CN101150254A - 一种双反馈短路保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双反馈短路保护装置，包括依次连接的电流检测电路、第二信号比较电路和短路动作电路，其特征在于，还包括依次连接的补偿信号延迟电路、第一信号比较电路和所述短路动作电路，补偿信号延迟电路将电压补偿信号进行延迟后输出到第一信号比较电路；该第一信号比较电路将输入信号与阈值比较，如大于阈值时，向短路动作电路发出短路控制信号；并由短路动作电路控制开关电源进入短路保护状态；电源带容性负载正常开机时，补偿信号延迟电路输出电压小于第一信号比较电路阈值，短路动作电路不动作，当开关电源带容性负载超出预设范围，补偿信号延迟电路输出电压大于第一信号比较电路阈值，短路动作电路控制开关电源进入短路保护状态。

Description

一种双反馈短路保护装置

技术领域

本发明涉及一种开关电源的短路保护装置，尤其涉及对带容性负载能力和可靠性都要求比较高的开关电源领域。

背景技术

由于高效的特点，开关电源得到了广泛的应用。在开关电源的保护功能中，一般都需要输出短路保护电路，以防止开关电源在短路时工作电流过大而损坏电源以及负载。而短路保护电路性能的好坏直接影响着整个电源的可靠性。目前，开关电源中的短路保护电路大都采用电流型脉宽调制芯片的电流检测端来检测变压器原边的工作电流，限制其峰值来达到短路保护的功能。这种方式存在短路时可靠性低、带容性负载能力差的问题。

例如，申请号为01138095.0的专利申请，包括依次相连的电流检测电路、信号比较电路和短路动作电路，具有电流检测能力，只能通过电流信号判断电源是否超出设定工作范围。

另一种方式采用延迟电路来延缓短路保护电路的动作，来提高开关电源开机时带容性负载的能力，但这种方式又会加大短路保护时的电路损耗，降低开关电源的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种双反馈短路保护装置，使得短路保护电路短路时损耗小，可靠性高，带容性负载能力强，以及兼顾了降低短路保护损耗与提高带容性负载能力的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种双反馈短路保护装置，包括第二控制环路，该第二控制环路包括依次连接的电流检测电路、第二信号比较电路和短路动作电路，其特征在于，还包括第一控制环路，该第一控制环路包括依次连接的补偿信号延迟电路、第一信号比较电路和所述短路动作电路，其中：

所述补偿信号延迟电路将电压补偿信号COMP进行延迟后输出到所述第一信号比较电路；

该第一信号比较电路将从补偿信号延迟电路输入的信号与一设定的阈值进行比较，如大于该阈值时，向所述短路动作电路发出短路控制信号；

所述短路动作电路收到该短路控制信号后，产生短路保护信号，控制开关电源进入短路保护状态；

电源带容性负载正常开机时，补偿信号延迟电路输出电压小于第一信号比较电路设定的阈值，短路动作电路不动作，当开关电源带容性负载超出预设范围，补偿信号延迟电路输出电压大于第一信号比较电路设定的阈值，短路动作电路控制开关电源进入短路保护状态。

进一步，上述装置还可具有以下特点：所述电流检测电路用于将电流检测电路整流后的电流信号转化成电压信号输出到所述第二信号比较电路；

所述第二信号比较电路用于将从电流检测电路输入的信号与一设定的阈值比较，如大于该阈值时，向所述短路动作电路发出短路控制信号；

电源进入短路状态时，第二控制环路动作，电流检测电路输出电压大于第二信号比较电路设定的阈值，使短路动作电路输出短路保护信号。

进一步，上述装置还可具有以下特点：所述电压补偿信号COMP为开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号COMP。

进一步，上述装置还可具有以下特点：所述补偿信号延迟电路包括电阻R1、电阻R2和电容C1，输入端口为电压补偿信号COMP，输出端口与第一信号比较电路的输入端口相连，电阻R1的一端连接COMP信号，另一端连接电阻R2、电容C1的一端，电阻R2、电容C1并联连接，且另一端均接地。

进一步，上述装置还可具有以下特点：电阻R1的另一端除连接电阻R2、电容C1的一端之外，还连接可调基准D1的调整端，电阻R2另一端接地，电容C1的另一端连接第一信号比较电路中电阻R3、电阻R4、可调基准D1。

