CN109950878A - 一种用于dc/dc变换器自恢复保护电路及过压保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路及过压保护方法，该电路包括分压采样单元、比较单元、控制单元和驱动单元，以及串联在DC/DC变换器前端输入电源线上的开关管。分压采样单元采样DC/DC变换器的输出电压，当输出电压值超过设定的保护比较电压时，控制单元输出低电平，使串联开关管关断，实现过压保护；当输出电压值正常时，控制单元输出高电平，开关管导通，保证正常输入。通过本电路控制串联开关管导通与关断，实现输入输出直接串联等故障引起的过压保护，有效地防止故障蔓延；通过配置不同的采样比例，使得不同电压等级都能利用该保护电路实现过压保护。在故障排除后，保护功能自动恢复，保证主电路的长期可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路及过压保护方法。
背景技术
随着各种家居越来越普及，其中的DC/DC变换器的耐用性和可靠性逐渐成为人们所关心的问题。在DC/DC变换器中最常见也是最危险的故障就是模块输出电压过高的故障，会烧毁整个应用电路，产生严重的后果。输出过压保护是开关电源中一个非常重要的组成部分，特别是对于降压型直流开关变换器。因为它的应用环境多为输出为低压大电流，负载为大量的输入电压为5V或者3.3V的逻辑器件。如果在工作时，开关电源的功率管因为某种原因突然损坏，那么输出电压可能立即上升到未稳压的直流电源电压值，例如在降压电路中，输入范围最高可达23V，直接加到低压逻辑器件的两端可能会使某些逻辑器件直接烧毁，造成巨大的损失。
DC/DC变换器是一个闭环反馈系统，对于不同电路拓扑引起输出过压的故障点不尽相同。例如对于非隔离的BUCK变换器，其串联的功率MOSFET管一旦漏源极短路，输入电压会直接串到输出端。又如采用磁隔离采样加输出二次稳压的多路输出DC/DC变换器，用于二次稳压的三端稳压器输入输出短路，也会导致输出过压。对于一般DC/DC变换器，脉宽调制器基准电压漂移，由于输出电压和该基准电压比较产生误差信号来控制闭环输出电压，基准电压向高漂移会导致输出电压也向高漂移。此外，脉宽调制器失效导致高电压输出，正常时脉宽调制器的误差放大器输出电压取决于误差信号的大小，失效后该电压持续高电平输出，导致占空比增大，使输出过压。如果电压采样的反馈线路的开路，相当于反馈电阻开路，电源将工作于开环状态，输出电压也会升高。
输出过压保护的传统保护以片外保护电路实现的方式居多。一般输出过压保护可以采取强制法，即通过TVS管箝位和快速断路来实现。可以通过在输出端根据过压保护的阈值电压的不同，并联不同的齐纳二极管实现不同功能的保护，当输出电压过压高于阈值电压时，齐纳二极管反向击穿，产生过电流通过电路保护器将输入切断，对负载进行保护。如图1和图2所示，通过在输出端接TVS管或可控硅来实现箝位输出，该电路在输入电压直接串到输出电压的情况下需要选用高耐压TVS管和晶闸管并且不能及时断开输入电源与负载的连接。如图3所示是基于PWM的输出限压保护电路实现图，该电路在DC/DC变换器功率管MOS漏源极短路时无法正常调节，实现不了锁死功能，输入电压直接串入到输出端时实现不了保护。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路及过压保护方法，可以迅速可靠地实现输入电压直接串到输出端时输出过压保护和其它故障引起的过压保护，防止故障蔓延；并且主电路故障排除后重新正常工作，保护功能自动恢复，实现主电路的长期可靠运行。
根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路，所述的自恢复过压保护电路包括分压采样单元1、比较单元2、控制单元3、驱动单元4以及串联在DC/DC变换器5前端输入电源线上的开关管Q1，所述的分压采样单元1包括电阻R7和电阻R8，其中，电阻R7的一端连接至DC/DC变换器5的正输出端，另一端连接至电阻R8和比较单元中稳压二极管ZD3负极，电阻R8的另一端连接至DC/DC变换器5的负输出端及电源地线；
所述的比较单元2，包括稳压二极管ZD3、滤波电容C2以及由电阻R5、电阻R6组成的分压电路，其中，所述的稳压二极管ZD3负极连接至分压采样单元1中电阻R7和电阻R8的连接点，稳压二极管ZD3正极接入由电阻R5、电阻R6组成的分压电路；滤波电容C2与电阻R6并联，一端接地，另一端接稳压二极管ZD3正极；电阻R5一端连接至稳压二极管ZD3正极，另一端连接至控制单元3；
