CN215817490U - 一种输出短路保护电路及开关电源系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种输出短路保护电路及开关电源系统，该输出短路保护电路用于对开关电源进行保护，开关电源包括变压器，变压器包括互相耦合的初级线圈与次级线圈，输出短路保护电路包括：控制芯片、第一开关电路以及第二开关电路，控制芯片用于生成控制信号；第一开关电路与控制芯片连接，用于在接收到控制信号后，导通初级线圈与地之间的通路；第二开关电路与次级线圈以及控制芯片连接，用于接收供电信号，在开关电源的输出短路时，切断次级线圈与控制芯片之间的通路，以使得控制芯片停止输出控制信号；其中，在供电信号的电压值固定且开关电源的输出短路时，开关电源进入打嗝工作模式。通过上述方式，本申请能够防止开关电源损坏。

Description

一种输出短路保护电路及开关电源系统

技术领域

本申请涉及电路技术领域，具体涉及一种输出短路保护电路及开关电源系统。

背景技术

电源研发过程中，在进行输出短路测试时，研究人员发现电源模块在短路故障移除后存在较大的概率出现无输出的问题，经过拆机溯源，发现该电源模块中的部分器件已被损坏。目前，为了对短路测试中的电源模块进行保护，本领域技术人员设计了多种短路保护电路，但是目前所采用的短路保护电路存在成本较高、体积较大或损坏部分器件的问题。

实用新型内容

本申请提供一种输出短路保护电路及开关电源系统，能够防止开关电源损坏。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：提供一种输出短路保护电路，该输出短路保护电路用于对开关电源进行保护，开关电源包括变压器，变压器包括互相耦合的初级线圈与次级线圈，输出短路保护电路包括：控制芯片、第一开关电路以及第二开关电路，控制芯片用于生成控制信号；第一开关电路与控制芯片连接，用于在接收到控制信号后，导通初级线圈与地之间的通路；第二开关电路与次级线圈以及控制芯片连接，用于接收供电信号，在开关电源的输出短路时，切断次级线圈与控制芯片之间的通路，以使得控制芯片停止输出控制信号；其中，在供电信号的电压值固定且开关电源的输出短路时，开关电源进入打嗝工作模式。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是：提供一种开关电源系统，该开关电源系统包括互相连接的开关电源与输出短路保护电路，输出短路保护电路用于对开关电源进行保护，输出短路保护电路为上述技术方案中的输出短路保护电路。

通过上述方案，本申请的有益效果是：本申请所提供的方案中输出短路保护电路包括：控制芯片、第一开关电路以及第二开关电路，在开关电源的输出正常时，第一开关电路处于导通状态，控制芯片输出控制信号至第二开关电路，以使得第二开关电路处于导通状态，从而使得开关电源正常工作；在开关电源的输出短路时，第一开关电路处于关断状态，控制芯片无法正常工作，控制芯片停止输出控制信号至第二开关电路，此时第二开关电路处于关断态，开关电源停止工作，降低了开关电源中元器件的电流应力或者电压应力，达到保护开关电源中元器件不被损坏的目的；而且开关电源可进入打嗝工作模式，能够检测短路故障是否仍然存在，在短路故障不存在时便可自动恢复工作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的输出短路保护电路一实施例的结构示意图；

图2是本申请提供的输出短路保护电路与开关电源的连接示意图；

图3是本申请提供的输出短路保护电路与开关电源的另一连接示意图；

图4是本申请提供的输出短路保护电路与开关电源的又一连接示意图；

图5是本申请提供的开关电源系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了解决在进行输出短路测试时，在短路故障移除后电源模块无输出的问题，现有解决方案如下：

