CN110768215B - 一种开关电源的输出过压保护控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明在现有Buck加推挽两级电路拓扑的电路中增设电压检测电路，并提供其具体构成。使在采用具有同步整流的Buck加推挽两级电路拓扑中，Buck电路主开关管失效短接且Buck电路的正输出端电压超过设定的稳态工作电压值时，电压检测电路输出一个低电平，触发控制电路进行欠压保护，达到保护输出端的同步整流管和后端的用电设备的效果。

Description

一种开关电源的输出过压保护控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源领域，特别涉及一种开关电源的输出过压保护控制电路及其控制方法。

背景技术

开关电源行业中，开关电源的输入电压范围不断地在扩大，同时对开关电源效率指标要求越来越高。为提高开关电源的效率，同时增大产品输入电压范围，常采用具有同步整流Buck加推挽两级电路的拓扑结构。

如图1所示的即为具有同步整流的Buck加推挽两级电路拓扑的电路原理图，该电路包括Buck电路，推挽级功率变换电路，控制电路和驱动电路。

Buck电路通常由输入电容C1，功率开关管Q3，续流管Q4，储能电感L1和输出电容C2组成；推挽级功率变换电路通常由输入电容，功率开关管Q5和功率开关管Q6，变压器T1，输出端同步整流二极管Q7和输出端同步整流二极管Q8以及输出端电容C3组成；其中，电容C2即作为Buck电路的输出端电容，又作为推挽级功率变换电路的输入电容。

控制电路至少包含四个信号端：Buck电路中功率开关管Q3的控制信号输出端HD，Buck电路续中流管Q4的控制信号输出端LD，推挽级功率变换电路中功率开关管Q5的控制信号输出端PUSH，推挽级功率变换电路中功率开关管Q6的控制信号输出端PULL，可以进行欠压保护的UVLO。控制电路的输出端HD和输出端LD输出两个互补的驱动信号。输出端PUSH和输出端PULL输出两个互补的驱动信号。输出端HD输出的驱动信号开关频率是输出端PUSH输出驱动信号的2倍。输出端HD与输出端LD端输出的驱动信号受控于IC控制电路，并跟随输出电压Vo变化进行调节。

功率开关管Q3和续流管Q4为典型的电子开关管，比如为MOSFET管。当功率开关管Q3导通时，输入端VIN电压通过功率开关管Q3给储能电感L1进行充电，并给电容C2提供能量。当功率开关管Q3截止后，续流管Q4导通，流经储能电感L1的电流经续流管Q4进行续流，同时电容C2放电，使Buck电路的输出电压信号U1得以维持。

推挽级功率变换电路的输入电压取自于Buck电路的输出电压信号，为U1。功率开关管Q5和功率开关管Q6以及输出同步整流二极管Q7和输出同步整流二极管Q8为典型的电子开关管，比如为一个MOSFET管，该MOSFET的源极S为图1中MOS管3脚，该MOSFET的漏极D为图1中MOS管2脚，该MOSFET的栅极G为图1中MOS管1脚。推挽级功率变换电路的功率开关管Q5与输出同步整流二极管Q7同时开通关断，推挽级功率变换电路的功率开关管Q6与输出输出同步整流二极管Q8同时开通关断。推挽级功率变换电路的输入电压信号U1在功率开关管Q5与输出同步整流二极管Q7开通时，经变压器T1给输出端Vo提供能量。当功率开关管Q5与输出同步整流二极管Q7截止后，功率开关管Q6与输出同步整流二极管Q8开始导通，输入电压信号U1，经变压器T1给输出端Vo提供能量。

图1在电流经过输出同步整流二极管Q7与输出同步整流二极管Q8流向输出端时，同步整流管的导通能够代替单向二极管，消除单向二级管压降，起到同步整流的作用，提高效率。但由于同步整流管具有双向导通电流能力，电流也能够经同步整流管从输出端反向流回输入端，导致图1变换器在应用中，因输出端Vo会储存大量的能量，从而会损坏输出同步整流二极管Q7和输出同步整流二极管Q8。分析如下。

Buck电路的输出电压信号U1＝VIN×D，D为控制电路HD输出的驱动信号的占空比。刚开启时，控制电路处于软启动状态，D从零开始缓慢增大，此时D很小，电压信号U1大于VIN×D，Buck电路处于反向工作状态，即boost工作状态。功率开关管Q3会承受一个从S到D的反向大电流。电压信号U1越大，反向电流会越大，当电流超过功率开关管Q3能承受的电流后，导致功率开关管Q3短路，从而引起储能电感L1急速饱和，电压信号U1跟随输入端的VIN变化。当输入电压VIN增加时，电压信号U1也会增加，推挽级功率变换电路会直接将此时的电压耦合至输出端，导致输出端的输出同步整流二级管Q7和输出同步整流二级管Q8损坏，损坏后端的用电设备。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种输出过压保护的控制电路及其方法，采用具有同步整流的Buck加推挽两级电路拓扑，当BUCK电路主开关管失效短路时，关断推挽级功率变换电路，关断输出，从而保证不造成同步整流管和后端的用电设备二次损坏。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

