过压保护电路和应用其的集成电路和开关变换器的制作方法

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种过压保护电路和应用其的集成电路和开关变换器。

背景技术：

在开关变换器中，为了防止电路过压对负载造成损害，通常需要设置过压保护电路，在输出电压失控时关机进行保护。现有的过压保护电路如图1所示，控制电路通过单独或共享的电阻分压网络获得输出电压采样值fb1。通过比较器cmp比较输出电压采样值fb1和保护基准电压vovref输出过压信号v1。过压信号v1可以控制集成在同一集成电路ic0中的控制逻辑cl将比较结果转换为过压保护信号，在电压采样值ov高于保护基准电压vovref时触发过压保护。但是，图1所示的过压保护电路使得应用其的集成电路必须专门增加一个进行输出电压采样的引脚，增大芯片面积。同时，该电路必须依赖于芯片外部的电阻分压网络。但是，外部电路出现故障的几率远大于集成电路。在电阻分压网络中的连接出现故障时，过压保护电路就不能正常工作。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种过压保护电路和应用其的集成电路和开关变换器，可以在电阻分压网络出现故障时仍然提供过压保护。

根据本发明的第一方面，提供一种过压保护电路，用于防止开关变换器的输出电压过压，所述过压保护电路包括:

输出电压模拟电路，用于根据所述开关变换器的电路参量生成输出电压模拟信号；以及

过压信号生成电路，在反馈电压小于第一阈值且所述输出电压模拟信号大于所述第二阈值时控制过压信号切换为有效；

其中，所述反馈电压为输出电压反馈电路输出的电压，所述输出电压模拟信号为基本随输出电压变化的信号。

优选地，所述过压信号生成电路包括：

第一比较器，用于比较所述反馈电压和所述第一阈值；

第二比较器，用于比较所述输出电压模拟信号和所述第二阈值；以及

逻辑电路，用于根据所述第一比较器和第二比较器的输出信号输出所述过压信号。

优选地，所述开关变换器为降压型拓扑(buck)；

所述输出电压模拟电路用于根据所述开关变换器的电感电压相位检测端(lx)电压生成所述输出电压模拟信号。

优选地，所述输出电压模拟电路包括：

第一rc滤波电路，输入端适于连接到所述电感电压相位检测端；以及

分压网络，用于对rc滤波电路的输出端电压进行分压，输出所述输出电压模拟信号。

优选地，所述开关变换器为降压型拓扑(buck)；

所述输出电压模拟电路根据输入电压和输入电压采样值之一以及开关变换器的开关控制信号同步的信号生成所述输出电压模拟信号。

优选地，所述输出电压模拟电路包括：

受控电流源，生成与输入电压或输入电压采样值成比例的电流；

电阻，连接在受控电流源的输出端和接地端之间；

开关，一端与受控电流源的输出端连接，受控于开关变换器的开关控制信号或与开关控制信号同步的信号导通或关断；

第二rc滤波电路，输入端与所述开关的另一端连接，输出所述输出电压模拟信号。

优选地，所述开关变换器为升压拓扑(boost)；

所述输出电压模拟电路在开关变换器的主功率开关关断期间采样所述电感电压相位检测端的电压以生成所述输出电压模拟信号。

根据本发明的第二方面，提供一种集成电路，适用于组建开关变换器，其中，所述集成电路包括如上所述的过压保护电路。

根据本发明的第三方面，提供一种开关变换器，包括：

如上所述的过压保护电路。

通过获取一个基本随输出电压同步变化的输出电压模拟信号，同时判断输出电压模拟信号和反馈电压是否表征完全相反的信息，可以准确判断外部电阻分压网络是否出现故障，从而可以在电阻分压网络出现故障时仍然提供过压保护。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术的过压保护电路的电路图；

