基于431的短路保护方案

基于431的短路保护方案
基于431的低成本短路保护电路
一．概述
开关电源的负载发生短路时候，一般开关电源都有一个保护电路，即保护开关电源自身不会因为负输出功率过大而损坏，当输出短路故障消除后,开关电源自己自动恢复工作。

二．原理
以3844为例，PWM形式工作的开关电源输出短路保护电路有很多。

而我们需要的是最简单、可靠、实用、经济的！例如利用3844本身的电流采样电路，如下图：
当发生短路时候，误差放大器输出一个较高电压，经分压被1V稳压管嵌位到1V，此时输出最大占空比，电感电流近似线性慢慢上升，采样电阻R3上的电压线性慢慢上升，当3844的3脚电压到达1V时候，触发锁存器“复位”，3844的6脚输出变为低，输出中止。

这种保护实质上是限功率保护，当变压器T1的初级电感量，采样电阻R3的值，输入电压值一定的时候，输出最大功率也就确定了。

当设计合适时候，开关电源一最大功率输出，不会损坏开关电源，输出短路故障去除后，开关电源恢复正常工作。

这种方法最经济直接，但对负载大小，输入电压范围都要求比较严格。

如果设计的变压器T1的初级电感量太大，或者采样电阻太小都可能导致3844的3脚电压不能到达1V关闭驱动输出，结果会损坏开关电源。

这种保护方法一般都只适用较短时间（几秒）内的短路。

另外一中比较常用的利用变压器自供电的打嗝式保护，是当前最流行和最实用的短路保护方式，如下图：
利用变压器的辅助绕组给3844供电，但输出发生短路时候，变压器全部能量被加在短路的那组输出，使辅助的自供电绕组没有输出，3844的7脚迅速降到阈值10V以下，使输出驱动关闭，进入打嗝形式工作，此时输出功率小，当短路故障去除后，开关电源恢复正常工作。

这种保护方法的成功与否主要取决于辅助绕偶合的好坏。

当变压器偶合的不好的时候，或者因为驱动功率比较大而必须选取比较小的启动电阻的时候，或者需要考虑比较短的启动时间和较宽的输入电压的时候，当输入电压高输出发生短路后3844的7脚不能迅速降低到阈值10V 以下，开关电源就会工作在限功率模式下，即驱动一直是最大占空比。

实质上，自供电绕组的使用只是为了解决在高电压输入时候给3844供电的问题，不是专门的短路保护电路。

为解决以上问题，引入专门的短路保护电路。

如下图：
当短路发生时候，光耦不导通，3844的1脚补偿端电压迅速上升，经过R2，R3的分压，431的参考R到达2.5V，431的K脚电位被拉低，由于3844的7脚电源端通过R1和431的K脚相连接，所以3844的7脚也被迅速拉低至阈值电压10V以下，3844的6脚驱动输出关闭。

3844电源掉电后，1脚电压下降为0V，431的参考R降到2.5V以下，等待启动电阻对7脚充电到3844的启动阈值电压16V，
如果输出短路故障还存在，则重复上述过程，进入打嗝状态；若故障清除，则恢复正常工作。

本电路关键在于参数设置，R1，R2，R3，C1的值都要非常合适。

短路时，R2和R3的分压要比431触发电平2.5V 高，一般高出2.5V 一点点即可；R2和C1的值也要选择比较合适，如果设置不当，则有可能导致低输入电压满负载情况下，启动不了，出现打嗝。

因为，在电源启动的时候，输出电压为0V，相当于输出短路，此保护电路也工作。

所以R2对C1充电到431触发电平2.5V的时间要非常合适，如果太短，则有可能导致低输入电压满负载情况下，电源启动不了，出现打嗝几次再正常工作，或一直打嗝，电源不能正常工作。

如果时间太，则保护效果差，充电时间太长，就基本失去保护作用；R1的值一般比较小，短路时候承受一定的功率，也要选择合适，太小也将导致低输入电压满负载情况下，启动不了。

