CN103368143B - 电流型开关电源过功率保护电路 - Google Patents

Abstract

电流型开关电源过功率保护电路，包括功率开关管电流检测端、负载状态检测端和脉冲宽度调制信号端，还包括输入过功率检测电路、输入正常功率检测电路、计数锁定电路。输入过功率检测电路包括第一判断电路、最大占空比检测电路、与逻辑运算电路。采用本发明所述的电流型开关电源过功率保护电路，对功率开关管的开关占空比和电流采样信号同时监测，判断开关电源是否进入过功率状态，并及时关闭功率开关管。有效避免了由于电流采样电阻状态异常导致电路进入过功率状态后可能出现的电路损坏状况的发生。

Description

电流型开关电源过功率保护电路

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，涉及开关电源集成电路设计，特别是一种电流型开关电源过功率保护电路。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

根据控制环路的采样方式，开关电源可以分为电流型开关电源和电压型开关电源，电压型仅对输出电压进行采样，采样后的信号输入到误差放大器中，误差放大器通过对输出电压的误差放大，产生COMP信号，利用COMP模拟电压调节脉冲宽度调制信号（PWM），从而控制功率开关管的开关占空比。电流型开关电源除对输出电压采样得到COMP信号外，还通过对电感电流的采样与COMP信号一起调节脉冲宽度调制信号（PWM），从而对功率开关管的开关占空比进行调节，实现方式通常是将这两个信号一起输入到PWM比较器中，PWM比较器输出PWM信号。电流采样方式对控制环路的调节更加迅速，但稳定性不足。

对电感电流的采样方式可以为从功率开关管取样，如图1所示，为典型的反激原边反馈检测电源转换器***应用结构框图。在PWM信号控制功率NMOS管102导通期间，变压器104初级绕组电感和交流输入电压整流后的直流电源电压Vdc一起控制流过变压器初级绕组的电流上升斜率，该电流流过采样电阻103，并在CS端产生一个固定斜率上升的电压信号，当CS端电压上升到电流型开关电源控制电路101内部所设定的电压值以后，PWM输出信号控制关断功率NMOS管102；在PWM信号控制功率NMOS管102关断期间，变压器104次级绕组和与之相连的输出整流二极管105一起对输出电压提供能量。

在功率NMOS 管102的源极到地之间串联有采样电阻103，功率NMOS管102的电流流过采样电阻103产生电压信号CS输入到控制电路中，图1中VDD、GND分别表示电流型开关电源控制电路101的电源端和地端，INV表示输出电压反馈端，COMP表示误差放大器的误差信号输出端，PWM表示功率开关管的栅极信号输出端，PWM端直接控制功率开关管的开关占空比。

当CS端检测到的电压过低时，通常情况下意味着功率开关管的导通电流很小，此时控制电路将调整PWM信号以最大占空比开启功率开关管，以增大开关电源输出功率。但在实际情况中，存在如下可能：采样电阻103被短路或阻值异常偏低，由于CS端电压等于功率开关管电流与采样电阻阻值乘积，当采样电阻阻值极小或被短路时，CS端电压已不能正常的反映流过功率开关管的电流，即使功率开关管电流再大，CS端电压仍然很低，控制环路基于低的CS电压作出判断，使PWM信号控制功率开关管增大占空比，在这种过功率状态下容易出现由于功率开关管长期以最大占空比运行而不能被正常调整，造成功率开关管短时间内大量发热，引起功率开关管或电路其他部分损坏甚至***。

发明内容

为避免出现由于CS端电压异常偏低造成电路进入过功率状态，损坏电路的技术缺陷，本发明公开了一种电流型开关电源过功率保护电路。

本电流型开关电源过功率保护电路，包括功率开关管电流检测端、负载状态检测端和脉冲宽度调制信号端，还包括输入过功率检测电路、输入正常功率检测电路、计数锁定电路，所述输入过功率检测电路包括：

