专利名称：用于电力系统的过电压保护装置,构成该电力系统的ac/dc转换器和dc/dc转换器的制作方法
发明的背景1.发明的领域本发明涉及使用DC/DC转换器的用于电力系统的过电压保护装置。更确切地说，本发明涉及从交流(AC)电源转换而来的直流(DC)电源用作DC/DC转换器的输入电源的电力系统用的过电压保护装置。
2.相关技术的描述对于近年的诸如台式个人计算机、计算机游戏机之类的各种家用电器所用的电力系统，已经提出一种过电压保护装置，该装置设定DC/DC转换器过载状态的输入电源并用热来熔化被设置在输入电源的电流路径上的熔断器，以便当直流(DC)电源处于过电压状态时停止供给输入电源。这旨在保证家用电器的安全性。
图5示出了针对现有技术的用于电力系统100的过电压保护装置的电路图。对于近年的诸如台式个人计算机、计算机游戏机之类的各种家用电器，例如，商用交流(AC)电源(例如100V，未画出)作为输入电源输入到AC/DC转换器110，转换成直流(DC)电源VIN，作为输出电源从那里输出，最终作为输出电源经由熔断器130输入到DC/DC转换器120。
DC/DC转换器120是由同步整流电路系统的电路构成的降压式转换器。也就是说，一个作为主侧开关元件的MOS晶体管Tr1和一个作为同步侧开关元件的MOS晶体管Tr2被轮流切换，由此把输出电源VO控制成预定的电压VO。
MOS晶体管Tr1的漏极端子和源极端子被分别连接到AC/DC转换器110的输出电源VIN和MOS晶体管Tr2的漏极端子，由此构成一个节点VS。此外，MOS晶体管Tr2的源极端子被连接到地电位。节点VS经由线圈L1被连接到输出电源VO并且连接到二极管D1的阴极端子，该二极管的阳极端子被连接到地电位，以便从地电位供给由线圈L1的反电动势产生的输出电源VO回扫电流。一个用于电压平滑的电容器C1被连接到输出电源VO。
输出信号OUT1和OUT2从控制电路31分别输出到MOS晶体管Tr1和Tr2的栅极端子。在正常使用时，基于由控制电路31所检测的输出电源VO的端电压交替进行输出信号OUT1和OUT2的切换，由此把输出电压控制成预定的电压值。此外，输出电压VO被过电压检测电路132检测。当检测到输出电压VO超过预定的电压值的过电压状态时，过电压检测电路132就向控制电路31输出一个过电压检测信号。在收到过电压检测信号时，为了降低输出电源VO的电压值，控制电路31使控制信号OUT1变为低电平，以便把MOS晶体管Tr1设置为截止状态，同时使控制信号OUT2变为高电平，以便把MOS晶体管Tr2设置为导通状态。由此，来自输入电源VIN的用于输出电源VO的电流路径被切断，与此同时，经由线圈L1把输出电源VO连接到地电位，从而使输出电压VO降低。于是构成一个过电压保护装置，也就是避免把过电压施加于CPU之类的电气器件。
让我们假定一种情况，即MOS晶体管Tr1的漏极端子与源极端子之间的线路因为MOS晶体管Tr1失效之类而短路，这导致输出电源VO进入过电压状态。在这种情况下，控制信号OUT1不能控制MOS晶体管Tr1。结果，输入电源VIN和输出电源VO经由线圈L1直接连接，由此过电压检测电路132在控制电路31处检测到过电压状态。这时，处于高电平的控制信号OUT2被输出，以便把MOS晶体管Tr2保持于导通状态。也就是说，从输入电源VIN经由被短路所毁坏的MOS晶体管Tr1到导通的MOS晶体管Tr2形成一个通过地电位连接的低电阻电流路径，而大量的电流在该电流路径中流动。该大量电流用热来熔化被设置在该电流路径上的熔断器130，由此该电流路径被切断，而DC/DC转换器跟输出电源VIN分离，以便AC/DC转换器停止从那里供给输入电源VIN。以上的系统防止CPU之类的电气器件被毁坏。
此外，低电压保持电路33检测DC/DC转换器的输入电源VIN。在输入电源VIN的电压低于预定的电压值的场合，低电压保持电路33把输出信号OUT1和OUT2设置为低电平，以便使MOS晶体管Tr1和Tr2进入截止状态，由此防止DC/DC转换器在低输入电压期间错误地工作。在熔断器130被热量熔化的场合，停止向DC/DC转换器提供输入电源VIN。因此，低电压保持电路33把MOS晶体管Tr1和Tr2设置为截止状态，以便让DC/DC转换器停止工作。
