CN112436488A - 一种dc-dc自举电源的欠压保护电路 - Google Patents

一种dc-dc自举电源的欠压保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DC‑DC自举电源的欠压保护电路，由欠压检测电路、尖峰控制电路、下拉电路组成，采用DC‑DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为尖峰控制电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在自举电源电压达到欠压保护的恢复阈值期间，使下拉电路处于周期性间歇工作模式，即在每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内导通固定时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭。这样在大占空比、甚至100％占空比条件下出现自举电源欠压时，该自举电源的欠压保护电路在实现对自举电容充电的同时，仍使上侧开关管有足够的时间导通，可实现自举电源欠压释放后，DC‑DC输出电压不会出现较大“尖峰”。

Description

一种DC-DC自举电源的欠压保护电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种用于DC-DC转换器的自举电源欠压保护电路。
背景技术
随着集成电路技术和电子技术的快速发展和不断创新，高效率的开关电源芯片，尤其DC-DC转换器芯片在越来越多的电子设备中得到应用。由于迁移率的不同，为了实现相同的驱动能力，所需PMOS器件的面积远大于NMOS器件。为了降低芯片的成本，在DC-DC转换器芯片中越来越多的上侧开关管采用NMOS器件，尤其在电源电压较高的芯片中更是如此。根据NMOS器件的应用特点，需要一个比源端更高电源电压作为的栅极的驱动，当NMOS器件导通后源极电压等于漏端，而漏端电压一般为输入电源电压，此时就需要自举电路产生栅极所需的驱动电压。由于开关损耗的存在，可能会出现自举电源电压逐渐减小的情况，需要针对自举电源进行欠压保护。为保证上侧开关管良好的导通性，当自举电源欠压时，上侧开关管关闭，需对自举电路中的自举电容进行充电，但在大占空比的情况下，由于自举电容充电时间较短，需要多次充电，这样DC-DC输出电压持续降低，当欠压释放后，输出电压可出现较大“尖峰”现象。
图1是传统的自举电源欠压保护框图。逻辑控制电路根据DC-DC芯片的需要为驱动信号提供控制信号；电平转换电路将控制信号的电源域由低压转化为高压；驱动电路根据控制信号为上侧开关管(NMOS)的正常导通和关闭提供驱动；线性稳压器、二极管D1、电容C1构成自举电路，即自举电源电压为电容C1两端的压降(BS-SW)。自举电源的欠压保护电路由欠压检测电路和下拉电路组成，其中欠压检测电路用于检测自举电源电压是否低于阈值，当自举电源欠压时，上侧开关管关闭，下拉电路对SW端进行下拉。
当SW为低电平时，线性稳压器给自举电容C1充电，当SW由低电平转换为高电平时，根据电容两端的电压不能突变特性，则BS端电压高于电源电压VIN，作为驱动电路的电源，可使上侧开关管充分导通，而二极管D1的作用为防止电流反灌。但是，当自举电容的充电电荷小于放电电荷时，自举电源会逐渐降低，这时需要欠压保护电路的作用，关闭上侧开关管，直至欠压释放，从而保证上侧开关管良好的导通性能。
在此结构中，当自举电源欠压时，关闭上侧开关管，线性稳压器为自举电容充电，直至自举电源电压达到要求，才允许上侧开关管开通。但在大占空比条件下，自举电容充电时间较短，需要多次充电，此时DC-DC输出电压一直下降，当欠压释放时，在整体系统环路的作用下，DC-DC输出电压出现“尖峰”。如果输出电压“尖峰”较大，这时有可能会损坏DC-DC后端系统，或者系统功能异常。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于DC-DC转换器的自举电源欠压保护电路，目的是在大占空比甚至100％占空比条件下，当自举电源欠压释放时，避免DC-DC输出电压出现较大“尖峰”，以保证系统的正常使用。
本发明提供的技术方案如下：
一种DC-DC自举电源的欠压保护电路，包括欠压检测电路和下拉电路，其特征在于：还包括尖峰控制电路，采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为尖峰控制电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在自举电源电压达到欠压保护的恢复阈值期间，使下拉电路处于周期性间歇工作模式，即在每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内工作固定时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭。
