射极、M9的发射极均接地；M7的发射极经电阻R1接地；在电阻R1和M7的发射极之间引出接线作为电平信号VL1的输出端子L1。
4.如权利要求3所述的一种DC/DC转换器过流保护电路，其特征在于：所述过流关断电路根据电流检测电路输出端子L1的输出的电压信号VL1来输出控制信号至驱动电路以控制驱动电路的关断。
5.如权利要求3或4所述的一种DC/DC转换器过流保护电路，其特征在于：所述电流检测电路还包括同步脉冲电路，所述同步脉冲电路的输出端输出同步脉冲信号VSYN至过流关断电路，所述过流关断电路在同步脉冲信号处于低电平时，开始检测电压VL1的电位高低。
6.如权利要求5所述的一种DC/DC转换器过流保护电路，其特征在于：所述过流关断电路包括用于控制驱动电路关断的驱动信号电路，所述驱动信号电路包括:电阻R2、开关管M10、M11、M12、M13以及电容C1、C2，电流检测电路的L1输出端子经电阻R2连接M11的基极，M11的基极经电容C1接地，M11的集电极与M10的发射极连接，M11的发射极经电容C2连接至电源VDD，M11的集电极与M13的集电极连接，M10的基极连接M12的基极，M10的集电极连接电源VDD，M11的发射极分别连接M13的发射极、M12的集电极，M12的发射极接地；同步脉冲信号经过反相器输入到M12的基极，M13的基极经反相器输出VILIM信号至驱动电路中。
7.如权利要求6所述的一种DC/DC转换器过流保护电路，其特征在于：所述过流关断电路还包括用于控制PWM芯片的芯片关断电路，所述芯片关断电路对检测的过流时间进行计时和判断，当电流持续超过限流值达到设定的时间阈值时，芯片关断电路输出关断信号CONOFF至芯片中，以关断芯片的PWM信号的输出。
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