CN1897388A - 开关电源过功耗保护方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MOS集成电路，具体涉及一种开关电源中的过功耗保护方法及电路。由于Vopp反映AC线上电流的变化，与电流成正比；Vac反映AC线上电压的变化，与电压成正比，本发明从AC主变压器的次级通过分压电路取出电压信号Vac，再从AC驱动变压器的初级通过分压电路取出电压信号Vopp，过功耗判断时分以下两种情况进行处理：第一，当AC上电流和电压都偏大，并且达到一定的值(2.06v)，而且维持一定的时间(7ms)时，则认为发生过功耗，关闭电源；第二，当AC上电流偏大，并且达到一定的值时，则认为发生过功耗，关闭电源。本方案解决了AC电压建立过程和掉电过程中出现的过功耗保护问题，克服了现有开关电源的不足，使开关电源针对任何AC输入电平都能可靠的对过功率起保护作用。

Description

开关电源过功耗保护方法及电路

技术领域

本发明涉及一种MOS集成电路，具体涉及一种开关电源中的过功耗保护方法及电路。该方法及电路主要用于开关电源的过功耗保护，比如应用于电源管理芯片作为过功耗保护。

背景技术

随着现代电子及电器技术的发展和普及，开关电源显得越来越重要，而安全性是开关电源要考虑的首要因素。

目前，开关电源的工作原理是通过运行高频开关电路将输入的较高的交流电压(AC)转换为工作所需要的较低的直流电压(DC)。其工作过程是：当市电进入开关电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电，接着进入电源的核心部分-开关电路，见图1所示。开关电路利用两个脉宽调制信号PWM分别控制两个开关管Q1、Q2，把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器T1降压，经两个高速整流二极管D11、D21整流，然后用电感L和电容C31滤除高频交流部分，这样最后输出供用电设备使用的相对纯净的低压直流电。因为开关电路是开关电源的核心部分，所以这种电源被称为开关电源。

开关电源的质量指标以安全性、可靠性为第一原则。如果开关电源的负荷过大或者发生短路，将会损坏电源及用电设备，甚至会引起更严重的后果！为了应对以上情况，人们在开关电源中设计过功率保护功能，当开关电源的负荷过大或者发生短路时会使开关电源的功率增大，当功率超过规定的阈值时开关电源会自动关闭输出达到保护的目的。

现有技术中，半桥结构开关电源的过功率保护检测见图2所示，运行图2电路可使驱动变压器用作电流变换器，这就使电流变换器可用来检测半桥功放级的原边电流。两个脉宽调制信号PWM分别通过OP1、OP2使半桥晶体管Q1、Q2轮流导通，能量就可以从驱动变压器原边传输到副边。

从N1到N2的反映电流用来驱动两个功放管Q3、Q4之一，该电流可通过如下公式来计算：

IN2＝Ipri*N2/N1

设Zb表示功放管基极电路的等效输入阻抗，N2两端的电压VN2将是：

VN2＝Ipri*Zb*N2/N1

计算N3两端的电压：VN3＝VN2*N3/N2

Vp的电压是VN3加上D2和D3两个二极管的压降，可通过下式计算：

Vp＝VN3+2Vdiode＝Ipri*(N2/N1)*Zb*(N3/N2)+1.4V

Vp电压通过分压器和低通滤波器输入到OPP，OPP的电压反映了AC线上电流(Ipri)的变化，与电流成正比。当VCC为固定电压值时，功率与电流成正比，即与OPP的电压成正比。当VOPP的电压超过一定的阈值时，就启动过功率保护，关闭OP1及OP2从而关闭开关电源的输出。

以上过功耗保护电路虽然能起到一定保护作用，但是由于市电波动、电路起动等原因引起的AC输入电压变化会使高压直流电压发生变化，这时OPP的电压虽然与原边电流成比例，但并不与输入功率成比例，这种情况下显然现有的过功率保护并不能起到可靠的保护作用。由此可见，现有半桥结构开关电源的过功耗保护电路，因只从驱动变压器原边取出一个反映电流变化的电压信号，然后设定阈值，通过比较结果决定是否采取保护措施，尤其是该电路对AC电压建立过程和掉电过程中出现的过功耗情况不能加以判断和处理，因此在使用中其可靠性受到影响。

