开关电源的输出保护电路的制作方法

本实用新型涉及一种开关电源的保护电路，特别涉及一种应用于为超级电容单体充电的开关电源的输出保护电路。

背景技术：

常见的超级电容具有充放电电流大、效率高、对环境污染小、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点而得到广泛应用，比如新能源汽车或者轨道列车的储能系统中，储存能量后用来驱动大电流、短时间工作的负载；然而，由于工艺原因，超级电容的额定电压一般比较低，单体超级电容的额定工作电压一般在2.8V左右，所以大多数情况下需要串联使用；又由于串联回路每个单体容量很难保证100％相同，也很难保证每个单体漏电也相同，使用或者放置一段时间后超级电容组内的单体与单体之间会存在一定的电压差问题，这就是电压不均衡问题，因此，一般情况下需要在超级电容组中给电容组内的各单体放置一个均衡模块，该均衡模块一般为DC/DC功率变换器，可以为超级电容组中电压较低的单体进行小电流(比如10A)充电(这里的小电流是相对于超级电容组的充电电流来说的，超级电容组的充电电流范围一般是500A乃至更高)，使该单体电压上升至一定电压值以保持与超级电容组中的其他单体电压相对均衡。然而，在大电流放电时，由于各单体的容值存在差异，在超级电容组放电过程中，超级电容组内部的电容量小的单体，有可能会因为过放电而出现负压，该负压同时施加在作为均衡模块的DC/DC功率变换器的输出端；由于作为均衡模块的DC/DC功率变换器的输出端为一个整流电路，常见的是二极管整流或者使用MOS管进行同步整流，上述的负压达到一定值后会使整流二极管或者MOS管的体二极管导通，如果该负压的电压值较大的话，对应的电流就大，有可能会烧坏作为均衡模块的DC/DC功率变换器的输出端，严重者将会导致火灾事故，甚至会导致使新能源列车造成车毁人亡的安全事故。

针对上述问题，其中一个现有的解决方法是在均衡模块的输出端与超级电容组中对应单体之间串联一个保险丝，这种方案在出现上述负压的情况下，当电流超过一定值后熔断，断开通电回路，可以有效对开关电源模块进行保护，但是该方案有个缺陷就是，保险丝通过额定电流后熔断不能自恢复，需要重新换装一个保险丝上去才能使均衡模块给单体均衡，浪费了人力、时间以及物料成本去维护。

其中另一种方法是使用继电器作为防反接保护器件，然而，若开关电源输出给超级电容充电的电流较大时，则需使用体积较大继电器作为防反接保护器件，对应的成本和产品体积均会增加。

还有一种现有的开关电源输出保护电路，见图1，包括驱动电路、检测电路和防反接MOS管TR1。为了防止输出端的超级电容单体Cn反接带来的负压(以超级电容单体Cn的负端为电压参考点，超级电容单体Cn的正端电压小于0V)施加在开关电源的输出端而烧坏开关电源，解决措施是在开关电源模块的输出端接一个防反接MOS管TR1连接在超级电容单体的负端和开关电源模块的输出-Vo端之间，检测电路检测开关电源输出端的电池(即超级电容单体)的电压极性，若无反接(即以超级电容单体Cn的负端为电压参考点，超级电容单体Cn的正端电压大于0V)则使能驱动电路，从开关电源的输出端经驱动电路给防反接MOS管的栅极提供一个电压使其导通，若检测电路检测到输出端的超级电容单体Cn反接(即以超级电容单体Cn的负端为电压参考点，超级电容单体Cn的正端电压小于0V)，则提供一个使能信号，使驱动电路停止工作，防反接MOS管TR1关断，起到防反接的保护作用。然而，实际应用中，采用该保护电路进行防止超级电容单体Cn出现负压或者极性反接保护时，由于提供给超级电容单体充电的开关电源输出电压为0～2.7V之间，最大为3V，在超级电容单体Cn未极性反接或者未出现负压时，开关电源正常工作，其输出正端+Vo输出的电压最大为3V，而一般的MOS管开启电压V_GS(th)为2.5V～4V之间，因此就算忽略驱动电路的分压，3V的输出电压施加在MOS管的栅极-源极上，MOS管并未导通或者导通状态处于导通电阻较大的水平，而不能进入饱和导通状态。因此造成开关电源不能正常给超级电容单体充电或者充电损耗大的情况，虽然依然具备防反接功能，但是开关电源的充电功能不能高效率的实现。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型要解决现有技术中的输出防反接保护电路中成本高，体积大，防反接开关管因驱动电压不足而不能导通或者导通电阻大的问题，提出一种开关电源的输出保护电路，能够在开关电源工作时，该保护电路同步低耗开通，开关电源模块正常为超级电容单体充电进行均衡，在开关电源不工作时，该保护电路能够同步可靠关断，防止开关电源的输出端存在的负压或者反接情况造成的损坏问题。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种开关电源的保护电路，包括高频变压器、辅助供电单元，稳压单元以及开关单元，在开关电源工作时所述的辅助供电单元耦合开关电源的高频变压器的能量经其内部整流滤波后输出一个直流电压，该电压经过稳压单元稳压后输送到开关单元上用于给开关单元提供辅助供电，使开关单元导通，开关电源正常给输出充电；在开关电源不工作时，辅助供电单元不工作，没有足够高的驱动电压施加到开关单元上，使开关单元同步可靠关断，保护开关电源不被可能存在的因输出端超级电容极性反接或者其他形式造成的负向电压而损坏；

