CN103944355A - 一种基于cs短路保护电路的恒流开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源，其CS短路保护电路包括：Vtp检测电路，用于检测电压Vtp的电压值，判断电压Vtp是否大于第一预设电压；Vcs检测电路，用于检测采样电阻Rcs的电压Vcs，判断电压Vcs是否小于第二预设电压；第二逻辑电路，用于根据Vtp检测电路和Vcs检测电路的检测结果输出复位信号，触发所述第一逻辑电路执行复位操作使恒流开关电源进入保护状态。该发明能够降低第一预设电压即现有技术中采样电阻Rcs短路保护时的阈值电压，准确地检测出采样电阻Rcs是否处于短路状态，从而对恒流开关电源内部的芯片进行保护，延长恒流开关电源的使用寿命，避免由于Rcs短路而引起恒流开关电源内部芯片的损坏，从而引发安全事故的问题。

Description

一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源

技术领域

本发明涉及电源设备领域，更具体地说，涉及一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源。

背景技术

图1是现有技术中由三极管驱动的恒流开关电源的原理图。图2是现有技术中由三极管驱动的恒流开关电源中CS短路保护电路的原理图。如图1和图2所示，现有技术中CS短路保护工作原理如下：

Vref1用来设定正常工作时的电感峰值电流，Vref2用来设定采样电阻Rcs短路保护时的阈值电压，通常留有一定裕度。现有技术在正常工作时关键信号波形如图3所示，第一逻辑电路的输出电压Vout驱动第一MOS开关管M1，当Vout为高电平时，第一MOS开关管M1导通，Vcs和Vtp电压同步上升，当Vcs达到最大值Vref1时，第一比较器U1输出电压Vp1为高电平，触发Vout转换成低电平，关断第一MOS开关管M1，此时三极管发射极输出的电压Vtp还未达到Rcs短路保护时的阈值电压Vref2，第二比较器U2的输出电压Vp为低电平，直到脉冲频率调制模块检测到输出二极管D1的放电时间之后，第一MOS开关管M1再次打开，之后每个周期第一MOS开关管M1将重复之前的开关动作。

当采样电阻Rcs发生短路时，关键信号波形如图4所示，脉冲频率调制模块输出信号触发Vout为高时，Rcs短路，Vcs电压很低，第一比较器U1输出电压Vp1为低电平。对于理想的三极管电流增益无限大，很容易检测到Rcs短路（如图中虚线所示），但实际上由于三极管的电流增益有限的特性，对于给定的基极电流，其集电极最大电流为基极电流的电流增益倍数。对于不同电流增益的三极管其集电极上的电流达到最大值时将可能会饱和，那么通过变压器的副边的电感电流IL将不会再上升，因此其发射极的输出电压Vtp最终上升到一稳定值后保持不变，但仍小于采样电阻Rcs短路保护时的阈值电压Vref2，导致第二运算放大器的输出电压VP仍然为低电平，无法触发Vout转换为低电平，因此Vout会一直保持为高电平，如果第一MOS开关管M1的导通时间过长，将会损坏第一MOS开关管M1以及恒流开关电源内部的芯片；此外，如果第一MOS开关管M1的导通阻抗Rds很小，可以忽略不计，要保证该保护功能不能影响正常工作，则需选取Vref2>2Verf1，但实际上第一MOS开关管M1的导通阻抗Rds不可能忽略不计，因此现有技术中Rcs短路保护一般选取Vref2≈（3～4）*Vref1，这样进一步加大了CS短路保护功能的安全风险，甚至可能会导致检测不到采样电阻Rcs发生短路的情况，无法进行CS短路保护，会引起恒流开关源内部芯片的损坏，从而引发安全事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有技术中可能会检测不到采样电阻Rcs发生短路的情况，导致无法进行CS短路保护，引起恒流开关电源内部芯片损坏，从而引发安全事故的缺陷，提供一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，构造一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源，包括变压器、电感放电检测电路、脉冲频率调制模块、采样电阻Rcs、第一比较器U1、第一逻辑电路、第一MOS开关管M1、CS短路保护电路、低电压锁定模块，所述脉冲频率调制模块在电感放电检测电路检测到变压器副边电流下降到零时控制第一逻辑电路开启第一MOS开关管M1、在所述第一比较器U1检测到变压器原边电流达到设定值时控制第一逻辑电路关闭第一MOS开关管；所述CS短路保护电路检测采样电阻Rcs是否发生短路，在所述采样电阻Rcs发生短路时触发所述第一逻辑电路执行复位操作，使所述恒流开关电源进入保护状态；

