CN116979486A - 可触发保护的隔离式开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可触发保护的隔离式开关电源，该隔离式开关电源包括原边绕组、与原边绕组耦合的控制单元和开关单元、串联于开关单元与接地端之间的采样单元、连接于副边的电源输出的副边反馈模块；控制单元包括通过副边反馈模块采集副边的电源输出的电压信息的反馈引脚以及通过采样单元采集原边绕组的电流信息的采样引脚；控制单元被配置为根据采样引脚的电压值大小进行第一计时，并且根据反馈引脚的电压值，以最小导通时间向开关单元输出驱动信号；控制单元在第一计时持续时间大于第一预设值时，向开关单元输出关闭信号。本发明可正确判断出输出是否短路，并在发生短路时迅速触发保护措施，有效地降低甚至规避输出短路所带来的风险。

Description

可触发保护的隔离式开关电源
技术领域
本发明涉及隔离式开关电源领域，尤其涉及一种可触发保护的隔离式开关电源。
背景技术
随着现代电子技术的不断发展，供电系统采用开关电源的频率越来越高，比如隔离式开关电源，为电子设备提供可靠的电能。
在使用的过程中，会出现各式各样的故障情况。比如，系统的输出负载因故障发生短路；比如，系统过载；再比如，在系统正常的工作过程中，突然发生短暂的过载。
所以，隔离式开关电源需要正确判断故障问题，并提供相应的保护措施，降低甚至避免系统故障时带来的损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对背景技术中提到的至少一项技术缺陷，提供一种可触发保护的隔离式开关电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可触发保护的隔离式开关电源，所述隔离式开关电源包括：
与所述开关电源的输入级耦合的原边绕组；
与所述原边绕组耦合的控制单元和开关单元；
串联于所述开关单元与接地端之间的采样单元；
连接于副边的电源输出的副边反馈模块；
所述控制单元包括反馈引脚以及采样引脚，所述采样引脚通过所述采样单元采集所述原边绕组的电流信息，所述反馈引脚通过所述副边反馈模块采集所述副边的电源输出的电压信息；
所述控制单元被配置为根据所述采样引脚的电压值大小进行第一计时，并且根据所述反馈引脚的电压值，以最小导通时间向所述开关单元输出驱动信号；所述控制单元在第一计时持续时间大于第一预设值时，向所述开关单元输出关闭信号。
在一些实施例中，所述控制单元被配置为判断所述采样引脚的电压值是否大于短路保护阈值，并在所述采样引脚的电压值大于所述短路保护阈值时启动第一计时。
在一些实施例中，所述采样引脚的电压值为所述采样引脚在单个周期中的前沿电压值或者平均电压值。
在一些实施例中，所述控制单元还被配置为根据所述采样引脚的电压值大小触发限流保护，并且根据所述反馈引脚的电压值大小进行第二计时；所述控制单元在第二计时持续时间大于第二预设值时，向所述开关单元输出关闭信号。
在一些实施例中，所述控制单元被配置为判断所述反馈引脚的电压值是否大于过载保护阈值，并在所述反馈引脚的电压值大于所述过载保护阈值启动第二计时。
在一些实施例中，所述副边反馈模块包括光耦、稳压单元以及阻性单元；
所述光耦的第一引脚通过所述阻性单元连接至所述副边的电源输出，所述光耦的第二引脚连接所述稳压单元的输出端，所述稳压单元的电源输入端连接至所述副边的电源输出，所述光耦的第三引脚接地，所述光耦的第四引脚连接所述反馈引脚。
在一些实施例中，所述稳压单元包括基准电压芯片U2、电阻R21、电阻R22、电阻R23以及电容C1；
所述基准电压芯片U2的负极连接所述光耦的第二引脚，所述基准电压芯片U2的参考极连接在所述电阻R21和所述电阻R22之间，所述基准电压芯片U2的正极与所述电阻R22一端共接地，所述电阻R22的另一端通过所述电阻R21连接至所述副边的电源输出，所述电阻R23的一端连接在所述基准电压芯片U2的负极与所述光耦的第二引脚之间，所述电阻R23的另一端与所述电容C1串联，所述电容C1的另一端连接在所述电阻R21和所述电阻R22之间。
