CN104779583B - 开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法 - Google Patents

开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电源电压型输出短路保护电路，包括比较器U1、开关二极管D2和非极性电容C2，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；开关二极管D2的阳极和电阻R1的一端相接且为输出短路保护电路的输入端V‑IN，开关二极管D2的阴极与非极性电容C2的一端和电阻R3的一端相接，电阻R3的另一端与比较器U1的反相输入端相接，电阻R1和电阻R2的连接端以及电阻R5的一端均与比较器U1的同相输入端相接，比较器U1的输出端为输出短路保护电路的输出端V‑OUT；本发明还公开了一种开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法。本发明可实现打嗝式短路保护，具有自恢复功能，实用性强。

Description

开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，尤其是涉及一种开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法。
背景技术
随着电子技术的快速发展，开关电源保护电路成为电路设计中至关重要的一部分。目前，电源或开关电源常用的保护方案有很多：(1)根据取样信号的不同分为：电流型保护电路和电压型保护电路。一般保护电路中大部分采用电流型保护电路，该类型需要电流采样电阻，在电阻上会流过很大的电流，若采用小阻值电流采样电阻，则需将信号进行处理、放大，这样会使得电路复杂，增加成本。也可以采用电流传感器或者霍尔传感器等来进行电流取样，但由于电流传感器价格较高，且许多电流传感器需要另外加电源才能正常工作，这又使得电路结构复杂，成本增加。而电压型保护电路，无需采样电流，只需采样电压，通过大阻值电阻进行分压就可实现，结构简单，功耗小，成本低。(2)根据对输出电流的控制分为：限流型保护电路、截流型或减流型保护电路、彻底关断型保护电路及可彻底关断开关管的自恢复型保护电路。①限流型保护电路是当电源输出端过载或短路时，输出电压下降而将输出电流限制在一定范围内。该保护方式的优点是：保护范围大，抗干扰能力强，其电路一般较为简单，故障排除后电源容易恢复。缺点是：保护速度慢，输出短路保护时，仍有较大的电流流过，功耗大。②截流型或减流型保护电路：在开关变换器输出过载或短路时，保护电路立即动作，可使输出电流和电压迅速减小。该保护电路的优点是：保护动作速度快、效果好、功率损耗小，适用于输出功率较大的电源。缺点是：该保护电路比较复杂，电路调试比较麻烦，故障排除后电源不易自恢复。③彻底关断型保护电路，即一旦保护电路动作后，即使过流或短路故障消除，电源仍一直处在关断状态，必须要先关断电源、重启***才能恢复工作，电路不能实现自恢复，无法满足本安电源的要求。④可彻底关断开关管的自恢复型保护电路,这类保护电路通常需要电流检测电路、短路或过载判断电路、延时电路等组成，电路较为复杂；而一般的可恢复型保护电路在主电路出现故障后，虽然可以将输出电压限制在比较低的范围内，但此时电流却很大，因为开关电源其实还在工作。因此，对于应用于危险环境的本安防爆电源，短路故障产生的火花能量相当可观，很有可能引爆易燃、易爆气体及其混合物，难以实现本安输出。
目前我国煤矿数量众多，瓦斯***事故屡见不鲜，给人民的生命安全造成了重大威胁。因此，设计一种适用于危险性环境的电压型输出短路保护电路意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电路结构简单、成本低廉、操作便捷、可实现打嗝式短路保护、具有自恢复功能、实用性强、便于推广使用的开关电源电压型输出短路保护电路。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种开关电源电压型输出短路保护电路，其特征在于：包括比较器U1、开关二极管D2和非极性电容C2，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述开关二极管D2的阳极和电阻R1的一端相接且为所述开关电源电压型输出短路保护电路的输入端V-IN，所述开关电源电压型输出短路保护电路的输入端V-IN与开关电源的正极电压输出端相接，所述开关二极管D2的阴极与非极性电容C2的一端和电阻R3的一端相接，所述电阻R1的另一端通过电阻R2接地，所述非极性电容C2的另一端接地，所述电阻R3的另一端与比较器U1的反相输入端相接，且通过电阻R4接地，所述电阻R1和电阻R2的连接端以及电阻R5的一端均与比较器U1的同相输入端相接，所述比较器U1的电源端和电阻R5的另一端均与供电电源的输出端VCC相接，所述比较器U1的接地端接地，所述比较器U1的输出端为所述开关电源电压型输出短路保护电路的输出端V-OUT，所述开关电源电压型输出短路保护电路的输出端V-OUT与PWM控制与驱动电路的输入端相接。
