CN208522452U - 一种自恢复短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自恢复短路保护电路，该保护电路包括：电流采样网络，其输入端与开关电源功率回路电流相连，其输出端与脉冲前沿屏蔽网络连接；脉冲前沿屏蔽网络，其输入端接开关电源的PWM控制电路的脉冲输出，输出端接检测放电网络的输入端；检测放电网络，输出端接开关电源内部缓启动单元。本实用新型主要解决开关电源短路保护功能的简化设计和通用问题，可以适用于电压型控制和电流型控制。开关电源工作时，当负载出现过载并达到上述实用新型电路的触发值时，可以关断开关电源的脉宽控制电路输出，使开关电源停止输出，同时，电流采样网络保持工作状态，实现对电流信号的循环检测，保证故障消失后自动恢复正常输出的功能。

Description

一种自恢复短路保护电路

技术领域

本实用新型属于开关电源领域，具体涉及一种自恢复短路保护电路。

背景技术

目前，开关电源已经在各个领域得到广泛应用，对开关电源的可靠性要求越来越高，对体积要求确越来越小。提高开关电源的可靠性，进行保护功能设计是一个重要的技术途径。在诸多保护功能中，短路保护最受关注，其主要作用是在输出过载甚至短路情况下，通过关断PWM 输出，达到降低内部功耗，从而避免开关电源烧毁或者损坏负载。目前，一般将短路保护设计成自动恢复模式，即故障消除失后，开关电源自动恢复正常工作。实现短路保护通常是检测开关电源初级侧功率回路的电流值，将电流信号变换处理后，对电路实现保护。

峰值电流型控制是目前开关电源设计的主流控制技术，基于该技术进行自恢复短路保护设计，是将检测到的电流脉冲信号通过滤波变成直流信号，再将直流信号和基准电压进行比较，当直流电流幅度达到基准电压后，比较电路状态翻转，启动控制电路，控制电路一般设计成迟滞方式，实现降低短路功耗的目的。

采用上述技术方案，需要一个比较器，一路基准电压，一个滤波电路，一个延迟电路，元件数量多，电容容量大，不利于减小体积和降低成本。

电压型控制是仅次于峰值电流型控制的另外一类开关电源设计技术，必须增加电流取样电路，其实现短路保护比电流型更复杂，所需的元件更多。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种自恢复短路保护电路，以解决传统设计元件数量多，小型化设计难度大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种自恢复短路保护电路，该保护电路包括：电流采样网络，其输入端与开关电源功率回路电流相连，其输出端与脉冲前沿屏蔽网络连接；脉冲前沿屏蔽网络，其输入端接开关电源的PWM控制电路的脉冲输出，输出端接检测放电网络的输入端；检测放电网络，输出端接开关电源内部缓启动单元。

优选地，所述电流采样网络包括电阻R1，所述脉冲前沿屏蔽网络包括电容C1、电阻R2 和MOS管M1，所述检测放电网络包括MOS管M2和电阻R3；所述电阻R1的一端分别与开关电源功率回路、MOS管M1的源极连接，所述电阻R1的另一端接地；所述电阻R2的一端与开关电源功率回路连接且接开关电源的PWM信号，电阻R2的另一端分别与电容C1的一端、MOS管M1的栅极连接，电容C1的另一端接地；所述MOS管M1的漏极分别与MOS 管M2的栅极、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，所述MOS管M2的源极接地， MOS管M2的源极为输出端。

优选地，所述MOS管M1为NMOS管。

如上所述，本实用新型的一种自恢复短路保护电路，具有以下有益效果：

本实用新型的自恢复短路保护电路主要解决开关电源短路保护功能的简化设计和通用问题，可以适用于电压型控制和电流型控制。开关电源工作时，当负载出现过载并达到上述实用新型电路的触发值时，可以关断开关电源的脉宽控制电路输出，使开关电源停止输出，同时，电流采样网络保持工作状态，实现对电流信号的循环检测，保证故障消失后自动恢复正常输出的功能。与传统的开关电源短路保护电路相比，本实用新型的自恢复短路保护电路有以下特点：

