CN104360288A - 开关电源的空载检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源的空载检测电路，其中包括采样电路、第一计数器及第二计数器；所述的采样电路、第一计数器及第二计数器的时钟输入端与时钟输入信号相连接，所述的采样电路的信号输入端与开关导通信号相连接，所述的采样电路的输出信号与所述的第二计数器的清零端相连接，所述的第二计数器的信号输出端、第二计数器的清零端以及第一计数器的清零端相连接，且所述的第二计数器的上限值小于第一计数器的上限值，本发明还涉及一种开关电源的空载检测方法。采用该种结构的开关电源的空载检测电路及检测方法，减少模拟电路的使用，通过判断开关电源是否处于有载来判断开关电源是否是空载，结构简单，易于集成，应用范围广泛。

Description

开关电源的空载检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及开关电源，具体是指一种开关电源的空载检测电路及检测方法。

背景技术

在采用开关电源方式的电子设备中，特别是在移动设备，如移动电源等，当负载移除后进入空载状态，系统进入待机模式，以此降低系统功耗。

请参阅图1所示，为开关电源芯片空载检测的第一种实现电路，传统的开关电源芯片空载检测技术是在负载通路上串联一个阻值较小的电阻，该方案是通过检测该串联电阻Rs两端的压降来判断电路是否空载。

请参阅图2与图3所示，为开关电源芯片空载检测的第二种实现电路及其具体实施方式，所述的检测方法是通过可调电阻的方式，即通过改变空载和带载时的功率管的导通电阻来检测实现的：通过COM2检测到负载变小时关闭功率管Q2，使电流通路上的导通电阻增大以此来增大输出管导通时源漏之间的电压，再利用COM1判断是否处于空载状态。

上述第一种实现电路的缺点：因为增加了一个采样电阻Rs，电阻的取值需综合考虑，取值过大会影响转换效率，取值小又不容易检测。

上述第二种实现电路的缺点：虽然针对第一种实现电路“取值小不容易检测”的缺点进行了优化，但需要复杂的模拟电路检测，几个阈值电压需要合理的设置，如Vth2的设置如果设置过大，那么电路可能在两种状态(Q2的导通和关闭)反复切换，如果太小也会面临第一种实现电路不易检测的问题。该方案对于伪空载状态(外部的扰动产生的短时间的电流震荡使Vds1电压在某个周期低于阈值电压)也会做出响应，导致电路发出无效的空载判断，并反复切换。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够少模拟电路的使用、通过判断开关电源是否带载而反向判断开关电源是否处于空载状态、电路结构简单、易于集成、应用范围广泛的开关电源的空载检测电路及检测方法。

为了实现上述目的，本发明的开关电源的空载检测电路及检测方法具有如下构成：

该开关电源的空载检测电路，其主要特点是，所述的电路包括采样电路、第一计数器及第二计数器；所述的采样电路、第一计数器及第二计数器的时钟输入端与时钟输入信号相连接，所述的采样电路的信号输入端与开关导通信号相连接，所述的采样电路的输出信号与所述的第二计数器的清零端相连接，所述的第二计数器的信号输出端、第二计数器的清零端以及第一计数器的清零端相连接，且所述的第二计数器的上限值小于第一计数器的上限值。

进一步地，所述的第一计数器与所述的第二计数器包括触发器及外围逻辑电路。

进一步地，所述的采样电路包括触发器。

本发明还涉及一种实现开关电源空载检测的方法，其主要特点是，所述的时钟输入信号及开关导通信号输入至所述的电路中，所述的方法包括第一计数器处理过程及第二计数器处理过程：

