CN114447877A - 一种电压转换电路及其过流保护电路和过流保护控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电压转换电路的过流保护电路及过流保护控制方法。所述过流保护电路采样流过电压转换电路中需要监测的电路器件的电流，并且基于采样得到的电流检测信号，生成第一过流指示信号。通过隔离器件将第一过流指示信号转换成低压的第二过流指示信号，在过流时，关断电压转换电路中相应的开关，从而使电压转换电路可以采用低压的控制电路来实现对电压转换电路的开关控制和过流保护，进而降低电路成本。

Description

一种电压转换电路及其过流保护电路和过流保护控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种电压转换电路，更具体地说，尤其涉及一种电压转换电路中的过流保护电路。
背景技术
不同的电子负载对输入电源有不同的需求，因此需要电压转换电路将输入电压转换成符合一定需求的输出电压来提供给负载。根据输入电压的不同，电压转换电路可以分为交流/直流电压转换电路和直流/直流电压转换电路。在交流/直流电压转换电路中，为了提高转换效率，功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)拓扑的设计变得越来越重要。图腾柱PFC电路因为具有低传导损耗，高电路效率的优点，近些年的应用变得愈来愈广。
图1示出了现有的图腾柱PFC电路10的拓扑结构示意图。所述图腾柱PFC电路10包括：耦接至输入电源Vac的电感L1、包含开关管P1和P2的第一桥臂、包含开关管P3和P4的第二桥臂以及输出电容Cout。在图腾柱PFC电路10中，为了防止电感电流IL过流，检测电阻Rcs与电感L1串联耦接来采样流过电感L1的电流IL，并基于流过电感L1的电流生成电流检测信号。通过电流检测信号与相应的阈值相比较来判断电感电流IL是否过流，从而来控制开关管P1和P2，防止过流导致电路损坏。如图1所示，所述检测电阻Rcs的一端通过电感L1耦接至输入电源Vac，另一端通过开关管P1耦接至输出电压Vout。然而由于输入电源Vac和输出电压Vout的电压都较高，电流控制电路101需要用到高压隔离器件或霍尔器件，导致电路的成本较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种过流保护电路，通过将高压信号转换成低压信号，来减少高压器件的应用，降低电路成本。
根据本发明的实施例，提出了一种电压转换电路的过流保护电路，包括：电流检测电路，基于电压转换电路的电感电流，输出电流检测信号；过流比较电路，接收所述电流检测信号，并且基于所述电流检测信号，输出第一过流指示信号；隔离电路，接收所述第一过流指示信号，输出第二过流指示信号；以及控制电路，接收第二过流指示信号，在第二过流指示信号表征电感电流过流时，输出控制信号关断电压转换电路的主控管。
根据本发明的实施例，还提出了一种电压转换电路，包括前述的过流保护电路，还包括：电感，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电压转换电路的第一输入端，所述第二端耦接在电压转换电路的开关端；第一开关，耦接在电压转换电路的开关端和电压转换电路的输出端之间；第二开关，耦接在电压转换电路的开关端和接地端之间；以及检测电阻，与电感串联耦接。
根据本发明的实施例，还提出了一种一种图腾柱PFC电路，包括：电感，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电压转换电路的第一输入端，所述第二端耦接在电压转换电路的开关端；第一开关，耦接在电压转换电路的开关端和电压转换电路的输出端之间；第二开关，耦接在电压转换电路的开关端和接地端之间；第三开关，耦接在电压转换电路的第二输入端和接地端之间；第四开关，耦接在电压转换电路的第二输入端和电压转换电路的输出端之间；以及过流保护电路，基于电感电流生成表征电感电流是否过流的第一指示信号，并且将第一指示信号通过隔离电路转换成比第一指示信号电压电压低的第二指示信号，用于在电感电流过流时关断第一开关和第二开关。
根据本发明的实施例，还提出了一种电压转换电路的过流保护控制方法，包括：检测流过需要监测的电路器件的电流，并基于该电流生成电流检测信号；基于电流检测信号与过流阈值信号的比较结果生成第一过流指示信号；通过隔离器件将第一过流指示信号转换成第二过流指示信号，其中所述第一过流指示信号的电压大于所述第二过流指示信号的电压；以及在第二过流指示信号指示需要监测的电路器件的电流过流时，关断电压转换电路中相应的开关来降低需要监测的电路器件的电流。