发明内容

本发明提供一种开关电源中使用的过功耗保护方法及电路，其目的是要解决现有开关电源中过功耗保护可靠性差的问题，尤其是解决AC电压建立过程和掉电过程中出现的过功耗保护问题，从而使开关电源针对任何AC输入电平都能可靠的对过功率起保护作用。

为达到上述目的，本发明一种开关电源过功耗保护方法采用的技术方案是：

(1)、电压检测

从AC主变压器的次级接出电压信号，经过电阻串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点取出AC电压信号Vac；

(2)、电流检测

从AC驱动变压器的初级接出电压信号，经过电阻串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点取出反映电流变化的电压信号Vopp；

(3)、过功耗判断

过功耗判断分以下两种情况进行：

①、将电压信号Vac经过AC电压补偿电路处理后，与电压信号Vopp一起输入加法器按比例相加，再将相加的结果与预先设定的过功耗阈值信号通过第一比较器进行比较，当相加的结果≥过功耗阈值时第一比较器的输出经过延时电路处理产生一控制信号opp；

所述AC电压补偿电路处理为通过预先设定电压阈值的方式将AC电压分成两类情况，第一类≥设定电压阈值的用来表示AC电压在正常工作时可能发生的过功耗情况，第二类＜设定电压阈值的用来表示AC电压在建立或掉电过程中可能发生的过功耗情况；然后，将电压信号Vac与设定电压阈值进行比较，从而判断属于哪一类，对于第一类直接将电压信号Vac输出，不进行补偿；对于第二类将电压信号Vac进行补偿后输出；

所述加法器按比例相加的公式为：

V＝(a×Vac’+b ×Vopp)

式中：

V表示加法器的输出结果；

Vac’表示电压信号Vac经过AC电压补偿电路处理后的电压；

Vopp表示电压信号Vopp的电压；

a和b分别表示比例常数；

②、将电压信号Vopp与预先设定的过电流阈值信号通过第二比较器进行比较，当电压信号Vopp≥过电流阈值时，第二比较器产生一控制信号oip；

(4)、保护

用控制信号opp和控制信号oip来控制关闭电源电路。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，为了更可靠的分区AC电压在建立或掉电过程中可能发生的过功耗情况，在AC电压补偿电路处理中，第二类情况按电压高低再分为至少两档，其中，高档以第一固定电压值直接输出，低档以第二固定电压值直接输出，第二固定电压值＞第一固定电压值。比如预先设定电压阈值为0.7伏；高档的电压范围是小于0.7伏，大于0.3伏，第一固定电压值0.7伏；低档的电压范围是小于或等于0.3伏，第二固定电压值1.2伏。

2、上述加法器按比例相加的公式中，比例常数a和b最佳选择分别为1/3和2/3，但不排除采用其它常数的可能。

为达到上述目的，本发明一种开关电源过功耗保护电路采用的技术方案是：由电压检测电路、电流检测电路和过功耗判断电路三部分组成，其中：

电压检测电路由电阻串联构成的分压电路组成，其中，分压电路的一端从AC主变压器的次级接出电压信号，另一端接地构成回路，分压点取出电压信号Vac；

电流检测电路由电阻串联构成的分压电路组成，其中，分压电路的一端从AC驱动变压器的初级接出电压信号，另一端接地构成回路，分压点取出反映电流变化的电压信号Vopp；

过功耗判断电路包括AC电压补偿电路、加法器、第一比较器、第二比较器以及延时电路，其中，电压信号Vac经过AC电压补偿电路处理后接加法器的一个输入端，电压信号Vopp接加法器的另一个输入端，加法器的输出端接第一比较器的一个输入端，第一比较器的另一个输入端接过功耗阈值信号，第一比较器的输出经延时电路得到控制信号opp；电压信号Vopp的另一路接第二比较器的一个输入端，第二比较器的另一个输入端接过电流阈值信号，第二比较器的输出端产生控制信号oip；控制信号opp和控制信号oip用于关闭电源电路；

所述AC电压补偿电路由比较器、逻辑门和控制门构成，电压信号Vac接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接电压阈值信号，比较器的输出端经逻辑门分别接各控制门的控制端，各控制门的输出端并联作为输出，各控制门的输入端中，比较结果≥电压阈值的一路接电压信号Vac，其余各路分别接对应补偿的固定电压值。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述加法器由运算放大器构成。

