一种开关电源的输出保护系统的制作方法

本实用新型涉及开关电源输出保护领域，尤其涉及一种开关电源的输出保护系统。

背景技术：

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM) 控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

当开关电源输出短路或过载时，为了保护开关电源，会利用电源控制芯片直接进行切断保护。例如：通嘉科技公司的反激控制芯片LD7750，当输出短路或过载时，芯片将直接切除输出。故障解除时，需用户重新关断开启开关电源，才会再次有输出。而ST公司的控制芯片L6599，当输出短路或过载时，芯片也将直接切除输出，但短时间内会重启芯片一次以检查输出故障是否解除，若故障解除则继续正常工作；然而，长时间输出异常时，则直接切除输出，不再重启。

现有的开关电源在发生输出异常且解除了故障后，只能用户人为手动的重启开关电源，操作十分繁琐；或者，只能在短时间内重启一次，当无法在短时间内排除故障时，仍然需要人为手动重启开关电源，操作十分繁琐、不便。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种开关电源的输出保护系统，可以长时间不停重启电源控制芯片，无需人为手动地重启开关电源。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种开关电源的输出保护系统，包括：输出反馈电路，用于反馈开关电源的输出电压状况；单稳态施密特触发电路，与所述输出反馈电路电连接，用于根据所述输出反馈电路反馈的所述输出电压的状况，输出相应的电压信号；电源控制芯片；控制电路，与所述单稳态施密特触发电路、所述输出反馈电路和所述电源控制芯片电连接，用于根据所述单稳态施密特触发电路输出的所述电压信号，控制所述电源控制芯片的工作状态。

进一步，所述单稳态施密特触发电路包括：定时器芯片、RC并联子电路；所述定时器芯片的触发输入端与所述定时器芯片的信号输出端、所述RC并联子电路的一端和所述输出反馈电路电连接。

进一步，所述单稳态施密特触发电路包括：定时器芯片、辅助电源、第二电阻、第二电容、第三电容、RC并联子电路、第一二极管和第二二极管；所述定时器芯片的复位端和电压输入端与所述辅助电源电连接，阈值端和放电端与所述第二电阻的一端电连接，所述第二电阻的另一端与所述辅助电源电连接；所述定时器芯片的阈值端和放电端还与所述第二电容的一端电连接，所述第二电容的另一端接初级地；所述定时器芯片的接地端接初级地；所述定时器芯片的控制端与所述第三电容的一端电连接，所述第三电容的另一端接初级地；所述定时器芯片的触发输入端与所述RC 并联子电路的一端电连接，所述RC并联子电路的另一端接初级地；所述定时器芯片的信号输出端与所述第一二极管的阳极电连接；所述第一二极管的阴极与所述输出反馈电路电连接，所述第一二极管的阴极还与所述第二二极管的阳极电连接，所述第一二极管的阴极还与所述控制电路电连接；所述第二二极管的阴极与所述定时器芯片的触发输入端电连接。

进一步，所述RC并联子电路包括：第一电阻和第一电容；所述第一电阻和所述第一电容并列电连接。

进一步，所述控制电路包括：辅助电源、芯片电源、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一三极管、第二三极管和极性电容；所述辅助电源与所述第六电阻的一端电连接，还与所述第二三极管的发射极电连接；所述第六电阻的另一端与所述第二三极管的基极电连接；所述第二三极管的集电极与所述芯片电源电连接；所述第五电阻的一端与所述第二三极管的基极电连接，所述第五电阻的另一端与所述第一三极管的集电极电连接；所述第一三极管的发射极接初级地，所述第一三极管的基极与所述第三电阻的一端电连接，所述第一三极管的基极还与所述第四电阻的一端电连接；所述第三电阻的另一端与所述输出反馈电路和所述单稳态施密特触发电路电连接；所述第四电阻的另一端接初级地；所述极性电容的正极与所述芯片电源电连接，所述极性电容的负极接初级地。

