CN106100371A - 一种稳压恒流输出的开关电源电路 - Google Patents

一种稳压恒流输出的开关电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稳压恒流输出的开关电源电路,属于电力电子器件的技术领域。开关电源电路包括:整流滤波电路、尖峰电流吸收电路、变压器、高频整流滤波电路、芯片供电电路、控制电路、调压调流电路以及主开关管。本发明涉及的电源可以在90V到260V之间宽电压运行,运用稳压芯片,通过精密电阻对输出电流取样后反馈给稳压芯片,实现限流输出的效果,装置简单且易便携。

Description

一种稳压恒流输出的开关电源电路
技术领域
本发明公开了一种稳压恒流输出的开关电源电路,属于电力电子器件的技术领域。
背景技术
交流电是日常生活中最常用的能源,随着电力电子变流技术和开关电源技术的不断发展,开关电源作为交流电向直流电的转换器,具有体积小巧和转换效率高的特点已在电子产品中得到了广泛的应用。目前使用的开关电源输出类型相对单一。虽然现有的一些开关电源具有限流输出的功能,但其电路设计比较复杂,而且体积较大,质量较重,不利于随身携带。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术的不足,提供了一种稳压恒流输出的开关电源电路,通过对输出直流电流进行检测调节进而调节输出直流电压,不仅实现了限流输出,而且实现了开关电源的宽电压运行,解决了开关电源输出限流的技术问题,获得一个恒流的直流电,可应用于对输出电流大小具有特殊要求的场合,如:对供电装置的限流保护,过电流阀值检测系统。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
一种稳压恒流输出的开关电源电路,包括:整流滤波电路、尖峰电流吸收电路、变压器、高频整流滤波电路、芯片供电电路、控制电路、调压调流电路以及主开关管,其中,
整流滤波电路的输入端接市电,变压器初级绕组的第一端子接整流滤波电路的正输出端子,变压器初级绕组的第二端子接主开关管的漏极,尖峰电流吸收电路并联在变压器初级绕组的第一端子和反馈绕组的第一端子之间,变压器次级绕组的第一端子接高频整流滤波电路的正输入端子,变压器次级绕组的第二端子和高频整流滤波电路的负输入端子共同接地,变压器反馈绕组的第一端子和芯片供电电路的负输入端子共同接地,变压器反馈绕组的第二端子接芯片供电电路的正输入端子,变压器初级绕组的第一端子与次级绕组的第二端子互为同名端,变压器反馈绕组的第一端子与次级绕组的第二端子互为同名端,控制电路的供电端口接芯片供电电路的输出端,控制电路的电流检测端接主开关管源极,主开关管栅极接控制电路的输出端,调压调流电路的输入端接高频整流滤波电路的输出端,调压调流电路输出目标直流电。
作为一种稳压恒流输出的开关电源电路的进一步优化方案,所述调压调流电路包括:降压型直流电源变换器和运放单元,其中,
所述降压型直流电源变换器,包括:XL40系列芯片、第十九电容、第二十一电容、第十二电阻、第二可调电阻、第十三电容、第四二极管、第二十电容、第十七电容、第十六电阻,第十九电容的正极板接高频整流滤波电路的正输出端子,第二十一电容的一极与第十九电容的正极板、XL40系列芯片的电源端口及使能端口相连接,XL40系列芯片的输出端与第四二极管的阴极连接,第四二极管的阴极经一电感与第二十电容的一极、第十七电容的正极板相连接,第二调节电阻的第一端与第十七电容的正极板连接,第二调节电阻的第二端与第十二电阻的一端连接,第十三电容并联在第二可调电阻的两端,第十九电容的负极板、第二十一电容的另一极、第四二极管的阳极、第二十电容的另一极、第十七电容的负极板、第十二电阻的另一端、XL40系列芯片的接地端口共同接地,第十六电阻并联在第十七电容两级之间;