1)本实用新型电路采用较少元器件实现自恢复短路保护功能。传统的自恢复短路保护电路，触发电压高，为达到触发电压要求，一般采用电流互感器实现，采用电阻实现需要对电流信号进行放大处理，电路复杂。此外还需要采用1个比较器，1个基准电压，并需要大容量延时电容以及外围元件，难以实现小型化。而本实用新型的自恢复短路保护电路，仅采用2个N 型MOS管，4个的无源元件，即可实现上述功能，因此本实用新型电路简洁，性能可靠。

2)本实用新型电路降低了实现自恢复短路保护设计的成本问题。由于元件数量减少，实现自恢复短路保护的成本大幅度下降，特别是不需要采用电流互感器或者高性能放大器进行电流采样，大大节约了成本。

3)本实用新型电路有利于实现自恢复短路保护设计减小体积。电流互感器体积大，不利于小型化设计，本实用新型电路简洁，可以大幅度减少布版面积。

附图说明

图1为传统的短路保护控制电路的电路图；

图2为本实用新型自恢复短路保护电路的结构框图；

图3为本实用新型自恢复短路保护电路具体实现电路图；

图4为本实用新型脉冲前沿屏蔽波形图；

图5为本实用新型自恢复短路保护电路的应用实例图；

图6为本实用新型自恢复短路保护电路的应用实例图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1～6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

本实用新型自恢复短路保护电路的结构框图如图2所示，本实用新型的自恢复短路保护电路的电路图如图3所示，它包括电流采样网络、脉冲前沿屏蔽网络和检测放电网络，

电流采样网络，其输入端l。与开关电源功率回路电流相连，输出与功率回路电流波形相同的电压脉冲信号，其作用是将功率回路电流信号变换成电压信号；一个脉冲前沿屏蔽网络，其输入端接开关电源的PWM控制电路的脉冲输出，输出端接检测放电网络的输入端，其主要作用是消除功率回路整流二极管反向恢复时间所形成的共通电流尖锋信号；一个检测放电网络，其输入端接脉冲前沿屏蔽网络的输出端，输出端接开关电源内部缓启动单元，其作用是逐个周期检测电流脉冲信号的幅度，当达到触发值时，将开关电源的缓启动单元复位。

电流采样网络包括电阻R1；脉冲前沿屏蔽网络包括电容C1、电阻R2和型MOS管M1；检测放电网络包括MOS管M2和电阻R3(100kΩ)。其中，电阻R1(0.1Ω)的一端与开关电源功率回路电流串联，另外一端接地，功率回路电流流过电阻R1到地。电阻R2(510Ω)一端接开关电源PWM信号输出，另外一端接电容C1(1000pF)的一端，并和MOS管M1的栅极相连；电容C1另外一端接地；MOS管M1的源极与电阻R1的非接地端相联，漏极接MOS 管M2的栅极和电阻R3的一端，电阻R3的另外一端接地。MOS管M2的源极接地，M2的漏极本发明为输出端，控制开关电源内部软启动单元。

于本实施例中，电阻、电容的具体值仅仅为一个具体的实施方式，并不是对其进行限定，本领域技术人员可以根据需要进行调节。

图3中，电流取样电阻R1的串联在开关电源的功率回路中，功率回路的脉冲电流流过电阻R1到地，在阻R1上形成波形相同，幅度为lP×R1的相同的电压脉冲波形，具体为如下关系：

Vp＝Ip*R1

式中Ip是开关电源功率回路流过的电流，Vp是电流I在电阻R1上形成的压降，V。和电流波形一致。当PWM控制器输出高电平时，MOS管M1导通，V。电压直接传递到MOS管 M2的栅极，当Vp电压达到MOS管M2的触发电压时，电路短路保护功能启动。当开关电源工作在正常工作状态，Ve的最大值小于MOS管M2的触发电压，MOS管M2保持断开状态，开关电源内部的缓启动单元保持正常工作状态。当Ve的最大值大于MOS管M2的触发电压， MOS管M2变换为导通状态，迅速将开关电源内部的缓启动单元复位，关断PWM输出，使开关电源停止向负载传递能量，由于此时电流信号消失，MOS管M2又翻转为高电平。此后开关电源进入自动重启状态，若短路故障未消除，则开关电源进入重复启动状态，直到短路故障消除，开关电源才重新进入正常工作状态。由于受缓启动单元控制，PWM控制器在一段时间内无输出，因此可以实现降低短路功耗的目的。

