开关电源及其过压保护电路的制作方法

1.本实用新型属于电子领域，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.目前，现有技术中较为常见的两种输出过压保护方式如图1和图2所示。图1中的输出过压保护方案为：由输出电阻r1和r2获得分压反馈，将分压值和驱动电路内设定的预设电压阈值vth比较。当输出电压vout>vovp＝vth*(1+r1/r2)，比较器输出ovp＝1，则认为输出电压过大，开关电源启动保护机制，使晶体管q停止开关动作。其中，vovp为输出过压基准值。该方案的电阻分压设置会导致功耗的增加，此外，驱动电路(即芯片)将需要多设置一个反馈引脚。如图2的输出过压保护方案为通过检测消磁时间实现，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。
4.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：

5.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，可有效提高开关电源输出过压保护的过压识别响应度和抗干扰性，且省去了额外的芯片引脚。
6.本实用新型公开了一种开关电源的过压保护电路，过压保护电路包括：
7.充放电电路，其包括充电电路、放电电路和第一电容，充电电路耦接第一电容的第一端，放电电路耦接第一电容的第一端；
8.比较电路，其第一输入端耦接提供第一预设电压的第一预设电压端，其第二输入端耦接第一电容的第一端；以及
9.触发电路，其输入端分别耦接比较电路的输出端和提供消磁信号的消磁信号端，其输出端用于输出过压保护信号；消磁信号为开关电源中电感在开关周期内的消磁信号。
10.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；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。
11.在本实用新型的一实施例中，触发电路还包括计数电路，计数电路的输入端分别耦接消磁信号端和比较电路的输出端，比较电路用于根据消磁信号和比较电路输出的比较信号获得计数信号；当计数信号达到预设阈值，触发电路触发输出过压保护。
12.在本实用新型的一实施例中，充放电电路的输入端分别耦接开关控制信号端和比较电路的输出端；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；充放电电路用于根据开关控制信号和比较信号在开关电源中开关管的下一开关周期到来前或下一开关周期到来时，通过对第一电容进行充放电使第一电容的电容电压恢复至第一电压区间内。
13.在本实用新型的一实施例中，第一电压区间为第一预设电压。
14.在本实用新型的一实施例中，充放电电路根据开关电源中开关管的开关控制信号控制第一开关的开关状态；充放电电路根据比较信号控制第二开关的开关状态。
15.在本实用新型的一实施例中，触发电路包括：
16.复位电路，其输入端耦接比较器的输出端，用于产生计数电路的复位信号；以及
17.计数电路，其输入端耦接复位电路的输出端，用于根据复位信号和开关电源中开关管的开关控制信号获得计数信号。
18.在本实用新型的一实施例中，触发电路包括：
19.与门，其第一输入端耦接比较器的输出端，其第二输入端耦接提供消磁信号的消磁信号端；
20.锁存器，其置位端耦接与门的输出端，其复位端耦接开关控制信号端，用于产生计数器的复位信号；以及
21.计数器，其输入端分别耦接开关控制信号端和锁存器，用于根据开关控制信号和锁存器输出的复位信号获得计数信号。
22.在本实用新型的一实施例中，比较电路的正相输入端接收第一预设电压，比较电路的反相输入端耦接第一电容的阳极端，比较电路的复位端耦接开关控制信号端。
23.在本实用新型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、开关管和如上任一的过压保护电路，过压保护电路耦接驱动控制电路，驱动控制电路用于控制开关管的开关状态。
24.本实用新型提出了一种开关电源及其过压保护电路，其中，过压保护电路包括充放电电路、比较电路和触发电路。本实用新型中，通过根据消磁信号和比较信号判别开关电源是否发生输出过压，能快速识别输出过压，并有效防止误触发。在开关电源中开关管的各个开关周期内，通过对第一电容的电容电压进行控制，使每个充磁阶段开始时或开始前的电容电压都恢复至第一电压区间内。即本实用新型中各个开关周期的起始条件一致，不同于现有技术中电容电压会随着各个开关周期而逐渐累积升高，若输出电压只比输出过压阈值略大，则现有技术的输出过压保护ovp反应的时间将较长，达不到快速保护的效果。而本实用新型能快速识别输出过压，并有效防止误触发，输出过压保护检测的响应度更好。本实用新型提出了一种开关电源及其过压保护电路，可有效提高开关电源输出过压保护的过压识别响应度和抗干扰性，且省去了额外的芯片引脚。
附图说明
25.图1示出了一种现有技术的具有输出过压保护功能的开关电源的电路示意图。
26.图2示出了另一种现有技术的具有输出过压保护功能的开关电源的电路示意图。
27.图3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。
28.图4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。