所述的控制单元3，包括半可控晶闸管SCR、稳压二极管ZD2、限流电阻R3和限流电阻R4，其中，所述的半可控晶闸管SCR控制极接电阻R5，阴极接地，阳极分别与限流电阻R3、限流电阻R4、稳压二极管ZD2负极连接，稳压二极管ZD2正极接地；限流电阻R4的另一端连接至输入电源线和开关管Q1的源极，限流电阻R3的另一端连接至驱动单元4中开关管Q2的栅极；
所述的驱动单元4，包括限流电阻R2、开关管Q2、稳压二极管ZD1、电容C1、电阻R1，其中，开关管Q2源极接地，栅极接限流电阻R3，漏极接限流电阻R2；开关管Q1源极连接至输入电压正输入线上，漏极连接至DC/DC变换器5的正输入端，稳压二极管ZD1的正极接开关管Q1栅极，稳压二极管ZD1的负极接开关管Q1源极，电容C1和电阻R1并联接在稳压二极管ZD1两端。
进一步地，当DC/DC变换器5输出正常时，输出过压保护不起作用，电压分压采样值Vsample小于稳压二极管ZD3的阈值电压Vthreshold，处于比较单元2中的稳压二极管ZD3不导通，流经电阻R6的电压为0，可控晶闸管SCR关断，此时开关管Q2栅极电压与稳压二极管ZD2电压为高电平，开关管Q2导通，使得输入电压经电阻R1和电阻R2分压后得到的开关管Q1栅极电压为高电平，即控制单元3输出高电平导通信号，使得开关管Q1导通，将输入电源接入DC/DC变换器5，保护电路不影响主电路的正常输出；
当DC/DC变换器5输出电压升高，电压分压采样值Vsample大于稳压二极管ZD3的阈值电压Vthreshold，稳压二极管ZD3击穿导通，可控晶闸管SCR门极得电触发导通，随后使开关管Q2栅极电压直接连到地，开关管Q2断开，使得输入电压经电阻R1和电阻R2分压后得到的开关管Q1栅极电压为低电平，即控制单元3输出低电平关断信号，使得开关管Q1断开，将输入电源与DC/DC变换器5断开，停止整个电源电路的工作，从而保护DC/DC变换器和后级设备免受高压冲压而损坏元器件。
主电路故障排除后重新正常工作，保护功能自动恢复，实现主电路的长期可靠运行。
进一步地，所述的分压采样单元1经分压采样得到的电压值为其中Vo为DC/DC变换器的输出，可针对不同类型的DC/DC变换器，升压输出时采样增益较小，降压输出时采样增益较大，配合拥有不同Vthreshold规格的稳压管，可实现比较灵活的过压保护。
进一步地，所述的DC/DC变换器是单向非隔离DC/DC变换器。
进一步地，所述的保护自动恢复功能是通过稳压二极管ZD3实现的。
进一步地，所述的开关管Q1为P沟道MOS管，开关管Q2为N沟道MOS管。
根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种用于DCDC变换器自恢复保护电路的过压保护方法，所述的过压保护方法包括：
输出电压分压采样信号产生及传输步骤：分压采样单元1采样输出电压并输出采样信号到比较单元2；
比较信号产生及传输步骤：比较单元2接收到所述的采样信号后进行比较，产生相应比较信号，并输出给控制单元3；
控制信号产生及传输步骤：控制单元3接收到所述的比较信号后，根据比较信号输出相应的控制信号给驱动单元4；
驱动信号产生及传输步骤：驱动单元4接收到所述的控制信号后，将控制信号放大并驱动开关管Q1；
当DC/DC变换器5输出电压发生过压时，触发过压保护产生步骤如下：分压采样单元1采样到输出电压信号后，将采样信号送至比较单元2进行比较后输出高电平比较信号，待控制单元3收到该比较信号后将低电平关断控制信号输出至驱动单元4，驱动单元4将该信号放大后送至开关管Q1，使得开关管Q1断开进而将输入电源与DC/DC变换器5断开，停止整个电源电路的工作，从而保护DC/DC变换器和后级设备免受高压冲压而损坏元器件；
当DC/DC变换器5输出电压恢复正常时，触发输出过压保护恢复步骤如下：分压采样单元1采样到输出电压信号后，将采样信号送至比较单元2进行比较后输出低电平比较信号，待控制单元3收到该比较信号后将高电平导通控制信号输出至驱动单元4，驱动单元4将该信号放大后送至开关管Q1，使得开关管Q1导通进而使电源接入到DC/DC变换器5，保护电路不影响主电路的正常输出，保证主电路的长期可靠运行。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明通过控制DC/DC变换器外部输入电源线上的开关管的关断来实现输出过压保护。输出过压时，输入电源与负载断开，同时保护DC/DC变换器和负载，避免故障蔓延。
