具有过温保护功能的开关电路的制作方法

本实用新型涉及过温保护技术领域，且特别涉及一种具有过温保护功能的开关电路。

背景技术：

电路在工作时由于器件会发热，整个电路的温度会升高。为防止器件因电路整体温度升高而损坏，在电路工作时需要控制电路的温度，防止电路过温。

在现有的开关电路中，一般过温保护方法都是通过减小输出电流来实现。现有的过温保护方法中电路处于峰值电流控制模式，当检测到电路过温时，降低设置的峰值电流，即通过降低电感电流的峰值来减小开关电路的输出电流。然而，电感电流峰值的降低将使得主开关管的开关频率得不到降低，甚至会升高。主开关管开关频率的升高将导致开关损耗增大，引起系统升温。因此，现有的减小输出电流的过温保护方法降温效果不好，甚至由于开关频率的升高，系统反而还会升温，从而无法达到降温的效果。图1所示为现有的过温保护方法中开关电路的温度、电感电流、电路的输出电流以及开关频率的波形图。

技术实现要素：

本实用新型为了克服现有技术的不足，提供一种具有过温保护功能的开关电路。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种具有过温保护功能的开关电路，包括开关电路、随温度变化的延时电路和驱动控制电路。开关电路包括主开关管和电感。随温度变化的延时电路电性连接主开关管，在主开关管关断且开关电路过温时，随温度变化的延时电路延时输出信号至驱动控制电路，开关电路过温的温度越高，随温度变化的延时电路延时输出信号的时间越长。驱动控制电路电性连接主开关管和随温度变化的延时电路，驱动控制电路根据随温度变化的延时电路输出的信号延时下一个周期主开关管的导通并保持电感电流峰值大小不变，减小开关电路的输出电流。

于本实用新型一实施例中，在临界导通定峰值控制模式下，具有过温保护功能的开关电路还包括电感电流峰值采样电路、辅助绕组和过零检测电路。电感电流峰值采样电路在主开关管导通时采样电感电流，当电感电流到达峰值后输出信号至驱动控制电路，驱动控制电路关断主开关管。辅助绕组设置在开关电路输入侧且与电感相耦合，在主开关管关断后检测电感电流。过零检测电路 电性连接辅助绕组，通过辅助绕组上的信号判断电感电流是否下降到零，当电感电流下降到零时输出信号至随温度变化的延时电路。

于本实用新型一实施例中，电感电流峰值采样电路包括采样电阻和电流采样电路。采样电阻串联在主开关管和电感的通路上，获得主开关管导通时的电感电流。电流采样电路电性连接采样电阻，获得采样电阻上流过的电流，并将该电流与设定的峰值电流进行比较，当该电流等于设定的峰值电流时表征电感电流达到峰值。

于本实用新型一实施例中，过零检测电路通过判断辅助绕组上的电压变化率来检测电感电流是否下降到零，当辅助绕组上的电压变化率为负时表征电感电流下降到零。

于本实用新型一实施例中，过零检测电路通过判断辅助绕组上的电压来检测电感电流是否下降到零，当辅助绕组上的电压为零时表征电感电流下降到零。

于本实用新型一实施例中，随温度变化的延时电路包括电流源、延时电容、控制开关和比较器。延时电容连接在电流源和地之间。控制开关并联在延时电容的两端，控制开关的控制极与主开关管的关断信号相连接。比较器的第一输入端连接在电流源和延时电容的公共端，比较器第二输入端连接设定阈值，比较器的输出与驱动控制电路相连接。

于本实用新型一实施例中，电流源的输出电流与开关电路的过温温度相关，当开关电路未过温时，电流源输出一固定电流，当开关电路过温时，温度越高，电流源输出电流越小，延时时间越长。

于本实用新型一实施例中，设定阈值与开关电路的过温温度相关，当开关电路未过温时，设定阈值为一固定电压，当开关电路过温时，温度越高，设定阈值的电压值越大，延时时间越长。

