CN113328606A - 一种交流输入电压侦测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流输入电压侦测电路，包括三角波自激振荡电路、输入电压采样电路、自脉宽生成电路和低通滤波电路，三角波自激振荡电路产生一个三角波电压输出至自脉宽生成电路，交流输入电压经输入电压采样电路转换成直流低压输出至自脉宽生成电路，直流低压和三角波电压进行比较后得到一个方波信号，通过光耦把此方波信号传递给副边，可以直接给到单片机进行脉宽采样，或者通过低通滤波电路得到一个稳定的低压，此电压与输入电压成线性关系，将此电压输入给单片机的AD采样后，然后通过这个线性关系就可以实时采样输入电压，通过串口就可以将输入电压传递给上位机，上位机可实时得知输入电压的大小。

Description

一种交流输入电压侦测电路
技术领域
本发明涉及开关电源领域，特别涉及一种开关电源交流输入电压侦测电路。
背景技术
在开关电源应用中，对于交流输入电流的侦测，一直是一个头痛的问题，由于输入为一个交流信号，因此很难采样到准确的电压，而我们实际应用中，需要知道输入电压的大小，去实现一些重要功能，比如应用于输入高压电路，在输入低压的时候，我们不希望电源开机工作，这时候需要采样输入电压的大小，当没有达到我们设定的阈值时，电源就不会有输出，只有达到阈值时才让电源有输出，另外输入电压不可能无限高，这时候我们可以设定输入电压上限值，当超过这个上限阈值时，我们也可以让电源不会有输出，达到保护电源的目的。
在实际应用中，输入电压侦测是一个非常重要的应用，部分电路是通过变压器绕组，再通过原边IC去比较，达到输入欠压保护的功能，然而我们无法实时得知输入电压的大小，并且输入电压是属于原边信号，而我们实际应用中，需要将此原边信号给到客户的上位机。
有鉴于此，有必要提供一种交流电压侦测电路，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种交流输入电压侦测电路，可应用于所有交流电压输入的开关电源，配合单片机采样可以实时侦测输入电压大小，通过逻辑控制可实现输入电压侦测、输入欠压保护和输入过压等功能。
本发明提供的技术方案如下：
一种交流输入电压侦测电路，包括：
三角波自激振荡电路，产生一个三角波电压输出至自脉宽生成电路；
输入电压采样电路，与交流输入电压连接，将交流输入电压转换成直流低压输出至自脉宽生成电路，该直流低压与交流输入电压的峰值成等比线性关系；
自脉宽生成电路，将输入电压采样电路输出的直流低压与三角波自激振荡电路输出的三角波电压进行比较，当三角波电压小于直流低压时，输出为高电平，当三角波电压大于直流低压时，输出为低电平，输出高低电平得到一个方波信号。
优选的，所述输入电压采样电路包括整流桥和分压滤波电路，开关电源的交流输入端依次与整流桥和分压滤波电路连接，所述分压滤波电路由多个分压电阻串联与滤波电容并联组成。
优选的，所述输入电压采样电路包括整流桥B1、电容C5、电容C6、电阻R17、电阻R18、电阻R19和R20，交流输入端与整流桥B1的AC输入端连接，整流桥B1的输出端连接在电容C5两端，整流桥B1的输出负端连接到PGND，整流桥B1的输出正端与电阻R17、电阻R18、电阻R19和R20串联后连接到PGND，电容C6并联在电阻R20两端。
优选的，所述三角波自激振荡电路包括稳压电源、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R21、电容C3、电容C4、开关管Q3、开关管Q4和TL431U2，稳压电源与R11和R15串联后连接到PGND，电容C3并联在电阻R15的两端，电容C3的一端与开关管Q4的漏极和电阻R14的一端连接，开关管Q4的栅极与电阻R16的一端、电阻R21的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端、TL432 U2的基准端、电容C4的一端连接，电容C3的另一端、电阻R16的另一端、开关管Q4的源极、电容C4的另一端、TL432 U2的输入端连接到PGND，电阻R21的另一端与开关管Q3的集电极、电阻R13的另一端连接，开关管Q3的基极与电阻R10串联连接到稳压电源和与电阻R12串联连接到TL432 U2的输出端，开关管Q3的发射极与稳压电源连接。