进一步，上述装置还可具有以下特点：所述补偿信号延迟电路的延迟时间可独立调节。

进一步，上述装置还可具有以下特点：所述第一信号比较电路包括电阻R3、电阻R4和比较器D1A，第一信号比较电路的输出端口与短路动作电路的第1个输入端口相连，电容C2为工作电源VCC的滤波电容，一端接电源，另一端接地，从补偿信号延迟电路输出的信号连接到比较器D1A的正向输入端，电阻R3、电阻R4串联连接，两者相接点同时连接到比较器D1A的反向输入端，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接电源VCC。

进一步，上述装置还可具有以下特点：所述第一信号比较电路包括电阻R3、电阻R4、可调基准D1、电容C2、三极管VT1，第一信号比较电路的输出端口与短路动作电路的第1个输入端口相连，电容C2为工作电源VCC的滤波电容，一端接电源，另一端接地，电阻R3和可调基准D1输出端相接于一点且同时连接到电阻R4的一端，电阻R3的另一端接电源，可调基准D1的接地端接地，R4的另一端连接三极管VT1的基极，三极管VT1的发射极接电源，集电极作为第一信号比较电路的输出。

进一步，上述装置还可具有以下特点：所述短路动作电路以锁死或打嗝保护的方式对开关电源进行短路保护。

与现有技术相比，本发明的双环路短路保护控制装置，由于第一个控制环路中电压补偿信号不受输入电压和带容性负载的影响，而且补偿信号延迟电路的延迟时间能够独立调节，所以能够设定电源带容性负载能力的大小，兼顾了电源的短路损耗和全输入电压范围内的带容性负载能力。

同时，由于第二个控制环路直接检测开关电源的电流采样信号，其响应速度快，能够快速进入短路保护状态，提高短路状态下开关电源功率器件的可靠性，再配合短路动作电路，以锁死或者打嗝保护的方式对开关电源进行短路保护，更增强了开关电源与负载整个系统在短路保护时的可靠性。

因此，本发明提出的一种双反馈短路保护装置可广泛用于各类开关电源系统中。特别是要求输入电压范围宽，短路保护时损耗小，带容性负载能力强，可靠性高的开关电源中。

附图说明

图1是双反馈短路保护装置的原理图。

图2是实施例中双反馈短路保护装置。

图3是另一实施例中双反馈短路保护装置。

具体实施方式

图1所示为一种具有双环路控制的短路保护装置，包括依次相连的电流检测电路21、信号比较电路22和短路动作电路23；还包括补偿信号延迟电路11和信号比较电路12。

下面结合图2对双反馈短路保护装置进行详细描述：

VCC端口为比较器提供稳定的工作电压，COMP端口连接开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿端，ISENSE端口连接开关电源的电流采样信号端，CTL端口为短路保护电路输出的保护信号，保护状态时为无效电平，可用于驱动三极管或MOS管等来关断开关电源脉宽调制控制器的供电，比较器D1A、D1B、D2B为推拉输出型的器件。

所述短路保护装置的第一控制环路用于将电压补偿信号COMP进行延迟后输出到信号比较电路12，并与信号比较电路12设定的阈值进行比较，如大于该阈值时，向短路动作电路23发出短路控制信号，短路动作电路产生短路保护信号，控制开关电源进入短路保护状态。所述第一控制环路包括依次连接的补偿信号延迟电路11、信号比较电路12和短路动作电路23。其中：

补偿信号延迟电路11用于将开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号COMP进行延迟后输出到信号比较电路12。该电路由电阻R1、电阻R2和电容C1组成，输入端口为开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号COMP，补偿信号延迟电路11的输出端口与信号比较电路12的输入端口相连。电阻R1的一端连接COMP信号，另一端连接电阻R2、电容C1的一端，电阻R2、电容C1并联连接，且另一端均接地。

信号比较电路12用于比较设定的阈值与来自补偿信号延迟电路11的输入信号，在该输入信号大于该阈值时，向短路动作电路23发出短路控制信号。该电路由电阻R3、电阻R4和比较器D1A共同构成，信号比较电路12的输出端口与短路动作电路23的第1个输入端口相连，电容C2为工作电源VCC的滤波电容，一端接电源，另一端接地，从补偿信号延迟电路11输出的信号连接到比较器D1A的正向输入端3脚，电阻R3、电阻R4串联连接，两者相接点同时连接到比较器D1A的反向输入端2脚，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接电源VCC。

