一种副边控制电路及其隔离式电源变换电路和过压保护方法与流程

本发明涉及电子领域，具体涉及一种用于隔离式电源变换电路的副边控制电路及其隔离式电源变换电路和过压保护方法。

背景技术：

过压保护(ovp)在开关电源电路中是最重要的功能之一，用来避免负载在输出电压过高时造成的故障或损坏。在采用初级侧调整(psr)方案的隔离式电源变换电路或者无线充电电源变换电路中，原边控制器无法及时地获取输出电压的准确信息；当输出电压发生过压时，原边控制器不能及时准确地产生故障保护。psr隔离式电源变换电路通常通过采用一辅助绕组或直接通过原边绕组来获得反馈信号，如图1所示。通过将辅助绕组wa上的反馈信号fb与阈值信号进行比较来判断输出电压vo是否发生过压。但是，从辅助绕组获得的反馈信号在部分情况下并不能准确反映输出电压，比如在虚负载(dummyload)开路等情况。因此这种方式的过压保护精度差，在该发生过压保护的时候不动作，从而对负载产生危害。

技术实现要素：

针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的一个目的在于提供消除上述提出的至少部分缺陷的隔离式电源变换电路、副边控制电路和过压保护方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于隔离式电源变换电路的副边控制电路，包括过压保护模块，过压保护模块用于在隔离式电源变换电路的输出电压过压时对隔离式电源变换电路提供保护，过压保护模块包括：第一比较电路，用于比较表征输出电压的检测信号与第一阈值信号；状态检测电路，基于隔离式电源变换电路的副边信号确定隔离式电源变换电路的变换状态；以及脉冲产生电路，基于第一比较电路的比较结果和隔离式电源变换电路的变换状态选择性地输出过压保护信号使副边整流管导通。

在一个实施例中，状态检测电路包括第二比较电路，第二比较电路的第一输入端耦接副边绕组用于获取绕组端信号，第二比较电路的第二输入端耦接第二阈值信号。

在一个实施例中，副边控制电路具有第一端口和第二端口，第一端口耦接副边整流管的源极端或阳极端并作为副边控制电路的基准地端口，第二端口耦接副边整流管的漏极端或阴极端；状态检测电路包括第二比较电路，第二比较电路的第一输入端耦接第二端口，第二比较电路的第二输入端耦接第二阈值信号，当第二端口电压大于第二阈值信号时，状态检测电路输出有效值信号用于允许过压保护信号导通副边整流管。

在一个实施例中，过压保护模块包括：与门，与门的第一输入端耦接第一比较电路的输出端，与门的第二输入端耦接第二比较电路的输出端，当与门输出高电平信号时，脉冲产生电路输出有效状态的过压保护信号使副边整流管导通。

在一个实施例中，副边控制电路具有第一端口和第二端口，第一端口耦接副边整流管的第一端，第二端口耦接副边整流管的第二端，过压保护模块进一步包括：采样保持电路，包括采样开关和电容，其中采样开关的第一端耦接第二端口，采样开关的第二端耦接电容用于提供表征输出电压的检测信号，采样开关的第二端耦接第一比较电路的第一输入端；第一比较电路的第二输入端耦接第一阈值信号；以及采样控制模块，采样控制模块的输出端耦接采样开关的控制端。

在一个实施例中，采样控制模块在检测到副边整流管结束整流的预定时间后导通采样开关。在一个实施例中，预定时间为50-400微秒之间。

在一个实施例中，当表征输出电压的检测信号大于第一阈值信号且原边开关导通时，脉冲产生电路输出使副边整流管导通的过压保护信号。

在一个实施例中，过压保护模块进一步包括：触发电路，触发电路的输入端耦接第一比较电路的输出端，触发电路的输出端耦接脉冲产生电路。

在一个实施例中，副边控制电路进一步包括：同步整流控制电路，输出同步整流信号；以及或门，或门的第一输入端耦接同步整流信号，或门的第二输入端耦接过压保护信号，或门的输出端耦接副边整流管的控制端。

