CN104734476A

CN104734476A - 过电压保护装置及具有该过电压保护装置的开关电源装置

Info

Publication number: CN104734476A
Application number: CN201310700254.XA
Authority: CN
Inventors: 唐峰
Original assignee: LEXING INDUSTRIAL SYSTEMS (WUXI) Co Ltd
Current assignee: Lexing Electric Wuxi Co Ltd
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN104734476B

Abstract

本发明提供一种过电压保护装置及具有该过电压保护装置的开关电源装置。开关电源装置包括将输入至一次侧线圈的输入电源转换成二次侧线圈的感应电压的变压器、决定变压器的一次侧线圈的导通状态的开关、通过脉冲宽度调制方式对开关进行控制的PWM控制部、对在变压器的二次侧线圈中感应出的交流电压进行整流、平滑来输出直流电压的电源输出部；开关电源装置还包括：辅助电源供给部，其利用在上述变压器的辅助线圈中感应出的交流电压，向上述PWM控制部提供驱动电源；过电压保护部，在辅助线圈的感应电压的大小超过规定的基准值时，使由辅助电源供给部向PWM控制部供给的驱动电源放电。

Description

过电压保护装置及具有该过电压保护装置的开关电源装置

技术领域

本发明涉及过电压保护装置以及具有该过电压保护装置的开关电源装置，尤其涉及在电路发生故障时能够保护芯片等电子部件被高电压损坏的过电压保护装置以及具有这样的过电压保护装置的开关电源装置。

背景技术

电源是在各种电子设备中不可缺少的组成部分，例如，起到驱动IGBT（Insulated Gate bipolar Transistor）或向控制芯片供电等作用。电源的性能的好坏直接影响电子设备的可靠的工作。

其中，开关电源由于消耗的能量少且效率达到80～90%，而且体积小，电路简洁，可靠性高，因此被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

在这样的开关电源中，电源的保护方法是非常重要的。

在现有的开关电源中，电源保护方法主要采用一次侧电流限制方法和在输出侧串联连接熔断器（fuse）这两种方法。

图1是示出了现有技术的开关电源的保护方法的一个具体例。

在图1中，DCP、DCN分别是直流电源的阳极端子和阴极端子，在直流电源的阳极端子DCP和阴极端子DCN之间串联连接有启动电阻R1和电阻R2。

PWM控制部20以脉冲宽度调制（PWM：Pulse Width Modulation）方式控制开关Q1，在此，PWM控制部20能够由集成电路IC构成。在开关Q1根据PWM控制部20的脉冲宽度调制而从接通（ON）状态切换成断开（OFF）状态时，通过变压器，一次侧线圈N1的输入电压被转换成二次侧线圈N21、N22、N23、N24、N25的感应电压。二次侧线圈N21、N22、N23、N24、N25的交流电压分别经由整流二极管D31、D32、D33、D34、D35和平滑电容C41、C42、C43、C44、C45转换成直流电压。

在这样的开关电源中，根据一般的设计方法，在向一次侧供电时，启动电路给PWM控制部20供电，启动完成后，则由辅助线圈N3的感应电压给PWM控制部20供电。在此，辅助线圈N3也是多输出电源中的一个输出电源，其输出电压根据PWM脉冲宽度的变化而发生变化。具体而言，辅助线圈N3的交流电压经由整流二极管D2和平滑电容C3而转换成直流电压后经由二极管D1供给给PWM控制部20。另外，在PWM控制部20的两端并联连接有电容C1、C2。

下面，对上述两种电源保护方法进行说明。

上述一次侧电流限制方法是如图1所示地在一次侧的开关Q1与阴极端子DCN之间串联电流采样电阻R3的方法，通过该电流采样电阻R3采样一次侧电流并将其反馈给PWM控制部20，当采样电流达到其阈值时，关断开关Q1。

另一方面，在输出侧串联连接熔断器的方法是如图1所示地在各输出侧串联连接熔断器FU1的方法。在该方法中，当输出侧过负载时切断电流来保护开关电源。

然而，如上所述，在开关电源中，根据一般的设计方法，在启动完成后，由辅助线圈N3的感应电压给PWM控制部20供电。PWM控制部20的控制芯片的驱动电源需要满足例如9V～28V等规定的电压范围，即，其具有规定的上限值和下限值。当PWM控制部20的控制芯片的驱动电源超过上述上限值时，控制芯片将会损坏。另一方面，当控制芯片的驱动电源低于上述下限值时，控制芯片就停止工作。

