一种开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置的制作方法

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置。

背景技术：

随着消费电子产品强劲的需求以及各种电子产品的更新换代，对电源模块的要求也越来越高。电源模块通常为功能模块提供恒定的电压或恒定的电流，以保证它们稳定的工作。

如图1所示，是现有技术一种副边反馈开关电源的简化拓扑结构图。该开关电源包括驱动电路10、比较电路20和功率管30。比较电路20用于比较cs采样电阻rcs上的采样电压和阈值电压，驱动电路10用于根据比较电路20的比较结果向功率管30发送驱动信号以驱动功率管30开启或关断，其中，驱动信号的一个周期由开启电平和关断电平组成，在开启电平持续时间期间，功率管开启，在关断电平持续时间期间，功率管关断，开启电平和关断电平中的一个为低电平，另一个为高电平。具体而言，当驱动电路10驱动功率管30开启时，初级绕组存储能量，初级绕组上的电流上升，上升斜率为vin/lp，vin为变压器初级绕组上的电压，lp为初级绕组的电感，cs采样电阻rcs上的采样电压线性上升，比较电路20通过检测采样电压来间接检测初级绕组上的电流。当初级绕组上的电流到达峰值电流ipeak时，采样电压也上升到阈值电压vth_ocp，因此，驱动电路10需要驱动功率管30关断。由于在功率管30开启瞬间，cs采样电阻rcs上会耦合电压毛刺，该电压毛刺远大于阈值电压，为了防止采集到电压毛刺而误关断功率管30，因此比较电路20设置了消隐时间，在消隐时间内比较电路20会屏蔽cs采样电阻rcs上的电压毛刺。

该副边反馈开关电源在工作时，当输出接负载时，随着功率管30开启，初级绕组将能量传递到次级绕组，次级绕组上的电流等于初级绕组的电流和匝比乘积，即is＝ip×n，次级绕组上将产生大电流，给负载和输出电容同时供电。如果输出为阻抗大的容性负载，输出电压vout上升将非常缓慢，与此同时，输出电压vout较低时，功率管30的开关频率最大，试图给输出提供更多能量，但是此时因为次级电感的两端压差小，次级电感的电流下降斜率平缓，因此次级电感的退磁时间比较长，导致功率管30在下次开启时，次级电感上的电流没有降低到零。所以在输出电压vout上升期间，初级绕组工作在连续电流模式，而又因为输出电压vout低，功率管30的开关频率最大，在功率管30的关断时间次级电流没有降低零，那么初级绕组的电流在每次开启时会不停累积，尽管初级绕组的电流在不停累积，驱动电路10仍然需等到消隐时间之后才能关断功率管30，也就是说，功率管30每次开启的持续时间均为消隐时间，消隐时间内又不检测初级绕组上的电流，那么在消隐时间内初级绕组上的电流继续累积，当累积的电流超过峰值电流时，如果再继续累积，就会造成大电流烧毁芯片。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置，能够检测到初级绕组工作在深度连续电流模式时关断功率管。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置，应用于副边反馈开关电源，所述开关电源包括驱动电路、比较电路和功率管，所述比较电路用于比较cs采样电阻上的采样电压和阈值电压，所述驱动电路用于根据所述比较电路的比较结果向所述功率管发送驱动信号以驱动所述功率管开启或关断，所述驱动信号的一个周期由开启电平和关断电平组成，在开启电平持续时间期间，功率管开启，在关断电平持续时间期间，功率管关断，该装置包括电压检测单元、振荡器、延时单元、输出检测单元、前沿消隐单元和控制单元；所述电压检测单元用于检测副边输出电压是否达到启动电压，并在达到启动电压时，向所述振荡器、延时单元和控制单元发送第一使能电平信号，以及在没有达到启动电压时，向所述振荡器、延时单元和控制单元发送第二使能电平信号，其中，所述第一使能电平信号为第二使能电平信号翻转后的信号；所述振荡器用于根据所述第一使能电平信号向所述延时单元发送第一启动电平信号以及在预定时间后向所述延时单元发送第二启动电平信号，其中，所述第一启动电平信号为所述第二启动电平信号翻转后的信号；所述延时单元用于在接收到所述第一使能电平信号和第一启动电平信号时，向所述控制单元发送第一触发电平信号，以及在接收到第二启动电平信号时，将所述第一触发电平信号变为第二触发电平信号，并锁定所述第二触发电平信号保持不变，其中，所述第一触发电平信号与第一启动电平信号一致，所述第二触发电平信号与第二启动电平信号的电平状态一致；所述输出检测单元用于检测所述副边输出电压是否高于门限电压，并在低于门限电压时，向所述控制单元发送第一检测电平信号，在高于门限电压时，向所述控制单元发送第二检测电平信号，其中，所述第一检测电平信号为所述第二检测电平信号翻转后的信号；所述前沿消隐单元用于接收脉宽调制信号和所述驱动信号，并在所述脉宽调制信号为高电平时，根据所述驱动信号向所述控制单元发送第一消隐信号和第二消隐信号，其中，所述第一消隐信号和第二消隐信号与所述驱动信号的周期相同，且所述第一消隐信号的占空比大于所述第二消隐信号的占空比；所述控制单元用于在接收到第一使能电平信号的前提下，控制所述比较电路在第一消隐信号的低电平持续时间内停止比较，以及仅在同时接收到所述第一检测电平信号和第一触发电平信号时，比较所述驱动信号的开启电平时间与第二消隐信号的低电平持续时间的大小，并在所述驱动信号的连续预定数目个周期内的开启电平持续时间均小于第二消隐信号的低电平持续时间时，向所述驱动电路发送保护信号，以使得所述驱动电路持续关断功率管。

