母线电压检测及保护模块、开关电源控制单元和开关电源电路的制作方法

本实用新型涉及集成电路技术领域，尤其是一种开关电源电路。

背景技术：

随着物联网、集成电路技术的高速发展，如手机、路由器等物联网终端产品的性能得到快速提升，价值量越来越高，这对与之配套的充电器、适配器等开关电源产品在性能、价格、可靠性、上机合格率等要求也不断提高。

为了满足电子设备能全球范围内使用，就必须要求如充电器、适配器等开关电源设备能满足各国电源标准。众所周知，世界上各国的电源标准差异很大，有些国家是采用110V交流电供电，有些国家是采用220V交流电供电，也有国家采用其他电压如120V等电压供电，并且交流电的频率还各不相同，线网电压的稳定性差异还特别大，如有些国家的瞬时线网电压会超过300V以上。此外，开关电源产品为满足不断提高的性价比的要求下，产品设计余量在不断缩小，容易触碰可靠性问题。

相应地，市场上开始提出增加开关电源产品母线电压过、欠压保护功能。早期的开关电源母线电压检测及保护是通过外围电路来实现的，因此产品的系统成本较高，体积较大。此后，市场上出现了集成开关电源母线电压检测及保护的开关电源芯片，但普遍还存在三类典型的问题，其一是电压检测精度不高，特别是随负载的大小变化，检测电压偏差很大；其二是开关动作发生后判断母线电压的过欠压状态，这存在可靠性风险；其三是保护机制不完善，如保护后的故障锁存功能和迟滞恢复功能等。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种用于开关电源母线电压检测及保护的电路，解决了母线电压检测精度不高，特别是检测电压会随负载电流大小变化而变化问题；解决了开关动作发生后判断母线电压问题，实现了开关动作发生前的母线电压保护机制；解决并完善了故障锁存功能和迟滞恢复功能等保护机制。本实用新型采用的技术方案是：

一种母线电压检测及保护模块，包括：第一信号选择器U201、第二信号选择器U202、第一比较器U203、第二比较器U204、过压欠压控制逻辑单元U205、D触发器U231、U206、或门U232、振荡器U207、第一延时模块U208、第二延时模块U209；

第一信号选择器U201的低电平选择信号输入端接基准信号V211，第一信号选择器U201的高电平选择信号输入端接基准信号V212；第一信号选择器U201的信号选择端接第二延时模块U209的输出端；第一信号选择器U201的输出端接第一比较器U203的同相输入端；

第一比较器U203的反相输入端接母线电压分压信号VBUS_DIV，第一比较器U203的输出信号为UVP信号，作为过压欠压控制逻辑单元U205的其中一个输入信号；

第二信号选择器U202的低电平选择信号输入端接基准信号V214，第二信号选择器U202的高电平选择信号输入端接基准信号V215；第二信号选择器U202的信号选择端接第二延时模块U209的输出端；第二信号选择器U202的输出端接第二比较器U204的反相输入端；

第二比较器U204的同相输入端接母线电压分压信号VBUS_DIV，第二比较器U204的输出信号为OVP信号，作为过压欠压控制逻辑单元U205的另一个输入信号；

振荡器U207的输入端接上电使能信号EN，输出端向过压欠压控制逻辑单元U205输出时钟信号CLK；

第一延时模块U208的输入端接上电使能信号EN，第一延时模块U208的输出端接第二延时模块U209的输入端，以及接D触发器U206的复位端，以及接D触发器U231的时钟信号端；

