CN116191880A - 一种自举驱动的开关电源掉电控制电路 - Google Patents

一种自举驱动的开关电源掉电控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自举驱动的开关电源掉电控制电路，属于开关电源领域，适用于上管采用自举驱动的开关电源变换器，包括控制电路、输出电压检测电路、自举电容电压检测电路和欠压关断电路。本发明的自举驱动的开关电源掉电控制电路针对Buck变换器，当输入缓慢掉电，出现较长时间等于输出电压，自举电容的两端电压低于欠压点且输出电压为非欠压状态时，控制欠压关断电路关断，切断自举电容的充电回路，防止输出电压震荡；当输出电压小于UV_Value‑ΔV且自举电容电压低于欠压点阈值时，控制电路控制欠压关断电路开通，加快输出电压的放电。

Description

一种自举驱动的开关电源掉电控制电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种自举驱动的开关电源掉电控制电路。
背景技术
开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，通过控制导通和关断时间的比值，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源包括隔离拓扑和非隔离拓扑，常用的buck电路、boost电路、buck-boost电路等都属于非隔离拓扑。
上管驱动为自举方式的buck电路的正常工作需要通过下管的开通来给自举电容充电。由于这样的特性，在下电过程中一旦输入电压接近输出电压且维持时间较长(数毫秒以上)，即下管的导通时间短，自举电容的电压得不到有效补充，自举电容两端的电压会持续下降；当下降到驱动电路的欠压点后，驱动电路关断，电感电流通过下管续流并迅速掉落，输出电压随之掉落；而下管的开通使得自举电容电压重新上升，当自举电容电压上升至欠压点上门限，驱动电路重新开始工作，输出电压快速上升，由于此后又处于占空比几乎为100％的状态，自举电容电压不能维持，输出电压也因此会重新掉落，从而进入了输出电压再重启再掉落的循环反复的过程，直至输入电压掉落到变换器的输入欠压点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自举驱动的开关电源掉电控制电路，以解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种自举驱动的开关电源掉电控制电路，适用于上管采用自举驱动的开关电源变换器，
所述自举驱动的开关电源掉电控制电路包括控制电路、输出电压检测电路、自举电容电压检测电路和欠压关断电路；
所述控制电路用于控制欠压关断电路，当输入电压缓慢掉电，输入电压接近输出电压且维持时间较长，自举电容电压小于欠压点阈值UV_Value且输出电压大于UV_Value-ΔV时，控制欠压关断电路断开，切断自举电容的充电回路；当自举电容电压小于欠压点阈值UV_Value且输出电压小于UV_Value-ΔV时，控制欠压关断电路闭合，加快输出电压放电速度，其中ΔV为大于零的电压，由用户自行确定；
所述输出电压检测电路检测输出电压是否小于UV_Value-ΔV，并产生检测信号；其中，当输出电压小于UV_Value-ΔV时，为欠压状态，检测信号为低电平；当输出电压大于UV_Value-ΔV时，为非欠压状态，检测信号为高电平；
所述自举电容电压检测电路用于判断自举电容两端的电压是否为欠压状态，并产生检测信号；其中，当所述自举电容两端电压小于欠压点阈值UV_Value时，为欠压状态，所述检测信号为高电平；当所述自举电容两端电压大于欠压点阈值UV_Value时，为非欠压状态，所述检测信号为低电平；
所述欠压关断电路在所述控制电路输出高电平时闭合，在所述控制电路输出低电平断开。
在一种实施方式中，所述控制电路包含第一与门、第一或门、第一非门、第一异或门、第二异或门、RS触发器；其中，
