CN101800467B - 一种开关电源的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源的保护电路，包括：检测单元，用于将开关电源的输出反馈信号与预设基准电压进行比较，根据比较结果相应生成高电平或低电平的电平信号；控制单元，用于根据检测单元生成的电平信号以及开关电源的使能信号，生成控制信号；放电单元，用于根据控制单元生成的控制信号，控制开关电源的实际输出端所对应的对地放电通路的导通或关断。该开关电源保护电路能够实现开关电源软启动到正常工作的平稳过渡。

Description

一种开关电源的保护电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种开关电源的保护电路。

背景技术

DC/DC开关电源的应用广泛。如图1所示，为开关电源中的输出相关电路结构，其中，主开关管11和同步开关管12之间的连接点即为开关电源的输出端SW。在使用开关电源时，一般将开关电源的输出端SW通过输出电感L和输出电容C接地，输出电感L和输出电容C之间的连接点作为开关电源的实际输出端VOUT。

为了防止开关电源启动时实际输出端VOUT输出的输出电压Vout产生较大的电压过冲、输出电感L中的电流产生较大的浪涌电流，会在开关电源中加入软启动控制，以使输出电压Vout和电感电流缓慢变化到某一预设值。常用的一种控制方法是：设置从0开始缓慢提升至预设值的基准电压，通过环路调整使得输出电压跟随基准电压从0逐渐升高至预设值，以避免输出电压的过冲。

但是，在实际应用中，实际输出端VOUT可能存在残留电压，使得输出电压Vout并不是从0开始上升。由于启动过程属于闭环控制，当检测到输出反馈信号高于所述缓慢升高的基准电压时，控制电路会通过导通同步开关管12以将输出电压Vout拉低，这样会长时间打开同步开关管12，使输出电压Vout经过输出电感L和同步开关管12持续放电。

在这种情况下，同步开关管12长时间导通，流过同步开关管12的反向电流非常大，增大了同步开关管12的损耗，以至超过其热限制，严重时会损坏同步开关管12。

为了解决该问题，目前常用的一种软启动保护电路如图2所示，将开关电源的输出反馈端FB连接第一比较器21的负相输入端，正相输入端连接一缓慢变化的基准电压SSREF。当开关电源准备启动时，对输出反馈信号和基准电压SSREF进行比较，如果输出反馈信号小于基准电压SSREF，开关电源正常启动；如果输出反馈信号大于基准电压SSREF，则关断主开关管11和同步开关管12，此时，基准电压SSREF仍然正常上升，直到高于输出反馈信号时，开关电源进入启动过程，主开关管11和同步开关管12交替导通。

但是，当实际输出端VOUT上的预存电压低于开关电源的预定输出电压，而启动过程中输出反馈信号大于基准电压SSREF时，则软启动的初始阶段主开关管11和同步开关管12同时关断，直到基准电压SSREF上升到大于输出反馈信号时，才正常的交替导通主开关管11和同步开关管12，从而使得开关电源的软启动过程中存在两种状态的切换，容易造成实际输出端VOUT的输出电压Vout波形不平滑；而且，如果实际输出端VOUT上的预存电压高于输出电压的预设值时，在整个软启动周期中，主开关管11和同步开关管12同时关断，软启动周期结束后才会通过环路调整将输出电压Vout调整到预设值，调整过程中仍可能出现输出电压Vout过冲的问题。基于以上问题可知，现有的软启动保护电路并无法保证开关电源软启动到正常工作的平稳过渡。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提供一种开关电源的保护电路，能够实现开关电源软启动到正常工作的平稳过渡。

