一种用于开关电源变换电路的过流保护补偿系统的制作方法

本实用新型涉及过流保护电路领域，特别是涉及一种用于开关电源变换电路的过流保护补偿系统。

背景技术：

DC-DC变换器，除了设计需要满足性能要求外如一定的带电流和带电压能力外，自身的保护措施也非常重要。如过流保护，过压保护，过温保护等等。目前DC-DC中具有高频开关特性的大功率MOSFET开关管得到了广泛应用，但其承受短时过载的能力较弱。在负载电路系统出现异常，如空载，或很重载的情况下产生的功耗会急剧增大，从而影响MOSFET开关管的正常工作，并可能烧坏MOSFET。过流保护电路能在短时间将电源电路关闭，保证电路系统不受损坏。

在传统的过流保护系统中，通过检测开关MOSFET的电流与基准电流比较产生过流保护信号，但未考虑到开关MOSFET的导通电阻以及导通电阻随电压和温度的变化，从而造成过流保护点随电源电压和温度的漂移比较大，有可能在某些条件下，过流保护点过高，器件功率密度过大，增加了开关永久性损坏的风险。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种能够有效减小过流保护点随电压和温度的漂移程度的用于开关电源变换电路的过流保护补偿系统。

技术方案：为达到此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型所述的用于开关电源变换电路的过流保护补偿系统，包括电流检测模块，电流检测模块对开关电源变换电路的开关电流I_ON进行检测，之后电流检测模块输出电流I_CS到过流保护比较器的输入端，线性补偿模块输出电流I_CP到过流保护比较器的输入端，参考电流I_REF也输入到过流保护比较器的输入端，过流保护比较器将I_CS+I_CP与I_REF进行比较，如果I_CS+I_CP>I_REF，则过流保护比较器产生初步的过流保护信号并将其送至前沿消隐模块进行前沿消隐，以产生最终的过流保护信号并送至逻辑控制模块，逻辑控制模块控制开关电源变换电路中的驱动电路断开。

进一步，所述电流检测模块包括第一电流源IS1和第二电流源IS2，还包括第一电流镜和第二电流镜，第一电流镜包括第一N沟道结型场效应管M1和第二N沟道结型场效应管M2，第二电流镜包括第一P沟道结型场效应管M4和第二P沟道结型场效应管M5，第一电流源IS1的输出端、第二电流源IS2的输出端分别连接第一N沟道结型场效应管M1的漏极和第二N沟道结型场效应管M2的漏极，第二N沟道结型场效应管M2的漏极还连接第三N沟道结型场效应管M3的栅极，第三N沟道结型场效应管M3的漏极连接第一P沟道结型场效应管M4的漏极，第一电流源IS1的输入端、第二电流源IS2的输入端、第一P沟道结型场效应管M4的源极和第二P沟道结型场效应管M5的源极相连并输入电压VDD，第二P沟道结型场效应管M5的漏极作为电流检测模块的输出端，第三N沟道结型场效应管M3的源极连接第一N沟道结型场效应管M1的源极，第一N沟道结型场效应管M1的源极还连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接第四N沟道结型场效应管MS1的漏极，第四N沟道结型场效应管MS1的源极接地，第四N沟道结型场效应管MS1的栅极输入电压VDD，第二N沟道结型场效应管M2的源极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接开关S1的一端和开关S2的一端，开关S2的另一端接地，开关S1的另一端连接第五N沟道结型场效应管M0的漏极，第五N沟道结型场效应管M0的源极接地，第五N沟道结型场效应管M0的栅极连接控制开关，控制开关控制是否对第五N沟道结型场效应管M0的栅极输入电压，第五N沟道结型场效应管M0的漏极还输入开关电源变换电路的开关电流I_ON。

进一步，所述线性补偿模块包括电流镜，电流镜包括第一N沟道结型场效应管MN1和第二N沟道结型场效应管MN2，第一N沟道结型场效应管MN1的漏极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端输入电压VDD，第二N沟道结型场效应管MN2的漏极作为线性补偿模块的输出端。

