CN114552962A - 一种过流保护电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过流保护电路及开关电源，其中的过流保护电路当表征开关电源输出电流大小的电压信号V1的绝对值大于第一设定值且小于或等于第二设定值时，在达到计时时间设定值时输出恒流控制信号V8控制开关电源以第一电流值恒流输出；当电压信号V1的绝对值大于第二设定值时，恒流控制信号V8立即控制开关电源以第二电流值恒流输出，并在达到计时时间设定值时输出恒流控制信号V8控制所述的开关电源以第一电流值恒流输出；应用该过流保护电路的开关电源既可以满足瞬态过功率时的输出能力，又能控制开关电源超过额定电流工作的时间，防止过热损坏；同时保障开关电源输出电流不会大于内部器件额定电流值而导致器件过电流击穿。

Description

一种过流保护电路及开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及开关电源过流时的保护电路。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，开关电源的应用越来越广泛，特别是大功率、高功率密度、低成本、高可靠性的开关电源需求日益增加，当开关电源的负载为继电器、电机驱动系统，或者负载工作在频繁起停状态下，在负载启机过程中所需求的电流值(也称之为瞬态电流值、瞬态过功率电流值)往往大于正常工作时的电流值(也称之为额定稳态电流值、额定电流值)，甚至达到了2～3倍。

在开关电源选型时，若以负载启机时的功率选择开关电源，开关电源的体积、成本将大大上升，若以稳态功率选择开关电源，又会带来负载启机时损坏开关电源的风险，因此为满足瞬态大电流输出需求，目前大多开关电源会在控制中增加过流保护功能。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提供一种过流保护电路及开关电源，使得应用了本发明的过流保护电路的开关电源既可以提高瞬态过功率时的输出能力，又可以在规定时间内才能超过额定电流输出，防止开关电源过热损坏；同时保障开关电源输出电流不会大于开关电源所允许的极限电流值而导致开关电源过电流损坏。

作为本发明的第一个方面，所提供的过流保护电路的技术方案如下：

一种过流保护电路，应用于开关电源，所述的开关电源包括功率转换单元和反馈控制单元，其特征在于，所述的过流保护电路包括：

电流检测电路，用于将所述的开关电源的输出电流转换为表征该所述的输出电流大小的电压信号V1；

基准源产生电路，用于产生第一参考电压V2；

计时控制电路，用于将所述的电压信号V1和所述的第一参考电压V2进行叠加和分压后输出第二参考电压V3，并判断所述的第二参考电压V3与地电压信号的大小，输出电压信号V4；

计时电路，用于依据所述的电压信号V4，进行计时并输出电压信号V5；

恒流控制电路，用于依据所述的电压信号V5的电平状态，将所述的电压信号V1和所述的第一参考电压V2进行叠加和按照不同的比例分压，输出第三参考电压V6，并判断所述的第三参考电压V6与地电压信号的大小，输出恒流控制信号V8，所述的恒流控制信号V8用于被输入至所述的反馈控制单元的反馈控制端；

当所述的电压信号V1的绝对值小于或等于第一设定值时，所述的恒流控制信号V8不会控制所述的开关电源动作；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第一设定值，且小于或等于第二设定值时，在所述的计时电路的计时时间达到计时时间设定值时，所述的恒流控制信号V8会控制所述的开关电源以第一电流值恒流输出；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第二设定值时，所述的恒流控制信号V8立即控制所述的开关电源以第二电流值恒流输出，并在所述的计时电路的计时时间达到所述的计时时间设定值时，所述的恒流控制信号V8会控制所述的开关电源以第一电流值恒流输出；

所述的开关电源的输出电流额定值≤所述的第一电流值≤所述的第二电流值≤所述的开关电源的输出电流极限值。

进一步地，将所述的电压信号V4为高电平时对应的所述的第二参考电压 V3的值记为V3a；将所述的电压信号V4为低电平时对应的所述的第二参考电压V3的值记为V3b；将所述的电压信号V5为高电平时对应的所述的第三参考电压V6的值记为V6a；将所述的电压信号V5为低电平时对应的所述的第三参考电压V6的值记为V6b；所述的V3b<所述的V6b<所述的V3a<所述的V6a。

