一种非线性可调节谷值电流的过流保护电路

1.本发明属于电源技术领域，具体涉及一种非线性可调节谷值电流的过流保护电路。


背景技术：

2.在遇到负载突增、雷雨天气以及环境变化等极端情况时，开关电源极易损坏，会导致电子设备电流过大，进而产生大量的热量，因此要想处于突发故障或恶劣环境下的开关电源仍然能够安全可靠的运行，就必须做好过电流保护电路设计。
3.现有的开关电源中的过流保护电路通常是将输出电路中电感电流输入电流检测电路中，若电感电流超过用户设置的过流门限时，降低输出电路中nmos的栅极电压，nmos关断，使得负载与输入电源隔离(即输出电路中的电感电流过大时，就立刻使得负载与输入电源隔离，buck电路不工作，从而影响系统性能)，达到对电路实施保护的目的。


技术实现要素：

4.为了解决现有过流保护电路技术存在的技术问题，本发明提供了一种非线性可调节谷值电流的过流保护电路。本发明的过流保护电流在输出电路中的电感电流超过阈值电流时，输出电压降低到参考电压时，通过调节电流大小，使得输出电路中电感电流低到设定阈值；相较于传统保护电路，不会使得负载与输入电源隔离。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种非线性可调节谷值电流的过流保护电路，本发明的过流保护电路由输出电路和数字型buck控制电路组成；
7.所述数字型buck控制电路用于检测所述输出电路的电感电流和所述输出电路的输出分压；
8.所述数字型buck控制电路基于检测到的信号进行分阶段调节并产生数字脉冲信号；
9.所述数字型buck控制电路将产生的数字脉冲信号传输给所述控制电路的第一场效应管nm1和第二场效应管nm2的栅极，用于控制所述第一场效应管nm1的占空比。
10.优选的，本发明的数字型buck控制电路包括电流检测电路、限流保护电路、逻辑控制电路、数字脉宽调制器、数字比较器、数字补偿器和第一模数转换器；
11.所述电流检测电路用于检测输出电路的电感电流并将其转换为电压信号vi输出，所述电压信号vi和输出电路的输出分压fb输入到所述限流保护电路中进行分阶段调节产生输出信号out_l，所述输出信号out_l输入到所述逻辑控制电路中；
12.所述输出电路1的输出分压fb与参考信号vref相加后通过所述第一模数转换器转换为数字信号，该数字信号输入到所述数字补偿器中进行数字补偿之后输出；
13.所述数字补偿器的输出信号和所述电流检测电路的输出信号vi输入到所述数字比较器中进行处理之后输出信号至所述数字脉宽调制器，所述数字脉宽调制器的输出信号
用于控制所述逻辑控制电路产生数字脉冲信号控制所述输出电路第一场效应管nm1的占空比。
14.优选的，本发明的限流保护电路包括第二模数转换器、数字加法器、数值比较器和检流控压电路；
15.所述第二模数转换器用于将所述输出电路的输出分压fb转换为数字信号dfb并将其传输给所述数字加法器；
16.所述数字加法器将接收到的数字信号dfb与参考信号vref1相加得到数字信号ofb并将其传输给所述数值比较器；
17.所述数值比较器将接收到的数字信号ofb与参考信号vref2作比较，产生输出端y、y和y的高低电平并将其传输给所述检流控压电路；
18.所述检流控压电路基于接收到的所述数值比较器传输的电平信号、以及所述电流检测电路输出的电压信号vi进行分阶段调节，产生输出信号out_l。
19.优选的，本发明的检流控压电路包括第三场效应管pm1、第四场效应管pm2、第五场效应管pm3、第六场效应管pm4、第七场效应管nm1、第八场效应管nm2、第九场效应管nm3、电阻r3、二极管和比较器；
20.所述第三场效应管pm1、第四场效应管pm2、第五场效应管pm3、第六场效应管pm4形成了宽长比为j:k:m:n的电流镜；所述第三场效应管pm1的源极、第四场效应管pm2的源极、第五场效应管pm3的源极、第六场效应管pm4的源极均连接vdd；所述第三场效应管pm1的漏极、第四场效应管pm2的漏极、第五场效应管pm3的漏极、第六场效应管pm4的漏极分别连接第七场效应管nm1的漏极、第八场效应管nm2的漏极、第九场效应管nm3的漏极、偏置电流；所述第七场效应管nm1的栅极与数值比较器的输出端y连接，所述第八场效应管nm2的栅极与数值比较器的输出端y连接，所述第九场效应管nm3的栅极与数值比较器的输出端y连接，所述第七场效应管nm1的源极、第八场效应管nm2的源极、第九场效应管nm3的源极以及比较器comp的反相输入端均与所述电阻r3的一端连接，所述电阻r3的另一端与所述二极管正端连接，所述二极管负端输入所述电流检测电路的输出信号vi；所述比较器的正相输入端输入参考电压vref3，所述比较器的输出信号为out_l。