图2是本发明第一实施例的开关变换器的电路图；

图3是本发明第一实施例的过压保护电路的电路图；

图4是本发明第一实施例的输出电压模拟电路的电路图；

图5是本发明第二实施例的输出电压模拟电路的电路图；

图6是本发明第二实施例的开关变换器的工作波形图；

图7是本发明第三实施例的开关变换器的电路图；

图8是本发明第三实施例的过压保护电路的电路图；

图9是本发明第三实施例的开关变换器的工作波形图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2是本发明第一实施例的开关变换器的电路图。如图2所示，本实施例的开关变换器采用降压拓扑(buck)。开关变换器1包括主功率开关m1、整流开关m2、电感l、输出电容c、输出电压反馈电路11和控制电路12。主功率开关m1、整流开关m2、电感l和输出电容c以降压拓扑的形式连接。在降压拓扑中，电感电压相位检测端lx为主功率开关m1与电感l的连接端。在电感电压相位检测端lx可以检测获得电感l的电压相位。输出电压反馈电路11为连接在开关变换器1输出端的电阻分压网络，其可以包括串联的电阻r1和r2。从电阻r1和r2的连接端可以输出反馈电压fb。控制电路12包括跨导放大器gm1、补偿电路、比较器cmp1、电流检测电路cs、控制逻辑cl、驱动电路gd以及过压保护电路ovp。跨导放大器gm1输入基准电压vref和反馈电压fb输出误差放大信号。补偿电路包括串联在跨导放大器gm1输出端和接地端之间的电阻rz和电容cz。跨导放大器gm1和补偿电路配合可以生成表征输出电压与基准电压差值的补偿信号。同时，电流检测电路cs获取电感电流的变化，形成反馈速度更快的电流控制环路。比较器cmp1比较补偿信号和电流检测电路输出的信号输出状态控制信号到控制逻辑cl。控制逻辑cl根据该状态控制信号生成脉宽调制信号pwm。脉宽调制信号限定了开关变换器1的占空比。驱动电路gd进而根据脉宽调制信号pwm生成开关控制信号，分别控制主功率开关m1和整流开关m2导通和关断。通常，脉宽调制信号pwm与主功率开关m1的开关控制信号同步。由此，控制电路12形成了一个电流控制环路和一个电压控制环路，从而可以快速响应于功率级电路的状态变化调节开关控制信号的占空比。在本实施例的控制电路中，过压保护电路ovp连接到控制逻辑cl，向控制逻辑cl输出过压信号ov。如果过压信号ov为无效，则控制逻辑cl正常生成脉宽调制信号pwm。如果过压信号ov为有效，则控制逻辑cl不输出脉宽调制信号pwm以控制整个开关变换器休眠或输出具有最小占空的脉宽调制信号pwm以快速降低输出电压。也就是说，过压信号ov用于指示开关变换器当前是否处于过压状态。

应理解，本实施例所述的控制电路结构仅为示例，本领域技术人员可以将其替换为其它现有的结构，而仍然可以使用本实施例的过压保护电路。

在本实施例中，主功率开关m1、整流开关m2和控制电路12可以集成在同一个集成电路ic1中，从而只需要简单地在外围连接电感、电容和一些电阻就可以搭建一个降压拓扑的开关变换器。

图3是本发明第一实施例的过压保护电路的电路图。如图3所示，本实施例的过压保护电路ovp包括输出电压模拟电路a和过压信号生成电路b。其中，输出电压模拟电路a用于根据所述开关变换器的电路参量生成输出电压模拟信号vs。输出电压模拟信号vs为基本随输出电压变化的信号。也即，输出电压模拟信号vs可以用于近似地表征输出电压。过压信号生成电路b用于生成过压信号ov。具体地，过压信号生成电路b在反馈电压fb小于第一阈值vth1且输出电压模拟信号大于第二阈值vth2时控制过压信号ov切换为有效，以指示开关变换器处于过压状态。其中，第一阈值vth1和第二阈值vth2为预先设定的阈值。第二阈值vth2大于第一阈值vth1。参考图1和图3，在电阻分压网络中的电阻r2被短路(如图中的虚线所示)时，或在反馈电压输出端和开关变换器的输出端之间的电路断路(如图中的“x”所示)时，反馈电压fb为零，这使得控制电路12认为电路输出电压过低，从而不断的增大主功率开关m1的占空比以提高输出电压，最终使得开关变换器1处于过压状态。此时，由于过压保护电路ovp通过输出电压模拟电路a持续获取一个近似表征输出电压的输出电压模拟信号vs。输出电压模拟信号vs并非基于开关变换器输出端的参数获得，而是通过其它方式模拟获得。因此，输出电压模拟信号vs与反馈信号fb不可能同时失准。如果输出电压模拟信号vs较大，而用于较精确表征输出电压的反馈电压fb较小，则说明电路出现故障，需要将过压信号ov置为有效。

