CN101009428A - 过功率保护电路及具有该过功率保护电路的电源装置 - Google Patents

过功率保护电路及具有该过功率保护电路的电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种过功率保护电路和具有该过功率保护电路的电源装置。该电源装置包括整流器、变压器和过功率保护电路。该过功率保护电路包括：转换器，其具有电连接到整流器的第一转换器输入，以及第二转换器输入；光耦合器，其根据负载上的功率，经由所述第二转换器输入向所述转换器提供电压；以及限幅器，其电跨接所述第二转换器输入和地之间，用于将第二转换器输入上的电压保持在预定值以下。

Description

过功率保护电路及具有该过功率保护电路的电源装置
技术领域
本发明一般涉及电源技术，并且尤其涉及一种过功率保护电路以及具有该过功率保护电路的电源装置。
背景技术
现今，电子设备如数字通用光盘(DVD)播放器、个人计算机(PC)和电视机(TV)在人们生活中已变为绝对必需的。然而，当供给电子设备的功率超过阈值时，这种电子设备中将发生意外断电。为了保护电子设备免受断电损坏，通常在电子设备中提供过功率保护电路，以便当功率超过阈值时切断电源。由于电源被切断，使得电子设备被暂停，并且直到电子设备被重启或被拔出/插入电源，电子设备才恢复操作。这种断电不仅可能损坏电子设备，而且也可能使用户受惊。尤其是，当发生断电时，有可能导致数据处理设备如PC中的不希望的数据丢失。
图1A示出了具有常规过功率保护电路10的电源装置1的电路图。
如图1A所示，电源装置1包括用于对来自电源(交流电)18的电流进行整流的整流器12。开关变压器14电连接到整流器12，以便将来自整流器12的整流后的电流变换为预定电流，该预定电流又经由负载保护电路108而被施加于负载20，该负载保护电路108由电容器C1、齐纳二极管ZD1及电阻器R1、R2、R3和R5形成。
电源装置1也配备有常规过功率保护电路10，该常规过功率保护电路10包括光耦合器104以及为开关变压器14的操作提供开关电压的直流一直流转换器102。转换器102具有与整流器12电连接的第一输入，以及第二输入(引脚FB)102a。光耦合器104由晶体管104b以及光耦合到晶体管104b的发光二极管(LED)104a形成。晶体管104b的集电极与转换器102的第二输入(引脚FB)102a电连接，且其发射极接地。
LED104a的阳极经由电阻器R1与负载20电连接，其阴极经由电容器C1及两个电阻器R2和R3，也与负载20电连接，如图1A所示。
图1B详细示出了电源装置1的电路。如图1B所示.电源(交流电)18的电压范围为85～265V，频率为50/60Hz。整流器12包括二极管桥BD，该二极管桥BD把来自电源(交流电)18的电流从交流电流整流为直流电流，并将整流后的电流输出到开关变压器14，并经由一对并联电阻器(R101、R102)输出到直流-直流转换器102。开关变压器14包括变换线圈T101，用于把与来自整流器12的整流后的电流相对应的电压变换为预定电压，并将该预定电压施加于负载20。在图1B中，负载20的输入电压和电流分别为12V和3.5A。直流-直流转换器102是由美国Fairchild半导体有限公司制造的、型号为FAN7554的8引脚集成电路(IC)芯片，自2003年起可在市场上得到这种芯片。
图1C示出了如图1B所示的FAN7554的电路图。
FAN7554有许多不需要附加组件的内置保护电路，提供了可靠性而不增加成本。这些保护电路具有自重启配置。在该配置中，当Vcc低于UVLO(欠压锁定)停止阈值电压(9V)时，保护电路复位并且当Vcc高于UVLO启动阈值电压(15V)时，保护电路重启。
在SMPS(开关式电源)次级侧反馈电路中，可能会发生异常。首先，当反馈引脚与地短路时，反馈电压为0，并且FAN7554不能启动开关。其次，当反馈电路断开时，次级电压一般变得比额定电压大得多，因为初级侧继续切换在最大电流电平。这可能造成保险丝烧断，或者在严重情况下造成着火。没有稳压器而直接连接到次级输出的设备可能受到损坏。即使在这些情况下，过电压保护电路也操作。因为Vcc与输出成比例，所以在过电压情形下，Vcc也将增加。在FAN7554中，当Vcc超过34V时，保护电路将操作。因此，在正常操作中，必须将Vcc设为低于34V。