在这样的开关电源装置中，当输出电源P1短路时，输出电源P1的输出电流迅速增加，会导致PWM占空比（duty ratio）变大，于是输出电源P2～P5的电压也会升高。由于辅助线圈N3的感应电压与输出电源的电压成比例，于是辅助线圈N3的感应电压也会升高。当辅助线圈N3的感应电压超过控制芯片的允许电压的上述上限值时，会导致控制芯片损坏。因此，必须要有可靠的保护措施来保护芯片在各种故障发生时不被损坏。

但是，在上述一次侧电流限制方法中，电流采样电阻R3在电源启动时也会起到限制电流的作用，如果输出端的平滑电容C41～C45比较大，则启动的时间会很长。因此，如果要保证电源快速启动，那么电流采样电阻R3的阻值不能很大。如果电流采样电阻R3的阻值很小，则在因输出侧短路而控制芯片的驱动电源增加时就不能保护PWM控制部20的控制芯片以及整个开关电源。

另外，在上述在输出侧串联连接熔断器的方法中，当开关电源为多输出开关电源装置时，需要对每一路输出端都要串联一个熔断器，因此成本增加，同时体积变大，拓扑不方便。而且，熔断器一般是ms级的延迟很大的保护元件，因此保护效率低。而且，由于不是专门针对PWM控制部20的控制芯片的保护措施，因此，当因输出侧短路等而PWM控制部20的驱动电源增加时，不能很好地保护PWM控制部20的控制芯片以及整个开关电源。

发明内容

本发明是为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于，提供一种当一个电子部件的两端的电压急速上升到该电子部件所允许的电压的上限值时能够有效地保护该电子部件的过电压保护装置以及具有该过电压保护装置的开关电源装置。

为了实现如上所述的目的，本发明提供一种过电压保护装置，防止电子部件两端产生过电压，其包括：齐纳二极管，其负极与上述电子部件的驱动电源的第一端相连接，晶闸管，其门极与上述齐纳二极管的正极相连接，阴极与上述驱动电源的第二端相连接，阳极与上述驱动电源的第一端相连接；当上述驱动电源的电压超过上述齐纳二极管的反向击穿电压时，齐纳二极管反向击穿，使得晶闸管导通，由此使上述驱动电源放电。

另外，为了实现如上所述的目的，本发明提供一种开关电源装置，其包括将输入至一次侧线圈的输入电源转换成二次侧线圈的感应电压的变压器、决定上述变压器的一次侧线圈的导通状态的开关、通过脉冲宽度调制方式对上述开关进行控制的PWM控制部、对在上述变压器的二次侧线圈中感应出的交流电压进行整流、平滑来输出直流电压的电源输出部，上述开关电源装置包括：辅助电源供给部，其利用在上述变压器的辅助线圈中感应出的交流电压，向上述PWM控制部提供驱动电源；过电压保护部，在上述辅助线圈的感应电压的大小超过规定的基准值时，使由上述辅助电源供给部向上述PWM控制部供给的驱动电源放电；上述过电压保护部包括：齐纳二极管，其负极与上述PWM控制部的驱动电源的第一端相连接；晶闸管，其门极与上述齐纳二极管的正极相连接，阴极与上述PWM控制部的驱动电源的第二端相连接，阳极与上述PWM控制部的驱动电源的第一端相连接；上述规定的基准值是齐纳二极管的反向击穿电压，当上述PWM控制部的驱动电源的电压超过上述齐纳二极管的反向击穿电压时，齐纳二极管反向击穿，使得晶闸管导通，由此使上述驱动电源放电。

在上述开关电源装置中，上述辅助电源供给部具有：整流二极管，其正极与上述辅助线圈的一端相连接，该辅助线圈的另一端连接至输入电源的阴极；平滑电容，其连接在上述整流二极管的负极与输入电源的阴极之间；上述辅助电源供给部经由二极管向PWM控制部供电。

在上述开关电源装置中，上述齐纳二极管的反向击穿电压小于PWM控制部的控制芯片所允许的电压的上限值。

在上述开关电源装置中，上述开关是MOSFET。

在上述开关电源装置中，上述开关是双极型晶体管。

根据上述结构，本发明的过电压保护装置在一个电子部件两端的电压急速上升到该电子部件所允许的电压时能够有效地保护该电子部件，尤其在开关电源装置中，当输出端短路而供给至PWM控制部的驱动电源急速上升时，能够可靠地保护PWM控制部的控制芯片，而且整个开关电源也能够得到保护。

