CN101771338B - 一种高可靠低功耗开关电源模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高可靠低功耗开关电源模块，包括DC/DC转换单元、设置在DC/DC转换单元输入端的输入保护单元、设置在DC/DC转换单元输出端的输出保护单元、AAP开关单元，其加电使能控制开关信号取自基于输入地线的电压信号或基于任一输出地线的电压信号，其输出端与DC/DC转换单元的各输出使能控制端连接。本发明解决现有技术中开关电源模块内部辅助和保护电路存在的设计不合理、能耗高、可靠性差、稳定度低、调试不方便等缺点，具有能耗低、设计简单、可靠、稳定等优点。

Description

一种高可靠低功耗开关电源模块

技术领域

本发明涉及一种开关电源。

背景技术

开关电源模块可向各种电子线路板提供电源信号输出，为了保证电源信号的高可靠、高可用，其必要的内部辅助和保护电路是必不可少。但目前大多数开关电源模块中的辅助和保护电路存在着设计不合理、可靠性差、稳定度低等缺点。尤其是开关电源模块不工作时，各辅助和保护电路一直上电，导致电路能耗高；另外，各辅助和保护电路一直上电的状态，导致调试环节不方便。

发明内容

为了解决现有技术中开关电源模块内部辅助和保护电路存在的设计不合理、能耗高、可靠性差、稳定度低、调试不方便等缺点，本发明提供了一种高可靠低功耗开关电源模块。

本发明的技术解决方案是：

一种高可靠低功耗开关电源模块，包括DC/DC转换单元6、设置在DC/DC转换单元6输入端的输入保护单元1、设置在DC/DC转换单元6输出端的输出保护单元4，其特殊之处在于：所述开关电源模块还包括可实现输出功率开启和关闭的AAP开关单元3，其加电使能控制开关信号取自基于输入地线的电压信号或基于任一输出地线的电压信号，其输出端与DC/DC转换单元6的各输出使能控制端连接。

上述AAP开关单元3包括第一光耦V31、第一比较器N31、第二比较器N32、第二光耦V32以及场效应管N33，所述第一光耦V31的输入高端接加电使能控制开关信号，其输入低端接地，其输出高端接第一比较器N31的输入高端，其输出低端与第二比较器N32的地相连接，所述第一比较器N31的输出端接第二比较器N32的输入低端，所述第二比较器N32的输出端接第二光耦V32的输入低端，所述第二光耦V32的输出高端接第一场效应管N33的栅极，其输出低端接地，所述第一场效应管N33的源极与DC/DC转换单元6的各输出使能控制端连接，其漏极接地。

上述输出保护单元4包括输出过压保护电路5；所述输出过压保护电路5包括分压采样电路U51、多路电压监测电路N51、第三光耦V51、第三比较器N52以及第二场效应管N53；所述分压采样电路U51用于对各输出端电压进行分压并分别送入多路电压监测电路N51，所述多路电压监测电路N51用于对各分压后的电压信号进行比较，并将比较比较结果转换为高低电平后送入第三光耦V51的输入高端，第三光耦V51的输入低端接地，所述第三光耦V51的输出高端接，第三比较器N52的输出端接第二场效应管N53的栅极，所述第二场效应管N53的漏极与DC/DC转换单元6的各输出使能控制端连接，其源极接地。

上述输入保护单元1包括欠压浪涌保护电路2；所述欠压浪涌保护电路2包括PWM升压电路U21、隔离电路U22、第四比较器N21和充放电电路U23；所述充放电电路U23包括第三场效应管N22、第四场效应管N23、储能电容C21和放电电阻R21，储能电容C21和放电电阻R21并联后其一端与第三场效应管N22的源极连接，其另一端接地，第三场效应管N22的漏极作为欠压浪涌保护电路2的输出端，其栅极接第四场效应管N23的源极，第四场效应管N23的漏极接地，所述PWM升压电路U21用于提高储能电容C21的充电电压，其启动电压高于输入电源电压，其输出电压端接储能电容C21的正极，所述储能电容C21的负极接地；所述隔离电路U22为用于隔离欠压浪涌保护电路2的输入和输出的二极管，其正极同时与第四比较器N21的输入端连接，所述第四比较器N21的输出端接第四场效应管N23的栅极。

上述欠压浪涌保护电路2包括充电备份电路U24，所述充电备份电路包括第一二极管V21和第二二极管V26，所述第一二极管V21的正极接PWM升压电路U21的输出端，所述第二二极管V26的正极接开关电源模块的输入电源，所述第一二极管V21和第二二极管V26的负极对接后与储能电容C21的正极连接。

上述隔离电路U22的二极管为两个并联的第三二极管V24和第四二极管V25。

本发明具有以下优点：

1、降低能耗。本发明在开关电源模块内部增加了AAP开关单元，其输入端的加电使能控制开关信号取自基于输入地线的电压信号或基于任一输出地线的电压信号，也就是说输入加电使能控制开关信号时，各路输出才正常，否则开关电源模块将处于低功耗的待机工作模式；另外，通过AAP开关单元可以在较小电流冲击的情况下，实现电源功率输出开启或关闭，也降低了开关电源模块的功耗。当需要调试开关电源模块，只需要利用AAP开关单元关闭开关电源模块的功率输出，即可方便调试。

