一种开关电源及其过压保护电路的制作方法

1.本实用新型涉及电子领域，涉及开关电源技术，特别涉及一种开关电源及其过压保护电路。


背景技术：

2.输出过压保护(over voltage protection,ovp)作为开关电源保护电路中较为常用的一种保护方式，能够在开关电源处于输出过压时有效识别异常状态，并对开关电源中晶体管的开关状态加以控制从而防止开关电源的损坏。
3.现有的输出过压保护方案其一是通过检测消磁时间tdem和cs电流vcs的关系推导出输出电压，由伏秒关系可知：tdem*vout＝ilpk*l，当消磁时间tdem小于芯片内设定的预设消磁时间阈值tdem_ovp时，则认定为输出电压vout》vovp＝ilpk*l/tdem_ovp。其中，电感电流峰值ilpk通过检测电压峰值vcs得到ilpk＝vcs/rcs，消磁时间tdem由消磁检测电路得到，l为电感感量，rcs为采样电阻的阻值。该方案的缺点是输出过压基准值vovp与电感感量l、采样电阻的阻值rcs相关。检测电压峰值vcs会有采样误差，超前时间采样或者滞后时间采样都会带来采样误差从而影响电压峰值vcs的检测准确度，而采样误差会直接影响输出电压过压保护点的检测精度。上述方法与电感大小、电感电流关系较大，因此精度和一致性比较差。
4.另外一种输出过压保护方式是通过检测输入电压和占空比的方式计算输出电压，即vo＝vin*d＝vin*ton/(ton+tdem)，当vo超过设定值时，认为触发了过压保护。该方法对低pf系统比较有效，但对于高功率因数(高pf)系统，在浪涌过程中通常容易误触发几个周期的消磁检测，导致占空比和过压保护(ovp)电压计算失真，误触发ovp，因此需要连续检测3～5次ovp才能作为ovp保护信号，这涉及到ovp检测信号的复位及一致性问题。
5.有鉴于此，需要提供一种新的电路结构或控制方法，用于解决现有技术中所存在的问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述至少部分问题，本实用新型提出了一种开关电源及其过压保护电路，在通过获取输入电压和占空比检测过压保护的基础上，加入复位逻辑电路，在连续多个周期内检测过压保护的阈值不变，实现安全、可靠的ovp检测保护，能够确保过压保护触发阈值的一致性和可靠性，更适用于高功率因数系统。
7.实现本实用新型目的的技术解决方案为：
8.根据本实用新型的一个方面，一种开关电源的过压保护电路，包括占空比检测及比较电路、复位逻辑电路和过压保护触发电路，其中：
9.占空比检测及比较电路，其输入端耦接输入电压、过压保护阈值电压和开关控制信号端，所述开关控制信号端用于提供开关电源中开关管的开关控制信号，输出端耦接复位逻辑电路和过压保护触发电路，并用于输出等效输出电压与过压保护阈值电压的比较信
号；
10.复位逻辑电路，其输入端耦接占空比检测及比较电路的输出端、开关控制信号端和消磁信号端，所述消磁信号端用于提供开关电源中电感的消磁信号，输出端耦接开关电源的开关管并用于输出禁止开关管导通的门控信号；
11.过压保护触发电路，其输入端耦接占空比检测及比较电路的输出端、消磁信号端和开关控制信号端，输出端用于输出过压保护信号。
12.在本实用新型的一实施例中，占空比检测及比较电路包括充放电电路和比较电路，其中：充放电电路的输入端耦接输入电压、开关管的开关控制信号和比较电路的输出端；比较电路的输入端耦接充放电电路的输出端和过压保护阈值电压，输出端耦接过压保护触发电路、复位逻辑电路和充放电电路并用于输出等效输出电压与过压保护阈值电压的比较信号。
13.在本实用新型的一实施例中，充放电电路包括充电电路、放电电路和第一电容，充电电路的第一端、放电电路的第一端均耦接第一电容的第一端并作为充放电电路的输出端，充电电路的第二端耦接输入电压，放电电路的第二端接地，第一电容的第二端接地。
14.在本实用新型的一实施例中，充电电路包括第一电流源和第一开关，第一电流源耦接第一开关，第一开关的控制端耦接开关控制信号端。
15.在本实用新型的一实施例中，放电电路包括第二电流源和第二开关，第二电流源耦接第二开关，第二开关的控制端耦接比较电路的输出端。
16.在本实用新型的一实施例中，比较电路包括比较器和第一非门，比较器的第一输入端耦接过压保护阈值电压，第二输入端耦接充放电电路的输出端，复位端耦接开关控制信号端，输出端耦接过压保护触发电路和第一非门的输入端，第一非门的输出端耦接充放电电路和复位逻辑电路。
