一种基于开关电源的过流保护电路.pdf

第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J OUR NA LO FHE F E IUN I V E R S I T YO FT E C HN O L O G Y(NA TUR A LS C I E N C E)V o l N o J u l 收稿日期:;修回日期:基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(M S );辽宁省教育厅科学研究资助项目(L J C )作者简介:李佳成(),男,河北唐山人,辽宁大学硕士生;赵宏亮(),男,辽宁沈阳人,辽宁大学副教授,硕士生导师,通信作者,E m a i l:Z Z HHL L c o mD O I:/j i s s n 一种基于开关电源的过流保护电路李佳成,赵宏亮,卢雪梅(辽宁大学 物理学院,辽宁 沈阳 )摘要:文章设计一种基于谷值限流方式的过流保护电路,利用整流开关管自身导通阻抗进行采样,通过正负电压叠加的方式消除工艺偏差对限流阈值的影响.采用 m的B C D(b i p o l a r CMO S DMO S)工艺进行设计,电路结构简单、精确度高、响应速度快.在C a d e n c e软件的S p e c t r e环境下进行仿真验证,该电路对电源电压和温度变化引起的过流阈值偏移有很强的抑制能力,在V的电源电压和 的温度范围内,过流阈值的最大误差仅为,传输延时仅为 n s.关键词:过流保护;谷值限流;电流采样;高精度;开关电源中图分类号:TN 文献标志码:A文章编号:()A no v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i tb a s e do ns w i t c h i n gc o n v e r t e rL I J i a c h e n g,Z HAO H o n g l i a n g,L UX u e m e i(S c h o o l o fP h y s i c s,L i a o n i n gU n i v e r s i t y,S h e n y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e rd e s i g n e da no v e r c u r r e n t p r o t e c t i o nc i r c u i tb a s e do nv a l l e yc u r r e n t l i m i t i n gm o d e T h ec u r r e n tw a ss e n s e db yt h eo n r e s i s t a n c eo f t h er e c t i f i e rMO S F E TA n dt h e i n f l u e n c eo fp r o c e s sd e v i a t i o no nc u r r e n t l i m i t i n gt h r e s h o l dw a se l i m i n a t e db ys u p e r p o s i t i o no fp o s i t i v ea n dn e g a t i v ev o l t a g e s T h ed e s i g nw a sc a r r i e do u tu s i n g mb i p o l a r CMO S DMO S(B C D)p r o c e s s T h ec i r c u i th a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l e s t r u c t u r e,h i g ha c c u r a c ya n d f a s t r e s p o n s e T h e s i m u l a t i o nw a s c o n d u c t e d i nt h eS p e c t r e e n v i r o n m e n t o fC a d e n c e s o f t w a r e,a n d t h e r e s u l t s s h o wt h a t t h eo v e r c u r r e n t t h r e s h o l dd e v i a t i o nc a u s e db ys u p p l yv o l t a g ea n dt e m p e r a t u r ec h a n g e s i sh i g h l y i n h i b i t e d T h em a x i m u me r r o ro ft h eo v e r c u r r e n t t h r e s h o l d i so n l y i nt