优选的，所述脉宽生成电路包括比较器U1B、电阻R7、电阻R8、电阻R9和光耦OC1，比较器U1B的同向输入端与输入电压采样电路的输出端连接，比较器U1B的反向输入端与三角波自激振荡电路的输出端连接，比较器U1B的输出端与电阻R8串联后再与光耦OC1的第一端连接，光耦OC1的第二端接地，光耦OC1的第三端与电阻R9串联后接地，光耦OC1的第四端与电阻R7串联后再与供电端连接。
优选的，交流输入电压侦测电路还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路与自脉宽生成电路连接，将自脉宽生成电路的输出信号经低通滤波后得到一个电压再传递给副边，此电压与交流输入电压成等比线性关系。
优选的，所述低通滤波电路将自脉宽生成电路的输出信号滤波后等到一个电压，此电压等于稳压源电压乘以自脉宽生成电路的输出信号的占空比。
优选的，所述低通滤波电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、TL431 HR1和副边电源，自脉宽生成电路的输出信号分别连接到开关管Q1的基极和开关管Q2的基极，开关管Q2的基极通过R6连接到开关管Q2的集电极，开关管Q1的发射极连接到开关管Q2的发射极再通过电阻R4与二极管D1的阳极、电阻R5的一端、电容C2的一端连接，开关管Q2的集电极、电阻R5的另一端、电容C2的另一端的连接点作为输出负端V-，二极管D1的阴极与开关管Q1的集电极的连接点与电阻R1的一端、电阻R2的一端、TL431 HR1的输出端连接，电阻R1的另一端与副边电源连接，电阻R2的另一端与电阻R3串联后连接到输出负端V-，电容C1并联在电阻R3的两端，电阻R2与电阻R3的连接点与TL431 HR1的基准端连接，TL431 HR1的输入端连接到输出负端V-。
本发明的发明构思为：首先通过三角波自激振荡电路产生一个最大值为2.5V左右稳定的三角波电压，振荡频率可根据实际需要的参数去调整，此频率不能超过光耦最大限制频率，此三角波电压做为比较器的负端，交流输入电压经过整流桥整流和电容滤波后变为一个稳定的直流电压，此直流电压为交流电压的最大值，然后这个直流电压经过电阻分压滤波后得到稳定的低压，和三角波电压进行比较后得到一个稳定的方波信号，通过光耦把此方波信号传递给副边，可以直接给到单片机进行脉宽采样，或者通过一个PNP和NPN镜像低通滤波器，可得到一个稳定的低压，此电压与输入电压成线性关系，将此电压输入给单片机的AD采样后，通过这个线性关系就可以实时采样输入电压，通过串口就可以将输入电压传递给上位机，上位机可实时得知输入电压的大小。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明配合单片机使用，达到输入电压侦测、输入欠压保护、输入过压等功能，比如输入电压低于规格值时，电源就不会开机启动，当输入电压高于设定值时，电源也会进入输入过压保护，提升电源的可靠性，并将这些信息可以实时的传递给客户上位机，客户通过串口就可以实时知道我们输入电压的大小；一般电路都是通过互感器将输入电压传递到副边，但是这个方案成本太高，而本发明通过基本三极管、光耦、TL431、比较器等常用器件就可以实现，相较于现有技术更加容易实现，并且成本低廉。
附图说明
图1为本发明交流输入电压侦测电路第一实施例的原理图；
图2为本发明三角波自激振荡电路的原理图；
图3为本发明输入电压采样电路的原理图；
图4为本发明自脉宽生成电路的原理图；
图5为本发明低通滤波电路的原理图；
图6为220Vac输入时第一实施例的仿真波形图；
图7为220Vac输入时第一实施例的仿真展开波形图；
图8为264Vac输入时第一实施例的仿真波形图；
图9为264Vac输入时第一实施例的仿真展开波形图；
图10为本发明交流输入电压侦测电路第二实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述。
第一实施例
如图1所示为本发明第一实施例具体原理图，其组成部分由三角波自激振荡电路、输入电压采样电路、自脉宽生成电路和低通滤波电路，下面将对其功能详细说明。