(2)应用于非隔离DC/DC变换器能有效保护功率MOS管漏源极短路时输入电压直接串到输出端而引起的输出电压升高造成的后级设备损坏。
(3)该保护方法简单有效实用，对故障具有较快的响应速度，并且十分可靠，在故障排除后能自动恢复，能够长期可靠的保证DC/DC变换器正常运行。
(4)通过配置不同的采样比例，拓宽了该保护方法的适用场合，使得各个电压等级都能利用该保护方法实现过压保护，增强了DC/DC变换器的可靠性。
附图说明
图1是现有技术中输出端接稳压管的输出过压保护电路；
图2是现有技术中输出端晶闸管的输出过压保护电路；
图3是现有技术中基于PWM的输出限压保护电路；
图4是本发明中公开的一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路的电路结构图；
图5为本发明所述的一种用于DC/DC变换器自恢复过压保护方法的结构框图。
图6是本发明中公开的一种用于DC/DC变换器自恢复过压保护方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种用于DCDC变换器自恢复保护电路，如图4所示，该实施例中一种用于DC/DC变换器自恢复过压保护电路，包括分压采样单元1、比较单元2、控制单元3和驱动单元4，以及串联在DC/DC变换器5前端输入电源线上的开关管Q1。
其中，分压采样单元1，包括电阻R7和电阻R8；其中电阻R7的一端连接至DC/DC变换器5的正输出端，电阻R7的另一端连接至电阻R8和稳压二极管ZD3负极，电阻R8的另一端连接至DC/DC变换器5的负输出端及电源地线。
其中，比较单元2，包括稳压二极管ZD3、滤波电容C2以及由电阻R5、电阻R6组成的分压电路；其中，稳压二极管ZD3负极连接至分压采样单元1中电阻R7和电阻R8的连接点，稳压二极管ZD3正极接入由电阻R5、电阻R6组成的分压电路；滤波电容C2与电阻R6并联，一端接地，另一端接稳压二极管ZD3正极；电阻R5一端连接至稳压二极管ZD3正极，另一端连接至控制单元3。
其中，控制单元3，包括半可控晶闸管SCR、稳压二极管ZD2、限流电阻R3和限流电阻R4；其中，半可控晶闸管SCR控制极接电阻R6，阴极接地，阳极分别与限流电阻R3、限流电阻R4、稳压二极管ZD2负极连接，稳压二极管ZD2正极接地；限流电阻R4的另一端连接至输入电源线和开关管Q1源极，限流电阻R3的另一端连接至开关管Q2的栅极。
其中，驱动单元4，包括限流电阻R2、开关管Q2、稳压二极管ZD1、电容C1、电阻R1；其中，开关管Q2源极接地，栅极接限流电阻R3，漏极接限流电阻R2；开关管Q1源极连接至输入电压正输入线上，漏极连接至DC/DC变换器5的正输入端，稳压二极管ZD1的正极接开关管Q1栅极，稳压二极管ZD1的负极接开关管Q1源极，电容C1和电阻R1并联接在稳压二极管ZD1两端。
在本实施例中，当DC/DC变换器5输出正常时，输出过压保护不起作用，电压分压采样值Vsample小于稳压二极管ZD3的阈值电压Vthreshold，处于比较单元2中的稳压二极管ZD3不导通，流经电阻R6的电压为0，可控晶闸管SCR关断，此时开关管Q2栅极电压为稳压二极管ZD2电压，为高电平，开关管Q2导通，使得输入电压经R1和R2分压后得到的开关管Q1栅极电压为高电平，即控制单元3输出高电平导通信号，开关管Q1导通，将输入电源接入DC/DC变换器5，保护电路不影响主电路的正常输出；
当DC/DC变换器5输出电压升高，电压分压采样值Vsample大于稳压二极管ZD3的阈值电压Vthreshold，稳压二极管ZD3击穿导通，可控晶闸管SCR门极得电触发导通，随后使开关管Q2栅极电压直接连到地，开关管Q2断开，使得输入电压经电阻R1和电阻R2分压后得到的开关管Q1栅极电压为低电平，即控制单元3输出低电平关断信号，开关管Q1断开，将输入电源与DC/DC变换器5断开，停止整个电源电路的工作，从而保护DC/DC变换器和后级设备免受高压冲压而损坏元器件。
主电路故障排除后重新正常工作，保护功能自动恢复，实现主电路的长期可靠运行。
