CN109921624B - 一种开关电源控制器、开关电源及其过压检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种开关电源控制器，包括：功率开关管，用于控制功率转换电路的功率传输；电压检测电路，用于检测输入电压得到电压检测信号；过零检测电路，用于检测电感电流提供过零检测信号；过压检测电路，用于根据过零检测信号得到电感电流去磁时间，以及根据电压检测信号、基准电压信号以及输入‑输出电压关系得到去磁基准时间，并根据电感电流去磁时间和去磁基准时间得到过压检测信号；以及逻辑和驱动电路，用于根据有效的过压检测信号产生过压保护动作，节省了用于采样输出电压的辅助绕组和采样电阻，降低了开关电源的体积和成本。本发明实施例同时公开了一种开关电源及其过压检测方法。

Description

一种开关电源控制器、开关电源及其过压检测方法

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，更具体地涉及一种开关电源控制器、开关电源及其过压检测方法。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED(Light Emitting Diode)照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备和半导体制冷制热等领域。

在开关电源中，过压保护对其正常工作具有非常重大的意义。在传统的开关电源中，一般采用一个单独的变压器绕组来检测输出电压，然后通过分压电阻输入到过压保护芯片的固定引脚，从而判断开关电源是否过压。

传统的过压保护方案，为了检测输出电压是否过压，需要增加相应辅助绕组、分压电阻进行输出电压的采样，增加了开关电源的体积和成本，不适应于目前开关电源的小体积、低成本的发展要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电源控制器、开关电源及其过压检测方法，降低开关电源的体积和成本。

根据本发明的第一方面，提供一种开关电源控制器，用于控制功率转换电路，所述功率转换电路用于根据输入电压向负载提供输出电流，所述开关电源控制器包括：功率开关管，用于控制所述功率转换电路的功率传输；电压检测电路，用于检测输入电压得到电压检测信号；过零检测电路，用于检测电感电流，根据所述电感电流过零点提供过零检测信号；过压检测电路，用于根据所述过零检测信号得到电感电流去磁时间，以及根据所述功率转换电路的拓扑结构得到输入-输出电压关系，并根据所述电压检测信号、基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间，将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，根据比较结果提供过压检测信号，其中，当所述电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，所述过压检测电路提供有效的过压检测信号；以及逻辑和驱动电路，用于产生驱动信号，同时根据所述有效的过压检测信号产生过压保护动作。

优选地，所述过压检测电路包括：电流生成模块，用于根据所述电压检测信号、所述基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到第一电流和第二电流；以及检测模块，用于根据所述第一电流、所述第二电流以及所述驱动信号和所述过零检测信号得到所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间，并根据所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间得到所述过压检测信号。

优选地，所述检测模块包括：触发单元，用于根据所述驱动信号和所述过零检测信号产生触发信号，所述触发信号表征所述电感电流去磁时间；定时单元，接收所述驱动信号和所述触发信号，在所述驱动信号和所述触发信号的控制下根据所述第一电流和所述第二电流产生定时信号；以及逻辑单元，用于根据所述定时信号和所述过零检测信号产生所述过压检测信号。

优选地，所述逻辑单元配置为：当所述过零检测信号有效时，若所述定时信号为逻辑高电平，则提供有效的所述过压检测信号，若所述定时信号为逻辑低电平，则提供无效的所述过压检测信号。

优选地，所述触发单元配置为：当所述驱动信号为逻辑高电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑低电平，当所述驱动信号为逻辑低电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑高电平，直到所述过零检测信号有效。

优选地，所述定时单元包括：串联连接于电源电压与地之间的第一电流源、第一开关、第二开关以及第二电流源；第一电容，第一端连接至所述第一开关和所述第二开关之间得第一节点，第二端接地；第一比较器，正相输入端连接至所述第一节点以接收第一电压，反相输入端接地，输出端用于输出所述定时信号。

优选地，所述定时单元配置为：当所述驱动信号为逻辑高电平，所述触发信号为逻辑低电平时，所述第一开关导通，所述第二开关关断，所述第一电容经由所述第一电流源充电，充电电流为所述第一电流，所述第一比较器输出所述定时信号为逻辑高电平，当所述驱动信号为逻辑低电平，所述触发信号为逻辑高电平时，所述第一开关关断，所述第二开关导通，所述第一电容经由所述第二电流源放电，放电电流为所述第二电流，当放电至所述第一电压小于/等于接地电压时，所述定时信号翻转为逻辑低电平。

优选地，所述触发单元包括：第一或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号；第二或非门，第一输入端连接至所述第一或非门的输出端，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端连接至所述第一或非门的第二输入端；以及第三或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号，第二输入端连接至所述第一或非门的输出端，输出端用于输出所述触发信号。

优选地，所述逻辑单元通过与门电路实现，第一输入端用于接收所述定时信号，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端用于输出所述过压检测信号。

优选地，所述电压检测电路包括：串联连接于所述输入电压端与地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的中间节点用于提供所述电压检测信号。

