CN103151910B - 一种欠压保护电路、欠压保护方法及开关电源 - Google Patents

一种欠压保护电路、欠压保护方法及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种欠压保护电路、保护方法及开关电源，通过欠压检测电路来检测开关电源的输入电压是否欠压，若所述输入电压处于非欠压状态，则通过选择电路选择输出电压误差反馈信号传输给控制电路以控制开关电源输出电压保持稳定；若所述输入电压处于欠压状态，所述选择电路选择第二控制信号传输给控制电路以控制开关电源的输入功率减小，如可以通过调节开关电源的输入电流减小或调节功率开关管的开关频率减小或缩短功率开关管的导通时间等方法来减小输入功率，从而保护开关电源中的功率器件免受损害。

Description

一种欠压保护电路、欠压保护方法及开关电源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，更具体地说，涉及一种应用于开关电源中的欠压保护电路、保护方法。
背景技术
在开关电源的应用过程中，由于外部的供电电网可能会出现异常，如突然掉电或电压不足，可能会对开关电源中的功率器件造成一定的损害，因此，在开关电源的设计中，开关电源的输入电压的欠压检测和保护是设计的一个重要环节。
现有技术中通常是将外部电网电压通过串联连接的分压电阻网络得到一检测电压，所述检测电压随着电网电压成比例变化，当检测电压下降到预定电压之下时，系统采取一定的保护措施，传统的保护措施是开关电源停止工作或是采用备用电池。这种欠压检测和保护的不足在于当外部电源电压高的时候，分压电阻的阻值也高，一方面增加了功耗，另一方面也增加了系统的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种欠压保护电路，其首先通过欠压检测电路来检测开关电源的输入电压是否欠压，若所述输入电压处于非欠压状态，则通过选择电路和控制电路控制开关电源输出电压保持稳定；若所述输入电压处于欠压状态，所述选择电路和控制电路控制开关电源的输入功率减小，以保护开关电源中的功率器件免受损害。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
依据本发明的一种欠压保护电路，应用于开关电源中，包括欠压检测电路、选择电路和控制电路，
所述欠压检测电路接收一表征所述开关电源输入电压的第一电压，以据此检测所述开关电源输入电压是否欠压，并输出一检测结果；
所述选择电路与所述欠压检测电路连接，以根据所述检测结果选择将一第一控制信号或一第二控制信号作为控制信号传输给所述控制电路；其中，所述第一控制信号为所述开关电源的输出电压误差反馈信号，所述第二控制信号不大于所述第一控制信号；
所述控制电路接收所述选择电路输出的控制信号，并且，
当所述控制信号为第一控制信号时，所述控制电路控制所述开关电源中功率开关管的开关动作以保证所述开关电源的输出电压保持稳定；
当所述控制信号为第二控制信号时，所述控制电路控制所述功率开关管的开关动作以减小所述开关电源的输入功率。
进一步的，所述欠压检测电路包括一峰值检测电路和第一比较电路，
所述峰值检测电路接收表征所述开关电源输入电压的第一电压，产生一表征所述输入电压峰值信息的峰值电压信号；
所述比较电路接收所述峰值电压信号和一第一参考电压，并进行比较处理以产生一第一比较信号作为所述检测结果；
并且，当所述峰值电压信号小于所述第一参考电压时，表征所述开关电源输入电压欠压，所述第一比较信号为高电平状态；
当所述峰值电压信号大于所述第一参考电压时，表征所述开关电源输入电压为非欠压状态，所述第一比较信号为低电平状态。
优选的，当所述检测结果即所述第一比较信号为高电平状态时，所述选择电路选择所述第二控制信号作为控制信号传输给所述控制电路；