21.优选的，本发明的第三场效应管pm1、第四场效应管pm2、第五场效应管pm3、第六场效应管pm4的宽长比j:k:m:n＝5:8:10:10。
22.优选的，本发明的输出电路包括第一场效应管nm1、第二场效应管nm2、电感l、电容c、外接电阻r1和外接电阻r2；
23.所述第一场效应管nm1的栅极接入数字型buck控制电路输出的控制信号tg，所述第一场效应管nm1的漏极接电源正端，所述电源负端接地，所述第二场效应管nm2的栅极接入所述数字型buck控制电路输出的控制信号bg，所述第二场效应管nm2的源极接地，所述第一场效应管nm1的源极、第二场效应管nm2的漏极均与电感l的一端连接，所述电感l的另一端与所述电容c一端连接，所述电容c另一端接地，所述外接电阻r1和外接电阻r2串联后并联在所述电容c的两端。
24.本发明具有如下的优点和有益效果：
25.1、本发明提出的一种非线性可调节谷值电流的过流保护电路，能够提前检测到电感电流的异常变化，进行分阶段调节，从而避免电感电流过大的情况，提升系统的整体性
能。
26.2、本发明灵活可靠，大大提高了线路的效率。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
28.图1为本发明的电路结构原理框图。
29.图2为本发明的限流保护电路结构示意图。
30.图3为本发明分压fb的翻转电压与输出电压ofd的调节关系示意图。
具体实施方式
31.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
32.在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
33.在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
34.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
35.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。
37.实施例1
38.相较于传统的过流保护电路，本实施例提出了一种非线性可调节谷值电流的过流保护电路，本实施例的过流保护电路采用数字型buck控制电路，通过提前检测电感电流的异常变化，并对其进行分阶段调节，从而避免电感电流过大的情况，提升系统的整体性能。
39.如图1所示，本实施例的过流保护电路主要由输出电路1和数字型buck控制电路2组成。
40.本实施例的输出电路1采用现有的buck电路。
41.本实施例的数字型buck控制电路2包括电流检测电路、限流保护电路ocp、逻辑控制电路、数字脉宽调制器dpwm、数字比较器、数字补偿器dpid和第一模数转换器adc。
42.本实施例的电流检测电路用于检测输出电路1中的电感电流lx并将其转换为电压信号vi输出；该电压信号vi和输出电路1的输出分压fb(信号vi输出；该电压信号vi和输出电路1的输出分压fb(其中，r1和r2构成输出电路1的输出信号vout的分压电路，fb为分压电阻r2的电压)输入到限流保护电路ocp中进行分阶段调节得到输出信号out_l；该输出信号out_l输入到逻辑控制电路中，由数字脉宽调制器dpwm控制该逻辑控制电路产生控制信号控制输出电路1中场效应管的占空比。
43.输出电路1的输出分压fb与参考信号vref相加后通过第一模数转换器adc转换为数字信号，该数字信号输入到数字补偿器dpid中进行数字补偿之后输出；数字补偿器dpid能够改变系统增益裕度和相位裕度，使得信号经过dpid模块后，系统有一定的稳定性且能减小外部干扰的影响。