过压欠压控制逻辑单元U205的一个输出端接D触发器U231的D端，并输出信号OU_signal；D触发器U231的复位端接上电使能信号EN；

过压欠压控制逻辑单元U205的另一个输出端接D触发器U206的时钟信号端，并输出信号OU_CLK；D触发器U206的D端接高电平；

D触发器U231的输出端和D触发器U206的输出端分别接或门U232的两个输入端；或门U232的输出端作为母线电压检测及保护模块的输出端。

具体地，过压欠压控制逻辑单元U205包括：非门U407、第一计数器U401、上升沿检测模块U402、锁存器U403、或门U410、第二计数器U411；

所述第一比较器U203的输出端接或门U410的一个输入端；

所述第二比较器U204的输出端通过非门U407接第一计数器U401的复位端，以及直接接锁存器U403的置位端；

所述振荡器U207的输出端分别接到第一计数器U401的时钟信号端，以及第二计数器U411的时钟信号端；

第一计数器U401的输出端接上升沿检测模块U402的输入端；上升沿检测模块U402的输出端接到锁存器U403的复位端；锁存器U403的输出端Q接或门U410的另一个输入端；或门U410的输出端接第二计数器U411的复位端，并作为过压欠压控制逻辑单元U205的一个输出端接D触发器U231的D端；第二计数器U411的输出端作为过压欠压控制逻辑单元U205的另一个输出端，接D触发器U206的时钟信号端。

一种开关电源控制单元，包括开关电源“开”信号发生模块、开关电源“关”信号产生模块、开关锁存器U125、驱动模块、母线电压采样保持模块、上述的母线电压检测及保护模块、或门U124；

母线电压采样保持模块的输入端用于接母线电压采样分压信号VBUS_IN，母线电压采样保持模块的输出端接母线电压检测及保护模块，向母线电压检测及保护模块输出母线电压分压信号VBUS_DIV；母线电压检测及保护模块的输出端接或门U124的一端；

开关电源“开”信号发生模块的输入端用于接变压器的辅助绕组分压反馈信号FB，开关电源“开”信号发生模块的输出端接开关锁存器U125的置位端；

开关电源“关”信号产生模块的输入端用于接初级电流采样电阻正端的采样信号CS，开关电源“关”信号产生模块的输出端接或门U124的另一端；

或门U124的输出端接开关锁存器U125的复位端；

开关锁存器U125的Q端接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端用于接功率管Q131的开关控制端。

一种开关电源电路，包括：输入整流滤波电路、上述的开关电源控制单元、变压器T106、输出整流滤波电路、RCD吸收电路、功率管Q131、初级电流采样电阻Rcs、母线电压检测电阻R103、R104、辅助绕组分压反馈电路；

输入整流滤波电路的正输出端接变压器T106的原边绕组异名端，负输出端接原边地；

串联的母线电压检测电阻R103、R104接到输入整流滤波电路的正输出端和原边地之间，从串联电阻R103、R104连接点获得母线电压采样分压信号VBUS_IN，接到母线电压采样保持模块的输入端；

RCD吸收电路接在变压器T106原边绕组的两端；

变压器T106原边绕组同名端接功率管Q131的电流输入端，功率管Q131的电流输出端接初级电流采样电阻Rcs一端，以及接到开关电源“关”信号产生模块的输入端，初级电流采样电阻Rcs另一端接原边地；

变压器T106的副边绕组接输出整流滤波电路，通过输出整流滤波电路输出直流电压；

变压器T106的辅助绕组两端接辅助绕组分压反馈电路；辅助绕组分压反馈电路包括两个串联的电阻R112、R113，从该两个串联的电阻R112、R113的连接点获得辅助绕组分压反馈信号FB，接到开关电源“开”信号发生模块的输入端。

本实用新型的优点在于：本实用新型通过采样并检测母线峰值电压来实现过欠压保护，解决母线电压因不同输出负载条件下纹波差异而导致的检测精度不高问题。

附图说明

图1为本实用新型的用于开关电源母线电压检测及保护的电路原理图。

图2为本实用新型的母线电压检测及保护模块原理图。

图3为本实用新型的母线电压检测及保护功能的时序信号图。

图4为本实用新型的过压欠压控制逻辑单元原理图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型提出了一种开关电源控制单元120，其重要核心是内部所包含的母线电压检测及保护模块122；

