CN105186459A - 一种开关电源的输出短路保护方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源的输出短路保护方法及电路，所述的方法为通过采样恒流充电端SS的电压，设定当电压达到预定的设定值时，对恒流充电端SS连接的电容快速充电，减少产品输出短路时工作的时间；对应的，所述的电路包括电压采样电路、快速充电电路、供电电压源端VCC、恒流充电端SS，电压采样电路对恒流充电端SS的电压信号进行采样，快速充电电路根据电压采样电路的输出信号，来控制对SS端电容的充电，当开关电源的输出出现短路时，恒流充电端SS的电压先通过控制IC内部的恒流源对SS端口电容缓慢充电，当电容电压被充到设定的值时，快速充电电路将提供一个很大的电流，使产品快速进入短路保护状态，起到降低短路功耗的作用。

Description

一种开关电源的输出短路保护方法及电路

技术领域

本发明涉及开关电源，特别涉及开关电源的输出短路保护方法及电路。

背景技术

在开关电源应用中，一些控制IC是通过以下方式进行短路保护的：当产品输出短路时，控制IC的电流采样脚就会检测到一个很高的峰值电压，此时恒流充电端SS连接的电容上的电压将通过控制IC内部直接被释放到零，控制IC内部恒流源对恒流充电端SS连接的电容重新开始充电，此时控制IC停止驱动输出，直到恒流充电端SS连接的电容被充到控制IC内部设定的一个电压值，然后控制IC再一次输出占空比，控制IC内部恒流源对恒流充电端SS连接的电容仍持续充电，当恒流充电端SS连接的电容被充到IC设定的另一个更高的阀值电压时，恒流充电端SS连接的电容上的电压将再一次被释放到零，产品输出短路状态将重复前面的过程，直到产品输出短路被解除。

以上的工作过程如图2所示，其中D为产品输出短路时，计算公式为：单个短路打嗝周期内控制IC输出驱动的时间t_on和短路打嗝周期T的比值，t_off为控制IC停止驱动输出的时间，T＝t_on+t_off。后文都将D定义为短路打嗝占空时间比例，即将单个短路打嗝周期内控制IC输出驱动的时间定义为t_on，将短路打嗝周期定义为T。

目前应用中实现输出短路保护的电路如图1所示，控制IC内部恒流源通过SS端口接一个电容C1到参考地，由控制IC内部恒流源对该电容C1进行充电，短路打嗝周期T由电容C1的大小决定，由于控制IC内部是一个恒流源充电，所以短路打嗝占空时间比例D是固定的。采用目前该电路实现短路保护主要存在以下缺点：

(1)无法调节短路打嗝占空时间比例D，无法控制短路功耗。一般降低短路功耗的主要方法是，降低产品输出短路时的短路打嗝占空时间比例D，目前的电路通过增大SS端口的电容C1的容值可以增大短路打嗝周期T，但是IC内部是一个恒流源，增大电容C1的容值虽然增大了打嗝周期T，但是产品工作和停止工作的时间同比例增大，所有短路打嗝占空时间比例D不变，平均短路功耗仍无法减小。

(2)现有的电路无法调节短路打嗝占空时间比例D，只适用于功率比较小的产品上，当产品功率大时，短路功耗将变得很大，产品输出短路时很容易损坏

(3)现有的电路由于IC内部恒流源电流很小，产品进入短路保护状态缓慢。

发明内容

有鉴如此，本发明要解决的技术问题之一是：克服现有技术中短路功耗大等缺点，提供一种开关电源的短路保护方法，所述的短路保护方法短路打嗝占空时间比例D和短路打嗝周期T可调，可以控制产品输出短路时的功耗，且产品输出短路时能够快速进入短路保护状态，保证了产品的可靠性，适用于小功率及中大功率产品的短路保护功能。

与此相应，本发明要解决的第二个技术问题是：提供一种应用上述方法的开关电源的短路保护电路。

本发明解决上述第一个技术问题的技术方案是：

一种开关电源的短路保护方法，包括如下步骤：

电压采样步骤，对恒流充电端SS的电压信号进行采样；

快速充电步骤，依据电压采样步骤的输出信号控制对SS端电容充电，当开关电源的输出出现短路时，恒流充电端SS的电压先通过控制IC内部的恒流源对SS端口电容缓慢充电，当电容电压被充到设定的值时，快速充电电路将提供一个很大的电流，使产品快速进入短路保护状态，减少产品输出短路时工作的时间，起到降低短路功耗的作用。

