开关电源的过压保护电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种过压保护电路，尤其涉及一种开关电源的过压保护电路，属于电气开关技术领域。


背景技术：

2.开关电源是一种常用的功率转化装置，目前已经广泛应用于通讯、工控、医疗、照明灯领域。随着电子产品的普及，对电网的供电需求越来越高，供电电压的波动会变得更加复杂，不仅容易损坏电源内部的一些器件，对已有无输入过压保护的电源产品造成影响甚至损坏，而且还会造成后级系统无法正常工作。为维持开关电源在使用过程中的稳定性和可靠性，通常会才开关电源上设置各种保护电路，如图1所示，通常有输入过压保护，输入欠压保护，过载保护，输出过压保护，输出欠压保护等。
3.现有开关电源的输入过压保护电路有多种，如采用内部拥有输出过压保护机制的芯片，但是若不使用芯片控制电源环路，则无法启用，不仅价格贵，而且有的芯片不包含保护或者保护措施不及时；又如使用运放等搭建保护电路，在反馈采样处加入保护措施，但是这样有可能会造成环路紊乱。
4.可见，现有的线路结构较为复杂，不仅实现成本高，同时在输入电压较高时，电路损耗比较大，在产品工作时会增加产品的温升，导致可靠性下降，因此亟待改进。


技术实现要素：

5.为解决现有开关电源输入过压保护电路存在的线路结构较为复杂，实现成本高，电路损耗大的问题，本实用新型提供一种开关电源的过压保护电路，包括采样模块，过压保护模块和开关模块；
6.所述的采样模块的输入端连接开关电源的输出端，用于检测开关电源的输出电压，并生成采样电压信号输出；
7.所述的过压保护模块分别连接采用模块输出端和开关模块控制端；用于接收采样电压信号，在采样电压高于过压保护电压点时，输出控制电平给开关模块；
8.开关模块连接开关电源pwm模块的输入端或开关电源芯片的供电端；用于在控制电平的控制下进行导通或关断，以通过控制开关电源的pwm信号或供电电压，使开关电源进入过压保护状态。
9.进一步，所述的过压保护模块包括三极管q2-q5，以及电阻r0-r15；
10.开关电源的vcc端依次经电阻r1、r2、r3连接gnd端；电阻r1、r2的公共端连接三极管q2的集电极，三极管q2的发射极连接电阻r2、r3的公共端，三极管q2的基极连接采样模块的输出端；电阻r1、r2的公共端依次经电阻r4、r0连接gnd端；
11.开关电源的vcc端依次经电阻r6、r5连接电阻r2、r3的公共端；电阻r4、r0的公共端连接三极管q5的基极，三极管q5的集电极连接电阻r6、r5的公共端，三极管q5的发射极连接电阻r2、r3的公共端；电阻r6、r5的公共端依次经电阻r7、r8连接gnd端；
12.开关电源的vcc端经电阻r9连接三极管q3的集电极，三极管q3的基极连接电阻r7、r8的公共端，三极管q3的发射极连接电阻r12连接gnd端；
13.开关电源的vcc端经电阻r10连接三极管q4的集电极，三极管q4的基极连接电阻r9、三极管q3的公共端，三极管q4的发射极连接电阻r11连接gnd端；且电阻r10和三极管q4的公共端连接开关模块的控制端。
14.更进一步，所述的三极管q2的基极经电阻r13连接采样模块的输出端。
15.更进一步，所述的三极管q2-q5采用npn的三极管。
16.进一步，所述的采样模块包括电阻r14、r15；开关电源的vout端依次经电阻r14、r15连接gnd端；电阻r14、r15的公共端为采样模块的输出端。
17.进一步，所述的开关模块采用mos管，继电器或者igbt。
18.更进一步，所述的开关模块采用mos管q1；过压保护模块的输出端连接mos管q1的栅极，mos管q1的源级连接pwm模块的输入端，其漏极接地。
19.上述技术方案的工作原理如下：当采样电压到达保护值时，过压保护模块输出高电平，通过mos管q1将控制信号pwm或开关电源供电端锁死在低电平，此时功率器件不工作；当采样电压到达未保护值时，过压保护模块输出低电平，开关电源的驱动将会恢复，此时功率器件正常运行。并且，保护值和恢复值之间存在一个电压差，保护值会大于恢复值，避免了频繁保护行为的发生。
