CN108539968B - 开关电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种开关电源及其控制方法。所述开关电源包括：控制电路、开关电路和滤波电路，控制电路的控制端连接开关电路的被控端，开关电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端为开关电源的电压输出端；开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关，下部开关的第一端连接开关电路的输出端，上部开关和上部备份开关并联在供电电源与开关电路的输出端之间；当上部开关发生故障时，控制电路通过第二控制端控制上部开关停止工作，并通过第三控制端控制上部备份开关进行工作。本申请可以实现对故障电路的在线隔离，且通过保护性地切换到上部备份开关，使得开关电路可以继续正常工作，保证了开关电源的正常使用。

Description

开关电源及其控制方法

技术领域

本申请涉及电子技术领域，特别涉及一种开关电源及其控制方法。

背景技术

随着电子技术的发展，开关电源因其小型、轻量、输入范围宽和高效率等特点已被广泛应用于通信、家电、工业仪表等领域的电子设备中，其已成为电子信息产业不可或缺的一种电源方式。开关电源通过控制开关元件导通和关断的时间比率，来维持稳定的输出电压，随着电子设备的供电需求的增加，开关电源的功率越来越大，功率密度越来越大，工作温度越来越高，从而使得开关电源的可靠性要求也越来越高。

开关电源包括控制电路、开关电路和滤波电路。控制电路用于控制开关电路的导通和关断。开关电路用于根据控制电路的控制，生成开关信号。滤波电路用于将开关信号整形为稳定的电压信号，进行输出。滤波电路输出的电压信号用于电路板或电子设备的供电。

在实际应用场景中，为了提高开关电源的可靠性。开关电源还可以包括保险管。当开关电路发生短路故障时，保险管触发熔断，避免开关电源所供电的电路板或电子设备受到高电压冲击。

然而，保险管的熔断过程需要一定的时间周期。特别是在可靠性要求比较高的场景中，在保险管熔断过程中，高电压仍有可能通过滤波电路加载在开关电源所供电的电路板或电子设备上，从而损坏电路板或电子设备中的电子器件。

发明内容

本申请提供了一种开关电源及其控制方法，可以实现在开关电源中的电路故障后进行自动隔离，并切换到备份电路开始工作，从而不仅可以避免开关电源所供电的电路板或电子设备受到高电压冲击，而且可以保证开关电源的正常使用。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种开关电源，所述开关电源包括：控制电路、开关电路和滤波电路，所述控制电路的控制端连接所述开关电路的被控端，所述开关电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端为所述开关电源的电压输出端；

所述开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关，所述下部开关的第一端连接所述开关电路的输出端，所述上部开关和所述上部备份开关并联在供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述开关电路的被控端包括所述下部开关的被控端、所述上部开关的被控端和所述上部备份开关的被控端，所述控制电路的控制端包括第一控制端、第二控制端和第三控制端，所述下部开关的被控端连接所述控制电路的第一控制端，所述上部开关的被控端连接所述控制电路的第二控制端，所述上部备份开关的被控端连接所述控制电路的第三控制端；

其中，当所述上部开关发生故障时，所述控制电路用于通过所述第二控制端控制所述上部开关停止工作，并用于通过所述第三控制端控制所述上部备份开关进行工作。

需要说明的是，下部开关可以包括金属氧化物半导体(Metal-Oxde-Semconductor，MOS)管、绝缘栅双极型晶体管(nsulated Gate Bpolar Transstor，GBT)、三极管、晶闸管、继电器等开关器件中的至少一个；上部开关可以包括MOS管、GBT、三极管、晶闸管、继电器等开关器件中的至少一个；上部备份开关可以包括MOS管、GBT、三极管、晶闸管、继电器等开关器件中的至少一个。

在本申请实施例中，下部开关和上部开关组成了开关电路的主用电路，下部开关和上部备份开关组成了开关电路的备份电路，从而可以实现对该开关电源的冗余备份。在上部开关未发生故障时，通过开关电路的主用电路输出开关信号，在上部开关发生故障时，从开关电路的主用电路切换到备份电路，通过开关电路的备份电路输出开关信号，从而不仅实现了对故障电路的在线隔离，避免了高电压损坏该开关电源所供电的电路板或电子设备，而且通过实时保护切换，使得开关电路可以继续进行正常工作，避免了故障对该开关电源的性能的影响，保证了该开关电源的正常使用，继而保证了业务的正常进行。

进一步地，所述控制电路的检测端连接所述开关电路的输出端；

当所述控制电路通过所述第二控制端控制所述上部开关关断时，所述控制电路还用于通过所述检测端检测到所述开关电路的输出端的电压大于或等于预设阈值，确定所述上部开关发生故障。

其中，所述上部开关包括第一开关元件和第二开关元件，所述上部备份开关包括第三开关元件和第四开关元件；

所述第一开关元件和所述第二开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间，所述第三开关元件和所述第四开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述上部开关的被控端包括所述第一开关元件的被控端和所述第二开关元件的被控端，所述控制电路的第二控制端包括第四控制端和第五控制端，所述第一开关元件的被控端连接所述控制电路的第四控制端，所述第二开关元件的被控端连接所述控制电路的第五控制端；