其中，分压采样单元1经分压采样得到的电压值为其中Vo为DC/DC变换器的输出，可针对不同类型的DC/DC变换器，升压输出时采样增益较小，降压输出时采样增益较大，配合拥有不同Vthreshold规格的稳压管，可实现比较灵活的过压保护。
其中，DC/DC变换器是单向非隔离DC/DC变换器。
其中，保护自动恢复功能是通过稳压二极管ZD3实现的。所述的开关管Q1为P沟道MOS管，开关管Q2为N沟道MOS管。
实施例二
本实施例公开了一种用于DCDC变换器自恢复保护电路的过压保护方法，如图5和图6所示，为一种用于DC/DC变换器自恢复过压保护电路的结构框图和过压保护方法的流程图，该过压保护方法基于上述的过压保护电路，包括以下步骤：
输出电压分压采样信号产生及传输步骤S11：分压采样单元1采样输出电压并输出采样信号到比较单元2；
比较信号产生及传输步骤S12：比较单元2接收到所述的采样信号后进行比较，产生相应比较信号，并输出给控制单元3；
控制信号产生及传输步骤S13和S14：控制单元3接收到所述的比较信号后，根据比较信号输出相应的控制信号给驱动单元4；
驱动信号产生及传输步骤S15：驱动单元4接收到所述的控制信号后，将控制信号放大并驱动开关管Q1；
其中，DC/DC变换器5输出电压发生过压时，所述的触发过压保护产生步骤为：包括S11、S12、S13和S14四个步骤，分压采样单元1采样到输出电压信号后，将采样信号送至比较单元2进行比较后输出高电平比较信号，待控制单元3收到该比较信号后将低电平控制信号输出至驱动单元4，驱动单元4将该信号放大后送至Q1，使得Q1断开进而将输入电源与将DC/DC变换器5断开，停止整个电源电路的工作，从而保护DC/DC变换器和后级设备免受高压冲压而损坏元器件。
其中，DC/DC变换器5输出电压恢复正常时，触发输出过压保护恢复步骤：包括S11、S12、S14和S15四个步骤，分压采样单元1采样到输出电压信号后，将采样信号送至比较单元2进行比较后输出低电平比较信号，待控制单元3收到该比较信号后将导通控制信号输出至驱动单元4，驱动单元4将该信号放大后送至Q1，使得Q1导通进而使电源接入到DC/DC变换器5，保护电路不影响主电路的正常输出，保证主电路的长期可靠运行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路，其特征在于，所述的自恢复过压保护电路包括分压采样单元(1)、比较单元(2)、控制单元(3)、驱动单元(4)以及串联在DC/DC变换器(5)前端输入电源线上的开关管Q1，所述的分压采样单元(1)包括电阻R7和电阻R8，其中，电阻R7的一端连接至DC/DC变换器(5)的正输出端，另一端连接至电阻R8，电阻R8的另一端连接至DC/DC变换器(5)的负输出端及电源地线；
所述的比较单元(2)，包括稳压二极管ZD3、滤波电容C2以及由电阻R5、电阻R6组成的分压电路，其中，所述的稳压二极管ZD3负极连接至分压采样单元(1)中电阻R7和电阻R8的连接点，稳压二极管ZD3正极接入由电阻R5、电阻R6组成的分压电路；滤波电容C2与电阻R6并联，一端接地，另一端接稳压二极管ZD3正极；电阻R5一端连接至稳压二极管ZD3正极，另一端连接至控制单元(3)；
所述的控制单元(3)，包括半可控晶闸管SCR、稳压二极管ZD2、限流电阻R3和限流电阻R4，其中，所述的半可控晶闸管SCR控制极接电阻R5，阴极接地，阳极分别与限流电阻R3、限流电阻R4、稳压二极管ZD2负极连接，稳压二极管ZD2正极接地；限流电阻R4的另一端连接至输入电源线和开关管Q1的源极，限流电阻R3的另一端连接至驱动单元(4)；
所述的驱动单元(4)，包括限流电阻R2、开关管Q2、稳压二极管ZD1、电容C1、电阻R1，其中，开关管Q2源极接地，栅极接限流电阻R3，漏极接限流电阻R2；开关管Q1源极连接至输入电压正输入线上，漏极连接至DC/DC变换器(5)的正输入端，稳压二极管ZD1的正极接开关管Q1栅极，稳压二极管ZD1的负极接开关管Q1源极，电容C1和电阻R1并联接在稳压二极管ZD1两端。
2.根据权利要求1所述的一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路，其特征在于，
