CN107276036A - 一种开关电源的cs采样电阻短路保护装置 - Google Patents

一种开关电源的cs采样电阻短路保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电源的CS采样电阻短路保护装置。斜波产生模块在功率管导通时，根据交流输入电压产生斜波信号，并发送异常导通指示信号；斜率检测模块在采样信号的上升斜率小于斜波信号的上升斜率时，发送短路报警信号；关断时间设定模块根据短路报警信号发送关断指示信号；计数模块在计时模块的一个发送周期内短路报警信号的接收次数达到预定次数时，发送关断控制信号；控制模块根据短路报警信号控制功率管按照正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通和按照正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，根据关断控制信号控制功率管关断并锁定关断状态。本发明能够在全电压交流输入条件下对CS采样电阻进行可靠的短路保护。

Description

一种开关电源的CS采样电阻短路保护装置
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种开关电源的CS采样电阻短路保护装置。
背景技术
随着开关电源需求量的日益增加，降低生产成本、增加应用功能以及优化性能已经成为一般消费电子产品的电源部分的基本要求。
由于开关电源在生产、测试和使用等各个环节中，存在很多因素可能导致系统中某些器件损坏或者短路，从而对开关电源的正常工作造成安全隐患，因此要求开关电源能够在系统中某些器件损坏或者短路的情况下自我保护或者不工作，从而进一步提高开关电源系统安全性。比如，在开关电源应用系统中，如果CS采样电阻损坏或者生产过程中焊接不良所导致CS采样电阻短路，那么传统的开关电源在使用过程中流过功率管的电流将会很大，可能超出功率管电流的安全上限值或者使得变压器磁芯饱和，进而导致发生“炸机”现象，从而给生产和使用带来很大的安全隐患。
现有的开关电源应用技术中很少涉及到关于CS采样电阻短路的保护技术，其主要的技术难点在于：1、在全电压交流输入条件下，很难实现CS采样电阻短路保护；2、在批量生产过程中，由于系统外围应用参数差异容易误触发CS采样电阻短路保护。上述问题在很大程度上限制了CS采样电阻短路保护技术的应用推广。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种开关电源的CS采样电阻短路保护装置，能够在全电压交流输入条件下对CS采样电阻进行可靠的短路保护。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种开关电源的CS采样电阻短路保护装置，包括斜波产生模块、斜率检测模块、关断时间设定模块、计时模块、计数模块和控制模块；所述斜波产生模块用于在功率管导通时，根据交流输入电压产生斜波信号，并向所述斜率检测模块发送所述斜波信号以及向所述控制模块发送异常导通指示信号；所述斜率检测模块用于在所述功率管导通时，比较所述斜波信号的上升斜率和CS采样电阻的采样信号的上升斜率，并在所述采样信号的上升斜率小于所述斜波信号的上升斜率时，向所述关断时间设定模块、计时模块、计数模块和控制模块发送短路报警信号；所述关断时间设定模块用于根据所述短路报警信号向所述控制模块发送异常关断指示信号；所述计时模块用于根据所述短路报警信号向所述计数模块周期性地发送清零信号；所述计数模块用于在清零信号的一个发送周期内，记录短路报警信号的接收次数，并在所述接收次数达到预定次数时，向所述控制模块发送关断控制信号；所述控制模块用于接收外部输入的正常导通指示信号和正常关断指示信号，并按照所述正常导通指示信号设定所述功率管的正常导通时间、按照所述正常关断指示信号设定所述功率管的正常关断时间、按照所述异常导通指示信号设定所述功率管的异常导通时间、按照所述异常关断指示信号设定所述功率管的异常关断时间，以及根据所述短路报警信号控制所述功率管按照所述正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通和按照所述正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，根据所述关断控制信号控制所述功率管关断并锁定关断状态；其中，所述异常导通时间介于所述正常导通时间的最大值和最小值之间，所述异常关断时间介于所述正常关断时间的最大值和最小值之间。