本发明要解决上述第二个技术问题的技术方案是：

一种开关电源的输出短路保护电路：包括电压采样电路、快速充电电路、供电电压源端VCC、恒流充电端SS；所述的电压采样电路包括第一输入端、第二输入端、输出端；所述的快充电电路包括第一输入端、第二输入端、输出端；所述的恒流充电端SS通过电容连接到参考地；所述的电压采样电路的第一输入端连接所述的恒流充电端SS，所述的电压采样电路的第二输入端连接到供电电压源端VCC，所述的电压采样电路的输出端连接所述的快速充电电路的第二输入端，所述的电压采样电路通过采样恒流充电端SS的电压来控制快速充电电路的开通；所述的快速充电电路的第一输入端连接到供电电压源端VCC，所述的快速充电电路的输出端连接所述的恒流充电端SS，对SS端电容快速充电，在产品输出短路时，使产品快速进入短路保护状态，降低短路功耗，保证产品的可靠性。

优选的，所述的电压采样电路包括第一采样电阻、第二采样电阻、误差放大器、第一偏置电阻；第一采样电阻一端连接到恒流充电端SS和连接到快速充电电路的输出端，第一采样电阻的另一端连接到第二采样电阻的一端，第二采样电阻的另一端连接到参考地，第一采样电阻和第二采样电阻的串联结点连接到误差放大器的电压取样脚，误差放大器的阳极连接到参考地，误差放大器的阴极连接到快速充电电路的第二输入端和连接到第一偏置电阻的一端，第一偏置电阻的另一端连接到供电电压源端VCC。

优选的，所述的快速充电电路包括第二偏置电阻、第三偏置电阻、第一三极管，第二偏置电阻的一端连接到供电电压源端VCC，第二偏置电阻的另一端连接到第一三极管的发射极；第一三极管的集电极连接到恒流充电端SS，第一三极管的基极连接到第三偏置电阻的一端，第三偏置电阻的另一端连接到电压采样电路的输出端。

优选的，所述的误差放大器为芯片TL431。

本发明技术的解决思想是，通过电压采样电路对恒流充电端SS的电压信号进行采样，快速充电电路根据电压采样电路的输出信号来控制对SS端电容的充电，当开关电源的输出出现短路时，恒流充电端SS的电压先通过控制IC内部的恒流源对SS端口电容缓慢充电，当电容电压被充到设定的值时，快速充电电路将提供一个很大的电流，使产品快速进入短路保护状态，减少产品输出短路时工作的时间，起到降低短路功耗的作用，详细的工作原理分析详见实施例，在此不赘述。

与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点：

(1)产品输出短路功耗小，短路保护速度快，短路保护可靠性高。

(2)短路打嗝周期T和短路打嗝占空时间比例D可调节。

(3)短路保护电路适用的产品功率等级宽。

附图说明

图1为现有技术的产品输出短路保护电路原理图；

图2为现有技术产品输出短路控制部分的波形；

图3为本发明实施例一的电路图；

图4为本发明在开关电源应用中的电路图；

图5为应用本发明产品输出短路控制部分的波形。

具体实施方式

图3为本发明的电路图，其包括电压采样电路1、快速充电电路2、供电电压源端VCC、恒流充电端SS；电压采样电路1的第一输入端连接恒流充电端SS，电压采样电路1的第二输入端连接到供电电压源端VCC，电压采样电路1的输出端连接快速充电电路2的第二输入端，电压采样电路1通过采样恒流充电端SS的电压来控制快速充电电路的开通；快速充电电路2的第一输入端连接到供电电压源端VCC，快速充电电路的输出端连接恒流充电端SS，对SS端电容快速充电，在产品输出短路时，能快速进入短路保护状态，降低短路功耗，保证产品的可靠性；恒流充电端SS连接电容C1到参考地。

电压采样电路1包括第一采样电阻R4、第二采样电阻R5、误差放大器U1、第一偏置电阻R3；第一采样电阻R4的一端连接到恒流充电端SS和连接到快速充电电路2的输出端，第一采样电阻R4的另一端连接到第二采样电阻R5的一端，第二采样电阻R5的另一端连接到参考地，第一采样电阻R4和第二采样电阻R5的串联结点连接到误差放大器U1的电压取样脚，误差放大器U1的阳极连接到参考地，误差放大器U1的阴极连接到快速充电电路2的第二输入端和连接到第一偏置电阻R3的一端，第一偏置电阻R3的另一端连接到供电电压源端VCC。