然而，在针对图5的用于电力系统100的过电压保护装置中，熔断器130必须作为过电压保护装置而插入在AC/DC转换器110与DC/DC转换器120之间的电流路径上，以便保护输出电源VO免遭因MOS晶体管Tr1的漏极端子和源极端子的短路而导致的毁坏。结果，元件数目增加而且元件的成本也增加，因而无法实现电源系统的价格降低。此外，必须留出熔断器130的安装区域，而且必须接受在熔断器130因过电压保护操作而被毁坏的场合用一个新的来更换熔断器130的必要性。于是，安装条件明显地受到限制。另外，防止过电压的保护操作伴随着产生热量以便熔化熔断器130，而该热量对安装基板是有害的。
为了实现以上目的，基于本发明的一个方面的用于电力系统的过电压保护装置包括一个AC/DC转换器和一个DC/DC转换器，AC/DC转换器的输出电源作为其输入电源被输入到该DC/DC转换器，该过电压保护装置包括一个过电压检测电路，用以检测该DC/DC转换器的输出电源的过电压状态；一个报警电路，用以输出一个报警信号，作为由该过电压检测电路所得到的检测结果；以及一个改变电路，用以基于报警信号来改变该AC/DC转换器的输出电源特性。
在本发明的用于电源系统的过电压保护装置中，当过电压检测电路检测到DC/DC转换器的输出电源变为过电压状态时，报警电路就输出报警信号。然后，改变电路基于该报警信号来改变AC/DC转换器的输出电源特性。
通过基于指明过电压检测电路已经检测到过电压状态的报警信号来改变AC/DC转换器的输出电源特性，可以把AC/DC转换器的输出电源供应能力限制到DC/DC转换器的输出电源无法保持过电压状态的程度。结果，可以在DC/DC转换器的输出电源处避免过电压状态。因此，不需要在连接AC/DC转换器的输出端与DC/DC转换器的输入端的电流路径上插入熔断器。由此，可以得到以下好处(1)元件的成本降低；(2)不需要熔断器之类的安装区域；以及(3)消除了安装限制(更换熔断器，熔断器熔化时产生的热量引起的对元件的损坏之类)。也就是说，可以用低成本和简单结构来确实地实现用于电源系统的过电压保护装置。
当结合诸附图阅读时，本发明的以上和其他目的和新的特征将从以下的详细描述中更加充分地显露出来。然而应该明确指出，诸附图仅用于说明的目的而无意以此来界定本发明的范围。
诸附图的简要说明包括于并构成本说明书的一部分的诸附示本发明的实施例，并且连同文字描述一起，用来说明本发明的目的、优点和原理。在诸附图中，
图1是针对本发明的用于电力系统的过电压保护装置的原理图；图2是针对第1实施例中的第1例的用于电力系统的过电压保护装置的电路方块图；图3是表示针对第1和第2例的AC/DC转换器的输出特性的图；图4是针对第1实施例中的第2例的用于电力系统的过电压保护装置的电路图；以及图5是针对现有技术的用于电力系统的过电压保护装置的电路图。
图1是针对本发明的用于电力系统1的过电压保护装置的原理图。与针对图5的现有技术的用于电力系统100的过电压保护装置类似，在电力系统1中，商用交流(AC)电源(例如100V，未画出)输入到AC/DC转换器10，然后转换成直流(DC)电源VIN，最终输入到DC/DC转换器20，以便得到输出电源VO。在针对图1的电力系统1的构成元件当中，带有与电力供给系统100中相同的数字或标号的元件在结构、工作机理和效果方面与电力供给系统100中的那些元件相同。更具体地说，在DC/DC转换器20中，控制电路31、低电压保持电路33、作为主侧开关元件的MOS晶体管Tr1和作为其中采用同步整流系统的同步侧开关元件的MOS晶体管Tr2，线圈L1，二极管D1以及用于电压平滑的电容器C1是与针对现有技术的电力系统100中的那些相同的。