为此，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种开关电源的保护电路，其特征在于，包括：

检测单元，用于将开关电源的输出反馈信号与预设基准电压进行比较，根据比较结果相应生成高电平或低电平的电平信号；

控制单元，用于根据检测单元生成的电平信号以及开关电源的使能信号，生成控制信号；

放电单元，用于根据控制单元生成的控制信号，控制开关电源的实际输出端所对应的对地放电通路的导通或关断。

其中，检测单元具体用于：当输出反馈信号小于预设基准电压时，生成高电平信号；当输出反馈信号大于预设基准电压时，生成低电平信号。

控制单元具体用于：

当检测单元生成高电平信号，所述使能信号为低电平信号时，生成低电平的控制信号；当检测单元生成低电平信号，所述使能信号为低电平信号时，生成高电平的控制信号。

所述放电单元具体用于：

当所述控制信号为高电平时，控制实际输出端所对应的对地放电通路导通；当所述控制信号为低电平时，控制实际输出端所对应的对地放电通路关断。

所述检测单元由第二比较器实现，所述第二比较器的正相输入端连接所述预设基准电压，负相输入端连接开关电源的输出反馈端；所述第二比较器的输出端输出所述电平信号。

所述控制单元包括RS锁存器以及非门；其中，

RS锁存器S端连接检测单元的输出端，R端连接使能信号，RS锁存器的输出端连接所述非门的输入端，所述非门的输出端输出所述控制信号。

所述控制单元包括D触发器以及非门；其中，

D触发器的D端连接电源电压，CLK端连接检测单元的输出端，R端连接使能信号，输出端连接所述非门的输入端，所述非门的输出端输出所述控制信号。

所述放电单元包括：第一开关管、第三电阻以及输出电感；其中，

第一开关管的栅极连接所述控制单元的输出端，源极接地，漏极通过第三电阻连接所述开关电源的输出端；所述开关电源的输出端通过输出电感连接开关电源的实际输出端。

对于上述技术方案的技术效果分析如下：

本发明开关电源的保护电路使开关电源在整个启动过程均工作在完全闭环控制下，而且，在开关电源启动前即可以对实际输出端VOUT中的输出电压Vout进行检测并通过开关电源的输出端SW对实际输出端VOUT储存的电荷进行放电，使得实际输出端VOUT的输出电压Vout能够从0开始正常完整的启动，实现开关电源软启动到正常工作的平稳过渡；而且，该保护电路实现相对简单，易于实现。

附图说明

图1为现有技术开关电源中输出相关电路结构示意图；

图2为现有技术开关电源的一种软启动保护电路结构示意图；

图3为本发明实施例开关电源保护电路结构示意图；

图4为本发明实施例开关电源保护电路的一种实现结构示意图；

图5为本发明实施例开关电源保护电路的另一种实现结构示意图。

具体实施方式

以下，结合附图详细说明本发明实施例开关电源保护电路的实现。

图3为本发明实施例开关电源保护电路结构示意图，如图3所示，该电路包括：

检测单元310，用于将开关电源的输出反馈信号与预设基准电压进行比较，根据比较结果相应生成高电平或低电平的电平信号。

具体的，检测单元310可以用于：当输出反馈信号小于预设基准电压时，生成高电平信号；当输出反馈信号大于预设基准电压时，生成低电平信号。

这个基准电压应设置为一个尽量接近于0的值，以便使得开关电源能够从接近于0的电压值开始启动。

控制单元320，用于根据检测单元310生成的电平信号以及开关电源的使能信号，生成控制信号。

控制单元320具体用于：当检测单元310生成高电平信号，所述使能信号为低电平信号时，生成低电平的控制信号；当检测单元310生成低电平信号，所述使能信号为低电平信号时，生成高电平的控制信号。

放电单元330，用于根据控制单元生成的控制信号，控制开关电源的实际输出端所对应的对地放电通路的导通或关断。

其中，所述放电单元330具体用于：当控制信号为高电平时，控制实际输出端所对应的对地放电通路导通；当控制信号为低电平时，控制实际输出端所对应的对地放电通路关断。

图4为图3所述的开关电源保护电路的一种具体的电路实现，如图4所示，其中，开关电源的输出端SW通过输出电感L和输出电容C接地。输出电感L和输出电容C之间的连接点为开关电源的实际输出端VOUT；实际输出端VOUT通过第一电阻R1和第二电阻R2接地，第一电阻R1和第二电阻R2的连接点为开关电源的输出反馈端FB。其中，对于固定输出的开关电源来说，第一电阻R1和第二电阻R2集成于开关电源内部，而对于可调输出的开关电源来说，第一电阻R1和第二电阻R2则由用户自主设置。如图4所示，所述保护电路包括：

开关电源的输出反馈端FB与第二比较器41的负相输入端连接，向第二比较器41的负相输入端输入开关电源的输出反馈信号；第二比较器41的正相输入端连接预设基准电压REF，第二比较器41的输出端连接RS锁存器42的S端。其中，当输出反馈端FB输出的输出反馈信号低于预设基准电压REF时，第二比较器41输出高电平信号，当输出反馈端FB输出的输出反馈信号高于预设基准电压REF时，第二比较器41输出低电平信号。

第二比较器41的输出端连接RS锁存器42的S端，RS锁存器42的R端连接开关电源的使能端EN，接收使能信号；RS锁存器42的输出端Q连接非门43的输入端，非门43的输出端连接第一开关管45的栅极。其中，当第二比较器41输出高电平信号，所述使能端EN输出的使能信号为低电平信号时，RS锁存器42输出高电平信号，进而通过非门43转换为低电平的控制信号；当第二比较器41生成低电平信号，所述使能信号为低电平信号时，RS锁存器42输出低电平信号，进而通过非门43转换为高电平的控制信号。

第一开关管45的栅极与非门43的输出端相连，源极接地，漏极通过第三电阻R3连接开关电源的输出端SW。

其中，所述第二比较器41构成的电路实现了检测单元310的功能。所述RS锁存器42和非门43组成的电路实现了所述控制单元320的功能，非门43输出端输出的电信号用于控制第一开关管45的打开或关断。而所述第一开关管45、第三电阻R3以及输出电感L构成了所述放电单元330中的所述实际输出端VOUT所对应的对地放电通路。

