CN114465206B - 一种buck变换器的自恢复过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路。本发明在BUCK变换器的电感电流超过设定的阈值时，过流检测电路输出窄脉冲信号控制第一开关电路和第二开关电路导通，拉低BUCK变换器中误差放大器的参考电压为零，使BUCK变换器停止工作，实现过流保护，随后通过参考电流对第一延迟电容和第二延迟电容充电，拉高误差放大器的参考电压至BUCK变换器的输出采样电压，对BUCK变换器进行软启动，实现了BUCK变换器过流关断后的自动恢复。

Description

一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路

技术领域

本发明涉及BUCK变换器技术领域，尤其涉及一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路。

背景技术

DC-DC电源变换器因其高效率、低功耗以及输出电压可灵活控制等特点而广泛应用在各种电子设备中，其中的BUCK变换器就是在便携式设备和消费类电子领域中应用较多且正逐渐取代线性稳压器的一类开关电源。BUCK变换器需要为其他电子设备或者电路系统提供稳定高效的能量，前提是变换器自身要尽可能地保持在稳定可靠的工作状态，因此变换器内部会有各种各样的保护和监测电路，比如过流、过压、欠压、过温保护以及过零检测等等，以确保该变换器能够应付各类工作场景，并在极端条件下也尽最大可能保障变换器不被损坏。

传统的BUCK变换器中过流保护电路有最大电流限制、短路锁定、折返式过流保护以及Hiccup型过流保护，这几种过流保护电路虽然也可以有效保护变换器，但也有各自的不足之处，比如过流时功耗太大，过流关断后不能自动恢复，复杂的控制逻辑等等。

发明内容

本发明通过提供一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路，解决了现有技术中BUCK变换器的过流保护电路过流关断后不能自动恢复的技术问题。

本发明提供如下技术方案：

一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路，包括电感电流采样电路、过流检测电路、参考电流电路、第一延迟电容、第二延迟电容、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路、开关控制电路、输出电压采样电路、PWM控制电路；

参考电流电路的输出端经第一延迟电容接地以及依次经第一开关电路、第二延迟电容接地，第一延迟电容的远地端经第三开关电路接地，第二延迟电容的远地端经第四开关电路接地，第二开关电路的输入端接入第二参考电压，第二开关电路的输出端连接第二延迟电容的远地端；

电感电流采样电路的输入端连接BUCK变换器，过流检测电路的两输入端分别连接电感电流采样电路的输出端以及接入第一参考电压，过流检测电路的输出端分别连接第三开关电路的控制端、第四开关电路的控制端，电感电流采样电路用于采集BUCK变换器的电感电流，过流检测电路用于在电感电流采样电路的输出电压高于第一参考电压时控制第三开关电路及第四开关电路导通、在电感电流采样电路的输出电压低于第一参考电压时控制第三开关电路及第四开关电路关断；

开关控制电路的第一输入端连接第一延迟电容的远地端并经第一开关电路连接第二延迟电容的远地端，开关控制电路的第二输入端接入第二参考电压，开关控制电路的输出端分别连接第一开关电路的控制端、第二开关电路的控制端，开关控制电路用于在其第一输入端的输入电压低于其第二输入端的输入电压时控制第一开关电路导通及第二开关电路关断、在其第一输入端的输入电压高于其第二输入端的输入电压时控制第一开关电路关断及第二开关电路导通；

输出电压采样电路的输入端连接BUCK变换器的输出端，PWM控制电路的第一输入端连接第二延迟电容的远地端，PWM控制电路的第二输入端连接输出电压采样电路的输出端，PWM控制电路的输出端连接BUCK变换器，输出电压采样电路用于采集BUCK变换器的输出电压，PWM控制电路用于在其第一输入端的输入电压低于其第二输入端的输入电压时控制BUCK变换器中功率开关管关断、在其第一输入端的输入电压高于其第二输入端的输入电压且低于第二参考电压时控制BUCK变换器进行软启动。

优选的，电感电流采样电路的输入端连接BUCK变换器中功率开关管的输入端。

优选的，过流检测电路包括第一比较器及第一非门；

第一比较器的反相输入端连接电感电流采样电路的输出端，第一比较器的同相输入端接入第一参考电压，第一比较器的输出端连接第一非门的输入端，第一非门的输出端分别连接第三开关电路的控制端、第四开关电路的控制端。

优选的，过流检测电路还包括与非门及第二非门；

第一非门的输出端连接与非门的第一输入端，与非门的第二输入端接入过流屏蔽信号，与非门的输出端连接第二非门的输入端，第二非门的输出端为过流检测电路的输出端。

优选的，参考电流电路包括电流镜；

电流镜的输入端接入参考电流，电流镜的输出端为参考电流电路的输出端。

优选的，第一延迟电容为电容C3、第二延迟电容为电容C4。

优选的，第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路均为高电平导通的MOS管。

优选的，开关控制电路包括第二比较器及第三非门；

第二比较器的同相输入端为开关控制电路的第一输入端，第二比较器的反相输入端为开关控制电路的第二输入端，第二比较器的输出端分别连接第三非门的输入端、第二开关电路的控制端，第三非门的输出端连接第一开关电路的控制端。

