CN205104896U

CN205104896U - 过压保护电路

Info

Publication number: CN205104896U
Application number: CN201520859193.6U
Authority: CN
Inventors: 白浪; 黄必亮; 任远程; 周逊伟
Original assignee: Joulwatt Technology Hangzhou Co Ltd
Current assignee: Joulwatt Technology Hangzhou Co Ltd
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2025-10-30

Abstract

本实用新型提供一种过压保护电路，包括负载、电感、开关管、续流二极管、下降斜率获取单元、阈值设定单元、判定单元和保护单元。负载、电感和开关管依次串联连接在电路输出端。续流二极管连接在负载和电感之间，电感、续流二极管和负载之间形成放电回路，当开关管关断时，电感通过放电回路放电。下降斜率获取单元获取开关管关断后电感电流的下降斜率，下降斜率与输出电压成正比。阈值设定单元设定比较阈值且电性连接判定单元。判定单元电性连接下降斜率获取单元和阈值设定单元，将下降斜率和比较阈值进行比较，根据比较结果判断电路的输出电压是否过压。保护单元电性连接判定单元和开关管，当判定单元判断输出电压过压时，保护单元关闭开关管。

Description

过压保护电路

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，且特别涉及一种过压保护电路。

背景技术

在现有的变换电路中，如Buck电路(降压式变换电路)中通常通过直接采样输出电压来实现过压保护。如图1所示，开关管与Buck电路的正母线相连接，开关管的源极连接二极管，比较器的其中一个输入端通过分压电阻来直接获取输出电压，经比较后经逻辑控制输出至开关管的控制极来实现过压保护。在这各电路中，由于开关管的源极接二极管，故开关管的V_GS电位不固定，开关管需要浮地驱动，驱动较为复杂。

为方便驱动，将开关管与Buck电路的负母线相连接，如图2所示。在该电路中由于输出电压和输入电压不共地，需要通过一个辅助绕组，在开关管导通时来实现输出电压的采样，进而实现过压保护。增加辅助绕组不仅增加了线路的复杂程度及成本，而且辅助绕组在开关导通期间是一个负电压，不利于电路的内部集成。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术的不足，提供一种过压保护电路。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种过压保护电路，包括负载、电感、开关管、续流二极管、下降斜率获取单元、阈值设定单元、判定单元和保护单元。负载、电感和开关管依次串联连接在电路输出端。续流二极管连接在负载和电感之间，电感、续流二极管和负载之间形成放电回路，当开关管关断时，电感通过放电回路放电。下降斜率获取单元获取开关管关断后电感电流的下降斜率，下降斜率与输出电压成正比。阈值设定单元设定比较阈值且电性连接判定单元。判定单元电性连接下降斜率获取单元和阈值设定单元，将表征电路输出电压的下降斜率和比较阈值进行比较，根据比较结果判断电路的输出电压是否过压。保护单元电性连接判定单元和开关管，当判定单元判断输出电压过压时，保护单元关闭开关管。

于本实用新型一实施例中，下降斜率获取单元包括电流变化量采样单元、计时单元和计算单元，电流变化量采样单元分别电性连接电感和计时单元，电流变化量采样单元获取电感电流从峰值下降到谷值的电流变化量，计时单元在开关管关断时刻开始计时，当电感电流下降到谷值时计时结束，得到下降时间，电流变化量和下降时间输出至计算单元，经计算后得到下降斜率，计算单元将下降斜率输出至判定单元并与设定的下降斜率阈值进行比较，当下降斜率大于下降斜率阈值时，输出电压过压。

于本实用新型一实施例中，在电感电流为临界连续模式或断续模式时，下降斜率获取单元包括过零检测单元、计时开关、直流源和充电电容，过零检测单元电性连接电感，获得电感在放电过程中电流下降到零点的时刻，计时开关电性连接过零检测单元，在开关管关断时刻计时开关闭合，直流源对充电电容进行充电，当电感电流下降到零点时，计时开关打开，电容充电结束；