进一步地，当所述的电压信号V1的绝对值小于或等于第一设定值时，所述的第二参考电压V3大于或等于地电压信号，所述的电压信号V4为高电平，所述的电压信号V5为高电平，所述的第三参考电压V6大于或等于地电压信号，所述的电压信号V7为高电平，所述的恒流控制信号V8为高电平，不会影响所述的开关电源的工作状态；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第一设定值，且小于或等于第二设定值时，所述的第二参考电压V3小于地电压信号0V，所述的电压信号V4为低电平，所述的电压信号V5的电压值由高电平逐渐降低至预设值，降低所需要的时间即为所述的计时时间设定值，第三参考电压V6在计时时间设定值达到前大于或等于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为高电平，所述的恒流控制信号V8为高电平，不会影响所述的开关电源的工作状态，第三参考电压V6在计时时间设定值达到后小于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为低电平，所述的控制信号V8控制所述的开关电源以第一电流值恒流输出；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第二设定值时，所述的第二参考电压V3小于地电压信号，所述的电压信号V4为低电平，所述的电压信号V5 的电压值由高电平逐渐降低至预设值，降低所需要的时间即为所述的计时时间设定值，第三参考电压V6在计时时间设定值达到前小于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为低电平，所述的恒流控制信号V8立即控制所述的开关电源以所述的第二电流值恒流输出，第三参考电压V6在计时时间设定值达到后小于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为低电平，所述的控制信号V8控制所述的开关电源以所述的第一电流值恒流输出。

作为所述的电流检测电路的一种具体的实施方式，包括电阻R1；所述的电阻R1一端用于输入所述的开关电源的输出电流，所述的电阻R1的另一端输出所述的电压信号V1。

作为所述的基准源产生电路的一种具体的实施方式，包括电阻R2和431芯片U2；所述的电阻R2一端用于接供电电压Vdd、另一端同时接431芯片U2的阴极和431芯片U2的参考端后输出所述的第一参考电压V2，431芯片U2的阳极用于接地。

作为所述的计时控制电路的一种具体的实施方式，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和运放U2A；所述的电阻R3一端接运放U2A负向输入端、另一端用于接地，所述的电阻R4一端输入所述的电压信号V1、另一端同时接电阻R5一端和运放U2A的同向输入端后输出所述的第二参考电压V3，电阻R5的另一端输入所述的第一参考电压V2，运放U2A的输出端输出所述的电压信号V4。

作为所述的计时控制电路的一种具体的实施方式，还包括电阻R6，所述的电阻R6的一端连接所述的运放U2A的同向输入端、另一端连接所述的运放U2A 的输出端。

作为所述的计时电路的一种具体的实施方式，包括电阻R7、电容C1、电容 C2和二极管D1；所述的电阻R7的一端与所述的二极管D1的阳极连接在一起输入所述的电压信号V4，所述的电阻R7的另一端同时接所述的二极管D1的阴极、电容C1的一端和电容C2的一端后输出所述的电压信号V5，所述的电容 C1的另一端用于输入供电电压Vdd，所述的电容C2的另一端用于接地。

作为所述的恒流控制电路的一种具体的实施方式，包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、二极管D2、MOS管Q1 和运放U2B；所述的电阻R8的一端用于输入所述的电压信号V1，所述的电阻 R8的另一端同时接所述的电阻R10的一端、所述的电阻R11的一端和所述的运放U2B同向输入端后输出所述的第三参考电压V6，所述的电阻R9的一端输入所述的第一参考电压V2，所述的电阻R9的另一端同时接所述的电阻R10的另一端和所述的MOS管Q1的漏极，所述的电阻R11的另一端接所述的MOS管 Q1的源极，所述的MOS管Q1的栅极输入所述的电压信号V5，所述的电阻R12 的一端同时接所述的运放U2B负向输入端和电容C3的一端，所述的电阻R12 的另一端用于接地，所述的电容C3的另一端接所述的电阻R13的一端，所述的电阻R13的另一端同时接所述的运放U2B的输出端和所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2的阳极输出所述的恒流控制信号V8。

一种过流保护电路，其特征在于，包括：

电流检测电路，包括电阻R1；所述的电阻R1一端用于输入所述的开关电源的输出电流，所述的电阻R1的另一端输出表征该所述的输出电流大小的电压信号V1；

基准源产生电路，包括电阻R2和431芯片U2；所述的电阻R2一端用于接供电电压Vdd、另一端同时接431芯片U2的阴极和431芯片U2的参考端后输出所述的第一参考电压V2，431芯片U2的阳极用于接地；

计时控制电路，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和运放U2A；所述的电阻 R3一端接运放U2A负向输入端、另一端用于接地，所述的电阻R4一端输入所述的电压信号V1、另一端同时接电阻R5一端和运放U2A的同向输入端后输出所述的第二参考电压V3，电阻R5的另一端输入所述的第一参考电压V2，运放U2A的输出端输出所述的电压信号V4；

计时电路，包括电阻R7、电容C1、电容C2和二极管D1；所述的电阻R7 的一端与所述的二极管D1的阳极连接在一起输入所述的电压信号V4，所述的电阻R7的另一端同时接所述的二极管D1的阴极、电容C1的一端和电容C2的一端后输出所述的电压信号V5，所述的电容C1的另一端用于输入供电电压 Vdd，所述的电容C2的另一端用于接地；