在一个实施例中，副边控制电路进一步包括所述副边整流管，副边整流管包括开关型晶体管。

在一个实施例中，副边控制电路进一步包括第二开关，其中副边整流管包括二极管，第二开关跨接在二极管的两端和二极管并联连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于隔离式电源变换电路的副边控制电路。其中隔离式电源变换电路包括原边电路和副边电路，原边电路接收输入电压，原边电路包括原边绕组和原边开关；副边电路包括副边绕组和副边控制电路，副边绕组和原边绕组耦合组成变压器，副边电路提供隔离式电源变换电路的输出电压，其中副边控制电路包括过压保护模块，过压保护模块在隔离式电源变换电路输出电压大于预定阈值后且当原边开关导通时，输出一脉冲信号控制副边整流管导通，用于在原边电路触发过流保护。

根据本发明的又一个方面，提供了如上任一实施例所述的隔离式电源变换电路。

在一个实施例中，原边绕组第一端耦接输入电源，原边绕组的第二端耦接原边开关的第一端，原边开关的第二端耦接原边参考地或通过采样电阻耦接原边参考地；副边绕组的第一端耦接副边参考地或副边整流管的第二端，副边绕组的第二端耦接副边整流管的第一端或隔离式电源变换电路的输出端。

在一个实施例中，原边电路进一步包括过流检测电路，过流检测电路在当流过原边绕组的电流超过第三阈值时输出过流保护信号使得原边开关停止开关动作。

根据本发明的再一个方面，提供了一种用于对隔离式开关电路提供输出电压过压保护的方法。该方法包括：副边电路检测输出电压；判断输出电压是否大于第一阈值；监测开关电路的状态；当输出电压大于第一阈值且监测到开关电路状态满足预定条件时，导通副边整流管，用于在原边产生故障信号；原边电路感测到故障信号时，使原边电路停止工作。

在一个实施例中，监测开关电路的状态包括：监测副边整流管两端的压差是否大于第二阈值，当输出电压大于第一阈值且副边整流管两端的压差大于第二阈值时，导通副边整流管。

在一个实施例中，检测输出电压包括在副边整流管结束同步整流的预定时间后检测副边整流管的漏-源压差。

在一个实施例中，原边电路感测到故障信号包括原边电路被触发过流保护。

本发明提供的副边控制电路、隔离式电源变换电路和过压保护方法，将过压检测放到副边电路进行，通过在特定状态下导通副边整流管来触发原边电路保护状态，提高了隔离式电源变换电路的输出电压过压保护的检测精度和可靠性。本发明的其它具体优点将在下面的具体实施例中予以体现。

附图说明

图1示出了对比技术的隔离式电源变换器过压保护拓扑示意图；

图2示出了根据本发明一实施例的隔离式电源变换电路框图示意图；

图3示出了根据本发明一实施例的隔离式电源变换电路示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的一种副边整流管控制方式示意图；

图5示出了根据本发明一实施例的对应图3电路中信号的波形示意图；

图6示出了根据本发明一实施例的副边控制电路示意图；

图7示出了根据本发明一实施例的对应图6电路中信号的波形示意图；

图8示出了根据本发明一实施例的对隔离式开关电路提供输出电压过压保护的方法流程示意框图。

不同示意图中相同的标号代表相同或相似的部件或组成。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中该电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容。还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

图2示出了根据本发明一实施例的隔离式电源变换电路框图示意图。隔离式电源变换电路也可称隔离式开关电路、隔离式电源变换器等。隔离式电源变换电路包括原边电路21和副边电路22。原边电路21接收输入电压vin。原边电路21包括原边绕组wp和原边开关s1。副边电路22包括副边绕组ws和副边控制电路221。在图示的实施例中，副边控制电路221包括副边整流管s2。在另一个实施例中，副边整流管s2不属于副边控制电路221的一部分。副边绕组ws和原边绕组wp耦合组成变压器。通过对原边开关s1进行导通和关断的开关动作，隔离式电源变换电路将输入电压vin经过变换，在副边电路22提供隔离式电源变换电路的输出电压vo，用于驱动负载。

