CN209675927U - 基于固定周期开关电源的过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于固定周期开关电源的过流保护电路，电感L的一端通过负载连接输入电源Vin的正极，电感L的另一端连接开关管Q1的漏极；振荡器通过RS触发器连接开关管Q1的栅极，开关管Q1的源极通过电阻Rcs接地，恒流采样单元分别连接开关管Q1的源极和与门G1的一个输入端，最小导通时间计时单元分别连接开关管Q1的栅极和与门G1的另一个输入端，与门G1的输出端连接RS触发器的R输入端，导通时间检测单元的输入端分别连接最小导通时间计时单元的输出端和恒流采样单元的输出端，导通时间检测单元的输出端连接振荡器周期调节单元的输入端，振荡器周期调节单元的输出端连接振荡器。该实用新型具有设计科学、实用性强、结构简单、使用方便的优点。

Description

基于固定周期开关电源的过流保护电路

技术领域

本实用新型涉及了一种基于固定周期开关电源的过流保护电路。

背景技术

固定周期开关电源由于系统的器件少、结构简单等优点，在电源领域广泛应用。如图1为现有的一种开关电源结构，在开关管Q1导通时，通过恒流采样单元、采样电阻Rcs来检测输出电流，并与振荡器、RS触发器一起控制开关管 Q1的开关状态，使输出电流维持在期望的电流值。

图2是现有开关电源电路的工作时序图，振荡器用于产生周期固定的方波信号CLK，信号CLK的周期T即为该固定周期开关电源电路的开关周期。当CLK 信号由低电平变为高电平后，RS触发器的输出信号DRV由低电平变为高电平，开关管Q1由关断状态变为导通状态。开关管导通时间为Ton，开关管关断时间为Toff，并且T＝Ton+Toff。在开关管Q1导通时间Ton内，电感电流增大，电感电流增大值为：△IL+＝(Vin-Vout)/L*Ton；在开关管Q1关断时间Toff内，电感电流减小，电感电流减小值为：△IL-＝Vout/L*Toff＝Vout/L*(T-Ton)。当△IL+＝△IL-时，每个开关周期内电感电流平均值相等，输出电流Iout的平均值为恒定值。

开关管Q1由关断状态变为导通状态的瞬间，由于电感、功率管漏极寄生电容谐振的影响，采样电阻Rcs上会出现一个电压尖冲。为了避免该电压尖冲造成电路工作状态错误，一般在开关管Q1导通后经过一个固定的延迟时间才被允许关断，该固定的延迟时间即开关管最小导通限制时间Ton_min，由最小导通时间计时单元产生。当开关管Q1由关断变为开启后，最小导通时间计时单元开始计时，Ton_min由低电平变为高电平；在最小导通时间计时单元计时结束后，Ton_min由高电平变为低电平。

开关管Q1导通时，通过电感L的电流同时通过开关管Q1和采样电阻Rcs，通过检测采样电阻Rcs上的电压Vcs可以间接地检测电感电流。

输入电压Vin较低时，在开关管Q1导通时间内，恒流检测单元通过检测Vcs 电压检测电感电流，当电感电流平均值高于期望值时，恒流检测单元的输出信号SHUT由低电平变为高电平，RS触发器的输入信号CLR由低电平变为高电平， RS触发器的输出信号DRV由高电平变为低电平，开关管Q1由导通状态变为关断状态。