所述运放单元,包括:LM358芯片、第一可调电阻、第十五电容、第七电阻、第十二电容,LM358芯片的电源端口与XL40系列芯片的电源端口连接,LM358芯片的同相输入端和第十六电阻与第十七电容正极板的连接点相连,LM358芯片的反相输入端与第七电阻的一端、第十二电容的一极、第一可调电阻的第一端连接,第七电阻的另一端、第十二电容的另一极、LM358芯片的接地端口共同接地,LM358芯片的输出端口、第一可调电阻的第二端、第二调节电阻的第二端并接后与XL40系列芯片的反馈端口连接。
作为一种稳压恒流输出的开关电源电路再进一步优化方案,所述控制电路包括:UC3842芯片、第八电阻、第十电阻、第十四电容、第十三电阻、第十六电容、第十五电阻、第十八电容、第九电阻、第一二极管、第二二极管、第十一电阻、第十四电阻、第十七电阻、第二十二电容,整流滤波电路输出的直流电经软启动电路后进入UC3842芯片的供电端口,第八电阻的一端与UC3842芯片的供电端口连接,第八电阻的另一端、第十电阻的一端、第十五电阻的一端均与UC3842芯片的电压反馈端口连接,第十三电阻的一端、第十六电容的一极分别与UC3842芯片的基准电压输出端口连接,第十三电阻的另一端、第十八电容的一极分别与UC3842芯片的定时端口连接,UC3842芯片的电流传感端口与第十四电阻的一端、第二十二电容的一极相连,第十四电阻的另一端、第十七电阻的一端均与主开关管的源极连接,UC3842芯片的输出端口与第九电阻的一端连接,第九电阻的另一端与第二二极管的阴极、第十一电阻的一端、主开关管的栅极相连接,第二二极管的阳极与第一二极管的阴极连接,第一二极管的阳极、第十一电阻的另一端均与主开关管的源极连接,第十五电阻的另一端、第十六电容的另一极、第十八电容的另一极、UC3842芯片的接地端口、第二十二电容的另一极、第十七电阻的另一端共同接地。
更进一步的,所述一种稳压恒流输出的开关电源电路中,整流滤波电路包括:整流桥、共轭电感、第六电容、第七电容、第八电容,整流桥的交流侧接市电,整流桥的直流侧并联在共轭电感中两线圈的一端之间,第八电容并联在整流桥的直流侧,第七电容的一极、第六电容正极板均与共轭电感中一个线圈的另一侧端子连接,第七电容的负极板、第六电容的另一极以及共轭电感中另一个线圈的另一侧端子共同接地,第六电容的正极板为整流滤波电路的正输出端子。
更进一步的,所述一种稳压恒流输出的开关电源电路中,尖峰电流吸收电路为RCD吸收电路。
更进一步的,所述一种稳压恒流输出的开关电源电路中,高频整流滤波电路为π型滤波电路。
本发明采用上述技术方案,具有以下有益效果:本电源可以在90V到260V之间宽电压运行,运用稳压芯片,通过精密电阻对输出电流取样后反馈给稳压芯片,实现限流输出的效果,装置简单且易便携。
附图说明
图1是本发明专利的电路原理图。
图2是稳压恒流输出的开关电源的UC3842主控电路。
图3是稳压恒流输出的开关电源的整流电路和EMI电路。
图4是稳压恒流输出的开关电源的开关变压器。
图5是稳压恒流输出的开关电源的尖峰电流抑制电路。
图6是稳压恒流输出的开关电源的高频整流电路。
图7是稳压恒流输出的开关电源的调压调流电路。
图中标号说明:1为整流滤波电路,2为电流吸收电路,3为变压器,4为高频整流滤波电路,5为芯片供电电路,6为控制电路,7为调压调流电路,R11~R17为第一至第十七电阻,C1~C22为第一至第二十二电容,D1为整流二极管,D2~D4为二极管,Z1、Z2为第一、第二二极管、LED1为指示灯,L1为电感,VR1、VR2为第一、第二可调电阻,Lin1为共模抑制电感,U1为UC3842芯片,U2为XL40系列芯片。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计的电路如图1所示包含:整流滤波电路1、尖峰电流吸收电路2、变压器3、高频整流滤波电路4、芯片供电电路5、控制电路6、调压调流电路7。