所述上部备份开关的被控端包括所述第三开关元件的被控端和所述第四开关元件的被控端，所述控制电路的第三控制端包括第六控制端和第七控制端，所述第三开关元件的被控端连接所述控制电路的第六控制端，所述第四开关元件的被控端连接所述控制电路的第七控制端。

其中，所述第一开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第一开关元件的第二端连接所述第二开关元件的第一端，所述第二开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端；

所述第三开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第三开关元件的第二端连接所述第四开关元件的第一端，所述第四开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端。

这种情况下，如果上部开关发生故障包括第一开关元件发生故障，则控制电路在第一开关元件未发生故障时，可以通过控制电路的第五控制端控制第二开关元件持续导通，通过控制电路的第七控制端控制第四开关元件持续关断，通过控制电路的第四控制端控制第一开关元件进行工作，以在开关电路的输出端输出开关信号；控制电路在第一开关元件发生故障时，可以通过控制电路的第五控制端控制第二开关元件持续关断，通过控制电路的第七控制端控制第四开关元件持续导通，通过控制电路的第六控制端控制第三开关元件进行工作，以在开关电路的输出端输出开关信号。

其中，控制电路判断第一开关元件是否发生故障时，可以在通过控制电路的第四控制端控制第一开关元件关断后，获取开关电路的输出端的电压，如果获取到的电压小于预设阈值，则确定第一开关元件未发生故障，如果获取到的电压大于或等于预设阈值，则确定第一开关元件发生故障。

另一情况下，如果上部开关发生故障包括第二开关元件发生故障，则控制电路在第二开关元件未发生故障时，可以通过控制电路的第四控制端控制第一开关元件持续导通，通过控制电路的第六控制端控制第三开关元件持续关断，通过控制电路的第五控制端控制第二开关元件进行工作，以在开关电路的输出端输出开关信号；控制电路在第二开关元件发生故障时，可以通过控制电路的第四控制端控制第一开关元件持续关断，通过控制电路的第六控制端控制第三开关元件持续导通，通过控制电路的第七控制端控制第四开关元件进行工作，以在开关电路的输出端输出开关信号。

其中，所述滤波电路包括电容和电感；

所述电感的一端连接所述开关电路的输出端，所述电容的一端接地，所述电感的另一端和所述电容的另一端均连接所述开关电源的电压输出端。

需要说明的是，电容具有“阻直流、通交流”的功能，电感具有“阻交流、通直流、阻高频、通低频”的功能，因而当开关电路的输出端输出的开关信号通过包括有电容和电感的滤波电路后，该开关信号中的交流干扰信号大部分将被该电感阻止吸收变成磁感和热能，剩下的大部分被该电容旁路到地，从而可以抑制交流干扰信号的作用，在滤波电路的输出端获得较为稳定的直流电压，继而在该开关电源的电压输出端输出所需的电压信号。

其中，所述控制电路的反馈端连接所述开关电源的电压输出端。

需要说明的是，控制电路可以从该开关电源的电压输出端获得电压信号作为反馈信号，并根据该反馈信号调整下部开关和上部开关的导通和关断的时间比率，或者调整下部开关和上部备份开关的导通和关断的时间比率，以使调整后该开关电源的电压输出端输出的电压信号可以满足需求。

其中，所述开关电源包括n相电路，所述n相电路中的每一相电路包括所述开关电路和所述滤波电路，所述n为正整数。

第二方面，提供了一种开关电源的控制方法，所述方法应用于开关电源，所述开关电源包括：控制电路、开关电路和滤波电路，所述控制电路的控制端连接所述开关电路的被控端，所述开关电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端为所述开关电源的电压输出端；

所述开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关，所述下部开关的第一端连接所述开关电路的输出端，所述上部开关和所述上部备份开关并联在供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述开关电路的被控端包括所述下部开关的被控端、所述上部开关的被控端和所述上部备份开关的被控端，所述控制电路的控制端包括第一控制端、第二控制端和第三控制端，所述下部开关的被控端连接所述控制电路的第一控制端，所述上部开关的被控端连接所述控制电路的第二控制端，所述上部备份开关的被控端连接所述控制电路的第三控制端；

所述方法包括：

所述控制电路确定所述上部开关是否发生故障；

当所述上部开关发生故障时，所述控制电路通过所述第二控制端控制所述上部开关停止工作，并通过所述第三控制端控制所述上部备份开关进行工作。

其中，所述上部开关包括第一开关元件和第二开关元件，所述上部备份开关包括第三开关元件和第四开关元件；

所述第一开关元件和所述第二开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间，所述第三开关元件和所述第四开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述上部开关的被控端包括所述第一开关元件的被控端和所述第二开关元件的被控端，所述控制电路的第二控制端包括第四控制端和第五控制端，所述第一开关元件的被控端连接所述控制电路的第四控制端，所述第二开关元件的被控端连接所述控制电路的第五控制端；

所述上部备份开关的被控端包括所述第三开关元件的被控端和所述第四开关元件的被控端，所述控制电路的第三控制端包括第六控制端和第七控制端，所述第三开关元件的被控端连接所述控制电路的第六控制端，所述第四开关元件的被控端连接所述控制电路的第七控制端。