作为上述DC-DC自举电源的欠压保护电路的一种具体实施方式，所述尖峰控制电路，由上升沿检测电路、脉冲产生电路以及逻辑电路组成，采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在N分频信号CLK_NT上升沿出现时，脉冲产生电路产生一个固定时间的脉冲信号，在脉冲信号为高电平时，欠压保护控制信号作用有效，即欠压保护控制信号可经逻辑电路输出给下拉电路，控制下拉电路在此时间内进行下拉，同时保证此时间内上侧开关管关断，实现对自举电容的充电；在脉冲信号为低电平时，欠压保护控制信号被屏蔽，即欠压保护控制信号被逻辑电路屏蔽，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路的控制下正常通断。
作为上述DC-DC自举电源的欠压保护电路的一种具体实施方式，所述尖峰控制电路，包括上升沿检测电路、脉冲产生电路、反相器INV1、或非门NOR1、与非门NAND1、与非门NAND2和死区时间电路Dead time，上升沿检测电路的输入信号为欠压检测电路的输出信号UVP_OK，上升沿检测电路的时钟信号为DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT，上升沿检测电路的输出信号输出至脉冲产生电路的信号输入端，脉冲产生电路的输出信号为PULSE，连接至反相器INV1的输入端，反相器INV1的输出端连接至或非门NOR1的第一输入端和与非门NAND1的第一输入端，或非门NOR1的第二输入端连接至死区时间电路Dead time的第一输出端，或非门NOR1的输出信号为B，并连接至Dead time的第一输入端，与非门NAND1的第二输入端连接至DC-DC系统中控制上侧开关管通断UPCT信号，与非门NAND1的输出端连接至与非门NAND2第一输入端，与非门NAND2第二输入端连接至Dead time的第二输出端，与非门NAND2的输出信号为A，并连接至Deadtime的第二输入端。
一种DC-DC自举电源的欠压保护控制方法，采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在尖峰控制电路的作用下，每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内导通工作时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭，以在自举电源电压达到欠压保护的恢复阈值期间，使下拉电路处于周期性间歇工作模式。
根据上述DC-DC自举电源的欠压保护控制方法，所述系统时钟N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在N分频信号CLK_NT上升沿出现时，脉冲产生电路产生一个固定时间的脉冲信号，在脉冲信号为高电平时，欠压保护控制信号作用有效，即欠压检测电路可控制下拉电路在此时间内进行下拉，同时保证此时间内上侧开关管关断，实现对自举电容的充电；在脉冲信号为低电平时，欠压保护控制信号作用失效，即下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路的控制下正常通断。
本发明的工作原理将结合具体的实施例进行分析，在此不赘述，本发明的有益效果为：采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在自举电源电压达到欠压保护的恢复阈值期间，使下拉电路处于周期性间歇工作模式，即在每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内工作固定时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭。这样，在大占空比、甚至100％占空比条件下，自举电源欠压释放后，可保证DC-DC输出电压不出现较大“尖峰”。
附图说明
图1是传统DC-DC自举电源欠压保护电路框图；
图2是本发明一种DC-DC自举电源的欠压保护电路；
图3是本发明欠压保护电路中的尖峰控制电路；
图4是本发明尖峰控制电路的具体实现图；
图5是非隔离BUCK型DC-DC转换器的原理框图；
图6是采用传统自举电源欠压保护电路时输出电压波形图；
图7是采用本专利自举电源欠压保护电路时输出电压波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例
如图2以及图3所示，一种DC-DC自举电源的欠压保护电路，包括欠压检测电路、尖峰控制电路和下拉电路，其中，尖峰控制电路由上升沿检测电路、脉冲产生电路以及逻辑电路组成，并采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号。