阈值设定单元包括峰值电流采样电阻、保持单元和比例单元，峰值电流采样电阻电性连接开关管，在开关管关断时获得电感上的峰值电流经保持后进入比例单元进行比例计算形成电压阈值；

当直流源在电感电流下降时间内对电容充电所形成的电容电压小于电压阈值时，输出电压过压。

于本实用新型一实施例中，在电感电流为临界连续模式且电感电流的峰值恒定时，或电感电流为断续模式且电感电流的峰值恒定时，下降斜率获取单元包括过零检测单元和计时单元，过零检测单元电性连接电感，获得电感在放电过程中电流下降到零点的时刻，计时单元电性连接过零检测单元，在开关管关断时刻计时单元开始计时，在电感电流下降到零点后计时结束，获得电感电流的下降时间并将下降时间输出至判定单元，与时间阈值进行比较。

于本实用新型一实施例中，过零检测单元包括与电感串联的电流采样电阻和侦测电流采样电阻两端电压的电压侦测单元，当电流采样电阻两端电压下降到零点后电压侦测单元输出信号至计时单元或计时开关。

于本实用新型一实施例中，过零检测单元包括微分电容、微分电阻和负电压侦测单元，微分电容连接在开关管和电感的交点上，微分电阻与微分电容串联且微分电阻接地，负电压侦测单元侦测微分电容与微分电阻连接点处的负电压，负电压侦测单元电性连接计时单元或计时开关，一旦负电压侦测单元检测到负电压，计时单元或计时开关停止计时。

综上所述，本实用新型提供的过压保护电路与现有技术相比具有以下优点：

电感是一种储能元件，开关管关断后，电感在放电过程中电感电流的下降斜率与电路的输出电压成正比。本实用新型利用电感的这一特性，设置下降斜率获取单元获取电感电流在开关管关断后的下降斜率。判定单元将下降斜率与比较阈值进行比较，通过比较结果判断输出电压是否过压，一旦输出电压过压，保护单元关闭开关管，不再继续为负载供电，保护输出负载。本实用新型提供的过压保护电路利用电感放电时电感电流的下降斜率与输出电压之间的关系来间接得到输出电压，从而实现输出过压的判断。该种采样方式，开关管无需浮地驱动且也无需采用绕阻进行采样，不仅电路结构简单且各电感、电感采样单元等部件可与输出电路集成在一起，大大减小了电路的体积。

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1和图2所示为现有的过压保护电路的原理图。

图3所示为本实用新型实施例一提供的过压保护电路的原理图。

图4所示为本实用新型实施例二提供的过压保护电路的原理图。

图5所示为本实用新型另一实施例提供的过压保护电路的原理图。

图6所示为本实用新型实施例三提供的过压保护电路的原理图。

图7所示为电感电流临界连续模式的电流变化图。

图8所示为电感电流断续模式的电流变化图。

具体实施方式

实施例一

图1所示为现有的Buck电路通过直接采样输出电压来实现过压保护，在该电路中由于开关管的V_GS驱动电压与控制芯片不共地，因此需采用浮地驱动。而在图2中，开关管的驱动与控制电路共地，但输出不共地，需要通过增加辅助绕组来实现过压保护，这不仅大大增加了成本，同时也不利于电路的内部集成。

有鉴于此，如图3所示，本实用新型提供一种过压保护电路包括负载R、电感L、开关管Q、续流二极管D、下降斜率获取单元1、阈值设定单元2、判定单元3和保护单元4。负载R、电感L和开关管Q三者依次串联连接。续流二极管D连接在负载R和电感L之间，电感L、续流二极管D和负载R之间形成放电回路，当开关管Q关断时，电感L通过放电回路放电。下降斜率获取单元1获取开关管Q关断后电感电流的下降斜率K，下降斜率K与输出电压U_out成正比。阈值设定单元2设定比较阈值且电性连接判定单元3。判定单元3将表征电路输出电压的下降斜率K和比较阈值K_ref进行比较，根据比较结果判断电路的输出电压U_out是否过压。保护单元4电性连接判定单元3和开关管Q，当判定单元3判断输出电压过压时，保护单元4关闭开关管Q，不再继续为负载供电。

