CN107681874A - 保护电路和电能表用多路输出反激开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保护电路，用于保护反激开关电源电路，负荷单元和电流限制单元；所述负荷单元一端连接工作电压的输入端，所述负荷单元的另一端连接电压输出端，所述负荷单元连接所述电流限制单元；所述负荷单元内设置基准信号，所述负荷单元还会产生采样电流信号，将所述采样电流信号和所述基准信号进行比较，来控制负荷单元的导通和关闭。本发明是一种保护电路，由于采用的MOS管作为负荷开关单元的开关，MOS管特性使得导通阻抗RDSon、导通压降Vds极低。在表计功能模块正常及临界工作情况下，负荷开关单元损耗仅为几十mW，因此不会大幅降低电源工作效率、以及造成元器件温升过高，发烫严重等现象。

Description

保护电路和电能表用多路输出反激开关电源

技术领域

本发明涉及保护电路，尤其涉及了一种保护电路和电能表用多路输出反激开关电源。

背景技术

目前中国国家电网及中国南方电网电能表技术规范中针对模块接口电源，均提出“通讯模块电源故障或短路时不应影响电能表的基本功能(电表应采取保护措施)，且VCC电源应和电能表内部强电实现隔离”的要求。同时中国国家电网IR46智能表技术要求支持双芯，多模块上下行通讯，对各模块电源功率、转换效率要求上升，促使行业内电源应用逐步由多路输出线性变压器电源转换为电能表用多路输出反激开关电源。

以往行业内按照标准一般采用多路输出变压器线性电源或者电能表用多路输出反激开关电源，分别为电能表计量、MCU、各模块接口、CPU卡等隔离供电。因多路输出变压器线性电源是通过线性变压器降压并通过次级整流桥整流，本身不具备短路、过流保护功能；而电能表用多路输出反激开关电源虽然开关电源芯片本身已具备次级输出过流、保护作用，但只要次级多路输出中的一路输出短路或过流即关断所有输出。因此上述两种电源本身均无法满足中国国家电网和中国南方电网的标准要求。

现有“短路/过载保护电路”一般采用：线性稳压芯片电路，其缺点如下：

线性稳压芯片电路：线性稳压芯片工作时，芯片将产生P＝△U*I的损耗，△U＝输入电压(Uin)-输出电压(Vout)；因此当输入、输出电压差值较大时，线性稳压芯片将产生很大的损耗，造成芯片温度升高，发烫严重，电路可靠性降低，同时降低电源整机工作效率；

三极管、电阻组成的限流保护电路：工作原理与线性稳压芯片类似；当电路工作电流处在限制电流临界点时，三极管发射极与集电极之间将产生很大的导通压降，损耗增大，发烫严重，长时工作易使器件损坏。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种保护电路和电能表用多路输出反激开关电源。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种保护电路，用于保护反激开关电源电路，负荷单元和电流限制单元；

所述负荷单元一端连接工作电压的输入端，所述负荷单元的另一端连接电压输出端，所述负荷单元连接所述电流限制单元；

所述负荷单元内设置基准信号，所述负荷单元还会产生采样电流信号，将所述采样电流信号和所述基准信号进行比较，来控制负荷单元的导通和关闭。

作为一种可实施方式，所述负荷单元包括负荷开关单元、电流采样单元和控制逻辑单元；

所述负荷开关单元一端连接工作电压的输入端，所述负荷开关单元一端连接电压输出端；

所述电流采样单元一端连接工作电压的输入端，所述电流采样单元另一端连接所述控制逻辑单元，所述控制逻辑单元得到电流信号；

所述控制逻辑单元内设有电流基准信号值，所述电流限制单元连接所述控制逻辑单元，所述控制逻辑单元连接所述负荷开关单元；

所述控制逻辑单元将得到的所述电流信号与基准信号进行比较，来控制负荷开关单元的导通和关闭。

作为一种可实施方式，所述负荷开关单元为MOS管，所述MOS管的D极连接工作电压的输入端，所述MOS管的S极连接电压输出端，所述MOS管的G极连接所述控制逻辑电路。

