CN103401220B - 一种新型开关电源短路保护电路及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型开关电源短路保护电路及其保护方法，包括故障采样电路、脉冲发生器电路和隔离驱动电路。故障采样电路作用是采集开关电源的故障信号，并根据故障信号开启或关闭脉冲发生器电路。脉冲发生器电路作用是根据从反馈回路采集的故障信号，驱动开关电源间歇工作，使电路具有较小功率、提供长期短路保护作用。隔离驱动电路作用是隔离和导向，避免其它电路影响脉冲发生器电路频率。本发明结构方法简单、电路易调试，并通过设置功耗低的采样点和利用脉冲发生器驱动开关电源间歇工作，大大降低了功耗，起到长期的保护作用，并使开关电源在各种环境中均可在故障消除后自动恢复正常工作。

Description

一种新型开关电源短路保护电路及其保护方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，具体涉及一种新型开关电源短路保护电路及其保护方法。

背景技术

开关电源和作为系统二次电源的DC/DC变换器广泛应用于航天、航空、船舶、兵器、电子、铁路、通信、医疗电子、工业自动化设备等军民用电子系统中。在外电路发生过载或短路时，短路保护电路可减少开关电源或DC/DC变换器的输入功率，提供保护作用。在短路保护电路的作用下，可避免外电路进一步损坏，避免开关电源或DC/DC变换器因功耗过大致温度升高而损坏，保护一次电源避免其因自身短路故障而影响其他系统。隔离型开关电源或DC/DC变换器一般都具有过载或短路保护功能，按输入功率特性可分为限流型保护电路和减流型保护电路两大类。

限流型保护电路通常对开关电源或DC/DC变换器次级或初级功率回路的电流进行采样，电路的特点是输入功率随负载的增大而增大。当发生短路故障时，输入功率被限制在某一大于额定输入功率的固定值。因为开关电源或DC/DC变换器自身消耗功率较大、温度上升较快，限流型保护电路只能提供短时间保护。另外因为故障子系统消耗功率大，致使一次电源消耗功率也大，从而影响系统寿命，这在卫星、导弹等使用化学电池能源和太阳能电池能源的设备中是致命缺陷。

减流型保护电路也是对开关电源或DC/DC变换器次级或初级功率回路的电流进行采样，电路的特点是输入功率随负载的增大而增大。当发生短路故障时，输入功率下降，低于额定输入功率。限流型保护电路可对隔离型开关电源或DC/DC变换器、负载和一次电源提供一个长时间的保护。现有的减流型保护电路主要有以下三方面的不足：一是短路信号是从主功率回路进行采样，功耗大；二是电路结构复杂、元器件多，调试困难；三是电路对环境温度敏感，使开关电源或DC/DC变换器在高低温下短路功耗差异大，甚至会导致在高低温短路故障消除后，不能制动恢复。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型开关电源短路保护电路及其保护方法，将故障采样点设置在开关电源的反馈回路，大大降低了功耗。本发明不仅电路结构简单、易于调试，还具有较高的温度稳定性，短路功耗受参数漂移影响很小。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种新型开关电源短路保护电路，包括依次相连的故障采样电路、脉冲发生器电路和隔离驱动电路；所述的故障采样电路一端和开关电源反馈回路相连，另一端和脉冲发生器电路相连；所述的隔离驱动电路和开关电源端口相连。

所述的故障采样电路包括三极管T1和电阻R4；所述的三极管T1的基极连接到反馈回路，所述的三极管T1的集电极和脉冲发射器电路相连，所述的三极管T1的发射极接地；所述的电阻R4一端连接到三极管T1的基极，一端接地。

所述的脉冲发生器电路包括施密特触发器Q1、电阻R1、电阻R2、二极管D1和电容C1；所述的施密特触发器Q1一个输入端通过电阻R3连接电源VCC，另一个输入端通过电容C1接地；所述的电阻R1一端连接到二极管D1的阴极，另一端经电容C1接地；所述的电阻R2一端连接到施密特触发器的输出端，另一端经电容C1接地；所述的二极管D1的阳极连接到施密特触发器Q1的输出端。