本发明工作原理是：Vopp反映AC线上电流的变化，与电流成正比；Vac反映AC线上电压的变化，与电压成正比。本发明从AC主变压器的次级通过分压电路取出电压信号Vac，再从AC驱动变压器的初级通过分压电路取出电压信号Vopp，过功耗判断时分以下两种情况进行处理：第一，当AC上电流和电压都偏大，并且达到一定的值(2.06v)，而且维持一定的时间(7ms)时，则认为发生过功耗，关闭电源；第二，当AC上电流偏大，并且达到一定的值时，则认为发生过功耗，关闭电源。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明解决了AC电压建立过程和掉电过程中出现的过功耗保护问题，克服了现有开关电源的不足，使开关电源针对任何AC输入电平都能可靠的对过功率起保护作用。

2、本发明只用少量外接器件实现ATX电源的过流，过功耗的保护，使得成本低，性能稳定，可靠性高。

附图说明

附图1为现有开关电源中的开关电路原理图；

附图2为现有半桥结构开关电源的过功率检测示意图；

附图3为本实用新型电压检测电路图；

附图4为本实用新型过功耗判断和保护电路框图；

附图5为本实用新型实施例框图；

附图6为本实用新型实施例原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种应用于电源管理芯片MOS集成电路开关电源中的过功耗保护方法及电路，其内容如下：

为了保护电源免受过载和电路短路而引起的损害，需要对过功耗进行保护。为了更好的反映功耗情况，需要对电流和电压进行检测，然后根据检测的结果进行判断，作出相应处理。有关电流检测、电压检测和过功耗判断的具体说明如下：

1、电流检测

参见图2所示，从AC驱动变压器T1的初级接出电压信号，经过电阻串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点OPP取出反映电流变化的电压信号Vopp。其电路实现是：电流检测电路由电阻串联构成的分压电路组成，其中，从AC驱动变压器的初级Vp接出电压信号，经过二极管D1、电阻R1、R2、R3串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点OPP取出反映电流变化的电压信号Vopp。电流检测与背景技术中描述的相同。

2、电压检测

为了保护电源免受过功率引起的损害，针对任何AC输入电平都应该可靠的对过功率起保护作用。对于较低的AC输入电压，驱动变压器原边电流的上限应该比较大，以维持一个恒定的功率极限，因为OPP电压与驱动变压器原边电流成比例，但并不总是与输入功率成比例，所以有必要检测AC输入电压信号Vac。

参见图3所示，从AC主变压器T2的次级接出电压信号，经过电阻串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点取出AC电压信号Vac。其电路实现是：AC电压是通过主变压器T2从初极耦合到次极而形成的，因此，从AC主变压器T2的次级接出电压信号，经过电阻R4、R5串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点取出AC电压信号Vac。电压信号Vac与AC信号成正比，AC信号降低时，Vac信号也降低，在Vac和地线之间接一小电容C4，以滤掉开关噪音。

3、过功耗判断

参见图4、图5和图6所示，过功耗判断分以下两种情况进行：

(1)、将电压信号Vopp与预先设定的过电流阈值信号通过第二比较器进行比较，当电压信号Vopp≥过电流阈值时，第二比较器产生一控制信号oip；

(2)、见图4所示，将电压信号Vac经过AC电压补偿电路处理后，与电压信号Vopp一起输入加法器按比例相加，再将相加的结果与预先设定的过功耗阈值信号通过第一比较器进行比较，当相加的结果≥过功耗阈值时第一比较器的输出经过延时电路处理产生一控制信号opp。其中：

所述AC电压补偿电路处理为通过预先设定电压阈值的方式将AC电压分成两类情况，第一类≥设定电压阈值的用来表示AC电压在正常工作时可能发生的过功耗情况，第二类＜设定电压阈值的用来表示AC电压在建立或掉电过程中可能发生的过功耗情况；然后，将电压信号Vac与设定电压阈值进行比较，从而判断属于哪一类，对于第一类直接将电压信号Vac输出，不进行补偿；对于第二类将电压信号Vac进行补偿后输出。

当AC的电压过低时，为了更准确的反映真实的功率还要对Vac的电压值进行分档处理，即将第二类情况按电压高低再分为两档，其中，高档以第一固定电压值直接输出，低档以第二固定电压值直接输出，第二固定电压值＞第一固定电压值。具体补偿为：

预先设定的用于比较的电压阈值为0.7v和0.3v

当Vac电压小于0.3v，补偿后以第二固定电压值1.2v输出；

当Vac电压小于0.7v，大于或等于0.3v补偿后第一固定电压值0.7v输出；

当Vac电压大于或等于0.7v，直接将Vac输出，不需要补偿。

所述加法器按比例相加的公式为：

V＝(1/3×Vac’+2/3×Vopp)