短路动作电路23用于在收到短路控制信号后，产生短路保护信号，控制开关电源进入短路保护状态。该电路由电阻R5、电阻R8、电阻R10，电容C3、二极管VD1、二极管VD2、二极管VD4、比较器D1B共同构成。电阻R5、电阻R8串联连接，两者相接点同时连接到比较器D1B的正向输入端5脚，电阻R8的另一端接地，电阻R5的另一端连接电源VCC。电阻R10、电容C3并联连接，电阻R10、电容C3的一端均接地，另一端连接比较器D1B的反向输入端6脚、二极管VD1的阴极、二极管VD4的阴极、二极管VD2的阳极。二极管VD2的阴极连接电源VCC，二极管VD1的阳极连接来自信号比较电路1的输出信号，二极管VD4的阳极连接来自信号比较网路2的输出信号。比较器D1B的输出端7脚为短路保护信号输出端口CTL。

所述短路保护装置的第二控制环路用于将电流检测电路21整流后的电流信号转化成电压信号输出到信号比较电路22，并与信号比较电路22设定的阈值比较，如大于该阈值时，向短路动作电路23发出短路控制信号，短路动作电路产生短路保护信号，控制开关电源进入短路保护状态。所述第二控制环路由电流检测电路21、信号比较电路22和短路动作电路23依次连接而成。其中，

电流检测电路21用于将整流后的电流信号转化成电压信号输出到信号比较电路22。该电路由电阻R11、电阻R12、二极管VD3共同构成。电流检测电路21的输入端口为开关电源的电流采样信号ISENSE，电阻R11一端接地，另一端连接电流采样信号ISENSE以及VD3的阳极，电阻R12一端接地，另一端与二极管VD3的阴极相连，并作为电路检测电路的输出信号。

信号比较电路22用于比较设定的阈值与来自电流检测电路21的输入信号，在该输入信号大于该阈值时，向短路动作电路23发出短路保护信号。该电路由电阻R13、电阻R14、电阻R6、电阻R9、电阻R7，电容C4、电容C5，比较器D2B共同构成。电容C4、电阻R14并联连接，其一端接地，另一端连接电阻R13的一端，电阻R7的一端以及比较器D2B的正向输入端5脚。电阻R13的另外一端连接来自电流检测电路21的输出信号，电阻R6、电阻R9串联连接，其共同连接点与电容C5一端、比较器D2B的反向输入端6脚相连，电阻R6的另一端与电源VCC连接，电阻R9的另一端接地，电容C5与电阻R9并联连接。比较器D2B的输出端7脚与电阻R7的另一端连接，共同作为信号比较电路22的输出信号。

其工作原理是这样的：

当电源带容性负载正常开机的时候，来自ISENSE端口的电流采样信号强度达不到信号比较电路22中由R6、R9设定的阈值，所以短路保护电路的第二个控制环路不动作。通过第一个控制环路中补偿信号延迟电路11的延迟参数以及信号比较电路12的阈值进行调节，设定电源带容性负载能力的大小。

来自COMP端的开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号首先经过由R1、R2、C1构成的延迟电路进行处理。延迟电路的积分参数越大，则延迟时间越长，COMP信号也就越不容易触发信号比较电路12，相应的开关电源所能够带的容性负载能力也就越强。所以，如果开关电源带容性负载超出预设范围，就会触发信号比较电路12中的D1A翻转，从D1A的输出端1脚输出有效电平。这个有效电平作为短路控制信号被送入短路动作电路23，使短路动作电路23中的C3充电到高电平，促使D1B翻转输出无效电平，发出短路保护信号，控制开关电源进入短路保护状态。

当电源进入短路状态的时候，由于第一个控制环路存在延时，所以第二个控制环路首先动作：电流采样信号ISENSE送入电流检测电路21，经过VD3整流，在R12上转变为电压信号，这个电压信号送入信号比较电路22，由于短路时电流信号强度增大，这个信号经过R13、R14的分压后在D2B的正向输入端5脚与D2B的反向输入端6脚上由R6、R9所设定的阈值进行比较，短路时D2B的正向输入端5脚信号高过D2B的反向输入端6脚信号，D2B的输出端7脚输出有效电平，这个有效电平送入短路动作网路，使D1B的反向输入端6脚信号高过D1B的正向输入端5脚，D1B的输出端7脚变为无效电平，输出短路保护信号。由于D1B的反向输入端6脚对地连接有储能电容C3，所以反向输入端6脚上的电压在短路保护以后缓慢下降，在一段时间内D1B的反向输入端6脚信号仍然高过D1B的正向输入端5脚，使得D1B的输出端7脚一直保持输出短路保护信号，这样，短路保护以锁死或者打嗝保护的方式对开关电源进行短路保护，延长了短路保护到下一次恢复工作之间的保护时间，降低了短路保护时的开关电源工作电流和损耗，提高了电源的可靠性。