当所述检测结果即所述第一比较信号为低电平状态时，所述选择电路选择所述第一控制信号即所述输出电压误差反馈信号作为控制信号传输给所述控制电路。
进一步的，所述控制电路包括一第二比较电路和一逻辑电路，
所述第二比较电路的第一输入端接收所述选择电路输出的控制信号，其第二输入端接收一表征所述开关电源输入电流的采样电压信号，进行比较后输出一第二比较信号；
所述逻辑电路的第一输入端接收所述第二比较信号，第二输入端接收一第一时钟信号，产生一逻辑控制信号用以控制所述功率开关管的开关动作。
优选的，所述控制电路还包括一时钟信号调节电路，所述时钟信号调节电路接收所述第一时钟信号和所述控制信号，并根据所述控制信号调节所述第一时钟信号的频率，以将调节后的第一时钟信号传输给所述逻辑电路的第二输入端。
优选的，所述控制电路还包括一第一计时电路和一第一或门，
所述第一计时电路的第一输入端接收所述控制信号，第二输入端接收所述逻辑控制信号，其输出端接所述第一或门的第一输入端；
所述第一或门的第二输入端接收所述第二比较信号，经或运算后输出信号至所述逻辑电路的第一输入端；
所述第一计时电路根据所述控制信号和所述逻辑控制信号以调节所述功率开关管的导通时间。
优选的，所述欠压保护电路还包括辅助供电电路、负载检测电路和一放电电路，
所述辅助供电电路接收表征所述开关电源输入电压的第一电压，并产生一供电电压；
所述负载检测电路用以检测所述开关电源的负载状态；
所述放电电路接收所述检测结果和所述供电电压，以根据所述检测结果和负载状态选择是否将所述供电电压放电。
依据本发明的一种欠压保护方法，应用于开关电源中，包括以下步骤：
步骤1：检测所述开关电源输入电压是否欠压，并输出一检测结果；
步骤2：根据所述检测结果选择一第一控制信号或一第二控制信号作为控制信号传输给所述开关控制电路；
其中，所述第一控制信号为所述开关电源的输出电压误差反馈信号，所述第二控制信号不大于所述第一控制信号；
步骤3：接收所述控制信号，并且，
当所述控制信号为第一控制信号时，控制所述开关电源中功率开关管的开关动作以保证所述开关电源的输出电压保持稳定；
当所述控制信号为第二控制信号时，控制所述功率开关管的开关动作以减小所述开关电源的输入功率。
进一步的，还包括：
接收表征所述开关电源输入电压的第一电压，并产生一供电电压；
检测所述开关电源的负载状态；
接收所述检测结果和所述供电电压，以根据所述检测结果和负载状态选择是否将所述供电电压放电。
依据本发明的一种开关电源，包括功率级电路，还包括上述的欠压保护电路。
依据本发明的欠压保护电路、保护方法及开关电源，通过欠压检测电路来检测开关电源的输入电压是否欠压，若所述输入电压处于非欠压状态，则通过选择电路选择输出电压误差反馈信号传输给控制电路以控制开关电源输出电压保持稳定；若所述输入电压处于欠压状态，所述选择电路选择第二控制信号传输给控制电路以控制开关电源的输入功率减小，如可以通过调节开关电源的输入电流减小或调节功率开关管的开关频率减小或导通时间减小等方式来减小输入功率，从而保护开关电源中的功率器件免受损害。
附图说明
图1所示为依据本发明的一种欠压保护电路的第一实施例的原理框图；
图2所示为图1所示的欠压保护电路的具体电路图；
图3A所示为图2所示的欠压保护电路中的控制电路的第一种具体实现方式；
图3B所示为图2所示的欠压保护电路中的控制电路的第二种具体实现方式；
图3C所示为图2所示的欠压保护电路中的控制电路的第三种具体实现方式；
图4所示为依据本发明的一种欠压保护电路的第二实施例的原理框图；