所述第一或门的输入上端与所述自举电容电压检测电路的输出信号UVLO相连，输入下端与所述输出电压检测电路的输出信号VO_LOGIC相连，输出端与第一与门的输入下端相连；
所述第二异或门的输入上端与所述自举电容电压检测电路的输出信号UVLO相连，输入下端与所述输出电压检测电路的输出信号VO_LOGIC相连，输出端与第一非门的输入端相连；
所述第一非门的输入端与第二异或门的输出端相连，输出端与第一与门的输入上端相连；所述第一与门的输入上端与第一非门的输出端相连，输入下端与第一或门的输出端相连，输出端与RS触发器的R端以及第一异或门的输入下端相连；
所述第一异或门的输入上端与外部高电平信号VEX相连，输入下端与第一与门的输出端以及RS触发器的R端相连，输出与RS触发器的S端相连；所述RS触发器的S端与所述异或门的输出相连，R端与所述异或门的输入下端以及所述与门的输出端相连，RS触发器的输出端与所述欠压关断电路相连。
在一种实施方式中，所述欠压关断电路包括第二MOSFET管、第三MOSFET管；
所述第二MOSFET管的栅极连接至RS触发器的Q端以及第三MOSFET管的栅极；第二MOSFET管的漏极连接至外部二极管D1的阳极，第二MOSFET管的源极连接至地以及第三MOSFET管的源极；
第三MOSFET管的栅极连接至RS触发器的Q端以及第二MOSFET管的栅极，第三MOSFET管的漏极连接至外部输出电容的阴极，第三MOSFET管的源极连接至地以及第二MOSFET管的源极。
在一种实施方式中，所述输出电压检测电路包括第一放大器、第二比较器；
所述第一放大器的输入正端连接外部第四电阻的第一端，输入负端同时连接外部第四电阻的第二端和地，所述第一放大器的输出端连接至第二比较器的输入正端；第二比较器的输入负端连接至UV_Value-ΔV，第二比较器的输出端输出VO_LOGIC至第二异或门的输入下端、以及第一或门的输入下端。
在一种实施方式中，所述自举电容电压检测电路包括第三放大器、第四比较器；
所述第三放大器的输入正端连接至外部第二电阻的第一端，输入负端同时连接至外部第二电阻的第二端以及外部自举电容的下端，输出端连接第四比较器的输入负端；
所述第四比较器的输入正端连接至欠压点阈值UV_Value，输出端输出UVLO至第二异或门的输入上端以及第一或门的输入上端。
在一种实施方式中，所述外部自举电容的两端电压为欠压状态下，且输出电压为非欠压状态时，所述控制电路的输出为低电平0，所述欠压关断电路断开。
在一种实施方式中，所述外部自举电容的两端电压及输出电压均为欠压状态时，所述控制电路输出为高电平1，所述欠压关断电路开通。
在一种实施方式中，所述外部自举电容的两端电压及输出电压均为非欠压状态时，所述控制电路输出为高电平1，所述欠压关断电路开通。
在一种实施方式中，所述外部自举电容的两端电压为非欠压状态，输出电压为欠压状态时，所述控制电路输出为高电平1，所述欠压关断电路开通。
本发明提供的一种自举驱动的开关电源掉电控制电路，适用于上管采用自举驱动的开关电源变换器，包括控制电路、输出电压检测电路、自举电容电压检测电路和欠压关断电路。本发明的自举驱动的开关电源掉电控制电路针对Buck变换器，当输入缓慢掉电，出现较长时间等于输出电压，自举电容的两端电压低于欠压点且输出电压为非欠压状态时，控制欠压关断电路关断，切断自举电容的充电回路，防止输出电压震荡；当输出电压小于UV_Value-ΔV且自举电容电压低于欠压点阈值时，控制电路控制欠压关断电路开通，加快输出电压的放电。
附图说明
图1是本发明提供的一种自举驱动的开关电源掉电控制电路的典型应用原理示意图。
