一种半桥拓扑变换器短路保护电路及方法与流程

本发明涉及短路保护电路技术领域，具体地，涉及一种半桥拓扑变换器短路保护电路及方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用，并相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了直流开关电源。同时随着许多高新技术，包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术等技术的发展，开关电源技术在不断地创新，这为直流开关电源提供了广泛的发展空间。但是由于开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差，在使用过程中给用户带来很大不便。为了保护开关电源自身和负载的安全，根据了直流开关电源的原理和特点，设计了过热保护、过电流保护、过电压保护以及软启动保护电路。开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能，但在恶劣环境及意外事故条件下，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要，根据保护电路要求提出一种适合半桥拓扑结构变换器的短路保护电路。

半桥变换器原理如图1，VG1和VG2交互导通，Q10、Q20只承受一半的输入电压，C20、C30电容量相等，当Q10导通时，C30充电，C20放电。相反当Q20导通时，C20充电，C30放电。

开关电源的拓扑中，半桥变换器具有以下优点：一、变压器双向励磁，无变压器偏磁问题，磁心利用率较高。二、半桥式变换器电路具有较强的抗不平衡能力，能够有效地防止变压器在高频下的单向偏磁。三、开关管承受压降仅有输入电压的一半，而且由于变压器尖峰电压被开关管反并二极管钳位，开关管两端电压不会超过输入电压的一半，所以对开关管的耐压要求较低。所以在几百瓦----几千瓦的中小功率下，半桥电路应用相当广泛，所以在半桥电路中设计完善短路、过载保护电路尤为重要。

半桥拓扑过载、短路保护电路，一般采用电流互感器、电阻采样原边或者副边电流的大小，通过比较器或者放大器进行关断主控芯片的控制端处理，此种电路虽然保护迅速但是存在很多缺陷，第一、半桥峰值电流检测控制，在短路或者过功率发生时容易形成正反馈，导致电流大的半个周期越来越大，形成变压器快速偏磁，如LM5035控制芯片。第二、电压环路控制型芯片容易出现限流控制不及时，无法真实反映环路中电流的大小，如TL494控制芯片。第三，目前电压型控制型芯片如SI9122等，此类芯片无短路保护功能。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中半桥拓扑变换器短路保护电路不能有效保护半桥变换器的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种半桥拓扑变换器短路保护电路。

本发明实施例提供的一种半桥拓扑变换器短路保护电路，包括：波纹电压采集电路、整流滤波电路、第一运算放大器、第一电阻、时间控制电路；波纹电压采集电路的输入端用于采集半桥变换器的波纹电压，输出端通过整流滤波电路与第一运算放大器的正输入端相连；第一运算放大器的反输入端与第一基准电压相连，输出端与时间控制电路的输入端相连；第一电阻的一端与第一运算放大器的反输入端相连，另一端与第一运算放大器的输出端相连；时间控制电路用于通过调节器件参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间；时间控制电路的输出端用于与外部半桥变换器控制芯片的功能端口相连；且当时间控制电路的输入端为高电平时，输出端为低电平，当时间控制电路的输入端为低电平时，输出端为高电平。

在上述技术方案中，波纹电压采集电路包括第一电容和第二电阻；第一电容一端用于采集半桥变换器的波纹电压，另一端通过第二电阻后接地；且第一电容与第二电阻之间的连接节点为波纹电压采集电路的输出端。

在上述技术方案中，整流滤波电路包括：二极管、第二电容和第三电阻；二极管的阳极与波纹电压采集电路的输出端相连，阴极通过第三电阻与第二电容的一端相连，第二电容的另一端接地；第二电容和第三电阻之间的连接节点与第一运算放大器的正输入端相连。

在上述技术方案中，时间控制电路包括：第一三极管、第二三极管、第二运算放大器、第三电容、第四电阻、第五电阻和第六电阻；第四电阻的一端与第一运算放大器的输出端相连，另一端与第一三极管的集电极相连；第一三极管的基极和第二三极管的基极相连，且与第一三极管的集电极相连；第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连并接地；第五电阻的一端与第二基准电压相连，另一端与第三电容的一端相连，第三电容的另一端接地；第五电阻与第三电容的连接节点与第二三极管的集电极相连，并与第二运算放大器的正输入端相连；第二运算放大器的反输入端与第三基准电压相连，第六电阻的一端与第二运算放大器的反输入端相连，另一端与第二运算放大器的输出端相连；第二运算放大器的输出端为时间控制电路的输出端。

