CN1457140A - 过电流输出保护电路和包括此电路的恒定电压开关式电源 - Google Patents

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Abstract

一种与恒定电压开关电源电连接的过电流输出保护装置，该恒定电压开关电源拥有把通过平滑从AC电源提供的AC电压获得的DC电压转换为循环脉冲信号的开关晶体管。在该过电流输出保护装置中，占空比监视器判断循环脉冲信号的开占空比是否是预定的比率或者高于该预定的比率的比率。在占空比监视器判定开占空比是预定的比率或者高于该预定的比率的比率的情况下，失效器关闭该开关晶体管。

Description

过电流输出保护电路和包括此电路的恒定电压开关式电源
技术领域
本发明涉及一种过电流输出保护电路和包括此电路的恒定电压开关式电源。
背景技术
由于开关晶体管中只重复开—关切换操作，恒定电压开关电源很少从晶体管产生不必要的电能作为热量。恒定电压开关电源使用紧凑且低损耗的高频变压器。因而恒定电压开关电源的优点在于可以使整个电路的电能损失较小。图4是显示相关技术的恒定电压开关电源的实例的电路图。
包括整流器桥DB1和电容C11的平滑器1平滑从AC(交流电)电源Vin提供的AC电压，以把AC电压转换为DC电压。由开关晶体管(场效应管)Q1开关该DC电压并且把该DC电压转换为高频脉冲。由高频变压器T1变换该高频脉冲，然后再由高频整流器2把该高频脉冲转换为DC电压并且输出横跨Vout终端和GND终端的该DC电压。在输出电压中存在变化的情况下，电压比较器/检测器3检测电压的变化并且通过光电耦合器PC1向占空比控制器4通知该变化。占空比控制器4改变开关晶体管Q1的开-关间隔以控制高频脉冲的占空比。高频脉冲的平均电压成为DC输出电压并且由占空比来控制该输出电压。这样进行高频脉冲的占空比的控制以致于当DC输出电压较高时，开占空将较小而当DC输出电压较低时，开占空将较大。
在该配置的相关技术的恒定电压开关电源中，平滑器1把从AC电源Vin提供的AC电压转换为DC电压，并且DC电压致使电流流过启动电阻R1，因而提高了开关晶体管Q1的门电压。这开启开关晶体管Q1并且在高频变压器T1的第一原边线圈上产生电压和产生对应于在第二原边线圈P2的匝数的反相电压。在第二原边线圈中产生的电压通过电容C1和电阻R2向开关晶体管Q1的门施加正反馈。由反馈DC输出电压中的变化的光电耦合器PC1的耦合电流和流经齐纳二极管ZD1的电流对晶体管Q2的基极充电。
当电流流经第一原边线圈P1时，电流尝试流经高频变压器T1的次边配线S1。二极管D1阻塞该电流以致于对应的电能被存储在高频变压器T1中。当晶体管Q1的基极电压达到开电压时，该开关晶体管Q1截止，导致从次边配线S1传递能量。在第二原边线圈P2上施加反电压从而使晶体管Q2的基极放电。当从次边配线S1中产生存储在高频变压器T1中的所有能量时，该开关晶体管Q1以反电动势再次导通。
通过重复以上的操作产生高频脉冲。然后由反馈DC输出电压中的变化的光电耦合器PC1的耦合电流控制晶体管Q2的开—关。这导致晶体管Q1的开—关控制，该开关控制又控制高频脉冲的占空比。因而在DC输出终端Vout稳定地输出由齐纳二极管ZD2指定的电压。
图5显示在相关技术的恒定电压开关电源中的高频变压器T1的原边线圈P1和P2的电压波形和横跨晶体管Q2的基极和发射极Vbe的电压波形。图6是显示在相关技术的恒定电压开关电压中的DC输出电流Iout和DC输出电压Vout之间的关系的曲线图。
把在DC电压输出上的负载从无穷减少到0增加了流向负载的电流。这扩展了开关晶体管Q1的开占空(在第一原边线圈P1中产生的电压的开占空)。当到达一定长度的开占空，甚至在没有开启光电耦合器PC1的情况下对晶体管Q2的基极充电，这降低了DC输出电压(在图6中由A指定的点。随着DC输出电压降低，开关晶体管Q1的开占空电压即在第一原边线圈P1中产生的电压的开占空电压降低(在图5中由点化线表示的波形)。这同时导致在第二原边线圈P2中产生的电压的开占空电压降低(在图5中由点化线表示的波形)。晶体管Q2的负偏压(Vbe)降低(在图5中由点化线表示的波形)，这导致晶体管趋向于导通。
