CN1829031A - 一种具有自恢复功能的短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及开关电源领域，提出了一种具有自恢复功能的短路保护电路，包括：电压补偿信号延迟网络由一个积分电路构成，接收开关电源调制器电压反馈环电压补偿信号；检测信号阈值设定网络由电源基准或分压电路构成，设定一个阈值；短路检测电路由比较电路或者具有阈值比较功能的器件构成；短路恢复电路由下降沿积分电路或单稳态电路构成；短路动作电路由比较电路或者驱动电路构成。采用本发明所述电路后，有效地降低了短路保护时开关电源的工作电流的损耗，提高了电源装置的可靠性，而且电压补偿信号延迟网络和短路恢复电路的延迟时间都能够独立调节，所以能够同时兼顾开关电源全范围可靠的短路保护性能和带容性负载能力。

Description

一种具有自恢复功能的短路保护电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种宽输入电压范围中开关电源的短路保护电路。

背景技术

目前开关电源的应用越来越广泛，在开关电源的保护功能中，一般都需要输出短路保护电路，以防止开关电源在短路时工作电流过大而损坏电源以及负载，故短路保护电路性能的好坏直接影响着整个电源的可靠性。目前，开关电源中的短路保护电路大都采用检测变压器原边的工作电流，进行连续或者断续的短路保护方式。

但是，上述这种检测变压器原边的工作电流的方式存在以下缺点，在宽范围的输入电压应用中，开关电源变压器原边的工作电流在高压输入时比较小，低压输入时比较大，电流波形相差较大，这样就使得全范围可靠的短路保护性能和带容性负载能力不能兼顾，从而产生开关电源短路时损耗太大或者带容性负载能力差的问题。

发明内容

本电路的目的就是为了解决目前开关电源中采用的检测变压器原边工作电流方式短路保护电路在短路时产生的损耗大、带容性负载能力差的问题，而提出一种具有自恢复功能的短路保护电路。

为了实现上述发明目的，本发明提出的一种具有自恢复功能的短路保护电路包括：电压补偿信号延迟网络由一个积分电路构成，接收开关电源调制器电压反馈环电压补偿信号；检测信号阈值设定网络由电源基准或分压电路构成，设定一个阈值；短路检测电路由比较电路或者具有阈值比较功能的器件构成；短路恢复电路由下降沿积分电路或单稳态电路构成；短路动作电路由比较电路或者驱动电路构成。

开关电源脉宽调制器电压反馈环电压补偿信号作为输入信号被送入电压补偿信号延迟网络，经过一定时间的延迟以后，送到短路检测电路与检测信号阈值设定网络所设定的一个阈值进行比较，当信号超出正常范围后，判断为短路，然后将检测结果送给短路恢复电路，短路恢复电路记录下检测到的短路信号并保持一段时间，短路恢复信号是利用短路恢复电路的积分特性或者单稳态电路的延时特性来保持一段时间的，保持时间的范围可根据需要自行调节，一般设定在几十毫秒到几秒之间，保持的时间越长，短路带来损耗就越小，但是电路等待恢复的时间就相应的变长了。同时将短路信号传递给短路动作电路，使短路动作电路在此时间内输出电源关断信号，关断开关电源的工作，短路恢复电路所记录下的短路信号保持一段时间后消失，同时短路动作电路也停止输出电源关断信号，恢复开关电源的工作。

采用本方案后，由于电压补偿信号延迟网络和短路恢复电路的加入，与检测变压器原边工作电流方式的短路保护电路相比，有效地降低了短路保护时开关电源的工作电流的损耗，提高了电源装置的可靠性，同时，由于检测信号为开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿信号，此信号不受输入电压和容性负载的影响，而且电压补偿信号延迟网络和短路恢复电路的延迟时间都能够独立调节，所以能够同时兼顾开关电源全范围可靠的短路保护性能和带容性负载能力。

附图说明

图1是本发明提出的短路保护电路的原理框图；

图2是根据本发明的第一实施例的短路保护电路图；

图3是根据本发明的第二实施例的短路保护电路图。

具体实施方式

图1所示的原理框图中的各部分功能电路可以采用多种不同的电路网络来实现相同的功能。图2和图3所示的是分别采用了不同的器件和网络连接模式完成相同的功能，来实现本方案所提出的一种自恢复功能的短路保护电路的两个实施例。

下面结合附图中的图2对本发明所述的技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图所示，VCC端子为比较器提供稳定的工作电压，COMP端口为开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿端，作为输入信号。VREF端口为开关电源脉宽调制控制器的电压基准，CTL端口为输出的保护信号，保护状态时CTL端口为低电平，可用于驱动三极管或MOS管，来关断开关电源脉宽调制控制器的供电或控制开关电源的其他关断电路，比较器为推拉输出型的器件。

