一種開關電源pwm控制器的短路保護電路的製作方法

2023-05-14 16:42:36

專利名稱：一種開關電源pwm控制器的短路保護電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及開關電源技術領域，特別涉及一種開關電源PWM控制器 的短路保護電路。
背景技術：
PWM技術在電源領域得到了廣泛應用，尤其在便攜設備的適配器和充電 器中可以用來控制輸出電壓和輸出功率。
參見圖1,該圖為現有技術中發射極驅動PWM開關模式電源電路圖。
系統包括PWM控制器100、變壓器102、功率開關管124、並聯電壓調 節器121、光耦101和由器件108、 109、 117、 121、 110和113組成的反饋回 路。PWM控制器100驅動功率開關管124。
當輸出電壓Vout上升，光耦101輸出更大的電流到連接在PWM控制器 100的VCC/FB端的電容上，由此減小系統的佔空比，從而減少傳輸到副邊的 能量穩定輸出電壓Vout。
PWM控制器100通過高壓NPN功率開關管124與變壓器102的原邊繞組相 連接。PWM控制器100控制從原邊繞組傳輸到副邊繞組的能量進而來控制輸出 恆定直流電壓。輔助繞組通過光耦給PWM控制器100提供偏置信號和反饋信 號。
參見圖2,該圖為現有技術中PWM控制器的功能模塊圖。
PWM控制器200包括啟動電^各201和欠電壓鎖定(UVLO, Under Voltage
Lockout)比較器203。啟動電路201連接在電源VCC和發射極驅動端OUT之間。
在啟動期間，^人發射才及驅動端OUT流入的啟動電流經啟動電^各201對連 接VCC的電容充電。當VCC電壓高於UVLO比較器203的上限電壓閾值時， UVLO比較器203輸出高電平信號，斷開OUT和VCC之間的充電通路，同 時使HICCUP比較器213開始工作，結束啟動過程。
系統啟動後，PWM控制器開始正常工作，VCC同時作為PWM控制器的 電源和電壓反饋信號端。當系統負載電流增加，輸出電壓下降時，光耦IOI的電流下降，導致VCC的電壓降低，PWM控制器調節佔空比增大。當VCC 電壓進一步降低達到UVLO比較器203的下限電壓閾值，PWM控制器將關斷 開關信號輸出，並打開啟動電^各，系統重新進入啟動過程。
PWM控制器還包括一個峰值電流比較器210,峰值電流比較器210在每 個開關周期比較流經內部的電流。
PWM比較器205通過反饋電壓和發射極電流來調節開關信號的佔空比。 發射極驅動端OUT根據PWM比較器205的輸出決定不同的佔空比來驅 動功率開關管。
現有技術中，系統短路時的輸入功率限制是通過^r測功率開關管關斷時 發射極驅動端OUT電壓來實現。由分壓電阻212和HICCUP比較器213在功 率開關管關斷期間;險測發射極驅動端OUT的電壓。
當在VCC電壓下降到最小工作電壓(UVLO下限閾值電壓)前，若電路 檢測到發射極驅動端OUT的電壓低於設定的下限閾值電壓(HICCUP電壓)， HICCUP比較器213輸出一個低的電壓信號屏蔽PWM比較器205的輸出，從 而關掉驅動電路和整個PWM控制器。之後系統將進入重啟動的程序。這一過 程稱為打嗝模式，電路設定的發射極驅動端OUT的閾值電壓稱為系統的下限 閾值電壓(HICCUP電壓)。
參見圖3，該圖為VCC和發射極驅動端OUT在打嗝^t式下的電壓波形。