随着DC输出电压进一步降低时，第二原边线圈P2中的电压降低，并且下降到低于不能导通晶体管Q2的齐纳二极管ZD1的齐纳电压。这防止晶体管Q2连续地驱动开关晶体管Q1，而导致开关晶体管Q1开始阻塞振荡(在图6中由B指定的点)。由启动电阻R1和电容C2的时间常数来确定阻塞振荡的开持续时间，而由负载来确定关持续时间。负载越重，阻塞振荡周期变得越短。随着短路DC电压的输出，输出电流达到它的最大值(在图6中由C指定)。
这样，随着DC电压输出被短路，输出电流达到它的最大值。在由于安装有恒定电压开关电源的设备的负载的任何异常或者短路模式故障使DC电压输出短路的情况下，在短路已发生的时候会流过过电流。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可以防止当在DC电压输出端发生短路时输出过电流的过电流保护电路。
为了实现以上的目的，依据本发明，提供了一种恒定电压开关电源，包括：
平滑器，把从AC电源提供的AC电压转换为第一DC电压；
开关晶体管，把第一DC电压转换为第一循环脉冲信号；
变压器，把第一循环脉冲信号进行电压转换以获得第二循环脉冲信号；
整流器，整流第二循环脉冲信号以获得第二DC电压；
检测器，检测第二DC电压的电位的变化；
占空比控制器，依据电位的变化控制第一循环脉冲信号的占空比；
占空比监视器，判断占空比是否是预定的比率或者高于该预定比率的比率；和
失效器，在占空比监视器判断占空比是预定的比率或者高于该预定比率的比率情况下，使开关晶体管截止。
随着与恒定电压开关电压的输出端连接的负载变得更重，开关晶体管的开占空相应地增加。依据以上的配置，使开关晶体管截止以致于在开关晶体管的开占空，即开占空比是预定的比率或者高于该预定的比率的比率的情况下停止把第一循环脉冲信号输出到变压器。这停止了对变压器的能量供应，也就是在过电流流进负载之前。
因此，甚至在恒定电压开关电源的输出端发生短路的情况下防止了过电流流进负载。
在此，优选的是：在判定开占空比是预定的比率或者高于该预定比率的比率的情况下，占空比监视器输出具有预定的DC电压的失效信号；并且在占空比监视器输出失效信号的情况下，失效器把开关晶体管的基极电位保持在关闭晶体管的失效电位。
在此，优选的是，失效器包括在一旦激活失效器之后，即使在占空比监视器停止输出失效信号的情况下，把开关晶体管的基极电位保持在失效电位的自举电路。
在检测到过电流输出并且激活失效器的情况下，存在着负载中出现故障的极大可能性。因而，在恒定开关电源一旦返回到没有检测到过电流的状态后会再一次检测过电流。
依据以上的配置，由于可能保持电流不流进负载的状态，能够达到更保险且更安全的过电流输出保护。
在此，优选的是：变压器包括被施加第一循环脉冲信号的第一原边线圈，在其上感应了实际上与第一循环脉冲信号相同的第三循环脉冲信号的第二原边线圈；并且占空比监视器监视第三循环脉冲信号的开占空比，以判断第一循环脉冲信号的开占空比是否是预定的比率或者高于该预定比率的比率。
在此，优选的是占空比监视器包括对第三循环脉冲信号积分以获得已积分的输出信号的CR积分电路，和其负极与CR积分电路电连接并且其正极与失效器电连接的第一齐纳二极管；在已积分的输出信号具有大于第一齐纳二极管的第一齐纳电位的电位的情况下，从正极输出已积分的输出信号以操作失效器。
当流进负载的电流增加时，在第二原边线圈感应的第三循环脉冲信号的开占空相应地增加，以致于CR积分电路的已积分的输出信号的电位也增加。因此，已积分输出信号的电位达到第一齐纳电位，以在过电流流进负载之前关闭开关晶体管。
优选的是，占空比监视器包括第二齐纳二极管，在第三循环脉冲信号的负极电位小于第二齐纳二极管的第二齐纳电位的情况下，第二齐纳二极管限制从CR积分电路中的电容放电的电流，以使已积分的输出信号增加。