进一步，所述输出反馈电路包括：稳压二极管、第八电阻、光耦合器、辅助电源、第三二极管和第七电阻、开关电源；所述稳压二极管的阴极与开关电源的输出端电连接，所述稳压二极管的阳极与所述第八电阻的一端电连接；所述第八电阻的另一端与所述光耦合器的阳极电连接；所述光耦合器的阴极接次级地，所述光耦合器的集电极与所述辅助电源电连接，所述光耦合器的发射极与所述第七电阻的一端电连接，所述光耦合器的发射极还与所述第三二极管的阳极电连接；所述第七电阻的另一端接初级地；所述第三二极管的阴极与所述单稳态施密特触发电路电连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

当开关电源发生输出异常后，控制电路会定时重启电源控制芯片，在开关电源的输出异常解除后，电源控制芯片可以自动重启，不需要人为手动地重启开关电源，操作方便、快捷，大大提高了用户的使用体验。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种开关电源的输出保护系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实用新型开关电源的输出保护系统一个实施例的电路结构示意图；

图2是本实用新型开关电源的输出保护系统一个实施例的逻辑关系示意图；

图3是图1中控制电路的电流流向图；

图4是555定时器芯片构成的单稳态施密特触发电路一个实施例的时序图；

图5是利用555定时器芯片构成开关电源的输出保护系统的一个实施例的波形图；

图6是本实用新型U_a和U_b电压上升的时间示意图；

图7是本实用新型开关电源的输出保护系统另一个实施例的波形图。

附图标号说明：

10.单稳态施密特触发电路，20.控制电路，30.输出反馈电路。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

在本实用新型的一个实施例中，如图1、图2所示，一种开关电源的输出保护系统，包括：输出反馈电路30，用于反馈开关电源的输出电压状况；单稳态施密特触发电路10，与所述输出反馈电路30电连接，用于根据所述输出反馈电路反馈的所述输出电压的状况，输出相应的电压信号；电源控制芯片(图中未示出)；控制电路20，与所述单稳态施密特触发电路10、所述输出反馈电路30和电源控制芯片电连接，用于根据所述单稳态施密特触发电路输出的所述电压信号，控制所述电源控制芯片的工作状态。

具体的，输出反馈电路的输出端V_o和单稳态施密特触发电路的输出端 (单稳态施密特触发电路的定时器芯片的信号输出端)电连接，单稳态施密特触发电路的输出端还与控制电路中的第三电阻R₃电连接。输出反馈电路、单稳态施密特触发电路和控制电路之间的逻辑关系可以参考图2，单稳态施密特触发电路根据输出反馈电路的反馈的输出电压状态来输出相应的电压信号给控制电路，从而使控制电路控制电源控制芯片的工作状态。

当开关电源发生输出异常后，控制电路会定时重启电源控制芯片，在开关电源的输出异常排除后，可以顺利自动重启，不需要当故障解除时人为手动地重启开关电源(即无需手动地关闭及开启市电或其他类型控制电源，以达到让开关电源重启的目的)，操作方便、快捷，大大提高了用户的使用体验。

优选地，单稳态施密特触发电路包括：(555)定时器芯片、RC并联子电路；所述(555)定时器芯片的触发输入端(2脚)与所述(555)定时器芯片的信号输出端(3脚)、所述RC并联子电路的一端和所述输出反馈电路的输出端(V_o)电连接。

具体的，本实用新型中利用555定时器芯片构成典型的单稳态施密特触发电路，结构简单，易于推广。555定时器芯片构成典型的单稳态施密特触发电路其主要实现的功能为当2脚由高电平变为低电平时，3脚则由低电平变为高电平并维持一段时间，从而使控制电路给电源控制芯片供电。

当开关电源出现输出故障时，本实用新型利用555定时器芯片的触发原理，定时让控制电路给电源控制芯片供电，使其定时让开关电源重启，检查故障是否解除，无需当输出故障解除时，手动执行关闭及开启市电等操作，操作更智能化、更方便化。

在本实用新型的另一个实施例中，如图1所示，除与上述相同的之外，所述单稳态施密特触发电路包括：

(555)定时器芯片、辅助电源V_cc、第二电阻R₂(用于限流)、第二电容C₂(用于储能)、第三电容C₃(用于滤波)、RC并联子电路、第一二极管D₁(利用二极管的单向导通性能，防止电压反灌)和第二二极管D₂(利用二极管的单向导通性能，防止电压反灌)；

