開關電源截止型輸出短路保護器的製作方法
2023-12-06 18:15:01 1
專利名稱：開關電源截止型輸出短路保護器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種電子產品，它主要用於煤礦、石化等危險性環境，確切地說是一種電源設備或其他電子產品中的輸出短路保護器。
背景技術：
本質安全型開關電源是電子設備的重要組成部分，在工作於危險環境的防爆電氣設備的本質安全型開關電源中，為了達到足夠大的輸出功率而又要使輸出電壓紋波足夠的小，電源的輸出端通常包含有容量較大的濾波電感和電容，加之如果保護電路在電源出現故障時不能徹底關斷電源輸入端的能量來源，則一旦出現短路等故障，其產生的電火花必然會引爆易燃、易爆氣體，顯然是不能滿足本質安全或防爆要求的。因此，為了使本質安全型開關電源或其它電子產品能安全地應用於危險型環境中，就必須在開關電源中採用截止型的輸出短路保護電路，徹底截斷輸出短路處的短路火花能量的源，確保直流穩壓電源或其它電子產品在輸出出現短路時，不會引爆易燃易爆氣體或它們的混合物。電源或開關電源目前採取的保護技術或保護電路方案主要有兩種①一種是在保護電路動作後徹底關斷電源，但不能自恢復即一旦保護電路動作後，即使過流或短路故障消除，電源仍一直處在關斷狀態，必須要先關斷電源、重新啟動系統才能恢復工作，這顯然不能滿足本質安全電源的要求(因為本安測試要求電源能在正常情況下，對各支路進行重複性短路和斷路試驗)。②另一種是可恢復型即出現故障後，可將輸出電壓限制在比較低的電壓，故障消除後，能自動恢復工作。但該種方案在保護電路動作後，儘管電壓較低，電流卻很大，因為開關電源其實還在工作，有時甚至會出現失控現象，因此，短路故障火花能量也是相當可觀的，一旦出現短路故障，短路故障火花能量也可能會引爆易燃易爆氣體或它們的混合物，很難實現本安輸出。所以需要設計一種輸出出現短路故障時，既能徹底切斷電源，又可恢復的保護電路，以滿足危險環境對開關電源的要求。據統計，目前我國僅各類型的煤礦約有2.6萬個，其中大、中型煤礦3000多個，均需要配備監測、監控系統，每一臺監測、監控系統至少需要一臺開關電源，因此，設計適用於危險性環境的開關電源的保護電路具有重要意義。
發明內容
本實用新型的目的是為了解決現有技術中存在的問題，為應用於危險環境的開關電源提供一種截止型的輸出短路保護器，將其加在開關電源中，當正常工作時，保護電路不起作用；而當輸出出現短路故障時，能徹底關斷輸入電源，截斷輸出短路處的短路火花能量的源。
本實用新型是以下列技術方案來實現該截止型輸出短路保護器由啟動延時電路、短路檢測電路、信號隔離電路和單穩態電路四部分依次連接組成。也就是說啟動延時電路連接到短路檢測電路，短路檢測電路連接到信號隔離電路，信號隔離電路連接到單穩態電路。所述的啟動延時電路是由電容C1和電阻R2的並聯與二極體D1和電阻R1的並聯串聯所構成的啟動電路，與由電阻R3和電容C2串聯且其串聯的接點與U1的6和7端短路後相連所構成的延時電路及由電阻R4和二極體D2串聯構成的單向信號傳輸電路所組成，其中C1、R2並聯後與D1、R1並接後的串聯接點接到U1的2腳；或者由延時電容C1和二極體D1串聯(D1的陰極為串聯接點)，並在串聯接點上接電阻R1所構成。所述的短路檢測電路是由分壓取樣電阻R5和R6串聯、在電阻R5與電阻R6的連接點接一基準電壓源U2及限流電阻R7構成。所述信號隔離電路是由光耦OP1的輸入與電阻R8並聯再與穩壓二極體ZD1串聯構成。所述單穩態電路是由電阻R10和電容C6串聯且其串聯接點接時基電路U3的4腳，電阻R11和電容C4串聯且其串聯接點接時基電路U3的6和7腳，及時基電路U3及其與外圍元件電阻R9和電容C5連接組成。
本實用新型在電源或電子產品輸出出現短路時，能徹底截斷輸出短路處的短路火花能量的源，以將輸出部分的短路火花能量限制到足夠低的範圍，確保直流穩壓電源或其它電子產品在輸出出現短路時，不會引爆易燃易爆氣體或它們的混合物。
圖1是開關電源截止型輸出短路保護器電路原理框圖。
圖2是開關電源截止型輸出短路保護器實施例一電路工作原理圖。
