CN103904620B - 一种直流电源输入防反灌电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电源输入防反灌电路及方法，包括：防反接电路、缓启动电路和采样控制电路，防反接电路包含防反接金属氧化物半导体场效应管MOSFET，缓启动电路包含缓启动MOSFET，采样控制电路采样缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压，在缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接MOSFET关断。本发明在输入短路或输入电压快速跌落时避免发生电流反灌，从而可以在DC/DC转换器采用全桥电路时，避免造成转换器副边同步整流MOSFET漏源极电压应力增大，损坏MOSFET；并且，避免在输入口发生反向的雷击浪涌时，出现电流反灌，从而避免模块输入电容掉电，导致的电源输出掉电。

Description

一种直流电源输入防反灌电路及方法

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种直流电源输入防反灌电路及方法。

背景技术

目前大功率的直流开关电源，基本上采用金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)实现防反接功能。如图1为目前常用的MOSFET实现防反接的电路，在输入正常的情况下，MOSFET导通，且MOSFET的导通阻抗很小，损耗很小，电路可以正常工作；在输入反接时，MOSFET不能导通，有效防止电路反接。

但是，这种电路在正常工作时，如果突然出现输入短路故障，输入电容会通过输入端进行快速放电，造成电流反灌。在这种情况下DC/DC(直流转直流)转换器如果采用全桥电路，可能会造成转换器副边同步整流MOSFET漏源极电压应力增大，损坏MOSFET；输入侧快速放电产生的大电流冲击也有可能会损坏直流电源。

如果采用二极管取代MOSFET作防反接电路，可以在发生输入短路故障时防止电流反灌，但是二极管在大功率电源正常工作时损耗太大，会严重影响大功率电源的效率。为解决大功率直流电源输入短路故障时电流反灌问题，就需要对MOSFET防反电路进行改进，或者增加额外的防反灌电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种直流电源输入防反灌电路及方法，能够在支持防反接并不影响电源效率的情况下，在直流电源输入短路时防止电流反灌。

为解决上述技术问题，本发明的一种直流电源输入防反灌电路，包括：防反接电路、缓启动电路和采样控制电路，所述防反接电路包含防反接金属氧化物半导体场效应管MOSFET，所述缓启动电路包含缓启动MOSFET，所述采样控制电路采样所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压，在所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制所述防反接MOSFET关断。

进一步地，所述防反接MOSFET的源极与所述缓启动MOSFET的源极连接，连接点作为公共地，所述缓启动MOSFET的漏极与所述采样控制电路连接。

进一步地，在所述防反接MOSFET的漏极和源极之间还并联有双向的瞬态电压抑制器TVS。

进一步地，所述采样控制电路包含分压电路、比较器和控制管，所述分压电路连接到所述缓启动MOSFET的漏极和所述公共地采样电压，所述分压电路的第一分压端连接到所述比较器的反相输入端，所述分压电路的第二分压端连接到所述比较器的同相输入端，所述比较器的输出端连接到所述控制管的输入端，所述控制管的控制端连接到所述防反接MOSFET，所述比较器在采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于采样的公共地的电压时，控制所述控制管关断所述防反接MOSFET。

进一步地，在所述比较器的反相输入端与所述公共地之间还连接有并联的第二二极管和第三二极管，箝位所述反相输入端的电压，所述第二二极管相对第三二极管反方向连接。

进一步地，所述控制管采用三极管，所述三极管的基极作为所述控制管的输入端，所述三极管的集电极和发射极作为所述控制管的控制端，所述三极管的集电极连接到所述防反接MOSFET的栅极，所述三极管的发射极连接到所述防反接MOSFET的源极。

进一步地，所述比较器在采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于采样的公共地的电压时，输出高电压，驱动所述三极管导通，拉低所述防反接MOSFET的驱动，关闭所述防反接MOSFET。

进一步地，一种直流电源输入防防反灌方法，包括：

采样控制电路采样缓启动电路中包含的缓启动金属氧化物半导体场效应管MOSFET的漏极和源极之间的电压；

所述采样控制电路在所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接电路中包含的防反接MOSFET关断。