式中：

V表示加法器的输出结果；

Vac’表示电压信号Vac经过AC电压补偿电路处理后的电压；

Vopp表示电压信号Vopp的电压。

4、保护

用控制信号opp和控制信号oip来控制关闭电源电路。

为了实现上述方法，采用的电路是：由图4、图5和图6可知，过功耗判断和保护电路主要由AC电压补偿电路、加法器、第一比较器、第二比较器和延时电路组成，其中：

电压信号Vac经过AC电压补偿电路处理后接加法器的一个输入端，电压信号Vopp接加法器的另一个输入端，加法器的输出端接第一比较器的同相输入端，第一比较器的反相输入端接过功耗阈值信号(2.06v)，第一比较器的输出经延时电路(延时7ms)得到控制信号opp。电压信号Vopp的另一路接第二比较器的同相输入端，第二比较器的反相输入端接过电流阈值信号(3.2v)，第二比较器的输出端产生控制信号oip。控制信号opp和控制信号oip用于关闭电源电路。

AC电压补偿电路由第三比较器、第四比较器、两个反向器、或非门、传输门和NMOS1～3组成，其连接结构见图6所示。

Vac电压补偿过如下：

(1)当Vac＜0.3V时，第三比较器的输出端n1＝1、第四比较器的输出端n2＝1，n2经过一个反向器输出n3为0，n3经过一个反向器输出n4为1，一个PMOS和NMOS组成传输门，因为传输门的两个控制端n3＝0、n4＝1，所以该传输门关闭。

因为或非门的两个输入端n1＝1、n3＝0，所以该或非门的输出端n6＝0。

因为n6＝0、n1＝1，所以NMOS1关闭、NMOS2打开，把1.2V传到n5。

因为n4＝1，所以NMOS3打开，把1.2V从n5传到n7。

(2)当0.3V≤Vac＜0.7V时，第三比较器的输出端n1＝0、第四比较器的输出端n2＝1，n2经过一个反向器输出n3为0，n3经过一个反向器输出n4为1，因为传输门的两个控制端n3＝0、n4＝1，所以该传输门关闭。

因为或非门的两个输入端n1＝0、n3＝0，所以该或非门的输出端n6＝1。

因为n6＝1、n1＝0，所以NMOS1打开、NMOS2关闭，把0.7V传到n5。

因为n4＝1所以NMOS3打开，把0.7V从n5传到n7。

(3)当Vac＞0.7V时，第三比较器的输出端n1＝0、第四比较器的输出端n2＝0，n2经过一个反向器输出n3为1，n3经过一个反向器输出n4为0，因为传输门的两个控制端n3＝1、n4＝0，所以该传输门打开。

因为或非门的两个输入端n1＝0、n3＝1，所以该或非门的输出端n6＝0，因为n6＝0、n1＝0，所以NMOS1关闭、NMOS2关闭。

因为n4＝0，所以NMOS3关闭。

因为传输门是打开的，所以把Vac传到n7。

图6为PC电源控制芯片中过功率保护功能电路图，其中：

IN，COMP：COMP是误差放大器的输出端，误差放大器的同向输入端通过缓冲器接2.5V参考电压，IN是误差放大器的反向输入端同时芯片外部的采样电压也接到IN，采样电压通过误差放大器的放大由COMP输出。内部振荡器OSC和电容组成锯齿波振荡信号发生器，COMP的输出电压和锯齿波振荡电压信号比较的结果来决定OP1、OP2的占空比，从而达到控制电源输出的目的。

SS：软起动端，内部接8uA电流源，通过外接电容到地实现软起动，正常状态时该端被钳位在2.5V，内部8uA电流源在起动时将软起动(SS)电容充电到2.5V。SS的电压被用作误差放大器的参考电压。较大的电容将会增加起动时间并减少开关器件的压力。

过功率保护功能的原理为：Vac电压经过电压补偿电路与Vopp进行加法(1/3)*(Vac或者是1.2或者是0.7)+(2/3)*(Vopp)的运算，运算结果如果大于过功率阈值电压2.06V且持续7ms，然后第一比较器把高电平输入到或门OR。而当原边电流过大(如：短路)使OPP的电压大于阈值电压3.2V时，第二比较器把高电平输入到或门OR。只要或门OR有一路输入端为高电平则或门OR的输出就为高电平，从而使NMOS开关管打开使SS接地，通过误差放大器和比较器使OP1、OP2都为高电平从而达到关闭电源输出的目的。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种开关电源过功耗保护方法，其特征在于：

