CN109742956A - 一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源，包括控制器，其具有反馈脚与驱动脚。反馈脚通过反馈电路耦接反激式开关电源的输出端。驱动脚输出脉宽调制（PWM）方波，且PWM方波在重载工作模式下的工作频率大于在轻载工作模式下的工作频率。控制器包括LPS侦测模块，其耦接反馈脚与驱动脚，LPS侦测模块用于侦测反馈脚电压是否小于电压阈值，电压阈值等于在轻载工作模式下的反馈脚电压；若反馈脚电压小于电压阈值，则再侦测PWM方波的导通时间是否大于时间阈值；以及若PWM方波的导通时间大于时间阈值，则驱动控制器停止输出PWM方波。

Description

一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源

技术领域

本发明是关于一种反激式开关电源，且特别是关于一种具限功率电源(LimitPower Source，LPS)保护功能的反激式开关电源。

背景技术

当一开关电源在正常条件与单一故障条件下的测试都满足输出不大于8A/100W之要求时，开关电源即为一种限功率电源(LPS)。在安规标准IEC 60950里有要求资讯产品必须提供防火外壳，但是，当一资讯产品是由限功率电源(LPS)来供电时，若电子零件是安插在阻燃等级V-1以上的印刷电路板，则资讯产品可以不必提供防火外壳，也就是可以使用阻燃等级HB的外壳。阻燃等级HB的外壳材质，除了价格低外，还具备较佳的物理特性，同时容易符合环保的要求。因此，开关电源常会加入一些电路做LPS保护，以便在正常条件与单一故障条件下的测试都能满足输出不大于8A/100W的要求，进而得以使用阻燃等级HB的外壳。

单组输出的反激式开关电源，例如图1所示输出19V/2A供电给显示器。当进行开关电源的初级侧电流侦测电阻器(即电阻器Rs)短路之单一故障条件测试时，由于现有开关电源的控制器U1并没针对电阻器Rs发生短路的情况做保护，电阻器Rs短路时会使控制器U1的电流侦测脚CS侦测到的电压一直处于非常小的状态，导致控制器U1一直误判开关电源处于轻载条件，使得控制器U1的驱动脚DRI输出工作频率较低(如20KHz左右)的脉宽调制(PulseWidth Modulation，PWM)方波给功率开关Q1以减小通过变压器T1输出至负载的电能，而控制器U1的反馈脚COMP侦测到输出端OUT反馈回来的电压也会处于轻载时的低电压状态。当电阻器Rs未短路且负载较重时，控制器U1的驱动脚DRI会输出工作频率较高(如65KHz左右)的PWM方波给功率开关Q1以增加通过变压器T1输出至负载的电能，而控制器U1的反馈脚COMP电压也会处于重载时的高电压状态。此外，PWM方波的工作频率(以F表示)的倒数即为工作周期(以T表示)，每一工作周期T由导通时间(以Ton表示)与断开时间(以Toff表示)所组成，于导通时间Ton内控制功率开关Q1导通，并在断开时间Toff内控制功率开关Q1断开。电阻器Rs短路时PWM方波的工作频率F较低，即工作周期T较长，故功率开关Q1的导通时间Ton也会较长。下面表1为本公司现有的其中一型号电源板上的反激式开关电源在正常条件与电阻器Rs短路之单一故障条件下的测试结果。

【表1】

导通时间Ton越长，变压器T1的初级侧绕组Np所产生的电流越大。在功率开关Q1由导通变为断开瞬间，变压器T1的辅助绕组Na与其对应的漏感以及二极管D1寄生的接面电容发生LC谐振，会产生更高的谐振电能经二极管D1的整流向电容器C1进行充电，使得电容器C1电压上升。当输出负载变大时，导通时间Ton会变大，电容器C1电压会继续上升。当电容器C1电压逹到控制器U1的供电脚VCC内部过电压保护(Over Voltage Protection，OVP)之保护点时，控制器U1启动保护功能而不工作。因此，单组输出的反激式开关电源通过控制器U1的供电脚VCC内部的OVP功能来附带做LPS保护。

然而，单组输出的反激式开关电源通过控制器U1的供电脚VCC内部的OVP功能来附带做LPS保护，存在如下问题：

1.控制器U1的供电脚VCC电压会受二极管D1本身的反应速度以及变压器T1的辅助绕组Na圈数与绕法结构影响。当因电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)等问题而将二极管D1换用慢速二极管或更改变压器T1设计时，在控制器U1启动OVP功能之前的输出功率就会变大。因此，LPS保护点并不精准，易受二极管D1料件特性与变压器T1设计影响，导致无法通过LPS测试。