作为开关电源的输出过压保护控制电路的一种具体实施方式，包括Buck电路、推挽级功率变换电路、控制电路和驱动电路，还包括电压检测电路，所述的电压检测电路包括输入端与输出端，输入端连接Buck电路的信号输出端，输出端连接控制电路的输入端，所述的电压检测电路具体包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一NPN三极管Q1A、第一二极管Z1；

第一电阻R1一端连接第一二极管Z1的阴极；第一二极管Z1的阳极连接第三电阻R3的一端，同时电联接第一NPN三极管Q1A的基极；第二电阻R2的一端连接第一NPN三极管Q1A的集电极，第二电阻R2的另一端连接控制电路的Vref；第三电阻R3的另一端、第一NPN三极管Q1A的射极电联接地；第一电阻R1的另一端为电压检测电路的输入端，第二电阻R2的一端与第一NPN三极管Q1A的集电极的连接点为电压检测电路的输出端。

优选地，第一二极管Z1为稳压管。

作为开关电源的输出过压保护控制电路的另一种具体实施方式，包括Buck电路、推挽级功率变换电路、控制电路和驱动电路，还包括电压检测电路，所述的电压检测电路包括输入端与输出端，输入端连接Buck电路的信号输出端，输出端连接控制电路的输入端，所述的电压检测电路具体包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一芯片IC1B和第二芯片IC2；

第五电阻R5的一端连接第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接第四电阻R4的一端，同时连接第一芯片IC1B的反向输入端；第六电阻R6的另一端与第七电阻R7的一端、第八电阻R8的一端连接，同时连接第一芯片IC1B的同向输入端；第七电阻R7的另一端连接第二芯片IC2的阴极；第八电阻R8的另一端连接第九电阻R9的一端，该连接点接第二芯片IC2的参考电压端口；第一芯片IC1B的供电端口接电源Vcc；第四电阻R4的另一端、第二芯片IC2的阳极、第九电阻R9的另一端、第一芯片IC1B的接地端口接地；第五电阻R5的一端与第六电阻R6的一端的连接点为电压检测电路的输入端，第一芯片IC1B的输出端作为电压检测电路的输出端。

优选地，第一芯片IC1为运放比较器。

优选地，第二芯片IC2为AZ431。

一种应用于上述开关电源的输出过压保护控制电路的控制方法，Buck电路输出一个比较稳定或固定电压范围的电压信号U1，电压检测电路对电压信号U1进行电压采样后输出判断电压V2，判断电压V2为低电平且作为控制电路的输入信号，控制电路输出低电平控制信号控制Buck电路与推挽级功率变换电路的关断：

Buck电路为输出固定电压值的降压电路或输出固定电压范围的电压限制电路，Buck电路在稳定工作时输出一个固定电压或符合后级电路正常工作的固定电压范围；

当Buck电路的输出电压信号U1增大，直至超过设定的稳态工作电压值时，电压检测电路输出判断电压V2作为控制电路的输入信号，为控制电路提供信号参考，判断电压V2为低电平；

当控制电路判断有判断电压V2输入时，控制电路开始输出低电平控制信号，关断所有的驱动信号，从而控制Buck电路与推挽级功率变换电路进入关断状态，进行输出过压保护。

术语解释：

电联接：包括直接或间接连接，并且还包括感应耦合之类的连接方式，比如，本发明中记载的“第一二极管Z1的阳极连接第三电阻R3的一端，同时电联接第一NPN三极管Q1A的基极”和“第三电阻R3的另一端、第一NPN三极管Q1A的射极电联接地”是直接连接。

本发明的有益效果为：

在Buck电路主开关管失效短接且Buck电路的正输出端电压超过设定的稳态工作电压值时，电压检测电路输出一个低电平，触发控制电路进行欠压保护，达到保护输出端的同步整流管和后端的用电设备的效果。