44.数字补偿器dpid的输出信号和电流检测电路的输出信号vi输入到数字比较器中进行比较处理之后输出信号至数字脉宽调制器dpwm，数字脉宽调制器dpwm，将输入的数字信号调制成pwm脉冲信号，调节占空比信号，使得输出电压基本稳定；数字脉宽调制器dpwm的输出信号用于控制逻辑控制电路产生脉冲信号。
45.具体如图2所示，本实施例的限流保护电路ocp包括第二模数转换器adc、数字加法器、数值比较器和检流控压电路。
46.本实施例的第二模数转换器用于将输出电路的输出分压fb转换为数字信号dfb；该数字信号dfb输入到数字加法器中，数字加法器将数字信号dfb与参考信号vref1相加得到数字信号ofb(ofb＝dfb+vref1+co，co为来自低位的进位信号)；该数字加法器输出数字信号ofb到4位数值比较器，数值比较器将数字信号ofb与参考信号vref2(本实施例中，vref2＝k(dfb+vref1+co)，k为可设定的值)作比较，产生信号输出端y(c＝d)、y(c>d)和y(c<d)的高低电平，c和d表示数值比较器的两个输入信号。
47.本实施例的数字加法器的作用是在过流的情况下，能够使得谷值电流更快的降低下来，电路更快的响应，提高此电路的效率。
48.本实施例的数值比较器的输出端y的电平信号输入到检流控压电路进行分阶段调节，本实施例的检流控压电路包括第三场效应管pm1、第四场效应管pm2、第五场效应管pm3、第六场效应管pm4、第七场效应管nm1、第八场效应管nm2、第九场效应管nm3、电阻r3、二极管和比较器comp。
49.其中，第三场效应管pm1、第四场效应管pm2、第五场效应管pm3、第六场效应管pm4形成了宽长比为j:k:m:n的电流镜，本实施例中的j:k:m:n根据实际需要设置，第三场效应管pm1的源极、第四场效应管pm2的源极、第五场效应管pm3的源极、第六场效应管pm4的源极均连接vdd，第三场效应管pm1的漏极、第四场效应管pm2的漏极、第五场效应管pm3的漏极、第六场效应管pm4的漏极分别连接第七场效应管nm1的漏极、第八场效应管nm2的漏极、第九场效应管nm3的漏极、偏置电流；第七场效应管nm1的栅极与数值比较器的输出端y(c>d)连接，第八场效应管nm2的栅极与数值比较器的输出端y(c＝d)连接，第九场效应管nm3的栅极与数值比较器的输出端y(c<d)连接，第七场效应管nm1的源极、第八场效应管nm2的源极、第九场效应管nm3的源极以及比较器comp的反相输入端均与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与二极管正端连接，二极管负端输入电流检测电路的输出信号vi；比较器的正相输入端输入参考电压vref3，本实施例的vref3的点位为0，比较器comp的输出信号为out_l，该输出信号out_l输入至逻辑控制电路从而控制输出电路中场效应管(nm1)的占空比。
50.本实施例的限流保护电路ocp的工作原理为：检流控压电路接收到四位数值比较器输出信号y(c＝d)、y(c>d)与y(c<d)的高低电平，便可确定nm1、nm2、nm3的导通与截止情况，确定了流经电阻r3的电流大小，即确定了谷值电流的大小。在电感电流lx过流的情况下，电流检测电路(i
‑
sense)将电流信号lx转换为电压信号vi输送至检流控压电路，vref_sense产生变化并输送至比较器(comp)，比较器比较结果out_l经过逻辑电路后，tg信号会由高电位变为低电位，从而电感开始放电，输出电压降低。当fb减小至设定值vref2值时，通过四位数值比较器，y(c＝d)信号变为高电平，这时流过电阻r3的电流变为流过第四场效应管nm2的电流；当ofb的电平低于vref2电平时，这时流过电阻r3的电流变为流过第三场效应管nm1的电流。
51.本实施例的输出电路1包括由第一场效应管nm1、第二场效应管nm2、电感l、电容c、外接电阻r1和外接电阻r2构成的一般的buck输出电路的拓扑结构，如图1所示，本实施例的第一场效应管nm1的栅极接入数字型buck控制电路2(即逻辑控制电路)输出的控制信号tg，第一场效应管nm1的漏极接电源正端，电源负端接地，第二场效应管nm2的栅极接入数字型buck控制电路2(即逻辑控制电路)输出的控制信号bg，第二场效应管nm2的源极接地，第一场效应管nm1的源极、第二场效应管nm2的漏极均与电感l的一端连接，电感l的另一端与电容c一端连接，电容c另一端接地，电阻r1和电阻r2串联后并联在电容c的两端。
