CN102097944A - 一种带保护控制端口的dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带保护控制端口的DC-DC变换器，包括输入滤波电路、输入稳压电路、功率变压器、功率开关MOS管、输出整流电路、隔离光耦，控制电路；所述的控制电路包括控制端口；用于降低电源地线悬空时DC-DC变换器回路电流的控制端口保护电路，所述的保护电路连接于所述的输入稳压电路与所述的控制电路的控制端口之间。本发明能够保证在极为频繁的热拔插下或地线长期悬空时，DC-DC变换器的控制端口完好，DC-DC变换器全部功能正常。

Description

一种带保护控制端口的DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及DC-DC变换器，特别涉及一种带保护控制端口的DC-DC变换器。

背景技术

DC-DC变换技术广泛应用于各种工业领域，应用中经常需要关断DC-DC变换器的输出，关断都是通过对一个控制端口施加高低电平来实现，一般要求用常见单片机的I/O口或输出口即可控制，因此对DC-DC变换器控制端口的要求也越来越严格，不仅要求能可靠控制，而且要求变换器控制端口具有高可靠性。

工业领域和其它领域中，DC-DC变换器经常做成模块形式来实现，以方便进行管理和维护，现有的变换器较为理想的电路，其工作原理框图如图1所示，包括输入滤波电路、输入稳压电路1、功率变压器、功率开关MOS管Q3、输出整流及辅助电路、隔离光耦U1，控制电路2。

所述的输入稳压电路1由所述的滤波电路输入后分二路，第一路经并联的电阻R201～R204后接入三极管Q1的发射极，三极管Q1的集电极接入控制电路2，三极管的基极接电源调整三极管Q2的集电极，电源调整三极管Q2的发射极一路接电阻R31后也接入控制电路2，电源调整三极管Q2的发射极另一路经电阻R27后接地；第二路经电阻R5后一路接电源调整三极管Q2基极，另一路接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地。

所述的控制电路2为PFM或PWM控制，包括控制芯片IC1(如UC2843、3843等可互换集成电路)、电阻R11、二极管D14、电阻R28，其中由二极管D14、电阻R28、控制输入脚CTRL和补偿脚COMP组成控制电路中的控制端口，控制芯片IC1的第7脚(稳压电源输出脚)接入来自于上述输出稳压电路1第一路的输出；第6脚经电阻R11后接入功率开关MOS管Q3的栅极。

其工作原理为：输入电压经滤波电路滤波、输入稳压电路稳压后，功率变压器进行隔离，在功率变压器的副边经输出整流后输出；为保证输出电压的精度，在电压输出端通过光耦取样后输入至控制电路，控制电路通过负反馈控制方式控制功率开关MOS管的开关频率或脉宽，从而实现DC-DC变换器的稳定工作；DC-DC变换器的关断是通过D14和R28来实现的，外接的开关或单片机或其它电路给出低电平，把IC1的第1脚拉为低于1.2V的低电平，IC1会停止工作，其第6脚保持低电平，功率开关MOS管不再工作于开关状态，从而实现关断变换器的输出电压。

上述电路存在的问题为：控制芯片IC1在正常工作时，其第一脚内部有恒流源，即该脚对地短路，其输出电流为1mA左右，不会引起外部电路或控制芯片IC1的损坏；但工业领域的特色是在使用DC-DC变换器时经常进行热拨插，在进行热拨插时，在上电时或与主体电路断开时，就会出现DC-DC变换器的输入地线先断开这种情况，如图2所示，这时供电电源的电流会经控制芯片IC1的第一脚、二极管D14、电阻R28回流，引发DC-DC变换器相关元件的损坏，主要表现有两种：(1)控制端口CTRL损坏，DC-DC变换器仍有输出，但不能被关断；(2)控制芯片IC1同时也损坏，DC-DC变换器失去输出。