副边控制电路221包括过压保护模块222，过压保护模块222用于在输出电压vo过压时对隔离式电源变换电路提供保护。过压保护模块222包括：第一比较电路224，用于比较表征输出电压的检测信号vs与第一阈值信号vth1；状态检测电路225，基于副边电路22的信号确定隔离式电源变换电路的变换状态；以及脉冲产生电路226，基于第一比较电路224的比较结果和隔离式电源变换电路的变换状态选择性地输出过压保护信号使副边整流管s2导通。选择性地输出过压保护信号包括输出有效状态的过压保护信号使副边整流管导通。当过压保护信号为无效状态时，副边整流管可受同步整流信号控制。

在一个实施例中，当表征输出电压的检测信号vs大于阈值信号vth1时，且隔离式电源变换电路处于特定的状态时，脉冲产生电路226输出有效状态的过压保护信号脉冲将副边整流管s2导通，用于在原边电路21产生原边可显著识别的信号并在原边触发过流保护。

优选地，隔离式电源变换电路包括反激式电压变换器。当然，隔离式电源变换电路也可具有其它的拓扑。

在一个具体的实施方式中，过压保护模块222在隔离式电源变换电路的输出电压vo大于第一阈值后且在检测到原边开关s1导通时，输出一脉冲信号控制副边整流管s2导通，使得原边电路产生一电流尖冲从而触发原边电路21的过流保护，进而实现过压保护。

通过这样的方式，通过在副边检测输出电压是否过压，并在检测到过压时利用隔离式电源变换电路的特定时刻导通副边整流管，从而在原边产生可显著识别的信号来触发原边电路的故障保护以实现过压保护，避免了通过辅助绕组或原边绕组检测输出电压造成的测量不准确的问题。

图3示出了根据本发明一实施例的隔离式电源变换电路示意图。隔离式电源变换电路的原边电路包括原边绕组wp、原边开关s1和原边控制电路。隔离式电源变换电路的副边电路包括副边绕组ws、副边整流管s2和副边控制电路221。其中原边绕组wp的第一端耦接输入电源vin，原边绕组wp的第二端耦接原边开关s1的第一端，原边开关s1的第二端耦接原边参考地pgnd或通过一采样电阻耦接原边参考地pgnd。副边绕组ws的第一端(如图所示的异名端)耦接副边参考地sgnd(上管整流管)或副边整流管s2的第二端(下管整流管)，副边绕组ws的第二端(如图所示的同名端)耦接副边整流管s2的第一端(上管整流管)或隔离式电源变换电路的输出端vo(下管整流管)。副边整流管s2的第一端在副边整流管s2为同步整流管时可为管s2的源极端，在副边整流管s2为异步整流管时可为管s2的阳极端。副边整流管s2的第二端可为副边整流管s2的漏极端或阴极端。在第一种情况中，当副边整流管s2为上管时，副边绕组ws的第一端耦接副边参考地sgnd，副边整流管s2的第二端耦接隔离式电源变换电路的输出端vo。在第二种情况中，当副边整流管s2为下管时，副边绕组ws的第二端耦接隔离式电源变换电路的输出端vo，副边整流管s2的第一端耦接副边参考地sgnd。通过对原边开关s1进行导通和关断的开关动作，隔离式电源变换电路将原边电路接收的输入电压vin经过变换，在副边电路提供隔离式电源变换电路的输出电压vo。副边控制电路221包括过压保护模块222，用于在输出电压vo过压时对隔离式电源变换电路提供保护。隔离式电源变换电路还可进一步包括整流电路，用于将交流电如市电整流成直流，并经输入电容滤波提供直流母线电压。

