CN109245052B - 一种短路保护电路和包含该电路的开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短路保护电路，短路保护电路包括第一输入端口、第二输入端口、输出端口、开关电路和复位电路；第一输入端口和第二输入端口均用于输入PWM信号，第一输入端口输入高电平延时第一时间后第二输入端口才输入高电平，第一输入端口翻转为低电平延时第二时间后第二输入短路端口才翻转为低电平；当第一输入端口的输入翻转为低电平的时刻开关电路能够直接拉低输出端口的电平，使得输出端口无需延时第二时间即可输出低电平的控制信号；短路保护电路用于开关电源后，将其输出端口与功率变换电路中主功率开关管的驱动端连接，能实现实现开关电源功率变换电路中的主功率开关管快速关断。

Description

一种短路保护电路和包含该电路的开关电源

技术领域：

本发明公开一种短路保护电路及包含该电路的开关电源，特别涉及使用隔离驱动芯片的开关电源的短路保护。

背景技术：

现有模块电源中，大功率的产品一般都会使用双管反激、推挽、半桥和全桥等较为复杂的电路拓扑，由于这些电路拓扑包含两个及以上的开关管需要控制，部分拓扑需要隔离驱动，如双管反激、全桥，因此无法直接用脉冲宽度调制芯片 (下文简称脉冲宽度调制为“PWM”)进行控制，这类拓扑需要使用隔离驱动芯片，将PWM芯片的控制信号传输到功率开关管，进而控制功率电路中的开关管。

现有隔离驱动芯片，均存在较长的导通以及关断延时，全桥电路隔离驱动芯片的关断延时为100ns左右，而半桥电路隔离驱动芯片则达到了200ns。现有 PWM芯片一般集成了单周期峰值电流保护功能，当输出短路时，主功率电流迅速增大，当原边电流峰值达到保护设定值后，PWM芯片关断驱动信号，但由于隔离驱动芯片存在关断延时，原边功率开关管将导通关断延时的时长后才关断，这段时间内，原边主功率的电流将继续上升。在大多数短路的条件下，主功率的短路电流会使得变压器磁芯的饱和，变压器磁芯饱和后，感量会急剧下降。由电感电流公式可知，在输入电压Vin为160V、原边变压器的感量Lp下降为0.5μH 时，导通时间Ton为200ns时对应的短路电流大小为：

因此，隔离驱动芯片的关断延迟时间较长会导致短路电流增大，从而要求主功率器件需满足较大的电流应力规格，影响器件的选型。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种短路保护电路和包含该电路的开关电源，解决现有使用隔离驱动芯片的开关电源在高压短路状态下，短路电流过大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种短路保护电路，包括：

第一输入端口、第二输入端口、输出端口、开关电路和复位电路；

开关电路设有第一输入端口、第二输入端口和输出端口，复位电路连接开关电路；

第一输入端口输入的为PWM信号；

当第一输入端口输入的电平为高电平时，开关电路不工作，第二输入端口延时第一时间后输入第二高电平，开关电路接收第二高电平并输出第三高电平到输出端口；

当第一输入端口输入的电平翻转为低电平时，开关电路工作，并拉低输出端口的电压，第二输入端口延时第二时间后输入第二低电平，开关电路停止工作，复位电路开始工作，并且在第一输入端口再次翻转为高电平前停止工作。

作为开关电路的一种具体的实施方式，包括：第一电容、第一二极管、第一电阻、第二电阻、第一PNP三极管，第一电容的一端与第二输入端口相连，第一电容的另一端与第一电阻的一端相连后与第一PNP三极管的发射极相连，第一电阻的另一端与输出端口相连，第二电阻的一端与第一输入端口相连，第二电阻的另一端与第一二极管的阴极相连，第一二极管的阳极与第一PNP三极管的基极相连，第一PNP三极管的集电极接地。

作为复位电路的一种具体的实施方式，包括：第二二极管，第二二极管的阴极与第一PNP三极管的发射极相连，第二二极管的阳极接地。

作为开关电路的另一种具体的实施方式，包括：第一电容、第一电阻和第一二极管，第一电容的一端与第二输入端口相连，第一电容的另一端与第一电阻的一端相连后与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极连接第一输入端口；第一电阻的另一端连接输出端口。

