CN110943429B - 欠压保护电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种欠压保护电路，包括采样电路100、控制电路200、开关电路300、滞回电路400；与现有技术相比，采用电阻R4两端电压作为开关电路输入，并在开关电路输入回路串联稳压二极管D1，减少欠压保护电路损耗；PNP三极管集电极串接二极管D2、电阻R6形成稳定、精准、易调节的滞回电压。采用本发明具有欠压保护电路开通关断控制精确、损耗降低、滞回电压精确易调节等优点，从而提升所应用电路整体的可靠性。

Description

欠压保护电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源，特别是涉及开关电源的欠压保护电路及其控制方法。

背景技术

现有的多数电子产品，如：DC/DC变换器等，都需要欠压保护电路，以避免输入电压过低时，进入异常工作状态，导致电子产品损坏等问题。

图1为现有欠压保护电路图，图1所述欠压保护电路采样电路100采样输入电压Vin后输出采样信号，然后将采样信号输入到控制电路200的TL431的基准脚，TL431根据采样信号输出控制信号经稳压二极管Z1后到滞回电路300的开关管Q2和开关电路的开关管Q1；滞回电路300的晶体管Q2通过导通拉低TL431的基准脚电压来提供欠压保护时的滞回电压；开关电路400的晶体管Q1通过导通拉低开关电源控制IC的COMP引脚电平，达到关闭开关电源的目的。

所述的滞回电压是：输入电压的欠压保护点和输入电压欠压保护后又重新恢复的输入电压点的电压差值。

所述IC的COMP引脚是：开关电源控制IC的电压误差放大器输出，当COMP引脚被拉低时，开关电源控制IC无输出。

采用该电路实现输入欠压保护主要存在以下缺点：

1.所述电路的滞回电路的晶体管Q2和开关电路的晶体管Q1并联，由于批次性差异两个晶体管的基极导通压降不可能完全一致，这就会导致两个管子导通时间不一致甚至只有单个晶体管导通的情况，使得产品输出不稳。

2.因稳压二极管本身存在一定漏电流，且误差放大器TL431在临界值附近存在模糊区，会导致所述欠压电路不能彻底释放电源控制端电平，表现为产品会存在重启或输出不稳。

中国专利申请号为201610101819.6提供一种输入欠压保护电路及方法，解决现有输入欠压技术使得产品存在输出不稳或出现重启的问题。如图2为此欠压保护电路，其采样电路采样输入电压并输出采样信号，控制电路接收采样信号并输出控制信号给开关电路和滞回电路，开关电路在欠压发生时拉低开关电源控制IC的Vcc引脚电平，反馈电路检测Vcc引脚电平并向控制电路提供反馈信号，使Vcc引脚电平迅速被拉低，产品进入欠压保护，同时滞回电路拉低采样信号产生欠压保护的滞回电压，使产品的欠压保护更可靠。在欠压恢复时开关电路停止拉低Vcc引脚电平，反馈电路检测Vcc引脚电平并向控制电路提供反馈信号，使开关电路迅速释放Vcc引脚电平，Vcc引脚电平由外部启动电路充电至控制IC工作电压范围，产品顺利恢复工作，消除了产品在恢复过程中的打嗝现象。

需要满足欠压保护状态A点电压需同时满足以下条件：A点电压须大于TR1导通阈值电压，A点电压大于D4稳压管电压，A点电压大于431工作电压，A点电压小于VCC电压，A点小于IC开启电压。且VCC电压被拉低后的电压难以确定。

