CN1734916A - 一种具有输出短路保护功能的开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

一种具有输出短路保护功能的开关电源电路，包括电源管理器、光耦隔离传输电路、误差放大电路等，电源管理器是由充电电路、低压保护电路、振荡器、锯齿波发生器、PWM信号控制和驱动电路集成为的一电源管理芯片，其特点是；还包括一强制启动电路，它连接在振荡器与PWM信号控制和驱动电路之间，用于在低压保护电路输出的控制电路电源VDD电压由低到高的启动过程中，产生若干个设定的占空比的开关脉冲，使系统启动，在系统启动以后关闭该电路的工作，由系统的反馈环路控制和调节开关脉冲宽度以使系统正常工作。本发明当开关电源输出出现短路的情况时，系统的输出功耗降低，节约能源，更重要是能避免电路器件烧毁事件的发生，消除安全隐患，起到保护的作用。

Description

一种具有输出短路保护功能的开关电源电路
技术领域
本发明涉及一种具有输出短路保护功能的开关电源电路。
背景技术
随着科技的飞速发展，各类电子产品越来越多应用于人们的日常生活中，为配套各类电子产品的供电，小功率AC-DC电源用量在急速上升，在小功率AC-DC电源(适配器)中，反激式开关电源是最常见的一种。目前，反激式开关电源的典型电路结构组成如图1所示，包括：交流输入整流滤波电路1、初级线圈和开关电路2、电源管理器100、电源电容5、辅助线圈及输出整流电路6、光耦隔离传输电路10、次级输出及整流滤波电路11、误差取样电路12和误差放大电路13组成。其中电源管理器100是由充电电路3、低压保护电路4、振荡器7、锯齿波发生器8、PWM(脉冲宽度调制)信号控制和驱动电路9集成为的一电源管理芯片，如384X系列芯片，SG6841芯片等。
系统工作过程如下：市电(交流电)通过整流滤波电路1转化为直流高压电平VH，在启动过程中，VH通过充电电路3给电容C1充电。C1存储电能，当C1电压升到一定值，低压保护电路4进入非保护状态，输出控制电路电源电压(VDD)电平供振荡器7、锯齿波发生器8、PWM信号控制和驱动器9、光耦隔离传输电路10等各部分工作，输出PWM控制信号控制初级线圈和开关电路工作，当初级线圈开关导通时，电能转化为磁能存储在变压器中，当初级线圈开关关断时，变压器中的磁能通过附助线圈及输出整流电路6给VCC供电，通过次级线圈和整流滤波电路11给负载供电。
输出电压由PWM、变压器的参数，输出负载等参数决定，而由输出误差取样电路12，误差放大器13、光耦传输隔离电路10和PWM信号控制和驱动电路9组成的电压反馈环，控制PWM信号占空比，使输出电压保持稳定；稳压过程如下(见图2)：假如VOUT升高，那么环路的反馈过程如下：VOUT↑→VA↓→IR3↑→IR4↑→VC+↓→PWM TON↓→VOUT↓，如果VOUT下降，则PWM的控制环路的反馈过程完全相反：VOUT↓→VA↑→IR3↓→IR4↓→VC+↑→PWMTON↑→VOUT↑，从以上的反馈过程可以看出当负载变化或其他原因引起输出电压变化，可以通过反馈过程得到调整，使输出电压保持稳定。
上述电路的一个明显缺点是：当输出短路时，输出电压低于正常电压，电压反馈环为了使电压稳定使PWM占空比最大，最大的占空比会使变压器传送更多的能量给输出。根据功率PO＝电流IOUT *电压VOUT的公式，IOUT＝PO/VOUT，由于VOUT很小，PO增加，使IOUT急剧上升。这样可能会使二极管D2、变压器T1等器件烧毁，带来安全隐患。并且在输出短路时没有保护作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有输出短路保护功能的开关电源电路，该开关电源电路能实现在输出负载短路时起到保护作用，以避免电路器件烧毁所带来的安全隐患。
本发明所提供的一种具有输出短路保护功能的开关电源电路，包括交流输入整流滤波电路、初级线圈和开关电路、电源管理器、电源电容、辅助线圈及输出整流电路、光耦隔离传输电路、次级输出及整流滤波电路、误差取样电路和误差放大电路，其中，电源管理器是由充电电路、低压保护电路、振荡器、锯齿波发生器、PWM信号控制和驱动电路集成为的一电源管理芯片，其特征在于：它还包括一强制启动电路，它连接在振荡器与PWM信号控制和驱动电路之间，用于在低压保护电路输出的控制电路电源VDD电压在由低到高的启动过程中，产生若干个设定的占空比的开关脉冲，使系统启动，在系统启动以后关闭该电路的工作，由系统的反馈环路控制调节开关脉冲宽度以使系统正常工作。
上述的具有输出短路保护功能的开关电源电路，其中；强制启动电路是由三极管Q1、电容C2、稳压管D4、电阻R7、R8等元件所组成，且同时适应性地将所述误差放大电路中的放大器A的极性反接，形成误差放大电路，将由光耦OP1、电阻R3和R4组成的光耦隔离传输电路中的电阻R4接至光耦OP1的接地线上。
采用了上述的技术解决方案，本发明当开关电源输出出现短路的情况时，系统的输出功耗降低，节约能源，更重要是能避免电路器件，如二极管D2、变压器T1等器件的烧毁事件的发生，消除安全隐患，起到保护的作用。
