一种次级过功率保护电路及开关电源的制作方法
专利名称:一种次级过功率保护电路及开关电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种次级过功率保护电路，其包括电压跟随电路和电压误差放大电路，电压跟随电路输出一与电压采样信号相等的电压跟随信号至电压误差放大电路；该电压误差放大电路用于对该电压跟随信号和开关电源的输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与基准电压信号进行比较以输出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与基准电压信号相等时，该电压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制电压跟随信号与开关电源最大允许的输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费用。
【专利说明】
一种次级过功率保护电路及开关电源
技术领域
[0001] 本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种次级过功率保护电路及开关电 源。
【背景技术】
[0002] 开关电源中往往设置有恒流源电路，以保证开关电源在宽电压输入情况下仍然能 正常工作。以LED驱动电源为例(后文简称为电源），为了配合LED的伏安特性，该电源一般使 用恒流驱动的方式。由于LED产品具有多样性，大部分电源被设计成可编程的方式，即通过 可编程的方式设置输出电流，以满足不同输出参数的需求。当输出电流变化时，如果要保证 电源最大输出电压不变，则一般有两种设计方案：（1)电源的最大输出功率设计在最大输出 电压点上，最大输出电流等于最大输出功率除以最大输出电压，该方案的缺点是当LED产品 的实际应用电压越小于电源最大输出电压时，电源的实际最大输出功率越小，其值可能远 远小于该电源设计时的满载输出功率，由于电源的满载输出功率越高一般价格也越高，因 此，该电源的性价比较低；（2)设计电源在一定输出电压范围内都可以输出最大功率，也即 最大允许输出电流随输出电压变化，输出电压较低时允许的输出电流较高，这种方案的缺 陷是电源有可能被过功率使用，长期过功率使用会减少电源寿命。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型所解决的技术问题在于提供一种次级过功率保护电路，用于开关电 源，其结构简单，该开关电源最大允许的输出电压跟随输出电流反向变化，从而限制了允许 的最大输出功率。
[0004] 为解决上述技术问题，本实用新型采用如下所述的技术方案：
[0005] -种次级过功率保护电路，用于开关电源，所述次级过功率保护电路包括电压跟 随电路和电压误差放大电路，其中：
[0006] 所述电压跟随电路的输入端与开关电源的输出电流取样端连接而获取一与开关 电源的输出电流等比例的电压采样信号，该电压跟随电路的输出端则连接于电压误差放大 电路，该电压跟随电路输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号至所述电压误差放 大电路；
[0007] 所述电压误差放大电路与开关电源的电压输出侧连接而米样开关电源的输出电 压，所述电压误差放大电路还接入有一预设的基准电压信号，该电压误差放大电路的输出 端连接开关电源的初级功率控制电路，该电压误差放大电路用于对该电压跟随信号和开关 电源的输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与所述基准电压信号进行比 较以输出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与所述基准电压信号相等 时，该电压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制所述电压跟随信号与开关电源最 大允许的输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率。
[0008] 进一步地，所述电压跟随电路包括一 NPN三极管Q'l，其基极通过偏置电阻R'l连接 电压采样信号端，NPN三极管Q'l的集电极接供电端，NPN三极管Q'l的发射极通过一偏置电 阻R'2接地，其发射极还与电压误差放大电路的输入端连接。
[0009] 进一步地，所述电压跟随电路包括一运算放大器U2,其同相输入端通过电阻R'3连 接电压采样信号Vref_I端，该运算放大器U2的反相输入端与其输出端连接，该运算放大器 U2的输出端连接电压误差放大电路的输入端。
[0010] 进一步地，所述电压跟随电路包括PNP三极管Q1、NPN三极管Q2，所述PNP三极管Q1 的基极连接所述电压采样信号端，其集电极接地，其发射极通过偏置电阻R2与供电端Vcc连 接，其发射极还与NPN三极管Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极与供电端Vcc连接， 其发射极通过偏置电阻R3接地，其发射极还与电压误差放大电路的一个输入端连接，所述 PNP三极管Q1、NPN三极管Q2的be结电压相等。
[0011] 进一步地，电压误差放大电路包括运算放大器U1、电阻R4、电阻R5、及连接于运算 放大器U1输出端和反相输入端之间的电容C1，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R4 连接于所述电压跟随电路的输出端，该输入端还通过电阻R5与所述开关电源的输出电压端 连接，该运算放大器U1的同相输入端与预设的基准电压端连接，该运算放大器U1的的输出 端用于连接开关电源的初级功率控制电路。
[0012] 进一步地，电压误差放大电路包括运算放大器U'l、电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、及 连接于运算放大器U'l输出端和反相输入端之间的电容C'l，所述运算放大器U'l的同相输 入端通过电阻R'4连接于所述电压跟随电路的输出端，该输入端还通过电阻R'5与所述开关 电源的输出电压端连接，该运算放大器U'l的的反相输入端通过电阻R'6与预设的基准电压 端连接，该运算放大器U'l的的输出端用于连接开关电源的初级功率控制电路。
[0013] 进一步地，所述电压跟随电路包括一 RC滤波电路，该RC滤波电路的电阻R11-端连 接于所述电压采样信号端，另一端连接于PNP三极管Q1的基极，该RC滤波电路的电容C2-端 连接于PNP三极管Q1的基极，另一端接地。
[0014] 进一步地，所述次级过功率保护电路还包括电压基准电路，用于产生预设的基准 电压，所述电压基准电路包括一 NPN三极管Q3、偏置电阻R17、稳压二极管ZD1，所述NPN三极 管Q3的发射极连接于运算放大器U1A的同相输入端，其基极连接于稳压二极管ZD1的阴极， 稳压二极管ZD1的阳极接地，所述NPN三极管Q3的集电极与开关电源的输出电压端连接，偏 置电阻R17连接于NPN三极管Q3的基极与集电极之间。
[0015] 进一步地，一种开关电源，包括主变压器T1，位于主变压器T1初级侧的电源输入 端，与电源输入端连接的初级功率控制电路，位于变压器T1次级侧的次级控制电路，以及用 于将次级控制电路的反馈信号传递到功率控制电路的隔离器件，所述次级控制电路包括电 流控制回路、电压控制回路，其中，所述电压控制回路包括如上所述的各种结构的次级过功 率保护电路，所述电压采样信号由电流控制回路产生。
[0016] 进一步地，所述次级控制电路还包括二极管D1、二极管D2,所述二极管D2的阴极连 接于电流控制回路的输出端，其阳极连接于隔离器件的输入端，所述二极管D1的阴极连接 于电压误差放大电路的输出端，其阳极连接于隔离器件的输入端。
[0017] 本实用新型的有益技术效果在于:本实用新型的次级过功率保护电路包括电压跟 随电路和电压误差放大电路，所述电压跟随电路的输入端与开关电源的输出电流取样端连 接而获取一与开关电源的输出电流等比例的电压采样信号，该电压跟随电路的输出端则连 接于电压误差放大电路，该电压跟随电路输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号 至所述电压误差放大电路;所述电压误差放大电路与开关电源的电压输出侧连接而采样开 关电源的输出电压，所述电压误差放大电路还接入有一预设的基准电压信号，该电压误差 放大电路的输出端连接开关电源的初级功率控制电路，该电压误差放大电路用于对该电压 跟随信号和开关电源的输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与所述基准 电压信号进行比较以输出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与所述基准 电压信号相等时，该电压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制所述电压跟随信号 与开关电源最大允许的输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率，避 免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费用。