其中，所述第一开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第一开关元件的第二端连接所述第二开关元件的第一端，所述第二开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端；

所述第三开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第三开关元件的第二端连接所述第四开关元件的第一端，所述第四开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端。

其中，所述控制电路确定所述上部开关是否发生故障，包括：

所述控制电路确定所述第二开关元件是否发生故障；

相应地，所述当所述上部开关发生故障时，所述控制电路通过所述第二控制端控制所述上部开关停止工作，并通过所述第三控制端控制所述上部备份开关进行工作，包括：

当所述第二开关元件发生故障时，所述控制电路通过所述第四控制端控制所述第一开关元件持续关断，通过所述第六控制端控制所述第三开关元件持续导通，以及通过所述第七控制端控制所述第四开关元件进行工作。

其中，所述控制电路确定所述第二开关元件是否发生故障，包括：

所述控制电路通过所述第五控制端控制所述第二开关元件关断；

所述控制电路通过所述检测端检测到所述开关电路的输出端的电压大于或等于预设阈值；

所述控制电路确定所述第二开关元件发生故障。

其中，所述开关电源包括n相电路，所述n相电路中的每一相电路包括所述开关电路和所述滤波电路，所述n为正整数。

上述第二方面所获得的技术效果与上述第一方面中对应的技术手段获得的技术效果近似，在这里不再赘述。

本申请提供的技术方案带来的有益效果是：开关电源包括滤波电路、开关电路和控制电路，控制电路的控制端连接开关电路的被控端，开关电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端为该开关电源的电压输出端。开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关。控制电路在上部开关发生故障时，通过控制电路的第二控制端控制上部开关停止工作，并通过控制电路的第三控制端控制上部备份开关进行工作，从而在开关电路的输出端输出开关信号。滤波电路将该开关信号转换为电压信号，并在该开关电源的电压输出端输出该电压信号。如此，可以实现对该开关电源中的故障电路的在线隔离，避免了高电压损坏该开关电源所供电的电路板或电子设备，而且通过保护性地从上部开关切换到上部备份开关，使得开关电路可以继续进行正常工作，避免了故障对该开关电源的性能的影响，保证了该开关电源的正常使用。

附图说明

图1是相关技术提供的一种开关电源的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的第一种开关电源的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的第二种开关电源的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的第三种开关电源的结构示意图；

图5A是本申请实施例提供的一种开关电源工作时的示意图；

图5B是本申请实施例提供的一种主用电路工作状态的示意图；

图5C是本申请实施例提供的一种备份电路工作状态的示意图；

图6是本申请实施例提供的第四种开关电源的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的第五种开关电源的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的第六种开关电源的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的一种开关电源的控制方法的流程图。

附图标记：

1：滤波电路；1a：滤波电路的输入端；1b：滤波电路的输出端；L：电感；C：电容；

2：开关电路；2a：开关电路的控制端；2b：开关电路的输出端；Q1：下部开关；A1：下部开关的第一端；B1：下部开关的第二端；C1：下部开关的被控端；21：上部开关；C2：上部开关的被控端；q1：第一开关元件；a1：第一开关元件的第一端；b1：第一开关元件的第二端；c1：第一开关元件的被控端；q2：第二开关元件；a2：第二开关元件的第一端；b2：第二开关元件的第二端；c2：第二开关元件的被控端；22：上部备份开关；C3：上部备份开关的被控端；q3：第三开关元件；a3：第三开关元件的第一端；b3：第三开关元件的第二端；c3：第三开关元件的被控端；q4：第四开关元件；a4：第四开关元件的第一端；b4：第四开关元件的第二端；c4：第四开关元件的被控端；

3：控制电路；3a：控制电路的控制端；3a₁：控制电路的第一控制端；3a₂：控制电路的第二控制端；3a₃：控制电路的第三控制端；3a₄：控制电路的第四控制端；3a₅：控制电路的第五控制端；3a₆：控制电路的第六控制端；3a₇：控制电路的第七控制端；3b：控制电路的检测端；3c：控制电路的反馈端；

P：供电电源；O：开关电源的电压输出端。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

在对本申请实施例进行详细地解释说明之前，对本申请实施例涉及的应用场景予以说明。

电路板设计中，诸如直流-直流(Drect Current-Drect Current，DC-DC)、交流-直流(Alternatng Current-Drect Current，AC-DC)等开关电源的应用非常广泛。然而，由于开关电源的功率大，其中开关元件的工作环境复杂，受温度、电压、负载等各种影响容易发生故障，某一开关元件发生故障后，该开关元件所在的开关电路会立即失效，不能再正常工作，甚至会导致高压电源直接作用在开关电源所供电的电路板或电子设备上，损坏电路板或电子设备中的电子器件，造成业务中断。

如图1所示，开关电源包括：控制电路、开关电路和滤波电路。开关电路包括保险管、开关元件A和开关元件B。保险管与开关元件A串联在供电电源与开关电路的输出端之间，开关元件B的第一端连接开关电路的输出端，开关元件B的第二端接地，开关元件A的被控端、开关元件B的被控端与控制电路的两个控制端一一连接，开关电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端为该开关电源的电压输出端。

