一种辅助输出短路保护电路及开环式隔离变换器的制作方法

1.本实用新型涉及电路技术领域，特别地，涉及一种辅助输出短路保护电路及开环式隔离变换器。


背景技术：

2.在微功率的dc-dc隔离变换器应用领域里，即6w及以下功率级开关电源产品中，常用推挽式/全桥式/半桥式等作为原边功率拓扑，搭配变压器，结合副边的整流电路，可形成一个结构简单的dc-dc开环电路，实现隔离和电压转换功能。
3.随着集成电路的不断发展，ic产品化的趋势越来越突出，现市面上已有不少集成常用原边拓扑及其控制部分的ic出现，下称“变压器驱动芯片”，此类变压器驱动芯片专为开环隔离变换器所设计，其短路保护功能常通过检测原边电流/电压来判断输出端是否发生短路，从而提供保护功能。
4.为进一步对上述的短路保护功能进行描述，如图1的功能框图所示，来说明变压器驱动芯片的短路检测机制：
5.①
从电流的角度，副边输出端发生短路，副边电流增大，映射到原边的电流增大，当原边电流增大到设定点后，判定为输出短路。
6.②
从电压的角度，副边输出端发生短路，变压器副边绕组电压下降，相应地，变压器原边绕组电压被副边钳位而下降，与原边绕组串联的变压器驱动芯片的电压会上升，当电压上升到设定点后，判定为输出短路。
7.上述
①②
点的基本原理相似，同为副边功率回路因输出短路发生变化，再通过变压器影响原边功率回路的状态，而变压器驱动芯片则通过检测原边功率回路的状态变化来判断输出是否发生短路。为方便理解，后续描述从电流的角度来说明。
8.进一步说明，对变压器驱动芯片的电流进行定义：额定电流ia，即稳态时允许流经的电流；短路触发电流ib，即电流达到此值后将会触发变压器驱动芯片的短路保护功能，显然短路触发电流ib需要大于额定电流ia；他们之间的电流范围定义为过载电流ia-b。
9.以上原理和应用都为从业人员可联想并符合电路逻辑。
10.另一方面，开环电路的一个显著劣势为输出电压为非稳压，其输出电压会跟随输入电压或负载变化。为实现微功率电路的简单稳压，行业内常在电路的输出端增加线性稳压器来作为拓展应用，如图2所示，但此稳压方案会与目前变压器驱动芯片的短路检测机制产生冲突，具体情况如下：
11.1、理想情况下，若输出端发生短路时，副边电流会急剧上升，从而映射到原边，令原边电流迅速上升达到变压器驱动芯片的短路触发电流ib，此后会进入短路保护状态。
12.2、实际情况，副边的组成回路至少含有变压器副边绕组、整流电路、pcb走线，这些器件都会存在一定的阻抗，当输出端发生短路时，其副边电流受阻抗限制而不会无限增大；若在副边回路再增加线性稳压器，必然会加大副边回路的阻抗；当输出端发生短路时，其副边回路的短路电流因回路阻抗上升而下降，相应地，原边电流跟随下降。
13.3、由于线性稳压器的阻抗相对较大，在实际应用上会出现，当输出端发生短路时，原边电流由于副边电流的减少而无法达到短路触发电流ib，从而无法进入短路保护状态，而一直维持在电流为ia-b的过载状态。
14.变压器驱动芯片长期工作在过载状态，会引起异常的发热情况，甚至直接烧毁芯片。
15.故使用变压器驱动芯片的电路，若选择使用线性稳压器作为稳压拓展方案，则无法兼容输出短路保护功能。从业人员通常只能放弃此短路保护功能或选择自带短路保护功能的线性稳压器，但此类线性稳压器通常较为昂贵，除增加应用成本外，还加大了选型的难度。


技术实现要素：

16.鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是：提供一种辅助输出短路保护电路及开环式隔离变换器，在不改变核心器件的情况下，解决变压器驱动芯片ic搭配线性稳压器ldo使用后，由于副边阻抗变大，而无法在输出端发生短路时，进入短路保护状态的问题。
17.解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
18.第一方面，提供一种辅助输出短路保护电路，包括：辅助绕组nf和辅助二极管d2；所述辅助绕组nf的一端与辅助二极管d2的阳极连接，另一端用于与开环式隔离变换器的输出地连接；所述辅助二极管d2的阴极用于与开环式隔离变换器的正输出端连接。
19.优选地，所述辅助绕组nf的圈数少于开环式隔离变换器副边绕组ns的圈数。
20.优选地，所述辅助绕组nf由一股或多股线材并联构成。
21.优选地，所述辅助二极管d2由一个或多个二极管并联构成。
