CN102664528A - 一种开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源，所述开关电源采用脉宽调制(PWM)集成芯片控制MOS开关管的开关频率，通过三端可调分流电路来调节反馈电压的大小，当系统电压发生变化时，脉宽调制集成芯片根据反馈电压信号和外接的振荡器产生的固有频率的时钟信号控制变压器单元的充放电过程及充放电频率，调整系统电压，使变压器单元输出的电压信号稳定。本发明实施的开关电源解决了电压受到干扰跌落(上升)的问题，使电压输出路数可调，具有抗干扰能力强、通频带宽、功率大、开关频率可控、成本低、易于集成和使用方便的特点。

Description

一种开关电源

技术领域

本发明涉及一种开关电源。

背景技术

任何一款电子产品都需要电源，电源是整个系统工作的能量来源，电源大部分是采用的集成开关电源，还有一部分采用的是变压器变压电源。

集成开关电源具有体积小、开关频率高、工作效率高、使用方便等优点，在仪器仪表、精密设备等领域应用较广泛，但是由于集成开关电源的体积和自身的开关特性，也存在一些缺点(如通频带一般很窄，对外有电磁辐射、抗干扰的能力差，纹波大等)，鉴于以上情况，集成开关电源如果用于工业产品就会有很大的局限性。因为工业现场的环境较复杂，当系统出现短路故障时，开关电源的电压瞬间跌落，瞬时会产生很大的电磁干扰等，引起控制仪器仪表或精密设备等的重启动，从而引起控制信号的丢失，造成外部设备工作状态的改变，给工业生产造成较大的损失，因此，这些状况在工业生产中要尽量避免。

线绕变压器变压电源具有电压稳定、平稳、纹波小、输出功率高、输出电压范围可调等优点，能够满足工业产品控制的要求，但是其体积大、工作效率低、输出电压会随着电网的波动而波动、携带安装不方便等缺点严重限制了这种电源的使用推广。

无论是集成开关电源还是变压器变压电源，当供电电网、变电设备发生故障或者负载突然发生大的变动或连续变化时，与低电网连接的电气电子设备会受到电网中电压瞬间跌落、短时中断和电压渐变的影响，开关电源产生的电磁辐射会对电气电子设备进行干扰，影响电气电子设备的正常运行。

公开号为CN 101578758B的“开关电源装置”的专利申请公开了一种开关电源装置，能够防止切换频率上升，不产生间歇振荡，解除了间歇振荡的频率进入可听频率引起的声响或脉动电压变大的问题。但所述公开的开关电源装置的技术方案采用单路电源输出，较多的模拟电子器件使电路结构复杂，容易造成相互间的干扰。

目前工业产品控制中，由于负载突然发生大的变动或连续变动产生电压渐变的情况对工业产品的影响最普遍。因此，开关电源还需要进行进一步的优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关电源，当系统电压发生变化时，通过带参考端的基准源调节脉宽调制集成芯片的反馈电压，脉宽调制(PWM)集成芯片根据反馈电压和振荡器的固有频率的时钟信号控制高频变压器的充放电过程及充放电频率，调整系统电压，使变压器单元输出的电压信号稳定控制开关管的开关频率，解决了电压受到干扰跌落(上升)和电压输出路数可调的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种开关电源，包括供电单元、脉宽调制电路单元、反馈电压单元、振荡器、开关元件和变压器单元；其中，供电单元与变压器单元和脉宽调制电路单元连接，脉宽调制电路单元与振荡器和反馈电压单元连接，并且通过开关元件与变压器单元连接；

所述供电单元包括为变压器单元充电的第一供电单元和为脉宽调制电路单元供电的第二供电单元；

所述反馈电压单元用于输出脉宽调制电路单元需要的反馈电压信号；

所述振荡器产生固有频率的时钟信号；

脉宽调制电路单元根据所述反馈电压信号输出开关量控制所述开关元件的开关状态，进而控制所述变压器单元的充放电过程；根据所述固有频率的时钟信号输出不同占空比的控制信号控制所述开关元件的开关频率，进而控制变压器单元的充放电频率；

当系统电压发生变化时，脉宽调制电路根据所述反馈电压信号和所述固有频率的时钟信号控制变压器单元的充放电过程及充放电频率，调整系统电压，使变压器单元输出的电压信号稳定。

所述第一供电单元包括直流电源、整流电路、滤波电路和第一缓冲电路；其中，交流信号通过电压变换得到直流电源；直流电源通过整流元件组成的整流电路整流后，经电容和共模扼流圈组成的滤波电路滤波后，通过第一缓冲电路为变压器单元充电。