优选地，所述功率转换电路包括降压式拓扑、反激式拓扑或者升降压拓扑。

根据本发明的第二方面，提供一种开关电源，包括功率转换电路、采样电阻、以及开关电源控制器，所述功率转换电路用于根据输入电压向负载提供输出电流，其中，所述开关电源控制器包括：功率开关管，用于控制所述功率转换电路的功率传输；电压检测电路，用于检测输入电压得到电压检测信号；过零检测电路，用于检测电感电流，根据所述电感电流过零点提供过零检测信号；过压检测电路，用于根据所述过零检测信号得到电感电流去磁时间，以及根据所述功率转换电路的拓扑结构得到输入-输出电压关系，并根据所述电压检测信号、基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间，将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，根据比较结果提供过压检测信号，其中，当所述电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，所述过压检测电路提供有效的过压检测信号；以及逻辑和驱动电路，用于产生驱动信号，同时根据所述有效的过压检测信号产生过压保护动作。

优选地，所述过压检测电路包括：电流生成模块，用于根据所述电压检测信号、所述基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到第一电流和第二电流；以及检测模块，用于根据所述第一电流、所述第二电流以及所述驱动信号和所述过零检测信号得到所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间，并根据所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间得到所述过压检测信号。

优选地，所述检测模块包括：触发单元，用于根据所述驱动信号和所述过零检测信号产生触发信号，所述触发信号表征所述电感电流去磁时间；定时单元，接收所述驱动信号和所述触发信号，在所述驱动信号和所述触发信号的控制下根据所述第一电流和所述第二电流产生定时信号；以及逻辑单元，用于根据所述定时信号和所述过零检测信号产生所述过压检测信号。

优选地，所述逻辑单元配置为：当所述过零检测信号有效时，若所述定时信号为逻辑高电平，则提供有效的所述过压检测信号，若所述定时信号为逻辑低电平，则提供无效的所述过压检测信号。

优选地，所述触发单元配置为：当所述驱动信号为逻辑高电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑低电平，当所述驱动信号为逻辑低电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑高电平，直到所述过零检测信号有效。

优选地，所述定时单元包括：串联连接于电源电压与地之间的第一电流源、第一开关、第二开关以及第二电流源；第一电容，第一端连接至所述第一开关和所述第二开关之间得第一节点，第二端接地；第一比较器，正相输入端连接至所述第一节点以接收第一电压，反相输入端接地，输出端用于输出所述定时信号。

优选地，所述定时单元配置为：当所述驱动信号为逻辑高电平，所述触发信号为逻辑低电平时，所述第一开关导通，所述第二开关关断，所述第一电容经由所述第一电流源充电，充电电流为所述第一电流，所述第一比较器输出所述定时信号为逻辑高电平，当所述驱动信号为逻辑低电平，所述触发信号为逻辑高电平时，所述第一开关关断，所述第二开关导通，所述第一电容经由所述第二电流源放电，放电电流为所述第二电流，当放电至所述第一电压小于/等于接地电压时，所述定时信号翻转为逻辑低电平。

优选地，所述触发单元包括：第一或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号；第二或非门，第一输入端连接至所述第一或非门的输出端，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端连接至所述第一或非门的第二输入端；以及第三或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号，第二输入端连接至所述第一或非门的输出端，输出端用于输出所述触发信号。

优选地，所述逻辑单元通过与门电路实现，第一输入端用于接收所述定时信号，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端用于输出所述过压检测信号。

优选地，所述电压检测电路包括：串联连接于所述输入电压端与地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的中间节点用于提供所述电压检测信号。

优选地，所述功率转换电路包括降压式拓扑、反激式拓扑或者升降压拓扑。

根据本发明的第三方面，提供一种开关电源的过压检测方法，所述开关电源包括功率转换电路，所述功率转换电路用于根据输入电压向负载提供输出电流，其中，所述过压检测方法包括：检测所述输入电压得到电压检测信号；根据所述功率转换电路的拓扑结构得到输入-输出电压关系；检测电感电流，响应于所述电感电流过零并提供过零检测信号，以及根据过零检测信号得到电感电流去磁时间；以及预设过压保护点，根据所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间，并将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，当所述电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，所述过压检测电路提供有效的过压检测信号。

优选地，所述预设过压保护点，根据所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间的步骤包括：提供基准电压信号；以及根据所述电压检测信号和所述基准电压信号，通过所述输入-输出电压关系计算得到所述去磁基准时间。

优选地，所述根据过零检测信号得到电感电流去磁时间的步骤包括：产生驱动信号；以及根据所述驱动信号和所述过零检测信号产生触发信号，所述触发信号表征所述电感电流去磁时间。

优选地，所述根据所述电压检测信号和所述基准电压信号，通过所述输入-输出电压关系计算得到所述去磁基准时间的步骤包括：根据所述电压检测信号、所述基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到第一电流和第二电流；以及在所述驱动信号和所述触发信号的控制下根据所述第一电流和所述第二电流对第一电容进行充放电，充电阶段所述第一电容的第一电压表征所述去磁基准时间。

优选地，所述将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，根据比较结果提供过压检测信号的步骤包括：根据所述第一电容的电压产生定时信号；根据所述定时信号和所述过零检测信号产生所述过压检测信号，当所述过零检测信号有效时，若所述定时信号为逻辑高电平，则提供有效的所述过压检测信号，若所述定时信号为逻辑低电平，则提供无效的所述过压检测信号。

优选地，所述根据所述第一电容的电压产生定时信号的步骤包括：当所述驱动信号为逻辑高电平，所述触发信号为逻辑低电平时，对所述第一电容进行充电，充电电流为所述第一电流，当所述第一电容的电压大于接地电压时，输出所述定时信号为逻辑高电平，当所述驱动信号为逻辑低电平，所述触发信号为逻辑高电平时，所述第一电容放电，放电电流为所述第二电流，当所述第一电容的电压小于/等于接地电压时，所述定时信号翻转为逻辑低电平。

