CN104779695B - Atm中高能效不间断高频开关电源 - Google Patents

Atm中高能效不间断高频开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供ATM中高能效不间断高频开关电源，包括将市电转换成ATM机需要的稳定的直流电的主电源电路；还包括保护电路，所述的保护电路在市电掉电时及时为ATM机提供电源的备份电源。本发明在采用了上述技术方案后，由于增加了交流掉电检测不间断切换控制电路，如果检测到掉电信号，MCU控制电路会立刻输出相应的信号，经隔离控制电路触发后备电池或太阳能电能无缝切换控制电路给BUCK稳压电路供电，以此来替代交流正常时变换输出的直流总线电压，从而保证ATM电源不间断供电。

Description

ATM中高能效不间断高频开关电源
技术领域
本发明涉及高频开关电源领域，具体涉及ATM机中的高能效不间断切换高频开关电源。
背景技术
传统的ATM电源是一种利用交流输入整流滤波后，再经PWM脉宽调制控制DC/DC变换达到输出电压稳定的电源，主要具有成本低的优点。其缺点是效率只有80％左右，另外，当使用这样的电源时，如果客户正在ATM机上操作的情况下，突然交流电掉电或停电，则客户的经济损失不能得到保证，给客户带来诸多不便，由于此类ATM电源模块效率比较低，损耗大长期工作则造成至少以下几个不良影响：1、器件的寿命缩短从而影响整机寿命；2、浪费电力资源；3、交流电掉电或停电不能不间断供电。
发明内容
本发明针对目前ATM电源在交流掉电时，可能让正在使用ATM机的客户产生经济损失等不足，提供一种ATM中高能效不间断高频开关电源。
本发明为了实现其发明目的所采用的技术是：ATM中高能效不间断高频开关电源，包括将市电转换成ATM机需要的稳定的直流电的主电源电路；所述的主电源电路的输出经过BUCK稳压电路向ATM机供电；还包括保护电路，所述的保护电路在市电掉电时及时为ATM机提供电源的备份电源；包括蓄电池和切换控制电路；
所述的蓄电池的电源输出端在所述的切换控制电路控制下接所述的BUCK稳压电路；
所述的切换控制电路包括AC掉电检测电路、微处理器、电池切换控制电路；所述的AC掉电检测电路与市电相连，当市电掉电时产生掉电信号输出到微处理器，所述的微处理器控制电池切换控制电路将BUCK稳压电路的输入端接入蓄电池的输出。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：所述的主电源电路包括第一级整流滤波电路、DC/DC电路和第二级整流滤波电路；
所述的第一级整流滤波电路输出的直流电经过DC/DC电路降压后进入第二级整流滤波电路产生稳定的直流电；
所述的DC/DC电路为开环半桥DC/DC主功率变换电路，开环半桥DC/DC主功率变换电路的PWM控制信号输入端接由微处理器控制的PWM控制电路的输出端。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：所述的第一级整流滤波电路，包括桥式整流电路和PFC滤波电路；所述的桥式整流电路的交流输入端接市电，其输出端接所述的PFC滤波电路的输入端，PFC滤波电路输出端产生400V直流电压。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：市电在输入到所述的桥式整流电路之前还设置有变压器，所述的变压器的初级绕组接市电，次级绕组接所述的桥式整流电路的交流输入端。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：在所述的变压器次级绕组端还输出一路延时的交流电供所述的ATM机周边设备使用。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：在次级绕组接与桥式整流电路的交流输入端之间还设置有EMI滤波电路。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：所述的AC掉电检测电路包括第一二极管、第二二极管、第一分压电阻、第二分压电阻、第一滤波电容、第二滤波电容和第一稳压管；
所述的第一二极管和第二二极管的阳极分别接AC电源的L线和N线，所述的第一二极管和第二二极管阴极连接；
所述的第一分压电阻和第二分压电阻串连，第一分压电阻的另一端接所述的第一二极管和第二二极管阴极连接处，第二分压电阻的另一端接地；
所述的第一滤波电容和第二滤波电容串连，第一滤波电容的另一极接所述的第一分压电阻和第二分压电阻串连连接处，第二滤波电容的另一极接地；
