CN114725897B - 用于开关电源的过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于开关电源的过流保护电路，包括：偏置电路、比较电压产生电路、采样电路和过流比较电路。偏置电路输入端接入基准电压，输出端连接至比较电压产生电路，用于产生第一参考电压；比较电压产生电路输入端连接至偏置电路，输出端连接至过流比较电路，用于基于第一参考电压产生第二参考电压；采样电路输入端连接至PMOS功率开关的漏极，输出端连接过流比较电路，用于采样PMOS功率开关管漏极电压得到采样电压；过流比较电路第一输入端连接至比较电压产生电路的输出端，第二输入端连接采样电路的输出端，用于比较采样电压和第二参考电压从而判断是否过流，并输出过流保护信号，该过流保护电路护不受温度和电源电压的影响。

Description

用于开关电源的过流保护电路

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，尤其涉及一种用于开关电源的过流保护电路。

背景技术

开关电源芯片的功率开关管在流过的电流很大时，等若不及时关断开关管，会对其造成永久性损坏，因此，需要配合过流保护电路来保护开关管，同时过流保护响应速度也要尽可能地快，防止功率开关管可靠性降低。

相关技术中，开关电源的过流保护电路存在电路复杂，受温度和电源电压影响可靠性低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何精确实现开关电源的过流保护，本发明提出一种用于开关电源的过流保护电路。

根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路，包括：

偏置电路，输入端接入基准电压，输出端连接至比较电压产生电路，用于产生第一参考电压；

比较电压产生电路，输入端连接至所述偏置电路，输出端连接至过流比较电路，用于基于所述第一参考电压产生第二参考电压；

采样电路，输入端连接至PMOS功率开关的漏极，输出端连接所述过流比较电路，用于采样所述PMOS功率开关管漏极电压得到采样电压；

过流比较电路，第一输入端连接至所述比较电压产生电路的输出端，第二输入端连接所述采样电路的输出端，用于比较所述采样电压和所述第二参考电压从而判断是否过流，并通过输出端输出过流保护信号。

根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路，能够用于开关电源芯片中功率管的过流保护，不受温度和电源电压的影响。整个过流保护电路可以在VDD=2.7到5.5V，温度-25~85℃下工作。通过简单的电路结构，精确实现了开关电源的过流保护。

根据本发明的一些实施例，

所述偏置电路包括：三极管，第一电流镜，第一mos管，第二mos管以及第三mos管；

所述三极管，其基极连接至基准电压，其发射极通过第一电阻连接至所述第一mos管的漏极，其集电极连接至所述第一电流镜；

所述第一mos管，其栅极接入使能信号，其源极接地；

所述第二mos管，其漏极连接至所述第一电流镜，其栅极连接至所述基准电压，其源极连接至所述第三mos管的漏极；

所述第三mos管，其源极接地，其栅极输出第一参考电压，其漏极连接至所述第二mos管的漏极。

在本发明的一些实施例中，所述第一电阻包括具有正温度系数的nwell电阻和具有负温度系数的多晶硅电阻。

根据本发明的一些实施例，所述偏置电路用户产生不受工艺影响的具有PTAT特性的所述第一参考电压。

在本发明的一些实施例中，所述比较电压产生电路包括：第四mos管，第五mos管，第六mos管，第七mos管，第八mos管，第九mos管，

所述第四mos管和所述第五mos管的栅极均接入所述第一参考电压，源极均接地；

所述第六mos管，栅极接入所述基准电压，源极连接至所述第四mos管的漏极，漏极连接至第八mos管的漏极；

所述第七mos管，栅极接入所述基准电压，源极连接至所述第五mos管的漏极，漏极连接至所述第九mos管的漏极；

所述第八mos管，源极接入输入电压，其栅极连接至其漏极。

根据本发明的一些实施例，所述采样电路包括：第十mos管，第十一mos管，比较器，

所述第十mos管，源极接入PMOS功率开关的漏极，栅极接入控制信号，漏极连接至所述第十一mos管的漏极；

所述第十一mos管，栅极连接至所述比较器的输出端，源极接收输入电压；

所述比较器，所述比较器输入段接入所述控制信号，并与所述第十mos管的栅极连接。

在本发明的一些实施例中，PMOS功率管开启时，设置控制信号为低电平，此时，采样电路输出的采样结果为PMOS功率开关管漏极点的电压；PMOS功率管关断后，控制信号为高电平，此时，采样电路输出的采样结果为电源电压。