作为复位电路的另一种具体的实施方式，包括：第二二极管，第二二极管的阴极连接第一二极管的阳极，第二二极管的阳极接地。

本发明还提供包含上述短路保护电路的开关电源，开关电源包括PWM芯片、隔离驱动芯片和功率变换电路，第一输入端口连接PWM芯片的输出端口和隔离驱动芯片的输出端口，第二输入端口连接次隔离驱动芯片的另一输出端口，输出端口连接功率变换电路中主功率开关管的驱动端，第一时间为隔离驱动芯片导通延迟时间，第二时间为隔离驱动芯片关断延迟时间。

术语解释：

隔离驱动芯片导通延迟时间：隔离驱动芯片从接收导通信号到输出驱动信号之间的时间，例如仙童公司的FAN7382从LIN脚为高电平到LO为高电平之间的时间；

隔离驱动芯片关断延迟时间：隔离驱动芯片从接收关断信号到关断驱动信号之间的时间，例如仙童公司的FAN7382从LIN脚为低电平到LO为低电平之间的时间；

本发明的有益效果如下：

本发明的短路保护电路能够直接拉低输出端口的电平，在高压短路的状态下，当原边电流峰值达到保护设定值后，PWM芯片输出关断的同时，立即拉低输出端口电平，用于开关电源后，将其输出端口与功率变换电路中主功率开关管的驱动端连接，快速关断功率变换电路中主功率开关管，实现将主功率开关管的关断延时减小到5ns左右，有效解决了因隔离驱动芯片的关断延时较长引起的高压短路状态下，主功率电路短路电流过大的问题。

附图说明

附图1为包含本发明短路保护电路的开关电源原理框图；

附图2为包含本发明短路保护电路开关电源实施例一的电路图；

附图3为包含本发明短路保护电路开关电源实施例二的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是包含本发明短路保护电路的开关电源原理框图，开关电源包括：短路保护电路、PWM控制芯片、隔离驱动芯片和功率变换电路；短路保护电路包括：第一输入端口GATE、第二输入端口OUT、输出端口G、开关电路和复位电路；第一输入端口GATE连接开关电路，第二输入端口连接开关电路，输出端口G连接开关电路，复位电路连接开关电路；第一输入端口GATE连接PWM芯片的输出端口，第一输入端口OUT连接隔离驱动芯片的输出端口，输出端口G连接功率变换电路的输入端口。

本发明的发明构思为，在现有的开关电源的基础上增设上述短路保护电路，当PWM芯片输出为高电平时，短路保护电路不起作用，隔离驱动芯片经过正常的导通延时后输出高电平至原边MOS管，当PWM芯片输出由高电平翻转为低电平时，短路保护电路迅速拉低原边MOS管的栅极电压，关断原边MOS管。

为使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

如附图2所示，为包含本发明短路保护电路开关电源实施例一的电路图电路。

开关电路包括第一电容C1、第一二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一PNP三极管Q1，电容C1的一端与第二输入端口相连，电容C1的另一端与电阻R1相连后与PNP三极管Q1的发射极相连，电阻R1的另一端与输出端口相连，电阻R2的一端与第一输入端口相连，电阻R2的另一端与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与PNP三极管Q1的基极相连，PNP三极管Q1的集电极接地。

作为复位电路的一种具体的实施方式，包括：第二二极管D2，二极管D2 的阴极与PNP三极管Q1的发射极相连，二极管D2的阳极接地。

功率变换电路包括输入电压源VIN、第一绕组Np、第一N沟道MOS管TR1、第二N沟道MOS管TR2，MOS管TR1的漏极与输入电压源VIN相连，MOS管TR1 的栅极与隔离驱动芯片的隔离驱动端相连，MOS管TR1的源极与第一绕组Np一端相连，绕组Np的另一端与MOS管TR2的漏极相连，MOS管TR2的栅极与端口G相连，MOS管TR2的源极与地线端口GND相连。

