CN105305798A - 应用于降压变换器的限流保护电路及限流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于降压变换器的限流保护电路及限流保护方法，通过采样降压变换器的电感电流，与电流基准信号进行比较，来判断电感电流是否过大，当电流采样信号大于电流基准信号时，则开启限流保护，在下一个开通时刻到来时，控制所述降压变换器的主功率开关管不导通，直到当表征输出电压的电压采样信号低于第一参考电压时，则在下一个开通时刻，主功率开关管正常导通；因此，能够产生优先级高于最小导通时间的限流信号，并有效降低电感电流，起到了保护电器元件的作用。

Description

应用于降压变换器的限流保护电路及限流保护方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于降压变换器的限流保护电路及限流保护方法。

背景技术

现有技术的降压变换器一般包括主功率开关管(通常称为“上管”)、续流管(通常称为“下管”)和电感。现有技术中，对上管限流是在上管开通时如果上管的电流超过规定限流值就会关闭上管开启下管。但是在最小导通时间的情况下，上管就必须首先服从在最小导通时间下工作，因而不能保证电流超过限流值而及时地将上管关闭。

鉴于现有技术中，限流保护的优先级低于最小导通时间，所以现有技术的上管限流保护在最小导通时间条件下不能发挥作用。在同步降压变换其中，在最小导通时间工作时，由于存在下管限流能起保护作用，故上述技术问题对此类的降压变换器影响不大。但是非同步降压变换器只有上管限流，在最小导通时间工作时功率管很可能因电流过大而损坏。

针对非同步降压变换器的上述技术问题，在最小导通时间的限制下，现有技术往往采取降频处理，而降频的实现一般比较缓慢。考虑到在输入电压跳变时频率并没来得及降低而电感电流迅速上升，依然存在可能因电流过大而损坏的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于降压变换器的限流保护电路及限流保护方法，用以解决现有技术存在的可能因电流过大而损坏功率管的技术问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的应用于降压变换器的限流保护电路，包括：

电流采样电路，用于采样降压变换器的电感电流，得到表征所述电感电流的电流采样信号；

第一比较电路，接收所述的电流采样信号，将电流采样信号与电流基准信号进行比较，输出表征电流是否过大的判断信号；

当电流采样信号大于电流基准信号时，则判断信号为有效状态，在下一个开通时刻到来时，控制所述降压变换器的主功率开关管不导通，直到表征输出电压的电压采样信号低于第一参考电压，则在下一个开通时刻，主功率开关管正常导通。

优选地，所述的限流保护电路还包括第二比较电路，所述的第二比较电路的两个输入端分别接收所述电压采样信号和第一参考电压，输出复位信号，当所述电压采样信号低于第一参考电压时，所述复位信号为有效。

优选地，所述的限流保护电路还包括第一触发器，所述的第一触发器的两个输入端分别接收所述判断信号和所述复位信号，并输出限流信号。

优选地，采用定频控制模式，所述的限流信号和表征开关周期的时钟信号作与，输出用于控制主功率开关管导通的开通信号；或者，采用固定关断时间控制模式，所述的限流信号和固定关断时间信号作与，输出用于控制主功率开关管导通的开通信号。

优选地，所述的限流保护电路还包括采样保持电路，所述采样保持电路接收所述的电流采样信号，输出峰值保持信号，将所述峰值保持信号与电流基准信号分别输入第一比较器，输出所述的判断信号。

优选地，所述的采样保持电路包括二极管和第一电容，所述的二极管的阴极与第一电容的一端连接，第一电容的另一端接地，所述的二极管与第一电容的公共端与第一比较器连接。

优选地，所述的限流保护电路还包括滤波电路，所述的滤波电路接收所述的电流采样信号，得到滤波后的电流采样信号，将所述滤波后的电流采样信号接入采样保持电路。

优选地，所述的限流保护电路还包括放电开关，所述第二比较器的输出端与放电开关的控制端连接，放电开关的一端与第一电容连接，另一端接地。

本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下结构的应用于降压变换器的限流保护方法，包括以下步骤：

采样降压变换器的电感电流，得到表征所述电感电流的电流采样信号；

接收所述的电流采样信号，将电流采样信号与电流基准信号进行比较，输出表征电流是否过大的判断信号；

当电流采样信号大于电流基准信号时，则判断信号为有效状态，在下一个开通时刻到来时，控制所述降压变换器的主功率开关管不导通，直到表征输出电压的电压采样信号低于第一参考电压，则在下一个开通时刻，主功率开关管正常导通。

采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：通过采样降压变换器的电感电流，与电流基准信号进行比较，来判断电感电流是否过大，当电流采样信号大于电流基准信号时，则开启限流保护，，在下一个开通时刻到来时，控制所述降压变换器的主功率开关管不导通，直到当表征输出电压的电压采样信号低于第一参考电压时，则在下一个开通时刻，主功率开关管正常导通；因此，能够产生优先级高于最小导通时间的限流信号，并有效降低电感电流，起到了保护电器元件的作用。