热拨插时的等效模式很多，每一个引脚都有可能率先接触不良。DC-DC变换器模块输出端任一引脚由于接触不良无法引发模块损坏，输入端只要地线接触良好，或先于其它两个引脚连接成功；拔出时，输入端地线只要后于其它两脚断开，DC-DC变换器模块电路就不会损坏。

上述的损坏原因，是因为DC-DC变换器模块出现地线悬空时，如图2所示，电流经电阻R5直接让三极管Q2获得偏置，三极管Q2导通，DC-DC变换器内给控制芯片IC1供电的稳压电路不再稳压，直接给控制芯片IC1特殊供电(控制芯片IC1的第1脚(补偿脚)通过其内部保护电路，成了控制芯片IC1的实际地线)，稳压管D1在这时是不起作用的。控制芯片IC1已经“工作”，并驱动三极管Q3工作，使得模块中出现大电流经输入端口、功率变压器、三极管Q3功率开关MOS管、DC-DC变换器地线、控制芯片IC1第5脚(接地脚)、控制芯片IC1内部保护电路、控制芯片IC1第1脚(补偿脚)、二极管D14、R28的回路。以上分析请参考图1。DC-DC变换器在使用中，较少出现控制芯片IC1烧毁这种情况，这是因为电阻R28在这种情况下，端电压较高，发热量巨大，热变形极大，瞬间烧为开路，因控制芯片IC1来不及被损坏，大部份损坏表现为电阻R28烧毁。

出现DC-DC变换器地线长期悬空时，由于回路仍存在较大的工作电流，实测达0.2A至0.8A，视输入电压不同而不同，DC-DC变换器启动电路中的三极管Q1由于工作电流大，也极易烧毁。

综上所述，传统电路的缺点为不能对工业上常用的热拨插或DC-DC变换器输入地悬空等类似情况进行有效的保护。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种带保护控制端口的DC-DC变换器，能够保证在极为频繁的热拨插下或地线长期悬空时，DC-DC变换器的控制端口完好，DC-DC变换器全部功能正常。

本发明的目的可以通过以下技术措施来实现：一种带保护控制端口的DC-DC变换器，包括输入滤波电路、输入稳压电路、功率变压器、功率开关MOS管、输出整流电路、隔离光耦，控制电路；所述的控制电路包括控制端口；其特征在于：还包括用于降低电源地线悬空时DC-DC变换器回路电流的控制端口保护电路，所述的保护电路连接于所述的输入稳压电路与所述的控制电路的控制端口之间。

本发明所述的保护电路连接于所述的输入稳压电路中电源调整管的基极与所述的控制电路的控制端口之间。

本发明所述的保护电路连接于所述的控制电路的稳压电源输出端与所述的控制电路的控制端口之间。

本发明所述的保护电路包括三极管Q301和电阻R302；所述控制端口的连接回路为控制脚CTRL→电阻R28→二极管D14阴极→二极管D14阳极→补偿脚COMP；所述的三极管Q301集电极连接所述的输入稳压电路(1)，三极管Q301发射极连接控制脚CTRL，三极管Q301基极经电阻R302连接二极管D14阴极。

本发明所述的保护电路包括三极管Q301和电阻R302；所述的控制端口的连接回路为控制脚CTRL→二极管D14阴极→二极管D14阳极→电阻R28→补偿脚COMP；所述的三极管Q301集电极连接所述的输入稳压电路，三极管Q301发射极连接二极管D14阳极，三极管Q301基极经电阻R302连接补偿脚COMP。

本发明所述的保护电路包括三极管Q301和电阻R302；所述的控制端口的连接回路为控制脚CTRL→二极管D14阴极→二极管D14阳极→电阻R28→补偿脚COMP；所述的三极管Q301集电极连接所述的输入稳压电路，三极管Q301发射极连接二极管D14阴极，三极管Q301基极经电阻R302连接补偿脚COMP。