该开关电源工作时，控制电路在一个控制周期内控制开关元件A导通并控制开关元件B关断，以使开关电路的输出端的电压接近供电电源的电压，在接下来的一个控制周期控制开关元件A关断并控制开关元件B导通，以使开关电路的输出端的电压接近地的电压。如此，控制电路通过交替控制开关元件A和开关元件B的导通和关断，将供电电源输入的直流电压变换为开关信号后在开关电路的输出端进行输出。之后，滤波电路将该开关信号转换为稳定的直流电压后在该开关电源的电压输出端进行输出。在此过程中，如果开关元件A短路，则保险管会熔断，从而切断供电电源的输入，防止高电压损坏该开关电源所供电的电路板或电子设备。

然而，开关元件A短路后，由于保险管的熔断过程需要一定的时间周期，所以在保险管的熔断过程中，高电压仍有可能通过滤波电路加载在该开关电源所供电的电路板或电子设备上，从而损坏电路板或电子设备中的电子器件。另外，保险管熔断后，开关电路将会失效，不能再正常工作，从而会影响该开关电源的使用。

为了解决上述问题，提高开关电源的可靠性，本申请实施例提供了一种开关电源及其控制方法，可以实现在开关电源中的电路故障后进行自动隔离，并切换到备份电路开始工作，从而不仅可以避免开关电源所供电的电路板或电子设备受到高电压冲击，而且可以使得开关电源的使用不受影响，保证业务的正常进行。

接下来对本申请实施例提供的开关电源进行说明。

图2是本申请实施例提供的一种开关电源的结构示意图。参见图2，该开关电源包括：滤波电路1、开关电路2和控制电路3，控制电路3的控制端3a连接开关电路2的被控端2a，开关电路2的输出端2b连接滤波电路1的输入端1a，滤波电路1的输出端1b为该开关电源的电压输出端O。

开关电路2包括下部开关Q1、上部开关21和上部备份开关22，下部开关Q1的第一端A1连接开关电路2的输出端2b，上部开关21和上部备份开关22并联在供电电源P与开关电路2的输出端2b之间。

开关电路2的被控端2a包括下部开关Q1的被控端C1、上部开关21的被控端C2和上部备份开关22的被控端C3，控制电路3的控制端3a包括第一控制端3a₁、第二控制端3a₂和第三控制端3a₃，下部开关Q1的被控端C1连接控制电路3的第一控制端3a₁，上部开关21的被控端C2连接控制电路3的第二控制端3a₂，上部备份开关22的被控端C3连接控制电路3的第三控制端3a₃。

需要说明的是，下部开关Q1和上部开关21可以组成开关电路2的主用电路，下部开关Q1和上部备份开关22可以组成开关电路2的备份电路，从而可以实现对该开关电源的冗余备份。实际应用中，通过在主用电路与备份电路之间进行实时保护切换，可以保证该开关电源的正常使用。

具体地，下部开关Q1的第二端B1接地，该开关电源在工作时，控制电路3可以在上部开关21未发生故障时，控制下部开关Q1和上部开关21在开关电路2的输出端2b输出开关信号，且可以在上部开关21发生故障时，控制下部开关Q1和上部备份开关22在开关电路2的输出端2b输出开关信号；滤波电路1将该开关信号转换为电压信号，并在该开关电源的电压输出端O输出该电压信号。

其中，控制电路3控制下部开关Q1和上部开关21在开关电路2的输出端2b输出开关信号时，控制电路3可以通过控制电路3的第一控制端3a₁控制下部开关Q1进行工作，通过控制电路3的第二控制端3a₂控制上部开关21进行工作，通过控制电路3的第三控制端3a₃控制上部备份开关22停止工作。具体地，控制电路3可以在控制上部备份开关22持续关断，并且，在一个控制周期内控制下部开关Q1导通并控制上部开关21关断，以使开关电路2的输出端2b的电压接近地的电压，在接下来的一个控制周期内控制下部开关Q1关断并控制上部开关21导通，以使开关电路2的输出端2b的电压接近供电电源P的电压，如此使得开关电路2的输出端2b输出幅值等于供电电源P输入的直流电压幅值的脉冲电压，该脉冲电压即为所需的开关信号。

相应地，控制电路3控制下部开关Q1和上部备份开关22在开关电路2的输出端2b输出开关信号时，控制电路3可以通过控制电路3的第一控制端3a₁控制下部开关Q1进行工作，通过控制电路3的第二控制端3a₂控制上部开关21停止工作，通过控制电路3的第三控制端3a₃控制上部备份开关22进行工作。具体地，控制电路3可以在控制上部开关21持续关断，并且，在一个控制周期内控制下部开关Q1导通并控制上部备份开关22关断，以使开关电路2的输出端2b的电压接近地的电压，在接下来的一个控制周期内控制下部开关Q1关断并控制上部备份开关22导通，以使开关电路2的输出端2b的电压接近供电电源P的电压，如此使得开关电路2的输出端2b输出幅值等于供电电源P输入的直流电压幅值的脉冲电压，该脉冲电压即为所需的开关信号。

