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一種用于開關(guān)電源變換電路的過流保護(hù)補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):11860965閱讀:238來源:國知局
一種用于開關(guān)電源變換電路的過流保護(hù)補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法與工藝

本實(shí)用新型涉及過流保護(hù)電路領(lǐng)域,特別是涉及一種用于開關(guān)電源變換電路的過流保護(hù)補(bǔ)償系統(tǒng)。



背景技術(shù):

DC-DC變換器,除了設(shè)計(jì)需要滿足性能要求外如一定的帶電流和帶電壓能力外,自身的保護(hù)措施也非常重要。如過流保護(hù),過壓保護(hù),過溫保護(hù)等等。目前DC-DC中具有高頻開關(guān)特性的大功率MOSFET開關(guān)管得到了廣泛應(yīng)用,但其承受短時(shí)過載的能力較弱。在負(fù)載電路系統(tǒng)出現(xiàn)異常,如空載,或很重載的情況下產(chǎn)生的功耗會(huì)急劇增大,從而影響MOSFET開關(guān)管的正常工作,并可能燒壞MOSFET。過流保護(hù)電路能在短時(shí)間將電源電路關(guān)閉,保證電路系統(tǒng)不受損壞。

在傳統(tǒng)的過流保護(hù)系統(tǒng)中,通過檢測(cè)開關(guān)MOSFET的電流與基準(zhǔn)電流比較產(chǎn)生過流保護(hù)信號(hào),但未考慮到開關(guān)MOSFET的導(dǎo)通電阻以及導(dǎo)通電阻隨電壓和溫度的變化,從而造成過流保護(hù)點(diǎn)隨電源電壓和溫度的漂移比較大,有可能在某些條件下,過流保護(hù)點(diǎn)過高,器件功率密度過大,增加了開關(guān)永久性損壞的風(fēng)險(xiǎn)。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

實(shí)用新型目的:本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠有效減小過流保護(hù)點(diǎn)隨電壓和溫度的漂移程度的用于開關(guān)電源變換電路的過流保護(hù)補(bǔ)償系統(tǒng)。

技術(shù)方案:為達(dá)到此目的,本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:

本實(shí)用新型所述的用于開關(guān)電源變換電路的過流保護(hù)補(bǔ)償系統(tǒng),包括電流檢測(cè)模塊,電流檢測(cè)模塊對(duì)開關(guān)電源變換電路的開關(guān)電流ION進(jìn)行檢測(cè),之后電流檢測(cè)模塊輸出電流ICS到過流保護(hù)比較器的輸入端,線性補(bǔ)償模塊輸出電流ICP到過流保護(hù)比較器的輸入端,參考電流IREF也輸入到過流保護(hù)比較器的輸入端,過流保護(hù)比較器將ICS+ICP與IREF進(jìn)行比較,如果ICS+ICP>IREF,則過流保護(hù)比較器產(chǎn)生初步的過流保護(hù)信號(hào)并將其送至前沿消隱模塊進(jìn)行前沿消隱,以產(chǎn)生最終的過流保護(hù)信號(hào)并送至邏輯控制模塊,邏輯控制模塊控制開關(guān)電源變換電路中的驅(qū)動(dòng)電路斷開。

進(jìn)一步,所述電流檢測(cè)模塊包括第一電流源IS1和第二電流源IS2,還包括第一電流鏡和第二電流鏡,第一電流鏡包括第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1和第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2,第二電流鏡包括第一P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M4和第二P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M5,第一電流源IS1的輸出端、第二電流源IS2的輸出端分別連接第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極和第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極,第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極還連接第三N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M3的柵極,第三N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M3的漏極連接第一P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M4的漏極,第一電流源IS1的輸入端、第二電流源IS2的輸入端、第一P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M4的源極和第二P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M5的源極相連并輸入電壓VDD,第二P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M5的漏極作為電流檢測(cè)模塊的輸出端,第三N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M3的源極連接第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1的源極,第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1的源極還連接電阻R1的一端,電阻R1的另一端連接第四N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MS1的漏極,第四N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MS1的源極接地,第四N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MS1的柵極輸入電壓VDD,第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2的源極連接電阻R2的一端,電阻R2的另一端連接開關(guān)S1的一端和開關(guān)S2的一端,開關(guān)S2的另一端接地,開關(guān)S1的另一端連接第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的漏極,第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的源極接地,第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的柵極連接控制開關(guān),控制開關(guān)控制是否對(duì)第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的柵極輸入電壓,第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的漏極還輸入開關(guān)電源變換電路的開關(guān)電流ION

進(jìn)一步,所述線性補(bǔ)償模塊包括電流鏡,電流鏡包括第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN1和第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN2,第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN1的漏極連接電阻R4的一端,電阻R4的另一端連接電阻R3的一端,電阻R3的另一端輸入電壓VDD,第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN2的漏極作為線性補(bǔ)償模塊的輸出端。