整流滤波电路1的输入端接市电,变压器3初级绕组的0号抽头(即为初级绕组第一端子)接整流滤波电路1的正输出端子,变压器3初级绕组的1号抽头(即为初级绕组第二端子)接主开关管Q1的漏极,尖峰电流吸收电路2并联在变压器3初级绕组的0号抽头(即为初级绕组第一端子)和反馈绕组的2号抽头(即为反馈绕组第一端子)之间,变压器3次级绕组的4号抽头(即为次级绕组第一端子)接高频整流滤波电路4的正输入端子,变压器3次级绕组的5号抽头(即为次级绕组第二端子)和高频整流滤波电路4的负输入端子共同接地,变压器3反馈绕组的2号抽头(即为反馈绕组第一端子)和芯片供电电路5的负输入端子共同接地,变压器3反馈绕组的3号抽头(即为反馈绕组第二端子)接芯片供电电路5的正输入端子,变压器3初级绕组的0号抽头(即为初级绕组第一端子)与次级绕组的5号抽头(即为次级绕组第二端子)互为同名端,变压器3反馈绕组的2号抽头(即为反馈绕组第一端子)与次级绕组的5号抽头(即为次级绕组第二端子)互为同名端,控制电路6的供电端口接芯片供电电路5的输出端,控制电路6的电流检测端接主开关管Q1源极,主开关管Q1栅极接控制电路6的输出端,调压调流电路7的输入端接高频整流滤波电路4的输出端,调压调流电路7输出目标直流电。交流电经整流滤波电路1处理得到的高压直流电高压直流电通过变压器3进行DC-DC变压变换,变压器3初级绕组侧连接一个由PWM波控制的主开关管Q1,通过主开关管Q1的通断为初级绕组提供直流脉冲,变压器次级绕组输出的电流经过高频整流滤波电路4整流滤波后输出,再采用XL40系列稳压芯片和运算放大器相结合的电路实现输出电压和电流的调节。
(1)基于UC3842设计主控电路,主要包括:软启动电路、如图2所示的控制电路6以及图1所示的芯片供电电路5,控制电路6包括:电压检测、电流检测、反馈检测电路以及PWM输出信号等小模块电路。当开关电源接通交流电后,经过前级整流的交流电通过第二电阻R2(即为启动电阻)、指示灯LED1、第五电阻R5、第六电阻R6和第十电容C10(即为启动电容)与UC3842芯片U1的7号脚相接,形成软启动电路;反馈绕组2、3抽头通过整流二极管D3与UC3842芯片U1的7号脚相连,形成供电电路;UC3842芯片U1的1号引脚与第十四电容C14和第十电阻R10组成的光电耦合器相接,UC3842芯片U1的2号引脚一端通过第八电阻R8的一端与UC3842芯片U1的7脚相连,第八电阻R8的另一端通过第十五电阻R15接地,组成电压检测电路;当UC3842芯片U1的3号引脚与第十四电阻R14、第十七电阻R17连成分压电路,第十七电阻R17一端接地,第十七电阻R17另一端与主开关管Q1的源极相接,形成电流检测电路;UC3842芯片U1的6号引脚通过第九电阻R9与主开关管Q1的控制端相接,第十一电阻R11并接在主开关管Q1的栅极和源极之间,反向串接的第一二极管Z1、第二二极管Z2支路并联在电阻R11两端。
(2)整流滤波电路1如图3所示:主要有整流桥、第七电容C7、第八电容C8和共模抑制电感Lin1,整流桥的交流侧接市电,整流桥的直流侧并联在模抑制电感Lin1中两线圈的一端之间,第八电容C8并联在整流桥的直流侧,第七电容C7的一极、第六电容C6正极板均与共轭电感Lin1中一个线圈的另一侧端子连接,第七电容C7的负极板、第六电容C6的另一极以及共轭电感Lin1中另一个线圈的另一侧端子共同接地,第六电容C6的正极板为整流滤波电路1的正输出端子,第七电容C7、第八电容C8为瓷片电容。
(3)变压器3的设计:开关电源输出功率的计算公式:
P i n = P o u t η - - - ( 1 )
式中,η是电源的输出效率,Pin为电源的输入功率,Pout是电源的输出功率。计算获得输入端最小输入电压Vmin为:
V min = V a c _ p k 2 - 2 × P i n C i n × f s - - - ( 2 )
式中,Vac_pk是交流电压值,Cin为高压侧滤波电容的容值,Cin为图1中的第六电容C6,fs为输入电源的频率。
