一种开关电源及其控制电路和控制方法与流程

本发明涉及开关电源控制技术领域，更具体地涉及一种开关电源及其控制电路和控制方法。

背景技术：

开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率开关管的导通和关断的时间比率维持输出电压稳定的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)控制电路和功率开关管(例如为mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管))构成。现有的开关电源的实现方式包括模拟控制方式、数字控制方式以及数模混合控制方式。近年来，由于数字控制方式具有可编程性，设计可延续性，元器件数量少等优点而越来越得到广泛应用和认可。

由于在大量的用电设备中存在非线性元件和储能元件，使得输入交流电流波形发生严重畸变，导致电网侧输入功率因数很低。因此在用电设备中必须加入pfc(powerfactorcorrection，功率因数校正)控制系统。在pfc控制系统中，通过pwm控制信号控制功率开关管的导通和关断实现对系统功率因素以及输出电压的控制，同时需要对输出电压进行实时检测和保护，如果检测的输出电压高于设定的保护阈值，就应及时关闭pwm控制信号以防止输出电压过高造成后端器件的失效。

图1示出传统的pfc过压保护的波形示意图。传统的pfc过压保护可以分为软件保护和硬件保护两种，软件保护通过对输出电压信号进行电阻分压后送入微控制器的数模采样端口，然后对采样结果进行软件滤波，如果滤波值高于设定的保护阈值则关闭pwm控制信号输出。硬件保护通过硬件比较器对分压后的输出电压信号与硬件设定的参考电压信号(即过压保护阈值)进行比较，当分压后的输出电压高于参考电压时，比较器翻转，微控制器关闭pwm控制信号。

在很多的应用场合中，为了提高pfc控制系统的效率以及降低功率器件的温升，会将pfc过压保护的目标电压进行自动调节，如负载较轻时目标电压较低，负载较重时提高目标电压。但是传统的pfc软件过压保护由于需要对信号进行滤波处理，保护速度较慢，实际输出电压都是高于保护阈值后才能断开pwm控制信号。而pfc硬件过压保护由于保护阈值无法调节，所以设定的保护阈值就高于pfc控制系统的最高目标电压，并且需要留有足够的余量，防止出现误触发的情况。但是，如图1所示，如果电源经常工作在负载较轻、电网波动剧烈且频繁的环境中时，就会频繁出现输出电压过冲，但是又不会触发设定的硬件过压保护，导致后端的功率器件及滤波电容频繁的承受电压过冲，容易影响其使用寿命。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电源及其控制电路和控制方法，通过对负载状态的检测，实时调节输出电压的限压保护阈值，当开关电源工作在不同的负载情况下遇到电网波动时，都能保证输出电压始终保持在设定的限压保护阈值以下，使后端的功率器件免受较大电流的过冲，提高其可靠性，延长其使用寿命。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种开关电源的控制电路，所述控制电路包括：输出电压采样单元，对输出电压进行采样以获得输出电压的采样电压；负载状态检测单元，通过检测所述开关电源的负载状态以获得所述目标电压信号，所述目标电压信号根据所述负载状态的变化而变化；控制单元，生成第一控制信号；限压阈值调节单元，用于根据目标电压信号得到第一参考电压；限压保护单元，与所述控制单元连接，以根据所述输出电压的采样电压、所述第一参考电压以及所述第一控制信号输出第二控制信号；以及驱动单元，与所述限压保护单元连接，以根据所述第二控制信号输出控制功率开关管的驱动信号，当所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压时，所述驱动单元根据所述第二控制信号关断所述功率开关管，其中，所述限压阈值调节单元还根据所述开关电源的负载状态调节所述第一参考电压。

优选地，所述限压阈值调节单元包括：软件调节模块，接收所述目标电压信号，并根据所述目标电压信号得到限压保护阈值；以及数模转换模块，接收所述限压保护阈值，对所述限压保护阈值进行数模转换生成所述第一参考电压。

优选地，所述软件调节模块根据所述目标电压信号的最大值、电压纹波的幅值以及预设的第一保护裕量得到所述限压保护阈值。

优选地，所述控制电路还包括：输入电压采样单元，对所述开关电源的输入电压进行采样以获得输入电压的采样电压；输入电流采样单元，对所述开关电源的输入电流进行采样以获得输入电流的采样电压，其中，所述控制单元根据所述输入电流的采样电压、目标电压信号、输入电压的采样电压以及输出电压的采样电压生成所述第一控制信号。

优选地，所述控制单元包括：占空比信号生成单元，根据所述输入电流的采样电压、所述输入电压的采样电压、所述输出电压的采样电压以及所述目标电压生成占空比信号；以及pwm生成单元，根据所述占空比信号生成所述第一控制信号和pwm复位信号，其中，所述占空比信号生成单元包括：第一加法模块，根据所述输出电压的采样电压和所述目标电压信号得到第一误差；第一线性控制模块，根据所述第一误差得到输入电流有效值；相位计算模块，根据所述输入电压的采样电压得到输入电压相位值；乘法模块，根据所述输入电流有效值以及所述输入电压相位值得到目标电流信号；第二加法模块，根据所述输入电流的采样电压和所述目标电流信号得到第二误差；以及第二线性控制模块，根据所述第二误差生成所述占空比信号。

优选地，所述第一线性控制模块和所述第二线性控制模块都包括pi控制器。

优选地，所述限压保护单元包括：比较模块，将所述第一参考电压和所述输出电压的采样电压进行比较，根据比较结果生成第一指示信号；故障管理模块，与所述比较模块连接，根据所述第一指示信号、所述第一控制信号以及pwm复位信号生成所述第二控制信号；当所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压时，判断输出电压过压，所述故障管理模块输出所述第二控制信号以关断所述功率开关管，以及在下一个控制周期，所述故障管理模块根据所述pwm复位信号输出所述第二控制信号以导通所述功率开关管。