图2是本发明提供的一种自举驱动的开关电源掉电控制电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种自举驱动的开关电源掉电控制电路作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供一种自举驱动的开关电源掉电控制电路，适用于采用自举方式驱动的开关电源变换器，其应用拓扑如图1所示，其中控制电路101、输出电压检测电路102、自举电容电压检测电路103、欠压关断电路104共同组成了本发明的自举驱动的开关电源掉电控制电路。图1以上管采用增强型N-MOSFET的Buck变换器拓扑为例，实际应用具有通用性，并不局限于此拓扑及开关器件。本发明能够根据输出电压以及自举电容电压的状态作为判断依据控制欠压关断电路，当自举电容电压低于欠压点且输出电压为非欠压状态时，所述欠压关断电路104关断，切断自举电容充电回路，避免输入缓慢下电过程中，输入电压接近输出且维持时间较长(数毫秒以上)时，输出电压震荡；同时当输出电压小于UV_Value-ΔV且自举电容电压低于欠压点时，欠压关断电路闭合，加快输出电压的放电速度。
请继续参阅图1，所述输出电压检测电路102的输入端分别连接至输出电压采样电阻R4的两端，输出端连接至控制电路101的输入端；所述自举电容电压检测电路103的输入端分连接至分压电阻R2的两端，输出端连接至控制电路101的输入端；所述欠压关断电路104的输入端连接至控制电路101的输出端；所述控制电路101将外部高电平VEX、输出电压检测电路102的输出(即VO_LOGIC)、自举电容电压检测电路103的输出(即UVLO)作为输入信号，所述控制电路101的输出端连接至欠压关断电路104的输入端；在输入电压缓慢下降，自举电容电压跌落至欠压点后，控制欠压关断电路104断开，切断自举电容的充电回路，避免输出电压震荡；同时当输出电压小于UV_Value-ΔV且自举电容电压低于欠压点时，欠压关断电路闭合，加快输出电压的放电速度；其中UV_Value是欠压点阈值，ΔV的值由用户自行确定。
如图2所示，所述控制电路101包括两个异或门(异或门1、异或门2)、一个与门(与门1)、一个或门(或门1)、一个非门(非门1)、一个RS触发器(触发器1)。或门1的输入上端连接至自举电容电压检测电路103的输出端，或门1的输入下端连接至输出电压检测电路102的输出端，或门1的输出端连接至与门1的输入下端；与门1的输入上端连接至非门1的输出端，与门1的输入下端连接至或门1的输出端，与门1的输出端连接至触发器1的R端以及异或门1的输入下端；异或门1的输入上端连接至外部高电平信号VEX，异或门1的输入下端连接至与门1的输出端以及触发器1的R端，异或门1的输出端连接至触发器1的S端；异或门2的输入上端连接至自举电容电压检测电路103的输出端UVLO，异或门2的输入下端连接至输出电压检测电路102的输出端VO_LOGIC，异或门2的输出端连接至非门1的输入端。非门1的输入端连接至异或门2的输出端，非门1的输出端连接至与门1的输入上端；与门1的输入上端连接至非门1的输出端，与门1的输入下端连接至或门1的输出端，与门1的输出端连接至异或门1的输入下端以及触发器1的R端。触发器1的S端连接至异或门1的输出端，触发器1的R端连接至与门1的输出端以及异或门1的输入下端。触发器1的Q端连接至所述欠压关断电路104。
所述输出电压检测电路102包括放大器A1、比较器A2。放大器A1的输入正端连接至b点，输入负端连接至地，放大器A1的输出端连接至比较器A2的输入正端；比较器A2的输入正端连接至放大器A1的输出端，比较器A2的输入负端连接至UV_Value-ΔV，比较器A2的输出端输出VO_LOGIC至异或门2的输入下端、或门1的输入下端。
所述自举电容电压检测电路103包括放大器A3、比较器A4。放大器A3的输入正端连接至a点，放大器A3的输入负端连接至电阻R2的右端以及自举电容的下端Boot-；比较器A4的输入负端连接至放大器A3的输出端，比较器A4的输入正端连接至欠压点阈值UV_Value，比较器A4的输出端输出UVLO至异或门2的输入上端以及或门1的输入上端。
