一种开关电源及其短路保护方法与流程

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源及其短路保护方法。

背景技术：

开关电源是一种AC-DC或DC-DC转换单元，因其效率高、体积小、可靠性高而在工业领域广泛应用。开关电源多作为系统辅助供电单元，其工作的稳定性和可靠性至关重要。

在实际工作过程中，开关电源的输出会出现过流、短路以及过压等异常故障，此时，开关电源的关键器件(主功率开关管、副边整流管)会出现较高应力，容易导致器件损毁。尤其是开关电源的输出出现突然短路故障时，因短路瞬间开关电源的输出电流非常大，会导致开关电源的关键器件出现更高的应力。

但是，现有技术中传统的开关电源短路保护方法，大多存在保护响应速度慢的问题，在短路瞬间开关电源的关键器件仍会承受较大的应力，容易导致开关电源的损坏。为此需要一种保护电路，在电源发生短路时，能快速响应，降低故障时开关电源关键器件的应力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种开关电源及其短路保护方法，以解决现有技术中短路保护响应速度慢的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种开关电源，包括：功率变换电路、电源芯片、采样反馈电路和短路检测电路；其中：

所述功率变换电路的输入端为所述开关电源的输入端；所述功率变换电路的输出端为所述开关电源的输出端；所述功率变换电路用于通过其内部的开关管的切合，对接收的输入电压进行斩波变换和功率传递；

所述短路检测电路的输入端与所述功率变换电路的输出端相连，用于当所述开关电源出现输出短路故障时，生成并输出短路检测信号；

所述采样反馈电路的第一输入端与所述功率变换电路的输出端相连，所述采样反馈电路的第二输入端与所述短路检测电路的输出端相连，所述采样反馈电路的供电端与基准电压源相连；所述采样反馈电路用于检测所述功率变换电路的输出电压值，并根据所述短路检测信号生成并输出反馈信号；

所述电源芯片的反馈端与所述采样反馈电路的输出端相连；所述电源芯片的电源端通过第一电阻与所述功率变换电路的输入端相连；所述电源芯片的输出端与所述功率变换电路的控制端相连；所述电源芯片用于根据所述反馈信号，限制其输出端输出至所述开关管的PWM信号，直至其电源端接收的电源信号跌落至预设的欠压保护点，所述开关电源进入打嗝保护模式。

优选的，所述短路检测电路包括：第一三极管、第一电容、第一二极管和第二电阻；其中：

所述第一电容的一端为所述短路检测电路的输入端；

所述第一电容的另一端与所述第一三极管的发射极和所述第一二极管的阳极相连；

所述第一三极管的基极通过所述第二电阻与所述第一二极管的阴极和所述开关电源的输出地相连；

所述第一三极管的集电极为所述短路检测电路的输出端。

优选的，所述功率变换电路为隔离式反激式拓扑、隔离式正激式拓扑或者非隔离式BOOST拓扑。

优选的，所述功率变换电路为隔离式反激式拓扑，包括：变压器、所述开关管、第二二极管和第二电容；其中：

所述变压器的原边绕组的异名端为所述功率变换电路的输入端；

所述变压器的原边绕组的同名端与所述开关管的漏极相连；

所述开关管的源级接地；

所述开关管的栅极为所述功率变换电路的控制端；

所述变压器的副边绕组的同名端与所述第二二极管的阳极相连；

所述第二二极管的阴极与所述第二电容的一端相连，连接点为所述功率变换电路的输出端；

所述第二电容的另一端与所述变压器的副边绕组的异名端及所述开关电源的输出地相连。

优选的，还包括：基准维持电路；所述基准维持电路的输入端通过第三电阻与所述功率变换电路的输出端相连；所述基准维持电路的输出端与所述采样反馈电路相连；所述基准维持电路用于当所述开关电源出现输出短路故障时，为所述短路检测电路提供维持电压；