优选的，输出电压采样电路包括电阻R3和电阻R4；

BUCK变换器的输出端经串联的电阻R3、电阻R4接地，电阻R3、电阻R4的公共端为输出电压采样电路的输出端。

优选的，PWM控制电路包括误差放大器及PWM控制器；

误差放大器的同相输入端为PWM控制电路的第一输入端，误差放大器的反相输入端为PWM控制电路的第二输入端，误差放大器的输出端连接PWM控制器的输入端，PWM控制器的PWM信号输出端为PWM控制电路的输出端，PWM控制器用于接收到误差放大器输出的低电平时控制BUCK变换器中功率开关管关断、在接收到误差放大器输出的高电平时控制BUCK变换器进行软启动后正常工作。

本发明提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在BUCK变换器的电感电流超过设定的阈值时，过流检测电路输出窄脉冲信号控制第一开关电路和第二开关电路导通，拉低BUCK变换器中误差放大器的参考电压为零，使BUCK变换器停止工作，实现过流保护，随后通过参考电流对第一延迟电容和第二延迟电容充电，拉高误差放大器的参考电压至BUCK变换器的输出采样电压，对BUCK变换器进行软启动，实现了BUCK变换器过流关断后的自动恢复。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例中BUCK变换器的自恢复过流保护电路的结构示意图；

图2为本发明实施例中BUCK变换器的自恢复过流保护电路的部分电路图；

图3为本发明实施例中BUCK变换器的自恢复过流保护电路的另一部分电路图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路，解决了现有技术中BUCK变换器的过流保护电路过流关断后不能自动恢复的技术问题。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。

首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本实施例的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，包括电感电流采样电路、过流检测电路、参考电流电路、第一延迟电容、第二延迟电容、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路、开关控制电路、输出电压采样电路、PWM控制电路；

参考电流电路的输出端经第一延迟电容接地以及依次经第一开关电路、第二延迟电容接地，第一延迟电容的远地端经第三开关电路接地，第二延迟电容的远地端经第四开关电路接地，第二开关电路的输入端接入第二参考电压，第二开关电路的输出端连接第二延迟电容的远地端；

电感电流采样电路的输入端连接BUCK变换器，过流检测电路的两输入端分别连接电感电流采样电路的输出端以及接入第一参考电压，过流检测电路的输出端分别连接第三开关电路的控制端、第四开关电路的控制端，电感电流采样电路用于采集BUCK变换器的电感电流，过流检测电路用于在电感电流采样电路的输出电压高于第一参考电压时控制第三开关电路及第四开关电路导通、在电感电流采样电路的输出电压低于第一参考电压时控制第三开关电路及第四开关电路关断；

开关控制电路的第一输入端连接第一延迟电容的远地端并经第一开关电路连接第二延迟电容的远地端，开关控制电路的第二输入端接入第二参考电压，开关控制电路的输出端分别连接第一开关电路的控制端、第二开关电路的控制端，开关控制电路用于在其第一输入端的输入电压低于其第二输入端的输入电压时控制第一开关电路导通及第二开关电路关断、在其第一输入端的输入电压高于其第二输入端的输入电压时控制第一开关电路关断及第二开关电路导通；

输出电压采样电路的输入端连接BUCK变换器的输出端，PWM控制电路的第一输入端连接第二延迟电容的远地端，PWM控制电路的第二输入端连接输出电压采样电路的输出端，PWM控制电路的输出端连接BUCK变换器，输出电压采样电路用于采集BUCK变换器的输出电压，PWM控制电路用于在其第一输入端的输入电压低于其第二输入端的输入电压时控制BUCK变换器中功率开关管关断、在其第一输入端的输入电压高于其第二输入端的输入电压且低于第二参考电压时控制BUCK变换器进行软启动、在其第一输入端的输入电压达到第二参考电压时控制BUCK变换器正常工作。

如图2所示，BUCK变换器包括PMOS管M1、NMOS管M2、电感L、输出电容Cout以及负载电阻Rout。

电感电流采样电路用于采集电感L的电流并转化为电压，实现方式多种多样，本实施例仅提供一种电感电流采样电路与BUCK变换器的连接方式，即电感电流采样电路的输入端连接BUCK变换器中功率开关管M1的输入端。

