CN102044981B

CN102044981B - 带有电容放电电路的开关电源

Info

Publication number: CN102044981B
Application number: CN2009101106657A
Authority: CN
Inventors: 李锦乐; 秦建设
Original assignee: Shenzhen TCL New Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen TCL New Technology Co Ltd
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: CN102044981A

Abstract

本发明提供了一种带有电容放电电路的开关电源，包括交流输入单元、滤波网络、桥堆整流滤波单元、待机电源及电容放电电路，所述交流输入单元接入交流电并在滤波后输出，滤波网络包括一连接于火线和零线之间的X电容，桥堆整流滤波单元将交流电整流为直流电，待机电源连接一辅助电压及所述桥堆整流滤波单元输出的直流电并变压输出，所述电容放电电路包括采样分压单元、放大单元及放电单元，所述采样分压单元在所述滤波网络的X电容处进行电压采样，采样获得的电压经过放大单元放大后提供给放电单元，所述放电单元在交流输入单元停止交流电压输入时开始工作，释放所述X电容的电能。上述电容放电电路结构简单、待机功率低且输出电压关断速度快。

Description

带有电容放电电路的开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源技术，尤其涉及一种带有电容放电电路的开关电源。

背景技术

开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品，因为开关三极管总是工作在“开”和“关”的状态，所以叫开关电源。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。

开关电源的交流电源输入分为3个端子：火线、零线和地线。在火线和地线之间以及在零线和地线之间并接的电容，一般统称为Y电容，在火线和零线之间并联的电容，一般称之为X电容，由于这个电容连接的位置也比较关键，需要符合相关安全标准，X电容属于安全电容之一，安全标准规定，当正在工作之中的机器电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源线插头两端带电的电压（或对地电位）必须小于原来额定工作电压的30%。通常X电容多选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容，这种类型的电容，体积较大，但其允许瞬间充放电的电流也很大，而其内阻相应较小。

电子产品的待机功耗是世界各国急待解决的能源浪费难题，欧美“能源之星”计划获得日本、韩国、中国等全球各国普遍关注，均立法支持并逐年降低能量损耗，强制性规定所有产品在2012年普遍实现1W的待机能耗。但是，目前绝大多数行业产品都暂无法实现美国能源之星计划在2007年立法推广的0.3W待机计划，因此待机高能耗成为全球性电源难题。

现有的开关电源X电容放电方案，传统的做法是在X电容上并联适当的泻放电阻，使之能保证在断掉交流电的情况下，在2秒钟之内，X电容上的电压能降到35V以下，因此根据X电容的容量大小，泻放电阻的阻值选取在470Kohm到1Mohm之间，在输入电压为220V时，待机及开机状态下X电容的泻放电阻消耗的功率在0.1W到0.05W之间，如果加上待机部分消耗的能量及待机电源的效率，这给整机的待机功耗控制在0.3W以下造成了很大困难。

而对于快速关断电源输出，传统的做法是在电容C上进行电压采样，当电压降到一定值后，关断电源输出，这样做的问题是反应速度很慢，无法满足目前很多实际电路的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关电源放电及快速断电电路，以解决现有技术中存在的放电电路复杂、待机功率高及输出电压关断速度慢的问题。