快速充电电路2包括第二偏置电阻R1、第三偏置电阻R2、第一三极管Q1；第二偏置电阻R1的一端连接到供电电压源端VCC，第二偏置电阻R1的另一端连接到第一三极管Q1的发射极；第一三极管Q1的集电极连接到恒流充电端SS，第一三极管Q1的基极连接到第三偏置电阻R2的一端，第三偏置电阻R2的另一端连接到电压采样电路1的输出端。

误差放大器U1为芯片TL431。

图4为本发明在开关电源应用中的电路图，其电路组成及连接关系在此不赘述，其工作原理如下：

当产品输出短路时，控制IC的电流采样脚就会检测到一个高的峰值电压，此时恒流充电端SS连接的电容C1上的电压将通过IC内部直接被释放到零，IC内部恒流源对恒流充电端SS连接的电容C1重新开始充电，此时控制IC停止驱动输出，直到恒流充电端SS连接的电容C1被充到IC内部设定的一个电压值，此时控制IC再一次输出占空比。通过设定电压采样电路的第一分压电阻和第二分压电阻的阻值，在恒流充电端SS的电压刚达到输出占空比的阀值时，电压采样电路的误差放大器对采样电压进行比较后，将输出一个低电平，即误差放大器的阴极将由一个高电平转化成一个低电平。此时，快速充电电路的第一三极管将有一个电流由第一三极管的基极通过快速充电电路的第三偏置电阻流向误差放大器的阴极，快速充电电路的第一三极管将饱和导通，那么将有一个很大的电流由快速充电电路的输出端对恒流充电端SS连接的电容C1进行快速充电，使恒流充电端SS的电平迅速达到产品输出短路保护的第二个阀值，从而快速关断占空比输出，达到快速保护和降低短路功耗的目的。

本实施例，可通过增大恒流充电端SS连接的电容C1来增大产品输出短路时的短路打嗝周期T和减小短路打嗝占空时间比例D，其原理如下：

当产品输出短路时，恒流充电端SS连接的电容C1上的电压将通过IC内部直接被释放到零，控制IC关掉驱动输出，IC内部恒流源对恒流充电端SS连接的电容C1重新开始充电，由于电容C1增大，IC内部恒流源通过恒流充电端SS对电容C1充电的时间将变长，当恒流充电端SS的电压达到误差放大器采样端口设定的电压时，快速充电电路将对恒流充电端SS连接的电容C1快速冲电，使恒流充电端SS快速达到第二个更高的阀值电压，从而关闭驱动输出，进入下一个短路打嗝周期，由于快速充电电路提供的充电电流远大于IC内部恒流源的充电电流，所以快速充电电路对电容C1充电的这段时间增大很小，因此短路打嗝占空时间D将变小，产品输出短路功耗也将变小。

以上工作过程如图5所示，图5为应用本发明产品输出短路控制部分的波形，其中D为产品输出短路时，单个短路打嗝周期内控制IC输出驱动的时间和短路打嗝周期T的比例，即

以下通过具体的实验数据来进一步说明本实施例的有益效果：

取控制IC内部恒流源的电流I₁为10uA，控制IC输出短路保护的两个阀值V1＝3V，V2＝5V，恒流充电端SS连接的电容C₁＝1uF，快速充电电路的第二偏置电阻R1＝10KΩ，供电电压源端VCC＝10V。

当采用现有技术时，因为恒流充电端SS连接的电容始终都是通过控制IC内部的恒流源进行充电，所以短路打嗝周期为：

$T=\frac{V_2*C_1}{I_1}$

控制IC输出驱动的时间为：

$t_{on}=\frac{(V_2-V_1)*C_1}{I_1}$

短路打嗝占空时间比例为：

$D=\frac{t_{on}}{T}=\frac{V_2-V_1}{V_2}=\frac{5-3}{5}=\mathrm{0.4.}$

当采用本实施例技术时，假设将电压采样电路执行动作的电压阀值刚好设定在3V处，当恒流充电端SS的电压达到3V时，快速充电电路的三级管将饱和导通，假设三极管饱和导通时，发射极到集电极的压降Vce为0.3V。此时恒流充电端SS连接的电容在V1到V2的时间内，主要通过VCC的电压进行充电，充电的时间为：