22.优选地，还包括电阻r2，电阻r2的一端与所述辅助二极管d2的阴极连接，另一端用于与开环式变换器的正输出端连接。
23.第二方面，提供一种开环式隔离变换器，包括：变压器驱动芯片ic、变压器t1、整流电路、线性稳压器ldo和至少一路如上所述辅助输出短路保护电路；变压器驱动芯片ic的输入端用于与输入电压vin连接，第一输出端与变压器t1原边绕组np的同名端连接，第二输出端与变压器t1原边绕组np的异名端连接，地端接地；变压器t1副边绕组ns的同名端与所述整流电路的输入端连接，异名端与输出地连接；所述整流电路的输出端与所述线性稳压器ldo的输入端连接；所述线性稳压器ldo的输出端作为开环式隔离变换器的正输出端与每一路所述辅助输出短路保护电路的所述辅助二极管d2的阴极连接，地端与输出地连接；每一路所述辅助输出短路保护电路的所述辅助绕组nf远离所述辅助二极管d2的一端均与输出地连接。
24.第三方面，一种开环式隔离变换器，包括：变压器驱动芯片ic、变压器t1、整流电路、线性稳压器ldo、辅助绕组nf、二极管d3；变压器驱动芯片ic的输入端用于与输入电压vin连接，第一输出端与变压器t1原边绕组np的同名端连接，第二输出端与变压器t1原边绕组np的异名端连接，地端与输出地连接；变压器t1副边绕组ns的同名端与所述整流电路的输入端连接，异名端与输出地连接；所述整流电路的输出端与所述线性稳压器ldo的输入端连接；所述线性稳压器ldo的输出端与所述二极管d3的阴极连接，地端与输出地连接；所述二极管d3的阳极与所述辅助绕组nf的同名端连接；所述辅助绕组nf的异名端与输出地连
接。
25.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
26.1、对于变压器驱动芯片搭配线性稳压器ldo组成的开环稳压电路(也称为开环式隔离变换器)，无需更换核心器件或更改电路参数，只需增加一辅助绕组nf、一辅组二极管d2即可降低短路时的副边阻抗，从而更好地实现变压器驱动芯片的短路保护功能，成本低，结构简单，能得到性价比更好的产品。
27.2、此辅助输出短路保护电路只在输出发生短路时工作，非短路状态下不影响电路运行，也不会导致电路性能下降。
附图说明
28.图1为背景技术中常规开环电路框图；
29.图2为背景技术中常规开环电路增加线性稳压器ldo的原理框图；
30.图3为第一实施例包含辅助输出短路保护电路的开环式隔离变换器的原理框图；
31.图4为第二实施例所述开环式隔离变换器的原理图；
32.图5为本第三实施例所述开环式隔离变换器的原理图；
33.图6为本第四实施例所述开环式隔离变换器的原理图；
34.图7为第五实施例所述开环式隔离变换器的原理图。
具体实施方式
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细说明，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
36.第一实施例
37.如图3所示，为包含本实施例辅助输出短路保护电路的开环式隔离变换器的原理框图，在本实施例中，提供一种辅助输出短路保护电路，包括：辅助绕组nf和辅助二极管d2；辅助绕组nf的一端与辅助二极管d2的阳极连接，另一端用于与开环式隔离变换器的输出地连接；辅助二极管d2的阴极用于与开环式隔离变换器的正输出端连接。
38.具体的，辅助绕组nf的同名端与辅助二极管d2的阳极连接，异名端用于与开环式隔离变换器的输出地连接；辅组绕组、辅助二极管d2所构成的辅助输出短路回路，与变压器t1、副边绕组ns、整流电路、线性稳压器ldo构成的输出功率回路并联；当输出端发生短路时，辅助回路能提供另一低阻抗回路，降低副边的总体阻抗。
39.在一个实施例中，辅助绕组nf的圈数少于开环式隔离变换器副边绕组ns的圈数。
40.具体的，辅助绕组nf的圈数要比副边绕组ns的圈数少，在保证辅助绕组nf耦合的电压比辅助二极管d2导通压降大的前提下，需尽量减少辅助绕组nf的圈数来减少不必要的阻抗，一般可选择但不局限于nf＝1/5ns，那么耦合的辅助绕组nf电压将会比副边绕组ns电压低，相应地，a点电压会比b点低，那么在非短路状态下，辅助二极管d2将不会导通，不影响稳态工作。
41.在一个实施例中，辅助绕组nf由一股或多股线材并联构成。
42.在一个实施例中，辅助二极管d2由一个或多个二极管并联构成。
43.在一个实施例中，辅助输出短路保护电路还包括电阻r2，电阻r2的一端与辅助二极管d2的阴极连接，另一端用于与开环式变换器的正输出端连接。