与现有技术中的那些不同的构成元件是AC/DC转换器10和在DC/DC转换器20中的过电压检测电路32。也就是说，当用来检测DC/DC转换器20的输出电源VO的过电压检测电路32检测到由在MOS晶体管Tr1中的短路之类引起的过电压状态时，过电压检测电路32就向控制电路31输出一个过电压检测信号，类似于现有技术的情况那样把MOS晶体管Tr2设置为导通状态。此外，在本发明中，从DC/DC转换器20向外输出一个基于过电压检测的报警信号。从DC/DC转换器20输出的该报警信号被AC/DC转换器10接收，然后AC/DC转换器10的输出电源VIN的输出电源特性被改变。更具体地说，这时输出电源VIN的电源供应能力被降低。相应地，经由MOS晶体管Tr2被短路到地电位的AC/DC转换器10的输出电源VIN不能供给短路电流，上述MOS晶体管Tr2是由处于短路状态的MOS晶体管Tr1基于过电压检测而使其进入导通状态的。因而，输出电源VIN的电压降低。当降低的电压值被设置为DC/DC转换器20的低电压保持电路33的工作电压时，DC/DC转换器20就停止工作。因此，可以进行保护电力系统免遭过电压之害的操作而不必在介于AC/DC转换器10的输出电源VIN与DC/DC转换器20之间的电流路径上设置熔断器。
在DC/DC转换器20停止工作之后，如果DC/DC转换器20的输出电源VO处的过电压状态已经回到正常状态，则DC/DC转换器20可以恢复正常工作。否则将保持过电压保护状态而重复相同的电路操作，以便保持过电压保护状态。
图2示出了针对第1例的用于电力系统的过电压保护装置。图3示出了针对第1例和第2例的AC/DC转换器的输出特性。图4示出了针对第2例的用于电力系统的过电压保护装置。
图2示出了针对第1例的用于电力系统2的过电压保护装置。对于与现有技术的那些类似的构成元件，赋予相同的数字或标号。由于它们相似地工作，所以其说明从略。电力系统2由AC/DC转换器11和DC/DC转换器21来构成。
AC/DC转换器11用开关电路52来切换来自桥路B的输出，其中桥路B接收交流电源VAC而开关电路52由反馈电路51B来控制，该反馈电路控制用于光耦合器之类的输出电源VIN的电压。来自桥路B的输出被输入到变压器T1的初级，该变压器把来自交流电源VAC的电源转换成直流功率VIN。来自变压器T1次级的输出被转换成输出电源VIN。然而输出电源VIN的电位由电阻器R3和R4分压，然后被输出电压检测电路50，检测以便得到输出电源VIN的预定的电压值。来自输出电压检测电路50的检测输出被输入到光耦合器之类的反馈电路51A，以便把该输出反馈到变压器T1的初级，由此保持输出电源VIN的预定的电压值。
在AC/DC转换器11的电流路径中插入一个用来检测输出电流值的检测电阻器R5。通过检测检测电阻器R5的端对端电压来检测输出电流值。由此输出电源的供应能力被适当设定。在AC/DC转换器11中，并联连接了两对输出电流检测电路53、54。输出电流检测电路53具有增益G1而输出电流检测电路54具有增益G2。增益G1和G2具有例如以下的关系G1＜G2从输出电流检测电路53、54输出的信号被开关电路55适当地切换，然后被输入到输出电压检测电路50和反馈电路51A。在输出信号达到由被检测的输出电流和增益所确定的预定输出信号的场合，输出电流检测电路53、54控制输出电压检测电路50和反馈电路51A，以便限制AC/DC转换器11的电源转换效率。由此，AC/DC转换器11的输出电源供应能力被确定。也就是说，当具有较小增益G1的输出电流检测电路53被开关电路55导通时，输出电流检测电路53达到预定的输出信号所需的输出电流值较大。因此，AC/DC转换器11的输出电源供应能力被提高。另一方面，当具有较大增益G2的输出电流检测电路54被开关电路55导通时，输出电流检测电路54达到预定的输出信号所需的输出电流值较小。因此，AC/DC转换器11的输出电源供应能力受到限制。
