CN117748417A - 一种保护电路、电子设备及升压变换器的保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电子电路技术领域，具体提供一种保护电路、电子设备及升压变换器的保护方法，旨在解决现有升压变换器的保护电路效果较差的问题。为此目的，本申请的保护电路包括：降压变换电路，其设置在升压变换器的输出端，至少包括开关元件，开关元件的第一端与升压变换器的输出端连接；电流采样电路，其用于获取流经开关元件的采样电流；脉冲控制电路，其输出端与开关元件的控制端连接，脉冲控制电路用于获取采样电流以及保护电流并将采样电流和保护电流进行对比，根据对比结果输出控制信号，以控制开关元件的工作状态。可适用于高压范围的电路保护，改善输出开关元件的电流应力，有效降低开关控制过程中的功率损耗，实现可靠的电路保护。

Description

一种保护电路、电子设备及升压变换器的保护方法

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，具体提供一种保护电路、电子设备及升压变换器的保护方法。

背景技术

升压变换器(BOOST)是常用的拓扑形式，具有结构简单，效率高等特点，但由于电路结构原因，存在能量直通模式，即便在其功率开关断开的情况下，输入和输出是通过二极管直通的，无法实现输出过流或短路保护，所以BOOST变换器通常只作为电源产品的中间级来使用。如果将BOOST变换器做终端输出级来使用，必须加上输出过流和短路保护电路，现有的方案是在输出端加一个直流开关，当过流时，关断直流开关，达到过流保护目的。

但这种方法存在如下缺点：保护动作需非常快，有冲击负载时，容易误触发保护；在保护动作过程中，直流开关的电流应力大，且工作状态必须经过线性区过渡，功率损耗高，有超出器件安全工作区(SOA，Safe Operating Area)的风险；仅限低压小电流应用。

发明内容

本申请旨在解决上述技术问题，即，解决现有升压变换器的保护电路效果较差的问题。

在第一方面，本申请提供一种保护电路，所述保护电路用于升压变换器，包括：

降压变换电路，所述降压变换电路设置在所述升压变换器的输出端，所述降压变换电路至少包括开关元件，所述开关元件的第一端与所述升压变换器的输出端连接；

电流采样电路，所述电流采样电路用于获取流经所述开关元件的采样电流；

脉冲控制电路，所述脉冲控制电路的输出端与所述开关元件的控制端连接，所述脉冲控制电路用于获取所述采样电流以及保护电流并将所述采样电流和所述保护电流进行对比，根据对比结果输出控制信号，以控制所述开关元件的工作状态。

在一些实施例中，所述降压变换电路还包括电感、电容以及二极管，所述电感的第一端与所述开关元件的第二端连接，所述电感的第二端与负载连接；所述电容的第一端与所述电感的第二端连接，所述电容的第二端接地；所述二极管的正极接地，所述二极管的负极与所述电感的第一端连接。

在一些实施例中，所述电流采样电路包括：

电流传感器，所述电流传感器设置在所述开关元件的第二端，用于测量流经所述开关元件的电流信号并将所述电流信号传输至电流采样单元；

所述电流采样单元用于根据所述电流信号得到所述采样电流。

在一些实施例中，所述脉冲控制电路包括：

比较器，所述比较器的正相输入端用于输入所述采样电流，所述比较器的负相输入端用于输入所述保护电流；

脉冲单元，所述脉冲单元的输入端与所述比较器的输出端连接，所述脉冲单元用于当所述比较器输出低电平时输出高电平控制信号，以控制所述开关元件处于开通状态；当所述比较器输出高电平时输出脉冲控制信号，以控制所述开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，以控制所述开关元件处于关断状态。

在一些实施例中，所述脉冲控制电路还包括驱动单元，所述驱动单元设置在所述脉冲单元和所述开关元件的控制端之间，用于将所述控制信号转换至目标控制信号，以基于所述目标控制信号控制所述开关元件的工作状态。

在一些实施例中，所述保护电路还包括：

脉冲控制器，所述脉冲控制器用于获取流经所述开关元件的电流信号、所述保护电流、脉冲宽度调制周期、电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压；当所述比较器输出高电平时，基于所述电流信号、所述保护电流、所述脉冲宽度调制周期、所述电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压确定目标脉冲占空比；基于所述目标脉冲占空比控制所述脉冲单元输出脉冲控制信号，以使所述降压变换电路恒流输出。