优选地，所述功率转换电路包括降压式拓扑、反激式拓扑或者升降压拓扑。

本发明实施例提供的开关电源控制器、开关电源以及过压检测方法通过检测输入电压得到电压检测信号，然后根据开关电源的拓扑结构得到输入-输出电压关系，最后根据电压检测信号、预设的基准电压信号以及输入-输出电压关系得到去磁基准时间，当电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，则认为输出电压偏高，电路进入过压保护状态，节省了用于采样输出电压的辅助绕组和采样电阻，降低了开关电源的体积和成本。

在优选的实施例中，根据本发明实施例得到的过压保护电压仅与预设的基准电压信号和比例系数K相关，与电感电流的大小无关，电路一致性更好。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明第一实施例的一种降压式拓扑的开关电源的电路示意图；

图2示出根据本发明实施例的一种过压检测电路的结构示意图；

图3示出图2中的检测模块的电路示意图；

图4示出图3中定时单元的信号时序图；

图5A和图5B分别示出图3中的检测模块在正常工作模式下和过压检测模式下的信号时序图；

图6示出根据本发明第二实施例的一种反激式拓扑的开关电源的电路示意图；

图7示出根据本发明第三实施例的一种升降压拓扑的开关电源的电路示意图；

图8示出根据本发明第四实施例的开关电源的过压检测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图1示出根据本发明第一实施例的开关电源的电路示意图。如图1所示，该开关电源包括功率转换电路101、开关电源控制器100以及采样电阻Rcs。功率转换电路101用于根据输入电压Vin向负载提供输出电流Iout。开关电源控制器100用于控制功率转换电路101的工作状态。

示例的，本发明第一实施例提供一种降压式拓扑的开关电源，功率转换电路101包括续流二极管D1、负载电容Cout以及电感L1。续流二极管D1的阴极连接输入电压Vin正端，阳极连接至电感L1的第一端，输入电压Vin的负端可为接地。负载电容C1的第一端连接至续流二极管D1的阴极，第二端连接至电感L1的第二端，负载电容C1用于与负载并联连接，例如和LED负载并联，负载电容Cout起到输出电压滤波的作用，从而减小输出电流和输出电压的纹波。

开关电源控制器100包括过压检测电路110、过零检测电路120、逻辑和驱动电路130、电压检测电路140、以及功率开关管M1。

功率开关管M1(例如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)的漏极连接至电感L1的第一端，栅极连接至逻辑和驱动电路130以接收驱动信号GT，源极经由采样电阻Rcs接地。功率开关管M1用于根据驱动信号GT控制功率转换电路101的功率传输。采样电阻Rcs用于将流经电感L1、功率开关管M1的电感电流转换为采样电压Vcs。

过零检测电路120用于检测流经电感L1的电感电流的过零点，当电感电流过零时，输出有效的过零检测信号ZCD。例如，过零检测电路120的输入端连接至功率开关管M1的漏极，通过检测功率开关管M1的漏极信号来实现对电感电流的过零检测，从而产生过零检测信号ZCD。或者，过零检测电路120的输入端连接至功率开关管M1的栅极，通过检测功率开关管M1的栅极信号来实现对电感电流的过零检测，从而产生过零检测信号ZCD。或者，过零检测电路120的输入端可以连接至与电感L1耦合的辅助绕组，通过检测流过辅助绕组的电流实现对电感电流的过零检测，从而产生过零检测信号ZCD。

电压检测电路140用于检测输入电压Vin得到电压检测信号Vs。示例的，电压检测电路140包括串联连接在输入电压Vin的正端和地之间的分压电阻R1和分压电阻R2，分压电阻R1和分压电阻R2的中间节点用于提供所述电压检测信号Vs。其中，电压检测信号为：

Vs＝K*Vin＝R2/(R1+R2)*Vin

其中，K为比例系数，Vin为输入电压，可通过设置分压电阻R1和分压电阻R2的阻值调节比例系数K。

过压检测电路110用于根据电压检测信号Vs、基准电压信号Vref、驱动信号GT以及过零检测信号ZCD向逻辑和驱动电路130提供过压检测信号OVP。

具体地，过压检测电路110根据开关电源的拓扑结构得到输入-输出电压关系，然后将电压检测信号Vs和基准电压信号Vref代入输入-输出电压关系得到电感电流去磁基准时间Tx。最后将检测得到的电感电流去磁时间Tdis与去磁基准时间Tx进行比较，当电感电流去磁时间Tdis小于去磁基准时间Tx时，则判定输出电压过高，提供有效的过压检测信号OVP。

进一步的，过压检测电路110根据驱动信号GT和过零检测信号ZCD确定开关导通时间Ton和电感电流去磁时间Tdis。其中，电感电流去磁时间Tdis为功率开关管M1关断之后续流二极管续流的时间，也即从功率开关管M1关断到电感电流下降到零的一段时间。

示例的，对于图1所示的开关电源，根据输入-输出电压关系可以得到当输入电压Vin大于输出电压Vout时：

(Vin-Vout)*Ton＝Vout*Tdis

其中，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Ton为开关导通时间，Tdis为电感电流去磁时间。