恒流控制电路，包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、二极管D2、MOS管Q1和运放U2B；所述的电阻R8的一端用于输入所述的电压信号V1，所述的电阻R8的另一端同时接所述的电阻R10 的一端、所述的电阻R11的一端和所述的运放U2B同向输入端后输出所述的第三参考电压V6，所述的电阻R9的一端输入所述的第一参考电压V2，所述的电阻R9的另一端同时接所述的电阻R10的另一端和所述的MOS管Q1的漏极，所述的电阻R11的另一端接所述的MOS管Q1的源极，所述的MOS管Q1的栅极输入所述的电压信号V5，所述的电阻R12的一端同时接所述的运放U2B负向输入端和电容C3的一端，所述的电阻R12的另一端用于接地，所述的电容C3 的另一端接所述的电阻R13的一端，所述的电阻R13的另一端同时接所述的运放U2B的输出端和所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2的阳极输出所述的恒流控制信号V8。

进一步地，所述的计时控制电路还包括电阻R6，所述的电阻R6的一端连接所述的运放U2A的同向输入端、另一端连接所述的运放U2A的输出端。

作为本发明的第一个方面，所提供的开关电源的技术方案如下：

一种开关电源，其特征在于：包括权利要求1至11任一项所述的过流保护电路。

本发明的工作原理将结合具体的实施例进行详细分析，与现有技术相比，本发明具有的有益效果分析如下：

针对开关电源，现有的过流保护主要有两种方案：

第一种方案是采用单级输出功率限制，在开关电源负载为继电器、电机驱动系统，或者负载工作在频繁起停状态下，当开关电源输出电流超过额定值时，降低开关电源的输出电压，使开关电源的输出总功率降低，满足开关电源的负载在启机时对大电流的需求，同时降低开关电源在启机瞬间损坏的风险。采用此方案虽然可以增加开关电源的瞬态电流输出能力，但此控制方案存在如下不足：

(1)开关电源的输出电压降低会造成负载无法正常启动；

(2)当负载电流超过开关电源内部器件额定电流时，会造成开关电源内部器件被电流击穿，导致开关电源被损坏。

第二种方案是采用打嗝保护模式，在开关电源的输出电流超过极限电流值后关断开关电源的输出，间隔一段时间后再次进行输出建立，避免持续超过极限功率导致开关电源损坏。采用此方案虽然可以满足一定程度增加开关电源的瞬态电流输出能力，但此控制方案存在如下不足：

(1)开关电源在输出电流大于额定值，并且小于极限电流值时无保护功能，长期工作在此输出电流区间时会导致开关电源过热损坏；

(2)开关电源内部极限电流值一般设置在1.5倍以内，不满足负载在启机过程中瞬态电流会高达开关电源正常工作电流2～3倍的需求。

本发明的过流保护电路有效克服了上述两种方案的不足，具体分析如下：

(1)本发明提供的过流保护电路在开关电源输出电流处于额定电流值与极限电流值之间时，通过设置的计时控制电路和计时电路，在达到计时时间设定值后，恒流控制电路输出的过流控制信号才控制开关电源以第一电流值恒流输出，既可以满足开关电源在瞬态过功率状态下的输出能力，又通过设定时间，使开关电源在规定时间内才能超过额定电流输出，避免开关电源过热损坏；

(2)当开关电源输出电流达到极限电流值时，恒流控制电路输出的过流控制信号能触发开关电源立即以第二电流值恒流输出，并通过设置的计时控制电路和计时电路，在达到计时时间设定值后，再以第一电流值恒流输出，保障开关电源输出电流不会大于开关电源内部器件额定电流值而导致器件过电流击穿。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明两级过流保护的原理框图；

图2为本发明过流保护电路一个具体的实施例的原理图；

图3为本发明过流保护电路所应用的开关电源原理框图。

具体实施方式

为使得本发明技术方案更加清晰，以下结合附图对本发明实施例进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动，对本发明做出其它多种形式的修改、替换或变更，仍属于本发明的保护范围。

图1所述为本发明过流保护的原理框图，应用于开关电源，开关电源包括功率转换单元和反馈控制单元，过流保护电路包括：

电流检测电路，用于将开关电源的输出电流转换为表征该输出电流大小的电压信号V1；

基准源产生电路，用于产生第一参考电压V2；

计时控制电路，用于将电压信号V1和第一参考电压V2进行叠加和分压后输出第二参考电压V3，并判断第二参考电压V3与地电压信号的大小，输出电压信号V4；

计时电路，用于依据电压信号V4，进行计时并输出电压信号V5；

恒流控制电路，用于依据电压信号V5的电平状态，将电压信号V1和第一参考电压V2叠加和按照不同的比例进行分压，输出第三参考电压V6，并判断第三参考电压V6与地电压信号的大小，输出恒流控制信号V8，恒流控制信号 V8用于被输入至反馈控制单元的反馈控制端；

