CN109358295A - 一种应用于dc-dc的电源故障指示电路 - Google Patents

一种应用于dc-dc的电源故障指示电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于DC‑DC的电源故障指示电路，包括基准电路、DC‑DC反馈网络、故障比较器电路，其中：DC‑DC反馈网络，接收DC‑DC的输出电压，并通过电阻分压得到传感电压Vsense，将反馈电压Vsense发送至故障比较电压；基准电路，生成基准电压，并将基准电压分压得到四个比较电压信号发送给故障比较电路；故障比较电路，将反馈电压Vsense值分别与第一比较电压信号、第二比较电压信号、第三比较电压信号、第四比较电压信号进行比较，反馈电压Vsense在上升过程中低于第二比较电压或高于第四比较电压，或者是在下降过程中低于第一比较电压或高于第三比较电压，输出“有效”故障标志信号。本发明能有效地监测DC‑DC压降型开关电源的输出电压变化。

Description

一种应用于DC-DC的电源故障指示电路
技术领域
本发明涉及一种DC-DC开关转换器的电源故障指示电路，特别是应用于开关电源中对输出电压精度要求较高和工作温度范围较宽的环境。
背景技术
DC-DC开关转换器的输出常作为整个***供电的电源，DC-DC输出电压的稳定性直接影响整个***的工作状态，所以需要设计电源故障电路，对输出电压故障进行实时监测。
在***应用中，为能实时检测***电源的情况，需在***搭建中加入电源监控芯片，对于整体***而言，不仅增加了整体功耗，并增加了面积，不符合集成电路的小型化和低功耗的发展需求。现有的DC-DC转换器电路有一部分不含有故障指示电路，这样在应用过程中一旦输出VOUT不稳定或出现掉电的情况，***无法及时辨别或处理。其次，集成于DC-DC的故障指示电路的比较电压精度低，且滞回值均由内部比较器实现，这样就带来了滞回值随温度变化较大的问题，且在DC-DC正常工作过程中由于内部功率管的频繁开关所造成的噪声会导致比较电压的抗干扰能力差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于DC-DC的电源故障指示电路，有效地监测DC-DC压降型开关电源的输出电压变化。
本发明的技术解决方案是：一种应用于DC-DC的电源故障指示电路，该电路包括基准电路、DC-DC反馈网络、故障比较器电路，其中：
DC-DC反馈网络，接收DC-DC的输出电压，并通过电阻分压得到反馈电压Vsense，将反馈电压Vsense发送至故障比较电压；
基准电路，在DC-DC的电源电压的作用下，生成基准电压，并将基准电压经过电阻分压得到四个比较电压信号发送给故障比较电路，所述四个比较电压信号按照从小到大的顺序依次记为第一比较电压信号、第二比较电压信号、第三比较电压信号、第四比较电压信号；
故障比较电路，将反馈电压Vsense值分别与第一比较电压信号、第二比较电压信号、第三比较电压信号、第四比较电压信号进行比较，反馈电压Vsense在上升过程中电压低于第二比较电压或高于第四比较电压，输出“有效”故障标志信号，表明电源存在故障，否则，输出“无效”故障标志信号，表明电源不存在故障；反馈电压Vsense在下降过程中电压低于第一比较电压或高于第三比较电压，输出“有效”故障标志信号，表明DC-DC电源存在故障；否则，输出“无效”故障标志信号，表明DC-DC电源不存在故障。
所述基准电路包括PMOS管MP1、运算放大器OPA、NPN三极管Q1和Q2，电阻R11、R12、R13和R14，分压电阻串，PMOS管MP1的源极接电源VDD，栅极接偏置电压Vbias，漏极接分压电阻串，PMOS管MP1的漏极电压作为基准电源VBG，电组R11和R12共同连接至基准电源VBG，另一端分别接运算放大器OPA的同向端和反向端，三极管Q1和Q2的发射极分别连接OPA的同向端和反向端，基极连接分压电阻串，Q2的集电极连接电阻R13，R13连接Q1的集电极和R14的一端，R14的另一端连接至地，第一比较电压、第二比较电压、第三比较电压、第四比较电压由VREF电压经过分压电阻串分压所得。
所述分压电阻串为相互串联的电阻。
所述第一比较电压信号、第二比较电压信号之间和第三比较电压信号、第四比较电压信号之间存在固定压差，该固定压差称为滞回电压，所述滞回电压取值为反馈电压Vsense的3％～5％。
所述第二比较电压取值为：
所述第三比较电压取值为：
所述故障比较电路包括开关S1、S2、S3、S4，比较器COMP1、COMP2，缓冲器BUFF1、BUFF2，反相器INV1、INV2、INV3、INV4、INV5，异或门NOR1；