所述电感放电检测电路包括三极管、电流源、第二MOS开关管M2，所述电流源的正极连接到电源电压，负极连接到所述三极管的基极，还连接到所述第二MOS开关管M2的漏极，所述三极管的集电极与所述变压器的原边的输出端相连，所述三极管的发射极连接到所述脉冲频率调制模块的输入端、所述CS短路保护电路的输入端并输出电压Vtp，还连接到所述第一MOS开关管M1的漏极，所述第二MOS开关管M2的栅极连接到所述第一逻辑电路的驱动端，所述第二MOS开关管M2的源极连接到所述采样电阻Rcs的电压输入端，并且接地；

其中：

所述CS短路保护电路包括：

Vtp检测电路，用于检测所述电压Vtp的电压值，判断所述电压Vtp是否大于第一预设电压；

Vcs检测电路，用于检测所述采样电阻Rcs两端的电压Vcs，判断所述电压Vcs是否小于第二预设电压；

第二逻辑电路，用于根据所述Vtp检测电路和所述Vcs检测电路的检测结果输出复位信号，触发所述第一逻辑电路执行复位操作使所述恒流开关电源进入保护状态；

进一步地，当所述电压Vtp大于第一预设电压以及所述电压Vcs小于第二预设电压时，判断为所述采样电阻Rcs发生短路，所述第二逻辑电路输出复位信号，触发所述第一逻辑电路执行复位操作，关断所述第一MOS开关管M1，使所述恒流开关电源进入保护状态。

在本发明所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源中，所述Vtp检测电路包括第二比较器U2，所述第二比较器U2的正相输入端连接到所述三极管的发射极，反相输入端连接到所述第一预设电压，输出端连接到所述第二逻辑电路的另一个输入端。

在本发明所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源中，所述Vcs检测电路包括第三比较器U3，所述第三比较器U3的正相输入端连接到所述第二预设电压，反相输入端连接到所述采样电阻Rcs的电压输出端，输出端连接到所述第二逻辑电路的一个输入端。

在本发明所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源中，所述第二逻辑电路包括一与门和一RS触发器，所述与门的两个输入端分别与所述Vtp检测电路和所述Vcs检测电路的输出端相连，所述与门的输出端与所述RS触发器的输入端S连接，所述RS触发器的输入端R连接到所述低电压锁定模块的输出端，所述RS触发器的输出端与所述第一比较器U1的输出端通过一或门连接到所述第一逻辑电路的一输入端。

在本发明所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源中，所述第二预设电压为所述第一基准电压的二分之一。

在本发明所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源中，所述第三预设电压为所述第一基准电压的四分之一。

实施本发明提供的一种基于CS短路保护的恒流开关电源，具有以下有益效果：

本发明中设计的CS短路保护电路包括Vtp检测电路和Vcs检测电路，当同时检测到Vtp大于第一预设电压，Vcs小于第二预设电压时则触发恒流开关电源进入短路保护状态，该方法能够降低第一预设电压即现有技术中采样电阻Rcs短路保护时的阈值电压，保证CS短路保护电路准确地检测出采样电阻Rcs是否处于短路状态，从而对恒流开关电源内部的芯片进行保护，延长恒流开关电源的使用寿命，避免由于Rcs短路而引起恒流开关电源内部芯片的损坏，从而引发安全事故的问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中由三极管驱动的恒流开关电源的原理图；

图2是现有技术中由三极管驱动的恒流开关电源中CS短路保护电路的原理图；

图3是现有技术中由三极管驱动的恒流开关电源正常工作时的关键波形图；

图4是现有技术中Rcs发生短路时的关键波形图；

图5是本发明中CS短路保护电路的原理图；

图6是本发明提供的基于CS短路保护电路的恒流开关电源正常工作时的关键波形图；

图7是本发明中Rcs发生短路时的关键波形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明实施例提供一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源，包括变压器、电感放电检测电路、脉冲频率调制模块、采样电阻Rcs、第一比较器U1、第一逻辑电路、第一MOS开关管M1、CS短路保护电路、低电压锁定模块，脉冲频率调制模块在电感放电检测电路检测到变压器副边电流下降到零时控制第一逻辑电路开启第一MOS开关管M1、在第一比较器U1检测到变压器原边电流达到设定值时控制第一逻辑电路关闭第一MOS开关管；CS短路保护电路检测采样电阻Rcs是否发生短路，在采样电阻Rcs发生短路时触发第一逻辑电路执行复位操作，使恒流开关电源进入保护状态；