所述基准维持电路包括：第三二极管、稳压管和第三电容；其中：

所述第三二极管的阳极为所述基准维持电路的输入端；

所述第三二极管的阴极与所述稳压管的阴极和所述第三电容的一端相连，连接点为所述基准维持电路的输出端；

所述稳压管的阳极和所述第三电容的另一端及所述开关电源的输出地相连。

优选的，所述采样反馈电路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、可控精密稳压源、光耦和补偿环节；其中：

所述第四电阻的一端与所述基准维持电路的输出端相连；

所述第四电阻的另一端与所述光耦的阳极和所述第五电阻的一端相连；

所述第五电阻的另一端与所述光耦的阴极、所述可控精密稳压源的阴极及所述补偿环节的一端相连，连接点为所述采样反馈电路的输入端；

所述补偿环节的另一端与所述第六电阻的一端、所述第七电阻的一端和所述可控精密稳压源的参考极相连；

所述可控精密稳压源的阳极与所述第七电阻的另一端及所述开关电源的输出地相连；

所述第六电阻的另一端与所述功率变换电路的输出端和所述短路检测电路的输入端相连；

所述光耦的发射极接地；

所述光耦的集电极与所述第八电阻的一端相连，连接点为所述采样反馈电路的输出端；

所述第八电阻的另一端与所述基准电压源相连。

优选的，所述采样反馈电路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、运放芯片、光耦和补偿环节；其中：

所述第四电阻的一端与所述基准维持电路的输出端相连；

所述第四电阻的另一端与所述光耦的阳极和所述第五电阻的一端相连；

所述第五电阻的另一端与所述光耦的阴极、所述补偿环节的一端、所述运放芯片的输出端相连，连接点为所述采样反馈电路的输入端；

所述补偿环节的另一端与所述第六电阻的一端、所述第七电阻的一端和所述运放芯片的反相输入端相连；

所述第七电阻的另一端与所述开关电源的输出地相连；

所述运放芯片的同相输入端接收参考电压信号；

所述第六电阻的另一端与所述功率变换电路的输出端和所述短路检测电路的输入端相连；

所述光耦的发射极接地；

所述光耦的集电极与所述第八电阻的一端相连，连接点为所述采样反馈电路的输出端；

所述第八电阻的另一端与所述基准电压源相连。

优选的，所述运放芯片包括：运算放大器和外围RC器件；其中，所述运算放大器为所述电源芯片内部的运算放大器，或者所述电源芯片外部的高速运算放大器。

优选的，所述功率变换电路为非隔离式BOOST拓扑，包括：第一电感、所述开关管、第五二极管和第四电容；其中：

所述第一电感的一端为所述功率变换电路的输入端；

所述第一电感的另一端与所述开关管的漏极和所述第五二极管的阳极相连；

所述开关管的源级接地；

所述开关管的栅极为所述功率变换电路的控制端；

所述第五二极管的阴极与所述第四电容的一端相连，连接点为所述功率变换电路的输出端；

所述第四电容的另一端接地。

优选的，所述采样反馈电路包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻、运放芯片及补偿环节；其中：

