CN111431141B - 一种短路保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短路保护电路，包括保护开关模块、开机驱动模块、光耦检测驱动模块，延迟锁死模块和防倒灌二极管，光耦检测驱动模块将现有技术的短路检测模块及保护开关驱动模块合并，由光耦检测驱动模块检测负载两端的电压判定是否发生短路，在负载正常时导通保护开关模块，在负载短路时，切断保护开关模块的驱动，达到短路保护的目的。本发明由于增加了开机驱动模块，解决了开机时光耦无法导通的问题；增加了延迟锁死模块，在光耦正常导通后，切断开机驱动信号，由光耦检测输出电压情况，实现短路锁死保护。本发明检测及驱动信号均由光耦检测驱动模块完成，可简化电路，节约成本。

Description

一种短路保护电路
技术领域
本发明涉及开关电源领域，特别涉及开关电源输出短路保护电路。
背景技术
在开关电源领域里，为防止输出短路造成电源损坏或造成其他安全隐患，通常需要增加输出短路保护功能。
在现有的开关电源应用设计中,通常通过检测输出电流或者电压的相关信号判断是否发生短路，并在短路后切断电源与负载的连接。
现有的技术中，检测模块与保护开关的驱动电路通常是分离的，即存在输出检测电路和保护开关驱动两个独立的部分，线路较复杂，成本较高。如申请号为201810195425.0、发明名称为《一种短路保护电路》的中国发明专利申请，存在稳压模块，短路检测模块，控制驱动模块，其检测和驱动模块分离，需要恒流源及运算放大器做电压比较，且存在驱动控制 IC，线路较为复杂，成本较高。
发明内容
有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供一种短路保护电路，旨在将短路检测模块及保护开关驱动模块合并，简化线路，降低成本。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种短路保护电路，其特征在于：
包括保护开关模块、开机驱动模块、光耦检测驱动模块，延迟锁死模块和防倒灌二极管；
开机驱动模块的输入端和光耦检测驱动模块的输入端均用于同时连接开关电源输出正端和负载接口正端，开机驱动模块的输出端同时连接防倒灌二极管的阳极和延迟锁死模块的输入端；延迟锁死模块的输出端连接开关电源输出负端；光耦检测驱动模块的控制输出端同时连接防倒灌二极管的阴极和保护开关模块的控制端，光耦检测驱动模块的检测输出端用于连接负载接口负端；保护开关模块的一端连接开关电源输出负端，保护开关模块的另一端连接负载接口负端；
保护开关模块用于接通或者切断开关电源的输出负端和负载接口负端的供电回路；
开机驱动模块用于在开关电源开机时，将开关电源输出正端的电压信号通过防倒灌二极管引入至保护开关模块的控制端，使保护开关模块工作，实现光耦检测驱动模块导通并开始工作；
光耦检测驱动模块用于在开关电源启动后，检测负载两端电压，同时为保护开关模块提供驱动信号；
延迟锁死模块用于在开关电源启动后，拉低开机驱动模块提供给保护开关模块控制端的电压信号并持续锁死，确保在正常工作时由光耦单独检测并控制保护开关模块。
作为保护开关模块的一种具体的实施方式，其特征在于：包括N沟道MOS管Q4和电阻 R14，N沟道MOS管Q4的栅极与电阻R14的一端连接后为保护开关模块的控制端，N沟道MOS管Q4的源极与电阻R14的另一端连接后为保护开关模块的一端，N沟道MOS管Q4的漏极为保护开关模块的另一端。
作为保护开关模块的另外一种具体的实施方式，其特征在于：包括N沟道MOS管Q4、电阻R14和继电器K1，N沟道MOS管Q4的栅极与电阻R14的一端连接后为保护开关模块的控制端，N沟道MOS管Q4的漏极连接继电器K1的线圈一端，继电器K1的线圈另一端连接开关电源输出正端，N沟道MOS管Q4的源极、电阻R14的另一端和继电器K1的第一触点 共同连接后为保护开关模块的一端，继电器K1的第二触点 为保护开关模块的另一端。
作为开机驱动模块的一种具体的实施方式，其特征在于：包括电阻R7，电阻R7的一端为开机驱动模块的输入端，电阻R7的另一端为开机驱动模块的输出端。
