防止過載和飽和的開關電源裝置及ic的製作方法

2023-06-03 11:53:51

專利名稱：防止過載和飽和的開關電源裝置及ic的製作方法
技術領域：
本發明屬於開關電源設計技術領域，特別涉及一種防止開關電 源電流過載和飽和的方法及其開關電源、IC。
背景技術：
關於開關電源，有DC-DC (指一路直流電源變換為另一路或一路 以上直流電源)或AC-DC (指交流電源變換為一路或一路以上直流電 源)變換、隔離式或非隔離式變換電路、升壓(Boost型)或降壓(Buck 型)變換電路、CCM (連續電流模式)或DCM (非連續電流模式)、 等分類或定義；其隔離式變換電路有單端式(反激式、正激式)、雙端 式(推挽式、半橋式和全橋式)結構；變換技術有硬開關變換、軟幵 關(或諧振開關、或零開關)變換；控制技術有PFM (脈衝頻率調節) 方式和PWM (脈衝寬度調節)方式、電壓型和電流型；等等。不管上 述公知技術如何分類和定義，如何使用各種變換電路和控制技術，各 種開關電源電路均可簡化為變換電路，包括功率管、變壓器或電感、 一路或一路以上整流濾波輸出電路，其中，功率管，單端式有一隻功 率管，雙端式有多隻功率管，採用軟開關變換還有一隻或一隻以上輔 助功率管，電感，用於簡單的非隔離DC-DC變換，變換電路的確定意 味著該開關電源採用電感或單端式或雙端式、硬開關或軟開關等；(電 壓或電流等)反饋電路，包括採樣電路、誤差放大器，有時還有反饋 隔離電路，採樣電路採樣輸出電路的電壓或電流等信號送誤差放大器 比較和放大，誤差放大器輸出誤差信號；控制電路，包括脈衝調製電 路和驅動電路，脈衝調製電路有PFM方式(有PFM電路和脈衝寬度
整形電路，不常用)、PWM方式(有PWM電路和振蕩器，常用)和 其它方式、並根據誤差信號生成基本脈衝，採用雙端式還有分頻互補 雙脈衝生成電路，採用軟開關變換還有軟開關多脈衝生成電路，基本 脈衝或雙脈衝或多脈衝送驅動電路驅動功率管， 一般地，誤差信號越
大，脈衝佔空比越大，功率管峰值電流越高，變壓器越容易飽和；輔
助電路，在啟動電路、保護電路、電壓參考電路、EMC電路、交流整 流濾波電路等輔助電路中根據需要選取，其中保護電路有低電壓、高 電壓、上限電流等保護電路。在開關電源啟動或過載時，變壓器或 電感易飽和、功率管易過電流；因此，公知技術是開關電源IC (如 UCx842、 TOP210等)採用上限電流保護電路，即在達上限電流時立 即關斷功率管，要求控制電路有快速反應能力、和功率管有快速關斷 能力，否則依然會存在損壞變壓器或功率管等安全隱患。關於啟動 電路，公知技術有電阻啟動電路、和可關斷恆流源啟動電路。

發明內容
本發明目的在於克服公知技術的不足之處，提出一種防止開關 電源電流過載和飽和的方法及其開關電源、IC。
本發明提出一種防止開關電源電流過載和飽和的方法，其特徵
在於，包括以下步驟
1) 檢測變壓器初級或電感或功率管電流是否超過上限電流；
2) 若超過上限電流，則產生調整信號調整或間接調整誤差信 號，使得在下一個或幾個脈衝調製周期內，佔空比變小，變 壓器初級或電感或功率管峰值電流變小。所述誤差信號為誤 差放大器的輸出信號或脈衝調製電路的輸入信號；所述調整 誤差信號為直接調整誤差信號；所述間接調整誤差信號為採 用調整誤差放大器的輸入信號或調整採樣電路的輸出信號等 間接調整方法，達到調整誤差信號的目的。
上述的步驟2)具體方法可為；當檢測到超上限電流時，將誤 差信號調整一次，調整量為一固定值。
上述的步驟2)具體方法還可為；當檢測到超上限電流時，在 當前及後面多個脈衝調製周期內將誤差信號連續調整，調整量由 大到零；在該連續調整的過程中，若又檢測到超上限電流時，則 調整過程重新開始，調整量重新由大到零。