欠压检测电路通过检测自举电源电压，即电容C1两端电压，当其低于自举电源欠压阈值，即自举电源欠压时，欠压检测电路的输出信号UVP_OK为低电平，在上升沿检测电路的时钟信号CLK_NT上升沿出现时，上升沿检测电路输出为高电平，脉冲产生电路产生一个固定时间的脉冲信号，在脉冲信号为高电平时，欠压保护控制信号作用有效，即欠压保护控制信号可经逻辑电路输出给下拉电路，控制下拉电路在此时间内对SW进行下拉，同时保证此时间内上侧开关管关断，实现对自举电容的充电。
当自举电源电压恢复到欠压阈值后，即自举电源电压不欠压时，欠压检测电路的输出信号UVP_OK为高电平，上升沿检测电路输出为低电平，脉冲信号输出为低电平，欠压保护控制信号被屏蔽，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路的控制下正常通断。
这样，在大占空比、甚至100％占空比条件下，由于尖峰控制电路采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，可以实现在N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内工作固定时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭，并呈现周期性变化。
因此，通过设置合适的自举电源欠压阈值，在欠压时，下拉电路周期性间歇工作，对自举电容进行充电，同时上侧开关管有足够的时间对输出电容进行充电，这样可保证在自举电源欠压时DC-DC输出电压下降较少，从而避免欠压释放后，DC-DC输出电压出现较大“尖峰”。
尖峰控制电路具体实现如图4所示，包括上升沿检测电路、脉冲产生电路、反相器INV1、或非门NOR1、与非门NAND1、与非门NAND2和死区时间电路Dead time。上升沿检测电路的输入信号为欠压检测电路的输出信号UVP_OK，上升沿检测电路的时钟信号为DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT，上升沿检测电路的输出信号输出至脉冲产生电路的信号输入端，脉冲产生电路的输出信号为PULSE，连接至反相器INV1的输入端，反相器INV1的输出端连接至或非门NOR1的第一输入端和与非门NAND1的第一输入端，或非门NOR1的第二输入端连接至死区时间电路Dead time的第一输出端，或非门NOR1的输出信号为B，并连接至Dead time的第一输入端，与非门NAND1的第二输入端连接至DC-DC系统中控制上侧开关管通断UPCT信号，与非门NAND1的输出端连接至与非门NAND2第一输入端，与非门NAND2第二输入端连接至Dead time的第二输出端，与非门NAND2的输出信号为A，并连接至Dead time的第二输入端。
当自举电源电压欠压时，欠压检测电路输出信号UVP_OK为低电平，在CLK_NT信号的上升沿出现时，上升沿检测电路输出高电平，此时脉冲产生电路产生固定时间的高电平，随后再输出低电平，直至CLK_NT信号下一上升沿的出现。因此，当自举电源电压欠压时，脉冲产生电路输出一个固定时间的脉冲信号PULSE，并随CLK_NT信号周期性变化。当自举电源电压不欠压时，UVP_OK信号为低电平，脉冲产生电路输出信号PULSE一直保持为低电平。
当PULSE信号为高电平时，通过输出信号B控制下拉电路工作，对自举电容C1进行充电，同时对上侧开关管的控制信号UPCT进行屏蔽，通过输出信号A关闭上侧开关管；当PULSE信号为低电平时，下拉电路不对SW端的下拉，并且不再对UPCT信号进行屏蔽，则上侧开关管由UPCT信号控制实现通断。另外，为避免上侧开关管和下拉电路出现贯通现象，增加了死区时间电路Dead time。
这样，当自举电源电压欠压时，在尖峰控制电路的作用下，每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内工作固定时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，下拉电路不工作，上侧开关管在UPCT信号的控制下正常导通和关闭。
采用传统自举电源欠压保护电路，当自举电源欠压时，关闭上侧开关管，线性稳压器为自举电容C1充电，如果自举电源电压达到欠压阈值后，才允许上侧开关管开通，这样在大占空比条件下，自举电容由于充电时间较短，需要多次充电，此时由于上侧开关管一直不导通，DC-DC输出电压持续下降，误差放大器(EA)输出电压偏高，随后当自举电源欠压释放时，在整体系统环路的作用下，DC-DC输出电压出现较大“尖峰”。图5是非隔离BUCK型DC-DC转换器的原理框图，采用本发明自举电源欠压保护电路，可以很好地解决此问题。在大占空比、甚至100％占空比条件下，当自举电源出现欠压时，在尖峰控制电路的作用下，每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内工作固定时间，而每N个CLK周期内的剩余其他时间内下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭，这样，既可以实现对自举电容的充电，同时上侧开关管仍有足够的时间对电感和输出电容充电，可以避免EA输出电压偏高，进而避免欠压释放后，DC-DC输出电压出现较大“尖峰”。