本发明提供的过流保护电路，无需采用高压隔离器件或霍尔器件，有效降低了电路成本。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1示出了现有的图腾柱PFC电路10的拓扑结构示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的图腾柱PFC电路20的电路结构示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的图腾柱PFC电路30的电路结构示意图；
图4示出了根据本发明一实施例的图腾柱PFC电路40的电路结构示意图；
图5示出了根据本发明一实施例的图腾柱PFC电路50的电路结构示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的过流保护控制方法60的流程示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2示出了根据本发明一实施例的图腾柱PFC电路20的电路结构示意图。并在输出端T3提供输出电压Vout。所述图腾柱PFC电路20包括：电感L1，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至图腾柱PFC电路20的第一输入端T1，所述第二端耦接至开关端SW；第一开关P1，耦接在图腾柱PFC电路20的输出端T3和开关端SW之间；第二开关P2，耦接在开关端SW和接地端GND之间；第三开关P3，耦接在图腾柱PFC电路20的第二输入端T2和接地端GND之间；以及第四开关P4，耦接在输入电源Vac的第二端T2和输出端T3之间。所述图腾柱PFC电路20还包括输出电容Cout，耦接在输出端T3和接地端GND之间，用于给输出电压Vout滤波。所述图腾柱PFC电路20的第一输入端T1和第二输入端T2分别耦接至输入电压Vac的两端。
在图2中，图腾柱PFC电路20还包括检测电阻Rcs和过流保护电路201。所述检测电阻Rcs与电感L1串联耦接，因此，流过检测电阻Rcs的电流即为流过电感L1的电流IL。所述过流保护电路201包括：电流检测电路202，耦接至检测电阻Rcs，基于流过检测电阻Rcs的电流，即图腾柱PFC电路20的电感电流IL，输出电流检测信号Vcs；过流比较电路203，接收所述电流检测信号Vcs，并且基于所述电流检测信号Vcs，输出第一过流指示信号Vocp1；隔离电路204，接收所述第一过流指示信号Vocp1，输出第二过流指示信号Vocp2；以及控制电路205，接收所述第二过流指示信号Vocp2，基于所述第二过流指示信号Vocp2，在第二过流指示信号Vocp2表征电感电流IL过流时，输出第一控制信号G1和第二控制信号G2分别关断图腾柱PFC电路20的第一开关P1和第二开关P2。
在图2实施例中，所述输入电源Vac输出正负交替的交流电压。当输入电源Vac输出正电压时，所述第三开关P3保持导通，所述第四开关P4保持关断，同时所述第一开关P1和第二开关P2交替通断。当输入电源Vac输出负电压时，所述第三开关P3保持关断，所述第四开关P4保持导通，同时所述第一开关P1和第二开关P2交替通断。当检测电阻Rcs上的电流，即电感电流IL过流时，若及时关断开关管P1和P2，则可切断电流回路，避免电路器件的损坏。
在图2实施例中，当输入电压Vac输出正电压时，所述第二开关P2为主控管，第一开关P1为同步管。当第二开关P2导通，第一开关P1关断时，所述电感电流IL增大，该电感电流IL同时流过检测电阻Rcs和第二开关P2，所述检测电阻Rcs两端的电压反映了流过电感和第二开关P2，即主控管的电流。当第二开关P2关断，第一开关P1导通时，所述电感电流IL减小。当所述第二过流指示信号Vocp2指示电感电流IL过流时，所述控制信号G2将关断第二开关P2。此时第一开关P1本身处于关断状态，该关断状态将延续。在输入电压Vac输出负电压时，所述第一开关P1为主控管，第二开关P2为同步管。当第一开关P1导通，第二开关P2关断时，所述电感电流IL增大，该电感电流IL同时流过检测电阻Rcs和第一开关P1，所述检测电阻Rcs两端的电压反映了流过电感和第一开关P1，即主控管的电流。当第一开关P1关断，第二开关P2导通时，所述电感电流IL减小。当所述第二过流指示信号Vocp2指示电感电流IL过流时，所述控制信号G1将关断第一开关P1。此时第二开关P2本身处于关断状态，该关断状态将延续。
