CN104113209B - 一种支持宽电压输入的电源模块 - Google Patents

Abstract

一种支持宽电压输入的电源模块，其包括一输入接口；一输入保护模块，所述的输入接口电连接于所述的输入保护模块，所述的输入保护模块包括一输入反接保护模块和一输入浪涌保护模块；一输出调整模块，所述的输出调整模块连接于所述的输入保护模块，所述的输出调整模块包括一开关电源模块。输出电压可调，输入有防反接保护设计，输入/输出电压具有过压保护、过流保护和欠压保护功能，可配合系统完成延时开机，延时关机功能。

Description

一种支持宽电压输入的电源模块

技术领域

本发明涉及电源设计领域，尤其涉及一种支持宽电压输入的电源模块。

背景技术

现在的电子设备几乎都是采用电源驱动的，但是不同的设备对电源的性能参数要求各不相同。如今，主板行业应用的范围越来越广，例如，工业控制，汽车电子，广告牌等领域。此类行业应用基本都以DC电源适配器作为电源供应。目前，传统的PC行业使用的电源适配器为固定输入电压适配器(19V和12VDC输入)，因此市场很多产品都需要与这些标准匹配。但随着行业的多元化、精细化发展，电子行业为了满足能耗标准，并且满足特定行业需求，需要主板产品支持宽电压输入。不同的电源输入可提高电源的通用性，扩大应用范围。但是目前市场上一方面宽电压输入电源比较少，并且，这些宽电压输入电源不具有防浪涌的功能等，导致了该类产品的质量不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种支持宽电压输入的电源模块，其可以提供较宽范围的电压输出，并具有良好的品性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种支持宽电压输入的电源模块，其包括一输入接口；一输入保护模块，所述的输入接口电连接于所述的输入保护模块，所述的输入保护模块包括一输入反接保护模块和一输入浪涌保护模块；一输出调整模块，所述的输出调整模块连接于所述的输入保护模块，所述的输出调整模块包括一开关电源模块。

优选的，所述的输入保护模块与输出调整模块之间还连接有一延时电路。

其中，所述的输入保护模块还包括：一输入状态指示模块，一输入过压保护模块，一输入欠压保护模块，一输入过流保护模块。

其中，所述的输出调整模块还包括一输出过压保护模块，一输出过流保护模块，以及一输出短路保护模块。

其中，所述的输入反接保护模块包括：一功率N-MOS三极管Q1，所述的功率N-MOS三极管Q1的S极和D极串接于电源正极线H-INPUT，其G极连接于另一三极管Q3的集电极，所述三极管Q3的基极同三电阻R10，R12，R16组成串联电路串联后接地；其中所述的功率N-MOS三极管Q1的G极与电源正极线H-INPUT之间并联有一瞬态抑制二极管D1，所述三极管Q3的基极的与地线之间还同一二极管D5和一瞬态抑制二极管D8串联后接地，并且所述的二极管D5和瞬态抑制二极管D8的正极都是连接于接地线端，所述的三极管Q3的发射极与基极之间还并联有一二极管D3，其中二极管D3的正极与发射极相连接；当输入的电压为正向时，所述的功率N-MOS三极管Q1导通，反之则关断。

更具体的，所述的输入浪涌保护模块包括：一主控芯片U1，一功率N-MOS三极管Q2，一瞬态抑制二极管D6，以及若干电阻；其中由电阻R17,R20组成的串联电路，一端连接于电源H_INPUT_R，一端接地，所述的两电阻R17,R20的之间连接于一主控芯片U1的OV引脚，主控芯片U1通过OV引脚的接收到的电压值与设定值进行比较，以判断是否过压，若过压，则芯片的GATE引脚连接于一功率N-MOS三极管Q2，并且该功率N-MOS三极管Q2的D极和S极串接于电源正极线，此时功率N-MOS三极管Q2进入半导通状态；进一步的为了防止主控芯片被浪涌损坏，还包括一连接于地线的一瞬态抑制二极管D6，该瞬态抑制二极管D6的负极连接于电源正极H_INPUT_R。

进一步的，所述的开关电源模块通过比较输入电压H_VIN和输出电压H_OUT，由主控芯片U2进行控制：当输出电压H_OUT小于输入电压时H_VIN，该开关电源模块进入降压模式；当输出电压H_OUT大于输入电压H_VIN时，该开关电源模块进入升压模式。