2、电路设计简单、可靠。本发明的欠压浪涌保护电路通过提高充电电压，大幅降低了储能电容的容值，从而使电路设计更加容易，且能确保开关电源系统在较长时间(100ms级)的欠压浪涌时，能维持正常的功率输出，并且保障开关电源模块的不损坏。如果PWM升压电路出现故障，则充电备份电路还可使用输入电源对充放电电路进行充电，进一步保证开关电源模块的正常工作。

3、本发明的输出过压保护电路可为开关电源模块的各路输出提供门值范围可调的高可靠过压保护，当发送过压时能及时关闭电压输出，以保障后端用电设备的安全；并在过压异常状况消失后，能自动恢复开关电源模块的正常工作。

附图说明

图1是本发明开关电源的电路原理示意图；

图2是AAP开关单元的电路结构示意图；

图3是输出过压保护电路的电路结构示意图；

图4是欠压浪涌保护电路的电路结构示意图；

其中：1-输入保护单元、2-欠压浪涌保护电路、3-AAP开关单元、4-输出保护单元、5-输出过压保护电路、6-DC/DC转换单元、V31-第一光耦、V32-第二光耦、V51-第三光耦、N31-第一比较器、N32-第二比较器、N52-第三比较器、N21-第四比较器、N33-第一场效应管、N53-第二场效应管、N22-第三场效应管、N23-第四场效应管、U51-分压采样电路、N51-多路电压监测电路、U21-PWM升压电路、U22-隔离电路、U23-充放电电路、C21-储能电容、R21-放电电阻、U24-充电备份电路、V21-第一二极管、V26-第二二极管、V24-第三二极管、V25-第四二极管。

具体实施方式

本发明高可靠低功耗开关电源模块，包括DC/DC转换单元6、设置在DC/DC转换单元6输入端的输入保护单元1、设置在DC/DC转换单元6输出端的输出保护单元4以及可实现输出功率开启和关闭的AAP开关单元3；输入保护单元1中包括欠压浪涌保护电路2，输出保护单元4包括输出过压保护电路5。

AAP开关单元的电路结构如图2所示。AAP开关单元使开关电源模块具有上电控制功能，其电路的实现是通过控制DC/DC转换单元的输出使能控制端(GATE IN)来实现的，加电使能控制开关信号取自基于输入地线的电压信号或基于任一输出地线的电压信号，其输出端与DC/DC转换单元6的各输出使能控制端连接。当加电使能控制开关信号接地或悬空时，第一光耦V31的6脚为高信号，第一比较器N31的13脚为高信号、2脚为低信号，第二光耦V32的4脚、3脚导通，6脚为低信号，第一场效应管N33的3脚变低、1脚为高，则与二极管G31、G32、G33分别连接的输出使能控制端(GATE IN)为高电平，开关电源模块各路输出正常；当当加电使能控制开关信号接28V时，第一光耦V31的6脚为低信号，第一比较器N31的13脚为低信号、2脚为高信号，第二光耦V32的4脚、3脚不导通，6脚为高信号，第一场效应管N33的3脚变高、1脚为低，将与二极管G31、G32、G33分别连接的输出使能控制端(GATE IN)拉低，开关电源模块各路无输出。

输出过压保护电路结构如图3所示，输出过压保护功能由多路电压监测器N51对各路输出进行采样处理(其中S1、S2、S3为正电压采样端，S4和-S4端为负电压采样端，VOF端为欠压信号输出端，UVF端为过压信号输出端，POK端为正常信号输出端)，通过第三光耦V51将信号隔离传递到原边，控制开关电源模块的输出使能控制端GATE IN信号；当某一路输出电压偏高(5V≥±6V；士15V≥±18V)时，多路电压监测器N51的11脚(OVF)发出低信号，第三光耦V51的7脚变高，第三比较器N52的14脚变高，第二场效应管N53的7脚变低，将DC/DC转换单元的+5V、+15V、-15V输出使能控制端GATE IN拉低，使开关电源模块停止输出，在输出低于设定值(5V＝6V；士15V＝士18V)时，开关电源模块输出自动恢复正常输出，电源正常输出。

欠压浪涌保护电路结构如图4所示，为满足在欠压瞬间维持开关电源模块正常输出工作的要求，需要在开关电源模块正常工作时储能电容存储较高的能量。

根据储能电容计算公式：C＝2PT/u²(其中，P-实际输入功率，T-维持时间，U1-充电电压)可知，在输入功率和维持时间不变的情况下，提高充电电压，可大幅度降低需要的储能电容容值，从而使电路设计变得更容易。