本实用新型另一方面还提供一种具有过温保护功能的开关电路包括开关电路、随温度变化的延时电路和驱动控制电路。开关电路包括主开关管和电感。随温度变化的延时电路电性连接主开关管，在主开关管关断且开关电路过温时，随温度变化的延时电路延时输出信号至驱动控制电路，开关电路过温的温度越高，随温度变化的延时电路延时输出信号的时间越长。驱动控制电路电性连接主开关管和随温度变化的延时电路，在闭环控制模式下，驱动控制电路根据随温度变化的延时电路输出的信号延时下一个周期主开关管的导通并减小驱动控制电路的参考阈值，降低开关电路的输出电流。

综上所述，本实用新型提供的具有过温保护功能的开关电路与现有技术相比具有以下优点：

在所有的开关电路控制模式下，当开关电路过温时，在主开关管关断后延时下一周期主开关管的导通并保持电感电流峰值大小不变。在连续模式下，主开关的延时将使得电感电流下降到更小的值，从而降低开关电路的输出电流，达到过温保护的效果；而在临界导通模式下，主开关管的延时导通将临界导通模式转换为断续导通模式从而降低开关电路的输出电流，降低开关电路的温度。开关电路过温的温度越高，主开关管延时导通的时间将越长。进一步的，在保持电感电流峰值大小不变的情况下，主开关管的延时导通降低了主开关管的开关频率，开关损耗小，具有很好的降温效果。而在闭环控制模式下，当开关电路过温时，可在延时下一个周期主开关管导通的同时减小驱动控制电路的参考阈值来达到降低输出电流的效果。

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所示为现有的通过降低电感电流峰值的过温保护方法中开关电路的温度、电压、电感电流、输出电流以及开关频率的时序图。

图2所示为本实用新型实施例一提供的具有过温保护功能的开关电路的工作流程图。

图3所示为本实用新型实施例一提供的具有过温保护功能的开关电路的结构框图。

图4所示为本实用新型实施例一提供的具有过温保护功能的开关电路的原理图。

图5所示为图4中随温度变化的延时电路的电路原理图。

图6所述为图4中开关电路的温度、辅助绕组上的电压、电感电流、输出电流以及开关频率的时序图。

图7所示为图4中随温度变化的延时电路中过零检测信号、延时电容端电压VC以及输出信号的时序图。

图8所示为在连续导通模式下工作的开关电路中开关电路的温度、电感电流、输出电流以及开关频率的时序图。

具体实施方式

在现有开关电路中，过温保护的实现方式是通过降低电感电流的峰值使得输出电流变小。然而，电感电流的峰值降低将使得开关管的开关频率增加，从而增加开关损耗而增加电路的温度。即现有的过温保护方法过温保护效果不佳或者甚至无法真正的实现过温保护。

有鉴于此，本实施例提供一种能真正实现开关电路过温保护的具有过温保护功能的开关电路。具有过温保护功能的开关电路的工作原理为：在主开关管关断且开关电路过温时，驱动开关管导通的驱动控制电路随温度变化延时下一个周期主开关管的导通并保持电感电流峰值大小不变，减小开关电路的输出电流。开关电路过温的温度越高，延时的时间越长。

本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路不仅适用于开环控制模式下的开关电路，同样也适用于闭环控制模式下的开关电路。所述开环控制模式为通过控制电感电流的峰值来控制输出电流，而不检测输出电流来调整输出电流，如定峰值控制模式。所述闭环控制模式为通过检测输出电流作为反馈信号来对输出电流进行控制的模式，如恒导通时间控制或峰值电流控制。

本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路当系统过温时，在保持电感电流峰值大小不变的前提下延时下一个周期主开关管的导通，不仅可降低输出电流且主开关管的开关频率也得到降低，在减小输出电流的同时降低开关损耗，真正实现开关电路的过温保护。

本实施例以临界导通定峰值控制模式为例对具有过温保护功能的开关电路的工作原理进行详细说明。在临界导通定峰值控制模式下，如图2所示，当主开关管导通时检测电感电流，在电感电流达到设置的峰值后主开关管关断，电感电流下降(步骤S1)。在主开关管关断后检测电感电流是否下降到零(步骤S2)。当电感电流下降到零且开关电路过温时，驱动主开关管导通的驱动控制电路随温度变化延时下一个周期主开关管的导通并保持电感电流峰值大小不变，减小开关电路的输出电流(步骤S3)。若开关电路不过温，驱动控制电路固定延时或不延时开启主开关管。于本实施例中开关电路为Buck电路。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，开关电路可为Boost电路、Buck-Boost电路、正激电路或反激电路中的任一种。

