一种开关电源IC集成故障保护方法

摘要

本发明公开了一种开关电源IC集成故障保护方法，涉及电源集成电路领域，包括：采集并分析开关电源IC的输入电压；采集并通过递归频域增强混合网络分析温度数据和输出电数据，得到故障概率；根据轻重缓急，在三种不同的时间内将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零，以此平稳地软关断电源，避免了突然地硬关机造成电路中感性元件出现瞬态反向高压，损坏电路的情况。本发明发现故障征兆并预先关断，防范于未然，有效保护了用电设备和电源IC，还集成在开关电源IC中，易于用户进行二次开发，且使电源IC更安全可靠。

权利要求

1.一种开关电源IC集成故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集并分析开关电源IC的输入电压，若输入电压过压，则在第一下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；若输入电压欠压，则在第二下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；若输入电压正常，则跳转至S2；

S2、采集开关电源IC的温度数据和输出电数据，若温度数据和输出电数据已处于故障状态，则在第二下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；若温度数据和输出电数据未处于故障状态，则跳转至S3；

S3、通过递归频域增强混合网络分析温度数据和输出电数据，得到故障概率，若故障概率大于概率阈值，则在第三下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；

所述第一下调时间短于第二下调时间，所述第二下调时间短于第三下调时间；

所述输出电数据包括：负载电流和输出电压；

温度数据和输出电数据处于故障状态的判别条件为下述条件中的任一项至多项：温度数据大于高温阈值；

输出电压不在闭区间 内， 为输出电压设定值， 为输出电压纹波阈值；

负载电流大于过流阈值；

负载电流纹波大于负载电流纹波阈值；

所述S3中的递归频域增强混合网络以ASIC为逻辑介质，集成在开关电源IC中；

所述S3中的递归频域增强混合网络包括：

自注意力递归子网络，用于通过带有自注意力机制的时间递归运算，根据温度数据和输出电数据，得到电源输出状态转移序列；

离散频域注意力增强子网络，用于对电源输出状态转移序列进行离散时频变换，并对得到的频域级数进行不同系数增强，再通过逆离散时频变换得到频域注意力增强电源输出状态转移序列；

全连接层，用于根据频域注意力增强电源输出状态转移序列，计算得到故障概率。

2.根据权利要求1所述的开关电源IC集成故障保护方法，其特征在于，所述自注意力递归子网络的表达式为：，

，

，

，

其中， 为 时刻的电源输出状态转移序列， 为 时刻的电源输出状态转移序列， 为 时刻的温度数据和输出电数据构成的序列， 为 时刻的输出电压， 为 时刻的负载电流， 为 时刻的温度数据， 为 时刻的遗忘系数序列， 为 时刻的输入加权系数序列， 为自注意力递归子网络输出门参数矩阵， 为自注意力递归子网络输出门偏置序列， 为自注意力递归子网络遗忘门参数矩阵， 为自注意力递归子网络遗忘门偏置序列， 为自注意力递归子网络输入门参数矩阵， 为自注意力递归子网络输入门偏置序列， 为由 和 拼接而成的序列， 为由 、 和 拼接而成的序列， 为sigmoid函数。

3.根据权利要求2所述的开关电源IC集成故障保护方法，其特征在于，所述离散频域注意力增强子网络的表达式为：，

，

，

，

其中， 为第 个频域级数， 为电源输出状态转移序列的第 个元素，为自然常数，为虚数标识符， 为电源输出状态转移序列及其频域级数的元素个数， 为圆周率， 为进行系数增强后的第 个频域级数， 为第 个频域增强系数，为频域增强系数序列， 为频域注意力参数矩阵， 为电源输出状态转移序列， 为频域注意力偏置序列， 为频域注意力增强电源输出状态转移序列的第 个元素。

4.根据权利要求3所述的开关电源IC集成故障保护方法，其特征在于，所述全连接层的表达式为：，

其中， 为故障概率， 为全连接层参数序列， 为全连接层偏置向量， 为频域注意力增强电源输出状态转移序列。

说明书

一种开关电源IC集成故障保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电源集成电路领域，具体涉及一种开关电源IC集成故障保护方法。