其中，所述第一使能电平信号为高电平信号，所述第一启动电平信号为低电平信号，所述第一检测电平信号为低电平信号，所述开启电平为高电平。

其中，所述延时单元包括非门和锁存器，所述电压检测单元连接所述非门的输入端，所述振荡器连接所述锁存器的r端，所述非门的输出端连接所述锁存器的s端，所述锁存器的输出端连接所述控制单元。

其中，所述输出检测单元为比较器，所述比较器的正端输入副边输出电压，所述比较器的负端输入门限电压。

其中，所述前沿消隐单元包括锁存器、第一偏置电流源、第二偏置电流源、第一p型mos管、第二p型mos管、第一n型mos管、第二n型mos管、第一电容、第二电容、第三电容、第一非门、第二非门、第一或非门和第二或非门，所述锁存器的r端输入脉宽调制信号，所述锁存器的s端输入驱动信号，所述锁存器的输出端连接所述第一p型mos管、第二p型mos管、第一n型mos管和第二n型mos管的栅极，所述第一偏置电流源连接第一p型mos管的源极，所述第一p型mos管的漏极连接第一n型mos管的漏极、第一电容的一端和第一非门的输入端，所述第二偏置电流源连接第二p型mos管的源极，所述第二p型mos管的漏极连接第二n型mos管的漏极、第二电容的一端、第三电容的一端和第二非门的输入端，所述第一n型mos管的源极、第二n型mos管的源极、第一电容的另一端、第二电容的另一端和第三电容的另一端接地，所述第一非门的输出端连接第一或非门的一个输入端，所述第二非门的输出端连接第二或非门的一个输入端，所述第一或非门的另一端和第二或非门的另一个输入端输入脉宽调制信号，所述第一或非门的输出端输出第一消隐信号，所述第二或非门的输出端输出第二消隐信号，其中，所述第一偏置电流源和第二偏置电流源产生的电流相等，所述第一p型mos管和第一n型mos管与第二p型mos管和第二n型mos管的参数相等，所述第一电容和第二电容的电容大小相等。

其中，所述预定数目为三，所述控制单元包括第一非门、第二非门、与非门、第一计数器、第二计数器、第三计数器和锁存器，所述第一非门的输入端输入驱动信号，所述第一非门的输出端连接第一计数器的d端，所述与非门的一个输入端连接延时单元，所述与非门的另一个输入端连接电压检测单元，所述与非门的输出端连接第一计数器的清零端，所述第一计数器的时钟端输入第二消隐信号，所述第一计数器的q端连接第二计数器和第三计数器的清零端，所述第二计数器的时钟端输入驱动信号，所述第二计数器的d端连接第二计数器的端和第三计数器的时钟端，所述第三计数器的d端连接第三计数器的端，所述第三计数器的q端连接锁存器的r端，所述第二非门的输入端输入第一使能电平信号，所述第二非门的输出端连接锁存器的s端，所述锁存器的输出端输出保护信号。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明在检测到副边输出电压达到启动电压时，各部分开始正常工作；振荡器和延时单元相配合，在正常工作后的预定时间后产生一个被锁定的电平信号；输出检测单元通过比较副边输出电压和门限电压来判断副边输出电压大小；前沿消隐单元在驱动信号的开启电平持续时间内设置两个屏蔽时间，一个屏蔽时间较小，用来屏蔽功率管开启瞬间产生在cs采样电阻上的电压毛刺，另一个屏蔽时间较大；控制单元在预定时间内，当副边输出电压低，处在欠压状态时，用较大的屏蔽时间来检测驱动信号的开启电平持续时间，如果连续三个周期内开启电平持续时间均小于屏蔽时间，则控制功率管持续关断，从而能够检测到初级绕组工作在深度连续电流模式时关断功率管。

