CN114544017B - 用于Buck变换器的过温检测电路及开关电源 - Google Patents

用于Buck变换器的过温检测电路及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种过温检测电路及开关电源，该电路通过带隙基准电路基于供电电源电压生成基准电压，并输出至温度检测电路的控制端，触发温度检测电路工作，并通过其检测端采集Buck变换器的热电压，利用信号比较电路判断热电压是否大于温度检测的临界点对应的临界电压；若大于，则输出高逻辑翻转信号，并通过检测信号输出电路发送至Buck变换器的控制器，以控制所述控制器进行过温控制；若否，则通过检测信号输出电路向Buck变换器的控制器输出低逻辑信号；通过基准电压的控制电路实现对Buck变换器中的温度转换为电压信号的变相检测，并基于检测的结果进行过温控制，解决了由于芯片温度过高而影响控制器正常运作的问题。

Description

用于Buck变换器的过温检测电路及开关电源
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，尤其涉及一种用于Buck变换器的过温检测电路及开关电源。
背景技术
近年来，随着电力电子及电子技术的迅猛发展，Buck变换器在计算机、通信、工业自动化、电子或电工仪器等领域应用更加广泛。在Buck变换器中，大功率MOSFET管在技术和应用上也有了更新的突破，由于其高效率，带载能力强等特点，广泛的应用于各种电源管理场景，随着应用场景的多样化，宽压大电流Buck的需要日益增加。由于高压应用下功率管同样需要耐高压，而集成高压MOS（LDMOS）的面积往往与耐压成正比，因此传统宽范围应用的Buck变换器通常仅集成控制器，而将开关功率管置于片外。而外置功率管存在一定的优势，但是其缺点也比较明显，例如功率密度降低，信号检测难实现。
基于上述的外置功率管的缺点，近年来功率管集成的宽范围应用的Buck产品不断问世，如Linear公司推出的86系列产品，将功率管全集成到芯片以后，转换器的引脚大大减少而功率密度进一步提升。但功率管集成之后，芯片的热问题变得更加敏感，如图1所示，随着负载电流Iload的增加，功率管的导通损耗急剧增加（~Iload 2Rds,on），这些损耗以热的形式在整个芯片上传递，尽管芯片通常具备散热结构，但在某些状态下，芯片的温度依然难以控制。当芯片温度过高时，功率管的导致阻抗Rds,on进一步增加，使得芯片进一步发热，这种温度正循环容易导致芯片直接烧毁；另一方面由于整颗芯片共用衬底，太高的芯片温度也容易干扰控制器的正常运作，从而影响转换器正常的电压管理功能。由上所述，精确的检测芯片温度，并输出控制信号是功率管集成Buck变换器的重要功能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于Buck变换器的过温检测电路及开关电源，以解决现有技术中功率管集成之后，由于整颗芯片共用衬底，而导致芯片温度过高难以控制影响控制器正常运作的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于Buck变换器的过温检测电路，所述过温检测电路包括：带隙基准电路、设有控制端和检测端的温度检测电路、信号比较电路和检测信号输出电路；
所述带隙基准电路与所述温度检测电路的控制端连接，用于基于供电电源电压生成基准电压，并输出所述控制端；
所述信号比较电路与所述温度检测电路的检测端连接，用于通过采集所述检测端上的热电压，并判断所述热电压是否大于温度检测的临界点对应的临界电压；
若是，则输出高逻辑翻转信号，并通过所述检测信号输出电路发送至所述Buck变换器的控制器，以控制所述控制器进行过温控制；
若否，则通过所述检测信号输出电路向所述Buck变换器的控制器输出低逻辑信号。
可选的，所述温度检测电路包括串联连接的第一三极管、第一电阻和第二电阻，以及与所述第二电阻并联连接的第一电容和第二三极管；