反馈电压Vsense同时连接比较器COMP1和COMP2的正端，第一比较电压信号、第二比较电压信号分别通过开关S1和S2连接至比较器COMP1的负端，比较器COMP1输出端连接缓冲器BUFF1，缓冲器BUFF1的输出端连接反相器INV1；缓冲器BUFF1的输出端信号和反相器INV1的输出信号分别用于反馈控制开关S1和S2；
第三比较电压信号、第四比较电压信号分别通过开关S3和S4连接至比较器COMP2的负端，比较器COMP2输出端连接缓冲器BUFF2，缓冲器BUFF2的输出端依次连接反相器INV2和反相器INV3；缓冲器BUFF2的输出端信号和反相器INV2的输出信号分别用于反馈控制开关S3和S4；
反相器INV1和反相器INV3的输出端同时连接异或门NOR1的输入端，异或门的输出端依次连接反相器INV4和反相器INV5，反相器INV5的输出即为故障标志信号。
所述故障比较电路还包括电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2、C3、C4和C5，
电阻R1连接在反馈电压Vsense与比较器COMP1正端之间，C1连接在比较器COMP1正端与地之间，电阻R1和电容C1构成RC滤波电路，用于滤除反馈电压Vsense上的干扰；
电阻R2连接第一比较电压信号与开关S1之间，C2连接第一比较电压信号和开关S1的共用端至地，电阻R2和电容C2构成RC滤波电路，用于滤除第一比较电压信号上的干扰；
电阻R3连接第一比较电压信号与开关S2之间，C2连接第一比较电压信号和开关S2的共用端至地，电阻R3和电容C2构成RC滤波电路，用于滤除第二比较电压信号上的干扰；
电阻R4连接第一比较电压信号与开关S3之间，C3连接第一比较电压信号和开关S3的共用端至地，电阻R4和电容C3构成RC滤波电路，用于滤除第三比较电压信号上的干扰；
电阻R5连接第一比较电压信号与开关S4之间，C4连接第一比较电压信号和开关S4的共用端至地，电阻R5和电容C4构成RC滤波电路，用于滤除第四比较电压信号上的干扰。
所述DC-DC反馈网络包括电感L2、电阻R21和R22，电感L2一端连接DC-DC的输出电压信号，另一端连接电阻R21，电阻R21与电阻R22串联接地，电阻R21与电阻R22之间的分压点反馈至故障比较电路，作为反馈电压Vsense。
所述DC-DC为升压型开关电源、降压型开关电源或者升降压型开关电源。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明包括带滞回的电压比较器，比较电压是由带隙基准电路经过分压电阻形成的4个与温度和电源电压无关的比较电压信号，滞回电压是固定的2个比较电压信号的差值，为3％的反馈电压，相比传统的内部滞回的比较器而言，其滞回值受温度、工艺的影响较小，且在实现上简单。
(2)、本发明基准电压通过在电源电压作用下，得到一个与电源电压和温度无关的基准电压，并经过电阻分压后输出四个基准比较电压，当环境温度变化较大，且对DC-DC输出精度要求较高的应用环境下，在DC-DC电路内部设计的故障指示电路，以便于DC-DC的输出电压，即***的电源出现异常情况时，可进行及时判别；
(3)、本发明基准电压电路中采用了PSRR性能良好的辅助电源VBG为基准的核心电路供电结构，防止基准电压扰动导致的故障信号误翻转；
(3)、由于DC-DC电路内部的开关管在工作中一直处于开关状态，其地端的噪声较大，本发明在输入端加入抗噪声设计以防止故障信号因为输入信号的干扰而产生的误翻转；
(4)、本发明故障标志信号可作为下一级DC-DC电路的使能信号进行多个芯片依次上电的排序，完成多电路上电顺序的级联配置。
附图说明
图1为本发明应用于DC-DC的电源故障指示电路总体框图；
图2为本发明实施例基准电路简图；
图3为本发明实施例分压电阻串简图；
图4为本发明实施例故障指示电路示意图；
图5为本发明实施例DC-DC反馈网络图；
图6为本发明实施例在***应用中的级联配置示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1是本发明应用于DC-DC的电源故障指示电路，该电路包括包括基准电路、DC-DC反馈网络、故障比较器电路，其中：
DC-DC反馈网络，接收DC-DC的输出电压，并通过电阻分压得到反馈电压Vsense，将反馈电压Vsense发送至故障比较电压；
基准电路，在DC-DC的电源电压的作用下，生成基准电压，并将基准电压经过电阻分压得到四个比较电压信号发送给故障比较电路，所述四个比较电压信号按照从小到大的顺序依次记为第一比较电压信号、第二比较电压信号、第三比较电压信号、第四比较电压信号；