需要说明的是，控制电路3可以为脉冲宽度调制(Pulse Wdth Modulaton，PWM)控制电路，当然，控制电路3也可以为其它能够控制开关器件的导通和关断的控制电路，本申请实施例对此不作限定。

另外，下部开关Q1可以包括MOS管、GBT、三极管、晶闸管和继电器等开关器件中的至少一个；上部开关21可以包括MOS管、GBT、三极管、晶闸管和继电器等开关器件中的至少一个；上部备份开关22可以包括MOS管、GBT、三极管、晶闸管和继电器等开关器件中的至少一个。

其中，滤波电路1将该开关信号转换为电压信号时，滤波电路1可以对该开关信号进行滤波，来将该开关信号转换为稳定的直流电压，该直流电压即为所需的电压信号，可以用于电路板或电子设备的供电。

值得说明的是，本申请实施例在上部开关21未发生故障时，通过下部开关Q1和上部开关21输出开关信号，在上部开关21发生故障时，从上部开关21切换到上部备份开关22，通过下部开关Q1和上部备份开关22输出开关信号，从而实现了对故障电路的在线隔离，避免了高电压损坏该开关电源所供电的电路板或电子设备，而且通过保护性地切换到备份电路，使得开关电路可以继续进行正常工作，避免了故障对该开关电源的性能的影响，保证了该开关电源的正常使用，继而保证了业务的正常进行。

进一步地，控制电路3在判断上部开关21是否发生故障时，控制电路3可以在通过控制电路3的第二控制端3a₂控制上部开关21关断时，获取开关电路2的输出端2b的电压，如果获取的电压小于预设阈值，则确定上部开关21未发生故障，如果获取的电压大于或等于预设阈值，则确定上部开关21发生故障。

需要说明的是，预设阈值可以预先进行设置，且预设阈值可以接近供电电源P输入的直流电压，如供电电源P输入的直流电压为200伏特，则预设阈值可以为接近200伏特的190伏特、180伏特等。

另外，控制电路3在通过控制电路3的第二控制端3a₂控制上部开关21关断时，如果上部开关21未发生故障，则开关电路2的输出端2b输出的电压较低，接近地的电压，即会小于预设阈值，而如果上部开关21发生故障，则开关电路2的输出端2b输出的电压较高，接近供电电源P输入的直流电压，即会大于或等于预设阈值。

实际应用中，为了便于控制电路3获取开关电路2的输出端2b的电压，如图3所示，控制电路3的检测端3b连接开关电路2的输出端2b，此时控制电路3可以直接通过控制电路的检测端3b检测开关电路2的输出端2b的电压；或者，控制电路3可以通过其它电压检测电路检测开关电路2的输出端2b的电压，此时该电压检测电路可以连接开关电路2的输出端2b，控制电路3连接该电压检测电路，该电压检测电路可以检测开关电路2的输出端2b的电压，控制电路3可以从该电压检测电路中获取其所检测到的电压。

其中，参见图4，上部开关21包括第一开关元件q1和第二开关元件q2，上部备份开关22包括第三开关元件q3和第四开关元件q4。

第一开关元件q1和第二开关元件q2串联在供电电源P与开关电路2的输出端2b之间，第三开关元件q3和第四开关元件q4串联在供电电源P与开关电路2的输出端2b之间。

上部开关21的被控端C2包括第一开关元件q1的被控端c1和第二开关元件q2的被控端c2，控制电路3的第二控制端3a₂包括第四控制端3a₄和第五控制端3a₅，第一开关元件q1的被控端c1连接控制电路3的第四控制端3a₄，第二开关元件q2的被控端c2连接控制电路3的第五控制端3a₅。

上部备份开关22的被控端C3包括第三开关元件q3的被控端c3和第四开关元件q4的被控端c4，控制电路3的第三控制端3a₃包括第六控制端3a₆和第七控制端3a₇，第三开关元件q3的被控端c3连接控制电路3的第六控制端3a₆，第四开关元件q4的被控端c4连接控制电路3的第七控制端3a₇。

其中，第一开关元件q1和第二开关元件q2串联在供电电源P与开关电路2的输出端2b之间时，第一开关元件q1的第一端a1连接供电电源P，第一开关元件q1的第二端b1连接第二开关单元q2的第一端a2，第二开关单元q2的第二端b2连接开关电路2的输出端2b。

其中，第三开关元件q3和第四开关元件q4串联在供电电源P与开关电路2的输出端2b之间时，第三开关元件q3的第一端a3连接供电电源P，第三开关元件q3的第二端b3连接第四开关元件q4的第一端a4，第四开关元件q4的第二端b4连接开关电路2的输出端2b。

这种情况下，如果上部开关21发生故障包括第一开关元件q1发生故障，则控制电路3在第一开关元件q1未发生故障时，可以通过控制电路3的第五控制端3a₅控制第二开关元件q2持续导通，通过控制电路3的第七控制端3a₇控制第四开关元件q4持续关断，通过控制电路3的第四控制端3a₄控制第一开关元件q1进行工作，以在开关电路2的输出端2b输出开关信号；控制电路3在第一开关元件q1发生故障时，可以通过控制电路3的第五控制端3a₅控制第二开关元件q2持续关断，通过控制电路3的第七控制端3a₇控制第四开关元件q4持续导通，通过控制电路3的第六控制端3a₆控制第三开关元件q3进行工作，以在开关电路2的输出端2b输出开关信号。