当电压信号V1的绝对值小于或等于第一设定值时，恒流控制信号V8不会控制开关电源动作；

当电压信号V1的绝对值大于第一设定值，且小于或等于第二设定值时，在计时电路的计时时间达到计时时间设定值时，恒流控制信号V8会控制开关电源以第一电流值恒流输出；

当电压信号V1的绝对值大于第二设定值时，恒流控制信号V8立即控制开关电源以第二电流值恒流输出，并在计时电路的计时时间达到计时时间设定值时，恒流控制信号V8会控制开关电源以第一电流值恒流输出；

开关电源的输出电流额定值≤第一电流值≤第二电流值≤开关电源的输出电流极限值。

其中的功率转换单元用于将一种电能转换为另一种电能，或实现输入与输出的电气隔离，可以是正激拓扑、反激拓扑或者其他拓扑。

其中的反馈控制单元用于控制开关电源以恒定电压输出，可以是由分立器件设计的反馈控制电路、专用的控制芯片、单片机结合外围电路设计的控制电路以及其他的实现方案。

反馈控制单元的反馈控制端Reduce用于接收恒流控制信号，反馈控制单元依据该恒流控制信号控制开关电源以恒定电流输出。

图2为本发明过流保护电路一个具体的实施例的原理图，参见图2所示，各单元电路的组成及连接关系如下：

电流检测电路100包括电阻R1；电阻R1一端用于输入开关电源的输出电流，电阻R1的另一端输出表征该输出电流大小的电压信号V1。

需要说明的是：电阻R1上的实际电流方向为由负载地流向功率转换单元输出负端，所以电流检测输出端表征输出电流大小的电压信号V1为负压。

基准源产生电路200包括电阻R2和431芯片U2；电阻R2一端用于接供电电压Vdd、另一端同时接431芯片U2的阴极和431芯片U2的参考端后输出第一参考电压V2，431芯片U2的阳极用于接地。

计时控制电路300包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和运放U2A；电阻R3 一端接运放U2A负向输入端、另一端用于接地，电阻R4一端输入电压信号V1、另一端同时接电阻R5一端和运放U2A的同向输入端后输出第二参考电压V3，电阻R5的另一端输入第一参考电压V2，运放U2A的输出端输出电压信号V4。

计时电路400包括电阻R7、电容C1、电容C2和二极管D1；电阻R7的一端与二极管D1的阳极连接在一起输入电压信号V4，电阻R7的另一端同时接二极管D1的阴极、电容C1的一端和电容C2的一端后输出电压信号V5，电容C1 的另一端用于输入供电电压Vdd，电容C2的另一端用于接地。

恒流控制电路500包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、二极管D2、MOS管Q1和运放U2B；电阻R8的一端用于输入电压信号V1，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端、电阻R11的一端和运放U2B同向输入端后输出第三参考电压V6，电阻R9的一端输入第一参考电压V2，电阻R9的另一端同时接电阻R10的另一端和MOS管Q1的漏极，电阻R11的另一端接MOS管Q1的源极，MOS管Q1的栅极输入电压信号V5，电阻R12的一端同时接运放U2B负向输入端和电容C3的一端，电阻R12的另一端用于接地，电容C3的另一端接电阻R13的一端，电阻R13的另一端同时接运放U2B的输出端和二极管D2的阴极，二极管D2的阳极输出恒流控制信号 V8。

图2中各单元电路的工作原理如下：

电流检测电路100中的电阻R1将负载电流转换为表征输出电流大小的电压信号V1，图2电流方向为由负载地流向功率转换单元输出负端，所以电压信号 V1为负压；

基准源产生电路中的电阻R2为431芯片U2供电，431芯片U2参考端与阴极连接，构成电压基准源，输出稳定的第一参考电压V2；

计时控制电路300通过电阻R4、电阻R5、电阻R6对电压信号V1和第一参考电压V2叠加后的电压值进行分压，得到第二参考电压V3，并将第二参考电压V3与地电压比较后输出电压信号V4，电阻R3的作用是为比较器U1A的负输入端提供阻抗匹配，使得比较器U1A能够正常工作，电阻R6的作用为使得第二参考电压V3在电压信号V4为高电平Vdd时的值大于电压信号V4为低电平0V时的电压值，从而即使电路具有了回滞功能，避免电压信号V4在高电平 Vdd与低电平0V之间震荡；