附图说明
图1是现有的反激式开关电源电路的框图；
图2是现有的反激式开关电源电路的原理图；
图3是本发明具有输出短路保护功能的开关电源电路框图；
图4是本发明具有输出短路保护功能的开关电源电路的原理图；
图5是本发明中强制启动电路实施例的原理图。
具体实施方式
如图3所示，本发明开关电源输出短路保护电路，包括：交流输入整流滤波电路1、初级线圈和开关电路2、电源管理器100、电源电容5、辅助线圈及输出整流电路6、光耦隔离传输电路10a、次级输出及整流滤波电路11、误差取样电路12、误差放大电路13a和强制(主动)启动电路14所组成。其中电源管理器100是由充电电路3、低压保护电路4、振荡器7、锯齿波发生器8、PWM信号控制和驱动电路9集成为的一电源管理芯片，如384X系列芯片，SG6841芯片等。其中；强制启动电路14连接在振荡器7与PWM信号控制和驱动电路9之间，用于在低压保护电路4输出的控制电路电源电压由低到高的启动过程中，产生若干个一定占空比的开关脉冲，使系统启动，在系统启动以后关闭该电路的工作，由系统的环路控制PWM以使系统正常工作。
市电(交流电)通过整流滤波模块转化为直流高压电平VH，在启动过程中，VH通过充电电路3给电容C1充电。C1存储电能，当C1电压升到一定值，低压保护电路4进入非保护状态，输出VDD电平供振荡器7、锯齿波发生器8、PWM信号控制和驱动电路9、强制启动电路14、光耦隔离传输电路10a等各部分工作，输出PWM控制信号控制初级线圈和开关电路工作，当初级线圈开关导通时，电能转化为磁能存储在变压器中，当初级线圈开VA关关断时，变压器中的磁能通过附助线圈及输出整流电路5给VCC供电，通过次级线圈和整流滤波电路11给负载供电。
输出电压由PWM、变压器的参数，输出负载等参数决定，而由输出误差取样电路12、误差放大电路13a、光偶隔离传输电路10a和PWM信号控制和驱动电路9组成的电压反馈环，控制PWM信号占空比，使输出电压保持稳定；稳压过程如下(见图4)：假如VOUT升高，那么环路的反馈过程如下：VOUT↑→VA↑→IR3↓→IR4↓→VC+↓→PWM TON↓→VOUT↓，如果VOUT下降，则PWM的控制环路的反馈过程完全相反：VOUT↓→VA↓→IR3↑→IR4↑→VC+↑→PWMTON↑→VOUT↑，从以上的反馈过程可以看出当负载变化或其他原因引起输出电压变化，可以通过反馈过程得到调整，使输出电压保持稳定。可以看出，本发明电路和以前的电路在反馈环路上的主要区别为本发明电路增加强制(主动)启动电路，和在反馈环中有二个地方极性相反，当IR3、IR4变化时引起的PWM变化方向相反。即原来的电路当IR3、IR4上升时，PWM和PO下降，IR3、IR4下降时PWM和PO上升；而本发明电路IR3、IR4上升时，PWM TON和PO也上升，IR3、IR4下降时PWM TON和PO也下降。其目的是在正常反馈情况下当光藕中的电流减小时控制输出开关脉冲宽度也变小，当光藕中的电流增加时控制输出开关脉冲宽度也变大，并使系统电压反馈环路仍为负反馈，而目前的控制电路正好相反。
那么在本发明电路条件下，如果输出短路，保护过程如下：VOUT＝0→IR3＝0→IR4＝0→VC+＝VC+MIN→PWM＝PWMMIN→PO＝0。实现短路保护。
原来的电路如果输出短路，不能实现输出保护，反馈如下：VOUT＝0→IR3＝0→IR4＝0→VC+＝VC+max→PWM＝PWMmax→PO＝POMAX。
在本发明电路中如果只改变电压反馈环则系统不能启动。这是因为在系统启动之前，VOUT＝0，则IR3、IR4＝0，则PWM TON＝0，使系统永远无法启动，所以在本发明电路和一般电路比增加了强制启动电路。见图4，强制启动电路在VDD的由低到高的启动过程中，强制启动电路产生若干个一定占空比的开关脉冲使系统启动，在系统启动以后关闭该部分电路的工作，由系统的环路控制PWM来使系统正常工作。强制启动电路可以通过多种方法来实现。
图5为强制启动电路的一种电路，由Q1、C2、D4、R7、R8等元件组成。同时适应性地将所述误差放大电路13中的放大器A的极性反接，形成误差放大电路13a，将由光耦OP1、电阻R3和R4组成的光耦隔离传输电路10中的电阻R4接至光耦OP1的接地线上。
当VIN电压由低到高跳变时，由于电容C2电压不能突变而由0伏向上充电，在充电过程中，电流由Q1、B、E结、R7、R8向电容C2充电，Q1导通，OUT端输出高电平，该高电平叠加在光耦隔离传输电路误差信号的输出，使它强制输出较高的电平，送给PWM信号控制和驱动电路。使PWM信号控制和驱动电路输出较高占空比的PWM信号，实现系统的强制启动。随时间的推移，C2的电压会越来越高，当电压达到一定值时Q1管关断，OUT端不再影响光耦输出。D4为泻放二极管，当系统关断时，可使C2电能快速泻放，为下次启动做准备。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴应由各权利要求限定。