于本实施例中，下降斜率获取单元1包括电流变化量采样单元11、计时单元12和计算单元13，电流变化量采样单元11分别电性连接电感L和计时单元12，电流变化量采样单元11获取电感电流从峰值下降到谷值的电流变化量，计时单元12在开关管关断时刻开始计时，当电感电流下降到谷值时计时结束，得到下降时间△t。电流变化量△i和下降时间△t输出至计算单元13，经计算后得到下降斜率K，计算单元13将下降斜率K输出至判定单元3与设定的下降斜率阈值K_ref进行比较，当下降斜率K大于下降斜率阈值K_ref时，输出电压U_out过压。

于本实施例中，电流变化量采样单元11包括与电感串联的电流采样电阻、比较器、存储器和处理器。存储器将前一采样值进行存储，比较器的其中一个输入端与电流采样电阻相连接，另一个输入端与存储器相连接，比较器通过不断比较当前采样值和前一采样值来得到最大电压U_max和最小电压U_min，经处理器处理后得到电流变化量。于本实施例中，判定单元3为比较器，计算单元13为除法器。

本实施例提供的过压保护电路的具体工作步骤为：

步骤S1、获得过压保护电路中开关管关断后电感电流的下降斜率△i/△t，下降斜率△i/△t与电路的输出电压U_out成正比，U_out＝L△i/△t，L为电感，△i为开关管关断后电感电流从峰值下降到谷值的电流变化量，△t为电感电流从峰值下降到谷值的时间。

于本实施例中，步骤S1包括：

步骤S11、在开关管关断后获取电感电流从峰值下降到谷值的电流变化量△i。于本实施例中，采用电流变化量采样单元11来获得电流变化量△i，电流变化量采样单元11包括与电感串联的电流采样电阻、比较器、存储器和处理器。当电感电流处于峰值时，电流采样电阻上具有最大电压U_max，当电感电流下降到谷值时，电流采样电阻上具有最小电压U_min。存储器存储电流采样电阻上的采样值，比较器不断比较相邻两个采样值，获得最大电压U_max和最小电压U_min，最大电压U_max和最小电压U_min经处理器计算后得到电流变化量△i＝(U_max-U_min)/R1，R1为电流采样电阻的阻值。

步骤S12、获得电感电流从峰值下降到谷值的下降时间△t。对于电感而言，开关管关断的瞬间电流处于峰值，于本实施例中，计时单元在开关管关断时开始计时，当比较器比较得到最小电压U_min并将最小电压U_min输出至处理器，处理器输出信号至计时单元12，计时单元12结束计时并获得电感电流从峰值下降到谷值的时间△t。

步骤S13、将△i/△t，获得电感电流下降斜率K。

步骤S2、将获得的下降斜率K与比较阈值K_ref进行比较，当下降斜率K大于比较阈值K_ref时，输出电压U_out过压。

步骤S3、当输出电压过压时，保护单元关闭开关管，不再继续为负载供电。

实施例二

本实施例提供的过压保护电路适用于电感电流为临界连续模式且峰值电流恒定或断续模式且峰值电流恒定的电路。图7和图8分别给出了电感电流为临界连续模式和断续模式下的电流变化图。对于临界连续模式，开关管在电感电流峰值达到所设电流峰值阈值时关断，在电感电流下降为零的时刻重新打开；对于断续模式，开关管在电感电流峰值达到所设电流峰值阈值时关断，在电感电流下降为零之后，延时一段时间重新打开。在图7和图8中，t0时刻开关管关断，t1时刻电感电流下降到零，△i＝t1-t0。在临界连续模式且峰值电流I_peak恒定或断续模式且峰值电流I_peak恒定的电路中，电感上的电流必然下降到零点，在该种电路中，电感电流变化量△i＝I_peak-0＝I_peak，即△i恒定。