继而得到电感电流去磁时间的表达式：

Tdis＝((Vin-Vout)*Ton)/Vout

将上式中的输入电压Vin替换为电压检测信号Vs，将输出电压Vout替换为基准电压信号Vref，即可得到去磁基准时间的表达式：

Tx＝((K*Vin-Vref)*Ton)/Vref

将去磁基准时间与电感电流去磁时间做差可以得到：

Tx-Tdis＝((K*Vin)/Vref-Vin/Vout)*Ton

当

Tx>Tdis

时，Vout>Vref/K，则认为输出电压偏高，电路需要进入过压保护状态。则系统的过压保护电压Vovp为：

Vovp＝Vref/K

其中，Vref为预设的基准电压信号，K为比例系数。

逻辑和驱动电路130用于根据过压检测信号OVP产生相应的驱动信号GT至所述功率开关管M1的栅极，以产生过压保护动作，例如减小功率开关管M1的导通时间或者增大功率开关管M1的关断时间等等。

为了解决现有技术的过压保护方案成本高的问题，本发明实施例的开关电源控制器通过检测输入电压得到电压检测信号，然后根据开关电源的拓扑结构得到输入-输出电压关系，最后根据电压检测信号、预设的基准电压信号以及输入-输出电压关系得到去磁基准时间，当电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，则认为输出电压偏高，电路进入过压保护状态，节省了用于采样输出电压的辅助绕组和采样电阻，降低了开关电源的体积和成本。

此外，由上式可以得出，根据本发明实施例得到的过压保护电压仅与预设的基准电压信号和比例系数K相关，与电感电流的大小无关，电路一致性更好。

图2示出本发明实施例提供的一种实现过压检测的具体结构示意图。如图2所示，过压检测电路110包括电流生成模块111和检测模块112。电流生成模块111根据电压检测信号Vs、基准电压信号Vref以及输入-输出电压关系得到第一电流I1和第二电流I2。

第一电流I1为：

I1＝(K*Vin-Vref)/R3

第二电流I2为：

I2＝Vref/R3

其中，Vref为预设的基准电压信号，K为比例系数，R3为电压转换成电流的系数。

需要说明的是，电流生成模块111根据电压检测信号Vs和基准电压信号Vref得到第一电流I1和第二电流I2的方法为本领域技术人员的常规技术手段，在此不再赘述。

检测模块112用于根据第一电流I1、第二电流I2以及驱动信号GT和过零检测信号ZCD得到过压检测信号。检测模块112将电感电流去磁时间Tdis与去磁基准时间Tx进行比较，当去磁基准时间Tx大于电感电流去磁时间Tdis时，提供所述过压检测信号OVP。

图3示出图2所示的检测模块112的一种电路示意图。如图3所示，检测模块112包括定时单元210和逻辑单元220。

定时单元210包括串联连接在电源电压Vdd与地之间的第一电流源211、第一开关S1、第二开关S2以及第二电流源212；第一电容C1，其第一端连接至第一开关S1和第二开关S2之间的第一节点，第二端接地。第一比较器213，其正相输入端连接至第一电容C1的第一端，反相输入端接地，输出端用于输出定时信号Vo。

图4示出图3中定时单元的信号时序图。结合图3和图4，功率开关管M1导通(驱动信号GT为逻辑高电平)时，第一开关S1导通，第二开关S2关断，第一电流源211对第一电容C1充电，充电电流为第一电流I1；当功率开关管M1关断(驱动信号GT为逻辑低电平)时，第一开关S1关断，第二开关S2导通，第二电流源212对第一电容C1放电，放电电流为第二电流I2。当过零检测信号ZCD变为逻辑高电平时，第一开关S1和第二开关S2同时关断，第一电容C1停止放电。

作为一种非限制性的例子，检测模块112还包括触发单元230，触发单元230用于根据驱动信号GT和过零检测信号ZCD提供触发信号A，控制第二开关S2的导通和关断。

其中，当驱动信号GT为逻辑高电平时，触发信号A为逻辑低电平；当驱动信号GT为逻辑低电平时，触发信号A为逻辑高电平，直到过零检测信号ZCD出现，触发信号A再次变为逻辑低电平，因此触发信号A可以反映电感电流去磁时间Tdis的时长。

如图3所示，触发单元230包括：或非门231，第一输入端用于接收驱动信号GT；或非门232，第一输入端连接至或非门231的输出端，第二输入端用于接收过零检测信号ZCD，输出端连接至或非门231的第二输入端；或非门233，第一输入端用于接收驱动信号GT，第二输入端连接至或非门231的输出端，输出端用于提供所述触发信号A。

逻辑单元220用于根据定时信号Vo和过零检测信号ZCD提供所述过压检测信号OVP。

作为一种非限制的例子，逻辑单元220例如通过与门电路实现，第一输入端连接至比较器213的输出端以接收所述定时信号Vo，第二输入端用于接收过零检测信号ZCD，输出端用于提供所述过压检测信号OVP。