所述第九电阻的一端与所述功率变换电路的输出端和所述短路检测电路的输入端相连；

所述第九电阻的另一端与所述第十电阻的一端、所述补偿环节的一端和所述运放芯片的反相输入端相连；

所述第十电阻的另一端接地；

所述补偿环节的另一端与所述运放芯片的输出端和所述第十一电阻的一端相连，连接点为所述采样反馈电路的输出端；

所述运放芯片的同相输入端接收参考电压信号；

所述第十一电阻的另一端与所述基准电压源相连。

优选的，所述运放芯片包括：运算放大器和外围RC器件；其中，所述运算放大器为所述电源芯片内部的运算放大器，或者所述电源芯片外部的高速运算放大器。

优选的，所述基准电压源为所述电源芯片上的上拉电压源或者所述开关电源外部的线性稳压电源。

一种开关电源的短路保护方法，应用于开关电源，所述开关电源包括：功率变换电路、电源芯片、采样反馈电路和短路检测电路；所述开关电源的短路保护方法包括：

当所述开关电源出现输出短路故障时，所述短路检测电路生成并输出短路检测信号；

所述采样反馈电路根据所述短路检测信号生成并输出反馈信号；

所述电源芯片根据所述反馈信号，限制其输出端输出至所述功率变换电路中开关管的PWM信号，直至其电源端接收的电源信号跌落至预设的欠压保护点，所述开关电源进入打嗝保护模式。

优选的，所述开关电源还包括：基准维持电路；所述开关电源的短路保护方法在所述短路检测电路生成并输出短路检测信号的步骤之前还包括：

所述基准维持电路为所述短路检测电路提供维持电压。

本申请提供的所述开关电源，由功率变换电路通过其内部的开关管的切合，对接收的输入电压进行斩波变换和功率传递；当所述开关电源出现输出短路故障时，通过短路检测电路能快速检测到输出短路故障，生成并输出短路检测信号；由采样反馈电路检测所述功率变换电路的输出电压值，并根据所述短路检测信号生成并输出反馈信号；再由电源芯片根据所述反馈信号，限制其输出端输出至所述开关管的PWM信号，实现了短路保护的快速执行；直至电源芯片的电源端接收的电源信号跌落至预设的欠压保护点，所述开关电源进入打嗝保护模式，可靠的实现了短路保护功能；通过快速且可靠的短路保护，在所述开关电源出现输出短路故障时，有效的抑制了所述开关电源关键器件的应力增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的一种开关电源的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的一种开关电源的电路图；

图3为本申请另一实施例提供的另一开关电源的电路图；

图4为本申请另一实施例提供的另一开关电源的电路图；

图5为本申请另一实施例提供的一种开关电源的短路保护方法的流程图；

图6为本申请另一实施例提供的另一开关电源的短路保护方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种开关电源及其短路保护方法，以解决现有技术中短路保护响应速度慢的问题。

具体的，所述开关电源，如图1所示，包括：功率变换电路101、电源芯片102、采样反馈电路103和短路检测电路104；其中：

功率变换电路101的输入端为所述开关电源的输入端；功率变换电路101的输出端为所述开关电源的输出端；

短路检测电路104的输入端与功率变换电路101的输出端相连；

采样反馈电路103的第一输入端与功率变换电路101的输出端相连，采样反馈电路103的第二输入端与短路检测电路104的输出端相连，采样反馈电路103的供电端与基准电压源相连；

电源芯片102的反馈端与采样反馈电路103的输出端相连；电源芯片102的电源端通过第一电阻R1与功率变换电路101的输入端相连；电源芯片102的输出端与功率变换电路101的控制端相连。

具体的工作原理为：

功率变换电路101用于通过其内部的开关管的切合，对接收的输入电压进行斩波变换和功率传递；

短路检测电路104用于当所述开关电源出现输出短路故障时，生成并输出短路检测信号；

采样反馈电路103用于检测功率变换电路101的输出电压值，并根据所述短路检测信号生成并输出反馈信号；

电源芯片102用于根据所述反馈信号，限制其输出端输出至所述开关管的PWM信号，直至其电源端接收的电源信号跌落至预设的欠压保护点，所述开关电源进入打嗝保护模式。

本实施例提供的所述开关电源，由功率变换电路101通过其内部的开关管的切合，对接收的输入电压进行斩波变换和功率传递；当所述开关电源出现输出短路故障时，通过短路检测电路104能快速检测到输出短路故障，生成并输出短路检测信号；由采样反馈电路103根据所述短路检测信号生成并输出反馈信号；再由电源芯片102根据所述反馈信号，限制其输出端输出至所述开关管的PWM信号，实现了短路保护的快速执行；直至电源芯片的电源端接收的电源信号跌落至预设的欠压保护点，所述开关电源进入打嗝保护模式，可靠的实现了短路保护功能；通过快速且可靠的短路保护，在所述开关电源出现输出短路故障时，有效的抑制了所述开关电源关键器件的应力增加。