所述的隔离驱动电路包括非门Q2、与非门Q3和二极管D2；所述的非门Q2输入端和施密特触发器输出端相连，输出端和与非门Q3的一个输入端相连；所述的与非门Q3的另一个输入端经电阻R3连接到电源VCC，输出端连接到二极管D2的阴极；所述的二极管D2的阳极连接到开关电源端口。

所述的隔离驱动电路包括非门Q2、电阻R6和三极管T2；所述的非门Q2输入端和施密特触发器输出端相连，输出端经过电阻R6和三极管T2的基极相连；所述的三极管T2的集电极连接到开关电源端口，所述的三极管T2的发射极接地。

一种新型开关电源短路保护方法，若开关电源发生负载过载或短路故障，则所述的故障采样电路可从开关电源的反馈回路采集到故障信号，并驱动所述的脉冲发生器电路工作，实现对开关电源的间歇控制；当故障解除后，则所述的故障采样电路可从开关电源的反馈回路采集到正常信号，驱动脉冲发生器电路停止工作，从而驱动开关电源自动恢复正常工作状态。

所述的保护方法具体包括：

（1）若所述的故障采样电路从开关电源的PWM误差放大器输入级采集到故障信号，则所述的故障采样电路中电阻R4两端电压降低，三极管T1截止；

若所述的三极管T1截止，则所述的脉冲发生器电路中的电阻R3与施密特触发器Q1连接端电压为高电平，驱动脉冲发生器电路工作；脉冲发生器电路中的施密特触发器Q1输出端输出周期为TON+TOFF的矩形波信号；

若脉冲发生器电路工作，则通过脉冲发生器电路中的施密特触发器Q1输出端输出的周期为TON+TOFF的矩形波信号，在隔离驱动电路的隔离导向作用下，控制开关电源间歇性工作；

（2）若所述的故障采样电路从开关电源的PWM误差放大器输入级采集到正常信号，则所述的故障采样电路中电阻R4两端电压升高，三极管T1导通；

若所述的三极管T1导通，则所述的脉冲发生器电路中的电阻R3与施密特触发器Q1连接端电压为低电平，驱动脉冲发生器电路停止工作；

若脉冲发生器电路停止工作，则驱动开关电源自动恢复正常工作状态。

本发明的优点：

（1）本发明的开关电源短路保护电路采用故障采样电路、脉冲发生器电路和隔离驱动电路结合进行保护。故障采样电路的作用是采集开关电源的故障信号，并根据故障信号开启或关闭脉冲发生器电路。与现有短路电路在主功率回路采样不同，故障采样电路的采样点设置在开关电源的反馈回路，几乎不消耗功率。故障采样电路结构简单，只包括一个晶体三极管和电阻，方便调试；从开关电源反馈回路采样的方法功耗低，利于节能。

（2）脉冲发生器电路的作用是根据采集到的反馈回路的故障信号，驱动开关电源间歇工作，从而使电路具有较小的平均功率、可提供长期的短路保护作用。当短路故障消除后，脉冲发生器电路可驱动开关电源自动恢复正常工作状态。脉冲发生器电路驱动开关电源间歇工作的时间间隔是可设定的，通过设置合适的值，不仅可大大降低功耗、满足绿色能源规范，还可提高开关电源的可靠性。

（3）隔离驱动电路的作用是隔离和导向，避免其它电路对脉冲发生器电路的频率产生影响。

本发明电路结构简单、易调试，并通过设置功耗低的采样点和利用脉冲发生器驱动开关电源间歇工作的保护方法，大大降低了电路功耗，起到长期的短路保护作用，并可使开关电源在各种环境中均可在故障消除后自动恢复正常状态。

附图说明

图1是本发明实施例1的电路原理图；

图2是本发明实施例2的电路原理图；

图3是脉冲发生器电路输出端波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明提供一种新型开关电源保护电路：