过流检测电路包括电容C1、电容C2、电阻R2、第一比较器U1、第一非门U2、与非门U3及第二非门U4，第一比较器U1的反相输入端连接电感电流采样电路的输出端，第一比较器U1的同相输入端接入第一参考电压Vref1，第一比较器U1的输出端连接第一非门U2的输入端，第一非门U2的输出端连接与非门U3的第一输入端，与非门U3的第二输入端接入过流屏蔽信号DISOC，与非门U3的输出端连接第二非门U4的输入端，第二非门U4的输出端为过流检测电路的输出端。其中，电容C1用于对第一参考电压Vref1进行滤波，电容C2、电阻R2用于对电感电流检测信号进行RC滤波；过流屏蔽信号DISOC为高电平时本实施例的过流保护功能有效，过流屏蔽信号DISOC为低电平时本实施例的过流保护功能失效。

参考电流电路包括参考电流源和电流镜，参考电流源用于输出参考电流，电流镜的输入端接入参考电流，电流镜的输出端为参考电流电路的输出端。电流镜可以为cascode比例电流镜，将参考电流的1/k（为Iref）送入后方的延迟电容充电，控制比例K可以控制充电速度，即自恢复软启动的速度。如图3所示，第一延迟电容为电容C3、第二延迟电容为电容C4，电流镜用于复制输入的参考电流并得到参考电流的1/k以对电容C3、C4充电。第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路均为高电平导通的MOS管，第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路分别为NMOS管M3、M4、M5、M6。

开关控制电路包括第二比较器U5及第三非门U6，第二比较器U5的同相输入端为开关控制电路的第一输入端，第二比较器U5的反相输入端为开关控制电路的第二输入端，第二比较器U5的输出端分别连接第三非门U6的输入端、第二开关电路的控制端（MOS管M4的栅极），第三非门的输出端连接第一开关电路的控制端（MOS管M3的栅极）。

如图2所示，输出电压采样电路包括电阻R3和电阻R4，BUCK变换器的输出端经串联的电阻R3、电阻R4接地，电阻R3、电阻R4的公共端为输出电压采样电路的输出端。PWM控制电路包括误差放大器U7及PWM控制器，误差放大器U7的同相输入端为PWM控制电路的第一输入端，误差放大器U7的反相输入端为PWM控制电路的第二输入端，误差放大器U7的输出端连接PWM控制器的输入端，PWM控制器的PWM信号输出端为PWM控制电路的输出端，PWM控制器用于接收到误差放大器U7输出的低电平时控制BUCK变换器中功率开关管M1关断、在接收到误差放大器U7输出的高电平时控制BUCK变换器进行软启动后正常工作。

本实施例的自恢复过流保护电路工作原理为：

BUCK变换器的电感电流过流时，电感电流采样电路的输出电压会超过第一参考电压Vref，比较器U1输出低电平，非门U2输出高电平，当过流屏蔽信号DISOC为高电平时，与非门U3输出低电平，非门U4输出高电平脉冲信号至MOS管M5、M6的栅极，MOS管M5、M6导通，使电容C3、C4接地，电容C3、C4迅速对地放电，比较器U5同相输入端的电压低于第二参考电压Vref，比较器U5输出低电平，非门U6输出高电平，MOS管M3导通、M4关断，同时误差放大器U7同相输入端为低电平，误差放大器U7输出低电平，PWM控制器停止对MOS管M1、M2输出PWM信号，流经电感L的电流迅速降低，电感电流采样电路的输出电压降低并小于第一参考电压Vref，过流结束，同时输出电容Cout对负载电阻Rout放电，BUCK变换器的输出电压Vout缓慢降低，输出电压Vout经电阻R3、R4分压后的输出采样电压缓慢降低；

由于BUCK变换器的电感电流过流后会立即结束，非门U4输出的是宽度很窄的脉冲信号，过流结束后比较器U1会输出高电平，非门U2输出低电平，与非门U3输出高电平，非门U4输出低电平，MOS管M5、M6关断，参考电流通过电流镜对电容C3充电、通过电流镜和MOS管M3对电容C4充电，电容C3、C4两端的电压逐渐升高，在电容C3、C4并联后的电压上升至输出电压Vout经电阻R3、R4分压后的输出采样电压相等前，误差放大器U7一直输出低电平，MOS管M1一直处于关断状态，直至电容C3、C4并联后的电压上升至与输出采样电压相等，电容C3、C4两端的电压由零电位上升至与输出采样电压相等所需时间t由公式确定；当电容C3、C4两端的电压高于输出采样电压后，误差放大器U7翻转，PWM控制器开始输出PWM信号，对BUCK变换器进行软启动，直至电容C3、C4两端的电压达到第二参考电压Vref2，软启动的持续时间t由公式确定；当电容C3、C4两端的电压达到第二参考电压Vref2后，比较器U5输出高电平，MOS管M4导通、M3关断，由第二参考电压Vref2提供误差放大器U7的参考电压，BUCK变换器正常工作，在下一次出现过流时重复上述过程。