根据本发明的一些实施例，所述过流比较电路包括：第一级放大器、第二级放大器和缓冲器，

所述第一级放大器和所述第二级放大器的第一输入端接所述比较电压产生电路的输出端，所述第二输入端接所述采样电路的输出端，所述第一级放大器和所述第二级放大器的输出端连接至所述缓冲器的输入端。

在本发明的一些实施例中，所述第一级放大器包括：第十二mos管、第十三mos管和第二电流镜，

所述第十二mos管的栅极接入偏置电压，源极连接至所述比较电压产生电路的输出端，漏极经第二电阻连接至所述第二电流镜；

所述第十三mos管的栅极接入偏置电压，源极连接至所述采样电路的输出端，漏极经第三电阻连接至所述第二电流镜。

根据本发明的一些实施例，所述第二级放大器包括：第十四mos管、第十五mos管、第十六mos管和第三电流镜，

所述第十四mos管的栅极经所述第二电阻连接至所述第十二mos管的漏极，漏极连接至第十五mos管的源极，源极接地；

所述第十五mos管的栅极连接至所述第十二mos管的漏极，漏极连接所述第三电流镜；

所述第十六mos管的栅极连接至所述第十三mos管的漏极，漏极连接至所述第三电流镜，源极接地。

附图说明

图1为根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路的系统框图；

图2为根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路的整体电路图；

图3为根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路的偏置电路图；

图4为根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路的比较电压产生电路图；

图5为根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路的采样电路图；

图6为根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路的过流比较电路图。

附图标记：

过流保护电路100，

偏置电路10，三极管Q1，第一电流镜，第一mos管MN1，第二mos管MN2，第三mos管MN3，

比较电压产生电路20，第四mos管MN4，第五mos管MN5，第六mos管MN6，第七mos管MN7，第八mos管MP3，第九mos管MP4，

采样电路30，第十mos管MP5，第十一mos管MP6，

过流比较电路40，第十二mos管MP7，第十三mos管MP8，第十四mos管MN8，第十五mos管MN9，第十六mos管MN10。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

如图1所示，根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路100，包括：偏置电路10、比较电压产生电路20、采样电路30和过流比较电路40。

其中，偏置电路10的输入端接入基准电压VREF，输出端连接至比较电压产生电路20，用于产生第一参考电压VB；

比较电压产生电路20的输入端连接至偏置电路10，输出端连接至过流比较电路40，用于基于第一参考电压VB产生第二参考电压；

采样电路30输入端连接至PMOS功率开关的漏极，输出端连接过流比较电路40，用于采样PMOS功率开关管漏极电压得到采样电压VI；

过流比较电路40第一输入端连接至比较电压产生电路20的输出端，第二输入端连接采样电路30的输出端，用于比较采样电压VI和第二参考电压从而判断是否过流，并通过输出端输出过流保护信号。

根据本发明实施例的用于开关电源的过流保护电路100，能够用于开关电源芯片中功率管的过流保护，不受温度和电源电压的影响。整个过流保护电路100可以在VDD=2.7到5.5V，温度-25~85℃下工作。通过简单的电路结构，精确实现了开关电源的过流保护。

根据本发明的一些实施例，如图3所示，偏置电路10包括：三极管Q1、第一电流镜、第一mos管MN1、第二mos管MN2以及第三mos管MN3。

三极管Q1的基极连接至基准电压VREF，发射极通过第一电阻连接至第一mos管MN1的漏极，集电极连接至第一电流镜；

第一mos管MN1的栅极接入使能信号EN，源极接地；

第二mos管MN2的漏极连接至第一电流镜，栅极连接至基准电压，源极连接至第三mos管MN3的漏极；

第三mos管MN3的源极接地，栅极输出第一参考电压，漏极连接至第二mos管MN2的漏极。

在本发明的一些实施例中，第一电阻包括具有正温度系数的nwell电阻（如图3中所示的电阻R2）和具有负温度系数的多晶硅电阻（如图3中所示的电阻R3）。

根据本发明的一些实施例，偏置电路10用户产生不受工艺影响的具有PTAT特性的第一参考电压。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，比较电压产生电路20包括：第四mos管MN4、第五mos管MN5、第六mos管MN6、第七mos管MN7、第八mos管MP3和第九mos管MP4。