实施例1

如图1所示的一种新型开关电源短路保护电路，包括依次相连的故障采样电路1、脉冲发生器电路2和隔离驱动电路3；故障采样电路1一端和开关电源反馈回路相连，另一端和脉冲发生器电路2相连；隔离驱动电路3和开关电源端口E相连。

进一步的，故障采样电路1包括三极管T1和电阻R4；三极管T1的基极连接到反馈回路，三极管T1的集电极和脉冲发生器电路2相连，三极管T1的发射极接地；电阻R4一端连接到三极管T1的基极，一端接地；三极管T1导通时，脉冲发生器电路工作；三极管T1截止时，脉冲发生器电路停止工作。

进一步的，脉冲发生器电路2包括施密特触发器Q1、电阻R1、电阻R2、二极管D1和电容C1；施密特触发器Q1一个输入端通过电阻R3连接电源VCC，另一个输入端通过电容C1接地；电阻R1一端连接到二极管D1的阴极，另一端经电容C1接地；电阻R2一端连接到施密特触发器的输出端，另一端经电容C1接地；二极管D1的阳极连接到施密特触发器Q1的输出端。

更进一步的，隔离驱动电路3包括非门Q2、与非门Q3和二极管D2；所述的非门Q2输入端和施密特触发器输出端相连，输出端和与非门Q3的一个输入端相连；与非门Q3的另一个输入端经电阻R3连接到电源VCC，输出端连接到二极管D2的阴极；二极管D2的阳极连接到开关电源端口。具体地说，隔离驱动电路3中的二级门电路高电平是通过脉冲发生器电路2中的电阻R3实现的。

实施例2

如图2所示的一种新型开关电源短路保护电路，仅隔离驱动电路3与实施例1不同，其他电路结构和工作原理同实施例1。

隔离驱动电路3包括非门Q2、电阻R6和三极管T2；非门Q2输入端和施密特触发器输出端相连，输出端经过电阻R6和三极管T2的基极相连；三极管T2的集电极连接到开关电源端口，三极管T2的发射极接地。

本发明提供一种新型开关电源短路保护方法：

一种新型开关电源短路保护方法，若开关电源发生负载过载或短路故障，则故障采样电路可从开关电源的反馈回路采集到故障信号，并驱动脉冲发生器电路工作，实现对开关电源的间歇控制；当故障解除后，则故障采样电路可从开关电源的反馈回路采集到正常信号，驱动脉冲发生器电路停止工作，从而驱动开关电源自动恢复正常工作状态。

保护方法具体包括：

（1）若故障采样电路从开关电源的PWM误差放大器输入级采集到故障信号，则故障采样电路中电阻R4两端电压降低，三极管T1截止。具体地说，当负载过载或短路故障时，由于开关电源次级电压降低，光电耦合器T2中的电流减小，电阻R4上的电压降低，从而使三极管T1截止。

若三极管T1截止，则脉冲发生器电路中的电阻R3与施密特触发器Q1连接端电压为高电平，驱动脉冲发生器电路工作；脉冲发生器电路中的施密特触发器Q1输出端输出周期为TON+TOFF的矩形波信号。

若脉冲发生器电路工作，则通过脉冲发生器电路中的施密特触发器Q1输出端输出的周期为TON+TOFF的矩形波信号，信号波形如图3所示。在隔离驱动电路的隔离导向作用下，控制开关电源间歇性工作。隔离驱动电路的作用是隔离和导向，避免其它电路对脉冲发生器电路的频率产生影响。具体地说，通过脉冲发生器电路中施密特触发器的输出信号，实现了开关电源的间歇性工作，即在一个周期内，开关电源在较短的时间TON期间工作，在较长的时间TOFF内停止工作。脉冲发生器电路驱动开关电源间歇工作的时间间隔是可设定的，通过设置合适的值，不仅可大大降低功耗、满足绿色能源规范，还可提高开关电源的可靠性。通常TON取值为反馈回路的传输时间，TOFF取值为所需的故障恢复时间。开关电源间歇工作，可降低电路的平均输入功率，实现低输入功率的短路保护功能。

