CN100361360C

CN100361360C - 开关电源截止型输出短路保护器

Info

Publication number: CN100361360C
Application number: CNB2005100430960A
Authority: CN
Inventors: 刘树林; 刘健; 程红丽; 钟久明; 王媛彬
Original assignee: 刘树林
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: CN1773801A

Abstract

本发明涉及一种开关电源截止型输出短路保护器，它由启动延时电路1、短路检测电路2、信号隔离电路3及单稳态电路4依次连接组成。它主要应用于煤矿、石化等危险性环境的开关电源或相关电子产品中，在其输出出现短路故障时，能彻底关断输入电源，截断输出短路处的短路火花能量的源，以将输出部分的短路火花能量限制到足够低的范围，确保直流稳压电源或其它电子产品在输出出现短路时，不会引爆易燃易爆气体或它们的混合物。以使较大功率的开关电源或包含有较大功率开关电源的电子设备或系统能够安全地应用于危险性环境；使本质安全型或防爆电源的输出功率可以做得更大，且不会降低电源的效率，电路结构及控制方法更简单。

Description

开关电源截止型输出短路保护器

技术领域

本发明属于一种电子产品，它主要用于煤矿、石化等危险性环境，确切地说是一种电源设备或其他电子产品中的输出短路保护器。

背景技术

本质安全型开关电源是电子设备的重要组成部分，在工作于危险环境的防爆电气设备的本质安全型开关电源中，为了达到足够大的输出功率而又要使输出电压纹波足够的小，电源的输出端通常包含有容量较大的滤波电感和电容，加之如果保护电路在电源出现故障时不能彻底关断电源输入端的能量来源，则一旦出现短路等故障，其产生的电火花必然会引爆易燃、易爆气体，显然是不能满足本质安全或防爆要求的。因此，为了使本质安全型开关电源或其它电子产品能安全地应用于危险型环境中，就必须在开关电源中采用截止型的输出短路保护电路，彻底截断输出短路处的短路火花能量的源，确保直流稳压电源或其它电子产品在输出出现短路时，不会引爆易燃易爆气体或它们的混合物。电源或开关电源目前采取的保护技术或保护电路方案主要有两种：①一种是在保护电路动作后彻底关断电源，但不能自恢复：即一旦保护电路动作后，即使过流或短路故障消除，电源仍一直处在关断状态，必须要先关断电源、重新启动系统才能恢复工作，这显然不能满足本质安全电源的要求(因为本安测试要求电源能在正常情况下，对各支路进行重复性短路和断路试验)。②另一种是可恢复型：即出现故障后，可将输出电压限制在比较低的电压，故障消除后，能自动恢复工作。但该种方案在保护电路动作后，尽管电压较低，电流却很大，因为开关电源其实还在工作，有时甚至会出现失控现象，因此，短路故障火花能量也是相当可观的，一旦出现短路故障，短路故障火花能量也可能会引爆易燃易爆气体或它们的混合物，很难实现本安输出。所以需要设计一种输出出现短路故障时，既能彻底切断电源，又可恢复的保护电路，以满足危险环境对开关电源的要求。据统计，目前我国仅各类型的煤矿约有2.6万个，其中大、中型煤矿3000多个，均需要配备监测、监控系统，每一台监测、监控系统至少需要一台开关电源，因此，设计适用于危险性环境的开关电源的保护电路具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，为应用于危险环境的开关电源提供一种截止型的输出短路保护器，将其加在开关电源中，当正常工作时，保护电路不起作用；而当输出出现短路故障时，能彻底关断输入电源，截断输出短路处的短路火花能量的源。

本发明是以下列技术方案来实现：该截止型输出短路保护器由启动延时电路、短路检测电路、信号隔离电路和单稳态电路四部分依次连接组成。也就是说启动延时电路连接到短路检测电路，短路检测电路连接到信号隔离电路，信号隔离电路连接到单稳态电路。所述的启动延时电路是由电容C1和电阻R2的并联与二极管D1和电阻R1的并联串联所构成的启动电路，与由电阻R3和电容C2串联且其串联的接点与U1的6和7端短路后相连所构成的延时电路及由电阻R4和二极管D2串联构成的单向信号传输电路所组成，其中C1、R2并联后与D1、R1并接后的串联接点接到U1的2脚；或者由延时电容C1和二极管D1串联(D1的阴极为串联接点)，并在串联接点上接电阻R1所构成。所述的短路检测电路是由分压取样电阻R5和R6串联、在电阻R5与电阻R6的连接点接一基准电压源U2及限流电阻R7构成。所述信号隔离电路是由光耦OP1的输入与电阻R8并联再与稳压二极管ZD1串联构成。所述单稳态电路是由电阻R10和电容C6串联且其串联接点接时基电路U3的4脚，电阻R11和电容C4串联且其串联接点接时基电路U3的6和7脚，及时基电路U3及其与外围元件电阻R9和电容C5连接组成。