故障比较电路，将反馈电压Vsense值分别与第一比较电压信号、第二比较电压信号、第三比较电压信号、第四比较电压信号进行比较，反馈电压Vsense在上升过程中电压低于第二比较电压或高于第四比较电压，输出“有效”故障标志信号，表明电源存在故障，否则，输出“无效”故障标志信号，表明电源不存在故障；反馈电压Vsense在下降过程中电压低于第一比较电压或高于第三比较电压，输出“有效”故障标志信号，表明DC-DC电源存在故障；否则，输出“无效”故障标志信号，表明DC-DC电源不存在故障，故障标志信号输出至下一级电路。
所述第一比较电压信号、第二比较电压信号之间和第三比较电压信号、第四比较电压信号之间存在固定压差，该固定压差称为滞回电压，所述滞回电压取值为反馈电压Vsense的3％～5％。
所述第二比较电压取值为：
所述第三比较电压取值为：
例如,第一比较电压信号为91％反馈电压Vsense、第二比较电压信号为94％反馈电压Vsense、第三比较电压信号为106％反馈电压Vsense、第四比较电压信号为109％反馈电压Vsense。即低于反馈电压Vsense时，在上升和下降过程中存在3％的滞回电压。在反馈电压Vsense上升过程中，高于第二比较电压并低于第四比较电压时，电源为正常情况，未发生故障；在反馈电压Vsense下降过程中，高于第一比较电压并低于第三比较电压时，电源为正常情况，未发生故障。其他情况均为电源发生故障。
如图2所示，所述基准电路包括PMOS管MP1、运算放大器OPA、NPN三极管Q1和Q2，电阻R11、R12、R13和R14，分压电阻串，PMOS管MP1的源极接电源VDD，栅极接偏置电压Vbias，使得所述PMOS管MP1工作在饱和区，漏极接分压电阻串，PMOS管MP1的漏极电压作为基准电源VRG，电组R11和R12共同连接至基准电源VBG，另一端分别接运算放大器OPA的同向端和反向端，三极管Q1和Q2的发射极分别连接OPA的同向端和反向端，基极连接分压电阻串，Q2的集电极连接电阻R13，R13连接Q1的集电极和R14的一端，R14的另一端连接至地，第一比较电压、第二比较电压、第三比较电压、第四比较电压由VREF电压经过分压电阻串分压所得。
如图3所示，所述分压电阻串为相互串联的电阻。
由于基准电路为整个芯片的优先上电模块，其电源直接来自于端口输入电压VDD，而VDD在DC-DC工作中将产生较大的噪声，因此在架构选择上，采用了PSRR性能良好的辅助电源VBG为基准的核心电路供电结构，防止基准电压扰动导致的故障信号误翻转。
基准电路在电源电压作用下，本发明得到一个与电源电压和温度无关基准电压VREF，并经过电阻分压产生4个比较电压，输出给故障指示电路，所述电源电压为DC-DC的工作电压。
与温度和电源电压无关的基准电压原理公式如下，其中VREF为：
I×R13＝VBE1-VBE2＝VT*lnn
其中VRE1和VRE2为相应三极管的基极-集电极电压，VT＝kT/q，k是玻尔兹曼常量，q为电子电荷，n为Q2和Q1的发射极面积比。由以上表达式可知，调整电阻R13和R14的阻值抵消具有负温度特性的三极管电压和正温度特性的VT电压，可以得到VREF电压是与电源电压VDD和温度无关的电压。本设计的VBG电压为1.8V，VREF值为1.2V。并经过具有低温度系数的分压电阻串得到本设计所需的0.72V、0.75V。0.85V和0.88V电压。
所述故障比较电路包括开关S1、S2、S3、S4，比较器COMP1、COMP2，缓冲器BUFF1、BUFF2，反相器INV1、INV2、INV3、INV4、INV5，异或门NOR1；
反馈电压Vsense同时连接比较器COMP1和COMP2的正端，第一比较电压信号、第二比较电压信号分别通过开关S1和S2连接至比较器COMP1的负端，比较器COMP1输出端连接缓冲器BUFF1，缓冲器BUFF1的输出端连接反相器INV1；缓冲器BUFF1的输出端信号和反相器INV1的输出信号分别用于反馈控制开关S1和S2；
第三比较电压信号、第四比较电压信号分别通过开关S3和S4连接至比较器COMP2的负端，比较器COMP2输出端连接缓冲器BUFF2，缓冲器BUFF2的输出端依次连接反相器INV2和反相器INV3；缓冲器BUFF2的输出端信号和反相器INV2的输出信号分别用于反馈控制开关S3和S4；
反相器INV1和反相器INV3的输出端同时连接异或门NOR1的输入端，异或门的输出端依次连接反相器INV4和反相器INV5，反相器INV5的输出即为故障标志信号。
作为优选方案，如图4所示，所述故障比较电路还包括电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2、C3、C4和C5，