作为一种可实施方式，所述电流限制单元为电位器，所述电位器串联所述控制逻辑单元。

作为一种可实施方式，所述负荷单元为芯片UP1，其型号为MP5016H，所述电流限制单元为电位器，所述芯片UP1的4脚连接所述电位器。

一种电能表用多路输出反激开关电源，包括权利要求1所述的保护电路、整流滤波电路和表计功能模块；

所述整流滤波电路连接所述保护电路中的负荷开关单元，所述保护电路的负荷开关单元连接所述表计功能模块。

作为一种可实施方式，所述整流滤波电路连接MOS管的D极，所述表计功能模块连接MOS管的S极。

作为一种可实施方式，还包括交流输入信号、防浪涌电路、低通滤波电路、第一整流滤波电路、高频变压器、MOS管及驱动电路、光耦单元和输出控制电路；

所述交流输入信号连接防浪涌电路，防浪涌电路连接所述低通滤波电路，所述低通滤波电路连接所述高频变压器的原边输入绕组，原边输入绕组连接所述MOS管及驱动电路，所述MOS管及驱动电路连接所述光耦单元，所述光耦单元连接所述输出控制电路，所述高频变压器的多个输出绕组分别连接所述整流滤波电路，其中一个所述整流滤波电路连接所述输出控制电路。

作为一种可实施方式，所述MOS管及驱动电路包括功率MOS管和PWM控制器，所述光耦单元为光耦，所述高频变压器的原边输入绕组连接所述功率MOS管，所述PWM控制器连接所述光耦。

作为一种可实施方式，所述输出控制电路包括输出稳压控制电路、输出过流保护电路和输出短路保护电路，所述输出稳压控制电路、输出过流保护电路和输出短路保护电路分别连接整流滤波电路。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

本发明是一种保护电路，由于采用的MOS管作为负荷开关单元的开关，MOS管特性使得导通阻抗RDSon、导通压降Vds极低。在表计功能模块正常及临界工作情况下，负荷开关单元损耗仅为几十mW，因此不会大幅降低电源工作效率、以及造成元器件温升过高，发烫严重等现象。

保护电路中电流采样单元实时检测负荷开关单元通过的电流情况，在检测电流信号未超过控制逻辑单元设定基准信号时，负荷开关单元中MOS管将一直导通，不存在类似DC/DC电路的高频开关噪声。

因此采用保护电路作为电能表用多路输出反激开关电源次级短路、过载保护电路，将极大的提高电路可靠性以及降低低通滤波电路设计难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明保护电路和其他电路的连接示意图；

图2是本发明保护电路的其中之一实施例示意图；

图3是本发明保护电路的其中一个实施例的示意图；

图4包含保护电路的电能表用多路输出反激开关电源示意图；

图5是负荷单元的结构示意图。

标号说明：10、保护电路；1、负荷单元；2、电流限制单元；3、整流滤波电路；4、表计功能模块；11、负荷开关单元；12、电流采样单元；13、控制逻辑单元；21、防浪涌电路；22、低通滤波电路；23、第一整流滤波电路；24、MOS管及驱动电路；25、高频变压器；26、光耦单元；27、输出控制电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

