CN111327023B - 输出短路保护电路及开关电源控制系统 - Google Patents

输出短路保护电路及开关电源控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种输出短路保护电路及开关电源控制系统，启动控制模块根据开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压判断开关电源是否出现短路或过流时，在开关电源出现短路或过流时控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，在开关电源正常工作时控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通。基于此，在实现对开关电源的输出短路保护的同时，有利于控制元器件数量和大小，便于开关电源系统的小型化设计和高功率密度设计。

Description

输出短路保护电路及开关电源控制系统
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别是涉及一种输出短路保护电路及开关电源控制系统。
背景技术
开关电源又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。开关电源的功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。在开关电源的控制芯片获得供电时，开关电源上电工作。随着电力电子技术的进步，开关电源不断地向高功率密度、高效率、高可靠性发展。其中，开关电源的输出短路保护也是可靠性一项重要指标。
传统的开关电源的输出短路保护，一种主要是通过检测开关电源主功率电路上的电流来实现，另一种是通过检测控制芯片的引脚电压，通过运算放大器对引脚电压进行电压比较，以调整控制芯片输出来实现。然而，上述传统的输出短路保护电路在实际应用中，使用了较多元器件，例如运算放大器等。因此在开关电源系统设计时，需要在印制电路板上预留足够的空间布局，这一方面提高了电路成本，另一方面也不利于开关电源的小型化设计和高功率密度设计。
发明内容
基于此，有必要针对传统的输出短路保护电路在实际应用中，使用了较多元器件，导致开关电源系统设计时，需要在印制电路板上预留足够的空间布局，这一方面提高了电路成本，另一方面也不利于开关电源的小型化设计和高功率密度设计的缺陷，提供一种输出短路保护电路及开关电源控制系统。
一种输出短路保护电路，包括：
芯片启动模块，用于接入供电电压，并用于根据供电电压为开关电源控制芯片提供工作电压；
启动控制模块，用于接入开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压；启动控制模块还用于，在开关电源出现短路或过流时控制芯片启动模块，为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，否则控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通。
上述输出短路保护电路，启动控制模块根据开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压判断开关电源是否出现短路或过流时，在开关电源出现短路或过流时控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，在开关电源正常工作时控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通。基于此，在实现对开关电源的输出短路保护的同时，有利于控制元器件数量和大小，便于开关电源系统的小型化设计和高功率密度设计。
在其中一个实施例中，还包括：
延时模块，用于在开关电源出现短路或过流时，控制启动控制模块延长一定时间后关断通路；延时模块还用于在开关电源消除短路或过流状态，在开关电源出现短路或过流消除时，控制芯片启动模块延一定时间后恢复导通通路。
在其中一个实施例中，启动控制模块包括由半导体开关管组成的第一受控开关；
其中，在COMP端口电压和VREF端口电压的电压差大于半导体开关管的导通电压阈值时，第一受控开关导通，以使启动控制模块控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，否则第一受控开关关断，通路关断。
在其中一个实施例中，芯片启动模块包括由半导体开关管组成的第二受控开关；
其中，在第二受控开关导通时，芯片启动模块根据供电电压为开关电源控制芯片提供工作电压。
在其中一个实施例中，启动控制模块包括二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第一受控开关包括第一NPN三极管；
二极管的正极用于接入COMP端口电压，二极管的负极依次通过第一电阻和第二电阻连接第一NPN三极管的基极；第一NPN三极管的发射极用于通过第三电阻接入VREF端口电压，第一NPN三极管的发射极还用于通过第四电阻接地；第一NPN三极管的集电极用于控制芯片启动模块。
