CN113054834A - 具有输出短路保护功能的切换式电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明主要提出一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其主要包括：一切换式电源模块、一电流回授单元、一光耦隔离器、以及一基准电压调整单元。依据本发明的设计，在该切换式电源模块的输出端发生电流短路时，该基准电压调整单元会立即性地拉低该电流回授单元内部的一基准电压的准位，令该电流回授单元输出对应的一电流误差信号至该切换式电源模块，由此方式在所述输出端发生电流短路的情况下，发挥出调降该切换式电源模块的输出电流大小的功效，从而解决了输出端发生短路之时所衍生的电流纹波导致输出整流管及/或输出电容过热的问题。
Description
技术领域
本发明为电源电路的有关技术领域，尤指一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路。
背景技术
随着电子科技的发展与进步，各式各样的电子设备与产品被广泛地应用于人们的日常生活之中，而传统上是使用一线性电源供应器(linear power supply)提供稳定的电压/电流给电子设备。然而，传统的线性电源供应器具有体积庞大、电源转换效率低等缺点，因此切换式电源供应器技术(Switch Mode Power Supply,SMPS)于1970年由荷兰人罗乃第(Net R.M.Rao)所提出。
至今，切换式电源供应器的技术已相当进步且成熟。请参阅图1，为现有的一种切换式电源供应器的电路方块图。如图1所示，现有的切换式电源供应器1’用以对至少一负载2’提供稳定电压/电流，且其主要包括：耦接一电源VS’的一切换式电源模块11’、一电流回授单元12’、一电压回授单元13’、以及一光耦隔离器14’。其中，该电流回授单元12’包括：一检测电阻R105’、一限流电阻R104’、一第一分压电阻R102’、一第二分压电阻R103’的一分压单元、一比较器U200’、一回授电阻R101’、一回授电容C100’、以及一第一隔离二极管D101’。另一方面，该电压回授单元13’与该光耦隔离器14’之间也设有一第二隔离二极管D100’。
特别说明的是，短路保护是切换式电源供应器1’的重要保护功能之一。当切换式电源供应器1’的输出端发生短路故障时，输出电压或输出电流容易失去控制而造成负载2’的损坏。因此，目前市售的各种切换式电源供应器1’都会搭载短路保护功能。更详细地说明，已知的短路保护模式有三种：打嗝模式(hiccup mode)、关断模式(shut down)、定电流模式(Constant current limiting mode)。其中，在输出端短路时，保护电路会启用打嗝模式以令切换式电源供应器1’不停地自动重启(restart)，最终导致切换式电源供应器1’难以自恢复(self-recovery)。另一方面，就具有关断保护功能的切换式电源供应器1’而言，在其输出端发生短路之时，关断保护电路会启用以完全关断(shut down)切换式电源供应器1’的输出端。然而，必须注意的是，被关断的切换式电源供应器1’无法自行重启，必须通过人工重启。
请重复参阅图1。就具有限流保护功能的切换式电源供应器1’而言，当切换式电源供应器1’的输出端因电压过载保护(Over voltage protection,OVP)或者发生故障而导致短路时，大电流会流过检测电阻R105’因而在比较器U200’的负输入端产生一个检测电压，且所述检测电压会高于耦接于比较器U200’的正输入端的基准电压VREF’。在此情况下，该电流回授单元12’的功能便会被触发，使得所述输出端的短路输出电流(Short-circuitoutput current)的有效值跟额定输出电流(Rated output current)一样大。
整体而言，具有定电流的短路保护功能的切换式电源供应器1’具有较佳的自恢复启动特性；可惜的是，即使所述输出端的短路输出电流的有效值被调整至跟额定输出电流(Rated output current)一样大，甚至是比额定电流大，肇因于短路输出电流的电流纹波非常大，仍然有很高的机率会造成输出端的输出电容和整流二极管容易因过热而毁损。
