CN201001028Y - 单片式开关电源及其过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种单片式开关电源的过温保护电路，检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，基于该检测的电压得到相应的温度值，还连接于该单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当测得的温度值高于预定的第一温度值时，该过温保护电路切断电源直到测得的温度低于预定的第二温度值时才恢复供电，其中，该过温保护电路包括：温度检测电路，温度比较电路，和过温控制电路。本实用新型的过温度保护电路利用晶体管的Vbe温度特性，随温度升高，Vbe的值下降。通过检测Vbe值与预定的比较电平相比较来实现过温度保护。采用本实用新型的过温度保护电路，当温度到达第一温度值(高温值)后，可迅速关断功率晶体管，起到及时的保护作用。

Description

单片式开关电源及其过温保护电路

技术领域

本实用新型涉及单片式开关电源的保护电路，更具体地说，涉及一种单片式开关电源及其过温度保护电路，尤其是涉及集成PWM逻辑控制器电路和功率晶体管的单片式开关电源的过温度保护电路。

背景技术

单片式开关电源整体方案设计了完善的PWM逻辑控制电路，并将功率晶体管和控制器集成到一个封装体内，提高了集成度，并解决了小封装的可靠性问题。带过温保护电路的单片式开关电源应用方案是一款效率高、短路特性好、系统输出纹波低的高性能方案，且系统成本较低。

如果开关电源的工作温度很高，重负载条件下，电源内部的温度很快就能升高。功率晶体管开关过程为开关电源电路中的主要热源之一，当功率晶体管和控制器同在一个封装体内时，升温更为迅速。高温情况会使整个开关电源的可靠性和性能下降。因此，加入过温保护和控制电路，一旦开关电源内部升温超过允许的最高温度时，可使整个开关电源自身保护，停止供电，直至内部温度降到允许的温度，又会重新工作。使整个单片式开关电源的可靠性和寿命提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种单片式开关电源及其过温度保护电路，尤其是涉及集成PWM逻辑控制器电路和功率晶体管的单片式开关电源的过温度保护电路。

根据本实用新型的第一方面，提供一种单片式开关电源的过温保护电路，其特征在于，检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，基于该检测的电压得到相应的温度值，还连接于该单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当测得的温度值高于预定的第一温度值时，该过温保护电路切断电源直到测得的温度低于预定的第二温度值时才恢复供电，其中，该过温保护电路包括：

温度检测电路，检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，得到相应的温度值；

温度比较电路，连接所述温度检测电路，还连接到所述单片式开关电源的基准电路接收一预定的基准电压，基于所述基准电压获得对应于第一温度值的第一比较电压和对应于第二温度值的第二比较电压；比较所检测的电压和第一比较电压，当所检测的电压高于第一比较电压时，判断温度过高，所述温度比较电路输出过温控制信号；之后比较所检测的电压和第二比较电压，当所检测的电压低于第二比较电压时，判断温度恢复，所述温度比较电路取消过温控制信号；

过温控制电路，连接到所述温度比较电路接收过温控制信号，连接到所述单片式开关电源的启动电路接收一使能信号，还连接到所述单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当接收到过温控制信号时，过温控制电路控制PWM逻辑控制电路和限流比较器切断电源供应直至过温控制信号消失。

根据本实用新型的一实施例，当所述过温控制信号消失时，所述单片式开关电源等待PWM逻辑控制电路重新启动完成后才恢复供电。

根据本实用新型的一实施例，所述温度检测电路检测晶体管的Vbe电压，根据Vbe电压和温度的对应关系得到相应的温度。

根据本实用新型的一实施例，所述温度比较电路包括比较器，所述比较器的一个输入端连接晶体管的Vbe电压，另一个输入端通过一分压电路连接到基准电路获得预定的基准电压，根据第一和第二温度值，所述分压电路基于所述基准电压的比例分压提供第一和第二比较电压至所述比较器。

根据本实用新型的一实施例，所述过温控制电路包括D触发器和一与门，所述D触发器的D输入端接收过温控制信号，并将所述使能信号作为D触发器的时钟信号，所述与门的输入端连接D触发器的Q输出端和所述使能信号，输出过温控制使能信号控制所述PWM逻辑控制电路和限流比较器的开关。