用于DC/DC转换器21的过电压检测电路32由用来检测输出电源VO的分压电压的分压电阻器R1和R2，用来把分压电阻器R1和R2与基准电压V1进行比较的比较电路CMP，以及锁存电路LCH来构成。当输出电源VO变为过电压状态时，来自比较电路CMP的输出被翻转。在比较电路CMP处被翻转的输出被锁存电路LCH锁存，使得DC/DC转换器可以保持检测的过电压。来自锁存电路LCH的输出被输入到控制电路31，以便把MOS晶体管Tr2设置为成导通状态，并让输出电源VO处的过电压向地电位释放。通过使开放漏极结构的MOS晶体管Tr3，进入导通状态，输出电源VO处的过电压状态向DC/DC转换器21的外部报警。由锁存电路LCH锁存的过电压检测状态保持到向锁存电路LCH供应的电源被耗尽为止，也就是直到低电压保持电路33检测到送给DC/DC转换器21的输入电源VIN的降低而且DC/DC转换器21停止工作为止。应该指出，通常控制电路31、低电压保持电路33和过电压检测电路32构成一个用于DC/DC转换器21的半导体集成电路41。
来自作为DC/DC转换器21的构成元件的MOS晶体管Tr3的报警信号被输入到作为AC/DC转换器11的构成元件的开关电路55。在报警信号保持高电位而尚未指示过电压状态的场合，开关电路55把具有较小增益G1的输出电流检测电路53连接到输出电压检测电路50和反馈电路51A，由此把输出电源供应能力设置为高。在报警信号翻转成低电位而指示过电压状态的场合，开关电路55把具有较大增益G2的输出电流检测电路54连接到输出电压检测电路50和反馈电路51A，由此把输出电源供应能力设置为低。
图3示出了AC/DC转换器11的输出特性。(1)表示在大输出电源供应能力的场合，其中报警信号保持高电位，并且尚未指示过电压状态，而具有较小增益G1的输出电流检测电路53被连接到输出电压检测电路50和反馈电路51A时的输出特性。(2)表示在小输出电源供应能力的场合，其中报警信号被翻转成低电位，并且指示过电压状态，而具有较大增益G2的输出电流检测电路54被连接到输出电压检测电路50和反馈电路51A时的输出特性。
在第1例中，开关电路55基于来自过电压检测电路32(该电路作为过电压检测装置而工作)的报警信号适当地改变AC/DC转换器11的输出电源特性，以便把AC/DC转换器11的电源供应能力限制到输出电源VO的过电压状态不能维持的程度。结果，可以避免DC/DC转换器21的输出电源VO的过电压，而且没有必要在从AC/DC转换器11的输出端到DC/DC转换器21的输入端之间的电流路径上插入熔断器。由此，可以得到以下好处(1)元件的成本降低；(2)不需要熔断器之类的安装区域；以及(3)消除了安装限制(更换熔断器，熔断器熔化时产生的热量引起的对元件的损坏之类)。也就是说，可以用低成本和简单结构确实地实现用于电力系统2的过电压保护装置。
此外，在用于电力系统2的过电压保护装置中，DC/DC转换器21包括过电压检测电路32、用来作为报警信号输出检测结果的报警电路而工作的MOS晶体管Tr3，AC/DC转换器11包括两对用来作为改变输出电源特性的改变电路而工作的输出电流检测电路53和54以及两对第1输出电流供应能力设定电路和第2输出电流供应能力设定电路。MOS晶体管Tr3向AC/DC转换器11输出报警信号。
因此，通过把输出报警过电压检测结果的报警信号的DC/DC转换器21，和能够通过接收报警信号来改变输出电源特性的AC/DC转换器11组合在一起，就能避免在输出电源VO处的过电压。
此外，通过适当地改变输出电流降低特性，可以限制AC/DC转换器的输出电流供应能力。更具体地说，可以基于由过电压检测电路32所得到的检测结果来改变输出电流降低特性。由此，可以把对DC/DC转换器21的电流供应限制到在输出电源VO处的过电压状态不能保持的程度。结果，可以避免在输出电源VO处的过电压状态。
此外，DC/DC转换器21的输出电源VO中的过电压检测状态可以由锁存过电压状态的锁存电路LCH来保持。由此，限制AC/DC转换器11的电源供应能力的过电压保护操作可以稳定地进行，使得AC/DC转换器11的输出电源特性可以改变，以便在输出电源VO中不保持过电压状态。