【附图说明】
[0018]图1是在实施例1中次级过功率保护电路的电路图。
[0019 ]图2是在实施例2中次级过功率保护电路的电路图。
[0020]图3是在实施例3中次级过功率保护电路的电路图。
[0021 ]图4是在实施例4中次级过功率保护电路的电路图。
[0022] 图5是以图1为基本电路的一种开关电源的结构示意图。
[0023] 图6是图5中次级控制电路的放大图。
[0024] 图7是图6中电流控制回路的放大图。
[0025] 图8是图7中次级过功率保护电路的放大图。
[0026] 图9是以图4为基本电路的一种开关电源的结构示意图。
[0027] 图10是图9中次级控制电路的放大图。
【具体实施方式】
[0028]为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本实用新型的目的、技术方案和优 点，以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。
[0029] 实施例1
[0030] 本实用新型的次级过功率保护电路应用于开关电源中，参考图1所示，实施例1中 的次级过功率保护电路包括电压跟随电路100和电压误差放大电路200,其中：
[0031] 电压跟随电路100包括PNP三极管Q1、NPN三极管Q2,所述PNP三极管Q1的基极连接 所述电压采样信号Vref_I端，其集电极接地，其发射极通过偏置电阻R2与供电端Vcc连接， 其发射极还与NPN三极管Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极连接供电端Vcc，其发射 极通过偏置电阻R3接地，其发射极还与电压误差放大电路的一个输入端连接。该电压跟随 电路100输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号至所述电压误差放大电路。优选 的，电压跟随电路100还包括滤波电容C2，PNP三极管Q1的基极和集电极间通过电容C2连接， 以滤除高频干扰信号。
[0032]电压误差放大电路200包括运算放大器U1、电阻R4、电阻R5、及连接于运算放大器 U1输出端和反相输入端之间的电容C1，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R4连接于 所述电压跟随电路100的输出端，该输入端还通过电阻R5与所述开关电源的输出电压Vo端 连接，该运算放大器U1的同相输入端与预设的基准电压Vref_V端连接。该运算放大器U1的 输出端连接开关电源的初级功率控制电路，用于实现开关电源的闭环控制。电压误差放大 电路200利用所述预设的基准电压制所述电压采样信号Vref_I与开关电源最大允 许的输出电压为反向变化，从而限制了允许的最大输出功率。
[0033]该次级过功率保护电路的工作原理如下：
[0034] Vl=Vref_I+Vbe_Ql (1)
[0035] 其中，VI表示节点VI的电压，Vref_I表示电压采样信号Vref_I端的电压，Vbe_Ql表 示PNP三极管Q1的be结电压。
[0036] V2 = Vl-Vbe_Q2 (2)
[0037] 其中，VI表示节点VI的电压，V2表示节点V2的电压，Vbe_Q2表示NPN三极管Q2的be 结电压。由式子(1)、式子(2)可知：
[0038] V2 = Vref_I+Vbe_Ql-Vbe_Q2 (3)
[0039] 当PNP三极管Q1、NPN三极管Q2的be结电压相等时，优选PNP三极管Q1、NPN三极管Q2 为同系列、同品牌的器件，则be结电压近似相等，得到：
[0040] V2 = Vref_I (4)
[0041] 由式子(4)可知，电压采样信号Vref_I端的电压等于电压跟随信号即节点V2的电 压，节点V2的电压跟随开关电源的输出电流等比例增加或减小。
[0042] 运算放大器U1电阻R4、电阻R5、电容C1构成了深度负反馈，由运算放大器U1的"虚 短"特性可知：
[0043] V3 = Vref_V (5)
[0044] 其中，V3表示节点V3的电压，示预设的基准电压。
[0045] 根据分压原理可知：
[0047] 其中，R4、R5分别表示电阻R4、电阻R5的阻值。
[0048]将式子(4)、式子(5)代入式子(6)可得：
[0050] 整理可得：
[0052] 可见，将电阻R4、电阻R5、基准电压端Vref_V设为特定值，设置该开关电源的输出 电流增加时，电压采样信号Vref_I增加，该开关电源允许的最大输出电压Vo会降低，从而使 得开关电源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电流的反向变 化可以补偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允许的最大输 出功率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维 护费用。另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂的乘法器电 路，也进一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0053] 实施例2
[0054]在第2种实施例中，电压跟随电路100还可以设计为其它结构。参考图2所示，所述 电压跟随电路包括一 NPN三极管Q'l，其基极通过偏置电阻R'l连接电压采样信号Vref_I端， NPN三极管Q ' 1的集电极接供电端Vcc，NPN三极管Q ' 1的发射极通过一偏置电阻R ' 2接地，其 发射极还与电压误差放大电路200的输入端连接。其中：
[0055] V2 = Vref_I_Vbe_Q，l (9)
[0056] V2表示节点V2的电压，Vbe_Q'l表示NPN三极管Q'l的be结电压，Vref_I表示电压采 样信号Vref_I端的电压，当电压采样信号Vref_I远大于NPN三极管Q ' 1的be结电压时，例如 Vref_I彡10 X Vbe_Q ' 1时，可忽略NPN三极管Q ' 1的be结电压，得到：
[0057] V2^Vref_I (10)
[0058] 本领域技术人员可以理解的，经过推导仍然可以得到开关电源允许的最大输出电 压和输出电流的反向变化。
[0059] 实施例3
[0060] 在第3种实施例中，参考图3所示，所述电压跟随电路100还可以包括一运算放大器 U2,其同相输入端通过电阻R'3连接电压采样信号Vref_I端，该运算放大器U2的反相输入端 与其输出端连接，该运算放大器U2的输出端连接电压误差放大电路200的输入端。其中：
[0061] V2 = Vref_I (11)
[0062] V2表示节点V2的电压，Vref_I表示电压采样信号Vref_I端的电压，与开关电源的 输出电流等比例。本领域技术人员可以理解的，经过推导仍然可以得到开关电源允许的最 大输出电压和输出电流的反向变化。
[0063] 实施例4
[0064]当然，在另一些实施例中，电压误差放大电路200还可以设计为其它结构。参考图4 所示，在实施例4中，电压误差放大电路还包括运算放大器U'l、电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、 及连接于运算放大器U'l输出端和反相输入端之间的电容C'l，所述运算放大器U'l的同相 输入端通过电阻R'4连接于所述电压跟随电路的输出端，该输入端还通过电阻R'5与所述开 关电源的输出电压Vo端连接，该电压误差放大电路200的反相输入端通过电阻R'6与预设的 基准电压端Vref_V连接，该电压误差放大电路的输出端用于连接开关电源的初级功率控制 电路。本领域技术人员可以理解的，经过推导可以得到：
[0066] 其中，V3表示节点V3的电压，与基准电压端Vref_V相等，Vref_I表示电流基准信号 Vref_I端的电压，与开关电源的输出电流等比例，R4、R5分别表示电阻R'4、电阻R'5的阻值， Vo表不该开关电源允许的最大输出电压。
[0067] 可见，将电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、基准电压端Vref _V设为特定值，节点V3的电 压为特定值，则设置该开关电源的输出电流增加时，该开关电源允许的最大输出电压会降 低，从而使得开关电源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电 流的反向变化可以补偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允 许的最大输出功率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产 品的售后维护费用。另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂 的乘法器电路，也进一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0068] 实施例5
