CN105514944A - 一种电源保护电路及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源保护电路及方法，所述电源保护电路包括电流控制单元，电压反馈单元和电流上拉单元；所述电压反馈单元连接到所述电流控制单元，所述电压反馈单元获得输出电压的反馈电压并反馈到所述电流控制单元，所述电流控制单元利用所述反馈电压控制所述电流控制单元调整输出电流；所述电流上拉单元连接所述电压反馈单元的反馈端，所述电流上拉单元给所述电压反馈单元提供上拉电流，用来判断所述电压反馈单元的反馈端是否短路。

Description

一种电源保护电路及方法
技术领域
本发明涉及一种电源电路，特别涉及一种电源保护电路及方法。
背景技术
在恒压输出电源电路中，输出反馈端FB通过分压电阻R1和R2采样输出电压，通过调整输出电流，使反馈端FB电压和电流控制单元中的参考电压相等，从而调整输出电压，使之稳定在预设电压。
如图1所示，恒压输出电源电路100包括电流控制单元11和电压反馈单元12，电压反馈单元12由第一电阻R1和第二电阻R2串联而成，第一电阻R1和第二电阻R2的公共点FB为输出电压Vout反馈端，输出电压反馈端FB连接到电流控制单元。电流控制单元11包括第二运算放大器U2，第二运算放大器U2的第一输入端连接到反馈端FB，第二输入端连接第二基准信号Vref2。Vref2与反馈电压VFB进行比较，根据比较结果来控制电路，实现恒压输出。
但当输出负载短路时，输出反馈电压VFB约为0V，由于电流控制单元采样到反馈电压VFB低于第二基准信号Vref2，输出电流会增大到恒压输出电源电路100的最大输出电流。由于输出电压在负载短路时接近0，虽然输出电流达到最大输出电流，其输出功率也可以在正常工作范围内，恒压输出电源电路并不会因为功耗过大而导致损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种电源保护电路及方法，解决恒压输出电源电路的电压反馈单元短路时，电路损坏的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种电源保护电路，包括电流控制单元，电压反馈单元和电流上拉单元；
所述电压反馈单元连接到所述电流控制单元，所述电压反馈单元获得输出电压的反馈电压并反馈到所述电流控制单元，所述电流控制单元利用所述反馈电压控制所述电流控制单元调整输出电流；
所述电流上拉单元连接所述电压反馈单元的反馈端，所述电流上拉单元为所述电压反馈单元提供上拉电流，判断所述电压反馈单元的反馈端是否短路。
可选的，所述电源保护电路还包括调整单元，所述调整单元输入端连接所述电压反馈单元的反馈端，并根据所述反馈电压对所述电流上拉单元的电流进行调节，由此来判断电压反馈单元的反馈端是否短路。
可选的，所述调整单元包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的第一输入端接收第一基准信号，第二输入端连接所述反馈电压，所述第一运算放大器输出端连接所述电流上拉单元。
可选的，所述电流控制单元的第一输入端连接第二基准信号，所述第一基准信号的电压小于所述第二基准信号的电压。
可选的，所述电流上拉单元由NMOS晶体管和供电电源串联组成；所述NMOS晶体管的栅极连接所述第一运算放大器的输出端，源极连接所述反馈电压，漏极连接供电电源输出端。
可选的，所述电流上拉单元包括串联的供电电源和开关管。
可选的，所述电流上拉单元还包括与所述开关管串联的限流电阻；或者所述供电电源为恒流源。
可选的，电压反馈单元的反馈端和上拉电流单元之间接入第四电阻。
本发明还提供一种电源保护方法，包括：
所述电流上拉单元工作，给所述电压反馈单元提供电流；
检测所述电压反馈单元反馈端的电压，若低于标准阈值电压，则判断为所述电压反馈单元的反馈端短路。