所述欠压关断电路104包括MOSFET管T2、MOSFET管T3。MOSFET管T2的栅极T2_G连接至触发器1的Q端以及MOSFET管T3的栅极T3_G；MOSFET管T2的漏极T2_D连接至二极管D1的阳极D1_A，MOSFET管T2的源极T2_S连接至地以及MOSFET管T3的源极T3_S；MOSFET管T3的栅极T3_G连接至触发器1的Q端以及MOSFET管T2的栅极T2_G，MOSFET管T3的漏极T3_D连接至输出电容的阴极C_OUT-，MOSFET管T3的源极连接至地以及MOSFET管T2的源极T2_S。
以下分四种状态，结合图2简述电路的工作原理。
状态1：输入缓慢下电，输入电压长时间(数毫秒以上)出现接近输出电压的状态。此时，MOSFET管T1的占空比接近100％，二极管D1的导通时间极短，根据自举电容原理可知，在关断时间TOFF内给电容充电的能量小于开通时间TON内驱动电路消耗的能量，自举电容上的电压VBOOT会持续下降，当VBOOT下降到驱动电路的欠压点阈值(UV_Value)后，驱动电路关断，此时放大器A3的输出电压小于欠压点阈值(UV_Value)，比较器A4输出信号UVLO为高电平1；放大器A1的输出信号大于UV_Value-ΔV，比较器A2的输出信号VO_LOGIC为高电平1；或门1的输入信号UVLO以及VO_LOGIC均为高电平，因此或门1的输出信号也为高电平；异或门2的输入信号UVLO、VO_LOGIC均为高电平1，因此异或门2的输出信号为低电平0；非门1的输入信号为低电平0，输出信号为高电平1；与门1的输入上端信号、输入下端信号均为高电平1，与门1的输出信号为高电平1；异或门1的输入上端信号VEX和输入下端信号均为高电平1，异或门1的输出为低电平0。触发器1的R端为高电平1，S端为低电平0，Q端为低电平0。控制电路101输出低电平，欠压关断电路104的MOSFET管T2、T3关断，切断自举电容的充电回路，防止驱动电路反复重启，造成输出电压震荡。
状态2：输入上电，启机过程。在启机瞬间，当输出电压小于UV_Value-ΔV时，放大器A1的输出信号小于UV_Value-ΔV，比较器A2的输出电压VO_LOGIC为低电平0；放大器A3的输出电压小于欠压点阈值UV_Value，比较器A4的输出端UVLO为高电平1；或门1的输入上端信号UVLO为高电平1，输入下端信号VO_LOGIC为低电平0，或门1的输出信号为高电平1；异或门2的输入上端信号UVLO为高电平1，输入下端信号VO_LOGIC为低电平0，异或门2的输出信号为高电平1；非门1的输入信号为高电平1，输出信号为低电平0；与门1的输入上端信号为低电平0，输入下端信号为高电平1，与门1的输出信号为低电平0；异或门1的输入上端信号VEX为高电平1，输入下端信号为低电平0，异或门1的输出信号为高电平1；触发器1的S端信号为高电平1，R端信号为低电平0，触发器1的Q端信号为高电平1；控制电路101输出高电平1，欠压关断电路104的MOSFET管T2、T3导通；当输出电压大于UV_Value-ΔV时，放大器A1的输出信号大于UV_Value-ΔV，比较器A2的输出信号VO_LOGIC为高电平1；放大器A3的输出电压大于欠压点阈值UV_Value，比较器A4的输出信号UVLO为低电平0；或门1的输入上端信号UVLO为低电平0，输入下端信号VO_LOGIC为高电平1，或门1的输出信号为高电平1；异或门2的输入上端信号UVLO为低电平0，输入下端信号VO_LOGIC为高电平1，异或门2的输出信号为高电平1；非门1的输入信号为高电平1，输出信号为低电平0；与门1的输入上端信号为低电平0，输入下端信号为高电平1，与门1的输出信号为低电平0；异或门1的输入上端信号VEX为高电平1，输入下端信号为低电平0，异或门1的输出信号为高电平1；触发器1的S端信号为高电平1，R端信号为低电平0，Q端信号为高电平1；控制电路101输出高电平1，欠压关断电路104的MOSFET管T2、T3导通，输出电压正常上升。