[0069] 上述次级过功率保护电路的多种实施例可以应用于现有的开关电源产品中，在实 施例5中示出了一种开关电源的结构示意图，如图5所示，该开关电源包括主变压器T1、位于 主变压器T1初级侧的电源输入端10、与电源输入端10连接的初级功率控制电路20、位于变 压器T1次级侧的次级控制电路30、以及将次级控制电路30的反馈信号传递到初级功率控制 电路20的光电耦合器0C1，从而实现对输出电流或电压的控制。
[0070] 在本实施例中，交流电Vac通过整流桥BR1后输出。
[0071] 所述初级功率控制电路20包括主控制器IC1、开关管Q4及一些外围电路。主控制器 IC1为一种PWM控制芯片，其供电引脚Pvcc连接于二串联的电阻R1、电阻R2的公共端点，电阻 R1的另一端连接于电源输入端正极，电阻R2的另一端连接于光电耦合器0C1的4脚，主控制 器IC1的供电引脚Pvcc还通过一滤波电容C1接地。主控制器IC1的反馈信号引脚FB连接于光 电耦合器0C1的3脚，主控制器IC1的输出引脚Out连接开关管Q4的控制端，该主控制器IC1还 和开关管Q4的输出端共地。开关管Q4的输入端连接初级绕组N1的第二端N12。初级绕组N1的 第一端Nil和第二端N12之间还连接有一吸收电路。
[0072]如图6所示，次级控制电路30包括输出整流滤波电31、电流控制回路32、次级过功 率保护电路33。
[0073] 结合图7所示，电流控制回路32包括运算放大器U1B，串联的分压电阻R21、分压电 阻R22,运算放大器U1B的反相输入端通过限流电阻R20连接于开关电源的输出电流取样信 号VI_sen端，运算放大器U1B的同相输入端连接串联的分压电阻R21、分压电阻R22的公共端 点，即图中所示的电压采样信号Vref_I端，该电压采样信号Vref_I与电流取样信号VI_sen 端成等比例。运算放大器U1B的反相输入端与输出端之间通过电容C6连接。运算放大器U1B 的反相输入端与输出端之间还形成有由电阻R18、电容C5串联构成的PI控制电路。
[0074]结合图8所示，所述次级过功率保护电路33包括电压跟随电路331和电压误差放大 电路332,所述电压跟随电路331用于将电压采样信号Vref_I传递给电压误差放大电路 332;所述电压误差放大电路332利用所述预设的基准电压制所述电压采样信号 Vref_I与开关电源最大允许的输出电压为反向变化，从而限制了允许的最大输出功率，其 输出端连接开关电源的初级初级功率控制电路20,用于实现开关电源的闭环控制。其中： [0075] 电压跟随电路331可以以实施例1中的电压跟随电路100为基本电路，包括PNP三极 管Q1、NPN三极管Q2，所述PNP三极管Q1的基极连接所述电压采样信号Vref_I端，其集电极接 地，其发射极通过偏置电阻R12与开关电源的输出电压Vo端连接，其发射极还与NPN三极管 Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极连接开关电源的输出电压Vo端，其发射极连接电 压误差放大电路332的反相输入端。
[0076] 经分析可得：
[0077] Va = Vref_I (13)
[0078] 其中，Va为节点a的电压，Vref_I为采样信号的Vref_I电压。
[0079] 在图8中的电压跟随电路331还包括一 RC滤波电路，该RC滤波电路的电阻R11-端 连接于所述电压采样信号Vref_I端，另一端连接于PNP三极管Q1的基极，该RC滤波电路的电 容C2-端连接于PNP三极管Q1的基极，另一端接地。
[0080]电压误差放大电路332可以以实施例1中的电压误差放大电路200为基本电路，包 括运算放大器U1A、电阻R14、分压电阻R15、分压电阻R13、及连接于运算放大器U1输出端和 反相输入端之间的电容C4,所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R14连接于所述NPN三 极管Q2的发射极，该反相输入端还连接于串联的分压电阻R15、分压电阻R13的公共端点b， 其中分压电阻R15的另一端与所述开关电源的输出电压Vo端连接，分压电阻R13的另一端接 地。该运算放大器U1A的同相输入端与预设的基准电压端Vref_V连接，该运算放大器U1A的 输出端连接光电親合器0C1的1脚。与电流回路一样，运算放大器U1A的反相输入端与输出端 之间还可以电阻R16、电容C3构成的PI控制电路。
[0081]电压采样信号Vref_I通过电压跟随电路331传递给了电压误差放大电路332,运算 放大器U1A对开关电源的输出电压Vo取样信号和电压米样信号Vref_I求和，运算放大器U1A 的同相输入端接基准电压信号Vref_V，由运放的"虚短"特性可知：
[0082] Vref_V = Vb (14)
[0083] 其中，Vref_V为基准电压，Vb为分压电阻R15、分压电阻R13的公共端点b处的电压。
[0084] (V〇-Vref_V)/R15+(Vref_I-Vref_V)/R14 = Vref_V/R13 (15)
[0085] 其中，R15、R13、R14分别为分压电阻R15、分压电阻R13、电阻R14的阻值。
[0086] 整理可得：
[0088]由式子（16)可知，基准电压端Vref_V设为特定值，设置该开关电源的输出电流增 加时，电压采样信号Vref_I增加，该开关电源允许的最大输出电压Vo会降低，从而使得开关 电源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电流的反向变化可以 补偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允许的最大输出功 率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费 用。另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂的乘法器电路， 也进一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0089] 运算放大器U1A的输出端信号通过光电耦合器0C1传递到主控制器IC1，由于开关 电源输出电压端接到运算放大器U1A的反相输入端，因此，当开关电源实际输出电压偏高 时，运算放大器U1A的输出降低，光电親合器0C1的输入电流减小，从而降低光电親合器0C1 的输出端电流，降低主控制器IC1的反馈引脚FB端输入电流，主控制器IC1的输出占空比减 小，从而提升开关电源输出电压Vo,实现反馈闭环控制。
[0090] 在一些实施例中，所述次级过功率保护电路33还包括电压基准电路333,用于产生 预设的基准电压Vref_V，在图8所示的实施例中，所述电压基准电路333包括一NPN三极管 Q3、偏置电阻R17、稳压二极管ZD1，所述NPN三极管Q3的发射极连接于运算放大器U1A的同相 输入端，其基极连接于稳压二极管ZD1的阴极，稳压二极管ZD1的阳极接地，所述NPN三极管 Q3的集电极与开关电源的输出电压Vo端连接，偏置电阻R17连接于NPN三极管Q3的基极与集 电极之间。经分析可得：
[0091] Vref_V = Vzd+Vbe_Q3 (17)
[0092] 其中，Vref_V为预设的基准电压的电压，Vzd为稳压二极管ZD1的阴极电压，Vbe_Q3 表示NPN三极管Q3的be结电压。
[0093]在本实施例中，结合图6所示，次级控制电路30还包括二极管D1、二极管D2,所述二 极管D2的阴极连接于电流控制回路32的输出端，其阳极连接于光电耦合器0C1的输入端，所 述二极管D1的阴极连接于电压误差放大电路332的输出端，其阳极连接于光电耦合器0C1的 输入端。通过此设计，对于运算放大器U1A、运算放大器U1B，输出电平低的对开关电源的反 馈环路起控制作用，且两者不会同时参与开关电源的反馈控制。具体的，例如，当开关电源 的输出电压Vo高于一设定值时，运算放大器U1A输出的电平降低，于是通过负反馈使得主控 制器IC1输出占空比减小，以降低开关电源的输出电压Vo,形成闭环控制；同样，当开关电源 的输出电流大于一设定值时，运算放大器U1B输出的电平降低，同样可通过反馈环路降低 输出电流，形成闭环控制。所以无论是电压环路还是电流环路，先达到预设值的环路起控制 作用，另外一个运放放大器输出高电平，不同时参与反馈控制。
[0094] 实施例6
[0095] 实施例6中示出了另一种开关电源，如图9所示，该开关电源包括主变压器T1、位于 主变压器T1初级侧的电源输入端10、与电源输入端10连接的初级功率控制电路20、位于变 压器T1次级侧的次级控制电路30、以及将次级控制电路30的反馈信号传递到初级功率控制 电路20的光电耦合器0C1，从而实现对输出电流或电压的控制。次级控制电路30包括输出整 流滤波电31、电流控制回路32、次级过功率保护电路33。所述次级过功率保护电路33包括电 压跟随电路331和电压误差放大电路332、电压基准电路333。本实施例与实施例5相比，主要 不同点在于电压误差放大电路332以实施例4中所示电路为基本电路。另外，电流控制回路 32的输出端连接光电耦合器0C1的1脚。