虽然发明201610101819.6对上述公知技术所存在问题进行改善，但因上述工作条件限制，采用该电路实现输入欠压保护主要存在以下缺点：

1.因VCC电压被拉低后的电压无法确定，且开启电压受VCC电压影响，导致其开启及关断电压控制不精确；

2.Vcc电压被拉低后易出现比较器工作异常现象；

3.为满足上述A点工作电压范围需R5取值小，欠压保护电路处于欠压恢复状态后流过R5电流较大，对应欠压保护电路损耗大。

发明内容

有鉴如此，本发明要解决上述的欠压保护电路损耗大、控制电压不精确、产品重启、比较器工作异常等的问题。提供一种高精度、低损耗、高可靠性的欠压保护电路。

本申请的发明构思为：采样电路100采样输入电压并输出采样信号，控制电路200接收采样信号并与参考信号进行比较后输出控制信号，控制信号触发开关电路300，开关电路导通为芯片使能EN及滞回电路动作，滞回电路400在欠压撤销过程中对采样电路进行补偿，降低欠压关断值。开关电路采用三极管与稳压管共同及限流电阻共同组成，可以使控制端差分输入电阻组成选取较大，欠压保护电路所需电流减小。滞回电路在欠压恢复时动作，提供补偿电流，达到相同值相对开启电压有所降低，形成滞回效果，以降低关断电压值，产生欠压保护的滞回电压，使产品的欠压保护更可靠。从而使得应用此发明的欠压保护电路损耗较低，开启电压精度高，滞回电压易调节，欠压可靠性高。

基于这样的发明构思，本发明提供如下具体方案：

一种欠压保护电路，包含：采样电路、控制电路、开关电路和滞回电路，采样电路，用于采样输入电压并输出采样信号，采样电路的输入端连接输入电压Vin，采样电路输出端连接控制电路输入端和滞回电路输出端；控制电路，用于接收采样信号并与参考信号进行比较后输出控制信号以触发开关电路，包括比较器U1、电阻R3和电阻R4，比较器U1参考端作为控制电路输入端连接采样电路输出端、滞回电路输出端，比较器U1阳极作为控制电路接地端连接地，比较器U1阴极连接电阻R3，电阻R3的另一端作为控制电路输出端连接开关电路控制端、电阻R4，电阻R4另一端作为控制供电端连接外部供电Vcc；开关电路，用于接收控制电路的控制信号并输出，开关电路的输入端连接控制电路输出端，包括电阻R5、电阻R7、稳压二极管D1和开关管Q1，稳压二极管D1阴极连接外部供电Vcc，稳压二极管D1阳极连接PNP三极管Q1发射极，PNP三极管Q1集电极作为开关电路反馈端连接滞回电路输入端以及电阻R7，电阻R7另一端作为开关电路输出端，用于连接芯片使能端EN，PNP三极管Q1基极连接电阻R5，电阻R5另一端作为开关电路控制端连接控制电路输出端；滞回电路，用于在欠压撤销过程中对采样电路进行补偿，包括二极管D2和电阻R6，二极管D2阳极作为滞回电路输入端连接开关电路反馈端，二极管D2阴极连接电阻R6，电阻R6另一端作为滞回电路输出端连接采样电路输出端、控制电路控制输入端。

优选的，所述采样电路，包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端为采样电路输入端连接输入电压Vin，另一端连接电阻R2、控制电路控制输入端、滞回电路输出端，电阻R2其一端连接电阻R1、控制电路输入端、滞回电路输出端另一端连接地。

优选的，所述开关电路，还包括电阻R8，电阻R8一端与电阻R7相连接，另一端接地端GND。

本发明还提供一种欠压保护控制方法，包括如下步骤，开启过程中控制信号产生及传输步骤：当采样信号大于比较器U1内置基准Vref时，比较器U1阴极电流迅速增大，阴极电压降低，控制电路的电阻R3与电阻R4连接点电压跟随比较器U1阴极电压降低，电阻R3与R4连接点处电压与外部供电电压Vcc之间压差作为控制电路输出信号，触发开关电路开通；开启过程中开关信号产生及滞回信号建立步骤：当开关电路输入信号增大，引起稳压二极管D1经过PNP三极管Q1发射极、基极，电阻R5所组成回路电流增加，PNP三极管Q1基极电流增加，引起集电极电流增加，集电极经过电阻R7输出至芯片使能端EN，用以控制芯片正常启动工作；同时，PNP三极管Q1集电极电压升高，滞回电路输入端与输出端电压增加，二极管D2导通，经过电阻R6对电阻R2提供一定电流，形成滞回信号；关断过程中控制信号产生及传输步骤：当采样信号叠加滞回信号仍小于比较器U1内置基准Vref时，比较器U1阴极电流迅速减小，阴极电压上升，电阻R3与电阻R4连接点处电压跟随比较器U1阴极电压升高，电阻R3与R4连接点处电压与外部供电电压Vcc之间压差作为控制电路输出信号连接开关电路输入信号关断；关断过程中开关信号产生及滞回信号关断步骤：当开关电路输入信号减小，引起稳压二极管D1截止，PNP三极管Q1处于截止区，集电极经过电阻R7输出至芯片使能端EN，用以控制芯片关闭工作；同时，PNP三极管Q1集电极电压降低，滞回电路输入端与输出端电压减小，二极管D2反向截止，经过电阻R6对电阻R2所形成的滞回信号撤销。

