CN104242249B - 一种开关电源的保护电路 - Google Patents

Abstract

开关电源的保护电路，包括输入正端、负端，输出正端、负端，N沟道MOS管、防反接电路21、过压识别电路31和驱动电路32，31包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、稳压管VD1、P管Q1和N管Q2，31电路在过压时Q1输出高电平让Q2导通，关断MOS管V，MOS管V是串联在输入负到输出负的回路中，可以使用Vin+经驱动电路32驱动，MOS管导通后的导通内阻(Rds(ON))极低，插入损耗低；二极管D1与直流输入电源并联，当直流输入电源接反时导通，产生大的电流，促使前端电源过流保护，或烧断保险丝来提醒使用者，D1在正常工作时反向截止，系统效率损失为零；R2、R3、R4、R6可以选取兆欧级以上的阻值，且没有使用升压电路来驱动，故静态功耗很低，电路简单、效率高。

Description

一种开关电源的保护电路

技术领域

[0001]本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种DC-DC电源的保护电路。

背景技术

[0002]目前，由于工业与民用都经常需要把各种电网的交流电压变成直流，甚至是隔离 的直流电，开关电源以效率高、体积小等特点，在通信、工控、计算机以及消费电子中的需求 越来越大，而且经常采用多级变换，比如，第一级把交流220VAC变为直流400V，再由LLC变换 器变为48V，这个效率可以高达96%，再由48V变换为12V等其它电压以实现电气隔离，这一 级的变换称为DC-DC开关电源，就是直流至直流开关式变换器的缩写，一般也简称为DC_DC 电源，包括隔离式和非隔离式两种。

[0003]为了保证包括DC-DC电源的用电设备的安全及可靠运行，以及具有良好的电磁兼 容性，经常在DC-DC电源前设置保护电路。如图1所示，为目前国内较常见的DC—DC开关电源 的保护电路，包括滤波电路10、防反接电路20和过压保护电路30,输入直流电压加在Vi +、 Vi_两端，输出为Vo+、V〇-两端，给后续要保护的DC-DC电源供电，输入直流电压来源很广，传 统的不稳压线性电源，稳压电源、各种蓄电池、太阳能电池，统称为直流输入电源。其中，滤 波电路10中，共模电感L1来抑制后续开关电源产生的共模高频干扰，电容C1和C2给出一个 接地脚，以便用在对电磁兼容性要求更严格的场合，电容C3吸收后续DC-DC开关电源的差模 干扰，当然，也有电路是串入差模电感来提高差模干扰抑制量，电容C3的两端也经常并联压 敏电阻来吸收大电流浪涌，由于压敏电阻的反应时间比较慢，后续仍要有过压保护电路30， 30由电阻R1、稳压管D2和M0S管Q构成，当发生过压时，稳压管D2被击穿，处于正常的稳压状 态，M0S管Q构成源极跟随器(对应双极性三极管的射极跟随器），使得输出电压不至过高，过 压产生的瞬间大压差落在M0S管Q两端，由于时间短，M0S管Q不至于损坏。图1电路的缺点较 多，防反接电路20为二极管直接串入，压降大，损耗大;过压保护电路30要选用开启电压VGS 低的M0S管，这样正常工作时产生的压降才比较低，原理:正常工作时，输入电压的值小于稳 压管D2的标称值，D2中没有电流流过，即MOS管Q的漏极D至栅极G通过电阻R1相连，处于导通 状态，M0S管的栅极输入阻抗高，电阻R对MOS管导通压降没有影响，且导通压降略大于其开 启电压VGS，这部份的原理可以参考：中国专利201110030057.2,名为《一种浪涌抑制电路》 的公开文件第[0011段]第7行至段尾。

[0004]目前主流的N-MOS管(N沟道金属氧化物半导体场效应管的简称），其开启电压VGS 一般只能做到IV左右，用在图1电路，若为了防140V的残留浪涌电压，M0S管Q的耐压要用到 200V，耐压2〇〇V的N-M0S管，其开启电压VGS—般不会低于2.5V的。

[0005]为了降低图1电路的插入损耗，发明人在另一份中国专利申请中，给出了一种低功 耗的升压电路，参见申请号为201310020900.8的《一种升压电路》，把输入电压经浪涌抑制 电路、线性稳压电路、振荡器电路、倍压整流电路，以极低功耗获得一个比输入的工作电压 高10V至2〇V的直流电压，用它来驱动图1的MOS管Q的栅极，这样MOS管可以几乎无压降地导 通，此时的压降等于:工作电流乘以导通内阻(Rds(w)。从而降低了插入损耗。