本发明在电源或电子产品输出出现短路时，能彻底截断输出短路处的短路火花能量的源，以将输出部分的短路火花能量限制到足够低的范围，确保直流稳压电源或其它电子产品在输出出现短路时，不会引爆易燃易爆气体或它们的混合物。

附图说明

图1是开关电源截止型输出短路保护器电路原理框图。

图2是开关电源截止型输出短路保护器实施例一电路工作原理图。

图3是开关电源截止型输出短路保护器实施例二电路工作原理图。

具体实施方式

结合附图对本发明的整体结构及其工作原理作具体详细的说明：

如图1所示，该截止型输出短路保护器由启动延时电路1、短路检测电路2、信号隔离电路3和单稳态电路4依次连接组成。也就是说启动延时电路连接到短路检测电路，短路检测电路连接到信号隔离电路，信号隔离电路连接到单稳态电路。如图2、3所示，实际应用时本发明电路的输入有两个端子Vo+和Vo-分别接开关电源的输出“+”和“-”端，输出部分有三个端子VF+、VF-和V_K，其中VF+、VF-分别接开关电源一次侧的辅助电源的“+”和“-”端，V_K为短路发生时的相应控制信号输出端。其工作原理为：短路检测电路通过检测电流或电容两端的电压，判断短路故障是否发生。当检测到电路中的电流超过某一设定值或电压降低到低于某一设定值时，判定发生短路；由短路检测电路发出信号，该信号由信号隔离电路传输到单稳态电路，单稳电路动作而获得的短路控制信号加到开关电源一次侧的控制电路，使其开关管迅速关断，输入电源被彻底隔断，输出短路处的能量只有输出滤波电感和电容的能量。延时一段时间后，如果短路故障消除，电路恢复到正常工作状态。启动延时电路的作用是保证开关电源上电时能正常起动；保护电路动作后能重新自动启动，实现自恢复。

图2给出本发明的实施例一，其中所述启动延时电路1是由二极管D1～D2、电阻R1～R4、电容C1～C3及时基电路U1(如NE555)组成。其中，C1、R2、D1和R1构成启动电路；时基电路U1及其外围电路构成单稳态电路；电阻R4和二极管D2串联构成单向信号传输电路，具体连接是：电容C1和电R2并联的一端接到Vo-，另一端与二极管D1和电阻R1的并联的一端相连后接到U1的2端，二极管D1和电阻R1并联的另一端接Vo+；电阻R3与电容C2串接，串联的接点与U1的6和7端短路后相连，R3与C2的另一端分别接Vo+和Vo-；U1的4和8端短路后接Vo+，U1的1端接Vo-；U1的5端经过电容C3接Vo-；U1的3端经过电阻R4、二极管D2串联后接到输出短路检测电路。其中所述的短路检测电路是由分压取样电阻R5和R6、基准电压源U2(如TL431)和限流电阻R7构成，具体连接是：分压取样电阻R5和R6的连接点接到U2的参考电压端和启动延时电路的输出端；U2的阳极接Vo-、阴极通过电阻R7接Vo+；U2的阴极同时也是短路检测电路2的输出端，将其接到信号隔离电路。所述信号隔离电路是由光耦OP1(如PC817)、电阻R8及稳压二极管ZD1构成，具体连接是：电阻R8并接到光耦OP1的两个输入端，其一个输入端接U2的阴极一即短路检测电路2的输出端，另一个输入端接到稳压二极管ZD1的阴极，ZD1的阳极接Vo-，光耦OP1的输出端接到单稳态电路。所述单稳态电路是由电阻R9～R11、电容C4～C6及时基电路U3组成，具体连接是：R9的一端接辅助电源的正端VF+，另一端接到信号隔离电路的光耦OP1的一个输出端和时基路U3(如NE555)的2端；电容C6和电阻R10串联，串联接点接U3的4端，电容C6和电阻R10的另一端分别接VF-和VF+；电阻R11与电容C4串接，串联的接点与U3的6和7端短路后相连，电阻R11与电容C4的另一端分别接VF+和VF-；U3的8端接VF+，U3的1端接VF-；U3的5端经过电容C5接VF-；U3的3端作为本发明的输出端V_K接到开关电源的控制电路中。