20.综上，本实用新型提出一种利用晶体管搭成的开关电源的过压保护电路，具有通用性高、成本低，可靠性高等优点，提高了开关电源的保护能力，降低了损坏的可能性，提高了使用的安全性，延长了使用寿命，并降低了制造的成本。
附图说明
21.图1为现有技术中开关电源电压保护电路的原理框图；
22.图2为本实用新型的控制原理框图；
23.图3为本实用新型中电压采样模块的电路图。
具体实施方式
24.下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
25.如图2所示，现有技术中，开关电源包括输入端，输出端，功率部分，pwm模块、环路控制模块等，且功率部分经pwm模块连接环路控制模块，实现对功率器件的控制。
26.本实用新型包括采样模块，过压保护模块和开关模块。采样模块的输入端连接开关电源输出端，其输出端连接过压保护模块的输入端，过压保护模块的输出端连接开关模块的控制端，开关模块连接开关电源pwm模块的输入端或开关电源芯片的供电端。
27.上述电路的工作原理如下：采样模块用于将开关电源转换成采样电压输入过压保护模块。当采样电压到达保护值时，过压保护模块输出控制电平给开关模块使之导通，开关模块通过将pwm模块输入端或开关电源芯片的供电端锁死在低电平，使开关电源进入过压
保护状态，此时功率器件不工作；当采样电压到达未保护值时，过压保护模块输出控制电平给开关模块使之关断，开关电源的驱动或供电将会恢复，此时功率器件恢复正常运行。
28.如图3所示，采样模块包括电阻r14、r15；开关电源的vout端依次经电阻r14、r15连接gnd端；电阻r14、r15的公共端为采样模块的输出端vin。其中，vout端为开关电源的输出端，采样模块利用电阻r14、电阻r15对vout端的输出电压进行采样，并向过压保护模块输出采样电压vin。
29.如图3所示，所述的过压保护模块包括三极管q2-q5，以及电阻r0-r15；具体电路连接关系如下：
30.开关电源的vcc端依次经电阻r1、r2、r3连接gnd端；电阻r1、r2的公共端连接三极管q2的集电极，三极管q2的发射极连接电阻r2、r3的公共端，三极管q2的基极为过压保护模块的输入端；实施时，三极管q2的基极也可以经电阻r13连接采样模块的输出端vin。电阻r1、r2的公共端依次经电阻r4、r0连接gnd端。
31.开关电源的vcc端依次经电阻r6、r5连接电阻r2、r3的公共端；电阻r4、r0的公共端连接三极管q5的基极，三极管q5的集电极连接电阻r6、r5的公共端，三极管q5的发射极连接电阻r2、r3的公共端；电阻r6、r5的公共端依次经电阻r7、r8连接gnd端。
32.开关电源的vcc端经电阻r9连接三极管q3的集电极，三极管q3的基极连接电阻r7、r8的公共端，三极管q3的发射极连接电阻r12连接gnd端；
33.开关电源的vcc端经电阻r10连接三极管q4的集电极，三极管q4的基极连接电阻r9、三极管q3的公共端，三极管q4的发射极连接电阻r11连接gnd端；且电阻r10和三极管q4的公共端为过压保护模块的输出端vo。
34.上述技术方案中，vcc端是开关电源内部辅助电源5v(也可以是3.3或者其他)分出来的供电端，并且利用电阻r1、r2、r3对vcc端的输出电压进行分压；利用电阻r1、r4、r0对vcc端的输出电压进行分压；利用电阻r6、r5、r3对vcc端的输出电压进行分压；利用电阻r6、r7、r8对vcc端的输出电压进行分压；利用电阻r14和r15对vout端的输出电压进行分压。当vin端输出高电平时，三极管q3导通，三极管q4截止，vo端输出高电平；当vin端输出低电平时，三极管q3截止，三极管q4导通，vo端输出低电平，表示未过压。实施时，三极管q2-q5全部采用npn的三极管。