其中，控制电路3判断第一开关元件q1是否发生故障时，可以在通过控制电路3的第四控制端3a₄控制第一开关元件q1关断后，获取开关电路2的输出端2b的电压，如果获取到的电压小于预设阈值，则确定第一开关元件q1未发生故障，如果获取到的电压大于或等于预设阈值，则确定第一开关元件q1发生故障。

另一情况下，如果上部开关21发生故障包括第二开关元件q2发生故障，则控制电路3在第二开关元件q2未发生故障时，可以通过控制电路3的第四控制端3a₄控制第一开关元件q1持续导通，通过控制电路3的第六控制端3a₆控制第三开关元件q3持续关断，通过控制电路3的第五控制端3a₅控制第二开关元件q2进行工作，以在开关电路2的输出端2b输出开关信号；控制电路3在第二开关元件q2发生故障时，可以通过控制电路3的第四控制端3a₄控制第一开关元件q1持续关断，通过控制电路3的第六控制端3a₆控制第三开关元件q3持续导通，通过控制电路3的第七控制端3a₇控制第四开关元件q4进行工作，以在开关电路2的输出端2b输出开关信号。

其中，控制电路3判断第二开关元件q2是否发生故障时，可以在通过控制电路3的第五控制端3a₅控制第二开关元件q2关断时，获取开关电路2的输出端2b的电压，如果获取到的电压小于预设阈值，则确定第二开关元件q2未发生故障，如果获取到的电压大于或等于预设阈值，则确定第二开关元件q2发生故障。

需要说明的是，下部开关Q1可以称为开关电路2的下管；第一开关元件q1和第二开关元件q2中的一个开关元件可以称为开关电路2的上管，另一个开关元件可以称为开关电路2的上管保护管；第三开关元件q3和第四开关元件q4中的一个开关元件可以称为开关电路2的备份上管，另一个开关元件可以称为开关电路2的备份上管保护管。开关电路2的下管、上管和上管保护管组成开关电路2的主用电路，开关电路2的下管、备份上管和备份上管保护管组成开关电路2的备份电路。

具体地，该开关电源在工作时，在上部开关21未发生故障时，开关电路2的主用电路工作，此时开关电路2的上管保护管持续导通，开关电路2的备份上管保护管持续关断，开关电路2的上管和下管处于正常工作状态，在开关电路2的输出端2b输出开关信号；在上部开关21发生故障(如开关电路2的上管因被击穿而短路)时，开关电路2的备份电路工作，此时开关电路2的上管保护管持续关断，开关电路2的备份上管保护管持续导通，开关电路2的备份上管和下管处于正常工作状态，在开关电路2的输出端2b输出开关信号。

需要说明的是，控制电路3可以通过开关控制信号来控制下部开关Q1、第一开关元件q1、第二开关元件q2、第三开关元件q3或第四开关元件q4这些开关器件的导通和关断，开关控制信号可以包括两种状态的信号来分别对应开关器件的导通和关断的两种工作状态，例如，利用开关控制信号中信号电平的高低来分别对应开关器件的两种工作状态，开关控制信号中的低电平“0”对应开关器件的“关断”工作状态，开关控制信号中的高电平“1”对应开关器件的“导通”工作状态。

下面结合图5A、图5B和图5C来对上述控制电路3的控制过程进行说明。

假设上部开关21发生故障包括第二开关单元q2发生故障，如图5A所示，控制电路3可以通过开关控制信号LG控制下部开关Q1的导通和关断，通过开关控制信号PG1控制第一开关元件q1的导通和关断，通过开关控制信号UG1控制第二开关元件q2的导通和关断，通过开关控制信号PG2控制第三开关元件q3的导通和关断，通过开关控制信号UG2控制第四开关元件q4的导通和关断。

当第二开关元件q2未发生故障时，开关电路2的主用电路工作，如图5B所示，控制电路3通过开关控制信号PG1中的高电平控制第一开关元件q1持续导通，通过开关控制信号PG2中的低电平控制第三开关元件q3持续关断，通过开关控制信号LG中的高电平和低电平控制下部开关Q1的导通和关断，且同时通过开关控制信号UG1中的低电平和高电平控制第二开关元件q2的关断和导通，从而在开关电路2的输出端2b输出开关信号SW。

当第二开关元件q2发生故障时，开关电路2的备份电路工作，如图5C所示，控制电路3通过开关控制信号PG1中的低电平控制第一开关元件q1持续关断，通过开关控制信号PG2中的高电平控制第三开关元件q3持续导通，通过开关控制信号LG中的高电平和低电平控制下部开关Q1的导通和关断，且同时通过开关控制信号UG2中的低电平和高电平控制第四开关元件q4的关断和导通，从而在开关电路2的输出端2b输出开关信号SW。