图5A和图5B分别示出检测模块112正常工作模式下和过压检测模式下的信号时序图。结合图3、图4、图5A和图5B，驱动信号GT转换为逻辑高电平时，第一开关S1导通，第二开关S2关断，第一电流源211对第一电容C1充电，充电电流为第一电流I1，第一电容C1两端的第一电压Vc1上升，比较器213的输出端输出的定时信号Vo为逻辑高电平；当驱动信号GT转换为逻辑低电平时，第一开关S1关断，第二开关S2导通，第二电流源212对第一电容C1放电，放电电流为第二电流I2，第一电容C1两端的第一电压Vc1下降，直到流过电感L1的电感电流I_L过零，过零检测信号ZCD转换为逻辑高电平，第一开关S1和第二开关S2同时关断，第一电容C1停止放电，此外当第一电容C1两端的第一电压Vc1小于或等于接地电压时，比较器213输出的定时信号Vo翻转为逻辑低电平。

充电阶段第一电容C1两端的第一电压Vc1为：

Vc1＝(((K*Vin-Vref)/R3)*Ton)/C1

放电阶段第一电容C1两端的第一电压Vc1为：

Vc1＝(Vref/R3*Tdis)/C1

因此充电阶段第一电容C1两端的电压与开关导通时间Ton成正比，放电阶段第一电容C1两端的电压与电感电流去磁时间Tdis成正比，因此充电阶段第一电容C1两端的电压可以表征去磁基准时间Tx的时长。

继续参考图3，逻辑单元220用于根据定时信号Vo和过零检测信号ZCD提供过压检测信号OVP。当过零检测信号ZCD有效时，若定时信号Vo为逻辑低电平，则说明电感电流去磁时间Tdis大于等于去磁基准时间Tx，开关电源暂无异常，不需要进入过压保护状态，过压检测信号OVP维持为初始电平，如图5A所示。当过零检测信号ZCD有效时，若定时信号Vo为逻辑高电平，则说明电感电流去磁时间Tdis小于去磁基准时间Tx，开关电源可能出现了输出电压过压，需要进入过压保护模式，此时提供有效的过压检测信号OVP，如图5B所示。由此即可实现电感电流去磁时间Tdis与去磁基准时间Tx之间的比较，继而实现对输出电压的过压检测。

参考图6，在图6所示的第二实施例的开关电源中，将图1中的开关电源控制器100应用于反激式拓扑的开关电源中，该开关电源包括功率转换电路301、开关电源控制器300以及采样电阻Rcs。同样的，功率转换电路301用于根据输入电压Vin向负载提供输出电流Iout。

示例的，如图6所示的反激式开关电源的功率转换电路301包括：变压器T1(包括原边绕组L1、副边绕组L2、辅助绕组L3)、续流二极管D1、以及负载电容Cout。

开关电源控制器300与第一实施例的开关电源控制器100基本相同，不同之处在于：在开关电源控制器300中，过零检测电路120通过反馈电阻FB检测流过辅助绕组L3的电流实现对电感电流的过零检测，从而产生过零检测信号ZCD。

此外，因为反激式开关电源中的输入-输出电压关系与降压开关电源中的输入-输出电压关系不同，所以开关电源控制器300中的第一电流I1和第二电流I2与第一实施例的开关电源控制器100的不同。

示例的，对于图6所示的开关电源，根据输入-输出电压关系可以得到：

Vin*Ton＝nVout*Tdis

其中，Vin为输入电压，Vout为输出电压，n为原边绕组L1和副边绕组L2的匝数比，Ton为开关导通时间，Tdis为电感电流去磁时间。

继而得到电感电流去磁时间的表达式：

Tdis＝(Vin*Ton)/nVout

将上式中的输入电压Vin替换为电压检测信号Vs，将输出电压nVout替换为基准电压信号Vref，即可得到去磁基准时间的表达式：

Tx＝(K*Vin*Ton)/Vref

将去磁基准时间与电感电流去磁时间做差可以得到：

Tx-Tdis＝((K*Vin)/Vref-Vin/nVout)*Ton

当

Tx>Tdis

时，Vout>Vref/nK，则认为输出电压偏高，电路需要进入过压保护状态。则系统的过压保护电压Vovp为：

Vovp＝Vref/nK

其中，Vref为预设的基准电压信号，K为比例系数。

由此可以得到，第二实施例的开关电源控制器300中，第一电流I1为：

I1＝K*Vin/R3

第二电流I2为：

I2＝Vref/R3

其中，Vref为预设的基准电压信号，K为比例系数，R3为电压转换成电流的系数。

参照图7，在图7所示的第三实施例中，将图1中的开关电源控制器100应用于升降压拓扑的开关电源中。该开关电源包括：功率转换电路401、开关电源控制器400以及采样电阻Rcs，该升降压开关电源的功率转换电路401可以是任何适当的电路结构。

示例的，如图7所示的升降压开关电源的功率转换电路401包括：变压器T2(包括原边绕组L4和辅助绕组L5)、续流二极管D1以及负载电容Cout。

开关电源控制器400与第一实施例的开关电源控制器100基本相同，不同之处在于：在开关电源控制器400中，过零检测电路120通过反馈电阻FB检测流过辅助绕组L5的电流实现对电感电流的过零检测，从而产生过零检测信号ZCD。

除了功率转换电路的拓扑结构不同，图7所示的第三实施例与图1和图6所示的第一实施例和第二实施例基本相同。

示例的，对于图7所示的开关电源，根据输入-输出电压关系可以得到：

Vin*Ton＝Vout*Tdis

其中，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Ton为开关导通时间，Tdis为电感电流去磁时间。