17.在本实用新型的一实施例中，过压保护电路还包括第一放电电路，第一放电电路的第一端耦接占空比检测及比较电路中的充放电电路的输出端，第二端接地，用于在过压复位时对充放电电路中的电容放电。
18.在本实用新型的一实施例中，第一放电电路包括第三电流源和第三开关，第三电流源耦接第三开关，第三开关的控制端耦接复位逻辑电路的输出端。
19.在本实用新型的一实施例中，复位逻辑电路包括非门和与门，非门的输入端耦接开关控制信号端与消磁信号端的或逻辑信号，非门的输出端耦接与门的第一输入端，与门的第二输入端耦接占空比检测及比较电路中的比较电路的输出端，与门的输出端作为复位逻辑电路的输出端。
20.在本实用新型的一实施例中，过压保护触发电路包括与门、锁存器和计数器，其中，与门的第一输入端耦接占空比检测及比较电路的第一输出端，第二输入端耦接消磁信号端；锁存器的置位端耦接与门的输出端，复位端耦接开关控制信号端；计数器的复位端耦接锁存器的输出端，时钟信号端耦接开关控制信号端，输出端输出过压保护信号。
21.根据本实用新型的另一个方面，一种开关电源，包括整流电路、驱动控制电路、开关管以及上述任一的过压保护电路，所述过压保护电路耦接驱动控制电路，所述驱动控制电路耦接开关管并用于控制开关管的开关。
22.本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
23.本实用新型的开关电源的过压保护电路在通过获取输入电压和占空比检测过压保护的基础上，加入复位逻辑电路，在连续多个周期内检测过压保护的阈值不变，避免过压保护误触发，实现安全、可靠的ovp检测保护，同时与电感大小、采样电流大小无关，能够确保过压保护触发阈值的一致性和可靠性，精度较高，更适用于高功率因数系统。
附图说明
24.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，与说明描述一起用于解释本实用新型的实施例，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
25.图1示出了根据本实用新型一实施例的输出过压保护电路的电路示意图。
26.图2示出了根据本实用新型一实施例的输出过压保护电路的电路时序示意图。
27.图3示出了根据本实用新型另一实施例的输出过压保护电路的电路示意图。
具体实施方式
28.为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型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实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。
29.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本实用新型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实用新型描述和保护的范围内。
30.说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能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、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。
31.根据本实用新型一实施例公开了一种开关电源的过压保护电路，如图1所示，包括占空比检测及比较电路1、复位逻辑电路2和过压保护触发电路3。其中：
32.占空比检测及比较电路1，用于检测开关电源的占空比并输出等效输出电压与过压保护阈值电压v0的比较信号，其输入端耦接输入电压vin、过压保护阈值电压v0和开关控制信号端，所述开关控制信号端用于提供开关电源中开关管的开关控制信号ton，输出端耦接复位逻辑电路2和过压保护触发电路3。在一个实施例中，占空比检测及比较电路1包括充放电电路11和比较电路12，充放电电路11用于在设定条件下对其中的电容进行充放电，比较电路12用于根据充放电电路11的输出和过压保护阈值电压v0计算后输出比较信号。其中，充放电电路11的输入端耦接输入电压vin、开关控制信号端和比较电路12的输出端。在一个实施例中，充放电电路11包括充电电路、放电电路和第一电容c，充电电路的第一端、放电电路的第一端均耦接第一电容c的第一端并作为充放电电路11的输出端，充电电路的第二端耦接输入电压vin，所述输入电压vin可以是高压电压hv，放电电路的第二端接地，第一电容c的第二端接地，充电电路和放电电路用于在设定条件下对第一电容c进行充放电。优选的，充电电路包括第一电流源i1和第一开关s1，第一电流源i1耦接第一开关s1，第一开关s1的控制端耦接开关控制信号端；放电电路包括第二电流源i2和第二开关s2，第二电流源