在一些实施例中，所述第一预设值小于所述第二预设值。
在一些实施例中，所述第一计时由所述控制单元内部的固定时钟或者由与所述控制单元输出至所述开关单元的驱动信号同步的时钟所实现；
和/或，所述第二计时由所述控制单元内部的固定时钟或者由与所述控制单元输出至所述开关单元的驱动信号同步的时钟所实现。
在一些实施例中，所述隔离式开关电源还包括容性元件，所述容性元件的一端连接所述反馈引脚，所述容性元件的另一端接地。
实施本发明具有以下有益效果：本发明隔离式开关电源根据控制单元的采样引脚和反馈引脚的电压变化，可以正确判断出输出是否短路，并在发生短路时迅速触发保护措施，有效地降低甚至规避输出短路所带来的风险。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明隔离式开关电源在一些实施例中的电路原理图；
图2是本发明隔离式开关电源在一些实施例中进行短路检测与保护功能的逻辑框图；
图3是本发明隔离式开关电源中多个相应位置在短路前后的信号波形变化图；
图4是本发明隔离式开关电源中多个相应位置在过载前后的信号波形变化图。
附图标记：原边绕组11；控制单元2；反馈引脚21；采样引脚22；信号输出引脚23；开关单元3；采样单元4；副边反馈模块5；光耦51；稳压单元52；阻性单元53。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
参阅图1，本发明构造一种隔离式开关电源，该隔离式开关电源具有短路判定及保护功能，其可正确检测是否为输出短路故障，并在发生短路时迅速触发保护功能，确保不会因短路而对电气元件和负载遭到破坏。
而且，该隔离式开关电源还可以具有过载判定及保护功能，其可正确检测是否为输出过载，并可在发生过载时延迟触发过载保护功能，从而避免在短暂过载时触发不必要的保护。
如图1所示，在一些实施例中，该隔离式开关电源具有短路判定及保护功能，其可包括原边绕组11、控制单元2、开关单元3、采样单元4以及副边反馈模块5。需要说明的是，该隔离式开关电源还包括用于使其能够正常工作的一些电路单元，比如副边绕组、整流单元、滤波单元等等，具体可参考图1所示，亦可以参考现有技术，在这不做详细展开。
该原边绕组11与开关电源的输入级耦合，其与开关电源的电源输入端连接；控制单元2和开关单元3与原边绕组11耦合，控制单元2通过开关单元3与原边绕组11电性连接，其可向开关单元3输出开关信号(开关信号包括驱动信号或者关闭信号)，从而控制电源输入是否为原边绕组11充能；采样单元4串联在开关单元3与接地端之间，并与控制单元2电性连接，控制单元2可通过该采样单元4采集原边绕组11的电流信息；副边反馈模块5一端连接在副边的电源输出，其另一端与控制单元2电性连接，控制单元2可通过该副边反馈模块5采集副边的电源输出的电压信息。
该控制单元2包括反馈引脚21、采样引脚22以及信号输出引脚23。该反馈引脚21连接至副边反馈模块5，以采集到的副边电源输出的电压信息；采样引脚22连接至采样单元4，以采集到的原边绕组11的电流信息；而信号输出引脚23则是连接到开关单元3的控制端，以向开关单元3输出开关信号。
而且，该控制单元2被配置为根据采样引脚22端上的电压值大小，进行第一计时，并且在反馈引脚21的反馈下以最小导通时间向开关单元3输出驱动信号；若然进行第一计时的持续时间大于预设的第一预设值时，则触发保护措施，控制单元2立即向开关单元3输出关闭信号。其中，该第一预设值十分小，第一计时的时间十分短，可认为瞬间完成。
可以理解的是，本发明的隔离式开关电源可通过采样引脚22端和反馈引脚21的电压变化，能够正确检测是否为输出短路故障，并在确定为短路时迅速触发保护，确保不会因短路而造成损失。需要说明的是，该隔离式开关电源如何将交流电转为合适的直流电的工作原理可参考相关技术，在这不做赘述。
可选的是，所述“根据采样引脚22端上的电压值大小，进行第一计时”可以是如图2所示，控制单元2在开关单元3开启期间持续采集采样引脚22的电压值，并判断采样引脚22的电压值是否大于预设的短路保护阈值，并在采样引脚22的电压值大于短路保护阈值时启动第一计时；亦可以是控制单元2判断采样引脚22的电压值落于一个有限的区间时启动第一计时。