可选的，所述电压反馈单元的反馈端短路时，所述电流控制单元停止向负载输出电流。
本发明还提供另一种电源保护方法，包括：
对所述反馈电压和所述第一基准信号进行比较；
若所述反馈电压大于所述第一基准信号，所述调整单元输出电压低于所述电流上拉单元的最低驱动电压，所述电流上拉单元不上拉电流；
若所述反馈电压小于所述第一基准信号，所述调整单元输出电压高于所述电流上拉单元的最低驱动电压，所述电流上拉单元根据所述调整单元输出电压的大小给所述电压反馈单元提供上拉电流；
根据所述调整单元输出电压或者所述上拉电流的大小来判断短路类型；
若所述调整单元输出电压达到最大驱动电压或者上拉电流达到最大上拉电流，则为电压反馈单元的反馈端短路；否则，为负载短路。
可选的，当电压反馈单元的反馈端短路时，所述保护动作为停止向所述负载输出电流，直到所述电压反馈单元短路解除。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本发明提供一种电源保护电路，包括电流控制单元，电压反馈单元和电流上拉单元；所述电压反馈单元连接到所述电流控制单元，所述电压反馈单元获得输出电压的反馈电压并反馈到所述电流控制单元，所述电流控制单元利用所述反馈电压控制所述电流控制单元调整输出电流；所述电流上拉单元连接所述电压反馈单元的反馈端，所述电流上拉单元为所述电压反馈单元提供上拉电流，如果所述电压反馈单元的反馈端电压随着充电过程的进行不断升高，则所述电压反馈单元的反馈端未发生短路；如果即使被充电，所述反馈端电压始终低于标准阈值，则所述电压反馈单元的反馈端短路。通过短路类型判断，执行不同的保护动作，有效增加了电路的可靠性。
本发明还提供一种电流保护方法，在电路启动时，所述电流上拉单元给所述电压反馈单元充电，如果所述电压反馈单元的反馈端电压不能被拉高，始终低于或等于标准阈值，则判断为电压反馈单元的反馈端短路。通过对电压反馈单元的反馈端的短路预判，再执行相应的保护动作，解决了电压反馈单元的反馈端短路时，输出功率远大于正常工作时的输出功率，输出电压高于控制电压，导致电源电路或者负载损坏。因此，系统的可靠性提高。
附图说明
图1是现有技术恒压输出电源电路的结构示意图；
图2是本发明第一实施例电源保护电路结构示意图；
图3是本发明第二实施例电源保护电路结构示意图；
图4是本发明第三实施例电源保护电路结构示意图；
图5是本发明第四实施例电源保护电路结构示意图；
图6是本发明第五实施例电源保护电路结构示意图；
图7是本发明第六实施例电源保护电路结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，现有技术中，负载20短路，恒压输出电源电路100输出它的最大输出电流，但是恒压输出电源电路的最大输出电流并不会很大，且输出电压在负载短路时接近0，不会因为过功率导致恒压输出电源电路损坏。
但是，当电压反馈单元的反馈端(FB端)短路到地，也就是第一电阻R1短路时，输出控制电路仍认为是输出短路，输出电流也会达到恒压输出电源电路的最大输出电流。由于负载并没有短路，此时输出功率远大于正常工作时的输出功率，输出电压升高，输出电压无法稳定在预设电压，从而导致恒压输出电源电路或者负载损坏。
基于此，本发明提供了一种电源保护电路及方法，下面结合具体实施例及附图进行详细说明：
如图2所示，在一个实施例中，电源保护电路包括电流控制单元11、电压反馈单元12和电流上拉单元13；
电压反馈单元由第一电阻R1和第二电阻R2串联组成，它们的公共点FB端即为输出电压的反馈端。
电流控制单元包括第二运算放大器U2，它的第一输入端连接第二基准信号Vref2，第二输入端连接到输出电压反馈端，根据反馈端的反馈电压VFB和第二基准信号的比较结果控制整个电源保护电路10的恒压输出。