所述的第一稳压管的阴极接所述的第一滤波电容和第二滤波电容串连连接处，第一稳压管的阳极接地；
所述的第一稳压管的阴极为所述的AC掉电检测电路的输出端，接所述的处理器的相应引脚。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：所述的切换控制电路中还包括对输入AC进行过压、欠压检测的输入过压、欠压检测电路；所述的输入过压、欠压检测电路包括第三二极管、第四二极管、第三分压电阻、第四分压电阻、第五分压电阻、第六分压电阻、第三滤波电容、第四滤波电容、第五滤波电容和第二稳压管；
所述的第三二极管和第四二极管的阳极分别接AC电源的L线和N线，所述的第三二极管和第四二极管阴极连接；
所述的第三分压电阻、第四分压电阻、第五分压电阻、第六分压电阻依次串连，第三分压电阻的另一端接所述的第三二极管和第四二极管阴极连接处，第六分压电阻的另一端接地；
所述的第三滤波电容、第四滤波电容、第五滤波电容分别连接到所述的第三分压电阻和第四分压电阻串连连接处，第四分压电阻和第五分压电阻串连连接处、第五分压电阻和第六分压电阻串连连接处和地之间；
所述的第二稳压管的阴极接所述的第五分压电阻和第六分压电阻串连连接处，第二稳压管的阳极接地；
所述的第二稳压管的阴极为所述的输入过压、欠压检测电路的输出端，接所述的处理器的相应引脚。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：所述的切换控制电路中还包括温度检测电路，所述的温度检测电路包括设置在散热器上的热敏电阻、第七分压电阻和第六滤波电容；
所述的热敏电阻与第七分压电阻串连，热敏电阻和第七分压电阻的另一端分别接标准正电压和地；
所述的第六滤波电容的两端分别接所述的热敏电阻与第七分压电阻串连连接处和地之间；
所述的热敏电阻与第七分压电阻串连连接处为温度检测电路的温度信号输出端接所述的处理器的相应引脚。
进一步的，上述的ATM中高能效不间断高频开关电源中：所述的热敏电阻为负温度系数的热敏电阻。
本发明在采用了上述技术方案后，由于增加了交流掉电检测不间断切换控制电路，如果检测到掉电信号，MCU控制电路会立刻输出相应的信号，经隔离控制电路触发后备电池或太阳能电能无缝切换控制电路给BUCK稳压电路供电，以此来替代交流正常时变换输出的直流总线电压，从而保证ATM电源不间断供电。
下面通过结合具体实施例与附图对本发明的技术方案进行较为详细的描述。
附图说明
图1所示的是本发明实施例1的框图。
图2是本发明实施例1AC掉电检测电路原理图。
图3是本发明实施例1输入过压、欠压检测电路原理图。
图4是本发明实施例1温度检测电路原理图。
图5是本发明实施例1具体的控制电路原理图。
具体实施方式
实施例1如图1所示：本实施例是一种ATM的高效不间断高频开关电源，如图1所示：该开关电源包括输入变压器、输入EMI、整流、PFC功率因子校正、滤波、开环DC/DC功利变换和PWM控制电路、保护电路、交流掉电检测不间断切换控制电路。
交流电通过输入变压器初级绕组时，在次级绕组上感应出所需要的交流电压，经过整流电路、滤波电路和控制电路后转换为最终所需的直流总线电压。
EMI滤波的作用是滤除电网中的高频信号对ATM机的干扰，通过桥式整流后进行PFC功率因子校正、滤波产生400V的直流电源。
控制电路包括稳压电路、保护电路。由于初级强电侧有PFC升压稳压的原因，当变压器次级的交流电压经整流、滤波后成为随输入电压变化的相对稳定的400V直流总线电压，此直流总线电压将输出到下一级BUCK稳压电路供电。BUCK稳压电路包括由MOS管和精密电压负反馈电路组成。由精密电压负反馈电路采样BUCK稳压电路输出端的电压与其内部基准电压作比较，然后输出信号控制MOS管的控制极电压VGS使其漏极电流IDS作出改变。当直流总线电压通过BUCK稳压电路时，因为输出电压是由精密稳压电路的反馈设计值所固定，并且低于输入总线电压的最低点，从而达到所需的稳定输出电压的目的。所述保护控制电路包括输入过压保护、输入欠压保护、输出过压保护、输出过流保护及过温保护。其特征是，当检测电路检测到输入、出电压高于或低于额定电压范围值、输出电流高于额定值及电源模块温升高于额定值时，给出关断输出电压的信号，确保ATM电源模块和被供电设备不被损坏。
本实施例中AC掉电检测电路如图2所示：包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2和第一稳压管ZD1；
