CN216598983U - 一种用于高压dcdc电源模块的过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路，过流保护电路包含两部分，为电流采样单元和电流比较单元，通过电流采样单元将电流信号转换为电压信号，将该电压信号作为电流比较单元的输入管的栅极信号，从而实现电流比较功能。本实用新型中SW点的电压替代电感电流的电流信号，并不直接通过比较电感电流与采样电流的大小，而是转换成电压信号输入到比较器中。并且不要在芯片外部设置电流检测电阻，也不需要产生高于VIN的电压域，在VIN的电压范围内就可以产生比较信号。

Description

一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路

技术领域

本实用新型属于开关电源技术领域，尤其涉及一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路，主要应用于高电压输入DC/DC转换器的高压侧中。

背景技术

随着消费者对电子产品的功能、待机时长等的要求越来越严苛,电源管理芯片朝着全负载范围内高转换效率、快速瞬态响应能力以及宽输入输出范围的方向发展。DC-DC开关电源是重中之重,一直是研究的热点。基于此在宽输入范围时，高压输入条件下保障芯片的性能也愈发关键。目前大多数过流保护模块要么采用在芯片外部设置检测电阻，通过检测电阻两端的电压来反映电感电流的大小，这样不仅会增加芯片引脚和外部器件，还会带来额外的能量损耗。要么通过升压电压电容，需要产生一个比VIN更高的BOOST的电压，在此电压域内进行过流检测。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术不足，提供了一种用于高电压DCDC电源模块的过流保护电路，涉及一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路，是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。发生短路故障或者非正常负载时，电流会突然增大，电压突然下降，当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，功率管功耗增大，芯片发热严重。当电感的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，关断功率管，限制电流继续上升。若没有过流保护装置，可能导致芯片产生不可逆的损坏。主要应用于高电压输入的DC/DC转换器的高压侧中。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路，过流保护电路包含两部分，为电流采样单元和电流比较单元，通过电流采样单元将电流信号转换为电压信号，将该电压信号作为电流比较单元的输入管的栅极信号，从而实现电流比较功能。

电流采样单元的第一P型MOS管MP1的栅极和漏极、第二P型MOS管MP2的栅极、第三P型MOS管MP3的栅极和第四P型MOS管MP4的栅极相连，第一N型MOS管MN1的漏极、第二P型MOS管MP2的漏极和第五P型MOS管MP5的栅极相连，第一N型MOS管MN1的源极和第二N型MOS管MN2的漏极相连，第二N型MOS管MN2的源极和第三N型MOS管MN3的漏极相连。第三N型MOS管MN3的源极和第四N型MOS管MN4的漏极相连，第三P型MOS管MP3的漏极、第五N型MOS管MN5的漏极、第六N型MOS管MN6的漏极、第七N型MOS管MN7的栅极和第八N型MOS管MN8的栅极极相连。第五N型MOS管MN5的源极和第五P型MOS管MP5的源极相连，第四P型MOS管MP4的漏极，第五N型MOS管MN5的栅极和第六N型MOS管MN6的栅极和漏极相接，第六N型MOS管MN6的源极和第六P型MOS管MP6的源极相连。第六P型MOS管MP6的栅极、第七N型MOS管MN7的源极、第八N型MOS管MN8的源极和电阻R1的一端相接，电阻R1的另一端与第五P型MOS管MP5的漏极、第六P型MOS管MP6的漏极和第四N型MOS管MN4的源极连到GND，第七N型MOS管MN7的漏极和第九N型MOS管MN9的源极相连，第八N型MOS管MN8的漏极和第十N型MOS管MN10的源极相连，第九N型MOS管MN9的漏极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与R5串联到VIN，第十N型MOS管MN10的漏极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与R2串联到VIN。

电流比较单元的第十二N型MOS管MN12的源极、第七P型MOS管MP7的源极和第九P型MOS管MP9的源极和栅极相连，第十三N型MOS管MN13的源极、第八P型MOS管MP8的源极和第十P型MOS管MP10的源极和栅极相连，第十二N型MOS管MN12的漏极、第十三N型MOS管MN13的漏极和齐纳二极管D1的负端与VIN相接。第七P型MOS管MP7的漏极和第十一P型MOS管MP11的源极相接，第八P型MOS管MP8的漏极、第九P型MOS管MP9的漏极与第十二P型MOS管MP12的源极相接，第九P型MOS管MP9的漏极与第十三P型MOS管MP13的源极相接。第十一P型MOS管MP11的栅极、第十二P型MOS管MP12的栅极和漏极、第十三P型MOS管MP13的栅极、第十五N型MOS管MN15的漏极与齐纳二极管的正端相连，第十一P型MOS管MP11的漏极与第十四N型MOS管MN14的漏极相接，第十三P型MOS管MP13的漏极与第十六N型MOS管MN16的漏极相接，第十四N型MOS管MN14的栅极、第十五N型MOS管MN15的栅极、第十六N型MOS管MN16的栅极、第十四P型MOS管MP14的源极与第十五P型MOS管MP15的源极相连。