开关管导通时间的计算公式:
ton=T×D (3)
式中,D为控制信号的占空比,T为一个周期的时间。
1 2 L m I p k ηf s = P o u t - - - ( 4 )
I p k = V min - 1 L m × t o n - - - ( 5 )
通过公式(4)、(5)可求得初级输入尖峰电流Ipk和初级电感量的Lm
初级绕组的圈数Np为:
N p = I p k × L m A c o r e × B - - - ( 6 )
式中,Acore为磁芯的功率容量,B为其磁感应强度。
初级和次级匝数比计算公式:
N p N s = n ⇐ V i n × D V o × ( 1 - D ) - - - ( 7 )
n为初级线圈和次级线圈之间的匝数比,Vo为输出电压的电压值,考虑二极管压降和输出绕组分压,在计算中应设计输出电压值的基础上加1V。
由初级绕组的圈数和变压器的匝数比可以很容易的计算得主输出绕组圈数Ns为:
N s = N p n - - - ( 8 )
计算得初级绕组圈数35.6圈,经过修正取整数36圈,由匝数比得出主输出绕组的圈数为15圈,反馈绕组设计为7圈。图4是高频变压器示意图,高频变压器由初级绕组、次级绕组和反馈绕组组成,初级绕组,先从1脚开始用直径0.3mm漆包线绕36圈,然后再0脚上结束,加上高温绝缘胶带两层进行绝缘处理;主输出绕组,用2根直径0.8mm从5脚开始绕15圈后,在4脚上结束;反馈绕组,用直径0.8mm的漆包线从2脚绕7圈回到3脚结束。
(4)尖峰电流吸收电路2如图5所示:本设计中使用的RCD吸收电路,由第一电阻R1、第三电阻R3和第四电阻R4串联后与第九电容C9并联,再与二极管D2串联构成。
(5)高频整流滤波电路如图6所示:整流二极管D1为肖特基二极管,肖特基二极管两端并联了第五电容C5,电阻和高压电容串联后并联在二极管两侧。由电感L1和第一电容C1、第二电容C2组成的π型滤波电路,两侧并联第三电容C3、第四电容C4,第四电容为瓷片电容。
(6)调压调流电路7如图7所示:变压器次级绕组侧输出的电压为30V,如电路图1所示。XL40系列芯片U2是DC-DC稳压芯片,它工作频率为300KHZ,驱动电流能达到12A,有5个引脚:1号引脚为接地端;2号引脚为电压反馈,将输出电压信号反馈后达到对输出电压的控制,其阀值电压为0.8V;3号引脚为电压输出端;4号引脚为使能端;5号引脚为电源端口,与变压器次级绕组的4号抽头相连,为调压调流电路的输入(5-30V),输出0.8到30V的直流电。第十九电容C19的正极板接高频整流滤波电路4的正输出端子,第二十一电容C21的一极与第十九电容C19的正极板、XL40系列芯片的电源端口及使能端口相连接,XL40系列芯片的输出端与第四二极管D4的阴极连接,第四二极管D4的阴极经一电感与第二十电容C20的一极、第十七电容C17的正极板相连接,第二调节电阻VR2的第一端与第十七电容C17的正极板连接,第二调节电阻VR2的第二端与第十二电阻R12的一端连接,第十三电容C13并联在第二可调电阻VR2的两端,第十九电容C19的负极板、第二十一电容C21的另一极、第四二极管D4的阳极、第二十电容C20的另一极、第十七电容C17的负极板、第十二电阻R12的另一端、XL40系列芯片的接地端口共同接地,第十六电阻R16并联在第十七电容C17两级之间,LM358芯片的电源端口与XL40系列芯片的电源端口连接,LM358芯片的同相输入端和第十六电阻R16与第十七电容C17正极板的连接点相连,LM358芯片的反相输入端与第七电阻R7的一端、第十二电容C12的一极、第一可调电阻VR1的第一端连接,第七电阻R7的另一端、第十二电容C12的另一极、LM358芯片的接地端口共同接地,LM358芯片的输出端口、第一可调电阻VR1的第二端、第二调节电阻VR2的第二端并接后与XL40系列芯片的反馈端口连接。第十九电容C19、第二十电容C20为电解电容,第十七电容C17、第二十一电容C21为瓷片电容。