所述短路保护电路的结构为：第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1构成的积分电路作为电压补偿信号延迟网络；第一二极管VD1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7构成的分压电路作为检测信号阈值设定网络；第一比较器D1A作为短路检测电路；第二比较器D1B、第二二极管VD2作为短路动作电路；第三二极管VD3和第四二极管VD4、第三电容C3、第八电阻R8构成的下降沿积分电路作为短路恢复电路。

第一电阻R1和第二电阻R2串联，第二电阻R2和第一电容C1并联，第一电阻R1和第二电阻R2串联的中点连接到第一比较器D1A的同相输入端，第一二极管VD1的阳极接端口VREF，VREF端口为开关电源脉宽调制控制器的电压基准。第一二极管VD1的阴极连接到第三电阻R3和第五电阻R5，第三电阻R3的另一端和第四电阻R4相连对地构成分压网络，第三电阻R3和第四电阻R4连接的中点连接到第一比较器D1A的反相输入端，第五电阻R5的另一端和第六电阻R6、第七电阻R7构成的分压网络的中点连接，第六电阻R6的一端连接电源VCC，第六电阻R6的另一端连接第七电阻R7，第七电阻R7的另一端连接地，第六电阻R6、第七电阻R7构成的分压网络的中点同时连接到第二比较器D1B的同相输入端，第二比较器D1B的反相输入端连接第三二极管VD3的阴极、第四二极管VD4的阳极，第三二极管VD3的阳极连接到第一比较器D1A的输出端，第四二极管VD4的阴极连接到电源VCC，第二比较器D1B的反相输入端对地还连接有第三电容C3和第八电阻R8，第二比较器D1B的输出端连接第二二极管VD2的阴极，第二二极管VD2的阳极连接控制端CTL，第二电容C2为电源滤波电容，连接在电源VCC和地之间。

当开关电源处于短路状态时，由于电源输出内阻的限制，或者电源最大输出电流的限制，输出电压下降，电压补偿端COMP就会跳变到高电平，此高电平经过第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1构成的电压补偿信号延迟网络后，加到第一比较器D1A的同相输入端，由于该电平超过第一比较器D1A反相输入端所设置的阈值电平，所以第一比较器D1A的输出端翻转变为高电平，第一比较器D1A输出端的高电平通过第三二极管VD3对第三电容C3快速充电，第二比较器D1B的反相输入端电平超过同相输入端所设置的阈值电平，第二比较器D1B的输出端翻转变为低电平，通过第二二极管VD2把CTL端拉低，输出短路保护控制信号，关断开关电源的工作。

保护动作以后，COMP端的信号消失变为低电平，第一比较器D1A同相输入端的电平低于第一比较器D1A反相输入端所设置的阈值电平，第一比较器D1A的输出翻转为低电平，由于第三二极管VD3反向截止，第三电容C3和第八电阻R8缓慢放电，在一段时间内第二比较器D1B的反相输入端电平高于同相输入端，第二比较器D1B的输出为低电平，所以CTL端的低电平短路保护信号仍然能够保持一段时间，使开关电源在此期间内保持关断，降低短路带来的损耗。

直到第二比较器D1B的反相输入端电平降低到同相输入端所设置的阈值电平以下，第二比较器D1B的输出端又翻转变为高电平，使第二二极管VD2反向截止，CTL端跳变为高电平或者高阻态，结束短路保护，开关电源重新启动。如果短路条件已经消除，则电源进入正常工作状态，如果短路条件仍然存在，则此短路保护电路重新进入短路保护状态。

由于第三电容C3和第八电阻R8具有较大的时间常数，短路保护时间较长，短路保护的损耗可以做得比较小。并且，针对不同的容性负载，可以调节第一比较器D1A同相输入端第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1构成的延迟网络，以滤除开机启动时COMP端的波动。所以能够兼顾开关电源全范围可靠的短路保护性能和带容性负载能力。

接下来结合附图中的图3对技术方案的实施作进一步的详细描述：

图中，VCC端子为比较器提供稳定的工作电压，COMP端口为开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿端，作为输入信号，CTL端口为输出的保护信号，保护状态时CTL端口为低电平，可用于驱动三极管或MOS管等来关断开关电源脉宽调制控制器的供电或控制开关电源的其他关断电路，稳压器D1为可调分流稳压器，例如LM431。

短路保护电路的结构为：第九电阻R9、第十电阻R10和第四电容C4构成的积分电路作为电压补偿信号延迟网络；可调分流稳压器D1、第一三极管VT1、第十一电阻R11、第十二电阻R12第十三电阻R13、第十四电阻R14构成的阈值比较电路作为短路检测电路；可调分流稳压器D1内部自带的电压基准构成检测信号阈值设定网络；第十五电阻R15、第二三极管VT2构成的驱动电路作为短路动作电路；第五二极管VD5和第六二极管VD6、第六电容C6、第十六电阻R16构成的下降沿积分电路作为短路恢复电路，第五电容C5为电源滤波电容，连接在电源VCC和地之间。