在其中一个实施例中，延时模块包括第一电容；
第一电阻与第二电阻的公共端用于通过第一电容接地。
在其中一个实施例中，延时模块还包括第五电阻；
第五电阻与第一电容并联连接。
在其中一个实施例中，芯片启动模块包括稳压二极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、PNP三极管和第二NPN三极管；
PNP三极管的发射极用于接入供电电压，PNP三极管的发射极通过第六电阻分别连接稳压二极管的负极和第二NPN三极管的基极；PNP三极管的集电极用于连接开关电源控制芯片，PNP三极管的集电极还通过第七电阻连接第二NPN三极管的发射极；PNP三极管的基极连接第二NPN三极管的集电极；第二NPN三极管的发射极和稳压二极管的正极均用于接地；第二NPN三极管的发射极用于通过第八电阻接地。
在其中一个实施例中，延时模块还包括第二电容；
第二电容与稳压二极管并联连接。
一种开关电源控制系统，包括开关电源控制芯片以及上述任一实施例的输出短路保护电路。
上述开关电源控制系统，启动控制模块根据开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压，判断开关电源是否出现短路或过流时，在开关电源出现短路或过流时控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，在开关电源正常工作时控制芯片启动模块为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通。基于此，在实现对开关电源的输出短路保护的同时，有利于控制元器件数量和大小，便于开关电源系统的小型化设计和高功率密度设计。
附图说明
图1为一实施方式的输出短路保护电路结构示意图；
图2为另一实施方式的输出短路保护电路结构示意图；
图3为一实施方式的输出短路保护电路图；
图4为另一实施方式的输出短路保护电路图；
图5为一实施方式的开关电源控制系统模块结构图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种输出短路保护电路。
图1为一实施方式的输出短路保护电路结构示意图，如图1所示，一实施方式的输出短路保护电路包括：
芯片启动模块100，用于接入供电电压，并用于根据供电电压为开关电源控制芯片提供工作电压；
启动控制模块101，用于接入开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压；启动控制模块101还用于在开关电源出现短路或过流时控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，否则控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通。
其中，如图1所示，芯片启动模块100一端用于接入供电电压，芯片启动模块100另一端用于连接开关电源控制芯片的电源电压端。在芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通时，芯片启动模块100根据供电电压向开关电源控制芯片的电源电压端输出电源电压，以为开关电源控制芯片提供工作电压。开关电源控制芯片在获得工作电压后上电工作，以使开关电源上电工作。
基于芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路，启动控制模块101用于控制该通路的通断。在开关电源出现短路或过流时，启动控制模块101根据COMP端口电压和VREF端口电压，关断该通路，开关电源控制芯片掉电停止工作，开关电源停止工作，以达到开关电源输出短路保护的目的。在开关电源回复正常状态，即不存在短路或过流时，启动控制模块101根据COMP端口电压和VREF端口电压，导通该通路，关电源控制芯片上电工作，开关电源上电工作。
在其中一个实施例中，芯片启动模块100包括继电器、半导体开关管或电子开关等受控开关。基于此，启动控制模块101包括控制电路或控制芯片。
作为一个较优的实施方式，启动控制模块101包括由半导体开关管组成的第一受控开关；
其中，在COMP端口电压和VREF端口电压的电压差大于半导体开关管的导通电压阈值时，第一受控开关导通，以使启动控制模块101控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，否则第一受控开关关断，通路关断。
在其中一个实施例中，通过启动控制模块101的输出逻辑改变，在COMP端口电压和VREF端口电压的电压差大于半导体开关管的导通电压阈值时，第一受控开关关断，以使启动控制模块101控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，否则第一受控开关关断，通路导通。
作为一个较优的实施方式，芯片启动模块100包括由半导体开关管组成的第二受控开关；