Claims (2)

1.一种具有输出短路保护功能的开关电源电路，包括交流输入整流滤波电路(1)、初级线圈和开关电路(2)、电源管理器(100)、电源电容(5)、辅助线圈及输出整流电路(6)、光耦隔离传输电路(10)、次级输出及整流滤波电路(11)、误差取样电路(12)和误差放大电路(13)，其中，电源管理器(100)是由充电电路(3)、低压保护电路(4)、振荡器(7)、锯齿波发生器(8)、PWM信号控制和驱动电路(9)集成为的一电源管理芯片，其特征在于：
它还包括一强制启动电路(14)，它连接在振荡器(7)与PWM信号控制和驱动电路(9)之间，用于在低压保护电路(4)输出的控制电路电源VDD电压在由低到高的启动过程中，产生若干个设定的占空比的开关脉冲，使系统启动，在系统启动以后关闭该电路的工作，由系统的反馈环路控制调节开关脉冲宽度以使系统正常工作。
2.根据权利要求1所述的具有输出短路保护功能的开关电源电路，其特征在于：所述的强制启动电路(14)是由三极管Q1、电容C2、稳压管D4、电阻R7、R8等元件所组成，且同时适应性地将所述误差放大电路(13)中的放大器A的极性反接，形成误差放大电路(13a)，将由光耦OP1、电阻R3和R4组成的光耦隔离传输电路(10)中的电阻R4接至光耦OP1的接地线上。
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