CN108306254A - 一种隔离保护电路及包含该电路的开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离保护电路及包含该电路的开关电源，所述的隔离保护电路包括：N个系统采集模块、参考电压模块、N个比较判断模块、隔离模块、控制模块、N个输入端和输出端；各系统采集模块采集开关电源各路的输出电压并输出各路采样信号至对应的比较判断模块，参考电压模块输出参考电压至各比较判断模块，各比较判断模块将各路采样信号与参考电压进行比较判断后输出控制信号，隔离模块选择将其中的低电平控制信号从隔离模块的第一边传输到隔离模块的第二边后输出至控制模块，并由控制模块的输出端输出低电平信号；所述的隔离保护电路应用于开关电源后能提高了系统的可靠性。

Description

一种隔离保护电路及包含该电路的开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源领域，具体的，涉及需隔离的开关电源中单路输出或者多路输出过载或者短路的保护控制。

背景技术

目前，开关电源占据着电源行业的主要市场，客户的需求不单单是单路输出，更多的是要求多路输出，因安规要求，开关电源一般要采用变压器隔离来保护用户的安全，故在隔离单路或者多路输出开关电源中，过载保护与短路保护对用户负载显得尤其重要。

针对单路输出的开关电源，在控制芯片没有过载保护与短路保护功能的情况下，或者控制芯片有该保护功能但因工作异常而该功能失效的情况下，单路输出则不能实现有效的过载或者短路保护，或者不能实现电路过载和短路的双重保护。

针对多路输出的开关电源，当在电路输出过载或者短路情况下，多路输出电路中的主路输出可通过闭环(隔离反馈)而获得主路控制芯片的过载或者短路保护，但辅路输出(一般指输出辅路较多且绕组之间漏感较大，或者为提高辅路电压精度会串联BUCK或其他拓扑结构的辅路输出)为开环因而不能在电路异常情况下得到有效保护，实现不了每一路输出获得过载或者短路保护。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种隔离保护电路及包含该电路的开关电源，实现单路与多路输出开关电源系统各路输出在过载或者短路时均能实现自我保护，提高产品的可靠性。

本发明提供的隔离保护控制电路的技术方案如下：

一种隔离保护电路，其特征在于：

包括：N个系统采集模块、参考电压模块、N个比较判断模块、隔离模块、控制模块、N个输入端和输出端，N为大于或等于1的自然数；

其连接关系为：N个系统采集模块的输入端即为隔离保护控制电路的N个输入端，各系统采集模块的输出端与对应的比较判断模块的正向输入端连接，参考电压模块的输出端与各比较判断模块的负向输入端连接，参考电压模块的输入端用于输入供电电源；各比较判断模块的输出端与隔离模块的第一边输入端连接；隔离模块的第二边输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端即为隔离保护控制电路的输出端；

各系统采集模块采集开关电源各路的输出电压并输出各路采样信号至对应的比较判断模块，参考电压模块输出参考电压至各比较判断模块，各比较判断模块将各路采样信号与参考电压进行比较判断后输出控制信号，隔离模块选择将其中的低电平控制信号从隔离模块的第一边传输到隔离模块的第二边后输出至控制模块，并由控制模块的输出端输出低电平信号。

作为上述技术方案的改进，各比较判断模块的输出端与隔离模块的第一边输入端之间还各连接有防串扰模块，各防串扰模块用于防止各比较判断模块输出的控制信号相互干扰。

作为上述技术方案的改进，参考电压还连接有延时模块，延时模块用于保持参考电压的建立时间与各路采样信号电压的建立时间一致。

优选的，各参考电压模块包括两只串联的电阻,串联后的一端为参考电压模块的输入端，串联后的另一端接输出地，串联后的连接点为参考电压模块的输出端。

优选的，各系统采集模块包括两只串联的电阻,串联后的一端为系统采集模块的输入端，串联后的另一端接输出地，串联后的两个端连接点为系统采集模块的输出端。

优选的，各比较判断模块为比较器，比较器的同向输入端为其正向输入端，比较器的反向输入端为其负向输入端，比较器的输出端为其输出端。

优选的，各防串扰模块为二极管，二极管的阳极连接对应的隔离模块的第一边输入端，二极管的阴极连接对应的比较判断模块的输出端。

优选的，延时模块为由电阻和电容串联构成的两端子网络，或单独由电容构成的两端子网络，两端子网络的一端用于输入供电电源，两端子网络的另一端连接参考电压模块。

优选的，隔离模块包括光电耦合器，光电耦合器的二极管阴极串联电阻后为其第一边输入端，光电耦合器的三极管发射极串联电阻后为其第二边输出端。

优选的，控制模块包括开关管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1；其中电阻R1第一端为控制模块的输出端，电阻R1第二端连接开关管Q1的集电级；电阻R2第一端连接电容C1的正极，电阻R2第二端连接开关管的基极；电阻R3第一端连接开关管Q1的基极，电阻R3第二端连接开关管Q1的发射集；电容C1的正极连接隔离模块的第二边输出端，电容C1的负极同时连接开关管Q1的发射集和输入地。