其中，在第二受控开关导通时，芯片启动模块100根据供电电压为开关电源控制芯片提供工作电压。
在其中一个实施例中，图2为另一实施方式的输出短路保护电路结构示意图，如图2所示，另一实施方式的输出短路保护电路还包括：
延时模块200，用于在开关电源出现短路或过流时，控制启动控制模块101延长第一时间后关断通路；延时模块200还用于在开关电源消除短路或过流状态时，在开关电源出现短路或过流消除时控制芯片启动模块100延时第二时间后导通通路。
其中，在开关电源出现短路或过流时，启动控制模块101关断上述通路。基于此，通过延时模块200的设置，启动控制模块101在延时第一时间后再关断上述通路，以使开关电源停止工作。同时，在开关电源消除短路或过流的状态后，通过延时模块200的设置，启动控制模块101在延时第二时间后再重新导通上述通路。基于此，通过延时模块200设置的第一时间和第二时间，为启动控制模块101的导通控制或关断控制提供缓冲时间。在开关电源出现间歇性短路或过流状态时，通过延时模块200建立的延时导通关断循环，避免开关电源控制芯片的瞬间上电断电，以起到保护作用。
在其中一个实施例中，延时模块200包括RC延时电路、基于定时器的时基电路或基于芯片的时基电路。
在其中一个实施例中，图3为一实施方式的输出短路保护电路图，如图3所示，启动控制模块101包括二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；第一受控开关包括第一NPN三极管QN1；
二极管D1的正极用于接入COMP端口电压，二极管D1的负极依次通过第一电阻R1和第二电阻R2连接第一NPN三极管QN1的基极；第一NPN三极管QN1的发射极用于通过第三电阻R3接入VREF端口电压，第一NPN三极管QN1的发射极还用于通过第四电阻R4接地；第一NPN三极管QN1的集电极用于控制芯片启动模块100。
在其中一个实施例中，如图3所示，芯片启动模块100包括稳压二极管D2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、PNP三极管QP1和第二NPN三极管QN2；
PNP三极管QP1的发射极用于接入供电电压，PNP三极管QP1的发射极通过第六电阻R6分别连接稳压二极管D2的负极和第二NPN三极管QN2的基极；PNP三极管QP1的集电极用于连接开关电源控制芯片，PNP三极管QP1的集电极还通过第七电阻R7连接第二NPN三极管QN2的发射极；PNP三极管QP1的基极连接第二NPN三极管QN2的集电极；第二NPN三极管QN2的发射极和稳压二极管D2的正极均用于接地。第二NPN三极管QN2的发射极用于通过第八电阻R8接地。
如图3所示，当开关电源正常上电启动，芯片启动模块100给开关电源控制芯片提供工作电压，VREF端口电压正常输出，COMP端口电压上升，经过二极管D1，通过第一电阻R1给到第一NPN三极管QN1的基极，由于VREF端口电压通过第四电阻R3和第四电阻R4分压，给第一NPN三极管QN1发射极提供一个电压，使得第一NPN三极管QN1关断，芯片启动模块100正常供电，开关电源正常输出。
当开关电源出现输出过流或短路时，COMP端口电压继续升高，再次经过二极管D1，通过第一电阻R1给到第一NPN三极管QN1的基极，使得第一NPN三极管QN1导通，第一NPN三极管QN1导通后将关断启动电路，开关电源控制芯片消耗掉工作电压端口的能量后，开关电源控制芯片和开关电源停止工作。
在其中一个实施例中，图4为另一实施方式的输出短路保护电路图，如图4所示，延时模块200包括第一电容C1；
第一电阻R1与第二电阻R2的公共端用于通过第一电容C1接地。
其中，当开关电源正常上电启动，COMP端口电压上升，经过二极管D1，通过第一电阻R1给第一电容C1充电。当开关电源出现输出过流或短路时，COMP端口电压继续升高，再次经过二极管D1，通过第一电阻R1给第一电容C1充电，当第一电容C1的电压使得第一NPN三极管QN1导通，第一NPN三极管QN1导通后将关断PNP三极管QP1。其中，第一电阻R1给第一电容C1充电的时间是进入第一时间。同时，第一NPN三极管QN1给第一电容C1放电时间就是短路保护状态的维持时间，即第二时间。
在其中一个实施例中，如图4所示，延时模块200还包括第二电容C2；
第二电容C2与稳压二极管D2并联连接。
其中，通过并联在稳压二极管D2，增大上述第一时间和第二时间。
在其中一个实施例中，如图4所示，延时模块200还包括第五电阻R5；
第五电阻R5与第一电容C1并联连接。
其中，通过在第一电容C1两端并联的第五电阻R5，更好地调试第一时间和第二时间的比例。
上述任一实施例的输出短路保护电路，启动控制模块101根据开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压判断开关电源是否出现短路或过流时，在开关电源出现短路或过流时控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，在开关电源正常工作时控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通。基于此，在实现对开关电源的输出短路保护的同时，有利于控制元器件数量和大小，便于开关电源系统的小型化设计和高功率密度设计。