根据本实用新型的第二方面，提供一种单片式开关电源，包括：启动电路，连接到电源输入，提供使能信号；基准电路，连接所述启动电路，提供基准电压；限流比较器，连接到电源输入，进行限流；振荡器，提供本地振荡信号；PWM逻辑控制电路，连接到所述限流比较器和所述振荡器，进行PWM逻辑信号控制，输出PWM驱动信号；驱动电路，连接到所述PWM逻辑控制电路，接收PWM驱动信号，输出功率驱动信号驱动功率晶体管；

该单片式开关电源还包括过温保护电路，检测单片式开关电源中晶体管的电压，基于该检测的电压得到相应的温度值，还连接于该单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当测得的温度值高于预定的第一温度值时，该过温保护电路切断电源直到测得的温度低于预定的第二温度值时才恢复供电，其中，该过温保护电路包括：

温度检测电路，检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，得到相应的温度值；

温度比较电路，连接所述温度检测电路，还连接到所述单片式开关电源的基准电路接收一预定的基准电压，基于所述基准电压获得对应于第一温度值的第一比较电压和对应于第二温度值的第二比较电压；比较所检测的电压和第一比较电压，当所检测的电压高于第一比较电压时，判断温度过高，所述温度比较电路输出过温控制信号；之后比较所检测的电压和第二比较电压，当所检测的电压低于第二比较电压时，判断温度恢复，所述温度比较电路取消过温控制信号；

过温控制电路，连接到所述温度比较电路接收过温控制信号，连接到所述单片式开关电源的启动电路接收一使能信号，还连接到所述单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当接收到过温控制信号时，过温控制电路控制PWM逻辑控制电路和限流比较器切断电源供应直至过温控制信号消失。

根据本实用新型的一实施例，当所述过温控制信号消失时，所述单片式开关电源等待PWM逻辑控制电路重新启动完成后才恢复供电。

根据本实用新型的一实施例，所述温度检测电路检测晶体管的Vbe电压，根据Vbe电压和温度的对应关系得到相应的温度。

根据本实用新型的一实施例，所述温度比较电路包括比较器，所述比较器的一个输入端连接晶体管的Vbe电压，另一个输入端通过一分压电路连接到基准电路获得预定的基准电压，根据第一和第二温度值，所述分压电路基于所述基准电压的比例分压提供第一和第二比较电压至所述比较器。

根据本实用新型的一实施例，所述过温控制电路包括D触发器和一与门，所述D触发器的D输入端接收过温控制信号，并将所述使能信号作为D触发器的时钟信号，所述与门的输入端连接D触发器的Q输出端和所述使能信号，输出过温控制使能信号控制所述PWM逻辑控制电路和限流比较器的开关。

本实用新型的过温度保护电路利用晶体管的Vbe温度特性，随温度升高，Vbe的值下降。通过检测Vbe值与预定的比较电平相比较来实现过温度保护。采用本实用新型的过温度保护电路，但温度到达第一温度值(高温值)后，可迅速关断功率晶体管，起到及时的保护作用。当温度重新下降到第二温度(低温值)时，表明高温信号解除，此时功率晶体管并不能马上恢复工作，需等待PWM逻辑控制器重启动完成后，开关管才开始恢复正常工作。从而保证整个单片开关电源的平稳启动。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加清楚，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是根据本实用新型的一实施例的过温度保护电路的结构框图；

图2是根据本实用新型的采用过温度保护电路的单片式开关电源的结构框图；

图3是根据本实用新型的过温度保护电路的电路原理图；

图4是根据本实用新型的过温度保护电路中的过温度控制电路的逻辑元件具体实现图；

图5是根据本实用新型的过温度保护电路的控制逻辑时序图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。

首先，本实用新型提供一种单片式开关电源的过温保护电路，参考图1示出了其结构图，该过温度保护电路100用于检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，基于该检测的电压得到相应的温度值，还连接于该单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当测得的温度值高于预定的第一温度值时，该过温保护电路切断电源直到测得的温度低于预定的第二温度值时才恢复供电，参考图1，该过温保护电路100包括：