[0096]如图10所示，在本实施例中，电压误差放大电路332的运算放大器U'lA的同相输入 端通过电阻R'14连接于所述电压跟随电路的输出端a，通过分压电阻R'15与所述开关电源 的输出电压Vo端连接，通过分压电阻R'13接地，该电压误差放大电路200的反相输入端通过 电阻R ' 23与预设的基准电压端Vref_V连接，该电压误差放大电路200的输出端连接光电耦 合器0C1的2脚。运算放大器U'lA的反相输入端与输出端之间通过电容C'4连接。运算放大器 U'1A的反相输入端与输出端之间还设置有由电容C'3、电阻R'16构成的PI控制电路。本领域 技术人员可以理解的，经过推导可以得到：
[0098] 其中，Vo表不开关电源的输出电压、Vb为分压电阻R' 15、分压电阻R' 13的公共端点 b处的电压、Vref_1表示电流基准信号Vref_1端的电压，与开关电源的输出电流等比例， R13、R14、R15分别表示分压电阻R'13、电阻R'14、分压电阻R'15的阻值。
[0099] 由式子（18)可知，分压电阻R ' 13、电阻R ' 14、分压电阻R ' 15、基准电压端Vref _V设 为特定值，公共端点b处的电压等于基准电压端Vref_V，设置该开关电源的输出电流增加 时，电压采样信号Vref_I增加，该开关电源允许的最大输出电压Vo会降低，从而使得开关电 源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电流的反向变化可以补 偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允许的最大输出功率， 避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费用。 另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂的乘法器电路，也进 一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0100]在本实施例中，运算放大器U'lA的输出极性与实施例5中运算放大器U1A的输出极 性相反，因此该电压误差放大电路200的输出端连接光电耦合器0C1的2脚。如此设计，当开 关电源的实际输出电压偏高时，运算放大器u' 1A输出的电平升高，光电親合器0C1的输入电 流减小，于是通过负反馈使得主控制器IC1输出占空比减小，以降低开关电源的实际输出电 压，形成闭环控制。
[0101]以上仅为本实用新型的优选实施例，而非对本实用新型做任何形式上的限制。本 领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围 内所做的等同变化或修饰，均应落入本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种次级过功率保护电路，用于开关电源，其特征在于，所述次级过功率保护电路包 括电压跟随电路和电压误差放大电路，其中： 所述电压跟随电路的输入端与开关电源的输出电流取样端连接而获取一与开关电源 的输出电流等比例的电压采样信号，该电压跟随电路的输出端则连接于电压误差放大电 路，该电压跟随电路输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号至所述电压误差放大 电路； 所述电压误差放大电路与开关电源的电压输出侧连接而采样开关电源的输出电压，所 述电压误差放大电路还接入有一预设的基准电压信号，该电压误差放大电路的输出端连接 开关电源的初级功率控制电路，该电压误差放大电路用于对该电压跟随信号和开关电源的 输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与所述基准电压信号进行比较以输 出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与所述基准电压信号相等时，该电 压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制所述电压跟随信号与开关电源最大允许的 输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率。2. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括一 NPN三极管Q' 1，其基极通过偏置电阻R' 1连接电压采样信号端，NPN三极管Q' 1的集电极接供 电端，NPN三极管Q ' 1的发射极通过一偏置电阻R ' 2接地，NPN三极管Q ' 1的发射极还与电压误 差放大电路的输入端连接。3. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路还可以包 括一运算放大器U2,其同相输入端通过电阻R'3连接电压采样信号Vref_I端，该运算放大器 U2的反相输入端与其输出端连接，该运算放大器U2的输出端连接电压误差放大电路的输入 端。4. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括PNP 三极管Q1、NPN三极管Q2，所述PNP三极管Q1的基极连接所述电压采样信号端，PNP三极管Q1 的集电极接地，PNP三极管Q1的发射极通过偏置电阻R2与供电端Vcc连接，PNP三极管Q1的发 射极还与NPN三极管Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极与供电端Vcc连接，NPN三极 管Q2的发射极通过偏置电阻R3接地，NPN三极管Q2的发射极还与电压误差放大电路的一个 输入端连接，所述PNP三极管Q1、NPN三极管Q2的be结电压相等。5. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压误差放大电路包括 运算放大器U1、电阻R4、电阻R5、及连接于运算放大器U1输出端和反相输入端之间的电容 C1，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R4连接于所述电压跟随电路的输出端，该输 入端还通过电阻R5与所述开关电源的输出电压端连接，该运算放大器U1的同相输入端与预 设的基准电压端连接，该运算放大器U1的输出端用于连接开关电源的初级功率控制电路。6. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，电压误差放大电路包括运算 放大器U'l、电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、及连接于运算放大器U'l输出端和反相输入端之间 的电容C'l，所述运算放大器U'l的同相输入端通过电阻R'4连接于所述电压跟随电路的输 出端，该输入端还通过电阻R'5与所述开关电源的输出电压端连接，该运算放大器U'l的反 相输入端通过电阻R'6与预设的基准电压端连接，该运算放大器U'l的输出端用于连接开关 电源的初级功率控制电路。7. 如权利要求4所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括一 RC 滤波电路，该RC滤波电路的电阻R11-端连接于所述电压采样信号端，另一端连接于PNP三 极管Q1的基极，该RC滤波电路的电容C2-端连接于PNP三极管Q1的基极，另一端接地。8. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压误差放大电路还包 括电压基准电路，用于产生预设的基准电压，所述电压基准电路包括一 NPN三极管Q3、偏置 电阻R17、稳压二极管ZD1，所述NPN三极管Q3的发射极连接于运算放大器U1A的同相输入端， 其基极连接于稳压二极管ZD1的阴极，稳压二极管ZD1的阳极接地，所述NPN三极管Q3的集电 极与开关电源的输出电压端连接，偏置电阻R17连接于NPN三极管Q3的基极与集电极之间。9. 一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括主变压器T1，位于主变压器T1初级侧 的电源输入端，与电源输入端连接的初级功率控制电路，位于变压器T1次级侧的次级控制 电路，以及用于将次级控制电路的反馈信号传递到初级功率控制电路的隔离器件，所述次 级控制电路包括电流控制回路及如权利要求1~8所述的次级过功率保护电路，所述电压采 样信号由电流控制回路产生。10. 如权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述次级控制电路还包括二极管D1、二 极管D2,所述二极管D2的阴极连接于电流控制回路的输出端，其阳极连接于隔离器件的输 入端，所述二极管D1的阴极连接于所述电压误差放大电路的输出端，其阳极连接于隔离器 件的输入端。