一种带有电容放电电路的开关电源，包括交流输入单元、滤波网络、桥堆整流滤波单元及待机电源，所述交流输入单元用于接入交流电，所述滤波网络包括一连接于火线和零线之间的X电容，所述桥堆整流滤波单元将交流电整流为直流电并在滤波后输出，所述待机电源连接一辅助电源及所述桥堆整流滤波单元输出的直流电并变压输出，所述开关电源还包括一电容放电电路，所述电容放电电路包括采样分压单元、放大单元及放电单元，所述采样分压单元在所述滤波网络的X电容处进行电压采样，采样获得的电压经过放大单元放大后提供给放电单元，所述放电单元在交流输入单元停止交流电压输入时开始工作，释放所述X电容的电能。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述电容放电电路还包括一基准电平产生单元，为所述放大单元提供参考电平。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述采样分压单元包括第一电容、第一和第二电阻以及第一稳压二极管，所述第一电容一端连接所述X电容与火线之间，另一端通过串联的第一和第二电阻接地，所述第一稳压二极管的阴极连接于所述第一和第二电阻之间，阳极接地，所述采样分压单元对输入的交流电压采样，将较高的交流输入电压转换为所需要的低电压。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述放大单元包括第一至第三三极管、第三至第六电阻及第二电容，所述第一三极管的基极连接于采样分压单元的第一和第二电阻之间，集电极通过第三电阻连接所述辅助电源并且通过第二电容接地，发射极接地，所述第二三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连，集电极通过第五电阻连接第三三极管的基极，发射极连接所述基准电平产生单元，所述第三三极管的基极通过第四电阻连接所述辅助电源，集电极通过第六电阻连接所述放电单元，发射极连接所述辅助电源，所述放大单元对采样得到的低电平与参考电平进行比较、放大，使其驱动放电单元。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述基准电平产生单元包括第二稳压二极管和第七电阻，所述第二稳压二极管的阳极接地，阴极连接所述放大单元的第二三极管的发射极并通过第七电阻连接所述放电单元，所述基准电平产生单元产生参考基准电平，供放大单元使用。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述放电单元包括第四三极管和第八电阻，所述第四三极管的基极通过放大单元的第六电阻连接所述第三三极管的集电极，集电极通过第八电阻连接所述辅助电源并连接所述基准电平产生单元，所述放电单元在放大单元的控制下对辅助电源进行放电。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述第一、第二和第四三极管为NPN型三极管，第三三极管为PNP型三极管。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述第二电容的充电时间为60mS，使放电单元在交流输入单元停止交流电压输入后60mS启动。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述滤波网络还包括一扼流器。

所述带有电容放电电路的开关电源，其中，所述桥堆整流滤波电路包括桥式整流器和滤波电容。

本发明的带有电容放电电路的开关电源，其电容放电电路对交流输入电压进行采样，快速地反应监测输入电压的掉电情况，一旦检测到掉电情况发生，放电电路立即动作，对X电容的能量进行泻放，解决了现有技术中存在的放电电路复杂、待机功率高及输出电压关断速度慢的问题。

附图说明

图1为本发明带有电容放电电路的开关电源较佳实施方式的框图；

图2为本发明带有电容放电电路的开关电源较佳实施方式的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式加以详细说明。

参考图1，为本发明带有电容放电电路的开关电源较佳实施方式的框图，所述带有电容放电电路的开关电源包括：交流输入单元12、滤波网络13、桥堆整流滤波单元14、待机电源16及电容放电电路，所述电容放电电路包括采样分压单元182、放大单元184、基准电平产生单元186及放电单元188，所述采样分压单元182在所述滤波网络13的X电容处进行电压采样，采样获得的电压经过放大单元184放大后提供给放电单元188，所述基准电平产生单元186为所述放大单元184提供参考电平，所述交流输入单元12停止交流电压输入时，所述放电单元186开始工作，释放所述X电容上的电能。

继续参考图2，为本发明带有电容放电电路的开关电源的电路图，所述交流输入单元12包括交流电接口P1和保险丝F1，所述保险丝F1连接于交流接口P1的火线L上；所述滤波网络13包括扼流器L1和连接于交流电接口P1的火线L和零线N之间的X电容CX；所述桥堆整流滤波单元14包括桥式整流器D和电容C，所述桥式整流器D将交流电整流为直流电，电容C接地滤波；所述待机电源16包括变压器、控制器Control、电容及稳压二极管，其连接一辅助电源VCC并获取桥堆整流滤波单元14输出的电压VB，待机电源16输出一电压VOUT。以上电路及其工作原理均为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

所述电容放电电路的电路连接关系及工作原理具体描述如下：

所述采样分压单元182包括电容C1、电阻R1和电阻R2以及稳压二极管D1，所述电容C1一端连接于所述X电容CX及火线L之间，另一端通过串联的电阻R1和R2接地，所述稳压二极管D1阴极连接于所述电阻R1和R2之间，阳极接地，所述采样分压单元182的作用是对输入的交流电压采样，将较高的交流输入电压转换为所需要的低电压。