[0006] 上述《一种升压电路》确实可以解决问题，但电路复杂，应用较繁锁，很多领域期望 有更为简单的电路实现DC-DC电源的保护电路，电路简单，器件少，器件工作在不发热的状 态下，这样的可靠性高。

[0007] 图1的电路，包括上述《一种升压电路》的方案，当使用者误接一个比额定工作电压 高较多的直流电压时，MOS管Q仍会因发热而损坏。

[0008] 综上所述，对现有开关电源的保护电路的不足总结如下：

[0009] (1)插入损耗高之一：由于存在防反接的二极管D1，如输入为100V，二极管D1压降 为0.7V，那么系统效率损失约(0.7V/100V) =0.7% ;对于48V的系统，系统效率损失更大。 [0010] ⑵插入损耗高之二：图1的电路，由于M0S管的压降高于开启电压VGS，2.5V的压降 对于100V的电压来说，达到2.5%;对于48V的系统，系统效率损失更大。可以采用上述的《一 种升压电路》来解决，存在电路复杂，应用较繁锁。

[0011] ⑶防过压作用的M0S管容易过热损坏。

发明内容

[0012]有鉴于此，本发明要解决现有开关电源的保护电路所存在的不足，提供一种插入 损耗小、防过压作用的M0S管不容易过热损坏的保护电路。

[0013]本发明的目的是这样实现的，开关电源的保护电路，用于连接在直流输入电源与 开关电源电路之间，包括输入正端、输入负端、输出正端、输出负端、N沟道M0S管、防反接电 路、过压识别电路和用于驱动N沟道M0S管的驱动电路，所述过压识别电路，包括第一电阻、 第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一稳压管、PNP型三极管和NPN型三极管，输入 正端经第一电阻分别与第二电阻及PNP型三极管的基极连接，第二电阻的另一端与输入负 端连接;输入正端还与第一稳压管的阴极连接，第一稳压管的阳极分别与第三电阻及PNP型 三极管的发射极连接，第三电阻的另一端与输入负端连接;PNP型三极管的集电极经第四电 阻分别与第五电阻及NPN型三极管的基极连接，第五电阻的另一端与NPN型三极管的发射极 连接，连接点与输入负端连接，NPN型三极管的集电极与N沟道M0S管的栅极连接;N沟道M0S 管的源极与输入负端连接，N沟道M0S管的漏极与输出负端连接;输入正端还与输出正端连 接;防反接电路包括一只二极管，二极管阴极连接输入正端，二极管阳极连接输入负端;驱 动电路包括第六电阻和第二稳压管，第六电阻一端连接输入正端，另一端连接第二稳压管 的阴极，连接点同时连接N沟道M0S管的栅极，第二稳压管的阳极连接输入负端。

[0014]优选的，所述过压识别电路，还包括第一电容、第二电容，第一电容并联于PNP型三 极管的基极与发射极两端，第二电容并联于第五电阻的两端;其特征是第一电容、第二电容 均为容量小于1000pF的高频特性好的瓷介电容或贴片电容；

[0015]优选的，所述过压识别电路，还包括第七电阻，第三电容，第七电阻和第三电容串 联后与第二电阻并联，第七电阻的取值为第二电阻的十分之一到五分之一；

[0016]优选的，所述过压识别电路，还包括第八电阻，第四电容，第八电阻和第四电容串 联后与第四电阻并联，第八电阻的取值为第四电阻的十分之一到五分之一。

[0017] 本发明电路的有益效果为：

[0018] (1)插入损耗低之一:防反接电路中的二极管与直流输入电源并联，当直流输入电 源接反时，二极管导通，产生很大的电流，促使直流输入电源过流保护，或烧断保险丝来提 醒使用者，该二极管在正常工作时反向截止，系统效率损失为零；

[0019] (2)插入损耗低之二:根据上述技术方案，N沟道MOS管是串联在输入负到输出负的 回路中，即通常大家所说的地线回路中，可以使用直流输入电源经驱动电路直接驱动，N沟 道MOS管其导通后的导通内阻(Rds(w)极低，插入损耗低，第六电阻可以选取兆欧级以上的 阻值，正常时静态功耗极低；由于没有使用升压电路，故静态功耗进一步降低；

