CN106300983B - 一种反激式开关电源输入电压检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种反激式开关电源输入电压检测装置及方法，包括电源输入判断模块200、内部电源产生模块202、环路控制模块与驱动控制模块204、输入电压检测模块206；通过上述装置，当VCC电压达到控制器的启动电压之后，通过一个短时间的功率管的开启动作，实现对输入电压是否过压或是是否欠压的检测，从而避免当输入电压低的时候出现输出的不良波动，以及避免了当输入电压高的时候对功率开关管产生高压冲击可能导致的功率管烧坏的情况。又使得在芯片中完成了输入电压检测的功能，达到了检测外部电路工作状况，及时开闭功率管，减少了外置输入电压检测所带来的额外功耗。

Description

一种反激式开关电源输入电压检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种反激式开关电源输入电压检测装置及方法。

背景技术

反激式开关电源在开机时原边控制芯片的电源通过启动电阻从原边输入电压Vin给控制芯片电源电容充电，当电容电压VCC达到设定阈值之后，反激式开关电源开始开关动作。初始启动时，控制芯片的供电是有VCC电容提供，启动后为辅助绕组供电，而因输出电压恒定，辅助绕组供电也恒定。反激式开关电源一般会设定最大电感电流，这样当输入电压降低时，并且在重载情况下，要达到最大电感电流，需要功率开关管开启更长的时间。另外，为避免反激式开关电源的功率管长时间开启，一般会设定功率管的最大导通时间。这样就会导致当输入电压降低到一定值后，因为功率管最长开启时间的限制，输入功率不能满足输出负载的要求，输出电压就会降低。输出电压的降低会导致原边控制芯片的电源电压VCC也会相应的降低。原边控制芯片为保证正常工作，会对供电电压VCC设定最小电压值。当原边控制芯片的电源电压VCC降低到设定值之后，会停止开关动作。之后原边控制芯片的电源重新通过启动电阻从原边输入电压Vin给电容充电。当原边控制芯片的电源电压VCC达到设定启动阈值后，重新启动开关动作。这样反激式开关电源会工作在打嗝模式(功率开关管动作一段时间，停止工作一段时间，并不断反复。)同时反激式开关电源的副边输出电压会产生固定周期的包络电压。这种输出电压波动，可能对副边输出的负载产生不良影响。

另外，假如输入电压过高，反激式开关电源在输出电压升高后，反激时因为反激电压的存在对功率开关产生高压冲击，可能会烧坏功率开关。

如公布的专利申请CN 103490387 A实现输入欠压检测的现有技术中，通过增加对Vin高压进行另外的分压检测电路(不同于启动电阻给VCC充电通路)，当检测到Vin欠压或是过压后，通过控制开关管将VCC电压拉低，从而避免VCC电压被启动电阻充电后达到启动阈值，从而避免出现反激式开关电源的启动过程。这样设计的的缺陷在于额外增加的输入电压检测模块，不仅增加了额外的器件(其中包括高压MOS)成本，同时还增加了额外的待机功耗(检测通路需要消耗功耗)。

发明内容

为此，需要提供一种输入电压检测装置，解决外置电路能耗过高功能不强的缺点。

为实现上述目的，发明人提供了一种反激式开关电源输入电压检测装置，包括电源输入判断模块、内部电源产生模块、环路控制模块与驱动控制模块、输入电压检测模块；

其中，所述电源输入判断模块用于判断电源输入，并在判断电源输入后发出工作信号，使能内部电源产生模块；

所述内部电源产生模块用于产生内部工作电源；

所述输入电压检测模块用于采样输入电压，比较采样输入电压与参考电压，并根据比较结果发出过压信号或欠压信号；

所述环路控制模块与驱动控制模块用于在接收到工作信号后开启功率管，还用于在收到过压信号或欠压信号的时候关闭功率管。

进一步地，所述输入电压检测模块还用于通过对反激式开关电源系统反馈电压端口进行钳位来检测输入电压值。

具体地，所述输入电压检测模块包括NMOS管M1，所述NMOS管M1的源极与反激式开关电源系统反馈电压端口相连，M1的漏极与电源相连，M1的栅极还与NMOS管M2的栅极相连；

所述M2的栅极还与电流源正极连接，M2的源极与M1的源极连接，M2的漏极还与PMOS管M3的漏极连接；

所述电流源的负极与内部电源连接，正极还与NMOS管M0的栅极、M0的漏极连接，所述NMOS管M0的源极接地；

所述M3的漏极与M3的栅极短接，M3的源级与内部电源连接，M3的栅极还与PMOS管M4的栅极连接；

所述M4的源级与内部电源连接，M4的漏极还与比较器负极连接；

所述比较器的正极连接参考电压，所述比较器负极还与电阻连接，所述电阻的另一端接地。

进一步地，还包括开关S1和电容Cs，所述开关的一端与M3的栅极连接，另一端与M4的栅极连接，所述电容Cs的一端与M4的栅极连接，另一端与M4的源级连接。

一种反激式开关电源输入电压检测方法，包括如下步骤：电源输入判断模块判断电源输入，在判断电源输入后发出工作信号，内部电源产生模块产生内部工作电源，环路控制模块与驱动控制模块在接收到工作信号后控制开启功率管短时间开启；