当第三循环脉冲信号的负极电位变得小于第二齐纳电位时，经由第三循环脉冲信号的正极电压对CR积分电路中的电容充电，而限制从CR积分电路中的电容放电的电流。因而，电容的放电电流降低，以致于CR积分电路的已积分的输出信号的电位迅速增加以运行失效器。
因而，当第三循环脉冲信号的负极电位变得小于第二齐纳电位时，可以立即运行失效器。
这提供了可以改进用于保护过电流的响应的优点。
此外，由于加速了CR积分电路中的电容的充电，可以提供更大的电容以致于提高了设置CR积分电路的时间常数的自由度。
优选的是，这样决定CR积分电路的时间常数以致于在已积分的输出信号达到第一齐纳电位之前第三循环脉冲信号具有能够运行占空比控制器的电位。
在恒定电压开关电源激活之后增加DC输出电位的过程中DC输出电位较低的状态下，在第二原边线圈中的电位也较低。因而以其时间常数对CR积分电路中的电容充电，从而增加了CR积分电路的已积分的输出信号的电位。当第二原边线圈的电位已经增加到足以驱动占空比控制器时，启动开关操作并且对CR积分电路中的电容反复充电和放电，这逐渐降低了CR积分电路的已积分的输出信号的电位，直到达到一定的电压值。在恒定电压开关电源工作时，在CR积分电路的已积分的输出信号已经增加而达到第一齐纳电位的情况下，失效器故障并且停止开关操作。
通过如上所述确定CR积分电路的时间常数，可以避免这样的情况。
优选的是，该开关晶体管是场效应晶体管。
因为可以由比双极型晶体管的电流小的电流运行场效应晶体管，可以实现更为稳定的开关操作和更为稳定的DC电压输出。
依据本发明，还提供了与包括把通过平滑从AC电源提供的AC电压所获得的DC电压转换成循环脉冲信号的开关晶体管的恒定电压开关电源电连接的过电流输出保护器，该过电流输出保护器包括：
占空比监视器，判断循环脉冲信号的开占空比是否是预定的比率或者高于该预定比率的比率；和
失效器，在占空比监视器判定开占空比是预定的比率或者高于该预定比率的比率的情况下，关闭开关晶体管。
在此，优选的是：在判定开占空比是预定的比率或者高于该预定比率的比率情况下，该占空比监视器输出具有预定的DC电压的失效信号；并且在占空比监视器输出失效信号时，失效器把开关晶体管的基极电位保持在关闭开关晶体管的失效电位。
优选的是，该失效器包括在一旦激活失效器之后即使在占空比监视器停止输出失效信号的情况下把开关晶体管的基极电位保持在失效电位的自举电路。
附图说明
通过参考附图详细描述优选的典型实施例，将使本发明的以上目的和优点将变得更为显而易见。
图1是显示依据本发明的一个实施例的恒定电压开关电源的电路图；
图2是显示恒定电压开关电源的主要部分的电压波形的曲线图；
图3是显示在恒定电压开关电源中的DC输出电流和DC输出电压之间关系的曲线图；
图4是显示相关技术的恒定电压开关电源的电路图；
图5是显示相关技术的恒定电压开关电源的主要部分的电压波形的曲线图；和
图6是显示在相关技术的恒定电压开关电源中的DC输出电流和DC输出电源之间的关系的曲线图。
具体实施方式
将参考图1到3描述本发明的一个优选的实施例。与相关技术的配置中相同的元件将由相同的参考标号指定，并在此省略对这些元件的详细说明。
在本实施例中，开关晶体管Q1是场效应管。场效应管可以工作在比双极型二极管的电流更小的电流上，从而允许更为稳定的开关操作和输出更为稳定的DC电压。
依据该实施例的恒定电压开关电源包括占空比控制器5和开关晶体管失效器6以构成过电流输出保护电路。占空比监视器5监视从开关晶体管Q1输出的高频脉冲的占空比，并且当开占空比已经超过预定的值时把预定的DC电压输出到开关晶体管失效器6。开关晶体管失效器6操作从负载占空比监视器5输出的DC电压，并且当从占空比监视器5输出的DC电压输出超过特定的电压值时，把开关晶体管Q1的基极电压保持在使开关晶体管Q1截止的恒定电压。
