CN105977920A - 一种主动消隐输出过压保护电路及具有该电路的开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动消隐输出过压保护电路及具有该电路的开关电源，其电路与开关电源控制器连接，所述主动消隐输出过压保护电路包括：CS电压电流转换电路、主动消隐延时电路和过压保护阈值检测电路；所述主动消隐延时电路包括PWM开启计时电路、主动消隐电流电压转换电路和主动消隐延时产生电路。本发明能够自动检测输出负载大小，主动调整延迟时间来屏蔽因辅助绕组耦合的振荡波形造成错误地检测到输出过压保护，保护整个电源系统稳定工作。

Description

一种主动消隐输出过压保护电路及具有该电路的开关电源
技术领域
本发明设计开关电源设计技术领域，特别是涉及一种主动消隐输出过压保护电路及具有该电路的开关电源。
背景技术
典型原边反馈外围应用拓扑结构如图1所示，PWM信号和GATE逻辑信号同相，PWM为高时，功率NMOS管打开，初级绕组电感的电流斜波上升，RCS电阻上的电压斜波上升。当PWM为低时，功率NMOS管关闭。次级绕组上的能量同时传递给输出和输出电容。当PWM为低时，根据辅助绕组和次级绕组匝比关系，输出电压加输出整流二极管导通压降之和乘匝比就是辅助绕组上的电压，因此辅助绕组上的电压能反映出输出电压大小。此时辅助绕组电压很大，通过辅助绕组分压上端电阻和辅助绕组分压下端电阻，得到FB电压值。此时FB电压值能反映出输出电压变化情况。因此，通过检测FB电压的大小可以反映出输出电压的大小。同时检测FB电压，可以调节PWM信号的占空比，PWM信号的频率，来控制功率NMOS管的开断，从而给输出提供合适的能量，让输出电压稳定。
但是当系统的功率NMOS管关闭时，变压器的漏感和功率NMOS管寄生电容共振感应出波形在辅助绕组上。如果在固定时刻检测FB电压的话，由于这个振荡波形存在，有可能采样到振荡信号从而误触发输出电压过压保护功能，既影响输出过压保护点的准确性又会导致芯片保护功能混乱，严重影响芯片正常工作。同时当负载增加时，变压器的漏感和功率NMOS管寄生电容共振感应出波形时间在变长，可以看出共振波形时间是一个随着负载变化的同相变量。
因此，传统的固定时刻检测FB电压来判断输出过压保护存在上述一些隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种主动消隐输出过压保护电路及具有该电路的开关电源。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种主动消隐输出过压保护电路，与开关电源控制器连接，所述主动消隐输出过压保护电路包括：CS电压电流转换电路、主动消隐延时电路和过压保护阈值检测电路；所述主动消隐延时电路包括PWM开启计时电路、主动消隐电流电压转换电路和主动消隐延时产生电路；所述CS电压电流转换电路，用于生成与开关电源控制器的CS端电压正相关的ICS电流；所述PWM开启计时电路，根据固定电流IA在PWM信号为低电平期间生成第一比较电压VA；所述主动消隐电流电压转换电路，用于根据ICS电流和固定电流IB生成第二比较电压VB，并在PWM信号为低电平期间输出第二比较电压VB；所述主动消隐延时产生电路，在PWM信号为高电平时，将其输出的T_ABD信号翻转为低电平；在PWM信号为低电平期间，比较第一比较电压VA和第二比较电压VB，当第一比较电压VA大于第二比较电压VB时，触发其输出的T_ABD信号翻转为高电平；所述过压保护阈值检测电路，比较开关电源控制器的FB端的电压和开关电源控制器的输出过压保护阈值电压，当开关电源控制器的FB端的电压大于开关电源控制器的输出过压保护阈值电压，且T_ABD信号为高电平时，其输出的ABD_OVP为高电平，触发开关电源控制器的电压过压保护功能。
所述CS电压电流转换电路包括运算放大器OP1、NMOS管N1、电阻R1和电流源ICS，运算放大器OP1的正输入端接开关电源控制器的CS端，运算放大器OP1的负输入端通过电阻R1接地，运算放大器OP1的输出端接NMOS管N1的栅极，NMOS管的漏极接电流源ICS，NMOS管的源极接运算放大器OP1和电阻R1的公共端。
所述PWM开启计时电路包括固定电流源IA、PMOS管P1、NMOS管N2和电容C2，PMOS管P1和NMOS管N2的栅极均接PWM信号，固定电流源IA接PMOS管P1的源极，电容C2的第一端分别接PMOS管P1和NMOS管N2的漏极，电容C2的第二端接地，NMOS管N2的源极接地。
