CN112271701A - 一种用于开关电源芯片的过功率保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的用于开关电源芯片的过功率保护电路，包括整流模块、正激模块、反馈模块、采样模块和保护模块；其中，整流模块的输出端接至正激模块的电源端，采样模块的输出端连接至正激模块的控制输入端；正激模块的输出端接反馈模块，反馈模块的检测输出端接至保护模块的第一检测输入端；采样模块的检测输出端连接至保护模块的第二检测输入端，保护模块的输出端连接至采样模块的反馈输入端。该过功率保护电路避免开关电源***工作于低效率、低可靠性的过功率状态，给用户提供更可靠、更安全、更卓越的体验。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种用于开关电源芯片的过功率保护电路。
背景技术
一般而言,开关电源芯片需要限制开关电源***的最大输出功率。通常的做法是限定输出功率的最大值，同时配合短路保护功能降低短路功耗，这样当开关电源***达到最大输出功率时，输出电压会下降。但是如果没有达到短路保护门限，开关电源***仍然正常工作，而这时开关电源***效率变低，发热越来越严重，这就使得开关电源***继续以超负荷工作，严重影响开关电源***的安全性，大大缩短周边器件寿命，甚至会引发电路故障等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于开关电源芯片的过功率保护电路，避免开关电源***工作于低效率、低可靠性的过功率状态，给用户提供更可靠、更安全、更卓越的体验。
一种用于开关电源芯片的过功率保护电路，包括整流模块、正激模块、反馈模块、采样模块和保护模块；
其中，整流模块的输出端接至正激模块的电源端，采样模块的输出端连接至正激模块的控制输入端；
正激模块的输出端接反馈模块，反馈模块的检测输出端接至保护模块的第一检测输入端；
采样模块的检测输出端连接至保护模块的第二检测输入端，保护模块的输出端连接至采样模块的反馈输入端。
优选地，所述整流模块包括由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的桥式整流器，桥式整流器的输入端接市电，桥式整流器的输出端作为所述整流模块的输出端。
优选地，所述正激模块包括电容C1、电阻R1、二极管D11、变压器、二极管D21、二极管D22、电感L3和电容C3；其中变压器包括初级线圈L1和次级线圈L2，初级线圈L1和次级线圈L2的同名端位于同一侧；
初级线圈L1的同名端作为所述正激模块的电源端；初级线圈L1的同名端通过依次串联所述电阻R1、反接所述二极管D11连接至初级线圈L1的异名端，初级线圈L1的同名端通过电容C1连接至其异名端；初级线圈L1的异名端作为所述正激模块的控制输入端；
次级线圈L2的同名端通过依次正接所述二极管D21、串联所述电感L3输出所述正激模块的输出端，二极管D21和电感L3的中间节点通过反接所述二极管D22至次级线圈L2的异名端；次级线圈L2的异名端接地，正激模块的输出端通过串联所述电容C3接地。
优选地，所述采样模块包括功率管U0、电阻Rs11、电阻Rs1和电容C2；
其中功率管U0的漏极作为所述采样模块的输出端，功率管U0的栅极作为所述采样模块的反馈输入端；
功率管U0的源极通过串联所述电阻Rs1接地，功率管U0的源极还通过依次串联所述电阻Rs11和电容C2接地，电阻Rs11和电容C2的中间节点作为所述采样模块的检测输出端。
优选地，所述反馈模块包括电阻RZ1、电阻RD1、分压电阻RF1、分压电阻RF2，补偿电容C4，稳压源U6、光耦U5、滤波电容C5、负载电阻ROUT；
正激模块的输出端依次通过串联所述电阻RZ1和电阻RD1连接至稳压源U6的负极，稳压源U6的正极接地，稳压源U6的负极串联所述补偿电容C4连接至其参考极；其中，电阻RZ1和电阻RD1的中间节点连接至光耦U5中发光二极管的正极，电阻RD1和稳压源U6的负极的中间节点连接至光耦U5中发光二极管的负极；