【文档编号】H02H3/42GK205724840SQ201620124681
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月17日
【发明人】邓勇, 丁华, 王华轶
【申请人】深圳市赢新光电发展有限公司
【专利摘要】本实用新型公开一种次级过功率保护电路，其包括电压跟随电路和电压误差放大电路，电压跟随电路输出一与电压采样信号相等的电压跟随信号至电压误差放大电路；该电压误差放大电路用于对该电压跟随信号和开关电源的输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与基准电压信号进行比较以输出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与基准电压信号相等时，该电压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制电压跟随信号与开关电源最大允许的输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费用。
【专利说明】
一种次级过功率保护电路及开关电源
技术领域
[0001] 本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种次级过功率保护电路及开关电 源。
【背景技术】
[0002] 开关电源中往往设置有恒流源电路，以保证开关电源在宽电压输入情况下仍然能 正常工作。以LED驱动电源为例(后文简称为电源），为了配合LED的伏安特性，该电源一般使 用恒流驱动的方式。由于LED产品具有多样性，大部分电源被设计成可编程的方式，即通过 可编程的方式设置输出电流，以满足不同输出参数的需求。当输出电流变化时，如果要保证 电源最大输出电压不变，则一般有两种设计方案：（1)电源的最大输出功率设计在最大输出 电压点上，最大输出电流等于最大输出功率除以最大输出电压，该方案的缺点是当LED产品 的实际应用电压越小于电源最大输出电压时，电源的实际最大输出功率越小，其值可能远 远小于该电源设计时的满载输出功率，由于电源的满载输出功率越高一般价格也越高，因 此，该电源的性价比较低；（2)设计电源在一定输出电压范围内都可以输出最大功率，也即 最大允许输出电流随输出电压变化，输出电压较低时允许的输出电流较高，这种方案的缺 陷是电源有可能被过功率使用，长期过功率使用会减少电源寿命。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型所解决的技术问题在于提供一种次级过功率保护电路，用于开关电 源，其结构简单，该开关电源最大允许的输出电压跟随输出电流反向变化，从而限制了允许 的最大输出功率。
[0004] 为解决上述技术问题，本实用新型采用如下所述的技术方案：
[0005] -种次级过功率保护电路，用于开关电源，所述次级过功率保护电路包括电压跟 随电路和电压误差放大电路，其中：
[0006] 所述电压跟随电路的输入端与开关电源的输出电流取样端连接而获取一与开关 电源的输出电流等比例的电压采样信号，该电压跟随电路的输出端则连接于电压误差放大 电路，该电压跟随电路输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号至所述电压误差放 大电路；
[0007] 所述电压误差放大电路与开关电源的电压输出侧连接而米样开关电源的输出电 压，所述电压误差放大电路还接入有一预设的基准电压信号，该电压误差放大电路的输出 端连接开关电源的初级功率控制电路，该电压误差放大电路用于对该电压跟随信号和开关 电源的输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与所述基准电压信号进行比 较以输出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与所述基准电压信号相等 时，该电压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制所述电压跟随信号与开关电源最 大允许的输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率。
[0008] 进一步地，所述电压跟随电路包括一 NPN三极管Q'l，其基极通过偏置电阻R'l连接 电压采样信号端，NPN三极管Q'l的集电极接供电端，NPN三极管Q'l的发射极通过一偏置电 阻R'2接地，其发射极还与电压误差放大电路的输入端连接。
[0009] 进一步地，所述电压跟随电路包括一运算放大器U2,其同相输入端通过电阻R'3连 接电压采样信号Vref_I端，该运算放大器U2的反相输入端与其输出端连接，该运算放大器 U2的输出端连接电压误差放大电路的输入端。
[0010] 进一步地，所述电压跟随电路包括PNP三极管Q1、NPN三极管Q2，所述PNP三极管Q1 的基极连接所述电压采样信号端，其集电极接地，其发射极通过偏置电阻R2与供电端Vcc连 接，其发射极还与NPN三极管Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极与供电端Vcc连接， 其发射极通过偏置电阻R3接地，其发射极还与电压误差放大电路的一个输入端连接，所述 PNP三极管Q1、NPN三极管Q2的be结电压相等。
[0011] 进一步地，电压误差放大电路包括运算放大器U1、电阻R4、电阻R5、及连接于运算 放大器U1输出端和反相输入端之间的电容C1，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R4 连接于所述电压跟随电路的输出端，该输入端还通过电阻R5与所述开关电源的输出电压端 连接，该运算放大器U1的同相输入端与预设的基准电压端连接，该运算放大器U1的的输出 端用于连接开关电源的初级功率控制电路。
[0012] 进一步地，电压误差放大电路包括运算放大器U'l、电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、及 连接于运算放大器U'l输出端和反相输入端之间的电容C'l，所述运算放大器U'l的同相输 入端通过电阻R'4连接于所述电压跟随电路的输出端，该输入端还通过电阻R'5与所述开关 电源的输出电压端连接，该运算放大器U'l的的反相输入端通过电阻R'6与预设的基准电压 端连接，该运算放大器U'l的的输出端用于连接开关电源的初级功率控制电路。
[0013] 进一步地，所述电压跟随电路包括一 RC滤波电路，该RC滤波电路的电阻R11-端连 接于所述电压采样信号端，另一端连接于PNP三极管Q1的基极，该RC滤波电路的电容C2-端 连接于PNP三极管Q1的基极，另一端接地。
[0014] 进一步地，所述次级过功率保护电路还包括电压基准电路，用于产生预设的基准 电压，所述电压基准电路包括一 NPN三极管Q3、偏置电阻R17、稳压二极管ZD1，所述NPN三极 管Q3的发射极连接于运算放大器U1A的同相输入端，其基极连接于稳压二极管ZD1的阴极， 稳压二极管ZD1的阳极接地，所述NPN三极管Q3的集电极与开关电源的输出电压端连接，偏 置电阻R17连接于NPN三极管Q3的基极与集电极之间。
[0015] 进一步地，一种开关电源，包括主变压器T1，位于主变压器T1初级侧的电源输入 端，与电源输入端连接的初级功率控制电路，位于变压器T1次级侧的次级控制电路，以及用 于将次级控制电路的反馈信号传递到功率控制电路的隔离器件，所述次级控制电路包括电 流控制回路、电压控制回路，其中，所述电压控制回路包括如上所述的各种结构的次级过功 率保护电路，所述电压采样信号由电流控制回路产生。
[0016] 进一步地，所述次级控制电路还包括二极管D1、二极管D2,所述二极管D2的阴极连 接于电流控制回路的输出端，其阳极连接于隔离器件的输入端，所述二极管D1的阴极连接 于电压误差放大电路的输出端，其阳极连接于隔离器件的输入端。
[0017] 本实用新型的有益技术效果在于:本实用新型的次级过功率保护电路包括电压跟 随电路和电压误差放大电路，所述电压跟随电路的输入端与开关电源的输出电流取样端连 接而获取一与开关电源的输出电流等比例的电压采样信号，该电压跟随电路的输出端则连 接于电压误差放大电路，该电压跟随电路输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号 至所述电压误差放大电路;所述电压误差放大电路与开关电源的电压输出侧连接而采样开 关电源的输出电压，所述电压误差放大电路还接入有一预设的基准电压信号，该电压误差 放大电路的输出端连接开关电源的初级功率控制电路，该电压误差放大电路用于对该电压 跟随信号和开关电源的输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与所述基准 电压信号进行比较以输出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与所述基准 电压信号相等时，该电压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制所述电压跟随信号 与开关电源最大允许的输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率，避 免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费用。