如图2所示，母线电压检测及保护模块122，包括：第一信号选择器U201、第二信号选择器U202、第一比较器U203、第二比较器U204、过压欠压控制逻辑单元U205、D触发器U231、U206、或门U232、振荡器U207、第一延时模块U208、第二延时模块U209；

第一信号选择器U201的低电平选择信号输入端接基准信号V211，第一信号选择器U201的高电平选择信号输入端接基准信号V212；第一信号选择器U201的信号选择端接第二延时模块U209的输出端；第一信号选择器U201的输出端接第一比较器U203的同相输入端；

第一比较器U203的反相输入端接母线电压分压信号VBUS_DIV，第一比较器U203的输出信号为UVP信号，作为过压欠压控制逻辑单元U205的其中一个输入信号；

第二信号选择器U202的低电平选择信号输入端接基准信号V214，第二信号选择器U202的高电平选择信号输入端接基准信号V215；第二信号选择器U202的信号选择端接第二延时模块U209的输出端；第二信号选择器U202的输出端接第二比较器U204的反相输入端；

第二比较器U204的同相输入端接母线电压分压信号VBUS_DIV，第二比较器U204的输出信号为OVP信号，作为过压欠压控制逻辑单元U205的另一个输入信号；

振荡器U207的输入端接上电使能信号EN，输出端向过压欠压控制逻辑单元U205输出时钟信号CLK；

第一延时模块U208的输入端接上电使能信号EN，第一延时模块U208的输出端接第二延时模块U209的输入端，以及接D触发器U206的复位端，以及接D触发器U231的时钟信号端；

过压欠压控制逻辑单元U205的一个输出端接D触发器U231的D端，并输出信号OU_signal；D触发器U231的复位端接上电使能信号EN；

过压欠压控制逻辑单元U205的另一个输出端接D触发器U206的时钟信号端，并输出信号OU_CLK；D触发器U206的D端接高电平；

D触发器U231的输出端和D触发器U206的输出端分别接或门U232的两个输入端；或门U232的输出端作为母线电压检测及保护模块122的输出端；

如图4所示，过压欠压控制逻辑单元U205包括：非门U407、第一计数器U401、上升沿检测模块U402、锁存器U403、或门U410、第二计数器U411；

所述第一比较器U203的输出端接或门U410的一个输入端；

所述第二比较器U204的输出端通过非门U407接第一计数器U401的复位端，以及直接接锁存器U403的置位端；

所述振荡器U207的输出端分别接到第一计数器U401的时钟信号端，以及第二计数器U411的时钟信号端；

第一计数器U401的输出端接上升沿检测模块U402的输入端；上升沿检测模块U402的输出端接到锁存器U403的复位端；锁存器U403的输出端Q接或门U410的另一个输入端；或门U410的输出端接第二计数器U411的复位端，并作为过压欠压控制逻辑单元U205的一个输出端接D触发器U231的D端；第二计数器U411的输出端作为过压欠压控制逻辑单元U205的另一个输出端，接D触发器U206的时钟信号端；

一种开关电源控制单元120，如图1所示，包括开关电源“开”信号发生模块121、开关电源“关”信号产生模块123、开关锁存器U125、驱动模块126、母线电压采样保持模块127、母线电压检测及保护模块122、或门U124；

母线电压采样保持模块127的输入端用于接母线电压采样分压信号VBUS_IN，母线电压采样保持模块127的输出端接母线电压检测及保护模块122，向母线电压检测及保护模块122输出母线电压分压信号VBUS_DIV；母线电压检测及保护模块122的输出端接或门U124的一端；