進(jìn)一步,所述過流保護(hù)比較器包括第一電流比較器IC1和第二電流比較器IC2,第一電流比較器IC1的輸入端輸入電流ICP、電流ICS和參考電流IREF,電流ICP與電流ICS方向相同,參考電流IREF與電流ICP方向相反,第一電流比較器IC1的輸出端連接第二電流比較器IC2的輸入端,第二電流比較器IC2的輸出端作為過流保護(hù)比較器的輸出端。

進(jìn)一步,所述過流保護(hù)比較器包括電壓比較器VC1,電壓比較器VC1的同相輸入端輸入電流ICP和電流ICS,電壓比較器VC1的同相輸入端還連接電阻R5的一端,電阻R5的另一端接地,電壓比較器VC1的反相輸入端輸入?yún)⒖茧娏鱅REF,電壓比較器VC1的反相輸入端還連接電阻R6的一端,電阻R6的另一端接地,電壓比較器VC1的輸出端作為過流保護(hù)比較器的輸出端。

有益效果:本實(shí)用新型公開了一種用于開關(guān)電源變換電路的過流保護(hù)補(bǔ)償系統(tǒng),其中的線性補(bǔ)償模塊可以調(diào)整過流保護(hù)點(diǎn)隨電源電壓和溫度的變化情況,從而有效避免了在電源電壓較高時(shí),過流保護(hù)點(diǎn)過高而出現(xiàn)大電流導(dǎo)致開關(guān)管永久性損壞,同時(shí)還穩(wěn)定了最大輸出功率,從而使開關(guān)管在全電壓輸入范圍內(nèi)都能達(dá)到最大功率平坦化。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的開關(guān)電源變換電路的電路圖;

圖2為本實(shí)用新型的系統(tǒng)框圖;

圖3為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的電流檢測(cè)模塊的電路圖;

圖4為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的線性補(bǔ)償模塊的電路圖;

圖5為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的過流保護(hù)比較器的一種實(shí)施例的電路圖;

圖6為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的過流保護(hù)比較器的另一種實(shí)施例的電路圖;

圖7為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的同時(shí)出現(xiàn)過流保護(hù)和過壓保護(hù)的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。

開關(guān)電源變換電路如圖1所示,本實(shí)用新型公開了一種用于開關(guān)電源變換電路的過流保護(hù)補(bǔ)償系統(tǒng),如圖2所示,包括電流檢測(cè)模塊1、過流保護(hù)比較器2、線性補(bǔ)償模塊3、前沿消隱模塊4和邏輯控制模塊5。電流檢測(cè)模塊1對(duì)開關(guān)電源變換電路的開關(guān)電流ION進(jìn)行檢測(cè),之后電流檢測(cè)模塊1輸出電流ICS到過流保護(hù)比較器2的輸入端,線性補(bǔ)償模塊3輸出電流ICP到過流保護(hù)比較器2的輸入端,參考電流IREF也輸入到過流保護(hù)比較器2的輸入端,過流保護(hù)比較器2將ICS+ICP與IREF進(jìn)行比較,如果ICS+ICP>IREF,則過流保護(hù)比較器2產(chǎn)生過流保護(hù)信號(hào)并將過流保護(hù)信號(hào)送至前沿消隱模塊4進(jìn)行前沿消隱,以產(chǎn)生最終的過流保護(hù)信號(hào)并送至邏輯控制模塊5,邏輯控制模塊5控制開關(guān)電源變換電路中的驅(qū)動(dòng)電路斷開。

電流檢測(cè)模塊1如圖3所示,包括輸出電流相等的第一電流源IS1和第二電流源IS2,還包括第一電流鏡11和第二電流鏡12,第一電流鏡11包括第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1和第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2,第二電流鏡12包括第一P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M4和第二P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M5,第一電流源IS1的輸出端、第二電流源IS2的輸出端分別連接第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1的漏極和第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極,第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2的漏極還連接第三N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M3的柵極,第三N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M3的漏極連接第一P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M4的漏極,第一電流源IS1的輸入端、第二電流源IS2的輸入端、第一P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M4的源極和第二P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M5的源極相連并輸入電壓VDD,第二P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M5的漏極作為電流檢測(cè)模塊1的輸出端,第三N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M3的源極連接第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1的源極,第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M1的源極還連接電阻R1的一端,電阻R1的另一端連接第四N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MS1的漏極,第四N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MS1的源極接地,第四N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MS1的柵極輸入電壓VDD,第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M2的源極連接電阻R2的一端,電阻R2的另一端連接開關(guān)S1的一端和開關(guān)S2的一端,開關(guān)S2的另一端接地,開關(guān)S1的另一端連接第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的漏極,第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的源極接地,第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的柵極連接控制開關(guān),控制開關(guān)控制是否對(duì)第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的柵極輸入電壓,第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的漏極還輸入開關(guān)電源變換電路的開關(guān)電流ION。

線性補(bǔ)償模塊3如圖4所示,包括電流鏡31,電流鏡31包括第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN1和第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN2,第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN1的漏極連接電阻R4的一端,電阻R4的另一端連接電阻R3的一端,電阻R3的另一端輸入電壓VDD,第二N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN2的漏極作為線性補(bǔ)償模塊3的輸出端。