优选的，控制模块的电容C1可由电解电容构成，也可由贴片电容构成。

优选的，控制模块开关管Q1可由三极管构成，也可由MOS管构成。

此外，本发明还提供包含上述隔离保护电路的开关电源，如下：

隔离保护电路的N个输入端与开关电源的N个输出端正端连接，隔离保护电路的输出端与开关电源控制芯片的FB引脚、GATE引脚、VCC引脚或者输入低电平时控制芯片停止工作的引脚连接。

术语解释：

FB引脚：即反馈引脚，控制芯片用于输入反馈信号，使得控制芯片启动工作或者停止工作的引脚。

GATE引脚：即驱动输出引脚，控制芯片通过该引脚产生PWM驱动信号。

VCC引脚：即电压输入引脚，控制芯片正常工作的供电电压由该引脚输入，该引脚输入为高电平时控制芯片正常工作，该引脚输入为低电平时控制芯片停止工作。

本发明的有益效果如下：

1、隔离保护电路内置的N个系统采集模块和N个参考电压模块，对于单路输出的开关电源和多路输出的开关电源的主路可以实现双重加强保护功能，对于多路输出的开关电源的辅路也额外获得了保护，提高了系统的可靠性；

2、增加的防串扰模块可防止各比较判断模块输出的控制信号相互干扰，实现开关电源只要有1路输出异常即可触发保护功能，进一步提高了系统的可靠性；

3、增加的延时模块能防止参考电压的建立优先于各路采样信号电压的建立，避免开关电源在启机阶段时各比较判断模块误判影响电路的正常使用；

4、各功能模块具体的实现方案简单，实施成本低廉。

附图说明

图1为一种隔离保护电路的框图；

图2为实施例一的隔离保护电路；

图3为实施例二的隔离保护电路。

具体实施方式

如图1所示为本发明隔离保护电路的原理框图，包括隔离模块A，延时模块B，参考电压模块C，N个系统采集模块D1、D2至DN，N个比较判断模块E1、E2至EN，N个防串扰模块F1、F2至FN，控制模块G，N个输入端和输出端，N为大于或等于1的自然数；

其连接关系为：N个系统采集模块的输入端即为隔离保护控制电路的N个输入端，各系统采集模块的输出端与对应的比较判断模块的正向输入端连接，参考电压模块的输出端与各比较判断模块的负向输入端连接，参考电压模块的第一输入端用于输入供电电源VCCC，参考电压模块的第二输入端连接延时模块的输出端，延时模块的输入端用于输入供电电源VCCD；各比较判断模块的输出端与对应的防串扰模块的输入端连接，各防串扰模块的输出端与隔离模块的第一边输入端连接；隔离模块的第二边输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端即为隔离保护控制电路的输出端。

各系统采集模块采集开关电源各路的输出电压并输出各路采样信号至对应的比较判断模块，参考电压模块输出参考电压至各比较判断模块，各比较判断模块将各路采样信号与参考电压进行比较判断后输出控制信号至各防串扰模块，各防串扰模块将对应的控制信号进行防干扰处理后输出至隔离模块，隔离模块选择将其中的低电平控制信号从隔离模块的第一边传输到隔离模块的第二边后输出至控制模块，并由控制模块的输出端输出低电平信号；延时模块会保持参考电压的建立时间与各路采样信号电压的建立时间一致。

上述隔离保护电路的工作原理如下：

当系统正常稳定工作时，各比较判断模块通过对各系统采集模块与参考电压模块输入的电压进行比较判断并输出高电平，此时各防串扰模块输出为高电平，致使隔离模块不能正常工作，从而使隔离模块第二边输出端的控制模块不受其第一边输入端输入的高电平的影响而输出正常电平；当系统输出过载或短路时，各比较判断模块通过对各系统采集模块与参考电压模块输入的电压进行比较判断并输出低电平，此时防串扰模块输出亦为低电平，致使隔离模块正常工作，从而使隔离模块第二边输出端的控制模块受其第一边输入端输入的低电平的影响而输出低电平，使开关电源控制芯片停止工作从而保护了电源模块的用户负载。

当系统起机工作时，为防止参考电压模块输出的参考电压的建立时间优先于各系统采集模块输出的采样电压的建立时间，上述原理框图设计了延时电路，延时电路能使参考电压模块输出的参考电压的建立时间与各系统采集模块输出的采样电压的建立时间保持一致，从而抑制了在电路起机阶段时比较判断模块的误判而影响了电路的正常使用。