所述的步驟2)具體方法，最好為調整誤差信號，誤差放大器 輸出最好為開路上拉輸出並有一隻負載電容，強制調整為洩放電 容電荷。
本發明提出採用上述方法的一種開關電源，為防過載防飽和 開關電源，包括變換電路(包括功率管、變壓器或電感、 一路 或一路以上整流濾波輸出電路，有時還有軟開關電路等，為公知 的各類變換電路)、反饋電路(包括採樣電路、誤差放大器、有時 還有反饋隔離電路)、控制電路(包括脈衝調製電路和驅動電路，
脈衝調製電路有PFM方式和PWM方式或其它方式，採用PFM 方式有脈衝頻率調節電路和脈衝寬度整形電路，採用PWM方式有 脈衝寬度調節電路和振蕩器，採用雙端式還有分頻互補雙脈衝生 成電路，採用軟開關技術還有軟開關多脈衝生成電路)和輔助電 路(在啟動電路、保護電路、電壓參考電路、EMC電路、交流整 流濾波電路等輔助電路中根據開關電源的需要選取)；其特徵在 於，所述輔助電路的保護電路至少包括依次相連的變壓器初級或 電感或功率管的電流採樣電路、變壓器初級或電感或功率管的上 限電流檢測電路、和根據該檢測電路的輸出信號執行調整或間接 調整誤差信號的調整電路。 所述調整電路可採用下降沿觸髮帶 高電平預置的D觸發器，該D觸發器的時鐘信號為所述控制電路 的脈衝調製電路根據來自反饋電路的誤差信號生成的基本脈衝 (基本脈衝為高電平時有所說的變換電路的唯一功率管或某隻功 率管開)，該D觸發器的數據口輸入低電平，該D觸發器的預置 輸入口輸入為所述檢測電路的輸出信號(檢測電路檢測到超上限 電流時輸出高電平)，D觸發器高電平時開路輸出執行調整或間接 調整誤差信號；因此，當檢測到超上限電流時，該調整電路將誤 差信號調整一次，調整量為一固定值。
本發明所述開關電源，其變換電路採用單端式變換電路，所 述功率管採用三極體，所述驅動電路至少有兩路輸出信號，其中
一路與該三極體的基極相連，另一路與該三極體的發射極相連； 該三極體的基極通過一個高阻值的電阻與高壓電源相連。所述變 換電路在相應的電路配合下，高阻值的電阻和三極體可以作為所 說的輔助電路的上電啟動電路的一部分，同時提高了三極體的耐 壓，在後面的敘述中將結合附圖有進一步的描述。
本發明所述開關電源，採用一片開關電源IC，所述IC至少集 成了部分控制電路和部分保護電路。
本發明的特點及良好效果採用防過載防飽和，具有突出的技術 優勢和高品質，能有效降低成本和提高品質。


圖1為防過載防飽和、帶啟動電路的非限定PWM開關電源原 理示意圖。
圖2為另一種防過載防飽和、帶啟動電路的非限定PWM開關 電源原理示意圖。
圖3為優選、防過載防飽和非限定PWM主電源實施例原理示 意圖。
上述所有附圖標註的電壓值和電阻值為非限定值，可根據設計 目標和需求而設定為其它值；MOS管或三極體一般可改變驅動與 三極體或MOS管互換。
具體實施例方式
下面結合本發明非限定實施例和附圖做闡述。
圖1和圖2，可作為獨立使用的開關電源(如充電器、綠色開 關電源IC待機電源單元、或通用開關電源)，Q1為優選經濟型功 率三極體(如13003、 BUX87等)；Qd為優選內置功率管、或外 置功率管；虛線框內為IC部分，但Rb和Qa根據半導體工藝可 集成於IC內或外置，Rb還可按一般較小輸出功率的要求優化阻 值集成於IC內，如需大於內置輸出功率時可外置並聯電阻來滿足 要求。圖3可作為綠色開關電源IC的主電源，虛線框內為IC電 路部分，大功率管Q2可外置或集成於IC內。la，lb電流源。
S0，施密特比較器，IC電源電壓監視電路(或啟動電路的一
部分)，如so低電平則為啟動狀態，如so高電平則為正常狀態。