优选地，所述故障管理模块包括：第一锁存器，根据所述pwm复位信号和所述第一指示信号生成第一故障信号；与门，根据所述第一控制信号和所述第一故障信号生成所述第二控制信号，其中，所述第一指示信号有效时，所述第一故障信号有效，所述pwm复位信号有效且所述第一指示信号无效时，所述第一故障信号无效，在所述第一故障信号无效时，所述第二控制信号的状态和所述第一控制信号的状态一致，在所述第一故障信号有效时，所述第二控制信号无效。

优选地，所述限压保护单元还被配置为当第一预设时间内所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压的次数达到预设值，且未接收到故障清除信号时，控制所述驱动单元关断所述功率开关管。

优选地，所述限压保护单元还包括：第二指示信号生成单元，对所述第一指示信号进行计数，获得计数值，根据计数值生成第二指示信号，当第一预设时间内所述计数值大于等于预设值时，所述第二指示信号有效，其中，所述第二指示信号生成单元包括：计数模块，对所述第一指示信号进行计数，获得计数值，并根据所述计数值生成中间指示信号，在第一预设时间内当所述计数值大于等于预设值时，所述中间指示信号有效；锁存模块，与所述计数模块相连，用于锁存所述中间指示信号，并根据所述中间指示信号生成第二指示信号；第一定时器，用于重复计时，在经过所述第一预设时间之后生成计数复位信号，所述计数模块根据所述计数复位信号复位所述计数值，并重新开始计数；以及第二定时器，在所述中间指示信号有效时开始计时，并在经过第二预设时间之后生成一个故障清除信号，所述锁存模块根据所述故障清除信号和所述中间指示信号生成第二指示信号。

优选地，所述故障管理模块还包括：第二锁存器，根据所述pwm复位信号和所述第二指示信号生成第二故障信号，其中，在第二指示信号有效时，所述第二故障信号有效，在所述pwm复位信号有效且所述第二指示信号无效时，所述第二故障信号无效，在所述第一故障信号和所述第二故障信号均无效时，所述第二控制信号的状态和所述第一控制信号的状态一致，在所述第一故障信号和所述第二故障信号之一有效时，所述第二控制信号无效。

优选地，所述控制电路还包括硬件过压保护单元，接收所述输出电压的采样电压，所述硬件过压保护单元在所述输出电压的采样电压大于等于第二参考电压时生成第一触发信号，所述驱动单元根据所述第一触发信号关断所述功率开关管，所述控制单元根据所述第一触发信号控制所述第一控制信号为无效状态，其中，所述第二参考电压表征第一过压保护阈值，所述第二参考电压大于所述第一参考电压。

优选地，所述控制电路还包括软件过压保护单元，接收所述输出电压的采样电压，所述软件过压保护单元在所述输出电压的采样电压大于等于第三参考电压时生成第二触发信号，所述控制单元根据所述第一触发信号控制所述第一控制信号为无效状态，其中，所述第三参考电压表征第二过压保护阈值，所述第一参考电压大于所述第三参考电压。

优选地，所述阈值调节单元还用于根据所述目标电压信号得到所述第二过压保护阈值。

优选地，所述阈值调节单元包括：软件调节模块，接收所述目标电压信号，所述软件调节模块根据所述目标电压信号的最大值、电压纹波的幅值以及预设的第二保护裕量得到所述第二过压保护阈值。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种开关电源，包括上述的控制电路。

优选地，所述开关电源还包括：整流桥，对交流输入电压进行整流以得到所述输入电压；串联连接在所述整流桥两端的电感、二极管以及采样电阻，所述二极管的阳极与所述功率开关管和所述电感的中间节点相连；输出电容，连接在所述中间节点和所述二极管的阴极之间，用于稳定所述输出电压。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种开关电源的控制方法，所述控制方法包括：对输出电压进行采样以获得输出电压的采样电压；优选地，检测所述开关电源的负载状态以获得所述目标电压信号，所述目标电压信号根据所述负载状态的变化而变化；生成第一控制信号；根据目标电压信号得到第一参考电压；根据所述输出电压的采样电压、所述第一参考电压以及所述第一控制信号输出第二控制信号；以及根据所述第二控制信号输出控制功率开关管的驱动信号，当所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压时，所述驱动单元根据所述第二控制信号关断所述功率开关管，其中，所述控制方法还包括根据所述开关电源的负载状态调节所述第一参考电压。

优选地，所述根据所述目标电压信号得到第一参考电压的步骤包括：接收所述目标电压信号，并根据所述目标电压信号得到限压保护阈值；以及对所述限压保护阈值进行数模转换生成所述第一参考电压。

优选地，所述根据所述目标电压信号得到限压保护阈值的步骤包括：根据所述目标电压信号的最大值、电压纹波的幅值以及预设的第一保护裕量得到所述限压保护阈值。

优选地，所述控制方法还包括：对所述开关电源的输入电压进行采样以获得输入电压的采样电压；对所述开关电源的输入电流进行采样以获得输入电流的采样电压；以及根据所述输入电流的采样电压、目标电压信号、输入电压的采样电压以及输出电压的采样电压生成所述第一控制信号。

优选地，所述根据所述输入电流的采样电压、目标电压信号、输入电压的采样电压以及输出电压的采样电压生成所述第一控制信号的步骤包括：根据所述输入电流的采样电压、所述输入电压的采样电压、所述输出电压的采样电压以及所述目标电压信号生成占空比信号；以及根据所述占空比信号生成所述第一控制信号和pwm复位信号，其中，所述根据所述输入电流的采样电压、所述输入电压的采样电压、所述输出电压的采样电压以及所述目标电压信号生成占空比信号的步骤包括：根据所述输出电压的采样电压和所述目标电压信号得到第一误差；根据所述第一误差得到输入电流有效值；根据所述输入电压的采样电压得到输入电压相位值；根据所述输入电流有效值以及所述输入电压相位值得到目标电流信号；根据所述输入电流的采样电压和所述目标电流信号得到第二误差；以及根据所述第二误差生成所述占空比信号。

