CN201887652U - 一种开关电源中的可调过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种开关电源中可调整的过温保护电路，旨在解决现有的过温保护电路成本高、占用空间大、保护温度的精度不好控制以及温度范围不便于调节的问题。本实用新型用来检测系统的温度是否在芯片正常工作范围内，当温度超过系统正常工作时，该模块输出一个过温保护信号。当系统温度再次恢复正常工作温度是，该模块输出一个正常的温度指示信号。该保护电路可以集成在控制芯片中，以最小的电路规模，提供可靠的保护结构，并能够通过可变电阻串进行微调。

Description

一种开关电源中的可调过温保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种过温保护电路，具体的说是一种可集成在开关电源控制芯片中的可调整的过温保护电路。

背景技术

开关电源已经广泛地使用在各个领域，为各类设备提供工作电压。现有的开关电源技术一般包括控制芯片、驱动电路、开关电路、变压器(有的没有)、整流和滤波电路。通常来说，控制芯片里面包含基准电路、电源管理电路、振荡电路以及各种保护电路等等。其中保护电路一般包含有过压保护、欠压保护、过流保护和过温保护等。本专利主要涉及保护电路中的过温保护，并提供一种可以集成到控制芯片中实用的电路结构。如图1所示为过温保护电路在开关电源中的应用。

开关电源在工作时，特别是在重负载条件下时，电源内部的温度会急剧的上升。现代的开关电源都在朝着高开关频率和高功率密度的方向发展，而功率晶体管的开关过程和磁性器件产生的损耗为开关电源中的主要热源，尤其是当它们同时封装在一个密闭空间内的时候，温度上升的更为迅速。而高温情况会使得整个开关电源的性能下降，降低开关电源的寿命，最坏情况下甚至还会造成整机的破坏，带来巨大的经济损失。因此，我们在涉及开关电源的时候通常会加入过温保护电路，一旦开关电源内部的温度超过其允许的最高温度时，将停止内部电路的供电，为整个开关电源提供自身的保护，同时也保护了开关电源所供电的整机电路免遭破坏。而当电源内部温度下降到允许工作的范围时，又能重新激活开关电源使之正常工作。

通常来说，更多功能的加入，会使得系统更加复杂，不管芯片面积的增加还是板上电路的增加，都会导致面积的增大和成本的增加。所以作为一个必不可少的功能电路，怎样让其小型化、简单化而又不失精确度将是研究的重点方向。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可调整的过温保护电路，旨在解决现有的过温保护电路成本高、占用空间大、保护温度的精度不好控制以及温度范围不便于调节的问题。

按照本实用新型提供的技术方案，所述开关电源中的可调过温保护电路包括：第一PNP管基极与第二PNP管的基极相连，第一PNP管集电极、第五PNP管发射极、第三PNP管基极、第四PNP管基极相连；第二PNP管基极与集电极相连，再连接第六PNP管的发射极；第三PNP管集电极、第五PNP管的基极、第一NPN管集电极相连；第五PNP管集电极与地相连；第六PNP管基极、第四PNP管集电极、第二NPN管集电极相连；第六PNP管集电极通过第二电阻接地；第一NPN管基极与第二NPN管基极相连；第一NPN管发射极与第三NPN管的集电极、基极相连；第二NPN管发射极与第四NPN管的集电极、基极相连；第三NPN管发射极连接第一电阻一端，第一电阻另一端分别连接第四NPN管发射极和可变电阻串一端，可变电阻串另一端接地；外部电源连接在第一PNP管、第二PNP管、第三PNP管、第四PNP管的发射极端；偏置电压连接在第一NPN管、第二NPN管的基极端；可变电阻串用来调节翻转点的温度，可变电阻串具有多个过温保护微调端；第六PNP管集电极与第二电阻之间的连接点为输出。

所述可变电阻串包括4个过温保护微调端，第十一电阻一端接第一过温保护微调端，另一端接第二过温保护微调端；第二十一电阻一端接第二过温保护微调端，另一端接第三过温保护微调端、第三十一电阻和第三十二电阻的一端；第三十一电阻和第三十二电阻另一端相连并连接第四过温保护微调端以及第四十一电阻、第四十二电阻、第四十三电阻、第四十四电阻的一端，第四十一电阻、第四十二电阻、第四十三电阻、第四十四电阻另一端接地。