计时电路400依靠电容C1和电容C2的充放电实现计时，电阻R7的作用为通过散热的方式实现对电容C1和电容C2的放电，电容C1和电容C2放电时电压信号V5的电压值会逐渐降低，当降低至MOS管Q1的栅极导通门限时，MOS 管Q1关断，电容C1和电容C2的容放电时间记为计时时间设定值，计算公式参加如下式1：

式1中R7为电阻R7的阻值，C1为电容C1的容值，C2为电容C2的容值， Vdd为电容C1另一端输入的供电电压Vdd的电压值，Vgs(th)为MOS管Q1的栅极导通门限电压值。

计时电路400中二极管D1的作用为当电压信号V4为高电平时将电压信号 V5钳位至高电平，该高电平能由完成充电的电容C1和电容C2维持。

恒流控制电流通过电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11对电压信号V1 和第一参考电压V2叠加后的电压值进行分压，得到第三参考电压V6，并将第三参考电压V6与地电压比较后输出电压信号V7，电压信号V7经单向导通的二极管D2后输出恒流控制信号V8，电阻R12的作用是为比较器U1A的负输入端提供阻抗匹配，使得比较器U1A能够正常工作，电容C3和电阻R13的作用是为比较器U1B提供补偿，使得过流保护电路响应速度与开关电源反馈控制单元响应速度匹配，避免引起较大电流过冲。

将电压信号V4为高电平Vdd时对应的第二参考电压V3的电压值记为V3a，将电压信号V4为低电平0V时对应的第二参考电压V3的电压值记为V3b，将 MOS管Q1导通时对应的第三参考电压V6记为V6a，将MOS管Q1关断时对应的第三参考电压V6记为V6b，各电阻的阻值记为该电阻的代码，则有：

由式2至式5，结合图2所示电路可知，通过设置第一参考电压V2、各电阻的阻值和高电平Vdd来设置V3和V6，能使得：

(1)当电压信号V1的绝对值小于或等于第一设定值时，恒流控制信号V8 不会触发开关电源动作；

(2)当电压信号V1的绝对值大于第一设定值，且小于或等于第二设定值时，在计时电路的计时时间达到计时时间设定值时，恒流控制信号V8会触发开关电源进入第一恒流工作状态；

(3)当电压信号V1的绝对值大于第二设定值时，恒流控制信号V8立即触发开关电源进入第二恒流工作状态，在计时电路的计时时间达到计时时间设定值时，恒流控制信号V8会触发开关电源进入第一恒流工作状态。

针对图3所示原理框图，以设计一款具有如下参数的开关电源为例，来分析上述控制逻辑是如何设计实现的：

输入电压：9～18VDC

输出电压：48VDC

输出电流额定值：2.1A

输出电流极限值：5A

允许过流输出时间：3S

采用本发明的过流保护电路后在不同电流负载下过载保护要求如下表1所示：

表1

通过上表可以看出，采用本发明的过流保护电路后的开关电源，既可以实现负载的峰值电流限制，又可以实现峰值负载范围内超额定输出负载的规定时间输出，超过规定时间恒流保护，同时在故障撤销后可自行恢复，同时结合主功率变换单元的设计以满足负载的短时过载需求及保障产品安全稳定工作。

上述开关电源对应的本发明的参数如下：

第一电流值：2.5A；

第二电流值：4.5A；

计时时间设定值：3.5S；

第一设定值：K*2.1A*R1，K为开关电源的输出电流为输出电流额定值2.1A 时，该输出电流流过电阻R1的占比；

第二设定值：K*5A*R1，K为开关电源的输出电流为输出电流极限值5A时，该输出电流流过电阻R1的占比；

当电阻R1的大小设定后，第一设定值和第二设定值为固定值；

当计时时间设定值确定后，依据式1可以确定出电阻R1的阻值、电容C1 和电容C2容值的可选配置方式；

其它电阻的阻值如何配置需要同时满足三种状态下的控制逻辑，具体如下：

(1)当所述的电压信号V1的绝对值小于或等于第一设定值

要实现上述控制逻辑，要求第二参考电压V3大于或等于地电压信号0V、第三参考电压V6大于或等于地电压信号0V；

当第二参考电压V3大于或等于地电压信号0V时，电压信号V4为高电平，第二参考电压V3的电压值需要按式2计算，为V3a，通过式2可以设计出各相关电阻阻值可以取值的配置方式；

电压信号V4为高电平，从而电压信号V5为高电平，MOS管Q1导通，第三参考电压V6需式按式4计算，为V6a，由于要求第三参考电压V6大于或等于地电压信号0V，通过式4可以设计出各相关电阻阻值可以取值的配置方式；