优选地，所述根据所述输出电压的采样电压、所述第一参考电压以及所述第一控制信号输出第二控制信号的步骤包括：将所述第一参考电压和所述输出电压的采样电压进行比较，根据比较结果生成第一指示信号；根据所述第一指示信号、所述第一控制信号以及pwm复位信号生成所述第二控制信号；当所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压时，判断输出电压过压，输出所述第二控制信号以关断所述功率开关管，以及在下一个控制周期，根据所述pwm复位信号输出所述第二控制信号以导通所述功率开关管。

优选地，所述根据所述第一指示信号、所述第一控制信号以及pwm复位信号生成所述第二控制信号的步骤包括：根据所述pwm复位信号和所述第一指示信号生成第一故障信号；根据所述第一控制信号和所述第一故障信号生成所述第二控制信号，其中，所述第一指示信号有效时，所述第一故障信号有效，所述pwm复位信号有效且所述第一指示信号无效时，所述第一故障信号无效，在所述第一故障信号无效时，所述第二控制信号的状态和所述第一控制信号的状态一致，在所述第一故障信号有效时，所述第二控制信号无效。

优选地，所述控制方法还包括：当第一预设时间内所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压的次数达到预设值，且未接收到故障清除信号时，关断所述功率开关管。

优选地，所述根据所述输出电压的采样电压、第一参考电压以及所述第一控制信号生成第二控制信号的步骤还包括：对所述第一指示信号进行计数，获得计数值，并根据所述计数值生成中间指示信号，在第一预设时间内当所述计数值大于等于预设值时，所述中间指示信号有效；锁存所述中间指示信号，并根据所述中间指示信号生成第二指示信号；在经过所述第一预设时间之后生成计数复位信号，根据所述计数复位信号复位所述计数值，并重新开始计数；以及在所述中间指示信号有效时开始计时，并在经过第二预设时间之后生成一个故障清除信号，根据所述故障清除信号和所述中间指示信号生成第二指示信号；根据所述第一指示信号、所述第二指示信号以及所述第一控制信号生成所述第二控制信号。

优选地，所述根据所述第一指示信号、所述第二指示信号以及所述第一控制信号生成所述第二控制信号的步骤还包括：根据所述pwm复位信号和所述第二指示信号生成第二故障信号，其中，在第二指示信号有效时，所述第二故障信号有效，在所述pwm复位信号有效且所述第二指示信号无效时，所述第二故障信号无效，在所述第一故障信号和所述第二故障信号均无效时，所述第二控制信号的状态和所述第一控制信号的状态一致，在所述第一故障信号和所述第二故障信号之一有效时，所述第二控制信号无效。

优选地，所述控制方法还包括：在所述输出电压的采样电压大于等于第二参考电压时生成第一触发信号，并根据所述第一触发信号关断所述功率开关管，以及控制所述第一控制信号为无效状态，其中，所述第二参考电压表征第一过压保护阈值，所述第二参考电压大于所述第一参考电压。

优选地，所述控制方法还包括：在所述输出电压的采样电压大于等于第三参考电压时生成第二触发信号，并根据所述第一触发信号控制所述第一控制信号为无效状态，其中，所述第三参考电压表征第二过压保护阈值，所述第一参考电压大于所述第三参考电压。

优选地，所述控制方法还包括根据所述目标电压信号得到所述第二过压保护阈值。

优选地，所述根据所述目标电压信号得到所述第二过压保护阈值的步骤包括：根据所述目标电压信号的最大值、电压纹波的幅值以及预设的第二保护裕量得到所述第二过压保护阈值。

本发明的开关电源及其控制电路和控制方法具有以下有益效果。

本发明实施例的开关电源根据负载状态信息可以实时修改限压保护阈值，可保证当开关电源工作在不同的负载情况下遇到电网波动时将开关电源的输出电压始终控制在一定的范围内，防止输出电压出现较大的波动，保护后端滤波电容和负载等器件。

在进一步的实施例中，开关电源可根据负载状态信息实时调节软件过压保护的过压保护阈值，进一步提高了开关电源在不同负载情况下遇到电网波动时的安全性和稳定性。

在进一步的实施例中，本发明实施例的开关电源提供设置两级的硬件过压保护，当外部干扰导致输出电压发生过冲时，可保证输出电压始终处于设定的限压保护阈值以下，减小输出电压过冲幅度，最大程度地避免后端的滤波电容和负载等承受频繁的过压冲击，提高系统的稳定性以及器件寿命。并且在逐周期模式下即使出现偶尔的误触发，也可以在下一个pwm控制周期中快速打开主电路的功率开关管，防止输出电压过低，不影响电源系统的正常工作，能在电网频繁且剧烈波动的情况下，避免系统因过压保护导致频繁的停机，提高相关产品的用户体验性。

在进一步的实施例中，当一定时间内输出电压多次超过限压保护阈值时，开关电源进入单次保护模式中，并需要软件清除保护模式标志位才可以重启开关电源，即只有接收到故障清除信号才可以重启开关电源。即使在频繁过压的情况下，也可保证输出电压始终处于设定的限压保护阈值附近进行小幅度的波动，最大程度地避免后端的滤波电容和负载等器件受到过压冲击，提高系统的稳定性以及器件寿命。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出传统的过压保护的波形示意图；

