CN109917174B

CN109917174B - 输出过压检测系统和检测方法

Info

Publication number: CN109917174B
Application number: CN201910106954.3A
Authority: CN
Inventors: 刘拓夫; 周俊
Original assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2019-02-02
Filing date: 2019-02-02
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2039-02-02
Also published as: TWI711249B; CN109917174A; TW202030960A

Abstract

本公开提供一种输出过压检测系统和检测方法。输出过压检测系统包括控制芯片和位于控制芯片外部并与控制芯片耦合的电阻。控制芯片包括电流源、控制电容、比较器、过压检测电路。电流源的电流大小由控制芯片外部耦合的电阻设定。控制电容在控制芯片驱动开通延迟一段时间后进行放电清零，在控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间内由控制芯片的电流源充电。比较器对控制电容两端的电压与采样电阻上的当前开关周期的峰值电压进行对比。过压检测电路响应于指示控制芯片驱动关断后输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于比较器的比较结果来确定是否检测到过压状态。

Description

输出过压检测系统和检测方法

技术领域

本发明总体涉及芯片领域，更具体地，涉及一种输出过压检测系统和检测方法。

背景技术

输出过压保护可以在系统异常时，防止输出电压过高引起系统损坏。输出电压检测于是成为输出过压保护中的关键。传统地，电压检测一般通过直接检测系统的输出电压或者通过检测系统中输出电感两端的电压来实现。然而，在某些系统应用条件下，无法直接对系统的输出电压或系统中输出电感两端的电压进行检测，常常需要通过增加额外的元件来辅助实施电压检测。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种输出过压检测系统，包括控制芯片和电阻，该电阻位于控制芯片外部并与控制芯片耦合。控制芯片包括电流源、控制电容、比较器、过压检测电路。电流源的电流大小由控制芯片外部耦合的电阻设定。控制电容在控制芯片驱动开通延迟一段时间后进行放电清零，并在控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间内由控制芯片的电流源充电，其中比较器对控制电容两端的电压与采样电阻上的当前开关周期的峰值电压进行对比；并且过压检测电路响应于指示控制芯片驱动关断后输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于比较器的比较结果来确定是否检测到过压状态。

根据本发明的另一方面，提供了一种输出过压检测方法，包括：采集控制芯片中控制电容两端的电压，其中控制电容在控制芯片驱动开通延迟一段时间后进行放电清零，并在控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间内由控制芯片的电流源充电，其中，控制芯片的电流源的电流大小由控制芯片外部耦合的电阻设定；采集采样电阻上的当前开关周期的峰值电压；将控制电容两端的电压与所述峰值电压进行对比；以及响应于指示控制芯片驱动关断后输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于比较器的比较结果来确定是否检测到过压状态。

根据本发明的输出过压检测系统和检测方法，可以便于在控制芯片的基准地无法直接检测输出电压或输出电感两端的电压时实现电压检测并进而实现输出过压保护功能，而无需额外的辅助电路，因此能够有助于减小系统体积并进而降低成本。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了一种通过光耦实现输出电压检测的示例性系统的示意图；

图2示出了一种通过辅助绕组实现输出电压检测的示例性系统的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统的示意框图；

图4示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统的电路示意图；

图5示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统在检测到过压状态时的控制波形的示意图；

图6示出了示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统在未检测到过压状态时的控制波形的示意图。

图7示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测方法的流程图。

图8示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测方法的具体示例的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图1示出了一种通过光耦实现输出电压检测的示例性系统的示意图。如图1所述，该示例性系统应用高压交流电(AC)为控制系统供电，进而为负载提供电力。更具体地，输入高压AC被施加到由四个二极管构成的整流桥的两个输入端，通过整流桥整流之后再经滤波电容滤波，然后由虚线框1指示的控制芯片控制整个系统为负载2提供电力。