所述温度检测电路通过所述第一三极管的基极与所述带隙基准电路连接，以及通过所述二三极管的集电极与所述信号比较电路连接。
可选的，所述信号比较电路包括第三电阻和比较迟滞电路，所述比较迟滞电路的一端与供电电压连接，另一端与第三电阻连接，所述第三电阻与所述第二三极管的集电极连接；
所述比较迟滞电路基于所述Buck变换器的实时工作温度输出比较电压，基于所述比较电压控制所述第二三极管的导通，输出高逻辑翻转信号。
可选的，所述比较迟滞电路包括第四电阻和第一PMOS管的漏极与所述第三电阻连接；
若所述第二三极管的集电极上产生的热电压达到所述临界电压时，所述第一PMOS管关闭，所述第三电阻和所述第四电阻等效串联，并向所述检测信号输出电路输出高逻辑翻转信号。
可选的，所述检测信号输出电路为第一施密特反相器，所述第一施密特反相器的输入端与所述第二三极管的集电极连接，用于基于所述热电压输出高逻辑信号或者低逻辑信号。
可选的，所述过温检测电路还包括设置所述检测信号输出电路与所述检测端之间的第一预放大级电路，用于将从所述检测端输出的热电压进行增益放大。
可选的，所述第一预放大级电路包括第二PMOS管和第五电阻，所述第二PMOS管的源极和栅极与所述信号比较电路并联连接，所述第五电阻与所述第二PMOS管的漏极和所述检测信号输出电路连接后接地。
可选的，所述过温检测电路还包括设置所述第一预放大级电路与所述检测信号输出电路之间的第二预放大级电路，用于将所述第一预放大级电路输出的信号进行增益放大。
可选的，所述第二预放大级电路包括第一NMOS管和第六电阻；
所述第六电阻一端与供电电压连接，另一端与所述第一NMOS管的漏极和所述检测信号输出电路连接；
所述第一NMOS管的栅极与所述第二PMOS管的漏极连接，所述第一NMOS管的源极接地。
为了解决上述的问题，本发明还提供了一种开关电源，所述开关电源包括Buck变换器和如上任一项所述的过温检测电路，所述过温检测电路设于所述Buck变换器的衬底上，用于采集所述衬底上的温度，并基于所述温度输出高逻辑信号或者低逻辑信号，以控制所述Buck变换器中的控制器进行过温控制。
采用本发明实施例，具有如下有益效果：
通过对本发明提供的过温检测电路的实施，该电路包括带隙基准电路、设有控制端和检测端的温度检测电路、信号比较电路和检测信号输出电路；所述带隙基准电路基于供电电源电压生成基准电压，并输出至温度检测电路的控制端，触发温度检测电路工作，并通过其检测端采集Buck变换器的热电压，利用信号比较电路判断热电压是否大于温度检测的临界点对应的临界电压；若大于，则输出高逻辑翻转信号，并通过检测信号输出电路发送至Buck变换器的控制器，以控制所述控制器进行过温控制；若否，则通过检测信号输出电路向Buck变换器的控制器输出低逻辑信号；通过基准电压的控制电路实现对Buck变换器中的温度转换为电压信号的变相检测，并基于检测的结果进行过温控制，解决了由于芯片温度过高而影响控制器正常运作的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
其中：
图1为本发明实施例提供的过温检测电路的一种结构框图；
图2为本发明实施例提供的过温检测电路的一种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的过温检测电路的具体电路原理图；
图4为本发明实施例提供的过温检测电路的仿真波形图；
图5为本发明实施例提供的开关电源的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
请参阅图1，为本发明实施例中过温检测电路的结构示意图，该过温检测电路主要由四大电路组成，分别是带隙基准电路110、温度检测电路120、信号比较电路130和检测信号输出电路140，其中所述温度检测电路120上设有控制端和检测端，控制端用于控制过温检测电路的工作与否，检测端用于采集Buck变换器上的温度而产生的电压信号，即是功率管的引脚由于温度的影响而产生的热电压；
