CN110854815A - 一种开关电源的短路保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关电源的短路保护电路，包括用于驱动开关电源中开关管的驱动器、比较电路、用于锁存短路保护信号的锁存电路和钳位电路；驱动器包括一个电流采样端和一个参考电压端；比较电路的输入端连接电流采样端，输出端连接锁存电路，用于检测电流采样端的电压，以判断开关电源输出短路，当判断开关电源输出短路后，输出短路保护信号；存电路的输入端连接比较电路的输出端，输出端连接钳位电路；钳位电路的输入端连接锁存电路的输出端，输出端连接电流采样端，用于在短路保护信号被锁存时钳制驱动器的电流采样端的电压；比较电路、锁存电路和钳位电路的电源端连接参考电压端。本发明的短路保护电路简单，能够提高开关电源输出的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关电源的短路保护电路。
背景技术
在各种工业电源和工业控制的场合，都需要辅助电源给控制电路供电。辅助电源属于开关电源，一般采用PWM控制的反激电路和正激电路，无论是反激电路还是正激电路的短路保护都采用打嗝的模式，即电流超过过流保护值就结束当前PWM脉冲，然后等下一个时钟信号到来时再开启新的PWM脉冲，这样在持续短路的时候辅助电源就工作在逐波限流的模式，即工作在原来设置的开关频率上，以很窄的PWM脉冲工作，因为电源的开关频率都是几十kHz到几百kHz，这样输出短路的时候电源的损耗很大，会造成电源发热严重，并可能会损坏，从而导致辅助电源供电可靠性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关电源的短路保护电路，以解决现有开关电源输出短路时可靠性差的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种开关电源的短路保护电路，包括：
驱动器，其用于驱动开关电源中的开关管，其包括一个电流采样端和一个参考电压端；
比较电路，其输入端连接所述电流采样端，其输出端连接锁存电路；其用于检测所述电流采样端的电压，以判断开关电源输出短路，当判断开关电源输出短路后，输出短路保护信号；
锁存电路，其输入端连接所述比较电路的输出端，其输出端连接钳位电路；其用于锁存所述短路保护信号；
钳位电路，其输入端连接所述锁存电路的输出端，其输出端连接所述电流采样端；其用于在所述短路保护信号被锁存时，钳制所述驱动器的电流采样端的电压；
所述比较电路、锁存电路和钳位电路的电源端连接所述参考电压端。
有益效果：本发明中在开关电源短路刚开始的时候，比较电路判断并输出短路保护信号，但通过锁存电路将该短路保护信号进行锁存，同时通过钳位电路钳制驱动器的电流采样端的电压，直至参考电压端失电，锁存电路才释放，然后开始重启过程。在这锁存期间，短路消除则保护电路不动作，这样就可以躲开输出的冲击负荷，从而避免误动作；而且，在一定时间内锁存短路保护信号，就避免了一直输出短路信号时处于短路保护-重启-再短路保护的循环模式，相当于降低了开关频率，减少短路时的损耗，因此，本发明简单的短路保护电路有效的提高了开关电源输出短路时的可靠性。
进一步的，所述比较电路包括TL431。
进一步的，所述TL431的参考极连接一个二极管的阳极，二极管的阴极连接所述电流采样端。
进一步的，所述比较电路的输入端通过分压电路连接所述电流采样端。
进一步的，所述锁存电路包括一个NPN三极管和一个PNP三极管。
进一步的，所述钳位电路包括一个三极管，三极管基极连接所述锁存电路的输出端，三极管集电极连接所述电流采样端，三极管发射极连接所述参考电压端。
附图说明
图1为本发明辅助电源的短路保护电路原理示意图；
图2为本发明短路保护过程中不同元器件电压输出波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。
本实施例以辅助电源为例进行说明。需要注意的是，本发明也适用于其他用途、场合的开关电源。
本发明开关电源的短路保护电路如图1所示包括驱动器、比较电路、锁存电路和钳位电路。
在本实施例中驱动器U1优选UC3845，是一种高性能固定频率电流模式控制器，其具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器功能，其内部的电流取样比较器输出是驱动功率MOSFET的理想器件。驱动器U1的引脚3(CS)为电流采样端，用于输出驱动开关电源中的开关管Q7；驱动器U1的引脚8(VERF)为参考电压端，参考电压端连接比较电路、锁存电路和钳位电路的电源端。
作为其他实施方式，驱动器U1也可以选择其他驱动芯片或者推挽电路驱动开关管Q7，根据具体选择的驱动芯片不同，为了实现通过钳制输出短路的PWM脉冲，可能需要其他电子器件配合。
在本实施例中，比较电路包括电压基准芯片U2及其外围电路元器件。比较电路通过分压电路连接驱动器U1的电流采样端。电压基准芯片U2优选TL431，TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调分流基准源，其内部有一个2.5V基准源。作为其他实施方式，也可以直接通过电压比较器实现电流采样端电压的比较判断，从而输出短路保护信号。
电压基准芯片U2的参考极连接在分压电路上，分压电路包括依次串设的匹配电阻R7、匹配电阻R9和采样电阻R9，分压电路一端的匹配电阻R7连接驱动器U1的参考电压端，另一端的采样电阻接地；驱动器U1的电流采样端连接在匹配电阻R9和采样电阻RS之间。驱动器U1选UC3845时，电流采样端输出的限制值是1V，这样采样电阻RS的电压选为0.8V-0.9V作为短路保护值是合适的，选太大接近1V，不容易动作，选太小，容易误动作。