第一二极管D1和第二二极管D2的阳极分别接AC电源的L线和N线，所述的第一二极管D1和第二二极管D2阴极连接；通过D1和D2将AC的输出整流引入电路中，
第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串连，第一分压电阻R1的另一端接第一二极管D1和第二二极管D2阴极连接处，第二分压电阻R2的另一端接地；两个电阻是将AC的高压进行分压后适合于处理器处理。
第一滤波电容C1和第二滤波电容C2串连，第一滤波电容C1的另一极接第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串连连接处，第二滤波电容C2的另一极接地；
第一稳压管ZD1的阴极接所述的第一滤波电容C1和第二滤波电容C2串连连接处，第一稳压管ZD1的阳极接地；
第一稳压管ZD1的阴极为所述的AC掉电检测电路的输出端，接所述的处理器的相应引脚，在处理器中的进行处理以后将可以获得AC是否掉电的信号。
本实施例中切换控制电路中还包括对输入AC进行过压、欠压检测的输入过压、欠压检测电路；输入过压、欠压检测电路与AC掉电检测电路相似，也是通过两个二极管进行全波整流后，再进行分压和滤波，将AC的电压实况检测出来输入到处理器中进行判断，然后再根据判断的结果输出控制信号。
如图3所示，输入过压、欠压检测电路包括第三二极管D3、第四二极管D4、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5和第二稳压管ZD2；
第三二极管D3和第四二极管D4的阳极分别接AC电源的L线和N线，所述的第三二极管D3和第四二极管D4阴极连接；
第三分压电阻R3、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6依次串连，第三分压电阻R3的另一端接所述的第三二极管D3和第四二极管D4阴极连接处，第六分压电阻R6的另一端接地；
第三滤波电容C3、第四滤波电容C4、第五滤波电容C5分别连接到所述的第三分压电阻R3和第四分压电阻R4串连连接处，第四分压电阻R4和第五分压电阻R5串连连接处、第五分压电阻R5和第六分压电阻R6串连连接处和地之间；
第二稳压管ZD2的阴极接所述的第五分压电阻R5和第六分压电阻R6串连连接处，第二稳压管ZD2的阳极接地；
第二稳压管ZD2的阴极为所述的输入过压、欠压检测电路的输出端，接所述的处理器的相应引脚。
本实施例中还有温度检测电路如图4包括设置在散热器上的热敏电阻TR1、第七分压电阻R7和第六滤波电容C6；
热敏电阻TR1与第七分压电阻R7串连，热敏电阻TR1和第七分压电阻R7的另一端分别接标准正电压和地；
第六滤波电容C6的两端分别接热敏电阻TR1与第七分压电阻(R7)串连连接处和地之间；
热敏电阻TR1与第七分压电阻R7串连连接处为温度检测电路的温度信号输出端接所述的处理器的相应引脚。
输入的交流电经过EMI滤波后，再经过桥式整流、PFC电路与滤波、开环半桥DC/DC主功利变换、输出整流滤波达到所需的直流总线电压，直流总线电压再分别给BUCK电路一组、BUCK电路二组、BUCK电路三组供电。当交流突然掉电，这时AC掉电检测电路立即动作，将信号送至MCU控制模块分析处理，再触发电池切换管理电路，以此来替带总线直流电压，是本高能效不间断切换供电ATM电源的工作原理。
本发明采用了以下技术：交流掉电检测和MCU控制技术，无缝切换技术，输入电压线性信号采集技术，以及完善的保护技术。
如图1所示高能效不间断切换供电ATM电源包括交流延时输出、EMI滤波、桥式整流、PFC电路和滤波、开环DC/DC功率变换、输出整流滤波、直流总线电压、BUCK电路一组、BUCK电路二组、BUCK电路三组、PWM控制电路、保护控制电路、AC掉电检测电路、MCU控制模块和电池切换管理电路。保护控制电路包括输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路和电源模块过温保护电路。由于变压器次级感应出的交流电压X经过整流电路和滤波电路后转换成的直流总线电压，此电压经过由MOS管和精密电压负反馈电路组成的BUCK稳压电路，精密电压负反馈电路采样BUCK稳压电路输出端的电压与其内部基准电压作比较，再输出信号控制MOS管的控制极电压VGS使其漏极电流IDS作出改变。当直流总线电压通过BUCK稳压电路时，因为输出电压是由精密稳压电路的设计值所固定，并且低于输入电压的最低点，从而达到所需的稳定输出电压的目的。如果输入交流电异常，AC掉电检测电路向MCU控制模块提供AC检测信号进行分析，以此来判断交流输入电压是否掉电，如果检测到掉电信号，MCU控制电路会立刻输出相应的信号，经隔离控制电路触发后备电池或太阳能电能无缝切换控制电路给BUCK稳压电路供电，以此来替代交流正常时变换输出的直流总线电压，从而保证ATM电源不间断供电。若保护控制电路检测到电源模块工作不正常时则输出信号给MCU控制模块，经分析后执行保护程序，切断电源模块的输出，保证ATM电源模块和被供电设备不被损坏。