其中，所述带隙基准电路110与所述温度检测电路120的控制端连接，用于基于供电电源电压生成基准电压，并输出所述控制端；
所述信号比较电路130与所述温度检测电路120的检测端连接，用于通过采集所述检测端上的热电压，并判断所述热电压是否大于温度检测的临界点对应的临界电压；
若是，则输出高逻辑翻转信号，并通过所述检测信号输出电路140发送至所述Buck变换器的控制器，以控制所述控制器进行过温控制；
若否，则通过所述检测信号输出电路140向所述Buck变换器的控制器输出低逻辑信号。
在实际应用中，带隙基准电路110、温度检测电路120、信号比较电路130和检测信号输出电路140均与供电电源连接，为各电路提供工作电压，具体的，带隙基准电路110采用现有的基准电路设计，例如555电路，通过将电源电压基于温度检测电路120的导通参数生成基准信号，并输出至温度检测电路120的控制端上，通过控制端输出的基准电压使得温度检测电路120导通，在温度检测电路120的导通状态下，检测端产生一个工作电压，该工作电压输出至信号比较电路130中，以驱动所述信号比较电路130中产生短路连接，以使得信号比较电路130保持短路工作。
这时，检测信号输出电路140采集温度检测电路120中的检测端上的工作电压，并基于该工作电压和供电电源电压进行逻辑运算，输出一个逻辑信号，此时的逻辑信号为低逻辑信号。当检测信号输出电路140输出的是低逻辑信号时，则确定所述Buck变换器的工作温度还是处于正常温度。
进一步的，当Buck变换器的工作温度超过临界点时，使得信号比较电路130中负载增大，随着负载的增大导致其原来的短路连接断开，转换成分压工作，分压工作下信号比较电路130夹持温度检测电路120的检测端上的电位升高至逻辑翻转的极限值，检测信号输出电路140基于升高后的电位结合供电电源电压输出高逻辑信号，以控制Buck变换器中的控制器进行过温的控制。
在本实施例中，所述过温检测电路还包括第一预放大级电路150和第二预放大级电路160，用于将从所述检测端输出的热电压进行增益放大。
如图2所示，所述第一预放大级电路150的输入端与温度检测电路120的检测端连接，用于将检测端上的电压进行一级预放大后输出至第二预放大级电路160，第二预放大级电路160接收一级预放大后的电压进行二级预放大，并输出至检测信号输出电路140，由检测信号输出电路140输出逻辑信号。
在本实施例中，所述温度检测电路120由三极管、多个电阻和电容构成，具体的包括串联连接的第一三极管、第一电阻和第二电阻，以及与所述第二电阻并联连接的第一电容和第二三极管；所述温度检测电路通过所述第一三极管的基极与所述带隙基准电路连接，以及通过所述二三极管的集电极与所述信号比较电路130连接。
其中，第一电阻和第二电阻成分压电路，分压电路一端连接第一三极管后与供电电源电压连接，分压电路的另一端接地；第一电阻与第二电阻之间的连接端与第二三极管和电容连接。
如图3所示，为本发明提供的过温检测电路的电路原理图，图中的VCC为供电电源电压；VSS为芯片地；VREF为基准电压，可由带隙基准电路产生；VOTP为最终的温度检测输出信号，当芯片温度正常时其为逻辑0，当芯片过温时，其为逻辑1。
图中的第一NPN三极管QN1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二NPN三极管QN2构成了温度检测电路120，VREF由带隙基准产生，可认为其与温度无关，而第一NPN三极管QN1的基级-发射级电压（VBE,QN1）为负温度系数，因此第二NPN三极管QN2的基级-发射级电压V1可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
基于上述公式和图3，可以看出第二NPN三极管QN2的基级-发射级电压V1为正温度系数，因此第二NPN三极管QN2的集电极电流随温度升高而不断增加，第一电容C1用于滤除敏感的噪声信号。