其中，电感放电检测电路包括三极管、电流源、第二MOS开关管M2，电流源的正极连接到电源电压，负极连接到三极管的基极，还连接到第二MOS开关管M2的漏极，三极管的集电极与所述变压器的原边的输出端相连、发射极连接到脉冲频率调制模块的输入端以及CS短路保护电路的输入端并输出电压Vtp，还连接到第一MOS开关管M1的漏极，第二MOS开关管M2的栅极连接到所述第一逻辑电路的驱动端、源极连接到采样电阻Rcs的电压输入端，并且接地；

进一步地，CS短路保护电路包括：Vtp检测电路，用于检测所述电压Vtp的电压值，判断电压Vtp是否大于第一预设电压；Vcs检测电路，用于检测所述采样电阻Rcs两端的电压Vcs，判断电压Vcs是否小于第二预设电压；第二逻辑电路，用于根据Vtp检测电路和所述Vcs检测电路的检测结果输出复位信号，触发第一逻辑电路执行复位操作使所述恒流开关电源进入保护状态；具体地，当电压Vtp大于第一预设电压以及所述电压Vcs小于第二预设电压时，判断为采样电阻Rcs发生短路，第二逻辑电路输出复位信号，触发第一逻辑电路执行复位操作，关断第一MOS开关管M1，使恒流开关电源进入保护状态。其电路原理图参见图5所示。

较佳地，Vtp检测电路包括第二比较器U2，第二比较器U2的正相输入端连接到三极管的发射极，反相输入端连接到第一预设电压，输出端连接到第二逻辑电路的另一个输入端。

较佳地，Vcs检测电路包括第三比较器U3，第三比较器U3的正相输入端连接到第二预设电压，反相输入端连接到采样电阻Rcs的电压输出端，输出端连接到第二逻辑电路的一个输入端。

较佳地，第二逻辑电路包括一与门和一RS触发器，与门的两个输入端分别与Vtp检测电路和Vcs检测电路的输出端相连，与门的输出端与RS触发器的输入端S连接，RS触发器的输入端R连接到低电压锁定模块的输出端，RS触发器的输出端与第一比较器U1的输出端通过一或门连接到第一逻辑电路的一输入端。

较佳地，第二预设电压为第一基准电压的二分之一，第三预设电压为所述第一基准电压的四分之一。

本发明实施列提供的一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源的工作原理如下：

图5为本发明中CS短路保护电路的原理图，在现有技术的基础上增加了一个Vcs检测电路，在检测电压Vtp大于Vref2时，同时检测采样电阻Rcs两端的电压Vcs是否小于Vref3，只有当两者条件同时满足时，才会判断采样电阻Rcs发生短路。判断条件如下：

I*Rds>Vref2；

且I*Rcs<Vref3；

其中I为电流源中的输出电流，Rds为第一MOS开关管M1的漏源阻抗，Rcs为采样电阻的阻值，Vref2为第一预设电压值，Vref3为第二预设电压值。

由上式可以看到，当采样电阻Rcs发生短路保护时，采用过流信号Vtp和电压信号Vcs双重判断可以精确的检测到采样电阻Rcs是否发生短路，另外，本发明中采用的技术方案可以大大降低第一预设电压Vref2(即现有技术中采样电阻Rcs短路保护时的阈值电压)，在本发明的该实施例中选取Vref3=Vref1/4，Vref2=VREF1/2，这样可以大大降低采样电阻Rcs短路保护时的电流。

图6是本发明提供的基于CS短路保护电路的恒流开关电源正常工作时的关键波形图，参见图6所示，在正常工作时，由第一逻辑电路输出端的电压Vout驱动第一MOS开关管M1，当Vout为高电平时，第一MOS开关管M1导通，Vcs和Vtp电压同步上升，当Vcs达到第二预设值Vref3时，第三比较器U3的输出端输出电压Vp2为低电平，此时电压Vp2屏蔽第二比较器U2输出端输出的电压信号Vp，采样电阻Rcs两端的电压Vcs继续上升，当电压Vcs上升到第一基准电压Vref1时，变压器副边的电流IL达到峰值，此时第一比较器U1输出端的电压Vp1转换为高电平，触发第一逻辑电路输出电压Vout转换为低电平，关断第一MOS开关管M1，此时，即使电压Vtp达到保护电压阈值（第一预设电压Vref2），但由于电压Vp被电压Vp2低电平屏蔽，因此不会触发第二逻辑电路输出复位信号。直到脉冲频率调制模块检测到输出二极管D1的放电时间之后，会触发第一MOS开关管M1再次打开，之后每个周期第一MOS开关管M1将重复之前的开关动作。