29.图5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。
30.图6示出了根据本实用新型一实施例的与门和锁存器的电路示意图。
31.图7示出了根据本实用新型一实施例的计数电路的电路示意图。
32.图8示出了根据本实用新型一实施例的输出过压保护方法的步骤示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。
34.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。
35.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。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。
36.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进行的连接，其可具有寄生电感或寄生电容；间接连接还可包括在实现相同或相似功能目的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。其中，说明书中的“第一”或“预设”等仅用于区分某些技术特征，而不作为限定为最优或最佳的实施方式。
37.本实用新型的一实施例中，过压保护电路包括充放电电路、比较电路和触发电路。充放电电路包括充电电路、放电电路和第一电容。充电电路耦接第一电容的第一端，放电电路耦接第一电容的第一端。比较电路的第一输入端耦接提供第一预设电压的第一预设电压端，比较电路的第二输入端耦接第一电容的第一端。触发电路的输入端分别耦接比较电路的输出端和提供消磁信号的消磁信号端，触发电路的输出端用于输出过压保护信号。消磁信号为所述开关电源中电感在开关周期内的消磁信号。
38.如图3所示，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，过压保护电路包括充放电电路10、比较电路20和触发电路30。充放电电路10包括充电电路、放电电路和第一电容c，充放电电路10用于在设定条件下通过对第一电容c进行充放电。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。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。通过对第一开关s1和第二开关s2的开关状态控制，可实现对第一电容c的充放电控制。当控制第一开关s1导通，第一电流源i1对第一电容c进行充电。当控制第二开关s2导通，第二电流源i2对第一电容c进行放电。比较电路20的第一输入端接收第一预设电压v0，比较电路20的第二输入端耦接第一电容c的第一端，第一电容c的第二端接地，比较电路20用于比较第一预设电压v0和第一电容c的电容电压的大小从而输出比较信号。触发电路30的输入端耦接比较电路20，触发电路30用于根据
消磁信号和比较信号获得计数信号。当计数信号达到预设阈值，触发电路30触发输出过压保护。当计数信号未达到预设阈值，开关电源进行正常工作。消磁信号为开关电源中电感在开关周期内的消磁信号。其中，开关周期为开关电源中开关管的开关状态变化周期。
39.在本实用新型的实施例中，对于buck型开关电源，由伏秒平衡原则可知，(vin
‑
vout)*ton＝vout*tdem，即vout＝vin*ton/(ton+tdem)。通过检测输入电压vin和开关电源中开关管的占空比duty＝ton/(ton+tdem)，就可得到输出电压vout的大小。当vin*ton/(ton+tdem)超过开关电源的过压保护电路(如控制芯片)内设定的输出电压的阈值电压vovp，则认为输出电压过大，启动输出过压保护机制，使开关电源中的开关管处于关断状态。其中，ton为开关管的导通时间，tdem为开关电源中电感的消磁时间。由(vin
‑
vout)*ton＝vout*tdem可知，在充放电电路中，当开关电源中的电感处于充磁阶段，需要控制第一开关和第二开关同时导通；当开关电源中的电感处于消磁阶段，通过控制第二开关的开关状态使电容电压恢复至第一电压区间内。
40.在本实用新型的实施例中，针对buck
‑
boost型开关电源，由伏秒平衡原则可知，vout*tdem＝
‑
vin*ton。其中，ton为开关管的导通时间，tdem为开关电源中电感的消磁时间。由vout*tdem＝
‑
vin*ton可知，在充放电电路中，当开关电源中的电感处于充磁阶段，需要控制第一开关导通；当开关电源中的电感处于消磁阶段，通过控制第二开关的开关状态使电容电压恢复至第一电压区间内。
41.在本实用新型的实施例中，针对反激型开关电源，由伏秒平衡原则可知，vout*tdem＝n*vin*ton。其中，ton为开关管的导通时间，tdem为开关电源中电感的消磁时间。由vout*tdem＝n*vin*ton可知(n为匝数比)，在充放电电路中，当开关电源中的电感处于充磁阶段，需要控制第一开关导通；当开关电源中的电感处于消磁阶段，通过控制第二开关的开关状态使电容电压恢复至第一电压区间内。
42.在本实用新型的一实施例中，触发电路还包括计数电路，计数电路的输入端分别耦接消磁信号端和比较电路的输出端。比较电路用于根据消磁信号和比较电路输出的比较信号获得计数信号。当计数信号达到预设阈值，触发电路触发输出过压保护。