背景技术

[0002] 随着电池技术和半导体材料技术的发展，LED（Light Emitting Diode，发光二极管）照明设备、电动汽车等高度依赖电源IC（Integrated Circuit，集成电路）的新能源产品大量普及，随之而来的则是公众对新能源产品用电安全的关注。

[0003] 根据以往对用电设备故障的统计学研究，半数以上的故障均来源于内部电源，而LED照明设备80%的故障来源于电源。而由于开关电源的工作机制原因，其效率遥遥领先于线性电源，故绝大多数电动汽车、LED照明设备等产品采用开关电源IC。因此，开关电源IC的故障保护是防范触电、火灾等重大事故的关键。

[0004] 传统电源保护方法主要通过印制电路板上的检测、比较等硬件电路，对过压、欠压、过流、欠流、过热、瞬态冲击等故障实施关机保护，以避免故障损失的扩大。该方法的优点是保护速度快、简单可行，但缺点是：1、不能预先发现故障征兆，关机前已造成部分损失；2、不分情况的硬件开关的切换，会造成电路中感性元件的瞬态反向高压，使电路出现额外损伤；3、故障保护机制和逻辑未集成在电源IC中，增加了用户的二次设计难度。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种开关电源IC集成故障保护方法解决了传统电源保护方法不能预先发现故障征兆、不分情况的瞬间关机使电路出现额外损伤、故障保护机制和逻辑未集成电源IC内的问题。

[0006] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种开关电源IC集成故障保护方法，包括以下步骤：

[0008] S1、采集并分析开关电源IC的输入电压，若输入电压过压，则在第一下调时间内，将驱动功率MOS管（Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor，金属‑氧化物半导体场效应晶体管）的PWM波（pulse width modulation，脉宽调制波）占空比递减下调至零；若输入电压欠压，则在第二下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；若输入电压正常，则跳转至S2；

[0009] S2、采集开关电源IC的温度数据和输出电数据，若温度数据和输出电数据已处于故障状态，则在第二下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；若温度数据和输出电数据未处于故障状态，则跳转至S3；

[0010] S3、通过递归频域增强混合网络分析温度数据和输出电数据，得到故障概率，若故障概率大于概率阈值，则在第三下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；

[0011] 所述第一下调时间短于第二下调时间，所述第二下调时间短于第三下调时间。

[0012] 进一步地，所述输出电数据包括：负载电流和输出电压。

[0013] 进一步地，温度数据和输出电数据处于故障状态的判别条件为下述条件中的任一项至多项：

[0014] 温度数据大于高温阈值；

[0015] 输出电压不在闭区间 内， 为输出电压设定值， 为输出电压纹波阈值；

[0016] 负载电流大于过流阈值；

[0017] 负载电流纹波大于负载电流纹波阈值。

[0018] 进一步地，所述S3中的递归频域增强混合网络以ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）为逻辑介质，集成在开关电源IC中。

[0019] 进一步地，所述S3中的递归频域增强混合网络包括：

[0020] 自注意力递归子网络，用于通过带有自注意力机制的时间递归运算，根据温度数据和输出电数据，得到电源输出状态转移序列；

[0021] 离散频域注意力增强子网络，用于对电源输出状态转移序列进行离散时频变换，并对得到的频域级数进行不同系数增强，再通过逆离散时频变换得到频域注意力增强电源输出状态转移序列；

[0022] 全连接层，用于根据频域注意力增强电源输出状态转移序列，计算得到故障概率。

[0023] 进一步地，所述自注意力递归子网络的表达式为：

[0024] ，

[0025] ，

[0026] ，

[0027] ，

[0028] 其中， 为 时刻的电源输出状态转移序列， 为 时刻的电源输出状态转移序列， 为 时刻的温度数据和输出电数据构成的序列， 为 时刻的输出电压， 为 时刻的负载电流， 为 时刻的温度数据， 为 时刻的遗忘系数序列， 为 时刻的输入加权系数序列， 为自注意力递归子网络输出门参数矩阵，为自注意力递归子网络输出门偏置序列， 为自注意力递归子网络遗忘门参数矩阵，为自注意力递归子网络遗忘门偏置序列， 为自注意力递归子网络输入门参数矩阵，为自注意力递归子网络输入门偏置序列， 为由 和 拼接
而成的序列， 为由 、 和 拼接而成的序列，
为sigmoid函数。