过载是负载在正常操作、但是超过了预设负载的一种状态。过载保护电路可以强迫FAN7554停止其操作。在瞬态如初始SMPS操作状态下，保护电路也能够操作。
因为瞬态在固定时间后返回到正常状态，所以在这段时间内保护电路不必操作。即，FAN7554需要时间来检测并判定它是否为过载状态。可以通过确保在保护电路操作之前已经过一定量的时间，来防止保护电路在瞬态期间操作。如下执行以上操作：因为FAN7554采用电流模式，所以电流不可能在最大电平以上流动。对于固定输入电压，这限制了功率。因此，如果输出处的功率超过该最大值，则Vo变得小于设定电压，并且KA431只拉入最小给定电流。结果，光耦合器的次级侧电流变为0。上述情况也适用于光耦合器的初级侧电流。因此，当满电流1mA流过内部的电阻器(2R+R＝3R)时，Vfb变得近似为3V，并且从那时起，5μA电流源开始对Cfb充电，光耦合器的次级电流几乎为0。当Vfb达到6V时，FAN7554停止操作。
下表中列出了FAN7554的引脚定义。
    引脚号     引脚名     引脚功能描述
    1     FB     pwm比较器的反相(-)输入，开/关控制与OLP传感端
    2     S/S     软启动
    3     IS     pwm比较器的非反相(+)输入，OCL传感端
    4     Rt/Ct     振荡器时间常数(Rt/Ct)
    5     GND     地
    6     OUT     门驱动器的输出
    7      Vcc     电源
    8     Vref     5V参考电压输出
图2是示出如图1A所示的、具有常规过功率保护电路10的电源装置1的操作原理的示意图。
如图2所示，P1代表电源装置1的预期功率，且P2代表其阈值功率。当P1不超过P2时，负载20上的电压随电流线性地变化。然而，当P1超过P2时，如图2所示，过功率保护电路10工作，以启动过功率保护，使负载20上的功率变为0。这可能不仅使用户受惊，而且可能损坏设备以及/或者处理中的数据。
为解决这些问题，需要一种在电流不断上升时能够使输出电压平稳下降，以避免或消除设备损坏的过功率保护电路及具有该过功率保护电路的电源装置。
发明内容
根据本发明，提供了一种配备有过功率保护电路的电源装置。
根据本发明的电源装置包括：整流器，用于对来自电源的电流进行整流；变压器，用于将与来自该整流器的整流后的电流相对应的电压变换为预定电压，并将该预定电压施加于负载；以及过功率保护电路。
根据本发明，该过功率保护电路包括：转换器，其具有电连接到整流器的第一转换器输入，以及第二转换器输入；光耦合器，其根据所述负载上的功率，经由第二转换器输入，向所述转换器提供电压。负载保护电路连接在该光耦合器和负载之间。
该过功率保护电路进一步包括限幅器，该限幅器电跨接在所述第二转换器输入和地之间，用于将第二转换器输入上的电压保持在预定值。
根据本发明的一个方面，该光耦合器包括晶体管以及与该晶体管光耦合的发光二极管，该晶体管具有与第二转换器输入耦合的第一晶体管端子、以及接地的第二晶体管端子，并且该发光二极管经由负载保护电路连接到所述负载。
尤其是，该晶体管的集电极与第二转换器输入电连接，且其发射极接地，并且该发光二极管的阳极和阴极连接到负载保护电路。
在本发明的另一方面，限幅器是二极管，优选地为齐纳二极管，其第一二极管端子与第一晶体管端子电连接，且其第二二极管端子与第二晶体管端子电连接。尤其是，该二极管的阴极与晶体管集电极电连接，且其阳极与晶体管发射极电连接。
根据本发明的另一方面，该过功率保护电路进一步包括电跨接在该发光二极管之上的电阻元件，优选地为电阻器。
由以下连通附图给出的详细描述，本发明的其它方面、优点和新颖特征将变得更加清楚。
应该理解，本发明的以上一般描述及以下详细描述都是示范性和说明性的，并且试图提供如所要求保护的本发明的进一步说明。
附图说明
被包括进来以提供对本发明的进一步理解、且被并入以组成本申请一部分的附图，示出了本发明的实施例，并和说明书一起用于说明本发明的原理，其中：
图1A示出了具有常规过功率保护电路10的电源装置1的电路图；