状态3：正常工作。放大器A1的输出信号大于UV_Value-ΔV，比较器A2的输出电压为高电平1；放大器A3的输出电压大于欠压点阈值UV_Value，比较器A4的输出信号UVLO为低电平0；或门1的输入上端UVLO为低电平0，输入下端VO_LOGIC为高电平1，或门1的输出端为高电平1；异或门2的输入上端UVLO为低电平0，输入下端VO_LOGIC为高电平1，异或门2的输出端为高电平1；非门1的输入端为高电平1，输出端为低电平0；与门1的输入上端为低电平0，输入下端为高电平1，与门1的输出端为低电平0；异或门1的输入上端VEX为高电平1，输入下端为低电平0，异或门1的输出端为高电平1；触发器1的S端为高电平1，R端为低电平0，触发器1的输出端Q为高电平1；控制电路101输出高电平，欠压关断电路104的MOSFET管T2、T3导通，输出正常工作。
状态4：输入下电，且输出电压小于UV_Value-ΔV。放大器A1的输出信号小于UV_Value-ΔV，比较器A2的输出信号VO_LOGIC为低电平0；放大器A3的输出信号小于欠压点阈值UV_Value，比较器A4的输出信号UVLO为高电平1；或门1的输入上端信号UVLO为高电平1，输入下端信号VO_LOGIC为低电平0，或门1的输出信号为高电平1；异或门2的输入上端信号UVLO为高电平1，输入下端信号VO_LOGIC为低电平0，异或门2的输出信号为高电平1；非门1的输入信号为高电平1，输出信号为低电平0；与门1的输入上端信号为低电平0，输入下端信号为高电平1，与门1的输出信号为低电平0；异或门1的输入上端信号VEX为高电平1，输入下端信号为低电平0，异或门1的输出信号为高电平1；触发器1的S端信号为高电平1，R端信号为低电平0，Q端信号为高电平1；控制电路101输出高电平1，欠压关断电路104的MOSFET管T2、T3导通，加快输出放电。
状态1至状态4的具体逻辑真值表见表1。
Figure BDA0004069428130000091
表1逻辑真值表
本发明可使得系统在设定条件下，欠压关断电路在正常模态和输入缓慢下电模态自适应切换。这种自适应模态切换，可以解决上管驱动为自举方式的开关电源电路在输入缓慢下电，输入电压出现较长时间(数毫秒以上)等于输出电压时，输出电压震荡的现象。同时，当输出电压小于UV_Value-ΔV时，欠压关断电路闭合，加快输出电压放电。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，适用于上管采用自举驱动的开关电源变换器，
所述自举驱动的开关电源掉电控制电路包括控制电路、输出电压检测电路、自举电容电压检测电路和欠压关断电路；
所述控制电路用于控制欠压关断电路，当输入电压缓慢掉电，输入电压接近输出电压且维持时间较长，自举电容电压小于欠压点阈值UV_Value且输出电压大于UV_Value-ΔV时，控制欠压关断电路断开，切断自举电容的充电回路；当自举电容电压小于欠压点阈值UV_Value且输出电压小于UV_Value-ΔV时，控制欠压关断电路闭合，加快输出电压放电速度，其中ΔV为大于零的电压，由用户自行确定；
所述输出电压检测电路检测输出电压是否小于UV_Value-ΔV，并产生检测信号；其中，当输出电压小于UV_Value-ΔV时，为欠压状态，检测信号为低电平；当输出电压大于UV_Value-ΔV时，为非欠压状态，检测信号为高电平；
所述自举电容电压检测电路用于判断自举电容两端的电压是否为欠压状态，并产生检测信号；其中，当所述自举电容两端电压小于欠压点阈值UV_Value时，为欠压状态，所述检测信号为高电平；当所述自举电容两端电压大于欠压点阈值UV_Value时，为非欠压状态，所述检测信号为低电平；
所述欠压关断电路在所述控制电路输出高电平时闭合，在所述控制电路输出低电平断开。
2.如权利要求1所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述控制电路包含第一与门、第一或门、第一非门、第一异或门、第二异或门、RS触发器；其中，