术语解释：

隔离驱动芯片的隔离驱动端：实现对源极电压浮动的NMOS管进行隔离驱动的端口，如例如仙童公司的FAN7382的端口HO；

电路的工作原理如下：

开关电源启机后，PWM芯片、隔离驱动芯片开始工作，当端口GATE输出高电平后，端口OUT经过隔离驱动芯片导通延时后输出高电平，端口OUT通过电容C1、电阻R1对MOS管TR2的栅极充电，MOS管TR1导通，控制端口G变为高电平。

当端口GATE输出由高电平变为低电平时，由于此时电容C1与电阻R1的连接点为高电平，PNP三极管的发射极与基极间正向导通，二极管D1导通，导致 PNP三级管Q1饱和导通，迅速拉低控制端口G的电压，MOS管TR2关断，同时电容C1开始充电，端口OUT经过隔离驱动电路关断延时后输出由高电平变为低电平，二极管D2导通，电容C1通过隔离驱动芯片、二极管D2迅速放电。

第二实施例

附图3为包含本发明短路保护电路开关电源实施例二的电路图，其主要区别在于，其驱动下拉电路没有采用电阻R2、三极管Q1，而是采用二极管D1的阳极与二极管D2的阴极相连后与电容C1与电阻R1的连接点相连。其工作原理和实施例一基本一致，主要区别在于，在GATE驱动电平由高电平变为低电平时， PWM控制芯片输出GATE引脚通过二极管D1将MOS管TR2的栅极电压拉低，要求PWM控制芯片GATE脚具有较强的灌电流能力，其他所有工作过程和实施例一完全一样，在此不再赘述。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种短路保护电路，应用于开关电源，所述开关电源包括PWM芯片、隔离驱动芯片和功率变换电路，其特征在于：包括：第一输入端口、第二输入端口、输出端口、开关电路和复位电路；

所述的开关电路设有第一输入端口、第二输入端口和输出端口，复位电路连接开关电路；

第一输入端口输入的为PWM信号；

当第一输入端口输入的电平为高电平时，开关电路不工作，第二输入端口延时第一时间后输入第二高电平，开关电路接收第二高电平并输出第三高电平到输出端口，第二输入端口输入的为PWM信号经隔离驱动芯片输出的信号；

当第一输入端口输入的电平翻转为低电平时，开关电路工作，并拉低输出端口的电压，第二输入端口延时第二时间后输入第二低电平，开关电路停止工作，复位电路开始工作，并且在第一输入端口再次翻转为高电平前停止工作。

2.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：所述的开关电路包括：第一电容、第一二极管、第一电阻、第二电阻、第一PNP三极管，第一电容的一端与第二输入端口相连，第一电容的另一端与第一电阻的一端相连后与第一PNP三极管的发射极相连，第一电阻的另一端与输出端口相连，第二电阻的一端与第一输入端口相连，第二电阻的另一端与第一二极管的阴极相连，第一二极管的阳极与第一PNP三极管的基极相连，第一PNP三极管的集电极接地。

3.根据权利要求2所述的短路保护电路，其特征在于：所述的复位电路包括：第二二极管，第二二极管的阴极与第一PNP三极管的发射极相连，第二二极管的阳极接地。

4.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于：所述的开关电路包括第一电容、第一电阻和第一二极管，第一电容的一端与第二输入端口相连，第一电容的另一端与第一电阻的一端相连后与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极连接第一输入端口；第一电阻的另一端连接输出端口。

5.根据权利要求4所述的短路保护电路，其特征在于：所述的复位电路包括第二二极管，第二二极管的阴极连接第一二极管的阳极，第二二极管的阳极接地。

6.一种包含以上权利要求1至5中任一项短路保护电路的开关电源，其特征在于：还包括PWM芯片、隔离驱动芯片和功率变换电路，第一输入端口连接PWM芯片的输出端口，第二输入端口连接隔离驱动芯片的输出端口，输出端口连接功率变换电路中主功率开关管的驱动端。