(555)定时器芯片的复位端(4脚)和电压输入端(8脚)与所述辅助电源V_cc电连接，阈值端(6脚)和放电端(7脚)与所述第二电阻R₂的同一端电连接，所述第二电阻R₂的另一端与所述辅助电源V_cc电连接；

所述(555)定时器芯片的阈值端(6脚)和放电端(7脚)还与所述第二电容C₂的一端电连接，所述第二电容C₂的另一端接初级地；

所述(555)定时器芯片的接地端(1脚)接初级地；

所述(555)定时器芯片的控制端(5脚)与所述第三电容C₃的一端电连接，所述第三电容C₃的另一端接初级地(PEND)；

所述(555)定时器芯片的触发输入端(2脚)与所述RC并联子电路的一端电连接，所述RC并联子电路的另一端接初级地；

所述(555)定时器芯片的信号输出端(3脚)与所述第一二极管D₁的阳极电连接；

所述第一二极管D₁的阴极与所述输出反馈电路(的输出端V_o)电连接，所述第一二极管D₁的阴极还与所述第二二极管D₂的阳极电连接，所述第一二极管的阴极还与所述控制电路(的第三电阻R₃)电连接；

所述第二二极管D₂的阴极与所述(555)定时器芯片的触发输入端(2 脚)电连接。

优选地，所述RC并联子电路包括：第一电阻R₁(用于放电，起耗能作用)和第一电容C₁(起储能作用，用来维持电压)；所述第一电阻R₁和所述第一电容C₁并列电连接。

具体的，如图1所示，555定时器构成典型的单稳态施密特触发电路：当U_a为高电平时，U_b输出为低电平；U_a由高电平下降为低电平时，U_b输出为高电且保持T_W时间，如图4所示。

555定时器的触发输入端(2脚)电压U_a的电路连接，它不仅同时连接 555定时器信号输出端(3脚)的输出电压U_b和输出反馈电路的输出端电压U_d，还并联大容量电容C₁。

在本实用新型的另一个实施例中，除与上述相同的之外，所述控制电路包括：辅助电源V_cc(与单稳态施密特触发电路共用一个辅助电源)、芯片电源V_cc-1(为电源控制芯片供电)、第三电阻R₃(用于限流)、第四电阻R₄ (用于分流)、第五电阻R₅(用于限流)、第六电阻R₆(用于分流)、第一三极管Q₁(用于信号放大)、第二三极管Q₂(用于信号放大)和极性电容C₄(用于储能，维持电压稳定)；所述辅助电源V_cc与所述第六电阻R₆的一端电连接，还与所述第二三极管Q₂的发射极电连接；所述第六电阻R₆的另一端与所述第二三极管Q₂的基极电连接；所述第二三极管Q₂的集电极与所述芯片电源V_cc-1电连接；所述第五电阻R₅的一端与所述第二三极管Q₂的基极电连接，所述第五电阻R₅的另一端与所述第一三极管Q₁的集电极电连接；所述第一三极管Q₁的发射极接初级地，所述第一三极管Q₁的基极与所述第三电阻R₃的一端电连接，所述第一三极管Q₁的基极还与所述第四电阻R₄的一端电连接；所述第三电阻R₃的另一端与所述输出反馈电路(V_o)和所述单稳态施密特触发电路(第一二极管D₁的阴极)电连接；所述第四电阻R₄的另一端接初级地；所述极性电容C₄的正极与所述芯片电源(也可以理解为，与第二三极管集电极)电连接，所述极性电容C₄的负极接初级地。

具体的，本实用新型的控制电路实现了小功率信号控制大功率线路的功能，即Ib1毫安级的电流控制Ic2安培级的电流流通，小功率信号控制大功率线路的流通。

在本实用新型的另一个实施例中，除与上述相同的之外，输出反馈电路包括：开关电源(图中未示出)、稳压二极管ZD₁(用于稳压)、第八电阻R₈(用于限流)、光耦合器OP₁(用于信号隔离)、辅助电源V_cc(与前面电路共用一路辅助电源)、第三二极管D₃(利用二极管的单向导通性能，防止电压反灌)和第七电阻R₇(用于限流)；

