CN202633910U - 具有过电压保护的电源模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有过电压保护的电源模块，包括过电压保护电路，其采用第一至第四电阻器分别取样第一与第二主电源电压，并将取样结果通过第一与第二二极管传送到运算放大器或比较器与参考电压进行比较，而可精准侦测到第一或第二主电源电压是否有过电压，以便在第一或第二主电源电压有过电压时进行过电压保护，故可提供更精准的过电压保护点，且克服了现有过电压保护电路在高温高湿环境下因齐纳二极管与二极管反向漏电流问题而导致过电压保护电路误动作的问题，同时大大降低了过电压保护电路参数设定的难度。

Description

具有过电压保护的电源模块

技术领域

本实用新型是有关于一种电源模块，且特别是有关于一种具有过电压保护的电源模块，其可应用于大功率液晶显示产品，如液晶显示器或液晶电视。

背景技术

图1为一种现有大功率液晶显示产品的电源模块的方块图。请参见图1，电源模块1包括电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）滤波电路11、桥式整流电路12、功率因数修正（Power Factor Correction，PFC）电路13、主电源转换电路14、发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）驱动电路15、待机电源转换电路16、节能控制电路17与过电压保护电路18。交流市电（如90～264Vac）经过EMI滤波电路11滤除传导性EMI噪声、桥式整流电路12全波整流、PFC电路13修正电流波形与滤波后产生直流的总线电压Vbus（如：400V左右）。

主电源转换电路14接收总线电压Vbus并进行降压转换以输出第一主电源电压Vm1（如24V）与第二主电源电压Vm2（如12V），其中，第一主电源电压Vm1再经过LED驱动电路15升压转换后产生可驱动LED灯源工作的电压，而第二主电源电压Vm2则提供液晶显示产品内部如：液晶面板驱动电路（Panel Driver Circuit）与音讯电路(Audio Circuit)等所需电源。待机电源转换电路16接收总线电压Vbus并进行降压转换以输出待机电源电压Vsb（如:5V）提供给节能控制电路17、过电压保护电路18与液晶显示产品内部如主板微控器等所需电源，此外，待机电源转换电路16中的变压器辅助绕组电压经过整流与滤波后产生辅助电源电压Vaux（如12～19V）。节能控制电路17可使液晶显示产品在待机模式下能更省电。过电压保护电路18可提供第一主电源电压Vm1与第二主电源电压Vm2的过电压保护功能。

图2A和图2B分别为图1所示节能控制电路17与过电压保护电路18的电路图。请同时参见图1、图2A、图2B，节能控制电路17包括电容器C1和C2、二极管D1、光耦合器OC1、晶体管Q1～Q3、电阻器R1～R7与齐纳（Zener）二极管ZD1。当液晶显示产品正常工作时，主板微控器控制电源开启引脚端PS_ON为高电位，此时晶体管Q1和Q2导通，光耦合器OC1输入侧的LED有电流通过而使得其输出侧的光敏晶体管导通，导致晶体管Q3导通，使得辅助电源电压Vaux可通过晶体管Q3提供内部电源电压Vcc给PFC电路13与主电源转换电路14中的控制器131和141所需电源，故正常工作时PFC电路13与主电源转换电路14在控制器131和141的控制下正常动作以进行电压转换。

当液晶显示产品进入待机模式时，主板微控器控制电源开启引脚端PS_ON为低电位，此时晶体管Q1和Q2截止，光耦合器OC1输入侧的LED没有电流通过而使得其输出侧的光敏晶体管截止，导致晶体管Q3截止，使得辅助电源电压Vaux无法通过晶体管Q3提供内部电源电压Vcc给PFC电路13与主电源转换电路14中的控制器131和141所需电源，故在待机模式下PFC电路13与主电源转换电路14因控制器131和141被关闭而停止动作而能更省电。

过电压保护电路18包括电容器C3、二极管D2～D4、晶体管Q4和Q5、电阻器R8～R12与齐纳二极管ZD2和ZD3。当第一主电源电压Vm1与第二主电源电压Vm2均未超出各自的过电压保护点的值时，过电压保护电路18并不会影响到过电压保护引脚端OVP电压。

当第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2超出各自的过电压保护点的值时，齐纳二极管ZD2或ZD3被击穿导通，产生一电流经过电阻器R8和R9，使得晶体管Q5的基极端至射极端电压Vbe5上升。当电压Vbe5达到导通电压时，晶体管Q5导通，使得晶体管Q4的基极端电压Vb4被拉低而使晶体管Q4导通，进而使晶体管Q5进入饱和导通状态，导致电压Vb4被拉到最低而使晶体管Q4亦进入饱和导通状态。此时，因二极管D4的阴极端电压（即电压Vb4）被拉到最低，使得过电压保护引脚端OVP电压（即二极管D4的阳极端电压）被拉低，造成光耦合器OC1输入侧的LED没有电流通过而使得其输出侧的光敏晶体管截止，导致晶体管Q3截止，使得辅助电源电压Vaux无法通过晶体管Q3提供内部电源电压Vcc给PFC电路13与主电源转换电路14中的控制器131和141所需电源，故在第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2有过电压时PFC电路13与主电源转换电路14将因控制器131和141被关闭而停止动作而能防止主电源转换电路14输出的第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2之后的其它电路的电子零件因工作电压超过规格上限被毁坏问题。