对可变电阻串可以通过多种接法改变其阻值，其一、第二过温保护微调端、第三过温保护微调端，第四过温保护微调端一起短接到地；其二、第三过温保护微调端，第四过温保护微调端一起短接到地；其三、第四过温保护微调端短接到地。

所述第一PNP管基极与第二PNP管两管对称，第三PNP管基极和第四PNP管两管对称，第三PNP管基极和第四PNP管两管的发射极面积大于第一PNP管基极与第二PNP管的发射极面积，第五PNP管、第六PNP管发射极面积大于第一PNP管基极、第二PNP管，第一NPN管与第三NPN管两管的发射极面积一致，第二NPN管与第四NPN管两管的发射极面积一致，第一NPN管、第三NPN管两管的发射极面积大于第二NPN管、第四NPN管两管的发射极面积。

所述可变电阻串可以采用串联不同阻值的电阻实现，或采用混联相同阻值的电阻实现。

本实用新型的优点是：本实用新型用来检测系统的温度是否在芯片正常工作范围内，当温度超过系统正常工作时，该电路输出一个过温保护信号；当系统温度再次恢复正常工作温度是，该电路输出一个正常的温度指示信号。该保护电路可以集成在控制芯片中，可以用简单的电路结构，提供精确的、可调的、低成本的过温保护解决方案，以最小的电路规模，提供可靠的保护结构，并能够通过可变电阻串进行微调。

附图说明

图1为过温保护电路在开关电源中的应用图；

图2为过温保护电路结构图；

图3为RES可变电阻串的结构图；

图4为第一实施例；

图5为第二实施例；

图6为第三实施例；

图7为第四实施例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图2所示，本实用新型所述的过温保护电路包括：由P3、N1、N3组成的第一支路；由P4、N2、N4组成的第二支路；由P1、P2、P5、P6组成的反馈系统；限流电阻R1和R2；可变电阻串RES，如图3所示，用来调节翻转点的温度。VDD为外部提供的电源，连接在P1、P2、P3、P4的发射极端；V_ref为外部提供的偏置电压，连接在N1、N2的基极端；PAD1、PAD2、PAD3、PAD4为过温保护微调端，联接于各个电阻之间；V_out为输出电压，连接在R2与P6的集电极之间。GND为大地，与RES、P5的集电极、R2相连。

具体为：第一PNP管P1基极与第二PNP管P2的基极相连，第一PNP管P1集电极、第五PNP管P5发射极、第三PNP管P3基极、第四PNP管P4基极相连；第二PNP管P2基极与集电极相连，再连接第六PNP管P6的发射极；第三PNP管P3集电极、第五PNP管P5的基极、第一NPN管N1集电极相连；第五PNP管P5集电极与地相连；第六PNP管P6基极、第四PNP管P4集电极、第二NPN管N2集电极相连；第六PNP管P6集电极通过第二电阻R2接地；第一NPN管N1基极与第二NPN管N2基极相连；第一NPN管N1发射极与第三NPN管N3的集电极、基极相连；第二NPN管N2发射极与第四NPN管N4的集电极、基极相连。

第三NPN管N3发射极连接第一电阻R1一端，第一电阻R1另一端分别连接第四NPN管N4发射极和可变电阻串RES一端PAD1，可变电阻串RES另一端接地；外部电源VDD连接在第一PNP管P1、第二PNP管P2、第三PNP管P3、第四PNP管P4的发射极端；偏置电压V_ref连接在第一NPN管N1、第二NPN管N2的基极端。

各双极型晶体管的比例关系如图2所示。图上所标的M为晶体管发射极面积与标准模型的比值，具体为：P1 M＝0.4；P2 M＝0.4；P3 M＝5；P4 M＝5；P5 M＝0.8；P6 M＝0.93；N1 M＝2.4；N2 M＝0.48；N3 M＝2.4；N4 M＝0.48。

本实用新型所提供的过温保护电路可以应用于开关电源等需要过温保护的电路及设备中，详述如下。

该模块用来检测系统的温度是否在芯片正常工作范围内，当温度超过系统正常工作时，该模块输出一个过温保护信号。当系统温度再次恢复正常工作温度时，该模块输出一个正常的温度指示信号。