所述的第一计数器处理过程包括以下步骤：

(1.1)所述的第一计数器根据所述的时钟输入信号开始计数；

(1.2)所述的第一计数器判断所述的第一计数器的计数值是否等于第一计数器的上限值；

(1.3)如果所述的第一计数器的计数值等于第一计数器的上限值，则所述的电路输出所述的开关电源处于空载状态的结果；否则继续步骤(1.4)；

(1.4)所述的第一计数器加1，然后返回上述步骤(1.2)；

所述的第二计数器处理过程包括以下步骤：

(2.1)所述的第二计数器根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数；

(2.2)所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过开关导通时间阈值；

(2.3)如果所述的开关导通信号的导通时间超过开关导通时间阈值，则所述的第二计数器加1，然后继续步骤(2.5)；否则继续步骤(2.4)；

(2.4)所述的第二计数器清零后，根据所述的时钟输入信号开始计数，然后继续步骤(2.2)；

(2.5)所述的第二计数器判断所述的第二计数器的计数值是否等于第二计数器的上限值；

(2.6)如果所述的第二计数器的计数值等于第二计数器的上限值，则所述的第一计数器及第二计数器均清零后，根据所述的时钟输入信号同时开始计数，然后继续步骤(2.2)；否则继续步骤(2.2)。

进一步地，所述的第一计数器根据所述的时钟输入信号开始计数，具体为：

所述的第一计数器清零后，根据所述的时钟输入信号开始计数。

进一步地，所述的第二计数器根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数，具体为：

所述的第二计数器与所述的第一计数器同时清零后，根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数。

进一步地，所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过开关导通时间阈值，具体为：

所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过带载时开关的导通时间。

采用了该发明中的开关电源的空载检测电路及检测方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的开关电源的空载检测电路，采用数字电路代替模拟电路，减少了模拟电路的使用，结构简单，易于集成，应用范围广泛；本发明的开关电源的空载检测方法，通过对开关导通信号的导通时间采样，并经由数字电路处理后，通过判断开关电源是否带载而反向判断开关电源是否处于空载状态，构思巧妙，易于实现，判断过程简单准确。

附图说明

图1为现有技术中开关电源芯片空载检测的第一种实现电路。

图2为现有技术中开关电源芯片空载检测的第二种实现电路。

图3为现有技术中开关电源芯片空载检测的第二种实现电路的具体实施方式。

图4为开关电源处于带载和空载的状态下的波形图。

图5为本发明的开关电源的空载检测方法的波形检测原理图。

图6为本发明的开关电源的空载检测方法的步骤流程图。

图7为本发明的开关电源的空载检测电路的模块结构示意图。

图8为本发明的开关电源的空载检测电路的电路图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

请参阅图4至图5所示，为本发明的开关电源空载检测方法的波形图，其中，无论电流型或电压型开关电源电路，其与电感相连的驱动管都是以开关的方式工作。在空载时，开关管间歇式导通或在每个周期以很短的时间导通，或同时使开关频率降低。

请参阅图4所示，(A)是带载时的开关波形，在稳定的开关电源系统中，电路会根据输入电压、输出电压、转换效率等自行调节占空比以适应功率输出，电路工作模式可能是CCM(Continuous Conduction Model连续导通模式)也可能是DCM(Discontinuous ConductionModel非连续导通模式)，但电路基本是逐周工作方式，并具有相对稳定的占空比；

当电路空载时，工作模式由CCM模式转换到DCM模式，并且占空比减小，或者在DCM工作方式下减小占空比，即波形(B)，这时开关波形的占空比很小；也可能是间歇式的工作方式即波形(C)，这种情况一般会出现在电压模式的PWM控制器转换结构中，而且这种波形常常没有规律性。因此从工作的波形上直接判断是否空载需要检测到上述两种可能的情况，检测方式也相对复杂，与之相对的状态是带载，其工作的波形单一，更容易采样判断。

请参阅图5所示，比较图5中开关电源的几种工作状态的特征，可以明显的看出，带载时功率管是每周期导通的，并且维持一定的占空比，即每周期有相对稳定的导通时间，因此只要在连续的N个周期中，每周期导通时间不小于设定的时间τ，可认为是带载状态，与之相对的就是空载状态。