如图1所示，控制芯片包括欠压锁定(UVLO)模块11、恒流(CC) /恒压(CV)调节模块12、电流感测模块13、退磁感测模块14、脉冲宽度调制(PWM)控制模块15、驱动器16、以及过压保护(OVP)模块 17。

欠压锁定(UVLO)模块11检测电源电压V_DD是否低于欠压锁定阈值时，并且当电源电压V_DD低于欠压锁定阈值时控制芯片处于保护状态。恒流(CC)/恒压(CV)调节模块12根据负载情况实现CC和CV模式的调节。脉冲宽度调制(PWM)控制模块15对电压波形执行脉冲宽度调制。驱动器16通过信号GATE驱动开关晶体管开通或关断。电流感测 (CS)模块13通过采样信号CS检测流过采样电阻的电流。退磁感测模块 14检测开关晶体管关断(即控制芯片驱动关断)后输出电感完全退磁的时间。过压保护(OVP)模块17通过信号FB检测输出电压是否高于输出过压保护阈值，并且当检测到的电压高于输出过压保护阈值时启动过压保护。

如图1所述，示例性系统通过光耦元件和相关电路(图中虚线框3和 4所示)来辅助实现电压检测。

图2示出了一种通过辅助绕组实现输出电压检测的示例性系统的示意图。图2中与图1相同的元件以及功能在此不再赘述，所不同的是在图2 中在输出电感左侧位置增加了辅助绕组，借助于这些绕组来实现输出电压检测。

然而，在图1和图2所示的示例性系统中，控制芯片都需要增加额外的辅助电路来辅助实现输出电压检测，这增大了系统体积并进而增加了成本。

根据本发明的实施例提供了一种新型的输出过压检测技术，这种新型的输出过压检测技术可以便于在控制芯片的基准地无法直接检测输出电压或输出电感两端的电压时实现电压检测并进而实现输出过压保护功能，而无需额外的辅助电路，因此能够有助于减小系统体积并进而降低成本。

图3示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统的示意框图。请注意，为不模糊本申请，图3中仅图示了有助于理解本发明的部分，实际上系统还可以包括其他的元件，例如，退磁感测模块、电流感测模块、驱动器、开关晶体管、采样电阻、输出电感等等，并且这些其他元件具有与图1和图2中所示那样相同的功能和操作。

如图3所示，该系统包括控制芯片301以及位于控制芯片外部并与控制芯片耦合的电阻302。控制芯片301控制对负载303的供电。

控制芯片301包括电流源3011、控制电容3012、比较器3013、过压检测电路3014。

电流源3011的电流大小由控制芯片301外部耦合的电阻302设定。

控制电容3012在控制芯片301驱动开通延迟一段时间后进行放电清零，并在控制芯片301驱动关断后输出电感的退磁时间由控制芯片301的电流源3011充电。

比较器3013对控制电容3012两端的电压与采样电阻上的当前开关周期的峰值电压进行对比。

过压检测电路3014响应于指示控制芯片301驱动关断后输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于比较器3013的比较结果来确定是否检测到过压状态。

在一些实施例中，响应于退磁结束时比较器3013的比较结果指示控制电容3012两端的电压低于采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，过压检测电路3014检测到过压状态。响应于退磁结束时比较器3013的比较结果指示控制电容3012两端的电压高于采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，过压检测电路3014未检测到过压状态。

在一些实施例中，控制芯片301还包括第一开关S₁和第二开关S₂，第一开关S₁跨接在控制电容3012两端，并且第二开关S₂串联在控制电容 3012与电流源3011之间，并且其中，在控制芯片301驱动开通时，第二开关S₂被关断，延迟一段时间后，第一开关S₁被开通，并且在控制芯片 301的驱动关断后输出电感的退磁时，第一开关S₁被关断，而第二开关S₂被开通。

图4示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统的检测电路示意图。

如图4所示，系统包括控制芯片401(如虚线框所示)以及位于控制芯片401外部并与控制芯片401耦合的电阻R_SET 402。芯片电源电压被加载到控制芯片401，在电阻R_SET 402的设定下经由转换器4011被转换为电流源电流I_SET以作为施加到控制芯片401的内部电流。