【附图说明】
[0018]图1是在实施例1中次级过功率保护电路的电路图。
[0019 ]图2是在实施例2中次级过功率保护电路的电路图。
[0020]图3是在实施例3中次级过功率保护电路的电路图。
[0021 ]图4是在实施例4中次级过功率保护电路的电路图。
[0022] 图5是以图1为基本电路的一种开关电源的结构示意图。
[0023] 图6是图5中次级控制电路的放大图。
[0024] 图7是图6中电流控制回路的放大图。
[0025] 图8是图7中次级过功率保护电路的放大图。
[0026] 图9是以图4为基本电路的一种开关电源的结构示意图。
[0027] 图10是图9中次级控制电路的放大图。
【具体实施方式】
[0028]为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本实用新型的目的、技术方案和优 点，以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。
[0029] 实施例1
[0030] 本实用新型的次级过功率保护电路应用于开关电源中，参考图1所示，实施例1中 的次级过功率保护电路包括电压跟随电路100和电压误差放大电路200,其中：
[0031] 电压跟随电路100包括PNP三极管Q1、NPN三极管Q2,所述PNP三极管Q1的基极连接 所述电压采样信号Vref_I端，其集电极接地，其发射极通过偏置电阻R2与供电端Vcc连接， 其发射极还与NPN三极管Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极连接供电端Vcc，其发射 极通过偏置电阻R3接地，其发射极还与电压误差放大电路的一个输入端连接。该电压跟随 电路100输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号至所述电压误差放大电路。优选 的，电压跟随电路100还包括滤波电容C2，PNP三极管Q1的基极和集电极间通过电容C2连接， 以滤除高频干扰信号。
[0032]电压误差放大电路200包括运算放大器U1、电阻R4、电阻R5、及连接于运算放大器 U1输出端和反相输入端之间的电容C1，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R4连接于 所述电压跟随电路100的输出端，该输入端还通过电阻R5与所述开关电源的输出电压Vo端 连接，该运算放大器U1的同相输入端与预设的基准电压Vref_V端连接。该运算放大器U1的 输出端连接开关电源的初级功率控制电路，用于实现开关电源的闭环控制。电压误差放大 电路200利用所述预设的基准电压制所述电压采样信号Vref_I与开关电源最大允 许的输出电压为反向变化，从而限制了允许的最大输出功率。
[0033]该次级过功率保护电路的工作原理如下：
[0034] Vl=Vref_I+Vbe_Ql (1)
[0035] 其中，VI表示节点VI的电压，Vref_I表示电压采样信号Vref_I端的电压，Vbe_Ql表 示PNP三极管Q1的be结电压。
[0036] V2 = Vl-Vbe_Q2 (2)
[0037] 其中，VI表示节点VI的电压，V2表示节点V2的电压，Vbe_Q2表示NPN三极管Q2的be 结电压。由式子(1)、式子(2)可知：
[0038] V2 = Vref_I+Vbe_Ql-Vbe_Q2 (3)
[0039] 当PNP三极管Q1、NPN三极管Q2的be结电压相等时，优选PNP三极管Q1、NPN三极管Q2 为同系列、同品牌的器件，则be结电压近似相等，得到：
[0040] V2 = Vref_I (4)
[0041] 由式子(4)可知，电压采样信号Vref_I端的电压等于电压跟随信号即节点V2的电 压，节点V2的电压跟随开关电源的输出电流等比例增加或减小。
[0042] 运算放大器U1电阻R4、电阻R5、电容C1构成了深度负反馈，由运算放大器U1的"虚 短"特性可知：
[0043] V3 = Vref_V (5)
[0044] 其中，V3表示节点V3的电压，示预设的基准电压。
[0045] 根据分压原理可知：
[0047] 其中，R4、R5分别表示电阻R4、电阻R5的阻值。
[0048]将式子(4)、式子(5)代入式子(6)可得：
[0050] 整理可得：
[0052] 可见，将电阻R4、电阻R5、基准电压端Vref_V设为特定值，设置该开关电源的输出 电流增加时，电压采样信号Vref_I增加，该开关电源允许的最大输出电压Vo会降低，从而使 得开关电源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电流的反向变 化可以补偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允许的最大输 出功率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维 护费用。另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂的乘法器电 路，也进一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0053] 实施例2
[0054]在第2种实施例中，电压跟随电路100还可以设计为其它结构。参考图2所示，所述 电压跟随电路包括一 NPN三极管Q'l，其基极通过偏置电阻R'l连接电压采样信号Vref_I端， NPN三极管Q ' 1的集电极接供电端Vcc，NPN三极管Q ' 1的发射极通过一偏置电阻R ' 2接地，其 发射极还与电压误差放大电路200的输入端连接。其中：
[0055] V2 = Vref_I_Vbe_Q，l (9)
[0056] V2表示节点V2的电压，Vbe_Q'l表示NPN三极管Q'l的be结电压，Vref_I表示电压采 样信号Vref_I端的电压，当电压采样信号Vref_I远大于NPN三极管Q ' 1的be结电压时，例如 Vref_I彡10 X Vbe_Q ' 1时，可忽略NPN三极管Q ' 1的be结电压，得到：
[0057] V2^Vref_I (10)
[0058] 本领域技术人员可以理解的，经过推导仍然可以得到开关电源允许的最大输出电 压和输出电流的反向变化。
[0059] 实施例3
[0060] 在第3种实施例中，参考图3所示，所述电压跟随电路100还可以包括一运算放大器 U2,其同相输入端通过电阻R'3连接电压采样信号Vref_I端，该运算放大器U2的反相输入端 与其输出端连接，该运算放大器U2的输出端连接电压误差放大电路200的输入端。其中：
[0061] V2 = Vref_I (11)
[0062] V2表示节点V2的电压，Vref_I表示电压采样信号Vref_I端的电压，与开关电源的 输出电流等比例。本领域技术人员可以理解的，经过推导仍然可以得到开关电源允许的最 大输出电压和输出电流的反向变化。
[0063] 实施例4
[0064]当然，在另一些实施例中，电压误差放大电路200还可以设计为其它结构。参考图4 所示，在实施例4中，电压误差放大电路还包括运算放大器U'l、电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、 及连接于运算放大器U'l输出端和反相输入端之间的电容C'l，所述运算放大器U'l的同相 输入端通过电阻R'4连接于所述电压跟随电路的输出端，该输入端还通过电阻R'5与所述开 关电源的输出电压Vo端连接，该电压误差放大电路200的反相输入端通过电阻R'6与预设的 基准电压端Vref_V连接，该电压误差放大电路的输出端用于连接开关电源的初级功率控制 电路。本领域技术人员可以理解的，经过推导可以得到：
[0066] 其中，V3表示节点V3的电压，与基准电压端Vref_V相等，Vref_I表示电流基准信号 Vref_I端的电压，与开关电源的输出电流等比例，R4、R5分别表示电阻R'4、电阻R'5的阻值， Vo表不该开关电源允许的最大输出电压。