本发明实施例还提供一种开关电源控制系统。
图5为一实施方式的开关电源控制系统模块结构图，如图5所示，一实施方式的开关电源控制系统包括开关电源控制芯片300以及上述任一实施例的输出短路保护电路301。
上述开关电源控制系统，启动控制模块101根据开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压判断开关电源是否出现短路或过流时，在开关电源出现短路或过流时控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，在开关电源正常工作时控制芯片启动模块100为开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通。基于此，在实现对开关电源的输出短路保护的同时，有利于控制元器件数量和大小，便于开关电源系统的小型化设计和高功率密度设计。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种输出短路保护电路，其特征在于，包括：
芯片启动模块，用于接入供电电压，并用于根据所述供电电压，为开关电源控制芯片提供工作电压；
启动控制模块，用于接入所述开关电源控制芯片的COMP端口电压和VREF端口电压；所述启动控制模块还用于在开关电源出现短路或过流时控制所述芯片启动模块为所述开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，同时也能控制所述芯片启动模块，为所述开关电源控制芯片提供工作电压的通路导通；所述启动控制模块包括由半导体开关管组成的第一受控开关；在所述COMP端口电压和VREF端口电压的电压差大于所述半导体开关管的导通电压阈值时，所述第一受控开关导通，以使所述启动控制模块控制所述芯片启动模块为所述开关电源控制芯片提供工作电压的通路关断，否则所述第一受控开关关断，所述通路关断。
2.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于，所述输出短路保护电路还包括延时模块；
所述延时模块用于在所述开关电源出现短路或过流时，控制所述启动控制模块延长一定时间后关断所述通路；所述延时模块还用于在所述开关电源消除短路或过流状态，在所述开关电源出现短路或过流消除时，控制所述芯片启动模块延时，延长一定时间后恢复导通所述通路。
3.根据权利要求2所述的输出短路保护电路，其特征在于，所述芯片启动模块包括由半导体开关管组成的第二受控开关；
其中，在所述第二受控开关导通时，所述芯片启动模块，根据所述供电电压为开关电源控制芯片提供工作电压。
4.根据权利要求2所述的输出短路保护电路，其特征在于，所述启动控制模块包括二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第一受控开关包括第一NPN三极管；
所述二极管的正极用于接入所述COMP端口电压，所述二极管的负极，依次通过第一电阻和第二电阻，连接所述第一NPN三极管的基极；所述第一NPN三极管的发射极，用于通过所述第三电阻接入所述VREF端口电压，所述第一NPN三极管的发射极，还用于通过所述第四电阻接地；所述第一NPN三极管的集电极用于控制所述芯片启动模块。
5.根据权利要求4所述的输出短路保护电路，其特征在于，所述延时模块包括第一电容；
所述第一电阻与所述第二电阻的公共端用于通过所述第一电容接地。
6.根据权利要求5所述的输出短路保护电路，其特征在于，所述延时模块还包括第五电阻；
所述第五电阻与所述第一电容并联连接。
7.根据权利要求3所述的输出短路保护电路，其特征在于，所述芯片启动模块包括稳压二极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、PNP三极管和第二NPN三极管；
所述PNP三极管的发射极用于接入所述供电电压，所述PNP三极管的发射极通过所述第六电阻分别连接所述稳压二极管的负极和所述第二NPN三极管的基极；所述PNP三极管的集电极用于连接所述开关电源控制芯片，所述PNP三极管的集电极还通过所述第七电阻连接所述第二NPN三极管的发射极；所述PNP三极管的基极连接所述第二NPN三极管的集电极；所述第二NPN三极管的发射极和所述稳压二极管的正极均用于接地；所述第二NPN三极管的发射极用于通过所述第八电阻接地。
8.根据权利要求7所述的输出短路保护电路，其特征在于，所述延时模块还包括第二电容；
所述第二电容与所述稳压二极管并联连接。
9.一种开关电源控制系统，其特征在于，包括开关电源控制芯片以及如权利要求1至8任意一项所述的输出短路保护电路。
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