需要说明的是，上述图2示出的是本申请最佳的原理框图，其中的延时模块和防串扰模块也可以全部没有或择一没有，此时将导致其应用的开关电源性能有所下降，这在对开关电源性能要求不高的场合也是可以实施的。

为了使本发明更加清楚明白，以下结合具体的实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例针对的是开关电源的输出为单路的情况，其需要的隔离保护电路如图2所示，此时N＝1,各模块具体构成如下：

延时模块由电阻R6和电容C2串联构成两端子网络，两端子网络的一端用于输入供电电源，两端子网络的另一端连接参考电压模块，本实施例延时模块直接由开关电源的输出端正端供电。其中的电阻R6和电容C2为串联关系，位置可以调换，这对于本领域的技术人员而言是公知常识。

参考电压模块包括两只串联的电阻R7和R8,串联后的一端为参考电压模块的输入端，串联后的另一端接输出地，串联后的连接点为参考电压模块的输出端，本实施例参考电压模块的输入端直接连接开关电源的输出端正端,输入的电压记为+Vo，该输入电压+Vo通过电阻R8、电阻R7分压记为Vref。

系统采集模块包括两只串联的电阻R11和R21,串联后的一端为系统采集模块的输入端，串联后的另一端接输出地，串联后的两个端连接点为系统采集模块的输出端，本实施例系统采集模块的输入端连接开关电源的输出端正端,输入的电压为+Vo，该输入电压+Vo通过电阻R8、电阻R7分压记为Vin+。

比较判断模块为比较器U1，比较器U1的同向输入端为其正向输入端，比较器U1的反向输入端为其负向输入端，比较器U1的输出端为其输出端。

防串扰模块为二极管D1，二极管D1的阳极连接隔离模块的第一边，二极管D1的阴极连接对应的比较判断模块的输出端。

隔离模块包括光电耦合器OP1，光电耦合器OP1的二极管阴极为其第一边输入端，光电耦合器OP1的三极管发射极为其第二边输出端，光电耦合器OP1的二极管阳极串联电阻R4后输入供电电源VCC1，光电耦合器OP1的三极管集电极串联电阻R5后直接由开关电源的输出端正端供电。

控制模块包括开关管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1；其中电阻R1第一端为控制模块的输出端，该输出端连接开关电源控制芯片的控制端(即图2中的IC控制端)，电阻R1第二端连接开关管Q1的集电级；电阻R2第一端连接电容C1的正极，电阻R2第二端连接开关管的基极；电阻R3第一端连接开关管Q1的基极，电阻R3第二端连接开关管Q1的发射集；电容C1的正极连接隔离模块的第二边输出端，电容C1的负极同时连接开关管Q1的发射集和输入地。

在系统正常稳定工作时，比较器U1将参考电压Vref与采样电压Vin+进行比较，比较器U1输出为高电平，二极管D1的阳极电压也为高电平，光耦OP1不能正常工作，开关管Q1的基极无法提供开启电压而处于截止状态，开关电源控制芯片的控制端的输出电平为高电平，不影响电路的正常使用。

在系统输出为过载或者短路时，采样电压Vin+此时为0V，比较器U1将参考电压Vref与采样电压Vin+进行比较，比较器U1输出为低电平，二极管D1的阳极电压也为低电平，光耦OP1正常工作，隔离模块第二边的参考电压Vcc1通过电阻R4、光耦OP1内部的三极管为电容C1充电，当电容C1端电压达到V_R2+V_Q1be(on)时，开关管Q1饱和导通，开关电源控制芯片的控制端的电平被拉低于地，从而使开关电源的控制芯片停止工作，有效的保护了开关电源的用户负载不受损坏。

实施例二

实施例二针对的是开关电源的输出为多路的情况，其隔离保护电路如图3所示，较实施例一的不同之处在于：系统采集模块、比较判断模块和防串扰模块有多个，即N大于或等于2。

此时各路系统采集模块分别由电阻R11和R21、R12和R22、…、R1N和R2N组成；各比较判断模块分别由U1、U2、…、UN组成；各防串扰模块分别由D1、D2、…、DN组成；各路系统采集模块、比较判断模块和防串扰模块的连接关系和实施例一对应相同，在此不赘述。

在系统正常稳定工作时，比较器U1将参考电压Vref与采样电压V1in+、采样电压V2in+、…、采样电压Vnin+进行比较，比较器U1、比较器U2、…、比较器Un输出皆为高电平，二极管D1、二极管D2、…、二极管Dn的阳极电压也皆为高电平，光耦OP1不能正常工作，开关管Q1的基极无法提供开启电压而处于截止状态，开关电源控制芯片的控制端的输出电平为高电平，不影响电路的正常使用。