作为光耦检测驱动模块的一种具体的实施方式，其特征在于：包括光耦U1、电阻R1和电阻R4；电阻R1的一端与电阻R4的一端连接后为光耦检测驱动模块的输入端，电阻R4的另一端连接光耦U1内部的三极管集电极；电阻R1的另一端与光耦U1的内部发光二极管阳极连接，光耦U1内部的发光二极管阴极为光耦检测驱动模块的检测输出端；光耦U1内部的三极管发射极为光耦检测驱动模块的控制输出端。
作为延迟锁死模块的一种具体的实施方式，其特征在于：包括N沟道MOS管Q3；N沟道 MOS管Q3的栅极用于输入延迟锁死信号，N沟道MOS管Q3的漏极为延迟锁死模块的输入端， N沟道MOS管Q3的源极为延迟锁死模块的输出端。
进一步地，上述延迟锁死信号由延迟锁死信号产生电路产生，延迟锁死信号产生电路包括电压检测延迟网络和自锁开关网络；
电压检测延迟网络包括：电阻R5、电阻R13、电容C1、TL431基准源U2和电阻R3；电阻R5的一端连接到开关电源输出正端，电阻R5的另一端同时连接电阻R13的一端、电容C1 的一端和TL431基准源U2的参考端，电阻R13的另一端、电容C1的另一端、TL431基准源 U2的阳极共同连接到开关电源输出负端，电阻R3的一端与开关电源输出正端连接，电阻R3 的另一端与基准源U2的阴极连接；
自锁开关网络包括：三极管Q1、MOS管Q2、电阻R2、电阻R6、电阻R8，电阻R11，电容C3、电阻R12、电阻R10和电容C2；电阻R6的一端连接电压检测延迟网络中的基准源U2 的阴极，电阻R6的另一端同时与电阻R8的一端和三极管Q1的基极相连,三极管Q1的集电极同时与电阻R11的一端、电阻R12的一端和电阻R10的一端相连；三极管Q1的发射极与电阻 R2的一端连接，电阻R2的另一端连接至开关电源输出正端；电阻R8的另一端与MOS管Q2 的漏极相连，MOS管Q2的源极与开关电源输出负端连接，MOS管Q2的基极同时与电阻R11的另一端和电容C3的一端相连；电容C3的另一端和电阻R12的另一端连接到开关电源输出负端，电阻R10的另一端与电容C2的一端相连并输出延迟锁死信号，电容C2的另一端与开关电源输出负端相连。
本发明的短路保护电路，在开关电源负载正常的情况下，光耦检测驱动模块的输入端和检测输出端压差正常，其内部发光二极管导通发光，内部的光敏三极管接收光信号后，提供驱动信号至保护开关模块的控制端，保护开关模块工作，接通开关电源的输出负端和负载接口负端的供电回路；当发生短路事件时，光耦检测驱动模块的输入端和检测输出端压差为零，其内部发光二极管不亮，光敏三极管截止，保护开关模块驱动信号丢失，保护开关模块不工作，切断开关电源的输出负端和负载接口负端的供电回路，快速实现短路保护。本发明由于增加了开机驱动模块，解决了开机时光耦无法导通的问题；增加了延迟锁死模块，在光耦正常导通后，切断开机驱动信号，由光耦检测输出电压情况，实现短路锁死保护。
与现有技术相比，本发明在开关电源启动后，检测输出是否短路以及为保护开关模块提供驱动信号均由光耦检测驱动模块完成，因此可简化检测及驱动电路，降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种短路保护电路原理框图；
图2-1是本发明第一实施例提供的短路保护电路原理图；
图2-2是本发明第一实施例的延迟锁死信号产生电路原理图；
图3是本发明第二实施例提供的短路保护电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明电路进行说明。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电路。
请参阅图1，图1是本发明提供的一种短路保护电路原理框图。包括光耦检测驱动模块 11、保护开关模块12、开机驱动模块13、延迟锁死模块14和防倒灌二极管D1。开机驱动模块13的输入端和耦检测驱动模块11的输入端均用于同时连接开关电源输出正端和负载接口正端，开机驱动模块13的输出端同时连接防倒灌二极管D1的阳极和延迟锁死模块14的输入端；延迟锁死模块14的输出端连接开关电源输出负端GND；光耦检测驱动模块11的控制输出端同时连接防倒灌二极管D1的阴极和保护开关模块12的控制端，光耦检测驱动模块11的检测输出端用于连接负载端口负端；保护开关模块12的一端连接开关电源输出负端GND，保护开关模块12的另一端连接负载端口负端。