1)监测原边电路的电压

在输出短路时，电源模块中流过原边电路的电流将增加，因此可监测原边电路的电压，在原边电路的电压达到设定的阈值时，使得控制芯片进入过流保护或者过功率保护的状态。但是由于从正常运行状态切换到保护状态后，电路中某些器件(比如：开关管和整流二极管)的电流和电压应力会增大很多，可能因长期应力超额而损坏；或者在重复保护动作时，因过热而损坏；因而为了使得器件不被损坏，通常需要选择能耐受更大电流或电压等级的器件，导致成本增加。

2)增加辅助绕组

辅助绕组和输出绕组同相，当输出短路时，输出绕组上的电压为0V，辅助绕组上的电压为0V，从而使得控制芯片进入欠压模式，起到保护的作用。但是需要额外增加辅助绕组，且需确保辅助绕组与次级绕组耦合很好、漏感小，增加了变压器的体积和成本，而且有时还是会损坏部分器件。

3)在脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)控制芯片普遍具备VCC欠压关断基础上，采用短路/过流时降低VCC电压来保护电源电路，能够对电源起到有效保护，降低短路功耗，避免电源打嗝。但由于无法进入打嗝状态，电路无法在故障清除后自动恢复，且能耗较高，应用范受限。

4)优化供电电源电路的内部结构，使得供电电源电路中的功率因数校正(PowerFactor Correction，PFC)芯片和PWM芯片在开机时序上能得到先后顺序的同时，并且在输出短路限流异常时，PWM芯片的第二供电电压VCC2降低，且不受第一供电电压VCC1影响；次级功率器件不需持续承受电压及电流应力，使得整个供电电源电路一直处于低功耗状态，提高了供电电源电路的稳定性。但电路无法进入打嗝状态，电路无法在故障清除后自动恢复。

基于现有方案存在的弊端，本申请提供了改进的方案，设置第一开关与第二开关电路，在输出短路时及时使得控制芯片停止工作，起到保护器件的效果；且在供电信号的电压值固定且开关电源的输出短路时，开关电源能够进入打嗝工作模式，不仅能够在输出短路时保护器件不损坏，还能够在故障清除后自动恢复工作，应用范围较广。

请参阅图1与图2，图1是本申请提供的输出短路保护电路一实施例的结构示意图，图2是本申请提供的输出短路保护电路与开关电源的连接示意图，输出短路保护电路10用于对开关电源20进行保护。

开关电源20包括变压器21，变压器21包括初级线圈211以及与初级线圈211耦合的次级线圈212；具体地，初级线圈211的一端用于接收交流信号Hvin；次级线圈212的一端用于输出电源信号Vout，次级线圈212的另一端接地；当初级线圈211接收到交流信号Hvin时，次级线圈212感应出电压，输出电源信号Vout。

输出短路保护电路10包括：控制芯片11、第一开关电路12以及第二开关电路13。

控制芯片11用于生成控制信号，该控制信号用以控制第一开关电路12的状态，控制芯片11可以是正激芯片或反激芯片。

第一开关电路12与控制芯片11连接，其用于在接收到控制信号后，导通初级线圈211与地之间的通路；具体地，初级线圈211的另一端与地之间设置有第一开关电路12，当第一开关电路12处于导通状态时，初级线圈211的另一端接地，由于初级线圈211的一端接收交流信号Hvin，此时初级线圈211能够正常工作，变压器21处于正常工作状态，开关电源20输出电源信号Vout；当第一开关电路12处于关断状态时，初级线圈211的另一端与地之间不连通，此时初级线圈211无法正常工作，变压器21处于非工作状态，次级线圈212无输出。

第二开关电路13与次级线圈212以及控制芯片11连接，其用于接收供电信号，在开关电源20的输出短路时，切断次级线圈212与控制芯片11之间的通路，以使得控制芯片11停止输出控制信号；具体地，该供电信号可以为外部供电电源输出的信号或变压器21输出的信号，在第二开关电路13处于导通状态时，供电信号可通过第二开关电路13进入控制芯片11，补充电压/电流至控制芯片11，使得控制芯片11处于正常工作状态，从而输出控制信号至第一开关电路12，使得开关电源20正常工作；在第二开关电路13处于关断状态时，供电信号无法通过第二开关电路13进入控制芯片11，控制芯片11无法接收到补充的电压/电流，致使控制芯片11处于欠压状态，无法输出控制信号，此时开关电源20停止工作。