其中，所述的延时电路包括：R28，D12，R29，R27，C18，C1，Q9，R24,R25,R26，Q10组成，其中，H_VIN_L端连接有一电阻R28，电阻R28的另一端接地；H_VIN_L还连接有一电阻R27，该电阻R27的另一端连接有一电容C18；其中，电阻R28与H_VIN_L之间还连接有一二极管D12，该二极管D12的正极连接于电阻R27与电容C18之间，与电容C18并联有一电阻R29；在电阻R27与电容C18之间由导线引出连接于一三极管Q10的G极，该三极管Q10的S极与电容C18的另一端共同接地；三极管Q10的D极连接于一电阻R26，与该电阻R26连接有一电阻R24，电阻R24的另一端连接于H_VIN_L端；电阻R25和电容C1串联之后与电阻R24并联；一三极管Q9的S极连接于H_VIN_L端，其G极连接于电容C1与电阻R25之间，其D极连接于电感线圈L3，电感线圈L3的输出端连接于一电容C17，电容C17的输出端接地。

其中，还包括一正常输出状态指示模块。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果，本发明理论输入支持

4.5V～36V，根据实际应用可调节为9V～26V，输出电压可调，可满足成

本要求和大部分客户的技术要求。输入有防反接保护设计，浪涌保护电压

可到100V。输入/输出电压具有过压保护、过流保护和欠压保护功能，且

此功能可根据客户要求，设计不同级别的保护点。电源输入效率最高可到

98％，待机功耗20mW。可配合系统完成延时开机，延时关机功能。产品

符合EMC,EMI要求。输出电压精度可到±7.5％。

附图说明

图1为本发明一种支持宽电压调节的电源模块的结构框图；

图2为本发明一种支持宽电压调节的输入保护模块的电路图；

图3为本发明一种支持宽电压调节的延时软启动模块的电路图；

图4为本发明一种支持宽电压调节的输出调整模块的主控芯片及其外围电路图；

图5为本发明一种支持宽电压调节的输出调整模块的开关电源模块电路图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

参阅附图1，其为本发明一种支持宽电压输入的电源模块的结构框图，其中该支持宽电压输入的电源模块包括一输入接口模块4，所述的输入接口模块4的输出端连接于一输入保护模块1。所述的输入保护模块1包括：一输入状态指示模块12，一输入反接保护模块13，输入过压、欠压保护模块14，一输入过流保护模块15，以及一正常输出状态指示模块16。所述的输入保护模块1的输出端连接于一延时电模块2。所述的延时模块2的输出端连接于一输出调整模块3，所述的输出调整模块3包括：一开关电源模块31，一输出过压保护模块32，一输出过流保护模块33，以及一输出短路保护模块34。

参阅附图2，附图2为输入保护模块1的完整电路图，该输入保护模块1包括：输入状态指示模块12、输入反接保护模块13、输入过压、欠压保护模块14、输入过流保护模块15、输入反接模块以及正常输出状态指示模块16。其中，输入保护模块1电能输入端还连接有一输入接口模块4，该输入接口模块4包括一电源插头J3，电源插头J3输出端口与接地端并联有两滤波电容C44和C45。

输入状态指示模块12包括：绿色发光二极管LED2，红色发光二极管LED3，电阻R7、R11、R15；三极管Q4和Q5，以及一二极管D7。其中，二极管LED2的正极与电源插头J3输出端口的正极连接，二极管LED3的负极与电源插头J3输出端口正极连接，二极管LED2的负极和二极管LED3的正极连接，连接之后共同连接于一三极管Q4的集电极，三极管Q4的发射极连接于一电阻R11，电阻R11串联一二极管D7的正极，二极管D7的负极接地。上述的电源插头J3输出端口的正极还并联有一电阻R7，电阻R7的另外一端同时连接于三极管Q4的基极和三极管Q5的集电极，三极管Q5的基极连接于三极管Q4发射极和电阻R11之间；三极管Q5的发射极连接于一电阻R15，电阻R15另外一端直接接地，其中上述三极管Q5的发射极还同时连接于电阻R11和二极管D7之间。当输入电源正向接入时，绿色发光二极管LED2点亮；当输入电源反向接入时，红色发光二极管LED3点亮。