（2）若故障采样电路从开关电源的PWM误差放大器输入级采集到正常信号，则故障采样电路中电阻R4两端电压升高，三极管T1导通。具体地说，当负载或电路正常时，由于开关电源次级电压升高，光电耦合器T2中的电流增大，电阻R4上的电压升高，从而使三极管T1导通。

若所述的三极管T1导通，则所述的脉冲发生器电路中的电阻R3与施密特触发器Q1连接端电压为低电平，驱动脉冲发生器电路停止工作；

若脉冲发生器电路停止工作，则驱动开关电源自动恢复正常工作状态。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种新型开关电源短路保护电路，其特征在于：包括依次相连的故障采样电路、脉冲发生器电路和隔离驱动电路；所述的故障采样电路一端和开关电源反馈回路相连，另一端和脉冲发生器电路相连；所述的隔离驱动电路和开关电源端口相连；

所述的故障采样电路包括三极管T1和电阻R4；所述的三极管T1的基极连接到反馈回路，所述的三极管T1的集电极和脉冲发射器电路相连，所述的三极管T1的发射极接地；所述的电阻R4一端连接到三极管T1的基极，一端接地；

所述的脉冲发生器电路包括施密特触发器Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1和电容C1；所述的施密特触发器Q1一个输入端通过电阻R3连接电源VCC，另一个输入端通过电容C1接地；所述的电阻R1一端连接到二极管D1的阴极，另一端经电容C1接地；所述的电阻R2一端连接到施密特触发器的输出端，另一端经电容C1接地；所述的二极管D1的阳极连接到施密特触发器Q1的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种新型开关电源短路保护电路，其特征在于：所述的隔离驱动电路包括非门Q2、与非门Q3和二极管D2；所述的非门Q2输入端和施密特触发器输出端相连，输出端和与非门Q3的一个输入端相连；所述的与非门Q3的另一个输入端经电阻R3连接到电源VCC，输出端连接到二极管D2的阴极；所述的二极管D2的阳极连接到开关电源端口。

3.根据权利要求1所述的一种新型开关电源短路保护电路，其特征在于：

所述的隔离驱动电路包括非门Q2、电阻R6和三极管T2；所述的非门Q2输入端和施密特触发器输出端相连，输出端经过电阻R6和三极管T2的基极相连；所述的三极管T2的集电极连接到开关电源端口，所述的三极管T2的发射极接地。

4.根据权利要求1所述的保护电路的保护方法，其特征在于：若开关电源发生负载过载或短路故障，则所述的故障采样电路可从开关电源的反馈回路采集到故障信号，并驱动所述的脉冲发生器电路工作，实现对开关电源的间歇控制；当故障解除后，则所述的故障采样电路可从开关电源的反馈回路采集到正常信号，驱动脉冲发生器电路停止工作，从而驱动开关电源自动恢复正常工作状态；

具体地说，该保护方法包括以下步骤：

（1）若所述的故障采样电路从开关电源的PWM误差放大器输入级采集到故障信号，则所述的故障采样电路中电阻R4两端电压降低，三极管T1截止；

若所述的三极管T1截止，则所述的脉冲发生器电路中的电阻R3与施密特触发器Q1连接端电压为高电平，驱动脉冲发生器电路工作；脉冲发生器电路中的施密特触发器Q1输出端输出周期为TON+TOFF的矩形波信号；

若脉冲发生器电路工作，则通过脉冲发生器电路中的施密特触发器Q1输出端输出的周期为TON+TOFF的矩形波信号，在隔离驱动电路的隔离导向作用下，控制开关电源间歇性工作；

（2）若所述的故障采样电路从开关电源的PWM误差放大器输入级采集到正常信号，则所述的故障采样电路中电阻R4两端电压升高，三极管T1导通；

若所述的三极管T1导通，则所述的脉冲发生器电路中的电阻R3与施密特触发器Q1连接端电压为低电平，驱动脉冲发生器电路停止工作；

若脉冲发生器电路停止工作，则驱动开关电源自动恢复正常工作状态。