上述的开关电源电压型输出短路保护电路，其特征在于：所述比较器U1由芯片LM393构成，所述比较器U1的输出端通过电阻R6与供电电源的输出端VCC相接。
上述的开关电源电压型输出短路保护电路，其特征在于：所述开关电源包括BUCK变换器电路，所述BUCK变换器电路包括PMOS开关管VT1、电感L1、开关二极管D1和极性电容C1，所述PMOS开关管VT1的栅极与PWM控制与驱动电路的输出端相接，所述PMOS开关管VT1的漏极为开关电源的电压输入端Vi，所述PMOS开关管VT1的源极与开关二极管D1的阴极和电感L1的一端相接，所述电感L1的另一端与极性电容C1的正极相接且为开关电源的正极电压输出端Vo+，所述开关二极管D1的阳极和极性电容C1的负极相接且为开关电源的负极电压输出端Vo-，所述开关电源的负极电压输出端Vo-接地，所述开关电源的正极电压输出端Vo+与负极电压输出端Vo-之间接有负载RL。
本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、实用性强的开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、选择合适参数的非极性电容C2以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，其具体过程如下：
步骤101、根据公式选取电阻R1的阻值、电阻R2的阻值和电阻R5的阻值，其中，V+1为电路上电瞬间比较器U1的同相输入端的电压值，V+2为电路工作稳定后比较器U1的同相输入端的电压值，VCC为供电电源的输出电压，Vo为开关电源的输出电压；
步骤102、根据公式选取电阻R3的阻值和电阻R4的阻值，其中，V-2为电路工作稳定后比较器U1的反相输入端的电压值；
步骤103、首先，根据公式计算得到开关电源由于输出短路停止工作后再次启动时比较器U1的同相输入端的电压值V+3，然后，根据公式并根据非极性电容C2的放电时间t＝tw时推导得到公式最后，根据公式选取非极性电容C2的容值；其中，V-3(t)为非极性电容C2的放电时间为t时比较器U1的反相输入端的电压值；为非极性电容C2的放电时间为tw时，开关电源由于输出短路停止工作后再次启动时比较器U1的反相输入端的电压值；tw为开关电源电压型输出短路保护电路的维持时间，UC2(t)为非极性电容C2的放电时间为t时非极性电容C2上的电压值，为非极性电容C2的放电时间为tw时非极性电容C2上的电压值，τ为非极性电容C2的放电时间常数，e为自然常数且取e＝2.71828；
步骤二、连接比较器U1、开关二极管D2和非极性电容C2，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；其具体过程如下：
步骤201、将开关二极管D2的阳极和电阻R1的一端均连接到开关电源的正极电压输出端；
步骤202、连接开关二极管D2的阴极、非极性电容C2的一端和电阻R3的一端；
步骤203、将电阻R1的另一端与电阻R2的一端和电阻R5的一端连接后接到比较器U1的同相输入端；
步骤203、将电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接后接到比较器U1的反相输入端；
步骤204、将比较器U1的电源端和电阻R5的另一端接到供电电源的输出端VCC；
步骤205、将电阻R2的另一端、非极性电容C2的另一端和比较器U1的接地端接地。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用电压型短路保护电路，无需电流检测，电路结构简单，功耗极低，设计合理，实现方便，成本低廉。
2、本发明采用打嗝式输出短路保护，电路工作在打嗝状态，通过检测电压信号来判断是否输出短路，一旦检测到输出短路，短路保护电路立即动作，彻底切断输入端的开关电源；短路信号消失后，开关电源恢复正常工作；该电路能减小持续过流时的输出平均电流，降低电路功耗，并且具有完全的自恢复能力，可实现周期性的彻底关断，非常适用于本质安全电路中。
3、本发明利用二极管单向导电性及电容电压不能突变和RC电路放电特性，来实现打嗝式输出短路保护信号的产生，以电阻分压形式对输出电压进行采样，将通过二极管对电容充电得到的电压作为打嗝式输出短路保护的基准，无需外加基准即可实现打嗝式输出短路保护，使得电路结构更加简单，同时节约了成本。
4、本发明利用电容两端电压不能突变的特性，通过设置合适的RC电路参数，来确定保护信号维持所需的时间，实现打嗝式保护，操作便捷。
5、本发明能够在电路出现过载或短路故障时，彻底切断输入端的能量源，将短路引起的火花能量限制在极低的范围内，可用于各种开关变换器及相关电子产品中，尤其在煤矿、石化等危险环境中，能有效减少事故的发生率，保护财产、人身安全，实用性强，便于推广使用。