如图4所示，在Buck电路中，在主开关管Q201导通时，输入电压Vin，负载R201(或输出电容C201)、电感L201、主开关管Q201和采样电阻R202组成回路。输入电压Vin给负载R201和电感L201充电。本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路针对临界导通定峰值控制模式下的开关电路，即当电感电流达到设定的峰值后开关管Q201关断。因此，本实用新型提供的具有过温保护功能的开关电路的原理从步骤S1开始，在主开关管Q201导通时，检测电感电流。具体而言，当主开关管Q201导通时，电感电流等于流过主开关管Q201的电流。因此，在主开关管Q201和电感L201的通路上串联采样电阻R202。优选的，如图4所示，在主开关管Q201和地之间串联采样电阻R202，电流采 样电路U4获取采样电阻R202上流过的电流，并将该电流与设定的峰值电流进行比较，当该电流等于设定的峰值电流时表征电感电流达到峰值。一旦电感电流达到峰值，驱动控制电路U2将主开关管Q201关断。

在主开关管Q201关断时，续流二极管D201、负载R201(或输出电容C201)和电感L201组成回路，电感L201给负载R201充电，电感电流下降。步骤S2检测电感电流是否下降到零。当电感电流下降到零时判断开关电路是否过温，具体的过温检测可以通过温度检测电路进行检测，当开关电路过温时，执行步骤S3，驱动控制电路随温度变化延时下一个周期主开关管Q201的导通并保持电感电流峰值大小不变，减小开关电路的输出电流。具体的随温度变化为：过温温度越高，延时的时间越长。

由于在不过温时，Buck电路处于临界导通模式，即当电感电流下降到零后，驱动控制电路立即开启或延时一固定时间后开启主开关管Q201。当开关电路过温时，本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路将下一周期主开关管Q201延时导通的时间增大。从图6所示的波形图上可以得出，本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路不改变电感电流的设定峰值，而是通过延时导通主开关管Q201来实现开关电路输出电流的减小且过温的温度越高延时时间越长，而延时导通也使得主开关管Q201的开关频率得到降低，开关损耗小，两者均能实现降低开关电路的温度，有效达到过温保护的目的。于其它实施例中，如图8所示，当电感电流为连续模式时，本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路同样适用，同样在减小输出电流的同时主开关管的频率也得到降低。

在主开关管Q201关断后为实现电感电流的检测，于本实施例中，如图4所示，在开关电路的输入侧设置与电感L201耦合的辅助绕组Na。检测辅助绕组Na上的电压变化率，当辅助绕组Na上的电压变化率为负时判断电感电流下降到零。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，可通过检测辅助绕组Na上的电压来判断电感电流是否过零。具体而言，当辅助绕组Na上的电压为零时表征电感电流下降到零。

具体而言，本实用新型提供的具有过温保护功能的开关电路，如图3和图4所示，包括开关电路100、随温度变化的延时电路U1和驱动控制电路U2。开关电路100包括主开关管Q201和电感L201。随温度变化的延时电路U1电性连接主开关管Q201，在主开关管Q201关断且开关电路100过温时，随温度变化的延时电路U1延时输出信号至驱动控制电路U2，开关电路100过温的温度越高，随温度变化的延时电路U1延时输出信号的时间越长。驱动控制电路U2电性连接主开关管Q201和随温度变化的延时电路U1，驱动控制电路U2根据 随温度变化的延时电路U1输出的信号延时下一个周期主开关管Q201的导通并保持电感电流峰值大小不变，减小开关电路的输出电流。开关电路100过温温度越高，延时的时间越长。若开关电路100没有过温，随温度变化的延时电路U1固定延时或不延时开启主开关管Q201。

本实施例以临界导通定峰值控制模式为例介绍该具有过温保护功能的开关电路。然而，本实用新型对此不作任何限定。本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路可处于任意控制模式下的开关电路。于本实施例中，开关电路为BUCK电路。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，开关电路100可为Boost电路、Buck-Boost电路、正激电路或反激电路中的任一种。