继而得到电感电流去磁时间的表达式：

Tdis＝(Vin*Ton)/Vout

将上式中的输入电压Vin替换为电压检测信号Vs，将输出电压Vout替换为基准电压信号Vref，即可得到去磁基准时间的表达式：

Tx＝(K*Vin*Ton)/Vref

将去磁基准时间与电感电流去磁时间做差可以得到：

Tx-Tdis＝((K*Vin)/Vref-Vin/Vout)*Ton

当

Tx>Tdis

时，Vout>Vref/K，则认为输出电压偏高，电路需要进入过压保护状态。则系统的过压保护电压Vovp为：

Vovp＝Vref/K

其中，Vref为预设的基准电压信号，K为比例系数。

由此可以得到，第三实施例的开关电源控制器400中，第一电流I1为：

I1＝K*Vin/R3

第二电流I2为：

I2＝Vref/R3

其中，Vref为预设的基准电压信号，K为比例系数，R3为电压转换成电流的系数。

图8示出根据本发明第四实施例的开关电源的过压检测方法的流程示意图。

本实施例的开关电源可以为上述各实施例中的开关电源，包括功率转换电路、开关电源控制器以及采样电阻，所述功率转换电路用于根据输入电压向负载提供输出电流。

如图8所示，该过压检测方法包括以下步骤S110至S150。

在步骤S110中，检测输入电压得到电压检测信号。

作为一种实施例，可以设置串联连接在输入电压Vin的正端和地之间的分压电阻R1和分压电阻R2，分压电阻R1和分压电阻R2的中间节点用于提供所述电压检测信号Vs。其中，电压检测信号为：

Vs＝K*Vin＝R2/(R1+R2)*Vin

其中，K为比例系数，Vin为输入电压，可通过设置分压电阻R1和分压电阻R2的阻值调节比例系数K。

在步骤S120中，根据开关电源的拓扑结构得到输入-输出电压关系。

例如，当开关电源为降压式拓扑时，所述输入-输出电压关系为：

(Vin-Vout)*Ton＝Vout*Tdis

其中，Vin为所述输入电压，Vout为输出电压，Ton为开关导通时间，Tdis为所述电感电流去磁时间。

或者，当开关电源为反激式拓扑时，所述输入-输出电压关系为：

Vin*Ton＝nVout*Tdis

其中，Vin为所述输入电压，Vout为输出电压，n为原边绕组和副边绕组的匝数比，Ton为开关导通时间，Tdis为所述电感电流去磁时间。

又或者，当开关电源为升降压拓扑时，所述输入-输出电压关系为：

Vin*Ton＝Vout*Tdis

其中，Vin为所述输入电压，Vout为输出电压，Ton为开关导通时间，Tdis为所述电感电流去磁时间。

在步骤S130中，检测电感电流去磁时间。具体地，根据驱动信号和过零检测信号确定开关导通时间和电感电流去磁时间。其中，电感电流去磁时间为功率开关管关断之后续流二极管续流的时间，也即从功率开关管关断到电感电流下降到零的一段时间。

作为一种实施例，提供触发单元，触发单元根据驱动信号和过零检测信号提供触发信号。当驱动信号为逻辑高电平时，触发信号为逻辑低电平；当驱动信号为逻辑低电平时，触发信号为逻辑高电平，直到过零检测信号出现，触发信号再次变为逻辑低电平，因此触发信号可以反映电感电流去磁时间的时长。

在步骤S140中，预设过压保护点，根据输入-输出电压关系得到去磁基准时间。

具体地，根据预设的电压保护点提供基准电压信号，然后将电压检测信号和基准电压信号代入输入-输出电压关系中，计算得到去磁基准时间。

进一步的，根据所述电压检测信号、所述基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到第一电流和第二电流，然后根据驱动信号和过零检测信号产生触发信号，最后在驱动信号和触发信号的控制下根据第一电流和第二电流进行电容的充放电以产生定时信号，所述电容的充放电时间表征所述去磁基准时间。

在步骤S150中，将电感电流去磁时间与去磁基准时间进行比较，根据比较结果提供过压检测信号。

作为一种实施例，可根据定时信号和过零检测信号确定过压检测信号。例如当过零检测信号有效时，若定时信号为逻辑高电平，则说明电感电流去磁时间小于去磁基准时间，开关电源可能出现了输出电压过压，需要进入过压保护模式，此时提供有效的过压检测信号；若定时信号为逻辑低电平，则说明电感电流去磁时间大于等于去磁基准时间，开关电源暂无异常，不需要进入过压保护状态，过压检测信号维持为初始电平。

综上所述，本发明实施例提供的开关电源控制器、开关电源以及过压检测方法通过检测输入电压得到电压检测信号，然后根据开关电源的拓扑结构得到输入-输出电压关系，最后根据电压检测信号、预设的基准电压信号以及输入-输出电压关系得到去磁基准时间，当电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，则认为输出电压偏高，电路进入过压保护状态，节省了用于采样输出电压的辅助绕组和采样电阻，降低了开关电源的体积和成本。

在优选的实施例中，根据本发明实施例得到的过压保护电压仅与预设的基准电压信号和比例系数K相关，与电感电流的大小无关，电路一致性更好。

应当说明的是，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (29)

1.一种开关电源控制器，用于控制功率转换电路，所述功率转换电路用于根据输入电压向负载提供输出电流，所述开关电源控制器包括：

功率开关管，用于控制所述功率转换电路的功率传输；

电压检测电路，用于检测输入电压得到电压检测信号；

过零检测电路，用于检测电感电流，根据所述电感电流过零点提供过零检测信号；

过压检测电路，用于根据所述过零检测信号得到电感电流去磁时间，以及根据所述功率转换电路的拓扑结构得到输入-输出电压关系，并根据所述电压检测信号、基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间，将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，根据比较结果提供过压检测信号，