综上所述，本发明电路结构简单，成本低廉，操作便捷，可实现打嗝式短路保护，具有自恢复功能，实用性强，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明开关电源电压型输出短路保护电路的电路原理图。
附图标记说明:
1—开关电源电压型输出短路保护电路；
2—BUCK变换器电路； 3—PWM控制与驱动电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的开关电源电压型输出短路保护电路，包括比较器U1、开关二极管D2和非极性电容C2，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述开关二极管D2的阳极和电阻R1的一端相接且为所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输入端V-IN，所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输入端V-IN与开关电源的正极电压输出端相接，所述开关二极管D2的阴极与非极性电容C2的一端和电阻R3的一端相接，所述电阻R1的另一端通过电阻R2接地，所述非极性电容C2的另一端接地，所述电阻R3的另一端与比较器U1的反相输入端相接，且通过电阻R4接地，所述电阻R1和电阻R2的连接端以及电阻R5的一端均与比较器U1的同相输入端相接，所述比较器U1的电源端和电阻R5的另一端均与供电电源的输出端VCC相接，所述比较器U1的接地端接地，所述比较器U1的输出端为所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT，所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT与PWM控制与驱动电路3的输入端相接。
本实施例中，所述比较器U1由芯片LM393构成，所述比较器U1的输出端通过电阻R6与供电电源的输出端VCC相接。电阻R6为比较器U1的输出端的上拉电阻，具体实施时，所述电阻R6的取值为10kΩ。
如图1所示，本实施例中，所述开关电源包括BUCK变换器电路2，所述BUCK变换器电路2包括PMOS开关管VT1、电感L1、开关二极管D1和极性电容C1，所述PMOS开关管VT1的栅极与PWM控制与驱动电路3的输出端相接，所述PMOS开关管VT1的漏极为开关电源的电压输入端Vi，所述PMOS开关管VT1的源极与开关二极管D1的阴极和电感L1的一端相接，所述电感L1的另一端与极性电容C1的正极相接且为开关电源的正极电压输出端Vo+，所述开关二极管D1的阳极和极性电容C1的负极相接且为开关电源的负极电压输出端Vo-，所述开关电源的负极电压输出端Vo-接地，所述开关电源的正极电压输出端Vo+与负极电压输出端Vo-之间接有负载RL。所述PWM控制与驱动电路3控制PMOS开关管VT1的导通与关断。
本发明的开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、选择合适参数的非极性电容C2以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，其具体过程如下：
步骤101、根据公式选取电阻R1的阻值、电阻R2的阻值和电阻R5的阻值，其中，V+1为电路上电瞬间比较器U1的同相输入端的电压值，V+2为电路工作稳定后比较器U1的同相输入端的电压值，VCC为供电电源的输出电压，Vo为开关电源的输出电压；具体实施时，V+1、V+2、VCC和Vo均为已知量；本实施例中，已知VCC为12V，V+1为2V，V+2为6V，Vo为12V；根据公式选取电阻R1的阻值为7.5kΩ，电阻R2的阻值为5kΩ，电阻R5的阻值为15kΩ；
步骤102、根据公式选取电阻R3的阻值和电阻R4的阻值，其中，V-2为电路工作稳定后比较器U1的反相输入端的电压值；具体实施时，V-2为已知量，由于流过开关二极管D2的电流很小，开关二极管D2的正向导通压降很低，通常比输出电压Vo小得多，因此在的计算公式中未考虑开关二极管D2的正向导通压降；本实施例中，已知V-2为3V，先根据公式1kΩ≤R4≤10kΩ选取电阻R4的阻值为6.8kΩ，再根据公式计算得到电阻R3的阻值为20.4kΩ，具体实施时，为了购买电阻R3的方便，采用四舍五入的方法，选取电阻R3的阻值为20kΩ。由于非极性电容C2的放电时间常数τ＝(R3+R4)C2与电阻R3的阻值和电阻R4的阻值有关，电阻R3的阻值和电阻R4的阻值越大，所述开关电源电压型输出短路保护电路1的维持时间越长，因此，在满足公式1kΩ≤R4≤10kΩ的前提下，选择阻值较大的电阻R4；