可选的是，所述“采样引脚22端上的电压值大小”可包括采样引脚22在单个周期中的前沿电压值或者平均电压值。
可选的是，第一计时可由控制单元2内部的固定时钟实现，亦可以是由与控制单元2输出至开关单元3的驱动信号同步的时钟所实现。
可选的是，判断第一计时的持续时间是否大于预设的第一预设值的方式，可以是直接检测采样引脚22的电压值大于短路保护阈值的持续时间，亦可以是在设定的时间段(该时间段与第一预设值相对应)内持续检测采样引脚22的电压值，直至计时结束，若采样引脚22的电压值一直大于短路保护阈值，则可判定第一计时的持续时间大于第一预设值，否则反之。
以下根据图3所示隔离式开关电源多个相应位置在短路前后的波形变化图，说明本发明进行短路判定和保护的工作原理和工作过程：
图3示出了五个波形示意图，其中由上至下进行排列，第一个图示出了副边输出电压和输出电流在短路前后的波形变化，可见在短路时输出电压(如图3所示Vout)几乎降到零；第二个图示出了反馈引脚21处的电压在短路前后的波形变化，可见在短路时反馈引脚21处的电压值大于预设的第一保护阈值(如图3所示OL_th)；第三个图示出了采样引脚22处的电流和电压在短路前后的波形变化，可见在短路时采样引脚22在每个周期中的前沿电压值或者平均电压值均超过短路保护阈值(如图3所示VCS_SCP)；第四个图示出了信号输出引脚23的开关信号在短路前后的波形变化，可见在短路时触发保护，将开关信号的导通时间降到最低；第五个图示出了采样引脚22前沿采样触发信号在短路前后的波形变化。
可见，当发生输出短路，输出电压几乎降到零，在开关单元3的导通期间，原边绕组11的电感电流迅速增大，在开关单元3的关闭期间，原边绕组11的电感电流几乎没有下降，形成电流累积，所以在短路时采样引脚22在每个周期中的前沿电压值或者平均电压值均超过短路保护阈值；基于此，控制单元2检测到采样引脚22在单个周期中的前沿电压值或者平均电压值超过短路保护阈值时，则开始计时，并且基于反馈引脚21的电压值，控制单元2自动将开关信号的导通时间降到最低，得以有效保护功率器件；随后，如果第一计时的持续时间大于第一预设值(如图3所示Tscp)时，控制单元2确认为输出短路，则立即向开关单元3输出关闭信号。
如图1所示，在一些实施例中，副边反馈模块5可包括光耦51、稳压单元52以及阻性单元53；
其中，光耦51的第一引脚通过阻性单元53连接至副边的电源输出，光耦51的第二引脚连接稳压单元52的输出端，稳压单元52的电源输入端连接至副边的电源输出，光耦51的第三引脚接地，光耦51的第四引脚连接反馈引脚21。
可以理解地，在短路时，输出电压降到几乎为0时，光耦51不工作，其副边相当于断路，反馈引脚21所采集的电压升高。
如图1所示，在一些实施例中，稳压单元52可包括基准电压芯片U2、电阻R21、电阻R22、电阻R23以及电容C1；
其中，基准电压芯片U2的负极连接光耦51的第二引脚，基准电压芯片U2的参考极连接在电阻R21和电阻R22之间，基准电压芯片U2的正极与电阻R22一端共接地，电阻R22的另一端通过电阻R21连接至副边的电源输出，电阻R23的一端连接在基准电压芯片U2的负极与光耦(51)的第二引脚之间，电阻R23的另一端与电容C1串联，电容C1的另一端连接在电阻R21和电阻R22之间。
在一些实施例中，如图1所示，阻性单元53可包括电阻R24。
在一些实施例中，如图1所示，开关单元3可包括开关管Q1。
在一些实施例中，采样单元4可包括一个或多个阻性元件。在本实施例中，如图1所示，采样单元4可包括电阻R16。
在一些实施例中，隔离式开关电源还可包括一容性元件(可参考图1所示的电容C5)，容性元件的一端连接反馈引脚21，容性元件的另一端接地。该容性元件用于平滑反馈引脚21处的电压波形，使得电压采样更加准确。
在一些实施例中，隔离式开关电源还可包括连接在采样引脚22和采样单元4之间的阻性元件(可参考图1所示的电阻R14)，该阻性元件起到分压保护的作用。