第一实施例
请参阅图2-1，图2-1是本发明第一实施例提供的短路保护电路1原理图，各功能模块的组成及连接关系如下:
保护开关模块12包括N沟道MOS管Q4，电阻R14，N沟道MOS管Q4的栅极与电阻R14 的一端连接后为保护开关模块12的控制端，N沟道MOS管Q4的源极与电阻R14的另一端连接后为保护开关模块12的一端，N沟道MOS管Q4的漏极为保护开关模块12的另一端。
开机驱动模块13包括电阻R7，电阻R7的一端与开关电源输出正端VO+连接作为开机驱动模块13的输入端，电阻R7的另一端与防倒灌二极管D1的阳极和延迟锁死模块14的输入端连接作为开机驱动模块13的输出端。
光耦检测驱动模块11包括光耦U1，电阻R1，电阻R4。电阻R1的一端与电阻R4的一端共接至开关电源输出正端VO+作为光耦检测驱动模块11的输入端；电阻R1的另一端与光耦U1的内部发光二极管阳极连接；光耦U1内部的发光二极管阴极与负载端口负端VO-连接作为光耦检测驱动模块11的检测输出端；光耦U1内部的三极管发射极与保护开关模块12的控制端连接作为光耦检测驱动模块11的控制输出端；电阻R4的另一端与光耦U1内部的三极管集电极相连。
延迟锁死模块14包括N沟道MOS管Q3。N沟道MOS管Q3的栅极接延迟锁死信号，N沟道MOS管Q3的漏极与开机驱动模块13的输出端和防倒灌二极管D1的阳极共接作为延迟锁死模块的输入端；N沟道MOS管Q3的漏极接至开关电源输出负端GND作为延迟锁死模块14的另一端。
本实施例的核心器件为光耦检测驱动模块11，光耦检测驱动模块11在检测负载RL两端电压的同时为MOS管Q4提供驱动信号。负载RL两端电压正常，则正常提供驱动信号；负载两端电压为零，则停止提供驱动信号，检测及驱动电路简单可靠。
本实施例详细的工作原理分析如下：
由光耦检测驱动模块11完成负载两端电压的检测，通过检测负载两端是否有电压来判断是否发生短路，如负载工作正常，即没有发生短路故障，负载两端有电压，则光耦U1的发光二极管1脚(即阳极)、2脚(即阴极)有电流流过，使光耦U1的光敏三极管3脚(即发射极)、 4脚(即集电极)导通，将提供驱动信号至N沟道MOS管Q4，使得N沟道MOS管Q4导通，使负载可以正常接入电源输出端。如果负载两端发生短路，则负载两端的电压为零，那么光耦的发光二极管无电流流过，光耦的U1的光敏三极管3脚、4脚截止，驱动信号无法加至N沟道MOS管Q4开关，使N沟道MOS管Q4截止，负载与开关电源输出负端断开，实现短路保护。
考虑在N沟道MOS管Q4在开通之前，电流回路未建立，即使负载没有短路，负载两端电压仍为零，光耦U1的发光二极管无法导通，故本申请加入开机驱动模块13，在开机时，将VO+电压信号通过防倒灌二极管D1引入至N沟道MOS管的栅极，使N沟道MOS管导通，使负载两端电压正常，从而使光耦U1的发光二极管正常导通，并由光耦U1提供驱动信号至N沟道MOS管的栅极。
考虑在N沟道MOS管经开机驱动模块13导通后，为使光耦U1检测负载端电压并单独由光耦U1提供驱动信号，本申请加入延迟锁死模块14，将开机驱动模块13提供的驱动N沟道MOS管的电压信号拉低，并持续锁死拉低，确保在正常工作时由光耦单独检测并控制N沟道MOS管。
图2-2是本实施例的延迟锁死信号产生电路141，包括电压检测延迟网络和自锁开关网络。其中，电压检测延迟网络包括：电阻R5、电阻R13、电容C1、TL431基准源U2和电阻R3；自锁开关网络包括：三极管Q1、MOS管Q2、电阻R2、电阻R6、电阻R8，电阻R11，电容C3、电阻R12、电阻R10和电容C2。
电阻R5的一端连接到开关电源输出正端VO+，电阻R5的另一端与电阻R13的一端、电容C1的一端、TL431基准源U2的参考端第1脚共连，电阻R13的另一端、电容C1的另一端、TL431基准源U2的阳极第3脚共同连接到开关电源输出负端，电阻R3的一端与开关电源输出正端连接，电阻R3的另一端与电阻R6、基准源U2的阴极第2引脚连接。电阻R6的另一端与电阻R8的一端、三极管Q1的基极相连,三极管Q1的集电极与电阻R11的一端、电阻R12 的一端、电阻R10的一端相连；三极管Q1的发射极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接至开关电源输出正端；电阻R8的另一端与MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q2的源极与开关电源输出负端连接，MOS管Q2的基极与电阻R11的另一端、电容C3的一端相连；电容C3 的另一端电阻R12的另一端连接到开关电源输出负端，电阻R10的另一端与电容C2的一端相连并输出延迟锁死信号至MOS管Q3，电容C2的另一端与开关电源输出负端相连。