i2耦接第二开关s2，第二开关s2的控制端耦接比较电路12的输出端。通过控制第一开关s1和第二开关s2的开关状态，即可实现控制第一电容c的充放电，当第一开关s1导通，第一电流源i1对第一电容c充电，当第二开关s2导通，第二电流源i2对第一电容c放电。比较电路12的输入端分别耦接充放电电路11的输出端和过压保护阈值电压v0，第一输出端输出比较信号并耦接过压保护触发电路，第二输出端输出比较信号的取反信号并耦接复位逻辑电路和充放电电路，充放电电路中的放电电路根据比较信号的取反信号控制第二开关的开关状态，优选的，比较电路12可以是比较器，如图1所示，比较器的第一输入端耦接过压保护阈值电压，第二输入端耦接充放电电路的输出端，复位端耦接开关控制信号端，输出端耦接过压保护触发电路，比较器与第二开关s2之间还耦接有第一非门，第一非门的输入端耦接比较器的输出端，第一非门的输出端耦接充放电电路的第二开关的控制端和复位逻辑电路。
33.复位逻辑电路2，用于根据比较信号取反信号和开关控制信号ton、消磁信号tdem输出禁止开关电源开关管导通的门控信号,其输入端耦接占空比检测及比较电路的输出端、开关控制信号端和消磁信号端，所述消磁信号端用于提供开关电源中电感的消磁信号tdem，输出端耦接开关电源的开关管并用于向其输出禁止开关电源中开关管导通的门控信号。在一个实施例中，如图1所示，复位逻辑电路2包括非门和与门，非门的输入端耦接开关控制信号端与消磁信号端的或逻辑信号，输出端耦接与门的第一输入端，与门的第二输入端耦接占空比检测及比较电路12的输出端，与门的输出端作为复位逻辑电路2的输出端。
34.过压保护触发电路3，用于根据消磁信号tdem和占空比检测及比较电路的比较信号获得计数信号，并根据计数信号是否达到预设阈值来判定是否触发输出过压保护ovp信号，当计数信号达到预设阈值，过压保护触发电路触发输出过压保护ovp信号。当计数信号未达到预设阈值，开关电源进行正常工作。过压保护触发电路3的输入端分别耦接占空比检测及比较电路的输出端、消磁信号端和开关控制信号端，输出端用于输出过压保护ovp信号，所述消磁信号端用于提供开关电源中电感在开关周期内的消磁信号tdem，开关周期为开关电源中开关管的开关状态变化周期。在一个实施例中，如图1所示，过压保护触发电路3包括与门、锁存器和计数器，其中，与门的第一输入端耦接占空比检测及比较电路1的第一输出端，第二输入端耦接消磁信号端；锁存器的置位端set耦接与门的输出端，复位端rst耦接开关控制信号端，锁存器用于产生计数器的复位信号；计数器的复位端rst耦接锁存器的输出端，时钟信号端clk耦接开关控制信号端，计数器用于根据开关控制信号ton和锁存器输出的复位信号获得计数信号，输出端输出过压保护ovp信号。
35.如图2的时序图所示，在开关管的正常开关周期内，在电感的充磁阶段，开关电源中开关管导通，第一开关s1导通。此时比较器进行复位，比较器不起作用，比较器输出的比较信号为0。此时，对比较信号取反后(为1)控制第二开关s2导通，并输出至复位逻辑电路的与门的第一输入端；与门的第二输入端为pwm信号取反(为0)；比较信号输出至过压保护触发电路的与门第一输入端，与门第二输入端为0，则输出(为0)至锁存器的置位端，此时锁存器的复位端接入ton信号进行复位，输出复位信号为0，则计数器不复位。
36.在电感的消磁阶段，电容电压由电压峰值逐渐降为预设电压v0。当电容电压等于预设电压v0，比较电路输出高电平。其中，在充放电电路的输出电压vcap高于预设电压v0时，复位逻辑电路输出禁止开关管开通信号，此时输出电压vcap通过第二开关s2持续放电知道v0。从而保证每次vcap电压都会复位到v0，每次检测的ovp电压阈值都是相同的，也就
保证了ovp触发debounce的3-5个周期内每次的ovp电压相同，即ovp检测的一致性和可靠性。
37.与门电路根据消磁信号tdem和比较信号，输出信号至锁存器的置位端set。当锁存器置位为1时，此时锁存器输出复位信号至计数器使计数器进行复位。因此，在输出电压正常的情况下，计数器计数+1后将被复位为0。而当输出电压过高时，锁存器不再输出复位信号，计数器将持续进行计数，当计数值达到预设阈值时，计数器的输出信号y处于高电平，触发输出过压保护信号ovp。预设阈值可以设为2或3。