[0020] (3)防过压作用的MOS管不容易损坏：上述技术方案，当过压时，会关断N沟道MOS 管，这样实现保护，同时N沟道MOS管不容易损坏。

附图说明

[0021]图1为现有开关电源的保护电路的原理图；

[0022]图2为本发明第一实施例的开关电源的保护电路的原理图；

[0023]图3为本发明第二实施例的开关电源的保护电路的原理图。

具体实施方式 [0024] 第一实施例

[0025] 请参阅图2，为一种开关电源的保护电路，用于连接在直流输入电源与开关电源电 路之间，包括输入正端Vin+、输入负端Vin-、输出正端Vo+、输出负端V〇-、N沟道M0S管V、防反 接电路21、过压识别电路31和用于驱动N沟道M0S管V的驱动电路32,其连接关系为：

[0026] 过压识别电路31，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电 阻R5、第一稳压管VD1、PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2,输入正端Vin+经第一电阻R1分别 与第二电阻R2及PNP型三极管Q1的基极连接，第二电阻R2的另一端与输入负端Vin-连接;输 入正端Vin+还与第一稳压管VD1的阴极连接，第一稳压管VD1的阳极分别与第三电阻R3及 PNP型三极管Q1的发射极连接，第三电阻R3的另一端与输入负端Vin-连接;PNP型三极管Q1 的集电极经第四电阻R4分别与第五电阻R5及NPN型三极管Q2的基极连接，第五电阻R5的另 一端与NPN型三极管Q2的发射极连接，连接点与输入负端Vin-连接，NPN型三极管Q2的集电 极与N沟道M0S管V的栅极连接;财勾道M0S管V的源极与输入负端Vin-连接，N沟道M0S管V的漏 极与输出负端Vo-连接;输入正端Vin+还与输出正端Vo+连接；

[0027]防反接电路包括一只二极管D1，二极管D1阴极连接输入正端Vin+，二极管D1阳极 连接输入负端Vin-;

[0028]驱动电路32包括第六电阻Re和第二稳压管VD2,第六电阻R6—端连接输入正端Vin +，另一端连接第二稳压管VD2的阴极，连接点同时连接N沟道MOS管V的栅极，第二稳压管VD2 的阳极连接输入负端Vin-。

[0029] 该开关电源的保护电路的工作原理为：

[0030]防反接电路21中的二极管D1与直流输入电源并联，当直流输入电源接反时，即输 入正端Vin+连接直流输入电源负极，输入负端Vin-连接直流输入电源正极，此时，二极管di 导通，产生很大的短路电流，促使直流输入电源过流保护，或烧断电路中的保险丝来提醒使 用者，该二极管D1在正常工作时反向截止，系统效率损失为零；由于没有像现有技术那样， 串入电路中，故不产生压降，也就不产生损耗;若没有二极管D1,因为N沟道M0S管V内部的寄 生二极管的存在，输入的反压会损坏后续开关电源。

[0031] 过压识别电路31在正常条件下的工作过程:稳压管VD1通过电阻R3获得工作电流， 仍处于稳压状态，而电阻R1的端电压，为电阻R1和R2的分压所得，不足以使得三极管q 1的基 极至发射极导通，三极管Q1截止，那么，由于电阻R5的存在，起到下拉作用，三极管讥的集电 极输出低电平，这时NPN型三极管Q2处于截止状态，驱动电路32中的电阻R6和稳压管VD2组 成一个稳压电路，稳压管VD2稳压电压大于N沟道M0S管V的开启电压VGS，N沟道M0S管V处于 饱和导通状态，那么这时直流输入电源的电压全部加到输出正端Vo+和输出负端Vo-上，后 续的开关电源电路得电正常工作。

[0032] 根据上述工作状态，N沟道M0S管V是串联在输入负端Vin-到输出负端Vo-的回路 中，即通常所说的地线回路中，可以使用直流输入电源Vin经驱动电路32直接驱动N沟道M0S 管V，N沟道M0S管V其导通后的导通内阻(Rds(QN))极低，插入损耗低，电阻R6可以选取兆欧级 以上的阻值，正常时静态功耗极低；由于没有使用升压电路，故静态功耗进一步降低；

[0033] 当直流输入电源出现过压时，稳压管VD 1通过电阻R3获得工作电流，仍处于稳压状 态，而电阻R1的端电压，为电阻R1和R2的分压所得，却足以使得三极管Q1的基极至发射极导 通，三极管Q1导通，Q1的集电极输出高电平，这时NPN型三极管Q2处于放大状态，电阻R6选取 兆欧级以上的阻值，三极管Q2事实上处于饱和导通状态，驱动电路32中的电阻R6和稳压管 VD2原来组成的稳压电路，稳压管VD2稳压电压因三极管Q2的饱和导通，而等于三极管Q2的 饱和导通压降，一般小于0.3V，远小于N沟道M0S管V的开启电压VGS，N沟道M0S管V处于截止 状态，那么这时直流输入电源的电压无法加到输出正端Vo+和输出负端Vo-上，后续的开关 电源电路因为没有输入电压而停止工作。