开关电源“开”信号发生模块121的输入端用于接辅助绕组分压反馈信号FB，开关电源“开”信号发生模块121的输出端接开关锁存器U125的置位端；

开关电源“关”信号产生模块123的输入端用于接初级电流采样电阻正端的采样信号CS，开关电源“关”信号产生模块123的输出端接或门U124的另一端；

或门U124的输出端接开关锁存器U125的复位端；

开关锁存器U125的Q端接驱动模块126的输入端，驱动模块126的输出端用于接功率管Q131的开关控制端；

一种用于开关电源母线电压检测及保护的电路，如图1所示，包括：输入整流滤波电路、开关电源控制单元120、变压器T106、输出整流滤波电路107、RCD吸收电路109、功率管Q131、初级电流采样电阻Rcs、母线电压检测电阻R103、R104、辅助绕组分压反馈电路108；

输入整流滤波电路的正输出端接变压器T106的原边绕组异名端，负输出端接原边地；输入整流滤波电路主要由图1中的整流桥D101和滤波电容C102构成；

串联的母线电压检测电阻R103、R104接到输入整流滤波电路的正输出端和原边地之间，从串联电阻R103、R104连接点获得母线电压采样分压信号VBUS_IN，接到母线电压采样保持模块127的输入端；

RCD吸收电路109接在变压器T106原边绕组的两端；

变压器T106原边绕组同名端接功率管Q131的电流输入端，功率管Q131的电流输出端接初级电流采样电阻Rcs一端，以及接到开关电源“关”信号产生模块123的输入端，初级电流采样电阻Rcs另一端接原边地；

变压器T106的副边绕组接输出整流滤波电路107，通过输出整流滤波电路输出直流电压；输出整流滤波电路107包括图1的二极管D102、滤波电容C110、电阻R111；这部分是成熟电路，不再赘述；

变压器T106的辅助绕组两端接辅助绕组分压反馈电路108；辅助绕组分压反馈电路108包括两个串联的电阻R112、R113，从该两个串联的电阻R112、R113的连接点获得辅助绕组分压反馈信号FB，接到开关电源“开”信号发生模块121的输入端；

以下介绍本实用新型的工作原理；

开关电源控制单元120是本实用新型的核心；功率管Q131可采用NMOS管，其漏极、源极分别作为电流输入端和电流输出端，其栅极作为开关控制端；也可以采用NPN三极管；

用于开关电源母线电压检测及保护的电路的应用原理参见图1，辅助绕组分压反馈信号FB接到开关电源“开”信号发生模块121的输入端，开关电源“开”信号发生模块121根据辅助绕组分压反馈信号FB的高低来计算开关频率，并输出“开”信号控制功率管Q131的导通，当开关电源“开”信号发生模块121的输出信号由低变高时，开关锁存器U125被触发，输出信号ON为高电平，并保持ON高电平状态直到开关锁存器U125被复位，开关锁存器125的输出信号ON通过驱动模块126的信号放大后，驱动功率管Q131的导通。

类似的，驱动功率管Q131的关断通过对开关锁存器U125的复位进行控制，开关锁存器U125的复位信号是一个组合信号，包括开关电源“关”信号产生模块123的输出信号，以及母线电压检测及保护模块122的输出信号。

开关电源“关”信号产生模块123的输出信号受初级电流采样电阻Rcs的压降控制，功率管Q131导通后，初级电流增加，初级电流采样电阻Rcs的压降也随之增加，当Rcs的压降达到内部预设的基准值时，开关电源“关”信号产生模块123的输出信号由低变高，开关锁存器U125被复位；开关电源“关”信号产生模块123逐周期输出复位信号。

母线电压检测及保护模块122通过对母线电压分压信号VBUS_DIV与基准信号进行比较，当母线电压分压信号VBUS_DIV落在基准信号窗口范围内，母线电压检测及保护模块122输出低电平，该低电平信号不控制功率管Q131的关断；当分母线电压分压信号VBUS_DIV落在基准信号窗口范围外，母线电压检测及保护模块122输出高电平，该高电平信号立即控制功率管Q131的关断。进一步地，开关触发器U125的复位比置位有更高的优先级（即复位端与置位端同时高电平时，执行复位动作），母线电压检测及保护模块122输出高电平后，功率管Q131导通将不再被触发。