应当理解，所述过流保护电路201还可以用于其他电压转换电路，例如Buck电路，Boost电路等。在Buck电路和Boost电路中，其主控管是固定且唯一的，例如Buck电路的上拉开关为其主控管，Boost电路的下拉开关为其主控管。在这种情况下，当电感电流IL增大至过流时，第二过流指示信号也可仅指示关断主控管。
在部分实施例中，所述检测电阻Rcs两端的电压可达到几百伏，例如600V左右。在这种情况下，如果图腾柱PFC电路20的控制电路直接采样检测电阻Rcs两端的电压来得到电感电流IL，则该控制电路的耐压需要达到几百伏，这样的高压器件极大地增加了电路的成本。在本发明实施例中，所述电流检测电路202和过流比较电路203集成在第一芯片，所述控制电路205与图腾柱PFC电路20的其他控制电路集成在第二芯片。在这种情况下，所述控制电路205及图腾柱PFC电路20的其他控制电路就不需要高压器件，极大地降低了电路成本。
在部分实施例中，所述隔离电路204与所述电流检测电路202及过流比较电路203一起集成在第一芯片中。
在部分实施例中，所述第一芯片和第二芯片封装在一个模块中。
图3示出了根据本发明一实施例的图腾柱PFC电路30的电路结构示意图。所述图腾柱PFC电路30包括过流保护电路301。所述过流保护电路301包括：误差放大器302，具有第一输入端和第二输入端，分别耦接至检测电阻Rcs的两端，基于检测电阻Rcs两端的电压，输出电流检测信号Vcs；比较器303，接收所述电流检测信号Vcs和过流阈值信号Vth，并且基于所述电流检测信号Vcs和过流阈值信号Vth，输出第一过流指示信号Vocp1；隔离电路304，包括电容Cp，耦接至比较器303的输出端接收所述第一过流指示信号Vocp1，并基于第一过流指示信号Vocp1输出第二过流指示信号Vocp2；以及控制电路305，接收预控制信号PG1和PG2，以及所述第二过流指示信号Vocp2，基于所述预控制信号PG1和第二过流指示信号Vocp2，输出第一控制信号G1至第一开关P1的控制端，控制第一开关P1的通断，基于所述第二预控制信号PG2和第二过流指示信号Vocp2，输出第二控制信号G2至第二开关P2的控制端，控制第二开关P2的通断。在第二过流指示信号Vocp2表征电感电流IL过流时，所述控制信号G1和G2关断图腾柱PFC电路30的第一开关P1和第二开关P2。
在本发明实施例中，所述第一预控制信号PG1和第二预控制信号PG2可以由图腾柱PFC电路30的其他控制电路产生，用于控制第一开关P1和第二开关P2。在图3实施例中，所述第一预控制信号PG1和第二过流指示信号Vocp2结合来控制第一开关P1，所述第二预控制信号PG2和第二过流指示信号Vocp2结合来控制第二开关P2，从而实现过流保护的目的。在部分实施例中，所述第二过流指示信号Vocp2可直接用于控制第一开关P1和第二开关P2，例如，在过流时，所述第二过流指示信号Vocp2直接关断第一开关P1和第二开关P2，在其他时候，所述第二过流指示信号Vocp2不影响第一开关P1和第二开关P2的通断。
在图3实施例中，所述隔离电路304包括电容Cp，还包括调制电路3041和解调电路3042。所述调制电路3041耦接在所述电容Cp与比较器303之间，将比较器303输出的第一过流指示信号Vocp1调制成载波信号，再通过电容Cp传输至另一侧。所述解调电路3042接收该载波信号，并将其解调后，得到第二过流指示信号Vocp2。具体来讲，所述调制电路3041在第一过流指示信号Vocp1的高电平时段加入一定频率的脉冲，所述解调电路3042在电容Cp的另一端接收到这些脉冲后，将其滤波，还原为高电平信号。由此，第二过流指示信号Vocp2可以准确地还原第一过流指示信号Vocp1。在一个实施例中，所述调制电路3041包括振荡电路，所述解调电路3042包括滤波电路。
在一个实施例中，所述调制电路3041与比较器303及误差放大器302集成于第一芯片，所述解调电路3042与控制电路305集成于第二芯片。
应当理解，图3所示的调制电路3041和解调电路3042并不是必需的。在其他实施例中，可以通过其他方式，来实现信号在隔离器件两端的可靠传输，例如加入RS触发器等逻辑电路，也可有效检测到第一过流指示信号Vocp的高电平时段，即对应的电感电流过流时段。