图5所示为依据本发明的一种欠压保护方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图1，所示为依据本发明的一种欠压保护电路的第一实施例的原理框图；所述欠压保护电路应用于开关电源中，本实施例中以反激式开关电源为例进行说明，其功率级电路中包括有一变压器(包括原边绕组T1和副边绕组T2)、功率开关管QM和与其串联连接的一采样电阻RC。如图1所示，本发明实施例中输入电压信息的采样采取一与所述开关电源中的输入电感（如原边绕组T1）相耦合的辅助电感T3，以根据所述辅助电感上的感应电压产生表征所述输入电压信息的第一电压V1。不直接采用分压电阻网络采样输入电压一方面可减少芯片的引脚，另一方面可减小分压电阻网络带来的功率损耗。
所述欠压保护电路包括欠压检测电路101、选择电路102和控制电路103，所述欠压检测电路101接收表征所述开关电源输入电压的第一电压V1，通过将所述第一电压的峰值信号与一第一参考电压Vref1进行比较以检测所述开关电源输入电压是否欠压，并输出一检测结果CTRL；
所述选择电路102与所述欠压检测电路101连接，以根据所述检测结果CTRL选择一第一控制信号Vcomp或一第二控制信号Vc_min作为控制信号Vc传输给所述控制电路；其中，所述第一控制信号为所述开关电源的输出电压误差反馈信号，所述第二控制信号不大于所述第一控制信号；
所述控制电路103接收所述选择电路输出的控制信号Vc，并且，当所述控制信号为第一控制信号时，所述控制电路控制所述开关电源中功率开关管的开关动作以保证所述开关电源的输出电压保持稳定；当所述控制信号为第二控制信号时，所述控制电路控制所述功率开关管的开关动作以减小所述开关电源的输入功率。
本发明实施例的欠压保护电路首先通过欠压检测电路判断开关电源的输入电压是否欠压，若处于非欠压状态，则控制功率级电路正常输出工作；若处于欠压状态，则控制功率级电路的输入功率减小以进行欠压保护。
参考图2，所示为图1所示的欠压保护电路的具体电路图，所述欠压检测电路101具体包括一峰值检测电路201和一第一比较电路，本实施例中第一比较电路包括一第一迟滞比较器202，所述峰值检测电路201接收表征所述开关电源输入电压的第一电压V1，产生一表征所述输入电压峰值信息的峰值电压信号VQPV；这里峰值检测电路201的一种具体实现方式可以参考中国专利申请CN201310076683.4所记载的技术方案。
进一步的，所述第一迟滞比较器202接收所述峰值电压信号VQPV和所述第一参考电压Vref1，并进行比较处理以产生一第一比较信号作为所述检测结果CTRL；其中，所述第一参考电压Vref1可通过一电流源I1在一电阻R1上产生压降生成。具体地，当所述峰值电压信号VQPV小于所述第一参考电压Vref1时，表征所述开关电源输入电压欠压，所述第一比较信号为高电平状态；当所述峰值电压信号VQPV大于所述第一参考电压Vref时，表征所述开关电源输入电压为非欠压状态，所述第一比较信号为低电平状态。
当所述检测结果即所述第一比较信号为高电平状态时，所述选择电路102选择所述第二控制信号Vc_min作为控制信号Vc传输给所述控制电路；当所述检测结果即所述第一比较信号为低电平状态时，所述选择电路102选择所述第一控制信号即所述输出电压误差反馈信号Vcomp作为控制信号Vc传输给所述控制电路。这里，本实施例中的第一控制信号即输出电压误差反馈信号Vcomp通过将输出电压反馈电压Vfb与一第二参考电压Vref2进行比较误差放大，然后将所述误差放大信号经一RC电路补偿后获得所述输出电压误差反馈信号Vcomp。所述第二控制信号Vc_min为不大于所述输出电压误差反馈信号Vcomp，本实施例中优选为所述第二控制信号Vc_min等于所述输出电压误差反馈信号Vcomp的最小值。
图3A所示为所述控制电路103的第一种具体实现方式；其包括第二比较电路和一逻辑电路，具体地，所述第二比较电路具体为一第二比较器301，所述逻辑电路具体为一RS触发器302。所述第二比较器301的第一输入端接收所述选择电路输出的控制信号Vc，其第二输入端接收一表征所述开关电源输入电流的采样电压信号VS，进行比较后输出一第二比较信号VC2，所述RS触发器302的第一输入端（即复位端）接收所述第二比较信号VC2，第二输入端（即置位端）接收一第一时钟信号CLK1，产生一逻辑控制信号Vct用以控制所述功率开关管QM的开关动作，优选的，所述逻辑控制信号Vct经两个反相器处理后控制所述功率开关管QM的开关动作，以增强驱动能力。