母线电压检测及保护模块122的功能参见图2；上电启动后，使能信号EN由低变高，振荡器U207开始工作，输出时钟信号，用于母线电压保护检测的计时。第一延时模块U208对输入的使能信号EN进行2mS延时，即在使能信号EN由低变高2mS后，第一延时模块U208的输出信号dly1由低变高；第二延时模块U209对输入信号dly1进行100μS延时，即在信号dly由低变高100uS后，第二延时模块U209的输出信号dly2由低变高。第一延时模块U208的延时时长通常选1ms～20ms均可，本例中为2ms；第二延时模块U209的延时时长没有特定要求，比如从数十μS到几个ms均可。

信号V211、V212、V213、V214都为内部基准信号；基准信号V211、V212作为母线电压欠压判断基准，其中基准信号V211高于基准信号V212；基准信号V213、V214作为母线电压过压判断基准，其中基准信号V215高于基准信号V214；基准信号V214高于V211；如图3所示；第二延时模块U209的输出信号dly2作为选择信号；当选择信号dly2为低电平时，第一信号选择器U201选择基准信号V211，第二信号选择器U202选择基准信号V214；当选择信号dly2为高电平时，第一信号选择器U201选择基准信号V212，第二信号选择器U202选择基准信号V215；由此，当选择信号dly24由低变高后，过压欠压保护的基准窗口响应地增加。

第一比较器U203用于母线电压欠压检测，该比较器的同相输入端接第一信号选择器U201的输出端，该比较器的反相输入端接母线电压分压信号VBUS_DIV，当该第一比较器U203的输出信号由低变高时，表示母线电压欠压。

类似的，第二比较器U204用于母线电压过压检测，该比较器的同相输入端接母线电压分压信号VBUS_DIV，该比较器的反相输入端接第二信号选择器U202的输出端，当该比较器U204的输出信号由低变高时，表示母线电压过压。

比较器U203和U204的输出分别接到过压欠压控制逻辑单元U205，当比较器U203和U204的输出任一为高电平时，过压欠压控制逻辑单元U205的输出信号OU_signal由低变高，同时，过压欠压控制逻辑单元U205对信号OU_signal的高电平持续时间进行计时，当信号OU_signal的高电平持续超过预设计时时长，过压欠压控制逻辑单元U205的输出信号OU_CLK由低变高；在预设计时时长的计时过程中，如果信号OU_signal出现低电平，则计时清零，等待信号OU_signal变高电平后重新计时；预设计时时长需大于1个工频周期，本例中选择120mS。

D触发器U231锁存上电时的母线电压过压欠压检测信号；D触发器U231的D端接过压欠压控制逻辑单元U205的输出信号OU_signal，D触发器U231的时钟信号端接第一延时模块U208的输出信号dly1，D触发器U231的复位端接上电使能信号EN。上电使能前，D触发器U231复位，D触发器U231的输出端Q为零。上电使能后，过压欠压控制逻辑单元U205的输出信号OU_signal会根据比较器U203和U204的输出信号而变化，当比较器U203和U204输出都为低电平时，信号OU_signal为低电平，当比较器U203和U204输出任一为高电平时，信号OU_signal为高电平。上电使能延时2mS后，第一延时模块U208的输出信号dly1由低变高，将信号OU_signal锁存到D触发器U231中，当D触发器U231的输出为高电平时，表示电路在上电时已经检测到母线电压发生过压或者欠压，该高电平持续复位上述锁存器U125来屏蔽功率管Q131的导通，该状态将持续保持直到重新上电后复位清零。