取值太大，则保护效果差。

总之，参数的选取和整个电源的本身特性有关，例如输入电压范围、负载大小、3844的启动电阻、开关频率、驱动能力、自供电绕组、变压器匝数比、环路响应速度等等。

三．实际应用
在原来3844的传统辅助绕组自供电开关电源电路上，加上如上图的短路保护电路，电路简单，仅仅包含一个431、三个电阻和1个电容，占用PCB空间非常小，成本低廉。

如果不想要这部分电路，可以直接去掉，不影响原来电路的正常工作。

431为三端电压调整器，等效原理图如下图：
开关电源正常工作时候，3844的1脚的电压比被反馈光耦拉低为一个稳定的值，此时经R2、R3分压到431的R端的电压也比较低，低于2.5V，所以431的输出呈高阻，即开路状态，431的输出两端KA 之间不导通，R1上没有电流，不会对3844的供电造成影响。

当输出短路发生时候，反馈光耦不导通，3844内部误差放大器输出达到最大值，即1脚
电压迅速上升到一个较高值。

没有电容C 的话，R2、R3分压到431的R 端的电压将在2.5V 以上，由于电容C 的存在，则有R2对电容C 进行充电的过程。

一定的时间后，电容两端的电压达到2.5V ，触发431的输出电平变为低，即431的输出两端KA 之间导通，通过R1把3844的供电端7脚的电压迅速的拉低到阈值电压10V 以下，使3844的驱动输出关闭，达到保护作用。

如下图：
1 在0T 时刻：
发生短路，3844的1脚电压迅速上升到最大（本例6V 左右）。

3844的供电7脚电压开始下降。

431的输出K 端电压开始下降。

431的R 端电压开始上升。

2 在0T 和1T 之间：
3844的1脚电压还保持在最高位，此时3844的6脚驱动在满占空比输出。

3844的供电7脚电压由于驱动的输出而慢慢降低，还在阈值电压10V 以上。

431的输出K 端为开路，输出高阻，电压随3844的供电7脚变化。

431的R 端电压即电容C 两端电压慢慢上升，这段时间的长短主要由充电电阻R2和电容C 的大小确定。

充电时间可以由下式确定：
)1(32320323t C R R R R c e V R R R V +--+=
其中：C V 为电容两端电压，即431的R 端电压；0V 为3844的1脚在短路时候的电压；计算过程见附录，把0V 近视成稳定的直流电压，忽略431的基准端R 对充电时间的影响。

3 在1T 时刻：431的R 端电压充电到2.5V 左右，431的输出K 变为低电平。

由于R1的存在，3844的7脚电压下降斜率开始变陡，出现拐点。

3844的1脚电压还保持在最高位，此时3844的6脚驱动在满占空比输出。

④在1T 和2T 之间：
431的R端电压保持2.5V，431的输出K端保持低电平。

3844的7脚电压以较陡的斜率继续下降，这个斜率大小取决与R1值的大小，R1越小，斜率越大，曲线越陡。

3844的1脚电压
还保持在最高位，此时3844的6脚驱动在满占空比输出。

⑤在
T时刻：
2
3844的7脚电压下降到关闭阈值电压10V，3844停止工作，3844的6脚驱动关闭。

3844的1脚电压消失，431的R端随着下降到2.5V以下，431的输出K变为高阻、开路。

T时刻
2
后，3844的7脚电压，由启动电阻慢慢充电到开通阈值电压16V，如果短路存在，又将进入
T时刻，开始循环。

此短路保护电路，主要的作用是改变原来3844的7脚电压的下降斜率，使之变的更陡，让3844的7脚电压更快的下降到关闭阈值电压以下，来关闭输出驱动。

即短路时候，电源工作在满功率（限功率）输出的时间变短；或者说在短路时候，让3844有驱动输出的时间在一个短路保护周期里面的比例变小；从而达到保护电源的作用。