第四mos管MN4和第五mos管MN5的栅极均接入第一参考电压VB，源极均接地；

第六mos管MN6的栅极接入基准电压VREF，源极连接至第四mos管MN4的漏极，漏极连接至第八mos管MP3的漏极；

第七mos管MN7的栅极接入基准电压VREF，源极连接至第五mos管MN5的漏极，漏极连接至第九mos管MP4的漏极；

第八mos管MP3的源极接入输入电压VDD，其栅极连接至其漏极。

根据本发明的一些实施例，如图5所示，采样电路30包括：第十mos管MP5，第十一mos管MP6和比较器。

第十mos管MP5的源极接入PMOS功率开关的漏极，栅极接入控制信号CTRL，漏极连接至第十一mos管MP6的漏极；

第十一mos管MP6的栅极连接至比较器的输出端，源极接收输入电压；

比较器输入段接入控制信号CTRL，并与第十mos管MP5的栅极连接。

在本发明的一些实施例中，PMOS功率管开启时，设置控制信号CTRL为低电平，此时，采样电路30输出的采样结果为PMOS功率开关管漏极点的电压；PMOS功率管关断后，控制信号CTRL为高电平，此时，采样电路30输出的采样结果为电源电压。

根据本发明的一些实施例，如图6所示，过流比较电路40包括：第一级放大器、第二级放大器和缓冲器，

第一级放大器和第二级放大器的第一输入端接比较电压产生电路20的输出端，第二输入端接采样电路30的输出端，第一级放大器和第二级放大器的输出端连接至缓冲器的输入端。

在本发明的一些实施例中，如图6所示，第一级放大器包括：第十二mos管MP7、第十三mos管MP8和第二电流镜。

第十二mos管MP7的栅极接入偏置电压VB2，源极连接至比较电压产生电路20的输出端，漏极经第二电阻连接至第二电流镜；

第十三mos管MP8的栅极接入偏置电压VB2，源极连接至采样电路30的输出端，漏极经第三电阻连接至第二电流镜。

根据本发明的一些实施例，如图6所示，第二级放大器包括：第十四mos管MN8、第十五mos管MN9、第十六mos管MN10和第三电流镜。

第十四mos管MN8的栅极经第二电阻连接至第十二mos管MP7的漏极，漏极连接至第十五mos管MN9的源极，源极接地；

第十五mos管MN9的栅极连接至第十二mos管MP7的漏极，漏极连接第三电流镜；

第十六mos管MN10的栅极连接至第十三mos管MP8的漏极，漏极连接至第三电流镜，源极接地。

下面参照附图以一个具体的实施例详细面描述根据本发明的用于开关电源的过流保护电路100。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。

如图1所示。用于开关电源的过流保护电路100，包括：偏置电路10、比较电压产生电路20、采样电路30和过流比较电路40。

偏置电路10用于产生不受工艺影响的具有PTAT特性的第一参考电压，比较电压产生电路20输入端接偏置电路10的输出端，其输出端接过流比较电路40，用于基于所述第一参考电压产生第二参考电压VC。采样电路30采样PMOS功率开关管漏极电压得到负载电流信息，其输入端接外部PMOS功率开关管漏极，其输出端接过流比较电路40。过流比较电路40用于比较采样电压VI和第二参考电压VC从而判断是否过流，其负输入端（即前文所述的第一输入端）接比较电压产生电路20的输出端，其正输入端（即前文所述的第二输入端）接采样电路30的输出端，其输出端输出过流保护信号。本发明能够用于开关电源芯片中功率管的过流保护，不受温度和电源电压的影响。

具体地，偏置电路10：

如图3所示，偏置电路10用于产生不受工艺影响的具有PTAT特性的第一参考电压，其输入端接基准电压VREF，其输出端接比较电压产生电路20。外部输入的带隙基准电压VREF经过第一电阻（包括R2和R3）后输入到NPN晶体管（三极管Q1Q1）的基极，NPN管发射极接电阻R2和R3。其中，R2为具有正温度系数的nwell电阻，R3为具有负温度系数的多晶硅电阻，调整R2和R3的大小，可以得到具有正温度系数的PTAT偏置电流。

PTAT电流通过第一电流镜的MP1镜像到MP2，并流经低压共源共栅管第二mos管MN2和第三MOS管MN3。其中MN2栅极接参考电压VREF，MN3为二极管连接，于是在MN3漏极产生了第一参考电压VB，该第一参考电压VB也是正温度系数的。第一mos管MN1栅极接接EN信号，用于控制偏置电路10的使能，EN为高电平时使能偏置电路10。电阻R1用于增加三极管Q1基极输入阻抗，减小基极电流。