圖3是開關電源截止型輸出短路保護器實施例二電路工作原理圖。
具體實施方式
結合附圖對本實用新型的整體結構及其工作原理作具體詳細的說明如圖1所示，該截止型輸出短路保護器由啟動延時電路1、短路檢測電路2、信號隔離電路3和單穩態電路4依次連接組成。也就是說啟動延時電路連接到短路檢測電路，短路檢測電路連接到信號隔離電路，信號隔離電路連接到單穩態電路。如圖2、3所示，實際應用時本實用新型電路的輸入有兩個端子Vo+和Vo-分別接開關電源的輸出「+」和「-」端，輸出部分有三個端子VF+、VF-和VK，其中VF+、VF-分別接開關電源一次側的輔助電源的「+」和「-」端，VK為短路發生時的相應控制信號輸出端。其工作原理為短路檢測電路通過檢測電流或電容兩端的電壓，判斷短路故障是否發生。當檢測到電路中的電流超過某一設定值或電壓降低到低於某一設定值時，判定發生短路；由短路檢測電路發出信號，該信號由信號隔離電路傳輸到單穩態電路，單穩電路動作而獲得的短路控制信號加到開關電源一次側的控制電路，使其開關管迅速關斷，輸入電源被徹底隔斷，輸出短路處的能量只有輸出濾波電感和電容的能量。延時一段時間後，如果短路故障消除，電路恢復到正常工作狀態。啟動延時電路的作用是保證開關電源上電時能正常起動；保護電路動作後能重新自動啟動，實現自恢復。
圖2給出本實用新型的實施例一，其中所述啟動延時電路1是由二極體D1～D2、電阻R1～R4、電容C1～C3及時基電路U1(如NE555)組成。其中，C1、R2、D1和R1構成啟動電路；時基電路U1及其外圍電路構成單穩態電路；電阻R4和二極體D2串聯構成單向信號傳輸電路，具體連接是電容C1和電阻R2並聯的一端接到Vo-，另一端與二極體D1和電阻R1的並聯的一端相連後接到U1的2端，二極體D1和電阻R1並聯的另一端接Vo+；電阻R3與電容C2串接，串聯的接點與U1的6和7端短路後相連，R3與C2的另一端分別接Vo+和Vo-；U1的4和8端短路後接Vo+，U1的1端接Vo-；U1的5端經過電容C3接Vo-；U1的3端經過電阻R4、二極體D2串聯後接到輸出短路檢測電路。其中所述的短路檢測電路是由分壓取樣電阻R5和R6、基準電壓源U2(如TL431)和限流電阻R7構成，具體連接是分壓取樣電阻R5和R6的連接點接到U2的參考電壓端和啟動延時電路的輸出端；U2的陽極接Vo-、陰極通過電阻R7接Vo+；U2的陰極同時也是短路檢測電路2的輸出端，將其接到信號隔離電路。所述信號隔離電路是由光耦OP1(如PC817)、電阻R8及穩壓二極體ZD1構成，具體連接是電阻R8並接到光耦OP1的兩個輸入端，其一個輸入端接U2的陰極—即短路檢測電路2的輸出端，另一個輸入端接到穩壓二極體ZD1的陰極，ZD1的陽極接Vo-，光耦OP1的輸出端接到單穩態電路。所述單穩態電路是由電阻R9～R11、電容C4～C6及時基電路U3組成，具體連接是R9的一端接輔助電源的正端VF+，另一端接到信號隔離電路的光耦OP1的一個輸出端和時基路U3(如NE555)的2端；電容C6和電阻R10串聯，串聯接點接U3的4端，電容C6和電阻R10的另一端分別接VF-和VF+；電阻R11與電容C4串接，串聯的接點與U3的6和7端短路後相連，電阻R11與電容C4的另一端分別接VF+和VF-；U3的8端接VF+，U3的1端接VF-；U3的5端經過電容C5接VF-；U3的3端作為本實用新型的輸出端VK接到開關電源的控制電路中。
工作原理是電阻R5和R6是輸出電壓分壓取樣電阻，正常工作時，輸出電壓在分壓取樣電阻R6上的分壓大於2.5V，使U2一直維持導通，U2的陰極2端輸出為低電平，光耦OP1截止，單穩電路不能觸發，輸出VK為低電平；當有輸出短路故障發生時，一旦在電阻R6上的分壓小於2.5V，U2的陰極2端就變為高電平，光耦OP1導通，其輸出為低電平，單穩電路被觸發，輸出VK變為高電平，給開關電源的控制電路發出信號，使開關電源的開關管截止，開關電源的輸入電源被徹底截斷，輸出短路處來自輸入電源的能量被徹底隔離。在上電的開始階段，由於啟動延時電路中U1的2端為低電平，U1被觸發，U1的3端輸出高電平，使U2導通，U2的陰極2端輸出為低電平，單穩電路不能觸發，使電源能正常啟動；U1「3端」的高電平維持一段時間後，變為低電平，啟動過程結束，啟動電路不影響電路正常工作。而當有短路故障發生時，電容C1通過二極體D1快速放電變為低電平，為再次啟動作好準備，實現了電路自動重起。