附图说明

图1为本发明应用于降压变换器的限流保护电路实施例一的电路结构图；

图2为未使用本发明的限流保护电路的降压变换器的工作波形图；

图3为加入本发明的限流保护电路的降压变换器的工作波形图；

图4为为本发明应用于降压变换器的限流保护电路实施例二的电路结构图；

图5为本发明应用于降压变换器的限流保护电路实施例三的电路结构图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考图1所示，示意了本发明应用于降压变换器的限流保护电路的实施例一。所述的降压变换器包括电感L、功率开关管NMOS和续流管Do，所述的功率开关管NMOS的第一端接收输入电压Vin，第二端则与电感L的一端连接，电感L的另一端与降压变换器的输出端连接，降压变换器的输出端的输出电压为Vout，输出电容Co也连接在输出端。在功率开关管NMOS与电感L的公共端通过电流采样电路Ri进行电流采样，得到电流采样信号IL_sense。电压采样电路由电阻RH和电阻RL组成，得到输出电压采样信号FB，所述的输出电压采样信号FB和第二参考信号ref2分别输入补偿电路，经补偿处理后得到补偿信号Vc，所述的补偿信号Vc和电流采样信号IL_sense进行比较，斜坡信号Slope用作斜坡补偿，得到表征功率开关管关断时刻的关断信号，所述的关断信号与最小导通时间作与后，得到最终的关断信号rst，用于关断功率开关管NMOS。功率开关管NMOS以N型的MOS管为例。

本发明所述的限流保护电路包括上述电流采样电路Ri和第一比较电路comp1，所述的电流采样电路Ri，用于采样降压变换器的电感电流IL，得到表征所述电感电流的电流采样信号IL_sense；所述的第一比较电路comp1，接收所述的电流采样信号IL_sense，将电流采样信号IL_sense与电流基准信号Vth进行比较，输出表征电流是否过大的判断信号Vj；当电流采样信号IL_sense大于电流基准信号Vth时，则判断信号Vj为有效状态，此时限流信号I_limit有效，则在下一个开通时刻到来时，控制所述降压变换器的主功率开关管NMOS不导通，直到当表征输出电压的电压采样信号FB低于第一参考电压ref1时，则在下一个开通时刻，主功率开关管NMOS正常导通。具体的实现如下：将判断信号Vj输入RS触发器的置位端，电压采样信号FB和第一参考电压ref1分别输入第二比较器comp2，得到复位信号Vres，将复位信号Vres输入RS触发器的复位端，RS触发器输出限流信号I_limit，作为RS触发器的输出端。本实施例中，采用定频控制模式，所述的限流信号I_limit和表征开关周期的时钟信号CLK输入与门作与，所述与门输出用于控制主功率开关管NMOS导通的开通信号set。开通信号set和关断信号rst分别输入一个RS触发器，输出PWM信号至驱动模块用以驱动主功率开关管NMOS。所述的第一参考信号ref1小于第二参考信号ref2，可以设置为ref1＝0.9*ref2，这样可以保持常态下FB大于第一参考信号ref1。

参考图2所示，示意了未加入限流保护的工作波形图。在实施例一中的降压变换器，未加入本发明的限流保护电路的情况下，由时钟信号CLK控制功率开关管NMOS的开通，现有技术中，当Vin发生跳变，则电感电流IL升高并超过阈值，在此期间则可能损坏功率开关管。现有技术通常会通过降频或者改变补偿信号Vc的大小来减少导通时间，从而起到限流的作用，但是由于最小导通时间的存在，降压变换器仍然会保持最小导通时间，因此仍可能存在电流过大的情况；而且改变补偿信号Vc的反馈相对较慢，不能及时有效地减小电感电流。

参考图3所示，示意了在加入本发明的限流保护后的工作波形图。在具有限流保护电路的实施例一中，当发生Vin跳变时，电感电流IL会逐步升高，通过电流采样信号IL_sense表征电感电流IL，当IL_sense大于电流基准信号Vth时，即相应的电感电流IL也超过限流值，此时限流信号I_limit翻转为低电平，在与时钟信号CLK作与后，使得在此期间，时钟信号CLK不起作用，即在下一个周期不会产生开通信号set。在限流期间，由于主功率开关管NMOS不导通，因此电感电流IL会随之下降，输出电压也相应回落，反映在电压采样信号FB的回落上。当电压采样信号FB回落到第一参考信号ref1时，电感电流IL也回落到正常值，通过复位信号Vres使限流信号I_limit翻转为高电平，则在时钟信号CLK的下个开通时刻到来时，能够产生开通信号set使主功率开关管正常导通。