上述系統短路保護是建立在假設變壓器102輔助繞組和副邊繞組耦合較 理想的前提下。當其耦合性不理想時，系統短路時發射極驅動端OUT的電壓 將不會降到HICCUP電壓。在這種條件下，只有依靠VCC電壓下降到UVLO 下限閾值觸發欠壓保護來實現短路保護。VCC從正常工作電壓下降到很低的 UVLO的低閾值電壓，在一段相對較長時間內輸出大的輸出電流，這導致系統 的瞬時輸入功率將大大高於正常工作模式。短路系統的輸入平均功率等於有脈 衝輸出時間段的功率乘以[Ton/(Ton+Toff)],其中Ton是UVLO比較器203輸 出高電平的時間，Toff是UVLO比較器203輸出低電平的時間。
參見圖4,該圖為VCC和發射極驅動端OUT在非HICCUP模式下的電 壓波形。
圖3和圖4的兩種短路模式，系統瞬時的輸入功率都由輸出PWM脈衝的最大佔空比決定。系統的平均輸入功率由輸出脈沖的時間和VCC端電容113
和112充電至UVLO上限閾值電壓的時間決定。
到UVLO低閾值電壓或OUT端下降到HICCUP電壓時電容111初值電壓的函 數。實際運用系統中原邊繞組、副邊繞組和輔助繞組的耦合決定了 VCC下降 到UVLO低閾值電壓或OUT端下降到HICCUP電壓時電容111初值電壓。在 某些變壓器的運用條件下，電容lll的電壓很高，致使VCC重啟動的頻率增 大，從而導致系統的平均短路輸入功耗增大。特別在高輸入線電壓時，目前的 結構會產生很大的短路輸入功率。這將導致PWM控制器，功率開關管或其他 器件失效和系統的可靠性下降。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種開關電源PWM控制器短路保 護電5^，可以降低短;洛時開關電源的平均輸入功率。
本實用新型提供一種開關電源PWM控制器的短路保護電路，包括短路 檢測器、短路恢復電路和頻率選擇器；
所述短路檢測器，用於檢測欠電壓鎖定比較器的輸出信號，當檢測到有輸 出信號時，產生短^各信號；
所述短路恢復電路，用於設定恢復時間，當恢復時間結束時，產生恢復信
所述頻率選擇器，當接收到所述短路信號時，用於將開關頻率變為短路 PWM頻率；當接收到所述恢復信號時，用於將所述短路PWM頻率恢復為所 述開關頻率。
優選地，所述短路檢測器為D觸發器，所述欠電壓鎖定比較器的輸出端 連接所述D觸發器的脈衝端；所述D觸發器的輸出端連接所述頻率選擇器。
優選地，所述短路恢復電路包括計數器、第一窄脈衝發生器和所述D觸 發器；
所述計數器，用於設置所述恢復時間，當所述恢復時間結束時，發送觸發 信號至所述第一窄脈衝發生器；
所述第一窄脈衝發生器，用於產生所述恢復信號；所述第 一窄脈衝發生器輸出的所述恢復信號連接所述D觸發器的復位端。 優選地，所述頻率選擇器包括分頻器、第二窄脈衝發生器和兩輸入多路選
擇器，所述頻率選擇器包括分頻器、第二窄脈衝發生器和兩輸入多路選擇器； 所述分頻器，用於將振蕩器輸出的75%佔空比的頻率轉變為短路頻率，並 輸出至所述第二窄脈衝發生器；所述短路頻率的佔空比為50%;
所述第二窄脈衝發生器，用於根據平均輸入功率和PWM控制器的OUT 端電壓將所述50%佔空比的短路頻率轉變為佔空比較小的短路頻率，將所述短 路頻率輸入至所述兩輸入多路選擇器的第一輸入端；
所述振蕩器輸出的頻率輸入至所述兩輸入多路選擇器的第二輸入端； 所述D觸發器的輸出端連接所述兩輸入多路選擇器的控制端。 與現有衝支術相比，本實用新型具有以下優點 -本實用新型提供的開關電源PWM控制器短路保護電路，通過短路檢測器 檢測欠電壓鎖定比較器的輸出信號，當檢測到欠電壓鎖定比較器有輸出信號 時，產生短路信號；該短路信號觸發頻率選擇器選擇短路PWM頻率。這樣， 可以降低PWM開關頻率和限制最大佔空比，從而在系統短路時降低平均輸入 功率。本實用新型還為了在短路解除後系統恢復正常運行，設置了短路恢復電 路，當恢復時間到了後，產生恢復信號，觸發頻率選擇器恢復為正常開關頻率。