43.在本实用新型的一实施例中，充放电电路的输入端分别耦接开关控制信号端和比较电路的输出端。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。充放电电路用于在开关电源中开关管的下一开关周期到来前或下一开关周期到来时，通过对第一电容进行充放电使所述第一电容的电容电压恢复至第一电压区间内。即可通过控制第一开关s1和第二开关s2的开关状态，从而实现对第一电容的电容电压的调节。优选的，第一电压区间为第一预设电压vo。在本实用新型的实施例中，第一预设电压vo与输出电压的阈值电压vovp无关，因此无需限定第一预设电压v0的数值，可根据实际电路进行选定。
44.在本实用新型的一实施例中，针对buck型开关电源，充放电电路根据开关电源中开关管的开关控制信号控制第一开关的开关状态。此外，充放电电路根据比较电路输出的比较信号控制第二开关的开关状态。在具体的实施例中，如图3所示，比较电路和第二开关的控制端之间还耦接有非门，非门的输入端耦接比较电路的输出端，非门的输出端耦接第二开关的控制端，比较电路可以为比较器。
45.在本实用新型的一实施例中，针对buck
‑
boost型开关电源或反激型开关电源，充放电电路根据开关电源中开关管的开关控制信号控制第一开关的开关状态。此外，充放电
电路根据比较电路输出的比较信号和开关管的开关控制信号控制第二开关的开关状态。在具体的实施例中，如图5所示，比较电路和第二开关的控制端之间还耦接或非门，或非门的第一输入端耦接比较电路的输出端，或非门的第二输入端接收开关管的开关控制信号，或非门的输出端耦接第二开关的控制端。
46.在本实用新型的实施例中，如图3和图5可知，buck型开关电源的过压保护电路与buck
‑
boost型开关电源(或反激型开关电源)的过压保护电路相比，在充放电电路的电路结构上有所不同，而比较电路和触发电路的电路结构基本一致。
47.在本实用新型的一实施例中，触发电路包括复位电路和计数电路。复位电路的输入端耦接比较器的输出端，复位电路用于产生计数电路的复位信号。计数电路的输入端耦接复位电路的输出端，计数电路用于根据复位电路输出的复位信号和开关电源中开关管的开关控制信号获得计数信号。
48.在本实用新型的一实施例中，如图3所示，触发电路30包括与门31、锁存器32和计数器33。与门31的第一输入端耦接比较器21的输出端，与门31的第二输入端耦接消磁信号端，通过消磁信号端可获得消磁信号。锁存器32的置位端耦接与门的输出端，锁存器32的复位端耦接开关控制信号端，通过开关控制信号端可获得开关控制信号，锁存器32用于产生计数器33的复位信号。计数器33的输入端分别耦接开关控制信号端和锁存器32的输出端，计数器33用于根据开关控制信号和锁存器32输出的复位信号获得计数信号。
49.在本实用新型的一实施例中，比较电路的正相输入端接收第一预设电压vo，比较电路的反相输入端耦接第一电容c的阳极端，比较电路的复位端耦接开关控制信号端。在开关电源的开关管处于导通状态时，比较电路将进行复位。
50.如图4所示，为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。在电感的充磁阶段，第一开关s1导通。结合图3可知，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，对比较信号取反可控制第二开关s2导通。第一电容的电容电压为第一预设电压v0，充电电流i1＝vin’/r1，放电电流i2＝vth/r2。其中，vin’可以为高压电压hvdd，vth可以为与输出电压的阈值电压相关的电压值，r1和r2为过压保护电路中所设定的电阻阻值。在开关管导通阶段的结束时刻，第一电容的电容电压为v0+ton*(i1
‑
i2)/c。在电感充磁结束且消磁信号tdem＝1的消磁阶段，第一开关s1断开。此时，比较器进行工作，比较器的反相输入端的电压高于正相输入端的电压，比较器输出还为0，第二开关s2仍导通。当充电电流i1消失，第一电容仅通过第二开关s2进行放电，放电电流i2＝vth/r2保持不变。电容电压随时间t(t从消磁阶段的起始点开始计算)变化为：vcap＝v0+ton*(i1
‑
i2)/c
‑
t*i2/c。当电容电压vcap等于第一预设电压v0时，比较器发生翻转，比较器输出为1，此时第二开关s2由开关状态转为断开状态，第一电容不再通过第二开关s2进行放电。优选的，保证每个开关周期开始前或开始时，通过对第一电容进行充放电使第一电容的电容电压恢复至第一预设电压v0。
51.如图4所示，在开关管的正常开关周期内，在电感的消磁阶段，电容电压由电压峰值逐渐降为第一预设电压v0。当电容电压等于第一预设电压v0，此时比较电路输出高电平。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，在本实用新型的实施例中，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，将触发输出过压保护。优选的，预设阈值可以设为2或3。在本实用新型的一实施例中，预设阈值设为3。如图4所示，当计数值为3时，触发电路输出过压保护信号ovp，即计数器的输出信号y处于高电平。在本实用新型的实施例中，图4的时序图可用于解释基于本实用新型的buck型开关电源、buck