由此，通过获取一个基本随输出电压同步变化的输出电压模拟信号，同时判断输出电压模拟信号和反馈电压是否表征完全相反的信息，可以准确判断外部电阻分压网络是否出现故障，从而可以在电阻分压网络出现故障时仍然提供过压保护。

具体地，在本实施例中，过压信号生成电路b包括比较器cmp2和cmp3以及逻辑电路and。比较器cmp2用于比较反馈电压fb和第一阈值vth1。比较器cmp3的一个输入端与输出电压模拟电路a连接，接受输出电压模拟信号vs。比较器cmp3比较输出电压模拟信号vs和第二阈值vth2。在图3中，比较器cmp2的同相输入端输入第一阈值vth1，反相输入端输入反馈电压fb，从而在反馈电压fb小于第一阈值vth1时输出高电平。比较器cmp3的反相输入端输入第二阈值vth2，同相输入端输入输出电压模拟信号vs，从而在输出电压模拟信号vs大于第二阈值vth2时输出高电平。逻辑电路and为与门，在两个比较器cmp2和cmp3均输出高电平时输出高电平，在其它条件下均输出低电平。逻辑电路and的输出作为所述过压信号ov。所以，过压信号ov在反馈电压fb小于第一阈值vth1且输出电压模拟信号vs大于第二阈值vth2时切换为高电平，在其它条件下均为低电平。在图3中，比较器cmp2和cmp3为滞环比较器。本领域技术人员容易理解，也可以根据需要选取其它类型的比较器。同时，还应理解，信号的输入引脚、有效电平的设置以及逻辑电路的构成并不限于图3所示电路，本领域技术人员可以变化有效电平的设置、信号输入引脚的关系并适应性地改变逻辑电路的结构，以在不同的应用场景下实现相同的功能。

输出电压模拟电路a的实现方式可以有多种不同的选择。在本实施例中，输出电压模拟电路a用于根据所述开关变换器的电感电压相位检测端lx的电压vlx生成输出电压模拟信号vs。由于在开关变换器1中，电感电压相位检测端lx的电压经过电感l和电容c后输出到输出端形成输出电压。因此，可以在集成电路中，通过一个rc滤波电路来模拟lc电路对于电压vlx的影响，从而获得一个近似表征输出电压变化的电压。

如图4所示，本实施例的输出电压模拟电路a包括rc滤波电路和电阻分压网络。其中，rc滤波电路包括电阻r3和电容c1。rc滤波电路的输入端被配置为与电感电压相位检测端lx连接，输出端s设置为电阻r3和电容c1的公共端。分压网络包括相互串联的电阻r4和r5。分压网络用于对rc滤波电路的输出端电压进行分压，从电阻r4和r5的公共端处输出输出电压模拟信号vs。

由此，通过简单的电阻电容网络，基于电感电压相位检测端lx的电压vlx既可以获得近似表征输出电压的电压信号。电路结构简单，占用的集成电路面积较小，适于集成。同时，如图2所示，电感电压相位检测端lx位于集成电路ic1的内部，因此，无需设置引脚来从集成电路外部获取电路参数。

可选地，也可以采用更加复杂的电路，获取能够相对精确表征输出电压的电压信号。

图5是本发明第二实施例的输出电压模拟电路的电路图。在本实施例中，除输出电压模拟电路以外的其它电路结构均与第一实施例类似，在此不再赘述。在本实施例中，输出电压模拟电路a’根据输入电压vin和输入电压采样值之一以及开关变换器的开关控制信号同步的信号生成输出电压模拟信号vs。