第一判断电路，其输入端与功率开关管电流检测端相连，判断功率开关管电流检测

端电压是否低于一预先设定值V1，及低于该V1的持续时间是否大于一预先设定时长T1，并输出第一判断信号；

最大占空比检测电路，对功率开关管出现最大占空比进行检测并输出最大占空比检测信号；

与逻辑运算电路，对第一判断信号和最大占空比检测信号进行与运算，输出过功率检测信号；

所述输入正常功率检测电路包括：

第二判断电路，其输入端与功率开关管电流检测端和负载状态检测端相连，判断二

者的电压关系，并输出第二判断信号作为输入正常功率检测信号；

所述计数锁定电路包括：

计数器，计数器的时钟输入端与脉冲宽度调制信号端连接，清零端与输入正常功率检测信号连接，信号输入端与过功率检测信号连接，所述计数器输出过功率确认信号；

状态锁定电路（204），其输入端与过功率确认信号连接，输出端输出过功率锁定信号，与功率开关管开关控制电路连接，当检测到过功率锁定信号时，使功率开关管开关控制电路控制功率开关管锁定在关闭状态。

输入过功率检测电路对最大占空比和功率开关管电流检测电压进行综合判断得出是否进入过功率状态。并与负载状态检测端的检测结果综合输入计数器进行逻辑判断，决定是否关闭功率开关管。

对功率开关管的开关占空比和电流采样信号同时监测，判断开关电源是否进入过功率状态，并及时关闭功率开关管。有效避免了由于电流采样电阻状态异常导致电路进入过功率状态后可能出现的电路损坏状况的发生。

具体的，所述第一判断电路包括一比较器和一延迟电路，所述比较器的输入端分别与功率开关管电流检测端和电压值为V1的直流电平连接，所述比较器的输出端与延迟电路输入端连接；所述延迟电路检测到比较器电平变化，延迟预先设定时长T1后输出第一判断信号。

优选的，所述输入正常功率检测电路还包括第三判断电路和或逻辑运算电路，所述第三判断电路判断电流型开关电源的软启动电压SS与功率开关管电流检测端电压，并输出第三判断信号；

 所述第二判断信号和第三判断信号均输入或逻辑运算电路进行或运算，或逻辑运算电路的输出信号作为输入正常功率检测信号。

上述优选实施方式对软启动阶段的不可控状态进行判断，屏蔽了软启动阶段的误关闭电路情况。

进一步的，所述第三判断电路为比较器，比较器的输入端分别与软启动电压SS和功率开关管电流检测端电压连接。

优选的，所述第二判断电路为比较器，比较器的输入端分别与负载状态检测端和功率开关管电流检测端电压连接。

在前述采用比较器的各个优选实施方式中，所述比较器还包括输入电压调节装置，所述输入电压调节装置将输入电压调节在能使比较器正常作出比较结果的范围内。

优选的，所述状态锁定电路输出的过功率锁定信号控制开关电源芯片关闭使其不再工作。

采用本发明所述的电流型开关电源过功率保护电路，对功率开关管的开关占空比和电流采样信号同时监测，判断开关电源是否进入过功率状态，并及时关闭功率开关管。有效避免了由于电流采样电阻状态异常导致电路进入过功率状态后可能出现的电路损坏状况的发生。

附图说明

图1示出本发明所述电流型开关电源控制电路的信号采样示意图；

图2示出本发明所述电流型开关电源过功率保护电路的一种具体实施方式的示意图；

图3示出图2电路中各个信号在某时刻进入过功率状态时的各个信号时序关系。

101：电流型开关电源控制电路；102：功率NMOS管；103：采样电阻；104：变压器

105：输出整流二极管；201：输入过功率检测电路；202：输入正常功率检测电路；203：计数器；204：状态锁存电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述电流型开关电源过功率保护电路，包括功率开关管电流检测端、负载状态检测端和脉冲宽度调制信号端，还包括输入过功率检测电路201、输入正常功率检测电路202、计数锁定电路，所述输入过功率检测电路201包括：