在一些实施例中，所述保护电路还包括：

电压采样单元，所述电压采样单元用于获取所述降压变换电路的输入电压以及输出电压。

在第二方面，本申请提供了一种电子设备，其包括升压变换器和设置于所述升压变换器输出端的保护电路，所述保护电路采用上述任一项所述的保护电路。

在第三方面，本申请提供了一种升压变换器的保护方法，所述保护方法基于上述任一项所述的保护电路实现，包括：

当流经降压变换电路中开关元件的采样电流大于保护电流时，输出脉冲控制信号，以控制所述开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，以控制所述开关元件处于关断状态。

在一些实施例中，所述方法还包括：

获取流经所述开关元件的电流信号、保护电流、脉冲宽度调制周期、电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压；

当所述采样电流大于所述保护电流时，基于所述电流信号、所述保护电流、所述脉冲宽度调制周期、所述电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压确定目标脉冲占空比；

基于所述目标脉冲占空比控制输出脉冲控制信号，以使所述降压变换电路恒流输出。

在采用上述技术方案的情况下，本申请能够提供一种用于升压变换器的保护电路，其可以包括降压变换电路，降压变换电路设置在升压变换器的输出端，降压变换电路至少包括开关元件，开关元件的第一端与升压变换器的输出端连接；电流采样电路，电流采样电路用于获取流经开关元件的采样电流；脉冲控制电路，脉冲控制电路的输出端与开关元件的控制端连接，脉冲控制电路用于获取采样电流以及保护电流并将采样电流和保护电流进行对比，根据对比结果输出控制信号，以控制开关元件的工作状态。通过设置降压变换电路可以有效的降低输出电压，从而可适用于高压范围的电路保护，改善输出开关元件的电流应力，通过设置脉冲控制电路可以有效降低开关控制过程中的功率损耗，可实现可靠的电路保护。

附图说明

下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是现有技术中用于升压变换器的保护电路；

图2是本申请实施例提供的保护电路示意图；

图3是本申请另一实施例提供的保护电路示意图；

图4是本申请实施例提供的开关元件S101的开关状态图；

图5是本申请另一实施例提供的保护电路结构示意图；

图6是本申请实施例提供的升压变换器的保护方法流程示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本申请的一些实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本申请的技术原理，并非旨在限制本申请的保护范围。

参见图1所示，图1是现有技术中用于升压变换器的保护电路，其可以包括升压变换器以及设置在升压变换器和负载R_L之间的直流开关S1，升压变换器可以包括：直流电源DC；与直流电源DC的正极连接的电感L；与电感L串联设置的二极管D；功率开关S，其第一端与二极管D的正极连接、第二端与直流电源DC的负极连接、控制端用于输入脉冲信号DR的；以及电容C，电容C的一端与二极管D的阴极连接，另一端与直流电源DC的负极连接。当出现过流或短路情况时，控制直流开关S1关断，以达到保护目的。但该方法在进行电路保护的过程中，直流开关S1的电流应力较大，且工作状态必须经过线性区过渡，功率损耗较高，有超出器件安全工作区的风险，且仅适用于低电压小电流的情况。另外，为了保证器件安全，在执行保护动作时需要保证直流开关S1能够较快的响应，然而较快响应会导致有冲击负载时，容易误触发保护。

有鉴于此，本申请提供了一种保护电路，该保护电路可以用于升压变换器，参见图2所示，图2是本申请实施例提供的保护电路示意图，包括：

降压变换电路11，降压变换电路11设置在升压变换器的输出端，降压变换电路11至少包括开关元件S101，开关元件S101的第一端与升压变换器的输出端连接；

电流采样电路12，电流采样电路12用于获取流经开关元件S101的采样电流；

脉冲控制电路13，脉冲控制电路13的输出端与开关元件S101的控制端连接，脉冲控制电路13用于获取采样电流以及保护电流Cp并将采样电流和保护电流进行对比，根据对比结果输出控制信号，以控制开关元件的工作状态S101。