其工作原理简述如下：
开机上电时，首先交流延时电路按要求输出交流电给ATM系统PC及周边设备供电，同时输入的交流电经EMI滤波、桥式整流、PFC电路和滤波、开环DC/DC功率变换，然后输出整流滤波、达到所需的直流总线电压，直流总线电压再分别给BUCK电路一组、BUCK电路二组、BUCK电路三组供电，再分别由此三个BUCK电路转变成三组直流电压输出给ATM设备供电，如果输入交流电异常，AC掉电检测电路向MCU控制模块提供AC检测信号进行分析，以此来判断交流输入电压是否掉电，如果检测到掉电信号，微电脑控制电路会立刻输出相应的信号，经隔离控制电路触发后备电池或太阳能电能无缝切换控制电路给BUCK稳压电路供电，以此来替代交流正常时变换输出的直流总线电压，从而保证ATM电源不间断供电。若保护控制电路检测到电源模块工作不正常时则输出信号给MCU控制模块，经分析后执行保护程序，切断电源模块的输出，保证ATM电源模块和被供电设备不被损坏。
如图5所示为本实施例MCU控制电路及市电掉电备份电源切换控制电路原理图，它的作用和功能具体有：1、市电掉电检测。2、市电掉电备份电源切换。3、交流输入过压、欠压检测和保护。4、环境过温检测和保护。5、风扇温度调速控制。6、交流输出延时控制。7、输入缓启动、PFC电路、DC/DC变换电路的各功能模块上电时序控制。8、各种异常状态告警信号输出。9、抖频信号输出。下面详细介绍下其工作原理：
D9、D10、R247、R248、R268、R269、C133、C134、ZD8组成掉电检测电路，这里根据实际需要分压电阻中第一分压电阻采用三个200K的R247、R248、R268串连组成，第二分压电阻采用一个150K的R269。由于此电路采集检测的是输入交流脉冲波，当市电出现掉电，此电路可以在几毫秒内瞬速做出反映送给MCU的17脚进行检测分析判断，若MCU分析判断为市电掉电，MCU的6脚立刻输出掉电信号电平触发隔离控制电路U26，随之触发后备电源切换控制电路给BUCK稳压电路供电，以此来替代交流正常时变换输出的直流总线电压。由于从市电一旦掉电开始计算，ATM开关电源本身可以维持40ms正常输出，而从市电掉电检测和掉电备份电源切换总共动作时间只需要20ms左右，所以从这个数据可以支撑保证无缝切换，从而保证ATM电源不间断供电。
D9、D10、R241、R242、R243、R250、R251、R164、C122、C123、C136、ZD9组成输入市电过压、欠压检测电路。与图3相似，这里，根据实际需要分压电阻中第三分压电阻采用三个390K的电阻R241、R242、R243串连，其它结构与图3相同。当市电出现过压或欠压时，由此电路进行电压检测，然后将检测电压送到MCU的15脚进行分析判断，如果MCU分析判断为过压或欠压时，这时MCU的7脚输出高电平送至PWM控制芯片的关断电路，以此关断DC/DC主功率变换电路，从而保护ATM开关电源不损坏。
TR1温度电阻、R224电阻、C121电容组成环境过温检测和风扇温度调速检测电路，当环境温度发生变化时，由此电路进行温度检测，由于TR1是一个负温度系数的温度电阻，温度越高其阻值越小，这样环境温度过高时MCU的14脚检测电压变高，变高的电压只要达到MCU设定的对应电压，这时MCU的7脚又输出高电平送至PWM控制芯片的关断电路，以此关断DC/DC主功率变换电路，从而保护ATM开关电源在温度过高时不损坏。此检测电路另外一个作用是风扇温度调速检测，当温度发生变化时，MCU的2脚输出方波占空比会随着温度变化而发生变化，检测温度越高，MCU的2脚输出方波占空比也就越大，此时输出的方波控制风扇的转数也就越大，相反的情况，风扇的转数也就越小，由于这个原因，风扇的使用寿命大大提高了，间接的ATM开关电源的使用寿命也提高了。
MCU的5脚为编写的1KHZ抖频信号输出，其信号输出经过积分后送到PFC的工作频率震荡脚，这样设计的目的是可以很大程度上减少PFC工作时对电网的干扰，也就提高了EMC指标，使之成为更绿色的ATM开关电源。