图3为另一实施例，所述各个单元电路与上一实施例中电路的功能基本相同，只是具体的实现电路有差别，其中：

补偿信号延迟电路11由电阻R1、电阻R2和电容C1组成，输入端口为开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号COMP，电阻R1的一端连接COMP信号，另一端连接电阻R2、电容C1的一端、可调基准D1的调整端，电阻R2的另一端接地。电容C1的另一端连接信号比较电路12中电阻R3、电阻R4、可调基准D1。

信号比较电路12由电阻R3、电阻R4、可调基准D1、电容C2、三极管VT1共同构成。信号比较电路12的输出端口与短路动作电路23的第1个输入端口相连。电容C2为工作电源VCC的滤波电容，一端接电源，另一端接地。电阻R3和可调基准D1输出端相接于一点且同时连接到电阻R4的一端，电阻R3的另一端接电源，可调基准D1的接地端接地，R4的另一端连接三极管VT1的基极，三极管VT1的发射极接电源，集电极作为信号比较电路12的输出。

短路动作电路23由电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10，电容C3、二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、三极管VT2和三极管VT4共同构成。电阻R10和电容C3并联，一端接地，另一端相接并同时连接电阻R7的一端、三极管VT2的集电极和三极管VT4的基极，电阻R7的另一端与二极管VD1、二极管VD2的阴极相交于一点，二极管VD1、二极管VD2的阳极分别作为信号比较电路12和信号比较电路22的一个输出，电阻R8和电阻R9串联，两者相接点同时连接到三极管VT2的发射极，三极管VT2的基极与电阻R8的另一端、三极管VT4的集电极和二极管VD3的阴极相交于一点，电阻R9的另一端与信号比较电路12的三极管VT1发射极相交，并连接在信号比较电路12的电源上，三极管VT4的发射极接地，二极管VD3的阳极作为短路动作电路23的输出端口CTL。

电流检测电路21由电阻R12、电阻R13、二极管VD4共同构成。电流检测电路21的输入端口为开关电源的电流采样信号ISENSE，电阻R12一端接地，另一端连接电流采样信号ISENSE以及VD4的阳极，电阻R13一端接地，另一端与二极管VD3的阴极相连，并作为电路检测电路的输出信号。

信号比较电路22由电阻R5、电阻R6、电阻R11，电容C4，可调基准D2、三极管VT3共同构成。电容C4的一端接地，另一端连接电阻R11和可调基准D2的调整端，电阻R11的另外一端连接来自电流检测电路21的输出信号，可调基准D2的接地端接地，可调基准D2的输出端与电阻R5、电阻R6的相接点相交，电阻R5与三极管VT3的发射极相接并同时接电源，三极管VT3的基极与电阻R6相接，三极管VT3的集电极作为信号比较电路22的输出与短路动作电路23的二极管VD2的阳极相接。

其工作原理是这样的：

当电源带容性负载正常开机的时候，来自ISENSE端口的电流采样信号强度达不到信号比较电路22中由可调基准D2设定的阈值，所以短路保护电路的第二个控制环路不动作。通过第一个控制环路中补偿信号延迟电路11的延迟参数以及信号比较电路12的阈值进行调节，设定电源带容性负载能力的大小。

来自COMP端的开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号首先经过由R1、R2、C1构成的延迟电路进行处理。延迟电路的积分参数越大，则延迟时间越长，COMP信号也就越不容易触发信号比较电路12，相应的开关电源所能够带的容性负载能力也就越强。所以，如果开关电源带容性负载超出预设范围，就会触发信号比较电路12中的三极管VT1导通，输出电流到短路动作电路23，使短路动作电路23中的C3充电到高电平，促使三极管VT4导通，从而二极管VD3截止，发出短路保护信号，控制开关电源进入短路保护状态。