占空比监视器5包括包含电容C23和电阻R23的CR积分电路、用于指定开关晶体管失效器6的操作电源的齐纳二极管ZD21、和用于限制电容C23的放电电流的齐纳二极管DZ22。依据在第二原边线圈P2中感应的高频脉冲(在图2中的P2)，反转第二原边线圈P2两端的电压的极性。因而，把正电极的电压，即CR积分电路的输出电压保持在以电容C23电阻R23的时间常数积分的恒定的正电压，而电容C23通过齐纳二极管ZD22、电阻R22和电阻R23反复充电和放电。
把与DC输出终端Vout来连接的负载从无穷变为0扩展了从开关晶体管Q1(在图2中的P1)输出的高频脉冲的占空比的开占空。即开占空比增加。当达到一定长度的开占空时，即使在没有启动光电耦合器PC1的情况下对晶体管Q2的基极充电，这降低了DC输出电压(在图3中由A指定的点)。
随着DC输出电源Vout降低，开关晶体管Q1的开占空电压，即在第一原边线圈P1中产生的电压的开占空电压降低(在图2中由点化线P1表示的波形)。这同时导致在第二原边线圈P2中产生的电压的开占空电压降低(在图2中由点化线P2表示的波形)。晶体管Q2的负偏压(基极和发射极两端的电压)降低(在图2中由Q2 Vbe的点化线表示的波形)，这导致晶体管趋向于导通。
附带地，电容C22的负偏压降低(在图2中的C22)。相应地，电容C23的放电电流降低(在图2中的C23)，以致于CR积分电路的输出电压增加。
随着DC输出电压Vout进一步降低，在第二原边线圈P2中的电压降低。当它降低到低于齐纳二极管ZD22的齐纳电压时，由齐纳二极管ZD22限制电容C23的放电电流，这迅速增加了CR积分电路的输出电压。这允许即使在流进DC电压输出端Vout的电流已经快速增加的情况下立即激活开关晶体管失效器6，从而改进保护过电流输出的响应。从CR积分电路输出的电压超过齐纳二极管ZD21的齐纳电压并且从CR积分电路输出的电压被输出到齐纳二极管ZD21的正极，该电压操作开关晶体管失效器6。使用电阻R21限制流入齐纳二极管ZD21电流。
开关晶体管失效器6操作从占空比监视器5输出的DC电压，即在齐纳二极管ZD21的正极输出的CR积分电路的输出电压，并且把开关晶体管Q1的基极电压保持在使开关晶体管截止的恒定电压。由在齐纳二极管ZD21的正极输出的电压使晶体管Q22导通。这使晶体管Q22导通，从而又使晶体管Q21导通。通过二极管D21、晶体管Q21和晶体管Q22使开关晶体管Q1的门放电。该晶体管Q1的电压降低到关闭该开关晶体管的电压。
开关晶体管失效器6是自举电路。晶体管Q21的集电极电流流进晶体管Q22的基极，使晶体管Q22保持在开状态。因而，即使当CR积分电路的输出电压已经降到低于齐纳二极管DZ21的齐纳电压时，晶体管Q21和晶体管Q22保持在开，并且把开晶体管Q1的门电压保持到使开关晶体管Q1截止的电压。使用电容C21来防止开关晶体管失效器6的故障。
设置CR积分电路中的电容C23的电容值和电阻R23的电阻值以及齐纳二极管ZD21和齐纳二极管ZD22的齐纳电压，以使开关晶体管失效器6在第二原边线圈P2的电压降到低于齐纳二极管ZD1的齐纳电压之前工作(在图3中由D指定的点)，因而不再能够继续地驱动开关晶体管Q1，这导致开关晶体管Q1开始阻塞振荡(在图3中由B指示的点)。
在恒定电压开关电源工作时基于电容C23的电容值和电阻R23的电阻值设置CR积分电路的时间常数，以致于在CR集成电路的输出电压达到齐纳二极管D21的齐纳电压之前，第二原边线圈P2中的电压将达到高到足以驱动占空比控制器4的电压。这样做可以防止开关晶体管失效器6发生故障，并且停止开关操作，从而防止不能激活恒定电压开关电源。
优选的是把CR积分电路的时间常数设置为较小的值，只要在恒定电压开关电源工作时开关晶体管失效器6不发生故障。这是因为在DC输出电压端发生短路的情况下可以立即停止开关晶体管Q1的开关操作。需要注意电阻R21、电阻R23和电阻R24的合成电阻，以便将晶体管Q22启动所需的电流提供给晶体管Q22的基极。