附图说明

图1是现有技术一种副边反馈开关电源的简化拓扑结构图；

图2是本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置的架构示意图；

图3是本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置的振荡器、电压检测单元和延时单元的示意图；

图4是本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置的输出检测单元的示意图；

图5是本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置的前沿消隐单元的示意图；

图6是本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置的控制单元的示意图；

图7是本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置工作时的时序示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图2，是本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置的架构示意图。本实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置可以应用于图1所示的副边反馈开关电源，该装置包括电压检测单元41、振荡器42、延时单元43、输出检测单元44、前沿消隐单元45和控制单元46。

电压检测单元41用于检测副边输出电压是否达到启动电压，并在达到启动电压时，向振荡器42、延时单元43和控制单元46发送第一使能电平信号，以及在没有达到启动电压时，向振荡器42、延时单元43和控制单元46发送第二使能电平信号，其中，第一使能电平信号为第二使能电平信号翻转后的信号。

振荡器42用于根据第一使能电平信号向延时单元发送第一启动电平信号以及在预定时间后向延时单元43发送第二启动电平信号，其中，第一启动电平信号为第二启动电平信号翻转后的信号。

延时单元43用于在接收到第一使能电平信号和第一启动电平信号时，向控制单元46发送第一触发电平信号，以及在接收到第二启动电平信号时，将第一触发电平信号变为第二触发电平信号，并锁定第二触发电平信号保持不变，其中，第一触发电平信号与第一启动电平信号一致，第二触发电平信号与第二启动电平信号的电平状态一致。

输出检测单元44用于检测副边输出电压是否高于门限电压，并在低于门限电压时，向控制单元46发送第一检测电平信号，在高于门限电压时，向控制单元46发送第二检测电平信号，其中，第一检测电平信号为第二检测电平信号翻转后的信号。

前沿消隐单元45用于接收脉宽调制信号pwm和驱动信号gate，并在脉宽调制信号为高电平时，根据驱动信号向控制单元46发送第一消隐信号和第二消隐信号，其中，第一消隐信号和第二消隐信号与驱动信号的周期相同，且第一消隐信号的占空比大于第二消隐信号的占空比。

控制单元46用于在接收到第一使能电平信号的前提下，控制比较电路20在第一消隐信号的低电平持续时间内停止比较，以及仅在同时接收到第一检测电平信号和第一触发电平信号时，比较驱动信号的开启电平时间与第二消隐信号的低电平持续时间的大小，并在驱动信号的连续预定数目个周期内的开启电平持续时间均小于第二消隐信号的低电平持续时间时，向驱动电路10发送保护信号，以使得驱动电路10持续关断功率管。

在本实施例中，第一使能电平信号为高电平信号，第一启动电平信号为低电平信号，第一检测电平信号为低电平信号，开启电平为高电平。也就是说，如果副边输出电压高于启动电压，电压检测单元41输出高电平信号，否则输出低电平信号，振荡器42、延时单元43和控制单元46在收到高电平信号才开始正常工作。振荡器42在收到第一使能电平信号之后，产生固定频率的振荡信号，通过对振荡信号进行分频可以产生设置第一启动电平信号的持续时间，也就是前述预定时间，在预定时间后，振荡器42产生第二启动电平信号。延时单元43在收到第一使能电平信号之前，没有任何输出，在收到第一使能电平信号之后，会在收到第二启动电平信号之前，会跟踪输出第一启动电平信号，即第一触发电平信号，一旦收到第二启动电平信号时，则将输出从第一触发电平信号变为第二触发电平信号，并锁定第二触发电平信号保持不变，也就是说，在这之后，不论延时单元43接收到什么信号，均始终会输出第二触发电平信号。

