CN1447507A - 一种开关电源 - Google Patents

Abstract

一种开关电源，包括输入整流滤波电路、自激振荡电路、浪涌电压吸收电路、变压器、放电回路、短路保护电路、次级整流滤波电路、次级稳压电路和反馈控制电路，浪涌电压吸收电路并联在变压器初级绕组TIA的两端，反馈控制电路主要通过一对光电耦合器U1A、U1B将反馈控制信号输入自激振荡电路用于控制开关晶体管的通断，在为开关晶体管提供导通电压的充电电容C4两端并接有主要由三极管构成的放电回路，进一步地，设置有输出短路时防止对充电电容(C4)加速充电的短路保护电路。本发明是一种不需要专用脉宽集成控制器、开机及持续操作电流小、线路简单、实现恒压输出且具短路保护的开关电源。

Description

一种开关电源

技术领域

本发明涉及一种开关电源，尤其是一种具有一个周期性地接转施加到变压器初级绕组电压的开关型电源。该开关电源容许很宽的电压输入范围，适应全球不同地区的电压要求，适合于一般的直流电源或充电电源，特别适用于无绳电话的充电电源，以及MD、CD和电子手账等的电源。

背景技术

一般的开关电源都是采用专用的脉宽集成控制器，例如在电子工业出版社《新型开关电源实用技术》第62、63页所介绍的开关电源——应用脉宽集成控制器UC3842，它是应用电流控制(Current ModeControl)PWM的集成电路。其存在的不足在于：1、需要专用脉宽集成控制器，制作成本高；2、需要比较大的开机及持续操作电流；3、外围器件要求较多，不利于微型化。

为此，本发明的发明人提出了一种公开号为CN2523108、发明名称为“一种自激振荡回扫式开关电源”的实用新型专利，该专利解决了上述现有技术存在的不足，不需要专用脉宽集成控制器、开机及持续操作电流小、线路简单。但在实际应用中仍还存在如下技术上的缺陷性：1、当输出短路时，输出工作频率高、功率大，容易损坏功率器件。2、当轻负载时和高电压输入时，过快的开关频率也常常会对功率器件造成损坏。特别是对开关晶体管造成损害，致使开关晶体管的使用寿命大大降低，严重影响开关电源的工作性能。

发明内容

本发明的目的意在克服上述现有技术的不足，提出一种具有短路保护的开关电源。

进一步地，本发明的次一目的是提出一种防止当轻负载时和高电压输入时，过快的开关频率对开关晶体管造成损害。

实现上述目的的技术方案：一种开关电源，包括输入整流滤波电路、变压器、自激振荡电路、短路保护电路和次级整流滤波电路，其中：

变压器由初级绕组T1A、初级绕组T1B和次级绕组T1-C组成；

输入整流滤波电路的输出接初级绕组T1A；

自激振荡电路包括由电阻R2、电容C4、电阻R7串联组成的充电电路、由电阻R8、R10、R9串联而成的电压反馈电路、变压器初级绕组T1B、开关晶体管Q2、Q1和二极管D8，输入整流滤波电路的电压输出经由电阻R2、电容C4、电阻R7串联组成的充电电路接初级绕组T1B的一端，初级绕组T1B的另一端接初级0V端(相对接地)，开关晶体管Q2的输入与电容C4、电阻R2和D8的阳极并接，初级绕组T1A串接开关晶体管Q2的输出和电阻R9后接初级0V端，D8的阴极接晶体管Q1的集极，晶体管Q1的射极接初级0V端，电阻R9的电压反馈经R10接晶体管Q1的基极，电阻R8的另一端并接初级绕组T1B和D7的阳极；

短路保护电路主要由电阻R19、电容C13和二极管D6组成，电阻R19的一端并接电容C4和电阻R2，电阻R19的另一端接二极管D6的阴极和电容C13的一端，二极管D6的阳极接初级0V端，电容C13的另一端并接电阻R7和电容C4。

所述电容C4两端并接有放电电路，放电电路包括开关管Q4和限流电阻R6，晶体管Q4的射极、电容C4、限流电阻R6和晶体管Q4的集极串接构成放电回路，开关管Q4的基极经电阻R20接初级0V端。