由于第三参考电压V6大于或等于地电压信号0V，比较器U1B输出端电压信号V7为高电平，二极管D2反向截止，恒流控制信号V8为高电平，不影响开关电源中功率转换单元和反馈控制单元的正常工作。

(2)当电压信号V1的绝对值大于第一设定值，且小于或等于第二设定值

要实现上述控制逻辑，要求第二参考电压V3小于地电压信号0V、第三参考电压V6在计时时间设定值达到前大于或等于地电压信号0V，第三参考电压 V6在计时时间设定值达到后小于地电压信号0V；

当第二参考电压V3小于地电压信号0V时，电压信号V4为低电平，第二参考电压V3的电压值需要按式3计算，为V3b，通过式3可以设计出各相关电阻阻值可以取值的配置方式；

进一步地，由于电压信号V4为低电平，二极管D1反向截止，电容C1、C2 通过电阻R7开始放电，电压信号V5的电压值逐渐降低，当降低至MOS管Q1 的栅极导通门限(即预设值)时，MOS管Q1关断；

在计时时间设定值达到前，即MOS管Q1关断前，第三参考电压V6的电压值需要按式4计算，为V6a，由于要求第三参考电压V6大于地电压信号0V，通过式4可以设计出各相关电阻阻值可以取值的配置方式；

在计时时间设定值达到前，由于第三参考电压V6大于或等于地电压信号 0V，比较器U1B输出端电压信号V7为高电平，二极管D2反向截止，恒流控制信号V8为高电平，不影响开关电源中功率转换单元和反馈控制单元的正常工作，从而满足开关电源在瞬态过功率状态下的输出能力；

在计时时间设定值达到后，即MOS管Q1关断后，第三参考电压V6的电压值需要按式5计算，为V6b，由于要求第三参考电压V6小于地电压信号0V，通过式5可以设计出各相关电阻阻值可以取值的配置方式；

在计时时间设定值达到后，由于第三参考电压V6小于地电压信号0V，比较器U1B输出端电压信号V7为低电平，二极管D2正向导通，恒流控制信号 V8会控制开关电源以第一电流值恒流输出，由于开关电源的输出电流额定值≤第一电流值≤第二电流值≤开关电源的输出电流极限值，因此通过设定时间，使得开关电源在规定时间内才能超过额定电流输出，避免开关电源过热损坏。

(3)当电压信号V1的绝对值大于第二设定值

要实现上述控制逻辑，要求第二参考电压V3小于地电压信号0V、第三参考电压V6小于地电压信号0V；

此种异常状态与第2种不同之处在于，无论在计时时间设定值达到前还是达到后，第三参考电压V6的设置要求均为小于地电压信号0V，依据本状态下对第三参考电压V6的设置要求，依据式4和式5可以设计出各相关电阻阻值可以取值的配置方式。

在计时时间设定值达到前，同第(2)种状态一样，电压信号V5为高电平， MOS管Q1导通，第三参考电压V6小于地电压信号0V，比较器U1B输出端电压信号V7为低电平，二极管D2正向导通，恒流控制信号V8会立即控制开关电源以第二电流值恒流输出；

在计时时间设定值达到后，由于电压信号V5为低电平，MOS管Q1关断，第三参考电压V6小于地电压信号0V，比较器U1B输出端电压信号V7为低电平，二极管D2正向导通，恒流控制信号V8控制开关电源以第一电流值恒流输出，由于开关电源的输出电流额定值≤第一电流值≤第二电流值≤开关电源的输出电流极限值，从而保障开关电源输出电流不会大于开关电源内部器件额定电流值而导致器件过电流击穿。

上述三种状态下各相关电阻阻值可以取值的配置方式有所不同，选择出可以同时满足三种状态下的配置方式即可实现本发明的控制逻辑。

如图3所示为本发明过流保护电路所应用的开关电源原理框图，本发明的过流保护电路的作为一个整体可以看做一个两端子组件，电流检测电路的输入端为两端子组件的一端，恒流控制电路的输出端为两端子组件的另一端，应用场景包括如下两种情况：

(1)由开关电源生产厂家将该两端子组件设计在开关电源内部，置于开关电源的正输出端所在的线路或者负输出端所在的线路之中均可，图3所示电路体现的是置于开关电源的负输出端，这样做的好处为负输出端为低压端，无需设计额外的隔离组件；

(2)由开关电源用户在自己的电路板中设计该两端子组件。

开关电源与负载之间通过上述两种方式增加本发明的过流保护电路之后，当电压信号V1的绝对值大于第一设定值且小于等于第二设定值时，计时电路400 开始计时，当达到计时时间设定值时，本发明的过流保护电路会干涉反馈控制单元控制开关电源以以第一电流值恒流输出，既可以提高开关电源在瞬态过功率时的输出能力，又通过设定等待时间，使开关电源在规定时间内超过额定电流输出，避免过热损坏；