[0029] 进一步地，所述离散频域注意力增强子网络的表达式为：

[0030] ，

[0031] ，

[0032] ，

[0033] ，

[0034] 其中， 为第 个频域级数， 为电源输出状态转移序列的第 个元素，为自然常数，为虚数标识符， 为电源输出状态转移序列及其频域级数的元素个数， 为圆周率， 为进行系数增强后的第 个频域级数， 为第 个频域增强系数，为频域增强系数序列， 为频域注意力参数矩阵， 为电源输出状态转移序列， 为频域注意力偏置序列， 为频域注意力增强电源输出状态转移序列的第 个元素。

[0035] 进一步地，所述全连接层的表达式为：

[0036] ，

[0037] 其中， 为故障概率， 为全连接层参数序列， 为全连接层偏置向量， 为频域注意力增强电源输出状态转移序列。

[0038] 本发明的有益效果为：

[0039] （1）针对轻重缓急的电源故障，采用不同的时间去渐变调小开关电源IC的PWM波占空比，实现平稳地软关断，避免了突然地硬关机造成电路中感性元件出现瞬态反向高压，损坏电路的情况；通过神经网络分析温度数据和输出电数据，对故障概率进行预测，发现故障征兆并预先关断，防范于未然，有效保护了用电设备和电源IC。

[0040] （2）以ASIC为逻辑介质，在其上实现递归频域增强混合网络，集成在开关电源IC中，易于用户进行二次开发，且使电源IC更安全可靠。

[0041] （3）不仅对输入输出电压的过压和欠压、温度过热以及负载电流的过流进行了分析与保护，还分析了输出电压和负载电流的波动，防范电路系统中的不稳定因素。

[0042] （4）自注意力递归子网络，其遗忘系数和输入加权系数可根据当前输入量和上一时刻输出量自适应调节，具备优秀的自注意力机制，其通过时间递归分析了温度数据和输出电数据在时间上的变化特征，得到电源输出状态的变化信息。

[0043] （5）离散频域注意力增强子网络，通过对携带了电源输出状态变化信息的电源输出状态转移序列进行离散时频变换，在频域上使用由电源输出状态转移序列自适应调节的系数进行注意力增强，提高了故障分析的辨识度。

附图说明

[0044] 图1为本发明实施例提供的一种开关电源IC集成故障保护方法的流程图；

[0045] 图2为本发明实施例的递归频域增强混合网络的结构图。

具体实施方式

[0046] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0047] 如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种开关电源IC集成故障保护方法，包括以下步骤：

[0048] S1、采集并分析开关电源IC的输入电压，若输入电压过压，则在第一下调时间内，将驱动功率MOS管（Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor，金属‑氧化物半导体场效应晶体管）的PWM波（pulse width modulation，脉宽调制波）占空比递减下调至零；若输入电压欠压，则在第二下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；若输入电压正常，则跳转至S2。

[0049] 开关电源IC通常以PWM波驱动功率MOS管改变输出电压或电路供电开关状态，这些为背景常识，本文不再赘述。

[0050] S2、采集开关电源IC的温度数据和输出电数据，输出电数据包括：负载电流和输出电压。若温度数据和输出电数据已处于故障状态，则在第二下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零；若温度数据和输出电数据未处于故障状态，则跳转至S3。

[0051] 温度数据和输出电数据处于故障状态的判别条件为下述条件中的任一项至多项：

[0052] 温度数据大于高温阈值；

[0053] 输出电压不在闭区间 内， 为输出电压设定值， 为输出电压纹波阈值；

[0054] 负载电流大于过流阈值；

[0055] 负载电流纹波大于负载电流纹波阈值。

[0056] 本发明不仅对输入输出电压的过压和欠压、温度过热以及负载电流的过流进行了分析与保护，还分析了输出电压和负载电流的波动，防范电路系统中的不稳定因素。

[0057] 在本实施例中，高温阈值、过流阈值和负载电流纹波阈值可以根据多次实验或者经验进行设置，高温阈值用于筛选出过高的温度数据，过流阈值用于筛选出过大的负载电流，负载电流纹波阈值用于筛选出过大的负载电流纹波。在温度过高、电流过大和纹波过大时，本发明均视为存在故障，而各个阈值如何进行设置，可以根据具体不同设备的要求进行设置。