所述第二供电单元通过三端可调分流基准电路输出电压范围可调的电压给脉宽调制电路单元供电。

所述反馈电压单元包括光电耦合器和三端可调分流基准电路；三端可调分流基准电路为光电耦合器的输入端提供稳定的电压，光电耦合器输出脉宽调制电路单元需要的反馈电压；

当输入端电压升高时，光电耦合器输出的反馈电压升高；当输入端电压降低时，光电耦合器输出的反馈电压降低。

所述振荡器采用由电阻和电容组成的RC振荡器。

所述开关元件包括MOS晶体管。

所述变压器单元至少包括初级绕组、次级绕组和第二缓冲电路；第二缓冲电路包括储能元件，当电路负载发生变化时，第二缓冲电路能够进行能量转换。

所述脉宽调制电路采用脉宽调制集成芯片，脉宽调制集成芯片接收反馈电压单元输出的反馈电压，经芯片内部误差放大比较，输出开关量控制开关元件的开关状态，进而控制变压器单元的充放电过程；

当反馈电压升高时，振荡器产生的控制信号使PWM的占空比减小，脉宽调制集成芯片输出低电平，开关元件处于截止状态，变压器单元的初级线圈充电结束，次级线圈回路导通给第二缓冲电路充电，抑制反馈电压升高；当反馈电压降低时，振荡器产生的控制信号使PWM的占空比增大，脉宽调制集成芯片输出高电平，使开关元件处于导通状态，变压器单元的初级线圈开始充电，与次级线圈相连的第二缓冲电路释放能量给负载供电，抑制反馈电压减小，当脉宽调制集成芯片的电流反馈端电压高于预设的电压值时，关断充电过程。

所述电源用作仪器仪表的内部供电模块为多路负载进行供电。

采用本发明的开关电源，很好的解决了集成开关电源通频带窄，遇到干扰电压跌落的问题，输出功率和输出的电压路数可以根据需要进行设计调整。具有抗干扰能力强、通频带宽、功率大、开关频率可控、成本低、易于集成和使用方便的特点。

附图说明

图1为本发明具体实施例的开关电源结构示意图；

图2为本发明具体实施例的第一供电单元101的电路结构图；

图3为本发明具体实施例的第二供电单元102的电路结构图；

图4为本发明具体实施例的反馈电压单元104的电路结构图；

图5为本发明具体实施例的脉宽调制电路单元103的电路结构图；

图6为办发明具体实施例的变压器单元107的电路结构图；

图7为本发明具体实施例的脉宽调制集成芯片的内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明具体实施例的开关电源结构示意图。该开关电源包括供电单元、脉宽调制电路单元103、反馈电压单元104、振荡器105、开关元件106和变压器单元107，其中，供电单元与变压器单元107和脉宽调制电路单元103连接，脉宽调制电路单元103与振荡器105和反馈电路单元104连接，并且通过开关元件106与变压器单元107连接；

所述供电单元包括为变压器单元充电的第一供电单元101和为脉宽调制电路单元供电的第二供电单元102；

所述反馈电压单元104用于输出脉宽调制电路单元需要的反馈电压信号；

所述振荡器105产生固有频率的时钟信号；

脉宽调制电路单元103根据所述反馈电压信号输出开关量控制所述开关元件106的开关状态，进而控制所述变压器单元107的充放电过程；根据所述固有频率的时钟信号输出不同占空比的控制信号控制所述开关元件106的开关频率，进而控制变压器单元107的充放电频率；

当系统电压发生变化时，脉宽调制电路103根据所述反馈电压信号和所述固有频率的时钟信号控制变压器单元的充放电过程及充放电频率，调整系统电压，使变压器单元输出的电压信号稳定。

图2为本发明具体实施例的第一供电单元101的电路结构图。所述第一供电单元101包括直流电源1011、整流电路1012、滤波电路1013和第一缓冲电路1014，直流电源1011为24V、1A的直流电源，所述直流电源通过220V的交流电进行电压转换得到，直流电源1011经由二极管、瞬态电压抑制器(TVS1)组成的整流电路整流，经由C25、L2、C26、C24、C30组成的滤波电路滤波，通过由电解电容组成的第一缓冲电路为变压器单元充电，其中，压敏电阻R10和保险丝F1为电路提供了保护，电容与共模扼流圈组成的滤波电路增加了电气性能，进一步消除了高频噪声的干扰。

图3为本发明具体实施例的第二供电单元102的电路结构图。采用三端可调分流基准电路输出电压范围可调的电压给脉宽调制电路单元103供电，本实施例的三端可调分流基准源IC4选用型号为TL431的三端可调分流基准电压源，其具有良好的热稳定性能，输出电压用两个电阻(电阻R712和电阻R713)就可以任意地设置到从基准电压2.5V至36V范围内的任意值。

