CN105467333B - 一种开关电源空载检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种开关电源空载检测电路及检测方法，属于电子技术领域。该开关电源空载检测电路包括采集开关电源的占空比信号并进行计数的计数器电路，与计数器电路连接并触发其对该占空比信号的高电平或低电平进行计数的固定时间产生电路，以及与计数器电路和固定时间产生电路均连接并输出信号表示开关电源的带载与空载状态的触发器电路。该检测方法在规定的周期对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数，根据计数的结果判断开关电源的带载或空载状态。本发明采用数字时序逻辑电路实现空载检测，减少了模拟电路的使用，电路结构简单，抗干扰能力强，检测精度高，并且适用于多种调制电路和各种工作模式，应用广泛，实用性强。

Description

一种开关电源空载检测电路及检测方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种检测技术，尤其是开关电源的检测技术。

背景技术

随着手机、平板电脑、移动电源等便携式电子产品的普及，锂电池作为供电装置得到了广泛应用。为了提高电池的续航能力，锂电池的电源管理大多采用开关电源方案，以提高效率。另一方面，很多便携式电子产品大部分时间都处于空载待机状态，此时其也在消耗能量，因此检测出空载待机状态，关闭空载状态下不需要工作的电路，以节省功耗，成为了一种必要的技术手段。

公开号为CN102364856A的中国专利申请提出了一种开关电源空载检测的电路和控制方法。其实现方法是在负载通路上串联一个阻值较小的电阻，通过检测通过电阻的电流大小判断是否空载。该技术检测精度有限，空载条件时流过的电流很小，当电阻很小时，电阻两端产生的电压很小，不容易准确的检测出来；当电阻增大时，负载电流很大时，串联电阻本身会消耗能量，导致开关电源的效率明显降低。

公开号为CN104360288A的中国专利申请提出了一种数字式的开关电源空载检测电路及检测方法，其通过检测占空比信号的高电平时间判断电路是否空载。该技术需要检测占空比的高电平时间，开关电源的工作频率越高，其检测精度越差。

公开号为CN104483580A的中国专利申请提出了一种数字式的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其通过检测PFM信号的脉冲数判断电路是否空载。该技术只适用于PFM工作模式，并且需要一个与DC-DC转换器的输出电压和输入电压的差值成反比的时钟信号。

由此可见，现有技术在检测开关电源的空载状态时存在诸多缺点，因此适用性强，精度高的开关电源空载状态检测技术具有极强的研究意义和使用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用性强，精度高，能够有效检测开关电源空载状态的技术。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种开关电源空载检测电路，包括固定时间产生电路、计数器电路和触发器电路；所述计数器电路的第一输入端外接开关电源的占空比信号；所述固定时间产生电路的第一输出端与所述计数器电路的第二输入端连接，以触发所述计数器电路开始对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数和对计数清零；所述计数器电路的输出端与所述触发器电路的第一输入端连接，所述固定时间产生电路的第二输出端与所述触发器电路的第二输入端连接，以由所述固定时间产生电路触发所述触发器电路根据所述计数器电路的计数结果，输出信号表示开关电源处于空载状态还是带载状态。

所述计数器电路对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数分别通过对开关电源的占空比信号的上升沿或下降沿进行计数实现。

所述固定时间产生电路包括相互连接的振荡器和定时器，用于产生周期时间固定的方波信号；所述固定时间产生电路的第一输出端与第二输出端输出高低电平相反的信号，并且第二输出端的电平变化先于第一输出端的电平变化。

所述触发器电路输出的信号为高电平信号或低电平信号，以用于表示开关电源处于空载状态或带载状态。

所述固定时间产生电路还包括一个输入端，以用于对所述固定时间产生电路进行复位或置位。

所述触发器电路还包括第三输入端，以用于对所述触发器电路进行复位或置位。

在设定的周期阈值内，对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数，根据计数结果，判断开关电源是处于空载状态还是处于带载状态。

通过对开关电源的占空比信号的上升沿进行计数，以实现对开关电源的占空比信号的高电平进行计数，此时所述判断的方法包括：当所述计数结果大于或等于第一数量阈值时，判断开关电源处于带载状态；当所述计数结果小于第一数量阈值时，判断开关电源处于空载状态；其中，第一数量阈值为设定值。

或者，通过对开关电源的占空比信号的下降沿进行计数，以实现对开关电源的占空比信号的低电平进行计数，此时所述判断的方法包括：当所述计数结果大于或等于第二数量阈值时，判断开关电源处于带载状态；当所述计数结果小于第二数量阈值时，判断开关电源处于空载状态；其中，第二数量阈值为设定值。