其中，参见图6，滤波电路1包括电感L和电容C；

电感L的一端连接开关电路2的输出端2b，电容C的一端接地，电感L的另一端和电容C的另一端均连接该开关电源的电压输出端O。

需要说明的是，电容C具有“阻直流、通交流”的功能，电感L具有“阻交流、通直流、阻高频、通低频”的功能，因而当开关电路2的输出端2b输出的开关信号通过包括有电容C和电感L的滤波电路1后，该开关信号中的交流干扰信号大部分将被电感L阻止吸收变成磁感和热能，剩下的大部分被电容C旁路到地，从而可以抑制交流干扰信号的作用，在滤波电路1的输出端1b获得较为稳定的直流电压，继而在该开关电源的电压输出端O输出所需的电压信号。

另外，实际应用中，滤波电路1可以为图6所示的结构，当然，也可以为其它结构，只要其结构能够实现对开关信号的滤波即可，本申请实施例对此不作限定。

其中，参见图7，控制电路3的反馈端3c连接该开关电源的电压输出端O。

需要说明的是，控制电路3可以从该开关电源的电压输出端O获得电压信号作为反馈信号，并根据该反馈信号调整下部开关Q1和上部开关21的导通和关断的时间比率，或者调整下部开关Q1和上部备份开关22的导通和关断的时间比率，以使调整后该开关电源的电压输出端O输出的电压信号可以满足需求。

进一步地，参见图8，该开关电源包括n相电路，该n相电路中的每一相电路包括开关电路2和滤波电路1，n为正整数。

在本申请实施例中，开关电源包括滤波电路、开关电路和控制电路，控制电路的控制端连接开关电路的被控端，开关电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端为该开关电源的电压输出端。开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关。控制电路在上部开关发生故障时，通过控制电路的第二控制端控制上部开关停止工作，并通过控制电路的第三控制端控制上部备份开关进行工作，从而在开关电路的输出端输出开关信号。滤波电路将该开关信号转换为电压信号，并在该开关电源的电压输出端输出该电压信号。如此，可以实现对该开关电源中的故障电路的在线隔离，避免了高电压损坏该开关电源所供电的电路板或电子设备，而且通过保护性地从上部开关切换到上部备份开关，使得开关电路可以继续进行正常工作，避免了故障对该开关电源的性能的影响，保证了该开关电源的正常使用。

接下来对本申请实施例提供的开关电源的控制方法进行说明。

图9是本申请实施例提供的一种开关电源的控制方法的流程图，应用于上述图2-图8任一所示的开关电源。参见图9，该方法包括：

步骤901：控制电路确定上部开关是否发生故障。

需要说明的是，步骤901的操作已经在上述实施例的相关部分进行了详细说明，本申请实施例对此不再赘述。

步骤902：当上部开关发生故障时，控制电路通过控制电路的第二控制端控制上部开关停止工作，并通过控制电路的第三控制端控制所述上部备份开关进行工作。

需要说明的是，步骤902的操作已经在上述实施例的相关部分进行了详细说明，本申请实施例对此不再赘述。

在本申请实施例中，开关电源包括滤波电路、开关电路和控制电路，控制电路的控制端连接开关电路的被控端，开关电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端为该开关电源的电压输出端。开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关。控制电路在上部开关发生故障时，通过控制电路的第二控制端控制上部开关停止工作，并通过控制电路的第三控制端控制上部备份开关进行工作，从而在开关电路的输出端输出开关信号。滤波电路将该开关信号转换为电压信号，并在该开关电源的电压输出端输出该电压信号。如此，可以实现对该开关电源中的故障电路的在线隔离，避免了高电压损坏该开关电源所供电的电路板或电子设备，而且通过保护性地从上部开关切换到上部备份开关，使得开关电路可以继续进行正常工作，避免了故障对该开关电源的性能的影响，保证了该开关电源的正常使用。

以上所述为本申请提供的实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围内。

Claims (13)

1.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括：控制电路、开关电路和滤波电路，所述控制电路的控制端连接所述开关电路的被控端，所述开关电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端为所述开关电源的电压输出端；

所述开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关，所述下部开关的第一端连接所述开关电路的输出端，所述上部开关和所述上部备份开关并联在供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述开关电路的被控端包括所述下部开关的被控端、所述上部开关的被控端和所述上部备份开关的被控端，所述控制电路的控制端包括第一控制端、第二控制端和第三控制端，所述下部开关的被控端连接所述控制电路的第一控制端，所述上部开关的被控端连接所述控制电路的第二控制端，所述上部备份开关的被控端连接所述控制电路的第三控制端；

其中，当所述上部开关发生故障时，所述控制电路用于通过所述第二控制端控制所述上部开关停止工作，并用于通过所述第三控制端控制所述上部备份开关进行工作；

其中，所述上部开关包括第一开关元件和第二开关元件，所述上部备份开关包括第三开关元件和第四开关元件；

所述第一开关元件和所述第二开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间，所述第三开关元件和所述第四开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述上部开关的被控端包括所述第一开关元件的被控端和所述第二开关元件的被控端，所述控制电路的第二控制端包括第四控制端和第五控制端，所述第一开关元件的被控端连接所述控制电路的第四控制端，所述第二开关元件的被控端连接所述控制电路的第五控制端；

