CN113922648B - 一种隔离型开关电源的输出过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，包括主变压器、输出电压采样电路、基准电压给定电路和比较电路。主变压器，具有原边辅助电源绕组，用于为所述输出电压采样电路提供方波电压；输出电压采样电路，包括二极管、第一电阻、第二电阻和电容，为比较电路提供所述采样电压；基准电压给定电路，为所述比较电路提供所述给定电压；比较电路，用于将所述采样电压和所述给定电压进行比较，进而判定所述隔离型开关电源是否发生输出过压，并对隔离型开关电源进行过压保护。本发明使电路适用于正激、推挽、半桥、全桥等拓扑，隔离型开关电源的过压保护电路位于主变压器的原边，避免了光耦元件的使用，减小器件体积，降低生产成本。

Description

一种隔离型开关电源的输出过压保护电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种隔离型开关电源的输出过压保护电路。

背景技术

作为现代电子系统中不可或缺的电能转换装置，开关电源的主要作用是利用现代电力电子技术，将电压转换成适合用电设备需求的特定电压。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，输出过压保护可以在开关电源处于输出过压时有效识别异常状态并及时反应，防止开关电源以及后续用电设备的损坏。

传统的隔离型开关电源的输出端与保护电路一般位于副边，如图1所示。图1中的输出过压保护电路主要为：利用分压电阻采样输出电压，与给定电压进行比较，接着需要经过一个光耦传递到原边，比较器才能逻辑输出提供给原边的后续电路，实现输出过压保护功能。该电路需要经过一个光耦，额外地增加了开关电源的体积与生产成本。

现有的隔离型开关电源的输出过压保护电路，如图2所示。图2中的输出过压保护电路则是利用分压电阻直接采样主变压器原边辅助绕组在电感续流区时的电压，与给定电压进行比较，比较器逻辑输出提供给原边的后续电路，实现输出过压保护功能。然而在电感储能区与电感续流区，由于正激、推挽、半桥、全桥等拓扑的主变压器电压与输出电压均不成比例，所以当原边辅助绕组位于主变压器上时，电路无法实现输出过压保护。此外，在电感储能区与电感续流区，由于开关管驱动互补的推挽、桥臂上下管驱动互补的半桥和全桥，其输出电感电压与输出电压均不成正比，所以当原边辅助绕组位于输出电感上时，电路也无法实现输出过压保护。在电感续流区，虽然正激、开关管驱动对称的推挽、桥臂上下管驱动对称的半桥和全桥，其输出电感电压与输出电压成比例，但是，由于此时的输出电感位于副边，所以当原边辅助绕组位于输出电感上时，尽管可以实现输出过压保护，可是电路存在原边辅助绕组布线困难这一问题。综上所述，现有的输出过压保护电路比较适合于反激，而不太适合其它拓扑。

发明内容

本发明提供了一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，适用于正激、推挽、半桥、全桥等拓扑，保护电路位于主变压器的原边，对开关电源的输出过压进行保护的同时，避免了光耦元件的使用，减小器件体积，降低生产成本。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，包括：主变压器、输出电压采样电路、基准电压给定电路和比较电路；

其中，所述主变压器，具有原边辅助电源绕组，用于为所述输出电压采样电路提供方波电压；

所述输出电压采样电路，用于对主变压器的原边辅助电源绕组的方波电压进行采样，根据所述主变压器的原边辅助电源绕组的方波电压，结合所述输出电压采样电路确定采样电压，并为所述比较电路提供所述采样电压；

所述基准电压给定电路，用于对隔离型开关电源的输入电压和基准电压进行采样，根据所述隔离型开关电源的输入电压和基准电压，结合所述基准电压给定电路确定给定电压，并为所述比较电路提供所述给定电压；

所述比较电路，用于将所述采样电压和所述给定电压进行比较，进而判定所述隔离型开关电源是否发生输出过压；

所述输出电压采样电路、所述基准电压给定电路、所述比较电路均位于所述主变压器的原边；

所述输出电压采样电路包括：二极管、第一电阻、第二电阻和电容；

所述二极管的正极与所述主变压器的原边辅助电源绕组的同名端连接，所述二极管的负极与所述第一电阻的第一端连接；

所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；

所述第二电阻的第二端与所述主变压器的原边辅助电源绕组的非同名端连接，并连接信号地；

所述电容与所述第二电阻并联，所述电容的第一端用于连接所述输出电压采样电路的输出端。

进一步地，所述基准电压给定电路，包括：第三电阻、第四电阻和第五电阻；

其中，所述第三电阻的第一端用于连接所述隔离型开关电源的输入电压，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第二端连接；