所述主动消隐电流电压转换电路包括固定电流源IB、电阻R3、传输门、电容C3和反向器INV，电阻R3的第一端分别接固定电流源IB、电流源ICS、传输门的输入端，电阻R3得到第二端接地，反向器INV的输入端接PWM信号，反向器的输出端接传输门的控制端，电容C3的第一端接传输门的输出端，电容C3的第二端接地。
所述电容C2上的电压为第一比较电压VA，所述电容C3上的电压即时第二比较电压VB。
所述传输门包括PMOS管P2和NMOS管N3，PMOS管P2和NMOS管N3并联，PMOS管P2和NMOS管N3的栅极作为传输门的控制端，PMOS管P2和NMOS管N3的源极作为传输门的输入端，PMOS管P2和NMOS管N3的漏极作为传输门的输出端。
所述主动消隐延时产生电路包括电压比较器COMP1和触发器D1，电压比较器COMP1的正输入端接电容C2的第一端，电压比较器的负输入端接电容C3的第一端，电压比较器的输出端接触发器D1的设置端，触发器D1的清零端接PWM信号。
所述过压保护阈值检测电路包括电压比较器COMP2和与非门，电压比较器COMP2的正输入端接开关电源控制器的FB端，电压比较器的负输入端接开关电源控制器的固定阈值电压VTH_OVP，电压比较器COMP2的输出端接与非门的第一输入端，与非门的第二输入端接触发器D1的输出端。
所述第一比较电压VA为固定斜率的斜波电压，所述第二比较电压VB包括固定部分和变化部分，固定部分由固定电流源IB和电阻R3产生，变化部分由电流源ICS和电阻R3产生。
一种开关电源，其开关电源控制器连接有上述的主动消隐输出过压保护电路。
本发明的有益效果是：本发明能够自动检测输出负载大小，主动调整延迟时间来屏蔽因辅助绕组耦合的振荡波形造成错误地检测到输出过压保护，保护整个电源系统稳定工作。
附图说明
图1为典型原边反馈开关电源系统应用拓扑结构图；
图2为主动消隐输出过压保护电路结构图；
图3为CS电压电流转换电路结构图；
图4为主动消隐时间电路结构图；
图5为一个主动消隐时序图；
图6为负载大于图5中负载时的主动消隐时序图；
图7为输出过压保护阈值检测结构图；
图中，101-典型的原边反馈检测反激电源转换器主控电路，102-功率NMOS管，103-初级绕组峰值电流限制电阻，104-辅助绕组分压上端电阻，105-辅助绕组分压下端电阻，106-变压器，107-输出整流二极管，108-VDD整流二极管。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图2所示，一种主动消隐输出过压保护电路，与开关电源控制器连接，所述主动消隐输出过压保护电路包括：CS电压电流转换电路、主动消隐延时电路和过压保护阈值检测电路。
所述CS电压电流转换电路，用于生成与开关电源控制器的CS端电压正相关的ICS电流。
所述主动消隐电流电压转换电路，用于根据ICS电流和固定电流IB生成第二比较电压VB，并在PWM信号为低电平期间输出第二比较电压VB。
所述PWM开启计时电路，根据固定电流IA在PWM信号为低电平期间生成第一比较电压VA。
所述主动消隐延时产生电路，在PWM信号为高电平时，将其输出的T_ABD信号翻转为低电平；在PWM信号为低电平期间，比较第一比较电压VA和第二比较电压VB，当第一比较电压VA大于第二比较电压VB时，触发其输出的T_ABD信号翻转为高电平。
所述过压保护阈值检测电路，比较开关电源控制器的FB端的电压和开关电源控制器的输出过压保护阈值电压，当开关电源控制器的FB端的电压大于开关电源控制器的输出过压保护阈值电压，且T_ABD信号为高电平时，其输出的ABD_OVP为高电平，触发开关电源控制器的电压过压保护功能。
如图3所示，所述CS电压电流转换电路包括运算放大器OP1、NMOS管N1、电阻R1和电流源ICS，运算放大器OP1的正输入端接开关电源控制器的CS端，运算放大器OP1的负输入端通过电阻R1接地，运算放大器OP1的输出端接NMOS管N1的栅极，NMOS管的漏极接电流源ICS，NMOS管的源极接运算放大器OP1和电阻R1的公共端。
为了检测输出负载大小，引入一路和CS峰值相关联的斜波电流。固然的，当输出负载越大，CS峰值越大，当输出负载越小时，CS峰值越小。通过运算放大器OP1、NMOS管N1和电阻R1，形成电压跟随器结构。这样电阻R1上的电压等于CS峰值电压。负载越大，CS峰值越大，电阻R1上的电压越大，电流源ICS的ICS电流自然也越大。然后通过电流镜像结构，就可以把ICS峰值电流镜像输出去。这样通过ICS电流大小，直观的反映出输出负载大小。
如图4、图5和图6所示，所述主动消隐延时电路包括PWM开启计时电路（part1）、主动消隐电流电压转换电路（part2）和主动消隐延时产生电路（part3）。