控制芯片还包括电流源4012、第一开关S₁ 4013、控制电容C4014、第二开关S₂4015、比较器4016和过压检测电路4017。

电流源4012为控制芯片401提供内部电流I_SET。

第一开关S₁ 4013跨接在控制电容C4014两端，响应于控制芯片驱动开通延迟一段时间T_{ON_DELAY}后而被开通，并响应于控制芯片驱动关断而被关断。

控制电容C4014在控制芯片401驱动开通延迟一段时间T_{ON_DELAY}后进行放电清零，并在控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间(T_DMG)内由控制芯片401的内部电流I_SET充电。

第二开关S₂ 4015串联在控制电容4014与电流源4012之间，响应于控制芯片401的驱动关断而被开通，并响应于控制芯片检测到输出电感退磁结束而被关断(退磁结束后，控制芯片可以进入下一开关周期，进而进入新循环)。

比较器4016对控制电容4014两端的电压与采样电阻上的当前开关周期的峰值电压(V_{CS_PEAK})进行对比。

过压检测电路4017响应于指示控制芯片401驱动关断后输出电感完全退磁的退磁结束信号(DMG)，基于比较器4016的比较结果来确定是否检测到过压状态。在一些实施例中，在退磁结束后比较器4016的比较结果指示控制电容4014两端的电压低于采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，过压检测电路4017检测到过压状态，进而过压保护被启动。在退磁结束后比较器4016的比较结果指示控制电容4014两端的电压高于采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，过压检测电路4017未检测到过压状态，控制芯片照常工作。

图5示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统在检测到过压状态时的控制波形的示意图；图6示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测系统未检测到过压状态时的控制波形的示意图。

如图5和图6所示，图中都图示了四个物理量(即GATE、I_L、V_C、 OVP)随时间T的变化曲线图，其中，GATE表示控制芯片驱动的开通与关断的信号，I_L表示输出电感电流，V_C表示控制电容两端的电压，OVP表示过压检测电路的检测结果信号。在图5和图6中，作为示例，仅图示出两个开关周期，本领域技术人员能够理解这些波形曲线可以包含更多或更少的开关周期。

首先参见图5，在GATE曲线中，高电平表示控制芯片驱动开通时间，低电平表示控制芯片驱动关断时间。如图所示，可以看出每个开关周期内控制芯片先开通，经过一段时间后(如图中虚线所示)，进入 T_{ON_DELAY}(在此时间期间，第一开关S₁开通)。请注意，第二开关S2在控制芯片驱动的整个开通时间都是关断的。接着，控制芯片关断，输出电感进入退磁时间T_DMG(在此时间期间，第二开关S₂开通，第一开关S₁关断)。

接下来是I_L曲线，从其中可见在控制芯片的驱动开通时间内(即， GATE信号处于高电平)，输出电感电流从零逐渐增大，在控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间内(即，GATE信号处于低电平)，输出电感电流逐渐降低至零。在控制芯片驱动关断时(即GATE信号在高电平到低电平的转变时)，输出电感电流达到峰值I_{L_PEAK}。

接下来是V_C曲线，从其中可见，在控制芯片驱动开通延迟一段时间后(这段时间对应于GATE信号曲线中从控制芯片驱动开通到进入 T_{ON_DELAY}之间的那段延迟时间)，控制电容两端的电压即降为零，即清零复位。之后，在控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间T_DMG内，由于控制电容被控制芯片的内部电流I_SET充电而逐渐增大。在图中，控制电容两端的峰值电压均小于采样电阻的峰值电压V_{CS_PEAK}。

接下来是OVP曲线，从其中可见，在控制芯片的驱动开通时间内，且在V_C复位清零之前，OVP处于高电平，因此检测到过压状态，进而启动过压保护。

图6与图5不同的是V_C和OVP曲线。由于每一开关周期内控制电容两端的峰值电压均大于采样电阻的峰值电压V_{CS_PEAK}。因此，在这两个开关周期内均未检测到过压状态。