进一步地，所述放电电路包括单向导通二极管D10，晶体管Q4的射极经D10、C4和限流电阻R6接晶体管Q4的集极构成放电回路。

在所述变压器初级绕组T1A的两端并接有浪涌电压吸收电路。

所述次级整流滤波电路的输出设置反馈控制电路，反馈控制电路由光电偶合器U1A、U1B、电阻R11、次级稳压电路、电容C12、二极管D7、电阻R5和电容C5组成，次级整流滤波电路的输出经光电偶合器U1A、电阻R11接次级稳压电路，充电电容C12的一端接初级0V端，另一端与D7的阴极和光电偶合器U1B的一端并接，光电偶合器U1B的另一端经电阻R5并接晶体管Q1的基极和电阻R10，C5并接在Q1的基极与射极之间，C5作高频滤波。

所述次级稳压电路包括由R14、R15、C8、R16、R18和U2构成的恒压电路，R14和R16的一端并接次级整流滤波电路的输出，R14的另一端接稳压管U2的阴极，R16的另一端并接稳压管U2的控制极和电阻R18，电阻R18的另一端接稳压管U2的阳极，串联的R15和C8并接在稳压管U2的阴极和控制极之间。

所述次级稳压电路还包括由三极管Q3、电阻R13、电容C10及限流电阻R12构成限流控制电路，三极管Q3的集极接稳压管U2的阴极，基极经电阻R13并接稳压管U2的阳极和限流电阻R12的一端，限流电阻R12的另一端接三极管Q3的射极，电容C10并联在三极管Q3的射极与基极两端。

所述输入整流滤波电路包括热敏电阻R1、二极管桥式整流电路和LC低通滤波器，电源经热敏电阻R1、二极管桥式整流电路的输出接LC低通滤波器，LC低通滤波器的输出接初级绕组T1A。

所述输入整流滤波电路包括热敏电阻R1、保险丝Fuse、滤波电容C1、电感器L1、二极管整流桥和滤波电容C2，热敏电阻R1和保险丝Fuse串联后接电感器L1，电感器L1的输入端并接滤波电容C1，电感器L1的输出端经二极管整流桥整流后并接滤波电容C2。

按照上述方案制作的开关电源，按回扫变换器原理工作，当开关晶体管被接通，电流流过变压器并将它磁化，当开关晶体管被关断，磁化能量将由变压器偶合到次级，次级的控制电路控制输出为恒压电源或恒流电源。其明显的技术效果在于：1、通过设置短路保护电路，使短路时输出工作频率和功率变小，不容易损坏功率器件，安全可靠。2、设置反馈控制电路和输出稳压电路，对过压和过流都能提供及时的保护和调节。3、通过在电容C4两端并接放电电路，使电容C4与放电电路构成放电回路。使得下一个振荡周期发生之前，C4要经R2充电至Q2的导通电压，因而产生一个延迟时间，防止轻负载时和高电压输入时过快的开关频率对开关晶体管Q2所造成的损害，避免晶体管Q2的过热现象，提高Q2的使用寿命，从而提高整个开关电源的工作性能。4、没有复杂的线路，静态维持工作电流很小，只需要很小的开机及持续操作电流，因而，可选用功耗比较少的小型元件。6、该开关电源用了很少数量的有源及无源器件，因此非常节省费用。同时，由于器件数量很少，所以很容易制作成小型可携带的开关电源，特别适用于无绳电话的充电电源，和MD、CD及电子手账等的电源。7、整个电路的设计可容许很宽的电压输入范围，以适应全球不同地区的电压要求。综上所述，本发明是一种有短路保护、小型和廉价的开关电源。

附图说明

图1是本发明的电路图。

图2是另一种输入整流滤波电路图。

具体实施方式

实施例：参照图1，一种开关电源，包括输入整流滤波电路、浪涌电压吸收电路、变压器、自激振荡电路、放电回路、短路保护电路、次级整流滤波电路、次级稳压电路和反馈控制电路。

由R1、D1-D4、C1、L1及C2构成输入整流滤波电路。由R3、C3、R4、D5构成的浪涌电压吸收电路，浪涌电压吸收电路并接在变压器初级绕组T1A的两端。由初级绕组T1A、初级绕组T1B和次级绕组T1-C组成变压器T。