由上述说明可知，现有的定电流的短路保护技术仍具有需要进一步改善的空间。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成本发明的一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其主要包括：一切换式电源模块、一电流回授单元、一光耦隔离器、以及一基准电压调整单元。依据本发明的设计，在该切换式电源模块的输出端发生电流短路时，该基准电压调整单元会立即性地拉低该电流回授单元内部的一基准电压的准位，令该电流回授单元输出对应的一电流误差信号至该切换式电源模块，由此方式在所述输出端发生电流短路的情况下，发挥出调降该切换式电源模块的输出电流大小的功效，从而解决了输出端发生短路之时所衍生的电流纹波所导致的输出整流管及/或输出电容过热的问题。
为达成上述目的，本发明提出所述具有输出短路保护功能的切换式电源电路的一实施例，其包括：
一切换式电源模块，其一输入端耦接一电源，且其一输出端用以电连接至少一负载；
一电流回授单元，耦接至该切换式电源模块的该输出端；
一光耦隔离器，耦接于该电流回授单元和该切换式电源模块之间；其中，该电流回授单元依据该切换式电源模块所提供的一输出电流而产生一电流误差信号，并通过该光耦隔离器传送该电流误差信号至该切换式电源模块；以及
一基准电压调整单元，耦接于该切换式电源模块的该输出端，且同时耦接至该电流回授单元内部的一基准电压；
其中，在该切换式电源模块的该输出端发生电流短路时，该基准电压调整单元拉低所述基准电压的准位，进而通过该电流回授单元输出对应的所述电流误差信号至该切换式电源模块，以调降该切换式电源模块的一输出电流的大小。
在一可行实施例中，所述基准电压调整单元为一二极管，且该二极管以其一阴极端和一阳极端分别耦接该切换式电源模块11的该输出端与该基准电压。
在另一可行实施例中，所述基准电压调整单元为一二极管连接式的金属氧化物半导体场效晶体管(Diode-connected MOSFET)，且该金属氧化物半导体场效晶体管以其一源极端和一汲极端分别耦接该切换式电源模块的该输出端与该基准电压。
在一实施例中，发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路还包括：
一电压回授单元，耦接至该切换式电源模块的该输出端，且同时耦接至该光耦隔离器；其中，该电压回授单元依据该切换式电源模块所提供的一输出电压而产生一电压误差信号，并通过该光耦隔离器传送该电压误差信号至该切换式电源模块。
于前述本发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路的实施例中，一第一隔离二极管以其一阴极端和一阳极端分别耦接至该电流回授单元和该光耦隔离器之间；并且，一第二隔离二极管以其一阴极端和一阳极端分别耦接至该电压回授单元和该光耦隔离器之间。
在可行的实施例中，本发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路应用于一电源装置之中，且该电源装置可为下列任一者：LED驱动器、电源供应器、或电源转换器。
附图说明
图1显示现有的一种切换式电源供应器的电路方块图；
图2显示本发明的一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路的第一实施例的方块图；
图3显示切换式电源模块的内部电路的方块图；
图4显示本发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路的第一实施例的电路架构图；以及
图5显示本发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路的第二实施例的电路架构图。
图中主要符号说明：
1 具有输出短路保护功能的切换式电源电路
2 负载
11 切换式电源模块
110 电磁干扰滤波单元
111 整流单元
112 功率因素修正单元
113 变压器单元
114 功率开关单元
115 滤波整流单元
117 控制单元
12 电流回授单元
13 电压回授单元
14 光耦隔离器
15 基准电压调整单元
C100 回授电容
D100 第二隔离二极管
D101 第一隔离二极管
R101 回授电阻
R102 第一分压电阻
R103 第二分压电阻
R104 限流电阻
R105 检测电阻
U200 比较器
VS 电源
VREF 基准电压
1’ 切换式电源供应器
11’ 切换式电源模块
12’ 电流回授单元
13’ 电压回授单元
14’ 光耦隔离器
2’ 负载
C100’ 回授电容
D100’ 第二隔离二极管
D101’ 第一隔离二极管
R101’ 回授电阻
R102’ 第一分压电阻
R103’ 第二分压电阻
R104’ 限流电阻
R105’ 检测电阻
U200’ 比较器
VS’ 电源
VREF’ 基准电压
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
第一实施例
