CN106712506A - 超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其MOSFET开关管与开关管控制电路、震荡反馈电路和储能滤波电路连接，储能滤波电路与过流反馈电路连接，过流反馈电路与电源输出正极和过流过压信号处理电路连接，过流过压信号处理电路与电源输出正极连接，且之间设置有可调电压反馈电路，过流过压信号处理电路与反馈信号驱动电路连接，过流过压信号处理电路通过开启电路与外部直流电源正极连接，外部直流电源正极与开关管控制电路和MOSFET开关管连接；本发明使用分离元件搭建的开关电源的设计方案，具有体积小、转换效率高和超宽输入电压范围的优点，且每个元件用小封装贴片进行封装，减少元件之间的影响，便于操作。

Description

超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源

技术领域：

本发明涉及一种电源领域，特别是涉及一种超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源。

背景技术：

目前市场上关于降压型电源，主要有两类：线性稳压电源和降压型开关电源。

对于线性稳压电源，适合在一些输入电压与输出电压压差较小场合下使用，而对于一些输入电压和输出电压压差较大场合，线性电源的效率会变得很低，这时候线性稳压电源不在适用。

对于开关电源，有隔离式和非隔离式。对于非隔离式，一般较难实现很宽的电压输入范围。对于隔离式，虽然相对容易实现较宽电压输入范围，但相对来说，体积较大，显得比较笨重。

对于非隔离式开关电源，市场上有较多的集成开关电源芯片，如：TI公司的TPS54160，LM5576等芯片，这些芯片最高输入电压分别为3.5-60、6-75V的宽电压输入范围，且输出电压可以通过反馈电阻进行调节。但相对来说，这些集成开关电源芯片的电压输入范围很难再扩宽，在一些特殊应用场合，如直接在市电上取电、一些工业上用的需要具备防冲击能力和高耐压的降压型电源，这些芯片则不再适合。

对于非隔离式开关电源，目前市场上有一些PWM开关电源控制器，如OB2211。可以使用这样PWM开关电源控制器搭建开关电源。但相对来说，外围电路较为复杂，且不能做到较宽输入电压，且不具备过流保护功能。这样不仅仅性能上有一定的限制，且不具备一定的防护作用。

对于非隔离式开关电源，可以手动使用分离元件搭建。相对来说，若搭建一个性能良好的开关电源相当不易。

随着工业4.0走进中国工厂，中国的大部分工厂都在慢慢地更加智能化、自动化、信息化。在这个改造过程中，需要若干电子设备，工厂中特别是一些具有大电机的强电磁及大电流环境，会造成整个工厂的供电电源波动较大，对直接通过工厂电源直接供电的电子设备造成严重影响，甚至较大的电压脉冲会导致电子设备的电源损坏，进而导致整个电子设备的损坏。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种使用分离元件搭建的开关电源的设计方案，具有体积小、转换效率高、电压跟随性强、超宽输入电压范围优点的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源。

本发明的技术方案是：一种超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，包括电阻、电感、电容、三极管、二极管、稳压管和MOSFET开关管，所述电阻包括八个固定电阻和一个可调电阻、所述电感为一个、所述电容为四个、所述三极管为五个、所述二极管为两个、所述稳压管为一个精密三端稳压管、所述MOSFET开关管为一个，且之间进行连接组合形成直接作用于MOSFET开关管，并根据反馈信号来控制MOSFET开关管开启与关断开关管控制电路；