此外，可以通过适当地改变AC/DC转换器11的输出电源特性来将AC/DC转换器11的输出电源VIN设置为低于作为DC/DC转换器21的输入电源VIN所需的预定电压。也就是说，输出电源特性通过低电压保持电路33(该电路在检测到输出电源VO的过电压时作为低电源期间误动作避免电路而工作的)来改变。当它低于预定电压时，低电压保持电路33投入工作，以便停止DC/DC转换器21，由此DC/DC转换器21的工作停止。当DC/DC转换器21的工作停止时，DC/DC转换器21的过电压状态被复位。随着过电压状态的复位，由MOS晶体管Tr3所输出的报警信号也复位，AC/DC转换器11的输出电源特性恢复到原始状态，而电力系统也恢复到正常工况。即使在恢复正常后过电压状态尚未被清除，电力系统也可以通过重复上述电路动作而避免过电压状态。
另外，本实施例的DC/DC转换器21采用同步整流系统。因此，当检测到过电压时，可以通过使同步侧开关元件MOS晶体管Tr2导通，来把DC/DC转换器21的输出电压VO连接到地电位。由此可以确实地进行过电压保护操作。
在图4中所示的第2例中，DC/DC转换器22采用异步整流系统。也就是说，在第2例中，利用采用异步整流系统的DC/DC转换器22，来取代采用同步整流方式的DC/DC转换器21。与第1例的不同之处在于增加了一个MOS晶体管Tr4，该晶体管在检测到DC/DC转换器22的输出电源的过电压时，把输出电源VO分流到地电位。过电压检测电路32的输出端被连接到MOS晶体管Tr4的栅极端子。由此，MOS晶体管Tr4被设置为导通状态，而输出电源VO则被分流到地电位，这避免了过电压状态。除了增加MOS晶体管Tr4外，第2例的其他项目，例如构成元件、工作机理和效果之类均与第1例的那些类似。
本发明不限于上述第1例和第2例，而在本发明的实质的范围内各种修改和变动显然都是可能的。
例如，第1和第2例描述了切换两对具有不同增益的输出电流检测电路53和54以便保护电力系统免遭过电压之害的方式。然而本发明不限于此一方式。输出电流检测电路可以由一个增益可变的放大器(其中增益连续或分级变换)之类来构成。
此外，第1和第2例描述了把输出电源供应能力特性改变为输出电流降低特性的方式。然而本发明不限于此一方式。除了降低特性外，输出电流特性可以改为功耗限制特性之类。
根据本发明，提供了一种不使用熔断器而能不毁坏地保护电力系统的过电压的过电压保护装置。
权利要求
1.一种用于电力系统的过电压保护装置，该电力系统有一个AC/DC转换器和一个DC/DC转换器，该AC/DC转换器的输出电源作为其输入电源被输入到该DC/DC转换器，该过电压保护装置包括一个过电压检测电路，用以检测该DC/DC转换器的输出电源的过电压状态；一个报警电路，输出一个报警信号作为由该过电压检测电路所得到的检测结果；以及一个改变电路，用以基于报警信号来改变该AC/DC转换器的输出电源特性。
2.根据权利要求1的用于电力系统的过电压保护装置，其中该DC/DC转换器包括该过电压检测电路和该报警电路，而该AC/DC转换器包括该改变电路。
3.根据权利要求1的用于电力系统的过电压保护装置，其中该改变电路通过输出电源特性来限制该AC/DC转换器的输出电流供应能力。
4.根据权利要求3的用于电力系统的过电压保护装置，其中该AC/DC转换器的该输出电流供应能力具有输出电流降低特性。
5.根据权利要求3的用于电力系统的过电压保护装置，其中该改变电路包括一个第1输出电流供应能力设定电路；一个第2输出电流供应能力设定电路；以及一个开关电路，用以切换介于该第1输出电流供应能力设定电路与该第2输出电流供应能力设定电路之间的连接。
6.根据权利要求1的用于电力系统的过电压保护装置，其中该过电压检测电路包括一个锁存电路，用以锁存有关过电压状态的检测结果。
7.根据权利要求1的用于电力系统的过电压保护装置，还包括一个低电源期间误动作避免电路，该电路在送给该DC/DC转换器的输入电源低于预定电压的场合，停止该DC/DC转换器的工作。