如图2所示为本实施例的三角波自激振荡电路，包括稳压电源、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R21、电容C3、电容C4、开关管Q3、开关管Q4和TL431 U2，稳压电源与R11和R15串联后连接到PGND，电容C3并联在电阻R15的两端，电容C3的一端与开关管Q4的漏极和电阻R14的一端连接，开关管Q4的栅极与电阻R16的一端、电阻R21的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端、TL432 U2的基准端、电容C4的一端连接，电容C3的另一端、电阻R16的另一端、开关管Q4的源极、电容C4的另一端、TL432 U2的输入端连接到PGND，电阻R21的另一端与开关管Q3的集电极、电阻R13的另一端连接，开关管Q3的基极与电阻R10串联连接到稳压电源和与电阻R12串联连接到TL432 U2的输出端，开关管Q3的发射极与稳压电源连接。
其中开关管Q3为PNP三极管，开关管Q4为NMOS管，稳压电源为18V，三角波自激振荡电路的工作原理为：18V稳压源经电阻R11和R15分压后对电容C3进行充电，通过电阻R14对电容C4进行充电，电容C3的电压需大于TL431 U2的基准电压2.5V，通过调节R11和R15阻值即可实现，电容C4的电压与TL431 U2的基准2.5V进行比较，当电容C4的电压大于2.5V时，TL431 U2输出为低电平，反之输出为高电平，利用对电容C4进行充放电原理产生一个周期性三角波电压，此三角波电压作为比较器的反向端。
三角波电压的产生过程：当电容C4的电压大于2.5V时，TL431 U2输出为低电平，TL431U2有电流通路，电阻R10有电流通过，给PNP三极管Q3的发射极和基极直接产生一个压降，当此电压达到PNP三极管Q3的导通电压后，18V电压源通过PNP三极管Q3给MOS管Q4提供导通电压，MOS管Q4导通，电容C3的电压被立即拉到0V，这时电容C4通过电阻R14进行放电，把TL431 U2的基准电压拉低，当电容C4的电压小于2.5V时，TL431 U2输出为高电平，PNP三极管Q3截止，MOS管Q4不再导通，此时18V稳压源通过电阻14又重新对电容C4进行充电，对TL431 U2的基准电压进行补偿，如此循环得到一个2.5V左右的稳定的三角波电压，此三角波电压的频率由电阻R11、电阻R15和电容C3决定，时间常数等于R11*R15*C3/(R11+R15)。
如图3所示的为本实施例的输入电压采样电路，包括整流桥B1、电容C5、电容C6、电阻R17、电阻R18、电阻R19和R20，交流输入端与整流桥B1的AC输入端连接，整流桥B1的输出端连接在电容C5两端，整流桥B1的输出负端连接到PGND，整流桥B1的输出正端与电阻R17、电阻R18、电阻R19和R20串联后连接到PGND，电容C6并联在电阻R20两端。
此电路比较简单，即把输入交流电压通过整流桥B1整流、经过电容C5滤波后变为直流电压，利用后级负载很小原理，加入适当的滤波电容C5，就可以得到一个稳定的直流电压，此直流电压等于交流输入电压的峰值电压，即交流输入电压有效值的1.414倍，然后通过电阻分压后进行滤波，得到一个稳定的低压信号，此低压信号与输入交流有效值关系为Vavr＝Vac_PEAK*R20/(R17+R18+R19+R20)，Vac_PEAK为一个稳定的直流电压值，其电压等于输入交流电压有效值的1.414倍，可以看出Vavr这个电压与输入电压的有效值为一个等比线性关系，此低压信号作为比较器的同向端。
如图4所示的为本实施例的自脉宽生成电路，包括比较器U1B、电阻R7、电阻R8、电阻R9和光耦OC1，比较器U1B的同向输入端与输入电压采样电路的输出端连接，比较器U1B的反向输入端与三角波自激振荡电路的输出端连接，比较器U1B的输出端与电阻R8串联后再与光耦OC1的第一端连接，光耦OC1的第二端接地，光耦OC1的第三端与电阻R9串联后接地，光耦OC1的第四端与电阻R7串联后再与供电端连接。
自脉宽生成电路将三角波自激振荡电路的三角波电压Vref做为比较器的反向端，将交流输入电压的等比电压Vavr做为比较器的同向端，当三角波的电压Vref小于交流输入电压的等比电压Vavr时，比较器输出为高电平，当角波的电压Vref大于交流输入电压的等比电压Vavr时，比较器输出为低电平，实现三角波转换为方波信号的功能，可以看出这个方波pwm的占空比大小与输入电压大小也是成正比线性关系的，占空比D＝Vavr/Vref，再通过光耦OC1将此脉宽方波信号传递给副边Sec_pwm。