参考图4所示，示意了本发明应用于降压变换器的限流保护电路的实施例二。实施例二的大部分结构与实施例一相同，二者的不同之处在于：实施例二采用固定关断时间控制模式，所述的限流信号I_limit和固定关断时间信号作与，输出用于控制主功率开关管NMOS导通的开通信号set。当IL_sense大于电流基准信号Vth时，在限流信号I_limit和固定关断时间信号作与后，在此期间，固定关断时间信号不起作用，即在下一个周期不会产生开通信号set。在限流期间，由于主功率开关管NMOS不导通，因此电感电流IL会随之下降，输出电压也相应回落，反映在电压采样信号FB的回落上。当电压采样信号FB回落到第一参考信号ref1时，电感电流IL也回落到正常值，通过复位信号Vres使限流信号I_limit翻转为高电平，则在固定关断时间信号的下个开通时刻到来时，能够产生开通信号set使主功率开关管正常导通。此外，由于控制模式的不同，实施例二中无需斜坡信号作为斜坡补偿。

参考图5所示，示意了本发明应用于降压变换器的限流保护电路的实施例三。在实施例三中，限流保护电路的具体结构与实施例一、二的差别较大。电流采样信号IL_sense不直接与电流基准信号Vth比较，电流采样信号IL_sense先经过滤波电路进行滤波，以滤除一些尖峰和“毛刺”，从而提高比较的准确性，所述的滤波电路包括电阻R1和电容C2组成，然后滤波后的信号进入采样保持电路，所述采样保持电路输出峰值保持信号，将所述峰值保持信号Ipeak_hold与电流基准信号Vth分别输入第一比较器comp1，输出所述的判断信号，此时的判断信号作为限流信号I_limit。在此需要说明的是，本申请各个实施例中所述的电流采样信号IL_sense与电流基准信号Vth比较，既包括二者的直接比较，也可以指对二者或其中之一进行处理后的比较。所述的采样保持电路包括二极管D1和第一电容C1，所述的二极管D1的阴极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地，所述的二极管D1与第一电容C1的公共端与第一比较器comp1连接。所述的限流保护电路还包括放电开关S1，所述第二比较器comp2的输出端与放电开关S1的控制端连接，放电开关S1的一端与第一电容C1连接，另一端接地。电压采样信号FB和第一参考电压ref1分别输入第二比较器comp2，得到复位信号Vres，所述的复位信号Vres作为放电开关S1的控制信号。当电压采样信号FB回落到第一参考信号ref1时，电感电流IL也回落到正常值，通过复位信号Vres，对采样保持电路放电，使限流信号I_limit翻转为高电平，则在时钟信号CLK的下个开通时刻到来时，能够产生开通信号set使主功率开关管正常导通。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：包括：

电流采样电路，用于采样降压变换器的电感电流，得到表征所述电感电流的电流采样信号；

第一比较电路，接收所述的电流采样信号，将电流采样信号与电流基准信号进行比较，输出表征电流是否过大的判断信号；

当电流采样信号大于电流基准信号时，则判断信号为有效状态，在下一个开通时刻到来时，控制所述降压变换器的主功率开关管不导通，直到表征输出电压的电压采样信号低于第一参考电压，则在下一个开通时刻，主功率开关管正常导通。

2.根据权利要求1所述的应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：所述的限流保护电路还包括第二比较电路，所述的第二比较电路的两个输入端分别接收所述电压采样信号和第一参考电压，输出复位信号，当所述电压采样信号低于第一参考电压时，所述复位信号为有效。

3.根据权利要求2所述的应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：所述的限流保护电路还包括第一触发器，所述的第一触发器的两个输入端分别接收所述判断信号和所述复位信号，并输出限流信号。

4.根据权利要求3所述的应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：采用定频控制模式，所述的限流信号和表征开关周期的时钟信号作与，输出用于控制主功率开关管导通的开通信号；或者，采用固定关断时间控制模式，所述的限流信号和固定关断时间信号作与，输出用于控制主功率开关管导通的开通信号。

5.根据权利要求1或2所述的应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：所述的限流保护电路还包括采样保持电路，所述采样保持电路接收所述的电流采样信号，输出峰值保持信号，将所述峰值保持信号与电流基准信号分别输入第一比较器，输出所述的判断信号。

6.根据权利要求5所述的应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：所述的采样保持电路包括二极管和第一电容，所述的二极管的阴极与第一电容的一端连接，第一电容的另一端接地，所述的二极管与第一电容的公共端与第一比较器连接。

7.根据权利要求6所述的应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：所述的限流保护电路还包括滤波电路，所述的滤波电路接收所述的电流采样信号，得到滤波后的电流采样信号，将所述滤波后的电流采样信号接入采样保持电路。

8.根据权利要求6所述的应用于降压变换器的限流保护电路，其特征在于：所述的限流保护电路还包括放电开关，所述第二比较器的输出端与放电开关的控制端连接，放电开关的一端与第一电容连接，另一端接地。

9.一种应用于降压变换器的限流保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

采样降压变换器的电感电流，得到表征所述电感电流的电流采样信号；

接收所述的电流采样信号，将电流采样信号与电流基准信号进行比较，输出表征电流是否过大的判断信号；

当电流采样信号大于电流基准信号时，则判断信号为有效状态，在下一个开通时刻到来时，控制所述降压变换器的主功率开关管不导通，直到表征输出电压的电压采样信号低于第一参考电压，则在下一个开通时刻，主功率开关管正常导通。