本发明另一具体的实施例中，在图1的基础之上，如图2或图3所示，短路检测电路104包括：第一三极管Q1、第一电容C1、第一二极管D1和第二电阻R2；其中：

第一电容C1的一端为短路检测电路104的输入端；

第一电容C1的另一端与第一三极管Q1的发射极和第一二极管D1的阳极相连；

第一三极管Q1的基极通过第二电阻R2与第一二极管D1的阴极和所述开关电源的输出地SGND相连；

第一三极管Q1的集电极为短路检测电路104的输出端。

在具体的实际应用中，功率变换电路101可以为隔离式反激式拓扑、隔离式正激式拓扑或者非隔离式BOOST拓扑。

当功率变换电路101为隔离式拓扑时，所述开关电源的输出地SGND与所述开关电源输入端的地不同；当功率变换电路101为非隔离式拓扑时，所述开关电源的输出地SGND与所述开关电源输入端的地相连。

如图2所示，以功率变换电路101为隔离式反激式拓扑为例进行说明，其具体包括：变压器T、开关管Q2、第二二极管D2和第二电容C2；其中：

变压器T的原边绕组的异名端为功率变换电路101的输入端；

变压器T的原边绕组的同名端与开关管Q2的漏极相连；

开关管Q2的源级接地GND；

开关管Q2的栅极为功率变换电路101的控制端；

变压器T的副边绕组的同名端与第二二极管D2的阳极相连；

第二二极管D2的阴极与第二电容C2的一端相连，连接点为功率变换电路101的输出端；

第二电容C2的另一端与变压器T的副边绕组的异名端及所述开关电源的输出地SGND相连。

此时，如图2所示，所述开关电源还包括：基准维持电路105；

基准维持电路105的输入端通过第三电阻R3与功率变换电路101的输出端相连；基准维持电路105的输出端与采样反馈电路103相连。

基准维持电路105用于当所述开关电源出现输出短路故障时，为短路检测电路104提供维持电压。

具体的，基准维持电路105如图2所示，包括：第三二极管D3、稳压管D4和第三电容C3；其中：

第三二极管D3的阳极为所述基准维持电路的输入端；

第三二极管D3的阴极与稳压管D4的阴极和第三电容C3的一端相连，连接点为所述基准维持电路的输出端；

稳压管D4的阳极和第三电容C3的另一端及所述开关电源的输出地SGND相连。

优选的，采样反馈电路103如图2所示，包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、可控精密稳压源U1(TL431)、光耦U2和补偿环节；其中：

第四电阻R4的一端与所述基准维持电路的输出端相连；

第四电阻R4的另一端与光耦U2的阳极和第五电阻R5的一端相连；

第五电阻R5的另一端与光耦U2的阴极、可控精密稳压源U1的阴极及所述补偿环节的一端相连，连接点为采样反馈电路103的输入端；

所述补偿环节的另一端与第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端和可控精密稳压源U1的参考极相连；

可控精密稳压源U1的阳极与第七电阻R7的另一端及所述开关电源的输出地SGND相连；

第六电阻R6的另一端与功率变换电路101的输出端和短路检测电路104的输入端相连；

光耦U2的发射极接地GND；

光耦U2的集电极与第八电阻R8的一端相连，连接点为采样反馈电路103的输出端；

第八电阻R8的另一端与基准电压源Vup相连。

基准电压源Vup可以为电源芯片102上的上拉电压源或者所述开关电源外部的线性稳压电源，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

或者，采样反馈电路103如图3所示，包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、运放芯片U3、光耦U2和补偿环节；其中：