如图5所示的为本实施例的低通滤波电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、TL431 HR1和副边电源，自脉宽生成电路的输出信号分别连接到开关管Q1的基极和开关管Q2的基极，开关管Q2的基极通过R6连接到开关管Q2的集电极，开关管Q1的发射极连接到开关管Q2的发射极再通过电阻R4与二极管D1的阳极、电阻R5的一端、电容C2的一端连接，开关管Q2的集电极、电阻R5的另一端、电容C2的另一端的连接点作为输出负端V-，二极管D1的阴极与开关管Q1的集电极的连接点与电阻R1的一端、电阻R2的一端、TL431 HR1的输出端连接，电阻R1的另一端与副边电源连接，电阻R2的另一端与电阻R3串联后连接到输出负端V-，电容C1并联在电阻R3的两端，电阻R2与电阻R3的连接点与TL431 HR1的基准端连接，TL431 HR1的输入端连接到输出负端V-。
其中，开关管Q1为NPN三极管，开关管Q2为PNP三极管，低通滤波电路通过对前面光耦产生的方波信号进行合理利用，在自脉宽生成电路中可知输入电压是与三角波自激振荡产生的2.5V左右三角波进行比较，产生与输入电压的一个正比例脉宽函数关系，此电路就是利用这个占空比，由于实际三角波电压会比2.5V稍高，这里通过TL431稳压原理，TL431的输出连接到TL431的基准，产生一个2.5V基准源，再通过加入补偿电阻R2，这样可以精确控制使上拉电压等于三角波的峰值电压，再通过一个镜像电路进行滤波，当原边传递过来pwm为高电平时，Sec_pwm为高电平，这时候开关管Q1导通，开关管Q2截止，3.3V副边电源通过电阻R1、开关管Q1、电阻R4对电容C2进行充电，当原边传递过来pwm为高低平时，Sec_pwm为低电平，这时候开关管Q1截止，开关管Q2导通，3.3V副边电源通过电阻R6、开关管Q2、电阻R4对电容C2进行放电，这里的电路就类似于一个降压电路，得到的电压刚好等于2.8V乘以自脉宽生成电路输出的脉宽pwm占空比，进而得到这个电压与输入电压的关系，和前面电压采用电路的电压保持一致，Vsense＝Vac_PEAK*R20/(R17+R18+R19+R20)，完美的将原边电压传递给副边，这个电压就可以做为单片机的输入信号，通过转换就可以知道输入电压峰值Vac_PEAK＝Vsense*(R17+R18+R19+R20)/R20，有效值除以1.414即可得到，再通过单片机配合电源使用可实现实时输入电压侦测、输入欠压保护和输入过压等功能，客户也可以通过串口可以实时知道输入电压大小。
如图6所示为本发明第一实施例输入为交流220Vac的仿真波形，其中包含输入电压Vac_input，输入电压整流后波形Vac_PEAK，输入电压采样电压Vavr，自激振荡三角波基准电压Vref，可以看到三角波最大值接近为2.8V，自脉宽生成电路输出波形pwm，单片机采样电压Vsense，可以看出Vsense电压基本和输入采样电压保持一致。
如图7所示为本发明第一实施输入为交流220Vac展开的仿真波形，可以更加直观的看到自激振荡三角波波形，自脉宽生成电路输出波形pwm，输入电压采样电压Vavr和单片机采样电压Vsense，其中通过调节电阻R13、电阻R15和电容C3的大小，可以调节自激振荡频率，进而调节脉宽pwm频率，从而调节单片机采样电压Vsense的纹波频率，当这个频率越大时，得到的Vsense的纹波越小，采样越精准，但是需要考虑光耦的能够传输的最大频率。
如图8所示为本发明第一实施输入为交流264Vac的仿真波形，其中包含输入电压Vac_input，输入电压整流后波形Vac_PEAK，输入电压采样电压Vavr，自激振荡三角波基准电压Vref，可以看到三角波最大值接近为2.8V，自脉宽生成电路输出波形pwm，单片机采样电压Vsense，可以看出Vsense电压基本和输入采样电压仍然保持一致。
如图9所示为本发明第一实施输入为交流264Vac展开的仿真波形，可以看到输入电压越大时，占空比跟着增大，成等比线性关系，最后副边经过滤波后得到的电压和输入采样电压基本保持一致，可以通过补偿来尽量降低采样误差，可以看到输入电压从220Vac到264Vac是成线性对应关系，也就进一步验证了本发明的有效性。
第二实施例
如图10所示为本发明第二实施例具体原理图，其组成部分由三角波自激振荡电路、输入电压采样电路和自脉宽生成电路，其不同之处在于直接将原边反馈过来的脉宽传递给单片机进行侦测，利用单片机的脉宽侦测功能，就可以找到输入电压和脉宽一一对应关系，脉宽大小D＝Vavr/Vref，再由Vavr＝Vac_PEAK*R20/(R17+R18+R19+R20)可知，Vac_PEAK＝Vref*D*(R17+R18+R19+R20)/R20，有效值等于此峰值除以1.414。