步骤103、首先，根据公式计算得到开关电源由于输出短路停止工作后再次启动时比较器U1的同相输入端的电压值V+3，然后，根据公式并根据非极性电容C2的放电时间t＝tw时推导得到公式最后，根据公式选取非极性电容C2的容值；其中，V-3(t)为非极性电容C2的放电时间为t时比较器U1的反相输入端的电压值；为非极性电容C2的放电时间为tw时，开关电源由于输出短路停止工作后再次启动时比较器U1的反相输入端的电压值；tw为开关电源电压型输出短路保护电路1的维持时间，UC2(t)为非极性电容C2的放电时间为t时非极性电容C2上的电压值，为非极性电容C2的放电时间为tw时非极性电容C2上的电压值，τ为非极性电容C2的放电时间常数，e为自然常数且取e＝2.71828；具体实施时，tw为已知量；本实施例中，已知tw为0.3s，根据公式选取非极性电容C2的容值为10μF。需要说明的是，在根据公式选取非极性电容C2的容值时，计算得到的非极性电容C2的容值为10.0395μF，为了购买非极性电容C2的方便，采用四舍五入的方法，选取非极性电容C2的容值为10μF。
步骤二、连接比较器U1、开关二极管D2和非极性电容C2，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；其具体过程如下：
步骤201、将开关二极管D2的阳极和电阻R1的一端均连接到开关电源的正极电压输出端；
步骤202、连接开关二极管D2的阴极、非极性电容C2的一端和电阻R3的一端；
步骤203、将电阻R1的另一端与电阻R2的一端和电阻R5的一端连接后接到比较器U1的同相输入端；
步骤203、将电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接后接到比较器U1的反相输入端；
步骤204、将比较器U1的电源端和电阻R5的另一端接到供电电源的输出端VCC；
步骤205、将电阻R2的另一端、非极性电容C2的另一端和比较器U1的接地端接地。
本发明开关电源电压型输出短路保护电路的工作原理为：电路上电瞬间，开关电源的输出电压Vo为零，比较器U1的反相输入端的电压值V-1为零，比较器U1的同向输入端通过电阻R5与供电电源的输出端VCC相接，此时，比较器U1的同向输入端的电压值由于V+1>V-1，因此比较器U1的输出端输出高电平，即所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出高电平，PWM控制与驱动电路3的输入端检测到所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出高电平时，产生脉冲信号驱动BUCK变换器电路2正常工作，所述开关电源正常工作。
电路工作稳定后，根据叠加定理可知，比较器U1的同相输入端的电压值比较器U1的反相输入端的电压值(由于流过开关二极管D2的电流很小，开关二极管D2的正向导通压降很低，通常比输出电压Vo小得多，因此在的计算公式中未考虑开关二极管D2的正向导通压降)，由于电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5参数的合理设计，会使得V+2>V-2，因此比较器U1的输出端输出高电平，即所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出高电平，PWM控制与驱动电路3的输入端检测到所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出高电平时，产生脉冲信号驱动BUCK变换器电路2正常工作，所述开关电源正常工作。
当电路出现短路故障时，开关电源的输出电压Vo迅速下降，比较器U1的同相输入端的电压值也快速下降，而由于二极管D2的单向导电性，使得非极性电容C2只能通过由电阻R3、电阻R4和非极性电容C2形成的回路进行放电，从而使比较器U1的反相输入端电压只能缓慢下降。比较器U1同相输入端电压比反相输入端电压下降要快得多，此时，比较器U1同相输入端电压低于反相输入端电压，因此比较器U1的输出端输出低电平，即所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出低电平，PWM控制与驱动电路3的输入端检测到所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出低电平时，关断脉冲信号，BUCK变换器电路2停止工作，即开关电源停止工作，直到输出电压下降到零，比较器U1的同相输入端的电压值变为同时比较器U1的反相输入端的电压值随着UC2(t)的下降而减小，但只要满足公式V+3<V-3时，比较器U1的输出端一直输出低电平，即所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出低电平，PWM控制与驱动电路3的输入端检测到所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出低电平时，关断脉冲信号，BUCK变换器电路2仍停止工作，开关电源仍停止工作；随着非极性电容C2放电过程的持续，非极性电容C2两端的电压不断减小，当满足公式V+3>V-3时，比较器U1的输出端输出高电平，即所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出高电平，PWM控制与驱动电路3的