[0067] 可见，将电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、基准电压端Vref _V设为特定值，节点V3的电 压为特定值，则设置该开关电源的输出电流增加时，该开关电源允许的最大输出电压会降 低，从而使得开关电源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电 流的反向变化可以补偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允 许的最大输出功率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产 品的售后维护费用。另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂 的乘法器电路，也进一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0068] 实施例5
[0069] 上述次级过功率保护电路的多种实施例可以应用于现有的开关电源产品中，在实 施例5中示出了一种开关电源的结构示意图，如图5所示，该开关电源包括主变压器T1、位于 主变压器T1初级侧的电源输入端10、与电源输入端10连接的初级功率控制电路20、位于变 压器T1次级侧的次级控制电路30、以及将次级控制电路30的反馈信号传递到初级功率控制 电路20的光电耦合器0C1，从而实现对输出电流或电压的控制。
[0070] 在本实施例中，交流电Vac通过整流桥BR1后输出。
[0071] 所述初级功率控制电路20包括主控制器IC1、开关管Q4及一些外围电路。主控制器 IC1为一种PWM控制芯片，其供电引脚Pvcc连接于二串联的电阻R1、电阻R2的公共端点，电阻 R1的另一端连接于电源输入端正极，电阻R2的另一端连接于光电耦合器0C1的4脚，主控制 器IC1的供电引脚Pvcc还通过一滤波电容C1接地。主控制器IC1的反馈信号引脚FB连接于光 电耦合器0C1的3脚，主控制器IC1的输出引脚Out连接开关管Q4的控制端，该主控制器IC1还 和开关管Q4的输出端共地。开关管Q4的输入端连接初级绕组N1的第二端N12。初级绕组N1的 第一端Nil和第二端N12之间还连接有一吸收电路。
[0072]如图6所示，次级控制电路30包括输出整流滤波电31、电流控制回路32、次级过功 率保护电路33。
[0073] 结合图7所示，电流控制回路32包括运算放大器U1B，串联的分压电阻R21、分压电 阻R22,运算放大器U1B的反相输入端通过限流电阻R20连接于开关电源的输出电流取样信 号VI_sen端，运算放大器U1B的同相输入端连接串联的分压电阻R21、分压电阻R22的公共端 点，即图中所示的电压采样信号Vref_I端，该电压采样信号Vref_I与电流取样信号VI_sen 端成等比例。运算放大器U1B的反相输入端与输出端之间通过电容C6连接。运算放大器U1B 的反相输入端与输出端之间还形成有由电阻R18、电容C5串联构成的PI控制电路。
[0074]结合图8所示，所述次级过功率保护电路33包括电压跟随电路331和电压误差放大 电路332,所述电压跟随电路331用于将电压采样信号Vref_I传递给电压误差放大电路 332;所述电压误差放大电路332利用所述预设的基准电压制所述电压采样信号 Vref_I与开关电源最大允许的输出电压为反向变化，从而限制了允许的最大输出功率，其 输出端连接开关电源的初级初级功率控制电路20,用于实现开关电源的闭环控制。其中： [0075] 电压跟随电路331可以以实施例1中的电压跟随电路100为基本电路，包括PNP三极 管Q1、NPN三极管Q2，所述PNP三极管Q1的基极连接所述电压采样信号Vref_I端，其集电极接 地，其发射极通过偏置电阻R12与开关电源的输出电压Vo端连接，其发射极还与NPN三极管 Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极连接开关电源的输出电压Vo端，其发射极连接电 压误差放大电路332的反相输入端。
[0076] 经分析可得：
[0077] Va = Vref_I (13)
[0078] 其中，Va为节点a的电压，Vref_I为采样信号的Vref_I电压。
[0079] 在图8中的电压跟随电路331还包括一 RC滤波电路，该RC滤波电路的电阻R11-端 连接于所述电压采样信号Vref_I端，另一端连接于PNP三极管Q1的基极，该RC滤波电路的电 容C2-端连接于PNP三极管Q1的基极，另一端接地。
[0080]电压误差放大电路332可以以实施例1中的电压误差放大电路200为基本电路，包 括运算放大器U1A、电阻R14、分压电阻R15、分压电阻R13、及连接于运算放大器U1输出端和 反相输入端之间的电容C4,所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R14连接于所述NPN三 极管Q2的发射极，该反相输入端还连接于串联的分压电阻R15、分压电阻R13的公共端点b， 其中分压电阻R15的另一端与所述开关电源的输出电压Vo端连接，分压电阻R13的另一端接 地。该运算放大器U1A的同相输入端与预设的基准电压端Vref_V连接，该运算放大器U1A的 输出端连接光电親合器0C1的1脚。与电流回路一样，运算放大器U1A的反相输入端与输出端 之间还可以电阻R16、电容C3构成的PI控制电路。
[0081]电压采样信号Vref_I通过电压跟随电路331传递给了电压误差放大电路332,运算 放大器U1A对开关电源的输出电压Vo取样信号和电压米样信号Vref_I求和，运算放大器U1A 的同相输入端接基准电压信号Vref_V，由运放的"虚短"特性可知：
[0082] Vref_V = Vb (14)
[0083] 其中，Vref_V为基准电压，Vb为分压电阻R15、分压电阻R13的公共端点b处的电压。
[0084] (V〇-Vref_V)/R15+(Vref_I-Vref_V)/R14 = Vref_V/R13 (15)
[0085] 其中，R15、R13、R14分别为分压电阻R15、分压电阻R13、电阻R14的阻值。
[0086] 整理可得：
[0088]由式子（16)可知，基准电压端Vref_V设为特定值，设置该开关电源的输出电流增 加时，电压采样信号Vref_I增加，该开关电源允许的最大输出电压Vo会降低，从而使得开关 电源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电流的反向变化可以 补偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允许的最大输出功 率，避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费 用。另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂的乘法器电路， 也进一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0089] 运算放大器U1A的输出端信号通过光电耦合器0C1传递到主控制器IC1，由于开关 电源输出电压端接到运算放大器U1A的反相输入端，因此，当开关电源实际输出电压偏高 时，运算放大器U1A的输出降低，光电親合器0C1的输入电流减小，从而降低光电親合器0C1 的输出端电流，降低主控制器IC1的反馈引脚FB端输入电流，主控制器IC1的输出占空比减 小，从而提升开关电源输出电压Vo,实现反馈闭环控制。
[0090] 在一些实施例中，所述次级过功率保护电路33还包括电压基准电路333,用于产生 预设的基准电压Vref_V，在图8所示的实施例中，所述电压基准电路333包括一NPN三极管 Q3、偏置电阻R17、稳压二极管ZD1，所述NPN三极管Q3的发射极连接于运算放大器U1A的同相 输入端，其基极连接于稳压二极管ZD1的阴极，稳压二极管ZD1的阳极接地，所述NPN三极管 Q3的集电极与开关电源的输出电压Vo端连接，偏置电阻R17连接于NPN三极管Q3的基极与集 电极之间。经分析可得：
[0091] Vref_V = Vzd+Vbe_Q3 (17)
[0092] 其中，Vref_V为预设的基准电压的电压，Vzd为稳压二极管ZD1的阴极电压，Vbe_Q3 表示NPN三极管Q3的be结电压。
[0093]在本实施例中，结合图6所示，次级控制电路30还包括二极管D1、二极管D2,所述二 极管D2的阴极连接于电流控制回路32的输出端，其阳极连接于光电耦合器0C1的输入端，所 述二极管D1的阴极连接于电压误差放大电路332的输出端，其阳极连接于光电耦合器0C1的 输入端。通过此设计，对于运算放大器U1A、运算放大器U1B，输出电平低的对开关电源的反 馈环路起控制作用，且两者不会同时参与开关电源的反馈控制。具体的，例如，当开关电源 的输出电压Vo高于一设定值时，运算放大器U1A输出的电平降低，于是通过负反馈使得主控 制器IC1输出占空比减小，以降低开关电源的输出电压Vo,形成闭环控制；同样，当开关电源 的输出电流大于一设定值时，运算放大器U1B输出的电平降低，同样可通过反馈环路降低 输出电流，形成闭环控制。所以无论是电压环路还是电流环路，先达到预设值的环路起控制 作用，另外一个运放放大器输出高电平，不同时参与反馈控制。
[0094] 实施例6
