一種buck拓?fù)溟_關(guān)電源中的開關(guān)管故障檢測電路的制作方法
【專利摘要】一種BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源中的開關(guān)管故障檢測電路，包括依次連接的輸入保護(hù)電路、整流濾波電路、PWM控制電路、基本BUCK拓?fù)潆娐泛洼敵鲭娐罚涮卣髟谟?，增設(shè)微分電路和電壓比較電路，輸出電路的輸出連接微分電路，微分電路的輸出連接電壓比較電路，電壓比較電路輸出開關(guān)管是否出現(xiàn)故障的標(biāo)志信號。
【專利說明】—種BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源中的開關(guān)管故障檢測電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開關(guān)電源，尤其涉及一種BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源中的開關(guān)管故障檢測電路，適用于恒壓負(fù)載和相關(guān)的航空、航天、通信等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，BUCK拓?fù)涞拈_關(guān)電源在航空、航天、衛(wèi)星、船舶、通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，對電源工作的可靠性、穩(wěn)定性、安全性提出了極高的要求。而開關(guān)電源中開關(guān)管可能異常工作，導(dǎo)致整個(gè)電源系統(tǒng)崩潰。常見的開關(guān)管異常包括開關(guān)管短路和開關(guān)管斷路。為了避免這種情況的發(fā)生，人們采用針對開關(guān)管錯(cuò)誤容忍的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管錯(cuò)誤容忍的前提是快速、準(zhǔn)確的檢測到開關(guān)管的故障。目前，對開關(guān)管故障的檢測電路還處于技術(shù)研發(fā)階段，相關(guān)技術(shù)還不成熟。現(xiàn)在出現(xiàn)的技術(shù)主要有:對電感電流的檢測、對電感兩端電壓的檢測。這些檢測電路還存在速度較慢和檢測結(jié)果不準(zhǔn)確等不足，需要在檢測電路設(shè)計(jì)中加入消除干擾的電路，距離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，基于對BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源工作原理深入分析的基礎(chǔ)上，提供一種BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源中的開關(guān)管故障檢測電路，可以在不增加成本的情況下實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確檢測開關(guān)管故障，結(jié)構(gòu)非常簡單，沒有增加成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明檢測電路可以集成到PWM控制芯片中，通過對檢測到的故障信號進(jìn)行適當(dāng)處理就可以實(shí)現(xiàn)很好的錯(cuò)誤容忍開關(guān)電源系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:一種BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源中的開關(guān)管故障檢測電路，包括依次連接的輸入保護(hù)電路、整流濾波電路、PWM控制電路、基本BUCK拓?fù)潆娐泛洼敵鲭娐?，其特征在于，增設(shè)微分電路和電壓比較電路，輸出電路的輸出連接微分電路，微分電路的輸出連接電壓比較電路，電壓比較電路輸出基本BUCK拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)管是否出現(xiàn)故障的標(biāo)志信號；
[0005]微分電路包括電容Cl、電阻Rl和集成運(yùn)算放大器OPl，電容Cl的一端連接BUCK開關(guān)電源通過輸出電路輸出的電壓，電容Cl的另一端連接集成運(yùn)算放大器OPl的負(fù)輸入端和電阻Rl的一端，電阻Rl的另一端連接集成運(yùn)算放大器OPl的輸出端，集成運(yùn)算放大器OPl的正輸入端連接公共地端；