在上述技术方案中，第一三极管和第二三极管均为NPN型三极管；第一三极管和第二三极管的发射极面积相同。

在上述技术，第二基准电压大于第三基准电压。

在上述技术方案中，时间控制电路包括：第三运算放大器、第四电容、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻；第七电阻的一端与第一运算放大器的输出端相连，另一端与第四电容的一端相连；第四电容的一端还与第八电阻的一端相连，另一端接地；第八电阻和第四电容的连接节点与第三运算放大器的反输入端相连，且第八电阻的另一端接地；第九电阻的一端与第三运算放大器的正输入端相连，另一端与第四基准电压相连，第十电阻的一端与第三运算放大器的反输入端相连，另一端与第三运算放大器的输出端相连；且第三运算放大器的输出端为时间控制电路的输出端。

本发明是为了克服现有技术中半桥拓扑变换器短路保护电路不能有效保护半桥变换器的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种半桥拓扑变换器短路保护方法。

本发明实施例提供的一种半桥拓扑变换器短路保护方法，包括：根据上述的半桥拓扑变换器短路保护电路采集半桥变换器的波纹电压；对波纹电压进行整流和滤波处理，获取直流电压分量；将直流电压分量与基准电压进行比较，当直流电压分量大于基准电压时，确定半桥拓扑变换器短路保护电路输出低电平，控制半桥变换器控制芯片的功能端口的电平状态；并通过调节时间控制电路中器件的参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间。

在上述技术方案中，当半桥拓扑变换器短路保护电路的时间控制电路为上述包括第一三极管、第二三极管、第二运算放大器、第三电容、第四电阻、第五电阻和第六电阻的时间控制电路时，通过调节时间控制电路中器件的参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间，包括：

通过调节第一电阻和第六电阻分别控制第一运算放大器和第二运算放大器的翻转回差；

通过调节第四电阻控制镜像电流源的电流大小，并控制第三电容的放电时间；通过调节第五电阻控制第三电容的充电时间。

在上述技术方案中，当半桥拓扑变换器短路保护电路的时间控制电路为上述包括第三运算放大器、第四电容、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻的时间控制电路时，通过调节时间控制电路中器件的参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间，包括：

通过调节第一电阻和第十电阻分别控制第一运算放大器和第三运算放大器的翻转回差；通过调节第八电阻控制第四电容的放电时间。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

本发明实施例提供的一种半桥拓扑变换器短路保护电路及方法，通过半桥储能电容的纹波变化率，判定半桥电路的工作状态和电容的工作状态，在出现过载或者异常情况下进行保护动作。该电路无需额外使用互感器进行环路电流检测，短路或者过载时，电路反应准确、迅速，并且不影响半桥变换器的容性负载能力。在保证主电路不做任何更改的情况下增加该电路只是单纯增加短路保护功能，不对主电路有任何影响，可移植性强。同时，该电路的短路保护启动时间准确、可调，以保证开关电源的容性负载能力，真实反映电源工作状态，且自恢复时间可调。在半桥储能电容出现工作异常时，如纹波电流过大、ESR值异常、电容爆浆等故障发生时可及时触发保护，防止电容器纹波电流过大损坏电容，影响电源寿命，对电源起到保护作用。此外，在变压器快速偏磁情况下也可防止电源损坏。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中的半桥变换器的电路原理图；

图2为本发明实施例中半桥拓扑变换器短路保护电路的第一电路图；

图3为本发明实施例中半桥拓扑变换器短路保护电路的第二电路图；

图4为实施例一中半桥拓扑变换器短路保护电路的电路图；

图5为实施例一中半桥拓扑变换器短路保护电路的电路图；

图6为本发明实施例中半桥拓扑变换器短路保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

根据本发明实施例，提供了一种半桥拓扑变换器短路保护电路，图2为该电路的结构图，包括：波纹电压采集电路10、整流滤波电路20、第一运算放大器IC1A、第一电阻R1、时间控制电路30。

具体的，波纹电压采集电路10的输入端用于采集半桥变换器的波纹电压，该输入端具体可以与半桥变换器储能电容的连接节点相连(即图1中C20和C30的连接节点)。波纹电压采集电路10的输出端通过整流滤波电路20与第一运算放大器IC1A的正输入端相连；第一运算放大器IC1A的反输入端与第一基准电压Vref1相连，输出端与时间控制电路30的输入端相连。

第一电阻R1的一端与第一运算放大器IC1A的反输入端相连，另一端与第一运算放大器IC1A的输出端相连。该第一电阻R1为回差电阻，用于控制第一运算放大器IC1A的翻转回差。

时间控制电路30用于通过调节器件参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间；时间控制电路30的输出端用于与外部半桥变换器控制芯片的功能端口相连；该功能端口具体包括使能端、遥控端和缓启动端等，且功能端口低电平有效。当时间控制电路30的输入端为高电平时，输出端为低电平，当时间控制电路30的输入端为低电平时，输出端为高电平。