电流上拉单元也连接到输出电压反馈端，并能给电压反馈单元中的第一电阻R1进行充电；充电后反馈电压VFB发生变化：如果VFB始终接近于标准阈值，则第一电阻R1短路，其中标准阈值为预先设置的、一个较低的电压值，比如0.1V；具体的，标准阈值是一个比第一电阻R1短路时，电流上拉单元给所述第一电阻提供上拉电流后、反馈端FB能达到的电压值略高的电压值。
具体工作原理如下：
某一时刻，电流上拉单元13给电压反馈单元12的第一电阻R1充电(即电流上拉单元13给R1提供上拉电流)；如果R1短路异常，则反馈端FB的电压依旧会很低，低于标准阈值。而如果没有短路异常时，由于电流上拉单元13的充电，反馈端FB的电压会被上拉到一个定值。由此，可以判断电压反馈单元的反馈端是否短路；若短路，电源保护电路10作出相应的保护动作：具体可以是，通过控制电流控制单元的主开关管停止向负载20输出电流。
为了防止启动时，电压反馈单元的反馈端短路造成的损坏，在电源保护电路启动时，控制电流上拉单元13工作，即对第一电阻R1充电；若短路，则反馈端FB电压接近于0，并始终低于标准阈值；若未短路，反馈端FB电压可以被上拉到一个定值。通过检测反馈端FB的电压VFB，就可以判断电压反馈单元12的反馈端是否存在短路。
但是，如果电流上拉单元13在系统启动后持续给第一电阻R1充电，会影响电压反馈单元对输出电压的采样，电源保护电路10失去恒压功能，导致输出电压不稳定。
为了解决系统启动后，电源保护电路也能对电压反馈单元12的短路情况进行判断，在另一个实施例中，还包括调整单元14，参见图3：
调整单元14有2个输入端和1个输出端，第一输入端连接第一基准信号Vref1，第二输入端连接电压反馈单元12的反馈端，输出端连接所述开关管的控制端；调整单元14的输出信号即为电流上拉单元13的控制信号。电流上拉单元13接收所述控制信号来调节自身的输出电流。
具体的，电流上拉单元13由供电电源Vd和开关管串联而成，开关管可以是晶体管，也可以是三极管；晶体管的栅极或者三极管的基极即为电流上拉单元的输入端，调整单元14的输出端连接到所述栅极或基极。
具体工作原理如下：
正常工作时，VFB＝Vref2，电源保护电路的输出电压Vout＝Vref2*(R1+R2)/R1调整单元14输出的控制信号不足于驱动电流上拉单元13工作，所以，电流上拉电路的电流为0，电流上拉单元不给电压反馈单元充电，不影响电源保护电路正常的反馈环路工作。
当负载短路时，VFB<Vref1，调整单元14输出的控制信号驱动电流上拉单元13，电流上拉单元给第一电阻R1充电，随着充电的进行，R1两端的电压即反馈端FB的电压VFB越来越高，最终被调节与Vref1相等，此时电流上拉单元13的输出电流I1为某一定值，I1＝Vref1/(R1//R2)；
当电压反馈单元的反馈端短路，即第一电阻R1短路时，反馈端FB电压为0，调整单元14输出的控制信号达到最大驱动电压，驱动电流上拉单元，使电流上拉单元的输出电流达到最大。但是即使电流上拉单元13的输出电流达到最大，反馈端FB电压仍旧接近于0，低于标准阈值，不能达到Vref1。
因此可以通过判断电流上拉单元的输出电流，来区分负载短路或电压反馈单元的反馈端短路；也可以通过电流上拉电路的控制信号来区分负载短路或电压反馈单元的反馈端短路；也可以检测反馈端电压来进行判断：
在负载短路时，电流上拉单元的电流为某一定值，它的控制信号也被调整到一定值，反馈端电压VFB也为某一定值；
而当电压反馈单元的反馈端短路时，电流上拉电路的输出电流和控制信号都被调整到极限值，而反馈端电压VFB始终接近于0，低于标准阈值。
如此，区分了工作时负载20短路和电压反馈单元12的反馈端短路两种情况，根据不同的短路情况，电源保护电路做出不同的保护动作，具体为：
负载短路时，输出最大电流；或者输出最大电流一段时间，停止工作一段时间，再输出最大电流一段时间……；