开关电源一般采用二极管作为整流元件，由于二极管固有的载流子存储效应，二极管存在反向恢复时间trr，在该时段内当功率开关管导通时，整个功率变换回路处于短暂的短路状态，在开关电源初级的功率回路会出现瞬时大的尖峰电流，该尖峰电流的大小和持续时间与整流二极管的反向恢复时间trr相关。为了避免该电流尖峰的影响，需要设计屏蔽电路，消除开关电源在启动时刻，电路处于短路状态，但是在启动时刻，在启动单元电路控制下，PWM控制器输出脉冲占空比为由小变大，使输出脱离短路状态，脉冲前沿屏蔽网络可以有效屏蔽启动时短路状态下的电流尖锋，保证电路正常启动。当PWM输出从低电平变为高电平时，PWM信号经过由C1和R2组成的积分网络，使MOS管M1栅上电压的滞后于PWM控制器的输出电压，也就是使得MOS管M1的导通滞后于开关电源功率回路的开关管的导通时间，从而使得屏蔽掉PWM信号高电平开始时间段的电流信息，从而避免电流尖峰信号传递到MOS管M2的栅极上，造成短路保护功能误触发，完成脉冲前沿屏蔽功能。当MOS管M1的栅电压达到正常开通电压后，MOS管M1完全导通，电阻R1上的电压信息正常传递到MOS管M2的栅极上，整个保护电路处于正常工作状态。当PWM信号变为低电平时，MOS管M1断开，MOS管 M2栅极存储的电荷经过电阻R3放电。采用上述方案，可以屏蔽掉电流尖峰的影响，同时保证电流信号不失真的传递到MOS管M2，确保短路保护功能正常实现。此外，可在电阻R2两端并联二极管D1，其中二极管D1的正极接PWM信号输出，更方便的调整滞后时间。

以上过程实现了自恢复短路保护要求：即当开关电源出现短路故障时，由于受缓启动电路的影响，输出平均功率维持在比较小的值，避免电路因短路过热而烧毁，当短路故障消失后，电路自动恢复正常输出。

图5为示例检测放电电路的输出，即MOS管M2的漏极连接到PWM控制器LM5020的 SS端，当检测到短路信号时，MOS管M2的漏极变为低电平，将SS端放电，使得PWM控制器进入重新启动状态。

图6为示例检测放电电路的输出，即MOS管M2的漏极连接缓启动电容C2，该应用以UC1843为PWM控制器，独立设计了缓启动电路，即图6中的三极管Q1，电容C4，电阻R7，二极管D5，当检测到短路信号时，MOS管M2的漏极变为低电平，将电容C2放电，使得PWM 控制器进入重新启动状态。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种自恢复短路保护电路，其特征在于，该保护电路包括：

电流采样网络，其输入端与开关电源功率回路电流相连，其输出端与脉冲前沿屏蔽网络连接；脉冲前沿屏蔽网络，其输入端接开关电源的PWM控制电路的脉冲输出，输出端接检测放电网络的输入端；

检测放电网络，输出端接开关电源内部缓启动单元。

2.根据权利要求1所述的一种自恢复短路保护电路，其特征在于，所述电流采样网络包括电阻R1，所述脉冲前沿屏蔽网络包括电容C1、电阻R2和MOS管M1，所述检测放电网络包括MOS管M2和电阻R3；所述电阻R1的一端分别与开关电源功率回路、MOS管M1的源极连接，所述电阻R1的另一端接地；所述电阻R2的一端与开关电源功率回路连接且接开关电源的PWM信号，电阻R2的另一端分别与电容C1的一端、MOS管M1的栅极连接，电容C1的另一端接地；所述MOS管M1的漏极分别与MOS管M2的栅极、电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地，所述MOS管M2的源极接地，MOS管M2的源极为输出端。

3.根据权利要求2所述的一种自恢复短路保护电路，其特征在于，所述MOS管M1为NMOS管。