所述的高频变压器包括原边绕组、副边绕组以及包括第三绕组，优选的，高频变压器的原边绕组和主功率开关串联，副边绕组和副边整流开关串联，第三绕组用做辅助供电单元的第三绕组；

所述的辅助供电单元包括第三绕组、第一二极管和第一电容组成；其中第三绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极与第一电容的一端连接并记为辅助供电单元的输出端A，第三绕组的异名端与第一电容的另一端相连并连接并记为辅助供电单元的输出参考点B；

所述的稳压单元包括第一电阻、第二电阻、第二电容，第一稳压二极管，第一NPN三极管；其中第一、第二电阻的一端相连并连接到辅助供电单元的输出端A，第一NPN三极管的集电极连接第一电阻的另一端，第一NPN三极管基极连接第二电阻的另一端和第一稳压二极管的阴极，第一NPN三极管发射极连接连接到第二电容的一端并记为稳压单元的输出端，第二电容的另一端与第一稳压二极管的阳极相连并连接到辅助供电单元的输出参考点B；

所述的开关单元包括第三电阻和第一MOS管以及端口D；其中第三电阻连接在第一MOS管的栅极和漏极之间，第一MOS管的栅极连接到稳压单元的输出端C，第一MOS管的源极连接到辅助供电单元的输出参考点B，第一MOS管的漏极与连接端口D。

优选的，MOS管TR1为N沟道增强型MOS管。

本实用新型还提供一种开关电源的输出保护电路，用于设置在开关电源与超级电容单体之间，包括辅助供电单元，稳压单元以及开关单元，开关单元包括MOS管TR1，辅助供电单元包括与开关电源的功率变压器耦合的绕组N3；在开关电源工作时，辅助供电单元的绕组N3耦合开关电源的功率变压器的能量并输出给稳压单元，经过稳压单元稳压后输送到开关单元，用以通过辅助供电单元提高开关单元的电压至满足MOS管TR1的饱和导通要求，保障开关单元工作在低导通电阻的工作状态；在开关电源不工作时，辅助供电单元不工作，使开关单元同步可靠关断。

优选的，所述的辅助供电单元，还包括二极管D1和电容C1，绕组N3的同名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极与电容C1的一端连接并作为辅助供电单元的输出正端，绕组N3的异名端与电容C1的另一端相连并共同连接副边地端。

优选的，所述的稳压单元，包括电阻R1、电阻R2、电容C2、稳压二极管Z1和NPN三极管Q1；其中电阻R1、电阻R2的一端相连并连接到辅助供电单元的输出正端，NPN三极管Q1的集电极连接电阻R1的另一端，NPN三极管Q1基极连接电阻R2的另一端和稳压二极管Z1的阴极，NPN三极管Q1发射极连接到电容C2的一端并作为稳压单元的输出正端，电容C2的另一端与稳压二极管Z1的阳极相连并共同连接副边地端。

优选的，所述的稳压单元，包括电阻R1和稳压二极管Z2，电阻R1的一端连接辅助供电单元的输出正端，电阻R1的另一端连接稳压二极管Z2的阴极并作为稳压单元的输出正端，稳压二极管Z2的阳极连接副边地端。

优选的，所述的开关单元，包括电阻R3和MOS管TR1，MOS管TR1的栅极与电阻R3的一端相连并连接到稳压单元的输出正端，MOS管TR1的源极与电阻R3的另一端相连并共同连接副边地端，MOS管TR1的漏极引出作为开关单元的输出负端，用于与超级电容单体的负端连接。

与现有技术相比，本实用新型开关电源的输出保护电路的有益效果是：在开关电源模块处于关机状态时，通过不给开关单元提供电压，关断开关，起到保护开关电源在不因为电池反接或者其他因素造成的反向电压而给开关电源模块造成损坏。在开关电源工作时，通过开关电源的高频变压器的一个绕组耦合变压器能量经整流滤波和稳压后提供一个足够高的直流电压，施加到开关单元的开关MOS管栅极上，使其饱和导通，开关电源正常、低耗地为后端负载提供供电，满足输出电压较低的时候的防反接应用场合，以保障开关电源的输出电压低于防反接MOS管TR1的导通门限电压Vgsth时输出保护电路仍能正常工作。