8.根据权利要求7的用于电力系统的过电压保护装置，其中该误动作避免电路被设置于该DC/DC转换器之中。
9.根据权利要求1的用于电力系统的过电压保护装置，其中该DC/DC转换器包括一个开关元件，该开关元件在检测到该DC/DC转换器的输出电源的过电压时把该DC/DC转换器的输出电源分流到地电位。
10.根据权利要求9的用于电力系统的过电压保护装置，其中该开关元件包括一个MOS晶体管。
11.根据权利要求1的用于电力系统的过电压保护装置，其中该DC/DC转换器采用同步整流系统并包括一个主侧开关元件，用以连接该DC/DC转换器的输入电源和输出电源；以及一个同步侧开关元件，用以连接输出电源和地电位，其中当检测到该DC/DC转换器的输出电源的过电压状态时该同步侧开关元件被设置为导通状态；而且当检测该DC/DC转换器的低输入电源时，该主侧开关元件和该同步侧开关元件被设置有不导通状态。
12.根据权利要求11的用于电力系统的过电压保护装置，其中该同步侧开关元件包括一个MOS晶体管。
13.一种DC/DC转换器，一个AC/DC转换器的输出电源作为其输入电源被输入其中，包括一个过电压检测电路，用以检测该DC/DC转换器的输出电源的过电压状态；以及一个报警电路，输出一个报警信号，作为由该过电压检测电路所得到的检测结果。
14.根据权利要求13的DC/DC转换器，其中该过电压检测电路包括一个锁存电路，用以锁存有关过电压状态的程度的检测结果。
15.根据权利要求13的DC/DC转换器，还包括一个低电源期间误动作避免电路，在送给该DC/DC转换器的输入电源低于预定电压的场合，该电路指令该DC/DC转换器中的电路停止工作。
16.根据权利要求13的DC/DC转换器，其中该DC/DC转换器采用异步整流系统并包括一个开关元件，当检测到输出电源的过电压时，该开关元件把该DC/DC转换器的输出电源分流到地电位。
17.根据权利要求13的DC/DC转换器，其中该DC/DC转换器采用同步整流系统并包括一个主侧开关元件，用以连接该DC/DC转换器的输入电源和输出电源；以及一个同步侧开关元件，用以连接输出电源和地电位，其中当检测到该DC/DC转换器的输出电源的过电压状态时该同步侧开关元件被设置为导通状态；而且当检测该DC/DC转换器的低输入电源时该主侧开关元件和该同步侧开关元件被设置为不导通状态。
18.一种AC/DC转换器，该转换器向一个DC/DC转换器供给输入电源，包括一个改变电路，用以基于来自外部的控制信号来改变该AC/DC转换器的输出电源特性。
19.根据权利要求18的AC/DC转换器，其中该改变电路通过输出电源特性来限制该AC/DC转换器的输出电流供应能力。
20.根据权利要求19的AC/DC转换器，其中该输出电流供应能力具有输出电流降低特性。
21.根据权利要求19的AC/DC转换器，其中该改变电路包括一个第1输出电流供应能力设定电路；一个第2输出电流供应能力设定电路；以及一个开关电路，用以切换介于该第1输出电流供应能力设定电路与该第2输出电流供应能力设定电路之间的连接。
全文摘要
旨在提供一种不使用熔断器而能不毁坏地保护电力系统免遭过电压之害的过电压保护装置。来自DC/DC转换器21的一个构成元件MOS晶体管Tr3的报警信号被输入到AC/DC转换器11的一个构成元件开关电路55。在报警信号保持高电平而尚未指示过电压状态的场合,开关电路55把具有较小增益G1的输出电流检测电路53连接到输出电压检测电路50和反馈电路51A,由此设定大的输出电源供应能力。在报警信号被翻转为低电平而指示过电压状态的场合,开关电路55把具有较大增益G2的输出电流检测电路54连接到输出电压检测电路50和反馈电路51A,由此设定小的输出电源供应能力。于是,可以避免DC/DC转换器21处的过电压。
文档编号H02M1/32GK1374743SQ02106729
公开日2002年10月16日 申请日期2002年3月4日 优先权日2001年3月5日
发明者永冶好宏, 滝本久市, 松山俊幸 申请人:富士通株式会社