开机时，开关电源正输出端的输出电压VO+通过电阻R5、电阻R13对C1进行充电，C1的充电时间就是所需的延迟时间；在C1两端电压达到基准源U2的基准电压后，基准源U2的第2脚(即阴极)被拉低，基准源U2的第2引脚通过限流电阻R6将三极管Q1的第1脚(即基极)拉低，使三极管Q1导通，将VCC电压经限流电阻R2、R11、分压电阻R12引入MOS管Q2 的栅极，使MOS管Q2栅极为高电平，使MOS管Q2导通，并通过限流电阻R10输出延迟锁死信号至MOS管Q3；MOS管Q2的导通，通过限流电阻R8，将三极管Q1的第1脚拉低，使三极管Q1持续导通，持续提供锁死信号至MOS管Q3，三极管Q1和MOS管Q2相互触发导通，形成持续锁死的状态，持续提供锁死信号至MOS管Q3。
第二实施例
请参阅图3，图3是本发明第二实施例提供的短路保护电路原理图。如图3所示，相对于第一实施例，第二实施例的保护开关模块12包括的N沟道MOS管Q4，电阻R14和继电器K1。第二实施例的保护开关模块组成及连接关系如下：
N沟道MOS管Q4的栅极与电阻R14的一端共同连接至防倒灌二极管D1的阴极和光耦U1 的第3引脚作为保护开关模块的控制端，N沟道MOS管Q4的漏极与继电器K1的线圈一端连接，继电器K1的线圈另一端与开关电源输出正端连接，N沟道MOS管Q4的源极、电阻R14 的另一端和继电器K1的第一触点 共同连接至开关电源输出负端作为保护开关模块的一端，继电器K1的第二触点 与负载接口负端连接作为保护开关模块的另一端。
第二实施例的开机驱动模块13、光耦检测驱动模块11，延迟锁死模块14和防倒灌二极管D1均同第一实施例，保护开关模块的工作原理如下：
光耦检测控制模块11通过检测负载的短路情况控制N沟道MOS管Q4，当N沟道MOS管Q4导通时，继电器K1的控制端通电，继电器K1的通电端导通，将负载接入电源中；当N沟道MOS管Q4关断时，继电器K1的控制端未通电，继电器的通电端断开，从而断开负载与电源的连接。
第二实施例其检测驱动模块核心器件依旧是光耦，其检测及控制逻辑不变，仅增加继电器驱动管，工作原理与第一实施例一样，可实现同等功效。
从以上实施案例可以看出，本发明提供的短路保护电路，采用光耦检测驱动模块11将现有技术的短路检测模块及保护开关驱动模块合并，由光耦检测驱动模块11检测负载两端的电压判定是否发生短路，在负载正常时导通保护开关模块12，在负载短路时，切断保护开关模块12的驱动，达到短路保护的目的。所述检测及驱动信号的提供均由光耦检测驱动模块11 完成，可简化电路，节约成本。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照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，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种短路保护电路，其特征在于：
包括保护开关模块、开机驱动模块、光耦检测驱动模块，延迟锁死模块和防倒灌二极管；
开机驱动模块的输入端和光耦检测驱动模块的输入端均用于同时连接开关电源输出正端和负载接口正端，开机驱动模块的输出端同时连接防倒灌二极管的阳极和延迟锁死模块的输入端；延迟锁死模块的输出端连接开关电源输出负端；光耦检测驱动模块的控制输出端同时连接防倒灌二极管的阴极和保护开关模块的控制端，光耦检测驱动模块的检测输出端用于连接负载接口负端；保护开关模块的一端连接开关电源输出负端，保护开关模块的另一端连接负载接口负端；
保护开关模块用于接通或者切断开关电源的输出负端和负载接口负端的供电回路；