正激模块的输出端还依次通过串联所述分压电阻RF1和分压电阻RF2接地，其中分压电阻RF1和分压电阻RF2的中间节点连接至稳压源U6的参考极；
所述滤波电容C5并联在光耦U5中光敏三级管的集电极和发射极之间，光耦U5中光敏三极管的集电极作为所述反馈模块的检测输出端，光耦U5中光敏三极管的发射极接地；
所述正激模块的输出端通过所述负载电阻ROUT接地。
优选地，所述保护模块用于根据采样模块的检测输出端和反馈模块的检测输出端输出的信号，输出脉冲信号给采样模块的反馈输入端，控制采样模块中的功率管U0的导通时间和截止时间。
优选地，所述保护模块具体用于当检测到所述采样模块的检测输出端输出的电压信号大于预设的最大电压信号Vref时，输出一低电平传送给采样模块的反馈输入端，关闭采样模块中的功率管U0。
优选地，所述保护模块包括环路控制模块、比较器U1、延时滤波模块U2、逻辑与模块U3和驱动模块U4，、分压电阻Rs2、分压电阻Rs21和分压电阻Rs22；
其中，比较器U1的一输入端作为所述保护模块的第二检测输入端，其另一输入端接所述最大电压信号Vref；环路控制模块的输入端通过串联所述分压电阻Rs2形成所述保护模块的第一检测输入端，环路控制模块的输入端通过分压电阻Rs22接电源，通过分压电阻Rs21接地；
比较器U1的输出端经过所述延时滤波模块U2接逻辑与模块U3的一输入端，环路控制模块的输出端接逻辑与模块U3的另一输入端，逻辑与模块U3输出端接驱动模块U4的输入端，驱动模块U4的输出端作为所述保护模块的输出端。
优选地，所述驱动模块U4为缓冲器；
所述延时滤波模块U2的复位端接收到复位信号时进行复位。
优选地，所述环路控制模块中设有逻辑电路；逻辑电路用于当检测到反馈模块的检测输出端输出的电流大于预设的最大值，或者是当检测到采样模块的检测输出端输出的电压超过所述最大电压信号Vref，输出低电平。
由上述技术方案可知，本发明提供的过功率保护电路当检测到输出功率达到设定的最大功率时，关闭开关电源***输出，避免开关电源***长时间工作于低效率的最大输出功率状态，提高开关电源***的可靠性，避免开关电源***工作于低效率、低可靠性的过功率状态，给用户提供更可靠、更安全、更卓越的体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例提供的过功率保护电路的模块框图。
图2为本发明实施例提供的过功率保护电路的一种电路图。
图3为本发明实施例提供的过功率保护电路的另一种电路图。
图4为本发明实施例提供的保护模块的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
实施例：
一种用于开关电源芯片的过功率保护电路，参见图1，包括整流模块、正激模块、反馈模块、采样模块和保护模块；
其中，整流模块的输出端接至正激模块的电源端，采样模块的输出端连接至正激模块的控制输入端；
正激模块的输出端接反馈模块，反馈模块的检测输出端接至保护模块的第一检测输入端；
采样模块的检测输出端连接至保护模块的第二检测输入端，保护模块的输出端连接至采样模块的反馈输入端。
具体地，整流模块的输入端连接市电，用于对市电进行整流后给其他模块供电。该过功率保护电路当检测到输出功率达到设定的最大功率时，关闭开关电源***输出，避免开关电源***长时间工作于低效率的最大输出功率状态，提高开关电源***的可靠性，避免开关电源***工作于低效率、低可靠性的过功率状态，给用户提供更可靠、更安全、更卓越的体验。
参见图2，所述整流模块包括由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的桥式整流器，桥式整流器的输入端接市电，桥式整流器的输出端作为所述整流模块的输出端。
具体地，桥式整流器将市电AC(一般是220V，50Hz)转换为半波信号，输出端的电压E1＝1.414×V(AC)。
优选地，所述正激模块包括电容C1、电阻R1、二极管D11、变压器、二极管D21、二极管D22、电感L3和电容C3；其中变压器包括初级线圈L1和次级线圈L2，初级线圈L1和次级线圈L2的同名端位于同一侧；