在图3实施例中，所述控制电路305包括两个与门电路A1和A2。所述第二过流指示信号Vocp2的高电平状态指示电感电流IL过流。所述第二过流指示信号Vocp2反相后，分别与第一预控制信号PG1和第二预控制信号PG2相与，得到第一控制信号G1和第二控制信号G2。当第二过流指示信号Vocp2为高电平时，所述第一控制信号G1和第二控制信号G2均为低电平。在图3实施例中，所述第一开关P1和第二开关P2包括N型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管)，因此，当控制端接收到低电平的第一控制信号G1和第二控制信号G2时，第一开关P1和第二开关P2关断。
图3的实施例仅仅示意了当第一开关P1和第二开关P2为N型MOSFET时的情况。在其他实施例中，第一开关P1和第二开关P2可以包括其他类型的可控开关，例如P型MOSFET和JFET(Junction Field Effect Transistor，结型场效应管)等等。应当理解，不同的可控开关其关断条件不一样。当采用与图3不一致的可控开关时，控制电路305也应做出相应的调整变化。此外，当第二过流指示信号Vocp2的信号形式发生改变时，控制电路305也将作出相应的改变。例如，当第二过流指示信号Vocp2的低电平状态表征电感电流过流时，无需经过反相即可分别与第一预控制信号PG1和第二预控制信号PG2相与得到第一控制信号G1和第二控制信号G2。若第二过流指示信号Vocp2的上升沿或下降沿来表征电感电流过流时，控制电路305可以包括RS触发器等等。
在图3实施例中，隔离电路304，将高压的第一过流指示信号Vocp1转换成低压的第二过流指示信号Vocp2。在部分实施例中，所述第一过流指示信号Vocp1的电压可能达到几百伏，而所述第二过流指示信号Vocp2的电压可能是十几伏。由于第二过流指示信号Vocp2为低压信号，因此控制电路305可以采用低压器件，与之相适应的用于产生开关P1-P4的控制信号的控制电路也可以采用低压器件来实现，无需因为检测电阻Rcs两端的高压信号而导致各控制电路使用高压器件，极大地降低了电路的成本。
在其他实施例中，其他隔离器件，例如变压器等，可以用于替代图3中的隔离电路304来实现高低压的转换。
在图2和图3实施例中，所述检测电阻Rcs耦接在电感L1和开关端SW之间。应当理解，所述检测电阻Rcs可以置于其他位置。如图4实施例所示，检测电阻Rcs置于输入电源Vac和电感L1之间。如图5实施例所示，检测电阻Rcs置于输入电源Vac和第三开关P3与第四开关P4的连接点之间。
图6示出了根据本发明一实施例的过流保护控制方法60的流程示意图。所述过流保护控制方法60可用于检测流过电压转换电路的高压器件的电流，并提供低压的过流指示信号至电压转换电路的控制电路来实现过流控制。所述电压转换电路包括图腾柱PFC电路、Boost电路和Buck电路等。所述过流保护控制方法60包括：
步骤601，检测流过需要监测的电路器件的电流，并基于该电流生成电流检测信号；
步骤602，基于电流检测信号与过流阈值信号的比较结果生成第一过流指示信号；
步骤603，通过隔离器件将第一过流指示信号转换成第二过流指示信号，其中所述第一过流指示信号为高压信号，所述第二过流指示信号为低压信号；以及
步骤604，在第二过流指示信号指示需要监测的电路器件的电流过流时，关断相应的开关来降低需要监测的电路器件的电流。
在一个实施例中，所述需要监测的电路器件包括电压转换电路的电感。
在一个实施例中，所述需要监测的电路器件包括电压转换电路的主控管。
在一个实施例中，所述需要监测的电路器件与检测电阻串联耦接，通过检测检测电阻两端的电压，可得到表征流过需要监测的电路器件的电流。
在一个实施例中，所述隔离器件包括电容。
在一个实施例中，所述隔离器件包括变压器。
应当理解，本发明所给出的电路及工作流程仅作示意性说明。任意可以实现本发明电路的功能及工作过程的电路均不脱离本发明的精神或实质。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种电压转换电路的过流保护电路，包括：
电流检测电路，基于电压转换电路的电感电流，输出电流检测信号；
过流比较电路，接收所述电流检测信号，并且基于所述电流检测信号，输出第一过流指示信号；
隔离电路，接收所述第一过流指示信号，输出第二过流指示信号；以及
控制电路，接收第二过流指示信号，在第二过流指示信号表征电感电流过流时，输出控制信号关断电压转换电路的主控管。
2.如权利要求1所述的电压转换电路的过流保护电路，其中所述电流检测电路包括误差放大器，所述误差放大器具有第一输入端和第二输入端，分别耦接至与电压转换电路的电感相串联的检测电阻的两端，基于所述检测电阻上的电压，所述误差放大器在输出端输出电流检测信号。
