CN104426377A - 一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源，包括：顺序连接的电源启动电路、钳位电路、开关变压器、恒功率电路和恒压控制电路，电源启动电路与开关变压器、恒压控制电路连接。本发明可以用较低的成本，实现超宽输入电压并可以做为中等功率直流电机的驱动电源，电源效率高达85%以上，输入电压范围广，最大输出功率可达240W。

Description

一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源
技术领域
本发明涉及一种开关电源，具体地说是一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源电路。
背景技术
世界上的交流市电电压普遍为100-120V或220-240V，一些电力落后地区电压波动范围很大,最大的可以由80到300V波动，现广泛使用的开关电源，一般的反激式开关电源变换器输入电压范围只能满足于1：3的关系，即90-270VAC，正激式变换器的输入电压变化范围较小，仅为90-130VAC或180-264VAC；而使用升压模式(AFC)的变换器输入电压范围也只90-270VAC（且成本较高），现有技术条件下产品输入电压如有大的变化，产品所用的开关电源则必须重新设计，这将使产品设计和管理成本增加。而使用升压模式(AFC)的变换器输入电压范围90-270VAC，确实可以满足大部分地区电压要求，但电源体积大成本高，对一些特殊地区仍无法满足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种输入电压范围广，输出功率大并能够可靠快速启动的开关电源电路。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源，包括：顺序连接的电源启动电路、钳位电路、开关变压器、恒功率电路和恒压控制电路，电源启动电路与开关变压器、恒压控制电路连接。
所述电源启动电路采用开关电源芯片；开关电源芯片的参考输入端通过电阻与直流电源连接，开关电源芯片的电源端通过电阻R7、二极管D8与直流电源连接，还通过二极管D3、电阻R14、二极管D6与开关变压器的反馈绕组一端连接，反馈绕组另一端接地。
所述钳位电路包括多个电阻和二极管；直流电源与开关变压器的初级绕组一端连接，还通过顺序连接的二极管D2、D4与初级绕组另一端连接，D2两极连有电阻和电容的并联电路，所述并联电路还串联电阻；开关变压器的初级绕组另一端还与开关管Q1的D极连接，Q1的S极与电源启动电路的开关电源芯片过流取样端连接，G极通过电阻和二极管的并联电路与开关电源芯片驱动输出端连接。
所述恒功率电路包括电阻、三极管Q2和光电耦合器U1；开关变压器的次级绕组的一端与三极管Q2的发射极连接，还通过电阻R16、R19与Q2的基极连接，Q2的集电极经电阻R21与光电耦合器U1的发光二极管阴极连接，光敏二极管的阳极与恒压控制电路连接；电阻R16、R19的中间结点作为地端，开关变压器的次级绕组的另一端与正电压连接、并经电感L1与正电源连接后，作为正电压输出端，与电机连接；次级绕组的两端间连有电容C6。
所述恒压控制电路包括光电耦合器IC2、电阻和电容；光电耦合器IC2的光敏二极管阴极接地，阳极与电源启动电路的开关电源芯片反馈端连接，还与恒功率电路光电耦合器U1的光敏二极管阳极连接，光电耦合器IC2的光敏二极管的阴极和阳极之间连有电容；光电耦合器IC2的发光二极管阳极与正电压连接，阴极与分流基准源IC3的阴极连接，分流基准源的阳极接地，参考极通过电阻R22与正电源连接，还通过电阻R23、R24接地，分流基准源的参考极与阴极之间串联有电阻R20和电容C9；正电源与地之间串联有电阻R26和发光二极管。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明可以用较低的成本，实现超宽输入电压并可以做为中等功率直流电机的驱动电源，电源效率高达85%以上。