图2示出根据本发明第一实施例的开关电源的结构示意图；

图3示出图2中的控制单元的结构示意图；

图4示出图3中占空比信号生成单元的结构示意图；

图5示出图2中限压阈值调节单元的结构示意图；

图6示出图2中限压保护单元的结构示意图；

图7示出图6中第二指示信号生成单元的结构示意图；

图8示出图6中故障管理模块的结构示意图；

图9示出根据本发明第二实施例的开关电源的结构示意图；

图10示出图9中限压阈值调节单元的结构示意图；

图11示出根据本发明实施例的开关电源的工作时序图；

图12示出根据本发明第三实施例的开关电源的控制方法的方法流程图；

图13示出根据本发明第三实施例的控制方法的具体流程示意图；

图14示出根据本发明第三实施例的控制方法的逐周期保护模式的流程示意图；

图15示出根据本发明第三实施例的控制方法的单次保护模式的流程示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图2示出根据本发明第一实施例的开关电源的结构示意图。本实施例的开关电源采用boost拓扑并工作于浮地方式。当然，本发明实施例的开关电源也可用于buck拓扑、boost-buck拓扑等。如图2所示，该开关电源包括整流桥110、主电路120、输出电容cout、负载130以及控制电路200。其中主电路120的输入端与整流桥110的输出端相连，输出端与负载130相连。主电路120包括电感lf、功率开关管t1、快恢复二极管vd以及采样电阻rsen。

进一步而言，整流桥110的输入端连接交流电源ac，整流桥110用于将交流输入信号转换成输入电压vin，电感lf与功率开关管t1和采样电阻rsen串联在整流桥110的正输出端和负输出端之间，快恢复二极管vd主要起隔离作用，防止功率开关管t1导通时，输出电容cout对地短路，输出电容cout与负载130并联，用于稳定输出电压vout。功率开关管t1的控制端连接至控制电路200，控制电路200用于控制功率开关管t1的导通和断开，以使得主电路120根据输入电压vin得到输出电压vout。在所述功率开关管t1导通期间，交流电源ac向电感lf充电，在所述功率开关管t1关断期间，电感lf向负载130供电。控制电路200还用于对输出电压vout进行实时检测和对电源进行过压保护，如果检测的输出电压vout高于设定的限压保护阈值和/或过压保护阈值，就及时关断主电路120中的功率开关管t1以防止输出电压vout过高造成功率开关管t1以及后端器件的失效。

进一步的，本实施例中的功率开关管t1例如通过igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)和mosfet实现。igbt是由bjt(bipolarjunctiontransistor，双极型三极管)和mosfet组成的复合型电压驱动式功率半导体器件,兼有mosfet的高输入阻抗和gtr(gianttransistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低。

具体的，控制电路200包括：控制单元210、限压阈值调节单元220、限压保护单元230以及驱动单元260。控制单元210用于根据主电路120的输入电压的采样电压vin_sa、输出电压的采样电压vout_sa、输入电流的采样电压iin_sa以及目标电压信号生成第一控制信号pwm1。限压阈值调节单元220根据所述目标电压信号得到用于表征限压保护阈值的第一参考电压vref。限压保护单元230根据输出电压的采样电压vout_sa、第一参考电压vref以及第一控制信号pwm1得到第二控制信号pwm2。驱动单元260根据第二控制信号pwm2向功率开关管t1的控制端提供驱动信号vgate，以驱动主电路120中的功率开关管t1，以使得主电路120根据输入电压vin得到输出电压vout。

具体的，限压保护单元230将输出电压的采样电压vout_sa和第一参考电压vref进行比较，根据比较结果生成第二控制信号pwm2。在每个pwm控制周期，当比较结果表征输出电压的采样电压vout_sa大于等于第一参考电压vref时，限压保护单元230生成无效的第二控制信号pwm2，驱动单元260根据无效的第二控制信号pwm2关断所述主电路120中的功率开关管t1。

在本实施例中，第一控制信号pwm1为具有一定占空比的方波信号，第一控制信号pwm1高电平有效，低电平无效。

进一步的，该开关电源还包括输入电流采样单元241、输入电压采样单元242、输出电压采样单元243以及负载状态检测单元244。输入电流采样单元241、输入电压采样单元242、输出电压采样单元243分别通过检测主电路120的输入电流iin、输入电压vin以及输出电压vout以得到输入电流的采样电压iin_sa、输入电压的采样电压vin_sa、以及输出电压的采样电压vout_sa。负载状态检测单元244用于检测主电路120的负载状态(例如通过检测负载电流或负载功率等获得负载状态信息)以得到目标电压信号。作为一个非限制性的例子，负载状态检测单元244例如为pi控制器，其输入分别为目标负载状态和实时检测到的负载状态，其输出为目标电压信号。负载状态检测单元244根据实时检测到的负载状态通过反馈调节来得到所述目标电压信号。控制单元210根据采样电压iin_sa、采样电压vin_sa、采样电压vout_sa以及该目标电压信号计算得到第一控制信号pwm1。

进一步的，控制电路200还包括硬件过压保护单元270，硬件过压保护单元270将输出电压的采样电压vout_sa与表征第一过压保护阈值的内部第二参考电压进行比较，当输出电压的采样电压vout_sa大于等于内部第二参考电压时，硬件过压保护单元270生成有效的第一触发信号，所述驱动单元260根据所述有效的第一触发信号关断主电路120中的功率开关管t1，同时控制单元210根据所述有效的第一触发信号输出无效的第一控制信号pwm1。示例的，硬件过压保护单元270采用标准的比较器将输出电压的采样电压vout_sa与固定的内部第二参考电压进行比较。