在一些实施例中，开关元件S101可以采用PMOS管(P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)或者NMOS管(N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)。在另一些实施例中，开关元件S101还可以采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。

在一些实施例中，脉冲控制电路13可以用于当采样电流大于保护电流Cp时，输出脉冲控制信号，以控制开关元件S101处于开通和关断交替的状态，从而实现对升压变换器的过流或短路保护，同时可以避免现有技术中执行保护过程时需要经过线性区过渡的问题，可以有效降低功率损耗。

在另一些实施例中，脉冲控制电路13可以用于当采样电流大于保护电流Cp时，输出低电平控制信号，以控制开关元件S101处于断开状态，从而实现对升压变换器的过流或短路保护。降压变换电路11可以降低输入电压Vin，从而，本申请提供的保护电路也可以适用于较高的电压范围的电路保护。

在另一些实施例中，脉冲控制电路13可以用于当采样电流小于保护电流Cp时，输出高电平控制信号，以控制开关元件S101处于开通状态。此时，开关元件S101可以等效为一个电阻，等效阻值可以标识为Rdson，当前开关元件S101的功率消耗可以表示为Iin²*Rdson，Iin代表流经开关元件S101的电流，在本申请实施例中可以选取较低等效阻值Rdson的开关元件S101，以在采样电流小于保护电流Cp的正常模式下，可以实现低功耗。另外，因设置了降压变换电路11，可以改善开关元件S101的电流应力。

以上为本申请实施例提供的一种用于升压变换器的保护电路，其可以包括降压变换电路，降压变换电路设置在升压变换器的输出端，降压变换电路至少包括开关元件，开关元件的第一端与升压变换器的输出端连接；电流采样电路，电流采样电路用于获取流经开关元件的采样电流；脉冲控制电路，脉冲控制电路的输出端与开关元件的控制端连接，脉冲控制电路用于获取采样电流以及保护电流并将采样电流和保护电流进行对比，根据对比结果输出控制信号，以控制开关元件的工作状态。通过设置降压变换电路可以有效的降低输出电压，从而可适用于高压范围的电路保护，改善输出开关元件的电流应力，通过设置脉冲控制电路可以有效降低开关控制过程中的功率损耗，可实现可靠的电路保护。

在一些实施例中，如图3所示，图3是本申请另一实施例提供的保护电路示意图，其在图2示出的保护电路的基础上设置得到。其中，降压变换电路11还包括电感L101、电容C101以及二极管D101，电感L101的第一端与开关元件S101的第二端连接，电感L101的第二端与负载R_L连接；电容C101的第一端与电感L101的第二端连接，电容C101的第二端接地；二极管D101的正极接地，二极管D101的负极与电感L101的第一端连接。

在一些实施例中，参见图3所示，电流采样电路12可以包括：

电流传感器CS1，电流传感器CS1设置在开关元件S101的第二端，用于测量流经开关元件S101的电流信号并将电流信号传输至电流采样单元121；

电流采样单元121用于根据电流信号得到采样电流。

在一些实施例中，参见图3所示，脉冲控制电路13可以包括：

比较器131，比较器131的正相输入端用于输入采样电流，比较器131的负相输入端用于输入保护电流Cp；

脉冲单元132，脉冲单元132的输入端与比较器131的输出端连接，脉冲单元132用于当比较器131输出低电平时输出高电平控制信号，以控制开关元件S101处于开通状态；当比较器131输出高电平时输出脉冲控制信号，以控制开关元件S101处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，以控制开关元件S101处于关断状态。

其中，比较器131的输出信号可以用CL表示，参见图4所示，图4是本申请实施例提供的开关元件S101的开关状态图，其中，横轴代表时间t，纵轴代表开关元件的开关状态，On代表处于开通状态，当比较器131的输出信号为低电平时CL＝0，开关元件S101处于常通状态；当比较器131的输出信号为高电平时CL＝1，基于脉冲控制信号，开关元件S101处于开通和关断交替的状态。

在一些实施例中，脉冲单元132可以通过微控制器或集成电路实现。

在一些实施例中，参见图3所示，脉冲控制电路13还可以包括驱动单元133，驱动单元133设置在脉冲单元132和开关元件S101的控制端之间，用于将控制信号转换至目标控制信号，以基于目标控制信号控制开关元件S101的工作状态。