当电压信号V1的绝对值大于第三设定值时，本发明的过流保护电路会立即干涉反馈控制单元控制开关电源以第二电流值恒流输出，同时计时电路400计时，当达到计时时间设定值时，控制开关电源更改为以第一电流值恒流输出，保障开关电源输出电流不会大于开关电源内部器件额定电流值而导致器件过电流击穿。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，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，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种过流保护电路，应用于开关电源，所述的开关电源包括功率转换单元和反馈控制单元，其特征在于，所述的过流保护电路包括：

电流检测电路，用于将所述的开关电源的输出电流转换为表征该所述的输出电流大小的电压信号V1；

基准源产生电路，用于产生第一参考电压V2；

计时控制电路，用于将所述的电压信号V1和所述的第一参考电压V2进行叠加和分压后输出第二参考电压V3，并判断所述的第二参考电压V3与地电压信号的大小，输出电压信号V4；

计时电路，用于依据所述的电压信号V4，进行计时并输出电压信号V5；

恒流控制电路，用于依据所述的电压信号V5的电平状态，将所述的电压信号V1和所述的第一参考电压V2进行叠加和按照不同的比例分压，输出第三参考电压V6，并判断所述的第三参考电压V6与地电压信号的大小，输出恒流控制信号V8，所述的恒流控制信号V8用于被输入至所述的反馈控制单元的反馈控制端；

当所述的电压信号V1的绝对值小于或等于第一设定值时，所述的恒流控制信号V8不会控制所述的开关电源动作；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第一设定值，且小于或等于第二设定值时，在所述的计时电路的计时时间达到计时时间设定值时，所述的恒流控制信号V8会控制所述的开关电源以第一电流值恒流输出；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第二设定值时，所述的恒流控制信号V8立即控制所述的开关电源以第二电流值恒流输出，并在所述的计时电路的计时时间达到所述的计时时间设定值时，所述的恒流控制信号V8会控制所述的开关电源以第一电流值恒流输出；

所述的开关电源的输出电流额定值≤所述的第一电流值≤所述的第二电流值≤所述的开关电源的输出电流极限值。

2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：将所述的电压信号V4为高电平时对应的所述的第二参考电压V3的值记为V3a；将所述的电压信号V4为低电平时对应的所述的第二参考电压V3的值记为V3b；将所述的电压信号V5为高电平时对应的所述的第三参考电压V6的值记为V6a；将所述的电压信号V5为低电平时对应的所述的第三参考电压V6的值记为V6b；所述的V3b<所述的V6b<所述的V3a<所述的V6a。

3.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：

当所述的电压信号V1的绝对值小于或等于第一设定值时，所述的第二参考电压V3大于或等于地电压信号，所述的电压信号V4为高电平，所述的电压信号V5为高电平，所述的第三参考电压V6大于或等于地电压信号，所述的电压信号V7为高电平，所述的恒流控制信号V8为高电平，不会影响所述的开关电源的工作状态；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第一设定值，且小于或等于第二设定值时，所述的第二参考电压V3小于地电压信号0V，所述的电压信号V4为低电平，所述的电压信号V5的电压值由高电平逐渐降低至预设值，降低所需要的时间即为所述的计时时间设定值，第三参考电压V6在计时时间设定值达到前大于或等于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为高电平，所述的恒流控制信号V8为高电平，不会影响所述的开关电源的工作状态，第三参考电压V6在计时时间设定值达到后小于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为低电平，所述的控制信号V8控制所述的开关电源以第一电流值恒流输出；

当所述的电压信号V1的绝对值大于所述的第二设定值时，所述的第二参考电压V3小于地电压信号，所述的电压信号V4为低电平，所述的电压信号V5的电压值由高电平逐渐降低至预设值，降低所需要的时间即为所述的计时时间设定值，第三参考电压V6在计时时间设定值达到前小于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为低电平，所述的恒流控制信号V8立即控制所述的开关电源以所述的第二电流值恒流输出，第三参考电压V6在计时时间设定值达到后小于地电压信号，此阶段所述的电压信号V7为低电平，所述的控制信号V8控制所述的开关电源以所述的第一电流值恒流输出。

4.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述的电流检测电路包括电阻R1；所述的电阻R1一端用于输入所述的开关电源的输出电流，所述的电阻R1的另一端输出所述的电压信号V1。

5.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述的基准源产生电路包括电阻R2和431芯片U2；所述的电阻R2一端用于接供电电压Vdd、另一端同时接431芯片U2的阴极和431芯片U2的参考端后输出所述的第一参考电压V2，431芯片U2的阳极用于接地。