进一步的，该开关电源还包括软件过压保护单元280，软件过压保护单元280用于将输出电压的采样电压vout_sa与表征第二过压保护阈值的内部第三参考电压进行比较，当输出电压的采样电压vout_sa大于等于内部第三参考电压时，软件过压保护单元280生成有效的第二触发信号，控制单元210根据有效的第二触发信号输出无效的第一控制信号pwm1。示例的，软件过压保护单元280使用ad转换器将采样电压vout_sa转换为数字量，通过软件滤波及比较运算产生第二触发信号，由于滤波环节的存在，软件过压保护没有硬件过压保护响应及时。

同样的，本实施例中的第一过压保护阈值大于限压保护阈值，且限压保护阈值大于第二过压保护阈值，相应的内部第二参考电压大于第一参考电压，第一参考电压大于内部第三参考电压。

图3示出图2中控制单元的结构示意图。如图3所示，控制单元210包括占空比信号生成单元211和pwm生成单元212。占空比信号生成单元211用于根据接收到的输入电流的采样电压iin_sa、输入电压的采样电压vin_sa、输出电压的采样电压vout_sa、以及目标电压信号生成占空比信号。pwm生成单元212用于根据该占空比信号以及第一触发信号和第二触发信号生成所述第一控制信号pwm1。其中，pwm生成单元212在第一触发信号和第二触发信号全部无效时输出有效的第一控制信号pwm1，在第一触发信号和第二触发信号之一有效时输出无效的第一控制信号pwm1。此外，pwm生成单元212还在每个pwm控制周期的开始时输出一个pwm复位信号到限压保护单元230。

在本实施例中，第一触发信号和第二触发信号高电平有效，低电平无效。

图4示出图3中占空比信号生成单元的结构示意图。如图4所示，作为一个非限制性的例子，占空比信号生成单元211包括加法模块2111、线性控制模块2112、乘法模块2113、相位计算模块2114、加法模块2115、以及线性控制模块2116。加法模块2111用于根据输出电压的采样电压vout_sa和目标电压信号计算出第一误差，线性控制模块2112根据第一误差得到输入电流有效值，相位计算模块2114根据输入电压的采样电压vin_sa计算得到输入电压的采样电压vin_sa的相位值，乘法模块2113根据输入电流有效值和输入电压的采样电压vin_sa的相位值计算得到目标电流信号，加法模块2115计算出输入电流的采样电压iin_sa和目标电流信号之间的第二误差，线性控制模块2116根据该第二误差生成占空比信号。线性控制模块2112和线性控制模块2116例如为pi控制器(proportionalintegralcontroller)，通过设置线性控制模块2112和线性控制模块2116中的比例系数、积分系数、以及最大最小限幅等，使得在稳定状态下第一误差和第二误差接近于0。其中，pi控制器的工作原理为本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。

图5示出图2中限压阈值调节单元的结构示意图。如图5所示，限压阈值调节单元220包括软件调节模块221和数模转换模块222。

软件调节模块221接收所述目标电压信号，并根据所述目标电压信号经过软件计算得到限压保护阈值。具体的，软件调节模块221在目标电压信号的最大值与电压纹波幅值求和的基础上，再加上预设的保护裕量，最终得到限压保护阈值，从而实现对限压保护阈值的灵活调节。

数模转换模块222接收所述限压保护阈值，并对所述限压保护阈值进行数模转换以生成第一参考电压vref，从而实现对限压保护阈值的灵活调节。

图6出图2中限压保护单元的结构示意图。如图6所示，限压保护单元230包括比较模块231、第二指示信号生成单元232以及故障管理模块233。比较模块231将第一参考电压vref和输出电压的采样电压vout_sa进行比较，当输出电压的采样电压vout_sa大于等于第一参考电压vref时，比较模块231生成有效的第一指示信号。第二指示信号生成单元232用于在第一预设时间内第一指示信号的计数值大于等于预设值时，生成有效的第二指示信号。故障管理模块233根据第一指示信号、第二指示信号以及第一控制信号pwm1确定第二控制信号pwm2的状态。可保证当出现异常扰动导致输出电压升高时，输出电压始终不高于设定的限压保护阈值，且可以快速恢复功率开关管的正常工作，避免因功率开关管的长时间关断导致输出电压过低的情况发生。

故障管理模块233负责第二控制信号pwm2的输出管理，如果故障管理模块233接收到有效的第一指示信号和第二指示信号，则输出无效的第二控制信号pwm2，此时第二控制信号pwm2维持在低电平状态；如果故障管理模块233未接收到有效的第一指示信号和第二指示信号，则输出的第二控制信号pwm2和第一控制信号pwm1状态一致。

图7示出图6中第二指示信号生成单元的结构示意图。如图7所示，第二指示信号生成单元232包括计数模块2321、第一定时器2322、锁存模块2323以及第二定时器2324。计数模块2321用于对有效的第一指示信号进行计数。当在第一预设时间内有效的第一指示信号的计数值大于等于预设值时，计数模块2321生成有效的中间指示信号；否则，生成无效的中间指示信号。锁存模块2323用于锁存有效的中间指示信号，并根据有效的中间指示信号生成有效的第二指示信号。第一定时器2322用于重复计时，并在达到第一预设时间时生成一个有效的计数复位信号，计数模块2321根据有效的计数复位信号复位第一指示信号的计数值，并重新开始计数。第二定时器2324在接收到有效的中间指示信号时开始计时，并在经过第二预设时间之后生成一个有效的故障清除信号，锁存模块2323根据有效的故障清除信号生成无效的第二指示信号，同时第二定时器2324停止工作，并在接收到下一个有效的中间指示信号时开始工作。