在图3所示的实施例中，过压保护模块222包括第一比较电路224、触发电路t1、状态检测电路225、与门and和脉冲产生电路226。第一比较电路224包括比较器com1用于将输出电压vo或表征输出电压vo的检测信号vs与第一阈值信号vth1进行比较，并在输出电压vo或者输出电压的检测信号vs大于阈值vth1时使得触发电路t1输出有效状态的信号cp。在图示的实施例中，触发电路t1包括rs触发器，具有置位输入端s，复位输入端r和输出端q，其中rs触发器t1的置位输入端s耦接比较电路com1的输出端，rs触发器t1的输出端q提供信号cp。rs触发器t1的复位输入端r可耦接副边同步整流管s2的源极端。触发电路t1也可视为第一比较电路224的一部分。状态检测电路225用于基于副边电路的信号确定隔离式电源变换电路的变换状态。在图示的实施例中，状态检测电路225包括第二比较电路com2，第二比较电路com2的第一输入端接收整流管两端的压差信号vds，具体地可为副边同步整流管的漏-源电压，第二比较电路com2的第二输入端耦接第二阈值信号vth2。当压差信号vds大于第二阈值vth2时，确定原边开关s1导通，从而在状态检测电路225的输出端输出有效的状态信号sta。检测副边整流管s2的两端压差信号vds可采用任意适合的方法。当然，状态检测电路也可能具有其它的检测方法和结构。与门and的第一输入端耦接第一比较电路或触发电路t1的输出端用于接收信号cp，与门and的第二输入端耦接第二比较电路com2的输出端用于接收状态信号sta，与门and的输出端耦接脉冲产生电路226的输入端。当触发电路t1的输出信号cp和状态检测电路225的输出信号sta均为有效状态如均为高电平时，与门and输出有效状态的信号，脉冲产生电路226输出有效状态的过压保护信号ovp使副边整流管s2导通。在一个实施例中，信号的有效状态为高电平状态，信号的无效状态为低电平状态。在另一个实施例中，脉冲产生电路包括与门and。这样，副边整流管s2和原边开关s1同时导通，原边绕组wp上的电流il将异常升高，从而触发原边电路的过流保护来停止原边控制电路或原边开关s1的工作，使系统停止工作，实现过压保护。在图示的实施例中，原边电路进一步包括过流检测电路，过流检测电路在当流过原边绕组的电流超过第三阈值时输出过流保护信号ocpfault使得原边开关s1停止开关动作或使原边控制电路停止工作，通过触发原边的过流保护对系统进行保护。在图示的实施例中，过流检测电路包括第三比较电路com3，用于将表征原边绕组电流il的检测信号vcs与第三阈值信号vth3进行比较，当电流检测信号vcs大于第三阈值信号vth3时，比较电路com3输出有效的过流保护信号ocpfault，用于关断原边开关s1或使原边控制电路停止工作。系统可在预定时间后重新启动。

在如图3所示的实施例中，副边控制电路221进一步包括同步整流控制电路32和或门or。同步整流控制电路32用于输出同步整流信号sr。在一个实施例中，当检测到副边整流管流过电流时，同步整流信号sr变换为高电平状态。或门or的第一输入端耦接同步整流信号sr，或门or的第二输入端耦接过压保护信号ovp，或门的输出端耦接副边整流管s2的控制端。当同步整流信号sr或过压保护信号ovp中的任意一个信号为高电平状态时，或门or输出的信号pwm为高电平状态，使副边整流管s2导通。

副边控制电路221可进一步包括所述副边整流管s2。在一个实施例中，副边整流管s2包括开关型晶体管，如金属氧化物半导体场效应管(mosfet)或结型场效应管(jfet)管。

图4示出了根据本发明一实施例的另一种副边整流管d控制方式。在该实施例中，副边控制电路221不包括副边整流管，而进一步包括一第二开关s3，其中副边整流管包括非同步整流管如二极管d，第二开关s3跨接在整流二极管d的两端用于将第二开关s3和整流二极管d并联连接。在这种控制中，副边控制电路221可不包含同步整流控制电路和所述或门。