输入状态指示模块12输出端连接于一输入反接保护模块13，该输入反接保护模块13包括：二极管D1、D2、D3、D4、D5、D8；三极管Q1和Q3；电阻R8、R10、R12、R16以及电容C5。其中二极管D1和D3并联于输入状态指示模块12的输出端，并且二极管D1和D3的正极连接于输入状态指示模块12的输出端。在输出端位于并联的二极管D1和D3的节点之后连接于一三极管Q1的S极，三极管Q1的G极与二极管D1的负极相连。二极管D3的正极连接于一三极管Q3的发射极，三极管Q3的集电极串联有一电阻R8，电阻R8的另一端同时连接有一二极管D4的负极和一二极管D2的负极，二极管D4的正极接地。其中，三极管Q1的G极连接于三极管Q3的集电极和电阻R8之间。二极管D3的负极与三极管Q3的基极连接之后再与一电阻R10连接。电阻R10的另一端同时连接有一电阻R12和一二极管D5的负极，并且电阻R12的输出端和二极管D5的正极电连接。电阻R12的输出端同时连接有一电容C5和一电阻R16，其中电容C5和电阻R16的另外一端都接地。在二极管D5的正极和接地端之间还串联有一二极管D8。当输入反向接入时，功率三极管Q1处于关闭状态，切断输入电源的电流环路，保证整个电路安全。该电路支持的最大反向电压为-60V。正常工作时，功率三极管Q1处于正常导通状态。

输入过压、欠压保护模块14，以及浪涌保护模块16是以一集成芯片U1为中心的控制模块，具体的该集成芯片U1为型号为：LT4363IMS-2。U1的OV端连接于一电容C6，电容C6的另一端接地。U1的OV端还连接有两电阻R17和电阻R20，即OV端连接于串联的电阻R17和电阻R20之间。其中电阻R20的另一端连接于电源的正极，电阻R17的另外一端接地。U1的UV端连接有一电容C7，电容C7的另一端接地，在电容C7与UV引脚之间还连接有电阻R3和R19，电阻R3和R19串联，UV端连接有电阻R3和R19之间，其中电阻R3的另外一端连接于电源的正极，电阻R19的另外一端接地。U1的GATE引脚连接于输入反接保护模块13的二极管D2的正极。U1的GATE的引脚还连接于一串联的电阻R9和一电容C3。在二极管D2与电阻R9之间连接有一电阻R5，该电阻R5的输出端连接于一三极管Q2的G极，该三极管Q2的D极与电源连接，其S极连接于一输入电流侦测模块15，更具体的该输入电流侦测模块15为一侦测电阻R2，其中U1的SNS引脚连接于三极管Q2的S极与电阻R2之间，其OUT端连接于电阻R2的另外一端。

参阅附图2，进一步的，所述的电阻R17，R20以及电容C7组成一电路连接于U1的OV端，共同组成一过压侦测保护电路；所述的电阻R3，R19，以及电容C7组成上述连接关系的电路之后连接于U1的UV端，共同组成欠压侦测保护电路。其中过流保护模块15包括电阻R1,R2,R5，R9，三极管Q2，以及电容C1，C3，所述的元器件组成电路连接于U1的GATE端，组成该过流保护模块15。其中所述的电阻R1和电容C1串联之后并联于所述三极管Q2的两端。

与上述电阻R2的输出端连接还有一正常输出状态指示模块16，更具体的，该正常输出状态指示模块16为一连接于电阻R2输出端的一串联的发光二极管LED1和电阻R6。

输出过压保护模块的工作原理：正常工作过程中，主控芯片U1的管脚7OV会一直侦测输入电压的电压值，通过与内部的参考电压比较来判断输入是否过压。如果输入电压超过设定最大输入电压值,并持续一定时间(该时间由定时电容C8决定)后，主控芯片U1就会控制管脚4GATE的输出，关闭功率三极管Q2，进入过压保护状态。当侦测到输入电压低于设定最大电压，并持续一定时间后，解除过压保护。分压电阻R20,R17可以设定输入电压的最大电压值，电容C6用来滤波。电阻R9，电容C3用来调节功率三极管Q2的GATE驱动信号斜率，防止功率三极管Q2突然关闭而引起输出电压过冲。

输入欠压保护模块工作原理：正常工作过程中，主控芯片U1的管脚8UV会一直侦测输入电压的电压值，通过与内部的参考电压比较来判断输入是否欠压。如果输入电压低于设定最小输入电压值，主控芯片U1就会控制管脚脚4GATE的输出，关闭功率三极管Q2，进入欠压保护状态。当侦测到输入电压高于于设定最小电压时，解除欠压保护。分压电阻R3，R19可以设定输入电压的最小电压值，电容C7用来滤波。