还可以的是，在一些实施例中，隔离式开关电源不仅具有短路判定及保护功能，而且具有过载判定及保护功能。此时，该控制单元2还被配置为根据采样引脚22的电压值大小触发限流保护，并根据反馈引脚21的电压值大小，进行第二计时；若然控制单元2在第二计时持续时间大于预设的第二预设值时，则触发保护措施，控制单元2随即向开关单元3输出关闭信号。其中，该第二预设值远远大于第一预设值，通过调整第二预设值的大小，可延迟过载保护的触发时机，从而避免在短暂过载的情况下触发不必要的保护。
可选的是，所述“根据反馈引脚21的电压值大小，进行第二计时”可以是控制单元2判断反馈引脚21的电压值是否大于过载保护阈值，并在反馈引脚21的电压值大于过载保护阈值启动第二计时；亦可以是控制单元2判断反馈引脚21的电压值落于一个有限的区间时启动第二计时。
可选的是，第二计时可由控制单元2内部的固定时钟实现，亦可以是由与控制单元2输出至开关单元3的驱动信号同步的时钟所实现。
可选的是，判断第二计时的持续时间是否大于预设的第二预设值的方式，可以是直接检测反馈引脚21的电压值大于过载保护阈值的持续时间，亦可以是在设定的时间段(该时间段与第一预设值相对应)内持续检测反馈引脚21的电压值，直至计时结束，若反馈引脚21的电压值一直大于过载保护阈值，则可判定第二计时的持续时间大于第二预设值，否则反之。
以下根据图4所示隔离式开关电源多个相应位置在过载前后的波形变化图，说明本发明的隔离式开关电源进行过载判定和保护的工作原理和工作过程：
图4示出了四个波形示意图，其中由上至下进行排列，第一个图示出了副边输出电压和输出电流在过载前后的波形变化，可见在过载时输出电压(可参考图4中的Vout)减小，输出电流(可参考图4中的Iout)增大；第二个图示出了反馈引脚21处的电压在过载前后的波形变化，可见在过载时反馈引脚21处的电压值大于预设的过载保护阈值(如图4所示OL_th)；第三个图示出了采样引脚22处的电流和电压在过载前后的波形变化，可见在过载时采样引脚22的电压峰值达到第二保护阈值(如图4所示VCS_limit)；第四个图示出了信号输出引脚23的开关信号在过载前后的波形变化。
可见，当发生过载时，原边绕组11的电感电流增大，采样引脚22处的电压峰值达到第二保护阈值，触发逐周期限流保护；副边的输出电压Vout和基准电压芯片U2从副边输出端所得到的电流减小，通过光耦51反馈到反馈引脚21的电流亦减小，所以反馈引脚21处的电压增大；基于此，控制单元2在检测到反馈引脚21处的电压大于过载保护阈值时，开始计时；随后，如果第二计时的持续时间大于第二预设值(如图4所示TOL)时，控制单元2确认为输出过载，则立即向开关单元3输出关闭信号。
可以理解地，根据使用的实际情况，以及短路与过载分别对电路的破坏性，第一计时的持续时间和第二计时的持续时间是不相同的，即第一预设值与第二预设值是不相同的，短路计时时间远远小于过载计时时间。
综上，本发明隔离式开关电源通过其采样引脚22端和反馈引脚21的电压变化，针对不同的故障情况提供不同的计时时间，可以准确地判断出副边输出是否发生短路或者过载；基于此，本发明隔离式开关电源既能避免在过载过程中误触发不必要的保护，又能有效地规避输出短路所带来的风险和损失。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，可以对上述技术特点进行自由组合，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，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种可触发保护的隔离式开关电源，其特征在于，所述隔离式开关电源包括：
与开关电源的输入级耦合的原边绕组(11)；
与所述原边绕组(11)耦合的控制单元(2)和开关单元(3)；
串联于所述开关单元(3)与接地端之间的采样单元(4)；
连接于副边的电源输出的副边反馈模块(5)；