所述PWM开启计时电路包括固定电流源IA、PMOS管P1、NMOS管N2和电容C2，PMOS管P1和NMOS管N2的栅极均接PWM信号，固定电流源IA接PMOS管P1的源极，电容C2的第一端分别接PMOS管P1和NMOS管N2的漏极，电容C2的第二端接地，NMOS管N2的源极接地。
固定电流源IA在PWM关断时间内给电容C2充电。这样电容C2上的电压，即第一比较电压VA，是一个固定斜率的斜波。斜率只和电容和电流源IA有关系。当PWM信号为低电平，第一比较电压VA从零开始逐渐升高。
所述主动消隐电流电压转换电路包括固定电流源IB、电阻R3、传输门、电容C3和反向器INV，电阻R3的第一端分别接固定电流源IB、电流源ICS、传输门的输入端，电阻R3得到第二端接地，反向器INV的输入端接PWM信号，反向器的输出端接传输门的控制端，电容C3的第一端接传输门的输出端，电容C3的第二端接地。
所述传输门包括PMOS管P2和NMOS管N3，PMOS管P2和NMOS管N3并联，PMOS管P2和NMOS管N3的栅极作为传输门的控制端，PMOS管P2和NMOS管N3的源极作为传输门的输入端，PMOS管P2和NMOS管N3的漏极作为传输门的输出端。
将ICS电流和固定电流IB加到电阻R3上，电阻R3上的电压就等于固定值和可变值之和，通过传输门，在反向器INV的控制下，在PWM信号为低电平期间把电阻R3上的电压平稳传递到电容C3上。这样电容C3上的电压VB也等于固定值和可变值之和。当负载越大时，ICS电流越大，因此第二比较电压VB也就越大。这样第二比较电压VB的大小就体现出了输出负载状态。
将第二比较电压VB接到电压比较器COMP1的负输入端，等待第一比较电压VA，并将第一比较电压VA和第二比较电压VB进行比较，当第一比较电压VA大于第二比较电压VB时，电压比较器COMP1输出一个上升沿。
所述主动消隐延时产生电路包括电压比较器COMP1和触发器D1，电压比较器COMP1的正输入端接电容C2的第一端，电压比较器的负输入端接电容C3的第一端，电压比较器的输出端接触发器D1的设置端，触发器D1的清零端接PWM信号。
由于触发器存在，每次PWM信号为高电平时，将T_ABD信号清零为低电平，然后一直等PWM信号为低电平，继续等待PWM信号为低电平期间持续，等电压VA大于电压VB，让电压比较器COMP1输出一个上升沿，这个上升沿触发T_ABD信号从低电平翻转到高电平，然后T_ABD信号保持高电平不变，需要等待下一个PWM信号为高电平时才能将其清零。
从而得到一个T_ABD信号，T_ABD信号在PWM信号变为低电平时，将保持一端时间的低电平（Timea），然后才翻转为高电平。只要这段低电平时间（Timea）大于FB电压耦合过来的振荡时间，就可把耦合过来异常的比较结果屏蔽掉，不会触发真正的OVP保护功能。
如图7所示，所述过压保护阈值检测电路包括电压比较器COMP2和与非门，电压比较器COMP2的正输入端接开关电源控制器的FB端，电压比较器的负输入端接开关电源控制器的固定阈值电压VTH_OVP，电压比较器COMP2的输出端接与非门的第一输入端，与非门的第二输入端接触发器D1的输出端。
建立一个阈值电压比较器电路，通过FB电压和设置的输出过压保护阈值电压比较，只要FB电压大于阈值电压，传统的电路就认为是已经触发了过压保护。但是本发明，需要等待T_ABD信号同时为高电平，才能输出ABD_OVP为高电平（触发真正输出过压保护），来触发PWM保护逻辑，关闭GATE信号,关闭功率管。同时，本发明T_ABD信号也不是固定的，根据输出负载状态主动来调节T_ABD信号，让屏蔽时间始终大于辅助绕组耦合的振荡波形时间，从而达到主动消隐输出过压保护的目的。
从图5和图6中可以看出，当输出负载越大时，固然地PWM开启时间长CS峰值越大，通过CS电压电流转换电路，ICS电流越大，VB是ICS电流和电阻乘积加上固定电流和电阻乘积，因此第二比较电压VB固然越大。因为第一比较电压VA在所有负载状态都是一个固定的斜波电压。所以当负载越大，Timeb这段时间自然大于Timea这段时间。始终可以屏蔽辅助绕组耦合振荡波形，从而实现主动消隐输出过压保护的功能。
一种开关电源，其开关电源控制器连接有上述的主动消隐输出过压保护电路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种主动消隐输出过压保护电路，与开关电源控制器连接，其特征在于：所述主动消隐输出过压保护电路包括：CS电压电流转换电路、主动消隐延时电路和过压保护阈值检测电路；所述主动消隐延时电路包括PWM开启计时电路、主动消隐电流电压转换电路和主动消隐延时产生电路；