温度检测电路102，检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，得到相应的温度值；

温度比较电路104，连接温度检测电路，还连接到单片式开关电源的基准电路接收一预定的基准电压，基于基准电压获得对应于第一温度值的第一比较电压和对应于第二温度值的第二比较电压；比较所检测的电压和第一比较电压，当所检测的电压高于第一比较电压时，判断温度过高，温度比较电路输出过温控制信号；之后比较所检测的电压和第二比较电压，当所检测的电压低于第二比较电压时，判断温度恢复，温度比较电路取消过温控制信号；

过温控制电路106，连接到温度比较电路接收过温控制信号，连接到单片式开关电源的启动电路接收一使能信号，还连接到单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当接收到过温控制信号时，过温控制电路控制PWM逻辑控制电路和限流比较器切断电源供应直至过温控制信号消失。

参考图2，图2是一完整的一种单片式开关电源200的结构图，其中采用了本实用新型的过温度保护电路，参考图2，该单片式开关电源200包括：

启动电路208，连接到电源输入209，提供使能信号Enable；

基准电路210，连接启动电路208，提供基准电压Vref；

限流比较器212，连接到电源输入209，进行限流；

振荡器214，提供本地振荡信号；

PWM逻辑控制电路216，连接到限流比较器212和振荡器214，进行PWM逻辑信号控制，输出PWM驱动信号；

驱动电路218，连接到PWM逻辑控制电路216，接收PWM驱动信号，输出功率驱动信号驱动功率晶体管220；

该单片式开关电源200还包括过温保护电路，过温保护电路用于检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，基于该检测的电压得到相应的温度值，还连接于该单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，当测得的温度值高于预定的第一温度值时，该过温保护电路切断电源直到测得的温度低于预定的第二温度值时才恢复供电，其中，该过温保护电路包括：

温度检测电路202，检测单片式开关电源中晶体管220的电压，得到相应的温度值；

温度比较电路204，连接温度检测电路202，还连接到单片式开关电源的基准电路210接收一预定的基准电压Vref，基于基准电压获得对应于第一温度值的第一比较电压和对应于第二温度值的第二比较电压；比较所检测的电压和第一比较电压，当所检测的电压高于第一比较电压时，判断温度过高，所述温度比较电路输出过温控制信号；之后比较所检测的电压和第二比较电压，当所检测的电压低于第二比较电压时，判断温度恢复，温度比较电路取消过温控制信号；

过温控制电路206，连接到温度比较电路204接收过温控制信号OTP_driver，连接到单片式开关电源的启动电路接收一使能信号Enable，还连接到单片式开关电源的PWM逻辑控制电路216和限流比较器212，当接收到过温控制信号时OTP_driver，过温控制电路控制PWM逻辑控制电路216和限流比较器212切断电源供应直至过温控制信号消失。

本实用新型的过温度保护电路是利用晶体管的Vbe电压的温度特性，随温度升高，Vbe下降而进行过温度保护，因此，本实用新型的温度检测电路检测检测功率晶体管的Vbe电压，根据Vbe电压和温度的对应关系得到相应的温度。根据本实用新型的技术方案，会设定两个温度值，即第一温度值(高温值)和第二温度值(低温值)，当测得的晶体管温度高于第一温度值时，就需要切断整个单片式开关电源的供电，当测得的晶体管温度重新回到第二温度值之下时，重新恢复供电。在本实用新型的实施例中，温度比较电路包括比较器，比较器的一个输入端连接功率晶体管的Vbe电压，另一个输入端通过一分压电路连接到基准电路获得预定的基准电压Vref，根据第一和第二温度值，分压电路基于基准电压Vref的比例分压提供第一和第二比较电压至比较器。

根据本实用新型，当过温控制信号消失时，单片式开关电源等待PWM逻辑控制电路重新启动完成后才恢复供电。本实用新型的上述开/关的过程由述过温控制电路实现，该过温控制电路包括D触发器和一与门，D触发器的D输入端接收过温控制信号OTP_driver，并将使能信号作为D触发器的时钟信号，与门的输入端连接D触发器的Q输出端和使能信号Enable，输出过温控制使能信号Enable_OTP控制PWM逻辑控制电路和限流比较器的开关。