图4为本发明具体实施例的反馈电压单元104的电路结构图。反馈电压单元104采用光电耦合器IC2和三端可调分流基准电路输出脉宽调制电路需要的反馈电压信号，三端可调分流基准源IC3选用型号为TL431的三端可调分流基准电压源，其具有良好的热稳定性能。所述三端可调分流基准电压源的目的是设置任意稳定的电压(基准电压2.5V至36V)，保证光电耦合器IC2的输入端输入稳定的电压VCC，光电耦合器输出脉宽调制电路单元103需要的反馈电压信号。

如果系统负载减小，系统电源电压VCC会略微升高，当VCC升高时，光电耦合器IC2的前向电流就会增大，这将导致次级电流也增大，光电耦合器输出的反馈电压升高；如果系统负载增大，系统电源电压VCC会略微下降，当VCC下降时，光电耦合器IC2的前向电流就会减小，光电耦合器输出的反馈电压降低。

光电耦合器还起到隔离的作用，进一步防止电路间的干扰。

图5为本发明具体实施例的脉宽调制电路单元103的电路结构图。所述脉宽调制电路采用电流式脉宽调制集成芯片IC5，本实施例中选用型号为UC3845D的脉宽调制集成芯片，所述芯片为14管脚的集成电路，主要作用是通过电压反馈和电流反馈控制输出端输出电平的高低，双闭环控制方式控制了变压器通断电的频率，使得高频变压器完成能量的储存和传递。

图7是型号为UC3845D脉宽调制集成芯片的管脚图。各管脚功能如下：

第1管脚是内部误差放大器的输出端(补偿端)，此管脚与第3管脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响；第3管脚是误差放大器的反相输入端(电压反馈端)，此管脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度；第5管脚是电流反馈端，作用是检测高频变压器充电时的电流，当电流过高则关断充电过程；第7管脚是振荡器的输入端，根据振荡器的固有频率输出不同占空比的方波信号；第8管脚和第9管脚是电源的地；第10管脚是控制电平的输出端；第11管脚和第12管脚是芯片供电电源端，芯片的工作电压为12V，由第二供电单元输出12V电压为其供电，或者可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得；第14管脚是芯片内5V的基准电压的输出端，所述5V的基准电压为振荡电路和光电耦合器的输出回路提供电压，保证了信号同步；其余管脚为无连接端。

参见图5，振荡器105由电阻R9和电容C32组成，电阻R9和电容C32连接点为振荡器的信号输出端，振荡器的输出端与脉宽调制集成芯片的第7管脚连接；反馈电压单元104通过光电耦合器输出反馈电压信号到脉宽调制集成芯片的第3脚，脉宽调制集成芯片的第10管脚输出高低电平信号与开关元件106连接，开关元件106为MOS晶体管，晶体管的漏极与变压器单元107的初级线圈的负端连接。

所述振荡器105采用分立的电容和电阻组成的RC振荡器，为脉宽调制电路单元提供固有频率的时钟信号，所述时钟信号决定了芯片IC5输出的最高频率，芯片工作时，振荡器为电路提供方波，方波的产生由芯片内锯齿波输入比较器得出，锯齿波上升沿的斜率由Rt和Ct决定；所述变压器单元107包括一组初级绕组、多组次级绕组和多组第二缓冲电路；第二缓冲电路包括储能元件，当电路负载发生变化时，第二缓冲电路能够进行能量转换。

脉宽调制集成芯片IC5的第3管脚接反馈电压单元104输出的反馈电压信号，当反馈电压发生变化时，经芯片内部误差放大器放大比较，PWM控制器输出锯齿波的斜率根据反馈电压信号发生变化，最终输出不同占空比的高低电平信号控制MOS晶体管的开关状态，进而控制高频变压器的通断电频率，使变压器单元输出稳定的电压信号。

具体工作过程如下：如果系统负载减小时，系统电源电压VCC会略微升高，当VCC升高时，光耦IC2的前向电流就会增大，这将导致次级电流也增大，输出的反馈电压信号增加，脉宽调制集成芯片IC5的第3管脚为误差放大器的反相输入端，反馈电压信号经芯片内部误差放大器放大比较，PWM控制器输出锯齿波的斜率变大，使输出信号的占空比减小，集成芯片IC5的第10管脚输出低电平信号，开关电源功率MOS管关闭，变压器单元的初级线圈电流减小，磁场减弱，充电过程结束，次级线圈回路中二极管D1导通，能量通过二极管D1和由C4、C5和L1组成的第二缓冲电路输出直流电压，向负载释放，其中，部分能量由初级线圈回路中的二极管D6向电阻R6和电容C23释放，随着系统能量的消耗，系统电压VCC会慢慢的降低，从而抑制了系统电压VCC的升高。