在本实施例中，第一指示信号、中间指示信号以及第二指示信号为低电平有效，高电平无效，计数复位信号和故障清除信号为高电平有效，低电平无效。

图8示出图6中故障管理模块的结构示意图。在本实施例中，故障管理模块233具有逐周期保护和单次保护两种模式。具体的，如图8所示，故障管理模块233包括第一锁存器2331、第二锁存器2332以及与门2333。第一锁存器2331包括第一置位端、第一复位端以及第一输出端，第一置位端用于接收第一指示信号，第一复位端接收pwm复位信号。第二锁存器2332包括第二置位端、第二复位端以及第二输出端，第二置位端用于接收第二指示信号，第二复位端用于接收pwm复位信号。与门2333包括第一至第三输入端以及第三输出端，第一输入端用于接收第一控制信号pwm1，第二输入端连接至第一锁存器2331的第一输出端，第三输入端连接至第二锁存器2332的第二输出端，第三输出端连接至驱动单元260的输入端。与门2333用于根据第一锁存器2331和第二锁存器2332的输出信号以及第一控制信号pwm1生成第二控制信号pwm2。

例如，第一锁存器2331在接收到有效的第一指示信号时生成有效的第一故障信号，并对逐周期保护模式标志位进行置位，与门2333根据有效的第一故障信号生成无效的第二控制信号pwm2。第一锁存器2331在接收到有效的pwm复位信号和无效的第一指示信号时生成无效的第一故障信号，同时对逐周期保护模式标志位进行复位，与门2333生成和pwm1状态一致的第二控制信号pwm2(假设此时第二锁存器2332输出的第二故障信号处于无效状态)，此时的第二控制信号pwm2和第一控制信号pwm1完全相同。在逐周期保护中，当输出电压超过限压保护阈值时，在每个pwm控制周期内不需要软件干预，仅通过故障管理模块233内部的逐周期保护即可以关断或导通主电路中的功率开关管t1，防止输出电压过冲对功率开关管t1以及后续器件的损坏，并且还可以快速导通主电路的功率开关管t1，防止输出电压过低。

又例如，第二锁存器2332在接收到有效的第二指示信号时生成有效的第二故障信号，并对单次保护模式标志位进行置位，与门2333根据有效的第二故障信号生成无效的第二控制信号pwm2，第二控制信号pwm2始终处于低电平。第二锁存器2332还用于在接收到有效的pwm复位信号和无效的第二指示信号时生成无效的第二故障信号，与门2333根据无效的第二故障信号输出的第二控制信号pwm2和第一控制信号pwm1的状态一致(假设此时第一锁存器2331输出的第一故障信号处于无效状态)。在单次保护模式中需要软件清除单次保护模式标志位才能恢复控制信号的输出，即相比于逐周期保护，单次保护一旦生效，只有在检测有效的故障清除信号时才能对单次保护模式标志位进行复位，开关电源恢复正常工作状态。

图9示出根据本发明第二实施例的开关电源的结构示意图。如图9所示，本发明第二实施例的开关电源与上述第一实施例的开关电源基本相同，不同之处在于：本实施的开关电源中的限压阈值调节单元320还用于根据负载状态检测单元344提供的目标电压信号得到软件过压保护单元380的第二过压保护阈值。

进一步的，图10示出图9中限压阈值调节单元的结构示意图。如图10所示，限压阈值调节单元320包括软件调节模块321和数模转换模块322，软件调节模块321接收所述目标电压信号，并根据所述目标电压信号经过软件计算得到限压保护阈值和第二过压保护阈值。具体的，软件调节模块321在目标电压信号的最大值与电压纹波幅值求和的基础上，再加上预设的一保护裕量，得到第二过压保护阈值，然后在第二过压保护阈值的基础上再加上另一保护裕量，最终得到限压保护阈值。

数模转换模块322接收所述限压保护阈值，并对所述限压保护阈值进行数模转换以生成第一参考电压vref，从而实现对限压保护阈值和第二过压保护阈值的灵活调节。

除此之外，第二实施例的开关电源中的控制单元310、限压阈值调节单元320、限压保护单元330、驱动单元360、硬件过压保护单元370、软件过压保护单元380、输入电流采样单元341、输入电压采样单元342、输出电压采样单元343以及负载状态检测单元344的结构和工作原理与第一实施例中的开关电源中的相同，在此不再赘述。

图11出根据本发明实施例的开关电源的工作时序图。在图11的时序图中，开关电源工作在连续的多个pwm控制周期下，且每个pwm控制周期为一个有效的pwm复位信号到下一个有效的pwm复位信号之间的时间段。例如，第一个pwm控制周期为时刻t0-t2之间的时间段。此外，在图11中，第一控制信号pwm1为具有一定占空比的方波信号，第二控制信号pwm2与第一控制信号pwm1均为高电平有效，低电平无效。故障清除信号和pwm复位信号为高电平有效，低电平无效。第一指示信号和第二指示信号均为低电平有效，高电平无效。

如上所述，本发明实施例的开关电源的控制电路包括逐周期保护模式和单次保护模式。在逐周期保护模式中，当输出电压的采样电压vout-sa超过第一参考电压vref时，在每个pwm控制周期内不需要软件干预，仅通过故障管理模块即可以关断或导通主电路120中的功率开关管t1，防止输出电压过冲对功率开关管t1以及后续器件的损坏，并且还可以快速导通主电路120中的功率开关管t1，防止输出电压过低。在单次保护模式中，当多个pwm控制周期内输出电压超过限压保护阈值的次数达到预设值时启动单次保护模式，相比于逐周期保护模式，单次保护模式一旦生效，只有在检测到有效的故障清除信号时才能对单次保护模式标志位进行复位，开关电源恢复正常工作状态。