所述稳压二极管ZD₁的阴极与开关电源的输出端V_out电连接，所述稳压二极管ZD₁的阳极与所述第八电阻R₈的一端电连接；所述第八电阻R₈的另一端与所述光耦合器OP₁的阳极电连接；所述光耦合器OP₁的阴极接次级地(SEND)，所述光耦合器OP₁的集电极与所述辅助电源V_cc电连接，所述光耦合器的发射极与所述第七电阻R₇的一端电连接，所述光耦合器的发射极还与所述第三二极管D₃的阳极电连接；所述第七电阻R₇的另一端接初级地；所述第三二极管D₃的阴极与所述单稳态施密特触发电路的输出端(第一二极管D₁的阴极)电连接。

具体的，将开关电源的输出电压状况(高电平或者低电平)通过光耦隔离传送到单稳态施密特触发电路中，完成输出反馈，是后续控制电源芯片是否工作的先决条件。

在本实用新型的另一个实施例中，一种开关电源的输出保护系统，包括：

(555)定时器芯片的复位端(4脚)和电压输入端(8脚)与辅助电源V_cc电连接，阈值端(6脚)和放电端(7脚)与第二电阻R₂的同一端电连接，第二电阻R₂的另一端与辅助电源V_cc电连接；(555)定时器芯片的阈值端(6脚)和放电端(7脚)还与第二电容C₂的一端电连接，第二电容C₂的另一端接初级地；(555)定时器芯片的接地端(1脚)接初级地；(555) 定时器芯片的控制端(5脚)与第三电容C₃的一端电连接，第三电容C₃的另一端接初级地；(555)定时器芯片的触发输入端(2脚)与RC并联子电路的一端电连接，RC并联子电路的另一端接初级地；RC并联子电路包括：第一电阻R₁(用于放电，起耗能作用)和第一电容C₁(起储能作用，用来维持电压)；第一电阻R₁和第一电容C₁并列电连接；(555)定时器芯片的信号输出端(3脚)与第一二极管D₁的阳极电连接；第一二极管D₁的阴极与第三二极管的阴极电连接，第一二极管D₁的阴极还与第二二极管D₂的阳极电连接，第一二极管的阴极还与第三电阻R₃的一端电连接；第二二极管D₂的阴极与(555)定时器芯片的触发输入端(2脚)电连接。

辅助电源V_cc还与第六电阻R₆的一端电连接，还与第二三极管Q₂的发射极电连接；第六电阻R₆的另一端与第二三极管Q₂的基极电连接；第二三极管Q₂的集电极与芯片电源V_cc-1电连接；第五电阻R₅的一端与第二三极管Q₂的基极电连接，第五电阻R₅的另一端与第一三极管Q₁的集电极电连接；第一三极管Q₁的发射极接初级地，第一三极管Q₁的基极与第三电阻R₃的一端电连接，第一三极管Q₁的基极还与第四电阻R₄的一端电连接；第三电阻R₃的另一端与第三二极管的阴极和第一二极管D₁的阴极电连接；第四电阻R₄的另一端接初级地；极性电容C₄的正极与芯片电源(也可以理解为，与第二三极管集电极)电连接，极性电容C₄的负极接初级地。

稳压二极管ZD₁的阴极与开关电源的输出端V_out电连接，稳压二极管ZD₁的阳极与第八电阻R₈的一端电连接；第八电阻R₈的另一端与光耦合器OP₁的阳极电连接；光耦合器OP₁的阴极接次级地，光耦合器OP₁的集电极与辅助电源V_cc电连接，光耦合器的发射极与第七电阻R₇的一端电连接，光耦合器的发射极还与第三二极管D₃的阳极电连接；第七电阻R₇的另一端接初级地；第三二极管D₃的阴极与第一二极管D₁的阴极电连接。