第一判断电路，其输入端与功率开关管电流检测端相连，判断功率开关管电流检测

端电压是否低于一预先设定值V1，及低于该V1的持续时间是否大于一预先设定时长T1，并输出第一判断信号；

最大占空比检测电路，对功率开关管出现最大占空比进行检测并输出最大占空比检测信号；

与逻辑运算电路，对第一判断信号和最大占空比检测信号进行与运算，输出过功率检测信号；

所述输入正常功率检测电路包括：

第二判断电路，其输入端与功率开关管电流检测端和负载状态检测端相连，判断二

者的电压关系，并输出第二判断信号作为输入正常功率检测信号；

所述计数锁定电路包括：

计数器，计数器的时钟输入端与脉冲宽度调制信号端连接，清零端与输入正常功率检测信号连接，信号输入端与过功率检测信号连接，所述计数器输出过功率确认信号；

状态锁定电路，其输入端与过功率确认信号连接，输出过功率锁定信号端与功率开关管开关控制电路连接，当检测到过功率锁定信号时，使功率开关管开关控制电路控制功率开关管锁定在关闭状态。

电流型开关电源对功率开关管电流和负载状态均进行检测并将检测信号反馈到控制环路中。根据功率开关管电流检测端和负载状态检测端的信号对功率开关管的占空比进行调节，而负载状态检测端的电压信号通常根据开关电源输出负载状态进行调整，当开关电源输出负载处于轻载状态时，负载状态检测端通常电压偏低。

第一判断电路用于判断功率开关管电流检测电压值是否偏低及持续偏低的时间，并输出判断结果，第一判断电路的具体实现方式可以是一个比较器和一个延迟电路，比较器的输入端分别与功率开关管电流检测端和电压值为V1的直流电平连接，所述比较器的输出端与延迟电路输入端连接；所述延迟电路检测到比较器电平变化，延迟时间T1后输出第一判断信号。延迟电路可以是计数器，从比较器的翻转沿开始计数至一定周期输出延时后的信号。延迟电路也可以是电容充放电电路，从比较器翻转开始对电容充电或放电，至电容的电平变化到预设的门限值，延迟电路的输出信号翻转。

第一判断电路中,V1的直流电平应该略高于零值，例如10-200毫伏范围内取值。

最大占空比检测电路用于对开关管以最大占空比运行的状态进行检测，最大占空比检测电路的实现方式既可以对功率开关管栅极信号直接进行占空比检测判断，也可以从控制环路的中间信号中直接判断。

例如对典型的电流型开关电源控制电路，包括误差放大器和电流比较器，误差放大器对开关电源的输出电压进行误差放大后输出COMP信号，该信号与电流采样信号一起输入到电流比较器中，开关电源功率开关管电流波形为连续或不连续的锯齿形（分别对应CCM和DCM模式），当COMP信号高于功率开关管电流的采样电压信号的最高值时，电流比较器输出维持全高或全低电平，此时后续的触发器由于缺乏触发沿，因此控制开关管以最大占空比运行。最大占空比检测电路只要检测上述电流比较器的输出信号，在一个时钟周期内均保持COMP信号均高于功率开关管电流采样电压信号对应的输出状态，即可认为此时开关管以最大占空比状态运行。

与逻辑运算电路可以只是一个与门，也可以增加其他控制逻辑或缓冲级，与逻辑运算电路对第一判断信号和最大占空比检测信号进行与运算，输出过功率检测信号。

输入过功率检测电路的作用是当功率开关管以最大占空比运行，而电感电流采样信号又持续低于V1时，判断认为此时功率开关管以过功率状态运行。持续的时间T1可以根据实际应用中的输出功率确定，一般来说，输出功率增大，时间T1应该相应延长。

输入正常功率检测电路利用第二判断电路对电感电流采样信号与负载状态检测端的电压进行判断，当负载状态检测端电压低于电感电流采样信号时，即输出输入正常功率检测信号。显然，第二判断电路最简单的实现方式就是比较器。