进一步地，初级线圈211的一端与初级线圈211的另一端分别为正极和负极，次级线圈212的一端与次级线圈212的另一端分别为正极和负极；第二开关电路13与次级线圈212的正极以及次级线圈212的负极连接，在开关电源20的输出短路时，次级线圈212的正极与次级线圈212的负极连通，第二开关电路13处于关断状态，控制芯片11无法接收第二开关电路13输出的信号，此时控制芯片11无法输出控制信号，致使初级线圈211的负极不接地，变压器21无法正常工作，实现对开关电源20的保护；在开关电源20的输出正常时，次级线圈212的正极与次级线圈212的负极不连通，第二开关电路13处于导通状态，控制芯片11能够接收第二开关电路13输出的信号，控制芯片11处于正常工作状态，可输出控制信号控制第一开关电路12处于导通状态，从而使得初级线圈211的负极接地，变压器21正常工作，开关电源20正常输出电源信号Vout。

在供电信号的电压值固定且开关电源20的输出短路时，输出短路保护电路10对开关电源20进行保护，使得开关电源20因输出短路而停止工作，在一定时间之后，输出短路保护电路10退出对开关电源20进行保护的状态，开关电源20重新启动，进入下一次启动的过程，但如果此时开关电源20的输出仍然短路，输出短路保护电路10将控制开关电源20关断，循环往复，即开关电源20进入打嗝工作模式。

本实施例提供了一种在开关电源输出短路的情况下减少输入功率的线路控制方案，在开关电源输出端发生短路故障时，能够进入打嗝工作模式，降低开关电源中元器件的电流应力或者电压应力，从而达到保护开关电源不被损坏的目的，特别是在大功率且控制芯片的电源管脚由另外电源提供的情况下，如果输出短路，输入电流或者电压比正常工作时要大好几倍或者几十倍，容易烧毁开关电源中的器件，本方案能够在输出端短路时，通过第二开关电路来控制芯片不工作，实现对器件的保护，而且本方案的通用性较好，应用范围较广，可应用于电源箱中，性能稳定可靠，也可应用在低成本产品的多个简易风扇的分步启动设计中。

请参阅图3，图3是本申请提供的输出短路保护电路与开关电源的另一连接示意图，输出短路保护电路10用于对开关电源20进行保护。

开关电源20包括变压器21，变压器21包括初级线圈211以及与初级线圈211耦合的次级线圈212；具体地，开关电源20还包括第三二极管D3以及第四电容C4至第六电容C6，第三二极管D3为整流二极管，第四电容C4至第六电容C6均为电解电容，初级线圈211的正极与第四电容C4的正极连接，第四电容C4的负极连接；次级线圈212的正极与第三二极管D3的正极连接，第三二极管D3的负极与第五电容C5的正极以及第六电容C6的正极连接，第五电容C5的负极接地，第六电容C6的负极接地。

输出短路保护电路10包括：控制芯片11、第一开关电路12、第二开关电路13以及第二二极管D2。

控制芯片11用于生成控制信号；具体地，如图3所示，控制芯片11包括控制管脚GATE、电源管脚VDD、接地管脚GND以及管脚CS，控制管脚GATE与第一开关电路12连接，电源管脚VDD与第二开关电路13连接，且电源管脚VDD通过第三电容C3接地，管脚CS通过第七电阻R7与第一开关电路12连接，且管脚CS通过第八电容C8接地，接地管脚GND接地。

第一开关电路12与控制芯片11连接，其用于在接收到控制信号后，导通初级线圈211与地之间的通路。具体地，如图3所示，第一开关电路12包括开关管T与第六电阻R6，开关管T的第一端与控制芯片11的控制管脚GATE连接，开关管T的第二端与初级线圈211的另一端连接，开关管T的第三端通过第六电阻R6接地，在开关电源20的输出短路时，控制芯片11停止输出控制信号，开关管T处于截止状态。