第一电阻R1短路时，电路停止向负载输出电流，但是电压反馈单元和电流控制单元仍正常工作：具体可以通过控制电流控制单元的主开关管的工作状态来实现。
当第一电阻R1短路解除时，由于有电流从开关管流到第一电阻R1，反馈端FB电压会升高，流过开关管的电流会减小，因此可以通过检测VFB或者电流上拉单元的输出电流来判断何时第一电阻R1短路解除，再恢复向负载输出电流；这样在第一电阻R1短路时，输出电压Vout不会升高到控制电压以上，导致电源电路或者负载损坏。
如图4所示的第三实施例，所述调整单元14包括第一运算放大器U1，所述开关管为NMOS晶体管M1，NMOS晶体管M1的源极连接到反馈端FB，栅极连接第一运算放大器U1的输出端，漏极连接所述供电电源Vd。具体工作原理如下：
在正常工作时，VFB＝Vref2，输出电压Vout＝Vref2*(R1+R2)/R1。第一运算放大器U1的正输入端为所述第一输入端，接第一基准电压Vref1，其中0Vref1<Vref2。因此，第一运算放大器U1的负输入端电压VFB大于正输入端电压Vref1，第一运算放大器U1输出低电平，小于电流上拉单元的最低驱动电压，NMOS晶体管M1关断。
当负载短路时，VFB＜Vref1，第一运算放大器U1输出高电平，大于电流上拉单元的最低驱动电压，NMOS晶体管M1开通，电流上拉单元输出电流，反馈端FB电压被调节为Vref1，通过NMOS晶体管M1的电流I1＝Vref1/(R1//R2)；
当第一电阻R1短路时，反馈端FB电压为0，第一运算放大器U1输出的电压最大，电流上拉单元的控制电压达到最大驱动电压，通过NMOS晶体管M1的电流I2会很大，至少大于I1。
因此可以通过判断NMOS晶体管M1的电流，来区分负载短路和第一电阻R1短路的情况，也可以通过MOS管M1的栅极电压来区分负载短路和第一电阻R1短路：在MOS管M1的栅极电压被调整到一定值时，负载短路；而当MOS管M1的栅极电压为最高电压时，第一电阻R1短路。
当第一电阻R1短路时，如果不限制流过MOS管M1的电流，该电流会很大，甚至会把供电电源Vd拉低。所以在电流上拉单元13中加入限流功能：在供电电源Vd和MOS管M1串联支路上再串联第三电阻R3，如图5所示。在其他实施例中，为了限制流过NMOS晶体管M1的电流过大，还可以把供电电源设置为电流源Id，具体如图6所示。
在本发明的另一个实施例中，当第二基准信号Vref2和输出电压接近时，电压反馈单元的上分压电阻R2远小于下分压电阻R1。负载短路和FB短路时的上拉电流单元的电流都会达到最大电流，因此可能将负载短路判断成FB短路，从而停止向负载输出电流。为了防止上述现象，在电压反馈单元的反馈端FB和上拉电流单元之间接入第四电阻R4，如图7所示。使得负载短路时，不会判断为电压反馈单元的反馈端短路。
本发明根据以上所述的电源保护电路还提供了一种电流保护方法，具体为：
电路启动时，电流上拉单元工作，给电压反馈单元提供电流；
检测电压反馈单元反馈端电压VFB，若低于标准阈值，则判断为所述电压反馈单元短路，电流控制单元停止向负载输出电流；否则，电路正常启动。
本发明还提供了一种在启动时和正常工作后都能判断短路类型的方法，具体为：
将反馈电压VFB和所述第一基准信号进行比较；
若所述反馈电压VFB大于所述第一基准信号Vref1，所述调整单元输出低电压，所述电流上拉单元不提供上拉电流；
若所述反馈电压小于所述第一基准信号，所述调整单元输出电压高于所述电流上拉单元的最低驱动电压，所述电流上拉单元根据所述调整单元输出电压的大小给所述电压反馈单元提供上拉电流；
根据所述调整单元的输出电压或者所述上拉电流的大小来判断短路类型；
若所述调整单元输出电压达到最大驱动电压或者上拉电流达到最大上拉电流，则为电压反馈单元的反馈端短路；否则，为负载短路。
根据所述短路类型，执行不同的保护动作。