本实施例中的欠压保护电路的工作过程：当所述峰值电压信号VQPV小于所述第一参考电压Vref1时，所述第一比较信号为高电平状态，表征所述开关电源输入电压欠压，此时，所述选择电路选择第二控制信号Vc_min作为控制信号Vc传输给控制电路，所述控制电路中的第二比较器的反相输入端接收所述控制信号Vc，同相输入端接收所述采样电压信号VS。当所述采样电压信号VS高于所述控制信号Vc时，所述第二比较器输出端输出的第二比较信号VC2为高电平状态，所述RS触发器的复位端接收所述第二比较信号VC2，输出的所述逻辑控制信号Vct变为低电平状态，所述逻辑控制信号Vct控制所述功率开关管QM的关断以使所述开关电源的输入电流减小，从而减小所述开关电源的输入功率。
当所述峰值电压信号VQPV大于所述第一参考电压Vref1时，所述第一比较信号为低电平状态，表征所述开关电源输入电压非欠压，此时，所述选择电路选择输出电压误差反馈信号Vcomp作为控制信号Vc传输给控制电路，所述控制电路根据所述输出电压误差反馈信号Vcomp控制开关电源的输出电压保持稳定。
从上述的工作过程可以看出，本发明实施例的欠压保护电路通过将表征输入电压峰值的峰值电压信号与第一参考电压进行比较来判断输入电压是否欠压，其相对于现有技术，无需分压电阻网络，减小成本与体积。当判断输入电压处于欠压状态时，所述欠压保护电路通过控制输入电流减小从而减小输入功率，以保护开关电源中的功率器件不会被损坏。
参考图3B，所示为所述控制电路103的第二种具体实现方式；与图3A所不同的是，其在图3A的基础上增加了时钟信号调节电路303，与图3A相同的电路不重复阐述，所述时钟信号调节电路303输入端接收所述控制信号Vc和所述第一时钟信号CLK1，并根据所述控制信号调节所述第一时钟信号的频率，记调节后的第一时钟信号为CLK1’，调节后的第一时钟信号为CLK1’传输给所述逻辑电路的第二输入端。
具体地，在检测到所述输入电压处于欠压状态时，所述选择电路102将所述第二控制信号Vc_min作为控制信号Vc传输给控制电路103，所述控制电路103根据所述第二控制信号Vc_min控制所述开关电源的输入电流减小，其控制过程与上述的控制电路的第一种实现方式相同。进一步的，在第二种实现方式中，所述时钟信号调节电路303接收所述控制信号Vc，并据此减小所述第一时钟信号的频率，从而使功率开关管在输入电压欠压状态下的工作频率降低，从而进一步减小了开关电源的输入功率，达到欠压保护的目的。
参考图3C，所示为所述控制电路103的第三种具体实现方式；与图3A所不同的是，其在图3A的基础上增加了第一计时电路304和第一或门305，与图3A相同部分的电路不重复阐述，第一计时电路304的第一输入端接收所述控制信号Vc，第二输入端接收所述逻辑控制信号Vct，其输出端接所述第一或门305的第一输入端；所述第一或门305的第二输入端接收所述第二比较信号，经或运算后输出信号至所述逻辑电路的第一输入端，即所述RS触发器的复位端；所述第一计时电路304根据所述控制信号Vc和逻辑控制信号Vct以调节所述功率开关管的导通时间。
同样地，在检测到所述输入电压处于欠压状态时，所述选择电路102将所述第二控制信号Vc_min作为控制信号Vc传输给控制电路103，所述控制电路103根据所述第二控制信号Vc_min控制所述开关电源的输入电流减小，其控制过程与上述控制电路的第一种实现方式相同，不重复描述。进一步的，在第三种实现方式中，所述第一计时电路接收所述控制信号Vc和逻辑控制信号Vct，并据此来调节所述功率开关管的导通时间，如缩短所述功率开关管的导通时间TON，以使功率级电路的输入功率减小，达到欠压保护的目的。