第四电阻R4的一端与所述基准维持电路的输出端相连；

第四电阻R4的另一端与光耦U2的阳极和第五电阻R5的一端相连；

第五电阻R5的另一端与光耦U2的阴极、所述补偿环节的一端、运放芯片U3的输出端相连，连接点为采样反馈电路103的输入端；

所述补偿环节的另一端与第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端和运放芯片U3的反相输入端相连；

第七电阻R7的另一端与所述开关电源的输出地SGND相连；

运放芯片U3的同相输入端接收参考电压信号；

第六电阻R6的另一端与功率变换电路101的输出端和短路检测电路104的输入端相连；

光耦U2的发射极接地GND；

光耦U2的集电极与第八电阻R8的一端相连，连接点为采样反馈电路103的输出端；

第八电阻R8的另一端与基准电压源Vup相连。

图3中的运放芯片U3包括：运算放大器和外围RC器件；其中，所述运算放大器为电源芯片102内部的运算放大器，或者电源芯片102外部的高速运算放大器。

当功率变换电路101采用隔离式反激式拓扑进行功率变换时，由可控精密稳压源U1(如图2所示的TL431)或者图3中的运放芯片U3配合外围电路组成反馈回路，通过光耦U2的传输将反馈信号CTRL传递至电源芯片102的反馈端，产生PWM波，以驱动开关管Q2进行斩波；短路检测电路104由第一三极管Q1、第一电容C1、第一二极管D1以及第二电阻R2构成；当所述开关电源出现输出短路工作时，短路检测电路104能快速检测到输出短路故障，增加光耦U2输入侧二极管的正向电流；进而使电源芯片102的反馈端接收电压下降的反馈信号CTRL，限制电源芯片102的PWM输出；基准维持电路105由第三二极管D3、稳压管D4和第三电容C3构成，当所述开关电源出现输出短路工作时，因第三二极管D3的单向导电性，第三电容C3上的电压VRef可以得以维持。

具体的，当所述开关电源正常工作时，第一电容C1通过路径Vo1→C1→D1(方向左负右正，C点与B点之间的电压VCB＝Vo1)被所述开关电源的输出充满电，第一三极管Q1不导通，基准维持电路105为电压环提供电压基准VRef。

当所述开关电源出现输出短路故障时，C点电压下降，由于第一电容C1的两端电压不会突变，B点电压相对于所述开关电源的输出地SGND为负。此时，第一三极管Q1导通，其集电极和发射极之间流过电流IS1，光耦U2输入侧二极管的正向电流增加，通过光耦U2隔离传输至原边。原边电流Is2增加，拉低电源芯片102的反馈端接收的反馈信号CTRL的电压，快速限制电源芯片102的PWM输出。基准维持电路105为短路检测电路104持续供电，电源芯片102的反馈端接收的反馈信号CTRL的电压持续被拉低，限制PWM输出，直至电源芯片102的电源端Vcc跌落至预设的所述芯片欠压保护点，进入打嗝模式，最终实现电源输出短路故障的快速可靠保护。

另外，本实施例提供的所述开关电源，仅增加几个简单器件，比如三极管、二极管、电容及电阻，即可实现上述短路故障的检测和保护，快速可靠执行短路保护功能。电路结构简单，成本低廉，容易实现，对于量产应用的开关电源来说很有优势。

本发明另一具体的实施例中，在图1的基础之上，如图4所示，短路检测电路104包括：第一三极管Q1、第一电容C1、第一二极管D1和第二电阻R2；其中：

第一电容C1的一端为短路检测电路104的输入端；

第一电容C1的另一端与第一三极管Q1的发射极和第一二极管D1的的阳极相连；

第一三极管Q1的基极通过第二电阻R2与第一二极管D1的阴极和所述开关电源的输出地SGND相连；

第一三极管Q1的集电极为短路检测电路104的输出端。

优选的，如图4所示，当功率变换电路101为非隔离式BOOST拓扑时，所述开关电源的输出地SGND接地GND。功率变换电路101包括：第一电感L1、开关管Q2、第五二极管D5和第四电容C4；其中：