其基本原理是利用第一支路和第二支路的电流大小关系随温度的变化，引发晶体管P4集电极VA节点电压的变化，控制晶体管P6的导通和关断，产生高低电平信号。当温度较低时，流过电阻R1上的电流较小，R1上压降较小，N1和N3与N2和N4的b-e电压差别较小，而N1和N3的发射极面积远大于N2和N4的发射极面积。由双极晶体管的电流电压关系式I_c＝I_sexp(V_be/V_T)可知，此时流过第一支路的电流大于流过第二支路的电流。因为P3和P4的发射极和基极电压都相等，为了保证第一支路的电流大于流过第二支路的电流，V_A节点电压将被抬高，晶体管P6关断，V_out为低电平。当温度升高时，流过电阻R1上的电流逐渐增大，R1上的压降增大。因此，N1和N3与N2和N4的b-e电压差增大。当温度升高到某一值时，流过N1和N3的电流小于流过N2和N4的电流。对V_A节点放电，使V_A电位很低，晶体管P6导通，节点V_out为高电平，表明系统的温度过高。

在临界状态下，流过N1和N3的电流等于流过N2和N4的电流，如果流过N1、N2、N3和N4的电流都为I，可以得到：

V_ref＝2V_{be_N3}+IR₁+2I*RES    (0-1)

V_ref＝2V_{be_N4}+2I*RES        (0-2)

V_{be_N3}＝V_Tln(I/I_{S_N3})       (0-3)

V_{be_N4}＝V_Tln(I/I_{S_N4})       (0-4)

因此，

$I=\frac{2}{R1}{V}_T\ln \left(\frac{T_{S\_N3}}{I_{S\_N4}}\right)=\frac{2\ln 5}{R1}{V}_T---(0-5)$

例如，如果RES＝R₁，将式(0-5)代入(0-2)中，得到：

$\mathrm{Vref}=2V_{\mathrm{be}\_N4}+4\ln 5\frac{\mathrm{RES}}{R1}{V}_T=2V_{\mathrm{be}\_N4}+6.4V_T$

第一实施例

如图7所示，可变电阻串RES包括4个过温保护微调端PAD1、PAD2、PAD3、PAD4，第十一电阻R11一端接第一过温保护微调端PAD1，另一端接第二过温保护微调端PAD2；第二十一电阻R21一端接第二过温保护微调端PAD2，另一端接第三过温保护微调端PAD3、第三十一电阻R31和第三十二电阻R32的一端；第三十一电阻R31和第三十二电阻R32另一端相连并连接第四过温保护微调端PAD4以及第四十一电阻R41、第四十二电阻R42、第四十三电阻R43、第四十四电阻R44的一端，第四十一电阻R41、第四十二电阻R42、第四十三电阻R43、第四十四电阻R44另一端接地。

此实施方式中，R1、R11、R21串联，同时与R31、R32组成的并联电阻串联，再与R41、R42、R43、R44组成的并联电阻一起串联到地。

第二实施例

如图4所示，可变电阻串RES在第一实施例的基础上，同时PAD2、PAD3、PAD4一起短接到地，也就是只有R1和R11串联到地，其他电阻被旁路。

第三实施例

如图5所示，可变电阻串RES在第一实施例的基础上，同时PAD3、PAD4一起短接到地，此时R1、R11和R21串联到地，其他电阻被旁路。

第四实施例

如图6所示，可变电阻串RES在第一实施例的基础上，同时PAD4短接到地，此时R1、R11、R21与R31和R32组成的并联电阻一起串联到地，其他电阻被旁路。

上述各实施方案可以在同一电路上通过配置各输入端口实现，电路简单，使用方便，精确可靠。通过配置各端口连接关系，可以提供不同关断温度的保护信号。

电路中各晶体管具有一定的关系，如下。

(1)P1与P2同为PNP管，发射极与VDD相连，其设计时应做到两管对称。

(2)P3与P4同为PNP管，发射极与VDD相连，其设计时应做到两管对称。

(3)P3与P4两管的发射极面积应大于P1与P2的发射极面积。

(4)P5为PNP管，P6为PNP管，其发射极面积应大于P1、P2。

(5)N1与N3同为NPN管，两管的发射极面积应保持一致。

(6)N2与N4同为NPN管，两管的发射极面积应保持一致。

(7)N1与N3两管的发射极面积应大于N2与N4的发射极面积。

(8)RES为可变电阻串，一端与R1相连，另一端与地相连，设计中可采用串联不同阻值的电阻实现，也可以采用串、并联相同阻值的电阻实现。

Claims (7)