初级线圈L1的同名端作为所述正激模块的电源端；初级线圈L1的同名端通过依次串联所述电阻R1、反接所述二极管D11连接至初级线圈L1的异名端，初级线圈L1的同名端通过电容C1连接至其异名端；初级线圈L1的异名端作为所述正激模块的控制输入端；
次级线圈L2的同名端通过依次正接所述二极管D21、串联所述电感L3输出所述正激模块的输出端，二极管D21和电感L3的中间节点通过反接所述二极管D22至次级线圈L2的异名端；次级线圈L2的异名端接地，正激模块的输出端通过串联所述电容C3接地。
具体地，正激模块中其初级线圈L1与次级线圈L2的电压比N1/N2。
优选地，所述采样模块包括功率管U0、电阻Rs11、电阻Rs1和电容C2；
其中功率管U0的漏极作为所述采样模块的输出端，功率管U0的栅极作为所述采样模块的反馈输入端；
功率管U0的源极通过串联所述电阻Rs1接地，功率管U0的源极还通过依次串联所述电阻Rs11和电容C2接地，电阻Rs11和电容C2的中间节点作为所述采样模块的检测输出端。
具体地，电阻Rs1为采样电阻，电阻Rs11、电容C2为滤波电路，用于滤除高频杂波。功率管U0采用NMOS功率管，具有抗高压、抗大电流的作用。当电流Is流过电阻Rs1，再通过电阻Rs11和电容C2滤波后，得到检测电压S1(即采样模块的检测输出端输出的电压)，电流Is增大，检测电压S1也相应的增大(S1＝Is×Rs1)。
优选地，所述反馈模块包括电阻RZ1、电阻RD1、分压电阻RF1、分压电阻RF2，补偿电容C4，稳压源U6、光耦U5、滤波电容C5、负载电阻ROUT；
正激模块的输出端依次通过串联所述电阻RZ1和电阻RD1连接至稳压源U6的负极，稳压源U6的正极接地，稳压源U6的负极串联所述补偿电容C4连接至其参考极；其中，电阻RZ1和电阻RD1的中间节点连接至光耦U5中发光二极管的正极，电阻RD1和稳压源U6的负极的中间节点连接至光耦U5中发光二极管的负极；
正激模块的输出端还依次通过串联所述分压电阻RF1和分压电阻RF2接地，其中分压电阻RF1和分压电阻RF2的中间节点连接至稳压源U6的参考极；
所述滤波电容C5并联在光耦U5中光敏三级管的集电极和发射极之间，光耦U5中光敏三极管的集电极作为所述反馈模块的检测输出端，光耦U5中光敏三极管的发射极接地；
所述正激模块的输出端通过所述负载电阻ROUT接地。
具体地，输出负载增加(即输出电流Iout增加)时，将光耦U5的输出电流Is2(即反馈模块的检测输出端输出的电压)反馈给保护模块。光耦U5中发光二极管的电流ID＝IZ1-IRD1，和输出电压VOUT成正比(ID＝(VOUT-VU6-VD)/RZ1-VD/RD1，VD为发光二极管上的压降，可看作不变，VU6为稳压源上的压降，可看作不变，RD1也是常数)，光敏三极管的电流Is2与ID成正比，即得到Is2与VOUT成正比。负载电阻ROUT决定重载时的输出电流Iout。
除此以外，为了简化电路，降低成本，反馈模块也可以采用图3的电路，反馈模块包括电阻RZ1、稳压管Z1、光耦U5、负载电阻ROUT；其中电阻RZ1的一端连接至所述正激模块的输出端，电阻RZ1的另外一端连接光耦U5中发光二极管的正极，光耦U5中发光二极管的负极接稳压管Z1的负极，稳压管Z1的正极接地，光耦U5中光敏三极管的集电极作为所述反馈模块的检测输出端，光耦U5中光敏三极管的发射极接地。
所述正激模块的输出端通过所述负载电阻ROUT接地。
这样输出负载增加时，将光耦U5的输出电流Is2反馈给保护模块。光耦U5中发光二极管的电流ID等于稳压管Z1上的电流IZ1，和输出电压VOUT成正比(IZ1＝(VOUT-VZ1-VD)/RZ1，VD1为发光二极管上的压降，可看作不变，VZ1为稳压管上的压降，可看作不变)，光敏三极管的电流Is2与ID成正比，即得到Is2与VOUT成正比。负载电阻ROUT决定重载时的输出电流Iout。
优选地，所述保护模块用于根据采样模块的检测输出端和反馈模块的检测输出端输出的信号，输出脉冲信号给采样模块的反馈输入端，控制采样模块中的功率管U0的导通时间和截止时间。