进一步地，开关管T的第一端、第二端以及第三端分别为栅极、漏极以及源极，第一开关电路12还包括第八电阻R8与第九电阻R9，第八电阻R8的一端与控制管脚GATE连接，第八电阻R8的另一端与开关管T的栅极以及第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端与开关管T的源极连接，开关管T的漏极与初级线圈211的负极连接。

开关管T的第一端通过第二二极管D2与控制管脚GATE连接，第二二极管D2用于对开关管T的第一端与开关管T的第三端之间的电压进行泄放；具体地，第二二极管D2的正极与第八电阻R8以及第九电阻R9连接，第二二极管D2的负极与电源管脚GATE连接，第二二极管D2能够使得开关管T的栅极与开关管T的源极之间的寄生电容上的电压泄放掉，使得开关管T能够快速关断，可应用于大功率电源(比如功率大于15W的电源)中。

第二开关电路13与次级线圈212以及控制芯片11连接，其用于接收供电信号VCC，在开关电源20的输出短路时，切断次级线圈212与控制芯片11之间的通路，以使得控制芯片11停止输出控制信号。

在一具体的实施例中，如图3所示，第二开关电路13包括互相连接的隔离电路131与电流补充电路132，隔离电路131与次级线圈212连接，隔离电路131用于对次级线圈212输出的信号进行隔离并输入至电流补充电路132；电流补充电路132与控制芯片11连接，电流补充电路132用于向控制芯片11的电源管脚VDD供电。

电流补充电路132包括三极管Q、第五电阻R5以及第二电容C2，三极管Q的第一端与第一电容C1的第一端连接，三极管Q的第二端与三极管Q的第三端与第五电阻R5并联，第五电阻R5的一端通过第四电阻R4接收供电信号VCC，第五电阻R5的另一端通过第二电容C2接地，且与控制芯片11的电源管脚VDD连接；具体地，三极管Q的第一端、第二端以及第三端分别为基极、发射极以及集电极，第五电阻R5的电阻值较大。

隔离电路131包括稳压管Z、第一电阻R1、光耦U1以及第一电容C1，光耦U1的第一端依次通过第一电阻R1、稳压管Z与次级线圈212的一端连接，光耦U1的第二端与次级线圈212的另一端连接，光耦U1的第三端与光耦U1的第四端与第一电容C1并联；第一电容C1的一端用于接收供电信号VCC且与电流补充电路132连接，第一电容C1的另一端接地。具体地，稳压管Z的负极与次级线圈212的正极连接，稳压管Z的正极与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端与光耦U1的第一端连接，光耦U1的第二端接地，光耦U1的第三端接地，光耦U1的第四端与第一电容C1的正极连接。

进一步地，为了保证在开关电源20的输出短路时，光耦U1的第四端为高电平，控制芯片11不输出控制信号，在隔离电路131中设置第二电阻R2与第三电阻R3；第二电阻R2的一端与第一电容C1的第一端连接，第二电阻R2的另一端与电流补充电路132以及第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端通过第四电阻R4接收供电信号VCC，该供电信号VCC由外部供电电源提供，外部供电电源通过第四电阻R4与三极管Q的第二端连接。具体地，第二电阻R2的另一端与三极管Q的基极连接，第三电阻R3的另一端与三极管Q的发射极连接，在开关电源20的输出短路时，光耦U1的第三端与光耦U1的第四端不导通，由于光耦U1的第四端通过第二电阻R2至第四电阻R4与外部供电电源连接，因此光耦U1的第四端为高电平，保证三极管Q处于截止状态；在开关电源20的输出正常时，光耦U1的第三端与光耦U1的第四端导通，此时光耦U1的第四端为高电平，三极管Q处于导通状态，且流过光耦U1的电流可以被利用。