38.根据本实用新型的一实施例公开了一种开关电源的过压保护电路，如图3所示，包括占空比检测及比较电路1、复位逻辑电路2、第一放电电路4和过压保护触发电路3。其中：
39.占空比检测及比较电路1，其输入端耦接输入电压vin、过压保护阈值电压v0和开关控制信号端，所述开关控制信号端用于提供开关电源中开关管的开关控制信号ton，输出端耦接复位逻辑电路2和过压保护触发电路3。在一个实施例中，占空比检测及比较电路1包括充放电电路11和比较电路12。其中，充放电电路11的输入端耦接输入电压vin\开关控制信号端和比较电路的输出端。在一个实施例中，充放电电路11包括充电电路、放电电路和第一电容c，充电电路、放电电路均耦接第一电容c的第一端，充电电路的第二端耦接输入电压vin，放电电路的第二端接地，第一电容c的第二端接地。优选的，充电电路包括第一电流源i1和第一开关s1，第一电流源i1耦接第一开关s1，第一开关s1的控制端耦接开关控制信号端。优选的，放电电路包括第二电流源i2和第二开关s2，第二电流源i2耦接第二开关s2，第二开关s2的控制端耦接比较电路12的第二输出端。比较电路12的输入端分别耦接充放电电路11的输出端和过压保护阈值电压v0，第一输出端耦接过压保护触发电路3，第二输出端耦接复位逻辑电路2。
40.复位逻辑电路2，其输入端耦接占空比检测及比较电路的输出端、开关控制信号端和消磁信号端输出端耦接开关电源的开关管并用于输出禁止开关电源中开关管导通的门控信号。在一个实施例中，复位逻辑电路2包括非门和与门，非门的输入端耦接开关控制信号端与消磁信号端的或逻辑信号，输出端耦接与门的第一输入端，与门的第二输入端耦接占空比检测及比较电路12的输出端，与门的输出端作为复位逻辑电路2的输出端。
41.第一放电电路4的第一端耦接在占空比检测及比较电路1中的充放电电路11的输出端，第二端接地，用于在过压复位时对充放电电路11中的第一电容c放电。在一个实施例中，第一放电电路4包括第三电流源i3和第三开关s3，第三电流源i3耦接第三开关s3，第三开关s3的控制端耦接复位逻辑电路2的输出端。由此，在充放电电路11的电容电压vcap的复位过程中，在禁止开关管开通的同时额外增加了第一放电电路4这一路电流给电容电压vcap放电，加快复位。
42.过压保护触发电路3，其输入端分别耦接占空比检测及比较电路的输出端、消磁信号端和开关控制信号端，输出端用于输出过压保护ovp信号，所述消磁信号端用于提供开关电源中电感在开关周期内的消磁信号tdem。在一个实施例中，过压保护触发电路3包括与门、锁存器和计数器，其中，与门的第一输入端耦接占空比检测及比较电路1的第一输出端，第二输入端耦接消磁信号端；锁存器的置位端set耦接与门的输出端，复位端rst耦接开关控制信号端；计数器的复位端rst耦接锁存器的输出端，时钟信号端clk耦接开关控制信号端，输出端输出过压保护ovp信号。
43.所述过压保护触发电路3耦接驱动控制电路，所述驱动控制电路耦接开关管并用于控制开关管的开关。
44.本实用新型的一实施例公开了一种开关电源，开关电源包括整流电路、驱动控制电路、开关管和如上任一所述的过压保护电路。过压保护电路的输出端耦接驱动控制电路的输入端，驱动控制电路的输出端耦接开关管的控制端。在发生输出过压时，过压保护电路输出过压保护信号ovp至驱动控制电路，驱动控制电路根据过压保护信号ovp控制开关管使其处于关断状态。在输出过压异常解除时，驱动控制电路控制开关管进行正常开关周期下的开关状态切换。
45.本领域技术人员应当知道，说明书或附图所涉逻辑控制中的“高电平”与“低电平”、“置位”与“复位”、“与门”与“或门”、“同相输入端”与“反相输入端”等逻辑控制可相互调换或改变，通过调节后续逻辑控制而实现与上述实施例相同的功能或目的。
46.这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对实用新型范围进行限制。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，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型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。