[0034] 在过压时，防过压作用的N沟道M0S管V因为关断，即截止而不容易损坏。实现了发 明目的。

[0035]下面给出一组具体参数来说明本发明的效果，如应用于铁路电源中的保护电路， 要求输入66V至160V，保护电路都正常工作，那么参数如下：

[0036] D1为二极管N5404，VD1为6 • 2V的稳压管，这是因为稳压值在5V至7V之间的稳压二 极管，工作在介于雪崩击穿和齐纳击穿并存的状态，具有最好的温度特性，其稳压值不随温 度变化而变化；

[0037] R1 为24KQ，R2为620KD，R3、R6为 10MD，R4和R5都为2.2MD ;

[0038]三极管 Q1 为 FMMT558,而三极管 Q2 为 S9014;N沟道 M0S 管 V为 SIHF22N60E;VD2 为 15V 的稳压管。

[0039] 实测直流输入电源达177V时，图2电路采用上述参数后，输出即关断；在输入66V 时，负载为11洲，工作电流为1 • 70A，本发明产生的损耗是0 • 52W，插入损耗为0.46% ;当后续 的开关电源完全不工作时，不接开关电源来测试本发明的静态功耗，为7.4mW，极低。

[0040] 在输入l6〇V时，负载仍为11洲，工作电流为0.70A，本发明产生的损耗是0.133W，插 入损耗为0.12%;当后续的开关电源完全不工作时，不接开关电源来测试本发明的静态功 耗，为44.5mW，略有增大，但仍极低。

[0041] 上述实施例中。若把R1由24KQ改为240KD，R2由620KD改为6.2MD，本发明一样 正常工作，静态功耗进一步降低，在66V下，静态功耗低至1 • 40mW，在160V下，静态功耗低至 8.8mff〇

[0042] 本发明开关电源的保护电路，处于电路正常工作状态下时，过压识别电路31、防反 接电路21均处于关断状态，基本不消耗电路功率，消耗功率主要来源为电阻R1和R2,以及R3 和R6，由于R1和R2也可以取得很大，如电阻R2取值在兆欧以上，而电阻R3,因为稳压管VD1取 值在5V至7V之间，有luA工作电流即可实现良好的稳压，故电阻R3也可以取值在兆欧以上； 电阻R6也是同样的原因，稳压值VD2的取值通常在5V以上，低于20V，有luA工作电流即可实 现良好的稳压，故电阻R6也可以取值在兆欧以上，另一方面，N沟道MOS管V是电压驱动器件， 其不消耗工作电流，这给R6取值在兆欧以上提供了条件。

[0043]因此整个保护电路的静态功耗非常小。因此，本发明开关电源的保护电路可轻易 实现插入损耗<〇_6%，若输入电压较固定，不是很宽的电压，很轻松通过选取低导通内阻 的MOS管，轻松实现插入损耗<0.2%，如上述的0.12%。从而很好地提高了电路电能的利用 率，更好地保障了开关电源的高效率，且该开关电源的保护电路结构简单，易于设计和电路 调试。

[0044] 第二实施例

[0045]图3示出了第二实施例的开关电源的保护电路的电路原理图，第一实施例用于开 关电源中，由于开关电源的干扰大，为了避免强干扰引起三极管Ql、Q2出现小电流检波效应 而误触发，本实施例在三极管Q1、Q2的发射极到基极之间，并联一只高频损耗小的小容量电 容，一般选用贴片电容中的COG (NP0)电容即可，小容量电容在业界一般指l〇〇〇pF以下的电 容，即包括l〇〇〇pF，使用插件式高频瓷介电容，效果也是很好的，在我国，这种电容一般在外 壳上标上黑点，以示其是高频瓷介电容。

[0046] 在实际调试中，33pF至100PF效果就很好了，无需选用更大容量的电容，用两只以 上电容并联成一只电容是公知常识，可以获得更宽的工作频率。以上在第一实施例的基础 上，在PNP型三极管Q1的发射极到基极之间并联C11，以及NPN型三极管Q2的发射极到基极之 间并联C12,容量均取33pF，NP0的0805封装的电容，实测在20V/m的辐射场强中，辐射场的频 率从l5〇KHz至1GHz，本发明均可以正常工作。而没有加入这两只电容的第一实施例，辐射场 强到2 • 6V/m时，很多频段都不能工作，表现为输入电压正常，但是电路误保护，导致后续的 开关电源无输出，如在lMHz、4MHz，以及23^1也、4011^(与样机的走线回路长短有关）。