脉宽调制信号是开关电源的控制信号，可以是从外部输入，也可以是开关电源的某个部分产生。前沿消隐单元45产生两个周期相同的第一消隐信号和第二消隐信号，第一消隐信号的占空比大于第二消隐信号的占空比，说明第一消隐信号的低电平持续时间小于第二消隐信号的低电平持续时间，第一消隐信号的低电平持续时间即为消隐时间。

控制单元46在接收到第一使能电平信号后开始工作，根据接收到的第一消隐信号控制比较电路20在第一消隐信号的低电平持续时间内停止比较，用于屏蔽消隐时间内cs采样电阻rcs上的电压毛刺。在接收到第二消音信号后，先要判断是否同时接收到第一检测电平信号和第一触发电平信号，第一检测电平信号用来指示输出电压vout处在欠压状态。如果同时接收到第一检测电平信号和第一触发电平信号，则检测驱动信号的开启电平时间与第二消隐信号的低电平持续时间，并在驱动信号的连续三个周期内的开启电平持续时间均小于第二消隐信号的低电平持续时间时，向驱动电路10发送保护信号，以使得驱动电路10持续关断功率管30。如果没有同时接收到第一检测电平信号和第一触发电平信号，则不检测驱动信号的开启电平时间与第二消隐信号的低电平持续时间。

在本实施例中，如图3所示，延时单元43包括非门431和锁存器432，电压检测单元41连接非门431的输入端，振荡器42连接锁存器432的r端，非门431的输出端连接锁存器432的s端，锁存器432的输出端连接控制单元46。振荡器42开始工作后，向锁存器432的r端输出第一启动电平信号，即逻辑低电平信号，等待预定时间后，向锁存器432的r端输出第二启动电平信号，即逻辑高电平信号。而锁存器432的r端第一次从低电平跳变为高电平，锁存器432的输出端从输出第一触发电平信号，即逻辑低电平信号，变为输出第二触发电平信号，即逻辑高电平信号，并锁定第二触发电平信号保持不变，直到锁存器432的s端接收到第二使能电平信号时，锁存器432的输出端才重新清零。

如图4所示，输出检测单元44为比较器，比较器的正端输入副边输出电压vout，比较器的负端输入门限电压vth。比较器的输出端根据副边输出电压vout和门限电压vth的比较结果输出第一检测电平信号或第二检测电平信号。

如图5所示，前沿消隐单元45包括锁存器451、第一偏置电流源ia、第二偏置电流源ib、第一p型mos管p1、第二p型mos管p2、第一n型mos管n1、第二n型mos管n2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第一非门452、第二非门453、第一或非门454和第二或非门455，锁存器451的r端输入脉宽调制信号，锁存器451的s端输入驱动信号，锁存器451的输出端连接第一p型mos管p1、第二p型mos管p2、第一n型mos管n1和第二n型mos管n2的栅极，第一偏置电流源ia连接第一p型mos管p1的源极，第一p型mos管p1的漏极连接第一n型mos管n1的漏极、第一电容c1的一端和第一非门452的输入端，第二偏置电流源ib连接第二p型mos管p2的源极，第二p型mos管p2的漏极连接第二n型mos管n2的漏极、第二电容c2的一端、第三电容c3的一端和第二非门453的输入端，第一n型mos管n1的源极、第二n型mos管n2的源极、第一电容c1的另一端、第二电容c2的另一端和第三电容c3的另一端接地，第一非门452的输出端连接第一或非门454的一个输入端，第二非门453的输出端连接第二或非门455的一个输入端，第一或非门454的另一端和第二或非门455的另一个输入端输入脉宽调制信号，第一或非门454的输出端输出第一消隐信号，第二或非门455的输出端输出第二消隐信号，其中，第一偏置电流源ia和第二偏置电流源ib产生的电流相等，第一p型mos管p1与第二p型mos管p2、第一n型mos管n1和第二n型mos管n2的参数相等，第一电容c1和第二电容c2的电容大小相等。