其中，当所述电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，所述过压检测电路提供有效的过压检测信号；以及

逻辑和驱动电路，用于产生驱动信号，同时根据所述有效的过压检测信号产生过压保护动作。

2.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述过压检测电路包括：

电流生成模块，用于根据所述电压检测信号、所述基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到第一电流和第二电流；以及

检测模块，用于根据所述第一电流、所述第二电流以及所述驱动信号和所述过零检测信号得到所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间，并根据所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间得到所述过压检测信号。

3.根据权利要求2所述的开关电源控制器，其特征在于，所述检测模块包括：

触发单元，用于根据所述驱动信号和所述过零检测信号产生触发信号，所述触发信号表征所述电感电流去磁时间；

定时单元，接收所述驱动信号和所述触发信号，在所述驱动信号和所述触发信号的控制下根据所述第一电流和所述第二电流产生定时信号；以及

逻辑单元，用于根据所述定时信号和所述过零检测信号产生所述过压检测信号。

4.根据权利要求3所述的开关电源控制器，其特征在于，所述逻辑单元配置为：

当所述过零检测信号有效时，若所述定时信号为逻辑高电平，则提供有效的所述过压检测信号，若所述定时信号为逻辑低电平，则提供无效的所述过压检测信号。

5.根据权利要求3所述的开关电源控制器，其特征在于，所述触发单元配置为：

当所述驱动信号为逻辑高电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑低电平，

当所述驱动信号为逻辑低电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑高电平，直到所述过零检测信号有效。

6.根据权利要求3所述的开关电源控制器，其特征在于，所述定时单元包括：

串联连接于电源电压与地之间的第一电流源、第一开关、第二开关以及第二电流源；

第一电容，第一端连接至所述第一开关和所述第二开关之间得第一节点，第二端接地；

第一比较器，正相输入端连接至所述第一节点以接收第一电压，反相输入端接地，输出端用于输出所述定时信号。

7.根据权利要求6所述的开关电源控制器，其特征在于，所述定时单元配置为：

当所述驱动信号为逻辑高电平，所述触发信号为逻辑低电平时，所述第一开关导通，所述第二开关关断，所述第一电容经由所述第一电流源充电，充电电流为所述第一电流，所述第一比较器输出所述定时信号为逻辑高电平，

当所述驱动信号为逻辑低电平，所述触发信号为逻辑高电平时，所述第一开关关断，所述第二开关导通，所述第一电容经由所述第二电流源放电，放电电流为所述第二电流，当放电至所述第一电压小于/等于接地电压时，所述定时信号翻转为逻辑低电平。

8.根据权利要求5所述的开关电源控制器，其特征在于，所述触发单元包括：

第一或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号；

第二或非门，第一输入端连接至所述第一或非门的输出端，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端连接至所述第一或非门的第二输入端；以及

第三或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号，第二输入端连接至所述第一或非门的输出端，输出端用于输出所述触发信号。

9.根据权利要求4所述的开关电源控制器，其特征在于，所述逻辑单元通过与门电路实现，第一输入端用于接收所述定时信号，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端用于输出所述过压检测信号。

10.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述电压检测电路包括：

串联连接于输入电压端与地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的中间节点用于提供所述电压检测信号。

11.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述功率转换电路包括降压式拓扑、反激式拓扑或者升降压拓扑。

12.一种开关电源，其特征在于，包括功率转换电路、采样电阻、以及开关电源控制器，所述功率转换电路用于根据输入电压向负载提供输出电流，其中，所述开关电源控制器包括：

功率开关管，用于控制所述功率转换电路的功率传输；

电压检测电路，用于检测输入电压得到电压检测信号；

过零检测电路，用于检测电感电流，根据所述电感电流过零点提供过零检测信号；

过压检测电路，用于根据所述过零检测信号得到电感电流去磁时间，以及根据所述功率转换电路的拓扑结构得到输入-输出电压关系，并根据所述电压检测信号、基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间，将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，根据比较结果提供过压检测信号，

其中，当所述电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，所述过压检测电路提供有效的过压检测信号；以及

逻辑和驱动电路，用于产生驱动信号，同时根据所述有效的过压检测信号产生过压保护动作。

13.根据权利要求12所述的开关电源，其特征在于，所述过压检测电路包括：

电流生成模块，用于根据所述电压检测信号、所述基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到第一电流和第二电流；以及

检测模块，用于根据所述第一电流、所述第二电流以及所述驱动信号和所述过零检测信号得到所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间，并根据所述电感电流去磁时间和所述去磁基准时间得到所述过压检测信号。