技术效果：

本实用新型中SW点的电压替代电感电流的电流信号，并不直接通过比较电感电流与采样电流的大小，而是转换成电压信号输入到比较器中。并且不需要在芯片外部设置电流检测电阻，也不需要产生高于VIN的电压域，在VIN的电压范围内就可以产生比较信号。

附图说明

图1是本实用新型的电路图。

具体实施方式

参照附图所示，高电压输入DCDC电源模块的过流保护电路如图1所示。电路图中MN1、MN2、MN3、MN4均为采样管，器件类型与功率管保持一致，栅端电压为VDD，通过设计对应逻辑保证在上管导通期间采样管保持常导通状态。采样管导通内阻之和记为RSEN，通过BUFFER结构保证M9和M10的栅压相等。

由此可以列出如下等式：

MN7与MN8的尺寸相等，个数一致，R5的阻值为R2的k倍，R2与R6阻值相等，MN11的导通电阻远小于R2的阻值，因此忽略不计。可列出关于输出VOUT1和VOUT2的如下等式：

VOUT1与VOUT2为过流保护比较器的两个输入，当过流保护信号翻转时，输入端信号应该相等：

代入可得：

在上功率管导通时，VIN与VSW的电压差值与电感电流大小以及上功率管的导通内阻密切相关：

前文推导的等式

将上述三个等式代入整理后可得：

RSEN与RDS的比值与采样管跟功率管尺寸比例成反比，通过设置IREF的大小或者k的大小，便可以合理设置芯片的最大电流。

比较器的两个输入端VOUT1和VOUT2中，VOUT2相当于一个参考电压基本保持不变，VOUT1随着电感电流的增大而减小。当电感电流增大到设定值左右时，比较器的两个输入端相等，比较器输出发生翻转，输出过流保护信号ILIMIT为高电平。

所述的过流保护电路包含两部分，第一部分为电流采样单元，包含第一P型MOS管MP1、第二P型MOS管MP2、第三P型MOS管MP3、第四P型MOS管MP4、第五P型MOS管MP5、第六P型MOS管MP6、第一N型MOS管MN1、第二N型MOS管MN2、第三N型MOS管MN3、第四N型MOS管MN4、第五N型MOS管MN5、第六N型MOS管MN6、第七N型MOS管MN7、第八N型MOS管MN8、第九N型MOS管MN9、第十N型MOS管MN10、第十一N型MOS管MN11、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，通过采样管的电流大小来反应真实电感的电流大小。

具体连接关系如下：第一P型MOS管MP1的源极、第二P型MOS管MP2的源极、第三P型MOS管MP3的源极、第四P型MOS管MP4的源极、第一N型MOS管MN1的栅极、第二N型MOS管MN2的栅极、第三N型MOS管MN3的栅极、第四N型MOS管MN4的栅极、第九N型MOS管MN9的栅极、第十N型MOS管MN10的栅极与内部电源VDD相连。第一P型MOS管MP1的栅极和漏极、第二P型MOS管MP2的栅极、第三P型MOS管MP3的栅极、第四P型MOS管MP4的栅极相连。第一N型MOS管MN1的漏极、第二P型MOS管MP2的漏极、第五P型MOS管MP5的栅极相连。第一N型MOS管MN1的源极、第二N型MOS管MN2的漏极相连。第二N型MOS管MN2的源极、第三N型MOS管MN3的漏极相连。第三N型MOS管MN3的源极、第四N型MOS管MN4的漏极相连。第三P型MOS管MP3的漏极、第五N型MOS管MN5的漏极、第六N型MOS管MN6的漏极、第七N型MOS管MN7的栅极、第八N型MOS管MN8的栅极极相连。第五N型MOS管MN5的源极、第五P型MOS管MP5的源极相连。第四P型MOS管MP4的漏极，第五N型MOS管MN5的栅极，第六N型MOS管MN6的栅极和漏极相接。第六N型MOS管MN6的源极、第六P型MOS管MP6的源极相连。第六P型MOS管MP6的栅极、第七N型MOS管MN7的源极、第八N型MOS管MN8的源极、电阻R1的一端相接。电阻R1的另一端与第五P型MOS管MP5的漏极、第六P型MOS管MP6的漏极、第四N型MOS管MN4的源极连到GND。第七N型MOS管MN7的漏极、第九N型MOS管MN9的源极相连。第八N型MOS管MN8的漏极、第十N型MOS管MN10的源极相连。第九N型MOS管MN9的漏极与电阻R4的一端相连。电阻R4的另一端与R5串联到VIN。第十N型MOS管MN10的漏极与电阻R3的一端相连。电阻R3的另一端与R2串联到VIN。

第二部分为电流比较单元，包含第七P型MOS管MP7、第八P型MOS管MP8、第九P型MOS管MP9、第十P型MOS管MP10、第十一P型MOS管MP11、第十二P型MOS管MP12、第十三P型MOS管MP13、第十四P型MOS管MP14、第十五P型MOS管MP15、第十二N型MOS管MN12、第十三N型MOS管MN13、第十四N型MOS管MN14、第十五N型MOS管MN15、第十六N型MOS管MN16、第十七N型MOS管MN17、第十八N型MOS管MN18、第十九N型MOS管MN19、第二十N型MOS管MN20、齐纳二极管D1。