由于半桥变换器的开关管(图1中的VG1和VG2)使得储能电容(图1中的C20和C30)存在一定的交流电流分量，相应形成交流波纹电压，当发生电流过大或者短路时，储能电容C20和C30连接节点出的波纹电压会急剧增加，通过监控该点波纹电压的状况即可判断半桥变换器是否存在过流等问题。

具体的，本发明实施例提供的半桥拓扑变换器短路保护电路的具体工作过程如下：波纹电压采集电路采集波纹电压后，通过整流滤波电路对该波纹电压进行整流处理和滤波处理，得到波纹电压的直流分量，并与第一基准电压Vref1进行比较。当半桥变换器正常工作时，第一运算放大器的反输入端电压大于正输入端电压；当半桥变换器发生电流过大或者短路等问题时，波纹电压变大，第一运算放大器的反输入端电压小于正输入端电压，第一运算放大器的输出端翻转，输出高电平，进而时间控制电路输出低电平，将外部半桥变换器控制芯片的功能端口的电平状态拉低为低电平，从而半桥变换器停止工作。

本发明实施例提供的一种半桥拓扑变换器短路保护电路，通过半桥储能电容的纹波变化率，判定半桥电路的工作状态和电容的工作状态，在出现过载或者异常情况下进行保护动作。该电路不额外使用互感器进行环路电流检测，短路或者过载时，电路反应准确、迅速，并且不影响半桥变换器的容性负载能力。在保证主电路不做任何更改的情况下增加该电路只是单纯增加短路保护功能，不对主电路有任何影响，可移植性强。同时，该电路的短路保护启动时间准确、可调，以保证开关电源的容性负载能力，真实反映电源工作状态，且自恢复时间可调。在半桥储能电容出现工作异常时，如纹波电流过大、ESR值异常、电容爆浆等故障发生时可及时触发保护，防止电容器纹波电流过大损坏电容，影响电源寿命，对电源起到保护作用。此外，在变压器快速偏磁情况下也可防止电源损坏。

优选的，参见图3所示，波纹电压采集电路10包括：第一电容C1和第二电阻R2。其中，第一电容C1一端用于采集半桥变换器的波纹电压，具体可以与半桥变换器储能电容的连接节点相连，第一电容C1的另一端通过第二电阻R2后接地；且第一电容C1与第二电阻R2之间的连接节点为波纹电压采集电路10的输出端。

优选的，参见图3所示，整流滤波电路20包括：二极管D1、第二电容C2和第三电阻R3；二极管D1的阳极与波纹电压采集电路10的输出端相连，阴极通过第三电阻R3与第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端接地；第二电容C2和第三电阻R3之间的连接节点与第一运算放大器IC1A的正输入端相连。

其中，二极管D1用于对波纹电压进行整流处理，第二电容C2和第三电阻R3用于对整流后的波纹电压进行滤波处理。

下面通过两个实施例详细介绍该半桥拓扑变换器短路保护电路的结构。

实施例一

参见图4所示，在实施例一中，时间控制电路30包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第二运算放大器IC1B、第三电容C3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6。

具体的，第四电阻R4的一端与第一运算放大器IC1A的输出端相连，另一端与第一三极管Q1的集电极相连。第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极相连，且与第一三极管Q1的集电极相连；第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极相连并接地。

第五电阻R5的一端与第二基准电压Vref2相连，另一端与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端接地；第五电阻R5与第三电容C3的连接节点与第二三极管Q2的集电极相连，并与第二运算放大器IC1B的正输入端相连。

第二运算放大器IC1B的反输入端与第三基准电压Vref3相连，第六电阻R6的一端与第二运算放大器IC1B的反输入端相连，另一端与第二运算放大器IC1B的输出端相连；第二运算放大器IC1B的输出端即为时间控制电路30的输出端。

其中，第一三极管Q1和第二三极管Q2均为NPN型三极管；且第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极面积相同。第一三极管Q1、第二三极管Q2和第四电阻R4组成电流镜，由于第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极面积相同，流过第一三极管Q1和第二三极管Q2的电流也相同。同时，第二基准电压Vref2的电压值大于第三基准电压Vref3的电压值。

在实施例一中，该电路的工作过程具体如下：当半桥变换器正常工作时，第一运算放大器的输出端输出低电平，电流镜不工作，第二基准电压Vref2为第三电容充电；第二运算放大器的正输入端电压大于反输入端电压，输出高电平。当半桥变换器发生电流过大或者短路等问题时，波纹电压变大，第一运算放大器的输出端翻转，输出高电平；假设该高电平的电压值为Vre，则流过第一三极管Q1和流过第二三极管Q2的电流均为(Vre-0.7)/R4(R4为第四电阻R4的阻值)，从而第二三极管Q2以该电流为第三电容C3放电，当第三电容C3的电压值低于第三基准电压时，第二运算放大器的输出端翻转，输出低电平，从而将外部半桥变换器控制芯片的功能端口的电平状态拉低为低电平，半桥变换器停止工作。