请参阅图6所示，为本发明的开关电源的空载检测方法的步骤流程图，其中，所述的方法包括第一计数器处理过程及第二计数器处理过程：

所述的第一计数器处理过程包括以下步骤：

(1.1)所述的第一计数器根据所述的时钟输入信号开始计数；

(1.2)所述的第一计数器判断所述的第一计数器的计数值是否等于第一计数器的上限值；

(1.3)如果所述的第一计数器的计数值等于第一计数器的上限值，则所述的电路输出所述的开关电源处于空载状态的结果；否则继续步骤(1.4)；

(1.4)所述的第一计数器加1，然后返回上述步骤(1.2)；

所述的第二计数器处理过程包括以下步骤：

(2.1)所述的第二计数器根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数；

(2.2)所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过开关导通时间阈值；

(2.3)如果所述的开关导通信号的导通时间超过开关导通时间阈值，则所述的第二计数器加1，然后继续步骤(2.5)；否则继续步骤(2.4)；

(2.4)所述的第二计数器清零后，根据所述的时钟输入信号开始计数，然后继续步骤(2.2)；

(2.5)所述的第二计数器判断所述的第二计数器的计数值是否等于第二计数器的上限值；

(2.6)如果所述的第二计数器的计数值等于第二计数器的上限值，则所述的第一计数器及第二计数器均清零后，根据所述的时钟输入信号同时开始计数，然后继续步骤(2.2)；否则继续步骤(2.2)。

使用第二计数器的目的是判断电路是否处于带载；如果第一计数器将被不断清零，不会出现判断为空载状态的条件；反之第二计数器不断的被清零，第一计数器连续计数，直到判断为空载状态的条件出现。

其中，所述的第一计数器根据所述的时钟输入信号开始计数，具体为：

所述的第一计数器清零后，根据所述的时钟输入信号开始计数。

此外，所述的第二计数器根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数，具体为：

所述的第二计数器与所述的第一计数器同时清零后，根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数。

最后，所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过开关导通时间阈值，具体为：

所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过带载时开关的导通时间。

此处，针对带载时开关的导通时间作以下限定：

带载时开关的导通时间是由开关电源制造商经过大量实验所得出的；在此步骤中，为了防止偶然误差的出现，也可以是连续采样开关的有限个周期的导通时间和，再进行判断，其中，关于连续采样开关的有限个周期的导通时间和中的有限个周期的具体设定，可以是由开关电源制造商经过大量实验得出，在此不再赘述。

为了更好的说明本发明的开关电源的空载检测方法，请参阅图6所示，该方法包括以下步骤：

第一步：将第一计数器及第二计数器全部清零。

第二步：第二计数器清零后，如果在一个周期内到开关的导通时间未超过预设值τ(不符合带载波形特征)，则第二计数器被清零(该清零动作对第一计数器无影响，第一计数器继续计数)。反之，第二计数器继续计数，记录带载持续的周期数。

第三步：判断第二计数器的计数是否达到预设值n，如果否，则在下一个周期继续判断开关管的导通时间是否超过预设值τ，即重复第二步；如果是说明电路处于带载状态，将对第一计数器、第二计数器进行清零后开始第一步。

第四步：如果在第一计数器计数到预设值m前，第二计数器的计数没有达到n，则将开关电源状态判定为空载。

其中，在上述检测方法中，m为第一计数器的上限值，n为第二计数器的上限值，且m>n。

请参阅图7至图8所示，为本发明的开关电源的空载检测电路的模块结构示意图及电路图，其中，所述的电路包括采样电路、第一计数器及第二计数器；所述的采样电路、第一计数器及第二计数器的时钟输入端与时钟输入信号相连接，所述的采样电路的信号输入端与开关导通信号相连接，所述的采样电路的输出信号与所述的第二计数器的清零端相连接，所述的第二计数器的信号输出端、第二计数器的清零端以及第一计数器的清零端相连接，且所述的第二计数器的上限值小于第一计数器的上限值。

其中，采样电路，包括采样时钟输入CK、开关导通信号IN及采样结果输出。

采样电路通过时钟CK判断开关每个周期的导通时间(开关导通信号IN)是否达到预设值τ；如果在一个时钟周期内到开关管的导通时间未超过预设值τ，采样电路将输出低电平，第二计数器被清零；反之，采样电路将输出高电平，对第二计数器无影响。