圖3給出了本實用新型的實施例二，它與實施例一相比，主要變化為啟動延時電路由電容C1、二極體D1和電阻R1組成，具體連接是電容C1和二極體D1串聯(D1的陰極為串聯接點)，其串聯的連接點通過電阻R1接到U2的參考電壓端，電容C1和二極體D1的陽極分別接Vo+和Vo-。由圖3給出的實施例二可見，除啟動電路之外，其餘部分與圖2相應部分完全相同，因此，其工作原理與實施例一也一樣，只是啟動電路有所不同。所以這裡僅介紹圖3給出的啟動電路的工作原理，其餘部分同實施例一。圖3給出的啟動電路的工作原理為在上電的開始階段，電壓通過電容C1、電阻R1直接加到U2的參考電壓端(R1＜＜R2，C1相當於短路)，使得在啟動開始的一段時間內，U2導通，U2的陰極2端輸出為低電平，單穩電路不能觸發，確保電源能正常啟動；當C1上的電壓被充電到穩定值後，啟動過程結束，啟動電路不影響電路正常工作。而當有短路故障發生時，電容C1通過二極體D1快速放電變為低電平，為再次啟動作好準備，實現了電路自動重起。
以上所述的圖中，時基電路U1和U3也可以採用其它形式的電路(如RS、D、JK等集成觸發器或由分離元件構成)，而電路的工作原理不變。開關電源的截止型輸出短路保護器除了以上列出的實施方式外，能實現截止型輸出短路保護的方案還有很多。考慮到電路檢測靈敏度及電路工作的安全可靠性等，列舉的實施例是較佳方案。此外，值得注意的是時基集成電路U1和U3晶片或其他能實現相同功能的集成電路的工作電壓有時會受到限制，此時應該採取適當的措施，將集成電路的工作電壓降到滿足要求的範圍內。
權利要求1.一種開關電源截止型輸出短路保護器，其特徵是它由啟動延時電路(1)、短路檢測電路(2)、信號隔離電路(3)及單穩態電路(4)依次連接組成。
2.根據權利要求1所述的開關電源截止型輸出短路保護器，其特徵是啟動延時電路(1)是由電容C1和電阻R2的並聯與二極體D1和電阻R1的並聯串聯所構成的啟動電路，與由電阻R3與電容C2串聯且其串聯的接點與U1的6和7端短路後相連所構成的延時電路及由電阻R4和二極體D2串聯構成的單向信號傳輸電路所組成，其中C1、R2並聯後與D1、R1並聯後的串聯接點接到U1的2腳；或者由延時電容C1和二極體D1串聯後，在串聯接點上接電阻R1所構成。
3.根據權利要求1所述的開關電源截止型輸出短路保護器，其特徵是短路檢測電路(2)主要由分壓取樣電阻R5和R6串聯、在電阻R5與電阻R6的連接點接一基準電壓源U2及限流電阻R7所構成。
4.根據權利要求1所述的開關電源截止型輸出短路保護器，其特徵是信號隔離電路(3)是由光耦OP1的輸入與電阻R8並聯再與穩壓二極體ZD1串聯所構成。
5.根據權利要求1所述的開關電源截止型輸出短路保護器，其特徵是單穩態電路(4)是由電阻R10和電容C6串聯，且其串聯接點接時基電路U3的4腳，電阻R11和電容C4串聯且其串聯接點接時基電路U3的6和7腳，以及時基電路U3及其與外圍元件電阻R9和電容C5連接所組成。
專利摘要本實用新型涉及一種開關電源截止型輸出短路保護器，它由啟動延時電路1、短路檢測電路2、信號隔離電路3及單穩態電路4依次連接組成。它主要應用於煤礦、石化等危險性環境的開關電源或相關電子產品中，在其輸出出現短路故障時，能徹底關斷輸入電源，截斷輸出短路處的短路火花能量的源，以將輸出部分的短路火花能量限制到足夠低的範圍，確保直流穩壓電源或其它電子產品在輸出出現短路時，不會引爆易燃易爆氣體或它們的混合物。以使較大功率的開關電源或包含有較大功率開關電源的電子設備或系統能夠安全地應用於危險性環境；使本質安全型或防爆電源的輸出功率可以做得更大，且不會降低電源的效率，電路結構及控制方法更簡單。
文檔編號H02H3/08GK2819579SQ20052007923
公開日2006年9月20日 申請日期2005年8月12日 優先權日2005年8月12日
發明者劉樹林, 劉健, 程紅麗, 鍾久明, 王媛彬 申請人:劉樹林