作为开关为后级提供能量输出的MOSFET开关管；

能产生正反馈信号的震荡正反馈电路；

通过充放电把能量传递到后级的储能滤波电路；

检测输出电流，且当输出电流过大时，能够把产生的反馈信号输送到过流过压信号处理电路的过流反馈电路；

能够检测输出电压是否高于预设电压的可调电压反馈电路；

从VCC出引入一个微弱的电流作用于反馈信号驱动电路，通过控制开关管控制电路，开启MOSFET开关管的开启电路；

用于检测可调电压反馈电路与过流信号，并把处理过后的信号传输给反馈信号驱动电路的过流过压信号处理电路；

能够对过流过压电路、震荡正反馈电路和开启电路传输来的反馈信号进行处理，并通过控制开关管控制电路，控制开关管导通与关断的反馈信号驱动电路；

所述MOSFET开关管与开关管控制电路、震荡反馈电路和储能滤波电路连接，所述储能滤波电路与过流反馈电路连接，所述过流反馈电路与电源输出正极和过流过压信号处理电路连接，所述过流过压信号处理电路与电源输出正极连接，且之间设置有可调电压反馈电路，所述过流过压信号处理电路与反馈信号驱动电路连接，所述过流过压信号处理电路通过开启电路与外部直流电源正极连接，所述外部直流电源正极与开关管控制电路和MOSFET开关管连接，所述储能滤波电路和过流反馈电路与外部直流电源负极和电源输出负极连接。

所述MOSFET开关管为P沟道MOSFET开关管。所述储能滤波电路由一个续流二极管、一个电感、一个电解电容构成。

所述过流反馈电路由2个电阻、一个三极管、一个电容构成。所述过压反馈电路由一个精密三端稳压管、两个电阻构成，精密三端稳压管的型号为TL431。

所述震荡正反馈电路由一个电容构成，所述开启电路由一个电阻构成，反馈信号驱动电路由两个三极管（高耐压三极管）进行连接构成。

所述开关管控制电路由两个电阻、一个三极管、一个二极管进行连接构成。电阻、电感、三极管、二极管、稳压管和MOSFET均用小封装贴片进行封装。

其中本发明的主干电路为：外部直流电源—>MOSFET开关管—>储能滤波电路—>过流反馈电路—>电源输出，且通过改变MOSFET开关管导通时间与通断时间的比值调节主干电路输出的电压值。

本发明的有益效果是：

1、本发明使用分离元件搭建的开关电源的设计方案，具有体积小、转换效率高和超宽输入电压范围的优点，且每个元件用小封装贴片进行封装，减少元件之间的影响，便于操作。

2、本发明通过改变MOSFET开关管导通时间与通断时间的比值调节主干电路输出的电压值，此技术有别与现有技术，能够实现3.5~400 V电压范围的输入，且具备较强的低压差性能和较强的跟随性（如电源供电电压为10V，那么本发明可以输出9.5V电压，输出电压与输入电压基本相同，即电压放大倍数接近1）。

3、本发明开关控制电路控制MOSFET开关管的开断，在没有过流过压信号到来时，MOSFET管处于导通状态，一旦后级产生过流过压信号，MOSFET管瞬间关闭，周期性的进行这个过程，保证后级输出电压的安全稳定。

附图说明：

图1是超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源的电路功能框图；

图2是超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源的整体电路图；

图3是超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源在家庭物联网中的应用举例；

图4是超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源在工控领域中的应用举例。

具体实施方式：

实施例：参见图1、图2、图3和图4。

超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，包括电阻、电感、电容、三极管、二极管、稳压管和MOSFET开关管，且之间进行连接组合形成：直接作用于MOSFET开关管，并根据反馈信号来控制MOSFET开关管开启与关断开关管控制电路；

作为开关为后级提供能量输出的MOSFET开关管；

能产生正反馈信号的震荡正反馈电路；

通过充放电把能量传递到后级的储能滤波电路；

检测输出电流，且当输出电流过大时，能够把产生的反馈信号输送到过流过压信号处理电路的过流反馈电路；

能够检测输出电压是否高于预设电压的可调电压反馈电路；

从VCC出引入一个微弱的电流作用于反馈信号驱动电路，通过控制开关管控制电路，开启MOSFET开关管的开启电路；

用于检测可调电压反馈电路与过流信号，并把处理过后的信号传输给反馈信号驱动电路的过流过压信号处理电路；

能够对过流过压电路、震荡正反馈电路和开启电路传输来的反馈信号进行处理，并通过控制开关管控制电路，控制开关管导通与关断的反馈信号驱动电路；

MOSFET开关管与开关管控制电路、震荡反馈电路和储能滤波电路连接，储能滤波电路与过流反馈电路连接，过流反馈电路与电源输出正极和过流过压信号处理电路连接，过流过压信号处理电路与电源输出正极连接，且之间设置有可调电压反馈电路，过流过压信号处理电路与反馈信号驱动电路连接，过流过压信号处理电路通过开启电路与外部直流电源正极连接，外部直流电源正极与开关管控制电路和MOSFET开关管连接，储能滤波电路和过流反馈电路与外部直流电源负极和电源输出负极连接。

下面结合附图对本发明进行详细说明：

MOSFET开关管，对应于图2中的标号2。由电路原理图可以看出，该模块电路仅仅是一个P沟道MOSFET开关管。由于直流输入电源直接作用于MOSFET开关管，且本发明专利为一款超宽输入的开关电源，那么要求该开关管具有较高的耐压能力。如型号为FQPF2P40的P沟道MOSFET管，耐压能高达400V。当然，也可以选用若干其他型号的P沟道MOSFET管，但需要具备一定的耐高电压能。

储能滤波电路，对应于图2中的标号3。该电路由一个续流二极管、一个电感、一个电解电容构成。如图2所示，节点A为MOSFET开关管、续流二极管阴极、储能电感一端连接处。该节点电压波形实际上为一PWM波。当MOSFET开关管导通时，节点A为高电平，基本等于输入电压。这时候电感储存能量；当节点A为低电平时候，电感中电流不能立即消失，这时电感中仍有电流流向电解电容，这时续流二极管D2中会有电流，大小与电感电流相等。根据上述分析可以看出，节点A处PWM的占空比，直接决定后端输出能量的多少及输出电压的大小。

过流反馈电路，对应于图2中的标号4。该电路由2个电阻、一个三极管、一个电容构成。电阻R8是一个电流采样电阻，有较小的阻值R（阻值范围为0.5Ω-2Ω）,阻值R的选取标准为：使得Imax*R8的值约为0.3V。过流反馈电路具有两种工作情况：第一种情况，当电路处于稳定输出状态。当输出电流突然增大到Imax时候，R8上会有R8*Imax的压降（Imax*R8的值约为0.3）。PNP二极管Q5的导通电压约0.3V,这时Q5会导通，那么R5与Q5基极连接的节点出会产生较高的电平，该高电平即为电流反馈信号；第二种情况，在启动阶段，若不加任何防护，电感L1上电流可能会变得很大。如图2所示，有两个电容C3和C4。 这里C3和C4取等值。当MOSFET开关管开启时，电感L1上电流会一直增大，如果一直没有反馈信号，电感L1上电流会一直增大直到输出电压达到额定输出电压，而此时电感L1会储存很多的能量，电感L1中电流开始减少，但由于电感L1中能量较多，输出电压仍会一直增大，对电源电路以及电压输出都会有一定影响。

而这里采用两个桥式电容，通过两种检测方式，能够很有效的防止这种情况的发生。一种检测方式为：中电流超过一定限制时，那么电容C3充电会较快，电容C4充电会稍微慢点。当R8上压降超过0.3V时，PNP三极管Q5开始导通，产生过流反馈信号。该电路很好地保护了该电源过流情况并增加输出电压稳定性。

另一种检测方式为：L1对C3充电过快时候，L1同时通过R7、R8对C2充电。当L1上电流过大时，C3充电速度大于C2充电速度，C3电压上升比C2快，当C3电压比C2电压高出0.3V以上时，过流反馈信号被触发，保护电流过流。

可调电压反馈电路，对应于图2中的标号5。该电路由一个精密三端稳压管、两个电阻构成。实际上，该电路就是组成了一个类似稳压值为（1+R9/R6）*Vref的可调稳压管。这里三端稳压管可选用TL431等类型，对于TL431而言，对于图2所示电路，未过压状态下，稳压管阳极电压约为0V。稳压管阴极与阳极电压为（1+R9/R6）*Vref。这里R6为恒定电阻，R9为滑动变阻器，Vref为TL431的基准参考电压（参考电压一般为2.5V，可查阅相关芯片手册）。由于TL431最高承受电压为36V，所以需要选取合适的R9与R6阻值，保证（1+R9/R6）*Vref的最大值不超过36V，以保证该电路的安全性。当电路输出电压高于稳压管的稳压时，B点电压升高，该反馈信号送给过流过压信号处理电路。

过流过压信号处理电路，对应于图2中的标号6。该电路由2个电阻、1个三极管构成。该电路模块实时监视着过流反馈电路及可调电压反馈电路反馈回的电压信号，如图2电路所示，当节点B点电压升高时，三极管Q1会开启，那么节点C的电压会立即降低。该低电压信号传输给反馈信号驱动电路。

震荡正反馈电路，对应于图2中的标号9。该电路仅仅由一个电容组成，且该电容的电容值较小。该电路主要作用是产生正反馈，当MOSFET开关管开启时，节点A处电平瞬间升高，那么电容C1会瞬间把该电压信号反馈给反馈信号驱动电路，高电平反馈使得反馈信号驱动电路加速MOSFET开关管的开启，这样MOSFET开关管开启速度就会变得非常快；在MOSFET开关管关闭时，节点A会瞬间产生低电平，该电平通过电容C1反馈给反馈信号驱动电路，低电平反馈信号会加速MOSFET开关管的关闭。图2电路中MOSFET开关管在完全打开以及完全关闭时MOSFET开关管损耗都比较低，只有在打开过程中或关断过程中MOSFET开关管损耗稍高。而图2所示电路中MOSFET开关管打开和关闭都会非常迅速，所以本发明中的MOSFET开关管上的损耗相应的会降低很多，提高本电源的转换效率，并降低发热。

开启电路，对应于图2中的标号8。该电路仅由一个电阻构成。该电阻一段连接输入直流电源，一段连接反馈信号驱动电路。该开启电路的阻值较大，其主要目的是给反馈信号驱动电路提供一个静态微电流，使得在没有其他反馈信号到来时，节点C维持高电平，该电平信号作用于反馈信号驱动电路，开启MOSFET开关管。

反馈信号驱动电路，对应于图2中的标号7。该电路由两个三极管构成。该电路实时监视过流过压信号处理电路、震荡正反馈电路、开启电路的反馈信号。当没有过流过压信号及震荡正反馈信号作用时，该电路模块直接接收开启电路的微弱电流，保持MOSFET开关管处于开启状态。当过流过压信号处理电路产生过流过压信号时，节点C电压被拉低，Q2及Q3关闭，节点D为高电平；

稳定状态下，当过流过压信号处理电路产生反馈信号时，开启电路所提供的微电流从Q1流过，节点C电压被Q1拉低，节点D电压升高，MOSFET开关管关闭，且震荡反馈信号向三极管Q2触发一个低电平，加速Q2及Q3的彻底关闭，加速MOSFET开关管的彻底关闭。当过流过压反馈电路反馈信号结束时，节点C电压升高，节点D电压降低，MOSFET开关管开启，震荡正反馈电路会向三极管Q2触发一个高电平，使的Q2及Q3导通速度加快，节点D迅速将为较低电平，加速FETMOS开关管的彻底开启。

开关管控制电路，对应于图2中的标号1。该部分电路由两个电阻，一个三极管，一个二极管组成。该电路监视节点D的电压状态。当三极管Q2关断时，节点D电压等于输入电源电压，这时，PNP结构的MOSFET开关管源极几乎也等于输入电源电压，MOSFET开关管关断。当三极管Q2导通时，节点D低电平，那么三极管Q4基极电压会立即降低为Vin*(R12/(R10+R12)),由于二极管D1缘故，MOSFET开关管源极电压同样为Vin*(R4/(R4+R2))。MOSFET开关管的栅极源极电压差为Vdif = Vin- Vin*(R4/(R4+R2))。电阻R4、R2具有合适的阻值，其使得Vdif既能够使MOSFET开关管完全导通，又不至于Vdif过大损坏MOSFET开关管。

在家庭物联网中作用工作过程：本发明在家庭物联网中，用作物联网设备及传感器的供电电源。本发明具备超宽输入电压范围，可以选择通过市电供电。具有可调输出电压，能够满足各种家庭物联网设备（家庭用电器）的供电需求。

对市电的零线火线进行滤波整流后，与本发明连接，本发明能够给用户提供3.5-36V范围内任意想要的供电电压。

在工控领域中作用及工作过程：本发明具备宽的电压输入范围，具备承受高电压的能力，若工厂电源为直流（电压在400V以下），本发明可以直接在工厂电源上取电，转换为工厂中设备需要的电压。

若工厂电源为交流，对交流电进行整流滤波后，直接与本发明连接，本发明输出工厂中设备需要的电压。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，包括电阻、电感、电容、三极管、二极管、稳压管和MOSFET开关管，其特征是：所述电阻包括八个固定电阻和一个可调电阻、所述电感为一个、所述电容为四个、所述三极管为五个、所述二极管为两个、所述稳压管为一个精密三端稳压管、所述MOSFET开关管为一个，且之间进行连接组合形成直接作用于MOSFET开关管，并根据反馈信号来控制MOSFET开关管开启与关断开关管控制电路；

作为开关为后级提供能量输出的MOSFET开关管；

能产生正反馈信号的震荡正反馈电路；

通过充放电把能量传递到后级的储能滤波电路；

检测输出电流，且当输出电流过大时，能够把产生的反馈信号输送到过流过压信号处理电路的过流反馈电路；

能够检测输出电压是否高于预设电压的可调电压反馈电路；

从VCC出引入一个微弱的电流作用于反馈信号驱动电路，通过控制开关管控制电路，开启MOSFET开关管的开启电路；

用于检测可调电压反馈电路与过流信号，并把处理过后的信号传输给反馈信号驱动电路的过流过压信号处理电路；

能够对过流过压电路、震荡正反馈电路和开启电路传输来的反馈信号进行处理，并通过控制开关管控制电路，控制开关管导通与关断的反馈信号驱动电路；

所述MOSFET开关管与开关管控制电路、震荡反馈电路和储能滤波电路连接，所述储能滤波电路与过流反馈电路连接，所述过流反馈电路与电源输出正极和过流过压信号处理电路连接，所述过流过压信号处理电路与电源输出正极连接，且之间设置有可调电压反馈电路，所述过流过压信号处理电路与反馈信号驱动电路连接，所述过流过压信号处理电路通过开启电路与外部直流电源正极连接，所述外部直流电源正极与开关管控制电路和MOSFET开关管连接，所述储能滤波电路和过流反馈电路与外部直流电源负极和电源输出负极连接。

2.根据权利要求1所述的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其特征是：所述MOSFET开关管为P沟道MOSFET开关管。

3.根据权利要求1所述的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其特征是：所述储能滤波电路由一个续流二极管、一个电感、一个电解电容构成。

4.根据权利要求1所述的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其特征是：所述过流反馈电路由2个电阻、一个三极管、一个电容构成。

5.根据权利要求1所述的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其特征是：所述过压反馈电路由一个精密三端稳压管、两个电阻构成，精密三端稳压管的型号为TL431。

6.根据权利要求1所述的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其特征是：所述震荡正反馈电路由一个电容构成，所述开启电路由一个电阻构成，反馈信号驱动电路由两个三极管进行连接构成。

7.根据权利要求1所述的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其特征是：所述开关管控制电路由两个电阻、一个三极管、一个二极管进行连接构成。

8.根据权利要求1所述的超宽输入电压可调输出电压的降压型开关电源，其特征是：电阻、电感、三极管、二极管、稳压管和MOSFET均用小封装贴片进行封装。