固定时间产生电路产生周期固定的方波信号，在所述方波信号的第一电平时间检测有效，在所述方波信号的第二电平时间检测无效；所述固定时间产生电路通过电平触发计数器电路对采样的开关电源的占空比信号进行计数；在所述方波信号的第一电平期间，所述计数器电路计数满时，所述计数器电路的输出端输出第一计数电平，触发器电路的输出端输出第一触发电平，用于表示开关电源带载；所述计数器电路计数未满时，所述计数器电路的输出端输出第二计数电平，所述触发器电路的输出端输出第二触发电平，用于表示开关电源空载；第一电平和第二电平中，一个为高电平，另一个为低电平；第一计数电平和第二计数电平中，一个为高电平，另一个为低电平；第一触发电平和第二触发电平中，一个为高电平，另一个为低电平。

固定时间产生电路的输出端的输出时钟周期大于计数器电路的输出端的输出时钟周期的两倍。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明开关电源空载检测电路及检测方法采用数字时序逻辑电路实现空载检测，减少了模拟电路的使用，电路结构简单，抗干扰能力强，检测精度高，并且适用于多种调制电路和各种工作模式，应用广泛，实用性强。

附图说明

图1为本发明一实施例中开关电源空载检测电路的结构示意图；

图2为图1中开关电源空载检测电路的输入波形即占空比波形的波形示意图；

图3为该实施例中开关电源空载检测电路的各输入输出点的信号波形示意图；

图4为该实施例中定时器的结构示意图；

图5为该实施例中计数器电路的结构示意图。

附图中：1、固定时间产生电路；101、振荡器；102、定时器；2、计数器电路；3、触发器电路。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提出了一种开关电源空载检测电路，图1是该开关电源空载检测电路的结构示意图，图2是该开关电源空载检测电路输入波形即占空比波形的波形示意图，图3是该开关电源空载检测电路各输入输出点的信号波形示意图。

该开关电源空载检测电路包括固定时间产生电路1、计数器电路2和触发器电路3。其中固定时间产生电路1又包括振荡器101和定时器102。

固定时间产生电路1用于产生一个周期固定的方波，并输出方波信号Q和方波信号的反信号Q。其中，振荡器101用于产生一个独立于电路工作环境的振荡时钟信号，并提供给定时器102，作为定时器102的时钟信号，由定时器102对该时钟信号做2^N次分频，N是大于等于1的整数，由电路设计时根据实际情况设计的参数，产生周期固定的方波Q，方波信号Q如图3所示。在本实施例中，规定仅在固定时间产生电路1的第一输出端的输出信号Q为高电平时检测有效，而在其为低电平时检测无效。

计数器电路2的第一输入端外接开关电源的占空比信号，以采集该占空比信号并对其进行计数。固定时间产生电路1的第一输出端与计数器电路2的第二输入端相连接，用于控制计数器电路2何时开始对外接开关电源的占空比进行计数。本实施例中，当固定时间产生电路1的第一输出端的输出信号Q为高电平时，计数器电路2开始计数。具体地，在固定时间产生电路的输出信号Q为高电平时，计数器电路2每检测到外接开关电源的占空比信号的一个上升沿，其计数加1。当计数器电路2计数未满时，计数器电路2的输出端的输出信号CO为低电平；当计数器电路2计数满时，计数器电路2的输出端的输出信号CO为高电平。

固定时间产生电路1的第二输出端连接触发器电路3的输入端。当固定时间产生电路1的定时时间结束，在本实施例中即其产生的方波信号的周期结束时，固定时间产生电路1的第二输出端的输出信号Q变为高电平。在Q由低电平到高电平的跳变沿处，触发器电路3根据计数器电路2输出的CO信号判断计数满还是计数未满。本实施例中，如果CO为高电平，代表计数满，触发器电路3输出端的输出信号OUT为低电平，表示所检测的开关电源处于带载状态；如果CO为低电平，代表计数未满，触发器电路3的输出端输出的信号OUT为高电平，表示开关电源处于空载状态。之后在固定时间产生电路1的第一输出端的输出信号Q变为低电平时，计数器电路2对计数清零，CO变为低电平。因为触发器电路3是边沿触发电路，此时CO的电平变化不影响触发器电路3的输出结果。此处要保证固定时间产生电路1的第二输出端Q的变化先于第一输出端Q的变化，使触发器电路3的采样判断不会错误。