其中，所述斜波信号的上升斜率为基准电压值与时间的比值，其中，所述基准电压值为与所述交流输入电压相关的定值或者所述时间为与所述交流输入电压相关的定值。
其中，所述计数模块还用于在所述接收次数没有达到预定次数时，根据接收到的清零信号将所述接收次数清零。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明根据交流输入电压产生斜波信号，比较斜波信号与CS采样电阻的采样信号的上升斜率，如果采样信号的上升斜率较小，则产生短路报警信号，根据短路报警信号控制功率管按照正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通和按照正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，并统计一定时间内短路报警信号的产生次数，如果次数达到预定次数，则控制功率管关断并锁定关断状态，从而能够在全电压交流输入条件下对CS采样电阻进行可靠的短路保护。
附图说明
图1是本发明实施例的开关电源的CS采样电阻短路保护装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的开关电源系统的一种应用场景示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，是本发明实施例的开关电源的CS采样电阻短路保护装置的结构示意图。本发明实施例的CS采样电阻短路保护装置包括斜波产生模块1、斜率检测模块2、关断时间设定模块3、计时模块4、计数模块5和控制模块6。
斜波产生模块1用于在功率管导通时，根据交流输入电压产生斜波信号，并向斜率检测模块2发送斜波信号以及向控制模块6发送异常导通指示信号。
斜率检测模块2用于在功率管导通时，比较斜波信号的上升斜率和CS采样电阻的采样信号的上升斜率，并在采样信号的上升斜率小于斜波信号的上升斜率时，向关断时间设定模块3、计时模块4、计数模块5和控制模块6发送短路报警信号。
关断时间设定模块3用于根据短路报警信号向控制模块6发送异常关断指示信号。
计时模块4用于根据短路报警信号向计数模块5周期性地发送清零信号。
计数模块5用于在清零信号的一个发送周期内，记录短路报警信号的接收次数，并在接收次数达到预定次数时，向控制模块6发送关断控制信号。
控制模块6用于接收外部输入的正常导通指示信号和正常关断指示信号，并按照正常导通指示信号设定功率管的正常导通时间、按照正常关断指示信号设定功率管的正常关断时间、按照异常导通指示信号设定功率管的异常导通时间、按照异常关断指示信号设定功率管的异常关断时间，以及根据短路报警信号控制功率管按照正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通和按照正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，根据关断控制信号控制功率管关断并锁定关断状态。其中，异常导通时间介于正常导通时间的最大值和最小值之间，异常关断时间介于正常关断时间的最大值和最小值之间。
其中，在时间先后顺序上，控制模块6会先接收到短路报警信号，后接收到关断控制信号。在接收到短路报警信号之前，控制模块6控制功率管按照正常导通时间和正常关断时间进行导通和关断，在接收到短路报警信号时，则控制功率管按照正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通和按照正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，在接收到关断控制信号，控制功率管关断并锁定关断状态。
在本实施例中，计数模块5还用于在接收次数没有达到预定次数时，根据接收到的清零信号将接收次数清零。
下面将详细介绍本发明的CS采样电阻短路保护装置的工作原理：
斜波产生模块1在功率管导通期间可以根据不同的交流输入电压产生不同上升斜率的斜波信号。具体而言，斜波信号的上升斜率为基准电压值与时间的比值，其中，基准电压值为与交流输入电压相关的定值或者时间为与交流输入电压相关的定值。