3.如权利要求1所述的电压转换电路的过流保护电路，其中所述过流比较电路包括比较器，接收所述电流检测信号和过流阈值信号，并且基于所述电流检测信号和所述过流阈值信号的比较结果，输出第一过流指示信号。
4.如权利要求1所述的电压转换电路的过流保护电路，其中所述隔离电路包括电容。
5.如权利要求4所述的电压转换电路的过流保护电路，其中所述隔离电路还包括：
调制电路，耦接在电容和过流比较电路之间，调制第一过流指示信号；以及
解调电路，耦接在电容和控制电路之间，将电容侧的信号解调成第二过流指示信号。
6.如权利要求1所述的电压转换电路的过流保护电路，其中所述控制电路包括逻辑门电路，所述逻辑门电路接收第二指示信号和预控制信号，并且基于第二指示信号和预控制信号，输出控制信号关断电压转换电路的主控管。
7.如权利要求1所述的电压转换电路的过流保护电路，其中所述电流检测电路和所述过流比较电路集成于第一芯片，所述控制电路集成于第二芯片。
8.如权利要求7所述的电压转换电路的过流保护电路，其中所述隔离电路、所述电流检测电路和所述过流比较电路集成于第一芯片。
9.一种电压转换电路，包括如权利要求1-8任一项所述的过流保护电路，还包括：
电感，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电压转换电路的第一输入端，所述第二端耦接在电压转换电路的开关端；
第一开关，耦接在电压转换电路的开关端和电压转换电路的输出端之间；
第二开关，耦接在电压转换电路的开关端和接地端之间；以及
检测电阻，与电感串联耦接。
10.如权利要求9所述的电压转换电路，还包括：
第三开关，耦接在电压转换电路的第二输入端和接地端之间；以及
第四开关，耦接在电压转换电路的第二输入端和电压转换电路的输出端之间。
11.一种图腾柱PFC电路，包括：
电感，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电压转换电路的第一输入端，所述第二端耦接在电压转换电路的开关端；
第一开关，耦接在电压转换电路的开关端和电压转换电路的输出端之间；
第二开关，耦接在电压转换电路的开关端和接地端之间；
第三开关，耦接在电压转换电路的第二输入端和接地端之间；
第四开关，耦接在电压转换电路的第二输入端和电压转换电路的输出端之间；以及
过流保护电路，基于电感电流生成表征电感电流是否过流的第一指示信号，并且将第一指示信号通过隔离电路转换成比第一指示信号电压电压低的第二指示信号，用于在电感电流过流时关断第一开关和第二开关。
12.如权利要求11所述的图腾柱PFC电路，还包括检测电阻，与电感串联耦接。
13.如权利要求12所述的图腾柱PFC电路，其中所述过流保护电路包括：
电流检测电路，检测电阻两端的电压，输出电流检测信号；
过流比较电路，接收所述电流检测信号，并且基于所述电流检测信号，输出第一过流指示信号；
隔离电路，接收所述第一过流指示信号，输出第二过流指示信号；以及
控制电路，接收第二过流指示信号，在第二过流指示信号表征电感电流过流时，关断第一开关和第二开关。
14.如权利要求13所述的图腾柱PFC电路，其中所述隔离电路包括电容。
15.如权利要求14所述的图腾柱PFC电路，其中所述隔离电路还包括：
调制电路，耦接在电容和过流比较电路之间，调制第一过流指示信号；以及
解调电路，耦接在电容和控制电路之间，将电容侧的信号解调成第二过流指示信号。
16.如权利要求13所述的图腾柱PFC电路，其中所述控制电路包括逻辑门电路，所述逻辑门电路接收第二指示信号、第一预控制信号和第二预控制信号，并且基于第二指示信号和第一预控制信号，输出第一控制信号控制第一开关，基于第二指示信号和第二预控制信号，输出第二控制信号控制第二开关。
17.一种电压转换电路的过流保护控制方法，包括：
检测流过需要监测的电路器件的电流，并基于该电流生成电流检测信号；
基于电流检测信号与过流阈值信号的比较结果生成第一过流指示信号；
通过隔离器件将第一过流指示信号转换成第二过流指示信号，其中所述第一过流指示信号的电压大于所述第二过流指示信号的电压；以及
在第二过流指示信号指示需要监测的电路器件的电流过流时，关断电压转换电路中相应的开关来降低需要监测的电路器件的电流。
18.如权利要求17所述的电压转换电路的过流保护控制方法，其中所述需要监测的电路器件包括电压转换电路的电感或主控管。
19.如权利要求17所述的电压转换电路的过流保护控制方法，其中所述隔离器件包括电容。
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