h er a n g eo f Vs u p p l yv o l t a g ea n d A n dt h e t r a n s m i s s i o nd e l a y i so n l y n s K e yw o r d s:o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n;v a l l e yc u r r e n t l i m i t;c u r r e n t s e n s e;h i g hp r e c i s i o n;s w i t c h i n gc o n v e r t e r引言随着电子信息技术的不断发展,电子产品越来越趋于轻型化和小型化,因此高性能的电源管理芯片在市场上占据越来越重要的地位.开关电源芯片作为一种高效率、体积小、质量轻、精度高的电源芯片在电子、通信、航天、军事等领域被广泛应用,其中大功率MO S F E T开关管因其出色的高频开关特性和低的导通阻抗而被广泛应用,但其又存在过载承受能力较弱的问题,过大的电流可能会对器件造成永久性的损伤,降低芯片的安全性和可靠性.因此,如何设计出可靠而合理的过流保护电路尤为重要,它必须具有较快的响应速度且不受电源电压和温度的影响 .传统过流保护电路在系统过流时,会将过流信号反馈给控制电路来关断功率管,以限制住电感电流峰值的方式来达到限流的目的.通常过流保护电路电流采样的方式有种:一种利用串联电阻采样;另一种利用功率管自身的导通阻抗来采样.文献 利用一个采样电阻与开关管串联,通过调整电阻与开关管导通阻抗的系数进行匹配来精确限流阈值,然而但是由于开关管的导通阻抗与电阻受工艺与温度的变化趋势不同,其只能在某一条件下精确匹配;文献 利用功率管自身的导通阻抗采样,基于理想的正负温度系数的假设条件下,得到了不受电源与温度影响的理论限流阈值公式,然而由于实际器件的温度系数与理想情况的差距以及沟道调制效应的影响,实际电路中达到精确度并不高.针对上述问题,本文基于谷值限流的方式设计了一种新颖的采样比较方式.该方式电路结构简单、响应速度快、精确度高,适用于电流模式控制的开关电源芯片.电路整体结构和基本原理电路的整体结构如图所示.图电路整体结构图该结构由采样电路、比较器和控制逻辑部分组成.M 为功率开关管,M 为整流开关管,当M 管打开时与比较器开始工作.基于电流模式控制方法,时钟信号C L K上升沿来临时,控制逻辑产生窄脉冲信号c l k_i n i t i a l控制M 管打开,同时M 管关闭,电感电流上升.下一阶段,M 管关闭,M 管打开,电感电流开始下降.当芯片处于正常工作状态时,在每一个C L K上升沿来临时,系统不断重复上一周期的动作.当芯片过流时,电感电流高于过流阈值,比较器输出的过流信号O C P变高,控制逻辑屏蔽c l k_i n i t i a l信号,使下一周期在C L K上升沿来临时M 管不能开启,保持电流继续下降.直到某一周期的C L K上升沿来临时电感电流谷值低于过流阈值,比较器的输出翻转,不再屏蔽c l k_i n i t i a l信号,M 管才能再次开启,重复周期动作.由图可得:VLVS WVo u t()结合电感方程和B u c k电路占空比方程IVLLTVS WVo u tLT()DTo nTVo u tVi n()其中:VL为电感两端电压;I为电感电流的变化量.在M 管打开的电流上升阶段,VSW与电源短接,Vo u t值由反馈电阻决定,T为功率开关管的导通时间To n,其由占空比D决定.在某一工作状况下均为定值.因此,I保持不变,当电感电流的谷值被限制住时,负载电流也被限制住.关键单元电路设计 采样电路本文的电流采样电路如图所示.在M 管导通时,电流IL是从地流向SW点,得到的VS W为一个负电压,其大小为电感电流大小的直接反映.通过将一个固定的偏置电流Ib i a s经过匹配管Mm a t c h流向SW点,在VSW的负电压基础上叠加一个正电压来消除导通阻抗的影响.图采样电路由图可得:VSWILRo nM()VAVSWIb i a skRo nM()VB()其中:Ro nM 为M 管的导通阻抗;M 与Mm a t c h是匹配管,即Mm a t c h管的导通阻抗为kRo nM,k为比例系数.当电路正常工作时,IL的值比较小,VSW的值经过正电压叠加后,使VAVB,比较器输出的O C P信号为低电平;当电路过流时,IL的值变大,VS W负值更小,使VAVB,比较器输出的合肥工业大学学报(自然科学版)第 卷O C P信号翻转为高点平.联立式()(),当VAVB时得过流阈值为:It hkIb i a s()由式()可知,过流阈值It h为一个与电源电压和温度无关的值.比较器基于采样电路的结构,采用以电流源为负载的共源共栅结构为基础设计比较器,电路的具体结构如 图所 示.M M 为 比 较 级,流 过M M 与M M 的 电 流 均 为 偏 置 电 流Ib i a s,同时作为采样电路中流入SW点的电流.