[0058] S3、通过递归频域增强混合网络分析温度数据和输出电数据，得到故障概率，若故障概率大于概率阈值，则在第三下调时间内，将驱动功率MOS管的PWM波占空比递减下调至零。

[0059] 在本实施例中，概率阈值的设置可以根据多次实验或者经验进行设置，其用于区分故障的程度，实现在故障概率过大时，对驱动功率MOS管的PWM波占空比进行调节。

[0060] 递归频域增强混合网络以ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）为逻辑介质，集成在开关电源IC中，如图2所示，其包括：

[0061] 自注意力递归子网络，用于通过带有自注意力机制的时间递归运算，根据温度数据和输出电数据，得到电源输出状态转移序列，其表达式为：

[0062] ，

[0063] ，

[0064] ，

[0065] ，

[0066] 其中， 为 时刻的电源输出状态转移序列， 为 时刻的电源输出状态转移序列， 为 时刻的温度数据和输出电数据构成的序列， 为 时刻的输出电压， 为 时刻的负载电流， 为 时刻的温度数据， 为 时刻的遗忘系数序列， 为 时刻的输入加权系数序列， 为自注意力递归子网络输出门参数矩阵，为自注意力递归子网络输出门偏置序列， 为自注意力递归子网络遗忘门参数矩阵，为自注意力递归子网络遗忘门偏置序列， 为自注意力递归子网络输入门参数矩阵，为自注意力递归子网络输入门偏置序列， 为由 和 拼接
而成的序列， 为由 、 和 拼接而成的序列。

[0067] 本发明自注意力递归子网络的遗忘系数和输入加权系数可根据当前输入量和上一时刻输出量自适应调节，具备优秀的自注意力机制，其通过时间递归分析了温度数据和输出电数据在时间上的变化特征，得到电源输出状态的变化信息。

[0068] 离散频域注意力增强子网络，用于对电源输出状态转移序列进行离散时频变换，并对得到的频域级数进行不同系数增强，再通过逆离散时频变换得到频域注意力增强电源输出状态转移序列，其表达式为：

[0069] ，

[0070] ，

[0071] ，

[0072] ，

[0073] 其中， 为第 个频域级数， 为电源输出状态转移序列的第 个元素，为自然常数，为虚数标识符， 为电源输出状态转移序列及其频域级数的元素个数， 为圆周率， 为进行系数增强后的第 个频域级数， 为第 个频域增强系数，为频域增强系数序列， 为频域注意力参数矩阵， 为电源输出状态转移序列， 为频域注意力偏置序列， 为频域注意力增强电源输出状态转移序列的第 个元素。本发明的离散频域注意力增强子网络，通过对携带了电源输出状态变化信息的电源输出状态转移序列进行离散时频变换，在频域上使用由电源输出状态转移序列自适应调节的系数进行注意力增强，提高了故障分析的辨识度。

[0074] 全连接层，用于根据频域注意力增强电源输出状态转移序列，计算得到故障概率，其表达式为：

[0075] ，

[0076] 其中， 为故障概率， 为全连接层参数序列， 为全连接层偏置向量， 为频域注意力增强电源输出状态转移序列。

[0077] 本实施例的第一下调时间短于第二下调时间，所述第二下调时间短于第三下调时间。

[0078] 综上，本发明针对轻重缓急的电源故障，采用不同的时间去渐变调小开关电源IC的PWM波占空比，实现平稳地软关断，避免了突然地硬关机造成电路中感性元件出现瞬态反向高压，损坏电路的情况；通过神经网络分析温度数据和输出电数据，对故障概率进行预测，发现故障征兆并预先关断，防范于未然，有效保护了用电设备和电源IC。还以ASIC为逻辑介质，在其上实现递归频域增强混合网络，集成在开关电源IC中，易于用户进行二次开发，且使电源IC更安全可靠。

[0079] 本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

[0080] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。