[发明专利]一种开关电源变换器的控制器及保护方法

说明书

一种开关电源变换器的控制器及保护方法，由控制器的过温检测电路检测控制器的温度，当温度超过过温保护阈值时控制器停止驱动功率管；当温度小于恢复阈值时，控制器延迟一段设定时间后恢复驱动功率管。由控制器的电流检测判断电路检测功率管开通时的导通电流，若导通电流小于设定值，则以第二驱动电压开通功率管；若导通电流大于设定值，则以第一驱动电压开通功率管。本发明的保护方法适用于推挽式正激变换器和全桥式正激变换器，同时获得超强容性负载能力、低短路功耗、低峰值温度的优良特性，并且解决功率较大的应用中高温启机异常的问题。

技术领域

本发明涉及推挽式变换器和全桥变换器的集成控制器的设计，特别涉及一种开关电源变换器的控制器及保护方法。

背景技术

这些年随着高压BCD工艺的进一步的发展，越来越多的工艺具有低内阻的LDNMOS(Laterally Diffused N-Metal Oxide Semiconductor，横向扩散N型金属氧化物半导体)和LDPMOS(Laterally Diffused P-Metal Oxide Semiconductor，横向扩散P型金属氧化物半导体)管，在一些微功率开关电源中集成功率MOS管的控制器具有很大的优势，特别是在推挽式和全桥式变换器应用中集成功率管的控制器优势更加明显，因为这种拓扑结构的开关电源需要非常对称地开关功率管以避免变压器的偏磁效应，而在同一芯片上设计参数非常接近的器件正是集成电路的优点。

图1是TI公司适用于推挽式变换器的集成控制器SN6505，为描述方便假设VIN＝5V，变压器各绕组匝数相同，二极管导通压降为0.7V。推挽式正激拓扑结构，在变换器刚启动时或者输出短路时，变换器的输出电压V_OUT接近于零，副边绕组两端的电压V_S接近输出二极管D2的导通压降，约为0.7V，那么SN6505引脚VD1处的功率管导通时，VP也约为0.7V，那么功率管导通时漏极电压等于4.3V，这是比较大压降，若此时功率管驱动电压不做限制而等于VIN，功率管导通电流可达数安至数十安倍的电流，有可能损坏功率管或者变换器其它器件。为此，SN6505会检测通过功率管的电流，并且限制最大电流为1.7A，来保证功率管或者输出二极管D1和D2等器件不损坏。此电流越小，变换器短路时的电流越小，变换器在输出短路或启机时越安全。然而，此电流大小也代表着变换器的最大功率等级，限制值过小的话会影响带载能力，所以功率管需要在较大电压和较大电流下工作，会产生较大的热量致使控制器温度上升。如图2所示，正激变换器在输出短路状态下温度随时间的变化曲线，从t₀₀时刻开始驱动功率管，功率管发热使得温度从环境温度T₀逐渐上升，在t₀₁时刻超过SN6505的过温保护阈值点T₂＝168℃，控制器停止驱动功率管，进而温度开始下降，在t₀₂时刻下降到恢复阈值T₁＝150℃时又开始驱动功率管，工作后又发热，最终控制器的温度在T₁＝150℃与T₂＝168℃之间来回振荡。可见，SN6505通过限流驱动和过温保护两种机制来保证开关变换器的可靠性。

虽然SN6505的两种保护机制的共同作用，能有效地防止变换器输出短路时器件损坏，但是有两个缺点：1、控制器温度较高，最终在T₂与T₁之间振荡，短路条件下SN6505的平均温度超过150℃；2、一旦控制器进入过温保护状态，变换器的容性负载变小，导致变换器输出电容较大时在高温下启机异常。图2中，第一次启动时温度上升时间从t₀₀～t₀₁，一旦进入过温保护后再次启动时，温度上升时间从t₀₂～t₀₃，后者的时间长度大幅低于前者，温度上升的时间决定了变换器给输出电容充电时间，时间越长容性负载能力越大。可见，由于控制器从150℃上升到168℃的时间较短，变换器输出电压还未建立，可能再次进入过温保护，导致变换器输出短路的异常状态撤销后不能正常启动。