在系统某一路输出或者全部输出处于过载或者短路状态时，异常输出路相应的采样电压(为方便分析，直接记为Vnin+)此时为0V，对应的比较器Un将参考端电压Vref与采样电压Vnin+进行比较，比较器Un输出为低电平，二极管Un的阳极电压也为低电平，光耦OP1正常工作，隔离模块第二边的参考电压Vcc1通过电阻R4、光耦OP1内部的三极管为电容C1充电，当电容C1端电压达到V_R2+V_Q1be(on)时，开关管Q1饱和导通，控制模块输出低电平，开关电源控制芯片的控制端的电平被拉低于地，从而使开关电源的控制芯片停止工作，有效的保护了开关电源的用户负载不受损坏。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明中具体实施电路还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (13)

1.一种隔离保护电路，其特征在于：

包括：N个系统采集模块、参考电压模块、N个比较判断模块、隔离模块、控制模块、N个输入端和输出端，N为大于或等于1的自然数；

其连接关系为：N个系统采集模块的输入端即为隔离保护控制电路的N个输入端，各系统采集模块的输出端与对应的比较判断模块的正向输入端连接，参考电压模块的输出端与各比较判断模块的负向输入端连接，参考电压模块的输入端用于输入供电电源；各比较判断模块的输出端与隔离模块的第一边输入端连接；隔离模块的第二边输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端即为隔离保护控制电路的输出端；

各系统采集模块采集开关电源各路的输出电压并输出各路采样信号至对应的比较判断模块，参考电压模块输出参考电压至各比较判断模块，各比较判断模块将各路采样信号与参考电压进行比较判断后输出控制信号，隔离模块选择将其中的低电平控制信号从隔离模块的第一边传输到隔离模块的第二边后输出至控制模块，并由控制模块的输出端输出低电平信号。

2.根据权利要求1所述的隔离保护电路，其特征在于：各比较判断模块的输出端与隔离模块的第一边输入端之间还各连接有防串扰模块，各防串扰模块用于防止各比较判断模块输出的控制信号相互干扰。

3.根据权利要求1所述的隔离保护电路，其特征在于：参考电压还连接有延时模块，延时模块用于保持参考电压的建立时间与各路采样信号电压的建立时间一致。

4.根据权利要求1所述的隔离保护电路，其特征在于：各参考电压模块包括两只串联的电阻,串联后的一端为参考电压模块的输入端，串联后的另一端接输出地，串联后的连接点为参考电压模块的输出端。

5.根据权利要求1所述的隔离保护电路，其特征在于：各系统采集模块包括两只串联的电阻,串联后的一端为系统采集模块的输入端，串联后的另一端接输出地，串联后的两个端连接点为系统采集模块的输出端。

6.根据权利要求1所述的隔离保护电路，其特征在于：各比较判断模块为比较器，比较器的同向输入端为其正向输入端，比较器的反向输入端为其负向输入端，比较器的输出端为其输出端。

7.根据权利要求2所述的隔离保护电路，其特征在于：各防串扰模块为二极管，二极管的阳极连接对应的隔离模块的第一边输入端，二极管的阴极连接对应的比较判断模块的输出端。

8.根据权利要求3所述的隔离保护电路，其特征在于：延时模块为由电阻和电容串联构成的两端子网络，或单独由电容构成的两端子网络，两端子网络的一端用于输入供电电源，两端子网络的另一端连接参考电压模块。

9.根据权利要求1所述的隔离保护电路，其特征在于：隔离模块包括光电耦合器，光电耦合器的二极管阴极串联电阻后为其第一边输入端，光电耦合器的三极管发射极串联电阻后为其第二边输出端，光电耦合器的二极管阳极和光电耦合器的三极管集电极均串联电阻后形成输入供电电源的端口。

10.根据权利要求1所述的隔离保护电路，其特征在于：控制模块包括开关管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1；其中电阻R1第一端为控制模块的输出端，电阻R1第二端连接开关管Q1的集电级；电阻R2第一端连接电容C1的正极，电阻R2第二端连接开关管的基极；电阻R3第一端连接开关管Q1的基极，电阻R3第二端连接开关管Q1的发射集；电容C1的正极连接隔离模块的第二边输出端，电容C1的负极同时连接开关管Q1的发射集和输入地。

11.根据权利要求10所述的隔离保护电路，其特征在于：控制模块的电容C1可由电解电容构成，也可由贴片电容构成。

12.根据权利要求10所述的隔离保护电路，其特征在于：控制模块开关管Q1可由三极管构成，也可由MOS管构成。

13.一种包括权利要求1至12任一项所述隔离保护电路的开关电源，其特征在于：隔离保护电路的N个输入端与开关电源的N个输出端正端连接，隔离保护电路的输出端与开关电源控制芯片的FB引脚、GATE引脚、VCC引脚或者输入低电平时控制芯片停止工作的引脚连接。