匹配电阻R7和匹配电阻R9之间还可以串设一个二极管D1，二极管D1选1N4148，二极管D1阴极连接匹配电阻R9，二极管阳极连接电压基准芯片U2的参考极，电压基准芯片U2的阳极接地，电压基准芯片U2的阴极输出连接锁存电路。电压基准芯片U2用于比较其内部基准源的电压2.5V与驱动器U1的电流采样端的电压，判断辅助电源输出是否短路，当判断辅助电源输出短路后，输出短路保护信号。
锁存电路包括两条并联的开关支路，分别为PNP三极管支路和NPN三极管支路。PNP三极管支路上串设一个PNP三极管和电阻，PNP三极管Q2的发射极接地，集电极依次通过电阻R12和电阻R4连接到驱动器U1的参考电压端；NPN三极管支路上串设一个NPN三极管和电阻，NPN三极管Q4的发射极连接参考电压端，集电极依次通过电阻R10和电阻R13接地；NPN三极管Q4的基极连接在电阻R12和电阻R4之间，PNP三极管Q2的基极连接在电阻R10和电阻R13之间。
这两个三极管正常情况下为关闭状态，当PNP三极管的基极驱动为低电平，或者NPN三极管的基极驱动为高电平时，其中一个晶体管驱动开启，会形成集电极电流，使得另一个晶体管也开启，从而进一步开启初始晶体管，其以一种再生方式执行锁存操作，将比较电路输出的短路保护信号进行锁存。
本实施方式中的锁存电路仅包括一个NPN三极管、一个PNP三极管和几个电阻，电路简单，成本低；作为其他实施方式，也可以直接使用锁存器例如CD4511，或者多个锁存器相互配合使用。
钳位电路用于在短路保护信号被锁存时，钳制驱动器U1的电流采样端的电压。钳位电路的输入端连接锁存电路的输出端，钳位电路的输出端连接驱动器U1的电流采样端。钳位电路包括一个PNP三极管Q1，PNP三极管Q1的基极连接锁存电路的输出端，发射极连接驱动器U1的参考电压端，集电极连接驱动器U1的电流采样端；PNP三极管的基极和集电极的两端并联一个电阻R2。
在本实施例中，钳位电路使用三极管，作为其他实施方式，也可以使用钳位二极管，例如通过瞬态电压抑制器TVS(钳位二极管)、电阻和电容形成的钳位电路。
本发明的短路保护的工作过程：
驱动器U1输出辅助电源中的开关管Q7动作，当发生短路时，在短路刚开始时，比较电路检测电流采样端的电压即采样电阻RS的电压，当输入到电压基准芯片U2参考极的电压大于基准源的电压时，判断辅助电源输出短路，然后输出短路保护信号向锁存电路；此时电压基准芯片U2导通，输出低电平，经过电阻R6、电阻R8、电阻R11实现电平信号反转，把输入的低电平变成高电平驱动锁存电路，具体是输入到锁存电路中的高电平驱动NPN三极管Q4的基极，NPN三极管Q4的集电极(即PNP三极管Q2的基极)产生电流，从而使PNP三极管Q2驱动开启，锁存电路开启工作，锁存比较电路输出的短路保护信号，同时锁存电路输出的低电平信号驱动钳位电路中PNP三极管Q1，钳位电路就会产生一个高电平区钳制驱动器U1的电流采样端的电压，封锁会一直输出的过流信号的PWM脉冲，使得不再输出短路信号，直到驱动器U1的参考电压端完全失电，锁存电路才释放，然后开启重启过程，短路保护过程中各元器件波形变化如图2所示。
本发明的短路保护电路在短路开始时，如果在延时时间内，短路消除，则保护电路不动作，这样可以躲开输出的冲击负荷，避免误动作；如果在延时时间内短路没有消除，保护电路动作，直到电路放完电为止，然后进入重启。短路保护动作到锁存电路完全释放再重启，一般需要100ms以上，而一个开关周期一般都小于50us，这样，如果设定连续40个开关周期短路保护动作，这样等效的开关频率降到原来的1/40以下，那么短路的损耗也降低原来的1/40，因此短路时的损耗也大大降低，辅助电路可以长期短路而不坏，而短路故障消除，又能自动恢复。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种开关电源的短路保护电路，其特征在于，包括：
驱动器，其用于驱动开关电源中的开关管，其包括一个电流采样端和一个参考电压端；
比较电路，其输入端连接所述电流采样端，其输出端连接锁存电路；其用于检测所述电流采样端的电压，以判断开关电源输出短路，当判断开关电源输出短路后，输出短路保护信号；
锁存电路，其输入端连接所述比较电路的输出端，其输出端连接钳位电路；其用于锁存所述短路保护信号；
钳位电路，其输入端连接所述锁存电路的输出端，其输出端连接所述电流采样端；其用于在所述短路保护信号被锁存时，钳制所述驱动器的电流采样端的电压；
所述比较电路、锁存电路和钳位电路的电源端连接所述参考电压端。
2.根据权利要求1所述的开关电源的短路保护电路，其特征在于，所述比较电路包括TL431。
3.根据权利要求2所述的开关电源的短路保护电路，其特征在于，所述TL431的参考极连接一个二极管的阳极，二极管的阴极连接所述电流采样端。
4.根据权利要求1所述的开关电源的短路保护电路，其特征在于，所述比较电路的输入端通过分压电路连接所述电流采样端。
5.根据权利要求1-4任一项所述的开关电源的短路保护电路，其特征在于，所述锁存电路包括一个NPN三极管和一个PNP三极管。
6.根据权利要求1-4任一项所述的开关电源的短路保护电路，其特征在于，所述钳位电路包括一个三极管，三极管基极连接所述锁存电路的输出端，三极管集电极连接所述电流采样端，三极管发射极连接所述参考电压端。
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