随着输入电压Vin的增大，开关管Q1的导通时间Ton减小。当电压Vin增大到使开关管Q1导通时间Ton等于Ton_min后，即使Vin继续增大，开关管Q1 的导通时间Ton也不会再减小。原因是：当电感电流平均值高于期望值时，恒流检测单元的输出信号SHUT由低电平变为高电平，但最小导通时间计时单元的输出信号Ton_min还没有由低电平变为高电平。必须等待最小导通时间计时单元的输出信号Ton_min由低电平变为高电平后，RS触发器的输入信号CLR才会由低电平变为高电平并使开关管Q1关断。在这种情况下，开关管Q1导通时间 Ton＝Ton_min,随着Vin增大,Ton保持不变，在一个开关周期内，电感电流增加值为：△IL+＝(Vin-Vout)/L*Ton_min，电感电流减小值为：△ IL-＝Vout/L*Toff＝Vout/L*(T-Ton_min)，其中，开关周期T、电感值L、最小导通时间Ton_min和输出电压Vout恒定不变，随着Vin增大，△IL+增大、△ IL-不变，从而导致△IL+>△IL-,即每一个开关周期内，电感电流平均值都在增加，从而开关电源输出电流Iout随Vin增大而增大，并超过系统设置的恒流值。图3是现有开关电源电路在Vin增大前、后电感电流波形对比图。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、实用性强、结构简单、使用方便的基于固定周期开关电源的过流保护电路。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于固定周期开关电源的过流保护电路，二极管的阴极连接输入电源Vin的正极，二极管的阳极连接开关管Q1的漏极，电感L的一端通过负载连接输入电源Vin的正极，电感L的另一端连接开关管Q1的漏极，负载的两端为输出电源Vout；振荡器的输出端连接RS触发器的S输入端，RS触发器的输出端连接开关管Q1的栅极，开关管Q1的源极通过电阻Rcs接地，恒流采样单元的输入端连接开关管Q1的源极，恒流采样单元的输出端连接与门G1的一个输入端，最小导通时间计时单元的输入端连接开关管Q1的栅极，最小导通时间计时单元的输出端连接与门G1 的另一个输入端，与门G1的输出端连接RS触发器的R输入端；还包括导通时间检测单元和振荡器周期调节单元，所述导通时间检测单元的输入端分别连接最小导通时间计时单元的输出端和恒流采样单元的输出端，所述导通时间检测单元的输出端连接所述振荡器周期调节单元的输入端，配置为分别采样最小导通时间计时单元和恒流采样单元的输出信息并将采样信息比较后输入至所述振荡器周期调节单元；所述振荡器周期调节单元的输出端连接所述振荡器，配置为根据导通时间检测单元的采样比较输出信息调节振荡器的周期。

基于上述，所述导通时间检测单元包括或非门G2、或非门G3和非门G4，所述或非门G2的一个输入端连接所述恒流采样单元的输出端，所述或非门G2 的另一个输入端连接所述或非门G3的输出端，所述或非门G2的输出端连接所述或非门G3的一个输入端，所述非门G4的输入端连接所述最小导通时间计时单元的输出端，所述非门G4的输出端连接所述或非门G3的另一个输入端，所述或非门G3的输出端连接所述振荡器周期调节单元。

基于上述，所述振荡器周期调节单元包括非门G5、电阻R2、电阻R3、MOS 管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8、电容C2和稳压管VR，所述非门G5的输入端和所述MOS管Q2的栅极分别作为所述振荡器周期调节单元的输入端，所述MOS管Q2的漏极通过所述电阻R2连接电源Vdd，所述MOS管Q2的源极分别连接MOS管Q3的漏极和电容C2的一端，所述非门G5的输出端连接MOS管Q3的栅极，所述MOS管Q3的源极接地，所述电容C2的一端连接MOS管Q4的栅极，电容C2的另一端接地，MOS管Q4的源极和 MOS管Q5的源极分别通过电阻R3连接电源Vdd，MOS管Q4的漏极分别连接MOS 管Q6的栅极和漏极，MOS管Q6的源极接地，MOS管Q5的栅极通过所述稳压管 VR接地，MOS管Q5的漏极分别连接MOS管Q7的栅极和漏极，MOS管Q7的源极接地，MOS管Q7的栅极连接MOS管Q8的栅极，MOS管Q8的源极接地，MOS管Q8的漏极连接振荡器。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，与现有固定周期开关电源电路相比，本实用新型的过电流保护电路当输入电压增大导致开关管导通时间减小到最小限制时间时，通过增大振荡器的振荡周期，从而限制开关电源输出电流，保护开关电源的输出电流不会超过期望值，其具有设计科学、实用性强、结构简单、使用方便的优点。