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boost型开关电源、反激型开关电源等开关电源拓扑的输出过压保护工作原理。
52.在本实用新型的一实施例中，图3中的与门和锁存器的连接方式还可以改为如图6所示，第一锁存器的置位端耦接比较电路的输出端，第一锁存器的复位端耦接开关控制信号端。与门的第一输入端耦接第一锁存器的输出端，与门的第二输入端耦接消磁信号端。第二锁存器的置位端耦接与门的输出端，第二锁存器的复位端耦接开关控制信号端，第二锁存器的输出端耦接计数器的复位端。
53.在本实用新型的一实施例中，计数电路如图7所示，计数电路包括第一d触发器、第二d触发器和与门。当锁存器输出为1时，计数器清零，触发电路输出的过压保护信号为低电平(即无效状态)。当锁存器输出为0时，计数器进行计数，当计数值达到预设阈值时，则触发电路输出的过压保护信号为高电平(即有效状态)，将触发过压保护，通过累加计数的形式可避免输出过压保护的单次误触发。
54.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。当发生输出过压时，过压保护电路输出过压信号ovp至驱动控制电路，驱动控制电路根据过压信号ovp控制开关管处于关断状态。当输出过压异常解除时，驱动控制电路可控制开关管进行正常开关周期下的开关状态切换。
55.如图8所示，本实用新型的一实施例公开了一种开关电源的过压保护方法，其中，开关电源包括过压保护电路，过压保护电路包括充放电电路和比较电路，充放电电路包括充电电路、放电电路和第一电容。比较电路的第一输入端接收第一预设电压，比较电路的第二输入端耦接第一电容的第一端，过压保护方法包括步骤：
56.s100、在设定条件下对第一电容进行充放电；
57.s200、比较第一预设电压和第一电容的电容电压，并输出比较信号；以及
58.s300、根据消磁信号和比较信号获得计数信号；当计数信号达到预设阈值，触发输出过压保护。消磁信号为开关电源中电感在开关周期内的消磁信号。
59.在本实用新型的一实施例中，在设定条件下对第一电容进行充放电的步骤具体为：在开关电源中开关管的下一开关周期到来前或下一开关周期到来时，通过对第一电容进行充放电使第一电容的电容电压恢复至第一电压区间内。
60.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。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。在设定条件下对所述第一电容进行充放电的步骤具体为：根据开关电源中开关管的开关控制信号控制第一开关的开关状态。根据比较信号控制第二开关的开关状态，从而实现对第一电容的充放电控制。在具体的实施例中，第一电流源的电流大小为i1＝vin’/r1，第二电流源的电流为i2＝vth/r2。其中，vin’可以为高压电压hvdd，vth可以为与输出电压的阈值电压相关的电压值，r1和r2为过压保护电路中所设定的电阻阻值。
61.在本实用新型的一实施例中，比较第一预设电压和第一电容的电容电压，并输出比较信号的步骤还包括：根据开关电源中开关管的开关控制信号控制比较电路的复位状态。
62.在本实用新型的一实施例中，根据消磁信号和比较信号获得计数信号的步骤具体包括：对开关电源中开关管的各开关周期依次进行计数。当根据消磁信号和比较信号而产生计数的复位信号时，将计数进行复位，并在下一开关周期重新开始进行计数。
63.本实用新型提出了一种开关电源及其过压保护电路，本实用新型适用于断续导通模式dcm和临界导通模式bcm，本实用新型适用于buck型开关电源、buck
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boost型开关电源和反激型开关电源等。其中，过压保护电路包括充放电电路、比较电路和触发电路。本实用新型中，通过根据消磁信号和比较信号判别开关电源是否发生输出过压，能快速识别输出过压，并有效防止误触发。在开关电源中开关管的各个开关周期内，通过对第一电容的电容电压进行控制，使每个充磁阶段开始时或开始前的电容电压都恢复至第一电压区间内。即本实用新型中各个开关周期的起始条件一致，不同于现有技术中电容电压会随着各个开关周期而逐渐累积升高，若输出电压只比输出过压阈值略大，则现有技术的输出过压保护ovp反应的时间将较长，达不到快速保护的效果。而本实用新型能快速识别输出过压，并有效防止误触发，输出过压保护检测的响应度更好。此外，现有技术中图1的技术方案只能适用于输出接地的过压保护电路结构，图2的技术方案只能适用于输出浮地的过压保护电路结构(若要输出接地，芯片上需要多设置两个引脚以采样输出电压vout)，本实用新型可适用于输出接地和输出浮地此两种电路结构。本实用新型提出了一种开关电源及其过压保护电路，可有效提高开关电源输出过压保护的过压识别响应度和抗干扰性，且省去了额外的芯片引脚。
64.上述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。实施例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而可能在实验例中不能体现，不用于对实施例进行限制。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。