CN107026578B - 一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，它由过流保护电路、电源线滤波电路、整流电路、过压检测及负阻发生电路、限压斩波电路、导流及反向阻断电路、滤波储能电路组成；所述电源线滤波电路的前端接有过流保护电路，电源线滤波电路的后端与整流电路的前端连接，整流电路的后端分别接有过压检测及负阻发生电路以及限压斩波电路，过压检测及负阻发生电路的后端接到限压斩波电路的控制端，限压斩波电路的后端接有导流及反向阻断电路，导流及反向阻断电路的后端接有滤波储能电路；它具有性能稳定可靠、器件通用、成本低廉、自身功耗很低，并使得整个电源系统变得更加稳定可靠、更加通用；它既可以完整地融合到小功率开关电源中，又可以作为小功率开关电源的前置装置，使得常规的小功率开关电源的供电电压范围拓宽至AC85V‑AC440V，甚至更宽。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置。
【背景技术】
输出功率在5瓦及以下的小功率开关电源具有重量轻、结构简单、性能稳定、输入电压宽、效率高、成本低廉等优点，在工业仪器仪表及小家电上均得到了广泛的应用，但作为工业仪表的电源，它还存在以下问题：
此类小功率开关电源的电路一般都做成单端反激的形式，目前市场上有大量的成熟的单端反激式单片集成电路可供选择，受限于集成电路工艺及成本，一般此类电路的输入电压范围限定在AC85至AC265V之间。而国内的工业用交流电的线电压一般为AC380V。在很多情况下，即使工厂现场能提供220V的电压，但由于三相负载的不平衡及动力电源零线的高阻抗，工厂现场提供的电压往往是受到污染且不稳定的，严重时会造成开关电源的失效或损坏。而国外有些国家的动力电电压高至AC440V，而有些地区的民用电电压则会低至AC85V，这对出口到国外的工业仪表类产品的电源设计造成了挑战。
由于以上原因，在基本不大增加原有成本的前提下，有必要发明一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，使得当输入电压较低时，电路的降压功能不启动，当输入电压超过一定阈值时，自动启动降压(或稳压)功能，使得仪表电源系统在供电电压从AC85V至AC440V的范围内均能可靠地工作。且由于整个装置工作在开关状态，自身的功耗会很低。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，它具有性能稳定可靠、器件通用、成本低廉、自身功耗很低，并使得整个电源系统变得更加稳定可靠、更加通用；它既可以完整地融合到小功率开关电源中，又可以作为小功率开关电源的前置装置，使得常规的小功率开关电源的供电电压范围拓宽至AC85V-AC440V，甚至更宽。
本发明所述的一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，它由过流保护电路、电源线滤波电路、整流电路、过压检测及负阻发生电路、限压斩波电路、导流及反向阻断电路、滤波储能电路组成；所述电源线滤波电路的前端接有过流保护电路，电源线滤波电路的后端与整流电路的前端连接，整流电路的后端分别接有过压检测及负阻发生电路以及限压斩波电路，过压检测及负阻发生电路的后端接到限压斩波电路的控制端，限压斩波电路的后端接有导流及反向阻断电路，导流及反向阻断电路的后端接有滤波储能电路。
所述过流保护电路由一个自恢复保险丝构成；
电源线滤波电路由一个高压CBB电容及一个共模滤波器组成；
所述整流电路由一个硅桥构成；
所述过压检测及负阻发生电路由一个压敏电阻和一个触发二极管串联构成；
所述限压斩波电路由二个电阻、一个功率场效应管、一个触发二极管、一个稳压二极管构成；限压斩波电路中，电阻R1与触发二极管Q3串联后的中心结点连接到过压检测及负阻发生电路上，电阻R1的另外一端连接到场效应管 Q1的漏极，触发二极管Q3的另外一端连接到场效应管Q1的栅极，稳压二极管 D2的正极连接到场效应管Q1的源极，负极连接到场效应管Q1的栅极，在场效应管Q1的源极与栅极之间并联有一个电阻R2，场效应管Q1的漏极连接到整流电路上，场效应管Q1的源极连到导流及反向阻断电路上；
所述导流及反向阻断电路由一个二极管构成；
所述滤波储能电路由电解电容构成。
进一步地，所述限压斩波电路中，功率场效应管为功率开关器件。
进一步地，所述导流及反向阻断电路中，仅使用一个二极管作为导流与反向阻断器件。
采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，它具有性能稳定可靠、器件通用、成本低廉、自身功耗很低，并使得整个电源系统变得更加稳定可靠、更加通用；它既可以完整地融合到小功率开关电源中，又可以作为小功率开关电源的前置装置，使得常规的小功率开关电源的供电电压范围拓宽至AC85V-AC440V，甚至更宽。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明的实现的结构框图；
图2是本发明的一个具体实施实例；
图3是本发明简化后的一个具体实施实例；
图4是作为对比用的常规小功率的开关电源的整流滤波电路；
附图1标记说明：
1、过流保护电路；2、电源线滤波电路；3、整流电路；4、过压检测及负阻发生电路；5、限压斩波电路；6、导流及反向阻断电路；7、滤波储能电路。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本具体实施方式所述的一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，它由过流保护电路1、电源线滤波电路2、整流电路3、过压检测及负阻发生电路4、限压斩波电路5、导流及反向阻断电路6、滤波储能电路7组成；所述电源线滤波电路2的前端接有过流保护电路1，电源线滤波电路2的后端与整流电路3的前端连接，整流电路3的后端分别接有过压检测及负阻发生电路4以及限压斩波电路5，过压检测及负阻发生电路4的后端接到限压斩波电路5的控制端，限压斩波电路5的后端接有导流及反向阻断电路 6，导流及反向阻断电路6的后端接有滤波储能电路7。
如图2所示，作为本发明的一个具体实施例，其中：
过流保护电路1由自恢复保险丝F1构成；
电源线滤波电路2由高压CBB电容Cx及共模滤波器L1组成；
整流电路3由硅桥BR构成；
过压检测及负阻发生电路4由压敏电阻VDR1和触发二极管Q2串联组成；
限压斩波电路5由电阻R1、功率场效应管Q1、触发二极管Q3、稳压二极管D2、电阻R2构成；功率场效应管Q1为功率开关器件。
限压斩波电路5中，电阻R1与触发二极管Q3串联后的中心结点连接到过压检测及负阻发生电路4上，电阻R1的另外一端连接到场效应管Q1的漏极，触发二极管Q3的另外一端连接到场效应管Q1的栅极，稳压二极管D2的正极连接到场效应管Q1的源极，负极连接到场效应管Q1的栅极，在场效应管Q1的源极与栅极之间并联有一个电阻R2，场效应管Q1的漏极连接到整流电路3上，场效应管Q1的源极连到导流及反向阻断电路6上。
导流及反向阻断电路6由二极管D1构成；且仅使用一个二极管D1作为导流与反向阻断器件。
滤波储能电路7由电解电容C1构成。
在上述的图2的实施例中，硅桥BR选用MB10S，压敏电阻VDR1选用10D201，触发二极管Q2选用DB10，电阻R1选用300k，功率场效应管Q1选用2N80，触发二极管Q3选用DB3，稳压二极管D2选用ZMM12，二极管D1选用1N4007，电解电容C1选用10uF/400V。
如图3所示，该具体实施方案是本发明简化后的一个具体实例。与图2相比少了触发二极管Q3，器件更少，成本更低，且性能与图2相近，因此更加实用。
如图4所示，图4是作为对比用的常规小功率的开关电源的整流滤波电路。通过对比可知，相比于原小功率的开关电源的整流滤波电路，本一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，仅比原整流滤波装置电路多了7个元器件。按当今市价选用国产器件，成本增加在1-2元之间，甚至更少，但把输入电压范围拓宽至AC85V-AC440V。
本发明工作原理如下：
本发明中，利用自恢复保险丝F1作为过流保护器件，高压CBB的X电容 Cx及共模滤波器L1组成电源线滤波器，硅桥BR作为全波整流器件，功率场效应管Q1、限流电阻R1和触发二极管Q3、稳压管D2和电阻R2组成限压斩波电路，压敏电阻VDR1与触发二极管Q2的串联作为过压检测及负阻发生电路，二极管D1作为导流及反向阻断器件，电解电容C1作为储能器件。
正弦交流电源经过自恢复保险丝F1限流，经过电容Cx及共模滤波器L1滤波后，再通过硅桥BR整流，变成脉动直流电；在一个脉动周期内，脉动直流电的瞬时电压小于储能电容C1的正端电压与触发二极管Q3的转折电压之和(此电压在后续说明中用Vr表示)时，由于场效应管Q1的栅源间短接着电阻，场效应管Q1处于截止状态；当脉动电压按正弦规律逐渐升高，当它的电压大于 Vr时，场效应管Q1栅极上的触发二极管Q3导通，触发二极管Q3上的压降接近于0，场效应管Q1瞬时饱和导通，电流从场效应管Q1的漏极流向源极，并经过导流及反向阻断二极管D1，输送到储能电容C1上；若脉动直流电的电压峰值小于压敏电压VDR1与之串联的触发二极管Q2的转折电压之和(此电压在后续说明中以Vz表示)时，开关降压电路是不工作的；若脉动直流电的峰值电压大于Vz，则随着脉动直流电电压按正弦规律继续上升，则与压敏电阻VDR1 串联的触发二极管Q2导通，Vz瞬时下降，此时Vz的值约等于压敏电阻VDR1 的压敏电压，储能电容C1正端上的电压大于Vz，导流及反向阻断二极管D1反向截止，场效应管Q1截止，且此时Q1栅源间的反向电压不会超过栅源间的稳压二极管D2的正向压降；对于仪表用小功率开关电源，在这个电压的脉动周期内(即正弦半波周期内)，储能电容C1的充电过程已结束，即在此后，在此周期内，储能电容C1正端的电压一直大于场效应管Q1的栅极电压，场效应管会一直处于截止状态；若不能满足这个要求，则说明储能电容C1容量太小或其它元器件选型不合适，或者是电源刚合闸瞬间，否则单片开关电源芯片由于储能电容上的电压变化太大也是很难正常工作的。当电压按正弦规律减小时，整个电路又恢复到初态。在正常工作时，串联在场效应管Q1栅极上的触发二极管 Q3对整个电路的功耗影响不大，即使短接此器件，场效应管Q1的开关速度仍是够快的，它仅仅是在电源合闸瞬间的最初几个充放电周期起较大作用，实践证明实际上是可以省略的。
相比于常规的小功率开关电源的整流滤波电路，本发明只增加了二个电阻，一个场效应管，一个触发二极管，一个压敏电阻、一个二极管，一个稳压二极管共七个器件，而电路中的其它器件在一般的小功率开关电源中也需用到。
本发明的关键之处之一：在于使用高压场效应管作为功率开关器件。由于场效应管是一种电压驱动器件，它的驱动能量大大小于双极型三极管，而它的开关可靠性又大大高于可控硅，开通内阻又极低，使得整个装置的功耗很低。
本发明的关键之处之二：在于使用压敏电阻与触发二极管的串联作为过压检测及负阻发生电路，使得负阻特性有一个合理的电压滞环。这个滞环使得当输入电压较低时，功率场效应管处于导通状态，功率场效应管无开关损耗；当输入电压较高时，斩波电路才会进行限压斩波，引起少量的开关损耗。
本发明的关键之处之三：在于经过限压斩波后的脉动直流电通过一个二极管导流到储能电容上。这个二极管不但起到了电流导向作用，又承担了本来会加在场效应管上的反向电压，又隔离了脉动直流电与储能电容，使得斩波及过压检测及负阻发生电路能及时复位。
本发明所述的一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，它具有性能稳定可靠、器件通用、成本低廉、自身功耗很低，并使得整个电源系统变得更加稳定可靠、更加通用；它既可以完整地融合到小功率开关电源中，又可以作为小功率开关电源的前置装置，使得常规的小功率开关电源的供电电压范围拓宽至AC85V-AC440V，甚至更宽。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (3)
1.一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，其特征在于：它由过流保护电路(1)、电源线滤波电路(2)、整流电路(3)、过压检测及负阻发生电路(4)、限压斩波电路(5)、导流及反向阻断电路(6)、滤波储能电路(7)组成；所述电源线滤波电路(2)的前端接有过流保护电路(1)，电源线滤波电路(2)的后端与整流电路(3)的前端连接，整流电路(3)的后端分别接有过压检测及负阻发生电路(4)以及限压斩波电路(5)，过压检测及负阻发生电路(4)的后端接到限压斩波电路(5)的控制端，限压斩波电路(5)的后端接有导流及反向阻断电路(6)，导流及反向阻断电路(6)的后端接有滤波储能电路(7)；所述过流保护电路(1)由自恢复保险丝构成；电源线滤波电路(2)由高压CBB电容及共模滤波器组成；所述整流电路(3)由硅桥构成；所述过压检测及负阻发生电路(4)由压敏电阻和触发二极管串联组成；限压斩波电路(5)由电阻R1、功率场效应管Q1、触发二极管Q3、稳压二极管D2、电阻R2构成；限压斩波电路(5)中，电阻R1与触发二极管Q3串联后的中心结点连接到过压检测及负阻发生电路(4)上，电阻R1的另外一端连接到场效应管Q1的漏极，触发二极管Q3的另外一端连接到场效应管Q1的栅极，稳压二极管D2的正极连接到场效应管Q1的源极，负极连接到场效应管Q1的栅极，在场效应管Q1的源极与栅极之间并联有一个电阻R2，场效应管Q1的漏极连接到整流电路(3)上，场效应管Q1的源极连到导流及反向阻断电路(6)上；所述导流及反向阻断电路(6)由二极管构成；所述滤波储能电路(7)由电解电容构成。
2.根据权利要求1所述的一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，其特征在于：所述限压斩波电路(5)中，使用功率场效应管作为功率开关器件。
3.根据权利要求1所述的一种用于拓宽小功率开关电源输入电压范围的电源装置，其特征在于：所述导流及反向阻断电路(6)中，仅使用一个二极管作为导流与反向阻断器件。
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