输入端检测到所述开关电源电压型输出短路保护电路1的输出端V-OUT输出高电平时，产生脉冲信号驱动BUCK变换器电路2重新启动，即所述开关电源重新启动，恢复正常工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法，输出短路保护电路包括比较器U1、开关二极管D2和非极性电容C2，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述开关二极管D2的阳极和电阻R1的一端相接且为所述开关电源电压型输出短路保护电路(1)的输入端V-IN，所述开关电源电压型输出短路保护电路(1)的输入端V-IN与开关电源的正极电压输出端相接，所述开关二极管D2的阴极与非极性电容C2的一端和电阻R3的一端相接，所述电阻R1的另一端通过电阻R2接地，所述非极性电容C2的另一端接地，所述电阻R3的另一端与比较器U1的反相输入端相接，且通过电阻R4接地，所述电阻R1和电阻R2的连接端以及电阻R5的一端均与比较器U1的同相输入端相接，所述比较器U1的电源端和电阻R5的另一端均与供电电源的输出端VCC相接，所述比较器U1的接地端接地，所述比较器U1的输出端为所述开关电源电压型输出短路保护电路(1)的输出端V-OUT，所述开关电源电压型输出短路保护电路(1)的输出端V-OUT与PWM控制与驱动电路(3)的输入端相接，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：
步骤一、选择合适参数的非极性电容C2以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，其具体过程如下：
步骤101、根据公式选取电阻R1的阻值、电阻R2的阻值和电阻R5的阻值，其中，V+1为电路上电瞬间比较器U1的同相输入端的电压值，V+2为电路工作稳定后比较器U1的同相输入端的电压值，VCC为供电电源的输出电压，Vo为开关电源的输出电压；
步骤102、根据公式选取电阻R3的阻值和电阻R4的阻值，其中，V-2为电路工作稳定后比较器U1的反相输入端的电压值；
步骤103、首先，根据公式计算得到开关电源由于输出短路停止工作后再次启动时比较器U1的同相输入端的电压值V+3，然后，根据公式并根据非极性电容C2的放电时间t＝tw时推导得到公式最后，根据公式选取非极性电容C2的容值；其中，V-3(t)为非极性电容C2的放电时间为t时比较器U1的反相输入端的电压值；为非极性电容C2的放电时间为tw时，开关电源由于输出短路停止工作后再次启动时比较器U1的反相输入端的电压值；tw为开关电源电压型输出短路保护电路(1)的维持时间，UC2(t)为非极性电容C2的放电时间为t时非极性电容C2上的电压值，为非极性电容C2的放电时间为tw时非极性电容C2上的电压值，τ为非极性电容C2的放电时间常数，e为自然常数且取e＝2.71828；
步骤二、连接比较器U1、开关二极管D2和非极性电容C2，以及电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；其具体过程如下：
步骤201、将开关二极管D2的阳极和电阻R1的一端均连接到开关电源的正极电压输出端；
步骤202、连接开关二极管D2的阴极、非极性电容C2的一端和电阻R3的一端；
步骤203、将电阻R1的另一端与电阻R2的一端和电阻R5的一端连接后接到比较器U1的同相输入端；
步骤203、将电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接后接到比较器U1的反相输入端；
步骤204、将比较器U1的电源端和电阻R5的另一端接到供电电源的输出端VCC；
步骤205、将电阻R2的另一端、非极性电容C2的另一端和比较器U1的接地端接地。
2.按照权利要求1所述的开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法，其特征在于：所述比较器U1由芯片LM393构成，所述比较器U1的输出端通过电阻R6与供电电源的输出端VCC相接。
3.按照权利要求1所述的开关电源电压型输出短路保护电路的设计方法，其特征在于：所述开关电源包括BUCK变换器电路(2)，所述BUCK变换器电路(2)包括PMOS开关管VT1、电感L1、开关二极管D1和极性电容C1，所述PMOS开关管VT1的栅极与PWM控制与驱动电路(3)的输出端相接，所述PMOS开关管VT1的漏极为开关电源的电压输入端Vi，所述PMOS开关管VT1的源极与开关二极管D1的阴极和电感L1的一端相接，所述电感L1的另一端与极性电容C1的正极相接且为开关电源的正极电压输出端Vo+，所述开关二极管D1的阳极和极性电容C1的负极相接且为开关电源的负极电压输出端Vo-，所述开关电源的负极电压输出端Vo-接地，所述开关电源的正极电压输出端Vo+与负极电压输出端Vo-之间接有负载RL。
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