斜率检测模块2在功率管导通期间检测采样信号的上升斜率，并将其与斜波信号的上升斜率相比较，以此判断是否满足CS采样电阻短路保护的触发条件。具体的比较过程为：如果基准电压值为与交流输入电压相关的定值，那么比较斜波信号和采样信号在相同的基准电压值下对应的时间，如果采样信号对应的时间大于斜波信号对应的时间，则判定采样信号的上升斜率小于斜波信号的上升斜率；如果时间为交流输入电压相关的定值，那么比较斜波信号和采样信号在相同的时间下对应的电压值，如果采样信号对应的电压值小于斜波信号对应的电压值，则判定采样信号的上升斜率小于斜波信号的上升斜率。判定采样信号的上升斜率小于斜波信号的上升斜率后，则满足CS采样电阻短路保护的触发条件，斜率检测模块2输出短路报警信号，同时斜波产生模块1发送异常导通指示信号。
计时模块4由短路报警信号触发开始计时，并按照设定的时间向计数模块5周期性地发送清零信号。计数模块5记录接收到短路报警信号的次数，也就是在CS采样电阻短路保护状态下功率管导通或者关断的次数，在计时器4设定的时间内，如果在接收到清零信号时，计数模块5所记录的次数没有达到设定次数，那么计数模块5根据清零信号将次数清零，计数模块5重新开始计数；反之，在计时器4设定的时间内，如果在接收到清零信号时，计数模块5所记录的次数达到设定次数，那么计数模块5输出关断控制信号。设置计时模块4和计数模块5可以避免CS采样电阻短路保护的误触发。
控制模块6按照异常导通指示信号设定功率管的异常导通时间、按照异常关断指示信号设定功率管的异常关断时间、以及根据关断控制信号控制功率管关断。通过控制模块6控制功率管关断，从而实现CS采样电阻短路保护。在清零信号的一个发送周期内，由于正常导通时间和正常关断时间的最大值和最小值均由开关电源的当前负载决定，功率管按照正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通，而异常导通时间又介于正常导通时间的最大值和最小值之间，因此异常导通指示信号就直接决定了在CS采样电阻短路保护状态下功率管的最大导通时间。相对应的，由于功率管按照正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，而异常关断时间又介于正常关断时间的最大值和最小值之间，因此异常关断指示信号就直接决定了在CS采样电阻短路保护状态下功率管的最小关断时间。也就是说，功率管在CS采样电阻短路保护状态下的导通时间缩短，关断时间延长，并且进一步可以关断功率管并锁定关断状态，因而可以保证流过功率管的电流不会超出安全上限值，从而避免“炸机”事故发生。
其中，通常开关电源具有驱动信号输出端，功率管如果为MOS管，则驱动信号输出端为GATE端，控制模块6通过向GATE端输出PWM_ON信号来控制驱动信号输出端输出驱动信号以开启功率管以及通过向GATE端输出PWM_OFF信号来控制驱动信号输出端停止输出驱动信号以关断功率管。应当注意本发明不仅限于驱动MOS管的应用，还可以应用于驱动三极管。
参阅图1和2，在该应用场景中，开关电源系统包括短路保护主控芯片10、功率NMOS管20、CS采样电阻30、辅助绕组上端分压电阻40、辅助绕组下端分压电阻50和变压器60。其中，短路保护主控芯片10包括前述实施例的CS采样电阻短路保护装置101以及现有的电源控制模块，现有的电源控制模块包括采样保持电路7、误差放大器8、低通滤波电路9、关断时间控制电路10和导通时间控制电路11，CS采样电阻短路保护装置101的控制模块6还与关断时间控制电路10和导通时间控制电路11信号连接。
采样保持电路7用于对负载的反馈电压进行采样和保持，并输出电压FB_SH。
误差放大器8用于比较输出电压FB_SH与基准电压VREF的差异，并放大差异后输出电压VEA，电压VEA经过低通滤波电路9以后形成电压VEA_RC。
关断时间控制电路10用于根据电压VEA_RC输出正常关断指示信号。
导通时间控制电路11用于检测到采样信号的电压值上升到电压VEA_RC时，输出正常导通指示信号。
具体而言，采样保持电路7对反馈到短路保护主控芯片101的电压FB进行采样和保持，并输出电压FB_SH。误差放大器8通过比较输出电压FB_SH与基准电压VREF的差异，并放大该差异以后输出电压VEA，电压VEA经过低通滤波电路9以后形成电压VEA_RC，电压VEA_RC的电压值变化反映了输出负载状态的变化，正常工作状态下，关断时间控制电路10根据电压VEA_RC的电压值大小输出正常关断指示信号，正常关断指示信号决定了不同输出负载状态所对应的功率NMOS管102的关断时间。在功率NMOS管102导通期间，当导通时间控制电路11检测到采样电压已经上升到不同负载所对应的电压VEA_RC的电压值，则输出正常导通指示信号，正常导通指示信号决定了不同输出负载状态所对应的功率NMOS管102的导通时间。