当电源进入短路状态的时候，由于第一个控制环路存在延时，所以第二个控制环路首先动作：电流采样信号ISENSE送入电流检测电路21，经过VD4整流，在R13上转变为电压信号，这个电压信号送入信号比较电路22，由于短路时电流信号强度增大，这个信号触发三极管VT3导通，并将有效电平送入短路动作网路，使三极管VT2导通，输出短路保护信号。由于有储能电容C3，所以三极管VT2上的电压在短路保护以后缓慢下降，在一段时间内一直保持输出短路保护信号，这样，短路保护动作后进入锁死状态，需要电路下电重启动后才能恢复工作，可靠性较高。

需要说明的是，本发明的补偿信号延迟电路、信号比较电路、短路动作电路和电流检测电路等并不局限于上述两个实施例的具体结构，本领域技术人员可以知道还有其它的替换方式可以实现基本的功能。

Claims (9)

1.一种双反馈短路保护装置，包括第二控制环路，该第二控制环路包括依次连接的电流检测电路、第二信号比较电路和短路动作电路，其特征在于，还包括第一控制环路，该第一控制环路包括依次连接的补偿信号延迟电路、第一信号比较电路和所述短路动作电路，其中：

所述补偿信号延迟电路将电压补偿信号COMP进行延迟后输出到所述第一信号比较电路；

该第一信号比较电路将从补偿信号延迟电路输入的信号与一设定的阈值进行比较，如大于该阈值时，向所述短路动作电路发出短路控制信号；

所述短路动作电路收到该短路控制信号后，产生短路保护信号，控制开关电源进入短路保护状态；

电源带容性负载正常开机时，补偿信号延迟电路输出电压小于第一信号比较电路设定的阈值，短路动作电路不动作，当开关电源带容性负载超出预设范围，补偿信号延迟电路输出电压大于第一信号比较电路设定的阈值，短路动作电路控制开关电源进入短路保护状态。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：

所述电流检测电路用于将电流检测电路整流后的电流信号转化成电压信号输出到所述第二信号比较电路；

所述第二信号比较电路用于将从电流检测电路输入的信号与一设定的阈值比较，如大于该阈值时，向所述短路动作电路发出短路控制信号；

电源进入短路状态时，第二控制环路动作，电流检测电路输出电压大于第二信号比较电路设定的阈值，使短路动作电路输出短路保护信号。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于：

所述电压补偿信号COMP为开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号COMP。

4.如权利要求3所述装置，其特征在于：

所述补偿信号延迟电路包括电阻R1、电阻R2和电容C1，输入端口为电压补偿信号COMP，输出端口与第一信号比较电路的输入端口相连，电阻R1的一端连接COMP信号，另一端连接电阻R2、电容C1的一端，电阻R2、电容C1并联连接，且另一端均接地。

5.如权利要求3或4所述装置，其特征在于：

电阻R1的另一端除连接电阻R2、电容C1的一端之外，还连接可调基准D1的调整端，电阻R2另一端接地，电容C1的另一端连接第一信号比较电路中电阻R3、电阻R4、可调基准D1。

6.如权利要求3所述装置，其特征在于：

所述补偿信号延迟电路的延迟时间可独立调节。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于：

所述第一信号比较电路包括电阻R3、电阻R4和比较器D1A，第一信号比较电路的输出端口与短路动作电路的第1个输入端口相连，电容C2为工作电源VCC的滤波电容，一端接电源，另一端接地，从补偿信号延迟电路输出的信号连接到比较器D1A的正向输入端，电阻R3、电阻R4串联连接，两者相接点同时连接到比较器D1A的反向输入端，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接电源VCC。

8.如权利要求7所述装置，其特征在于：

所述第一信号比较电路包括电阻R3、电阻R4、可调基准D1、电容C2、三极管VT1，第一信号比较电路的输出端口与短路动作电路的第1个输入端口相连，电容C2为工作电源VCC的滤波电容，一端接电源，另一端接地，电阻R3和可调基准D1输出端相接于一点且同时连接到电阻R4的一端，电阻R3的另一端接电源，可调基准D1的接地端接地，R4的另一端连接三极管VT1的基极，三极管VT1的发射极接电源，集电极作为第一信号比较电路的输出。

9.如权利要求1所述装置，其特征在于：

所述短路动作电路以锁死或打嗝保护的方式对开关电源进行短路保护。

Images