附图说明

图1是本实用新型现有技术开关电源电路的结构示意图。

图2是本实用新型现有技术开关电源电路的工作时序示意图。

图3是本实用新型现有技术开关电源电路在Vin增大前、后电感电流波形对比图。

图4是本实用新型开关电源电路的结构示意图。

图5是本实用新型导通时间检测单元的电路结构示意图。

图6是本实用新型振荡器周期调节单元的电路结构示意图。

图7是本实用新型现有技术中振荡器的电路结构示意图。

图8是本实用新型导通时间检测单元的工作时序图。

图9是本实用新型开关电源电路在Vin增大前、后电感电流波形对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图4所示，一种基于固定周期开关电源的过流保护电路，二极管的阴极连接输入电源Vin的正极，二极管的阳极连接开关管Q1的漏极，电感L的一端通过负载连接输入电源Vin的正极，电感L的另一端连接开关管Q1的漏极，负载的两端为输出电源Vout；振荡器的输出端连接RS触发器的S输入端，RS触发器的输出端连接开关管Q1的栅极，开关管Q1的源极通过电阻Rcs接地，恒流采样单元的输入端连接开关管Q1的源极，恒流采样单元的输出端连接与门G1 的一个输入端，最小导通时间计时单元的输入端连接开关管Q1的栅极，最小导通时间计时单元的输出端连接与门G1的另一个输入端，与门G1的输出端连接 RS触发器的R输入端；还包括导通时间检测单元和振荡器周期调节单元，所述导通时间检测单元的输入端分别连接最小导通时间计时单元的输出端和恒流采样单元的输出端，所述导通时间检测单元的输出端连接所述振荡器周期调节单元的输入端，配置为分别采样最小导通时间计时单元和恒流采样单元的输出信息并将采样信息比较后输入至所述振荡器周期调节单元；所述振荡器周期调节单元的输出端连接所述振荡器，配置为根据导通时间检测单元的采样比较输出信息调节振荡器的周期。

导通时间检测单元比较最小导通时间计时单元和恒流采样单元的输出信号。当输入电源Vin的电压增大到使开关管Q1的导通时间Ton等于Ton_min后，如果Vin继续增大，则导通时间检测单元的输出信号State由低电平变为高电平。 State信号为高电平时，振荡器周期调节单元对振荡器的周期进行调节，使振荡器周期增大。State为高电平的时间持续越长，则振荡器的周期越大。

本实施例中，如图5所示，所述导通时间检测单元包括或非门G2、或非门 G3和非门G4，所述或非门G2的一个输入端连接所述恒流采样单元的输出端，所述或非门G2的另一个输入端连接所述或非门G3的输出端，所述或非门G2的输出端连接所述或非门G3的一个输入端，所述非门G4的输入端连接所述最小导通时间计时单元的输出端，所述非门G4的输出端连接所述或非门G3的另一个输入端，所述或非门G3的输出端连接所述振荡器周期调节单元。

如图8所示，当Vin电压较低时，开关管导通时间Ton大于Ton_min，SHUT 信号的高电平到来时，Ton_min为高电平，信号State维持为低电平。当Vin电压增大到使开关管Q1的导通时间Ton等于Ton_min后，如果Vin继续增大，SHUT 信号的高电平到来时，Ton_min为低电平，信号State变为高电平。Vin越大， SHUT信号越早变为高电平，在一个开关周期内，State持续为高电平的时间越长。信号State用于对振荡器周期进行调节。

如图6所示，所述振荡器周期调节单元包括非门G5、电阻R2、电阻R3、MOS 管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8、电容C2和稳压管VR，所述非门G5的输入端和所述MOS管Q2的栅极分别作为所述振荡器周期调节单元的输入端，所述MOS管Q2的漏极通过所述电阻R2连接电源Vdd，所述MOS管Q2的源极分别连接MOS管Q3的漏极和电容C2的一端，所述非门G5的输出端连接MOS管Q3的栅极，所述MOS管Q3的源极接地，所述电容C2的一端连接MOS管Q4的栅极，电容C2的另一端接地，MOS管Q4的源极和 MOS管Q5的源极分别通过电阻R3连接电源Vdd，MOS管Q4的漏极分别连接MOS 管Q6的栅极和漏极，MOS管Q6的源极接地，MOS管Q5的栅极通过所述稳压管 VR接地，MOS管Q5的漏极分别连接MOS管Q7的栅极和漏极，MOS管Q7的源极接地，MOS管Q7的栅极连接MOS管Q8的栅极，MOS管Q8的源极接地，MOS管Q8的漏极连接振荡器。当信号State为低电平时，MOS管Q2断开，MOS管Q3导通，电容C2被快速放电至0，电容C2上的电压VC2为0。当信号State由低电平变为高电平时，MOS管Q2导通，MOS管Q3断开，电容C2被充电，电容C2上的电压VC2逐渐上升。电源Vdd、电阻R3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、 MOS管Q7、MOS管Q8和稳压管VR构成一个电压控制电流源，电压VC2接到电压控制电流源的输入端，电压控制电流源的输出为电流I2。电压VC2的电压值为0时，输出电流I2为0；电压VC2的电压值越大，输出电流I2越大。