在本实施例中，所述信号比较电路130包括第三电阻和比较迟滞电路，所述比较迟滞电路的一端与供电电压连接，另一端与第三电阻连接，所述第三电阻与所述第二三极管的集电极连接；
所述比较迟滞电路基于所述Buck变换器的实时工作温度输出比较电压，基于所述比较电压控制所述第二三极管的导通，输出高逻辑翻转信号。
在实际应用中，所述比较迟滞电路用于检查Buck变换器的实时工作温度，其随着实时工作温度的升高，其输出的工作电压越高，直到等效为电阻负载，即是说比较迟滞电路产生的等效电阻值随着实际工作温度的增加而增加。直到等效电阻值的阻值等于预设的电阻值时，其输出的电压发生翻转，即是在检测端上产生较大的电压。
如图3所示，图中的第二NPN三极管QN2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一PMOS管MP1构成了信号比较电路130。
在本实施例中，所述比较迟滞电路包括第四电阻和第一PMOS管的漏极与所述第三电阻连接，第一PMOS管MP1和第四电阻R4用于产生比较迟滞，主要是基于芯片的温度产生一个热电压。
若所述第二NPN三极管QN2的集电极上产生的热电压达到所述临界电压时，所述第一PMOS管关闭，所述第三电阻和所述第四电阻等效串联，并向所述检测信号输出电路输出高逻辑翻转信号。
在本实施例中，所述检测信号输出电路140为第一施密特反相器（sch1），所述第一施密特反相器的输入端与所述第二三极管（即图中的第二NPN三极管QN2）的集电极连接，用于基于所述热电压输出高逻辑信号或者低逻辑信号，即是用于整形第二预放大级的输出信号从而输出最终的逻辑信号VOTP。
如图3所示，所述第一预放大级电路150包括第二PMOS管和第五电阻，所述第二PMOS管的源极和栅极与所述信号比较电路并联连接，所述第五电阻与所述第二PMOS管的漏极和所述检测信号输出电路连接后接地。
所述第二预放大级电路160包括第一NMOS管和第六电阻；
所述第六电阻一端与供电电压连接，另一端与所述第一NMOS管的漏极和所述检测信号输出电路连接；
所述第一NMOS管的栅极与所述第二PMOS管的漏极连接，所述第一NMOS管的源极接地。
在本实施例中，整体功能上而言，由于第一预放大级和第二预放大级的级联增益较高（gmP2·R5·gmN1·R6，gmP2为第二PMOS管MP2的跨导，gmN1为第一NMOS管MN1的跨导），因此可认为当V2点的电压达到预设的Vsg，MP2（Vsg,MP2为给定的第二PMOS管MP2的源-栅电压，这个特定电压通过后续放大可以被第一施密特反相器sch1识别，从而使得VOTP翻转）时为温度检测的临界点；以温度从低上升时为例，当温度较低时，VOTP为逻辑0，第一PMOS管MP1开启并将第四电阻R4短路，如上所述，由于V1为正温特性，因此第二NPN三极管QN2的集电极电流随温度升高而不断增加，当第二NPN三极管QN2的集电级电流流过第三电阻R3的压降超过对应的Vsg，MP2时，此时VOTP从低翻转为高。此时的数学关系表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由上式可以看出，第一PMOS管MP1和第四电阻R4的引入产生了温度检测迟滞，提高了过温检测功能的鲁棒性。
图4展示了过温检测电路在不同工艺角下的仿真波形，可以看出电路不同工艺角下的过温度检测点相差较小，同时检测迟滞窗口变化不大，因此本发明提出的过温检测电路利用简单的结构实现了较为精确的温度检测功能。
综上所述，本发明通过在功率管集成Buck变换器上设置该过温检测电路进行温度的检测，该电路的结构包括简易温度检测电路和检测信号输出电路，由于功率管集成之后，整颗芯片共用衬底，当温度检测电路临近功率管放置时，可认为两者的温度相近。本发明利用基准电压的近似零温特性以及三极管基级-发射级电压（VBE）的负温特性来变相的反应芯片温度，再通过后续的放大级/比较级输出温度检测信号，从而实现对芯片温度的监测。
