CN104022650A - 一种带输出短路保护功能的反激式开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带输出短路保护功能的反激式开关电源，包括控制芯片及变换电路，变换电路包括变压器及开关单元，控制芯片用于对开关单元进行控制以实现能量的储存和传递，还包括连接在直流输入电源与控制芯片之间的启动限流电路以及分别与控制芯片和开关单元连接的前沿消隐电路；启动限流电路用于将提供给控制芯片供电端的电压箝制在预定电压以降低控制芯片开始工作时的启动电流；前沿消隐电路用于在开关单元导通瞬间，消除变压器原边电流送给控制芯片电流采样端的第一个尖峰。实施本发明的有益效果是，结合前沿消隐电路和启动限流电路，可以确保该反激开关电源在高电压、宽范围输入以及多路输出电压下，实现任意输出电压的短路保护。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种带输出短路保护功能的反激式开关电源。
背景技术
在工业自动化控制等许多领域，开关电源使用越来越广泛，其可靠性也越来越重要。而反激式开关电源作为辅助供电电源给电子产品供电，其输出短路保护性能也变得尤为重要。如图1所示，为现有的反激式开关电源的示意图，在发生输出电压短路时，常用的做法是减小控制芯片输出的占空比，然后切断控制芯片U1的供电电源实现打嗝保护。由于变压器T1原边电流在采样电阻Rs上的电压，经电阻R3和电容C2滤波之后送给控制芯片U1的电流采样端，存在一定的延时。且为了提高响应速度，许多控制芯片内部采用了前沿消隐电路来提高电流检测速度，然而在高压、宽范围输入时，短路输出的整流二极管平均电流仍然较大，导致器件过热失效，尤其是在输出电压组数较多的场合，变压器耦合较差，反激式开关电源输出短路保护更加困难。
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在高压、宽范围输入及多路输出的反激式开关电源系统中，在输出电压发生短路时，开关电源保护困难、易导致输出器件过热失效的缺陷，提供一种带输出短路保护功能的反激式开关电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种带输出短路保护功能的反激式开关电源，包括控制芯片及变换电路，所述变换电路包括变压器及与所述变压器原边绕组连接的开关单元，所述控制芯片用于对所述开关单元进行控制以实现能量的储存和传递，所述开关电源还包括连接在直流输入电源与所述控制芯片之间的启动限流电路以及分别与所述控制芯片和所述开关单元连接的前沿消隐电路；其中：所述启动限流电路用于将提供给所述控制芯片供电端的电压箝制在预定电压以降低所述控制芯片开始工作时的启动电流；所述前沿消隐电路用于在所述开关单元导通瞬间，消除所述变压器原边电流送给所述控制芯片电流采样端的第一个尖峰。
在上述带输出短路保护功能的反激式开关电源中，所述开关单元包括第一开关管和采样电阻Rs，其中：所述第一开关管的漏极连接所述变压器原边绕组的同名端，所述变压器原边绕组的异名端连接直流输入电源的正极，所述第一开关管的源极经所述采样电阻Rs连接至直流输入电源的负极，所述第一开关管的栅极连接至所述控制芯片的输出端。
在上述带输出短路保护功能的反激式开关电源中，所述启动限流电路包括稳压二极管D10及电阻R5；其中，所述电阻R5的一端经电阻R1连接至直流输入电源的正极，所述电阻R5的另一端连接至所述控制芯片的供电端，所述稳压二极管D10的阴极连接所述电阻R1和电阻R5的连接点，所述稳压二极管D10的阳极连接至直流输入电源的负极。
在上述带输出短路保护功能的反激式开关电源中，所述前沿消隐电路包括电容C2、二极管D11、电阻R6及第二开关管；所述第一开关管的源极与所述采样电阻Rs的连接点经电阻R3连接至所述控制芯片的电流采样端，所述电容C2和电阻R6依次串联连接在所述控制芯片的输出端与直流输入电源的负极之间；所述二极管D11的阴极连接所述电容C2和电阻R6的连接点，所述二极管D11的阳极连接直流输入电源的负极；所述第二开关管的栅极与二极管D11的阴极连接，所述第二开关管的漏极连接所述控制芯片的电流采样端与所述电阻R3的连接点，所述第二开关管的源极连接至直流输入电源的负极。