$t=R_1*C_1*\ln \left(\frac{VCC-Vce-V_1}{VCC-Vce-V_2}\right)=10\×{10}^3\×1\×{10}^{-6}\×\ln \left(\frac{10-0.3-3}{10-0.3-5}\right)\×{10}^3\≈3.5ms$

即t_on＝t＝3.5ms。恒流充电端SS连接的电容的电压在V1到V2的时间内，恒流充电端SS连接的电容全部由控制IC内部的恒流源进行充电，充电的时间为：

$t=\frac{C_1*V_1}{I_1}=\frac{1\×{10}^{-6}\×3}{10\×{10}^{-6}}\×{10}^3=300ms$

即t_off＝t＝300ms。所以短路打嗝占空时间比例为：

$D=\frac{t_{on}}{T}=\frac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}=\frac{3.5}{300+3.5}\≈0.01$

通过对比计算，现有技术短路打嗝占空时间比例D只和控制IC内部设定的两个电压阀值有关，无法通过外部电容进行调节。而本实施例的技术可以通过调节本发明电路参数，任意调节短路打嗝占空时间比例D，使短路功耗降得很低。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种开关电源的输出短路保护方法，包括如下步骤：

电压采样步骤，对恒流充电端SS的电压信号进行采样；

快速充电步骤，依据电压采样步骤的输出信号控制对SS端电容充电，当开关电源的输出出现短路时，恒流充电端SS的电压先通过控制IC内部的恒流源对SS端口电容缓慢充电，当电容电压被充到设定的值时，快速充电电路将提供一个很大的电流，使产品快速进入短路保护状态，减少产品输出短路时工作的时间，起到降低短路功耗的作用。

2.一种开关电源的输出短路保护电路，其特征在于：包括电压采样电路、快速充电电路、供电电压源端VCC、恒流充电端SS；所述的电压采样电路包括第一输入端、第二输入端、输出端；所述的快充电电路包括第一输入端、第二输入端、输出端；所述的恒流充电端SS通过电容连接到参考地；所述的电压采样电路的第一输入端连接所述的恒流充电端SS，所述的电压采样电路的第二输入端连接到供电电压源端VCC，所述的电压采样电路的输出端连接所述的快速充电电路的第二输入端，所述的电压采样电路通过采样恒流充电端SS的电压来控制快速充电电路的开通；所述的快速充电电路的第一输入端连接到供电电压源端VCC，所述的快速充电电路的输出端连接所述的恒流充电端SS，对所述的恒流充电端SS连接的电容快速充电，在产品输出短路时，使产品快速进入短路保护状态，降低短路功耗，保证产品的可靠性。

3.根据权利要求1所述的开关电源的输出短路保护电路，其特征在于：所述的电压采样电路包括第一采样电阻、第二采样电阻、误差放大器、第一偏置电阻；所述的第一采样电阻一端连接到所述的恒流充电端SS和连接到所述的快速充电电路的输出端；所述的第一采样电阻的另一端连接到所述的第二采样电阻的一端，所述的第二采样电阻的另一端连接到参考地，所述的第一采样电阻和所述的第二采样电阻的串联结点连接到所述的误差放大器的电压取样脚；所述的误差放大器的阳极连接到参考地，所述的误差放大器的阴极连接到所述的快速充电电路的第二输入端和连接到所述的第一偏置电阻的一端，所述的第一偏置电阻的另一端连接到所述的供电电压源端VCC。

4.根据权利要求1所述的开关电源的输出短路保护电路，其特征在于：所述的快速充电电路包括第二偏置电阻、第三偏置电阻、第一三极管；所述的第二偏置电阻的一端连接到所述的供电电压源端VCC，所述的第二偏置电阻的另一端连接到所述的第一三极管的发射极；所述的第一三极管的集电极连接到所述的恒流充电端SS，所述的第一三极管的基极连接到所述的第三偏置电阻的一端，所述的第三偏置电阻的另一端连接到所述的电压采样电路的输出端。

5.根据权利要求2所述的开关电源的输出短路保护电路，其特征在于：所述的误差放大器为芯片TL431。