在临界导通定峰值控制模式下，当电感电流上升到设定峰值时主开关管Q201关断，电感电流下降。而当电感电流下降到零后若开关电路100过温，则延时下一个周期主开关管Q201的导通并维持电感电流的峰值大小不变。因此，在该种模式下，具有过温保护功能的开关电路还包括电感电流峰值采样电路、辅助绕组Na和过零检测电路U3。电感电流峰值采样电路在主开关管Q201导通时采样电感电流，当电感电流到达峰值后输出信号至驱动控制电路U2，驱动控制电路U2关断主开关管Q201。辅助绕组Na设置在开关电路100输入侧且与电感L201相耦合，在主开关管Q201关断后检测电感电流值。过零检测电路U3电性连接辅助绕组Na，通过辅助绕组Na上的信号判断电感电流是否下降到零，当电感电流下降到零且开关电路100过温时输出信号至随温度变化的延时电路U1。

于本实施例中，电感电流峰值采样电路包括采样电阻R202和电流采样电路U4。采样电阻R202串联在主开关管Q201和电感L201的通路上，获得主开关管Q201导通时的电感电流。优选的，如图4所示，采样电阻R202连接在主开关管Q201和地之间。然而，本实用新型对此不作任何限定。电流采样电路U4电性连接采样电阻R202，获得采样电阻R202上流过的电流，并将该电流与设定的峰值电流进行比较，当该电流等于设定的峰值电流时表征电感电流达到峰值。具体而言，电流采样电路U4获取采样电阻R202上的电压，根据欧姆定律得到流过R202上的电流，将该电流与设定的峰值电流进行比较即可判断电感电流是否达到设定的峰值。

于本实施例中，主开关管Q201为MOS管。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，主开关管Q201可为三极管或IGBT等控制开关。

于本实施例中，驱动控制电路U2包括逻辑电路U21和驱动电路U22，逻辑电路U21分别电性连接随温度变化的延时电路U1和电流采样电路U4，驱动电路U22电性连接主开关管Q201。然而，本实用新型对此不作任何限定。

于本实施例中，过零检测电路U3通过检测辅助绕组Na上的电压变化率来判断电感电流是否下降为零。具体而言，当辅助绕组Na上的电压变化率为负时表征电感电流下降到零。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，过零检测电路U3可通过判断辅助绕组Na上的电压来检测电感电流是否为零，当辅助绕组Na上的电压为零时表征电感电流为零。

如图4所示，于本实施例中，随温度变化的延时电路U1包括控制开关S501、延时电容C501、电流源I501和比较器U501。延时电容C501连接在电流源I501和地之间。控制开关S501并联在延时电容C501的两端，控制开关S501的控制极与主开关管Q201的关断信号相连接。比较器U501的第一输入端连接在电流源I501和延时电容C501的公共端，比较器U501的第二输入端连接设定阈值，比较器U501的输出与驱动控制电路U2相连接。为便于电路逻辑控制，于本实施例中，随温度变化的延时电路U1还包括连接在比较器U501输出端的反相器U502。图7中的输出信号为反相器U502的输出。然而，本实用新型对具体的随温度变化的延时电路的结构不作任何限定。于其它实施例中，任何可实现延时的电路通过与温度关联均可作为本实用新型的随温度变化的延时电路。如通过将计时器与温度进行关联。

本实施例提供的随温度变化的延时电路U1对具有一定时间宽度的低电平的下降沿进行延时，图4中的开关管Q201在随温度变化的延时电路的输出信号的下降沿开始导通。以下将结合图7所示的时序图对随温度变化的延时电路U1的工作原理进行介绍。

于本实施例中，主开关管Q201的关断信号来至于过零检测电路U3的输出。然而，本实用新型对此不作任何限定。开关电路处于不同的控制模式，主开关管Q201的关断信号不同，如恒导通模式下，主开关管Q201的关断信号可为计时器等检测主开关管Q201导通时间的元件的输出。