图1B示出了电源装置1的电路；
图1C示出了如图1B所示的FAN7554的电路图；
图2是示出电源装置1的预期功率和阈值功率的曲线图；
图3是示出根据本发明第一实施例的电源装置3的电路图；
图4是示出根据本发明第二实施例的电源装置4的电路图；
图5是示出电源装置3的输出电压变化的曲线图；以及
图6是示出图4的电源装置4的输出电压变化的曲线图。
具体实施方式
以下将参考实施例来进一步描述本发明的技术特征。这些实施例只是优选例子，而不限制本发明。一旦连同附图一起阅读了以下详细描述，本领域技术人员将能很好地理解本发明。
如图3所示，根据第一实施例的电源装置3具有改进的过功率保护电路30。过功率保护电路30不同于如图1所示的常规电源装置1之处在于，过功率保护电路30进一步包括电跨接在转换器302的端子(引脚FB)302a和地之间的限幅器312.以便将端子302a上的电压保持在预定值，由此当负载20上的功率超过阈值时，允许转换器302正常工作。尤其是，当添加齐纳二极管作为限幅器时，如图1B所示的IC芯片的引脚1的电压达不到6V。结果，负载的输出仍然可以增大。
限幅器312可以是能够将转换器302的第一端子302a的功率保持在预定值的任何类型的设备。在该实施例中，虽然限幅器312优选地是阳极和阴极电连接到晶体管304b的集电极和发射极的二极管，但是可以使用许多类型的二极管。
如图5所示，P1代表图3的电源装置3输出的预期功率，而P2代表阈值功率。当P1不超过P2时，负载20上的电压随电流线性地变化。然而，当P1超过P2时，过功率保护电路30开始工作，由于限幅器如齐纳二极管的作用，过功率保护电路30将“FB”的输出强制在预定值，使得转换器302不能使能内部的过功率保护。
当功率达到P1值，且电流超过“I1”时，转换器302使能内部的过电流保护。如果电流保持增大，则负载20上的电压同时下降。尤其是，当电流增大到“Imax”时，负载20上的电压下降到V3，并且功率变为P1′，如图5所示。
然而，在电流变化得很快，以致电压不能紧紧跟随的情况下，电压将象阶梯那样下降，如图5所示。
为了避免上述问题，根据第二实施例，将电阻元件R4设置成电跨接在LED404a的阳极和阴极之间，如图4所示。
电阻元件R4优选地为电阻器。由于增加了电阻元件R4，使过功率保护电路40的能力得到了加强。结果，电压随电流增大而平稳下降，如图6所示。
根据该实施例，配备有过功率保护电路30、40和/或具有该过功率保护电路30、40的电源装置3、4的电子设备，能够输出随电流不断增大而平稳下降的电压，并且不会意外地停机。因此，可以避免设备损坏或数据丢失。
在优选实施例中，如图4所示的电源装置4在其输出为作为负载20的音频放大器提供大约200w的功率。在FAN7554的引脚7，当达到额定Vcc电压时，FAN7554开始工作，然后在其输出为负载提供稳定的36V电压。FAN7554的引脚6传递驱动信号，当引脚1的电压高于6V时，由于其固有过载保护功能，该驱动信号被切断。因为使用5.6V的齐纳二极管作为限幅器412，所以引脚1的电压将达不到6V，结果输出处的负载仍然能够增加。
IC102的引脚3用于检测开关晶体管的电流，即图1B的晶体管Q101的电流。换句话说，引脚3能够用于设置系统功率。当该引脚的电压达到2V时，IC102将经由引脚6切断开关晶体管，结果，负载的输出电压降低了。另一方面，如果负载的电流减小了，则输出电压将再次上升。在此期间，当引脚3的电压低于2V时，维持最大功率输出，并且系统的输出电压将再次达到36V。其余组件具有以下值：R1＝1k，R2＝6.8k，R3＝1k，R4＝5.1k，R5＝6.8k，C1＝10μF。虽然在以上描述中描述了优选实施例和各方面，但是本领域技术人员将要理解，在不脱离本发明的情况下可以在设计或结构细节方面进行许多改变。本发明延伸于单独披露以及以所有可能排列和组合方式披露的所有特征。

Claims (12)

1.一种电源装置(3、4)，包括：
整流器(12)，对来自电源(18)的电流进行整流；
变压器(14)，将与来自所述整流器(12)的整流后的电流相对应的电压变换为预定电压，并将所述预定电压施加于负载(20)；以及
过功率保护电路(30、40)，包括：