输入过流保护模块工作原理：正常工作过程中，主控芯片U1的管脚2(OUT)、3(SNS)会侦测精密功率侦测电阻R2两端的压降，然后与芯片内部的参考电压比较，判断输入是否过流。如果侦测到输入电流超过设定的最大电流值，主控芯片U1就会控制管脚4GATE的输出，关闭功率三极管Q2，进入输入过流保护状态。当侦测到输入电流低于设定最大电流值时，解除过流保护。

输入浪涌保护模块工作原理：主控芯片U1的管脚7(OV)侦测输入电压的电压值，通过与内部的参考电压比较来判断输入是否过压。如果输入电压超过设定最大输入电压值。在一定时间范围内，主控芯片U1会判断为输入出现浪涌电压，进入浪涌保护状态；如果输入超压超过一段时间后，就会进入过压保护。输入浪涌保护时，主控芯片U1控制管脚4GATE的输出，使功率三极管Q2进入半导通状态，控制输出电压，保证在模块设定的最大电压值范围内。最大输出电压是由2个输出电压反馈电阻R14，R18来设定的。为保护主控芯片U1不受浪涌损坏，D6需选用合适的瞬态抑制(TVS)二极管，用来泄放注入主控芯片U1管脚5(VCC)的浪涌电压能量。功率三极管Q2的用料决定了最大输入浪涌电压值，电容C1、电阻R1能够滤除输出电压的电压尖峰。

在输入保护模块与输出调整模块之间还包括一延时电路。参阅附图3，附图3为延时电路的电路原理图，该延时电路连接于正常输出状态指示模块16的H_VIN_L端，由H_VIN_L端连接有一电阻R28，电阻R28的另一端接地。H_VIN_L还连接有一电阻R27，该电阻R27的另一端连接有一电容C18。其中，电阻R28与H_VIN_L之间还连接有一二极管D12，该二极管D12的正极连接于电阻R27与电容C18之间，与电容C18并联有一电阻R29。在电阻R27与电容C18之间由导线引出连接于一三极管Q10的G极，该三极管Q10的S极与电容C18的另一端共同接地。三极管Q10的D极连接于一电阻R26，与该电阻R26连接有一电阻R24，电阻R24的另一端连接于H_VIN_L端。电阻R25和电容C1串联之后与电阻R24并联。一三极管Q9的S极连接于H_VIN_L端，其G极连接于电容C1与电阻R25之间，其D极连接于电感线圈L3，电感线圈L3的输出端连接于一电容C17，电容C17的输出端接地。

参阅附图4和附图5，附图4为开关电源主控芯片及其外围电路连接图，附图5为开关电源功率模块以及输出接口电路图。其中附图4中相关的引脚与附图5中对应的引脚连接组成整个电源的输出调整模块的电路图。输出调整模块由主控芯片U2搭配功率电感L4，功率MOSFETQ11、Q13、Q15、Q17，精密功率侦测电阻R4，输入电容C10、C22、C24，输出电容C11、C32、C33等外部元件，将输入电压H_VIN调整为用户需求的固定电压H_VOUT输出。

开关电源模块工作原理

当输入电压H_VIN>H_VOUT时，进入降压模式。功率MOSFETQ13常开，功率MOSFETQ17常关。主控芯片U2与外部元件功率MOSFETQ11、Q15，功率电感L4，输出电容C11、C32、C33组成典型的降压开关电源电路。

当输入电压H_VIN<H_VOUT时，进入升压模式。功率MOSFETQ11常开，功率MOSFETQ15常关。主控芯片U2与外部元件功率MOSFETQ13、Q17，功率电感L4，输出电容C11、C32、C33组成典型的升压开关电源电路。

当输入电压H_VIN≈H_VOUT时，进入升-降压模式。主控芯片U2会控制外部功率MOSFETQ11、Q13、Q15、Q17的开或者关，将输入电压H_VIN调整为稳定的输出H_VOUT。

输出过压保护模块工作原理

主控芯片U2的管脚6VOSENSE实时侦测输出电压H_VOUT的电压值，当输出电压H_VOUT超过设定值的7.5％，电路就会进入输出过压保护状态。功率MOSFETQ15,Q13就会打开。

输出过流(短路)保护模块工作原理

主控芯片U2的管脚3SENSE+，4SENSE-侦测精密功率侦测电阻R4两端的压降，然后与内部的参考电压比较，判断输出电流是否超出最大设定值。输出短路侦测与输出过流侦测采用的是同一个侦测电路，当出现输出短路异常时，输出电压会急速下降，功率MOSFETQ11会立刻关闭，切断开关电源模块的输入，实现输出短路保护。