从上述的控制电路的具体实现方式可知，在所述开关电源输入电压欠压的情况下，本发明的欠压保护电路可采用不同的保护方式，如减小开关电源的输入电流、降低功率开关管的工作频率或是缩短功率开关管的导通时间等方式以减小开关电源功率级电路的输入功率，从而保护开关电源中的功率器件不受损害。
图4所示为依据本发明的一种欠压保护电路的第二实施例的原理框图；与第一实施例不同的是，本发明实施例在第一实施例的基础上所述欠压保护电路还包括一辅助电压电路401、放电电路402和一负载检测电路403，其中，所述辅助电压电路401接收表征所述开关电源输入电压的第一电压V1，并产生一供电电压VCC，所述供电电压VCC用以为开关电源的控制芯片提供供电电压。所述负载检测电路403用以检测所述开关电源的负载状态，其具体实现电路可为现有技术中的任何一个合适的电路结构。所述放电电路402接收所述检测结果CTRL和所述供电电压VCC，以根据所述检测结果和负载状态选择是否将所述供电电压放电。
具体地，所述放电电路包括一第一晶体管Q1和一电阻R2，所述第一晶体管第一功率端接所述供电电压VCC，第二功率端与电阻R2串联后接地，其控制端接收所述检测结果CTRL，当所述检测结果CTRL为高电平状态时，并且，所述负载检测电路403检测到负载为空载状态时，所述第一晶体管Q1导通，所述供电电压VCC通过电阻R2放电，这时，控制芯片进入停止工作状态，减少了功率损耗。
参考图5，所示为依据本发明的一种欠压保护方法的一实施例的流程图；所述欠压保护方法应用于开关电源中，具体包括以下步骤：
步骤1：检测所述开关电源输入电压是否欠压，并输出一检测结果；
步骤2：根据所述检测结果选择一第一控制信号或一第二控制信号作为控制信号传输给所述开关控制电路；
其中，所述第一控制信号为所述开关电源的输出电压误差反馈信号，所述第二控制信号不大于所述第一控制信号；
步骤3：接收所述控制信号，并且，
当所述控制信号为第一控制信号时，控制所述开关电源中功率开关管的开关动作以保证所述开关电源的输出电压保持稳定；
当所述控制信号为第二控制信号时，控制所述功率开关管的开关动作以减小所述开关电源的输入功率。
进一步的，还包括步骤：
接收表征所述开关电源输入电压的第一电压，并产生一供电电压；
检测所述开关电源的负载状态；
接收所述检测结果和所述供电电压，以根据所述检测结果和负载状态选择是否将所述供电电压放电。
此外，本发明优选实施例还公开了一种开关电源，包括功率级电路和上述的欠压保护电路，其功率级电路可以为任何合适的拓扑结构，如反激式、正激式、升压型、降压型等，同样地，所述开关电源具有上述欠压保护电路的可保护功率器件不受损害的优点等。
以上对依据本发明的优选实施例的欠压保护电路、欠压保护方法及开关电源进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
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。

Claims (9)

1.一种欠压保护电路，应用于开关电源中，其特征在于，包括欠压检测电路、选择电路和控制电路，
所述欠压检测电路接收一表征所述开关电源输入电压的第一电压，以据此检测所述开关电源输入电压是否欠压，并输出一检测结果；
所述选择电路与所述欠压检测电路连接，以根据所述检测结果选择将一第一控制信号或一第二控制信号作为控制信号传输给所述控制电路；其中，所述第一控制信号为所述开关电源的输出电压误差反馈信号，所述第二控制信号不大于所述第一控制信号；
所述控制电路包括一第二比较电路和一逻辑电路，
所述第二比较电路的第一输入端接收所述选择电路输出的控制信号，其第二输入端接收一表征所述开关电源输入电流的采样电压信号，进行比较后输出一第二比较信号，