圖1，啟動狀態，Qa關斷、PCLQC高阻(或輸出受控)，高壓高 阻值R1提供基極微電流使功率管Q1以較小集電極電流導通，經 二極體Da給IC電源電容CO充電，構成啟動電路，為了 Q1的啟 動安全，可檢測充電電流、控制PCL.QC輸出、改變Q1基極電 流，使Q1電流為安全值(如3mA等)；正常狀態，PCL.QC、 Qa 為正常輸出，R1失去作用；因此，考慮Q1的放大作用，與以 電阻限流啟動電路相比，正常狀態時該啟動電路保持的損耗至少 小一個數量級。圖2，啟動狀態，高壓電流源開啟為電容C0充電， 構成PWMs啟動電路；正常狀態，PWMs恢復正常狀態，高壓電 流源關閉。圖3，由於主電源可與待機電源共享IC電源電壓監視 電路，因此可使S0對PWM2也有作用(圖中未畫出)，啟動狀態， PWM2關閉。
圖1，正常狀態時，PCL.QC和PCL.Q輸出相同，如輸出高電 平，Q1和Qa導通，Rb檢測Q1瞬時電流；如輸出由高電平轉為 低電平，Qa截止，但由於存儲效應的原因，Q1不會立即截止， 二極體Da續流、或設計延時電路使Qa延時到Q1截止後關閉、 或Qa使Q1發射極箝位約1.5V(此值既能提高Q1的耐壓，又使 IC有較低的功耗)，Q1基極電壓0V因而反偏，因此提高了 Q1 的集電極耐壓。圖2,正常狀態時，PCLs.Q如輸出高電平，Qd 導通，Rb檢測Qd瞬時電流；如輸出低電平，Qd截止。圖3，正 常狀態時，PCL2.Q如輸出高電平，Q2導通，R2檢測Q2瞬時電 流；如輸出低電平，Q2截止。
S2， PWM比較器(或PWM電路，圖示採用電流模式，也可 採用電壓模式)，原理是，振蕩器Q的上升沿功率管開始導通，變 壓器初級電流增加，Rb或R2的壓降也增加，當該壓降等於或大 於誤差信號(反映在C1或C2上的電壓UC1或UC2)時，S2輸 出低電平，功率管關閉；但振蕩器決定最大佔空比，原理是，S2 仍輸出高電平，振蕩器Q變為低電平，則功率管關閉；S1，施密 特比較器(或作為主電源禁止電路)，原理是，誤差信號低於設定 值(閾值)則功率管PWM周期強制關閉，如高於設定值則功率管 PWM周期開啟，因此提高了開關電源輕載時的轉換效率。
S3,上限電流比較器(或上限電流檢測電路)，如果變壓器初
級或功率管達上限電流，S3在啟動防過載防飽和控制邏輯S5(調 整電路)同時關閉功率管(可選，理由是關閉功率管由S2負責)。 S5有許多解決方案，本發明認為最簡易方案是，S5被啟動一次， S4則導通一個振蕩器周期；但須滿足以下條件，S4在一個PWM
(或振蕩器)周期內平均電流(稱為14)大於電流源la (圖1和 圖2)或主電壓反饋電流減電流源lb (圖3，差值為lc); 14和la 或lc在一個PWM周期內對UC1或UC2共同貢獻可選在2.8V*
(-10%)以內，而此時的最大輸出電流應在95%以上，如la對 UC1貢獻為2.8V *3.3%，則I4可選為la的3-4倍比較好；因此， 誤差信號降低(即強制調整誤差信號)，下一個或幾個PWM周期， 佔空比變小，變壓器初級或功率管的峰值電流將減小；對於快速 功率管、容量充足的變壓器和響應較快的控制電路，過載時，誤 差信號在最大值附近；對於較慢功率管、或容量不足的變壓器(變 壓器一旦飽和，其初級電流迅速上升，到達或超過上限電流)或 響應較慢的控制電路，在過載時，誤差信號將小於理論計算最大 值，控制電路將超前關斷功率管；雖然仍有功率管超上限電流或 變壓器飽和，但時間極短，可以保證功率管和變壓器的安全，提 高了可靠性。