开机驱动模块用于在开关电源开机时，将开关电源输出正端的电压信号通过防倒灌二极管引入至保护开关模块的控制端，使保护开关模块工作，实现光耦检测驱动模块导通并开始工作；
光耦检测驱动模块用于在开关电源启动后，检测负载两端电压，同时为保护开关模块提供驱动信号；
延迟锁死模块用于在开关电源启动后，拉低开机驱动模块提供给保护开关模块控制端的电压信号并持续锁死，确保在正常工作时由光耦单独检测并控制保护开关模块。
2.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：保护开关模块包括N沟道MOS管Q4和电阻R14，N沟道MOS管Q4的栅极与电阻R14的一端连接后为保护开关模块的控制端，N沟道MOS管Q4的源极与电阻R14的另一端连接后为保护开关模块的一端，N沟道MOS管Q4的漏极为保护开关模块的另一端。
3.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：保护开关模块包括N沟道MOS管Q4、电阻R14和继电器K1，N沟道MOS管Q4的栅极与电阻R14的一端连接后为保护开关模块的控制端，N沟道MOS管Q4的漏极连接继电器K1的线圈一端，继电器K1的线圈另一端连接开关电源输出正端，N沟道MOS管Q4的源极、电阻R14的另一端和继电器K1的第一触点 共同连接后为保护开关模块的一端，继电器K1的第二触点为保护开关模块的另一端。
4.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：开机驱动模块包括电阻R7，电阻R7的一端为开机驱动模块的输入端，电阻R7的另一端为开机驱动模块的输出端。
5.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：光耦检测驱动模块包括光耦U1、电阻R1和电阻R4；电阻R1的一端与电阻R4的一端连接后为光耦检测驱动模块的输入端，电阻R4的另一端连接光耦U1内部的三极管集电极；电阻R1的另一端与光耦U1的内部发光二极管阳极连接，光耦U1内部的发光二极管阴极为光耦检测驱动模块的检测输出端；光耦U1内部的三极管发射极为光耦检测驱动模块的控制输出端。
6.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：延迟锁死模块包括N沟道MOS管Q3；N沟道MOS管Q3的栅极用于输入延迟锁死信号，N沟道MOS管Q3的漏极为延迟锁死模块的输入端，N沟道MOS管Q3的源极为延迟锁死模块的输出端。
7.根据权利要求6所述的短路保护电路，其特征在于：延迟锁死信号由延迟锁死信号产生电路产生，延迟锁死信号产生电路包括电压检测延迟网络和自锁开关网络；
电压检测延迟网络包括：电阻R5、电阻R13、电容C1、TL431基准源U2和电阻R3；电阻R5的一端连接到开关电源输出正端，电阻R5的另一端同时连接电阻R13的一端、电容C1的一端和TL431基准源U2的参考端，电阻R13的另一端、电容C1的另一端、TL431基准源U2的阳极共同连接到开关电源输出负端，电阻R3的一端与开关电源输出正端连接，电阻R3的另一端与基准源U2的阴极连接；
自锁开关网络包括：三极管Q1、MOS管Q2、电阻R2、电阻R6、电阻R8，电阻R11，电容C3、电阻R12、电阻R10和电容C2；电阻R6的一端连接电压检测延迟网络中的基准源U2的阴极，电阻R6的另一端同时与电阻R8的一端和三极管Q1的基极相连,三极管Q1的集电极同时与电阻R11的一端、电阻R12的一端和电阻R10的一端相连；三极管Q1的发射极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端连接至开关电源输出正端；电阻R8的另一端与MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q2的源极与开关电源输出负端连接，MOS管Q2的基极同时与电阻R11的另一端和电容C3的一端相连；电容C3的另一端和电阻R12的另一端连接到开关电源输出负端，电阻R10的另一端与电容C2的一端相连并输出延迟锁死信号，电容C2的另一端与开关电源输出负端相连。
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