所述第四电阻的第一端用于连接所述基准电压，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端连接；

所述第五电阻的第一端用于连接所述基准电压给定电路的输出端，所述第五电阻的第二端与信号地连接。

进一步地，所述比较电路，包括：比较器；

其中，所述比较器的第一输入端与所述输出电压采样电路的输出端连接；

所述比较器的第二输入端与所述基准电压给定电路的输出端连接；

所述比较器的输出端用于输出控制电压，为外部电路提供电压。

进一步地，所述将所述采样电压和所述给定电压进行比较，进而判定所述隔离型开关电源是否发生输出过压，具体为：

当所述采样电压小于或等于所述给定电压时，判定所述隔离型开关电源没有发生输出过压，则隔离型开关电源正常工作；

当所述采样电压大于所述给定电压时，判定所述隔离型开关电源发生输出过压，则所述比较器的输出电压实现逻辑翻转，用于为外部电路提供电压。

作为优选方案，所述二极管为整流二极管。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供了一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，通过比较电路对于输出电压采样电路提供的采样电压和基准电压给定电路提供的给定电压进行比较，控制输出电压，进而实现对电路的保护功能，适用于正激、推挽、半桥、全桥等拓扑。输出电压采样电路、基准电压给定电路、比较电路均位于主变压器的原边，避免了光耦元件的使用，进而节省了器件的空间布局，减小器件体积，降低生产成本。

附图说明

图1：为传统的隔离型开关电源的输出过压保护电路的示意图；

图2：为目前已有的隔离型开关电源的输出过压保护电路的示意图；

图3：为本发明提供的一种隔离型开关电源的输出过压保护电路的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图3，图3为本发明提供的一种隔离型开关电源的输出过压保护电路的示意图。该隔离型开关电源的输出过压保护电路包括：主变压器T1、输出电压采样电路、基准电压给定电路和比较电路。其中，主变压器T1，具有原边辅助电源绕组，用于为输出电压采样电路提供方波电压Ua。

输出电压采样电路，用于对主变压器的原边辅助电源绕组的方波电压Ua进行采样，根据主变压器T1的原边辅助电源绕组的方波电压Ua，结合输出电压采样电路确定采样电压Usamp，并为比较电路提供采样电压Usamp。

基准电压给定电路，用于对隔离型开关电源的输入电压Ui和基准电压Uref进行采样，根据隔离型开关电源的输入电压Ui和基准电压Uref，结合基准电压给定电路确定给定电压Uset，并为比较电路提供给定电压Uset。

比较电路，用于将采样电压Usamp和给定电压Uset进行比较，进而判定隔离型开关电源是否发生输出过压。

输出电压采样电路、基准电压给定电路、比较电路均位于所述主变压器T1的原边。

请参见图3，输出电压采样电路包括：二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1。

二极管D1的正极与主变压器T1的原边辅助电源绕组的同名端连接，二极管D1的负极与第一电阻R1的第一端连接。

第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端连接。

第二电阻R2的第二端与主变压器T1的原边辅助电源绕组的非同名端连接，并连接信号地。

电容C1与第二电阻R2并联，电容C1的第一端用于连接输出电压采样电路的输出端。

输出电压采样电路采样主变压器T1的原边辅助电源绕组的方波电压Ua，其中Ua的占空比即为主电路的占空比D。在电感储能区，二极管D1导通，Ua通过二极管D1、第一电阻R1和第二电阻R2，对电容C1充电，其中，电感储能区的电感是指主电路拓扑中的储能电感，一般为输出电感。在电感续流区，二极管D1关断，电容C1通过第二电阻R2放电。电容C1上的电压即采样电压Usamp，作为比较电路的一个输入电压。

请参见图3，基准电压给定电路，包括：第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5。

第三电阻R3的第一端用于连接隔离型开关电源的输入电压Ui，第三电阻R3的第二端与第四电阻R4的第二端连接。

第四电阻R4的第一端用于连接基准电压Uref，第四电阻R4的第二端与第五电阻R5的第一端连接。

第五电阻R5的第一端用于连接基准电压给定电路的输出端，第五电阻R5的第二端与信号地连接。

基准电压给定电路采样隔离型开关电源的输入电压Ui、基准电压Uref，通过第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5分压。第五电阻R5上的电压即给定电压Uset，作为比较电路的另一个输入电压。