电阻R1连接在反馈电压Vsense与比较器COMP1正端之间，C1连接在比较器COMP1正端与地之间，电阻R1和电容C1构成RC滤波电路，用于滤除反馈电压Vsense上的干扰；
电阻R2连接第一比较电压信号与开关S1之间，C2连接第一比较电压信号和开关S1的共用端至地，电阻R2和电容C2构成RC滤波电路，用于滤除第一比较电压信号上的干扰；
电阻R3连接第一比较电压信号与开关S2之间，C2连接第一比较电压信号和开关S2的共用端至地，电阻R3和电容C2构成RC滤波电路，用于滤除第二比较电压信号上的干扰；
电阻R4连接第一比较电压信号与开关S3之间，C3连接第一比较电压信号和开关S3的共用端至地，电阻R4和电容C3构成RC滤波电路，用于滤除第三比较电压信号上的干扰；
电阻R5连接第一比较电压信号与开关S4之间，C4连接第一比较电压信号和开关S4的共用端至地，电阻R5和电容C4构成RC滤波电路，用于滤除第四比较电压信号上的干扰。
如图5所示，所述DC-DC反馈网络包括电感L2、电阻R21和R22，电感L2一端连接DC-DC的输出电压信号，另一端连接电阻R21，电阻R21与电阻R22串联接地，电阻R21与电阻R22之间的分压点反馈至故障比较电路，作为反馈电压Vsense信号。
反馈电压Vsense经过了滤波网络R1和C1，并作为COMP1和COMP2的正向端。在反馈电压Vsense上升过程，初始S1为低电平，S2为高电平，开关S2闭合，反馈电压Vsense与基准电路的V0P75进行比较，当反馈电压Vsense超过V0P75且未达到V0P88时，输出信号S2由高变低，且由于反馈电压Vsense低于V0P88，COMP2比较器的输出信号S5为低，此时，Power Good输出为高，即电源无故障。当反馈电压Vsense继续上升，一旦超过V0P88后，信号S5由低变为高，Power Good输出由高变为低，即电源故障。在反馈电压Vsense下降过程，使得PowerGood翻转的反馈电压Vsense阈值与在反馈电压Vsense上升过程存在30mV的滞回，初始S3和S5为高电平，S2为低电平，Power Good输出为低，随着反馈电压Vsense继续下降，低于V0P85后，S5电平由高变低，此时Power Good输出为高，即电源无故障，当反馈电压Vsense继续下降至低于V0P72时，S2由低变高，Power Good输出由高变为低，即电源故障。即反馈电压Vsense在上升过程中的电源故障点为低于0.75V或高于0.88V，反馈电压Vsense在下降过程中存在30mV的滞回电压，电源故障点为低于0.72V或高于0.85V。
由于DC-DC为整个***的供电模块，因此在全温区、全电源电压范围和外部噪声干扰较大情况下，依旧可以保持稳定的电源故障指示以便后续电路进行数据处理。本发明所用的比较电压均为基准电路输出的与温度、电源电压无关，且都经过RC滤波处理的电压信号。
图6为本发明电路在***应用中的级联配置，将第一个电路的Power Good端口(PWRGD)接至下一级电路的使能EN端口，当第一个电路稳定输出后，输出高的Power Good信号，此时下一级电路才取消使能状态，完成上电顺序的设置。
本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：包括基准电路、DC-DC反馈网络、故障比较器电路，其中：
DC-DC反馈网络，接收DC-DC的输出电压，并通过电阻分压得到反馈电压Vsense，将反馈电压Vsense发送至故障比较电压；
基准电路，在DC-DC的电源电压的作用下，生成基准电压，并将基准电压经过电阻分压得到四个比较电压信号发送给故障比较电路，所述四个比较电压信号按照从小到大的顺序依次记为第一比较电压信号、第二比较电压信号、第三比较电压信号、第四比较电压信号；
故障比较电路，将反馈电压Vsense值分别与第一比较电压信号、第二比较电压信号、第三比较电压信号、第四比较电压信号进行比较，反馈电压Vsense在上升过程中电压低于第二比较电压或高于第四比较电压，输出“有效”故障标志信号，表明电源存在故障，否则，输出“无效”故障标志信号，表明电源不存在故障；反馈电压Vsense在下降过程中电压低于第一比较电压或高于第三比较电压，输出“有效”故障标志信号，表明DC-DC电源存在故障；否则，输出“无效”故障标志信号，表明DC-DC电源不存在故障。