(1)、电压检测

从AC主变压器的次级接出电压信号，经过电阻串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点取出AC电压信号[Vac]；

(2)、电流检测

从AC驱动变压器的初级接出电压信号，经过电阻串联构成的分压电路对地构成回路，从分压点取出反映电流变化的电压信号[Vopp]；

(3)、过功耗判断

过功耗判断分以下两种情况进行：

①、将电压信号[Vac]经过AC电压补偿电路处理后，与电压信号[Vopp]一起输入加法器按比例相加，再将相加的结果与预先设定的过功耗阈值信号通过第一比较器进行比较，当相加的结果≥过功耗阈值时第一比较器的输出经过延时电路处理产生一控制信号[opp]；

所述AC电压补偿电路处理为通过预先设定电压阈值的方式将AC电压分成两类情况，第一类≥设定电压阈值的用来表示AC电压在正常工作时可能发生的过功耗情况，第二类＜设定电压阈值的用来表示AC电压在建立或掉电过程中可能发生的过功耗情况；然后，将电压信号[Vac]与设定电压阈值进行比较，从而判断属于哪一类，对于第一类直接将电压信号[Vac]输出，不进行补偿；对于第二类将电压信号[Vac]进行补偿后输出；

所述加法器按比例相加的公式为：

V＝(a×Vac’+b×Vopp)

式中：

V表示加法器的输出结果；

Vac’表示电压信号[Vac]经过AC电压补偿电路处理后的电压；

Vopp表示电压信号[Vopp]的电压；

a和b分别表示比例常数；

②、将电压信号[Vopp]与预先设定的过电流阈值信号通过第二比较器进行比较，当电压信号[Vopp]≥过电流阈值时，第二比较器产生一控制信号[oip]；

(4)、保护

用控制信号[opp]和控制信号[oip]来控制关闭电源电路。

2、根据权利要求1所述的过功耗保护方法，其特征在于：所述AC电压补偿电路处理中，第二类情况按电压高低再分为至少两档，其中，高档以第一固定电压值直接输出，低档以第二固定电压值直接输出，第二固定电压值＞第一固定电压值。

3、根据权利要求2所述的过功耗保护方法，其特征在于：所述AC电压补偿电路处理中，预先设定电压阈值为0.7伏；高档的电压范围是小于0.7伏，大于0.3伏，第一固定电压值0.7伏；低档的电压范围是小于或等于0.3伏，第二固定电压值1.2伏。

4、一种开关电源过功耗保护电路，其特征在于：由电压检测电路、电流检测电路和过功耗判断电路三部分组成，其中：

电压检测电路由电阻串联构成的分压电路组成，其中，分压电路的一端从AC主变压器的次级接出电压信号，另一端接地构成回路，分压点取出电压信号[Vac]；

电流检测电路由电阻串联构成的分压电路组成，其中，分压电路的一端从AC驱动变压器的初级接出电压信号，另一端接地构成回路，分压点取出反映电流变化的电压信号[Vopp]；

过功耗判断电路包括AC电压补偿电路、加法器、第一比较器、第二比较器以及延时电路，其中，电压信号[Vac]经过AC电压补偿电路处理后接加法器的一个输入端，电压信号[Vopp]接加法器的另一个输入端，加法器的输出端接第一比较器的一个输入端，第一比较器的另一个输入端接过功耗阈值信号，第一比较器的输出经延时电路得到控制信号[opp]；电压信号[Vopp]的另一路接第二比较器的一个输入端，第二比较器的另一个输入端接过电流阈值信号，第二比较器的输出端产生控制信号[oip]；控制信号[opp]和控制信号[oip]用于关闭电源电路；

所述AC电压补偿电路由比较器、逻辑门和控制门构成，电压信号[Vac]接比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端接电压阈值信号，比较器的输出端经逻辑门分别接各控制门的控制端，各控制门的输出端并联作为输出，各控制门的输入端中，比较结果≥电压阈值的一路接电压信号[Vac]，其余各路分别接对应补偿的固定电压值。

5、根据权利要求4所述的过功耗保护电路，其特征在于：所述加法器由运算放大器构成。

Images