附图说明

图1是示出了现有技术的电源保护方法的电路拓扑的图。

图2是示出了本发明的开关电源装置的结构的框图。

图3是示出了本发明的开关电源装置的具体实施例的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明中，对于附图中的相同或相应的部分标注相同的附图标记，并省略重复的说明。

图2是示出了本发明的开关电源装置的结构的框图。

参照图2，本发明的开关电源装置具有开关Q1、变压器10、PWM控制部20、电源输出部30、辅助电源供给部40、过电压保护部50以及负载60。

下面，对各个构成要素进行说明。

开关Q1用于决定变压器10的一次侧线圈N1的导通状态，在此，该开关Q1是功率开关器件，一般是双极型晶体管或MOSFET。

变压器10利用互感作用，将向一次侧线圈N1供给的输入电源转换成二次侧线圈N2的感应电压。

PWM控制部20通过脉冲宽度调制（PWM）方式对开关Q1进行控制。

电源输出部30对在变压器的二次侧线圈N2中感应出的交流电压进行整流、平滑而输出直流电压，该直流电压被输出至负载60。

辅助电源供给部40用于对PWM控制部20供电。该辅助电源供给部40利用变压器10的辅助线圈N3的感应电压来生成直流电源Vcc并将其提供给PWM控制部20。具体而言，该辅助电源供给部40包括对在辅助线圈N3中感应出的交流电压进行整流、平滑而生成直流电压的整流二极管D2以及平滑电容器C3。整流二极管D2的正极与辅助线圈N3的一端相连接，辅助线圈N3的另一端与输入电源的阴极端子DCN相连接。整流二极管D2的负极与将在下面进行详细说明的过电压保护部50的齐纳二极管ZD1的负极相连接。另外，平滑电容C3连接在整流二极管D2的负极与输入电源的阴极端子DCN之间。

过电压保护部50用于保护PWM控制部20的控制芯片。当辅助线圈N3的感应电压超过规定的基准值时，该过电压保护部50使用于向PWM控制部20供电的平滑电容C3快速放电。具体地，过电压保护部50包括齐纳二极管ZD1和晶闸管Q2，如上所述，齐纳二极管ZD1的负极与辅助电源供给部40的整流二极管D2的负极相连接，齐纳二极管ZD1的正极与晶闸管Q2的门极G相连接。晶闸管Q2的阳极与二极管D1的负极相连接，晶闸管Q2的阴极与输入电源的阴极端子DCN相连接。

在此，上述规定的基准值是指齐纳二极管ZD1的反向击穿电压。而且，上述齐纳二极管ZD1的反向击穿电压小于PWM控制芯片的允许电压的上限值。

通过这样的结构，当由于输出端短路而辅助线圈N3的感应电压上升时，若辅助线圈N3的感应电压超过齐纳二极管ZD1的反向击穿电压，则齐纳二极管ZD1反向击穿，晶闸管Q2触发导通。晶闸管是只能控制其开通、但是不能控制其关断的器件。已导通的晶闸管关断的条件是K-A极承受反压，或者A-K极电流小于维持其导通的最小电流。而在本发明中，晶闸管Q2的K-A极不会承受反压，因此，在本发明中已导通的晶闸管Q2只能在A-K极电流小于维持其导通的最小电流时关断。即，一旦晶闸管Q2导通，则平滑电容C3中的电荷会快速释放。当平滑电容C3被放电而电压变得小于PWM控制部20的控制芯片的允许电压的下限值时，PWM控制部20就停止工作。这样，在因输出电源的短路等导致PWM控制部20的驱动电源超过控制芯片的允许电压的上限值时，保护了整个开关电源，而且PWM控制部20的控制芯片本身也得到了保护。

下面，参照图3对本发明的开关电源装置的具体实施例进行说明。

在实施例中所使用的开关Q1是MOSFET。

本实施例的开关电源装置是多输出开关电源装置，具有五个二次侧线圈N21、N22、N23、N24、N25。整流二极管D31和平滑电容C41、整流二极管D32和平滑电容C42、整流二极管D33和平滑电容C43、整流二极管D34和平滑电容C44、整流二极管D35和平滑电容C45分别构成电源输出部，分别对负载61、62、63、64、65供电。

