CN112564263A - 掉电延时保护电路及控制方法 - Google Patents

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CN112564263A CN202011377982.8A CN202011377982A CN112564263A CN 112564263 A CN112564263 A CN 112564263A CN 202011377982 A CN202011377982 A CN 202011377982A CN 112564263 A CN112564263 A CN 112564263A
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Abstract

本发明公开的掉电延时保护电路及控制方法，在开关电源的原边绕组并联一个辅助绕组来耦合输出电压，在电源正常工作时，通过匝比变换将耦合的原边电压抬升，以对与开关管Q1串联电联接的储能电容C3进行充电储能；当电源关断时，在输入电压跌出正常输入范围时，控制开关管Q1导通，使储能电容C3存储的能量通过开关管Q1释放到开关电源的输入端，用以继续为负载提供能量。本发明不仅延长了掉电保持时间，而且掉电保持时间不随输入电压变化而变化，对于超宽输入电压范围的开关电源非常适用。本发明实现了掉电保持时间的延长，并且冲击电流小、效率高、电路结构简单、可靠性高、使模块电源的系统化应用更加方便。

Description

掉电延时保护电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及需要掉电保持时间的超宽输入电压范围的开关电源领域。
背景技术
现在几乎所有的电子设备都需要供电系统开关电源作为能量转换的关键模块，在有些可靠性要求高的领域，比如铁路电源。为了电子设备的的可靠运行，要求在供电被切断时，即开关电源输入电压突然掉电时，仍然能维持一定的时间输出能量，电子设备需进行掉电状态数据的存储且有序切换到备用电源，因此要求开关电源系统有较长的掉电保持时间。例如在铁路电源领域，要求掉电保持时间不小于10ms。
现有技术中，通常采用两种方式来实现维持较长的掉电保持时间，第一种，采用单级拓扑设计的开关电源比如反激，通常采用在输入侧直接并联电解电容储能，根据电容能量存储公式W＝1/2*C*U2可知，输入电压U越高，存储的能量W就越多，那么相同电容值C的情况下掉电保持时间就越长。那么这种方案就会导致在低压输入时，为了维持相同的掉电保持时间就需要更大的电容值，对于模块电源的系统设计带来困难。
第二种方案采用两级拓扑串联的方式，前级采用boost升压电路将输入电压抬升至一定的值，后级采用正常的拓扑进行变换，比如反激、正激、全桥等。外置的储能电容接在两级拓扑的中间节点，即BOOST升压电路的输出端，当输入能量切断后，外置储能电容可以继续给后级提供能量实现掉电保持时间。虽然存储的能量提升很多，但是因为两级串联，电路负载，可靠性较低，更致命的是效率较单级方案会低很多，产品体积和性能的优势会完全丧失。
发明内容
有鉴于此，本发明提出的掉电延时保护电路及其控制方法，应用于采用单级拓扑的开关电源，实现掉电保持时间的延长的同时，效率较高、电路结构简单、可靠性高且易于实现高功率密度模块化。
本发明提供的技术方案如下：
一种掉电延时保护控制方法，采用单级拓扑的开关电源，在开关电源的原边绕组并联一个辅助绕组来耦合输出电压，在电源正常工作时，开关管Q1关断，通过匝比变换将耦合的原边电压抬升，以对与开关管Q1串联电联接的储能电容C3进行充电储能；当电源关断时，在输入电压跌出正常输入范围时，控制开关管Q1导通，使储能电容C3存储的能量通过开关管Q1释放到开关电源的输入端，用以继续为负载提供能量。
一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，二极管D2的阴极与开关管Q1的漏极电联接，开关管Q1的源极电联接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D3、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和开关管Q1的漏极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，开关管Q1的源极电联接原边绕组1端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端。
一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括包括二极管D1、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和开关管Q1的漏极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，开关管Q1的源极电联接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极、电感L1的一端和二极管D1的阴极，储能电容C3的负极与开关管Q1的源极电联接，开关管Q1的漏极与输入侧地相连，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，储能电容C3的负极电联接开关管Q1的源极，开关管Q1的漏极与输入侧地相连，二极管D2的阴极电联接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括升压电路、二极管D1、二极管D2、开关管Q1和储能电容C3，升压电路的第一输入端电联接电源输入端和二极管D1的阳极，升压电路的第二输入端电联接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，升压电路的输出端和储能电容C3的负极与输入侧地相连，二极管D2的阴极电联接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极电联接二极管D1的阴极和原边绕组1端。