脉冲单元132输出信号较弱，为了满足开关元件S101控制端的信号要求，可以设置驱动单元133，通过驱动单元133对脉冲单元132输出的控制信号的幅度和功率进行放大，以达到目标控制信号，实现对开关元件S101的控制。

在一些实施例中，参见图5所示，图5是本申请另一实施例提供的保护电路结构示意图，其可以在图3示出的保护电路的基础上设置得到。

参见图5所示，保护电路还可以包括：

脉冲控制器14，脉冲控制器14用于获取流经开关元件S101的电流信号、保护电流Cp、脉冲宽度调制周期T、电感值L₀、降压变换电路11的输入电压Vin以及输出电压Vout；当比较器131输出高电平时，基于电流信号、保护电流Cp、脉冲宽度调制周期T、电感值L₀、降压变换电路11的输入电压Vin以及输出电压Vout确定目标脉冲占空比d；基于目标脉冲占空比d控制脉冲单元132输出脉冲控制信号，以使降压变换电路11恒流输出。

在一些实施例中，可以基于以下表达式确定目标脉冲占空比d：

Iin＝(Vin-Vout)/L₀*T*d

其中，可以令Iin与保护电流Cp相同，或者，与保护电流Cp接近。

在一些实施例中，保护电路还可以包括：

电压采样单元，电压采样单元可以用于获取降压变换电路11的输入电压Vin以及输出电压Vout。其中，电压采用单元未在图中示出。

需要说明的是，在一些实施例中，脉冲控制器14也可以与脉冲单元132一体设置。

以上为本申请另一些实施例提供的用于升压变换器的保护电路，其可以达到与图3对应保护电路相同的有益效果，且通过设置脉冲控制器，通过获取流经开关元件S101的电流信号、保护电流Cp、脉冲宽度调制周期T、电感值L₀、降压变换电路11的输入电压Vin以及输出电压Vout；当比较器131输出高电平时，基于电流信号、保护电流Cp、脉冲宽度调制周期T、电感值L₀、降压变换电路11的输入电压Vin以及输出电压Vout确定目标脉冲占空比d；基于目标脉冲占空比d控制脉冲单元132输出脉冲控制信号，还可以实现控制降压变换电路11恒流输出。

本申请的另一方面，还提供了一种电子设备，其可以包括升压变换器和设置于升压变换器输出端的保护电路，该保护电路采用本申请上述任一实施例提供的保护电路，并实现与上述任一实施例相同的有益效果，实现对升压变换电路的过流保护、短路保护或恒流控制。

本申请的另一方面，还提供了一种升压变换器的保护方法，该保护方法基于本申请上述任一实施例所述的保护电路实现，参见图6所示，图6是本申请实施例提供的升压变换器的保护方法流程示意图，其可以包括：

步骤S61：当流经降压变换电路中开关元件的采样电流大于保护电流时，输出脉冲控制信号，以控制开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，以控制开关元件处于关断状态。

通过控制开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，处于关断状态，从而可以实现对升压变换器的过流或短路保护。

在一些实施例中，该方法还可以包括：

当流经降压变换电路中开关元件的采样电流小于保护电流时，输出高电平控制信号，以控制开关元件处于开通状态。

当采样电流小于保护电流时即处于正常状态，通过控制开关元件处于开通状态，并选取等效电阻较小的开关元件，可以有效降低功率消耗。

在一些实施例中，当基于图3对应的保护电路实现时，步骤S61还可以为当比较器输出高电平时，输出脉冲控制信号，以控制开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，以控制开关元件处于关断状态。