在时刻t0，pwm复位信号为有效状态，同时第一指示信号和第二指示信号无效，故障管理模块输出的第二控制信号有效，输出电压的采样电压vout-sa逐渐增大。

在时刻t1，输出电压的采样电压vout-sa大于等于第一参考电压vref，比较模块的输出发生翻转，第一指示信号翻转为有效状态，故障管理模块生成无效的第二控制信号，主电路120中的功率开关管t1被关断，输出电压的采样电压vout-sa逐渐减小。

在时刻t2，pwm复位信号再次翻转为有效状态，此时第一指示信号和第二指示信号处于无效状态，所以故障管理模块输出的第二控制信号有效，输出电压的采样电压vout-sa逐渐增大。在之后的时刻t2-t3、时刻t4-t5和时刻t3-t4、时刻t5-t6分别重复时刻t0-t1和时刻t1-t2的工作过程，不再赘述。

在时刻t6，pwm复位信号再次翻转为有效状态，当第一指示信号有效的次数达到预设值时，第二指示信号从无效状态翻转为有效状态，故障管理模块生成无效的第二控制信号，主电路120中的功率开关管t1关断，输出电压的采样电压vout-sa逐渐减小。

在时刻t7，pwm复位信号再次翻转为有效状态，此时第二指示信号仍然为有效状态，因此故障管理模块生成无效的第二控制信号，主电路120中的功率开关管t1仍旧处于关断状态。

在时刻t8，故障清除信号翻转为有效状态，第二指示信号生成单元中的锁存模块根据有效的故障清除信号将第二指示信号从有效状态翻转为无效状态。

在时刻t9，pwm复位信号再次翻转为有效状态，此时第一指示信号和第二指示信号处于无效状态，所以故障管理模块输出的第二控制信号有效，输出电压的采样电压vout-sa逐渐增大。

在时刻t10，输出电压的采样电压vout-sa大于等于第一参考电压vref，比较模块的输出发生翻转，第一指示信号翻转为有效状态，故障管理模块生成无效的第二控制信号，主电路120中的功率开关管t1被关断，输出电压的采样电压vout-sa逐渐减小。

图12示出根据本发明第三实施例的开关电源的控制方法的方法流程图。本实施例的开关电源可以为上述实施例的开关电源，包括整流桥110、主电路120、输出电容cout、负载130以及控制电路。其中主电路120的输入端与整流桥110相连，输出端与负载130相连。主电路120包括电感lf、功率开关管t1、快恢复二极管vd以及采样电阻rsen。控制电路不仅用于控制功率开关管的导通和关断，还用于对主电路的输出电压进行实时检测和对电路进行输出电压过压保护，如果检测的输出电压高于设定的限压保护阈值或过压保护阈值，就及时关断主电路120中的功率开关管t1以防止输出电压过高造成功率开关管t1以及后端器件的失效。如图12所示，该控制方法包括以下步骤s110-s150。

在步骤s110中，对输出电压进行采样以得到输出电压的采样电压。

在步骤s120中，生成第一控制信号。

在进一步的实施例中，所述控制方法还包括根据输入电流的采样电压、目标电压信号、输入电压的采样电压以及输出电压的采样电压生成所述第一控制信号。

在步骤s130中，根据目标电压信号得到第一参考电压。例如，可以根据所述目标电压信号的最大值、电压纹波的幅值以及预设的保护裕量得到所述限压保护阈值，并对所述限压保护阈值进行数模转换以得到所述第一参考电压。

在进一步的实施例中，所述控制方法还包括根据开关电源的负载状态调节所述第一参考电压，例如可以根据主电路120的负载电流或者负载功率等负载状态信息得到目标电压信号，继而获得不同负载状态下的第一参考电压。

在更进一步的实施例中，所述控制方法还包括根据负载状态实时调节软件过流保护的第二过压保护阈值，进一步提高了开关电源在不同负载情况下遇到电网波动时的安全性和稳定性。

在步骤s140中，根据输出电压的采样电压、第一参考电压以及第一控制信号得到第二控制信号。

在步骤s150中，根据第二控制信号产生控制功率开关管的驱动信号。

进一步的，所述控制方法还包括在每个pwm控制周期内，当所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压时，生成无效的所述第二控制信号，并根据无效的所述第二控制信号关断所述功率开关管，以及在与所述pwm控制周期相邻的下一个pwm控制周期开始时，根据pwm复位信号输出有效的第二控制信号以导通所述功率开关管。

进一步的，所述控制方法还包括当第一预设时间内所述输出电压的采样电压大于等于所述第一参考电压的次数达到预设值，且未接收到故障清除信号时，关断所述功率开关管。

图13示出根据本发明第三实施例的控制方法的具体流程示意图。具体的，本实施例的控制方法还包括步骤s210-s260。

在步骤s210中，判断输出电压的采样电压是否大于等于第一参考电压。若输出电压的采样电压大于等于第一参考电压，则继续步骤s220；若输出电压的采样电压小于第一参考电压，则继续步骤s230。

在步骤s220中，输出有效的第一指示信号，计数模块对有效的第一指示信号进行计数，计数模块的计数值加1。在本实施例中，当输出电压的采样电压大于等于第一参考电压时，比较模块生成有效的第一指示信号。故障管理模块根据有效的第一指示信号生成无效的第二控制信号。同时计数模块对第一指示信号的脉冲进行计数，得到计数值。

在步骤s230中，判断是否达到第一预设时间。若达到第一预设时间，则继续步骤s240；若未达到第一预设时间，则退出控制流程，并重新开始，继续执行步骤s210的判断逻辑。

在步骤s240中，判断第一指示信号的计数值是否大于等于预设值。若第一指示信号的计数值大于等于预设值，则继续步骤s250；若第一指示信号的计数值小于预设值，则继续步骤s260。