本发明的原理在于：基于开关电源带载工作时与空载工作时其产生的占空比信号不同，通过检测占空比信号的差别实现带载与空载的判断。此处以PWM调制为例，如图2所示，当开关电源带载工作时，其占空比由输入电压和输出电压决定，该占空比信号为连续的方波信号；当开关电源空载时，其波型可以是间歇式工作的维持原来的占空比不变的方波，或者是工作在不连续导通模式的周期时间变长，占空比变小的连续方波信号。由图2可以看出，不论是哪种占空比信号，开关电源空载状态时其输出的方波个数都比带载状态时减少了。因此，通过一个固定时间作为时间基准，在此时间内计算占空比方波的数量，大于规定的数量阈值即可判断开关电源为带载状态，小于规定的个数阈值即可判断开关电源为空载状态。

上述是本发明的一个具体实施例，其中的高电平，低电平，由高到低的跳变沿与由低到高的跳变沿都是本实施例所采用的电路实施手段，用于判断或区别电路的不同工作状态或产生不同信号变化。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，完全可以通过相反的电平信号，或相反的边沿跳变实现本发明目的，且仍属于本发明的保护范围。例如，计数器电路可对开关电源的占空比信号的高电平进行计数，也可对开关电源的占空比信号的低电平进行计数，可分别通过对开关电源的占空比信号的上升沿或者下降沿进行计数来实现。

固定时间产生电路1还可以包括一个输入端，用于对该固定时间产生电路1进行复位或置位。触发器电路3也可以还包括第三输入端，用于对该触发器电路3进行复位或置位。电路的复位或置位，由本发明的电路在实际工作电路中的作用决定，并且可以被后续电路判断出来，以区别空载或带载时的电平信号。

图4为本实施例中定时器102的结构示意图，该定时器102是由M个触发器电路级联而成，其中触发器的级联数M由电路设计时的具体情况而定，其中M是大于等于2的整数。

图5为本实施例中计数器电路2的结构示意图。该计数器电路2的前半部分由P个触发器电路级联而成，用于对占空比信号计数，当其计数满时，将会清零重新计数；后半部分由R个触发器电路级联而成，当其计数满时，会一直维持高电平。该计数器电路2由前半部分和后半部分串联而成。当然，在本发明中，计数器电路也可以完全用后半部分电路实现，但其计数值等于2R，需要较多的触发器，而前半部分的计数值等于2^P，需要较少的触发器，电路实现更简单，成本更低。本实施例中采用了两种电路混合使用的方式构成计数器电路2，既节省成本，又实现了计数满后计数器电路2输出状态固定的目的。其中P和R均是大于等于1的整数，其级联个数根据实际电路设计的情况而定。当然在本发明中，此处通过使用触发器和组合逻辑电路也可实现计数满后计数器电路2输出状态固定的目的。

本实施例中，固定时间产生电路的输出端的输出时钟周期大于计数器电路的输出端的输出时钟周期的两倍。

本发明还提出了一种开关电源空载检测方法，该方法通过对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数，根据周期阈值内的计数结果，判断开关电源是处于空载状态还是处于带载状态；其中该周期阈值为设定值。

其中，可以通过对开关电源的占空比信号的上升沿进行计数，以实现对开关电源的占空比信号的高电平进行计数，此时该判断方法包括：当计数结果大于或等于第一数量阈值时，判断开关电源处于带载状态；当计数结果小于第一数量阈值时，判断开关电源处于空载状态；其中，第一数量阈值为设定值。

也可以通过对开关电源的占空比信号的下降沿进行计数，以实现对开关电源的占空比信号的低电平进行计数，此时该判断的方法包括：当计数结果大于或等于第二数量阈值时，判断开关电源处于带载状态；当计数结果小于第二数量阈值时，判断开关电源处于空载状态；其中，第二数量阈值为设定值。

本实施例中，固定时间产生电路产生周期时间固定的方波信号，该方法规定在该方波信号的高电平时间检测有效，在该方波信号的低电平时间检测无效。本发明中，也可以以相反的方式设置高低电平与检测有效与无效的对应。

固定时间产生电路通过电平触发计数器电路对采样的开关电源的占空比信号进行计数；在固定时间产生电路产生的方波信号高电平期间，计数器电路计数满，计数器电路的输出端输出第一计数电平，触发器电路的输出端输出第一触发电平，用于表示开关电源带载。方波信号高电平期间，计数器电路计数未满，计数器电路的输出端输出第二计数电平，触发器的输出端输出第二触发电平，用于表示开关电源空载。