输入电压检测模块比较采样输入电压与参考电压，并根据比较结果发出过压信号或欠压信号，环路控制模块与驱动控制模块在接收到过压信号或欠压信号后关闭功率管。

进一步地，在比较采样输入电压与参考电压前还包括步骤：对反激式开关电源的系统反馈控制端进行钳位，对钳位电流进行开关采样得到采样电流，让采样电流流过采样电阻，得到采样输入电压。

区别于现有技术，上述技术方案设计了能够集成到控制器的输入电压检测装置及方法，解决了现有技术中外置检测能耗过高功能不强的技术问题。

附图说明

图1为本发明某实施例所述装置模块图；

图2为本发明某实施例所述反激式开关电源电路连接图；

图3为本发明某实施例所述反激式开关电源模块设计图；

图4为本发明某实施例所述方法流程图；

图5为本发明某实施例的输入电压检测模块电路结构示意图。

附图标记说明：

200、电源输入判断模块；

202、内部电源产生模块；

204、环路控制模块与驱动控制模块；

206、输入电压检测模块。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

这里请看图1为本发明的一种反激式开关电源输入电压检测装置，包括电源输入判断模块200、内部电源产生模块202、环路控制模块与驱动控制模块204、输入电压检测模块206；

其中，所述电源输入判断模块用于判断电源输入，并在判断电源输入后发出工作信号，使能内部电源产生模块；

所述内部电源产生模块用于产生内部工作电源；

所述输入电压检测模块用于采样输入电压，比较采样输入电压与参考电压，并根据比较结果发出过压信号或欠压信号；

所述环路控制模块与驱动控制模块用于在接收到工作信号后开启功率管，还用于在收到过压信号或欠压信号的时候关闭功率管。

本发明反激式开关电源的某种应用实施例如图2所示，电源输入判断模块与VCC引脚连接，用于在判断到电源输入超过设定值之后发出工作信号(即图中start信号)并启动内部电源产生模块。内部电源产生模块用于产生工作电源，即图中Vdda。环路控制模块与驱动控制模块在接收到start信号后开启功率管，在功率开关管MN开启时，变压器辅助绕组A的net0端的电压为负电压。此负电压值和交流输入整流后的输入电压Vin值成正比例关，比例系数等于变压器的原边匝数比上变压器辅助绕组匝数。当Rfb1电阻的阻值固定，并且所述输入电压检测模块将FB引脚钳位为0V的情况下，流过Rfb1电阻的电流和输入电压成比例关系。流过Rfb1的电流和控制芯片FB引脚的电流相等。输入电压检测模块与FB引脚连接，这样芯片就得到了一个和输入电压成比例关系的电流信息。随后控制芯片可以通过比较FB引脚的电流是否超过某个预设值或是小于另一预设值，从而判断输入电压是否过压或是欠压。环路控制模块与驱动控制模块还用于在输入电压检测模块判断为过压或欠压时关闭功率管。通过上述装置，当VCC电压达到控制器的启动电压之后，通过一个短时间的功率管的开启动作，实现对输入电压是否过压或是是否欠压的检测，从而避免当输入电压低的时候出现输出的不良波动，以及避免了当输入电压高的时候对功率开关管产生高压冲击可能导致的功率管烧坏的情况。又使得在芯片中完成了输入电压检测的功能，达到了检测外部电路工作状况，及时开闭功率管，减少了外置输入电压检测所带来的额外功耗。