52.本实施例的过流保护电路能够提前检测到电感电流的异常变化，通过限流保护电路ocp分阶段调节，从而避免电感电流过大的情况，提升系统的整体性能，同时能够提高电路的效率。
53.本实施例的过流保护电路工作原理如下：
54.电路正常工作时，即未过流的情况下。在输出电路中，在tg为高电平、bg为低电平时，nm1导通。第一场效应管nm1、电感l、电阻r1、电阻r2组成环路，同时电容c在充电。当bg为高电平、tg为低电平时，电感l与r1、r2、nm2组成回路且放电，电感l放电的同时，电流检测电路(i
‑
sense)会检测到此时电感l的瞬时电流信号并将其转化为电压信号vi，fb为r2上的分压，同时输入到数字型buck控制电路2的ocp中，经第二模数转换器adc、加法器和四位数值比较器后，检流控压电路会将流经第五场效应管pm3、第九场效应管nm3管的电流流向电阻r3和二级管，电流正常输出，并将电压vref_sense输入比较器的反相输入端。电流检测电路
(i
‑
sense)为一个电流电压转换器件，将电感的瞬时电流转换为电压检测信号vi并输入到检流控压电路。
55.将当电感电流lx过电流时，限流保护电路(ocp)就会响应信号。电感电流lx经过电流检测电路(i
‑
sense)的产生输出信号vi，且vi比正常值大输入检流控压电路中。本实施例中pm1:pm2:pm3:pm4的宽长比j:k:m:n＝5:8:10:10。当vi变大，检流控压电路中的vref_sense产生变化，从而比较器(comp)输出信号out_l产生变化，逻辑控制电路(logic)会改变tg信号的占空比，使得输出电压减小，从而fb也将减小，当fb减小至设定值vref2值时，通过四位数值比较器，y(c＝d)信号变为高电平，而y(c>d)与y(c<d)均为低电平，这时流过电阻r3的电流变为流过第四场效应管nm2的电流，即谷值电流变为原来的0.8倍；当fb减小至低于设定值vref2值时，这时流过电阻r3的电流变为流过第三场效应管nm1的电流，即谷值电流变为原来的0.5倍。
56.实施例2
57.本实施例对上述实施例1提出的过流保护电路进行测试，本实施例取vref1＝3v，r1:r2＝1:3，pm1:pm2:pm3:pm4的宽长比j:k:m:n＝5:8:10:10，在buck电路输出电压一定时，输出电路中r1、r2经过分压得到分压fb，且由分压fb和可设定的参考电压vref1及k值，得到需要设置的参考电压vref2。将需要设置的参考电压vref2的二进制表达法输入c3
…
c0端口。在过流时，当输出电压ofb降低到vref2时，四位数字比较器输出端口的y(c＝d)为高电平，nm2导通，谷值电流降低到原来的0.8倍；当输出电压ofb低于vref2时，四位数字比较器输出端口的y(c>d)为高电平，nm1导通，谷值电流降低到原来的0.5倍，流过电阻r3的电流为流经第三场效应管nm1的电流值。且输出电压不同，fb所需下降的翻转电压也不同，翻转电压与输出电压的调节比例也是不同的。
58.具体如图3所示，例如当输出电压为12v时，且即可得到参考电压vref2需要设置为4v，用二进制码可以表示为0100，同时将0100输入至c3
…
c0端口；且在buck电路过流的情况下，输出电压需要降低到1.33v，检流控压电路才会将谷值电流降低为原来的80％，输出电压低于1.33v时，检流控压电路才会将谷值电流降低为原来的50％，输出电压的调节比例为11.1％；当输出电压为20v时，且即可得到参考电压vref2需要设置为6v，用二进制码可以表示为0110，同时将0110输入至c3
…
c0端口；过流的情况下，输出电压需要降低至4v，检流控压电路会将谷值电流降低为原来的80％，输出电压低于4v时，检流控压电路会将谷值电流降低为原来的50％，输出电压的调节比例为20.0％。
59.由图3所示的曲线即可知道，以上buck电路过流情况下，输出电压所需调节比例不同。输出电压越大，调节比例越大，即电压降低的幅度越低；即调节比例是非线性的。本实施例的过流保护电路可以快速的使谷值电流降低，电路调节的效率大大提高，响应速度快。
60.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。