根据本发明的输出过压检测系统，可以便于在控制芯片的基准地无法直接检测输出电压或输出电感两端的电压时实现电压检测并进而实现输出过压保护功能，而无需额外的辅助电路，因此能够有助于减小系统体积并进而降低成本。

图7示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测方法的流程图。如图7所示，该输出过压保护方法包括步骤S701-S705。

在步骤S701，采集控制芯片中控制电容两端的电压，其中，控制电容在控制芯片驱动开通延迟一段时间后进行放电清零，并在控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间由控制芯片的电流源充电，其中，控制芯片的电流源的电流大小由控制芯片外部耦合的电阻设定。

在步骤S702，获取采样电阻上的当前开关周期的峰值电压。

在步骤S703，将控制电容两端的电压与所述峰值电压进行对比。

在步骤S704和步骤S705，响应于指示控制芯片驱动关断后输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于比较的比较结果来确定是否检测到过压状态。在一些实施例中，当比较器的比较结果指示控制电容两端的电压低于电流采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，检测到过压状态；在比较器的比较结果指示控制电容两端的电压高于电流采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，未检测到过压状态，控制芯片照常工作。

在一些实施例中，通过系统的状态及输出电感的退磁时间开来确定控制芯片的通断时间。具体地，控制芯片还可包括第一开关和第二开关，第一开关跨接在控制电容两端，并且第二开关串联在控制电容与电流源之间，并且其中，在控制芯片的驱动开通时，第二开关被关断，延迟一段时间后，第一开关被开通，并且在控制芯片驱动关断后输出电感退磁时，第一开关被关断，而第二开关被开通。

图8示出了根据本发明实施例的一种输出过压检测方法的具体示例的流程图。如图8所示，该示例的输出过压检测方法包括步骤S801-S808。

在步骤S801，通过控制芯片外部耦合的电阻R_SET来设定控制芯片的电流源的电流I_SET。电流I_SET作为施加到控制芯片的内部电流。

在步骤S802，在控制芯片的输出电感的退磁时间内，电流源的电流 I_SET对控制芯片中的控制电容进行充电。

在步骤S803，采集控制电容两端的电压。

在步骤S804，获取采样电阻上的当前开关周期的峰值电压。

在步骤S805，将控制电容两端的电压与所述峰值电压进行对比。

在步骤S806和步骤S807，响应于指示控制芯片驱动关断后输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于比较的比较结果来确定是否检测到过压状态。在一些实施例中，当比较器的比较结果指示控制电容两端的电压低于电流采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，检测到过压状态；在比较器的比较结果指示控制电容两端的电压高于电流采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，未检测到过压状态，控制芯片照常工作。

在步骤808，控制芯片驱动开通延迟一段时间后，控制电容进行放电清零。

根据上述实施例的输出过压检测方法，可以便于在控制芯片的基准地无法直接检测输出电压或输出电感两端的电压时实现电压检测并进而实现输出过压保护功能，而无需额外的辅助电路，因此能够有助于减小系统体积并进而降低成本。

下面给出本发明的实施输出过压保护的技术原理。如上所述，控制芯片进入过压保护的条件为：

此外，输出电感在退磁阶段将电感能量传输至输出电容，其表达式为：

V_OUT·T_DMG＝L·I_{CS_PEAK} (2)

通过上述两个表达式，可以得出V_OUT电压进入保护的条件为：

其中Vc表示控制电容两端的电压，C为控制电容的电容值，I_SET为控制芯片的内部电流，T_DMG表示控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间， V_{CS_PEAK}表示采样电阻的峰值电压，I_{CS_PEAK}表示流过采样电阻的电流，R_CS表示采样电阻的电阻值，L为输出电感的电感值，Vout表示输出电压。控制电容的电容值C为固定值，输出电感的电感值L与采样电阻的电阻值 R_CS在同一系统下也为固定值。