具体的保护动作为：当电压反馈单元的反馈端短路时，所述保护动作为停止向所述负载输出电流，直到所述电压反馈单元的反馈端短路解除；
或者，当负载短路时，所述保护动作为主电路间断性地为所述负载输出电流或者停止向所述负载输出电流。判断为负载短路后，所有参与电压反馈单元的反馈端短路保护的电路不影响其他电路工作，比如调整电路，电流上拉电路。所有保护动作的具体实现都可以通过对电流控制单元的主开关管的控制实现。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种电源保护电路，包括电流控制单元、电压反馈单元，其特征在于，还包括电流上拉单元；
所述电压反馈单元连接到所述电流控制单元，所述电压反馈单元获得输出电压的反馈电压并反馈到所述电流控制单元，所述电流控制单元利用所述反馈电压控制所述电流控制单元调整输出电流；
所述电流上拉单元连接所述电压反馈单元的反馈端，所述电流上拉单元为所述电压反馈单元提供上拉电流，用于判断所述电压反馈单元的反馈端是否短路。
2.如权利要求1所述的电源保护电路，其特征在于，还包括调整单元，所述调整单元输入端连接所述电压反馈单元的反馈端，并根据所述反馈电压对所述电流上拉单元的上拉电流进行调节，由此来判断电压反馈单元的反馈端是否短路。
3.如权利要求2所述的电源保护电路，其特征在于，所述调整单元包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的第一输入端接收第一基准信号，第二输入端连接所述反馈电压，所述第一运算放大器输出端连接所述电流上拉单元。
4.如权利要求3所述的电源保护电路，其特征在于，所述电流控制单元的第一输入端连接第二基准信号，所述第一基准信号的电压小于所述第二基准信号的电压。
5.如权利要求3所述的电源保护电路，其特征在于，所述电流上拉单元由NMOS晶体管和供电电源串联组成；所述NMOS晶体管的栅极连接所述第一运算放大器的输出端，源极连接所述反馈电压，漏极连接供电电源输出端。
6.如权利要求1所述的电源保护电路，其特征在于，所述电流上拉单元包括串联的供电电源和开关管。
7.如权利要求6所述的电源保护电路，其特征在于，所述电流上拉单元还包括与所述开关管串联的限流电阻或者所述供电电源为恒流源。
8.如权利要求1-7任一项所述的电源保护电路，其特征在于，在电压反馈单元的反馈端和上拉电流单元之间接入第四电阻。
9.一种采用如权利要求1所述的电源保护电路的电源保护方法，其特征在于，包括：
所述电流上拉单元工作，给所述电压反馈单元提供上拉电流；
检测所述电压反馈单元反馈端的电压，若低于标准阈值，则判断为所述电压反馈单元的反馈端短路。
10.如权利要求9所述的电源保护方法，其特征在于，所述电压反馈单元的反馈端短路时，所述电流控制单元停止向负载输出电流。
11.一种采用如权利要求4所述的电源保护电路的电源保护方法，其特征在于，包括：
对所述反馈电压和所述第一基准信号进行比较；
若所述反馈电压大于所述第一基准信号，所述调整单元输出电压低于所述电流上拉单元的最低驱动电压，所述电流上拉单元不提供上拉电流；
若所述反馈电压小于所述第一基准信号，所述调整单元输出电压高于所述电流上拉单元的最低驱动电压，所述电流上拉单元根据所述调整单元输出电压的大小给所述电压反馈单元提供上拉电流；
根据所述调整单元输出电压或者所述上拉电流的大小来判断短路类型；
若所述调整单元输出电压达到最大驱动电压或者上拉电流达到最大上拉电流，则为电压反馈单元的反馈端短路；否则，为负载短路。
12.如权利要求11所述的电流保护方法，其特征在于，当电压反馈单元的反馈端短路时，所述保护动作为停止向所述负载输出电流，直到所述电压反馈单元短路解除。
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