第九电阻R9的一端连接开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿端COMP端口，另一端连接到第十电阻R10、第四电容C4、第十二电阻R12和可调分流稳压器D1的参考端，第十电阻R10、第四电容C4的另一端都与地连接，第十二电阻R12的另一端连接第十四电阻R14、第五二极管VD5的阳极和第一三极管VT1的集电极，可调分流稳压器D1的阳极连接地，阴极连接第十一电阻R11，第十四电阻R14的另一端连接地，第五二极管VD5的阴极连接第六二极管VD6的阳极、第六电容C6、第十五电阻R15和第十六电阻R16，第十一电阻R11的另一端连接第十三电阻R13和第一三极管VT1的基极，第六电容C6的另一端连接地，第十五电阻R15的另一端连接到第二三极管VT2的基极，第十六电阻R16的另一端连接地，第十三电阻R13的另一端连接电源VCC、第一三极管(VT1)的发射极、第五电容C5和第六二极管VD6的阴极，第二三极管VT2的发射极连接地，集电极连接控制端CTL，连接在电源VCC和地之间的是具有电源滤波功能的第五电容C5。

当开关电源处于短路状态时，由于电源输出内阻的限制，或者电源最大输出电流的限制，输出电压下降，电压补偿端COMP就会跳变到高电平，此高电平经过第九电阻R9、第十电阻R10和第四电容C4的电压补偿信号延迟网络后，加到可调分流稳压器D1的参考端，由于该电平超过可调分流稳压器D1内部基准电压源所设置的阈值电平，所以可调分流稳压器D1导通，可调分流稳压器D1的阴极翻转变为低电平，通过第十一电阻R11给第一三极管VT1提供基极电流，使第一三极管VT1导通，第一三极管VT1的集电极变为高电平，并通过第十二电阻R12给可调分流稳压器D1的参考端提供一定的正反馈电流，使可调分流稳压器D1更可靠的导通。

第一三极管VT1的集电极的高电平通过第五二极管VD5对第六电容C6快速充电，第五二极管VD5的阴极变为高电平，此高电平通过第十五电阻R15给第二三极管VT2提供基极电流，使三极管导通，输出端CTL翻转变为低电平，输出短路保护控制信号，关断开关电源的工作。

保护动作以后，COMP端的信号消失变为低电平，可调分流稳压器D1参考端的电平低于其内部的基准电平，可调分流稳压器D1截止，流过第十一电阻R11的电流急剧减小，通过第十三电阻R13分流后，第一三极管VT1失去基极电流，第一三极管VT1截止，第一三极管VT1的集电极变为低电平，由于第五二极管VD5反向截止，第六电容C6和第十六电阻R16缓慢放电，在一段时间内仍然通过第十五电阻R15给第二三极管VT2提供基极电流，三极管在此期间仍然导通，所以CTL端的低电平短路保护信号仍然能够保持一段时间，使开关电源在此期间内保持关断，降低短路带来的损耗。

直到第六电容C6上的电压降低到低于第二三极管VT2的基极-发射极开通电压以后，基极电流消失，第二三极管VT2又恢复截止，CTL端跳变回高电平或者高阻态，结束短路保护，开关电源重新启动，如果短路条件已经消除，则电源进入正常工作状态，如果短路条件仍然存在，则此短路保护电路重新进入短路保护状态。

同样，由于第六电容C6和第十六电阻R16可以设置较大的时间常数，短路保护时间可以作的很长，所以短路保护的损耗可以做得比较小，并且，针对不同的容性负载，同样可以调节电阻R9、电阻R10和电容C4构成的延迟网络，以滤除开机启动时COMP端的波动，所以能够兼顾开关电源全范围可靠的短路保护性能和带容性负载能力。

通过对以上两个实施例的列举，可变换本方案图1原理框图中各个方框的构成网络，以相同功能的功能模块进行组合，实现本方案的短路保护电路。

本文所公开的一种自恢复短路保护电路可广泛用于各类开关电源系统中，特别是要求输入电压范围宽，短路保护时损耗小，带容性负载能力强，可靠性高的开关电源中。

Claims (7)