本发明中，第一计数电平和第二计数电平中，一个为高电平，另一个为低电平；第一触发电平和第二触发电平中，一个为高电平，另一个为低电平。本实施例中，第一计数电平为高电平，第二计数电平为低电平；第一触发电平为高电平，第二触发电平为低电平。

本实施例中，固定时间产生电路的输出端输出时钟周期大于计数器电路的输出端输出时钟周期的两倍。

本发明开关电源空载检测电路及检测方法采用数字时序逻辑电路实现空载检测，减少了模拟电路的使用，电路结构简单，抗干扰能力强，检测精度高，并且适用于多种调制电路和各种工作模式，应用广泛，实用性强。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种开关电源空载检测电路，其特征在于：包括固定时间产生电路、计数器电路和触发器电路；

所述计数器电路的第一输入端外接开关电源的占空比信号；所述固定时间产生电路的第一输出端与所述计数器电路的第二输入端连接，以触发所述计数器电路开始对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数和对计数清零；所述计数器电路的输出端与所述触发器电路的第一输入端连接，所述固定时间产生电路的第二输出端与所述触发器电路的第二输入端连接，以由所述固定时间产生电路触发所述触发器电路根据所述计数器电路的计数结果，输出信号表示开关电源处于空载状态还是带载状态。

2.根据权利要求1所述的开关电源空载检测电路，其特征在于：所述计数器电路对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数分别通过对开关电源的占空比信号的上升沿或下降沿进行计数实现。

3.根据权利要求1所述的开关电源空载检测电路，其特征在于：所述固定时间产生电路包括相互连接的振荡器和定时器，用于产生周期时间固定的方波信号；所述固定时间产生电路的第一输出端与第二输出端输出高低电平相反的信号，并且第二输出端的电平变化先于第一输出端的电平变化。

4.根据权利要求1所述的开关电源空载检测电路，其特征在于：所述触发器电路输出的信号为高电平信号或低电平信号，以用于表示开关电源处于空载状态或带载状态。

5.根据权利要求1所述的开关电源空载检测电路，其特征在于：所述固定时间产生电路还包括一个输入端，以用于对所述固定时间产生电路进行复位或置位。

6.根据权利要求1所述的开关电源空载检测电路，其特征在于：所述触发器电路还包括第三输入端，以用于对所述触发器电路进行复位或置位。

7.一种利用如权利要求1所述的开关电源空载检测电路的开关电源空载检测方法，其特征在于：通过所述固定时间产生电路触发所述计数器电路在设定的周期阈值内，对开关电源的占空比信号的高电平或低电平进行计数，通过所述固定时间产生电路触发所述触发器电路使得所述触发器电路根据计数结果，判断开关电源是处于空载状态还是处于带载状态。

8.根据权利要求7所述的开关电源空载检测方法，其特征在于：通过对开关电源的占空比信号的上升沿进行计数，以实现对开关电源的占空比信号的高电平进行计数，此时所述判断的方法包括：

当所述计数结果大于或等于第一数量阈值时，判断开关电源处于带载状态；

当所述计数结果小于第一数量阈值时，判断开关电源处于空载状态；

其中，第一数量阈值为设定值。

9.根据权利要求7所述的开关电源空载检测方法，其特征在于：通过对开关电源的占空比信号的下降沿进行计数，以实现对开关电源的占空比信号的低电平进行计数，此时所述判断的方法包括：

当所述计数结果大于或等于第二数量阈值时，判断开关电源处于带载状态；

当所述计数结果小于第二数量阈值时，判断开关电源处于空载状态；

其中，第二数量阈值为设定值。

10.根据权利要求7所述的开关电源空载检测方法，其特征在于：所述固定时间产生电路产生周期固定的方波信号，在所述方波信号的第一电平时间检测有效，在所述方波信号的第二电平时间检测无效；所述固定时间产生电路通过电平触发所述计数器电路对采样的开关电源的占空比信号进行计数；

在所述方波信号的第一电平期间，所述计数器电路计数满时，所述计数器电路的输出端输出第一计数电平，所述触发器电路的输出端输出第一触发电平，用于表示开关电源带载；所述计数器电路计数未满时，所述计数器电路的输出端输出第二计数电平，所述触发器电路的输出端输出第二触发电平，用于表示开关电源空载；

第一电平和第二电平中，一个为高电平，另一个为低电平；第一计数电平和第二计数电平中，一个为高电平，另一个为低电平；第一触发电平和第二触发电平中，一个为高电平，另一个为低电平。

11.根据权利要求10所述的开关电源空载检测方法，其特征在于：所述固定时间产生电路的输出端的输出时钟周期大于所述计数器电路的输出端的输出时钟周期的两倍。