以上图4所示的保护电路的工作原理为：

当输出反馈端FB输出的输出反馈信号低于基准电压REF时，第二比较器41输出高电平，RS锁存器42输出为高电平，经过非门43反向后转换为低电平，该低电平信号控制第一开关管45关断，从而由第一开关管45、第三电阻R3以及输出电感L构成的放电通路关断；当输出反馈端FB输出的输出反馈信号高于基准电压REF时，第二比较器41输出低电平，进而RS锁存器42输出低电平，经过非门43反向后转换为高电平，该高电平信号控制第一开关管45打开，从而由第一开关管45、第三电阻R3以及输出电感L构成的放电通路导通，将实际输出端VOUT中储存的电量通过第三电阻R3以及输出电感L对地放电。

另外，所述控制单元320还可以通过D触发器以及非门实现，如图5所示的开关电源保护电路中，与图4所示的开关电源保护电路区别仅在于：将RS锁存器42替换为D触发器44，其中，D触发器44为上升沿触发，R端高电平清零输出，低电平无效。具体的连接结构为：

D触发器44的CLK端连接第二比较器41的输出端，R端连接使能端EN，D端接电源VIN，输出端接非门43的输入端。

图5所示的开关电源保护电路具体工作原理为：将第二比较器41的输出初态设置为低电平，当输出反馈信号大于基准电压REF时，第二比较器41输出仍为低电平，D触发器44输出低电平，经过非门43反向后控制第一开关管45打开；当输出反馈信号小于基准电压REF时，第二比较器41输出高电平，D触发器44输出高电平，经过非门43反向后控制第一开关管45关断。

本发明开关电源的保护电路使开关电源在整个启动过程均工作在完全闭环控制下，而且，在开关电源启动前即可以对实际输出端VOUT中的输出电压Vout进行检测并通过开关电源的输出端SW对实际输出端VOUT储存的电荷进行放电，不会出现现有技术中的所述状态切换的问题，而且，也不会出现所述调整过程中输出电压Vout可能发生过冲的问题。本发明实施例中的实际输出端VOUT的输出电压Vout能够从0开始正常完整的启动，实现了开关电源从软启动到正常工作的平稳过渡；而且，该保护电路实现相对简单，易于实现。

本方法从SW点通过输出电感L对开关电源实际输出端VOUT存储的电荷进行放电，而不是直接由实际输出端VOUT放电，一方面增加了放电的阻尼系数；另一方面避免了可调输出的开关电源没有VOUT端口而无法由实际输出端VOUT直接放电的问题，使得本保护电路可以同时应用于固定输出和可调输出两种开关电源，应用范围更为广泛。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种开关电源的保护电路，其特征在于，包括：

检测单元，用于将开关电源的输出反馈信号与预设基准电压进行比较，根据比较结果相应生成高电平或低电平的电平信号；所述预设基准电压应设置为一个接近于0的值，以便使得开关电源能够从接近于0的电压值开始启动；

控制单元，用于根据检测单元生成的电平信号以及开关电源的使能信号，生成控制信号；

放电单元，用于当所述控制信号为高电平时，控制实际输出端所对应的对地放电通路导通；当所述控制信号为低电平时，控制实际输出端所对应的对地放电通路关断；

所述放电单元包括：第一开关管、第三电阻以及输出电感；其中，所述第一开关管是独立于开关电源的一个外部开关管；

第一开关管的栅极连接所述控制单元的输出端，源极接地，漏极通过第三电阻连接所述开关电源的输出端；所述开关电源的输出端通过输出电感连接开关电源的实际输出端。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，检测单元具体用于：当输出反馈信号小于预设基准电压时，生成高电平的电平信号；当输出反馈信号大于预设基准电压时，生成低电平的电平信号。

3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，控制单元具体用于：

当检测单元生成高电平的电平信号，所述使能信号为低电平信号时，生成低电平的控制信号；当检测单元生成低电平的电平信号，所述使能信号为低电平信号时，生成高电平的控制信号。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述检测单元由第二比较器实现，所述第二比较器的正相输入端连接所述预设基准电压，负相输入端连接开关电源的输出反馈端；所述第二比较器的输出端输出所述电平信号。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述控制单元包括RS锁存器以及非门；其中，

RS锁存器S端连接检测单元的输出端，R端连接使能信号，RS锁存器的输出端连接所述非门的输入端，所述非门的输出端输出所述控制信号。

6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述控制单元包括D触发器以及非门；其中，

D触发器的D端连接电源电压，CLK端连接检测单元的输出端，R端连接使能信号，输出端连接所述非门的输入端，所述非门的输出端输出所述控制信号。

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