相应的，当比较器输出低电平时，输出高电平控制信号，以控制开关元件处于开通状态。

在一些实施例中，本申请提供的保护方法还可以包括：

获取流经开关元件的电流信号、保护电流、脉冲宽度调制周期、电感值、降压变换电路的输入电压以及输出电压；

当采样电流大于保护电流时，基于电流信号、保护电流、脉冲宽度调制周期、电感值、降压变换电路的输入电压以及输出电压确定目标脉冲占空比；

基于目标脉冲占空比控制输出脉冲控制信号，以使降压变换电路恒流输出。

其中，可以基于以下表达式确定目标脉冲占空比d：

Iin＝(Vin-Vout)/L₀*T*d

可以令Iin与保护电流Cp相同，或者，与保护电流Cp接近。

以上为本申请实施例提供的一种升压变换器的保护方法，其可以基于本申请上述任一实施例提供的保护电路实现，通过当流经降压变换电路中开关元件的采样电流大于保护电流时，输出脉冲控制信号，可以控制开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，可以控制开关元件处于关断状态，从而实现对升压变换器的过流或短路保护，具有高可靠性，可以有效降低误保护，降低功率消耗，且可以在高低压全范围适用。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种保护电路，其特征在于，所述保护电路用于升压变换器，包括：

降压变换电路，所述降压变换电路设置在所述升压变换器的输出端，所述降压变换电路至少包括开关元件，所述开关元件的第一端与所述升压变换器的输出端连接；

电流采样电路，所述电流采样电路用于获取流经所述开关元件的采样电流；

脉冲控制电路，所述脉冲控制电路的输出端与所述开关元件的控制端连接，所述脉冲控制电路用于获取所述采样电流以及保护电流并将所述采样电流和所述保护电流进行对比，根据对比结果输出控制信号，以控制所述开关元件的工作状态。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述降压变换电路还包括电感、电容以及二极管，所述电感的第一端与所述开关元件的第二端连接，所述电感的第二端与负载连接；所述电容的第一端与所述电感的第二端连接，所述电容的第二端接地；所述二极管的正极接地，所述二极管的负极与所述电感的第一端连接。

3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述电流采样电路包括：

电流传感器，所述电流传感器设置在所述开关元件的第二端，用于测量流经所述开关元件的电流信号并将所述电流信号传输至电流采样单元；

所述电流采样单元用于根据所述电流信号得到所述采样电流。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的保护电路，其特征在于，所述脉冲控制电路包括：

比较器，所述比较器的正相输入端用于输入所述采样电流，所述比较器的负相输入端用于输入所述保护电流；

脉冲单元，所述脉冲单元的输入端与所述比较器的输出端连接，所述脉冲单元用于当所述比较器输出低电平时输出高电平控制信号，以控制所述开关元件处于开通状态；当所述比较器输出高电平时输出脉冲控制信号，以控制所述开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，以控制所述开关元件处于关断状态。

5.根据权利要求4所述的保护电路，其特征在于，所述脉冲控制电路还包括驱动单元，所述驱动单元设置在所述脉冲单元和所述开关元件的控制端之间，用于将所述控制信号转换至目标控制信号，以基于所述目标控制信号控制所述开关元件的工作状态。

6.根据权利要求4所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括：

脉冲控制器，所述脉冲控制器用于获取流经所述开关元件的电流信号、所述保护电流、脉冲宽度调制周期、电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压；当所述比较器输出高电平时，基于所述电流信号、所述保护电流、所述脉冲宽度调制周期、所述电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压确定目标脉冲占空比；基于所述目标脉冲占空比控制所述脉冲单元输出脉冲控制信号，以使所述降压变换电路恒流输出。

7.根据权利要求6所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括：

电压采样单元，所述电压采样单元用于获取所述降压变换电路的输入电压以及输出电压。

8.一种电子设备，其特征在于，包括升压变换器和设置于所述升压变换器输出端的保护电路，所述保护电路采用权利要求1至7中任一项所述的保护电路。

9.一种升压变换器的保护方法，其特征在于，所述保护方法基于权利要求1至7中任一项所述的保护电路实现，包括：

当流经降压变换电路中开关元件的采样电流大于保护电流时，输出脉冲控制信号，以控制所述开关元件处于开通和关断交替的状态，或者，输出低电平控制信号，以控制所述开关元件处于关断状态。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取流经所述开关元件的电流信号、保护电流、脉冲宽度调制周期、电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压；

当所述采样电流大于所述保护电流时，基于所述电流信号、所述保护电流、所述脉冲宽度调制周期、所述电感值、所述降压变换电路的输入电压以及输出电压确定目标脉冲占空比；

基于所述目标脉冲占空比控制输出脉冲控制信号，以使所述降压变换电路恒流输出。