当半桥变换器恢复正常工作时，第二基准电压Vref2为第三电容C3充电，第五电阻控制第三电容的充电时间；当第三电容的电压值大于第三基准电压时，第二运算放大器的正输入端电压大于反输入端电压，第二运算放大器输出高电平。

实施例二

参见图5所示，在实施例二中，时间控制电路30包括：第三运算放大器IC2B、第四电容C4、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10。

具体的，第七电阻R7的一端与第一运算放大器IC1A的输出端相连，另一端与第四电容C4的一端相连；第四电容C4的一端还与第八电阻R8的一端相连，另一端接地。

第八电阻R8和第四电容C4的连接节点与第三运算放大器IC2B的反输入端相连，且第八电阻R8的另一端接地。

第九电阻R9的一端与第三运算放大器IC2B的正输入端相连，另一端与第四基准电压Vref4相连。

第十电阻R10的一端与第三运算放大器IC2B的反输入端相连，另一端与第三运算放大器IC2B的输出端相连；且第三运算放大器IC2B的输出端为时间控制电路30的输出端。

在实施例二中，在实施例一中，该电路的工作过程具体如下：当半桥变换器正常工作时，第一运算放大器的输出端输出低电平，第三运算放大器的正输入端电压大于反输入端电压，输出高电平。当半桥变换器发生电流过大或者短路等问题时，波纹电压变大，第一运算放大器的输出端翻转，输出高电平，同时为第四电容C4充电，当第四电容的电压值高于第四基准电压时，第三运算放大器的输出端翻转，输出低电平，从而将外部半桥变换器控制芯片的功能端口的电平状态拉低为低电平，半桥变换器停止工作。

当半桥变换器恢复正常工作时，第四电容C4通过第八电阻进行放电；当第四电容的电压值小于第四基准电压时，第二运算放大器的正输入端电压大于反输入端电压，第二运算放大器输出高电平。

以上详细介绍了该半桥拓扑变换器短路保护电路的结构和功能，本发明实施例还提供一种半桥变换器短路的保护方法，该方法具体如下。

参见图6所示，本发明实施例提供的一种半桥拓扑变换器短路保护方法，包括：

步骤601：根据上述的半桥拓扑变换器短路保护电路采集半桥变换器的波纹电压。

步骤602：对波纹电压进行整流和滤波处理，获取直流电压分量。

步骤603：将直流电压分量与基准电压进行比较，当直流电压分量大于基准电压时，确定半桥拓扑变换器短路保护电路输出低电平，控制半桥变换器控制芯片的功能端口的电平状态；并通过调节时间控制电路中器件的参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间。

具体的，当半桥拓扑变换器短路保护电路为上述实施例一中的半桥拓扑变换器短路保护电路时，通过调节时间控制电路中器件的参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间，具体包括：

通过调节第一电阻和第六电阻分别控制第一运算放大器和第二运算放大器的翻转回差；通过调节第四电阻控制镜像电流源的电流大小，并控制第三电容的放电时间；通过调节第五电阻控制第三电容的充电时间。

优选的，当半桥拓扑变换器短路保护电路为上述实施例二中提供的半桥拓扑变换器短路保护电路时，通过调节时间控制电路中器件的参数控制半桥拓扑变换器短路保护电路的动作时间和恢复时间，具体包括：

通过调节第一电阻和第十电阻分别控制第一运算放大器和第三运算放大器的翻转回差；通过调节第八电阻控制第四电容的放电时间。

本发明实施例提供的一种半桥拓扑变换器短路保护电路及方法，通过半桥储能电容的纹波变化率，判定半桥电路的工作状态和电容的工作状态，在出现过载或者异常情况下进行保护动作。该电路无需额外使用互感器进行环路电流检测，短路或者过载时，电路反应准确、迅速，并且不影响半桥变换器的容性负载能力。在保证主电路不做任何更改的情况下增加该电路只是单纯增加短路保护功能，不对主电路有任何影响，可移植性强。同时，该电路的短路保护启动时间准确、可调，以保证开关电源的容性负载能力，真实反映电源工作状态，且自恢复时间可调。在半桥储能电容出现工作异常时，如纹波电流过大、ESR值异常、电容爆浆等故障发生时可及时触发保护，防止电容器纹波电流过大损坏电容，影响电源寿命，对电源起到保护作用。此外，在变压器快速偏磁情况下也可防止电源损坏。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图2-图6为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。