进一步的，本申请还提供了一种开关电源，如图5所示，所述开关电源包括Buck变换器和如上实施例提供的过温检测电路，所述过温检测电路设于所述Buck变换器的衬底上，用于采集所述衬底上的温度，并基于所述温度输出高逻辑信号或者低逻辑信号，以控制所述Buck变换器中的控制器进行过温控制。由于设置了该过温检测电路，解决了由于整颗芯片共用衬底，太高的芯片温度也容易干扰控制器的正常运作，从而影响转换器正常的电压管理功能的问题。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种用于Buck变换器的过温检测电路，其特征在于，所述过温检测电路包括：带隙基准电路、设有控制端和检测端的温度检测电路、信号比较电路、第一预放大级电路和检测信号输出电路；所述第一预放大级电路设于所述检测信号输出电路与所述检测端之间，用于将从所述检测端输出的热电压进行增益放大；
所述带隙基准电路与所述温度检测电路的控制端连接，用于基于供电电源电压生成基准电压，并输出所述控制端，通过所述控制端输出的基准电压导通所述温度检测电路，在所述检测端产生一个工作电压；
所述信号比较电路与所述温度检测电路的检测端连接，用于通过采集所述检测端上的工作电压控制所述信号比较电路保持短路工作，并判断所述工作电压是否大于温度检测的临界点对应的临界电压；若是，则输出高逻辑翻转信号，并通过所述第一预放大级电路放大后，由所述检测信号输出电路发送至所述Buck变换器的控制器，以控制所述控制器进行过温控制；若否，则通过所述检测信号输出电路向所述Buck变换器的控制器输出低逻辑信号；
所述温度检测电路包括串联连接的第一三极管、第一电阻和第二电阻，以及与所述第二电阻并联连接的第一电容和第二三极管；所述温度检测电路通过所述第一三极管的基极与所述带隙基准电路连接，以及通过所述二三极管的集电极与所述信号比较电路连接；
所述信号比较电路包括第三电阻和比较迟滞电路，所述比较迟滞电路的一端与供电电压连接，另一端与第三电阻连接，所述第三电阻与所述第二三极管的集电极连接；所述比较迟滞电路基于所述Buck变换器的实时工作温度输出比较电压，基于所述比较电压控制所述第二三极管的导通，输出高逻辑翻转信号；
所述比较迟滞电路包括第四电阻和第一PMOS管的漏极与所述第三电阻连接；若所述第二三极管的集电极上产生的热电压达到所述临界电压时，所述第一PMOS管关闭，所述第三电阻和所述第四电阻等效串联，并向所述检测信号输出电路输出高逻辑翻转信号；
所述检测信号输出电路为第一施密特反相器，所述第一施密特反相器的输入端与所述第二三极管的集电极连接，用于基于所述热电压输出高逻辑信号或者低逻辑信号。
2.根据权利要求1所述的过温检测电路，其特征在于，所述第一预放大级电路包括第二PMOS管和第五电阻，所述第二PMOS管的源极和栅极与所述信号比较电路并联连接，所述第五电阻与所述第二PMOS管的漏极和所述检测信号输出电路连接后接地。
3.根据权利要求2所述的过温检测电路，其特征在于，所述过温检测电路还包括设置所述第一预放大级电路与所述检测信号输出电路之间的第二预放大级电路，用于将所述第一预放大级电路输出的信号进行增益放大。
4.根据权利要求3所述的过温检测电路，其特征在于，所述第二预放大级电路包括第一NMOS管和第六电阻；
所述第六电阻一端与供电电压连接，另一端与所述第一NMOS管的漏极和所述检测信号输出电路连接；
所述第一NMOS管的栅极与所述第二PMOS管的漏极连接，所述第一NMOS管的源极接地。
5.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括Buck变换器和如权利要求1-4中任一项所述的过温检测电路，所述过温检测电路设于所述Buck变换器的衬底上，用于采集所述衬底上的温度，并基于所述温度输出高逻辑信号或者低逻辑信号，以控制所述Buck变换器中的控制器进行过温控制。
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