术语解释：
电联接：包括直接或间接连接，并且还包括感应耦合之类的连接方式。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、由于给储能电容储能的过程没有主功率电路工作的影响，因此不会带来效率和可靠性降低的问题；
2、由于储能电容存储的能量不会受到输入电压的变化而变化，非常适合超宽输入电压而且有低压输入情况存在的电源解决方案；
3、对于隔离型DC-DC变换器，辅助绕组与副边绕组耦合，采用单级式拓扑实现电路逻辑，相对于两级方案而言，电路可靠性和效率均大幅提高；
4、储能电容的电压可以升至较高，可选择容量较小的储能电容实现掉电保持时间的延长，降低了电子系统供电单元的体积；
5、对于超宽输入模块电源的应用，无论供电系统电压是多少，都可以采用同一套外围电路就可以解决掉电保持时间的问题，给整机系统应用带来极大的方便。
附图说明
图1为本发明掉电延时保护电路第一实施例的原理图；
图2为本发明掉电延时保护电路第二实施例的原理图；
图3为本发明掉电延时保护电路第三实施例的原理图；
图4为本发明掉电延时保护电路第四实施例的原理图；
图5为本发明掉电延时保护电路第五实施例的原理图；
图6为本发明掉电延时保护电路第六实施例的原理图。
具体实施方式
本发明的目的是这样实现的，在单级拓扑的开关电源中，比如反激电路，开关电源的原边绕组并联一个辅助绕组来耦合输出电压，通过匝比变换将耦合的电压抬升至一定的电压值，因为输出电压恒定，因此耦合的电压也保持恒定，不随输入电压变化而变化，在产品正常工作时，对与开关管Q1串联电联接的储能电容C3进行充电储能；当输入电压跌出正常输入范围时，控制开关管Q1导通，使储能电容C3存储的能量通过开关管Q1释放到开关电源的输入端。
为了使得本领域的技术人员更好地理解本发明，以下结合具体的实施电路对本发明进行进一步说明。
第一实施例
如图1所示，在反激电路的基础上，加上本实施例一种掉电延时保护控制电路，能够延长反激电路的掉电保持时间。反激电路包括原边输入电路、原边绕组1-2、变压器T1、副边绕组5-6和输出电路，原边输入电路包括二极管D1、电容C1和开关管Q2，原边绕组的1端连接二极管D1的阴极和二极管C1的一端，原边绕组的2端连接开关管Q2的漏极，开关管Q2的源极和二极管C1的另一端与输入侧地相连。
掉电延时保护电路，与原边绕组并联，包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，二极管D2的阴极与开关管Q1的漏极连接，开关管Q1的源极连接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端连接。
本实施例的工作原理如下：
电源启动时，输入电压在一个正常的范围值，这时辅助绕组3-4上会耦合一个电压值，经过二极管D3整流后会产生一个正向电压给储能电容C3充电，其中，充电电流可通过电阻R1设定，辅助绕组升压值可以根据反激电路输出电压、变压器匝比确定，在这个过程中开关管Q1处于关断状态。当电源的输入能量被切断后，输入电压开始跌落，当输入电压跌出正常输入范围时，开关管Q1导通，这时储能电容C3存储的能量通过二极管D2和开关管Q1释放到反激电路的输入端继续为负载提供能量，从而延长了反激电路的掉电保持时间。
因为二极管D1的存在，储能电容C3释放的能量只能通过电源本身传递到负载端，不会出现能量倒灌的现象。采用这种方式既解决了能量存储的问题，也为单级电路方案提供了一条最为合理的能量释放回路，而电感L1的存在限制了能量释放过程冲击电流带来的可靠性问题，二极管D2的存在解决了在开机瞬间给储能电容C3充电带来的冲击电流的影响。
第二实施例
本实施例如图2所示，与第一实施例的区别是：掉电延时保护电路去掉了二极管D2和电感L1，其连接关系修改如下：
辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接储能电容C3的正极和开关管Q1的漏极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，开关管Q1的源极连接原边绕组1端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电源输入端。
本实施例由于去掉了二极管D2，能量释放过程冲击电流带来的可靠性问题会对本实施造成影响；去掉了电感L1，在开机瞬间会给储能电容C3充电带来的冲击电流的影响，其他工作原理与第一实施例相同，在此不做赘述。
第三实施例
本实施例如图3所示，与第一实施例的区别是：掉电延时保护电路去掉了二极管D2，其连接关系修改如下：
辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接储能电容C3的正极和开关管Q1的漏极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，开关管Q1的源极连接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端连接。
本实施例由于去掉了二极管D2，在开机瞬间会给储能电容C3充电带来的冲击电流的影响，其他的工作原理与第一实施例相同，在此不做赘述。
第四实施例
本实施例施例如图4所示，与第一实施例的区别是：掉电延时保护电路去掉了二极管D2，开关管Q1在电路中的连接位置有变更，其连接关系修改如下：
辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接储能电容C3的正极、电感L1的一端和二极管D1的阴极，储能电容C3的负极与开关管Q1的源极连接，开关管Q1的漏极与输入侧地相连，二极管D1的阳极连接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端连接。
本实施例由于去掉了二极管D2，在开机瞬间会给储能电容C3充电带来的冲击电流的影响，另外，开关管Q1的连接位置变更会使开关管Q1的驱动控制更为简单，缺点是开关管Q1只能和储能电容C3一起放置在产品的外面，无法做在模块电源里面，但是对于系统电源的设计，这种连接方式更为适合，其他的工作原理与第一实施例相同，在此不做赘述。