第十二电阻R12和第二可调电阻VR2形成分压电路,对输出电压进行分压。设计第二电阻R12的阻值为1K,第二可调电阻VR2为0到50K的可调电阻。
输出电压的计算公式为:
Uout=0.8×(1+RVR2÷R12) (9)
对电阻VR2的调节达到对输出电压的调节。
精密电阻R16将输出的电流信号转换成电压信号,再通过运算放大器将电压信号放大后反馈到XL40系列芯片的2号引脚。设置精密电阻R16=0.08Ω,设计输出电流可调范围为0到5A,计算得运算放大器LM358输入电压的最大值为Umax=0.08×5V=0.4V。由于XL40XX的反馈脚的阀值电压为0.8V,因此,当电压值到达0.8V时芯片动作,通过改变第十电阻R10和第一可调电阻VR1的阻值来调节运算放大电路的增益,从而间接的实现对输出电流的控制。稳压芯片输入侧并联电解电容C19和瓷片电容C21对输入的直流电进行滤波,输出侧串联一个电感,用于过滤输出电流纹波,电解电容C20和瓷片电容C17对输出电压中的纹波进行过滤,从而提高输出的质量。
电路中运放放大作用:
U o u t = ( 1 + R 16 VR 1 ) U i n - - - ( 10 )
设计精密电阻R16=10K,第一可调电阻VR1为0到10K的可调电阻。
综上所述,本电源可以在90V到260V之间宽电压运行,运用稳压芯片,通过精密电阻对输出电流取样后反馈给稳压芯片,实现限流输出的效果,装置简单且易便携。

Claims (6)

1.一种稳压恒流输出的开关电源电路,其特征在于,包括:整流滤波电路(1)、尖峰电流吸收电路(2)、变压器(3)、高频整流滤波电路(4)、芯片供电电路(5)、控制电路(6)、调压调流电路(7)以及主开关管(Q1),其中,
整流滤波电路(1)的输入端接市电,变压器(3)初级绕组的第一端子接整流滤波电路(1)的正输出端子,变压器(3)初级绕组的第二端子接主开关管(Q1)的漏极,尖峰电流吸收电路(2)并联在变压器(3)初级绕组的第一端子和反馈绕组的第一端子之间,变压器(3)次级绕组的第一端子接高频整流滤波电路(4)的正输入端子,变压器(3)次级绕组的第二端子和高频整流滤波电路(4)的负输入端子共同接地,变压器(3)反馈绕组的第一端子和芯片供电电路(5)的负输入端子共同接地,变压器(3)反馈绕组的第二端子接芯片供电电路(5)的正输入端子,变压器(3)初级绕组的第一端子与次级绕组的第二端子互为同名端,变压器(3)反馈绕组的第一端子与次级绕组的第二端子互为同名端,控制电路(6)的供电端口接芯片供电电路(5)的输出端,控制电路(6)的电流检测端接主开关管(Q1)源极,主开关管(Q1)栅极接控制电路(6)的输出端,调压调流电路(7)的输入端接高频整流滤波电路(4)的输出端,调压调流电路(7)输出目标直流电。
2.根据权利要求1所述一种稳压恒流输出的开关电源电路,其特征在于,所述调压调流电路(7)包括:降压型直流电源变换器和运放单元,其中,
所述降压型直流电源变换器,包括:XL40系列芯片、第十九电容(C19)、第二十一电容(C21)、第十二电阻(R12)、第二可调电阻(VR2)、第十三电容(C13)、第四二极管(D4)、第二十电容(C20)、第十七电容(C17)、第十六电阻(R16),第十九电容(C19)的正极板接高频整流滤波电路(4)的正输出端子,第二十一电容(C21)的一极与第十九电容(C19)的正极板、XL40系列芯片的电源端口及使能端口相连接,XL40系列芯片的输出端与第四二极管(D4)的阴极连接,第四二极管(D4)的阴极经一电感与第二十电容(C20)的一极、第十七电容(C17)的正极板相连接,第二调节电阻(VR2)的第一端与第十七电容的(C17)正极板连接,第二调节电阻(VR2)的第二端与第十二电阻(R12)的一端连接,第十三电容(C13)并联在第二可调电阻(VR2)的两端,第十九电容(C19)的负极板、第二十一电容(C21)的另一极、第四二极管(D4)的阳极、第二十电容(C20)的另一极、第十七电容(C17)的负极板、第十二电阻(R12)的另一端、XL40系列芯片的接地端口共同接地,第十六电阻(R16)并联在第十七电容(C17)两级之间;