附图说明

图1为现有技术的输出防反接电路原理图；

图2为本实用新型实施例一的开关电源的输出保护电路的电路原理图；

图3为本实用新型实施例一的开关电源的输出保护电路应用于开关电源中的系统电路原理图；

图4为本实用新型实施例二的开关电源的输出保护电路的电路原理图。

具体实施方式

实施例一

请参阅图2，一种开关电源的输出保护电路，包括高频变压器T1、辅助供电单元201，稳压单元202以及开关单元203，在开关电源工作时辅助供电单元201耦合开关电源的高频变压器的能量经其内部整流滤波后输出一个直流电压，该电压经过稳压单元202稳压后输送到开关单元203上用于给开关单元203提供辅助供电，使开关单元203能得到足够高的驱动电压使其饱和导通，从而保障开关电源正常、低耗地给输出端的超级电容单体充电；在开关电源不工作时，辅助供电单元201不工作，没有足够高的驱动电压施加到开关单元203上，使开关单元203同步可靠关断，保护开关电源不因输出端超级电容极性反接或者其他形式造成的负向电压而损坏。

高频变压器T1，即为开关电源内的功率变压器，包括原边绕组Np、副边绕组Ns以及包括绕组N3，优选的，变压器的原边绕组Np和主功率开关串联，副边绕组Ns和副边整流开关串联，绕组N3用做辅助供电单元201的绕组N3。

辅助供电单元201包括绕组N3、二极管D1和电容C1组成；其中绕组N3为开关电源内的功率变压器的一个绕组，且绕组N3与功率变压器的原边绕组为正激关系；该绕组N3的同名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极与电容C1的一端连接并记为辅助供电单元201的输出正端A，绕组N3的异名端与电容C1的另一端相连并记为辅助供电单元201的输出参考点B。输出参考点B连接主功率电路的副边地端PGND_S。

稳压单元202包括电阻R1、电阻R2、电容C2、稳压二极管Z1和NPN三极管Q1，其中电阻R1、电阻R2的一端相连并连接到辅助供电单元201的输出正端A，NPN三极管Q1的集电极连接电阻R1的另一端，NPN三极管Q1的基极连接电阻R2的另一端和稳压二极管Z1的阴极，NPN三极管Q1的发射极连接到电容C2的一端并记为稳压单元202的输出端C，电容C2的另一端与稳压二极管Z1的阳极相连并连接到辅助供电单元201的输出参考点B。

开关单元203包括电阻R3和MOS管TR1以及端口D；其中电阻R3连接在MOS管TR1的栅极和源极之间，MOS管TR1的栅极还连接到稳压单元202的输出端C，MOS管TR1的源极还连接到辅助供电单元201的输出参考点B，MOS管TR1的漏极连接端口D。端口D用于与超级电容单体的负端连接，即主功率电路的副边地端PGND_S通过MOS管TR1的源极-漏极连接到超级电容单体的负端。

MOS管TR1为N沟道增强型MOS管。

结合图2和图3介绍本实施例开关电源的输出保护电路实现对开关电源进行保护的原理：

本实施例的开关电源的输出保护电路可以应用于一个基于反激变换器的开关电源中，见图3，开关电源包括主功率电路、控制电路以及本实用新型的输出保护电路，所述的控制电路有一个使能端EN，当使能端EN被触发时，控制电路不工作，驱动信号端DRV的输出PWM信号全为低电平，开关电源的主功率单元不工作。当控制电路工作时，该开关电源的输出为若干个超级电容单体组成的超级电容组中的一个单体Cn充电。该超级电容单体Cn的电压正常情况下是0V～2.7V之间，然而当所述超级电容组对外放电时，有可能会出现负压，即开关电源的Vo+与0V之间的电压为负压，在超级电容电压管理系统中，有检测电路实时检测超级电容各单体的电压，当检测到某一单体Cn存在负压时，会发出一个使能信号到对应开关电源模块的使能端EN使其控制电路不工作。

在该开关电源工作时：高频变压器T1的原边绕组与原边主开关管S1串联，原边绕组的同名端接输入，异名端接原边主开关管S1的漏极，主开关管S1的源极连接原边地端GND_P。绕组N3的同名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极与电容C1的一端连接并记为辅助供电单元的输出正端A，绕组N3的异名端与电容C1的另一端相连并记为辅助供电单元201的输出参考点B。输出参考点B连接主功率电路的副边地端PGND_S。