本发明所述的保护电路还包括电阻R303，电阻R303连接于三极管Q301集电极与基极之间。所述的保护电路的集电极经电阻R301连接输入稳压电路。

本发明的优点在于采用数量不多的元件，低成本地实现对DC-DC变换器的控制端口的保护，一旦DC-DC变换器的输入端出现地线悬空，无论引发地线悬空的原因是热拨插还是其它原因，发明的电路都能有效地保护DC-DC变换器的控制端口不再损坏，电路恢复正常供电时，电路立即能正常工作。

同时，在保护时，由于回路电流小，DC-DC变换器的整体发热量小，可实现DC-DC变换器内部输入稳压电路、功率开关MOS管Q3的低功耗，提高了DC-DC变换器的可靠性，即使长期工作在地线悬空状态，也不至于损坏DC-DC变换器。此外该短路保护结构简单、体积小、易于实施、成本低。

附图说明

图1为现有的变换器的电路图；

图2为DC-DC变换器的输入地线断开示意图；

图3为本发明带保护控制端口的DC-DC变换器第一实施例的电路图；

图4为本发明带保护控制端口的DC-DC变换器第二实施例的电路图；

图5-1、图5-2、图5-3为第一和第二实施例中控制端口保护电路接入控制电路的等同变换；

图6为第一和第二实施例中控制端口保护电路的改进。

具体实施方式

图3为第一实施例，如图所示，本实施例在图1所示的现有DC-DC变换器基础上增加保护电路，具体是在输入稳压电路1和控制电路2的控制端口之间连接控制端口保护电路3。上述保护电路3由三极管Q301和电阻R302组成，上述控制端口的连接回路为控制脚CTRL→电阻R28→二极管D14阴极→二极管D14阳极→补偿脚COMP；所述的三极管Q301集电极连接输入稳压电路1中电源调整三极管Q2的基极；三极管Q301发射极连接控制脚CTRL，三极管Q301基极经电阻R302连接二极管D14阴极。

上述实施例一控制端口保护电路的工作原理是：DC-DC变换器热插拔或输入地线悬空，这时电阻R28有大电流流过，这个电流在电阻R28两端形成的电压超过0.6V-0.7时，三极管Q301导通，把三极管Q2的基极电压拉下来，控制电路2的控制芯片IC1的工作电压很低，三极管Q3不工作。最后形成一个稳态：即流过三极管Q2和三极管Q1组成的稳压电源的电流被限制在：

$I_0=\frac{0.6V}{R_{28}}=\frac{0.6V}{51\mathrm{\Ω}}=11.8\mathrm{mA}$

由于这个电流较小，控制芯片IC1不能达到额定工作电压，其第6脚一直维持在低电平，三极管Q3这只MOS管一直不能导通，不再有大电流流过控制芯片IC1、二极管D14、电阻R28，从而保护了DC-DC变换器的控制端口。

当DC-DC变换器工作在正常情况下时，需要关断DC-DC变换器的输出，即控制端口的控制脚CTRL接地时，流过电阻R28的电流只有1mA，这是IC1内部恒流源决定的，电阻R28两端电压极低，不到0.06V，三极管Q301不工作，呈开路状态，对原电路没有任何影响。

图4为第二实施例，如图所示，较图3中实施例的不同处在于：所述保护电路三极管Q301集电极接输入稳压电路1的输出端，即电源调整三极管Q1的集电极。

上述实施例二控制端口保护电路的工作原理是：DC-DC变换器热插拔或输入地线悬空，这时电阻R28有大电流流过，这个电流在电阻R28两端形成的电压超过0.6V-0.7时，三极管Q301导通，把控制芯片IC1的第七脚电压拉低，控制芯片IC1不能达到额定工作电压，其第6脚一直维持在低电平，场效应管Q3不工作，电路的总电流就不会太大，同理，也可以保护保护了DC-DC变换器的控制端口。