[0047]图3的保护电路工作原理同第一实施例，这里不再赘述。

[0048]为了让第一实施例、第二实施例的动作时间更快速，以便应用在要求快速保护的 场合上，可以在电阻R2并联一个电阻R21和电容的串联组件，如电容取值在103至224之间， 电阻可以取R2的十分之一到五分之一即可，如上述的R2为620K Q时，R21可取62KQ至120K Q，R21 为6.2MQ 时，R21 可取620KQ 至 1.2MD。

[0049]同样，电阻R4并联一个电阻R41和电容的串联组件，取值方法同前述。

[0050] 优选的，该开关电源的保护电路还可以包括防浪涌电路，注:本来低压直流，供电 的走线短，雷击感应出的浪涌电压很小，能量更低，因回路中电流突变产生的浪涌电压，一 般也不至过高，都容易被后续的开关电源的滤波电容所吸收。但是目前国内的很多厂家，在 这种无用的标准上，不停地加严，以示其制造能力强大，如24V输入的产品，要求抗2KV的浪 涌，甚至要求做到6KV这个等级，为了满足这种从来用不上的、“作茧自缚”的标准，本发明也 得加入防浪涌电路。

[0051]该防浪涌电路主要由压敏电阻构成，压敏电阻的一端与输入正端连接，压敏电阻 的另一端与输入负端连接，可以对电路起到浪涌保护作用。

[0052]优选的，该开关电源的保护电路还可包括抑制差模干扰电路，属于公知技术，以进 一步提高开关电源电路的EMI性能。

[0053]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。

[0054]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，如在回路中串入共模电感、差模电感，或NTC热敏电阻，这些改进和润 饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利 求所限定的_觸。 …訓女

Claims (5)

1.一种开关电源的保护电路，用于连接在直流输入电源与开关电源电路之间，包括输 入正端、输入负端、输出正端、输出负端、N沟道MOS管、防反接电路、过压识别电路和用于驱 动N沟道MOS管的驱动电路， 所述过压识别电路，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一稳 压管、PNP型三极管和NPN型三极管，输入正端经第一电阻分别与第二电阻及PNP型三极管的 基极连接，第二电阻的另一端与输入负端连接;输入正端还与第一稳压管的阴极连接，第一 稳压管的阳极分别与第三电阻及PNP型三极管的发射极连接，第三电阻的另一端与输入负 端连接;PNP型三极管的集电极经第四电阻分别与第五电阻及NPN型三极管的基极连接，第 五电阻的另一端与NPN型三极管的发射极连接，连接点与输入负端连接，NPN型三极管的集 电极与N沟道MOS管的栅极连接； N沟道MOS管的源极与输入负端连接，N沟道MOS管的漏极与输出负端连接； 输入正端还与输出正端连接； 防反接电路包括一只二极管，二极管阴极连接输入正端，二极管阳极连接输入负端； 驱动电路包括第六电阻和第二稳压管，第六电阻一端连接输入正端，另一端连接第二 稳压管的阴极，连接点同时连接N沟道MOS管的栅极，第二稳压管的阳极连接输入负端。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源的保护电路，所述过压识别电路还包括第一电 容、第二电容，第一电容并联于PNP型三极管的基极与发射极两端，第二电容并联于第五电 阻的两端;其特征是:第一电容、第二电容均为容量小于l〇〇〇pF的瓷介电容或贴片电容。

3.根据权利要求1或2所述的一种开关电源的保护电路，所述过压识别电路还包括第七 电阻，第三电容，第七电阻和第三电容串联后与第二电阻并联，第七电阻的取值为第二电阻 的十分之一到五分之一。

4.根据权利要求1或2所述的一种开关电源的保护电路，所述过压识别电路还包括第八 电阻，第四电容，第八电阻和第四电容串联后与第四电阻并联，第八电阻的取值为第四电阻 的十分之一到五分之一。

5.根据权利要求3所述的一种开关电源的保护电路，所述过压识别电路还包括第八电 阻，第四电容，第八电阻和第四电容串联后与第四电阻并联，第八电阻的取值为第四电阻的 十分之一到五分之一。