当采样电阻Rcs发生短路时，关键信号波形如图7所示，当第一逻辑电路输出电压Vout为高电平时，第一MOS开关管M1导通，采样电阻Rcs两端的电压Vcs很低，第一比较器U1的输出端电压Vp1输出低电平，第三比较器U3的输出端电压Vp2输出高电平，当三极管发射极端的输出电压Vtp达到第一预设值Vref2时，第二比较器U2输出端的电压Vp输出高电平，触发第二逻辑电路的输出端输出高电平，即复位信号，该复位信号触发第一逻辑电路执行复位操作，使其输出端的输出电压Vout转换为低电平，关断第一MOS开关管M1。

本发明中采用的技术方案可以大大降低第一预设电压Vref2，在本发明的该实施例中选取Vref3=Vref1/4，Vref2=VREF1/2，而现有技术中CS短路保护电路中一般Vref2≈（3～4）*Vref1，因此本发明中的第一预设值Vref2远小于现有技术中的Vref2，即本发明中采样电阻Rcs短路保护时的电感电流远小于现有技术中发生短路保护时的电流，大大降低了风险，提高了安全性。

此外，本发明采用过流信号Vtp和采样电压信号Vcs双重判断可以精确的检测是否发生Rcs短路，从而对恒流开关电源内部的芯片进行保护，延长恒流开关电源的使用寿命，避免由于Rcs短路而引起恒流开关电源内部芯片的损坏，从而引发安全事故的问题。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于CS短路保护电路的恒流开关电源，包括变压器、电感放电检测电路、脉冲频率调制模块、采样电阻Rcs、第一比较器U1、第一逻辑电路、第一MOS开关管M1、CS短路保护电路、低电压锁定模块，所述脉冲频率调制模块在电感放电检测电路检测到变压器副边电流下降到零时控制第一逻辑电路开启第一MOS开关管M1、在所述第一比较器U1检测到变压器原边电流达到设定值时控制第一逻辑电路关闭第一MOS开关管；所述CS短路保护电路检测采样电阻Rcs是否发生短路，在所述采样电阻Rcs发生短路时触发所述第一逻辑电路执行复位操作，使所述恒流开关电源进入保护状态；

所述电感放电检测电路包括三极管、电流源、第二MOS开关管M2，所述电流源的正极连接到电源电压，负极连接到所述三极管的基极，还连接到所述第二MOS开关管M2的漏极，所述三极管的集电极与所述变压器的原边的输出端相连，所述三极管的发射极连接到所述脉冲频率调制模块的输入端以及所述CS短路保护电路的输入端并输出电压Vtp，还连接到所述第一MOS开关管M1的漏极，所述第二MOS开关管M2的栅极连接到所述第一逻辑电路的驱动端，所述第二MOS开关管M2的源极连接到所述采样电阻Rcs的电压输入端，并且接地；

其特征在于：

所述CS短路保护电路包括：

Vtp检测电路，用于检测所述电压Vtp的电压值，判断所述电压Vtp是否大于第一预设电压；

Vcs检测电路，用于检测所述采样电阻Rcs两端的电压Vcs，判断所述电压Vcs是否小于第二预设电压；

第二逻辑电路，用于根据所述Vtp检测电路和所述Vcs检测电路的检测结果输出复位信号，触发所述第一逻辑电路执行复位操作使所述恒流开关电源进入保护状态；

进一步地，当所述电压Vtp大于第一预设电压、所述电压Vcs小于第二预设电压时，判断为所述采样电阻Rcs发生短路，所述第二逻辑电路输出复位信号，触发所述第一逻辑电路执行复位操作，关断所述第一MOS开关管M1，使所述恒流开关电源进入保护状态。

2.根据权利要求1所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源，其特征在于，所述Vtp检测电路包括第二比较器U2，所述第二比较器U2的正相输入端连接到所述三极管的发射极，反相输入端连接到所述第一预设电压，输出端连接到所述第二逻辑电路的另一个输入端。

3.根据权利要求2所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源，其特征在于，所述Vcs检测电路包括第三比较器U3，所述第三比较器U3的正相输入端连接到所述第二预设电压，反相输入端连接到所述采样电阻Rcs的电压输出端，输出端连接到所述第二逻辑电路的一个输入端。

4.根据权利要求3所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源，其特征在于，所述第二逻辑电路包括一与门和一RS触发器，所述与门的两个输入端分别与所述Vtp检测电路和所述Vcs检测电路的输出端相连，所述与门的输出端与所述RS触发器的输入端S连接，所述RS触发器的输入端R连接到所述低电压锁定模块的输出端，所述RS触发器的输出端与所述第一比较器U1的输出端通过一或门连接到所述第一逻辑电路的一输入端。

5.根据权利要求4所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源，其特征在于，所述第二预设电压为所述第一基准电压的二分之一。

6.根据权利要求5所述的基于CS短路保护电路的恒流开关电源，其特征在于，所述第三预设电压为所述第一基准电压的四分之一。