14.根据权利要求13所述的开关电源，其特征在于，所述检测模块包括：

触发单元，用于根据所述驱动信号和所述过零检测信号产生触发信号，所述触发信号表征所述电感电流去磁时间；

定时单元，接收所述驱动信号和所述触发信号，在所述驱动信号和所述触发信号的控制下根据所述第一电流和所述第二电流产生定时信号；以及

逻辑单元，用于根据所述定时信号和所述过零检测信号产生所述过压检测信号。

15.根据权利要求14所述的开关电源，其特征在于，所述逻辑单元配置为：

当所述过零检测信号有效时，若所述定时信号为逻辑高电平，则提供有效的所述过压检测信号，若所述定时信号为逻辑低电平，则提供无效的所述过压检测信号。

16.根据权利要求14所述的开关电源，其特征在于，所述触发单元配置为：

当所述驱动信号为逻辑高电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑低电平，

当所述驱动信号为逻辑低电平时，所述触发单元输出所述触发信号为逻辑高电平，直到所述过零检测信号有效。

17.根据权利要求14所述的开关电源，其特征在于，所述定时单元包括：

串联连接于电源电压与地之间的第一电流源、第一开关、第二开关以及第二电流源；

第一电容，第一端连接至所述第一开关和所述第二开关之间得第一节点，第二端接地；

第一比较器，正相输入端连接至所述第一节点以接收第一电压，反相输入端接地，输出端用于输出所述定时信号。

18.根据权利要求17所述的开关电源，其特征在于，所述定时单元配置为：

当所述驱动信号为逻辑高电平，所述触发信号为逻辑低电平时，所述第一开关导通，所述第二开关关断，所述第一电容经由所述第一电流源充电，充电电流为所述第一电流，所述第一比较器输出所述定时信号为逻辑高电平，

当所述驱动信号为逻辑低电平，所述触发信号为逻辑高电平时，所述第一开关关断，所述第二开关导通，所述第一电容经由所述第二电流源放电，放电电流为所述第二电流，当放电至所述第一电压小于/等于接地电压时，所述定时信号翻转为逻辑低电平。

19.根据权利要求16所述的开关电源，其特征在于，所述触发单元包括：

第一或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号；

第二或非门，第一输入端连接至所述第一或非门的输出端，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端连接至所述第一或非门的第二输入端；以及

第三或非门，第一输入端用于接收所述驱动信号，第二输入端连接至所述第一或非门的输出端，输出端用于输出所述触发信号。

20.根据权利要求15所述的开关电源，其特征在于，所述逻辑单元通过与门电路实现，第一输入端用于接收所述定时信号，第二输入端用于接收所述过零检测信号，输出端用于输出所述过压检测信号。

21.根据权利要求12所述的开关电源，其特征在于，所述电压检测电路包括：

串联连接于输入电压端与地之间的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的中间节点用于提供所述电压检测信号。

22.根据权利要求12所述的开关电源，其特征在于，所述功率转换电路包括降压式拓扑、反激式拓扑或者升降压拓扑。

23.一种开关电源的过压检测方法，所述开关电源包括功率转换电路，所述功率转换电路用于根据输入电压向负载提供输出电流，其特征在于，所述过压检测方法包括：

检测所述输入电压得到电压检测信号；

根据所述功率转换电路的拓扑结构得到输入-输出电压关系；

检测电感电流，响应于所述电感电流过零并提供过零检测信号，以及根据过零检测信号得到电感电流去磁时间；以及

预设过压保护点，根据所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间，并将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，当所述电感电流去磁时间小于去磁基准时间时，提供有效的过压检测信号。

24.根据权利要求23所述的过压检测方法，其特征在于，所述预设过压保护点，根据所述输入-输出电压关系得到去磁基准时间的步骤包括：

提供基准电压信号；以及

根据所述电压检测信号和所述基准电压信号，通过所述输入-输出电压关系计算得到所述去磁基准时间。

25.根据权利要求24所述的过压检测方法，其特征在于，所述根据过零检测信号得到电感电流去磁时间的步骤包括：

产生驱动信号；以及根据所述驱动信号和所述过零检测信号产生触发信号，所述触发信号表征所述电感电流去磁时间。

26.根据权利要求25所述的过压检测方法，其特征在于，所述根据所述电压检测信号和所述基准电压信号，通过所述输入-输出电压关系计算得到所述去磁基准时间的步骤包括：

根据所述电压检测信号、所述基准电压信号以及所述输入-输出电压关系得到第一电流和第二电流；以及

在所述驱动信号和所述触发信号的控制下根据所述第一电流和所述第二电流对第一电容进行充放电，充电阶段所述第一电容的第一电压表征所述去磁基准时间。

27.根据权利要求26所述的过压检测方法，其特征在于，所述将所述电感电流去磁时间与所述去磁基准时间进行比较，根据比较结果提供过压检测信号的步骤包括：

根据所述第一电容的电压产生定时信号；

根据所述定时信号和所述过零检测信号产生所述过压检测信号，

当所述过零检测信号有效时，若所述定时信号为逻辑高电平，则提供有效的所述过压检测信号，若所述定时信号为逻辑低电平，则提供无效的所述过压检测信号。

28.根据权利要求27所述的过压检测方法，其特征在于，所述根据所述第一电容的电压产生定时信号的步骤包括：

当所述驱动信号为逻辑高电平，所述触发信号为逻辑低电平时，对所述第一电容进行充电，充电电流为所述第一电流，当所述第一电容的电压大于接地电压时，输出所述定时信号为逻辑高电平，

当所述驱动信号为逻辑低电平，所述触发信号为逻辑高电平时，所述第一电容放电，放电电流为所述第二电流，当所述第一电容的电压小于/等于接地电压时，所述定时信号翻转为逻辑低电平。

29.根据权利要求23所述的过压检测方法，其特征在于，所述功率转换电路包括降压式拓扑、反激式拓扑或者升降压拓扑。