图2显示本发明的一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路的第一实施例的方块图。如图2所示，本发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路1(下文简称“切换式电源电路1”)可应用于例如LED驱动器、电源供应器、电源转换器等电源装置之中，且其主要架构包括：一切换式电源模块11、一电流回授单元12、一电压回授单元13、一光耦隔离器14、以及一基准电压调整单元15。另一方面，图3显示该切换式电源模块11的内部电路的方块图。熟悉电源装置的设计与制作的电子工程师必然知道，切换式电源模块11通常包括：耦接电源VS的一电磁干扰滤波单元(EMI filtering unit)110、一整流单元111、一功率因素修正(PFC)单元112、一变压器单元113、一功率开关单元114、一滤波整流单元115、以及一控制单元117。如图3所示，该整流单元111耦接该电磁干扰滤波单元110，且该功率因素修正单元112耦接该整流单元111。另一方面，该变压器单元113以其一次侧耦接该功率因素修正单元112，且该功率开关单元114，耦接该变压器单元113的一次侧和该功率因素修正单元112之间。再者，滤波整流单元115设于该变压器单元113的二次侧。
值得注意的是，该控制单元117耦接光耦隔离器14与功率开关单元114。请继续参阅图2与图3，且请同时参阅图4，其显示本发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路1的第一实施例的电路架构图。依据本发明的设计，前述的切换式电源模块11的输入端耦接一电源VS，且其输出端则电性连接至少一负载2。另一方面，该电流回授单元12耦接至该切换式电源模块11的该输出端和该光耦隔离器14，用以自该输出端检测一输出电流，接着依据该输出电流产生一电流误差信号至控制单元117，使得该控制单元117基于所述电流误差信号而产生一开关控制信号以驱动该功率开关单元114执行一周期性开/关作动。补充说明的是，所述功率开关单元114通常为一功率型金属氧化物半导体场效晶体管(PowerMOSFET)。并且，一第一隔离二极管D101以其一阴极端和一阳极端分别耦接至该电流回授单元12和该光耦隔离器14之间。
同样地，该电压回授单元13也是耦接至该切换式电源模块11的该输出端和该光耦隔离器14。不同之处在于，该电压回授单元13用以自该输出端检测一输出电压，接着依据该输出电压产生一电压误差信号至控制单元117，使得该控制单元117基于所述电压误差信号而产生开关控制信号以驱动该功率开关单元114执行周期性开/关作动。补充说明的是，一第二隔离二极管D100以其一阴极端和一阳极端分别耦接至该电压回授单元13和该光耦隔离器14之间。
依据本发明的设计，如图2与图4所示，一基准电压调整单元15耦接于该切换式电源模块11的该输出端，且同时耦接至该电流回授单元12内部的一基准电压VREF。图4示范性地绘示该电流回授单元12包括：一检测电阻R105、一限流电阻R104、一第一分压电阻R102、一第二分压电阻R103的一分压单元、一比较器U200、一回授电阻R101、一回授电容C100、以及一第一隔离二极管D101。
特别地，本发明以一个二极管做为所述基准电压调整单元15的示范性实施方式。由图4可知，该二极管(亦即，基准电压调整单元15)以其一阴极端和一阳极端分别耦接该切换式电源模块11的该输出端与该基准电压VREF。如此设置，在该切换式电源模块11的该输出端发生电流短路之时，基准电压调整单元15便会发挥拉低基准电压VREF准位的功效，进而通过该电流回授单元12输出对应的所述电流误差信号至该切换式电源模块11，以调降该切换式电源模块11的一输出电流的大小。
更详细地说明，在该切换式电源模块11的该输出端发生电流短路之时，该输出端所提供的输出电压的值会低于所述基准电压VREF的原设定值。因此，本发明将所述基准电压调整单元15耦接于该输出端和电流回授单元12内部的基准电压VREF之间，使得基准电压VREF的准位能够在该输出端发生电流短路之时同步地被拉低。如图4所示，当该输出端所提供的输出电压的值下降之时，通过第一分压电阻R102和第二分压电阻R103输入到比较器U200的正输入端的电压也同样减小。因此，在基准电压VREF和所述正输入端的输入电压皆同时减小的情况下，该比较器U200被触发因而输出所述电流误差信号至控制单元117。最终，该控制单元117基于所述电流误差信号而产生一开关控制信号以驱动该功率开关单元114执行一周期性开/关作动，因而能够在该切换式电源模块11的输出端发生短路之时实时地调降输出电流的大小，从而解决了输出端短路时所衍生的电流纹波导致该滤波整流单元115所包含的输出整流管及/或输出电容过热的问题。