工作原理是：电阻R5和R6是输出电压分压取样电阻，正常工作时，输出电压在分压取样电阻R6上的分压大于2.5V，使U2一直维持导通，U2的阴极2端输出为低电平，光耦OP1截止，单稳电路不能触发，输出V_K为低电平；当有输出短路故障发生时，一旦在电阻R6上的分压小于2.5V，U2的阴极2端就变为高电平，光耦OP1导通，其输出为低电平，单稳电路被触发，输出V_K变为高电平，给开关电源的控制电路发出信号，使开关电源的开关管截止，开关电源的输入电源被彻底截断，输出短路处来自输入电源的能量被彻底隔离。在上电的开始阶段，由于启动延时电路中U1的2端为低电平，U1被触发，U1的3端输出高电平，使U2导通，U2的阴极2端输出为低电平，单稳电路不能触发，使电源能正常启动；U1“3端”的高电平维持一段时间后，变为低电平，启动过程结束，启动电路不影响电路正常工作。而当有短路故障发生时，电容C1通过二极管D1快速放电变为低电平，为再次启动作好准备，实现了电路自动重起。

图3给出了本发明的实施例二，它与实施例一相比，主要变化为启动延时电路由电容C1、二极管D1和电阻R1组成，具体连接是：电容C1和二极管D1串联(D1的阴极为串联接点)，其串联的连接点通过电阻R1接到U2的参考电压端，电容C1和二极管D1的阳极分别接Vo+和Vo-。由图3给出的实施例二可见，除启动电路之外，其余部分与图2相应部分完全相同，因此，其工作原理与实施例一也一样，只是启动电路有所不同。所以这里仅介绍图3给出的启动电路的工作原理，其余部分同实施例一。图3给出的启动电路的工作原理为：在上电的开始阶段，电压通过电容C1、电阻R1直接加到U2的参考电压端(R1＜＜R2，C1相当于短路)，使得在启动开始的一段时间内，U2导通，U2的阴极2端输出为低电平，单稳电路不能触发，确保电源能正常启动；当C1上的电压被充电到稳定值后，启动过程结束，启动电路不影响电路正常工作。而当有短路故障发生时，电容C1通过二极管D1快速放电变为低电平，为再次启动作好准备，实现了电路自动重起。

以上所述的图中，时基电路U1和U3也可以采用其它形式的电路(如RS、D、JK等集成触发器或由分离元件构成)，而电路的工作原理不变。开关电源的截止型输出短路保护器除了以上列出的实施方式外，能实现截止型输出短路保护的方案还有很多。考虑到电路检测灵敏度及电路工作的安全可靠性等，列举的实施例是较佳方案。此外，值得注意的是：时基集成电路U1和U3芯片或其他能实现相同功能的集成电路的工作电压有时会受到限制，此时应该采取适当的措施，将集成电路的工作电压降到满足要求的范围内。

Claims

1、一种开关电源截止型输出短路保护器，其特征是它由启动延时电路(1)、短路检测电路(2)、信号隔离电路(3)及单稳态电路(4)依次连接组成；所述启动延时电路(1)由启动电路、延时电路及单向信号传输电路所组成：由电容C1和电阻R2的并联与二极管D1和电阻R1的并联相串联构成所述启动电路；由电阻R3与电容C2串联且其串联的接点与时基电路U1的6和7脚短路后相连构成所述延时电路；由电阻R4和二极管D2串联构成所述单向信号传输电路；其中电容C1、电阻R2并联后与二极管D1、电阻R1并联后的串联接点接到时基电路U1的2脚。

2、根据权利要求1所述的开关电源截止型输出短路保护器，其特征是短路检测电路(2)主要由分压取样电阻R5和R6串联、在电阻R5与电阻R6的连接点接一基准电压源U2、基准电压源U2的阴极串联限流电阻R7所构成。

3、根据权利要求1所述的开关电源截止型输出短路保护器，其特征是信号隔离电路(3)是由光耦OP1的输入与电阻R8并联再与稳压二极管ZD1串联所构成。

4、根据权利要求1所述的开关电源截止型输出短路保护器，其特征是单稳态电路(4)是由电阻R10和电容C6串联，且其串联接点接时基电路U3的4脚，电阻R11和电容C4串联且其串联接点接时基电路U3的6和7脚，以及时基电路U3及其与外围元件电阻R9和电容C5连接所组成。