所述CS电压电流转换电路，用于生成与开关电源控制器的CS端电压正相关的ICS电流；
所述PWM开启计时电路，根据固定电流IA在PWM信号为低电平期间生成第一比较电压VA；
所述主动消隐电流电压转换电路，用于根据ICS电流和固定电流IB生成第二比较电压VB，并在PWM信号为低电平期间输出第二比较电压VB；
所述主动消隐延时产生电路，在PWM信号为高电平时，将其输出的T_ABD信号翻转为低电平；在PWM信号为低电平期间，比较第一比较电压VA和第二比较电压VB，当第一比较电压VA大于第二比较电压VB时，触发其输出的T_ABD信号翻转为高电平；
所述过压保护阈值检测电路，比较开关电源控制器的FB端的电压和开关电源控制器的输出过压保护阈值电压，当开关电源控制器的FB端的电压大于开关电源控制器的输出过压保护阈值电压，且T_ABD信号为高电平时，其输出的ABD_OVP为高电平，触发开关电源控制器的电压过压保护功能。
2.根据权利要求1所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述CS电压电流转换电路包括运算放大器OP1、NMOS管N1、电阻R1和电流源ICS，运算放大器OP1的正输入端接开关电源控制器的CS端，运算放大器OP1的负输入端通过电阻R1接地，运算放大器OP1的输出端接NMOS管N1的栅极，NMOS管的漏极接电流源ICS，NMOS管的源极接运算放大器OP1和电阻R1的公共端。
3.根据权利要求1所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述PWM开启计时电路包括固定电流源IA、PMOS管P1、NMOS管N2和电容C2，PMOS管P1和NMOS管N2的栅极均接PWM信号，固定电流源IA接PMOS管P1的源极，电容C2的第一端分别接PMOS管P1和NMOS管N2的漏极，电容C2的第二端接地，NMOS管N2的源极接地。
4.根据权利要求2所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述主动消隐电流电压转换电路包括固定电流源IB、电阻R3、传输门、电容C3和反向器INV，电阻R3的第一端分别接固定电流源IB、电流源ICS、传输门的输入端，电阻R3得到第二端接地，反向器INV的输入端接PWM信号，反向器的输出端接传输门的控制端，电容C3的第一端接传输门的输出端，电容C3的第二端接地。
5.根据权利要求3或4所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述电容C2上的电压为第一比较电压VA，所述电容C3上的电压即时第二比较电压VB。
6.根据权利要求4所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述传输门包括PMOS管P2和NMOS管N3，PMOS管P2和NMOS管N3并联，PMOS管P2和NMOS管N3的栅极作为传输门的控制端，PMOS管P2和NMOS管N3的源极作为传输门的输入端，PMOS管P2和NMOS管N3的漏极作为传输门的输出端。
7.根据权利要求3或4所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述主动消隐延时产生电路包括电压比较器COMP1和触发器D1，电压比较器COMP1的正输入端接电容C2的第一端，电压比较器的负输入端接电容C3的第一端，电压比较器的输出端接触发器D1的设置端，触发器D1的清零端接PWM信号。
8.根据权利要求7所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述过压保护阈值检测电路包括电压比较器COMP2和与非门，电压比较器COMP2的正输入端接开关电源控制器的FB端，电压比较器的负输入端接开关电源控制器的固定阈值电压VTH_OVP，电压比较器COMP2的输出端接与非门的第一输入端，与非门的第二输入端接触发器D1的输出端。
9.根据权利要求4所述的一种主动消隐输出过压保护电路，其特征在于：所述第一比较电压VA为固定斜率的斜波电压，所述第二比较电压VB包括固定部分和变化部分，固定部分由固定电流源IB和电阻R3产生，变化部分由电流源ICS和电阻R3产生。
10.一种开关电源，其特征在于：其开关电源控制器连接有如权利要求1～9中任一权利要求所述的主动消隐输出过压保护电路。
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