44.本实施例的工作原理为：当输出端发生短路时，b点将与输出地短接，电压会迅速拉到零电位，不受控于副边绕组ns电压；由于变压器t1为非理想器件且回路存在一定的阻抗，变压器t1感量虽然因短路而急剧下降，但实际情况下仍会有一定的耦合电压，那么此时a点电压将会大于b点电压，辅助二极管d2导通，那么辅助回路会有短路电流流过，此辅助电路开始工作；从连接方式可知，辅助回路与输出功率回路并联，其副边整体阻抗会降低，那么相应的副边电流会增大，映射到原边的电流也增大，原边电流更容易达到变压器驱动芯片ic的短路触发电流ib，触发短路保护；因此，对于变压器驱动芯片ic搭配线性稳压器ldo组成的开环稳压电路，无需更换核心器件或更改电路参数，只需增加一辅助绕组nf、一辅组二极管d2即可降低短路时的副边阻抗，从而更好地实现变压器驱动芯片ic的短路保护功能，成本低，结构简单，能得到性价比更好的产品。
45.第二实施例
46.如图4所示为本实施例开环式隔离变换器的原理图，在本实施例中，提供一种开环式隔离变换器，包括：变压器驱动芯片ic、变压器t1、整流电路、线性稳压器ldo和至少一路如第一实施例辅助输出短路保护电路；变压器驱动芯片ic的输入端用于与输入电压vin连接，第一输出端与变压器t1原边绕组np的同名端连接，第二输出端与变压器t1原边绕组np的异名端连接，地端与输出地连接；变压器t1副边绕组ns的同名端与整流电路的输入端连接，异名端与输出地连接；整流电路的输出端与线性稳压器ldo的输入端连接；线性稳压器ldo的输出端作为开环式隔离变换器的正输出端与每一路所述辅助输出短路保护电路的所述辅助二极管d2的阴极连接，地端与输出地连接；每一路所述辅助输出短路保护电路的所述辅助绕组nf远离所述辅助二极管d2的一端均与输出地连接。
47.具体的，变压器驱动芯片ic可选择但不限于推挽式拓扑，变压器t1原边绕组np变压器t1副边绕组ns由第一绕组和第二绕组构成，第一绕组的异名端与第二绕组的同名端连接构成中心抽头，第一绕组的同名端作为原边绕组np的同名端，第二绕组的异名端作为原边绕组np的异名端；变压器t1副边绕组ns由第三绕组和第四绕组构成，第三绕组的异名端与第四绕组的同名端连接构成中心抽头，第三绕组的同名端作为副边绕组ns的同名端，第四绕组的异名端作为副边绕组ns的异名端；隔离变换器还包括输入电容c1、输出电容c3，整流电路为全波整流电路，包括二极管d11、二极管d12和滤波电容c2；变压器驱动芯片ic的输入端vcc分别与输入电容的一端和变压器t1原边绕组np的中心抽头连接，和用于与输入电压vin连接，第一输出端vd2与变压器t1原边绕组np的同名端连接，第二输出端vd1与变压器t1原边绕组np的异名端连接，地端gnd与输出地连接；输入电容的另一端接地；变压器t1副边绕组ns的同名端与二极管d11的阳极连接，异名端与二极管d12的阳极连接，中心抽头接地；二极管d11的阴极、二极管d12的阴极均与线性稳压器ldo的输入端连接；滤波电容c2的一端与线性稳压器ldo的输入端连接，另一端与输出地；线性稳压器ldo的输出端作为开环式隔离变压器t1的正输出端分别与输出电容c3的一端、辅助二极管d2的阴极连接，地端与输出地连接；输出电容c3的另一端与输出地连接；辅助二极管d2的阳极与辅助绕组nf的同
名端连接；辅助绕组nf的异名端与输出地连接；也即变压器t1原边绕组np、变压器t1副边绕组ns、一对输出全波整流电路二极管d11和二极管d12、一只滤波电容c2、一只输出线性稳压器ldo、一只输出电容c3，上述组成部分按dc-dc转换常用电路连接方法依次连接。
48.为降低阻抗和保证辅助绕组nf电压在短路时可导通辅助二极管d2，辅助绕组nf的圈数要比副边绕组ns少，一般圈数可选择但不局限于nf＝1/5ns。
49.其工作原理为：若输出端使用线性稳压器ldo实现稳压功能，那么当输出端发生短路时，其回路阻抗必然比没使用线性稳压器ldo前的大，导致副边短路电流下降，同步影响到映射过去的原边电流大小，令原边电流无法达到变压器驱动芯片ic的短路阈值ib(也称为短路触发电流ib)，从而无法进入短路保护状态，而维持在过载状态，温度异常升高甚至损坏。
50.加入辅助绕组nf和辅助二极管d2后，其短路回路由原只有输出功率回路构成，变成输出功率回路并联辅助回路(也称为辅助输出短路保护电路)。因辅助回路圈数少且只有辅助二极管d2，其阻抗比输出功率回路小，从结构上看，辅助回路和输出功率回路呈并联结构，显然总阻抗会比之前小，那么副边短路电流将会变大，原边电流自然跟随变大，可轻松触发变压器驱动芯片ic的短路阈值ib。