优选的，所述开启过程的开启电压Vin(on)为：

其中，Vref为比较器U1内置基准电压，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值。

优选的，所述关断过程的关断电压Vin(off)为：

其中，Vref为比较器U1内置基准电压，Vcc为供电端电压，Vc为滞回电路输入端电压，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，R6为电阻R6的阻值。

优选的，滞回电压Vin(on)-Vin(off)为：

其中，Vref为比较器U1内置基准电压，Vcc为供电端电压，Vc为滞回电路输入端电压，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，R6为电阻R6的阻值。

本发明再提供一种欠压保护电路，包括采样电路、控制电路、开关电路和滞回电路，采样电路，包括依次串联在输入电压端Vin与地端GND之间的电阻R1和电阻R2，电阻R1与电阻R2的连接点作为采样电路输出端；控制电路，包括比较器U1、电阻R3和电阻R4，电阻R4与电阻R3串联在供电端Vcc与比较器U1的阴极之间，其串联连接点作为控制电路输出端，比较器U1的参考端作为控制电路输入端与采样电路输出端连接，比较器U1的阳极连接地端GND；开关电路，包括开关管Q1、稳压二极管D1、电阻R5和电阻R7，开关管Q1的基极通过电阻R5连接控制电路输出端，开关管Q1的发射极连接稳压二极管D1的阳极，稳压二极管D1的阴极连接供电端Vcc，开关管Q1的集电极作为开关电路反馈端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端作为开关电路输出端，用于输出欠压控制信号；滞回电路，包括二极管D2和电阻R6，二极管D2的阳极连接开关电路反馈端，二极管D2阴极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接控制电路输入端及采样电路输出端。

优选的，所述开关电路，还包括电阻R8，电阻R8一端与电阻R7的另一端相连接，电阻R8的另一端接地端GND。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

1.开启直接利用电阻R1、R2分压与控制比较器U1内置基准Vref进行比较可以得到开启电压精确的优点；

2.采用控制电路电阻R4两端电压作为开关电路输入信号，并在开关电路输入回路串联稳压二极管D1，不会因现有电路中控制比较器U1本身工作电流，在R4电阻取值较大时误触发开关电路，而可以使得电阻R4取值较大仍减少欠压撤销状态欠压保护电路输入电流(欠压撤销后欠压保护控制电路部分所需电流值约为(Vcc-Vref)/R4，欠压保护部分功率约为Vcc*(Vcc-Vref)/R4)，从而降低欠压保护电路损耗，实现欠压保护总电流小于2mA；

3.Vcc端供电利用较稳定电压，三极管Q1集电极、电阻R7、滞回电路输入端电压与Vref电压压差不易受干扰，滞回电压精确，且其补偿电流与电阻R6成正比，可以实现计算调整后精确调节。

附图说明

图1为现有欠压保护电路图；

图2为现有专利201610101819.6欠压保护电路图；

图3为本发明第一实例欠压保护电路的电路原理图；

图4为本发明第一实例欠压保护电路的欠压撤销过程的波形图；

图5为本发明第一实例欠压保护电路的关断过程的波形图；

图6为本发明第二实例欠压保护电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，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