2.本发明输入电压范围为70-320VAC，最大输出功率可达240W；能够适应世界各地电网的使用需求。
3.本发明的电源启动电路能够满足输入电压宽范围的要求，进而达到满足各种不同电网的使用需求。
附图说明
图1是本发明的硬件结构图；
图2是本发明的电源启动电路图；
图3是钳位电路图；
图4a是恒功率电路图一；
图4b是恒功率电路图二；
图5是恒压控制电路图；
图6是本发明的开关电源电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括顺序连接的电源启动电路1、钳位电路2、开关变压器3、恒功率电路4和恒压控制电路5，其中电源启动电路1与开关变压器3、恒压控制电路5连接。
如图2所示，本发明采用国产开关电源芯片CR6842,该IC集成电路具有优化的图腾柱驱动电路以及电流模式PWM控制器电路，其中PWM控制器电路包含频率振荡发生器电路以及短路保护、过流保护、过功率保护、过压保护电路。由振荡产生的频率抖动，可以改善EMI（电磁干扰）特性。为了获得良好的效率，本电源在重载或是中等负载时让CR6842工作在PWM模式，当负载减小时,开关电源芯片CR6842的震荡器工作频率逐渐降低,最后稳定在10KHZ左右。在空载和轻载时，电源启动电路工作为低功耗绿色模式，因直流电机驱动负载经常处于间歇工作状态，低功耗绿色模式可有效降低电源待机功耗。
实现超宽电压输入的开关电源电路，必需有带有欠压锁定和OCP补偿的电源启动电路。如图2所示，电源启动电路1是在传统整流后启动电路上进行改进的电源启动电路，使其适用于70-320VAC范围的宽电压工作并能可靠启动。交流电经整流桥输出直流电压，一路整流滤波后经二级管D8,R7加到开关电源芯片（型号为CR6842）VDD脚,提供启动电压（该引脚在本电源中做启动引脚），另一路经整流滤波后,经R1,R2组成启动分压电路分压后,经由R3电阻加到电源芯片的3脚（该引脚在本电源做OCP补偿）。使电源在宽电压工作下有一定的OCP补偿功能。
电源启动电路1的工作原理如下：当电源上电开机时，经过整流滤波的+300V电压一路经过D8,R7,加到电源芯片的7脚，由于7脚外接电解电容C3，电容C3两端电压不能突变,使7脚电压逐渐上升,当电压上升到16.5V时即达到芯片的启动电压VTH（on）（典型值16.5V）时，芯片才被激活并驱动整个电源系统正常工作。另一路经R1,R2组成启动分压电路分压在由R3加到芯片3脚实现宽电压下的OCP补偿。两路电流最终加到芯片7脚外围的C3正极,为C3充电直到VDD端口电压达到芯片的启动电压VTH（on）（典型值16.5V）时芯片才被激活并驱动整个电源系统正常工作。
如图3所示，复合吸收RCD箝位电路是用于防止初级线圈漏感产生磁能毁坏电路元件的电路，其电路包括由D2、D4、C4、R10、R9、C5、R12、R13电路元件组成的电路。对于反激型开关电源，由于开关电源漏感的存在及其它分布参数的影响，反激式开关电源在开关管Q1关断瞬间会产生很大的尖峰电压。基于电磁感应定律，存储在耦合电感器U1上的电磁能量被次级负载电路吸收外,仅在断开点(电子开关管Q1上)存在由漏感所产生的磁能，激起高电压,足以击穿电子开关管Q1,严重威胁着电源的正常工作。为此必须采取措施对其进行抑制，目前，有很多方法可以实现这个目的。RCD箝位法结构简单，因制作成本低而得到广泛的应用。但是普通的RCD箝位电路只适用于150W以下的电路，对于150W以上的开关电源，由于漏感产生的能量较大，普通的RCD箝位电路无法有效对漏感所产生的能量进行吸收，正是这个原因导致150W以上的单端反激式开关电源设计困难，而本发明开关电源输出功率最大要到240W，所以必须使用本发明中的复合吸收RCD箝位电路才能稳定可靠的工作。
复合吸收RCD箝位电路工作原理如下：当开关管（场效应管11N80）Q1导通时，会在开关变压器T1初级绕组两端之间存储能量，当开关管Q1关闭，初级绕组储存的能量将转移到次级绕组输出，但变压器初级绕组的漏感中的能量不会传递到次级绕组，变压器漏感中的能量将会在开关管Q1关断的瞬间，由C4,R10,R9,C5,R13,R12组成的电路吸收，瞬态电压抑制二极管（TVS）D2负责箝位少量没被C4,R10,R9,C5,R13,R12吸收的尖峰电压，使开关管更加安全，此电路相对传统的复合吸收RCD箝位电路来说，其可吸收的能量更大，适合负载更大，范围更可变，可靠性更高。