所述逻辑电路的第一输入端接收所述第二比较信号，第二输入端接收一第一时钟信号，产生一逻辑控制信号用以控制所述开关电源中功率开关管的开关动作，以在所述控制信号为第一控制信号时保证所述开关电源的输出电压保持稳定，在所述控制信号为第二控制信号时减小所述开关电源的输入功率。
2.根据权利要求1所述的欠压保护电路，其特征在于，所述欠压检测电路包括一峰值检测电路和第一比较电路，
所述峰值检测电路接收表征所述开关电源输入电压的第一电压，产生一表征所述输入电压峰值信息的峰值电压信号；
所述比较电路接收所述峰值电压信号和一第一参考电压，并进行比较处理以产生一第一比较信号作为所述检测结果；
并且，当所述峰值电压信号小于所述第一参考电压时，表征所述开关电源输入电压欠压，所述第一比较信号为高电平状态；
当所述峰值电压信号大于所述第一参考电压时，表征所述开关电源输入电压为非欠压状态，所述第一比较信号为低电平状态。
3.根据权利要求2所述的欠压保护电路，其特征在于，当所述检测结果即所述第一比较信号为高电平状态时，所述选择电路选择所述第二控制信号作为控制信号传输给所述控制电路；
当所述检测结果即所述第一比较信号为低电平状态时，所述选择电路选择所述第一控制信号即所述输出电压误差反馈信号作为控制信号传输给所述控制电路。
4.根据权利要求1所述的欠压保护电路，其特征在于，所述控制电路还包括一时钟信号调节电路，所述时钟信号调节电路接收所述第一时钟信号和所述控制信号，并根据所述控制信号调节所述第一时钟信号的频率，以将调节后的第一时钟信号传输给所述逻辑电路的第二输入端。
5.根据权利要求1所述的欠压保护电路，其特征在于，所述控制电路还包括一第一计时电路和一第一或门，
所述第一计时电路的第一输入端接收所述控制信号，第二输入端接收所述逻辑控制信号，其输出端接所述第一或门的第一输入端；
所述第一或门的第二输入端接收所述第二比较信号，经或运算后输出信号至所述逻辑电路的第一输入端；
所述第一计时电路根据所述控制信号和所述逻辑控制信号以调节所述功率开关管的导通时间。
6.根据权利要求1所述的欠压保护电路，其特征在于，所述欠压保护电路还包括辅助供电电路、负载检测电路和一放电电路，
所述辅助供电电路接收表征所述开关电源输入电压的第一电压，并产生一供电电压；
所述负载检测电路用以检测所述开关电源的负载状态；
所述放电电路接收所述检测结果和所述供电电压，以根据所述检测结果和负载状态选择是否将所述供电电压放电。
7.一种欠压保护方法，应用于开关电源中，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：检测所述开关电源输入电压是否欠压，并输出一检测结果；
步骤2：根据所述检测结果选择一第一控制信号或一第二控制信号作为控制信号传输给所述开关控制电路；
其中，所述第一控制信号为所述开关电源的输出电压误差反馈信号，所述第二控制信号不大于所述第一控制信号；
步骤3：接收所述控制信号，将所述控制信号与一表征所述开关电源输入电流的采样电压信号进行比较，以输出第二比较信号，并根据第二比较信号和一第一时钟信号，产生一逻辑控制信号用以控制所述开关电源中功率开关管的开关动作，以在所述控制信号为第一控制信号时保证所述开关电源的输出电压保持稳定，在所述控制信号为第二控制信号时减小所述开关电源的输入功率。
8.根据权利要求7所述的欠压保护方法，其特征在于，
接收表征所述开关电源输入电压的第一电压，并产生一供电电压；
检测所述开关电源的负载状态；
接收所述检测结果和所述供电电压，以根据所述检测结果和负载状态选择是否将所述供电电压放电。
9.一种开关电源，包括功率级电路，其特征在于，还包括权利要求1-6任一项所述的欠压保护电路。
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