图3为本发明第一实施例欠压保护电路的电路原理图，图3所示本发明方案与图1现有欠压保护电路图、图2现有专利201610101819.6欠压保护电路图所示电路方案的不同之处在于：采取电阻R4两端电压作为开关电路输入、稳压二极管D1阴极连接Vcc、稳压二极管D1阳极连接PNP三极管Q1发射极、输出控制为芯片使能EN引脚、增加二极管D2、电阻R6。

以下结合附图对发明的实施方式进行详细说明。

一种欠压保护电路，包含：采样电路、控制电路、开关电路和滞回电路。

采样电路，用于采样输入电压并输出采样信号，采样电路的输入端连接输入电压Vin，采样电路输出端连接控制电路输入端和滞回电路输出端。

控制电路，用于接收采样信号并与参考信号进行比较后输出控制信号以触发开关电路，包括比较器U1、电阻R3和电阻R4，比较器U1参考端作为控制电路输入端连接采样电路输出端、滞回电路输出端，比较器U1阳极作为控制电路接地端连接地，比较器U1阴极连接电阻R3，电阻R3的另一端作为控制电路输出端连接开关电路控制端、电阻R4，电阻R4另一端作为控制供电端连接外部供电Vcc。

开关电路，用于接收控制电路的控制信号并输出，开关电路的输入端连接控制电路输出端，包括电阻R5、电阻R7、稳压二极管D1和开关管Q1，稳压二极管D1阴极连接外部供电Vcc，稳压二极管D1阳极连接PNP三极管Q1发射极，PNP三极管Q1集电极作为开关电路反馈端连接滞回电路输入端以及电阻R7，电阻R7另一端作为开关电路输出端，用于连接芯片使能端EN，PNP三极管Q1基极连接电阻R5，电阻R5另一端作为开关电路控制端连接控制电路输出端。

滞回电路，用于在欠压撤销过程中对采样电路进行补偿，包括二极管D2和电阻R6，二极管D2阳极作为滞回电路输入端连接开关电路反馈端，二极管D2阴极连接电阻R6，电阻R6另一端作为滞回电路输出端连接采样电路输出端、控制电路控制输入端。

该发明电路的欠压保护控制原理如下，

采样信号产生及传输步骤：开启过程中采样电路输入端连接Vin，电流流过电阻R1，电阻R2，电阻R1与电阻R2连接处输出采样信号到控制电路。

开启过程中控制信号产生及传输步骤：所述的控制电路接收所述的采样信号，当采样信号大于比较器U1内置基准Vref时，比较器U1阴极电流迅速增大，阴极电压降低。电阻R3与电阻R4连接点电压跟随比较器U1阴极电压降低，R3与R4连接点处电压与外部供电电压Vcc之间压差作为控制电路输出信号连接开关电路输入信号开通。

开启过程中开关信号产生及滞回信号建立步骤：开关电路输入高压端(输入Vin端)连接稳压二极管D1，低压端(输入GND端)连接电阻R5，开启过程中控制电路输出信号即开关电路输入信号增大，引起稳压二极管D1经过PNP三极管Q1发射极、基极，电阻R5所组成回路电流增加。PNP三极管Q1基极电流增加，引起集电极电流增加，集电极经过电阻R7输出至电流控制型使能EN输入，芯片正常启动工作。PNP三极管Q1集电极电压升高，滞回电路输入端与输出端电压增加，二极管D2导通，经过电阻R6对电阻R2提供一定电流，根据电路叠加定理，达到相同Verf所需Vin端对应电压降低，形成滞回信号。

关断过程中控制信号产生及传输步骤：所述的控制电路接收所述的采样信号，当Vin端采样信号叠加滞回信号仍小于比较器U1内置基准Vref时，比较器U1阴极电流迅速减小，阴极电压上升。电阻R3与电阻R4连接点处电压跟随比较器U1阴极电压升高，R3与R4连接点处电压与外部供电电压Vcc之间压差减小，开关电路输入关断信号，开关电路关断。