PWM升压电路U21将启动电压升高到比+28V电源电压高的输出电压，经第一二极管V21向储能电容C21充电，并在正常工作时，维持储能电容C21两端的高压储能状态。第三二极管V24和第四二极管V25的正极前端的电压采样信号V-SINGAL与第四比较器N21预设电平信号信号比较，控制CTL.SINGAL信号的高低。当开关电源模块前端电压降低至某一设定值时，电压采样信号V-SlNGAL经与第四比较器N21预设电平比较，使第四比较器N21输出端电平翻转，CTL.SINGAL跳转为低电平信号，第四场效应管N23由导通状态变为截止状态，第三场效应管N22的G端电压升高，第三场效应管N22导通，将储能电容C21存储的能量经第三场效应管N22传输到电压输入主回路，维持开关电源模块正常工作。正常情况下，充电备份电路的第一二极管V21导通，第二二极管V26截止，如果PWM升压电路U21出现故障，则第一二极管V21截止，第二二极管V26导通，由开关电源模块前端电压对储能电容进行充电，保证欠压浪涌保护电路的正常工作。

以上附图中，均以DC/DC转换单元的输出为+5V、+15V、-15V为例，本发明同样适用不同幅值和数量的输出电压的情况。

Claims (5)

1.一种开关电源模块，包括DC/DC转换单元(6)、设置在DC/DC转换单元(6)输入端的输入保护单元(1)以及设置在DC/DC转换单元(6)输出端的输出保护单元(4)，其特征在于：所述开关电源模块还包括可实现输出功率开启和关闭的开关单元(3)，开关单元(3)加电使能控制开关信号取自基于输入地线的电压信号或基于任一输出地线的电压信号，开关单元(3)输出端与DC/DC转换单元(6)的各输出使能控制端连接，

所述开关单元(3)包括第一光耦(V31)、第一比较器(N31)、第二比较器(N32)、第二光耦(V32)以及第一场效应管(N33)，所述第一光耦(V31)的输入高端接加电使能控制开关信号，其输入低端接地，其输出高端接第一比较器(N31)的输入高端，其输出低端与第二比较器(N32)的地相连接，所述第一比较器(N31)的输出端接第二比较器(N32)的输入低端，所述第二比较器(N32)的输出端接第二光耦(V32)的输入低端，所述第二光耦(V32)的输出高端接第一场效应管(N33)的栅极，其输出低端接地，所述第一场效应管(N33)的源极与DC/DC转换单元(6)的各输出使能控制端连接，其漏极接地。

2.根据权利要求1所述的开关电源模块，其特征在于：所述输出保护单元(4)包括输出过压保护电路(5)；所述输出过压保护电路(5)包括分压采样电路(U51)、多路电压监测电路(N51)、第三光耦(V51)、第三比较器(N52)以及第二场效应管(N53)；所述分压采样电路(U51)用于对DC/DC转换单元(6)的各输出端电压进行分压并分别送入多路电压监测电路(N51)，所述多路电压监测电路(N51)用于对各分压后的电压信号进行比较，并将比较结果转换为高或低电平后送入第三光耦(V51)的输入高端，第三光耦(V51)的输入低端接地，所述第三光耦(V51)的输出高端接第三比较器(N52)的输入高端，第三比较器(N52)的输出端接第二场效应管(N53)的栅极，所述第二场效应管(N53)的漏极与DC/DC转换单元(6)的各输出使能控制端连接，其源极接地。

3.根据权利要求1或2所述的开关电源模块，其特征在于：所述输入保护单元(1)包括欠压浪涌保护电路(2)；所述欠压浪涌保护电路(2)包括PWM升压电路(U21)、隔离电路(U22)、第四比较器(N21)和充放电电路(U23)；所述充放电电路(U23)包括第三场效应管(N22)、第四场效应管(N23)、储能电容(C21)和放电电阻(R21)，储能电容(C21)和放电电阻(R21)并联后其一端与第三场效应管(N22)的源极连接，其另一端接地，第三场效应管(N22)的漏极作为欠压浪涌保护电路(2)的输出端，其栅极接第四场效应管(N23)的源极，第四场效应管(N23)的漏极接地，所述PWM升压电路(U21)用于提高储能电容(C21)的充电电压，其启动电压高于输入电源电压，其输出电压端接储能电容(C21)的正极，所述储能电容(C21)的负极接地；所述隔离电路(U22)为用于隔离欠压浪涌保护电路(2)的输入和输出的二极管，所述二极管的正极与开关电源模块的输入电源信号V-SINGAL连接，二极管的正极与第四比较器(N21)的输入端连接，所述二极管的负极与第三场效应管(N22)的漏极连接，第四比较器(N21)的输出端接第四场效应管(N23)的栅极。

4.根据权利要求3所述的开关电源模块，其特征在于：所述欠压浪涌保护电路(2)包括充电备份电路(U24)，所述充电备份电路包括第一二极管(V21)和第二二极管(V26)，所述第一二极管(V21)的正极接PWM升压电路(U21)的输出端，所述第二二极管(V26)的正极接开关电源模块的输入电源，所述第一二极管(V21)和第二二极管(V26)的负极对接后与储能电容(C21)的正极连接。

5.根据权利要求4所述的开关电源模块，其特征在于：所述隔离电路(U22)的二极管为两个并联的第三二极管(V24)和第四二极管(V25)。

Images