转换器(302、402)，其具有电连接到所述整流器(12)的第一转换器输入，以及第二转换器输(302a、402a)；
光耦合器(304、404)，根据所述负载(20)上的功率，经由所述第二转换器输入(302a、402a)向所述转换器(302、402)提供电压；以及
限幅器(312、412)，其电跨接在所述第二转换器输入(302a、402a)和地之间，用于将所述第二转换器输入(302a、402a)上的电压保持在预定值以下。
2.根据权利要求1所述的电源装置(3、4)，其中所述光耦合器(304、404)包括晶体管(304b、404b)以及与该晶体管(304b、404b)光耦合的发光二极管(304a、404a)，所述晶体管(304b、404b)具有与所述第二转换器输入(302a、402a)耦合的第一晶体管端子、以及接地的第二晶体管端子，并且所述发光二极管(304a、404a)经由负载保护电路(308、408)连接到所述负载(20)。
3.根据权利要求2所述的电源装置(3、4)，其中所述晶体管(304b、404b)的第一晶体管端子是集电极、以及第二晶体管端子是发射极，并且所述发光二极管(304a、404a)具有连接到所述负载保护电路(308、408)的第一发光二极管端子以及第二发光二极管端子。
4.根据权利要求3所述的电源装置(3、4)，其中所述第一发光二极管端子是阳极，且所述第二发光二极管端子是阴极。
5.根据权利要求2所述的电源装置(3、4)，其中所述限幅器(312、412)是二极管，其具有与所述第一晶体管端子电连接的第一二极管端子，以及与所述第二晶体管端子电连接的第二二极管端子。
6.根据权利要求3所述的电源装置(3、4)，其中所述限幅器(312、412)是二极管，其阴极与所述集电极电连接、且阳极与所述发射极电连接。
7.根据权利要求6所述的电源装置(3、4)，其中所述二极管(312、412)是齐纳二极管。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的电源装置(3、4)，进一步包括负载保护电路(408)，所述负载保护电路(408)包括：
跨接在所述光耦合器(404)的发光二极管(404a)的第一发光二极管端子和第二发光二极管端子之间的电阻器(R4)。
9.一种过功率保护电路(30、40)，包括：
转换器(302、402)，其具有用于接收整流后的电流的第一转换器输入，以及第二转换器输入(302a、402a)；
光耦合器(304、404)，根据负载(20)上的功率，经由所述第二转换器输入(302a、402a)向所述转换器(302、402)提供电压；以及
限幅器(312、412)，其跨接在所述第二转换器输入(302a、402a)和地之间，用于将所述第二转换器输入(302a、402a)上的电压保持在预定值。
10.根据权利要求9所述的过功率保护电路(30、40)，其中所述光耦合器(304、404)包括晶体管(304b、404b)以及与该晶体管(304b、404b)光耦合的发光二极管(304a、404a)，所述晶体管(304b、404b)具有与所述第二转换器输入(302a、402a)耦合的第一晶体管端子、以及接地的第二晶体管端子，并且所述发光二极管(304a、404a)经由负载保护电路(308、408)连接到所述负载(20)。
11.根据权利要求10所述的过功率保护电路(30、40)，其中所述限幅器(312、412)是二极管，其具有与所述第一晶体管端子电连接的第一二极管端子，以及与所述第二晶体管端子电连接的第二二极管端子。
12.根据权利要求9至11中任一权利要求所述的电源装置(3、4)，进一步包括负载保护电路(408)，所述负载保护电路(408)包括：
串联于所述负载(20)和所述第一发光二极管端子之间的第一电阻器(R1)；
串联于所述负载(20)和所述第二发光二极管端子之间的第二电阻器(R2)、至少第三电阻器(R3)以及二极管(ZD1)；
与所述二极管ZD1和所述第三电阻器(R3)并联的电容器C1；以及
跨接在所述发光二极管(304a、404a)的所述第一发光二极管端子和第二发光二极管端子之间的第四电阻器(R4)。
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