1、一种具有自恢复功能的短路保护电路，其特征在于，包括：电压补偿信号延迟网络，检测信号阈值设定网络，短路检测电路，短路恢复电路，短路动作电路；

所述电压补偿信号延迟网络由一个积分电路构成，接收开关电源调制器电压反馈环电压补偿信号；

所述检测信号阈值设定网络，设定一个阈值；

所述短路检测电路，接收来自电压补偿信号延迟网络的信号，与所设定的阈值进行比较，检测信号超出正常范围，判断为短路；

所述短路恢复电路，接收来自短路检测电路的检测结果，记录下检测到的短路信号，并保持短路信号，经过根据短路恢复电路延时参数所设定的时间后，停止输出短路信号；

所述短路动作电路，接收到短路信号，输出电源关断信号，关断开关电源。

2、根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电压补偿信号延迟网络由第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第一电容(C1)构成的积分电路组成；所述检测信号阈值设定网络由第一二极管(VD1)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)构成的分压电路组成；所述短路检测电路由具有阈值比较功能第一比较器(D1A)构成；所述短路恢复电路由第三二极管(VD3)和第四二极管(VD4)、第三电容(C3)、第八电阻(R8)构成的下降沿积分电路组成；所述短路动作电路由第二比较器(D1B)、第二二极管(VD2)构成；第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联，第二电阻(R2)和第一电容(C1)并联，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联的中点连接到第一比较器(D1A)的同相输入端，第一二极管(VD1)的阳极接端口VREF，VREF端口为开关电源脉宽调制控制器的电压基准，第一二极管(VD1)的阴极连接到第三电阻(R3)和第五电阻(R5)，第三电阻(R3)的另一端和第四电阻(R4)相连对地构成分压网络，第三电阻(R3)和第四电阻(R4)连接的中点连接到第一比较器(D1A)的反相输入端，第五电阻(R5)的另一端和第六电阻(R6)、第七电阻(R7)构成的分压网络的中点连接，第六电阻(R6)的一端连接电源VCC，第六电阻(R6)的另一端连接第七电阻(R7)，第七电阻(R7)的另一端连接地，第六电阻(R6)、第七电阻(R7)构成的分压网络的中点同时连接到第二比较器(D1B)的同相输入端，第二比较器(D1B)的反相输入端连接下降沿积分电路中的第三二极管(VD3)的阴极、第四二极管(VD4)的阳极，第三二极管(VD3)的阳极连接到第一比较器(D1A)的输出端，下降沿积分电路中的第四二极管(VD4)的阴极连接到电源VCC，第二比较器(D1B)的反相输入端对地还连接有下降沿积分电路中的第三电容(C3)和第八电阻(R8)，第二比较器(D1B)的输出端连接到短路动作电路中的第二二极管(VD2)的阴极，第二二极管(VD2)的阳极连接控制端CTL，连接在电源VCC和地之间的是具有电源滤波功能的第二电容(C2)。

3、根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述比较器为推拉输出型器件。

4、根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压补偿信号延迟网络由第九电阻(R9)、第十电阻(R10)和第四电容(C4)构成的积分电路组成；所述短路检测电路由可调分流稳压器(D1)、第一三极管(VT1)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)构成的阈值比较电路组成；所述可调分流稳压器(D1)内部自带的电压基准构成检测信号阈值设定网络；所述短路动作电路由驱动电路中的第十五电阻(R15)、第二三极管(VT2)构成；所述的短路恢复电路由下降沿积分电路中的第五二极管(VD5)、第六二极管(VD6)、第六电容(C6)、第十六电阻(R16)构成；第九电阻(R9)的一端连接开关电源脉宽调制控制器电压反馈环的电压补偿端COMP端口，另一端连接到第十电阻(R10)、第四电容(C4)、第十二电阻(R12)和可调分流稳压器(D1)的参考端，第十电阻(R10)、第四电容(C4)的另一端都与地连接，第十二电阻(R12)的另一端连接第十四电阻(R14)、第五二极管(VD5)的阳极和第一三极管(VT1)的集电极，可调分流稳压器(D1)的阳极连接地，阴极连接第十一电阻(R11)，第十四电阻(R14)的另一端连接地，第五二极管(VD5)的阴极连接第六二极管(VD6)的阳极、第六电容(C6)、第十五电阻(R15)和第十六电阻(R16)，第十一电阻(R11)的另一端连接第十三电阻(R13)和第一三极管(VT1)的基极，第六电容(C6)的另一端连接地，第十五电阻(R15)的另一端连接到第二三极管(VT2)的基极，第十六电阻(R16)的另一端连接地，第十三电阻(R13)的另一端连接电源VCC、第一三极管(VT1)的发射极、第五电容(C5)和第六二极管(VD6)的阴极，第二三极管(VT2)的发射极连接地，集电极连接控制端CTL，连接在电源VCC和地之间的是具有电源滤波功能的第五电容(C5)。

5、根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述可调分流稳压器为LM431。

6、根据权利要求1-5任意一项所述的电路，其特征在于，所述CTL端口为低电平时，可用驱动三极管、功率MOS管来关断开关电源脉宽调制控制器的供电或控制开关电源的关断电路。

7、根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电压补偿信号延迟网络中的电阻和电容是可以调节的。