输入正常功率检测信号COMP与前述的输入过功率检测电路输出的过功率检测信号一起输入到后续的计数器中。输入正常功率检测信号的作用是：如果在PWM工作周期内检测CS端电压上升到高于反映输出负载状态的COMP电压时，那说明处于正常的工作状态，此时即使过功率检测信号有效，也不认为处于***需要避免的过功率状态，可以避免在正常工作过程中偶尔出现一次过功率状态所导致的误触发。

计数器的时钟输入端与脉冲宽度调制信号端连接，清零端与输入正常功率检测信号连接，信号输入端与过功率检测信号连接，所述计数器输出过功率锁定信号。当过功率检测信号发生沿到来时，开始以脉冲宽度调制信号PWM为计数器时钟进行计数，如果计数到预设的周期个数，则输出过功率锁定信号。若在计数期间，从清零端检测到清零信号，则对计数周期清零，从新开始计数。

负载状态检测端对开关电源的输出负载状态进行检测，对电流型开关电源来说，负载状态检测端（COMP）的直流电压值反映了输出负载状态，COMP电压值越高，则负载越重，相应的功率开关管占空比越大，越可能进入满占空比运行状态，COMP电压值越低，则反应出负载越轻，此时功率开关管占空比相应减小。

在重载阶段，CS端的峰值电压越大占空比也会越大，也就是说在重载状态下，有可能工作到最大占空比状态，但是在此期间可以通过检测CS>V1来对计数器清零，所以不会发生误触发。

 在轻载阶段，CS端峰值电压越小占空比也会越小，也就是说在轻载状态下CS端峰值电压有可能小于V1，但是此时占空比并没有达到最大占空比，不满足过功率检测状态，所以不会发生误触发。

过功率保护的条件：A、CS<V1；B、检测到工作在最大占空比状态；C、每一个PWM周期内都必须检测A、B两个条件是否满足，并且连续发生直到计数器计算完所设定的周期数以后才锁定过功率保护状态，在此期间上述两个条件的任一个条件不满足，都不会将电路锁定在过功率状态。

当输出电压未达到预设值时，负载状态检测端电压偏低，此时由于输出电压不足，控制环路可能控制功率开关管增大至满占空比运行，当V1设置值较高或采样电阻阻值较低时，前述的输入过功率检测电路可能输出输入过功率检测信号。针对上述的这种状态，利用输入正常功率检测信号对计数器进行清零，避免了过功率信号的误输出。即只要负载状态检测端电压偏低并低于功率开关管电流采样电压，则认为此时并非处于过功率状态。

本发明优选的将软启动电路与电流型开关电源过功率保护电路结合，对软启动阶段可能出现的过功率误报进行屏蔽。具体的实现方式为：所述输入正常功率检测电路还包括第三判断电路和或逻辑运算电路，所述第三判断电路判断电流型开关电源的软启动电压SS与功率开关管电流检测端电压之间关系，并输出第三判断信号；

 所述第二判断信号和第三判断信号均输入或逻辑运算电路进行或运算，或逻辑运算电路的输出信号作为输入正常功率检测信号。

 现有技术中，为防止开关电源在启动阶段输出电压过低造成功率开关管长时间满占空比运行造成功率开关管发热损坏的情况发生，通过增加软启动电路对负载状态检测端的电压进行限制。通常的软启动电压SS曲线为时间从低电位V2以较低斜率直线上升或分为多个台阶式的上升到某一门限值V3。从低电位上升到该门限值所需的时间为软启动时间，通常为毫秒级。在软启动阶段，软启动电压作为负载状态检测电压输入到PWM比较器，软启动阶段完成后，软启动电路不再工作，SS电压保持为V3。

 在软启动阶段，功率开关管处于非反馈控制阶段，功率开关管的开关占空比不依赖于输出电压的反馈调节，可能出现满占空比运行的情况，此时若功率开关管电流检测端电压信号即时的高于软启动电压，则认为并非是过功率状态。

在软启动阶段得到的第三判断信号与前述的第二判断电路输出的第二判断信号在逻辑上是同级的，即只要这两个信号任意一个出现，即可认为不处于过功率状态，使用与逻辑电路对这两个信号与运算后，得到输入正常功率检测信号。第三判断电路最简单的实现方式也是比较器。