如图2和图3所示，基准电压VREF输入到NPN晶体管（即前文所述的三极管Q1）的基极，NPN管发射极接具有负温度系数的多晶硅电阻，产生了正温度系数（PTAT）的偏置电流，通过调整多晶硅电阻的大小可以调整偏置电流的正温度系数大小。

该PTAT电流通过第一电流镜流经一个二极管连接的PMOS管，由于PMOS管的阈值电压Vth具有负温度系数，能够在PMOS管漏极产生一个与温度无关的第一参考电压。偏置电路10种使用的第一电流镜为低压共源共栅电流镜。

比较电压产生电路20：

如图4所示，偏置电路10中产生的第一参考电压VB和参考电压VREF作为共源共栅支路第四mos管MN4、第六mos管MN6和第五mos管MN5、第七mos管MN7的输入，第四mos管MN4为二极管连接，由于PMOS管的阈值电压Vth具有负温度系数，调整第一参考电压VB的正温度系数大小，能够在第四mos管MN4漏极产生一个与温度无关的第二参考电压VC。

由于共源共栅电流源第四mos管MN4、第六mos管MN6的作用，VDD-VC维持不变，即第二参考电压VC随输入电压VDD浮动，对应限流值不受输入电压VDD影响，因而可以适用于不同的电源输入电压VDD下工作。同时第九mos管MP4也为二极管连接，于是在第九mos管MP4

第九mos管MP4漏极产生了一个偏置电压VB2。VC-VB2的值被第九mos管MP4限制为一个固定值，保证过流比较电路40的工作电流大小在一个合适的值。

采样电路30：

如图5所示，SW为PMOS功率开关管漏极，其电平大小反映了输入电压VDD经过功率管后的压降VDD-VI，进一步地，该压降也反映了功率管开启时流过的电流大小。

采样电路30利用一个PMOS管（即前文所述的第十mos管MP5），其栅极接控制信号CTRL，其源极接PMOS功率开关管漏极SW，其漏极为电流采样电路30输出。采样PMOS功率开关管漏极SW的电压，包含PMOS功率开关管的电流信息。

采样电路30中，利用另一个PMOS管（即前文所述的第十一mos管MP6），其栅极接控制信号CTRL，其源极接电源输入电压VDD，其漏极为电流采样电路30输出VI，用于复位采样结果。

控制信号CTRL用于控制采样和清除，PMOS功率管开启时，设置控制信号CTRL为低电平，控制信号CTRL非为高电平此时，第十mos管MP5导通，第十一mos管MP6关断，采样电路30输出的采样结果为PMOS功率开关管漏极SW点的电压，得到采样电压VI；PMOS功率管关断后，控制信号CTRL为高电平，CTRL非为低电平，第十一mos管MP6导通，第十mos管MP5关断，此时采样电路30输出的采样结果约为电源输出电压VDD，从而清除了采样信号。

控制信号CTRL设置为与PMOS功率管栅极电平逻辑一致，从而能够在PMOS功率管打开时采样，在PMOS功率管关断时清除采样结果。

过流比较电路40：

图6，过流比较电路40为一个两级放大器和输出缓冲器。两级放大器正端输入为采样电压VI，负端输入为参考电压VC，偏置电压为VB2，两级放大器的输出接了缓冲器用于输出整形。因为采样电压VI的电平只比电源输入电压VDD低几百mV，将两级放大器的第一级放大器设计为源极输入的全差分放大器，从而解除输入电压范围的限制；同时在第一级放大器中使用了电阻以限制一级放大的输出摆幅，以提高响应速度，减小延时。第二级放大器为单端输出的电流镜负载的差分放大器，同时增加电阻R4引入源极负反馈，这样可以使第二级放大器几乎不受输入电压影响，保证增益的恒定。过流比较电路40使用反相器（即前文所述的缓冲器）对比较电路的输出结果进行整形，输出限流保护结果。

需要说明的是，上文所述的mos管中，仅有MN1和MP7\MP8为逻辑电平驱动，其余管子均作模拟电路功能。MN1至MN12均为增强型NMOS管，需要高电平驱动的为MN1，其余均为电路自身产生的既非高电平也非低电平的合适栅压驱动。MP1至MP10均为增强型PMOS管，需要低电平驱动的为MP7和MP8，其余均为电路自身产生的既非高电平也非低电平的合适栅压驱动。