通常，如图7所示，振荡器的周期由充电电流I1和电容C1决定。振荡器周期调节单元的输出电流I2连接到振荡器的充电电流I1一端后，振荡器的有效充电电流变为I1-I2。当振荡器周期调节单元的输出电流I2由0增大时，振荡器的有效充电电流减小，振荡器的周期T增大。振荡器周期T随Vin增大的速率可以由电阻R2、电容C2和电压控制电流源的放大倍数决定。

如图9所示，当Vin电压增大到使开关管Q1导通时间Ton等于Ton_min后， Vin继续增大，开关管导通时间Ton＝Ton_min。现有技术中，在一个开关周期内，电感电流增加值为：△IL+＝(Vin-Vout)/L*Ton_min，电感电流减小值为：△ IL-＝Vout/L*Toff＝Vout/L*(T-Ton_min)，其中，开关周期T、电感值L、最小导通时间Ton_min和输出电压Vout恒定不变。随着Vin增大，△IL+增大。在本实用新型中，振荡器的周期T跟随Vin增大，从而△IL-增大。通过对振荡器周期调节单元的设计，适当的设置振荡器周期T随Vin增大的速率，可以做到在每一个开关周期内△IL+≦△IL-，从而使开关电源输出电流Iout不随Vin增大而增大。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种基于固定周期开关电源的过流保护电路，二极管的阴极连接输入电源Vin的正极，二极管的阳极连接开关管Q1的漏极，电感L的一端通过负载连接输入电源Vin的正极，电感L的另一端连接开关管Q1的漏极，负载的两端为输出电源Vout；振荡器的输出端连接RS触发器的S输入端，RS触发器的输出端连接开关管Q1的栅极，开关管Q1的源极通过电阻Rcs接地，恒流采样单元的输入端连接开关管Q1的源极，恒流采样单元的输出端连接与门G1的一个输入端，最小导通时间计时单元的输入端连接开关管Q1的栅极，最小导通时间计时单元的输出端连接与门G1的另一个输入端，与门G1的输出端连接RS触发器的R输入端，其特征在于：还包括导通时间检测单元和振荡器周期调节单元，所述导通时间检测单元的输入端分别连接最小导通时间计时单元的输出端和恒流采样单元的输出端，所述导通时间检测单元的输出端连接所述振荡器周期调节单元的输入端，配置为分别采样最小导通时间计时单元和恒流采样单元的输出信息并将采样信息比较后输入至所述振荡器周期调节单元；所述振荡器周期调节单元的输出端连接所述振荡器，配置为根据导通时间检测单元的采样比较输出信息调节振荡器的周期。

2.根据权利要求1所述的基于固定周期开关电源的过流保护电路，其特征在于：所述导通时间检测单元包括或非门G2、或非门G3和非门G4，所述或非门G2的一个输入端连接所述恒流采样单元的输出端，所述或非门G2的另一个输入端连接所述或非门G3的输出端，所述或非门G2的输出端连接所述或非门G3的一个输入端，所述非门G4的输入端连接所述最小导通时间计时单元的输出端，所述非门G4的输出端连接所述或非门G3的另一个输入端，所述或非门G3的输出端连接所述振荡器周期调节单元。

3.根据权利要求1所述的基于固定周期开关电源的过流保护电路，其特征在于：所述振荡器周期调节单元包括非门G5、电阻R2、电阻R3、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8、电容C2和稳压管VR，所述非门G5的输入端和所述MOS管Q2的栅极分别作为所述振荡器周期调节单元的输入端，所述MOS管Q2的漏极通过所述电阻R2连接电源Vdd，所述MOS管Q2的源极分别连接MOS管Q3的漏极和电容C2的一端，所述非门G5的输出端连接MOS管Q3的栅极，所述MOS管Q3的源极接地，所述电容C2的一端连接MOS管Q4的栅极，电容C2的另一端接地，MOS管Q4的源极和MOS管Q5的源极分别通过电阻R3连接电源Vdd，MOS管Q4的漏极分别连接MOS管Q6的栅极和漏极，MOS管Q6的源极接地，MOS管Q5的栅极通过所述稳压管VR接地，MOS管Q5的漏极分别连接MOS管Q7的栅极和漏极，MOS管Q7的源极接地，MOS管Q7的栅极连接MOS管Q8的栅极，MOS管Q8的源极接地，MOS管Q8的漏极连接振荡器。