防反接保护电路的制作方法

本实用新型涉及开关电源，特别涉及一种可对电池充电的开关电源的防反接保护电路。

背景技术：

近年来随着绿色新能源产业的快速发展，电池也越来越多的被人们使用。但是无论在电池生产端，还是在电池使用端都存在一个问题，就是当电池的正负极被反接在开关电源系统中后，将严重影响电池寿命，同时也会将测试或者给电池充电系统的部分器件损坏。

对于防反接保护电路目前也有很多方式，但均不能应用于开关电源系统中，因为电池防反接回路中有两个特点：1、回路电流大；2、反接后，如果系统依然对电池充电，则相当于两个电压源串联短路在一起放电(如图1所示)，使得电池放电回路中器件可能受损，并且也缩短电池的使用寿命。

因此基于以上两点特殊性，首先，传统的利用二极管单向导电性做成的防反接保护电路，虽然结构简单，但是由于反接回路电流大，因此二极管规格选取难，并且损耗大，因此无法适应反接回路中的大电流应用场合。

其它防反接保护电路，还有利用MOS管作为开关管，利用电池正向接通时作为MOS管的开通信号，而当电池反接时，此MOS管无开关信号，MOS管关断，回路断开，以保护电池。但此电路在电池防反接保护电路中应用时，当电池反接后(一般情况下，即使电池反接，作为操作者，也很难发现这种异常，因此电池充电或者测试系统仍然会被上电)，如果对电池充电或者测试的系统依然上电，此时防反接MOS管就会被导通，此时相当于两个电压源串联短路放电模式，测试或者充电系统回路中的电流会非常大，输出端的功率器件及采样器件可靠性受到严重影响，并且也缩短了电池的寿命。或者说，此种防反接保护电路，在电池反接时，可以保护产品。但此时如果输入端上电，则防反接保护电路失效(产品输出端器件和电池组损伤)。

下面结合图2对现有方案进行描述。图2是一种电池防反接保护电路，其具体工作原理见专利：CN201320055131；利用MOS管作为控制开关，首先该电路有2个问题：1)、开关管Q11的画法有误，应该为P-MOS此电路才能起到作用，否则即使在正接的情况下，电池也只能依靠MOS管的体二极管进行放电，MOS管无法导通；2)、即使使用了P-MOS管后，在反接情况下二极管D11应该使用稳压管或者去掉，这样在反接情况下，开关管Q11的驱动脚才可以是可靠的高电平，开关管Q11被有效关断。

下面结合图3对现有方案进行描述。图3是一种电池防反接保护电路的原理图，包括防反接MOS管Q1、Q2及其采样和控制电路，电路实现原理见专利：CN201320615151。此方案实施后的效果有两点：1、利用MOS管作为防反接开关管，损耗小；2、电池反接情况下可以实现充电端和电池之间的电气隔离。然而使用的电路较为复杂，包括MCU控制芯片、以及隔离芯片和2颗MOS管。虽然可以实现防反接功能，但是在成本和体积层面，不利于低成本、小体积产品的实现。

技术实现要素：

本实用新型目的在于，提供一种能解决开关电源中电池反接时，电池测试或者充电系统上电后与电池串联短路放电，导致电池测试或者充电系统器件损坏的问题的防反接保护电路。

与此相应，本实用新型还提供一种解决电池反接时，导致电池及其相应系统损坏问题的防反接控制方法。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种防反接保护电路，用于开关电源中电池的防反接控制，包括与电池的两极相连接的第一电池端和第二电池端，还包括防反接开关和光耦反馈电路，防反接开关串联在电池的放电回路中，光耦反馈电路包括复用的电压环中的光耦OP1，在电池接反时，即第一电池端接电池负极、第二电池端接电池正极时，防反接开关断开，用以断开电池的放电回路；并且光耦OP1将光耦反馈电路检测到的反接信号传递到原边控制芯片的控制端，用以控制原边控制芯片不工作。

优选的，所述防反接开关采用MOS管，在电池接反时，防反接开关的栅极电压Vgs为低电平，防反接开关被关断；在电池正接时，防反接开关导通。

优选的，所述防反接开关采用MOS管，包括MOS管Q31，MOS管Q31的栅极分别与电阻R31的一端及电阻R33的一端连接，电阻R31的另一端与第一电池端相连；电阻R33的另一端与MOS管Q31的源极相连，MOS管Q31的漏极与第二电池端连接；MOS管Q31的栅-源极之间还并联稳压管ZD31，稳压管ZD31的阴极与MOS管Q31的栅极连接。