开关电源的过流保护电路100的运行原理为：

开关电源中的PMOS功率管电流增大时，VI会下降，当VI<VC时，过流比较电路40输出低电平，表示电路过流；否则VI>VC时过流比较电路40输出高电平，表示电路正常工作。整个过流保护电路100可以在VDD=2.7到5.5V，温度-25~85℃下工作。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (6)

1.一种用于开关电源的过流保护电路，其特征在于，包括：

偏置电路，输入端接入基准电压，输出端连接至比较电压产生电路，用于产生第一参考电压；

比较电压产生电路，输入端连接至所述偏置电路，输出端连接至过流比较电路，用于基于所述第一参考电压产生第二参考电压；

采样电路，输入端连接至PMOS功率开关的漏极，输出端连接所述过流比较电路，用于采样所述PMOS功率开关管漏极电压得到采样电压；

过流比较电路，第一输入端连接至所述比较电压产生电路的输出端，第二输入端连接所述采样电路的输出端，用于比较所述采样电压和所述第二参考电压从而判断是否过流，并通过输出端输出过流保护信号

所述偏置电路包括：三极管，第一电流镜，第一mos管，第二mos管以及第三mos管；

所述三极管，其基极连接至基准电压，其发射极通过第一电阻连接至所述第一mos管的漏极，其集电极连接至所述第一电流镜；

所述第一mos管，其栅极接入使能信号，其源极接地；

所述第二mos管，其漏极连接至所述第一电流镜，其栅极连接至所述基准电压，其源极连接至所述第三mos管的漏极；

所述第三mos管，其源极接地，其栅极输出第一参考电压，其漏极连接至所述第二mos管的源极；

所述比较电压产生电路包括：第四mos管，第五mos管，第六mos管，第七mos管，第八mos管，第九mos管，

所述第四mos管和所述第五mos管的栅极均接入所述第一参考电压，源极均接地；

所述第六mos管，栅极接入所述基准电压，源极连接至所述第四mos管的漏极，漏极连接至第八mos管的漏极；

所述第七mos管，栅极接入所述基准电压，源极连接至所述第五mos管的漏极，漏极连接至所述第九mos管的漏极；

所述第八mos管，源极接入输入电压，其栅极连接至其漏极；

所述采样电路包括：第十mos管，第十一mos管，比较器，

所述第十mos管，源极接入PMOS功率开关的漏极，栅极接入控制信号，漏极连接至所述第十一mos管的漏极；

所述第十一mos管，栅极连接至所述比较器的输出端，源极接收输入电压；

所述比较器，所述比较器输入端接入所述控制信号，并与所述第十mos管的栅极连接；

所述过流比较电路包括：第一级放大器、第二级放大器和缓冲器，

所述第一级放大器和所述第二级放大器的第一输入端接所述比较电压产生电路的输出端，所述第二输入端接所述采样电路的输出端，所述第一级放大器和所述第二级放大器的输出端连接至所述缓冲器的输入端。

2.根据权利要求1所述的用于开关电源的过流保护电路，其特征在于，所述第一电阻包括具有正温度系数的nwell电阻和具有负温度系数的多晶硅电阻。

3.根据权利要求1所述的用于开关电源的过流保护电路，其特征在于，所述偏置电路用于产生不受工艺影响的具有PTAT特性的所述第一参考电压。

4.根据权利要求1所述的用于开关电源的过流保护电路，其特征在于，PMOS功率管开启时，设置控制信号为低电平，此时，采样电路输出的采样结果为PMOS功率开关管漏极点的电压；PMOS功率管关断后，控制信号为高电平，此时，采样电路输出的采样结果为电源电压。

5.根据权利要求1所述的用于开关电源的过流保护电路，其特征在于，所述第一级放大器包括：第十二mos管、第十三mos管和第二电流镜，

所述第十二mos管的栅极接入偏置电压，源极连接至所述比较电压产生电路的输出端，漏极经第二电阻连接至所述第二电流镜；

所述第十三mos管的栅极接入偏置电压，源极连接至所述采样电路的输出端，漏极经第三电阻连接至所述第二电流镜。

6.根据权利要求5所述的用于开关电源的过流保护电路，其特征在于，所述第二级放大器包括：第十四mos管、第十五mos管、第十六mos管和第三电流镜，

所述第十四mos管的栅极经所述第二电阻连接至所述第十二mos管的漏极，漏极连接至第十五mos管的源极，源极接地；

所述第十五mos管的栅极连接至所述第十二mos管的漏极，漏极连接所述第三电流镜；

所述第十六mos管的栅极连接至所述第十三mos管的漏极，漏极连接至所述第三电流镜，源极接地。

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