在上述带输出短路保护功能的反激式开关电源中，所述第二开关管为N型场效应管。
在上述带输出短路保护功能的反激式开关电源中，所述第二开关管为NPN型三极管。
在上述带输出短路保护功能的反激式开关电源中，所述第一开关管为N型场效应管。
实施本发明的带输出短路保护功能的反激式开关电源，具有以下有益效果：结合前沿消隐电路和启动限流电路，可以确保该反激开关电源在高电压、宽范围输入以及多路输出电压下，实现任意输出电压的短路保护，并在DCM模式下可以精确限制该开关电源的输出功率。
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是现有的反激式开关电源的示意图；
图2是本发明一种带输出短路保护功能的反激式开关电源实施例的示意露天。
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。
如图2所示，为本发明一种带输出短路保护功能的反激式开关电源实施例的示意图，可应用在高压、宽范围输入及多路输出的反激式开关电源系统中。该反激式开关电源包括控制芯片U1及变换电路1，此变换电路1包括变压器T1及开关单元2，开关单元2又包括开关管Q1和采样电阻Rs。在本实施例中，变压器T1具有原边绕组Lp1及多个副边绕组Lm1～Lm5，每一输出绕组对应并联连接一用于提供负载电流的输出电路，每一输出电路均包括二极管和电容，以副边绕组Lm1为例，对应并联连接由二极管D5和电容C6组成的输出电路，其中，二极管D5的阳极连接副边绕组Lm1的同名端，电容C6并联连接在二极管D5的阴极与副边绕组Lm1的异名端之间。变换电路1还包括并联连接在变压器原边绕组Lp1两端的RCD吸收回路，该吸收回路由电阻D1、R4及C3组成，用于吸收由变压器T1的漏感在开关管Q1上产生的尖峰电压。此外，变压器原边绕组Lp1的异名端连接直流输入电源Vin的正极，同名端连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源级经采样电阻Rs连接至直流输入电源的负极，开关管Q1的栅极连接至控制芯片U1的输出端，即输出PWM信号的驱动端VG。在本实施例中，开关管Q1优选为N型场效应管。
具体地，在开关管Q1导通时，RCD吸收电路中的整流二极管D1反向截止，此时变压器T1相当于一个纯电感，流过变压器原边绕组Lp1的电流线性上升，变压器T1通过原边绕组Lp1储存能量，RCD吸收电路的电容C3通过电阻R4放电。在开关管Q1关断时，原边绕组Lp1及副边绕组Lm1～Lm5的电压均反向，变压器T1将储存的能量传送到变压器T1的副边绕组即副边绕组Lm1～Lm5，以产生相应的绕组电压并提供给对应的用于提供负载电流的输出电路。
上述控制芯片U1在本实施例中可以由电流模式控制器UC2843实现，其具有供电端Vcc、电流采样端CS、反馈电压输入端VFB、输出端VG及接地端VGND。上述采样电阻Rs用于在开关管Q1导通时，将变压器原边电流转换成第一电压信号送至控制芯片U1的电流采样端CS以实现对原边电流的检测。该反反激式开关电源还包括一反馈电路5，如图所示，该反馈电路5检测由二极管D9和电容C10组成的输出电路所输出的第二电压信号并发送给控制芯片U1的反馈电压输入端VFB，该控制芯片U1具体用于将该第二电压信号与内部基准电压进行比较输出一电平信号，再将该电平信号与电流采样端CS采样到的第一电压信号进行比较，从而输出相应占空比的PWM信号以控制开关管Q1的导通与关断，以稳定输出电压。
特别地，该反激式开关电源还包括连接在直流输入电源Vin与控制芯片U1的供电端Vcc之间的启动限流电路3，该启动限流电路3包括稳压二极管D10和电阻R5。其中：电阻R5的一端经限流电阻R1连接直流输入电源Vin的正极，电阻R5的另一端连接至控制芯片U1的供电端Vcc，稳压二极管D10的阴极连接电阻R1和电阻R5的连接点，阳极连接直流输入电源Vin的负极。