[0006]電壓比較電路包括電阻R2、R3，直流參考電壓源Vref和集成運(yùn)算放大器0P2，電阻R2的一端連接微分電路中集成運(yùn)算放大器OPl的輸出端，電阻R2的另一端連接集成運(yùn)算放大器0P2的負(fù)輸入端和電阻R3的一端，電阻R3的另一端連接直流參考電壓源Vref的正極，直流參考電壓源Vref的負(fù)極連接公共地端和集成運(yùn)算放大器0P2的正輸入端，集成運(yùn)算放大器0P2正的供電電壓端連接直流電壓源+Vz的正極，集成運(yùn)算放大器0P2負(fù)的供電電壓端連接公共地端，集成運(yùn)算放大器0P2的輸出端輸出基本BUCK拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)管是否出現(xiàn)故障的標(biāo)志信號。[0007]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及顯著效果:
[0008]I)在輸入電壓范圍大、輸出端有電壓的情況下，保證了開關(guān)管故障檢測的準(zhǔn)確性。
[0009]2)電路簡單，無需專用電路的復(fù)雜控制，成本低，可靠性好。
[0010]3)對輸出電壓微分，可以檢測到很小的開關(guān)紋波，應(yīng)用范圍廣。
[0011]4)微分電路和電壓比較電路可以集成到PWM控制芯片中，同時(shí)針對開關(guān)管故障的檢測情況采取錯(cuò)誤容忍措施，相關(guān)的電路都可以集成到PWM控制芯片中，大大降低成本。
[0012]5)在開關(guān)管故障發(fā)生后，本專利中的檢測電路最長只要兩個(gè)開關(guān)周期就可以準(zhǔn)確得到故障信號，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管故障的超快速檢測，保證了整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)工作的高穩(wěn)定性和高可靠性。該檢測電路不受開關(guān)管控制芯片工作原理的限制，只要搭建的BUCK開關(guān)電源能夠工作，該檢測電路都能夠有效地檢測出開關(guān)管的故障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明電路方框圖；
[0014]圖2是本發(fā)明電路原理圖；
[0015]圖3是采用了本發(fā)明結(jié)構(gòu)的開關(guān)管短路時(shí)Diagnose Signal的波形圖；
[0016]圖4是采用了本發(fā)明結(jié)構(gòu)的開關(guān)管開路時(shí)Diagnose Signal的波形圖；
[0017]圖5是采用了本發(fā)明結(jié)構(gòu)的開關(guān)管正常工作時(shí)Diagnose Signal的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明檢測BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源中開關(guān)管故障的電路，包括依次連接的輸入保護(hù)電路1、整流濾波電路2、PWM控制電路3、基本BUCK拓?fù)潆娐?和輸出電路5，上述電路均為已知的現(xiàn)有技術(shù)。在上述電路的基礎(chǔ)上，增設(shè)微分電路6和電壓比較電路7，輸出電路5的輸出連接微分電路6，微分電路6的輸出連接電壓比較電路7，電壓比較電路7輸出基本BUCK拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)管是否出現(xiàn)故障的標(biāo)志信號。
[0020]如圖2所示，輸入保護(hù)電路1、整流濾波電路2、PWM控制電路3、基本BUCK拓?fù)潆娐?和輸出電路5均為已知的現(xiàn)有技術(shù)，因此不再說明他們的電路結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系。微分電路6包括電容Cl、電阻Rl和集成運(yùn)算放大器OPl，電容Cl的一端連接BUCK電路的輸出電壓，電容Cl的另一端連接集成運(yùn)算放大器OPl的負(fù)輸入端，電阻Rl的一端連接集成運(yùn)算放大器OPl的負(fù)輸入端，電阻Rl的另一端連接集成運(yùn)算放大器OPl的輸出端，集成運(yùn)算放大器OPl的輸出端連接電壓比較電路中電阻R2的一端，集成運(yùn)算放大器OPl的正輸入端連接公共地端。