自激振荡电路包括由电阻R2、电容C4、电阻R7串联组成的充电电路、由电阻R8、R10、R9串联而成的电压反馈电路、变压器初级绕组T1B、开关晶体管Q2、Q1和二极管D8，初级绕组T1B的一端接初级0V端，另一端经电阻R7、电容C4、电阻R2接输入整流滤波电路的输出，开关晶体管Q2是MOS场效应晶体管，开关晶体管Q2的输入与电容C4、电阻R2和D8的阳极并接，初级绕组T1A串接开关晶体管Q2的输出和电阻R9后接初级0V端，D8的阴极接晶体管Q1的集极，晶体管Q1的射极接初级0V端，晶体管Q1的基极与射极之间并接电容C5，晶体管Q1的基极并接电阻R8、R10，电阻R8的另一端并接初级绕组T1B和D7的阳极，电阻R10的另一端经电阻R9接初级0V端，

在电容C4两端并接有放电回路，放电电路包括电阻R20、限流电阻R6和晶体管Q4组成，晶体管Q4的射极经C4和限流电阻R6接集极形成放电回路，晶体管Q4的基极经电阻R20接初级0V端。

短路保护电路包括电阻R19、电容C13和二极管D6，电阻R19的一端接开关晶体管Q2的栅极，电阻R19的另一端接二极管D6的阴极和电容C13的一端，二极管D6的阳极接初级0V端，C13的另一端并接R7和C4。

由D9、C6及C7构成次级整流滤波电路。次级整流滤波电路的输出设置反馈控制电路，反馈控制电路由光电偶合器U1A、U1B、电阻R11、次级稳压电路、电容C12、二极管D7、电阻R5和电容C5组成，次级整流滤波电路的输出经光电偶合器U1A、电阻R11接次级稳压电路，充电电容C12的一端接初级0V端，另一端与D7的阴极和光电偶合器U1B的一端并接，光电偶合器U1B的另一端经电阻R5并接晶体管Q1的基极和电阻R10。

次级稳压电路包括恒压电路和限流控制电路，恒压电路由R14、R15、C8、R16、R18和U2组成，R14和R16的一端并接次级整流滤波电路的输出，R14的另一端接稳压管U2的阴极，R16的另一端并接稳压管U2的控制极和电阻R18，电阻R18的另一端接稳压管U2的阳极，串联的R15和C8并接在稳压管U2的阴极和控制极之间。限流控制电路包括三极管Q3、电阻R13、电容C10及限流电阻R12，三极管Q3的集极接稳压管U2的阴极，基极经电阻R13并接稳压管U2的阳极和限流电阻R12的一端，限流电阻R12的另一端接三极管Q3的射极，电容C10并联在三极管Q3的射极与基极两端，次级整流滤波电路的输出经电容C7与Q3的射极并联后经C11接初级0V端。

次级稳压电路的输出设置滤波电路，滤波电路由L2、C9构成一个低通LC滤波器，其谐振频率远低于开关频率，可把输出电流的纹波降至很低，稳压管Z1作为输出过压保护，以防止过高的输出电压。

工作过程：当该开关电源接到市电上去，电容器C1及C2立即被充电至电源电压的峰值，电源电压经串联的高阻电阻R2、C4、低阻电阻R7对初级绕组T1B充电，当C4上的电压上升至Q2的导通电压，Q2即开始导通，随着初级绕组T1B的正反馈电压，开关晶体管Q2进入深层导通，变压器初级绕组T1A的电流开始上升，这电流同时流经Q2及R9，当R9上的电压上升令Q1导通，Q2栅极上的电压减少而令开关晶体管Q2的输出电流减少，次级绕组T1-C输出电压减小，从而使输出电压维持在一个恒定值。同时，初级绕组T1B随即产生一个负电压使Q2加速截止。在此过程中，储存在变压器T中的能量开始透过次级绕组T1-C、D9、C6储存到C7，直至变压器T中的能量释放完毕，开关晶体管Q2又再重新导通，完成一个振荡周期。当输出电压高于由R16及R18所设定的分压值时，U2阴极电压下降，U1A及U1B的电流会增加。此时，U1B的电流在电阻R10上产生的偏压增加，令Q1提早导通，开关晶体管Q2的导通时间随之减少，最终，输出电压会自动调节在由R16及R18所组成的分压器预先设定的数值上。当负载电流很小，电压会维持在这个预设值，若负载电流不断增加，R12的电压会跟随上升，当R12上的电压升到设定值时，Q3随即导通，光电偶合器U1A、U1B的电流增加，Q1提早导通，开关管Q2的导通时间也随之而减少，储存在变压器的能量亦减少，次级绕组T1-C的输出电压因而降低。输出电压降低后，输出电流亦因此而减少，最终电流会维持在一个预设值附近。这时，本开关电源工作在恒流状态，提供恒定电流输出。