上述采样电阻Rs用于在开关管Q1导通时，将流过原边绕组Lp1上的电流信号转换为第一电压信号并发送至控制芯片U1的电流采样端CS。上述控制芯片U1还用于当变压器原边电流过大时，即当电流检测端CS检测到的电压值会大于一预定值时(例如1V)，与控制芯片U1供电端Vcc连接的电容C1便会通过内部放电，当供电端Vcc电压低于其工作电压，该控制芯片U1便停止工作，之后再通过直流输入电源Vin给电容C1充电，达到其工作电压时，该控制芯片恢复工作，从而实现打嗝保护。
具体地，上述启动限流电路3的具体工作原理如下：当有副边绕组发生短路时，在该发生短路的副边绕组上会产生很大电流，依据变压器原边安匝比与副边安匝比相等的特性，而一般原边绕组和副边绕组的匝数固定不变，因此开关管Q1导通时会在原边绕组Lp1上产生很大电流，导致控制芯片U1的电流检测端CS检测到的电压高于一预设值如1V，此时与控制芯片的供电端VCC连接的电容C1会通过控制芯片内部放电，使该芯片停止工作，芯片要恢复工作，只能靠直流输入电源Vin通过电阻R1和电阻R5给电容C1充电，当充到该控制芯片的工作电压时，此控制芯片开始工作。但因启动限流电路3的存在，其中的稳压二极管D10可在输入电压较高时，使控制芯片U1供电端Vcc的电压稳定在预定电压，以限制控制芯片U1启动时的电流，使电容C1的充电速度减慢，从而控制打嗝频率，防止了被短路绕组上整流二极管由于长时间过热而损坏。
因二极管D10是稳压管，可以保证在高直流输入电压时，电阻R1和电阻R5之间的节点电压为预定电压，直流输入电压Vin通过电阻R1和R5给电容C1的充电速度是一定的，即打嗝频率也一定，不会因为输入电压Vin的增大而加快，特别是在变压器发生输出短路时，可以减少变压器副边整流二极管的损耗。
特别地，该反激式开关电源还包括分别与控制芯片U1和开关管Q1与采样电阻RS的连接点连接的前沿消隐电路4，该电路主要是用于消除变压器在开关管Q1导通瞬间变压器原边电流送给控制芯片U1电流采样端VFB的第一个尖峰。该前沿消隐电路4具体包括电容C2、电阻R6、二极管D11以及开关管Q2，在本实施例中，开关管Q2优选为N型场效应管或NPN型三极管，其中：电容C2和电阻R6依次串联连接在控制芯片U1的输出端VG与直流输入电源Vcc的负极之间，二极管D11的阴极连接电容C2和电阻R6的连接点，二极管D11的阳极连接至直流输入电源Vin的负极。开关管Q2的栅极与二极管D11的阴极连接，开关管Q2的漏极连接控制芯片U1的电流采样端CS与电阻R3的连接点，开关管Q2的源极连接至直流输入电源Vin的负极。
具体地，上述前沿消隐电路4的具体工作原理如下：当开关管Q1开始导通时，在变压器副边绕组上会产生一些电流杂波(电流过冲)，此电流过冲通过采样电阻Rs将流过过变压器原边绕组Lp1的电流转换成电压信号，并经限流电阻R3送至控制芯片U1的电流采样端CS，此时因电流较大，电流采样端采样到的电压有可能超过其预定值(1V)，从而引起该控制芯片U1的误动作。该前沿消隐电路3就是为了避免这种误动作，当控制芯片U1的输出端VG输出高电平时，由于电容C2的存在，首先会给电容C2充电，此时电容C2相当于短路，控制芯片U1在输出端输出的高电平信号会加在开关管Q2的栅极，当达到其导通电压时，开关管Q2导通。
随着电容C2的充电，电容C2的充电电压达到开关管Q1的导通电压，开关管Q1导通，由于此时开关管Q2也导通，控制芯片U1的电流检测端CS所检测到的电压为0，因此避免了在开关管Q1开始导通时所产生的电流冲击。当电容C2继续充电，直到快充满时，电容C2相当于开路，此时控制芯片U1的输出端输出的的电平信号都加在电容C2上，开关管Q2的栅极电压低于其导通电压，此时开关管Q2断开，控制芯片U1的电流检测端CS检测流过变压器T1原边电流信号，电路开始正常工作。特别在当变压器副边绕组发生短路，且开关管Q1开始导通时，在变压器原边绕组上产生的一些电流杂波(电流过冲)更大，从而引起控制芯片U1误动作的可能性也就更大，上述前沿消隐电路4就显得尤为必要。