进一步，所述过流保护比较器包括第一电流比较器IC1和第二电流比较器IC2，第一电流比较器IC1的输入端输入电流I_CP、电流I_CS和参考电流I_REF，电流I_CP与电流I_CS方向相同，参考电流I_REF与电流I_CP方向相反，第一电流比较器IC1的输出端连接第二电流比较器IC2的输入端，第二电流比较器IC2的输出端作为过流保护比较器的输出端。

进一步，所述过流保护比较器包括电压比较器VC1，电压比较器VC1的同相输入端输入电流I_CP和电流I_CS，电压比较器VC1的同相输入端还连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，电压比较器VC1的反相输入端输入参考电流I_REF，电压比较器VC1的反相输入端还连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接地，电压比较器VC1的输出端作为过流保护比较器的输出端。

有益效果：本实用新型公开了一种用于开关电源变换电路的过流保护补偿系统，其中的线性补偿模块可以调整过流保护点随电源电压和温度的变化情况，从而有效避免了在电源电压较高时，过流保护点过高而出现大电流导致开关管永久性损坏，同时还稳定了最大输出功率，从而使开关管在全电压输入范围内都能达到最大功率平坦化。

附图说明

图1为本实用新型的开关电源变换电路的电路图；

图2为本实用新型的系统框图；

图3为本实用新型的具体实施方式的电流检测模块的电路图；

图4为本实用新型的具体实施方式的线性补偿模块的电路图；

图5为本实用新型的具体实施方式的过流保护比较器的一种实施例的电路图；

图6为本实用新型的具体实施方式的过流保护比较器的另一种实施例的电路图；

图7为本实用新型的具体实施方式的同时出现过流保护和过压保护的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步的介绍。

开关电源变换电路如图1所示，本实用新型公开了一种用于开关电源变换电路的过流保护补偿系统，如图2所示，包括电流检测模块1、过流保护比较器2、线性补偿模块3、前沿消隐模块4和逻辑控制模块5。电流检测模块1对开关电源变换电路的开关电流I_ON进行检测，之后电流检测模块1输出电流I_CS到过流保护比较器2的输入端，线性补偿模块3输出电流I_CP到过流保护比较器2的输入端，参考电流I_REF也输入到过流保护比较器2的输入端，过流保护比较器2将I_CS+I_CP与I_REF进行比较，如果I_CS+I_CP>I_REF，则过流保护比较器2产生过流保护信号并将过流保护信号送至前沿消隐模块4进行前沿消隐，以产生最终的过流保护信号并送至逻辑控制模块5，逻辑控制模块5控制开关电源变换电路中的驱动电路断开。

电流检测模块1如图3所示，包括输出电流相等的第一电流源IS1和第二电流源IS2，还包括第一电流镜11和第二电流镜12，第一电流镜11包括第一N沟道结型场效应管M1和第二N沟道结型场效应管M2，第二电流镜12包括第一P沟道结型场效应管M4和第二P沟道结型场效应管M5，第一电流源IS1的输出端、第二电流源IS2的输出端分别连接第一N沟道结型场效应管M1的漏极和第二N沟道结型场效应管M2的漏极，第二N沟道结型场效应管M2的漏极还连接第三N沟道结型场效应管M3的栅极，第三N沟道结型场效应管M3的漏极连接第一P沟道结型场效应管M4的漏极，第一电流源IS1的输入端、第二电流源IS2的输入端、第一P沟道结型场效应管M4的源极和第二P沟道结型场效应管M5的源极相连并输入电压VDD，第二P沟道结型场效应管M5的漏极作为电流检测模块1的输出端，第三N沟道结型场效应管M3的源极连接第一N沟道结型场效应管M1的源极，第一N沟道结型场效应管M1的源极还连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接第四N沟道结型场效应管MS1的漏极，第四N沟道结型场效应管MS1的源极接地，第四N沟道结型场效应管MS1的栅极输入电压VDD，第二N沟道结型场效应管M2的源极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接开关S1的一端和开关S2的一端，开关S2的另一端接地，开关S1的另一端连接第五N沟道结型场效应管M0的漏极，第五N沟道结型场效应管M0的源极接地，第五N沟道结型场效应管M0的栅极连接控制开关，控制开关控制是否对第五N沟道结型场效应管M0的栅极输入电压，第五N沟道结型场效应管M0的漏极还输入开关电源变换电路的开关电流I_ON。