工作中的原边主开关管S1持续工作在导通和截止状态，在原边绕组Np上产生了一个有正有负的脉冲电压，副边绕组Ns耦合原边绕组Np的电压，经二极管D0、电容C0滤波后，输出到超级电容单体的正端；绕组N3耦合原边绕组Np的电压，也产生一个有正负的脉冲的电压，经二极管整流D1、电容C1滤波后，输出一个直流电压到稳压单元202，该直流电压经电阻R2限流后施加在稳压二极管Z1上，在稳压管Z1上形成电压，电阻R2限制流经稳压二极管Z1的电流，保证稳压二极管Z1的阴极电压稳定并防止该稳压二极管被过大的电流损坏，稳定的稳压二极管Z1的阴极电压提供给电压调整的三极管Q1的基极，稳压单元202的输出电压也就是三极管Q1的发射极电压，被稳定基极电压所钳位，形成稳定的输出电压输送到开关单元203的MOS管TR1的栅极-源极之间，以通过辅助供电单元201产生一个足够高的电压，提供给稳压单元202，再通过稳压单元202进行稳压，输出给开关单元203。稳压输出电压一般设计在10V～12V，该电压足够使防反接MOS管TR1饱和导通，即开关单元203充分导通，导通电阻小，使开关电源能正常、低耗地给超级电容充电。

在开关电源不工作时：由于开关电源不工作，开关电源的高频功率变压器不工作，辅助供电单元201的绕组N3没有耦合到变压器T1的能量，辅助供电单元201无法为后续的稳压单元202提供电压，稳压二极管Z1不工作，三极管Q1不工作，电容C2和MOS管TR1的栅极电容上的电荷经电阻R3放电，开关单元203的MOS管TR1没有被施加足够高的栅极-源极电压从而处于截止状态，内阻很大，相当于开路，即在开关电源不工作或者被使能控制不工作时，使开关单元203同步可靠关断，保护开关电源不因输出端超级电容极性反接或者其他形式造成的负向电压而损坏，从而起到保护开关电源的目的。

实施案例二

请详见图4，一种开关电源的输出保护电路，包括高频变压器T1、辅助供电单元301，稳压单元302以及开关单元303，在开关电源工作时，辅助供电单元301耦合开关电源的高频变压器的能量经其内部整流滤波后输出一个直流电压，该电压经过稳压单元302稳压后输送到开关单元303上，用于给开关单元303提供辅助供电，以通过辅助供电单元301产生一个足够高的电压，提供给稳压单元302，再通过稳压单元302进行稳压，输出给开关单元303。稳压输出电压一般设计在10V～12V，该电压足够使防反接MOS管TR1饱和导通，即使开关单元303充分导通，导通电阻小，从而保障开关电源正常、低耗地输出给超级电容充电；在开关电源不工作时，辅助供电单元301不工作，没有足够高的驱动电压施加到开关单元303上，使开关单元303同步可靠关断，保护开关电源不因输出端超级电容极性反接或者其他形式造成的负向电压而损坏。

优选的，高频变压器T1、辅助供电单元301、开关单元303结构及其原理与实施例一的高频变压器T1、供电单元201、开关单元203基本一致，不同之处在稳压单元302较实施例一中的稳压单元202稍有区别，即直接用一个电阻和一个稳压管来做稳压单元，元器件更少，成本更低，可应用于输入电压范围比实施例一稍窄的开关电源模块上面。一种开关电源的输出保护电路，其中，稳压单元302包括电阻R1和稳压二极管Z2，电阻R1的一端连接辅助供电单元301的输出端A，电阻R1的另一端连接稳压二极管Z1的阴极并记为稳压单元的输出端C，稳压二极管Z1的阳极连接到辅助供电单元301的输出参考点B。输出参考点B连接主功率电路的副边地端PGND_S。

稳压单元302的工作原理：当开关电源工作时，辅助供电单元301输出的电压经电阻R1限流后输送到稳压管Z2的阴极上，稳压管Z2的阴极上的电压被稳定在其稳压范围内，输出到开关单元303以控制开关单元的导通。在开关电源不工作时，辅助供电单元301不工作，没有足够高的驱动电压施加到开关单元303上，使开关单元303同步可靠关断，保护开关电源不因输出端超级电容极性反接或者其他形式造成的负向电压而损坏。其余工作原理与实施例一的基本相同，这里不再赘述。

以上实施例只是用于帮助理解本实用新型的改进及创新思想，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离发明原理的前提下，通过以上描述与举例能自然联想到的其它等同应用方案，以及对本实用新型进行若干的改进和修饰，比如换一种形式的稳压电路，比如把开关单元放在开关电源模块的外部以减小体积，比如换一种形式的功率拓扑，再比如加入TVS或者若干滤波电容等均落入本实用新型的权利要求书的保护范围。