请参见图3，比较电路，包括：比较器。

比较器U1的第一输入端与输出电压采样电路的输出端连接。

比较器U1的第二输入端与基准电压给定电路的输出端连接。

比较器U1的输出端用于输出控制电压Uc，为外部电路提供电压。

请参见图3，将采样电压Usamp和给定电压Uset进行比较，进而判定隔离型开关电源是否发生输出过压，具体为：

当采样电压Usamp小于或等于给定电压Uset时，判定隔离型开关电源没有发生输出过压，则隔离型开关电源正常工作。

当采样电压Usamp大于给定电压Uset时，判定隔离型开关电源发生输出过压，则比较器U1的输出电压，即控制电压Uc，实现逻辑翻转，用于为外部电路提供电压。

作为优选方案，二极管D1为整流二极管。

请参见图3，基于上述方案，为便于更好的理解本发明实施例提供的隔离型开关电源的输出过压保护电路，以下进行详细说明：

参见图3，采样电压Usamp为阻容充放电波形。由于充电、放电时间分别为D/fs、(1－D)/fs，充放电时间很短，因此采样电压Usamp近似为带直流偏置的三角波，即Usamp＝Usampdc+Usampac。其中，fs为方波电压Ua的频率，也即主电路的开关频率，Usampdc为采样电压Usamp的直流分量，Usampac为采样电压Usamp的交流分量，即不带直流偏置的三角波。

在电感储能区，方波电压Ua＝Na/Np＊Ui，其中Na为主变压器T1的原边辅助电源绕组的匝数，Np为主变压器的原边绕组匝数，Ui为开关电源的输入电压。对于正激、推挽、半桥、全桥等开关电源拓扑，开关电源的输入电压Ui＝Np/Ns＊Uo/D，其中Ns为主变压器T1的副边绕组匝数，Uo为开关电源的输出电压。因此，在电感储能区，方波电压Ua＝Na/Ns＊Uo＊D。

在电感储能区，第一电阻R1、第二电阻R2上流过的电流IR1、IR2近似为直流，大小分别为IR1＝(Na/Ns＊Uo＊D－Ud1－Usampdc)/R1、IR2＝Usampdc/R2，其中，Ud1为二极管D1上的压降，公式中的R1、R2分别为第一电阻R1、第二电阻R2的阻值。因此电容C1上流过的电流IC1近似为直流，大小为IC1＝IR1－IR2＝(Na/Ns＊Uo＊D－Ud1－Usampdc)/R1－Usampdc/R2。

在电感续流区，第一电阻R1、第二电阻R2上流过的电流IR1、IR2近似为直流，大小分别为IR1＝0A、IR2＝－Usampdc/R2。因此电容C1上流过的电流IC1近似为直流，大小为IC1＝IR1－IR2＝Usampdc/R2。根据电容C1的安秒平衡，D＊((Na/Ns＊Uo＊D－Ud1－Usampdc)/R1－Usampdc/R2)＝(1－D)＊(Usampdc/R2)，所以Usampdc＝(Na/Ns＊Uo－D＊Ud1)/(D+R1/R2)。

一般来说，占空比D一般最大取0.8左右，而二极管压降一般在0.3V至0.7V之间，所以Na/Ns＊Uo一般总是大于5倍的D＊Ud1，而R1/R2也一般总是大于5倍的D。而当Na/Ns＊Uo大于5倍的D＊Ud1，R1/R2大于5倍的D时，Usampdc近似与Uo成正比。

Usampac的峰峰值近似为1/C1＊Usampdc/R2＊(1－D)/fs，因此Usamp的峰值为Usamppeak＝Udcsamp+0.5/C1＊Udcsamp/R2＊(1－D)/fs＝(Na/Ns＊Uo－D＊Ud1)/(D+R1/R2)＊(1+0.5/C1/R2＊(1－D)/fs)，其中公式中的C1为电容C1的容值。

给定电压Uset为基准电压Uref、输入电压Ui的分压比加权，即Uset＝Uref/(1+R4＊(1/R3+1/R5))+Ui/(1+R3＊(1/R4+1/R5))＝

Uref/(1+R4＊(1/R3+1/R5))+Np/Ns＊Uo/D/(1+R3＊(1/R4+1/R5))，其中公式中的R3、R4、R5分别为第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5的阻值。

因此当Np/Ns＊Uo/D/(1+R3＊(1/R4+1/R5))小于1/5的Uref/(1+R4＊(1/R3+1/R5))时，Uset近似不变。

当Usamppeak＝Uset时，即(Na/Ns＊Uo－D＊Ud1)/(D+R1/R2)＊(1+0.5/C1/R2＊(1－D)/fs)＝Uref/(1+R4＊(1/R3+1/R5))+Np/Ns＊Uo/D/(1+R3＊(1/R4+1/R5))时，控制电压Uc实现逻辑翻转。