图5示出了根据本发明一实施例的对应图3电路中的信号波形图。从上至下分别为输出电压检测信号vs，信号cp，原边开关驱动信号drv，同步整流信号sr，整流管压差信号vds，状态检测信号sta，过压保护信号ovp，副边整流管驱动信号pwm，原边绕组电流检测信号vcs和原边过流保护信号ocpfault。在时间t1之前，输出电压vo低于阈值电压，即输出电压检测信号vs低于第一阈值信号vth1，原边开关驱动信号drv和副边同步整流信号sr交替出现有效状态，隔离式电源变换电路正常工作。在时间t1，输出电压vo检测信号vs高于第一阈值信号vth1，第一比较电路com1输出高电平信号，触发触发电路t1输出高电平信号cp。在时间t2，原边驱动信号drv变为高电平，原边开关s1导通，整流管压差信号vds大于第二阈值vth2，状态信号sta变换为高电平。因此过压保护信号ovp输出高电平脉冲，副边驱动信号pwm出现高电平脉冲。使得原边开关s1和副边整流管s2同时导通，原边绕组电流il的检测信号vcs上升出现尖冲。在时间t3，原边绕组电流信号vcs高于阈值信号vth3，触发过流保护信号ocpfault变为有效状态，从而关断原边开关和/或原边控制电路。

在这种方式中，副边电路在检测到输出电压过压时，通过检测副边的信号如整流管压差信号vds来进一步检测原边开关管的导通时刻，来导通副边整流管s2，从而实现过压保护控制。且在这种方式中，当副边整流管s2被导通时，自动触发了原边的过流保护系统从而实现过压保护，无需在原边增加额外的检测电路或控制电路，没有在原边增加额外的功能和电路，可以与现有的各种原边控制电路兼容。

图6示出了根据本发明一实施例的副边控制电路示意图。其中副边控制电路sric具有第一端口rgnd和第二端口hv，第一端口rgnd耦接副边整流管s2的第一端。第一端rgnd可为副边同步整流管s2的源极端或副边非同步整流二极管的阳极端。第二端口hv耦接副边整流管s2的第二端。第二端口hv可为副边同步整流管s2的漏极端或副边非同步整流二极管的阴极端。第一端口rgnd可作为副边控制电路sric的基准地端口，这样，第二端口hv电压和副边控制电路sric内部的信号均以基准地端口rgnd的电压作为参考地电平，其实质为各信号与第一端口rgnd电压的差值信号，其中第二端口hv信号的值为副边整流管s2两端的电压差，或为同步整流管s2的漏-源电压。在一个实施例中，副边整流管作为上管，第一端口rgnd耦接副边绕组ws，第二端口hv耦接副边电路的输出端vo。在另一个实施例中，副边整流管作为下管，第一端口rgnd耦接副边参考地sgnd，第二端口hv耦接副边绕组。

副边控制电路sric包括过压保护模块222。副边控制电路sric还可进一步包括同步整流控制电路32和或门or。其中过压保护模块222包括第一比较电路com1，状态检测电路225和脉冲产生电路226。过压保护模块222还可进一步包括触发电路t1和与门and，其中触发电路t1的输入端耦接第一比较电路com1的输出端，与门的输入端分别耦接触发电路t1的输出端和状态检测电路225的输出端。

其中状态检测电路225包括第二比较电路com2，第二比较电路com2的第一输入端耦接第二端口hv，第二比较电路的第二输入端耦接第二阈值信号vth2，当第二端口hv电压大于第二阈值信号vth2时，状态检测电路输出有效值信号用于允许过压保护信号导通副边整流管s2。这里的“允许”仅是需要满足的条件之一，但不代表立即导通副边整流管。是否导通副边整流管还要看信号cp是否同时为有效状态。

过压保护模块222还可进一步包括采样保持电路61用于对第二端口hv的电压进行采样和保持，使其输出端信号反映系统输出电压vo。采样保持电路61包括采样开关s3和电容c1，其中采样开关s3的第一端耦接第二端口hv，采样开关s3的第二端耦接电容c1用于提供表征输出电压的检测信号并进一步耦接第一比较电路com1的第一输入端；第一比较电路com1的第二输入端耦接阈值信号vth1。