Claims (8)

1.一种交流输入电压侦测电路，其特征在于，包括：
三角波自激振荡电路，产生一个三角波电压输出至自脉宽生成电路；
输入电压采样电路，与交流输入电压连接，将交流输入电压转换成直流低压输出至自脉宽生成电路，该直流低压与交流输入电压的峰值成等比线性关系；
自脉宽生成电路，将输入电压采样电路输出的直流低压与三角波自激振荡电路输出的三角波电压进行比较，当三角波电压小于直流低压时，输出为高电平，当三角波电压大于直流低压时，输出为低电平，输出高低电平得到一个方波信号。
2.根据权利要求1所述的交流输入电压侦测电路，其特征在于：所述输入电压采样电路包括整流桥和分压滤波电路，开关电源的交流输入端依次与整流桥和分压滤波电路连接，所述分压滤波电路由多个分压电阻串联与滤波电容并联组成。
3.根据权利要求1所述的交流输入电压侦测电路，其特征在于：所述输入电压采样电路包括整流桥B1、电容C5、电容C6、电阻R17、电阻R18、电阻R19和R20，交流输入端与整流桥B1的AC输入端连接，整流桥B1的输出端连接在电容C5两端，整流桥B1的输出负端连接到PGND，整流桥B1的输出正端与电阻R17、电阻R18、电阻R19和R20串联后连接到PGND，电容C6并联在电阻R20两端。
4.根据权利要求1所述的交流输入电压侦测电路，其特征在于：所述三角波自激振荡电路包括稳压电源、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R21、电容C3、电容C4、开关管Q3、开关管Q4和TL431 U2，稳压电源与R11和R15串联后连接到PGND，电容C3并联在电阻R15的两端，电容C3的一端与开关管Q4的漏极和电阻R14的一端连接，开关管Q4的栅极与电阻R16的一端、电阻R21的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端、TL432 U2的基准端、电容C4的一端连接，电容C3的另一端、电阻R16的另一端、开关管Q4的源极、电容C4的另一端、TL432 U2的输入端连接到PGND，电阻R21的另一端与开关管Q3的集电极、电阻R13的另一端连接，开关管Q3的基极与电阻R10串联连接到稳压电源和与电阻R12串联连接到TL432 U2的输出端，开关管Q3的发射极与稳压电源连接。
5.根据权利要求1所述的交流输入电压侦测电路，其特征在于：所述脉宽生成电路包括比较器U1B、电阻R7、电阻R8、电阻R9和光耦OC1，比较器U1B的同向输入端与输入电压采样电路的输出端连接，比较器U1B的反向输入端与三角波自激振荡电路的输出端连接，比较器U1B的输出端与电阻R8串联后再与光耦OC1的第一端连接，光耦OC1的第二端接地，光耦OC1的第三端与电阻R9串联后接地，光耦OC1的第四端与电阻R7串联后再与供电端连接。
6.根据权利要求1所述的交流输入电压侦测电路，其特征在于：还包括低通滤波电路，所述低通滤波电路与自脉宽生成电路连接，将自脉宽生成电路的输出信号经低通滤波后得到一个电压再传递给副边，此电压与交流输入电压成等比线性关系。
7.根据权利要求6所述的交流输入电压侦测电路，其特征在于：所述低通滤波电路将自脉宽生成电路的输出信号滤波后等到一个电压，此电压等于稳压源电压乘以自脉宽生成电路的输出信号的占空比。
8.根据权利要求6所述的交流输入电压侦测电路，其特征在于：所述低通滤波电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、TL431 HR1和副边电源，自脉宽生成电路的输出信号分别连接到开关管Q1的基极和开关管Q2的基极，开关管Q2的基极通过R6连接到开关管Q2的集电极，开关管Q1的发射极连接到开关管Q2的发射极再通过电阻R4与二极管D1的阳极、电阻R5的一端、电容C2的一端连接，开关管Q2的集电极、电阻R5的另一端、电容C2的另一端的连接点作为输出负端V-，二极管D1的阴极与开关管Q1的集电极的连接点与电阻R1的一端、电阻R2的一端、TL431 HR1的输出端连接，电阻R1的另一端与副边电源连接，电阻R2的另一端与电阻R3串联后连接到输出负端V-，电容C1并联在电阻R3的两端，电阻R2与电阻R3的连接点与TL431 HR1的基准端连接，TL431 HR1的输入端连接到输出负端V-。
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