所述放大单元184包括三极管Q1～Q3、电阻R3～R6及电容C2，所述三极管Q1的基极连接于采样分压单元182的电阻R1和R2之间，集电极通过电阻R3连接所述辅助电源VCC并通过电容C2接地，发射极接地，三极管Q2的基极与三极管Q2的集电极相连，集电极通过电阻R5连接三极管Q3的基极，发射极连接所述基准电平产生单元186，三极管Q3的基极通过电阻R4连接所述辅助电源VCC，集电极通过电阻R6连接所述放电单元188，放大单元184的作用是对采样得到的低电平与参考电平进行比较、放大，使之具有一定的驱动能力，以便驱动放电单元188。

所述基准电平产生单元186包括稳压二极管D2和电阻R7，稳压二极管D2的阳极接地，阴极连接所述放大单元184的三极管Q2的发射极并通过电阻R7连接所述放电单元188，其作用是产生参考基准电平，供放大单元使用。

所述放电单元188包括三极管Q4和电阻R8，所述三极管Q4基极与放大单元184的电阻R6相连，集电极通过电阻R8连接所述辅助电源VCC并连接所述基准电平产生单元186，其作用是在放大单元184的控制下对辅助电源VCC进行放电，消耗电能。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在交流电压正常输入时，由于交流输入为220V，因此电压VA是峰值为300V左右的弦波（正半周），而三极管Q1的基极处是经过电容C1与电阻R1和R2分压后得到的电压，由于稳压二极管D1及三极管Q1的正向钳位作用，三极管Q1的基极电压波形为与交流输入同频同相但幅度为0.7V的交流波形，在交流输入电压的正半周，三极管Q1导通，处于放大状态，给电容C2放电，在交流输入电压的负半周，三极管Q1截止，辅助电源VCC通过电阻R3给电容C2充电，通过对充放电时间常数的合理选择，让三极管Q1的基极电压在0V与2V之内变化，因此三极管Q2和Q3一直处于截止状态。

在交流电突然断开后，桥堆整流滤波单元14输出的电压VB变为零，三极管Q1的基极电压也为零，三极管Q1立即截止，因此辅助电源VCC通过电阻R3一直给电容C2充电，当电容C2上的电压大于稳压二极管D2的稳压值和三极管Q2的导通电压之和后（在60mS的时间内，将电容C2上的电压充电至5.6V），三极管Q2和Q3工作在放大状态，致使三极管Q4的基极电压急骤升高，使三极管Q4饱和，辅助电源VCC通过电阻R8放电，待机电源16的变压器负载加大，在很短的时间内将电容C和X电容电容CX上的电能消耗掉，同时待机电源16的输出电压VOUT也停止输出。

此外，在放电单元16工作时，通过改变R8的阻值，可以调整对CX电容的放电时间，使之达到所需要的放电速度。

电源正常工作及在待机状态下，交流输入电压通过电容C1，电阻R1和R2分压，加到三极管Q1的基极，在交流输入的负半周，三极管Q1截止，辅助电源VCC通过电阻R3给电容C2充电，在本实施方式中，各电子元件的取值如下：电容C1为4700PF，电阻R1为100ohm，电阻R2为39Kohm，电阻R3为150Kohm，电容C2为1uF，辅助电源VCC为18V，电阻R8为47ohm，三极管Q1、Q2和Q4均为NPN型三极管，三极管Q3为PNP型三极管，因此电容C1的容抗R(C1)=1/2πfc=1/2*3.14*50*470*10^(-6)=678Kohm，在交流输入的负半周流过电阻R1的电流I(R1)≈

(VA-VD1)/(R(C1)+R1)=(310-0.7)/(675+0.1)=0.457mA，因此负半周电阻R1消耗的功率P(R1)1=I(R1)^2*R1=(0.457*10^-3)^2*100=20.8*10^-6W=0.021mW，负半周电阻R3消耗的功率(设C2上的电压一直为零，此时R3消耗的功耗最大)P(R3)1=VCC^2/R3=18*18/(150*10^3)=2.16*10^-3W=2.16mW