所述V1的值通常优选的低于软启动电压SS的值，例如软启动电压SS从低电位V2上升到门限值V3时，三者之间的电压关系为V1<V2<V3。

在软启动阶段，在每一次上电以后都会发生软启动，在软启动过程中，输出电压一般都还没有达到所设置的电压，COMP端的电压此时为最大值，比V3的电压值还要大，只有这样软启动期间CS端的导通最大电压才能由软启动输出电压SS来决定。如果将V2电压设置得比V1电压还小，那么如果在软启动过程中发生过功率状态，由于V2<CS<V1，每一个PWM周期都对计数器清零，此时虽然发生了过功率状态但是计数器不能计算到足够的周期数，那么可能出现发生过过功率状态但是不保护的现象。因此设置V1<V2<V3，避免出现上述状况，在软启动阶段进入过功率状态后， CS电压只要小于V1，则认为进入过功率状态。

前述的与逻辑电路和或逻辑电路实现方式有多种，表达的逻辑关系本领域技术人员也是熟知的，本发明中使用“与逻辑”和“或逻辑”这样的字眼，并非局限于只能使用这种逻辑运算，通过变化各个判断电路的输出有效信号，有相应的逻辑运算公式，例如将1有效变为0有效，本领域技术人员通过简单的逻辑变化关系可以进行相应的处理，可能逻辑关系不再是严格意义上的“与逻辑”和“或逻辑”，但这种变化并未脱离本发明的保护范围。

 前述的各个比较器作为判断电路的具体实施方式中，可以在比较器的输入端增加输入电压调节装置，例如分压电阻或输出输入比小于1的模拟电压跟随器。将输入电压调节在能使比较器正常作出比较结果的范围内。例如对作为第二判断电路的比较器，如果功率开关管电流检测端的电压变化范围为0-400毫伏，而负载状态检测端的电压变化范围为0.8-2.4V，直接输入比较器将不能给出正确结果，可以利用输入电压调节装置将负载状态检测端的电压等比例缩小为100至300毫伏后再输入到比较器输入端。

检测到计数器输出的过功率检测后，状态锁定电路控制开关电源的功率开关管关断，避免过功率状态持续。也可以关闭整个开关电源使其不再工作，以节省能耗，例如锁定开关电源芯片的使能端为不使能状态，部分开关电源还有输入电源开关管，也可以关闭该开关管使供电切断。直到芯片重新启动才能解除状态锁定器中的信号锁定状态。

为更好的描述本发明，以图2至3为例说明电路进入过功率状态时的各个信号的时序关系。图3中各个信号的位置如图2所示，判断信号均为高电平有效,图3中的COMP1，COMP2分别表示两个比较器。

其中 :

DMAX：最大占空比信号；

CS:功率开关管电流检测信号；

CTRL1:第一判断信号；

CTRL1_D：第一判断信号延迟信号；

CTRL2：第二判断信号；

CTRL3：第三判断信号；

CLEAR: 输入正常功率检测信号；

LOCK: 过功率锁定信号；

COMP:负载状态检测信号；

SS：软启动电压。

在T1时刻，检测到功率开关管以最大占空比运行，DMAX信号翻转为高电平，随后在T2时刻，CS电压降低到低于V1值，CTRL1信号翻转到高电平。经过延时后，在T3时刻，CTRL1_D信号翻转到高电平。CTRL1_D与DMAX与运算后此时即输入过功率检测电路输出过功率检测信号DIN，在图3的情况下，由于DMAX信号早已为高电平，因此DIN信号实际与经过延时后的CLTR1_D信号几乎重合。计数器检测到DIN信号后，开始以PWM信号为时钟进行计数，假设设定的计数周期为4个功率开关管开关周期，但在T4时刻，由于第二判断信号CTRL2翻转，使计数器被清零，因此重新计数，直到T5时刻，计满4个时钟周期，过功率锁定信号LOCK翻转。图3中在T2与T3时刻之间，CTRL3出现了高电平，但此时由于计数器并未计数，因此对锁定信号没有影响。