如图6所示，本开关电源电路还有两个控制环路,即恒功率电路和恒压控制电路。低输入电压情况下,如80VAC电源电压输入情况下，电动机启动电流较大，这时如果不对电源输出电流加以限制，电源很容易进入过流保护状态，在这种情况下必须对电源输出电流进行限制使其在电机启动时电源进入恒功率状态，即电机启动时电流超过电源输出最大电流时，开关电源电压下降，电源进入恒功率状态，直到电机启动完成，电源再次进入恒压状态。
如图4a、图4b所示恒功率电路，由电源转换芯片（型号为LM7805CT）IC4、C11、R16电流取样电阻、R19、三极管Q2、R21、光耦U1组成的恒功率电路，其作用是当输出电流超过电源输出最大值时令开关电源进入恒功率范围内，以便电机顺利启动，不出现电机启动电流保护的问题。
如图5所示，恒压控制电路由光耦IC2、电阻R17、R18、分流基准源（型号为TL431A）IC3、R20、C9、R22、R23、R24构成，其作用是当输出电流在电源额定电流输出范围内，令开关电源工作在恒压范围内。

Claims (5)

1.一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源，其特征在于包括：顺序连接的电源启动电路（1）、钳位电路（2）、开关变压器（3）、恒功率电路（4）和恒压控制电路（5），电源启动电路（1）与开关变压器（3）、恒压控制电路（5）连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源，其特征在于：所述电源启动电路（1）采用开关电源芯片；开关电源芯片的参考输入端通过电阻与直流电源连接，开关电源芯片的电源端通过电阻R7、二极管D8与直流电源连接，还通过二极管D3、电阻R14、二极管D6与开关变压器（3）的反馈绕组一端连接，反馈绕组另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源，其特征在于：所述钳位电路（2）包括多个电阻和二极管；直流电源与开关变压器（3）的初级绕组一端连接，还通过顺序连接的二极管D2、D4与初级绕组另一端连接，D2两极连有电阻和电容的并联电路，所述并联电路还串联电阻；开关变压器（3）的初级绕组另一端还与开关管Q1的D极连接，Q1的S极与电源启动电路（1）的开关电源芯片过流取样端连接，G极通过电阻和二极管的并联电路与开关电源芯片驱动输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源，其特征在于：所述恒功率电路（4）包括电阻、三极管Q2和光电耦合器U1；开关变压器（3）的次级绕组的一端与三极管Q2的发射极连接，还通过电阻R16、R19与Q2的基极连接，Q2的集电极经电阻R21与光电耦合器U1的发光二极管阴极连接，光敏二极管的阳极与恒压控制电路（5）连接；电阻R16、R19的中间结点作为地端，开关变压器（3）的次级绕组的另一端与正电压连接、并经电感L1与正电源连接后，作为正电压输出端，与电机连接；次级绕组的两端间连有电容C6。
5.根据权利要求1所述的一种适用于直流电机驱动的宽输入电压反激式开关电源，其特征在于：所述恒压控制电路（5）包括光电耦合器IC2、电阻和电容；光电耦合器IC2的光敏二极管阴极接地，阳极与电源启动电路（1）的开关电源芯片反馈端连接，还与恒功率电路（4）光电耦合器U1的光敏二极管阳极连接，光电耦合器IC2的光敏二极管的阴极和阳极之间连有电容；光电耦合器IC2的发光二极管阳极与正电压连接，阴极与分流基准源IC3的阴极连接，分流基准源的阳极接地，参考极通过电阻R22与正电源连接，还通过电阻R23、R24接地，分流基准源的参考极与阴极之间串联有电阻R20和电容C9；正电源与地之间串联有电阻R26和发光二极管。
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