如图5所示，本实施例的输出电压模拟电路a’包括受控电流源ccs、电阻r6、开关s1和一个rc滤波电路。其中，受控电流源ccs用于生成与输入电压vin或输入电压采样值成比例的电流i1。电阻r6连接在受控电流源ccs的输出端和接地端之间。开关s1一端与受控电流源的输出端连接，另一端与rc滤波电路的输入端连接。开关s1受控于与开关控制信号同步的信号pwm(也即，脉宽调制信号)导通或关断。rc滤波电路包括电阻r7和电容c2。电阻r7连接在开关s1和输出电压模拟电路a’的输出端之间。电容c2连接在输出端和接地端之间。在图5所示的电路中，电流i1＝k*vin。由此，电阻r6上的电压降为v6＝k*vin*r6。开关s1可以受控于脉宽调制信号pwm，从而随电路的主功率开关m1同步导通和关断。由此，输出端的电压vs满足：vs＝d*v6＝k*d*vin*r6。对于降压拓扑的开关变换器，vin*d＝vo，其中vo为开关变换器的输出电压。因此，输出电压模拟信号vs满足：

vs＝k*r6*vo

也即，输出电压模拟信号vs与输出电压vo成比例。本实施例的输出电压模拟信号vs可以较为精确地表征输出电压vo。

图6是本发明第二实施例的开关变换器的工作波形图。以下参照图2、图3和图6来说明第二实施例的工作过程。在t1时刻以前，开关变换器正常工作，输出电压vo保持恒定。对应地，反馈电压fb保持恒定。在时刻t1，电阻分压网络中的电阻r2被短路，使得反馈电压fb下降并保持为零。此后，反馈电压fb保持小于第一阈值vth1，这使得比较器cmp2的输出信号vuv从时刻t1开始保持为高电平。此时，控制电路12仍然基于反馈电压fb进行控制，从而不断增大占空比，使得输出电压vo不断上升。由于开关控制信号的占空比上升，基于输入电压vin和与开关控制信号同步的信号pwm获得输出电压模拟信号vs也随之持续上升。在时刻t2，输出电压模拟信号vs上升大于第二阈值vth2，这使得比较器cmp3的输出信号vov从时刻t2开始保持为高电平。同时，由于比较器cmp2和比较器cmp3的输出均为高电平。过压信号ov切换为高电平。这使得控制逻辑cl停止工作，不再输出pwm信号。由此，输出电压vo开始下降直至时刻t3。在时刻t3，输出电压模拟信号vs跟随输出电压vo下降至小于滞环比较器cmp3的状态切换阈值vth3，使得比较器cmp3的输出信号vov切换为低电平。这进而使得过压信号切换低电平。开关变换器重新开始工作。在图6中，由于故障未能被排除，因此，控制电路2会不断增加占空比，直至输出电压模拟信号再次高于第二阈值vth2，如此循环。

通过在出现故障后控制开关变换器间歇式地工作，可以使得输出电压在电阻分压网络出现故障时任然能够在可控的范围内变化，避免了过压状态损毁整个电路。

图7是本发明第三实施例的开关变换器的电路图。本实施例采用升压拓扑(boost)的开关变换器。如图7所示，本实施例的开关变换器2包括主功率开关m3、整流二极管d、电感l’、输出电容c’、输出电压反馈电路21和控制电路22。主功率开关m1、整流二极管d、电感l’、输出电容c’以升压拓扑的形式相互连接。在升压拓扑中，电感电压相位检测端lx为主功率开关与电感l的连接端。在电感电压相位检测端lx可以检测获得电感l的电压相位。输出电压反馈电路21为连接在开关变换器1输出端的电阻分压网络，其可以包括串联的电阻r8和r9。从电阻r8和r9的连接端可以输出反馈电压fb。控制电路22的结构与第一实施例的控制电路结构类似，在此不再赘述。在控制电路22中，过压保护电路ovp’连接到控制逻辑cl，向控制逻辑cl输出过压信号ov。如果过压信号ov为无效，则控制逻辑正常生成脉宽调制信号pwm。如果过压信号ov为有效，则控制逻辑cl不输出脉宽调制信号pwm以控制整个开关变换器休眠或输出具有最小占空的脉宽调制信号pwm以快速降低输出电压。也就是说，过压信号ov用于指示开关变换器当前是否处于过压状态。