在驱动信号控制功率NMOS管102导通期间，流过变压器106初级绕组的电流的上升斜率为其中，Vin为交流输入电压，LP为初级绕组的电感，该电流流过CS采样电阻103，可以在CS端采集到一个与交流输入电压相对应的采样电压，该采样电压的上升斜率值为传统的开关电源工作在正常状态下时，当采样端CS的采样电压上升到设定的电压阈值时，输出驱动信号控制功率NMOS管102关断，但是在某些异常工作状态下，比如在CS采样电阻103损坏或者焊接不良所导致的CS采样电阻103短路情况下，CS采样电阻103的电阻值很小，相当于CS采样电阻103直接短路到地，在这种状态下CS采样电阻103的电阻值RCS很小，所以在功率NMOS管102导通期间CS采样电阻103的采样电压的上升斜率也会很小，也就是说采样电压在很长的导通时间内都不能上升到电压阈值，从而导致功率NMOS管102不能正常关断。在这种情况下，流过变压器106初级绕组的峰值电流将会远远超出正常状态下所需要的峰值电流，而开关电源长时间工作在异常状态下很容易发生“炸机”现象。
另外，由于不同的开关电源系统的交流输入电压或者变压器参数会不同，例如在不同的交流输入电压或者变压器初级绕组的电感条件下，功率NMOS管102导通期间采样电压的上升斜率是变化的，而斜波产生模块1可以对产生的斜波信号进行补偿，因此保证了在全电压交流输入条件下能够对CS采样电阻进行可靠的短路保护。
通过上述方式，本发明实施例的开关电源的CS采样电阻短路保护装置根据交流输入电压产生斜波信号，比较斜波信号与CS采样电阻的采样信号的上升斜率，如果采样信号的上升斜率较小，则产生短路报警信号，根据短路报警信号控制功率管按照正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通和按照正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，并统计一定时间内短路报警信号的产生次数，如果次数达到预定次数，则控制功率管关断并锁定关断状态，从而能够在全电压交流输入条件下对CS采样电阻进行可靠的短路保护。
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内。

Claims (3)

1.一种开关电源的CS采样电阻短路保护装置，其特征在于，包括斜波产生模块、斜率检测模块、关断时间设定模块、计时模块、计数模块和控制模块；
所述斜波产生模块用于在功率管导通时，根据交流输入电压产生斜波信号，并向所述斜率检测模块发送所述斜波信号以及向所述控制模块发送异常导通指示信号；
所述斜率检测模块用于在所述功率管导通时，比较所述斜波信号的上升斜率和CS采样电阻的采样信号的上升斜率，并在所述采样信号的上升斜率小于所述斜波信号的上升斜率时，向所述关断时间设定模块、计时模块、计数模块和控制模块发送短路报警信号；
所述关断时间设定模块用于根据所述短路报警信号向所述控制模块发送异常关断指示信号；
所述计时模块用于根据所述短路报警信号向所述计数模块周期性地发送清零信号；
所述计数模块用于在清零信号的一个发送周期内，记录短路报警信号的接收次数，并在所述接收次数达到预定次数时，向所述控制模块发送关断控制信号；
所述控制模块用于接收外部输入的正常导通指示信号和正常关断指示信号，并按照所述正常导通指示信号设定所述功率管的正常导通时间、按照所述正常关断指示信号设定所述功率管的正常关断时间、按照所述异常导通指示信号设定所述功率管的异常导通时间、按照所述异常关断指示信号设定所述功率管的异常关断时间，以及根据所述短路报警信号控制所述功率管按照所述正常导通时间和异常导通时间中较小的一者进行导通和按照所述正常关断时间和异常关断时间中较大的一者进行关断，根据所述关断控制信号控制所述功率管关断并锁定关断状态；
其中，所述异常导通时间介于所述正常导通时间的最大值和最小值之间，所述异常关断时间介于所述正常关断时间的最大值和最小值之间。
2.根据权利要求1所述的CS采样电阻短路保护装置，其特征在于，所述斜波信号的上升斜率为基准电压值与时间的比值，其中，所述基准电压值为与所述交流输入电压相关的定值或者所述时间为与所述交流输入电压相关的定值。
3.根据权利要求1所述的CS采样电阻短路保护装置，其特征在于，所述计数模块还用于在所述接收次数没有达到预定次数时，根据接收到的清零信号将所述接收次数清零。
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