所述保护模块具体用于当检测到所述采样模块的检测输出端输出的电压信号大于预设的最大电压信号Vref时，输出一低电平传送给采样模块的反馈输入端，关闭采样模块中的功率管U0。
具体地，保护电路根据采样模块的检测输出端的输出电压S1和反馈模块的检测输出端的输出电流Is2，输出脉冲信号，将该脉冲信号传输给采样模块，控制采样模块中的功率管U0的导通时间和截止时间，从而调整功率管U0输出的占空比，增大或减小电流Is，从而增大或减小输出电流Iout。
参见图4，所述保护模块包括环路控制模块、比较器U1、延时滤波模块U2、逻辑与模块U3和驱动模块U4，、分压电阻Rs2、分压电阻Rs21和分压电阻Rs22；
其中，比较器U1的一输入端作为所述保护模块的第二检测输入端，其另一输入端接所述最大电压信号Vref；环路控制模块的输入端通过串联所述分压电阻Rs2形成所述保护模块的第一检测输入端，环路控制模块的输入端通过分压电阻Rs22接电源，通过分压电阻Rs21接地；
比较器U1的输出端经过所述延时滤波模块U2接逻辑与模块U3的一输入端，环路控制模块的输出端接逻辑与模块U3的另一输入端，逻辑与模块U3输出端接驱动模块U4的输入端，驱动模块U4的输出端作为所述保护模块的输出端。
具体地，如果采样模块的检测输出端的输出电压S1增大到所述最大电压信号Vref时，说明开关电源***的输出功率达到了最大值。比较器U1输出脉冲信号给延时滤波模块U2，经过延时滤波模块U2的一个设定的T1时间延时后，如果开关电源***输出功率仍超过限定的最大功率，则延时滤波模块U2输出低电平，关闭功率管U0，保护模块进入最大功率锁定状态，关闭开关电源***。开关电源***关闭后保护模块会掉电，或者开关电源***断开电源后保护模块会掉电。
优选地，所述驱动模块U4为缓冲器；所述延时滤波模块U2的复位端接收到复位信号时进行复位。所述环路控制模块中设有逻辑电路；逻辑电路用于当检测到反馈模块的检测输出端输出的电流大于预设的最大值，或者是当检测到采样模块的检测输出端输出的电压超过所述最大电压信号Vref，输出低电平。
具体地，保护模块掉电后产生复位信号给延时滤波模块U2，从而复位最大功率锁定。
该过功率保护电路的工作原理为：电阻Rs1检测到功率管U0上的电流Is＝Iout×N2/N1，采样模块的检测输出端的输出电压S1＝Is×Rs1＝Iout×Rs1×N2/N1，当S1>Vref时，Pout＝Vout×Iout>Vout×(Vref/(Rs1×N2/N1))。其中VOUT为输出电压，Vout、Rs1、N2、N1、Vref都是设定的参数值。当输出功率达到设定的最大值且持续一设定时间T1后，输出关闭。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，包括整流模块、正激模块、反馈模块、采样模块和保护模块；
其中，整流模块的输出端接至正激模块的电源端，采样模块的输出端连接至正激模块的控制输入端；
正激模块的输出端接反馈模块，反馈模块的检测输出端接至保护模块的第一检测输入端；
采样模块的检测输出端连接至保护模块的第二检测输入端，保护模块的输出端连接至采样模块的反馈输入端。
2.根据权利要求1所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述整流模块包括由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的桥式整流器，桥式整流器的输入端接市电，桥式整流器的输出端作为所述整流模块的输出端。
3.根据权利要求1或2所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述正激模块包括电容C1、电阻R1、二极管D11、变压器、二极管D21、二极管D22、电感L3和电容C3；其中变压器包括初级线圈L1和次级线圈L2，初级线圈L1和次级线圈L2的同名端位于同一侧；
初级线圈L1的同名端作为所述正激模块的电源端；初级线圈L1的同名端通过依次串联所述电阻R1、反接所述二极管D11连接至初级线圈L1的异名端，初级线圈L1的同名端通过电容C1连接至其异名端；初级线圈L1的异名端作为所述正激模块的控制输入端；