下面对图3所示的方案的工作原理进行说明。

在电路刚开始启动时，由第四电阻R4与第五电阻R5提供控制芯片11启动的电流，第二电容C2上的电压达到控制芯片11的启动电压后，控制芯片11开始启动。

在开关电源20的输出正常时，次级线圈212输出的电压将稳压管Z击穿，光耦U1的第一端与光耦U1的第二端导通，产生光信号，使得光耦U1的第三端与光耦U1的第四端导通，由于光耦U1的第三端接地，因此光耦U1的第三端为低电平，三极管Q处于导通状态；供电信号VCC通过两个支路流入电源管脚VDD，第一个支路：第四电阻R4与第五电阻R5，第二个支路：第四电阻R4与三极管Q，由于第五电阻R5的电阻值较大，因此主要由第二个支路向电源管脚VDD提供电流，且通过三极管Q补充到电源管脚VDD的电流比控制芯片11正常工作消耗的电流大，电源管脚VDD的电压得到不断的补充，使得输入至电源管脚VDD的电压达到控制芯片11正常工作所需的电压，控制芯片11处于正常工作状态，从控制管脚GATE输出控制信号至第八电阻R8，使得开关管T导通，进而使得开关电源20正常工作。

当开关电源20的输出短路时，稳压管Z不导通，光耦U1的第一端与光耦U1的第二端无法导通，光耦U1处于关闭状态，光耦U1的第四端为高电平，此时三极管Q处于关闭状态，电源管脚VDD的电压得不到有效的补充，并且由于第五电阻R5的电阻值较大，供电信号VCC通过第四电阻R4与第五电阻R5给电源管脚VDD补充的电流小于控制芯片11正常工作需要的电流，第二电容C2上的电压小于控制芯片11正常工作所需的电压，即电源管脚VDD的电压下降，致使控制芯片11处于欠压状态，控制芯片11回到刚启动的状态，停止输出控制信号，开关管T处于截止状态，开关电源20停止工作，无输出。

进一步地，打嗝工作模式的打嗝时间由电源管脚VDD上的电压值、控制芯片11消耗的电流、第四电阻R4的电阻值、第五电阻R5的电阻值以及第二电容C2的电容值来决定，方便按需进行调节。

通过减小第二电容C2的电容值或增大第五电阻R5的电阻值，可以使开关电源20所在的主功率回路的工作时间缩短，减少器件承受大应力的时间，也可降低打嗝期间的温升。

在另一具体的实施例中，如图4所示，交流信号Hvin通过第十电阻R10与第十一电阻R11输入控制芯片11的电源管脚VDD；变压器21还包括与次级线圈212耦合的辅助线圈213，开关电源20还包括第一二极管D1，第一二极管D1与辅助线圈213以及第四电阻R4连接，第一二极管D1用于限制辅助线圈213输出的信号单向流入电流补充电路132。

进一步地，开关电源20还包括第七电容C7，辅助线圈213的正极与第一二极管D1的正极连接，第一二极管D1的负极与第四电阻R4的一端以及第七电容C7的一端连接，第七电容C7的另一端接地。

可以理解地，本实施例中电路的工作原理与图3所示的电路的工作原理类似，在此不再赘述。

本实施例所采用的方案，在开关电源正常工作时，通过第四电阻和第五电阻给控制芯片的电源管脚供电，该控制芯片控制主功率回路正常工作，开关电源输出电源信号；本方案增加了一个光耦，检测次级线圈的输出电压，当次级线圈的输出处于短路状态时，三极管关闭，由于第五电阻的电阻值较大，流过的电流较小，不足维持控制芯片正常工作时消耗的电流，使得控制芯片进入欠压保护状态，整个主功率回路停止工作，切断电源能量供应，实现通过检测次级线圈的电压来降低控制芯片的供电电流，从而达到保护开关电源中功率器件的目的；由于只需采用常规元器件即可搭建，取材容易，且可调灵活性高；此外，开关电源进入打嗝工作模式，能够检测短路故障是否仍然存在，无论电源管脚上的电压是否恢复至控制芯片正常工作所需的电压，只要输出故障消除，整个电路便可以自动恢复工作。