在上述调节过程中，每当Q2栅极上的电压减少而令开关晶体管Q2的输出电流减少的同时，初级绕组T1B随即回扫产生一个负电压，这个负电压一方面使Q2加速截止；另一方面，在初级绕组T1B回扫时的负电压作用下，三极管Q4导通，充电电容C4经电阻R6、三极管Q4的集极和射极、二极管D10构成的放电回路放电，使得下一个振荡周期发生之前，C4要经R2充电至Q2的导通电压，因而产生一个延迟时间，防止轻负载时和高电压输入时过快的开关频率对开关晶体管造成损害。

在电容C4的充电过程中，通过加速充电电阻R19，提供另一个路径使C4充电。由于正常的工作频率由加速充电电阻R19及C13的电压决定，当输出短路时，T1C两端的电压很小，因而T1B两端的电压及C13的电压变得很小，输出频率及功率变小，通过C13、D10及R19实现短路保护功能。

开关电源按负载的函数改变开关晶体管Q2的转换频率。它的工作频率大约由50K至200KHZ，在最轻负载最高输入电压时工作频率最高；相反地，在最大负载及最低输入电压时频率为最低。

进一步地，电路中几种可能的替代方案：1)若C4的数值不是太大，晶体管Q4的射极和集极可以倒接，倒接后的晶体管Q4工作在射极和集极的反接状态，电流方向不变，可省掉D10。2)D10可接在R7、D7和R8的并接点上。3)若放电电流要求更小的话，甚至可将放电电路的D10换成R6也可，此时Q4的电流放大系数变成1左右。4)R7和C4的串接位置可互换。5)R5、R6和C12的值可以是零(C12断开)。6)因R19相对R2较小，R2也可接在R19与C13的并接点上。7)次级控制电路中的稳压电路(R14、R15、C8、R16、R18及U2)可由单一稳压管代替，稳压管的阴极接在Q3的集极，稳压管的阳极接在输出的0V端，即电容C9的负极。另外，C13的一端接D6阴极和R19，C13的另一端可接在T1B、R7、R8的并接点上。8)在反馈控制电路中，串接的R5、U1B可以互换位置。9)次级控制电路上的稳压电路(U1A、R14及R16的并接点)可直接连往C6、D9、C7的并接点上。

图1整流滤波电路中的电阻R1可以是保险丝Fuse或R1再串联保险丝Fuse。

图1中的输入整流滤波电路也可用如图2所示的另一种输入整流滤波电路代替，在图2中，输入整流滤波电路包括热敏电阻R1、保险丝Fuse、滤波电容C1、共模电感器L1、二极管整流桥和滤波电容C2，共模电感器L1的输入端并接滤波电容C1，共模电感器L1的输出端经二极管整流桥整流后并接滤波电容C2。NTC热敏电阻R1及保险丝Fuse可以互换，C1可以直接放在输入端。

本实施例开关电源设置浪涌吸收电路，目的是吸收开关晶体管的浪涌电压，从而减少开关电源的噪声。这个电路可以改变成单由R4及C3组成(D5短路、R3开路)又或将R4、R3、C3换成一个稳压管，稳压管的阴极与二极管D5的阴极相接，稳压管的阳极接在电容器C2的正极，这三种浪涌吸收电路也适用于本发明中。

本实施例开关电源也可以制作成二个或以上的输出，只要在变压器加一个或多个绕组，一个或多个整流滤波电路就可实现多组输出的开关电源。

Claims (10)