参考图3，图3是根据本实用新型的过温度保护电路的电路原理图。温度比较电路的一个输入端(图中所示是“-”输入端)接收由温度检测电路测得的晶体管的Vbe，另一个输入端(图中所示是“+”输入端)连接是一个分压电路(图中所示包括三个电阻R1、R2、R3)，通过该分压电路，可得到基准电压Vref的比例分压，第一温度值，此处称为高温阈值点Ta由电阻比例 $\frac{R3}{R1+R2+R3}\×\mathrm{Vref}$ 决定，第二温度值，此处称为低温阈值点Tb由电阻比例 $\frac{R3}{R2+R3}\×\mathrm{Vref}$ 决定。当测得的温度低于Ta前，过温信号OTP_driver输出为0电平，一旦温度到达Ta，比较器翻转，OTP_driver输出1电平。图3中的另两个器件NMOS和SPNP是辅助器件。

继续参考图3，OTP_driver输出到了过温控制电路，该过温控制电路是由过温保护信号OTP_driver和使能信号Enable驱动的的带使能端的异步置位D触发器，D触发器输出通过与门产生过温调制的使能信号Enable_OTP，该使能信号控制本地振荡器和PWM逻辑控制电路。正常温度时，D触发器Q端输出为1电平，过温调制的使能信号Enable_OTP＝Enable，控制器电路正常工作。当温度到达阈值点Ta后，OTP_driver输出1电平，D触发器Q端被清零，Enable_OTP被置0电平，驱动信号关闭，功率晶体管关闭，对系统进行了有效保护。等过温信号解除后，OTP_driVer翻转，输出0电平，D触发器状态不变，维持0电平，过温调制的使能信号Enable_OTP仍保持为0电平，需等到PWM系统重新启动，Enable再次置1，上升沿有效，D触发器状态翻转后，过温调制的使能信号Enable_OTP才可以复位，跟随Enable信号变化。这样就可以有效的避免了因过温解除时，PWM驱动信号突然恢复，驱动信号的占空比太大，造成系统电流过冲。每次系统过温信号解除后，PWM逻辑控制器输出的PWM驱动信号需等待重新启动后才可以从最小占空比开始恢复，从而保证每次启动，都有“软启动”过程。

图4是根据本实用新型的过温度保护电路中的过温度控制电路的逻辑元件具体实现图。该方式使用较少的门电路，就可以实现有效的过温控制。与非门NAND1和NAND2，与非门NAND3和NAND4分别构成两个RS触发器。

当无过温信号时，过温保护逻辑电平OTP_driver为0电平，与非门NAND4输出为1，与非门NAND1和NAND2组成的RS触发器输出为1电平，与非门3的输出电平为

取反后即为过温调制的使能信号Enable_OTP，此时Enable_OTP跟随Enable信号。

到达温度保护点后，过温保护逻辑电平OTP_driver翻转置NAND1电平，与非门NAND2输出NAND1电平，与非门NAND1输出为

该输出送入与非门NAND3，与Enable进行与非运算，使与非门NAND3输出为常1电平，过温调制的使能信号Enable_OTP为0电平，该0电平送入PWM逻辑控制器，关断功率晶体管。

等温度保护解除后，过温保护逻辑电平OTP_driVer又恢复为0电平，与非门NAND4输出常1电平，与非门NAND1和NAND2构成的RS触发器状态保持，使与非门NAND3的状态也保持不变，仍为NAND1电平，等到内部使能电平Enable下次上升沿到来，与非门NAND1和NAND2构成的RS触发器状态翻转，与非门NAND3的状态才开始恢复，跟随Enable，PWM逻辑控制器开始工作。

图5为本实用新型的过温度保护电路的时序逻辑图。无过温信号时，Enable_OTP跟随内部使能电平Enable变化，T1时刻，过温信号到来，控制信号OTP_driver状态翻转，过温调制的使能信号Enable_OTP被置0电平，PWM控制逻辑关断。T2时刻，过温信号解除，此时过温调制的使能信号Enable_OTP没有马上恢复，直到下次Enable上升沿到来，Enable_OTP才恢复跟随Enable的特性。电源电路开始恢复工作。