根据公式K＝△i/△t

由于△i恒定，下降斜率K的获得转换为获得电感电流从峰值I_peak下降到零点的下降时间△t，下降时间△t与下降斜率K成反比，即与输出电压U_out成反比。因此，于本实施例中，将下降斜率K与比较阈值的比较转换为下降时间△t与时间阈值的比较。具体的步骤为：

步骤S10、在开关管关断后获取电感电流从峰值下降到零的下降时间△t。

步骤S20、将下降时间△t与时间阈值△t_ref进行比较，当△t小于△t_ref时，输出电压U_out过压。

步骤S30、当输出电压过压时，关闭开关管，不再继续为负载供电。

如图4所示，本实用新型提供一种过压保护电路包括负载R、电感L、开关管Q、续流二极管D、下降斜率获取单元1、阈值设定单元2、判定单元3和保护单元4。负载R、电感L和开关管Q三者依次串联连接。续流二极管D连接在负载R和电感L之间，电感L、续流二极管D和负载R之间形成放电回路，当开关管Q关断时，电感L通过放电回路放电。下降斜率获取单元1获取开关管Q关断后电感电流的下降斜率K，下降斜率K与输出电压U_out成正比。阈值设定单元2设定比较阈值且电性连接判定单元3。判定单元3将表征电路输出电压的下降斜率K和比较阈值进行比较，根据比较结果判断电路的输出电压U_out是否过压。保护单元4电性连接判定单元3和开关管Q，当判定单元3判断输出电压U_out过压时，保护单元4关闭开关管Q，不再继续为负载供电。

于本实施例中，下降斜率获取单元1包括过零检测单元14和计时单元12，过零检测单元14电性连接电感L，获得电感L在放电过程中电流下降到零点的时刻，计时单元12电性连接过零检测单元14，在开关管Q关断时计时单元12开始计时，在电感电流下降到零点时计时结束，获得电感电流的下降时间△t并将下降时间△t输出至判定单元3，判定单元3将下降时间△t与时间阈值△t_ref进行比较。

于本实施例中，过零检测单元14包括与电感L串联的电流采样电阻，侦测电流采样电阻两端电压的电压侦测单元，当电流采样电阻两端电压下降到零点后电压侦测单元输出信号至计时单元12。然而，本实用新型对过零检测单元14的结构不作任何限定。

于其它实施例中，如图5所示，过零检测单元14包括微分电容C2、微分电阻R2和负电压侦测单元T1，微分电容C2连接在开关管Q和电感L的交点SW点上，微分电阻R2与微分电容C2串联且微分电阻R2接地，负电压侦测单元T1侦测微分电容C2与微分电阻R2连接点处的负电压，负电压侦测单元T1电性连接计时单元12。

在开关管Q关断时，计时单元12开始计时。在电感电流下降为零之前，电感电流通过续流二极管D流向正母线端，SW点电压为正母线端电压加上续流二极管D的正向导通压降，微分电容C2两端电压等于SW点电压，微分电阻R2上的电压为零。当电感电流下降到零时，续流二极管D截止，由电感、续流二极管D的寄生电容、开关管Q的寄生电容组成的谐振回路在SW点处产生谐振，使SW电压在电感电流下降为零的时刻开始向负母线端振荡，在微分电容C2上产生负微分电流，从而使得微分电容C2和微分电阻R2的交点处产生负电压。即一旦负电压侦测单元T1侦测到微分电容C2和微分电阻R2的交点处为负电压时，可认定电感电流下降到零，计时单元12停止计时，获得电感电流的下降时间△t并将下降时间△t输出至判定单元3，判定单元3将下降时间△t与时间阈值△t_ref进行比较。