6.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述的计时控制电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和运放U2A；所述的电阻R3一端接运放U2A负向输入端、另一端用于接地，所述的电阻R4一端输入所述的电压信号V1、另一端同时接电阻R5一端和运放U2A的同向输入端后输出所述的第二参考电压V3，电阻R5的另一端输入所述的第一参考电压V2，运放U2A的输出端输出所述的电压信号V4。

7.根据权利要求6所述的过流保护电路，其特征在于：所述的计时控制电路还包括电阻R6，所述的电阻R6的一端连接所述的运放U2A的同向输入端、另一端连接所述的运放U2A的输出端。

8.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述的计时电路包括电阻R7、电容C1、电容C2和二极管D1；所述的电阻R7的一端与所述的二极管D1的阳极连接在一起输入所述的电压信号V4，所述的电阻R7的另一端同时接所述的二极管D1的阴极、电容C1的一端和电容C2的一端后输出所述的电压信号V5，所述的电容C1的另一端用于输入供电电压Vdd，所述的电容C2的另一端用于接地。

9.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述的恒流控制电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、二极管D2、MOS管Q1和运放U2B；所述的电阻R8的一端用于输入所述的电压信号V1，所述的电阻R8的另一端同时接所述的电阻R10的一端、所述的电阻R11的一端和所述的运放U2B同向输入端后输出所述的第三参考电压V6，所述的电阻R9的一端输入所述的第一参考电压V2，所述的电阻R9的另一端同时接所述的电阻R10的另一端和所述的MOS管Q1的漏极，所述的电阻R11的另一端接所述的MOS管Q1的源极，所述的MOS管Q1的栅极输入所述的电压信号V5，所述的电阻R12的一端同时接所述的运放U2B负向输入端和电容C3的一端，所述的电阻R12的另一端用于接地，所述的电容C3的另一端接所述的电阻R13的一端，所述的电阻R13的另一端同时接所述的运放U2B的输出端和所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2的阳极输出所述的恒流控制信号V8。

10.一种过流保护电路，其特征在于，包括：

电流检测电路，包括电阻R1；所述的电阻R1一端用于输入所述的开关电源的输出电流，所述的电阻R1的另一端输出表征该所述的输出电流大小的电压信号V1；

基准源产生电路，包括电阻R2和431芯片U2；所述的电阻R2一端用于接供电电压Vdd、另一端同时接431芯片U2的阴极和431芯片U2的参考端后输出所述的第一参考电压V2，431芯片U2的阳极用于接地；

计时控制电路，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5和运放U2A；所述的电阻R3一端接运放U2A负向输入端、另一端用于接地，所述的电阻R4一端输入所述的电压信号V1、另一端同时接电阻R5一端和运放U2A的同向输入端后输出所述的第二参考电压V3，电阻R5的另一端输入所述的第一参考电压V2，运放U2A的输出端输出所述的电压信号V4；

计时电路，包括电阻R7、电容C1、电容C2和二极管D1；所述的电阻R7的一端与所述的二极管D1的阳极连接在一起输入所述的电压信号V4，所述的电阻R7的另一端同时接所述的二极管D1的阴极、电容C1的一端和电容C2的一端后输出所述的电压信号V5，所述的电容C1的另一端用于输入供电电压Vdd，所述的电容C2的另一端用于接地；

恒流控制电路，包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、二极管D2、MOS管Q1和运放U2B；所述的电阻R8的一端用于输入所述的电压信号V1，所述的电阻R8的另一端同时接所述的电阻R10的一端、所述的电阻R11的一端和所述的运放U2B同向输入端后输出所述的第三参考电压V6，所述的电阻R9的一端输入所述的第一参考电压V2，所述的电阻R9的另一端同时接所述的电阻R10的另一端和所述的MOS管Q1的漏极，所述的电阻R11的另一端接所述的MOS管Q1的源极，所述的MOS管Q1的栅极输入所述的电压信号V5，所述的电阻R12的一端同时接所述的运放U2B负向输入端和电容C3的一端，所述的电阻R12的另一端用于接地，所述的电容C3的另一端接所述的电阻R13的一端，所述的电阻R13的另一端同时接所述的运放U2B的输出端和所述的二极管D2的阴极，所述的二极管D2的阳极输出所述的恒流控制信号V8。

11.根据权利要求10所述的过流保护电路，其特征在于：所述的计时控制电路还包括电阻R6，所述的电阻R6的一端连接所述的运放U2A的同向输入端、另一端连接所述的运放U2A的输出端。

12.一种开关电源，其特征在于：包括权利要求1至11任一项所述的过流保护电路。

Images