此外，上述变压器T1还包括一原边绕组Lp2，变换电路1还包括用于在启动后给控制芯片U1提供辅助电源的供电电路。其中：该供电电路由原边绕组Lp2、二极管D4及电阻C2组成。原边绕组Lp2的同名端与二极管D4的阳极连接，二极管D4的阴极经电阻R2连接至控制芯片U1的供电端Vcc，在该反激式开关电源启动时，由直流输入电源Vin经启动限流电路3给电容C1充电，当其电压达到控制芯片U1的启动电压后，控制芯片U1开始工作，从而控制开关管Q1的导通与关断。当开关管Q1关断时，供电电路6中的二极管D4及变压器T1的原边绕组Lp2导通，因此只需由直流输入电源Vin给该反激式开关电源提供一个启动电压，之后便通过原边绕组Lp2上的电压经防反二极管D4和限流电阻R2给控制芯片U1的供电端Vcc进行快速供电。
因此，实施本发明的带有输出短路保护的反激式开关电源，通过前沿消隐电路提高了电流环的响应速度并更加准确的限制了输出功率。此外，通过启动限流电路，可以在高输入电压及发生输出短路时，通过稳压二极管的稳压作用，降低控制芯片开始工作时的启动电流及启动速度，从而降低打嗝频率，防止变压器输出短路绕组上的整流二极管由于长时间过热而损坏，因此，结合前沿消隐电路和启动限流电路，可以确保该反激开关电源在高电压、宽范围输入以及多路输出电压下，实现任意输出电压的短路保护并在DCM模式下可以精确限制该开关电源的输出功率。
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 (7)
1.一种带输出短路保护功能的反激式开关电源，包括控制芯片(U1)及变换电路(1)，所述变换电路(1)包括变压器(T1)及与所述变压器(T1)原边绕组(Lp1)连接的开关单元(2)，所述控制芯片(U1)用于对所述开关单元(2)进行控制以实现能量的储存和传递，其特征在于：所述开关电源还包括连接在直流输入电源与所述控制芯片(U1)之间的启动限流电路(3)以及分别与所述控制芯片(U1)和所述开关单元(2)连接的前沿消隐电路(4)；其中：所述启动限流电路(3)用于将提供给所述控制芯片(U1)供电端的电压箝制在预定电压以降低所述控制芯片(U1)开始工作时的启动电流；所述前沿消隐电路(4)用于在所述开关单元(2)导通瞬间，消除所述变压器(T1)原边电流送给所述控制芯片(U1)电流采样端的第一个尖峰。
2.根据权利要求1所述的带输出短路保护功能的反激式开关电源，其特征在于，所述开关单元(2)包括第一开关管(Q1)和采样电阻Rs，其中：所述第一开关管(Q1)的漏极连接所述变压器原边绕组(Lp1)的同名端，所述变压器原边绕组(Lp1)的异名端连接直流输入电源的正极，所述第一开关管(Q1)的源极经所述采样电阻Rs连接至直流输入电源的负极，所述第一开关管(Q1)的栅极连接至所述控制芯片(U1)的输出端。
3.根据权利1所述的带输出短路保护功能的反激式开关电源，其特征在于，所述启动限流电路(3)包括稳压二极管D10及电阻R5；其中，所述电阻R5的一端经电阻R1连接至直流输入电源的正极，所述电阻R5的另一端连接至所述控制芯片(U1)的供电端，所述稳压二极管D10的阴极连接所述电阻R1和电阻R5的连接点，所述稳压二极管D10的阳极连接至直流输入电源的负极。
4.根据权利2所述的带输出短路保护功能的反激式开关电源，其特征在于，所述前沿消隐电路(4)包括电容C2、二极管D11、电阻R6及第二开关管(Q2)；所述第一开关管(Q1)的源极与所述采样电阻Rs的连接点经电阻R3连接至所述控制芯片(U1)的电流采样端，所述电容C2和电阻R6依次串联连接在所述控制芯片(U1)的输出端与直流输入电源的负极之间；所述二极管D11的阴极连接所述电容C2和电阻R6的连接点，所述二极管D11的阳极连接直流输入电源的负极；所述第二开关管(Q2)的栅极与二极管D11的阴极连接，所述第二开关管(Q2)的漏极连接所述控制芯片(U1)的电流采样端与所述电阻R3的连接点，所述第二开关管(Q2)的源极连接至直流输入电源的负极。
5.根据权利4所述的带输出短路保护功能的反激式开关电源，其特征在于，所述第二开关管(Q2)为N型场效应管。
6.根据权利4所述的带输出短路保护功能的反激式开关电源，其特征在于，所述第二开关管(Q2)为NPN型三极管。
7.根据权利2所述的带输出短路保护功能的反激式开关电源，其特征在于，所述第一开关管(Q1)为N型场效应管。
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