图5-1、图5-2、图5-3为第一和第二实施例中控制端口保护电路接入控制电路2不同连接方式，其原理相同。

如图5-1所示，控制端口的连接回路为控制脚CTRL→二极管D14阴极→二极管D14阳极→电阻R28→补偿脚COMP；保护电路的三极管Q301集电极连接输入稳压电路，三极管Q301发射极连接二极管D14阳极，三极管Q301基极经电阻R302连接补偿脚COMP(即控制芯片IC1的1脚)。

如图5-2所示，控制端口的连接回路为控制脚CTRL→二极管D14阴极→二极管D14阳极→电阻R28→补偿脚COMP；保护电路三极管Q301集电极连接所述的输入稳压电路1，三极管Q301发射极连接二极管D14阴极，三极管Q301基极经电阻R302连接补偿脚COMP(即控制芯片IC1的1脚)。

如图5-3所示，三极管Q301的基极和发射极间连接电阻R303；此变换可用于第一和第二实施例中以及图5-1和图5-2所示的变换。

图6为上述各实施方式中控制端口保护电路3的进一步改进，如图所示，在三极管Q301的集电极串接一电阻R301后再连接输入稳压电路1，这样电路的防静电、防浪涌性能会提高。

另外，上述保护电路中的三极管Q301可以用复合管电路替代；可以用两只NPN型三极管构成NPN型复合管；也可用一只NPN和一只PNP型三极管构成NPN型复合管。在三极管Q301的集电极或电阻R302中还可以串入不影响电流方向的二极管。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带保护控制端口的DC-DC变换器，包括输入稳压电路(1)、功率变压器、功率开关MOS管、输出整流电路、隔离光耦(U1)，控制电路(2)；所述的控制电路包括控制端口；其特征在于：还包括用于降低电源地线悬空时DC-DC变换器回路电流的控制端口保护电路(3)，所述的保护电路(3)连接于所述的输入稳压电路(1)与所述的控制电路的控制端口之间。

2.根据权利要求1所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路连接于所述的输入稳压电路中电源调整管的基极与所述的控制电路的控制端口之间。

3.根据权利要求1所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路连接于所述的控制电路的稳压电源输出端与所述的控制电路的控制端口之间。

4.根据权利要求1或2或3所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路包括三极管Q301和电阻R302；所述控制端口的连接回路为控制脚CTRL→电阻R28→二极管D14阴极→二极管D14阳极→补偿脚COMP；所述的三极管Q301集电极连接所述的输入稳压电路(1)，三极管Q301发射极连接控制脚CTRL，三极管Q301基极经电阻R302连接二极管D14阴极。

5.根据权利要求1或2或3所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路包括三极管Q301和电阻R302；所述的控制端口的连接回路为控制脚CTRL→二极管D14阴极→二极管D14阳极→电阻R28→补偿脚COMP；所述的三极管Q301集电极连接所述的输入稳压电路(1)，三极管Q301发射极连接二极管D14阳极，三极管Q301基极经电阻R302连接补偿脚COMP。

6.根据权利要求1或2或3所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路包括三极管Q301和电阻R302；所述的控制端口的连接回路为控制脚CTRL→二极管D14阴极→二极管D14阳极→电阻R28→补偿脚COMP；所述的三极管Q301集电极连接所述的输入稳压电路(1)，三极管Q301发射极连接二极管D14阴极，三极管Q301基极经电阻R302连接补偿脚COMP。

7.根据权利要求6所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路还包括电阻R303，电阻R303连接于三极管Q301集电极与基极之间。

8.根据权利要求4所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路的集电极经电阻R301连接输入稳压电路(1)。

9.根据权利要求5所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路的集电极经电阻R301连接输入稳压电路(1)。

10.根据权利要求6所述带保护控制端口的DC-DC变换器，其特征在于：所述的保护电路的集电极经电阻R301连接输入稳压电路(1)。

Images