2.现有的设计在输入电压264V条件下进行电阻器Rs短路故障之LPS测试时，启动LPS保护功能时的输出功率通常会落在80W～100W左右，离IEC 60950的LPS测试标准要求输出功率不大于100W太近。若在试跑阶段因EMI等问题而将二极管D1换用慢速二极管或更改变压器T1设计，则极易导致在启动LPS保护功能之前的输出功率就已经超出100W。

双组输出的反激式开关电源，例如一组输出5V/2.5A供电给显示器主板电路，另一组输出16V/1A供电给显示器背光升压驱动板电路。为了能通过开关电源的初级侧电流侦测电阻器短路之单一故障条件测试，通常做法是在电流较大的5V输出端串接4A/250V慢断型保险丝，而在电流较小的16V输出端串接如型号1206的0欧姆电阻器作保险丝之用。然而，双组输出的反激式开关电源通过在输出端串接保险丝来做LPS保护，增加了设计成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源，用以针对开关电源的初级侧电流侦测电阻器短路之单一故障条件做LPS保护，且LPS保护点精准，设计成本较低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源，具有一输入端与一输出端，其特征在于：反激式开关电源包括：

一功率开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，控制端控制第一端与第二端导通或断开；

一变压器，具有一初级侧绕组与一次级侧绕组，初级侧绕组两端分别耦接输入端与第一端，次级侧绕组两端分别耦接输出端与地；

一电阻器，其两端分别耦接第二端与地；

一反馈电路，其一端耦接输出端；

一控制器，具有一反馈脚、一驱动脚与一电流侦测脚，反馈脚耦接反馈电路另一端，驱动脚耦接控制端，电流侦测脚耦接第二端，控制器从驱动脚输出一脉宽调制方波，且脉宽调制方波在一重载工作模式下的工作频率大于在一轻载工作模式下的工作频率，控制器包括一限功率电源侦测模块，限功率电源侦测模块耦接反馈脚与驱动脚，用于侦测反馈脚电压是否小于一电压阈值，电压阈值等于在轻载工作模式下的反馈脚电压；若反馈脚电压小于电压阈值，则再侦测脉宽调制方波的一导通时间是否大于一时间阈值；以及若脉宽调制方波的导通时间大于时间阈值，则驱动控制器停止输出脉宽调制方波。

进一步的，若所述反馈脚电压不小于电压阈值，则驱动控制器正常输出脉宽调制方波。

进一步的，若所述脉宽调制方波的导通时间不大于时间阈值，则驱动控制器正常输出脉宽调制方波。

本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：本发明在反激式开关电源的控制器内部增加LPS侦测模块，LPS侦测模块通过侦测反馈脚电压与驱动脚输出的PWM方波的导通时间来判断是否要做LPS保护。通过此LPS保护功能，当进行开关电源的初级侧电流侦测电阻器短路之单一故障条件测试时，LPS侦测模块就会做出正确判断启动LPS保护功能。增加LPS侦测模块容易在现有控制器内部实现，且基本不影响控制器的设计成本。本发明克服了现有单组输出的反激式开关电源通过控制器的供电脚内部的OVP功能来附带做LPS保护而带来保护点不精准的问题，也克服了现有双组输出的反激式开关电源通过在输出端串接保险丝来做LPS保护而带来设计成本增加的问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