51.同时，a点电压为辅助绕组nf耦合原边后的电压，b点电压为副边绕组ns电压减去二极管d11/d12压降、线性稳压管ldo压降后的电压。在非短路状态时，由于辅助绕组nf的圈数要比副边绕组ns小，其耦合电压自然小，显然a点电压小于b点电压，辅助二极管d2不会导通，那么在正常工作状态下，此辅助回路不会工作。当短路发生时，b点电压被强制拉到输出地而变为零电位，但由于辅助绕组nf、辅助二极管d2和pcb走线阻抗不可能为零，其变压器t1必然不会完全被短路，仍具有一定的电气特性，其a点将会有耦合电压且大于b点电压，适当设计辅助绕组nf圈数，使a点电压大于辅助二极管d2的导通压降，那么辅助回路即可导通，形成短路回路。
52.所以，此辅助输出短路保护电路只在短路状态时发挥作用，在正常工作时不影响电路工作。
53.第三实施例
54.如图5所示，为本实施例开环式隔离变换器的原理图，与第一实施例不同的是，在本实施例中，辅助输出短路保护电路包括两路辅助短路电路，两路辅助输出短路保护电路分别与开环式隔离变换器并联，从而两路辅助输出短路保护电路均与输出功率回路并联，可进一步降低副边短路时的阻抗，使原边电流更易达到变压器驱动芯片ic的短路触发阈值ib，具体原理同第二实施例，不再重复说明。
55.第四实施例
56.如图6所示为本实施例开环式隔离变换器的原理图，与第二实施例不同的是，本实施例是在第一实施例或第二实施例的基础上，在辅组回路增加电阻r2串联在回路中，在输出功率回路增加电阻r1串联在回路中，具体的，电阻r1的一端分别与二极管d11的阴极、二极管d12的阴极和滤波电容c2的一端连接，另一端与线性稳压器ldo的输入端连接；电阻r2的一端与线性稳压器ldo的输出端连接，另一端与辅助二极管d2的阴极连接。在保证辅助回路的阻抗小于输出功率回路的阻抗的前提下，适当阻值的电阻r2和电阻r1可适当微调各回路的阻抗，令辅助回路阻抗小于输出功率回路阻抗，亦可获得其有益效果。
57.第五实施例
58.参考图7，图7为本实施例所述开环式隔离变换器的结构示意图；在本实施例中，提供一种开环式隔离变换器，包括：变压器驱动芯片ic、变压器t1、整流电路、线性稳压器ldo、辅助绕组nf、二极管d3；变压器驱动芯片ic的输入端用于与输入电压vin连接，第一输出端与变压器t1原边绕组np的同名端连接，第二输出端与变压器t1原边绕组np的异名端连接，地端接地；变压器t1副边绕组ns的同名端与整流电路的输入端连接，异名端与输出地连接；整流电路的输出端与线性稳压器ldo的输入端连接；线性稳压器ldo的输出端与二极管d3的阴极连接；二极管d3的阴极与辅助绕组nf的同名端连接；辅助绕组nf的异名端与输出地连接。
59.具体的，当输出端发生短路时，b点将与输出地短接，电压会迅速拉到零电位，不受控于副边绕组ns电压；由于变压器t1为非理想器件且回路存在一定的阻抗，变压器t1感量虽然因短路而急剧下降，但实际情况下仍会有一定的耦合电压，那么此时a点电压将会大于b点电压，二极管d3导通，那么辅助绕组nf和二极管d3会有短路电流流过，此辅助绕组nf和二极管形成的辅助回路开始工作；从连接方式可知，辅助回路与输出功率回路并联，其副边整体阻抗会降低，那么相应的副边电流会增大，映射到原边的电流也增大，原边电流更容易达到变压器驱动芯片ic的短路电流ib，触发短路保护；因此，对于变压器驱动芯片ic搭配线性稳压器ldo组成的开环稳压电路，无需更换核心器件或更改电路参数，只需增加辅助绕组nf、二极管d3即可降低短路时的副边阻抗，从而更好地实现变压器驱动芯片ic的短路保护功能，成本低，结构简单，能得到性价比更好的产品。
60.以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，更改整流方式、通过多绕组或二极管并联，可以得到类似的有益效果，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，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，这里不再用实施例赘述，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。