进一步地，还包括：

将所述防反接MOSFET的源极与所述缓启动MOSFET的源极的连接点作为公共地。

进一步地，所述采样控制电路在所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接电路中包含的防反接MOSFET关断，包括：

所述采样控制电路在采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于采样的公共地的电压时，关断所述防反接MOSFET。

综上所述，本发明通过采样缓启动MOS的漏极和源极之间的电压判定输入短路故障，并通过控制关断防反接MOSFET来实现直流电源输入短路防电流反灌，同时不影响输入防反接功能，本发明在输入短路或输入电压快速跌落时避免发生电流反灌(即直流电源输入电流反向)，从而可以在DC/DC转换器采用全桥电路时，避免造成转换器副边同步整流MOSFET漏源极电压应力增大，损坏MOSFET；并且，避免在输入口发生反向的雷击浪涌时，出现电流反灌，从而避免模块输入电容掉电，导致的电源输出掉电，并且，本发明电路实现简单，成本低，同时考虑到对防反接MOSFET和比较器的防雷保护。

附图说明

图1是现有技术中的防反接电路；

图2是本发明实施方式的直流电源输入防反灌电路的电路图。

具体实施方式

本实施方式的直流电源输入防反灌电路采样缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压，当缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，产生一个控制信号，拉低防反接MOSFET的驱动信号，令防反接MOSFET关断，防止电流反灌，大电容上的能量通过DC/DC转换器消耗掉。

本实施方式的直流电源输入防反灌电路，包括：防反接电路、缓启动电路和采样控制电路，防反接电路包含防反接MOSFET，缓启动电路包含缓启动MOSFET，采样控制电路采样缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压，在缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接MOSFET关断，实现防止电流反灌。防反接MOSFET的源极与缓启动MOSFET的源极连接，连接点作为公共地。

下面结合附图对本实施方式的直流电源输入防反灌电路作进一步的详细阐述。

如图2所示，本实施方式的采样控制电路包含分压电路、比较器D1和控制管，分压电路连接到缓启动MOSFET(VT3)的漏极和公共地采样电压，分压电路的第一分压端连接到比较器D1的反相输入端，分压电路的第二分压端连接到比较器D1的同相输入端，比较器D1的输出端连接到控制管的输入端，控制管的控制端连接到防反接MOSFET(VT1)，比较器D1在采样的缓启动MOSFET(VT3)的漏极电压小于采样的公共地的电压时，控制控制管关断防反接MOSFET。

分压电路包括第一分压电路和第二分压电路，第一分压电路包含串联的第一电阻R6和第二电阻R8，第二分压电路包含串联的第三电阻R7和第四电阻R9，第一分压电路的一端与第二分压电路的一端连接，第一分压电路的未与第二分压电路连接的一端连接到缓启动MOSFET的漏极(VT3)采样电压，第二分压电路的未与第一分压电路连接的一端连接到公共地采样电压，第一电阻R6与第二电阻R8的连接端作为第一分压端，第三电阻R7与第四电阻R9的连接端作为第二分压端。第一分压电路与第二分压电路相连接的一端还连接有参考电压(V_ref)。

控制管采用三极管VT2，三极管VT2的基极作为控制管的输入端，三极管VT2的集电极和发射极作为控制管的控制端，三极管VT2的集电极连接到防反接MOSFET的栅极，三极管VT2的发射极连接到防反接MOSFET的源极。

比较器D1的正极连接到辅助电压(PVCC)，负极连接到公共地；比较器D1的输出端与三极管VT2的基极之间还串联有第七电阻R4，在比较器D1的正极与比较器D1的输出端之间还连接有第八电阻R5。比较器D1在反相输入端的采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于同相输入端的采样的公共地的电压时，输出高电压，驱动三极管VT2导通，拉低防反接MOSFET的驱动，关闭防反接MOSFET。