圖1是現有技術中發射極驅動PWM開關模式電源電路圖； 圖2是現有技術中PWM控制器的功能模塊圖3是現有技術VCC和發射極驅動端OUT在打嗝模式下的電壓波形； 圖4是現有技術VCC和發射極驅動端OUT在非HICCUP模式下的電壓 波形；
圖5是本實用新型PWM控制器短路保護電路第一實施例結構圖6是本實用新型PWM控制器短路保護電路VCC、端FB端和OUT端 和UVLO比較器端的電壓波形；
圖7是本實用新型PWM控制器短路保護電路第二實施例結構圖8是本實用新型啟動電路的實施例電路圖。
具體實施方式
為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附 圖對本實用新型的具體實施方式
做詳細的說明。
參見圖5,該圖為本實用新型PWM控制器短路保護電路第一實施例結構圖。
本實施例提供的開關電源PWM控制器的短路保護電路包括短路一全測器 518、短路恢復電路520和頻率選擇器519。
所述短路檢測器518,用於檢測UVLO比較器503的輸出信號，當檢測到 有輸出信號時，產生短路信號。
當系統正常工作時，UVLO比較器503輸出低電平信號，當系統發生短路 時，UVLO比較器503輸出高電平信號，即產生電平跳變。
所述短路恢復電路520，用於設定恢復時間，當恢復時間結束時，產生恢 覆信號。
如果PWM控制器短路保護電路檢測到系統短路後一直保持低的頻率，短 路條件被釋放後系統也不會恢復成正常的電壓輸出。為確保系統能在短路釋放 後恢復正常工作，採用短路恢復電路520設定恢復時間，當恢復時間結束後， 產生恢復信號，使電路恢復正常工作。
所述頻率選擇器519,當接收到所述短路信號時，用於將開關頻率變為短 路PWM頻率；當接收到所述恢復信號時，用於將所述短路PWM頻率恢復為 所述開關頻率。
參見圖6，該圖為本實用新型PWM控制器短路保護電路VCC端、OUT 端和UVLO比4交器端的電壓波形。
Freq_Sel信號是復位信號。在圖5中具體是短路恢復模塊520到UVLO 比較器503和頻率選擇器519的信號。在恢復時間結束後置"0",即低電平， 使短路PWM頻率恢復正常的開關頻率，並完成一個完整的啟動過程。在正常 的開關頻率下完成一個完整的啟動過程，保證系統在短路被釋放的條件下能夠 恢復正常的電壓輸出。
1/8，用Kl表示。
需要說明的是，短路PWM頻率可以根據短路功耗設為小於正常的開關頻率的任一值，不局限於1/8。
另外，當輸出電壓Vout再次短路或者開路後，VCC將會降至其UVLO閾 值電壓，frecLSe信號被置為"1",即高電平，開關頻率將再次恢復至短路PWM 頻率Kl,在下一個恢復時間周期後檢測短路或者開路狀態是否解除。
參見圖7，該圖為本實用新型PWM控制器短路保護電路第二實施例結構圖。
所述短路;險測器為D觸發器704,所述UVLO比較器708的輸出端連接 所述D觸發器704的脈衝端CLK;所述D觸發器704的輸出端Q連接所述頻 率選擇器。
所述短路恢復電路包括計數器710、第一窄脈沖發生器709和所述D觸發 器704。
所述計數器710,用於設置所述恢復時間，當所述恢復時間結束時，發送
觸發信號至所述第一窄脈沖發生器709。
所述第一窄脈沖發生器709，用於產生所述恢復信號SC—R。
所述第 一窄脈衝發生器709輸出的所述恢復信號SC—R連接所述D觸發器
的復位端RESET。
所述頻率選^^器包括分頻器702、第二窄脈衝發生器703和兩輸入多路選 擇器705。