参见图3，正激、推挽、半桥、全桥等拓扑的主变压器的电压，在电感储能区，与Ui成正比，在电感续流区，与－Ui成正比，即一正一负。而二极管D1位于原边辅助电源绕组的同名端，因此只整流电感储能区的与Ui成正比的电压。但是此时二极管D1并不与电容C1直接相连，所以电容C1在电感储能区通过第一电阻R1、第二电阻R2充电，而在电感续流区通过第二电阻R2放电，即电容C1有充有放，相当于所谓的“平均值采样”，采样电感储能区电压，与Ui成正比，再平均，即“平均”之后的电压，与Ui＊D成正比。而对于正激、推挽、半桥、全桥等拓扑，Ui＊D与Uo成正比。所以电容C1上的电压即采样电压Usamp与Uo成正比。当输出Uo过压时，占空比D也会相应变化，从而保证Usamp与Uo成正比，实现输出过压保护。同时，当输入Ui变化时，占空比D也会相应变化，从而保证Usamp与Uo成正比，实现输出过压保护。

Usamp＝Usampdc+Usampac。一般来说Usampac小于1/5的Usampdc，所以Usampdc起主要作用。而Usampac主要由电容C1的充放电速度决定，也即由R1、R2、C1的大小决定。

同理Uset也主要由Uref决定，Uref起主要作用。而Ui只起偏置作用，为了抵消Usamp中的“近似值”。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明提供了一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，通过比较电路对于输出电压采样电路提供的采样电压和基准电压给定电路提供的给定电压进行比较，控制输出电压，进而实现对电路的保护功能，适用于正激、推挽、半桥、全桥等拓扑。输出电压采样电路、基准电压给定电路、比较电路均位于主变压器的原边，避免了光耦元件的使用，进而节省了器件的空间布局，减小器件体积，降低生产成本。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，其特征在于，包括：主变压器、输出电压采样电路、基准电压给定电路和比较电路；

其中，所述主变压器，具有原边辅助电源绕组，用于为所述输出电压采样电路提供方波电压；

所述输出电压采样电路，用于对主变压器的原边辅助电源绕组的方波电压进行采样，根据所述主变压器的原边辅助电源绕组的方波电压，结合所述输出电压采样电路确定采样电压，并为所述比较电路提供所述采样电压；

所述基准电压给定电路，用于对隔离型开关电源的输入电压和基准电压进行采样，根据所述隔离型开关电源的输入电压和基准电压，结合所述基准电压给定电路确定给定电压，并为所述比较电路提供所述给定电压；

所述比较电路，用于将所述采样电压和所述给定电压进行比较，进而判定所述隔离型开关电源是否发生输出过压；

所述输出电压采样电路、所述基准电压给定电路、所述比较电路均位于所述主变压器的原边；

所述输出电压采样电路包括：二极管、第一电阻、第二电阻和电容；

所述二极管的正极与所述主变压器的原边辅助电源绕组的同名端连接，所述二极管的负极与所述第一电阻的第一端连接；

所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接；

所述第二电阻的第二端与所述主变压器的原边辅助电源绕组的非同名端连接，并连接信号地；

所述电容与所述第二电阻并联，所述电容的第一端用于连接所述输出电压采样电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，其特征在于，所述基准电压给定电路，包括：第三电阻、第四电阻和第五电阻；

其中，所述第三电阻的第一端用于连接所述隔离型开关电源的输入电压，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第二端连接；

所述第四电阻的第一端用于连接所述基准电压，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端连接；

所述第五电阻的第一端用于连接所述基准电压给定电路的输出端，所述第五电阻的第二端与信号地连接。

3.根据权利要求1所述的一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，其特征在于，所述比较电路，包括：比较器；

其中，所述比较器的第一输入端与所述输出电压采样电路的输出端连接；

所述比较器的第二输入端与所述基准电压给定电路的输出端连接；

所述比较器的输出端用于输出控制电压，为外部电路提供电压。

4.根据权利要求1所述的一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，其特征在于，所述将所述采样电压和所述给定电压进行比较，进而判定所述隔离型开关电源是否发生输出过压，具体为：

当所述采样电压小于或等于所述给定电压时，判定所述隔离型开关电源没有发生输出过压，则隔离型开关电源正常工作；

当所述采样电压大于所述给定电压时，判定所述隔离型开关电源发生输出过压，则比较器的输出电压实现逻辑翻转，用于为外部电路提供电压。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种隔离型开关电源的输出过压保护电路，其特征在于，所述二极管为整流二极管。

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