关断过程中开关信号产生及滞回信号关断步骤：开关电路输入高压端连接稳压二极管D1，低压端连接电阻R5，关断过程中控制电路输出信号即开关电路输入信号减小，引起稳压二极管D1截止。PNP三极管Q1处于截止区，集电极经过电阻R7输出至电流控制型使能EN输入，芯片关闭工作。PNP三极管Q1集电极电压降低，滞回电路输入端与输出端电压减小，二极管D2反向截止，经过电阻R6对电阻R2所形成的滞回信号撤销。

图4为本发明第一实施例欠压保护电路的开启过程中电压波形图，由上述原理易知开启电压Vin(on)设定值为：

其中，Vref为比较器U1内置基准电压，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值。

将三极管Q1集电极、电阻R6、滞回电路输入端记录为Vc，图5为本发明第一实施例欠压保护电路的关断过程中电压波形图，关断电压Vin(off)设定值为：

将三极管Q1集电极、电阻R6、滞回电路输入端记录为Vc，滞回压差值为：

表1为本发明第一实施例欠压保护电路，按所选Vref为2.5V时用R1、R2、R6组成电路时测试开启及关断的实验结果，根据实验结果也可得出，本发明方案的开启及关断电压误差小于0.1V，欠压保护电流输入电流小于2mA。

表1为开启及关断实验结果

R1

R2

R6

开启电压

关断电压

滞回压差

输入电流

51K

3.9K

200K

35.2V

34.0V

1.2V

1.5mA

51K

3.9K

100K

35.2V

32.8V

2.4V

1.5mA

第二实施例

如图6所示，本发明第二实施在第一实施例基础上，在开关电路增加电阻R8，电阻R8一端与电阻R7相连接，另一端接地端GND。电阻R7与电阻R8分压将R7与R8连接点处作为电压型控制芯片输入，通过设置电阻R7、R8分压比例实现电压控制型使能EN。

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，本发明中具体实施电路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。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种欠压保护电路，其特征在于，包括：采样电路、控制电路、开关电路和滞回电路，

采样电路，用于采样输入电压并输出采样信号，采样电路的输入端连接输入电压Vin，采样电路输出端连接控制电路输入端和滞回电路输出端；

控制电路，用于接收采样信号并与参考信号进行比较后输出控制信号以触发开关电路，包括比较器U1、电阻R3和电阻R4，比较器U1参考端作为控制电路输入端连接采样电路输出端、滞回电路输出端，比较器U1阳极作为控制电路接地端连接地，比较器U1阴极连接电阻R3，电阻R3的另一端作为控制电路输出端连接开关电路控制端、电阻R4，电阻R4另一端作为控制供电端连接外部供电Vcc；

开关电路，用于接收控制电路的控制信号并输出，开关电路的输入端连接控制电路输出端，包括电阻R5、电阻R7、稳压二极管D1和开关管Q1，稳压二极管D1阴极连接外部供电Vcc，稳压二极管D1阳极连接PNP三极管Q1发射极，PNP三极管Q1集电极作为开关电路反馈端连接滞回电路输入端以及电阻R7，电阻R7另一端作为开关电路输出端，用于连接芯片使能端EN，PNP三极管Q1基极连接电阻R5，电阻R5另一端作为开关电路控制端连接控制电路输出端；

滞回电路，用于在欠压撤销过程中对采样电路进行补偿，包括二极管D2和电阻R6，二极管D2阳极作为滞回电路输入端连接开关电路反馈端，二极管D2阴极连接电阻R6，电阻R6另一端作为滞回电路输出端连接采样电路输出端、控制电路控制输入端。

2.根据权利要求1所述的欠压保护电路，其特征在于：所述采样电路，包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端为采样电路输入端连接输入电压Vin，另一端连接电阻R2、控制电路控制输入端、滞回电路输出端，电阻R2其一端连接电阻R1、控制电路输入端、滞回电路输出端另一端连接地。