优选的，所述防反接保护电路，还包括投入保护开关，投入保护开关串联在电池的放电回路中，在系统上电后、原边控制芯片的供电电压建立之前，投入保护开关断开，用以在投入瞬间确保电池放电回路的断开。

优选的，所述投入保护开关采用MOS管，包括MOS管Q32，MOS管Q32的栅极分别与电阻R35的一端及第二电池端连接，MOS管Q32的漏极通过电阻R34接功率电路的输出端，MOS管Q32的源极与第二电池端连接。

优选的，所述光耦反馈电路，还包括二极管D31、电阻R310和二极管D32，光耦OP1包括光敏三极管和发光二极管，光敏三极管的集电极与原边控制芯片的控制端连接，光敏三极管的发射极接地；二极管D31、光耦OP1的发光二极管、电阻R310和二极管D32依次串联形成连接第二电池端与第一电池端的反接检测回路，在电池接反时，反接检测回路工作，用以控制原边控制芯片不工作。

优选的，所述光耦反馈电路，还包括二极管D31、电阻R310和二极管D32，光耦OP1包括光敏三极管和发光二极管，光敏三极管的集电极与原边控制芯片的控制端连接，光敏三极管的发射极接地；二极管D31、光耦OP1的发光二极管、电阻R310和二极管D32依次串联连接后，二极管D31的阳极与第二电池端连接，二极管D32的阴极与第一电池端连接。

本实用新型还提供一种防反接保护电路，用于电池的防反接控制，包括与电池的两极相连接的第一电池端和第二电池端，其特征在于：包括防反接开关和光耦反馈电路，防反接开关串联在电池的放电回路中，光耦反馈电路包括复用的电压环中的光耦OP1，还包括二极管D31、电阻R310和二极管D32，光耦OP1包括光敏三极管和发光二极管，光敏三极管的集电极与原边控制芯片的反馈端FB连接，光敏三极管的发射极接地；二极管D31、光耦OP1的发光二极管、电阻R310和二极管D32依次正向串联形成连接第二电池端与第一电池端的反接反馈回路，在电池接反时，反接反馈回路工作，用以控制原边控制芯片不工作。光耦反馈电路的正向串联所形成反接反馈回路的具体连接关系是，二极管D31的阳极与第二电池端相连，二极管D31的阴极与光耦OP1的发光二极管的阳极相连；光耦OP1的发光二极管的阴极与电阻R310的一端连接，电阻R310的另外一端与二极管D32的阳极相连，二极管D32的阴极与第一电池端相连。

优选的，所述防反接保护电路，还包括投入保护开关，投入保护开关串联在电池的放电回路中，投入保护开关采用MOS管，当电池接反时，在系统上电后、原边控制芯片的供电电压建立之前，投入保护开关断开，用以在投入瞬间确保电池放电回路的断开。

优选的，所述投入保护开关采用MOS管，包括MOS管Q32，MOS管Q32的栅极分别与电阻R35的一端及第二电池端连接，MOS管Q32的漏极通过电阻R34接功率电路的输出端，MOS管Q32的源极与第二电池端连接。

本实用新型再提供一种防反接控制方法，用于电池的防反接控制，包括如下步骤，

在电池接反时，即第一电池端接电池负极、第二电池端接电池正极时，防反接开关断开，用以断开电池的放电回路；并且光耦反馈电路的光耦传递反接信号到原边控制芯片，用以控制原边控制芯片不工作。

本实用新型的电池防反接保护电路，用MOS管作为防反接开关，MOS管的驱动控制信号利用电池正接时的压降开通MOS管；在电池反接时，MOS管低电平不导通，同时利用产品电压环的光耦将反接信号传输到产品原边，控制原边控制芯片的反馈脚或者使能脚被拉为低电平，因此可以实现通过产品原边和副边两个方面控制防反接MOS管不被导通(副边由于电池反接，所以MOS管驱动为低电平，防反接MOS管不导通；产品原边由于电压环光耦被导通，因此产品原边反馈或者使能脚被拉低，原边控制芯片不能工作，因此防反接MOS管也不能导通)，而且电池反接的情况下，原边控制芯片不工作，保障开关电源系统在反接这种异常情况下，处于一个稳定、可靠的保护状态。