变压器10的辅助线圈N3中感应出的交流电压经过整流二极管D2和平滑电容C3后转换成直流电压，并被用作PWM控制部20的驱动电源Vcc。

当二次侧线圈N25的输出电源短路时，会产生过电流，使得PWM的占空比（duty ratio）增加，随着PWM的占空比增加，二次侧线圈N21、N22、N23、N24的输出电源也会上升。辅助线圈N3的感应电压与二次侧线圈N21、N22、N23、N24、N25的输出电压成比例，因此，辅助线圈N3的感应电压也会上升。

当辅助线圈N3的感应电压上升而超过齐纳二极管ZD1的反向击穿电压时，齐纳二极管ZD1导通。由于晶闸管Q2的门极与齐纳二极管ZD1的正极相连接，因此，晶闸管Q2也被导通。晶闸管Q2导通后，快速释放电容C1、C2、C3上的电荷。当电容C1、C2、C3放电从而电容C1、C2、C3上的电压变得小于PWM控制部20的允许电压的下限值时，PWM控制部20就停止工作。当电容C1、C2、C3上的电荷完全被释放之后，晶闸管Q2被关断。由此，在因输出电源的短路等而使辅助线圈的感应电压超过PWM控制芯片的允许电压的上限值时能够有效地保护控制芯片以及开关电源。

以上，以开关电源为例对过电压保护装置的实施例进行了说明，但是本发明的过电压保护装置不仅用于PWM控制芯片，也可以适用于其他电源拓扑和芯片等电子部件的保护，以便在电源发生故障时保护电子部件不被高电压损坏。

上述的实施例是为了便于理解本发明而示出的例子，本发明并不限定于上述实施例，在不脱离本发明的技术思想的范围内，本领域技术人员能够进行各种变形。

Claims

1.一种过电压保护装置，防止电子部件两端产生过电压，其特征在于，包括：

齐纳二极管（ZD1），其负极与上述电子部件的驱动电源的第一端相连接，

晶闸管（Q2），其门极与上述齐纳二极管（ZD1）的正极相连接，阴极与上述驱动电源的第二端相连接，阳极与上述驱动电源的第一端相连接；

当上述驱动电源的电压超过上述齐纳二极管（ZD1）的反向击穿电压时，齐纳二极管（ZD1）反向击穿，使得晶闸管（Q2）导通，由此使上述驱动电源放电。

2.一种开关电源装置，其包括将输入至一次侧线圈（N1）的输入电源转换成二次侧线圈（N2）的感应电压的变压器（10）、决定上述变压器（10）的一次侧线圈（N1）的导通状态的开关（Q1）、通过脉冲宽度调制方式对上述开关（Q1）进行控制的PWM控制部（20）、对在上述变压器（10）的二次侧线圈（N2）中感应出的交流电压进行整流、平滑来输出直流电压的电源输出部（30），

上述开关电源装置的特征在于，

包括：

辅助电源供给部（40），其利用在上述变压器（10）的辅助线圈（N3）中感应出的交流电压，向上述PWM控制部（20）提供驱动电源，

过电压保护部（50），在上述辅助线圈（N3）的感应电压的大小超过规定的基准值时，使由上述辅助电源供给部（40）向上述PWM控制部（20）供给的驱动电源放电；

上述过电压保护部（50）包括：

齐纳二极管（ZD1），其负极与上述PWM控制部（20）的驱动电源的第一端相连接，

晶闸管（Q2），其门极与上述齐纳二极管（ZD1）的正极相连接，阴极与上述PWM控制部（20）的驱动电源的第二端相连接，阳极与上述PWM控制部（20）的驱动电源的第一端相连接；

上述规定的基准值是齐纳二极管（ZD1）的反向击穿电压，当上述PWM控制部（20）的驱动电源的电压超过上述齐纳二极管的反向击穿电压时，齐纳二极管（ZD1）反向击穿，使得晶闸管（Q2）导通，由此使上述驱动电源放电。

3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，

上述辅助电源供给部（40）具有：

整流二极管（D2），其正极与上述辅助线圈（N3）的一端相连接，该辅助线圈（N3）的另一端连接至输入电源的阴极（DCN），

平滑电容（C3），其连接在上述整流二极管（D2）的负极与输入电源的阴极（DCN）之间；

上述辅助电源供给部（40）经由二极管（D1）向PWM控制部（20）供电。

4.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，

上述齐纳二极管（ZD1）的反向击穿电压小于PWM控制部（20）的控制芯片所允许的电压的上限值。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，

上述开关（Q1）是MOSFET。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的开关电源装置，其特征在于，

上述开关（Q1）是双极型晶体管。