图1为一种现有的单组输出的反激式开关电源的电路图；

图2为本发明一实施例单组输出的反激式开关电源的电路图；

图3为本发明一实施例控制器的LPS保护功能启动机制的流程图；

图4为本发明一实施例控制器的内部电路图；

图5为本发明一实施例控制器的内部节点工作时序的波形图；

图6为本发明一实施例控制器的反馈脚电压与PWM方波工作频率的曲线图。

具体实施方式

请参照图2，本发明反激式开关电源具有输入端IN与输出端OUT，输入端IN接收交流市电例如输入90V～264V/50Hz或60Hz，而输出端OUT例如输出19V/2A供电给显示器。反激式开关电源包括功率开关Q1、变压器T1、电阻器Rs、反馈电路与控制器U2。功率开关Q1具有第一端、第二端与控制端，控制端控制第一端与第二端导通或断开；在本实施例中，功率开关Q1为N沟道金属氧化物半导体场效应电晶体(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，其第一端、第二端与控制端分别为漏极端(Drain)、源极端(Source)与栅极端(Gate)。变压器T1在初级侧具有初级侧绕组Np与辅助绕组Na，变压器T1在次级侧具有次级侧绕组Ns，其中初级侧绕组Np两端分别耦接输入端IN(输入端IN接收市用交流电，经桥式整流电路进行全波整流之后再由EMI及工频滤波电路滤波之后生成一具有一定电压纹波的直流电压由变压器T1的初级侧绕组Np的非打点端输入给变压器)与功率开关Q1第一端，次级侧绕组Ns两端分别耦接输出端OUT与地(位于次级侧的地)。电阻器Rs两端分别耦接功率开关Q1第二端与地(位于初级侧的地)。反馈电路一端耦接输出端OUT。控制器U2具有反馈脚COMP、驱动脚DRI、电流侦测脚CS与供电脚VCC，其中反馈脚COMP耦接反馈电路另一端，驱动脚DRI耦接功率开关Q1控制端，电流侦测脚CS耦接功率开关Q1第二端，而辅助绕组Na耦接二极管D1与电容器C1组成的整流滤波电路而从供电脚VCC供电给控制器U2。控制器U2从驱动脚DRI输出PWM方波，且PWM方波在重载工作模式下的工作频率(如65KHz左右)大于在轻载工作模式下的工作频率(如20KHz左右)。与图1所示现有的反激式开关电源相比，本发明之反激式开关电源在图1所示控制器U1内部增加LPS侦测模块而构成控制器U2，LPS侦测模块耦接反馈脚COMP与驱动脚DRI，用于侦测反馈脚COMP电压与驱动脚DRI输出的PWM方波的导通时间来判断是否启动LPS保护功能。

请参照图3，在步骤S1，LPS侦测模块侦测反馈脚COMP电压。在步骤S2，LPS侦测模块判断反馈脚COMP电压是否小于电压阈值，其中电压阈值等于在轻载工作模式下的反馈脚COMP电压(如1V)。当判断反馈脚COMP电压不小于电压阈值时，表示反激式开关电源不是在轻载工作模式，故执行步骤S3，LPS侦测模块驱动控制器U2正常输出PWM方波。当判断反馈脚COMP电压小于电压阈值时，表示在轻载工作模式或是初级侧电流侦测电阻器Rs发生短路，故执行步骤S4作进一步的判断。在步骤S4，LPS侦测模块侦测驱动脚DRI输出的PWM方波的导通时间。在步骤

S5，LPS侦测模块判断导通时间是否大于时间阈值(如4μs)。当判断导通时间不大于时间阈值时，表示在轻载工作模式，故执行步骤S6，LPS侦测模块驱动控制器U2正常输出PWM方波。当判断导通时间大于时间阈值时，表示初级侧电流侦测电阻器Rs发生短路，故执行步骤S7，LPS侦测模块启动LPS保护功能，驱动控制器U2停止输出PWM方波。

请同时参照图2至图6，图4与图5分别为图2所示控制器U2的内部电路图与内部节点的工作时序波形图，而图6则为控制器U2的反馈脚COMP电压Vcomp与PWM方波工作频率F的曲线图。控制器U2的LPS保护功能的工作原理说明如下：

当反激式开关电源在重载工作模式时，控制器U2的反馈脚COMP接收来自反馈电路的反馈信号以得知输出端OUT电压状态，故反馈脚COMP电压Vcomp(下称反馈脚电压Vcomp)处于重载时的高电压状态，例如反馈脚电压Vcomp大于1.2V，此时开关电源的工作频率F处在最高的65KHz左右(如图6所示)。控制器U2内部PWM比较器的负输入端电压Va＝(Vcomp-VD)×Ra2/(Ral+Ra2)也较高，其中VD为二极管Da的导通压降。控制器U2内部PWM比较器的正输入端电压Vb接收来自被前缘遮蔽(Leading-Edge Blanking，LEB)模块和斜率补偿模块处理过的电流侦测脚CS所取样到的电压信号，当Vb>Va时，PWM比较器输出一高准位触发信号Vc，让驱动脚DRI输出的PWM方波由高准位变为低准位，即让功率开关Q1由导通变为断开，而电流侦测脚CS的电压Vcs＝(Vin×Ton/L+Ip0)×Rs，其中Vin为功率开关Q1导通时初级侧绕组Np两端电压，Ton为功率开关Q1导通时间，L为初级侧绕组Np电感量，Ip0为功率开关Q1导通时初级侧绕组Np初始电流，Ip0≧0A。当开关电源输出负载越重时，电压Va会越高，驱动脚DRI的PWM方波高准位与对应的功率开关Q1的导通时间Ton也会越长，变压器T1在单位周期内会输出更多电能给负载，变压器T1工作在不连续模式时单位周期所输出的电能E＝Vin²×Ton²/2L。相反的，当开关电源输出负载变轻时，功率开关Q1的导通时间Ton会变短，变压器T1在单位周期内输出电能会减小。因此，当开关电源在重载工作模式时，由于反馈脚电压Vcomp大于1.2V，即大于LPS侦测模块所设的电压阈值(如1V)，故LPS侦测模块执行图3所示步骤S1、S2和S3而不会启动LPS保护功能。