一种保护电路10，如图1所示，用于保护反激开关电源电路，负荷单元1和电流限制单元2；

所述负荷单元1一端连接工作电压的输入端，所述负荷单元1的另一端连接电压输出端，所述负荷单元1连接所述电流限制单元2；

所述负荷单元1内设置基准信号，所述负荷单元1还会产生采样电流信号，将所述采样电流信号和所述基准信号进行比较，来控制负荷单元1的导通和关闭。

更进一步地，如图3所示，为了能更精确的明细负荷单元的工作过程和电流流动方向，所述负荷单元1包括负荷开关单元11、电流采样单元12和控制逻辑单元13；

所述负荷开关单元11一端连接工作电压的输入端，所述负荷开关单元11一端连接电压输出端；

所述电流采样单元12一端连接工作电压的输入端，所述电流采样单元12另一端连接所述控制逻辑单元13，所述控制逻辑单元13得到电流信号；

所述控制逻辑单元13内设有电流基准信号值，所述电流限制单元2连接所述控制逻辑单元13，所述控制逻辑单元13连接所述负荷开关单元11；

所述控制逻辑单元13将得到的所述电流信号与基准信号进行比较，来控制负荷开关单元11的导通和关闭。

如图5所示，图5为负荷单元的结构示意图，图中给出了负荷开关单元11、电流采样单元12和控制逻辑单元13的具体连接关系以及其外围电路的组成。

更进一步地，在本实施例中，所述负荷开关单元11为MOS管，更确切的说是N沟道MOS管，所述MOS管的D极连接工作电压的输入端，所述MOS管的S极连接电压输出端，所述MOS管的G极连接所述控制逻辑电路；所述负荷开关单元11采用导通阻抗极低的MOS管作为保护电路10的开关，电流采样单元12实时采样负荷开关单元11上通过的电流情况，并将得到的电流信号传递到控制逻辑单元13内。控制逻辑单元13与负荷开关单元11相连，控制逻辑单元13将得到的电流信号与基准信号做比较，通过逻辑关系判断、控制负荷开关单元11中MOS管的导通与关断。在检测电流信号未超过控制逻辑单元13设定基准信号时，负荷开关单元11中MOS管将一直导通；检测电流信号超过控制逻辑单元13设定基准信号时，负荷开关单元11中MOS管将一直关断，故障消除自动恢复；从而在“表计功能模块”发生短路、过载故障时，起到保护作用。控制逻辑单元13与电流限制单元2相连，电流限制单元2可以通过设置电阻的阻值大小改变控制逻辑单元13内部基准信号值的大小，进而改变保护电路10最大保护动作电流值。

所述电流限制单元为电位器，所述电位器串联所述控制逻辑单元，电位器的阻值可以改变，进而改变保护电路10最大保护动作电流值。

于另一实施例中，如图2所示，所述负荷单元为芯片UP1，其型号为MP5016H，所述电流限制单元为电位器，所述芯片UP1的4脚连接所述电位器，具体如图2所示，整个保护电路由芯片UP1，电位器RP1～RP2，电阻CP1～CP5，电感LP1组成，UP1内部集成负荷开关单元、N沟道MOS管漏极、Vcc脚与多路输出反激开关电源任意一路次级的整流滤波电路Vin相连对GND间接有储能电容CP5，6脚、7脚和8脚的引出端先并联电容CP3滤波，再与电感LP1相连输出电压Vout。Vout对GND并联电容CP4，电容CP3、电容CP4、电感LP1组成CLC滤波单元，用来降低Vout电压纹波。电流电阻单元RP2与芯片UP1的4脚相连用于改变保护电路10最大保护动作电流值。芯片UP1使能脚9脚上拉一电阻与Vin相连，10脚与8脚分别对GND并联电容CP2、电容CP1。

此实施例中通过设定电流电阻单元2的电阻RP2＝3.3K，将电路过流保护点精确设定在600mA±5％；表计功能模块4发生短路或过载故障时，芯片UP1，通过芯片UP1内部电流采样单元12检测，控制逻辑单元13控制断开负荷开关单元11的MOS管，同时UP1芯片内部其它功能将促使负荷开关单元11的MOS管进行2mS开通,700ms关断操作，极大降低电能表用多路输出反激开关电源次级短路、过载时的整机电源功耗，增加电源可靠性。

一种电能表用多路输出反激开关电源，如图3、4所示，包括保护电路10、整流滤波电路3和表计功能模块4；所述整流滤波电路3连接所述保护电路10中的负荷开关单元11，所述保护电路10的负荷开关单元11连接所述表计功能模块4，所述整流滤波电路3连接MOS管的D极，所述表计功能模块4连接MOS管的S极，所述负荷开关单元11采用导通阻抗极低的MOS管作为保护电路10的开关，电流采样单元12实时采样负荷开关单元11上通过的电流情况，并将得到的电流信号传递到控制逻辑单元13内。控制逻辑单元13与负荷开关单元11相连，控制逻辑单元13将得到的电流信号与基准信号做比较，通过逻辑关系判断、控制负荷开关单元11中MOS管的导通与关断。在检测电流信号未超过控制逻辑单元13设定基准信号时，负荷开关单元11中MOS管将一直导通；检测电流信号超过控制逻辑单元13设定基准信号时，负荷开关单元11中MOS管将一直关断，故障消除自动恢复；从而在表计功能模块4发生短路、过载故障时，起到保护作用。控制逻辑单元13与电流限制单元2相连，电流限制单元2可以通过设置电阻的阻值大小改变控制逻辑单元13内部基准信号值的大小，进而改变保护电路10最大保护动作电流值。

更具体的，电能表用多路输出反激开关电源还应该包括交流输入信号、防浪涌电路21、低通滤波电路22、第一整流滤波电路23、高频变压器25、MOS管及驱动电路24、光耦单元26和输出控制电路27；