所述上部备份开关的被控端包括所述第三开关元件的被控端和所述第四开关元件的被控端，所述控制电路的第三控制端包括第六控制端和第七控制端，所述第三开关元件的被控端连接所述控制电路的第六控制端，所述第四开关元件的被控端连接所述控制电路的第七控制端。

2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，

所述第一开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第一开关元件的第二端连接所述第二开关元件的第一端，所述第二开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端；

所述第三开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第三开关元件的第二端连接所述第四开关元件的第一端，所述第四开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端。

3.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述上部开关发生故障包括所述第二开关元件发生故障；

当所述第二开关元件发生故障时，所述控制电路还用于通过所述第四控制端控制所述第一开关元件持续关断，通过所述第六控制端控制所述第三开关元件持续导通，以及通过所述第七控制端控制所述第四开关元件进行工作。

4.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述控制电路的检测端连接所述开关电路的输出端；

当所述控制电路通过所述第二控制端控制所述上部开关关断时，所述控制电路还用于通过所述检测端检测到所述开关电路的输出端的电压大于或等于预设阈值，确定所述上部开关发生故障。

5.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述滤波电路包括电容和电感；

所述电感的一端连接所述开关电路的输出端，所述电容的一端接地，所述电感的另一端和所述电容的另一端均连接所述开关电源的电压输出端。

6.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述控制电路的反馈端连接所述开关电源的电压输出端。

7.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，

所述下部开关包括金属氧化物半导体MOS管、绝缘栅双极型晶体管GBT、三极管、晶闸管和继电器中的至少一个；

所述上部开关包括MOS管、GBT、三极管、晶闸管和继电器中的至少一个；

所述上部备份开关包括MOS管、GBT、三极管、晶闸管和继电器中的至少一个。

8.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源包括n相电路，所述n相电路中的每一相电路包括所述开关电路和所述滤波电路，所述n为正整数。

9.一种开关电源的控制方法，其特征在于，所述方法应用于开关电源，所述开关电源包括：控制电路、开关电路和滤波电路，所述控制电路的控制端连接所述开关电路的被控端，所述开关电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端为所述开关电源的电压输出端；

所述开关电路包括下部开关、上部开关和上部备份开关，所述下部开关的第一端连接所述开关电路的输出端，所述上部开关和所述上部备份开关并联在供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述开关电路的被控端包括所述下部开关的被控端、所述上部开关的被控端和所述上部备份开关的被控端，所述控制电路的控制端包括第一控制端、第二控制端和第三控制端，所述下部开关的被控端连接所述控制电路的第一控制端，所述上部开关的被控端连接所述控制电路的第二控制端，所述上部备份开关的被控端连接所述控制电路的第三控制端；

所述上部开关包括第一开关元件和第二开关元件，所述上部备份开关包括第三开关元件和第四开关元件；

所述第一开关元件和所述第二开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间，所述第三开关元件和所述第四开关元件串联在所述供电电源与所述开关电路的输出端之间；

所述上部开关的被控端包括所述第一开关元件的被控端和所述第二开关元件的被控端，所述控制电路的第二控制端包括第四控制端和第五控制端，所述第一开关元件的被控端连接所述控制电路的第四控制端，所述第二开关元件的被控端连接所述控制电路的第五控制端；

所述上部备份开关的被控端包括所述第三开关元件的被控端和所述第四开关元件的被控端，所述控制电路的第三控制端包括第六控制端和第七控制端，所述第三开关元件的被控端连接所述控制电路的第六控制端，所述第四开关元件的被控端连接所述控制电路的第七控制端；

所述方法包括：

所述控制电路确定所述上部开关是否发生故障；

当所述上部开关发生故障时，所述控制电路通过所述第二控制端控制所述上部开关停止工作，并通过所述第三控制端控制所述上部备份开关进行工作。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述第一开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第一开关元件的第二端连接所述第二开关元件的第一端，所述第二开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端；

所述第三开关元件的第一端连接所述供电电源，所述第三开关元件的第二端连接所述第四开关元件的第一端，所述第四开关元件的第二端连接所述开关电路的输出端。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述控制电路确定所述上部开关是否发生故障，包括：

所述控制电路确定所述第二开关元件是否发生故障；

相应地，所述当所述上部开关发生故障时，所述控制电路通过所述第二控制端控制所述上部开关停止工作，并通过所述第三控制端控制所述上部备份开关进行工作，包括：

当所述第二开关元件发生故障时，所述控制电路通过所述第四控制端控制所述第一开关元件持续关断，通过所述第六控制端控制所述第三开关元件持续导通，以及通过所述第七控制端控制所述第四开关元件进行工作。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制电路的检测端连接所述开关电路的输出端，所述控制电路确定所述第二开关元件是否发生故障，包括：

所述控制电路通过所述第五控制端控制所述第二开关元件关断；

所述控制电路通过所述检测端检测到所述开关电路的输出端的电压大于或等于预设阈值；

所述控制电路确定所述第二开关元件发生故障。

13.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述开关电源包括n相电路，所述n相电路中的每一相电路包括所述开关电路和所述滤波电路，所述n为正整数。

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