所述第一或门的输入上端与所述自举电容电压检测电路的输出信号UVLO相连，输入下端与所述输出电压检测电路的输出信号VO_LOGIC相连，输出端与第一与门的输入下端相连；
所述第二异或门的输入上端与所述自举电容电压检测电路的输出信号UVLO相连，输入下端与所述输出电压检测电路的输出信号VOLOGIC相连，输出端与第一非门的输入端相连；
所述第一非门的输入端与第二异或门的输出端相连，输出端与第一与门的输入上端相连；所述第一与门的输入上端与第一非门的输出端相连，输入下端与第一或门的输出端相连，输出端与RS触发器的R端以及第一异或门的输入下端相连；
所述第一异或门的输入上端与外部高电平信号VEX相连，输入下端与第一与门的输出端以及RS触发器的R端相连，输出与RS触发器的S端相连；所述RS触发器的S端与所述异或门的输出相连，R端与所述异或门的输入下端以及所述与门的输出端相连，RS触发器的输出端与所述欠压关断电路相连。
3.如权利要求2所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述欠压关断电路包括第二MOSFET管、第三MOSFET管；
所述第二MOSFET管的栅极连接至RS触发器的Q端以及第三MOSFET管的栅极；第二MOSFET管的漏极连接至外部二极管D1的阳极，第二MOSFET管的源极连接至地以及第三MOSFET管的源极；
第三MOSFET管的栅极连接至RS触发器的Q端以及第二MOSFET管的栅极，第三MOSFET管的漏极连接至外部输出电容的阴极，第三MOSFET管的源极连接至地以及第二MOSFET管的源极。
4.如权利要求3所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述输出电压检测电路包括第一放大器、第二比较器；
所述第一放大器的输入正端连接外部第四电阻的第一端，输入负端同时连接外部第四电阻的第二端和地，所述第一放大器的输出端连接至第二比较器的输入正端；第二比较器的输入负端连接至UV_Value-ΔV，第二比较器的输出端输出VO_LOGIC至第二异或门的输入下端、以及第一或门的输入下端。
5.如权利要求4所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述自举电容电压检测电路包括第三放大器、第四比较器；
所述第三放大器的输入正端连接至外部第二电阻的第一端，输入负端同时连接至外部第二电阻的第二端以及外部自举电容的下端，输出端连接第四比较器的输入负端；
所述第四比较器的输入正端连接至欠压点阈值UV_Value，输出端输出UVLO至第二异或门的输入上端以及第一或门的输入上端。
6.如权利要求5所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述外部自举电容的两端电压为欠压状态下，且输出电压为非欠压状态时，所述控制电路的输出为低电平0，所述欠压关断电路断开。
7.如权利要求5所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述外部自举电容的两端电压及输出电压均为欠压状态时，所述控制电路输出为高电平1，所述欠压关断电路开通。
8.如权利要求5所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述外部自举电容的两端电压及输出电压均为非欠压状态时，所述控制电路输出为高电平1，所述欠压关断电路开通。
9.如权利要求5所述的自举驱动的开关电源掉电控制电路，其特征在于，所述外部自举电容的两端电压为非欠压状态，输出电压为欠压状态时，所述控制电路输出为高电平1，所述欠压关断电路开通。
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