1、一种开关电源，包括输入整流滤波电路、变压器、次级整流滤波电路和自激振荡电路，变压器由初级绕组T1A、初级绕组T1B和次级绕组T1-C组成，输入整流滤波电路的输出接初级绕组T1A，自激振荡电路包括由电阻R2、电容C4、电阻R7串联组成的充电电路、由电阻R8、R10、R9串联而成的电压反馈电路、变压器初级绕组T1B、开关晶体管Q2、Q1和二极管D8，输入整流滤波电路的电压输出经由电阻R2、电容C4、电阻R7串联组成的充电电路接初级绕组T1B的一端，初级绕组T1B的另一端接初级0V端，开关晶体管Q2的输入与电容C4、电阻R2和D8的阳极并接，初级绕组T1A串接开关晶体管Q2的输出和电阻R9后接初级0V端，D8的阴极接晶体管Q1的集极，晶体管Q1的射极接初级0V端，电阻R9的电压反馈经R10接晶体管Q1的基极，电阻R8的另一端并接初级绕组T1B和D7的阳极，其特征在于：设置有主要由电阻R19、电容C13和二极管D6组成的短路保护电路，电阻R19的一端并接电容C4和电阻R2，电阻R19的另一端接二极管D6的阴极和电容C13的一端，二极管D6的阳极接初级0V端，电容C13的另一端并接电阻R7和电容C4。

2、根据权利要求1所述一种开关电源，其特征在于：在所述电容C4两端并接有放电电路，电容C4与放电电路构成放电回路。

3、根据权利要求2所述一种开关电源，其特征在于：所述放电电路包括开关管Q4和限流电阻R6，晶体管Q4的射极、电容C4、限流电阻R6和晶体管Q4的集极串接构成放电回路，开关管Q4的基极经电阻R20接初级0V端。

4、根据权利要求3所述一种开关电源，其特征在于：所述放电回路串联有单向导通二极管D10，晶体管Q4的射极经D10、C4和限流电阻R6接晶体管Q4的集极构成放电回路。

5、根据权利要求1~4所述任意一种开关电源，其特征在于：在所述变压器初级绕组T1A的两端并接有浪涌电压吸收电路。

6、根据权利要求5所述一种开关电源，其特征在于：所述次级整流滤波电路的输出设置反馈控制电路，反馈控制电路由光电偶合器U1A、U1B、电阻R11、次级稳压电路、电容C12、二极管D7、电阻R5和电容C5组成，次级整流滤波电路的输出经光电偶合器U1A、电阻R11接次级稳压电路，充电电容C12的一端接初级0V端，另一端与D7的阴极和光电偶合器U1B的一端并接，光电偶合器U1B的另一端经电阻R5并接晶体管Q1的基极和电阻R10，C5并接在Q1的基极与射极之间。

7、根据权利要求6所述一种开关电源，其特征在于：所述次级稳压电路包括由R14、R15、C8、R16、R18和U2构成的恒压电路，R14和R16的一端并接次级整流滤波电路的输出，R14的另一端接稳压管U2的阴极，R16的另一端并接稳压管U2的控制极和电阻R18，电阻R18的另一端接稳压管U2的阳极，串联的R15和C8并接在稳压管U2的阴极和控制极之间。

8、根据权利要求7所述一种开关电源，其特征在于：所述次级稳压电路还包括由三极管Q3、电阻R13、电容C10及限流电阻R12构成限流控制电路，三极管Q3的集极接稳压管U2的阴极，基极经电阻R13并接稳压管U2的阳极和限流电阻R12的一端，限流电阻R12的另一端接三极管Q3的射极，电容C10并联在三极管Q3的射极与基极两端。

9、根据权利要求8所述一种开关电源，其特征在于：所述输入整流滤波电路包括二极管桥式整流电路和LC低通滤波器，二极管桥式整流电路的输出接LC低通滤波器，LC低通滤波器的输出接初级绕组T1A。

10、根据权利要求8所述一种开关电源，其特征在于：所述输入整流滤波电路包括热敏电阻R1、保险丝Fuse、滤波电容C1、电感器L1、二极管整流桥和滤波电容C2，热敏电阻R1和保险丝Fuse串联后接电感器L1，电感器L1的输入端并接滤波电容C1，电感器L1的输出端经二极管整流桥整流后并接滤波电容C2。