所述控制单元(2)包括反馈引脚(21)以及采样引脚(22)，所述采样引脚(22)通过所述采样单元(4)采集所述原边绕组(11)的电流信息，所述反馈引脚(21)通过所述副边反馈模块(5)采集所述副边的电源输出的电压信息；
所述控制单元(2)被配置为根据所述采样引脚(22)的电压值大小进行第一计时，并且根据所述反馈引脚(21)的电压值，以最小导通时间向所述开关单元(3)输出驱动信号；所述控制单元(2)在第一计时持续时间大于第一预设值时，向所述开关单元(3)输出关闭信号。
2.根据权利要求1所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述控制单元(2)被配置为判断所述采样引脚(22)的电压值是否大于短路保护阈值，并在所述采样引脚(22)的电压值大于所述短路保护阈值时启动第一计时。
3.根据权利要求1所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述采样引脚(22)的电压值为所述采样引脚(22)在单个周期中的前沿电压值或者平均电压值。
4.根据权利要求1所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述控制单元(2)还被配置为根据所述采样引脚(22)的电压值大小触发限流保护，并且根据所述反馈引脚(21)的电压值大小进行第二计时；所述控制单元(2)在第二计时持续时间大于第二预设值时，向所述开关单元(3)输出关闭信号。
5.根据权利要求4所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述控制单元(2)被配置为判断所述反馈引脚(21)的电压值是否大于过载保护阈值，并在所述反馈引脚(21)的电压值大于所述过载保护阈值启动第二计时。
6.根据权利要求1至5任一项所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述副边反馈模块(5)包括光耦(51)、稳压单元(52)以及阻性单元(53)；
所述光耦(51)的第一引脚通过所述阻性单元(53)连接至所述副边的电源输出，所述光耦(51)的第二引脚连接所述稳压单元(52)的输出端，所述稳压单元(52)的电源输入端连接至所述副边的电源输出，所述光耦(51)的第三引脚接地，所述光耦(51)的第四引脚连接所述反馈引脚(21)。
7.根据权利要求6所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述稳压单元(52)包括基准电压芯片U2、电阻R21、电阻R22、电阻R23以及电容C1；
所述基准电压芯片U2的负极连接所述光耦(51)的第二引脚，所述基准电压芯片U2的参考极连接在所述电阻R21和所述电阻R22之间，所述基准电压芯片U2的正极与所述电阻R22一端共接地，所述电阻R22的另一端通过所述电阻R21连接至所述副边的电源输出，所述电阻R23的一端连接在所述基准电压芯片U2的负极与所述光耦(51)的第二引脚之间，所述电阻R23的另一端与所述电容C1串联，所述电容C1的另一端连接在所述电阻R21和所述电阻R22之间。
8.根据权利要求4所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述第一预设值小于所述第二预设值。
9.根据权利要求4所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述第一计时由所述控制单元(2)内部的固定时钟或者由与所述控制单元(2)输出至所述开关单元(3)的驱动信号同步的时钟所实现；
和/或，所述第二计时由所述控制单元(2)内部的固定时钟或者由与所述控制单元(2)输出至所述开关单元(3)的驱动信号同步的时钟所实现。
10.根据权利要求1所述的隔离式开关电源，其特征在于，所述隔离式开关电源还包括容性元件，所述容性元件的一端连接所述反馈引脚(21)，所述容性元件的另一端接地。
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