并且传输反接信号的光耦和产品电压环光耦共用同一光耦，节约了防反接保护电路的成本，同时该电路具备在电池正接入电路后，具有电池自动和手动投入电路工作的控制功能。

本实用新型还公开了一种防反接的保护电路及控制方法，其中，防反接保护电路包括防反接电路12、电池反接后，反接信号传输到原边的电路13、电池投入工作电路11，本实用新型的总体构思为：当电池接反时，防反接MOS管Q31的栅极电压Vgs为低电平，此时防反接MOS管Q31关断，反接的电池无法在产品输出端形成放电回路；同时在电池反接后，光耦的1,2脚被导通，电流由OP1的1脚流向OP1的2脚，则光耦OP1的4脚被拉低，(反接信号传输到了产品的原边控制端)，此时即使输入端上电，由于产品原边控制芯片的FB脚(或者其它使能脚)此时为低电平，因此能量无法从产品原边传输到副边。在电池反接状态下，有效了保护的电池及整个系统。

但对于传统的防反接保护电路来说，只能保证在电池反接时，对产品无影响(产品不损坏)，但是当对电池充电或者测试系统的输入端上电时(对产品的输入端上电时)，防反接开关管依然会导通，原因是：对于产品的原边控制芯片，并没有得到副边电池反接的信号，因此产品仍然会按照正常的启动逻辑使整个产品工作，即产品的副边输出电压会被建立，在输出电压被建立时，防反接MOS管就会被导通，此时由于电池处于反接状态，就类似两个电压源(产品副边的输出电压为一个电压源，电池组作为另外一个电压源)串联在一起放电(如图1所示)，此时放电的电流将非常大，输出端的功率器件及采样器件可靠性受到严重影响，并且也缩短的电池的寿命。

电池投入工作电路，MOS管Q32电路，用于确保产品控制芯片的供电电压(VCC1)建立之前，产品输出端电池放电回路断开，这样就可以避免在产品输出端接上电池的瞬间(电池正接)，电池立即自动投入到电路中放电，可能导致整个系统逻辑失控。本文所用的MOS管Q32就可以有效的防止以上所述情况。

本实用新型所述的控制电池投入的功能，只有当VCC1电平建立后，才会导通放电回路的MOS管Q32(或者人为的开通电池投入MOS管Q32，给Q32的栅极信号GS-charge高电平)。

本实用新型还提供一种防反接的控制方法，在基于现有的防反接方案基础上，利用的电压环的光耦(电压环光耦在产品正常工作时，作为电压环使用，保持输出电压稳定；但在电池反接异常情况下时，作为传递反接信号使用，传递反接信号到原边控制端，拉低原边控制芯片的相关端口，使得能量不能从原边传输到副边)，将反接信号传输到原边，拉低原边的FB控制脚(或者其它控制脚)，此时即使产品输入端上电，整个产品也是不能工作的，能量无法从产品原边传输到副边，有效的保护了整个产品及反接的电池组，规避了传统的防反接保护电路的弊端。本实用新型所述的防反接保护电路成本低、可靠性高(电池反接时，整个系统处于非工作状态)。

与现有技术相比较，本实用新型所述的应用于电池防反接保护电路，其中一种电池防反接保护电路，MOS管Q31用于防止电池反接的开关，MOS管Q32用于电池投入保护的控制开关，光耦OP1用于产品电压环反馈和电池反接后反馈反接信号到原边，拉低原边控制信号，此时在反接情况下，即使原边上电，也不会有能量到达副边，防反接开关Q31不会被导通，整个系统和电池被有效的保护。

本实用新型有效的解决了电池反接时，电池测试或者充电系统上电后与电池串联短路放电，导致电池测试或者充电系统器件损坏问题，以及由于电池被短路放电而导致的电池寿命被缩短的问题。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、通过本实用新型所述的防反接保护电路，解决了电池反接时，电池测试或者充电系统上电后与电池串联短路放电，导致电池测试或者充电系统器件损坏问题。