所述分頻器702,用於將振蕩器701輸出的75%佔空比的頻率轉變為短路 頻率，並輸出至所述第二窄脈衝發生器703;所述短路頻率的佔空比為50%。
所述第二窄脈衝發生器703,用於根據平均輸入功率和PWM控制器的 OUT端電壓將所述50%佔空比的短路頻率轉變為佔空比較小的短路頻率，將 所述短路頻率輸入至所述兩輸入多路選擇器705的第一輸入端A。
所述振蕩器701輸出的頻率輸入至所述兩輸入多路選擇器705的第二輸入 端B。
所述D觸發器704的輸出端Q連接所述兩輸入多路選擇器705的控制端S。 當UVLO比較器708輸出高電平時，D觸發器704的CLK端產生跳變， 輸出端Q產生有效信號，兩輸入多路選擇器705的控制端S接收有效信號， 選擇第一輸入端A的信號輸出，即輸出PWM時鐘信號為短路頻率。計數器710計數恢復時間，當恢復時間結束時，觸發第一窄脈衝發生器
709產生恢復信號SC—R。恢復信號連接D觸發器704的復位端RESET， D觸 發器704復位，輸出端Q產生電平跳變，兩輸入多路選擇器705的控制端S 接收跳變信號，選4奪第二輸入端B的信號輸出，即輸出正常的PWM頻率。 本實施例優選所述恢復時間為256ms。
需要說明的是，恢復時間可以根據短路功耗和系統短路恢復響應時間來設 定，不局限於256ms。
電阻706和電阻707作為分壓電阻，為UVLO比較器提供輸入電壓。
為了更好地降低短路時系統的平均輸入功率，本實用新型還對現有技術中
的啟動電路做了改進。
現有技術中啟動電路的缺點是VCC充電時間受OUT端電壓影響很大，當 外圍系統設計不當時，系統短路後OUT端電壓依然很高，導致啟動電路充電 觸發後VCC端被大電流短時間充至啟動電壓，從而無法降低系統平均功率。 而本實施例提供的啟動電路的優點，除了上述的有效降低平均輸入功率外，電 容的充電時間可控，受OUT端電壓影響小，可使系統外圍設計更加靈活。
參見圖8,該圖為本實用新型啟動電^各的實施例電^各圖。
本實用新型實施例提供的啟動電路包括第一限流電阻801、第二限流電 阻802、PMOS管803、NMOS管805、第一高壓NMOS管804，第二高壓NMOS 管806、第三高壓NMOS管807和偏置電阻808。
PMOS管803連衝矣成一個二才及管狀態。
NMOS管805連接成一個二極體狀態。
第一限流電阻801和第二限流電阻802限制了其各自電流支^^的最大電
流o
PMOS管803抬升了 OUT端的啟動電壓。
第一高壓NMOS管804的柵極連接使能端的使能信號決定了啟動電路的
固定充電電流電流是否開始工作。
NMOS管805斷開了 VCC端到第一高壓NMOS管804的漏極的通路。 第三高壓NMOS管807的閾值電壓和偏置電阻808決定了啟動電路的充
電電流為一個固定值。在正常工作過程中，第一高壓NMOS管804工作在深線性區，第二高壓 NMOS管806截止。所以，OUT端到VCC端的充電通路是關閉的。
在系統短路或者開路後，VCC降至其UVLO電平，第一高壓NMOS管804 截止，第二高壓NMOS管806工作在々包和區，充電通^各打開，充電電流/>式
為/&。8。由此可見，啟動電3各的充電電流由所述閾值電壓Vth和偏置
電阻808的阻值決定。其中，Vth是第三高壓NMOS管807的閾值電壓。
當VCC升到PWM控制器啟動電壓後，OUT端到VCC端的充電通路再 次關閉。
本實施例提供的啟動電路可以通過延長充電時間，在系統短路或開路時有 效降低系統的平均輸入功率。