采用传统自举电源欠压保护电路和本申请中电压保护电路时输出电压的波形示意图如图6、7所示。从图6、7的结果中同样可以看出，采用本发明一种用于DC-DC转换器的自举电源欠压保护电路，在欠压释放后，可避免DC-DC输出电压出现较大“尖峰”。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种DC-DC自举电源的欠压保护电路，包括欠压检测电路和下拉电路，其特征在于：还包括尖峰控制电路，采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为尖峰控制电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在自举电源电压达到欠压保护的恢复阈值期间，使下拉电路处于周期性间歇工作模式，即在每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内工作固定时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭。
2.根据权利要求1所述的DC-DC自举电源的欠压保护电路，其特征在于：所述尖峰控制电路，由上升沿检测电路、脉冲产生电路以及逻辑电路组成，采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在N分频信号CLK_NT上升沿出现时，脉冲产生电路产生一个固定时间的脉冲信号，在脉冲信号为高电平时，欠压保护控制信号作用有效，即欠压保护控制信号可经逻辑电路输出给下拉电路，控制下拉电路在此时间内进行下拉，同时保证此时间内上侧开关管关断，实现对自举电容的充电；在脉冲信号为低电平时，欠压保护控制信号被屏蔽，即欠压保护控制信号被逻辑电路屏蔽，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路的控制下正常通断。
3.根据权利要求1所述的DC-DC自举电源的欠压保护电路，其特征在于：所述尖峰控制电路，包括上升沿检测电路、脉冲产生电路、反相器INV1、或非门NOR1、与非门NAND1、与非门NAND2和死区时间电路Dead time，上升沿检测电路的输入信号为欠压检测电路的输出信号UVP_OK，上升沿检测电路的时钟信号为DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT，上升沿检测电路的输出信号输出至脉冲产生电路的信号输入端，脉冲产生电路的输出信号为PULSE，连接至反相器INV1的输入端，反相器INV1的输出端连接至或非门NOR1的第一输入端和与非门NAND1的第一输入端，或非门NOR1的第二输入端连接至死区时间电路Dead time的第一输出端，或非门NOR1的输出信号为B，并连接至Dead time的第一输入端，与非门NAND1的第二输入端连接至DC-DC系统中控制上侧开关管通断UPCT信号，与非门NAND1的输出端连接至与非门NAND2第一输入端，与非门NAND2第二输入端连接至Dead time的第二输出端，与非门NAND2的输出信号为A，并连接至Deadtime的第二输入端。
4.一种DC-DC自举电源的欠压保护控制方法，采用DC-DC系统时钟的N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在尖峰控制电路的作用下，每N个CLK周期内，下拉电路仅在一个CLK周期内工作固定时间，实现对自举电容的充电，而每N个CLK周期内的剩余时间内，下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路控制下正常导通和关闭，以在自举电源电压达到欠压保护的恢复阈值期间，使下拉电路处于周期性间歇工作模式。
5.根据权利要求4所述的DC-DC自举电源的欠压保护控制方法，其特征在于：所述系统时钟N分频信号CLK_NT作为上升沿检测电路的时钟信号，当自举电源欠压时，在N分频信号CLK_NT上升沿出现时，脉冲产生电路产生一个固定时间的脉冲信号，在脉冲信号为高电平时，欠压保护控制信号作用有效，即欠压检测电路可控制下拉电路在此时间内进行下拉，同时保证此时间内上侧开关管关断，实现对自举电容的充电；在脉冲信号为低电平时，欠压保护控制信号作用失效，即下拉电路不工作，上侧开关管在系统环路的控制下正常通断。
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