于其它实施例中，过零检测单元14也可为与电感L串联的智能电流表，当电流表检测到电感电流为零时输出信号至计时单元12。

实施例三

如图7和图8所示，在电感电流为临界连续模式或断续模式时，电感电流变化量△i等于电感电流的峰值I_peak。下降斜率K的获得转换为获得电感电流峰值I_peak与下降时间△t的比值。电感电流峰值I_peak与下降时间△t的比值与输出电压U_out成正比，因此，通过比较电感电流峰值I_peak与下降时间△t的比值可得到输出电压U_out是否过压。一旦输出电压U_out过压，则关闭开关管Q，不再继续为负载供电。

相应的，如图6所示，本实施例还提供了一种电感电流为临界连续模式或断续模式时的过压保护电路，包括负载R、电感L、开关管Q、续流二极管D、下降斜率获取单元1、阈值设定单元2、判定单元3和保护单元4。负载R、电感L和开关管Q三者依次串联连接。续流二极管D连接在负载R和电感L之间，电感L、续流二极管D和负载R之间形成放电回路，当开关管Q关断时，电感L通过放电回路放电。下降斜率获取单元1获取开关管Q关断后电感电流的下降斜率K，下降斜率K与输出电压U_out成正比。阈值设定单元2设定比较阈值且电性连接判定单元3。判定单元3将表征电路输出电压的电感电流下降斜率K和比较阈值进行比较，根据比较结果判断电路的输出电压U_out是否过压。保护单元4电性连接判定单元3和开关管Q，当判定单元3判断输出电压过压时，保护单元4关闭开关管Q，不再继续为负载供电。

于本实施例中，下降斜率获取单元1包括过零检测单元14、计时开关S、直流源I1和充电电容C1，过零检测单元14电性连接电感L，获得电感L在放电过程中电流下降到零点的时刻，计时开关S电性连接过零检测单元14，在开关管Q关断时刻计时开关S闭合，直流源I1对充电电容C1进行充电；当电感电流下降到零点后，计时开关S打开，电容C1充电结束。

阈值设定单元2包括峰值电流采样电阻R3、保持单元21和比例单元22，峰值电流采样电阻R3电性连接开关管Q，在开关管Q关断瞬间获得电感电流的峰值I_peak，经保持后进入比例单元22进行比例计算形成电压阈值K1*I_peak，K1为比例常数。比例单元22可为乘法器。

当直流源I1在下降时间△t内对电容充电所形成的电容电压Uc(Uc＝I1*△t/C1)小于电压阈值K1*I_peak时，I_peak/△t>I1/(C1*K1)。由于在电感电流为临界连续模式或断续模式时，电感电流变化量△i等于电感电流的峰值I_peak，故△i/△t>I1/(C1*K1)。I1、C1和K1均为固定值，该公式证明电感电流下降斜率K(△i/△t)大于所设定的斜率阈值，输出电压U_out过压。

本实施例提供的过压保护电路可通过设置比例常数K1来实现电压阈值的自动调整。在实际使用中，设计者可通过更换不同的电感L或设置不同的K1值来实现过压保护点的设置，该设置极大方便电路的设计和集成。

于其它实施例中，当电感电流为连续模式时，此时电感电流的下降时间△t等于开关管的关断时间。下降斜率的获得转换为获得电感电流从峰值I_peak下降到谷值I_valley的电流变化量△i与开关管关断时间的比值。该比值与电路的输出电压U_out成正比。因此，通过比较电流变化量△i与开关管关断时间的比值，可得到输出电压是否过压。一旦输出电压过压，则关闭开关管Q，不再继续为负载供电。针对这种情况，可在本实施例提供的过压保护电路的基础上进行改进，将过零检测单元14替换为能检测到电感电流峰值I_peak和谷值I_valley的电流变化量采样单元。当开关管关闭时计时开关S闭合，直流源I1对充电电容C1进行充电。当电感电流下降到谷值I_valley时，计时开关S打开，对充电电容C1的充电结束。

充电电容C1两端的电压Uc＝I1*△t/C1，当Uc小于K1*(I_peak-I_valley)时，即(I_peak-I_valley)/△t>I1/(C1*K1)，由于I1、C1和K1均为固定值，该公式证明电感电流下降斜率K(△i/△t)大于所设定的斜率阈值，输出电压U_out过压。