需要说明的是，以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，包括一输入接口；一输入保护模块，所述的输入接口电连接于所述的输入保护模块，所述的输入保护模块包括一输入反接保护模块和一输入浪涌保护模块；一输出调整模块，所述的输出调整模块连接于所述的输入保护模块，所述的输出调整模块包括一开关电源模块；其中，所述的输入反接保护模块包括：一功率N-MOS管Q1，所述的功率N-MOS管Q1的S极串接于电源输入端，其G极连接于另一三极管Q3的集电极，其D极连接于一电源输出端，所述三极管Q3的基极同三电阻R10，R12，R16组成串联电路串联后接地；其中所述的功率N-MOS管Q1的G极与电源输入端之间并联有一瞬态抑制二极管D1，所述三极管Q3的基极电连接于电阻R10，所述电阻R10的另一端电连接于二极管D5的负极，所述二极管D5的正极电连接于瞬态抑制二极管D8的负极，所述瞬态抑制二极管D8的正极接地，所述的三极管Q3的发射极与基极之间还并联有一二极管D3，其中二极管D3的正极与三极管Q3的发射极相连接；当输入的电压为正向时，所述的功率N-MOS管Q1导通，反之则关断。

2.如权利要求1所述的支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，所述的输入保护模块与输出调整模块之间还连接有一延时电路。

3.如权利要求1所述的支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，所述的输入保护模块还包括：一输入状态指示模块，一输入过压保护模块，一输入欠压保护模块，一输入过流保护模块。

4.如权利要求1所述的支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，所述的输出调整模块还包括一输出过压保护模块，一输出过流保护模块，以及一输出短路保护模块。

5.如权利要求3所述的支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，所述的输入浪涌保护模块包括：一主控芯片U1，一功率N-MOS管Q2，一瞬态抑制二极管D6，以及若干电阻；其中由电阻R17,R20组成的串联电路，一端连接于电源输出端，另一端接地，所述的电阻R17,R20的连接节点连接于一主控芯片U1的OV引脚，主控芯片U1通过OV引脚的接收到的电压值与设定值进行比较，以判断是否过压，若过压，功率N-MOS管Q2进入半导通状态，其中，主控芯片U1的GATE引脚连接于所述功率N-MOS管Q2的G极，功率N-MOS管Q2的D极耦合于输入反接保护模块、S极耦接于输入过流保护模块；进一步的为了防止主控芯片U1被浪涌损坏，还包括一正极连接于地线的一瞬态抑制二极管D6，瞬态抑制二极管D6的负极连接于电源输出端。

6.如权利要求1所述的支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，所述的开关电源模块通过比较输入电压和开关电源模块输出电压，由主控芯片U2进行控制：当输出电压小于输入电压时，该开关电源模块进入降压模式；当输出电压大于输入电压时，该开关电源模块进入升压模式。

7.如权利要求2所述的支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，所述的延时电路包括：R28，D12，R29，R27，C18，C1，Q9，R24，R25，R26，Q10，C17，L3，其中，输入保护模块的输出端连接有一电阻R28，电阻R28的另一端接地；输入保护模块的输出端还连接有一电阻R27，电阻R27 的另一端连接有一电容C18；其中，电阻R28与输入保护模块的输出端之间的连接点与二极管D12的负极连接，该二极管D12的正极连接于电阻R27与电容C18之间，与电容C18并联有一电阻R29；在电阻R27与电容C18之间由导线引出连接于一三极管Q10的G极，该三极管Q10的S极与电容C18的另一端共同接地；三极管Q10的D极连接于一电阻R26，与该电阻R26的另一端连接有一电阻R24，电阻R24的另一端连接于输入保护模块的输出端；电阻R24和电阻R26之间的节点电连接于电阻R25，电阻R25的另一端电连接于电容C1，电容C1的另一端连接于输入保护模块的输出端，同时电阻R25的另一端也电连接于P-MOS管Q9的G极；P-MOS管Q9的S极连接于输入保护模块的输出端，其G极连接于电容C1与电阻R25之间，其S极连接于电感线圈L3，电感线圈L3的输出端连接于一电容C17，电容C17的输出端接地。

8.如权利要求1所述的支持宽电压输入的电源模块，其特征在于，还包括一正常输出状态指示模块，所述的正常输出状态指示模块连接于所述的输入保护模块。