当脉宽调制信号pmw为逻辑高电平时，经过传输延时，再加上功率管30存在栅电容，经过功率管30的栅极电压从零电压上升到开启电压的延时后，功率管30才会真正开启。当脉宽调制信号pmw为高电平，而且等到驱动信号gate来临，给电容c1充电，产生第一消隐信号。第一偏置电流源ia和第二偏置电流源ib产生的电流相等，第一p型mos管p1与第二p型mos管p2、第一n型mos管n1和第二n型mos管n2的参数相等，第一电容c1和第二电容c2的电容大小相等，如果没有第三电容c3的存在，将会产生与第一消隐信号相同的第二消隐信号，但是由于有第三电容c3的存在，可以保证第一消隐信号的占空比大于第二消隐信号的占空比，即第一消隐信号的低电平持续时间小于第二消隐信号的低电平持续时间，第一消隐信号的低电平持续时间为消隐时间，第二消隐信号的低电平持续时间用来检测驱动信号gate的开启时间。

如图6所示，控制单元46包括第一非门461、第二非门462、与非门463、第一计数器dff1、第二计数器dff2、第三计数器dff3和锁存器464，第一非门461的输入端输入驱动信号，第一非门461的输出端连接第一计数器dff1的d端，与非门463的一个输入端连接延时单元43，与非门463的另一个输入端连接电压检测单元44，与非门463的输出端连接第一计数器dff1的清零端，第一计数器dff1的时钟端输入第二消隐信号，第一计数器dff1的q端连接第二计数器dff2和第三计数器dff3的清零端，第二计数器dff2的时钟端输入驱动信号，第二计数器dff2的d端连接第二计数器dff2的端和第三计数器dff3的时钟端，第三计数器dff3的d端连接第三计数器dff3的端，第三计数器dff3的q端连接锁存器464的r端，第二非门462的输入端输入第一使能电平信号，第二非门462的输出端连接锁存器464的s端，锁存器464的输出端输出保护信号pro。

控制单元46工作时，在预定时间之内，与非门463的一个输入端接收到第一触发电平信号，即逻辑低电平信号；当副边输出电压小于设置的门限电压，与非门463的另一个输入端会接收到第一检测电平信号，即逻辑低电平信号，此时与非门463的输出端才输出逻辑高电平信号，第一计数器dff1才开始计数。第二计数器dff2和第三计数器dff3开始对驱动信号gate的开启电平时间小于第二消隐信号的低电平持续时间的次数进行计数，只要驱动信号gate的连续三个周期的开启电平时间均小于第二消隐信号的低电平持续时间，即计数达到3次，第三计数器dff3的q端输出逻辑高电平，这个逻辑高电平会被第一使能电平信号锁定住，锁存器464的输出端被锁定为逻辑高电平的保护信号pro，驱动电路10可以根据保护信号pro一直关断功率管30，避免初级绕组上的电流不停累积。

在计数过程中，一旦与非门463没有同时接收到第一触发电平信号和第一检测电平信号，与非门463的输出端输出逻辑低电平信号，第一计数器dff1的q端被清零，第二计数器dff2和第三计数器dff3不能进行计数。

由于控制单元46采用三个计数器，则预定数目为三，即如果连续预定数目个周期内开启电平持续时间均小于屏蔽时间，则控制功率管30持续关断。

计数过程中各个信号的时序关系如图7所示，其中，ip表示初级绕组上的电流，leba表示第一消隐信号，lebb表示第二消隐信号，gaten表示驱动信号gate翻转后的信号，td_ok的低电平表示第一触发电平信号，高电平表示第二触发电平信号。

通过上述方式，本发明实施例的开关电源初级绕组峰值电流深度连续保护装置在检测到副边输出电压达到启动电压时，各部分开始正常工作；振荡器和延时单元相配合，在正常工作后的预定时间后产生一个被锁定的电平信号；输出检测单元通过比较副边输出电压和门限电压来判断副边输出电压大小；前沿消隐单元在驱动信号的开启电平持续时间内设置两个屏蔽时间，一个屏蔽时间较小，用来屏蔽功率管开启瞬间产生在cs采样电阻上的电压毛刺，另一个屏蔽时间较大；控制单元在预定时间内，当副边输出电压低，处在欠压状态时，用较大的屏蔽时间来检测驱动信号的开启电平持续时间，如果连续三个周期内开启电平持续时间均小于屏蔽时间，则控制功率管持续关断，从而能够检测到初级绕组工作在深度连续电流模式时关断功率管。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。