由上文可知，本实施例在BUCK变换器的电感电流超过设定的阈值时，过流检测电路输出窄脉冲信号控制第一开关电路和第二开关电路导通，拉低BUCK变换器中误差放大器的参考电压为零，使BUCK变换器停止工作，实现过流保护，随后通过参考电流对第一延迟电容和第二延迟电容充电，拉高误差放大器的参考电压至BUCK变换器的输出采样电压，对BUCK变换器进行软启动，在误差放大器的参考电压升高至第二参考电压后BUCK变换器正常工作，实现了BUCK变换器过流关断后的自动恢复。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，包括电感电流采样电路、过流检测电路、参考电流电路、第一延迟电容、第二延迟电容、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路、开关控制电路、输出电压采样电路、PWM控制电路；

参考电流电路的输出端经第一延迟电容接地以及依次经第一开关电路、第二延迟电容接地，第一延迟电容的远地端经第三开关电路接地，第二延迟电容的远地端经第四开关电路接地，第二开关电路的输入端接入第二参考电压，第二开关电路的输出端连接第二延迟电容的远地端；

电感电流采样电路的输入端连接BUCK变换器，过流检测电路的两输入端分别连接电感电流采样电路的输出端以及接入第一参考电压，过流检测电路的输出端分别连接第三开关电路的控制端、第四开关电路的控制端，电感电流采样电路用于采集BUCK变换器的电感电流，过流检测电路用于在电感电流采样电路的输出电压高于第一参考电压时控制第三开关电路及第四开关电路导通、在电感电流采样电路的输出电压低于第一参考电压时控制第三开关电路及第四开关电路关断；

开关控制电路的第一输入端连接第一延迟电容的远地端并经第一开关电路连接第二延迟电容的远地端，开关控制电路的第二输入端接入第二参考电压，开关控制电路的输出端分别连接第一开关电路的控制端、第二开关电路的控制端，开关控制电路用于在其第一输入端的输入电压低于其第二输入端的输入电压时控制第一开关电路导通及第二开关电路关断、在其第一输入端的输入电压高于其第二输入端的输入电压时控制第一开关电路关断及第二开关电路导通；

输出电压采样电路的输入端连接BUCK变换器的输出端，PWM控制电路的第一输入端连接第二延迟电容的远地端，PWM控制电路的第二输入端连接输出电压采样电路的输出端，PWM控制电路的输出端连接BUCK变换器，输出电压采样电路用于采集BUCK变换器的输出电压，PWM控制电路用于在其第一输入端的输入电压低于其第二输入端的输入电压时控制BUCK变换器中功率开关管关断、在其第一输入端的输入电压高于其第二输入端的输入电压且低于第二参考电压时控制BUCK变换器进行软启动。

2.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，电感电流采样电路的输入端连接BUCK变换器中功率开关管的输入端。

3.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，过流检测电路包括第一比较器及第一非门；

第一比较器的反相输入端连接电感电流采样电路的输出端，第一比较器的同相输入端接入第一参考电压，第一比较器的输出端连接第一非门的输入端，第一非门的输出端分别连接第三开关电路的控制端、第四开关电路的控制端。

4.如权利要求3所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，过流检测电路还包括与非门及第二非门；

第一非门的输出端连接与非门的第一输入端，与非门的第二输入端接入过流屏蔽信号，与非门的输出端连接第二非门的输入端，第二非门的输出端为过流检测电路的输出端。

5.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，参考电流电路包括电流镜；

电流镜的输入端接入参考电流，电流镜的输出端为参考电流电路的输出端。

6.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，第一延迟电容为电容C3、第二延迟电容为电容C4。

7.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路均为高电平导通的MOS管。

8.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，开关控制电路包括第二比较器及第三非门；

第二比较器的同相输入端为开关控制电路的第一输入端，第二比较器的反相输入端为开关控制电路的第二输入端，第二比较器的输出端分别连接第三非门的输入端、第二开关电路的控制端，第三非门的输出端连接第一开关电路的控制端。

9.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，输出电压采样电路包括电阻R3和电阻R4；

BUCK变换器的输出端经串联的电阻R3、电阻R4接地，电阻R3、电阻R4的公共端为输出电压采样电路的输出端。

10.如权利要求1所述的BUCK变换器的自恢复过流保护电路，其特征在于，PWM控制电路包括误差放大器及PWM控制器；

误差放大器的同相输入端为PWM控制电路的第一输入端，误差放大器的反相输入端为PWM控制电路的第二输入端，误差放大器的输出端连接PWM控制器的输入端，PWM控制器的PWM信号输出端为PWM控制电路的输出端，PWM控制器用于接收到误差放大器输出的低电平时控制BUCK变换器中功率开关管关断、在接收到误差放大器输出的高电平时控制BUCK变换器进行软启动后正常工作。