在比较器D1的反相输入端与公共地之间还连接有并联的第二二极管VD3和第三二极管VD4，箝位反相输入端的电压，防止输入过电压损坏比较器。第二二极管VD3相对第三二极管VD4反方向连接，即：第二二极管VD3的负极连接比较器的反相输入端，正极连接公共地；第三二极管VD4的正极连接比较器的反相输入端，负极连接公共地；或者，相反地，第二二极管VD3的正极连接比较器的反相输入端，负极连接公共地；第三二极管VD4的负极连接比较器的反相输入端，正极连接公共地。

缓启动电路包括缓启动MOSFET(VT3)、缓启动功率电阻R10和缓启动控制电路，缓启动功率电阻R10与缓启动MOSFET并联，缓启动功率电阻R10与缓启动MOSFET的源极的连接端与防反接MOSFET(VT1)的源极连接作为公共地，缓启动功率电阻R10与缓启动MOSFET的漏极的连接端与采样控制电路连接，即与第一分压电路的未与第二分压电路连接的一端连接，缓启动MOSFET的栅极与缓启动控制电路的输出端连接，缓启动控制电路的输入端连接到输入电容C1的正极，缓启动功率电阻R10与缓启动MOSFET的漏极的连接端还连接到输入电容C1的负极，缓启动控制电路检测输入电容C1上的电压。

缓启动MOSFET并联缓启动功率电阻R10，在上电时，缓启动MOSFET关闭，通过缓启动功率电阻R10限制开机冲击电流，当缓启动控制电路检测到输入电容C1上的电压接近输入电压时，驱动缓启动MOSFET导通，短路缓启动功率电阻R10，采样控制电路采样缓启动MOSFET的漏极(D)与源极(S)之间的电压，在缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，关断防反MOSFET，实现直流电源输入短路时防止电流反灌，同时不影响输入防反接功能。

本实施方式以缓启动MOSFET(VT3)和防反接MOSFET(VT1)中间连接点作为公共地，在电源正常工作时，缓启动MOSFET的漏极与源极间的电压为正，电压大小取决于输入电流和VT3的Rds(on)，此时，比较器D1反相输入端得到的分压值大于同相输入端的参考电压，比较器D1的输出电压接近参考地，防反接MOSFET(VT1)正常导通；在输入短路时，缓启动MOSFET的漏极与源极间的电压会迅速减小，甚至减小到负值，这会导致比较器D1的反相输入端的分压值迅速减小，当分压值小于同相输入端的参考电压时，比较器输出高电压，三极管VT2导通，拉低防反接MOSFET的驱动令其关断，防止电流反灌。

电源在最小输入功率即空载时，缓启动MOSFET的漏极与源极间存在最小正常工作电压Vmin＝Iin(min)*Rds(on)，比较器D1发生保护动作时对应的缓启动MOSFET的漏极与源极间的电压应小于Vmin，同时尽量选取较大值，以保证在电路正常工作时，防反接MOSFET导通，在发生输入短路异常时，比较器D1尽快动作关断防反接MOSFET，防止电流反灌。

改变第一电阻R6和第二电阻R8，可以改变比较器D1动作时对应的缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压，实现在缓启动MOSFET流过正常工作小电流或反向电流时关断防反接MOSFET。电路正常工作时，缓启动MOSFET的漏极与源极间的电压取决于输入电流和MOSFET本身导通电阻的大小。第二电阻R8在工作中可能承受较大功率，建议选择功率电阻。

防反接电路包括防反接MOSFET(VT1)、防反接分压电路和第一二极管VD1，防反接分压电路包含串联的第五电阻R1和第六电阻R2，防反接分压电路的一端与防反接MOSFET的栅极连接，另一端作为防反接电路的正极输入端，防反接MOSFET的漏极作为防反接电路的负极输入端，防反接MOSFET的源极与缓启动MOSFET的源极连接，第一二极管VD1并联在R1和R2的连接端与防反接MOSFET的源极之间。三极管VT2的集电极是连接到R1和R2的连接端。在R1和R2的连接端与防反接MOSFET的源极之间还并联有第七电阻R3。

在防反接MOSFET的漏极和源极之间还并联有双向的瞬态电压抑制器TVS(VD5)。双向的TVS用来保护防反接MOSFET，防止过电压(雷击或浪涌或输入短路造成VT1承受较大电压应力)损坏。