S5的另一方案是，S5被啟動一次，I4=la (或lc) ".2;後繼 PWM周期S5如無被啟動，I4=la (或lc) *0.8，然後停止S5; 上述倍數1.2和0.8可以是其它大於1和小於1的值，但應考慮 開關電源的瞬態響應；此方案可進一步提高對功率管和變壓器保 護，增大最大輸出電流。S5還可採用數字處理邏輯方案，自適應 收斂過載時的14。為了便於在使用過程中的監視，S5最好輸出過 載監視信號(原理是S5被啟動一次產生一次輸出，可直接由LED 指示，圖中未畫出)。
圖1、圖2及圖3採用單端式連續電流模式，則應為PCL、 PCLs、 PCL2和S5設計延時電路，防止開啟尖峰使功率管誤關斷 或S5誤啟動。
上述防過載防飽和開關電源PWM控制技術也適用於推挽式、 半橋式和全橋式等結構，如添加防過載防飽和保護電路檢測到功 率管或變壓器初級超上限電流，則強制調整誤差信號(如為TL494 添加S3、 S5， S5強制調整3腳或4腳電平)，使得在下一個或幾個PWM周期內，佔空比變小，功率管或變壓器初級的峰值電流將 減小，因此保護了功率管和變壓器，提高了開關電源的安全性和 可靠性。
上述對圖1的論述可部分改述如下 一種採用單只經濟型開關
功率三極體、適用於單端式的PWM控制電路(或IC)，有兩路輸 入輸出分別接功率管的基極和發射極，功率管的基極有高壓高阻 值電阻接高壓源或功率管的集電極(通過變壓器初級接高壓源)。 啟動狀態時，接基極的一路高阻態(或輸出受控)，高壓高阻值電 阻提供功率管基極微電流，功率管發射極小電流通過二極體給IC 電源濾波電容充電(或限流充電)，完成啟動。正常狀態時，PWM 正周期， 一路使功率管基極正偏， 一路下拉功率管發射極，功率 管導通；PWM負周期， 一路下拉功率管基極，由於存儲效應的原 因，功率管不會立即截止，可由二極體為功率管發射極續流、或 下拉發射極延時到功率管截止時關閉、或功率管發射極箝位，但 在功率管截止後，其基極反偏，因此提高了功率管的集電極耐壓。
權利要求
1、一種防止開關電源電流過載和飽和的方法，其特徵在於，包括以下步驟1)檢測變壓器初級或電感或功率管電流是否超過上限電流；2)若超過上限電流，則產生調整信號調整或間接調整誤差信號，使得在下一個或幾個脈衝調製周期內，佔空比變小，變壓器初級或電感或功率管峰值電流變小。
2、 一種採用如權利要求1所述方法的開關電源，包括變換 電路、反饋電路、控制電路和輔助電路；其特徵在於，所述輔助 電路的保護電路至少包括依次相連的變壓器初級或電感或功率管 的電流採樣電路、變壓器初級或電感或功率管的上限電流檢測電 路、根據該檢測電路的輸出信號執行調整或間接調整誤差信號的 調整電路。
3、 一種採用如權利要求1所述方法的開關電源IC，其特徵 在於，至少集成了控制電路和保護電路；所述保護電路至少包括依次相連的變壓器初級或電感或功率管的上限電流檢測電路、根 據該檢測電路的輸出信號執行調整或間接調整誤差信號的調整電 路。
4、 如權利要求3所述的開關電源IC，其特徵在於，所述控 制電路包括PWM電路、振蕩器和驅動電路，PWM電路輸出脈衝 送驅動電路，驅動電路有兩路輸出，其中一路驅動功率三極體的 基極，另一路驅動功率三極體的發射極。
全文摘要
本發明公開了一種防止開關電源電流過載和飽和的方法，包括以下步驟1)檢測變壓器初級或電感或功率管電流是否超過上限電流；2)若超過上限電流，則產生調整信號調整或間接調整誤差信號，使得在下一個或幾個脈衝調製周期內，佔空比變小。以及採用所述方法設計的開關電源裝置和IC。
文檔編號H02M1/32GK101183825SQ200710146969
公開日2008年5月21日 申請日期2003年1月27日 優先權日2002年4月18日
發明者陳衛斌 申請人:姜 濤;陳衛斌