在另一些实施例中，装置工作流程示意图如图3所示，结合图2我们可以看到，反激式开关电源接通AC电源后，Vin电压升高，通过启动电阻Rst给VCC端的C3充电。在VCC电压升高过程中VCC判断与内部电源产生模块产生控制器内部的低电源电压Vdda。当VCC电压升高到设定值，比如13V，之后，控制器内部的VCC判断与内部电源产生模块就产生Start信号。Start信号送到环路控制和驱动控制模块以及输入电压检测模块。环路控制和驱动控制模块接收到Start信号后，产生一个短时间的驱动信号DRV，使功率开关MN短时间开启。输入电压检测模块接收到Start信号后，启动内部的钳位电路，比较器，准备对FB引脚进行钳位，以及准备比较输入采样信号。输入电压检测模块接收到DRV高电平信号时，此模块对FB引脚电压进行钳位，并且将钳位电流按比例缩小，并且通过DRV高电平信号控制的采样开关对此电流进行采样，此采样电流流过电阻后产生和输入电压成比例的输入电压的采样电压。输入电压检测中的比较器比较输入电压的采样电压和某一参考电压，根据采样电压的比较结果得到输入欠压信号，或是输入过压信号。当DRV信号变低时，输入电压检测模块中的FB引脚的钳位电流采样开关关断，钳位电流被保持住。这样输入过压和欠压信号也被保持住。输入电压检测模块将输入过压或是输入欠压信号传递给环路控制和驱动控制模块。环路控制和驱动控制模块接收到输入过压或是输入欠压信号后，将停止发送功率开关管的开启驱动信号。因为芯片内部的电流消耗要大于启动电阻Rst给VCC的充电电流，所以VCC电压会逐渐降低，直到控制芯片内部的VCC判断与内部电源产生模块，判断VCC电压太低，将Start信号变低。Start信号变低后，输入电压检测模块以及环路控制和驱动控制模块将被关断，此两个模块不再消耗电流。这样通过Rst对VCC的充电电流超过控制芯片的内部消耗电流后，VCC电压开始升高。当VCC电压升高到设定值之后，VCC判断与内部电源产生模块就出Start高电平信号，重复上述的检测过程。当输入电压检测模块没有检测到输入过压或是输入欠压，则系统通过环路控制正常启动工作。需要说明的是，控制器内部的输入电压检测模块在系统正常工作过程中也能够可以正常工作，对输入电压进行实时检测，当发生输入过压或是欠压时，将控制芯片将停止发送功率开关管的开启驱动信号。这样VCC电压因为电流消耗而电压降低，直到Start信号变低。之后，通过Rst给VCC充电，重复上面的启动过程。

在某些具体的实施例中，所述输入电压检测模块包括NMOS管M1，所述MOS管M1的源极与反激式开关电源系统反馈电压端口相连，M1的漏极与电源相连，M1的栅极还与NMOS管M2的栅极相连；

所述M2的栅极还与电流源正极连接，M2的源极与M1的源极连接，M2的漏极还与PMOS管M3的漏极连接；

所述电流源的负极与内部电源连接，正极还与NMOS管M0的栅极、M0的漏极连接，所述NMOS管M0的源极接地；

所述M3的漏极与M3的栅极短接，M3的源级与内部电源连接，M3的栅极还与PMOS管M4的栅极连接；

所述M4的源级与内部电源连接，M4的漏极还与比较器负极连接；

所述比较器的正极连接参考电压，所述比较器负极还与电阻连接，所述电阻的另一端接地。

其中，电流源为偏置电流Ibias，内部电源可以是前述内部电源产生模块产生的Vdda供电信号。该输入电压检测电路的工作原理如下：当VCC电压达到控制器的启动电压之后，控制器建立内部电压电源Vdda，以及产生参考基准电压。之后，产生一个设定脉冲宽度的驱动信号到控制器的DRV引脚上。则功率管开启，功率管的漏端电压被拉低，同时辅助绕组的输出节点net0产生负电压。net0的负电压值和输入电压Vin，以及变压器原边绕组匝数P和变压器辅助绕组匝数A相关。具体表达式为：

检测电路NMOS电流镜偏置电压是相对于控制器的地GND产生的，所以控制器的FB引脚电压会被组成电流镜的M1和M2钳位到控制器的GND电压附近。因为典型应用中的连接节点net0的二极管阴极电压要比二极管的阳极电压高，二极管反向截止，不流过电流。典型应用电路中Rfb1电阻两端的电压为V net0电压。而Rfb2一端接地，一端接FB，则Rfb2两端基本上没有电压差，所以没有电流流过。根据以上信息，可以计算出FB引脚流出的电流为：

IFB电流在组成NMOS电流镜的M1和M2之间按比例进行分配。假如M1和M2的沟道宽长比的比例为M：1。则流过M2的电流为：

流过M2的电流和流过M3的电流相等。

在功率NMOS开启期间，采样开关S1合上。假如组成PMOS电流镜的M3和M4的沟道宽长比的比例为N：1。则M4的漏源电流为：

M4的漏源电流流过电阻Rdet产生输入检测电压，输入检测电压值为：

对于特定的应用系统，变压器的匝比A：P，FB的反馈电阻Rfb1，是固定的。控制芯片内部的NMOS电流镜的比例M，PMOS电流镜的比例N，检测电阻Rdet可以设计固定。这样最终得到的Vdet电压和输入Vin电压成正比。通过设定比较器的参考电压，可以产生输入欠压信号或是过压反相信号。当检测到输入欠压后，控制芯片不再进行软启动动作，这样反激式开关电源的输出电压就不会产生电压包络。当检测到输入过压后，控制芯片不再进行软启动动作，这样反激式开关电源的功率管不会受到高压冲击。