电感电流越大,A处的电压越低,M 和M 的栅极电压越低.当A处电压低于B处电压时,由于电流镜像的作用,流过M 和M 的电流会低于流过M 和M 的电流,使输出点电压被拉高,经过输出级M M 与反相器输出O C P高电平信号.由于功率管的尺寸通常很大,增加M M 的共源共栅结构来镜像一路电流a Ib i a s来调节过流阈值以降低比例系数,a为电流镜并联数.图比较器电路由图、图可知,在理论结构上增加了MS W 和MS W 管,这是由于M 和M 处于不断开关的状态,VS W的跳变非常大,严重影响比较器的反应速度.因此加入MS W 和MSW 管作为开关,在M 管关断时,断开A点与SW点的通路,通过M 和M 管使A、B两点电压总是保持在相同水平以提高响应速度.注意到MS W 和MSW 管串联在采样回路中,因此M、Mm a t c h、MSW、MS W 均应设计为匹配管,同时式()()修正为:VAVSW(a)Ib i a skRo nM()VBIb i a skRo nM()It h(a)Ib i a ska Ib i a sk()其中,k为比例系数.控制逻辑控制逻辑电路如图所示,电路由触发器与简单的逻辑门电路构成.在系统处于正常工作状态时,O C P信号为低电平,O C P信号不会影响与非门的输出结果.功率开关管M 的开启完全由L S D R信号控制.在系统处于过流状态时,O C P信号为高电平,无论L S D R信号是什么,当C L K的上升沿来临时,c l ki n i t i a l信号会被屏蔽,使M 管不能开启.图控制逻辑电路电路仿真结果及分析基 于 m的B C D(b i p o l a r CMO S DMO S)工艺在S p e c t r e环境下进行电路仿真,仿真参数见表所列,将仿真参数代入式()中得到过流阈值为 A.表过流保护电路的仿真参数参数Ib i a sakk仿真结果 在V的电源电压和 的温度范围内分别设置步进行仿真,结果见表所列.电压在 mV的阶跃信号下仿真比较器的响应速度,仿真曲线如图所示.本文与其他文献的过流保护电路的性能参数见表所列.表不同电源电压和温度时的过流阈值单位:AVi n/V 由表可知,在不同电源电压与温度的条件下,过流阈值的最大误差为 ,过流阈值受电源和温度变化的影响很小,电路的稳定性和可靠性第期李佳成,等:一种基于开关电源的过流保护电路高.由图可知,比较器的传输延时只有 n s.由表可知,在相似条件下,本文的过流保护电路准确度更高,对响应速度有明显提升,电路的综合性能更优.图比较器延时仿真波形表本文与其他文献的参数性能比较参数文献文献文献本文仿真温度/电源电压/V It h最大误差/响应速度/n s 将该过流保护电路应用到一个完整的D C D C开关电源芯片中,在过流条件下得到的仿真结果如图所示.从图可以看出,当负载电流超出阈值时,产生O C P信号将c l ki n i t i a l信号屏蔽,电感电流扩频,谷值被限制住.图过流保护电路整体仿真结论本文设计了一种适用于电流模式开关电源的过流保护电路,基于谷值限流提出了一种新型的采样和匹配方式.本文对电路的整体结构和工作原理进行了阐述和理论推导,并在S p e c t r e环境下进行仿真验证.仿真结果表明,过流阈值受电源电压和温度变化的最大偏差仅为,限流精确度高,同时在响应速度上也有很大的改善,传输延时仅为 n s.参考文献李艳丽开关电源中保护电路的研究与设计D成都:西南交通大学,邹一照,常昌远,谭春玲一种D C D C变换器的过流保护电路J电子器件,():YUF,Y ON GX,WE ITF,e ta l An e wo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nt e c h n i q u ef o rp e a k c u r r e n tt y p eD C D Cc o n v e r t e rC/I E E EP o w e rE l e c t r o n i c sa n dM o t i o nC o n t r o lC o n f e r e n c e S l :I E E E,:C HE NJ J,S UJH,L I NHY,e t a l I n t e g r a t e d c u r r e n t s e n s i n gc i r c u i t s s u i t a b l e f o r s t e p d o w nD C D Cc o n v e r t e r sJ E l e c t r o n i c sL e t t e r s,:杨靖 C O T架构的过流保护电路设计D成都:西南交通大学,奚冬杰逐周期检测的C O T过流保护设计D成都:电子科技大学,高峡,冯全源一种用于B u c k变换器的过流保护电路J微电子学,():A B R AHAMI 开关电源设计M 版王志强,肖文勋,虞龙,等,译北京:电子工业出版社,(责任编辑李凯)合肥工业大学学报(自然科学版)第 卷