此外，第二计数器电路包括计数时钟CK、清零信号CLR及输出。

每个时钟周期第二计数器自动计数一次，直到计数值达到n时，输出低电平信号。

清零信号CLR有效时，第二计数器将清零，重新开始计数。

两种情况之一出现都可以使第二计数器清零：

采样电路输出低电平，或第二计数器输出低电平。

最后，第一计数器包括计数时钟CK、清零信号CLR及输出。

每个时钟周期第一计数器自动计数一次，直到计数值达到m时，输出空载信号，表示电路判断结果为空载。

清零信号CLR有效时，第一计数器将清零，重新开始计数。第二计数器电路输出低电平时使第一计数器清零。

请参阅图8所示，本发明的采样电路由一个D触发器及延迟单元DELAY组成；第二计数器由若干个D触发器、与门、反相器组成；第一计数器由若干个D触发器、与门、反相器组成，此外，本发明的采样电路、第一计数器及第二计数器可以由其他触发器及逻辑电路组成，例如RS触发器等，另外，第一计数器的上限值m及第二计数器的上限值n只要满足条件m>n即可。

采用了该发明中的开关电源的空载检测电路及检测方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的开关电源的空载检测电路，采用数字电路代替模拟电路，减少了模拟电路的使用，结构简单，易于集成，应用范围广泛；本发明的开关电源的空载检测方法，通过对开关导通信号的导通时间采样，并经由数字电路处理后，通过判断开关电源是否带载而反向判断开关电源是否处于空载状态，构思巧妙，易于实现，判断过程简单准确。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种开关电源的空载检测电路，其特征在于，所述的电路包括采样电路、第一计数器及第二计数器；所述的采样电路、第一计数器及第二计数器的时钟输入端与时钟输入信号相连接，所述的采样电路的信号输入端与开关导通信号相连接，所述的采样电路的输出信号与所述的第二计数器的清零端相连接，所述的第二计数器的信号输出端、第二计数器的清零端以及第一计数器的清零端相连接，且所述的第二计数器的上限值小于第一计数器的上限值。

2.根据权利要求1所述的开关电源的空载检测电路，其特征在于，所述的第一计数器与所述的第二计数器包括触发器及外围逻辑电路。

3.根据权利要求1所述的开关电源的空载检测电路，其特征在于，所述的采样电路包括触发器。

4.一种基于权利要求1所述的电路实现开关电源空载检测的方法，其特征在于，所述的时钟输入信号及开关导通信号输入至所述的电路中，所述的方法包括第一计数器处理过程及第二计数器处理过程：

所述的第一计数器处理过程包括以下步骤：

(1.1)所述的第一计数器根据所述的时钟输入信号开始计数；

(1.2)所述的第一计数器判断所述的第一计数器的计数值是否等于第一计数器的上限值；

(1.3)如果所述的第一计数器的计数值等于第一计数器的上限值，则所述的电路输出所述的开关电源处于空载状态的结果；否则继续步骤(1.4)；

(1.4)所述的第一计数器加1，然后返回上述步骤(1.2)；

所述的第二计数器处理过程包括以下步骤：

(2.1)所述的第二计数器根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数；

(2.2)所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过开关导通时间阈值；

(2.3)如果所述的开关导通信号的导通时间超过开关导通时间阈值，则所述的第二计数器加1，然后继续步骤(2.5)；否则继续步骤(2.4)；

(2.4)所述的第二计数器清零后，根据所述的时钟输入信号开始计数，然后继续步骤(2.2)；

(2.5)所述的第二计数器判断所述的第二计数器的计数值是否等于第二计数器的上限值；

(2.6)如果所述的第二计数器的计数值等于第二计数器的上限值，则所述的第一计数器及第二计数器均清零后，根据所述的时钟输入信号同时开始计数，然后继续步骤(2.2)；否则继续步骤(2.2)。

5.根据权利要求4所述的实现开关电源空载检测的方法，其特征在于，所述的第一计数器根据所述的时钟输入信号开始计数，具体为：

所述的第一计数器清零后，根据所述的时钟输入信号开始计数。

6.根据权利要求4所述的实现开关电源空载检测的方法，其特征在于，所述的第二计数器根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数，具体为：

所述的第二计数器与所述的第一计数器同时清零后，根据所述的时钟输入信号与所述的第一计数器同时开始计数。

7.根据权利要求4所述的实现开关电源空载检测的方法，其特征在于，所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过开关导通时间阈值，具体为：

所述的采样电路判断所述的开关导通信号的导通时间是否超过带载时开关的导通时间。