35.如图3所示，开关模块采用mos管q1；过压保护模块的输出端连接mos管q1的栅极，mos管q1的源级连接pwm模块的输入端，其漏极接地。实施时，开关模块除了采用mos管q1，也可以采用其他开关器件代替，如继电器，igbt等。除了图3中所示，本实用新型可以通过mos管q1去拉低驱动，也可以通过mos管q1去控制开关电源芯片的供电端。
36.由上述可知，本实用新型在开关电源输出电压过高时开启过压保护功能，具体工作原理和过程如下：
37.a、当vout端的输出电压太高时：
38.利用电阻r14和r15对开关电源的输出vout进行分压，得到采用电压vin，并输入到三极管q2的基极中。
39.采样电压vin达到三极管q2基极的启动电压，使得三极管q2处于导通状态，电阻r2被短路掉；进而降低了三极管q1基极的电压，使得三极管q1处于截止状态；进而提高三极管q3基极的电压，使得三极管q3处于导通状态；进而拉低了三极管q4基极的电压，使得三极管
q4处于截止状态；此时，vo端输出高电平，表示开关电源输出过压。
40.高电平将会导通mos管q1。而mos管q1连接着pwm模块，pwm模块输出的是开关电源的驱动信号，当有驱动信号时，开关电源才会有输出电压，没有驱动信号，开关电源就不会有输出电压。一旦mos管q1导通，就会将pwm模块锁死在低电平，使得功率器件不工作。
41.可知，当三极管q2的基极电压达到保护值vinh时导通，输出端vo为高电平，mos管q1截止，过压保护启动，保护值vinh的计算公式如下：
[0042][0043][0044]
上式中，vin是采样模块的输出电压，并作为过压保护模块的输入电压；vf为三极管的pn节的压降，一般为0.2—0.7v；vout为开关电源的输出电压；vcc为开关电源的辅助电源的输出电压；r为电阻值。
[0045]
b、当vout端的输出电压不高时，采样电压vin未达到三极管q2基极的启动电压，使得三极管q2处于截止状态；进而三极管q1基极的电压处于高电平，使得三极管q1处于导通状态，电阻r5电阻被短路掉了；进而降低了三极管q3基极的电压，使得三极管q3处于截止状态；进而提高了三极管q4基极的电压，使得三极管q4处于导通状态；此时，vo端输出低电平，表示开关电源输出未过压，mos管q1截止，pwm信号不会被钳位，开关电源正常工作。
[0046]
可知，当三极管q2的基极电压降到未保护值vinl时截止，mos管q1导通，过压保护停止，未保护值vinl的计算公式如下：
[0047][0048]
要求保护值vinh和未保护值vinl之间存在一个电压差，使得保护值大于未保护值，这样做的目的是为了避免频繁保护行为的发生。通过计算，vinh大于vinl时就可以实现：当vin大于vinh时，过压保护模块的保护启动；当vin小于vinl时，过压保护模块的保护停止。
[0049]
举例如下：设置r0＝600，r1＝100，r2＝10000，r3＝10，r4＝600，r5＝10000，r6＝200，r7＝10，r8＝600，r9＝1000，r11＝1，r10＝1000，r12＝10，以上单位均为欧姆；vf＝0.5v。根据上文计算公式可得：vinh＝0.959v，vinl＝0.743v。
[0050]
当vin升到0.959v时，过压保护模块的vo端输出高电平，mos管q1导通，pwm模块被钳位到0v，此时功率器件不工作；当vin从大于0.959v慢慢下降到0.743v时，过压保护模块的vo端输出低电平，mos管q1不导通，过压保护取消，开关电源恢复运行状态。
[0051]
综上，当过压保护模块输入端的电压到达保护值时，过压保护模块输出高电平，通过mos管q1将pwm模块锁死在低电平，此时功率器件不工作；当过压保护模块输入端的电压到达未保护值时，过压保护模块输出低电平，开关电源恢复运行状态。
[0052]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领
域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。