所述交流输入信号连接防浪涌电路21，防浪涌电路21连接所述低通滤波电路22，所述低通滤波电路22连接所述高频变压器25的原边输入绕组，原边输入绕组连接所述MOS管及驱动电路24，所述MOS管及驱动电路24连接所述光耦单元26，所述光耦单元26连接所述输出控制电路27，所述高频变压器25的多个输出绕组分别连接所述整流滤波电路3，其中一个所述整流滤波电路3连接所述输出控制电路27。

更具体地，所述MOS管及驱动电路24包括功率MOS管和PWM控制器，所述光耦单元26为光耦，所述高频变压器25的原边输入绕组连接所述功率MOS管，所述PWM控制器连接所述光耦。

在此实施例中，所述输出控制电路27包括输出稳压控制电路、输出过流保护电路和输出短路保护电路，所述输出稳压控制电路、输出过流保护电路和输出短路保护电路分别连接整流滤波电路3。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种保护电路，用于保护反激开关电源电路，其特征在于，负荷单元和电流限制单元；

所述负荷单元一端连接工作电压的输入端，所述负荷单元的另一端连接电压输出端，所述负荷单元连接所述电流限制单元；

所述负荷单元内设置基准信号，所述负荷单元还会产生采样电流信号，将所述采样电流信号和所述基准信号进行比较，来控制负荷单元的导通和关闭。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述负荷单元包括负荷开关单元、电流采样单元和控制逻辑单元；

所述负荷开关单元一端连接工作电压的输入端，所述负荷开关单元一端连接电压输出端；

所述电流采样单元一端连接工作电压的输入端，所述电流采样单元另一端连接所述控制逻辑单元，所述控制逻辑单元得到电流信号；

所述控制逻辑单元内设有电流基准信号值，所述电流限制单元连接所述控制逻辑单元，所述控制逻辑单元连接所述负荷开关单元；

所述控制逻辑单元将得到的所述电流信号与基准信号进行比较，来控制负荷开关单元的导通和关闭。

3.根据权利要求2所述的保护电路，其特征在于，所述负荷开关单元为MOS管，所述MOS管的D极连接工作电压的输入端，所述MOS管的S极连接电压输出端，所述MOS管的G极连接所述控制逻辑电路。

4.根据权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述电流限制单元为电位器，所述电位器串联所述控制逻辑单元。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的保护电路，其特征在于，所述负荷单元为芯片UP1，其型号为MP5016H，所述芯片UP1的4脚连接所述电位器。

6.一种电能表用多路输出反激开关电源，其特征在于，包括权利要求1所述的保护电路、整流滤波电路和表计功能模块；

所述整流滤波电路连接所述保护电路中的负荷开关单元，所述保护电路的负荷开关单元连接所述表计功能模块。

7.根据权利要求6所述的电能表用多路输出反激开关电源，其特征在于，所述整流滤波电路连接MOS管的D极，所述表计功能模块连接MOS管的S极。

8.根据权利要求6所述的电能表用多路输出反激开关电源，其特征在于，还包括交流输入信号、防浪涌电路、低通滤波电路、第一整流滤波电路、高频变压器、MOS管及驱动电路、光耦单元和输出控制电路；

所述交流输入信号连接防浪涌电路，防浪涌电路连接所述低通滤波电路，所述低通滤波电路连接所述高频变压器的原边输入绕组，原边输入绕组连接所述MOS管及驱动电路，所述MOS管及驱动电路连接所述光耦单元，所述光耦单元连接所述输出控制电路，所述高频变压器的多个输出绕组分别连接所述整流滤波电路，其中一个所述整流滤波电路连接所述输出控制电路。

9.根据权利要求8所述的电能表用多路输出反激开关电源，其特征在于，所述MOS管及驱动电路包括功率MOS管和PWM控制器，所述光耦单元为光耦，所述高频变压器的原边输入绕组连接所述功率MOS管，所述PWM控制器连接所述光耦。

10.根据权利要求8所述的电能表用多路输出反激开关电源，其特征在于，所述输出控制电路包括输出稳压控制电路、输出过流保护电路和输出短路保护电路，所述输出稳压控制电路、输出过流保护电路和输出短路保护电路分别连接整流滤波电路。