过零检测电路U3输出的过零检测信号控制开关S501，当过零检测信号为高电平(电感电流未下降到零)时，开关S501导通，延时电容C501的端电压VC电压为0，比较器U501输出低电平，经过反相器U502后，输出高电平，开关管Q201关断。在输入信号(过零检测信号)的下降沿，电感电流从正电流减小到零，控制开关S501关断，电流源I501对延时电容C501充电，延时电容C501上的电压为VC。当VC电压达到设定阈值Vth时，比较器U501输 出高电平，经过反相器U502后输出变为低电平，开关管Q201导通。在该延时电路中，延时时间t为C*Vth/I，其中C为延时电容的电容值，I为电流源的输出电流。如果将Vth或I变成和温度相关的量，则该延时可以随温度变化，即实现随温度变化的延时电路。

于本实施例中，通过调节电流源I501来实现延时随温度变化，具体的方法为：当过温时，电流源I501输出的电流随温度的升高而变小，从而加大延时；而未过温时，电流源I501输出固定的电流值。实现电流源I501的输出电流随温度变化可通过在电流源内设置随温度变化的器件进行限流，如热敏电阻。于其它实施例中，可通过调节设定阈值Vth来实现延时随温度变化，具体而言，当没有过温时，设定阈值Vth为一固定电平；当过温时，设定阈值Vth随温度的升高而变大，从而加大延时。或者同时调节电流源I501和设定阈值Vth来实现延时随温度变化，如当没有过温时，电流源I501的输出电流为一固定电流，设定阈值Vth为一固定电平；当过温时，电流源I501的输出电流随温度的升高而变小，设定阈值Vth随温度的升高而变大，从而加大延时。

本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路，在开关电路过温时，在保持电感电流峰值不变的情况下通过延时下一个周期主开关管Q201的导通来实现输出电流的降低，从而达到降低开关电路的温度。

实施例二

本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于：本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路适用于处于闭环控制模式下的开关电路。具体的保护原理为：在主开关管关断且开关电路过温时，驱动控制电路随温度变化延时下一个周期主开关管的导通并减小驱动控制电路的参考阈值，降低开关电路的输出电流。

由于在闭环控制模式下，驱动控制电路是通过检测开关电路的输出电流作为反馈信号来维持输出电流恒定。延时导通下一个周期的主开关管的导通可以降低主开关管的频率，但这种模式下由于驱动控制电路的调整作用，主开关管的延时导通并不能降低输出电流。为达到真正的降温效果，需要在延时导通主开关管的同时减小驱动控制电路的参考阈值。所述参考阈值可以为参考电压，也可以为参考电流。开关电路过温温度越高，延时导通时间越长或参考阈值减小的量越大。

相对应的，本实施例提供的具有过温保护功能的开关电路包括开关电路、随温度变化的延时电路和驱动控制电路。开关电路包括主开关管和电感。随温度变化的延时电路电性连接主开关管，在主开关管关断且开关电路过温时，随 温度变化的延时电路延时输出信号至驱动控制电路，开关电路过温的温度越高，随温度变化的延时电路延时输出信号的时间越长。驱动控制电路电性连接主开关管和随温度变化的延时电路，在闭环控制模式下，驱动控制电路根据随温度变化的延时电路输出的信号延时下一个周期主开关管的导通并减小驱动控制电路的参考阈值，降低开关电路的输出电流。

综上所述，在所有的开关电路控制模式下，当开关电路过温时，在主开关管关断后延时下一周期主开关管的导通并保持电感电流峰值大小不变。在连续模式下，主开关的延时将使得电感电流下降到更小的值，从而降低开关电路的输出电流，达到过温保护的效果；而在临界导通模式下，主开关管的延时导通将临界导通模式转换为断续导通模式从而降低开关电路的输出电流，降低开关电路的温度。开关电路过温的温度越高，主开关管延时导通的时间将越长。进一步的，在保持电感电流峰值大小不变的情况下，主开关管的延时导通降低了主开关管的开关频率，开关损耗小，具有很好的降温效果。而在闭环控制模式下，当开关电路过温时，可在延时下一个周期主开关管导通的同时减小驱动控制电路的参考阈值来达到降低输出电流的效果。

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。