D触发器U206锁存在开关电源工作过程中发生的母线电压过压欠压信号。D触发器U206的D端接高电平，D触发器U206的时钟信号端接过压欠压控制逻辑单元U205的输出信号OU_CLK。上电时，如果母线电压分压信号VBUS_DIV落在比较基准的窗口范围内，OU_signal信号为零，D触发器U231的输出也为零，电路开始进入正常的开关过程，同时，在第二延时模块209的延时后，通过信号dly2来增加比较基准的窗口范围。在电路工作过程中，当触发过压或者欠压保护时，该保护动作并不会立即被触发，而是进行120mS（即预设计时时长）的计时来屏蔽因母线电压扰动而带来的误判问题。在这个120mS的计时时长内，当过压或者欠压持续发生，过压欠压控制逻辑单元U205在120mS计时完成后其输出信号OU_CLK由低变高，将高电平信号锁存到D触发器U206中，表示电路在工作过程中检测到母线电压发生过压或者欠压，D触发器U206输出高电平会持续复位上述锁存器U125来屏蔽功率管Q131的导通，该状态将持续保持直到重新上电后复位清零。

上电时母线电压检测及保护时序如图3所示。图3中信号包括：VDD电压信号302、上电使能信号EN、第一延时模块U208的输出信号dly1、第二延时模块U209的输出信号dly2、母线电压分压信号VBUS_DIV、过压基准342以及欠压基准343；过压基准342包括基准信号V214和V215两段，欠压基准343包括基准信号V211和V212两段。

系统上电后，VDD电压逐步抬升到UVLO门限电压后，上电使能信号EN由低变高，过压欠压的基准电压也随之建立，电路实时检测母线电压分压信号VBUS_DIV是否落在基准窗口内；在2mS的系统延时后，信号dly1由低变高，并确认母线电压分压信号VBUS_DIV落在基准窗口内后，电路开始进入正常工作，在100uS延时后信号dly2由低变高，基准窗口增加。

如图4所示，当过压检测的高电平脉冲OVP产生后，第一计数器U401被清零，锁存器U403被置位，或门U410的输出为高电平，第二计数器U411从零开始计时，第二计数器U411的计时周期为120ms的预设计时时长（大于一个工频周期）；当信号OVP回到低电平后，第一计数器U401从零开始计时，计时周期设定为一个工频半波周期至两个工频半波周期之间，当在相邻的下一个工频半波周期内信号OVP重新产生高电平脉冲，则第一计数器U401清零后再一次从零开始计时，这时或门U410的输出持续为高电平，第二计数器U411持续计数；当在相邻的下一个工频半波周期内信号OVP没有产生高电平脉冲，则第一计数器U401没有被清零，等到设定的计时时间（一个工频半波周期至两个工频半波周期之间）到达后，输出一个由低变高的信号，上升沿检测模块U402产生一个高电平脉冲，复位锁存器U403，此时或门U410的输出变低，第二计数器U411被清零，保护重新计时。

欠压保护相对简单，第二计数器U411的计时过程直接与信号UVP的状态相关，当信号UVP为持续高电平时，第二计数器U411完成计时后进入保护。

本实用新型通过比较母线电压的分压信号与基准电压的大小关系，来实现母线电压的检测及保护控制。上电启动后，先比较母线分压信号是否落在过压、欠压基准窗口范围内，这个过程在上电后的2mS时间之内完成；当母线电压分压信号落在过压、欠压基准窗口范围内，经过2mS时间的延时后开始输出开关信号，同时增加过压、欠压基准窗口范围，实现保护的迟滞恢复功能，在开关过程中，如果母线电压分压信号连续120mS超过增加后的过压、欠压基准窗口范围，过、欠压保护信号被锁存，开关信号停止，直到VDD掉电后重启；此外，当母线电压分压信号在上电后的2mS时间之内超过过压、欠压基准窗口范围，过、欠压保护信号被直接锁存，不再输出开关信号，直到VDD掉电后重启，实现了开关前的母线电压保护机制。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。