对于不采用MOSFET进行缓启动的电路，可以在电路中串入采样电阻代替缓启动MOSFET用来采样电压，同样可以实现输入防反灌。但是，这种方案需要增加一个电阻，影响到电源的成本和PCB布局，同时降低电源效率。

本实施方式还提供了一种直流电源输入防防反灌方法，包括：

采样控制电路采样缓启动电路中包含的缓启动金属氧化物半导体场效应管MOSFET的漏极和源极之间的电压；

采样控制电路在缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接电路中包含的防反接MOSFET关断。

将防反接MOSFET的源极与缓启动MOSFET的源极的连接点作为公共地。

采样控制电路在缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接电路中包含的防反接MOSFET关断，包括：采样控制电路在采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于采样的公共地的电压时，关断防反接MOSFET。

在防反接MOSFET的漏极和源极之间还并联有双向的瞬态电压抑制器TVS，保护防反接MOSFET，防止过电压损坏。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上该仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流电源输入防反灌电路，包括：防反接电路、缓启动电路和采样控制电路，所述防反接电路包含防反接金属氧化物半导体场效应管MOSFET，所述缓启动电路包含缓启动MOSFET和缓启动功率电阻，所述采样控制电路采样所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压，在所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制所述防反接MOSFET关断；所述缓启动MOSFET并联所述缓启动功率电阻，在上电时，缓启动MOSFET关闭，通过缓启动功率电阻限制开机冲击电流，当缓启动控制电路检测到输入电容上的电压接近输入电压时，驱动缓启动MOSFET导通，短路所述缓启动功率电阻。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：

所述防反接MOSFET的源极与所述缓启动MOSFET的源极连接，连接点作为公共地，所述缓启动MOSFET的漏极与所述采样控制电路连接。

3.如权利要求1或2所述的电路，其特征在于，在所述防反接MOSFET的漏极和源极之间还并联有双向的瞬态电压抑制器TVS。

4.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述采样控制电路包含分压电路、比较器和控制管，所述分压电路连接到所述缓启动MOSFET的漏极和所述公共地采样电压，所述分压电路的第一分压端连接到所述比较器的反相输入端，所述分压电路的第二分压端连接到所述比较器的同相输入端，所述比较器的输出端连接到所述控制管的输入端，所述控制管的控制端连接到所述防反接MOSFET，所述比较器在采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于采样的公共地的电压时，控制所述控制管关断所述防反接MOSFET。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，在所述比较器的反相输入端与所述公共地之间还连接有并联的第二二极管和第三二极管，箝位所述反相输入端的电压，所述第二二极管相对第三二极管反方向连接。

6.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述控制管采用三极管，所述三极管的基极作为所述控制管的输入端，所述三极管的集电极和发射极作为所述控制管的控制端，所述三极管的集电极连接到所述防反接MOSFET的栅极，所述三极管的发射极连接到所述防反接MOSFET的源极。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述比较器在采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于采样的公共地的电压时，输出高电压，驱动所述三极管导通，拉低所述防反接MOSFET的驱动，关闭所述防反接MOSFET。

8.一种直流电源输入防反灌方法，包括：

采样控制电路采样缓启动电路中包含的缓启动金属氧化物半导体场效应管MOSFET的漏极和源极之间的电压；

所述采样控制电路在所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接电路中包含的防反接MOSFET关断；

所述方法还包括：

所述缓启动MOSFET并联缓启动功率电阻，在上电时，缓启动MOSFET关闭，通过缓启动功率电阻限制开机冲击电流，当缓启动控制电路检测到输入电容上的电压接近输入电压时，驱动缓启动MOSFET导通，短路所述缓启动功率电阻。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述防反接MOSFET的源极与所述缓启动MOSFET的源极的连接点作为公共地。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述采样控制电路在所述缓启动MOSFET的漏极和源极之间的电压小于参考电压时，控制防反接电路中包含的防反接MOSFET关断，包括：

所述采样控制电路在采样的缓启动MOSFET的漏极电压小于采样的公共地的电压时，关断所述防反接MOSFET。