2、通过本实用新型所述的防反接保护电路，解决了电池反接时，由于电池被短路放电而导致的电池寿命被缩短的问题。

3、通过本实用新型所述的防反接保护电路，复用了电压环光耦的功能，可以节约一个用于传递反接信号到原边的隔离器件，降低了电路成本。

附图说明

图1为现有防反接保护电路应用在电源系统中的等效短路放电示意图，其中，电池测试或者充电系统，在电池反接后，系统仍然上电时，电池被短路放电示意图；

图2为现有防反接保护电路应用在电源系统中的开关应用电路原理图，在现有技术中，防反接开关使用MOS管，但仅仅可以在输入不上电的情况下保护电池及其相应系统；

图3为现有防反接保护电路应用在开关电源系统中的系统电路原理图，在现有技术中，使用了MCU及隔离芯片等器件，增加了防反接保护电路的成本，限定了电路的应用的场合。

图4为本实用新型实施案例的防反接保护电路应用在开关电源中的电路原理图，在此实施例中，通过MOS管作为防反接开关，电池电压作为MOS管开关信号，并通过电压环光耦传输信号到原边。

具体实施方式

为简洁起见，开关电源的电池充电或者测试系统，以下简称为产品。对电池充电或者测试系统的输入端上电时，即是对产品的输入端上电时。原边控制电路一般采用控制芯片实现，也可称为原边控制芯片。对于芯片的引脚，也可称为端子或端。

以下结合附图对实用新型的原理和实施方式进行详细说明。

实施例一

下面结合图4对本实用新型实施例防反接保护电路进行详细的描述。图4是电池防反接保护电路应用在开关电源系统中的系统电路原理图，图中所示的系统电路，包括原边控制芯片及其它驱动主功率开关管的电路。其中，防反接保护电路，包括防反接电路12、电池反接后将反接信号传输到原边的光耦反馈电路13、电池的投入保护电路11，防反接电路12包括MOS管Q31、电阻R31、33和稳压二极管ZD31；光耦反馈电路13包括光耦OP1、二极管D31、D32和电阻R310；投入保护电路11包括MOS管Q32和电阻R35。光耦OP1同时作为产品电压环中的光耦。

本实用新型防反接保护电路的具体连接方式为：电阻R31的一端与第一电池端相连，另外一端与电阻R33、MOS管Q31的栅极及稳压管ZD31的阴极相连；电阻R33的另外一端与稳压管ZD31的阳极、MOS管Q31的源极相连；MOS管Q31的漏极与第二电池端、二极管D31的阳极相连；二极管D31的阴极与光耦OP1的原边1脚(即发光二极管的阳极)相连；光耦OP1的原边2脚(即发光二极管的阴极)与电阻R310的一端连接；电阻R310的另外一端与二极管D32的阳极相连；二极管D32的阴极与第一电池端相连。光耦OP1的副边3脚(即光敏三极管的发射极)接地；光耦OP1的副边4脚(即光敏三极管的集电极)与原边控制芯片的FB端(或者其它使能端)连接。正常情况下，第一电池端与电池的正极连接，第二电池端与电池的负极连接。

本实用新型防反接保护电路的工作原理为：当电池接反时，防反接MOS管Q31的栅极电压Vgs为低电平，防反接MOS管Q31关断，此时反接的电池无法在产品输出端形成放电回路；与此同时，电池反接使光耦反馈电路13开始工作，光耦的1,2脚被导通，反接电池的电流通过二极管D31、光耦OP1的1脚(即光耦的发光二极管阳极)和2脚(即光耦的发光二极管阴极)、电阻R310、二极管D32形成导通回路，以将反接信号传输到产品的原边控制芯片端，则光耦OP1的4脚被拉低。此时即使输入端上电，由于产品原边控制芯片的FB脚(或者其它使能脚)此时为低电平，因此能量无法从产品原边传输到副边。在电池反接状态下，有效了保护的电池及整个系统。

光耦OP1在电池正接时反馈输出模拟信号到原边，从而控制输出电压的稳定；在电池反接时，光耦不作为电压环使用，而是起信号传输作用，用于将光耦反馈电路13检测到的反接信号传输回原边控制芯片。

在电池正接时，由于二极管D31阴极的电压为正，肯定高于二极管D31阳极的负电压，因此此时二极管D31截止；由于电阻R37、R38的存在，因此二极管D32的阴极电压也必定高于二极管D32阳极电压，二极管D32截止)，此时即使产品输入端上电，由于原边控制芯片的FB脚此时为低电平，控制芯片无法输出驱动信号，以驱动产品原边功率开关管，因此能量无法从原边传输到副边，产品输出端电压无法建立，防反接MOS管可靠关断。