第一电感L1的一端为功率变换电路101的输入端；

第一电感L1的另一端与开关管Q2的漏极和第五二极管D5的阳极相连；

开关管Q2的源级接地GND；

开关管Q2的栅极为功率变换电路101的控制端；

第五二极管D5的阴极与第四电容C4的一端相连，连接点为功率变换电路101的输出端；

第四电容C4的另一端接地GND。

优选的，如图4所示，采样反馈电路103包括：第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、运放芯片U3及补偿环节；其中：

第九电阻R9的一端与功率变换电路101的输出端和短路检测电路104的输入端相连；

第九电阻R9的另一端与第十电阻R10的一端、所述补偿环节的一端和运放芯片U3的反相输入端相连；

第十电阻R10的另一端接地GND；

所述补偿环节的另一端与运放芯片U3的输出端和第十一电阻R11的一端相连，连接点为采样反馈电路103的输出端；

运放芯片U3的同相输入端接收参考电压信号；

第十一电阻R11的另一端与基准电压源Vup相连。

在具体的实际应用中，运放芯片U3包括：运算放大器和外围RC器件；其中，所述运算放大器为电源芯片102内部的运算放大器，或者电源芯片102外部的高速运算放大器。且基准电压源Vup为电源芯片102上的上拉电压源或者所述开关电源外部的线性稳压电源均可，此处不做具体限定。

功率变换电路101为非隔离式BOOST拓扑时，无需光耦隔离传输。基准电压源Vup即可为短路检测电路提供维持电压。

具体的，当所述开关电源正常工作时，第一电容C1通过路径Vo1→C1→D1(方向左负右正，C点与B点之间的电压VCB＝Vo1)被所述开关电源的输出充满电，第一三极管Q1不导通，基准电压源Vup通过第十一电阻R11即可为电压环提供电压基准。

当所述开关电源出现输出短路工作时，C点电压下降，由于第一电容C1两端电压不会突变，B点电压相对于所述开关电源的输出地SGND为负。当所述开关电源短路故障发生时，短路检测电路104动作，第一三极管Q1导通流过电流Is，无需光耦隔离传输，直接下拉电源芯片102的反馈端接收的反馈信号CTRL的电压，限制电源芯片102的PWM输出。基准电压源Vup通过第十一电阻R11为短路检测电路104持续供电，电源芯片102的反馈端接收的反馈信号CTRL的电压持续被拉低，限制PWM输出，直至电源芯片102的电源端Vcc跌落至预设的所述芯片欠压保护点，进入打嗝模式，最终实现电源输出短路故障的快速可靠保护。

另外，本实施例提供的所述开关电源，同样也是仅增加几个简单器件，即可实现上述短路故障的快速检测和保护，结构简单，成本低廉，易于量产。

本发明另一实施例还提供了一种开关电源的短路保护方法，应用于开关电源，所述开关电源包括：功率变换电路、电源芯片、采样反馈电路和短路检测电路；所述开关电源的短路保护方法如图5所示，包括：

当所述开关电源出现输出短路故障时，执行步骤S101、所述短路检测电路生成并输出短路检测信号；

S102、所述采样反馈电路根据所述短路检测信号生成并输出反馈信号；

S103、所述电源芯片根据所述反馈信号，限制其输出端输出至所述功率变换电路中开关管的PWM信号，直至其电源端接收的电源信号跌落至预设的欠压保护点，所述开关电源进入打嗝保护模式。

优选的，如图6所示，所述开关电源还包括：基准维持电路；所述开关电源的短路保护方法在步骤S101之前还包括：

S100、所述基准维持电路为所述短路检测电路提供维持电压。

具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上仅是本发明的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。