MCU的13脚JDQ为上电控制输入缓启动电路的信号输出，MCU的8脚P-OFF为上电控制PFC电路工作的信号输出，MCU的7脚又为上电控制PWM电路工作的信号输出，MCU的10脚TX为上电控制交流延时输出电路工作的信号输出，以上四个信号为各功能模块上电时序控制信号输出，这样设计的目的是为了大大降低开机上电时的冲击电流，由此避免ATM系统以及ATM开关电源上电瞬间产生的相当大的输入冲击电流，防止了因为开机上电瞬间输入冲击电流过大而使市电跳闸的风险。
MCU的9脚为各种异常状态告警信号输出。此信号是接到ATM系统后台监控的，一旦发生异常都由此信号发出告警。
综上所述，本高能效不间断ATM供电高频开关电源，采用了节能设计，效率达到了90％以上，降低了产品成本，提高了电源效率和模块可靠性，避免了交流电掉电或停电，客户的经济损失不能得到保证，给客户带来诸多不便的缺点，可缓解用电设备给电网带来的巨大压力。此ATM电源属绿色电源，是供电场所要求较高的理想电源。

Claims (1)

1.ATM中高能效不间断高频开关电源，包括将市电转换成ATM机需要的稳定的直流电的主电源电路；所述的主电源电路的输出经过BUCK稳压电路向ATM机供电；其特征在于：还包括保护电路，所述的保护电路在市电掉电时及时为ATM机提供电源的备份电源；包括蓄电池和切换控制电路；
所述的蓄电池的电源输出端在所述的切换控制电路控制下接所述的BUCK稳压电路；
所述的切换控制电路包括AC掉电检测电路、微处理器、电池切换控制电路；所述的AC掉电检测电路与市电相连，当市电掉电时产生掉电信号输出到微处理器，所述的微处理器控制电池切换控制电路将BUCK稳压电路的输入端接入蓄电池的输出；
所述的AC掉电检测电路包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一分压电阻(R1)、第二分压电阻(R2)、第一滤波电容(C1)、第二滤波电容(C2)和第一稳压管(ZD1)；
所述的第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的阳极分别接AC电源的L线和N线，所述的第一二极管(D1)和第二二极管(D2)阴极连接；
所述的第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)串连，第一分压电阻(R1)的另一端接所述的第一二极管(D1)和第二二极管(D2)阴极连接处，第二分压电阻(R2)的另一端接地；
所述的第一滤波电容(C1)和第二滤波电容(C2)串连，第一滤波电容(C1)的另一极接所述的第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)串连连接处，第二滤波电容(C2)的另一极接地；
所述的第一稳压管(ZD1)的阴极接所述的第一滤波电容(C1)和第二滤波电容(C2)串连连接处，第一稳压管(ZD1)的阳极接地；
所述的第一稳压管(ZD1)的阴极为所述的AC掉电检测电路的输出端，接所述的处理器的相应引脚；
所述的切换控制电路中还包括对输入AC进行过压、欠压检测的输入过压、欠压检测电路；所述的输入过压、欠压检测电路包括第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第三分压电阻(R3)、第四分压电阻(R4)、第五分压电阻(R5)、第六分压电阻(R6)、第三滤波电容(C3)、第四滤波电容(C4)、第五滤波电容(C5)和第二稳压管(ZD2)；
所述的第三二极管(D3)和第四二极管(D4)的阳极分别接AC电源的L线和N线，所述的第三二极管(D3)和第四二极管(D4)阴极连接；
所述的第三分压电阻(R3)、第四分压电阻(R4)、第五分压电阻(R5)、第六分压电阻(R6)依次串连，第三分压电阻(R3)的另一端接所述的第三二极管(D3)和第四二极管(D4)阴极连接处，第六分压电阻(R6)的另一端接地；
所述的第三滤波电容(C3)、第四滤波电容(C4)、第五滤波电容(C5)分别连接到所述的第三分压电阻(R3)和第四分压电阻(R4)串连连接处，第四分压电阻(R4)和第五分压电阻(R5)串连连接处、第五分压电阻(R5)和第六分压电阻(R6)串连连接处和地之间；
所述的第二稳压管(ZD2)的阴极接所述的第五分压电阻(R5)和第六分压电阻(R6)串连连接处，第二稳压管(ZD2)的阳极接地；
所述的第二稳压管(ZD2)的阴极为所述的输入过压、欠压检测电路的输出端，接所述的处理器的相应引脚。
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