图3中未画出PWM信号的波形，典型的电流型开关电源中，CS信号与PWM信号的关系为：当PWM信号为高时，功率开关管打开，CS端电压不为零，本领域技术人员从CS波形可以得到PWM信号的近似波形。图3对各个信号的时序关系做了简要示意，对其中的上升下降沿触发未做细节上的规定，本领域技术人员可以任意选择上升沿或下降沿作为计数器等的触发沿。

采用本发明所述的电流型开关电源过功率保护电路，对功率开关管的开关占空比和电流采样信号同时监测，判断开关电源是否进入过功率状态，并及时关闭功率开关管。有效避免了由于电流采样电阻状态异常导致电路进入过功率状态后可能出现的电路损坏状况的发生。

对正常状态下的功率开关管以大占空比连续运行，例如输出电压偏低或软启动阶段的非反馈情况，本发明作了屏蔽化处理，在对过功率进行判断时的时间延迟也在一定程度上避免了误触发过功率状态导致的芯片关闭。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.  电流型开关电源过功率保护电路，包括功率开关管电流检测端、负载

状态检测端和脉冲宽度调制信号端，其特征在于，还包括输入过功率检测电路（201）、输入正常功率检测电路（202）、计数锁定电路，所述输入过功率检测电路（201）包括：

第一判断电路，其输入端与功率开关管电流检测端相连，判断功率开关管电流检测端电压是否低于一预先设定值V1，及低于该V1的持续时间是否大于一预先设定时长T1，并输出第一判断信号；

最大占空比检测电路，对功率开关管出现最大占空比进行检测并输出最大占空比检测信号；

与逻辑运算电路，对第一判断信号和最大占空比检测信号进行与运算，输出过功率检测信号；

所述输入正常功率检测电路包括：

第二判断电路，其输入端与功率开关管电流检测端和负载状态检测端相连，

判断二者的电压关系，并输出第二判断信号作为输入正常功率检测信号；

所述计数锁定电路包括：

计数器（203），计数器的时钟输入端与脉冲宽度调制信号端连接，清零端与输入正常功率检测信号连接，信号输入端与过功率检测信号连接，所述计数器输出过功率确认信号；

状态锁定电路（204），其输入端与过功率确认信号连接，输出端输出过功率锁定信号，与功率开关管开关控制电路连接，当检测到过功率锁定信号时，使功率开关管开关控制电路控制功率开关管锁定在关闭状态。

2.如权利要求1所述电流型开关电源过功率保护电路，其特征在于，

所述第一判断电路包括一比较器和一延迟电路，所述比较器的输入端分别与功率开关管电流检测端和电压值为V1的直流电平连接，所述比较器的输出端与延迟电路输入端连接；所述延迟电路检测到比较器电平变化，延迟预先设定时长T1后输出第一判断信号。

3.如权利要求1所述电流型开关电源过功率保护电路，其特征在于，所述输入正常功率检测电路还包括第三判断电路和或逻辑运算电路，所述第三判断电路判断电流型开关电源的软启动电压SS与功率开关管电流检测端电压，并输出第三判断信号；

 所述第二判断信号和第三判断信号均输入或逻辑运算电路进行或运算，或逻辑运算电路的输出信号作为输入正常功率检测信号。

4.如权利要求3所述电流型开关电源过功率保护电路，其特征在于，所述第三判断电路为比较器，比较器的输入端分别与软启动电压SS和功率开关管电流检测端电压连接。

5.如权利要求1所述电流型开关电源过功率保护电路，其特征在于，所述第二判断电路为比较器，比较器的输入端分别与负载状态检测端和功率开关管电流检测端电压连接。

6.如权利要求2或4或5任意一项所述电流型开关电源过功率保护电路，其特征在于，所述比较器还包括输入电压调节装置，所述输入电压调节装置将输入电压调节在能使比较器正常作出比较结果的范围内。

7.如权利要求1所述电流型开关电源过功率保护电路，其特征在于，所述状态锁定电路输出的过功率锁定信号控制开关电源芯片关闭使其不再工作。