3.根据权利要求1或2所述的欠压保护电路，其特征在于：所述开关电路，还包括电阻R8，电阻R8一端与电阻R7相连接，另一端接地端GND。

4.根据权利要求2或3所述的一种欠压保护电路的欠压保护控制方法，包括如下步骤：

开启过程中控制信号产生及传输步骤：当采样信号大于比较器U1内置基准Vref时，比较器U1阴极电流迅速增大，阴极电压降低，控制电路的电阻R3与电阻R4连接点电压跟随比较器U1阴极电压降低，电阻R3与R4连接点处电压与外部供电电压Vcc之间压差作为控制电路输出信号，触发开关电路开通；

开启过程中开关信号产生及滞回信号建立步骤：当开关电路输入信号增大，引起稳压二极管D1经过PNP三极管Q1发射极、基极，电阻R5所组成回路电流增加，PNP三极管Q1基极电流增加，引起集电极电流增加，集电极经过电阻R7输出至芯片使能端EN，用以控制芯片正常启动工作；同时，PNP三极管Q1集电极电压升高，滞回电路输入端与输出端电压增加，二极管D2导通，经过电阻R6对电阻R2提供一定电流，形成滞回信号；

关断过程中控制信号产生及传输步骤：当采样信号叠加滞回信号仍小于比较器U1内置基准Vref时，比较器U1阴极电流迅速减小，阴极电压上升，电阻R3与电阻R4连接点处电压跟随比较器U1阴极电压升高，电阻R3与R4连接点处电压与外部供电电压Vcc之间压差作为控制电路输出信号连接开关电路输入信号关断；

关断过程中开关信号产生及滞回信号关断步骤：当开关电路输入信号减小，引起稳压二极管D1截止，PNP三极管Q1处于截止区，集电极经过电阻R7输出至芯片使能端EN，用以控制芯片关闭工作；同时，PNP三极管Q1集电极电压降低，滞回电路输入端与输出端电压减小，二极管D2反向截止，经过电阻R6对电阻R2所形成的滞回信号撤销。

5.根据权利要求4所述的欠压保护控制方法，其特征在于：所述开启过程的开启电压Vin(on)为：

其中，Vref为比较器U1内置基准电压，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值。

6.根据权利要求4所述的欠压保护控制方法，其特征在于：所述关断过程的关断电压Vin(off)为：

其中，Vref为比较器U1内置基准电压，Vcc为供电端电压，Vc为滞回电路输入端电压，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，R6为电阻R6的阻值。

7.根据权利要求4所述的欠压保护控制方法，其特征在于：滞回电压Vin(on)-Vin(off)为：

其中，Vref为比较器U1内置基准电压，Vcc为供电端电压，Vc为滞回电路输入端电压，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，R6为电阻R6的阻值。

8.一种欠压保护电路，其特征在于，包括采样电路、控制电路、开关电路和滞回电路；

采样电路，包括依次串联在输入电压端Vin与地端GND之间的电阻R1和电阻R2，电阻R1与电阻R2的连接点作为采样电路输出端；

控制电路，包括比较器U1、电阻R3和电阻R4，电阻R4与电阻R3串联在供电端Vcc与比较器U1的阴极之间，其串联连接点作为控制电路输出端，比较器U1的参考端作为控制电路输入端与采样电路输出端连接，比较器U1的阳极连接地端GND；

开关电路，包括开关管Q1、稳压二极管D1、电阻R5和电阻R7，开关管Q1的基极通过电阻R5连接控制电路输出端，开关管Q1的发射极连接稳压二极管D1的阳极，稳压二极管D1的阴极连接供电端Vcc，开关管Q1的集电极作为开关电路反馈端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端作为开关电路输出端，用于输出欠压控制信号；

滞回电路，包括二极管D2和电阻R6，二极管D2的阳极连接开关电路反馈端，二极管D2阴极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接控制电路输入端及采样电路输出端。

9.根据权利要求8所述的欠压保护电路，其特征在于：所述开关电路，还包括电阻R8，电阻R8一端与电阻R7的另一端相连接，电阻R8的另一端接地端GND。

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