以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型作任何 形式上的限制。雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定 本實用新型。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案範圍 情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本實用新型技術方案做出許多 可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本實 用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所做的任何 筒單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本實用新型技術方案保護的範圍內。
權利要求1、一種開關電源PWM控制器的短路保護電路，其特徵在於，包括短路檢測器、短路恢復電路和頻率選擇器；所述短路檢測器，用於檢測欠電壓鎖定比較器的輸出信號，當檢測到有輸出信號時，產生短路信號；所述短路恢復電路，用於設定恢復時間，當恢復時間結束時，產生恢復信號；所述頻率選擇器，當接收到所述短路信號時，用於將開關頻率變為短路PWM頻率；當接收到所述恢復信號時，用於將所述短路PWM頻率恢復為所述開關頻率。
2、 根據權利要求1所述的開關電源PWM控制器的短路保護電路，其特 徵在於，所述短路檢測器為D觸發器，所述欠電壓鎖定比較器的輸出端連接 所述D觸發器的脈衝端；所述D觸發器的輸出端連接所述頻率選擇器。
3、 根據權利要求2所述的開關電源PWM控制器的短路保護電路，其特 徵在於，所述短路恢復電路包括計數器、第一窄脈沖發生器和所述D觸發器；所述計數器，用於設置所述恢復時間，當所述恢復時間結束時，發送觸發 信號至所述第一窄脈衝發生器；所述第一窄脈衝發生器，用於產生所述恢復信號；所述第 一窄脈衝發生器輸出的所述恢復信號連接所述D觸發器的復位端。
4、 根據權利要求3所述的開關電源PWM控制器的短路保護電路，其特 徵在於，所述頻率選擇器包括分頻器、第二窄脈衝發生器和兩輸入多路選擇器， 所述頻率選擇器包括分頻器、第二窄脈衝發生器和兩輸入多路選擇器；所述分頻器，用於將振蕩器輸出的75%佔空比的頻率轉變為短路頻率，並 輸出至所述第二窄脈衝發生器；所述短路頻率的佔空比為50%;所述第二窄脈沖發生器，用於根據平均輸入功率和PWM控制器的OUT 端電壓將所述50%佔空比的短路頻率轉變為佔空比較小的短路頻率，將所述短 路頻率輸入至所述兩輸入多路選擇器的第 一輸入端；所述振蕩器輸出的頻率輸入至所述兩輸入多路選擇器的第二輸入端；所述D觸發器的輸出端連接所述兩輸入多路選擇器的控制端。
專利摘要本實用新型提供一種開關電源PWM控制器的短路保護電路，包括短路檢測器、短路恢復電路和頻率選擇器；所述短路檢測器，用於檢測欠電壓鎖定比較器的輸出信號，當檢測到有輸出信號時，產生短路信號；所述短路恢復電路，用於設定恢復時間，當恢復時間結束時，產生恢復信號；所述頻率選擇器，當接收到所述短路信號時，用於將開關頻率變為短路PWM頻率；當接收到所述恢復信號時，用於將所述短路PWM頻率恢復為所述開關頻率。本實用新型提供的開關電源PWM控制器短路保護電路，可以降低PWM開關頻率和限制最大佔空比，從而在系統短路時降低平均輸入功率。
文檔編號H02H7/10GK201435598SQ20092015736
公開日2010年3月31日 申請日期2009年5月26日 優先權日2008年10月29日
發明者方邵華, 朱亞江, 段建華, 超 陳 申請人:Bcd半導體製造有限公司