当反激式开关电源输出负载由重载变为轻载时，在开关电源输入电压不变条件下，控制器U2的驱动脚DRI的PWM方波高准位与对应的功率开关Q1的导通时间Ton会变小。在负载越来越轻的情况下，控制器U2为了减少功率开关Q1的开关损耗，将采用降频的方式进行工作。当开关电源的输出负载减小到一定值时，开关电源的工作频率F由原先重载工作模式的65KHz变为轻载工作模式的20KHz左右，此时反馈脚电压Vcomp会降低到例如小于lV(如图6所示)。功率开关Q1的导通时间Ton会由如输入电压264V重载时的2.8μs变成轻载时的1.6μs、以及由如输入电压90V重载时的7.lμs变成轻载时的2.7μs(如下面表2所示)。当输出负载继续降低时，开关电源的工作频率F还会进入突发模式(Burst Mode)更加节能的工作模式。因此，当开关电源输出负载由重载进入轻载时，虽然反馈脚电压Vcomp会降低到小于lV，但是由于功率开关Q1的导通时间Ton也变得很小，如输入电压264V时的1.6μs以及输入电压90V时的2.7μs，即小于LPS侦测模块所设的时间阈值(如4μs)，故LPS侦测模块执行图3所示步骤S1、S2、S4、S5和S6而不会启动LPS保护功能。

当进行反激式开关电源的初级侧电流侦测电阻器Rs短路之单一故障条件测试时，由于电流侦测脚CS对地阻抗变得非常小，在输出负载由轻载变为重载时，电流侦测脚CS所侦测到的电压都非常小，而使得反馈脚电压Vcomp一直处在最小值，如0.6V左右。而在Vcomp＝0.6V左右条件下，控制器U2会误认为开关电源在轻载工作模式，工作频率F会降低到如20KHz以内(如图6所示)，在输出负载不变的条件下，当工作频率降低时，为了确保变压器T1仍能在单位时间内输出工作频率较高时相同的电能，控制器U2的驱动脚DRI就会在单位周期内提供更长的导通时间Ton来驱动功率开关Q1导通。下面表2为本发明反激式开关电源在正常条件与电阻器Rs短路之单一故障条件下的测试结果。

【表2】

因此，当进行反激式开关电源的初级侧电流侦测电阻器Rs短路之单一故障条件测试时，只要输出带一适当负载，即可达到LPS侦测模块的保护条件，如反馈脚电压Vcomp＝0.6V＜电压阈值＝1V、导通时间Ton＝6.2μs＞时间阈值＝4μs，故LPS侦测模块执行图3所示步骤S1、S2、S4、S5和S7而启动LPS保护功能。

在本实施例中，重载与轻载工作模式时的工作频率分别为65KHz与20KHz左右，但并非尽限于此，工作频率可以根据所需采用不同控制器而有所不同；LPS保护点的电压阈值设为1V，时间阈值设为4μs，但并非尽限于此，电压阈值与时间阈值可以根据反激式开关电源实际情况来设置。此外，本实施例虽为单组输出的反激式开关电源，但其中的控制器仍可应用于双组输出的反激式开关电源。

以上所述仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源，具有一输入端与一输出端，其特征在于：反激式开关电源包括：

一功率开关，具有一第一端、一第二端与一控制端，控制端控制第一端与第二端导通或断开；

一变压器，具有一初级侧绕组与一次级侧绕组，初级侧绕组两端分别耦接输入端与第一端，次级侧绕组两端分别耦接输出端与地；

一电阻器，其两端分别耦接第二端与地；

一反馈电路，其一端耦接输出端；

一控制器，具有一反馈脚、一驱动脚与一电流侦测脚，反馈脚耦接反馈电路另一端，驱动脚耦接控制端，电流侦测脚耦接第二端，控制器从驱动脚输出一脉宽调制方波，且脉宽调制方波在一重载工作模式下的工作频率大于在一轻载工作模式下的工作频率，控制器包括一限功率电源侦测模块，限功率电源侦测模块耦接反馈脚与驱动脚，用于侦测反馈脚电压是否小于一电压阈值，电压阈值等于在轻载工作模式下的反馈脚电压；若反馈脚电压小于电压阈值，则再侦测脉宽调制方波的一导通时间是否大于一时间阈值；以及若脉宽调制方波的导通时间大于时间阈值，则驱动控制器停止输出脉宽调制方波。

2.根据权利要求1所述的一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源，其特征在于：若所述反馈脚电压不小于电压阈值，则驱动控制器正常输出脉宽调制方波。

3.根据权利要求1所述的一种具限功率电源保护功能的反激式开关电源，其特征在于：若所述脉宽调制方波的导通时间不大于时间阈值，则驱动控制器正常输出脉宽调制方波。