在步骤s250中，生成有效的第二指示信号。在本实施例中，计数模块在第一预设时间内对第一指示信号进行计数，当第一预设时间内第一指示信号的计数值大于等于预设值时，计数模块生成有效的第二指示信号。故障管理模块根据有效的第二指示信号生成无效的第二控制信号，开关电源进入单次保护模式。

在步骤s260中，将第一指示信号的计数值清零。在本实施例中，在每个第一预设时间之后都会将第一指示信号的计数值清零重新开始计数，然后退出控制流程，并重新开始，继续执行步骤s210的判断逻辑。

图14和图15分别示出根据本发明第三实施例的控制方法的逐周期保护模式和单次保护模式的流程示意图。

如图14所示，该控制方法的逐周期保护模式包括步骤s310-s380。

在步骤s310中，接收第一控制信号。

在步骤s320中，判断是否接收到有效的pwm复位信号。若接收到有效的pwm复位信号，则继续步骤s330；若未接收到有效的pwm复位信号，则继续步骤s340。

在步骤s330中，清除第一故障信号。

在步骤s340中，判断是否接收到有效的第一指示信号。若接收到有效的第一指示信号，则继续步骤s350；若未接收到有效的第一指示信号，则继续步骤s360。

在步骤s350中，生成有效的第一故障信号。在本实施例中，故障管理模块还包括第一锁存器，第一锁存器在接收到有效的第一指示信号时生成第一故障信号。

在步骤s360中，判断是否接收到有效的第一故障信号。若接收到有效的第一故障信号，则继续步骤s370；若未接收到有效的第一故障信号，则继续步骤s380。

在步骤s370中，输出无效的第二控制信号pwm2。在本实施例中，故障管理模块还包括与门，与门在接收到有效的第一故障信号时生成无效的第二控制信号pwm2。

在步骤s380中，输出第二控制信号与第一控制信号的状态一致。

在本实施例中，第一锁存器在接收到有效的pwm复位信号的同时接收到无效的第一指示信号时清除所述第一故障信号，此时与门输出的第二控制信号与第一控制信号的状态保持一致。

在逐周期保护模式中，当输出电压超过限压保护阈值时，在每个pwm控制周期内不需要软件干预，仅通过故障管理模块内部的逐周期保护即可以关断主电路中功率开关管，防止输出电压过冲对功率开关管以及后续器件的损坏，并且还可以在下一个pwm控制周期快速导通主电路中功率开关管，防止输出电压过低。

如图15所示，该控制方法的单次保护模式包括步骤s410-s480。

在步骤s410中，接收第一控制信号。

在步骤s420中，判断是否接收到有效的pwm复位信号。若接收到有效的pwm复位信号，则继续步骤s430；若未接收到有效的pwm复位信号，则继续步骤s440。

在步骤s430中，清除第二故障信号。

在步骤s440中，判断是否接收到有效的第二指示信号。若接收到有效的第二指示信号，则继续步骤s450；若未接收到有效的第二指示信号，则继续步骤s460。

在步骤s450中，生成有效的第二故障信号。在本实施例中，故障管理模块还包括第二锁存器，第二锁存器在接收到有效的第二指示信号时生成第二故障信号。

在步骤s460中，判断是否接收到有效的第二故障信号。若接收到有效的第二故障信号，则继续步骤s470；若未接收到有效的第二故障信号，则继续步骤s480。

在步骤s470中，输出无效的第二控制信号。在本实施例中，故障管理模块还包括与门，与门在接收到有效的第二故障信号时生成无效的第二控制信号pwm2。

在步骤s480中，输出第二控制信号与第一控制信号的状态一致。在本实施例中，第二锁存器在接收到有效的pwm复位信号的同时接收到无效的第二指示信号时清除所述第二故障信号，此时与门输出的第二控制信号与第一控制信号的状态保持一致。

在单次保护模式中，当一定时间(包括多个pwm控制周期)内输出电压多次超过限压保护阈值时，开关电源进入单次保护模式中，并需要直到接收到故障清除信号才可以重启开关电源。即使在输出电压频繁过压的情况下，也可保证输出电压始终处于设定的限压保护阈值附近进行小幅度的波动，最大程度地避免后端的滤波电容和负载等器件受到过压冲击，提高系统的稳定性以及器件寿命。

综上所述，本发明实施例的开关电源根据负载状态信可以实时修改限压保护阈值，可保证当开关电源工作在不同的负载情况下遇到电网波动时将主电路的输出电压始终控制在一定的范围内，防止输出电压出现较大的波动，保护后端滤波电容和负载等器件。

在进一步的实施例中，开关电源可根据负载状态实时调节软件过压保护的过压保护阈值，进一步提高了开关电源在不同负载情况下遇到电网波动时的安全性和稳定性。

在进一步的实施例中，本发明实施例的开关电源提供设置两级的硬件过压保护，当某种外部干扰导致输出电压触发过冲时，可保证输出电压始终处于设定的限压保护阈值以下，减小电压过冲幅度，最大程度地避免后端的滤波电容和负载等承受频繁的过压冲击，提高系统的稳定性以及器件寿命。并且在逐周期模式下即使出现偶尔的误触发，也可以在下一个pwm控制周期中快速打开主电路的功率开关管，防止输出电压过低，不影响电源系统的正常工作，能在电网频繁且剧烈波动的情况下，避免系统因过压保护导致频繁的停机，提高相关产品的用户体验性。

在进一步的实施例中，当一定时间内输出电压多次超过限压保护阈值时，开关电源进入单次保护模式中，并需要软件清除保护模式标志位才可以重启开关电源，即只有接收到故障清除信号才可以重启开关电源。即使在频繁过压的情况下，也可保证输出电压始终处于设定的限压保护阈值附近进行小幅度的波动，最大程度地避免后端的滤波电容和负载等器件受到过压冲击，提高系统的稳定性以及器件寿命。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。