過流保護(hù)比較器2的一種實(shí)施例如圖5所示,包括第一電流比較器IC1和第二電流比較器IC2,第一電流比較器IC1的輸入端輸入電流ICP、電流ICS和參考電流IREF,電流ICP與電流ICS方向相同,參考電流IREF與電流ICP方向相反,第一電流比較器IC1的輸出端連接第二電流比較器IC2的輸入端,第二電流比較器IC2的輸出端作為過流保護(hù)比較器2的輸出端。

過流保護(hù)比較器2的另一種實(shí)施例如圖6所示,包括電壓比較器VC1,電壓比較器VC1的同相輸入端輸入電流ICP和電流ICS,電壓比較器VC1的同相輸入端還連接電阻R5的一端,電阻R5的另一端接地,電壓比較器VC1的反相輸入端輸入?yún)⒖茧娏鱅REF,電壓比較器VC1的反相輸入端還連接電阻R6的一端,電阻R6的另一端接地,電壓比較器VC1的輸出端作為過流保護(hù)比較器2的輸出端。

由圖3可知,開關(guān)S1和開關(guān)S2是用來控制是否對(duì)開關(guān)電流ION進(jìn)行檢測(cè)的:當(dāng)開關(guān)S1閉合、開關(guān)S2斷開時(shí),對(duì)開關(guān)電流ION進(jìn)行檢測(cè);當(dāng)開關(guān)S1斷開、開關(guān)S2閉合時(shí),不對(duì)開關(guān)電流ION進(jìn)行檢測(cè)。由圖3可知,當(dāng)?shù)谒腘溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MS1的導(dǎo)通電阻=第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的導(dǎo)通電阻的k倍,且R1=R2=R時(shí),ICS為:

<mrow> <mi>I</mi> <mi>c</mi> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mo>&times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mi>I</mi> <mi>q</mi> <mo>-</mo> <mi>I</mi> <mi>q</mi> <mo>&times;</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mo>+</mo> <mi>K</mi> <mo>&times;</mo> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(1)中,rdson為第五N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管M0的導(dǎo)通電阻。

當(dāng)過流保護(hù)發(fā)生時(shí),ION滿足:

Ion>>Iq×k (2)

Ion>>Iq (3)

因此,ICS可簡化為:

<mrow> <mi>I</mi> <mi>c</mi> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>I</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mi>K</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>U</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>&times;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>U</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>&times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

過流保護(hù)時(shí)IREF、ICP和ICS滿足:

ICS+ICP>IREF (5)

<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>V</mi> <mi>D</mi> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mi>V</mi> <mi>G</mi> <mi>S</mi> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mn>3</mn> <mo>+</mo> <mi>R</mi> <mn>4</mn> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>V</mi> <mi>D</mi> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mi>V</mi> <mi>G</mi> <mi>S</mi> </mrow> <msup> <mi>R</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(4)中,VIN為VDD,VDD為電源電壓,式(6)中,VGS為第一N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管MN1的柵極和源極之間的電壓,R′=R3+R4。

將式(4)和式(6)代入式(5)中得:

<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>U</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>&gt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>&times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>R</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>E</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>V</mi> <mi>D</mi> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mi>V</mi> <mi>G</mi> <mi>S</mi> </mrow> <msup> <mi>R</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>O</mi> <mi>U</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

可見,通過選擇合適的R′可以使過流保護(hù)點(diǎn)隨電源電壓的變化恒定或減小。將式(7)求導(dǎo)后可知,通過使用不同溫度系數(shù)的電阻R3和R4并調(diào)整R3和R4的配比,則可以使過流保護(hù)點(diǎn)隨溫度升高而略有減小。

本實(shí)用新型還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),即開關(guān)電源變換電路的功率密度平坦性也得到了改善。

P=1/2*I*I*rdson (8)

沒有電壓線性補(bǔ)償?shù)碾娐冯S著VIN升高,rdson減小,但I(xiàn)peak升高,功率增加;加入電壓線性補(bǔ)償電路后了,VIN升高,rdson減小,可以使過流保護(hù)點(diǎn)電流減小或恒定,則功率減小。

此外,本實(shí)用新型還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),即在空載上電或空載穩(wěn)定后,對(duì)于不同的輸出電容和電感,有可能出現(xiàn)同時(shí)過流過壓保護(hù)的情況。

圖7是仿真示意圖。

當(dāng)發(fā)生OV保護(hù)后,

toff=L*dI/(VIN-VOUT) (9)

delV=Q/C=1/2*I*toff/C=1/2*I*L*I/[(VIN-VOU)*C] (10)

所以隨著VIN升高,若過流保護(hù)點(diǎn)電流也升高,則delV在VIN=MAX時(shí)升高很多,從而要求器件的耐壓有更大的余量。而加入電壓線性補(bǔ)償后,則VIN升高,IOC減小,則delV也減小,從而對(duì)器件耐壓的余量也要求低點(diǎn)。以上所有VIN均為VDD。

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