在本实施例中，主功率开关m3、整流二极管d和控制电路22可以集成在同一个集成电路ic2中，从而只需要简单地在外围连接电感、电容和一些电阻就可以搭建一个升压拓扑的开关变换器。

图8是本发明第三实施例的过压保护电路的电路图。如图8所示，本实施例的过压保护电路ovp包括输出电压模拟电路a”和过压信号生成电路b。其中，输出电压模拟电路a”用于根据所述开关变换器的电路参量生成输出电压模拟信号vs。输出电压模拟信号vs为基本随输出电压变化的信号。也即，输出电压模拟信号vs可以用于近似地表征输出电压。需要说明的是，输出电压模拟信号vs的生成方式不同于反馈电压fb。过压信号生成电路b用于生成过压信号ov。具体地，过压信号生成电路b在反馈电压fb小于第一阈值vth1且输出电压模拟信号大于第二阈值vth2时控制过压信号ov切换为有效，以指示开关变换器处于过压状态。其中，第一阈值vth1和第二阈值vth2为预先设定的阈值。第二阈值vth2大于第一阈值vth1。

具体地，在本实施例中，过压信号生成电路b包括比较器cmp2和cmp3以及逻辑电路and。比较器cmp2用于比较反馈电压fb和第一阈值vth1。比较器cmp3的一个输入端与输出电压模拟电路a连接，接受输出电压模拟信号vs。比较器cmp3比较输出电压模拟信号vs和第二阈值vth。在图3中，比较器cmp2的同相输入端输入第一阈值vth1，反相输入端输入反馈电压fb，从而在反馈电压fb小于第一阈值vth1时输出高电平。比较器cmp3的反相输入端输入第二阈值vth2，同相输入端输入输出电压模拟信号vs，从而在输出电压模拟信号vs大于第二阈值vth2时输出高电平。逻辑电路and为与门，在两个比较器cmp2和cmp3均输出高电平时输出高电平，在其它条件下均输出低电平。逻辑电路and的输出作为所述过压信号ov。所以，过压信号ov在反馈电压fb小于第一阈值vth1且输出电压模拟信号大于第二阈值vth2时切换为高电平，在其它条件下均为低电平。

在本实施例中，由于开关变换器为升压拓扑，输出电压模拟电路a’以不同于在前实施例的方式来生成输出电压模拟信号。具体地，对于升压型拓扑，在主功率开关m3关断期间，整流二极管d导通。此时，电感电压相位检测端lx的电压vlx就等于输出电压vo。因此，输出电压模拟电路a”通过在开关变换器的主功率开关关断期间采样所述电感电压相位检测端电压以生成输出电压模拟信号vs。

图9是本实施例的开关变换器的工作波形图。如图9所示，在脉宽调制信号pwm为低电平期间，电压vlx为与输出电压vo对应的值。

本实施例通过获取一个基本随输出电压同步变化的输出电压模拟信号，同时判断输出电压模拟信号和反馈电压是否表征完全相反的信息，基于此，可以准确判断外部电阻分压网络是否出现故障，从而可以在电阻分压网络出现故障时仍然提供过压保护。

以上以降压型拓扑和升压型拓扑为例对本发明实施例的过压保护电路、集成电路以及开关变换器进行了说明。本领域技术人员应当理解，根据本发明实施例的过压保护电路并不限于应用于上述两种变换器拓扑，对于其它结构的开关变换器，只要能通过不同于直接分压的方式获取到能够近似表征输出电压的输出电压模拟信号，均可以采用本发明实施例的过压保护电路来进行过压状态检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。