[0021]電壓比較電路7包括電阻R2、R3，直流參考電壓源Vref和集成運(yùn)算放大器0P2，電阻R2的一端連接微分電路中集成運(yùn)算放大器OPl的輸出端，電阻R2的另一端連接集成運(yùn)算放大器0P2的負(fù)輸入端，電阻R3的一端連接集成運(yùn)算放大器0P2的負(fù)輸入端，電阻R3的另一端連接直流參考電壓源Vref的正極，直流參考電壓源Vref的正極連接電阻R3的一端，直流電壓源Vref的負(fù)極連接公共地端，集成運(yùn)算放大器0P2的正輸入端連接公共地端，集成運(yùn)算放大器0P2的負(fù)輸入端連接電阻R2、R3的連接端，集成運(yùn)算放大器0P2的正的供電電壓端連接直流電壓源+Vz的正極，集成運(yùn)算放大器0P2的負(fù)的供電電壓端連接公共地端，集成運(yùn)算放大器0P2的輸出端輸出基本BUCK拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)管是否出現(xiàn)故障的標(biāo)志信號。
[0022]本發(fā)明的工作原理如下:
[0023]I)系統(tǒng)上電后，BUCK開關(guān)電源正常工作，PWM控制信號根據(jù)反饋信號實(shí)時(shí)調(diào)整。當(dāng)PWM控制信號為高電平時(shí)，基本BUCK拓?fù)潆娐?中的N溝道MOSFET導(dǎo)通，當(dāng)PWM控制信號為低電平時(shí)，N溝道MOSFET關(guān)斷。
[0024]2)在基本的BUCK拓?fù)潆娐?中，當(dāng)考慮儲能電解電容Co的等效的串聯(lián)電阻ESR時(shí)，儲能電解電容Co及其等效串聯(lián)電阻ESR和輸出負(fù)載Rload同時(shí)引進(jìn)一個(gè)極點(diǎn)fp =l/2 3i*Co*(ESR+Rload)和一個(gè)零點(diǎn)fz = 1/2 π *Co*ESR，而一個(gè)零點(diǎn)相當(dāng)于對輸出電壓進(jìn)行了一次微分，故輸出電壓的高頻紋波波形與電感中電流的波形一致。
[0025]3)當(dāng)N溝道MOSFET導(dǎo)通時(shí)，基本的BUCK拓?fù)潆娐?中電感L電流不斷增加，則輸出電壓的紋波也不斷增加，通過微分電路6得到負(fù)值(因?yàn)榧蛇\(yùn)算放大器OPl工作在負(fù)反饋狀態(tài)，引入了一個(gè)負(fù)號)，同理，當(dāng)N溝道MOSFET關(guān)斷時(shí)，基本的BUCK拓?fù)潆娐?中電感L電流不斷降低，則輸出電壓的紋波也不斷降低，通過微分電路6得到正值(因?yàn)榧蛇\(yùn)算放大器OPl工作在負(fù)反饋狀態(tài)，引入了一個(gè)負(fù)號)。
[0026]4)電壓比較電路7中，閾值電壓VT = -(R2/R3)*Vref，當(dāng)Vref設(shè)定后，可以通過調(diào)整R2與R3的比值得到合適的閾值電壓Vt,將閾值電壓Vt調(diào)整到接近于零的正值，從而得到比較準(zhǔn)確的基本的BUCK拓?fù)潆娐?中開關(guān)管MOSFET故障的檢測信號(Diagnose Signal),當(dāng)集成運(yùn)算放大器OPl的輸出電壓VQP1〈VT時(shí)，集成運(yùn)算放大器0P2的輸出電壓DiagnoseSignal = +Vz,當(dāng)集成運(yùn)算放大器OPl的輸出電壓VQP1>VT時(shí)，集成運(yùn)算放大器0P2的輸出電壓Diagnose Signal = O, N溝道MOSFET正常工作時(shí)得到的方波就是PWM波形。
[0027]5)當(dāng)N溝道MOSFET開路時(shí)，不管PWM控制信號是否是高電平，輸出電壓的紋波都要降低，經(jīng)過微分電路6和電壓比較電路7得到的Diagnose Signal = O。
[0028]6)當(dāng)N溝道MOSFET短路時(shí)，不管PWM控制信號是否是低電平，輸出電壓的紋波都要升高，經(jīng)過微分電路6和電壓比較電路7得到的Diagnose Signal = +Vz。
[0029]7)通過電壓比較電路7的Diagnose Signal與PWM控制信號的比較，就可以在N溝道MOSFET發(fā)生故障的本周期或下一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)檢測出來，當(dāng)N溝道MOSFET開路時(shí)，Diagnose Signal 恒為零，當(dāng) N 溝道 MOSFET 短路時(shí)，Diagnose Signal 恒為+Vz。
[0030]本發(fā)明工作過程如下:
[0031]系統(tǒng)上電后，BUCK開關(guān)電源正常工作，PWM控制信號根據(jù)反饋信號實(shí)時(shí)調(diào)整，此時(shí)得到的Diagnose Signal就是PWM波形。當(dāng)N溝道MOSFET開路時(shí)，不管PWM控制信號是否是高電平，輸出電壓的紋波都要降低，經(jīng)過微分電路6和電壓比較電路7得到的DiagnoseSignal恒為零。當(dāng)N溝道MOSFET短路時(shí)，不管PWM控制信號是否是低電平，輸出電壓的紋波都要升高，經(jīng)過微分電路6和電壓比較電路7得到的Diagnose Signal恒為Vz。N溝道MOSFET不管是開路還是短路，經(jīng)過微分電路6和電壓比較電路7得到的Diagnose Signal恒為一個(gè)單一電平，那么就可以在N溝道管MOSFET發(fā)生故障的本開關(guān)周期或下一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)檢測到開關(guān)故障。
[0032]采用本發(fā)明，大大提高了檢測開關(guān)管故障的速度，為采取相應(yīng)的保護(hù)措施爭取到寶貴的時(shí)間。本發(fā)明大大提高了電源系統(tǒng)工作的安全性、穩(wěn)定性和連續(xù)性，滿足了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娫吹囊?。同時(shí)，本發(fā)明采用了一個(gè)簡單的檢測電路實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管故障的準(zhǔn)確檢測，降低了傳統(tǒng)檢測電路對系統(tǒng)正常工作的干擾。
[0033]為了證明本發(fā)明的電路性能，設(shè)計(jì)并測試了一塊基于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的開關(guān)管故障檢測電路，圖3所示是采用了本發(fā)明基本BUCK拓?fù)潆娐?中的開關(guān)管MOSFET短路時(shí)DiagnoseSignal的波形，從圖中可以看出該開關(guān)管短路后Diagnose Signal恒為Vz。圖4所示是采用了本發(fā)明結(jié)構(gòu)的基本BUCK拓?fù)潆娐?中的開關(guān)管MOSFET開路時(shí)Diagnose Signal的波形，從圖中可以看出該開關(guān)管開路后Diagnose Signal恒為零。從以上結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明后可以大大降低故障檢測時(shí)間，效果明顯。
【權(quán)利要求】
1.一種BUCK拓?fù)溟_關(guān)電源中的開關(guān)管故障檢測電路，包括依次連接的輸入保護(hù)電路、整流濾波電路、PWM控制電路、基本BUCK拓?fù)潆娐泛洼敵鲭娐?，其特征在于，增設(shè)微分電路和電壓比較電路，輸出電路的輸出連接微分電路，微分電路的輸出連接電壓比較電路，電壓比較電路輸出基本BUCK拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)管是否出現(xiàn)故障的標(biāo)志信號； 微分電路包括電容Cl、電阻Rl和集成運(yùn)算放大器OPl，電容Cl的一端連接BUCK開關(guān)電源通過輸出電路輸出的電壓，電容Cl的另一端連接集成運(yùn)算放大器OPl的負(fù)輸入端和電阻Rl的一端，電阻Rl的另一端連接集成運(yùn)算放大器OPl的輸出端，集成運(yùn)算放大器OPl的正輸入端連接公共地端； 電壓比較電路包括電阻R2、R3，直流參考電壓源Vref和集成運(yùn)算放大器0P2，電阻R2的一端連接微分電路中集成運(yùn)算放大器OPl的輸出端，電阻R2的另一端連接集成運(yùn)算放大器0P2的負(fù)輸入端和電阻R3的一端，電阻R3的另一端連接直流參考電壓源Vref的正極，直流參考電壓源Vref的負(fù)極連接公共地端和集成運(yùn)算放大器0P2的正輸入端，集成運(yùn)算放大器0P2正的供電電壓端連接直流電壓源+Vz的正極，集成運(yùn)算放大器0P2負(fù)的供電電壓端連接公共地端，集成運(yùn)算放大器0P2的輸出端輸出基本BUCK拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)管是否出現(xiàn)故障的標(biāo)志信號。
【文檔編號】G01R31/26GK103929046SQ201410168532
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】孫偉鋒, 張?zhí)? 許滿超, 朱俊杰, 錢欽松, 陸生禮, 時(shí)龍興 申請人:東南大學(xué)