第五实施例
本实施例如图5所示，与第一实施例的区别是：掉电延时保护电路的开关管Q1在电路中的连接位置有变更，其连接关系修改如下：
辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，储能电容C3的负极连接开关管Q1的源极，开关管Q1的漏极与输入侧地相连，二极管D2的阴极连接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端连接。
本实施例由于开关管Q1的连接位置变更会使开关管Q1的驱动控制更为简单，缺点是开关管Q1只能和储能电容C3一起放置在产品的外面，无法做在模块电源里面，但是对于系统电源的设计，这种连接方式更为适合，其他的工作原理与第一实施例相同，在此不做赘述。
第六实施例
本实施例如图6所示，与第一实施例的区别是：与原边绕组并联的延时保护电路包括升压电路、二极管D1、二极管D2、开关管Q1和储能电容C3，升压电路的第一输入端连接电源输入端和二极管D1的阳极，升压电路的第二输入端连接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，升压电路的输出端和储能电容C3的负极与输入侧地相连，二极管D2的阴极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和原边绕组1端。
本实施例与第一实施区别在于给储能电容C3的充电方式不同，由升压电路代替第一实施例的变压器T1的辅助绕组3-4，这种充电方式应用于无法用辅助绕组充电的拓扑电路，例如正激、半桥、全桥等拓扑电路，放电的逻辑和控制与第一实施案例相同。另外，由于去掉了电感L1，可以减小放电时由于电感和电容谐振产生的冲击电压，但是也带来了冲击电流的增加，这里需要根据实际情况折中选取。
以上仅为本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，例如，单级拓扑的修改，冲击电流限制电感L1的增加或者用导线替代、变压器T1同名端的修改，开关管Q1更改为其他可以实现形同功能的器件，比如，MOS管、IGBT、可控硅、继电器等，对于实现这一功能的所有电路的更改，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种掉电延时保护控制方法，采用单级拓扑的开关电源，在开关电源的原边绕组并联一个辅助绕组来耦合输出电压，在电源正常工作时，开关管Q1关断，通过匝比变换将耦合的原边电压抬升，以对与开关管Q1串联电联接的储能电容C3进行充电储能；当电源关断时，在输入电压跌出正常输入范围时，控制开关管Q1导通，使储能电容C3存储的能量通过开关管Q1释放到开关电源的输入端，用以继续为负载提供能量。
2.一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，二极管D2的阴极与开关管Q1的漏极电联接，开关管Q1的源极电联接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
3.一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D3、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和开关管Q1的漏极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，开关管Q1的源极电联接原边绕组1端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端。
4.一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括包括二极管D1、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和开关管Q1的漏极，储能电容C3的负极与输入侧地相连，开关管Q1的源极电联接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
5.一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极、电感L1的一端和二极管D1的阴极，储能电容C3的负极与开关管Q1的源极电联接，开关管Q1的漏极与输入侧地相连，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
6.一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电感L1、开关管Q1、电阻R1、储能电容C3和辅助绕组3-4，辅助绕组的3端与原边绕组1端互为同名端，且与输入侧地相连，辅助绕组的4端电联接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极电联接电阻R1的一端，电阻R1的另一端电联接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，储能电容C3的负极电联接开关管Q1的源极，开关管Q1的漏极与输入侧地相连，二极管D2的阴极电联接电感L1的一端和二极管D1的阴极，二极管D1的阳极电联接电源输入端，电感L1的另一端与原边绕组1端电联接。
7.一种掉电延时保护电路，与开关电源的原边绕组并联，其特征在于：包括升压电路、二极管D1、二极管D2、开关管Q1和储能电容C3，升压电路的第一输入端电联接电源输入端和二极管D1的阳极，升压电路的第二输入端电联接储能电容C3的正极和二极管D2的阳极，升压电路的输出端和储能电容C3的负极与输入侧地相连，二极管D2的阴极电联接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极电联接二极管D1的阴极和原边绕组1端。
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