1.一种开关电源中的可调过温保护电路，其特征是包括：

第一PNP管(P1)基极与第二PNP管(P2)的基极相连，第一PNP管(P1)集电极、第五PNP管(P5)发射极、第三PNP管(P3)基极、第四PNP管(P4)基极相连；

第二PNP管(P2)基极与集电极相连，再连接第六PNP管(P6)的发射极；

第三PNP管(P3)集电极、第五PNP管(P5)的基极、第一NPN管(N1)集电极相连；

第五PNP管(P5)集电极与地相连；

第六PNP管(P6)基极、第四PNP管(P4)集电极、第二NPN管(N2)集电极相连；第六PNP管(P6)集电极通过第二电阻(R2)接地；

第一NPN管(N1)基极与第二NPN管(N2)基极相连；第一NPN管(N1)发射极与第三NPN管(N3)的集电极、基极相连；

第二NPN管(N2)发射极与第四NPN管(N4)的集电极、基极相连；

第三NPN管(N3)发射极连接第一电阻(R1)一端，第一电阻(R1)另一端分别连接第四NPN管(N4)发射极和可变电阻串(RES)一端(PAD1)，可变电阻串(RES)另一端接地；

外部电源(VDD)连接在第一PNP管(P1)、第二PNP管(P2)、第三PNP管(P3)、第四PNP管(P4)的发射极端；偏置电压(V_ref)连接在第一NPN管(N1)、第二NPN管(N2)的基极端；

可变电阻串(RES)用来调节翻转点的温度，可变电阻串(RES)具有多个过温保护微调端；第六PNP管(P6)集电极与第二电阻(R2)之间的连接点为输出(V_out)。

2.如权利要求1所述开关电源中的可调过温保护电路，其特征是所述可变电阻串(RES)包括4个过温保护微调端(PAD1、PAD2、PAD3、PAD4)，第十一电阻(R11)一端接第一过温保护微调端(PAD1)，另一端接第二过温保护微调端(PAD2)；第二十一电阻(R21)一端接第二过温保护微调端(PAD2)，另一端接第三过温保护微调端(PAD3)、第三十一电阻(R31)和第三十二电阻(R32)的一端；第三十一电阻(R31)和第三十二电阻(R32)另一端相连并连接第四过温保护微调端(PAD4)以及第四十一电阻(R41)、第四十二电阻(R42)、第四十三电阻(R43)、第四十四电阻(R44)的一端，第四十一电阻(R41)、第四十二电阻(R42)、第四十三电阻(R43)、第四十四电阻(R44)另一端接地。

3.如权利要求2所述开关电源中的可调过温保护电路，其特征是第二过温保护微调端(PAD2)、第三过温保护微调端(PAD3)，第四过温保护微调端(PAD4)一起短接到地。

4.如权利要求2所述开关电源中的可调过温保护电路，其特征是第三过温保护微调端(PAD3)，第四过温保护微调端(PAD4)一起短接到地。

5.如权利要求2所述开关电源中的可调过温保护电路，其特征是第四过温保护微调端(PAD4)短接到地。

6.如权利要求1所述开关电源中的可调过温保护电路，其特征是所述第一PNP管(P1)基极与第二PNP管(P2)两管对称，第三PNP管(P3)基极和第四PNP管(P4)两管对称，第三PNP管(P3)基极和第四PNP管(P4)两管的发射极面积大于第一PNP管(P1)基极与第二PNP管(P2)的发射极面积，第五PNP管(P5)、第六PNP管(P6)发射极面积大于第一PNP管(P1)基极、第二PNP管(P2)，第一NPN管(N1)与第三NPN管(N3)两管的发射极面积一致，第NPN管(N2)与第四NPN管(N4)两管的发射极面积一致，第一NPN管(N1)、第三NPN管(N3)两管的发射极面积大于第二NPN管(N2)、第四NPN管(N4)两管的发射极面积。

7.如权利要求1所述开关电源中的可调过温保护电路，其特征是所述可变电阻串(RES)采用串联不同阻值的电阻实现，或采用混联相同阻值的电阻实现。

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