线性补偿模块3如图4所示，包括电流镜31，电流镜31包括第一N沟道结型场效应管MN1和第二N沟道结型场效应管MN2，第一N沟道结型场效应管MN1的漏极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端输入电压VDD，第二N沟道结型场效应管MN2的漏极作为线性补偿模块3的输出端。

过流保护比较器2的一种实施例如图5所示，包括第一电流比较器IC1和第二电流比较器IC2，第一电流比较器IC1的输入端输入电流I_CP、电流I_CS和参考电流I_REF，电流I_CP与电流I_CS方向相同，参考电流I_REF与电流I_CP方向相反，第一电流比较器IC1的输出端连接第二电流比较器IC2的输入端，第二电流比较器IC2的输出端作为过流保护比较器2的输出端。

过流保护比较器2的另一种实施例如图6所示，包括电压比较器VC1，电压比较器VC1的同相输入端输入电流I_CP和电流I_CS，电压比较器VC1的同相输入端还连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接地，电压比较器VC1的反相输入端输入参考电流I_REF，电压比较器VC1的反相输入端还连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接地，电压比较器VC1的输出端作为过流保护比较器2的输出端。

由图3可知，开关S1和开关S2是用来控制是否对开关电流I_ON进行检测的：当开关S1闭合、开关S2断开时，对开关电流I_ON进行检测；当开关S1断开、开关S2闭合时，不对开关电流I_ON进行检测。由图3可知，当第四N沟道结型场效应管MS1的导通电阻＝第五N沟道结型场效应管M0的导通电阻的k倍，且R1＝R2＝R时，I_CS为：

$Ics=\frac{rdson\×(Ion+Iq-Iq\×k)}{R+K\×rdson}---\left(1\right)$

式(1)中，rdson为第五N沟道结型场效应管M0的导通电阻。

当过流保护发生时，I_ON满足：

Ion＞＞Iq×k (2)

Ion＞＞Iq (3)

因此，I_CS可简化为：

$Ics=\frac{Ion}{K+\frac{R}{rdson}}=\frac{V_{OUT}\×I_{OUT}}{V_{IN}\×(K+\frac{R}{rdson})}---\left(4\right)$

过流保护时I_REF、I_CP和I_CS满足：

I_CS+I_CP>I_REF (5)

$I_{CP}=\frac{VDD-VGS}{R3+R4}=\frac{VDD-VGS}{R^{\′}}---\left(6\right)$

式(4)中，V_IN为VDD，VDD为电源电压，式(6)中，VGS为第一N沟道结型场效应管MN1的栅极和源极之间的电压，R′＝R3+R4。

将式(4)和式(6)代入式(5)中得：

$I_{OUT}\>\frac{V_{IN}\×(k+\frac{R}{rdson})\×(I_{REF}-\frac{VDD-VGS}{R^{\′}})}{V_{OUT}}---\left(7\right)$

可见，通过选择合适的R′可以使过流保护点随电源电压的变化恒定或减小。将式(7)求导后可知，通过使用不同温度系数的电阻R3和R4并调整R3和R4的配比，则可以使过流保护点随温度升高而略有减小。

本实用新型还有一个优点，即开关电源变换电路的功率密度平坦性也得到了改善。

P＝1/2*I*I*rdson (8)

没有电压线性补偿的电路随着VIN升高，rdson减小，但Ipeak升高，功率增加；加入电压线性补偿电路后了，VIN升高，rdson减小，可以使过流保护点电流减小或恒定，则功率减小。

此外，本实用新型还有一个优点，即在空载上电或空载稳定后，对于不同的输出电容和电感，有可能出现同时过流过压保护的情况。

图7是仿真示意图。

当发生OV保护后，

toff＝L*dI/(VIN-VOUT) (9)

delV＝Q/C＝1/2*I*toff/C＝1/2*I*L*I/[(VIN-VOU)*C] (10)

所以随着VIN升高，若过流保护点电流也升高，则delV在VIN＝MAX时升高很多，从而要求器件的耐压有更大的余量。而加入电压线性补偿后，则VIN升高，IOC减小，则delV也减小，从而对器件耐压的余量也要求低点。以上所有VIN均为VDD。