所述运放单元,包括:LM358芯片、第一可调电阻(VR1)、第十五电容(C15)、第七电阻(R7)、第十二电容(C12),LM358芯片的电源端口与XL40系列芯片的电源端口连接,LM358芯片的同相输入端和第十六电阻(R16)与第十七电容(C17)正极板的连接点相连,LM358芯片的反相输入端与第七电阻(R7)的一端、第十二电容(C12)的一极、第一可调电阻(VR1)的第一端连接,第七电阻(R7)的另一端、第十二电容(C12)的另一极、LM358芯片的接地端口共同接地,LM358芯片的输出端口、第一可调电阻(VR1)的第二端、第二调节电阻(VR2)的第二端并接后与XL40系列芯片的反馈端口连接。
3.根据权利要求1或2所述一种稳压恒流输出的开关电源电路,其特征在于,所述控制电路(6)包括:UC3842芯片、第八电阻(R8)、第十电阻(R10)、第十四电容(C14)、第十三电阻(R13)、第十六电容(C16)、第十五电阻(R15)、第十八电容(C18)、第九电阻(R9)、第一二极管(Z1)、第二二极管(Z2)、第十一电阻(R11)、第十四电阻(R14)、第十七电阻(R17)、第二十二电容(C22),整流滤波电路(1)输出的直流电经软启动电路后进入UC3842芯片的供电端口,第八电阻(R8)的一端与UC3842芯片的供电端口连接,第八电阻(R8)的另一端、第十电阻(R10)的一端、第十五电阻(R15)的一端均与UC3842芯片的电压反馈端口连接,第十三电阻(R13)的一端、第十六电容(C16)的一极分别与UC3842芯片的基准电压输出端口连接,第十三电阻(R13)的另一端、第十八电容(C18)的一极分别与UC3842芯片的定时端口连接,UC3842芯片的电流传感端口与第十四电阻(R14)的一端、第二十二电容(C22)的一极相连,第十四电阻(R14)的另一端、第十七电阻(R17)的一端均与主开关管(Q1)的源极连接,UC3842芯片的输出端口与第九电阻(R9)的一端连接,第九电阻(R9)的另一端与第二二极管(Z2)的阴极、第十一电阻(R11)的一端、主开关管(Q1)的栅极相连接,第二二极管(Z2)的阳极与第一二极管(Z1)的阴极连接,第一二极管(Z1)的阳极、第十一电阻(R11)的另一端均与主开关管(Q1)的源极连接,第十五电阻(R15)的另一端、第十六电容(C16)的另一极、第十八电容(C18)的另一极、UC3842芯片的接地端口、第二十二电容(C22)的另一极、第十七电阻(R17)的另一端共同接地。
4.根据权利要求1所述一种稳压恒流输出的开关电源电路,其特征在于,所述整流滤波电路(1)包括:整流桥、共轭电感(Lin1)、第六电容(C6)、第七电容(C7)、第八电容(C8),整流桥的交流侧接市电,整流桥的直流侧并联在共轭电感(Lin1)中两线圈的同一侧端子之间,第八电容(C8)并联在整流桥的直流侧,第七电容(C7)的一极、第六电容(C6)正极板均与共轭电感(Lin1)中一个线圈的另一侧端子连接,第七电容(C7)的负极板、第六电容(C6)的另一极以及共轭电感(Lin1)中另一个线圈的另一侧端子共同接地,第六电容(C6)的正极板为整流滤波电路(1)的正输出端子。
5.根据权利要求1所述一种稳压恒流输出的开关电源电路,其特征在于,所述尖峰电流吸收电路(2)为RCD吸收电路。
6.根据权利要求1所述一种稳压恒流输出的开关电源电路,其特征在于,所述高频整流滤波电路(4)为型滤波电路。
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