综上所述，电感是一种储能元件，开关管关断后，电感在放电过程中电感电流的下降斜率与电路的输出电压成正比。本实用新型利用电感的这一特性，设置下降斜率获取单元获取电感在开关管关断后的下降斜率。判定单元将下降斜率与比较阈值进行比较，通过比较结果判断输出电压是否过压，一旦输出电压过压，则关闭开关管Q，不再继续为负载供电，使得输出电路和负载之间开路，保护输出负载。本实用新型提供的过压保护电路利用电感放电的时电感电流的下降斜率与输出电压之间的关系来间接得到输出电压，从而实现输出过压的判断。该种采样方式，开关管无需浮地驱动且也无需采用绕阻进行采样，不仅电路结构简单且各电感、电感采样单元等部件可与输出电路集成在一起，大大减小了电路的体积。

虽然本实用新型已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟知此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims

1.一种过压保护电路，其特征在于，包括：

依次串联连接在电路中的负载、电感和开关管；

续流二极管，连接在负载和电感之间，电感、续流二极管和负载之间形成放电回路，当开关管关断时，电感通过放电回路放电；

下降斜率获取单元，获取开关管关断后电感电流的下降斜率，下降斜率与输出电压成正比；

阈值设定单元，设定比较阈值且电性连接判定单元；

判定单元，电性连接所述下降斜率获取单元和阈值设定单元，将表征电路输出电压的下降斜率和比较阈值进行比较，根据比较结果判断电路的输出电压是否过压；

保护单元，电性连接判定单元和开关管，当判定单元判断输出电压过压时，保护单元关闭开关管。

2.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述下降斜率获取单元包括电流变化量采样单元、计时单元和计算单元，电流变化量采样单元分别电性连接电感和计时单元，电流变化量采样单元获取电感电流从峰值下降到谷值的电流变化量，计时单元在开关管关断时刻开始计时，当电感电流下降到谷值时计时结束，得到下降时间，电流变化量和下降时间输出至计算单元，经计算后得到下降斜率，计算单元将下降斜率输出至判定单元并与设定的下降斜率阈值进行比较，当下降斜率大于下降斜率阈值时，输出电压过压。

3.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，在电感电流为临界连续模式或断续模式时，下降斜率获取单元包括过零检测单元、计时开关、直流源和充电电容，过零检测单元电性连接电感，获得电感在放电过程中电流下降到零点的时刻，计时开关电性连接过零检测单元，在开关管关断时刻计时开关闭合，直流源对充电电容进行充电，当电感电流下降到零点时，计时开关打开，电容充电结束；

4.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，在电感电流为临界连续模式且电感电流的峰值恒定，或电感电流为断续模式且电感电流的峰值恒定时，下降斜率获取单元包括过零检测单元和计时单元，过零检测单元电性连接电感，获得电感在放电过程中电流下降到零点的时刻，计时单元电性连接过零检测单元，在开关管关断时刻计时单元开始计时，在电感电流下降到零点后计时结束，获得电感电流的下降时间并将下降时间输出至判定单元，与时间阈值进行比较。

5.根据权利要求3或4所述的过压保护电路，其特征在于，所述过零检测单元包括与电感串联的电流采样电阻和侦测电流采样电阻两端电压的电压侦测单元，当电流采样电阻两端电压下降到零点后电压侦测单元输出信号至计时单元或计时开关。

6.根据权利要求3或4所述的过压保护电路，其特征在于，过零检测单元包括微分电容、微分电阻和负电压侦测单元，微分电容连接在开关管和电感的交点上，微分电阻与微分电容串联且微分电阻接地，负电压侦测单元侦测微分电容与微分电阻连接点处的负电压，负电压侦测单元电性连接计时单元或计时开关，一旦负电压侦测单元检测到负电压，计时单元或计时开关停止计时。