因此，只需通过调整R_SET电阻阻值改变I_SET电流，即可设置输出电压的输出过压保护阈值。因此，在不便直接检测输出电压或输出电感两端的电压的情况下，通过检测控制电容两端的电压并与采样电阻的当前开关周期的峰值电压进行比较来检测是否检测到过压状态，并进而决定是否启动过压保护。

请注意，在上文中提到了“一个实施例”、“另一实施例”、“又一实施例”，然而应理解，在各个实施例中提及的特征并不一定只能应用于该实施例，而是可能用于其他实施例。一个实施例中的特征可以应用于另一实施例，或者可以被包括在另一实施例中。

上文中提到了“第一”、“第二”…等序数词。然而应理解这些表述仅仅是为了叙述和引用的方便，所限定的对象并不存在次序上的先后关系。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims

1.一种输出过压检测系统，包括：

控制芯片，

电阻，位于所述控制芯片外部并与所述控制芯片耦合；

其中，所述控制芯片包括电流源、控制电容、比较器、过压检测电路，

其中，所述电流源的电流大小由所述控制芯片外部耦合的所述电阻设定，

其中，所述控制电容在所述控制芯片驱动开通延迟一段时间后进行放电清零，并在所述控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间内由所述控制芯片的电流源充电；

其中，所述比较器对所述控制电容两端的电压与采样电阻上的当前开关周期的峰值电压进行对比；并且

其中，所述过压检测电路响应于指示所述控制芯片驱动关断后所述输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于所述比较器的比较结果来确定是否检测到过压状态。

2.根据权利要求1所述的输出过压检测系统，其中，当所述比较器的比较结果指示所述控制电容两端的电压低于所述采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，所述过压检测电路检测到过压状态。

3.根据权利要求1所述的输出过压检测系统，其中，当所述比较器的比较结果指示所述控制电容两端的电压高于所述采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，所述过压检测电路未检测到过压状态。

4.根据权利要求1所述的输出过压检测系统，所述控制芯片还包括第一开关和第二开关，所述第一开关跨接在所述控制电容两端，并且所述第二开关串联在所述控制电容与所述电流源之间，并且

其中，在所述控制芯片驱动开通时，所述第二开关被关断，延迟所述一段时间后，所述第一开关被开通，并且在所述控制芯片驱动关断后所述输出电感退磁时，所述第一开关被关断，而所述第二开关被开通。

5.一种输出过压检测方法，包括

采集控制芯片中控制电容两端的电压，其中，所述控制电容在所述控制芯片驱动开通延迟一段时间后进行放电清零，并在所述控制芯片驱动关断后输出电感的退磁时间内由所述控制芯片的电流源充电，其中，所述控制芯片的电流源的电流大小由所述控制芯片外部耦合的电阻设定；

采集采样电阻上的当前开关周期的峰值电压；

将所述控制电容两端的电压与所述峰值电压进行对比；以及

响应于指示所述控制芯片驱动关断后所述输出电感完全退磁的退磁结束信号，基于所述比较的比较结果来确定是否检测到过压状态。

6.根据权利要求5所述的输出过压检测方法，其中，当所述比较器的比较结果指示所述控制电容两端的电压低于所述采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，检测到过压状态。

7.根据权利要求5所述的输出过压检测方法，其中，当所述比较器的比较结果指示所述控制电容两端的电压高于所述采样电阻上的当前开关周期的峰值电压时，未检测到过压状态。

8.根据权利要求5所述的输出过压检测方法，其中，所述控制芯片还包括第一开关和第二开关，所述第一开关跨接在所述控制电容两端，并且所述第二开关串联在所述控制电容与所述电流源之间，并且

其中，在所述控制芯片驱动开通时，所述第二开关被关断，延迟所述一段时间后，所述第一开关被开通，并且在所述控制芯片驱动关断后所述输出电感的退磁时，所述第一开关被关断，而所述第二开关被开通。