次级线圈L2的同名端通过依次正接所述二极管D21、串联所述电感L3输出所述正激模块的输出端，二极管D21和电感L3的中间节点通过反接所述二极管D22至次级线圈L2的异名端；次级线圈L2的异名端接地，正激模块的输出端通过串联所述电容C3接地。
4.根据权利要求3所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述采样模块包括功率管U0、电阻Rs11、电阻Rs1和电容C2；
其中功率管U0的漏极作为所述采样模块的输出端，功率管U0的栅极作为所述采样模块的反馈输入端；
功率管U0的源极通过串联所述电阻Rs1接地，功率管U0的源极还通过依次串联所述电阻Rs11和电容C2接地，电阻Rs11和电容C2的中间节点作为所述采样模块的检测输出端。
5.根据权利要求4所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述反馈模块包括电阻RZ1、电阻RD1、分压电阻RF1、分压电阻RF2，补偿电容C4，稳压源U6、光耦U5、滤波电容C5、负载电阻ROUT；
正激模块的输出端依次通过串联所述电阻RZ1和电阻RD1连接至稳压源U6的负极，稳压源U6的正极接地，稳压源U6的负极串联所述补偿电容C4连接至其参考极；其中，电阻RZ1和电阻RD1的中间节点连接至光耦U5中发光二极管的正极，电阻RD1和稳压源U6的负极的中间节点连接至光耦U5中发光二极管的负极；
正激模块的输出端还依次通过串联所述分压电阻RF1和分压电阻RF2接地，其中分压电阻RF1和分压电阻RF2的中间节点连接至稳压源U6的参考极；
所述滤波电容C5并联在光耦U5中光敏三级管的集电极和发射极之间，光耦U5中光敏三极管的集电极作为所述反馈模块的检测输出端，光耦U5中光敏三极管的发射极接地；
所述正激模块的输出端通过所述负载电阻ROUT接地。
6.根据权利要求5所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述保护模块用于根据采样模块的检测输出端和反馈模块的检测输出端输出的信号，输出脉冲信号给采样模块的反馈输入端，控制采样模块中的功率管U0的导通时间和截止时间。
7.根据权利要求6所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述保护模块具体用于当检测到所述采样模块的检测输出端输出的电压信号大于预设的最大电压信号Vref时，输出一低电平传送给采样模块的反馈输入端，关闭采样模块中的功率管U0。
8.根据权利要求7所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述保护模块包括环路控制模块、比较器U1、延时滤波模块U2、逻辑与模块U3和驱动模块U4，、分压电阻Rs2、分压电阻Rs21和分压电阻Rs22；
其中，比较器U1的一输入端作为所述保护模块的第二检测输入端，其另一输入端接所述最大电压信号Vref；环路控制模块的输入端通过串联所述分压电阻Rs2形成所述保护模块的第一检测输入端，环路控制模块的输入端通过分压电阻Rs22接电源，通过分压电阻Rs21接地；
比较器U1的输出端经过所述延时滤波模块U2接逻辑与模块U3的一输入端，环路控制模块的输出端接逻辑与模块U3的另一输入端，逻辑与模块U3输出端接驱动模块U4的输入端，驱动模块U4的输出端作为所述保护模块的输出端。
9.根据权利要求8所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述驱动模块U4为缓冲器；
所述延时滤波模块U2的复位端接收到复位信号时进行复位。
10.根据权利要求8所述用于开关电源芯片的过功率保护电路，其特征在于，
所述环路控制模块中设有逻辑电路；逻辑电路用于当检测到反馈模块的检测输出端输出的电流大于预设的最大值，或者是当检测到采样模块的检测输出端输出的电压超过所述最大电压信号Vref，输出低电平。
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