NMOS电流镜M1和M2按比例设定，并且M1的宽长比要比M2的宽长比大，这样做的好处是，IFB电流中只有1/(M+1)的电流从控制器的内部电压电源Vdda走，可以减小IFB电流对控制器内部低压电源产生干扰。

综上，该输入电压检测电路通过电流镜将FB引脚的电压缩小，并与预设的电压进行比对，达到了检测电压是否过压或欠压的技术效果。

为了保证比较器有充足的比较时间，进一步地，还包括开关S1和电容Cs，所述开关的一端与M3的栅极连接，另一端与M4的栅极连接，所述电容Cs的一端与M4的栅极连接，另一端与M4的源级连接。通过上述设计，当功率开关管关断时，采样开关S1断开，Cs的电压会被保持住，这样M4的栅极电压可以保持住，Vdet电压也可以保持住，这样比较器的比较速度不需要很快，可以产生足够宽度的欠压或过压信号。提高了输入电压检测模块比较的准确性。

一种反激式开关电源输入电压检测方法，包括如下步骤：电源输入判断模块判断电源输入，在判断电源输入超过设定值后发出工作信号，内部电源产生模块产生内部工作电源，环路控制模块与驱动控制模块在接收到工作信号后控制开启功率管短时间开启；

输入电压检测模块比较采样输入电压与参考电压，并根据比较结果发出过压信号或欠压信号，环路控制模块与驱动控制模块在接收到过压信号或欠压信号后关闭功率管。通过上述方法，当VCC电压达到控制器的启动电压之后，通过一个短时间的功率管的开启动作，实现对输入电压是否过压或是是否欠压的检测，从而避免当输入电压低的时候出现输出的不良波动，以及避免了当输入电压高的时候对功率开关管产生高压冲击可能导致的功率管烧坏的情况。又使得在芯片中完成了输入电压检测的功能，达到了检测外部电路工作状况，及时开闭功率管，减少了外置输入电压检测所带来的额外功耗。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，包括但不限于：个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机设备以特定方式工作的计算机设备可读存储器中，使得存储在该计算机设备可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机设备上，使得在计算机设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种反激式开关电源输入电压检测装置，其特征在于，包括电源输入判断模块、内部电源产生模块、环路控制模块与驱动控制模块、输入电压检测模块；

其中，所述电源输入判断模块用于判断电源输入，并在判断电源输入后发出工作信号，使能内部电源产生模块；

所述内部电源产生模块用于产生内部工作电源；

所述输入电压检测模块用于采样输入电压，比较采样输入电压与参考电压，并根据比较结果发出过压信号或欠压信号；

所述环路控制模块与驱动控制模块用于在接收到工作信号后开启功率管，还用于在收到过压信号或欠压信号的时候关闭功率管；

所述输入电压检测模块还用于通过对反激式开关电源系统反馈电压端口进行钳位来检测输入电压值。

2.根据权利要求1所述的反激式开关电源输入电压检测装置，其特征在于，所述输入电压检测模块包括NMOS管M1，所述NMOS管M1的源极与反激式开关电源系统反馈电压端口相连，M1的漏极与电源相连，M1的栅极还与NMOS管M2的栅极相连；

所述M2的栅极还与电流源正极连接，M2的源极与M1的源极连接，M2的漏极还与PMOS管M3的漏极连接；

所述电流源的负极与内部电源连接，正极还与NMOS管M0的栅极、M0的漏极连接，所述NMOS管M0的源极接地；

所述M3的漏极与M3的栅极短接，M3的源级与内部电源连接，M3的栅极还与PMOS管M4的栅极连接；

所述M4的源级与内部电源连接，M4的漏极还与比较器负极连接；

所述比较器的正极连接参考电压，所述比较器负极还与电阻连接，所述电阻的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的反激式开关电源输入电压检测装置，其特征在于，还包括开关S1和电容Cs，所述开关的一端与M3的栅极连接，另一端与M4的栅极连接，所述电容Cs的一端与M4的栅极连接，另一端与M4的源级连接。

4.一种反激式开关电源输入电压检测方法，其特征在于，包括如下步骤：电源输入判断模块判断电源输入，在判断电源输入后发出工作信号，内部电源产生模块产生内部工作电源，环路控制模块与驱动控制模块在接收到工作信号后控制开启功率管短时间开启；

输入电压检测模块比较采样输入电压与参考电压，并根据比较结果发出过压信号或欠压信号，环路控制模块与驱动控制模块在接收到过压信号或欠压信号后关闭功率管；

对反激式开关电源的系统反馈控制端进行钳位，对钳位电流进行开关采样得到采样电流，让采样电流流过采样电阻，得到采样输入电压。