具体的，本实用新型的保护系统的工作原理如下：

输出电压(即V_out)正常时，则反馈电压U_d为高电平，则555定时器不会被触发，U_b保持低电平输出，U_e为高电平，则芯片电源V_cc-1正常供电。

当输出过载或短路时，则U_d＝0V，则U_a会由高电平变为低电平，555 定时器被触发，U_b则保持T2时间的高电平，因为U_a是U_b、U_d和U_c1的叠加 (忽略二极管管压降)，U_a将随着U_b电压变高而变高并保持T2时间，因为滤波电容C₁和滤波电阻R₁构成一阶RC电路的零输入响应，U_a将缓慢下降，当U_a下降的1/3Vcc时，555定时器再次被触发，如图5所示。图6为示波器捕捉到当U_b变高时，U_a几乎同时变高。

当U_e为高电平时，Q₁饱和导通，电流流向如图3所示。Q₁导通时，I_b2构成回路，Q₂饱和导通，则V_cc会传递到V_cc-1，从而V_cc-1给电源控制芯片供电，电源控制芯片正常工作。当U_e为低电平时，Q₁截止，PNP晶体管Q₂的I_b2没有完整回路，Q₂截止，则V_cc不会传递到V_cc-1，电源控制芯片无法正常工作。

555定时器构成的单稳态施密特触发器的计算方法为：

当输出电压正常时，反馈光耦合器导通，V_cc电压传递到d点，U_d＝V_cc (忽略管压降)，由上述内容知电源控制芯片正常工作。当输出过载或短路时，光耦合器截止，U_d＝0V，电源控制芯片将进入不断开启关闭的状况中。

当U_d＝0V时，U_a＝U_c1，R1与C1构成一阶RC电路的零输入响应，忽略光耦合器压降，则初始电压U_a＝Vcc，当U_a下降到1/3Vcc时，U_b将由低电平变为高电平。

计算公式为：

当U_c1＝1/3V_cc时：

例如，若R1＝100KΩ，C1＝44Uf，则：

T₁＝1.1R₁C₁＝1.1×100×10³×44×10^-6＝4.84s

U_b为高电平且持续T2时间，由555定时器构成的单稳态触发器知：

例如，若R2＝200KΩ，C1＝2.2Uf，则：

T₂＝1.1R₂C₂＝1.1×200×10³×2.2×10-⁶＝484ms

下一周期，U_d＝0V则U_a＝U_b，假设555定时器的输出电压为12.5V， V_cc＝15V则：

当输出短路或过载故障不解除，U_b、U_a的波形如图7所示。在选择具体参数时，一定要保证T3≥T2，使555定时器处于稳定触发状态。

综上所述：输出故障时，V_cc-1将保持T2时间得电，T3时间失电，即控制电源控制芯片不停的开启和关断。

弱信号控制线路的计算方法：

当输出正常时，U_e＝V_cc，合理设置R3、R4、R5、R6使Q1、Q2处于饱和导通状态。

例如：假设Q1选择小功率NPN晶体管KTC9014，则I_c＝150mA， U_ce＝0.25V，β≥100，PNP晶体管Q2选择大功率FCX591，则I_b＝200mA， I_c＝1A，U_ce＝0.6V，β≤100，R3＝4.7K，R4＝4.7K，R5＝4.7K，R6＝3.3K。

则：

假设Q1处于放大状态，则：

I_C1＝βI_b1＝100×3.04＝304mA≥I_c＝150mA

故Q1处于饱和导通状态，Q1仅相当于一个开关。Q1导通时：

假设Q2处于放大状态，则：

I_e1＝βI_b2＝100×4.26＝426mA

一般电源控制芯片功率小于0.3W，则15V供电时，相当于有几百欧的输入电阻R_in，则：

V_CC-I_e1R_in≤0

故Q2处于饱和导通转态，则V_cc-1＝V_cc-V_ec，忽悠Q2管压降时，V_cc-1＝V_cc。

FCX591可以通过1A电流，即用I_b1毫安级的电流控制I_c2安培级的电流流通，小功率信号控制大功率线路的流通，可以同时控制多个控制芯片的开启和关闭。

具体的，此系统实施例的具体实施过程与上述方法实施例中的具体实施过程相同，在此不再详细描述。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。