附图说明

图1现有技术具有同步整流的Buck加推挽两级电路拓扑变换器的原理图；

图2本发明具有输出过压保护的原理框图；

图3本发明第一实施例的电路原理图；

图4本发明第二实施例的电路原理图。

具体实施方式

图2为本发明的电路原理框图，采用的是具有同步整流的Buck加推挽两级电路拓扑变换器的原理图，该原理框图包括Buck电路、推挽级功率变换电路、控制电路和驱动电路，Buck电路的输入端即为DC/DC变换器的输入端，Buck电路的输出端连接推挽级功率变换电路的输入端，推挽级功率变换电路的输出端即为DC/DC变换器的输出端，推挽级功率变换电路为同步整流管整流，与图1现有技术不同之处在于输出过压保护，因此还包括电压检测电路，电压检测电路的输入端检测Buck电路的输出端的电压值，通过其输出端输出至控制电路的欠压保护端，当Buck电路的输出端电压超过设定的稳态工作电压值时，电压检测电路输出一个低电平，触发控制电路进行欠压保护，保护输出端的输出同步整流二极管和后端的用电设备。

第一实施例

图3所示为本发明第一实施例中的电压检测电路的原理图，应用于图2所示的原理电路。

本实施例的电压检测电路包括输入端与输出端，输入端连接Buck电路的信号输出端，输出端连接控制电路的输入端，具体包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一NPN三极管Q1A、第一二极管Z1；

第一电阻R1一端连接第一二极管Z1的阴极；第一二极管Z1的阳极连接第三电阻R3的一端，同时电连接第一NPN三极管Q1A的基极；第二电阻R2的一端连接第一NPN三极管Q1A的集电极，第二电阻R2的另一端连接控制电路的Vref；第三电阻R3的另一端、第一NPN三极管Q1A的射极接地；第一电阻R1的另一端为电压检测电路的输入端，第二电阻R2的一端与第一NPN三极管Q1A的集电极的连接点为电压检测电路的输出端，接控制电路的UVLO端。

其中，第一二极管Z1为稳压二极管。

工作原理如下:

当DC/DC变换器输入端电压VIN达到控制电路工作电压VCC电压值后，控制电路开始工作，控制电路的输出端HD，输出端LD，输出端PUSH，输出端PULL有高电平的驱动信号输出，Buck电路的输出端的电压信号U1开始上升。当电压信号U1上升到高于第一二级管Z1的稳压值后，第一二级管Z1的阳极被击穿导通。第三电阻R3上有电流流过，产生电压V3。当电压V3值上升到三极管Q1A的门槛电压Vth(Vth通常为0.7V)，第一NPN三极管Q1A导通，第一NPN三极管Q1A的集电极与发射极导通，第一NPN三极管Q1A的集电极的电平被拉低到0V，输出一个低电平的判断电压V2，此时，触发控制电路的欠压保护功能，控制电路会关断所有的驱动信号，保护输出端的用电设备。

需要说明的是，本实施例和第二实施例的控制逻辑均为：当Buck电路的输出端电压信号U1超过设定的稳态工作电压值时，电压检测电路输出一个低电平，触发控制电路进行欠压保护，保护输出端的同步整流管和后端的用电设备。

第二实施例

图4所示为本发明第二实施例中的电压检测电路的原理图，应用于图2所示的原理电路。

本实施例的电压检测电路包括输入端与输出端，输入端连接Buck电路的信号输出端，输出端连接控制电路的输入端，具体包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一芯片IC1B、第二芯片IC2。

第五电阻R5的一端连接第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接第四电阻R4的一端，同时连接第一芯片IC1B的反向输入端；第六电阻R6的另一端与第七电阻R7的一端、第八电阻R8的一端连接，同时连接第一芯片IC1B的同向输入端；第七电阻R7的另一端连接第二芯片IC2的阴极；第八电阻R8的另一端连接第九电阻R9的一端，该连接点接第二芯片IC2的参考电压端口；第一芯片IC1B的供电端口接电源Vcc；第四电阻R4的另一端、第二芯片IC2的阳极、第九电阻R9的另一端、第一芯片IC1B的接地端口接地；第五电阻R5的一端与第六电阻R6的一端的连接点为电压检测电路的输入端，第一芯片IC1B的输出端作为电压检测电路的输出端。

其中，第一芯片IC1B至少包含五个信号端。运放的正输入端引脚3，其电压值为Vp，运放的负输入端引脚4，其电压值为Vn，接地端引脚2，供电端引脚5，输出端引脚1。

第一芯片IC1B为运放比较器，运放比较器IC1B为一个电压比较器。运放比较器IC1B的正输入端引脚3电平Vp大于负输入端引脚4电平Vn时，所述运放输出端引脚1输出一个等同于VL的高电平。所述的运放的输入端引脚3电平Vp小于输入端引脚4电平Vn时，所述运放输出端引脚1输出0V电平。

第二芯片IC2至少包含三个信号端，分别为1脚、2脚、3脚。IC2的1脚为电压参考端，其电压值是一个比较稳定的电压，IC2的2脚是输出端，接地端3脚。

所述的第二芯片IC2，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9组成高精度稳压电路，输出信号连接所述电压比较器的同向端，当所述的运放的输入端引脚3电平Vp小于输入端引脚4电平Vn时，所述运放输出端引脚1输出0V电平。