请参阅图5，图5是本申请提供的开关电源系统一实施例的结构示意图，开关电源系统100包括互相连接的输出短路保护电路10与开关电源20，输出短路保护电路10用于对开关电源20进行保护，输出短路保护电路10为上述实施例中的输出短路保护电路，能够防止开关电源20中的器件损坏。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种输出短路保护电路，其特征在于，用于对开关电源进行保护，所述开关电源包括变压器，所述变压器包括互相耦合的初级线圈与次级线圈，所述输出短路保护电路包括：

控制芯片用于生成控制信号；

第一开关电路，与所述控制芯片连接，用于在接收到所述控制信号后，导通所述初级线圈与地之间的通路；

第二开关电路，与所述次级线圈以及所述控制芯片连接，用于接收供电信号，在所述开关电源的输出短路时，切断所述次级线圈与所述控制芯片之间的通路，以使得所述控制芯片停止输出所述控制信号；

其中，在所述供电信号的电压值固定且所述开关电源的输出短路时，所述开关电源进入打嗝工作模式。

2.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述第二开关电路包括互相连接的隔离电路与电流补充电路，所述隔离电路与所述次级线圈连接，用于对所述次级线圈输出的信号进行隔离并输入至所述电流补充电路；所述电流补充电路与所述控制芯片连接，用于向所述控制芯片的电源管脚供电。

3.根据权利要求2所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述隔离电路包括稳压管、第一电阻、光耦以及第一电容，所述光耦的第一端依次通过所述第一电阻、所述稳压管与所述次级线圈的一端连接，所述光耦的第二端与所述次级线圈的另一端连接，所述光耦的第三端与所述光耦的第四端与所述第一电容并联；所述第一电容的一端用于接收所述供电信号且与所述电流补充电路连接，所述第一电容的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述隔离电路还包括第二电阻与第三电阻，所述第二电阻的一端与所述第一电容的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述电流补充电路以及所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端通过第四电阻接收所述供电信号。

5.根据权利要求3所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述电流补充电路包括三极管、第五电阻以及第二电容，所述三极管的第一端与所述第一电容的一端连接，所述三极管的第二端与所述三极管的第三端与所述第五电阻并联，所述第五电阻的一端通过第四电阻接收供电信号，所述第五电阻的另一端通过所述第二电容接地，且与所述控制芯片的电源管脚连接。

6.根据权利要求5所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述供电信号由外部供电电源提供，所述外部供电电源通过所述第四电阻与所述三极管的第二端连接。

7.根据权利要求2所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述变压器还包括与所述次级线圈耦合的辅助线圈，所述开关电源还包括第一二极管，所述第一二极管与所述辅助线圈以及第四电阻连接，用于限制所述辅助线圈输出的信号单向流入所述电流补充电路。

8.根据权利要求1所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述第一开关电路包括开关管与第六电阻，所述开关管的第一端与所述控制芯片的控制管脚连接，所述开关管的第二端与所述初级线圈的另一端连接，所述开关管的第三端通过所述第六电阻接地，在所述开关电源的输出短路时，所述控制芯片停止输出所述控制信号，所述开关管处于截止状态。

9.根据权利要求8所述的输出短路保护电路，其特征在于，

所述输出短路保护电路还包括第二二极管，所述开关管的第一端通过所述第二二极管与所述控制管脚连接，用于对所述开关管的第一端与所述开关管的第三端之间的电压进行泄放。

10.一种开关电源系统，其特征在于，包括互相连接的开关电源与输出短路保护电路，所述输出短路保护电路用于对所述开关电源进行保护，所述输出短路保护电路为权利要求1-9中任一项所述的输出短路保护电路。

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