过压保护模块222的采样保持电路61可进一步包括采样控制模块611，其输出端耦接采样开关s3的控制端。在一个实施例中，采样控制模块611接收同步整流控制电路32输出的同步整流信号sr，用于在检测到副边整流管s2结束整流的预定时间后导通采样开关s3。在一个实施例中，采样控制模块611在检测到副边整流管s2结束整流50-400微秒后导通采样开关s3。因为副边整流管s2结束整流的该预定时间后，此时副边控制电路sric的第二端口hv电压(相对于副边控制电路sric的第一端口rgnd电压)能正确反映隔离式电源变换电路的实际输出电压vo。

图7示出了根据本发明一实施例的对应图6电路的波形示意图。在时间t1，信号sr下降，同步整流管停止整流，在预定时间δt之后的时间点t2，对hv信号进行采样和保持。由于输出电压vo的上升，hv信号在该时间也上升，因此采样保持信号vc在采样时间点t2也升高，使得输出电压的检测信号vc超过第一阈值信号vth1，从而使得触发电路t1输出高电平的信号cp。在时间点t3，drv信号升高，原边开关导通，信号hv亦升高至超过第二阈值信号vth2，使得状态检测电路225输出的状态信号sta输出高电平的有效状态。从而使得过压保护信号ovp输出高电平，副边整流管的控制信号pwm亦为高电平，从而导通副边整流管s2。使得原边开关s1和副边整流管s2同时导通，引发原边电流il过流从而触发原边过流保护信号ocpfault处于有效状态，从而实现对系统的保护。

在另一个实施例中，副边控制电路sric可进一步具有第三个端口，用于耦接隔离式电源电路的输出端vo。其中副边控制电路sric的第一端口rgnd可用于耦接副边电路的副边参考地，副边控制电路sric的第二端口hv用于耦接副边绕组，副边整流管作为下管。此时，过压保护模块222直接采样输出端的输出电压vo用于和第一阈值信号vth1进行比较，而不需要包括采样保持电路。

图8示出了根据本发明一实施例的对隔离式开关电路提供输出电压过压保护的方法流程示意框图。该方法包括步骤801-805。在步骤801，通过副边电路检测输出电压vo，具体地由副边控制电路检测输出电压vo。在一种实施方式中，副边控制电路以副边地为参考地，检测副边电路的输出电压为直接检测副边电路输出端的电压。在另一种实施方式中，副边控制电路的信号以副边整流管的源极端为参考地，检测副边电路的输出电压包括在副边整流管结束同步整流的预定时间后检测副边整流管的漏-源压差，使得此时漏-源压差反映隔离式开关电路的输出电压。

在步骤802，判断输出电压是否大于第一阈值，若大于第一阈值，说明隔离式开关电路的输出电压过压，需要进行过压保护，进入步骤803。否则返回步骤802，继续检测输出电压vo。

在步骤803，监测开关电路的状态。在一个实施例中，监测开关电路的状态包括监测副边整流管两端的压差是否大于第二阈值。当副边整流管两端的压差大于第二阈值，说明原边开关导通。在步骤804，当监测到输出电压大于第一阈值且监测到开关电路状态满足预定条件时，如当副边整流管两端的压差大于第二阈值，则导通副边整流管，用于在原边产生故障信号。

在步骤805，当原边电路感测到故障信号时，使原边电路停止工作。在一个实施例中，当副边整流管和原边开关同时导通时，原边绕组电流出现尖冲，原边电路感测到故障信号是通过感测到原边绕组电流大于第三阈值，从而触发原边电路的过流保护机制来实现的，从而实现通过触发原边电路的过流保护来间接实现隔离式开关电路输出端的过压保护。这样，原边电路无需增加额外的检测和控制电路，降低了原边电路的复杂性，且同时具有准确的过压检测和过压控制。在一个实施例中，副边控制电路为一独立的集成电路芯片。原边控制电路也可为一独立的集成电路芯片。这样，仅需对副边控制电路芯片进行修改或替换而无需配套修改原边控制电路芯片即可实现本发明的高准确性高可靠性的副边输出电压过压保护。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。