工作原理如下:

当DC/DC变换器输入端电压VIN达到控制电路工作电压VCC电压值后，控制电路开始工作，控制电路的输出端HD，输出端LD，输出端PUSH，输出端PULL有高电平的驱动信号输出，Buck电路的输出端的电压信号U1开始上升。当Buck电路的输出端电压信号U1超过设定的稳态工作电压值时，由第二芯片IC2，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9组成高精度稳压电路输出稳定不变的电压信号，运放比较器的负输入端引脚4电平Vn增大，即Vn＞Vp，运放比较器输出端引脚1输出0V电平，即判断电压V2，触发控制电路进行欠压保护，保护输出端的同步整流管和后端的用电设备。

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。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，还可以做出若干等同变换、改进和润饰，这些等同变换、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要求所限定的范围为准。专利中涉及到的所有“电联接”、“接”和“连接”关系，均并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构，本发明中明确用“电联接”的地方只是为了强调此含义，但并不排除用“接”和“连接”的地方也具备这样的含义。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

Claims (6)

1.一种开关电源的输出过压保护控制电路，包括Buck电路、推挽级功率变换电路、控制电路和驱动电路，其特征在于：还包括电压检测电路，所述的电压检测电路包括输入端与输出端，输入端连接Buck电路的信号输出端，输出端连接控制电路的输入端，所述的电压检测电路具体包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一NPN三极管Q1A、第一二极管Z1；

第一电阻R1一端连接第一二极管Z1的阴极；第一二极管Z1的阳极连接第三电阻R3的一端，同时电联接第一NPN三极管Q1A的基极；第二电阻R2的一端连接第一NPN三极管Q1A的集电极，第二电阻R2的另一端连接控制电路的Vref；第三电阻R3的另一端、第一NPN三极管Q1A的射极电联接地；第一电阻R1的另一端为电压检测电路的输入端，第二电阻R2的一端与第一NPN三极管Q1A的集电极的连接点为电压检测电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源的输出过压保护控制电路，其特征在于：所述的第一二极管Z1为稳压管。

3.一种开关电源的输出过压保护控制电路，包括Buck电路、推挽级功率变换电路、控制电路和驱动电路，其特征在于：还包括电压检测电路，所述的电压检测电路包括输入端与输出端，输入端连接Buck电路的信号输出端，输出端连接控制电路的输入端，所述的电压检测电路具体包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一芯片IC1B和第二芯片IC2；

第五电阻R5的一端连接第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接第四电阻R4的一端，同时连接第一芯片IC1B的反向输入端；第六电阻R6的另一端与第七电阻R7的一端、第八电阻R8的一端连接，同时连接第一芯片IC1B的同向输入端；第七电阻R7的另一端连接第二芯片IC2的阴极；第八电阻R8的另一端连接第九电阻R9的一端，该连接点接第二芯片IC2的参考电压端口；第一芯片IC1B的供电端口接电源Vcc；第四电阻R4的另一端、第二芯片IC2的阳极、第九电阻R9的另一端、第一芯片IC1B的接地端口接地；第五电阻R5的一端与第六电阻R6的一端的连接点为电压检测电路的输入端，第一芯片IC1B的输出端作为电压检测电路的输出端。

4.根据权利要求3所述的一种开关电源的输出过压保护控制电路，其特征在于：所述的第一芯片IC1为运放比较器。

5.根据权利要求3所述的一种开关电源的输出过压保护控制电路，其特征在于：所述的第二芯片IC2为AZ431。

6.一种应用于权利要求1至5任一所述的开关电源的输出过压保护控制 电路的控制方法，其特征在于：

Buck电路输出一个比较稳定或固定电压范围的电压信号U1，电压检测电路对电压信号U1进行电压采样后输出判断电压V2，判断电压V2为低电平且作为控制电路的输入信号，控制电路输出低电平控制信号控制Buck电路与推挽级功率变换电路的关断：

Buck电路为输出固定电压值的降压电路或输出固定电压范围的电压限制电路，Buck电路在稳定工作时输出一个固定电压或符合后级电路正常工作的固定电压范围；

当Buck电路的输出电压信号U1增大，直至超过设定的稳态工作电压值时，电压检测电路输出判断电压V2作为控制电路的输入信号，为控制电路提供信号参考，判断电压V2为低电平；

当控制电路判断有判断电压V2输入时，控制电路开始输出低电平控制信号，关断所有的驱动信号，从而控制Buck电路与推挽级功率变换电路进入关断状态，进行输出过压保护。

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