如果系统负载增大时，系统电源电压VCC会略微降低，当VCC降低时，光耦IC2的前向电流就会减小，这将导致次级电流也减小，输出的反馈电压信号减小，脉宽调制集成芯片IC5的第3管脚为误差放大器的反相输入端，反馈电压信号经芯片内部误差放大器放大比较，PWM控制器输出锯齿波的斜率变小，输出信号的占空比变大，集成芯片IC5的第10管脚输出高电平信号，开关电源功率MOS管导通，变压器单元的初级线圈电流线性增大，磁场增强，充电过程开始，次级线圈中二极管D1截止，由C4、C5和L1组成的第二缓冲电路输出直流电压，向负载释放，其中，初级线圈回路中的二极管D6截止，变压器此时存储能量，随着系统能量的积累，系统电压VCC会慢慢的增加，从而抑制了系统电压VCC的降低。

其中，在MOS管源极串接一小阻值电阻R14，把电流信号变为电压信号，送入集成芯片IC5的5脚(电流反馈端)作为比较电压，控制激励脉冲的占空比，达到稳压目的；当充电电流过高则关断充电过程，芯片IC5停止输出，有效保护功率开关管。

本发明实施例能够实现根据负载功耗使输出多路电压为负载供电。

采用本发明的开关电源，很好的解决了集成开关电源通频带窄，遇到干扰电压跌落的问题，输出功率和输出的电压路数可以根据需要进行设计调整。具有抗干扰能力强、通频带宽、功率大、开关频率可控、成本低、易于集成和使用方便的特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种开关电源，包括供电单元、脉宽调制电路单元、反馈电压单元、振荡器、开关元件和变压器单元；其中，供电单元与变压器单元和脉宽调制电路单元连接，脉宽调制电路单元与振荡器和反馈电压单元连接，并且通过开关元件与变压器单元连接；

所述供电单元包括为变压器单元充电的第一供电单元和为脉宽调制电路单元供电的第二供电单元；

所述反馈电压单元用于输出脉宽调制电路单元需要的反馈电压信号；

所述振荡器产生固有频率的时钟信号；

脉宽调制电路单元根据所述反馈电压信号输出开关量控制所述开关元件的开关状态，进而控制所述变压器单元的充放电过程；根据所述固有频率的时钟信号输出不同占空比的控制信号控制所述开关元件的开关频率，进而控制变压器单元的充放电频率；

当系统电压发生变化时，脉宽调制电路根据所述反馈电压信号和所述固有频率的时钟信号控制变压器单元的充放电过程及充放电频率，调整系统电压，使变压器单元输出的电压信号稳定。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第一供电单元包括直流电源、整流电路、滤波电路和第一缓冲电路；其中，交流信号通过电压变换得到直流电源；直流电源通过整流元件组成的整流电路整流后，经电容和共模扼流圈组成的滤波电路滤波后，通过第一缓冲电路为变压器单元充电。

3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第二供电单元通过三端可调分流基准电路输出电压范围可调的电压给脉宽调制电路单元供电。

4.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述反馈电压单元包括光电耦合器和三端可调分流基准电路；三端可调分流基准电路为光电耦合器的输入端提供稳定的电压，光电耦合器输出脉宽调制电路单元需要的反馈电压；

当输入端电压升高时，光电耦合器输出的反馈电压升高；当输入端电压降低时，光电耦合器输出的反馈电压降低。

5.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述振荡器采用由电阻和电容组成的RC振荡器。

6.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关元件包括MOS晶体管。

7.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述变压器单元至少包括初级绕组、次级绕组和第二缓冲电路；第二缓冲电路包括储能元件，当电路负载发生变化时，第二缓冲电路能够进行能量转换。

8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述脉宽调制电路采用脉宽调制集成芯片，脉宽调制集成芯片接收反馈电压单元输出的反馈电压，经芯片内部误差放大比较，输出开关量控制开关元件的开关状态，进而控制变压器单元的充放电过程；

当反馈电压升高时，振荡器产生的控制信号使PWM的占空比减小，脉宽调制集成芯片输出低电平，开关元件处于截止状态，变压器单元的初级线圈充电结束，次级线圈回路导通给第二缓冲电路充电，抑制反馈电压升高；当反馈电压降低时，振荡器产生的控制信号使PWM的占空比增大，脉宽调制集成芯片输出高电平，使开关元件处于导通状态，变压器单元的初级线圈开始充电，与次级线圈相连的第二缓冲电路释放能量给负载供电，抑制反馈电压减小，当脉宽调制集成芯片的电流反馈端电压高于预设的电压值时，关断充电过程。

9.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述电源用作仪器仪表的内部供电模块为多路负载进行供电。

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