当DC/DC变换器(5)输出正常时，输出过压保护不起作用，电压分压采样值Vsample小于稳压二极管ZD3的阈值电压Vthreshold，处于比较单元(2)中的稳压二极管ZD3不导通，流经电阻R6的电压为0，可控晶闸管SCR关断，此时开关管Q2栅极电压与稳压二极管ZD2电压为高电平，开关管Q2导通，使得输入电压经电阻R1和电阻R2分压后得到的开关管Q1栅极电压为高电平，即控制单元(3)输出高电平导通信号，使得开关管Q1导通，将输入电源接入DC/DC变换器(5)，保护电路不影响主电路的正常输出；
当DC/DC变换器(5)输出电压升高，电压分压采样值Vsample大于稳压二极管ZD3的阈值电压Vthreshold，稳压二极管ZD3击穿导通，可控晶闸管SCR门极得电触发导通，随后使开关管Q2栅极电压直接连到地，开关管Q2断开，使得输入电压经电阻R1和电阻R2分压后得到的开关管Q1栅极电压为低电平，即控制单元(3)输出低电平关断信号，使得开关管Q1断开，将输入电源与DC/DC变换器(5)断开，停止整个电源电路的工作，从而保护DC/DC变换器和后级设备免受高压冲压而损坏元器件。
3.根据权利要求1所述的一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路，其特征在于，主电路故障排除后重新正常工作，通过稳压二极管ZD3实现保护功能自动恢复，实现主电路的长期可靠运行。
4.根据权利要求1所述的一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路，其特征在于，所述的分压采样单元(1)经分压采样得到的电压值为其中Vo为DC/DC变换器的输出，可针对不同类型的DC/DC变换器，升压输出时采样增益较小，降压输出时采样增益较大，配合拥有不同Vthreshold规格的稳压管，实现过压保护。
5.根据权利要求1所述的一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路，其特征在于，所述的DC/DC变换器是单向非隔离DC/DC变换器。
6.根据权利要求1所述的一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路，其特征在于，所述的开关管Q1为P沟道MOS管，所述的开关管Q2为N沟道MOS管。
7.一种用于DC/DC变换器自恢复保护电路的过压保护方法，其特征在于，所述的过压保护方法包括：
输出电压分压采样信号产生及传输步骤：分压采样单元(1)采样输出电压并输出采样信号到比较单元(2)；
比较信号产生及传输步骤：比较单元(2)接收到所述的采样信号后进行比较，产生相应比较信号，并输出给控制单元(3)；
控制信号产生及传输步骤：控制单元(3)接收到所述的比较信号后，根据比较信号输出相应的控制信号给驱动单元(4)；
驱动信号产生及传输步骤：驱动单元(4)接收到所述的控制信号后，将控制信号放大并驱动开关管Q1；
当DC/DC变换器(5)输出电压发生过压时，触发过压保护产生步骤如下：分压采样单元(1)采样到输出电压信号后，将采样信号送至比较单元(2)进行比较后输出高电平比较信号，待控制单元(3)收到该比较信号后将低电平关断控制信号输出至驱动单元(4)，驱动单元(4)将该信号放大后送至开关管Q1，使得开关管Q1断开进而将输入电源与DC/DC变换器(5)断开，停止整个电源电路的工作，从而保护DC/DC变换器和后级设备免受高压冲压而损坏元器件；
当DC/DC变换器(5)输出电压恢复正常时，触发输出过压保护恢复步骤如下：分压采样单元(1)采样到输出电压信号后，将采样信号送至比较单元(2)进行比较后输出低电平比较信号，待控制单元(3)收到该比较信号后将高电平导通控制信号输出至驱动单元(4)，驱动单元(4)将该信号放大后送至开关管Q1，使得开关管Q1导通进而使电源接入到DC/DC变换器(5)，保护电路不影响主电路的正常输出。
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| CN112332366A (zh) * | 2020-11-16 | 2021-02-05 | 深圳市达特照明股份有限公司 | 一种防浪涌保护装置 |
| CN116722630A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-09-08 | 国网信息通信产业集团有限公司 | 一种基于场效应管的自适应充电电路 |
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