[0095] 实施例6中示出了另一种开关电源，如图9所示，该开关电源包括主变压器T1、位于 主变压器T1初级侧的电源输入端10、与电源输入端10连接的初级功率控制电路20、位于变 压器T1次级侧的次级控制电路30、以及将次级控制电路30的反馈信号传递到初级功率控制 电路20的光电耦合器0C1，从而实现对输出电流或电压的控制。次级控制电路30包括输出整 流滤波电31、电流控制回路32、次级过功率保护电路33。所述次级过功率保护电路33包括电 压跟随电路331和电压误差放大电路332、电压基准电路333。本实施例与实施例5相比，主要 不同点在于电压误差放大电路332以实施例4中所示电路为基本电路。另外，电流控制回路 32的输出端连接光电耦合器0C1的1脚。
[0096]如图10所示，在本实施例中，电压误差放大电路332的运算放大器U'lA的同相输入 端通过电阻R'14连接于所述电压跟随电路的输出端a，通过分压电阻R'15与所述开关电源 的输出电压Vo端连接，通过分压电阻R'13接地，该电压误差放大电路200的反相输入端通过 电阻R ' 23与预设的基准电压端Vref_V连接，该电压误差放大电路200的输出端连接光电耦 合器0C1的2脚。运算放大器U'lA的反相输入端与输出端之间通过电容C'4连接。运算放大器 U'1A的反相输入端与输出端之间还设置有由电容C'3、电阻R'16构成的PI控制电路。本领域 技术人员可以理解的，经过推导可以得到：
[0098] 其中，Vo表不开关电源的输出电压、Vb为分压电阻R' 15、分压电阻R' 13的公共端点 b处的电压、Vref_1表示电流基准信号Vref_1端的电压，与开关电源的输出电流等比例， R13、R14、R15分别表示分压电阻R'13、电阻R'14、分压电阻R'15的阻值。
[0099] 由式子（18)可知，分压电阻R ' 13、电阻R ' 14、分压电阻R ' 15、基准电压端Vref _V设 为特定值，公共端点b处的电压等于基准电压端Vref_V，设置该开关电源的输出电流增加 时，电压采样信号Vref_I增加，该开关电源允许的最大输出电压Vo会降低，从而使得开关电 源最大输出功率的变化减小，开关电源允许的最大输出电压和输出电流的反向变化可以补 偿由于输出电流单方面增加导致的最大功率增加问题，从而限制了允许的最大输出功率， 避免了开关电源由于过载使用而导致的寿命衰减，有利于降低电源产品的售后维护费用。 另外，本实用新型的次级过功率保护电路电路结构简单，无需使用复杂的乘法器电路，也进 一步降低了电源产品的生产制造成本。
[0100]在本实施例中，运算放大器U'lA的输出极性与实施例5中运算放大器U1A的输出极 性相反，因此该电压误差放大电路200的输出端连接光电耦合器0C1的2脚。如此设计，当开 关电源的实际输出电压偏高时，运算放大器u' 1A输出的电平升高，光电親合器0C1的输入电 流减小，于是通过负反馈使得主控制器IC1输出占空比减小，以降低开关电源的实际输出电 压，形成闭环控制。
[0101]以上仅为本实用新型的优选实施例，而非对本实用新型做任何形式上的限制。本 领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围 内所做的等同变化或修饰，均应落入本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种次级过功率保护电路，用于开关电源，其特征在于，所述次级过功率保护电路包 括电压跟随电路和电压误差放大电路，其中： 所述电压跟随电路的输入端与开关电源的输出电流取样端连接而获取一与开关电源 的输出电流等比例的电压采样信号，该电压跟随电路的输出端则连接于电压误差放大电 路，该电压跟随电路输出一与所述电压采样信号相等的电压跟随信号至所述电压误差放大 电路； 所述电压误差放大电路与开关电源的电压输出侧连接而采样开关电源的输出电压，所 述电压误差放大电路还接入有一预设的基准电压信号，该电压误差放大电路的输出端连接 开关电源的初级功率控制电路，该电压误差放大电路用于对该电压跟随信号和开关电源的 输出电压信号进行求和得到求和信号，并将该求和信号与所述基准电压信号进行比较以输 出一个电压信号实现开关电源的闭环控制；当求和信号与所述基准电压信号相等时，该电 压误差放大电路无输出，该预设的基准电压限制所述电压跟随信号与开关电源最大允许的 输出电压为反向变化，从而限制开关电源允许的最大输出功率。2. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括一 NPN三极管Q' 1，其基极通过偏置电阻R' 1连接电压采样信号端，NPN三极管Q' 1的集电极接供 电端，NPN三极管Q ' 1的发射极通过一偏置电阻R ' 2接地，NPN三极管Q ' 1的发射极还与电压误 差放大电路的输入端连接。3. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路还可以包 括一运算放大器U2,其同相输入端通过电阻R'3连接电压采样信号Vref_I端，该运算放大器 U2的反相输入端与其输出端连接，该运算放大器U2的输出端连接电压误差放大电路的输入 端。4. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括PNP 三极管Q1、NPN三极管Q2，所述PNP三极管Q1的基极连接所述电压采样信号端，PNP三极管Q1 的集电极接地，PNP三极管Q1的发射极通过偏置电阻R2与供电端Vcc连接，PNP三极管Q1的发 射极还与NPN三极管Q2的基极连接;所述NPN三极管Q2的集电极与供电端Vcc连接，NPN三极 管Q2的发射极通过偏置电阻R3接地，NPN三极管Q2的发射极还与电压误差放大电路的一个 输入端连接，所述PNP三极管Q1、NPN三极管Q2的be结电压相等。5. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压误差放大电路包括 运算放大器U1、电阻R4、电阻R5、及连接于运算放大器U1输出端和反相输入端之间的电容 C1，所述运算放大器U1的反相输入端通过电阻R4连接于所述电压跟随电路的输出端，该输 入端还通过电阻R5与所述开关电源的输出电压端连接，该运算放大器U1的同相输入端与预 设的基准电压端连接，该运算放大器U1的输出端用于连接开关电源的初级功率控制电路。6. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，电压误差放大电路包括运算 放大器U'l、电阻R'4、电阻R'5、电阻R'6、及连接于运算放大器U'l输出端和反相输入端之间 的电容C'l，所述运算放大器U'l的同相输入端通过电阻R'4连接于所述电压跟随电路的输 出端，该输入端还通过电阻R'5与所述开关电源的输出电压端连接，该运算放大器U'l的反 相输入端通过电阻R'6与预设的基准电压端连接，该运算放大器U'l的输出端用于连接开关 电源的初级功率控制电路。7. 如权利要求4所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压跟随电路包括一 RC 滤波电路，该RC滤波电路的电阻R11-端连接于所述电压采样信号端，另一端连接于PNP三 极管Q1的基极，该RC滤波电路的电容C2-端连接于PNP三极管Q1的基极，另一端接地。8. 如权利要求1所述的次级过功率保护电路，其特征在于，所述电压误差放大电路还包 括电压基准电路，用于产生预设的基准电压，所述电压基准电路包括一 NPN三极管Q3、偏置 电阻R17、稳压二极管ZD1，所述NPN三极管Q3的发射极连接于运算放大器U1A的同相输入端， 其基极连接于稳压二极管ZD1的阴极，稳压二极管ZD1的阳极接地，所述NPN三极管Q3的集电 极与开关电源的输出电压端连接，偏置电阻R17连接于NPN三极管Q3的基极与集电极之间。9. 一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括主变压器T1，位于主变压器T1初级侧 的电源输入端，与电源输入端连接的初级功率控制电路，位于变压器T1次级侧的次级控制 电路，以及用于将次级控制电路的反馈信号传递到初级功率控制电路的隔离器件，所述次 级控制电路包括电流控制回路及如权利要求1~8所述的次级过功率保护电路，所述电压采 样信号由电流控制回路产生。10. 如权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述次级控制电路还包括二极管D1、二 极管D2,所述二极管D2的阴极连接于电流控制回路的输出端，其阳极连接于隔离器件的输 入端，所述二极管D1的阴极连接于所述电压误差放大电路的输出端，其阳极连接于隔离器 件的输入端。
【文档编号】H02H3/42GK205724840SQ201620124681
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月17日
【发明人】邓勇, 丁华, 王华轶
【申请人】深圳市赢新光电发展有限公司
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