本实用新型的过温度保护电路利用晶体管的Vbe温度特性，随温度升高，Vbe的值下降。通过检测Vbe值与预定的比较电平相比较来实现过温度保护。采用本实用新型的过温度保护电路，但温度到达第一温度值(高温值)后，可迅速关断功率晶体管，起到及时的保护作用。当温度重新下降到第二温度(低温值)时，表明高温信号解除，此时功率晶体管并不能马上恢复工作，需等待PWM逻辑控制器重启动完成后，开关管才开始恢复正常工作。从而保证整个单片开关电源的平稳启动。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种单片式开关电源的过温保护电路，其特征在于，连接并检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，还连接于该单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，其中，该过温保护电路包括：

温度检测电路，连接并检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，得到相应的温度值；

温度比较电路，连接所述温度检测电路，还连接到所述单片式开关电源的基准电路接收一预定的基准电压；当温度检测电路所检测的电压高于一第一比较电压时，，所述温度比较电路输出过温控制信号；当当温度检测电路所检测的电压低于一第二比较电压时，所述温度比较电路取消过温控制信号；

过温控制电路，连接到所述温度比较电路接收过温控制信号，连接到所述单片式开关电源的启动电路接收一使能信号，还连接到所述单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，过温控制电路控制PWM逻辑控制电路和限流比较器在接收到过温控制信号时切断电源供应直至过温控制信号消失。

2.如权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述温度比较电路包括比较器，所述比较器的一个输入端连接晶体管的Vbe电压，另一个输入端通过一分压电路连接到基准电路获得预定的基准电压，所述分压电路基于所述基准电压的比例分压提供第一和第二比较电压至所述比较器。

3.如权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述过温控制电路包括D触发器和一与门，所述D触发器的D输入端接收过温控制信号，并将所述使能信号作为D触发器的时钟信号，所述与门的输入端连接D触发器的Q输出端和所述使能信号，输出过温控制使能信号控制所述PWM逻辑控制电路和限流比较器的开关。

4.一种单片式开关电源，包括：

启动电路，连接到电源输入，提供使能信号；

基准电路，连接所述启动电路，提供基准电压；

限流比较器，连接到电源输入，进行限流；

振荡器，提供本地振荡信号；

PWM逻辑控制电路，连接到所述限流比较器和所述振荡器，进行PWM逻辑信号控制，输出PWM驱动信号；

驱动电路，连接到所述PWM逻辑控制电路，接收PWM驱动信号，输出功率驱动信号驱动功率晶体管；

其特征在于，该单片式开关电源还包括过温保护电路，连接并检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，还连接于该单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，其中，该过温保护电路包括：

温度检测电路，连接并检测单片式开关电源中晶体管的Vbe电压，得到相应的温度值；

温度比较电路，连接所述温度检测电路，还连接到所述单片式开关电源的基准电路接收一预定的基准电压；当温度检测电路所检测的电压高于一第一比较电压时，所述温度比较电路输出过温控制信号；当温度检测电路所检测的电压低于一第二比较电压时，所述温度比较电路取消过温控制信号；

过温控制电路，连接到所述温度比较电路接收过温控制信号，连接到所述单片式开关电源的启动电路接收一使能信号，还连接到所述单片式开关电源的PWM逻辑控制电路和限流比较器，过温控制电路控制PWM逻辑控制电路和限流比较器在接收到过温控制信号时切断电源供应直至过温控制信号消失。

5.如权利要求4所述的单片式开关电源，其特征在于，所述温度比较电路包括比较器，所述比较器的一个输入端连接晶体管的Vbe电压，另一个输入端通过一分压电路连接到基准电路获得预定的基准电压，所述分压电路基于所述基准电压的比例分压提供第一和第二比较电压至所述比较器。

6.如权利要求4所述的单片式开关电源，其特征在于，所述过温控制电路包括D触发器和一与门，所述D触发器的D输入端接收过温控制信号，并将所述使能信号作为D触发器的时钟信号，所述与门的输入端连接D触发器的Q输出端和所述使能信号，输出过温控制使能信号控制所述PWM逻辑控制电路和限流比较器的开关。

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