本实用新型防反接保护电路的优势还在于，光耦反馈电路13中的光耦OP1，是复用的电压环中的光耦，即光耦OP1与产品电压环中的光耦共用同一只光耦。光耦OP1依时间域分割为两个作用，被很好的利用，电池正接时光耦OP1作为电压环，反馈传输模拟信号，以维持产品输出电压的稳定；当电池反接时，光耦OP1作为信号检测的输出执行器件，传输开关信号到产品原边控制芯片，以拉低原边控制芯片的FB控制脚(或者其它控制脚)，使得电池反接时，包括原边控制芯片在内的整个产品完全处于待机状态，能量无法从原边传输到副边，有效的保护了整个产品及反接的电池组，规避了传统的防反接保护电路的弊端。并且大大简化了防反接的信号检测控制电路，还减少了再增加其它隔离器件作为传递反接信号到原边的成本。

本实用新型防反接保护电路的优势还在于，在原边控制信号被拉低后，产品的原边能量不能传输到副边，则产品的主功率变压器相当于产品原边与副边(电池端)之间的隔离带，排除了器件漏电流、寄生电容等不确定参数对反接状态中电池性能的影响，并且由于主变压器作为隔离器件，因此属于加强绝缘的范畴，有效保持产品原边和电池端之间的电气隔离性能，保证在电池反接情况下，电池被有效进行电气隔离保护，使后端操作电池的人员也处于安全隔离的保护范围。

本实用新型防反接保护电路的优势还在于，解决了传统的防反接保护电路的严重弊端，传统防反接保护电路，仅仅依靠图4的12模块进行防反接保护，只能保证在电池反接时，对产品无影响(产品不毁坏)，那么在产品输入端Vg上电时(即对电池充电或者测试系统的输入端上电时)，防反接开关Q31仍然会被导通，原因是：对于产品的原边控制芯片，在产品副边电池反接时，并没有得到副边电池反接的信号，因此产品仍然会按照正常的启动逻辑使整个产品工作，即产品的副边输出电压会被建立，在输出电压被建立时，防反接MOS管就会被导通。此时由于电池处于反接状态，就类似两个电压源(产品副边的输出电压为一个电压源，电池组作为另外一个电压源)串联在一起放电(如图1所示)，此时放电的电流将非常大，输出端的功率器件及采样器件可靠性受到严重影响，并且也缩短了电池的寿命。

本实用新型防反接保护电路的优势还在于，增加了电池投入保护电路11，用于在电池接入电路后(电池正接)，不会立即投入使用，以确保在产品的原边控制芯片的供电电压(VCC1)建立之前电池的放电回路断开，则可以避免在产品接上电池的瞬间(电池正接)，电池立即自动投入放电，则产品后端所相连的整个系统工作逻辑不受控，本文所用的MOS管Q32就可以有效的防止以上所述情况。因此加入电路11模块后，只有当产品的原边控制芯片的供电电压(VCC1)建立后，才会导通放电回路的MOS管Q32(或者人为的开通电池投入MOS管Q32，给GS-charge高电平)，输出端的电池放电回路才会被导通。供电电压建立，即意味着产品的输入端上电，属于正常的工作状态，由于电池与产品的副边输出端属于并联关系，一起给输出负载供电，因此如果没有电池投入开关的控制，则会导致在产品输入端不上电时，产品输出端挂上电池的瞬间，产品输出端所连接的系统就会开始工作。

本实用新型防反接保护电路的优势还在于，对于电池防反接功能，本实用新型防反接保护电路只需要1颗MOS管(Q31)和3颗贴片二极管(ZD31、D31、D32)及数颗贴片电阻即可，成本非常低。当使用2颗MOS管(Q31、Q32)后，本实用新型防反接保护电路还可以增加电池自动或者手动投入功能。

当然，本文所说的传递副边反接信号到原边的方式不止以上所述内容，还可是单独使用光耦或者隔离器件，或者以此方式拉低副边某个控制，达到使整个产品不工作的目的；另外，对于原边控制信号，可以是原边控制芯片的任意一个控制端口的，只要可以实现通过拉低或者拉高其控制信号的电平而使得整个产品不工作的目的。在此不再一一列举。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。