这样，当在恒定电压开关电源的DC电压输出端发生短路时，不再产生由开关晶体管Q1的开关操作引发的高频脉冲，从而防止过电流流进DC电压输出端。
本发明不限于前述的实施例，而是可以在不偏离权利要求中所述的发明范围的情况下对本发明进行修改。
例如，开关晶体管Q1可以是双极型晶体管。该双极型晶体管具有比场效应管大的电能消耗，并且展示了稍差一些的开关特性。然而，双极型晶体管较便宜并且降低了恒定电压开关电源的总成本。

Claims (11)

1.一种恒定电压开关电源，包括：
平滑器，把从AC电源提供的AC电压转换为第一DC电压；
开关晶体管，把第一DC电压转换为第一循环脉冲信号；
变压器，对第一循环脉冲信号进行电压转换以获得第二循环脉冲信号；
整流器，整流第二循环脉冲信号以获得第二DC电压；
检测器，检测第二DC电压的电位变化；
占空比控制器，依据电位的变化控制第一循环脉冲信号的开占空比；
占空比监视器，判断开占空比是否是预定的比率或者高于该预定比率的比率；和
失效器，在占空比监视器判断开占空比是预定的比率或者高于该预定比率的比率情况下，关闭开关晶体管。
2.根据权利要求1所述的恒定电压开关电源，其特征在于：
在判定开占空比是预定的比率或者高于该预定比率的比率的情况下，占空比监视器输出具有预定DC电压的失效信号；和
在占空比监视器输出失效信号的情况下，失效器将开关晶体管的基极电位保持在使开关晶体管截止的失效电位。
3.根据权利要求1所述的恒定电压开关电源，其特征在于：
变压器包括被施加第一循环脉冲信号的第一原边线圈、感应出基本上与第一循环脉冲信号相同的第三循环脉冲信号的第二原边线圈；和
占空比监视器监视第三循环脉冲信号的开占空比，以判断第一循环脉冲信号的开占空比是否是预定的比率或者高于预定比率的比率。
4.根据权利要求3所述的恒定电压开关电源，其特征在于：
占空比监视器包括积分第三循环脉冲信号以获取已积分的输出信号的CR积分电路，和其负极与CR积分电路电连接并且其正极与失效器电连接的第一齐纳二极管；和
在已积分的输出信号具有大于第一齐纳二极管的第一齐纳电位的电位的情况下把已积分的输出信号从正极输出以运行失效器。
5.根据权利要求4所述的恒定电压开关电源，其特征在于占空比监视器包括第二齐纳二极管，该第二齐纳二极管在第三循环脉冲信号的负极电位小于第二齐纳二极管的第二齐纳电位的情况下限制从CR积分电路中的电容放电的电流，以致于已积分的输出信号增加。
6.根据权利要求4所述的恒定电压开关电源，其特征在于确定CR积分电路的时间常数以致于在已积分的输出信号达到第一齐纳电位之前第三循环脉冲信号具有能够运行占空比控制器的电位。
7.根据权利要求2所述的恒定电压开关电源，其特征在于失效器包括在一旦激活失效器之后，即使在占空比监视器停止输出失效信号的情况下把开关晶体管的基极电位保持在失效电位的自举电路。
8.根据权利要求1所述的恒定电压开关电源，其特征在于开关晶体管是场效应晶体管。
9.一种过电流输出保护器，与包括把通过平滑从AC电源提供的AC电压获得的DC电压转换为循环脉冲信号的开关晶体管的恒定电压开关电源电连接，过电流输出保护器包括：
占空比监视器，判断循环脉冲信号的开占空比是否是预定的比率或者高于预定的比率的比率；和
失效器，在占空比监视器判定开负载比率是预定的比率或者高于预定的比率的情况下关闭开关晶体管。
10.根据权利要求9所述的过电流输出保护器，其特征在于：
在判定开占空比是预定的比率或者高于预定比率的比率的情况下，占空比监视器输出具有预定的DC电压的失效信号；
在占空比监视器输出失效信号的情况下，失效器把开关晶体管的基极电位保持在开关晶体管截止的失效电位。
11.根据权利要求10所述的过电流输出保护器，其特征在于失效器包括在一旦激活失效器之后，即使在占空比监视器停止输出失效信号的情况下把开关晶体管的基极电位保持在失效电位的自举电路。
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