第二实施例
图5显示本发明的具有输出短路保护功能的切换式电源电路的第二实施例的电路架构图。比较图4与图5可以轻易地发现，在第二实施例中，所述基准电压调整单元15为一二极管连接式的金氧半场效晶体管(Diode-connected MOSFET)，且该金属氧化物半导体场效晶体管以其一源极端和一汲极端分别耦接该切换式电源模块11的该输出端与该基准电压VREF。
如此，上述说明系已清楚、完整地介绍本发明的一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路的组成及其特征。然而，必须强调的是，上述的详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含在本案的专利范围中。
Claims (9)
1.一种具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，包括：
一切换式电源模块，其一输入端耦接一电源，且其一输出端用以电连接至少一负载；
一电流回授单元，耦接至该切换式电源模块的该输出端；
一光耦隔离器，耦接于该电流回授单元和该切换式电源模块之间；其中，该电流回授单元依据该切换式电源模块所提供的一输出电流而产生一电流误差信号，并通过该光耦隔离器传送该电流误差信号至该切换式电源模块；以及
一基准电压调整单元，耦接于该切换式电源模块的该输出端，且同时耦接至该电流回授单元内部的一基准电压F；
其中，在该切换式电源模块的该输出端发生电流短路之时，该基准电压调整单元拉低所述基准电压的准位，进而通过该电流回授单元输出对应的所述电流误差信号至该切换式电源模块，以调降该切换式电源模块的一输出电流的大小。
2.根据权利要求1所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，还包括：
一电压回授单元，耦接至该切换式电源模块的该输出端，且同时耦接至该光耦隔离器；其中，该电压回授单元依据该切换式电源模块所提供的一输出电压而产生一电压误差信号，并通过该光耦隔离器传送该电压误差信号至该切换式电源模块。
3.根据权利要求2所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，一第一隔离二极管以其一阴极端和一阳极端分别耦接至该电流回授单元和该光耦隔离器之间。
4.根据权利要求3所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，一第二隔离二极管以其一阴极端和一阳极端分别耦接至该电压回授单元和该光耦隔离器之间。
5.根据权利要求1所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，该切换式电源模块包括：
一电磁干扰滤波单元，耦接该电源；
一整流单元，耦接该电磁干扰滤波单元；
一功率因素修正单元，耦接该整流单元；
一变压器单元，以其一次侧耦接该功率因素修正单元；
一功率开关单元，耦接该变压器单元的一次侧和该功率因素修正单元之间；
一滤波整流单元，耦接该变压器单元的二次侧；以及
一控制单元，耦接该光耦隔离器与该功率开关单元，进而基于所述电流误差信号而产生一开关控制信号以驱动该功率开关单元。
6.根据权利要求1所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，所述基准电压调整单元为一二极管，且该二极管以其一阴极端和一阳极端分别耦接该切换式电源模块的该输出端与该基准电压。
7.根据权利要求1所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，所述基准电压调整单元为一二极管连接式的金属氧化物半导体场效晶体管，且该金氧半场效晶体管以其一源极端和一汲极端分别耦接该切换式电源模块的该输出端与该基准电压。
8.根据权利要求5所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，其特征在于，该功率开关单元为一功率型金属氧化物半导体场效晶体管。
9.根据权利要求1所述的具有输出短路保护功能的切换式电源电路，应用于一电源装置之中，且该电源装置可为下列任一者：LED驱动器、电源供应器、或电源转换器。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210629 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |