CN107222113A - 一种具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源电路，该宽压或稳压电源电路包括输入保护电路，PWM信号控制及能量生成电路，汇流电路和输出反馈通断控制电路；由于采用上述技术方案，本发明电源输入适应性范围宽，如本实例可满足10V~150V正常工作；本发明通过将控制电路与能量转换电路合理选取阻容、二极管、NMOS管，能显著提高驱动电路耐压，从而实现高压范围应用。本发明结构形式简单，驱动能力强，通过合理选用电感、电容网络，可实现高效率、大电流功率输出；本发明设计的输出反馈控制电路充分考虑隔离、超压、欠压保护，极大提高了系统应用可靠性。同时本发明对输入输出增加了自恢复保险丝和TVS,提高了可靠性。

Description

一种具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源电路

技术领域

本发明涉及一种具有电源输入范围宽、输出电流强、电路实现简单等特点，可广泛应用于高电压直流应用场合的具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源电路。

背景技术

直流电源作为电子、电力、通信等系统中所有用电设备的关键组成部分，为设备内部电路提供二次电源，在输入一次电源品质较差的情况下以保证各设备的正常工作。

目前，针对高压应用的直流电源多采用线性稳压的形式，通过三极管、功率电阻、线性直流稳压电源多级级联实现。图1为一种典型应用电路。VIN为高压输入电源，R1为功率电阻，V1为瞬态抑制二极管，Q1为功率三极管，此功能模块组成的电路可通过V1钳位三极管基极输入电压，从而起到第一级降压的目的。同理利用此电路可级联多级电压降，最终输入至线性稳压直流电源U1输入端口，生成系统二次电源VCC。此电路原理较简单，但存在多种缺点。

1、通过功率电阻及三极管实现电压差降及电流放大，器件发热严重、电源转换效率低，输出驱动电流弱。

2、利用此电路进行多级级联，很难保证低压开启特性，电源输入范围较窄。

除上述电路外，也有采用开关电源设计高耐压电源电路的方法，如采用降压型(Buck)或升降压型(Buck-Boost)开关电源。但开关电源往往受制于电源芯片自身的耐压限制，多应用于100V以下场合。图2和图3 所示即为通常所采用的降压型及升降压型电源转换电路，包括控制芯片、能量转换和输出反馈电路；能量转换电路主要由MOS管、二极管、电感、电容组成；输出反馈电路主要由二极管、电阻等组成；控制芯片主要负责PWM信号生成；

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的是提供一种宽电源适应范围，结构易于实现，输出电流强，可靠性高的具有自反馈自保护功能的宽压稳压电源电路。

本发明包括如下技术方案：一种具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源电路，该宽压或稳压电源电路包括输入保护电路，PWM信号控制及能量生成电路，汇流电路和输出反馈通断控制电路；

所述输入保护电路，用于完成输入电源电压的开启及关断控制，可在后级输出电压稳定输出时切断电源输入，防止高压接入后级电路；

所述PWM信号控制及能量生成电路，用于采集自举输出电压来动态调节能量传递电路中开关器件的开启和关闭时间，并生成交流信号，将电源输入能量传递转换输出至电压反馈电路，并将动态反馈电压信号反馈至PWM控制电路，以实现PWM信号振荡及占空比动态调整；

所述汇流电路，用于将经过压保护电路的输入电压与输出电路的输出电压汇流后做为控制电路供电，同时通过储能电容防止瞬态干扰造成的过压及欠压保护；

所述输出反馈通断控制电路，用于使高压输入信号不传输至控制电路的输入端；而在初始加电情况下输出电压为低电平，关闭光耦，输入电压为后级电路供电。

进一步，所述输入保护电路包括热敏电阻F1、PMOS管V1、稳压管V3、电阻R13、NPN三极管Q2、限流电阻R10、限流电阻R12和TVS二极管V4；

其中，所述热敏电阻F1一端与VIN输入端连接，另一端与PMOS管V1的源极连接，稳压管V3并联于PMOS管V1的源极与栅极之间，所述电阻R3串联于PMOS管V1的栅极与GND之间；所述PMOS管V1的漏极与NPN三极管Q2的集电极连接，所述电阻R10与电阻R12串联后并联于NPN三极管Q2的集电极与基极之间，所述NPN三极管Q2的发射极与D6的正极连接。

进一步，所述PWM信号控制及能量生成电路包括控制芯片U18、MOS管Q1、电容C3、电容C22、二极管D2、电阻R3、互感L1、电感L2、电容C5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和功率电阻R6；

其中，所述控制芯片U18的输出控制脚DR接MOS管Q1的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接R1下拉到GND，补偿管脚COMP通过电容C3、C22与电阻R3连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻R2与R4的中点，电流采样管脚ISEN通过限流电阻连接至MOS管Q1的源极，并经功率电阻R6连接至GND，互感L1一端接输入电压VIN，一端接N型MOS管Q1的漏极及耦合电容C5的输入端，MOS管Q1的源极接地、栅极接控制电路U1控制脚，电感L2一端接耦合电容C5输出、一端接地，互感L1的接输入电压端和接地端为同名端，耦合电容C5输入端接MOS管Q1的漏极，输出端接输出电路中整流二极管D2的阳极。在控制电路的控制下，周期性开启/关闭MOS管Q1，使得在第一电感L1两端产生交流信号，该信号经互感及耦合电容的耦合作用，在L1的1脚输出端产生同样频率的交流信号，送至输出电路，二极管D2阳极接能量转换电路L1的输出，阴极接储能滤波电容C2，通过二极管的整流作用将输入交流信号整流滤波输出二次电源VCC，并通过R2、R4组成的网络实现自举电压反馈至控制电路，控制电路反馈采样管脚FB接V12经电阻R2与R4分压后的分压点，控制芯片U1实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚DR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Q1相应的开启或关闭时间。

进一步，所述汇流电路包括二极管D5、二极管D6和储能电容C4；

其中，所述二极管D6一端与NPN三极管Q2的集电极连接，另一端与所述二极管D5的一端连接，所述二极管D5的另一端与输出电压VCC连接，所述储能电容C4一端接地，另一端与所述二极管D5和连接二极管D6。

进一步，所述输出反馈通断控制电路包括TVS V2、电阻R8、电阻R9及光耦B1；

其中，所述电阻R8一端与VCC连接，另一端与所述TVS V2连接，所述TVS V2与所述光耦B1的第一针脚连接，所述光耦B1的第二针脚接地，所述光耦B1的第四针脚与电阻R9的一端连接，所述光耦B1的第三针脚与V3的漏极连接，所述电阻R9的另一端与PMOS管V1的源极连接。

其中，所述输入保护电路，主要由一个PMOS管、NPN三极管、限流电阻、热敏电阻及TVS组成，由限流电阻、TVS及热敏电阻组成的输入保护电路可防止瞬态高压脉冲接入后级电路。由NPN三极管、电阻组成的电路利用三极管的电流放大特性既可保证低压电流导通输入，又可防止持续高压脉冲接入后级电路。由PMOS管、稳压管、电阻等组成的开关切换电路，可完成输入电源电压的开启及关断控制，可在后级输出电压稳定输出时切断电源输入。

2、PWM信号控制及能量生成电路，为一个典型的升压或降压型电源电路，主要由一个具有推挽输出功能的芯片组成，可采集自举输出电压来动态调节能量传递电路中开关器件的开启和关闭时间。并控制N-MOSFET开关、电感和电容网络，在PWM控制电路的控制下产生交流信号，将电源输入能量传递转换输出至电压反馈电路，并将动态反馈电压信号反馈至PWM控制电路，以实现PWM信号振荡及占空比动态调整。

3、汇流电路，主要包括两个二极管、及储能电容，汇流电路将经过压保护电路的输入电压与输出电路的输出电压汇流后做为控制电路供电，同时通过储能电容防止瞬态干扰造成的过压及欠压保护。

4、输出反馈控制电路，主要包括TVS、电阻电容网络及光耦隔离器组成，通过TVS检测后级电压是否超过一定门限值，当超过时通过阻容网络打开光耦隔离器控制后端PMOS管关闭输入供电，默认情况下光耦隔离器为关闭状态，保证后级PMOS管处于常开。

本发明相比现有技术有如下优点：

（1）本发明提出一种驱动电路，电路简单可靠，有利于实现整个驱动电路的小型化；

（2）本发明电压工作范围宽。通过三极管电流放大原理可有效提高电源芯片低压开启性能。通过开关控制电路可有效保证在外部输入电压较高时将高压输入电源进行关断处理，保证后端器件安全可靠工作。通过二极管汇流桥电路将外部输入电压与直流开关电源电路的输出电源汇流后为控制电路供电的方法，使整个电源转换电路的最大耐压值不再由控制电路的最大耐压值所决定，实际使用时根据工作环境选择相应耐压值NMOS管及能量转换电路元件，可大幅提高直流开关电源电路的耐压值；

（3）本发明电源工作可靠性高。通过二极管汇流方法确保在外部输入电压较高、以及外部输入电压瞬间过低时，控制电路仍可使用输出电路输出的电源为其供电，充分考虑电压超压及欠压情况，大幅提高直流电源可靠性；

（4）本发明输出驱动电流能力强。采用升压降压型电源设计思想，通过合理选择震荡频率、电感值及电容值，可有效保证电源系统效率，提高驱动电流能力。

附图说明

图1为高压线性稳压电源示意图；

图2为典型降压电源电路示意图；

图3为典型升压降压电源电路示意图；

图4为一种具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源的电路示意图。

图中：Ⅰ.保护电路，Ⅱ.WM信号控制及能量生成电路，Ⅲ.汇流电路，Ⅳ.输出反馈通断控制电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

本发明的新型驱动电路设计方法，包括输入保护电路，PWM信号控制及能量生成电路，汇流电路，输出反馈通断控制电路四部分组成。

如图4所示为本发明一种具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源电路的原理图，该宽压或稳压电源电路包括输入保护电路，PWM信号控制及能量生成电路，汇流电路和输出反馈通断控制电路；

所述输入保护电路，用于完成输入电源电压的开启及关断控制，可在后级输出电压稳定输出时切断电源输入，防止高压接入后级电路；

所述PWM信号控制及能量生成电路，用于采集自举输出电压来动态调节能量传递电路中开关器件的开启和关闭时间，并生成交流信号，将电源输入能量传递转换输出至电压反馈电路，并将动态反馈电压信号反馈至PWM控制电路，以实现PWM信号振荡及占空比动态调整；

所述汇流电路，用于将经过压保护电路的输入电压与输出电路的输出电压汇流后做为控制电路供电，同时通过储能电容防止瞬态干扰造成的过压及欠压保护；

所述输出反馈通断控制电路，用于使高压输入信号不传输至控制电路的输入端；而在初始加电情况下输出电压为低电平，关闭光耦，输入电压为后级电路供电。

所述输入保护电路包括热敏电阻F1、PMOS管V1、稳压管V3、电阻R13、NPN三极管Q2、限流电阻R10、限流电阻R12和TVS二极管V4；

其中，所述热敏电阻F1一端与VIN输入端连接，另一端与PMOS管V1的源极连接，稳压管V3并联于PMOS管V1的源极与栅极之间，所述电阻R3串联于PMOS管V1的栅极与GND之间；所述PMOS管V1的漏极与NPN三极管Q2的集电极连接，所述电阻R10与电阻R12串联后并联于NPN三极管Q2的集电极与基极之间，所述NPN三极管Q2的发射极与D6的正极连接。

所述PWM信号控制及能量生成电路包括控制芯片U18、MOS管Q1、电容C3、电容C22、二极管D2、电阻R3、互感L1、电感L2、电容C5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和功率电阻R6；

其中，所述控制芯片U18的输出控制脚DR接MOS管Q1的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接R1下拉到GND，补偿管脚COMP通过电容C3、C22与电阻R3连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻R2与R4的中点，电流采样管脚ISEN通过限流电阻连接至MOS管Q1的源极，并经功率电阻R6连接至GND，互感L1一端接输入电压VIN，一端接N型MOS管Q1的漏极及耦合电容C5的输入端，MOS管Q1的源极接地、栅极接控制电路U1控制脚，电感L2一端接耦合电容C5输出、一端接地，互感L1的接输入电压端和接地端为同名端，耦合电容C5输入端接MOS管Q1的漏极，输出端接输出电路中整流二极管D2的阳极。在控制电路的控制下，周期性开启/关闭MOS管Q1，使得在第一电感L1两端产生交流信号，该信号经互感及耦合电容的耦合作用，在L1的1脚输出端产生同样频率的交流信号，送至输出电路，二极管D2阳极接能量转换电路L1的输出，阴极接储能滤波电容C2，通过二极管的整流作用将输入交流信号整流滤波输出二次电源VCC，并通过R2、R4组成的网络实现自举电压反馈至控制电路，控制电路反馈采样管脚FB接V12经电阻R2与R4分压后的分压点，控制芯片U1实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚DR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Q1相应的开启或关闭时间。

所述汇流电路包括二极管D5、二极管D6和储能电容C4；

其中，所述二极管D6一端与NPN三极管Q2的集电极连接，另一端与所述二极管D5的一端连接，所述二极管D5的另一端与输出电压VCC连接，所述储能电容C4一端接地，另一端与所述二极管D5和连接二极管D6。

所述输出反馈通断控制电路包括TVS V2、电阻R8、电阻R9及光耦B1；

其中，所述电阻R8一端与VCC连接，另一端与所述TVS V2连接，所述TVS V2与所述光耦B1的第一针脚连接，所述光耦B1的第二针脚接地，所述光耦B1的第四针脚与电阻R9的一端连接，所述光耦B1的第三针脚与V3的漏极连接，所述电阻R9的另一端与PMOS管V1的源极连接。

1、输入保护电路，主要由PMOS管V1、NPN三极管Q2、限流电阻R10、R12、热敏电阻F1、TVS V4等组成。由限流电阻R10、R12、TVS V4及热敏电阻F1组成的输入保护电路可防止瞬态高压脉冲接入后级电路，可防止持续高压脉冲接入后级电路。由NPN三极管Q2、限流电阻R10、R12组成的电路利用三极管的电流放大特性可保证低压电流导通输入。由PMOS管V1、稳压管V3、电阻R13等组成的开关切换电路，可完成输入电源电压VIN的开启及关断控制，可在后级输出电压稳定输出时切断电源输入。

2、本实施案例的PWM信号控制芯片U18，U18输出控制脚DR接MOS管Q1的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接R1下拉到GND，补偿管脚COMP通过电容C3、C22与电阻R3连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻R2与R4的中点，电流采样管脚ISEN通过限流电阻连接至MOS管Q1的源极，并经功率电阻R6连接至GND。互感L1一端接输入电压VIN，一端接N型MOS管Q1的漏极及耦合电容C5的输入端，MOS管Q1的源极接地、栅极接控制电路U1控制脚，电感L2一端接耦合电容C5输出、一端接地，互感L1的接输入电压端和接地端为同名端，耦合电容C5输入端接MOS管Q1的漏极，输出端接输出电路中整流二极管D2的阳极。在控制电路的控制下，周期性开启/关闭MOS管Q1，使得在第一电感L1两端产生交流信号，该信号经互感及耦合电容的耦合作用，在L1的1脚输出端产生同样频率的交流信号，送至输出电路。二极管D2阳极接能量转换电路L1的输出，阴极接储能滤波电容C2，通过二极管的整流作用将输入交流信号整流滤波输出二次电源VCC，并通过R2、R4组成的网络实现自举电压反馈至控制电路。控制电路反馈采样管脚FB接V12经电阻R2与R4分压后的分压点。控制芯片U1实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚DR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Q1相应的开启或关闭时间。

3、汇流电路，主要包括二极管D5、D6及储能电容C4，汇流电路将经过压保护电路的输入电压与输出电路输出的VCC汇流后做为控制芯片U18供电，同时通过储能电容防止瞬态干扰造成的过压及欠压保护。

4、输出反馈控制电路，主要包括TVS V2、电阻R8、电阻R9、及光耦B1组成，当输出电压VCC超过TVS V2的保护阈值时，V2导通，从而控制光耦B1的输入发光管导通供电，打开光耦隔离器，从而控制后端PMOS管V1关闭输入供电VIN，保证高压输入信号不传输至控制电路U18输入端。初始加电情况下VCC电压为低电平，光耦隔离器为关闭状态，可保证后级PMOS管在初始加电情况下处于常开。

综上所示，本发明电源输入适应性范围宽，如本实例可满足10V~150V正常工作；本发明通过将控制电路与能量转换电路合理选取阻容、二极管、NMOS管，能显著提高驱动电路耐压，从而实现高压范围应用。本发明结构形式简单，驱动能力强，通过合理选用电感、电容网络，可实现高效率、大电流功率输出；本发明设计的输出反馈控制电路充分考虑隔离、超压、欠压保护，极大提高了系统应用可靠性。同时本发明对输入输出增加了自恢复保险丝和TVS,提高了可靠性。

Claims (5)

1.一种具有自反馈自保护功能的宽压或稳压电源电路，其特征在于，该宽压或稳压电源电路包括输入保护电路，PWM信号控制及能量生成电路，汇流电路和输出反馈通断控制电路；

所述输入保护电路，用于完成输入电源电压的开启及关断控制，可在后级输出电压稳定输出时切断电源输入，防止高压接入后级电路；

所述PWM信号控制及能量生成电路，用于采集自举输出电压来动态调节能量传递电路中开关器件的开启和关闭时间，并生成交流信号，将电源输入能量传递转换输出至电压反馈电路，并将动态反馈电压信号反馈至PWM控制电路，以实现PWM信号振荡及占空比动态调整；

所述汇流电路，用于将经过压保护电路的输入电压与输出电路的输出电压汇流后做为控制电路供电，同时通过储能电容防止瞬态干扰造成的过压及欠压保护；

所述输出反馈通断控制电路，用于使高压输入信号不传输至控制电路的输入端；而在初始加电情况下输出电压为低电平，关闭光耦，输入电压为后级电路供电。

2.根据权利要求1所述的宽压或稳压电源电路，其特征在于，所述输入保护电路包括热敏电阻F1、PMOS管V1、稳压管V3、电阻R13、NPN三极管Q2、限流电阻R10、限流电阻R12和TVS二极管V4；

其中，所述热敏电阻F1一端与VIN输入端连接，另一端与PMOS管V1的源极连接，稳压管V3并联于PMOS管V1的源极与栅极之间，所述电阻R3串联于PMOS管V1的栅极与GND之间；所述PMOS管V1的漏极与NPN三极管Q2的集电极连接，所述电阻R10与电阻R12串联后并联于NPN三极管Q2的集电极与基极之间，所述NPN三极管Q2的发射极与D6的正极连接。

3.根据权利要求1所述的宽压或稳压电源电路，其特征在于，所述PWM信号控制及能量生成电路包括控制芯片U18、MOS管Q1、电容C3、电容C22、二极管D2、电阻R3、互感L1、电感L2、电容C5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和功率电阻R6；

其中，所述控制芯片U18的输出控制脚DR接MOS管Q1的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接R1下拉到GND，补偿管脚COMP通过电容C3、C22与电阻R3连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻R2与R4的中点，电流采样管脚ISEN通过限流电阻连接至MOS管Q1的源极，并经功率电阻R6连接至GND，互感L1一端接输入电压VIN，一端接N型MOS管Q1的漏极及耦合电容C5的输入端，MOS管Q1的源极接地、栅极接控制电路U1控制脚，电感L2一端接耦合电容C5输出、一端接地，互感L1的接输入电压端和接地端为同名端，耦合电容C5输入端接MOS管Q1的漏极，输出端接输出电路中整流二极管D2的阳极；在控制电路的控制下，周期性开启/关闭MOS管Q1，使得在第一电感L1两端产生交流信号，该信号经互感及耦合电容的耦合作用，在L1的1脚输出端产生同样频率的交流信号，送至输出电路，二极管D2阳极接能量转换电路L1的输出，阴极接储能滤波电容C2，通过二极管的整流作用将输入交流信号整流滤波输出二次电源VCC，并通过R2、R4组成的网络实现自举电压反馈至控制电路，控制电路反馈采样管脚FB接V12经电阻R2与R4分压后的分压点，控制芯片U1实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚DR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Q1相应的开启或关闭时间。

4.根据权利要求1所述的宽压或稳压电源电路，其特征在于，所述汇流电路包括二极管D5、二极管D6和储能电容C4；

其中，所述二极管D6一端与NPN三极管Q2的集电极连接，另一端与所述二极管D5的一端连接，所述二极管D5的另一端与输出电压VCC连接，所述储能电容C4一端接地，另一端与所述二极管D5和连接二极管D6。

5.根据权利要求1所述的宽压或稳压电源电路，其特征在于，所述输出反馈通断控制电路包括TVS V2、电阻R8、电阻R9及光耦B1；

其中，所述电阻R8一端与VCC连接，另一端与所述TVS V2连接，所述TVS V2与所述光耦B1的第一针脚连接，所述光耦B1的第二针脚接地，所述光耦B1的第四针脚与电阻R9的一端连接，所述光耦B1的第三针脚与V3的漏极连接，所述电阻R9的另一端与PMOS管V1的源极连接。