具体连接关系如下：第十二N型MOS管MN12的源极、第七P型MOS管MP7的源极、第九P型MOS管MP9的源极和栅极相连。第十三N型MOS管MN13的源极、第八P型MOS管MP8的源极、第十P型MOS管MP10的源极和栅极相连。第十二N型MOS管MN12的漏极、第十三N型MOS管MN13的漏极、齐纳二极管D1的负端与VIN相接。第七P型MOS管MP7的漏极、第十一P型MOS管MP11的源极相接。第八P型MOS管MP8的漏极、第九P型MOS管MP9的漏极、第十二P型MOS管MP12的源极相接。第九P型MOS管MP9的漏极、第十三P型MOS管MP13的源极相接。第十一P型MOS管MP11的栅极、第十二P型MOS管MP12的栅极和漏极、第十三P型MOS管MP13的栅极、第十五N型MOS管MN15的漏极与齐纳二极管的正端相连。第十一P型MOS管MP11的漏极、第十四N型MOS管MN14的漏极相接。第十三P型MOS管MP13的漏极、第十六N型MOS管MN16的漏极相接。第十四N型MOS管MN14的栅极、第十五N型MOS管MN15的栅极、第十六N型MOS管MN16的栅极、第十四P型MOS管MP14的源极、第十五P型MOS管MP15的源极相连。

Claims (3)

1.一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路，其特征在于，过流保护电路包含两部分，为电流采样单元和电流比较单元，通过电流采样单元将电流信号转换为电压信号，将该电压信号作为电流比较单元的输入管的栅极信号，从而实现电流比较功能。

2.根据权利要求1所述的一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路，其特征在于，电流采样单元的第一P型MOS管MP1的栅极和漏极、第二P型MOS管MP2的栅极、第三P型MOS管MP3的栅极和第四P型MOS管MP4的栅极相连，第一N型MOS管MN1的漏极、第二P型MOS管MP2的漏极和第五P型MOS管MP5的栅极相连，第一N型MOS管MN1的源极和第二N型MOS管MN2的漏极相连，第二N型MOS管MN2的源极和第三N型MOS管MN3的漏极相连，第三N型MOS管MN3的源极和第四N型MOS管MN4的漏极相连，第三P型MOS管MP3的漏极、第五N型MOS管MN5的漏极、第六N型MOS管MN6的漏极、第七N型MOS管MN7的栅极和第八N型MOS管MN8的栅极极相连，第五N型MOS管MN5的源极和第五P型MOS管MP5的源极相连，第四P型MOS管MP4的漏极，第五N型MOS管MN5的栅极和第六N型MOS管MN6的栅极和漏极相接，第六N型MOS管MN6的源极和第六P型MOS管MP6的源极相连，第六P型MOS管MP6的栅极、第七N型MOS管MN7的源极、第八N型MOS管MN8的源极和电阻R1的一端相接，电阻R1的另一端与第五P型MOS管MP5的漏极、第六P型MOS管MP6的漏极和第四N型MOS管MN4的源极连到GND，第七N型MOS管MN7的漏极和第九N型MOS管MN9的源极相连，第八N型MOS管MN8的漏极和第十N型MOS管MN10的源极相连，第九N型MOS管MN9的漏极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与R5串联到VIN，第十N型MOS管MN10的漏极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与R2串联到VIN。

3.根据权利要求1所述的一种用于高压DCDC电源模块的过流保护电路，其特征在于，电流比较单元的第十二N型MOS管MN12的源极、第七P型MOS管MP7的源极和第九P型MOS管MP9的源极和栅极相连，第十三N型MOS管MN13的源极、第八P型MOS管MP8的源极和第十P型MOS管MP10的源极和栅极相连，第十二N型MOS管MN12的漏极、第十三N型MOS管MN13的漏极和齐纳二极管D1的负端与VIN相接，第七P型MOS管MP7的漏极和第十一P型MOS管MP11的源极相接，第八P型MOS管MP8的漏极、第九P型MOS管MP9的漏极与第十二P型MOS管MP12的源极相接，第九P型MOS管MP9的漏极与第十三P型MOS管MP13的源极相接，第十一P型MOS管MP11的栅极、第十二P型MOS管MP12的栅极和漏极、第十三P型MOS管MP13的栅极、第十五N型MOS管MN15的漏极与齐纳二极管的正端相连，第十一P型MOS管MP11的漏极与第十四N型MOS管MN14的漏极相接，第十三P型MOS管MP13的漏极与第十六N型MOS管MN16的漏极相接，第十四N型MOS管MN14的栅极、第十五N型MOS管MN15的栅极、第十六N型MOS管MN16的栅极、第十四P型MOS管MP14的源极与第十五P型MOS管MP15的源极相连。

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