2.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述基准电路包括PMOS管MP1、运算放大器OPA、NPN三极管Q1和Q2，电阻R11、R12、R13和R14，分压电阻串，PMOS管MP1的源极接电源VDD，栅极接偏置电压Vbias，漏极接分压电阻串，PMOS管MP1的漏极电压作为基准电源VBG，电组R11和R12共同连接至基准电源VBG，另一端分别接运算放大器OPA的同向端和反向端，三极管Q1和Q2的发射极分别连接OPA的同向端和反向端，基极连接分压电阻串，Q2的集电极连接电阻R13，R13连接Q1的集电极和R14的一端，R14的另一端连接至地，第一比较电压、第二比较电压、第三比较电压、第四比较电压由VREF电压经过分压电阻串分压所得。
3.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述分压电阻串为相互串联的电阻。
4.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述第一比较电压信号、第二比较电压信号之间和第三比较电压信号、第四比较电压信号之间存在固定压差，该固定压差称为滞回电压，所述滞回电压取值为反馈电压Vsense的3％～5％。
5.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述第二比较电压取值为。
6.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述第三比较电压取值为。
7.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述故障比较电路包括开关S1、S2、S3、S4，比较器COMP1、COMP2，缓冲器BUFF1、BUFF2，反相器INV1、INV2、INV3、INV4、INV5，异或门NOR1；
反馈电压Vsense同时连接比较器COMP1和COMP2的正端，第一比较电压信号、第二比较电压信号分别通过开关S1和S2连接至比较器COMP1的负端，比较器COMP1输出端连接缓冲器BUFF1，缓冲器BUFF1的输出端连接反相器INV1；缓冲器BUFF1的输出端信号和反相器INV1的输出信号分别用于反馈控制开关S1和S2；
第三比较电压信号、第四比较电压信号分别通过开关S3和S4连接至比较器COMP2的负端，比较器COMP2输出端连接缓冲器BUFF2，缓冲器BUFF2的输出端依次连接反相器INV2和反相器INV3；缓冲器BUFF2的输出端信号和反相器INV2的输出信号分别用于反馈控制开关S3和S4；
反相器INV1和反相器INV3的输出端同时连接异或门NOR1的输入端，异或门的输出端依次连接反相器INV4和反相器INV5，反相器INV5的输出即为故障标志信号。
8.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述故障比较电路还包括电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2、C3、C4和C5，
电阻R1连接在反馈电压Vsense与比较器COMP1正端之间，C1连接在比较器COMP1正端与地之间，电阻R1和电容C1构成RC滤波电路，用于滤除反馈电压Vsense上的干扰；
电阻R2连接第一比较电压信号与开关S1之间，C2连接第一比较电压信号和开关S1的共用端至地，电阻R2和电容C2构成RC滤波电路，用于滤除第一比较电压信号上的干扰；
电阻R3连接第一比较电压信号与开关S2之间，C2连接第一比较电压信号和开关S2的共用端至地，电阻R3和电容C2构成RC滤波电路，用于滤除第二比较电压信号上的干扰；
电阻R4连接第一比较电压信号与开关S3之间，C3连接第一比较电压信号和开关S3的共用端至地，电阻R4和电容C3构成RC滤波电路，用于滤除第三比较电压信号上的干扰；
电阻R5连接第一比较电压信号与开关S4之间，C4连接第一比较电压信号和开关S4的共用端至地，电阻R5和电容C4构成RC滤波电路，用于滤除第四比较电压信号上的干扰。
9.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述DC-DC反馈网络包括电感L2、电阻R21和R22，电感L2一端连接DC-DC的输出电压信号，另一端连接电阻R21，电阻R21与电阻R22串联接地，电阻R21与电阻R22之间的分压点反馈至故障比较电路，作为反馈电压Vsense。
10.根据权利要求1所述的应用于DC-DC的电源故障指示电路，其特征在于：所述DC-DC为升压型开关电源、降压型开关电源或者升降压型开关电源。
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