在交流输入的正半周，三极管Q1工作于放大区，电容C2通过三极管Q1的CE结放电。适当选取电阻R3和电容C2的值，使电容C2在交流电的半个周期的时间内，电容C2上的充电电压控制在二极管D2的稳压值以下，三极管Q2～Q4就一直工作于截止状态，消耗的能量极小，具体功率估算为：正半周流过电阻R1的电流I(R1)≈(VA-VD1)/(R(C1)+R1)=(310-0.7)/(675+0.1)=0.457mA，正半周R1的功率P(R1)2=I(R1)^2*R1=(0.457*10^-3)^2*100=20.8*10^-6

W=0.021mW，正半周R3的功率(设三极管Q1饱和且CE结电压为零，此时R3消耗的功耗最大)P(R3)2=VCC^2/R3=18*18/(150*10^3)=2.16*10^-3W=2.16mW

因此当开关电源正常工作时，电阻R1和R3消耗的总功率为

P=(P(R1)1+P(R3)1+P(R1)2+P(R3)2)/2=(0.021+2.16+0.021+2.16)/2=2.181mW，仅有约2mW的功耗。

上述电路在待机及开机状态下，电容放电电路不工作，消耗能量极小，但在切断交流电输入的情况下，电容放电电路工作，使之符合安规所要求的在2秒钟内，将X电容上的电压降到35V以下，同时快速关断电源输出。

综上所述，本发明的带有电容放电电路的开关电源，其电容放电电路对交流输入电压进行采样，快速地反应监测输入电压的掉电情况，一旦检测到掉电情况发生，电容放电电路立即动作，对X电容的能量进行泻放，其电路简单、待机功率低且输出电压关断速度快。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种带有电容放电电路的开关电源，包括交流输入单元、滤波网络、桥堆整流滤波单元及待机电源，所述交流输入单元用于接入交流电，所述滤波网络包括一连接于火线和零线之间的X电容，所述桥堆整流滤波单元将交流电整流为直流电并在滤波后输出，所述待机电源连接一辅助电源及所述桥堆整流滤波单元输出的直流电并变压输出，其特征在于：所述开关电源还包括一电容放电电路，所述电容放电电路包括采样分压单元、放大单元及放电单元，所述采样分压单元在所述滤波网络的X电容处进行电压采样，采样获得的电压经过放大单元放大后提供给放电单元，所述放电单元在交流输入单元停止交流电压输入时开始工作，释放所述X电容的电能；所述放电单元在放大单元的控制下对辅助电源进行放电。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述电容放电电路还包括一基准电平产生单元，为所述放大单元提供参考电平。

3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述采样分压单元包括第一电容、第一和第二电阻以及第一稳压二极管，所述第一电容一端连接所述X电容与火线之间，另一端通过串联的第一和第二电阻接地，所述第一稳压二极管的阴极连接于所述第一和第二电阻之间，阳极接地，所述采样分压单元对输入的交流电压采样，将较高的交流输入电压转换为所需要的低电压。

4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述放大单元包括第一至第三三极管、第三至第六电阻及第二电容，所述第一三极管的基极连接于采样分压单元的第一和第二电阻之间，集电极通过第三电阻连接所述辅助电源并且通过第二电容接地，发射极接地，所述第二三极管的基极与所述第一三极管的集电极相连，集电极通过第五电阻连接第三三极管的基极，发射极连接所述基准电平产生单元，所述第三三极管的基极通过第四电阻连接所述辅助电源，集电极通过第六电阻连接所述放电单元，发射极连接所述辅助电源，所述放大单元对采样得到的低电平与参考电平进行比较、放大，使其驱动放电单元。

5.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述基准电平产生单元包括第二稳压二极管和第七电阻，所述第二稳压二极管的阳极接地，阴极连接所述放大单元的第二三极管的发射极并通过第七电阻连接所述放电单元，所述基准电平产生单元产生参考基准电平，供放大单元使用。

6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述放电单元包括第四三极管和第八电阻，所述第四三极管的基极通过放大单元的第六电阻连接所述第三三极管的集电极，集电极通过第八电阻连接所述辅助电源并连接所述基准电平产生单元。

7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述第一、第二和第四三极管为NPN型三极管，第三三极管为PNP型三极管。

8.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述第二电容的充电时间为60mS，使放电单元在交流输入单元停止交流电压输入后60mS启动。

9.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述滤波网络还包括一扼流器。

10.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述桥堆整流滤波电路包括桥式整流器和滤波电容。