在现有的电源模块1中，过电压保护电路18使用的齐纳二极管ZD2和ZD3被击穿导通所需施加的电压上下限差异较大，会造成不同电源模块的过电压保护点差异较大。其次，齐纳二极管在未被击穿导通前仍存在反向漏电流且会随着本体温度升高而增大，若电阻器R8和R9的电阻值设置不太合理时，在高温高湿环境下容易因齐纳二极管ZD2和ZD3反向漏电流增大而导致晶体管Q5误动作，最终导致过电压保护电路18误动作而使得主电源转换电路14停止动作。

　　此外，当液晶显示产品正常工作时，二极管D4的阴极端电压大于阳极端电压，使得二极管D4反向截止，但二极管存在较大的反向漏电流且会随着本体温度升高而增大，若电阻器R12的电阻值设置太大时，在高温高湿环境下容易因二极管D4反向漏电流增大而使电阻器R12两端压降增高，造成晶体管Q4导通，进而使晶体管Q5导通，最终晶体管Q4和Q5全部处于饱和导通状态，导致过电压保护电路18误动作而使得主电源转换电路14停止动作。

发明内容

本实用新型的目的在提出一种具有过电压保护的电源模块，可提供更精准的过电压保护点，且在高温高湿环境下不会因齐纳二极管与二极管反向漏电流问题而导致过电压保护电路误动作。

为达到上述目的或其它目的，本实用新型提出一种具有过电压保护的电源模块，包括主电源转换电路、节能控制电路与过电压保护电路。主电源转换电路包括控制器，主电源转换电路接收总线电压，并在控制器的控制下进行转换以输出第一主电源电压。节能控制电路输出内部电源电压以提供控制器工作所需电源，并在接收到过电压保护信号时停止输出内部电源电压。过电压保护电路包括第一电阻器、第二电阻器、第一二极管、运算放大器与开关，其中，第一电阻器与第二电阻器串联耦接于第一主电源电压与地之间，第一电阻器与第二电阻器的共同端耦接至第一二极管的阳极端，第一二极管的阴极端耦接至运算放大器的第一输入端，运算放大器的第二输入端耦接至参考电压，运算放大器的输出端在第一输入端电压大于第二输入端电压时输出信号控制开关导通以输出过电压保护信号，反之则控制开关不导通而不输出过电压保护信号。

在本实用新型一实施例中，主电源转换电路还输出第二主电源电压。过电压保护电路还包括第三电阻器、第四电阻器与第二二极管，其中，第三电阻器与第四电阻器串联耦接于第二主电源电压与地之间，第三电阻器与第四电阻器的共同端耦接至第二二极管的阳极端，第二二极管的阴极端耦接至第一二极管的阴极端。

在本实用新型一实施例中，过电压保护电路还包括第五电阻器与第一电容器，其中，第五电阻器与第一电容器并联耦接于运算放大器的第一输入端与地之间。

在本实用新型一实施例中，过电压保护电路还包括第三二极管，其中，第三二极管的阳极端耦接至运算放大器的输出端，第三二极管的阴极端耦接至运算放大器的第一输入端。

在本实用新型一实施例中，过电压保护电路还包括第六电阻器与第四二极管，其中，第六电阻器的第一端耦接至正常工作的三端并联调节器的参考端，第六电阻器的第二端耦接至第四二极管的阳极端，第四二极管的阴极端输出参考电压至运算放大器的第二输入端。

在本实用新型一实施例中，过电压保护电路还包括第七电阻器与第二电容器，其中，第七电阻器与第二电容器并联耦接于运算放大器的第二输入端与地之间。

在本实用新型一实施例中，电源模块还包括待机电源转换电路，待机电源转换电路输出待机电源电压。

在本实用新型一实施例中，过电压保护电路还包括第八电阻器与三端并联调节器，其中，第八电阻器的第一端耦接至待机电源电压，第八电阻器的第二端耦接至三端并联调节器的阴极端和参考端，三端并联调节器的阳极端耦接至地，三端并联调节器的参考端输出参考电压至运算放大器的第二输入端。

在本实用新型一实施例中，运算放大器以比较器取代，此比较器具有开集极或开漏极输出结构。过电压保护电路还包括第九电阻器，其中，第九电阻器的第一端耦接至待机电源电压，第九电阻器的第二端耦接至比较器的输出端。

本实用新型过电压保护电路因采用第一至第四电阻器分别取样第一与第二主电源电压，并将取样结果通过第一与第二二极管传送到运算放大器或比较器与参考电压进行比较，而可精准侦测到第一或第二主电源电压是否有过电压，以便在第一或第二主电源电压有过电压时进行过电压保护，故可提供更精准的过电压保护点，且克服了现有过电压保护电路在高温高湿环境下因齐纳二极管与二极管反向漏电流问题而导致过电压保护电路误动作的问题，同时大大降低了过电压保护电路参数设定的难度。

　　为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1为一种现有大功率液晶显示产品的电源模块的方块图。

图2A为图1所示节能控制电路图。

图2B为图1过电压保护电路的电路图。

图3A为本实用新型电源模块的节能控制电路的第一实施例的电路图。

图3B为本实用新型过电压保护电路的第一实施例的电路图。

图4为本实用新型电源模块的过电压保护电路的第二实施例的电路图。

图5为本实用新型电源模块的过电压保护电路的第三实施例的电路图。

图6为本实用新型电源模块的过电压保护电路的第四实施例的电路图。

【主要组件符号说明】

　　1：电源模块             11：EMI滤波电路

　　12：桥式整流电路        13：PFC电路

　　131：控制器             14：主电源转换电路

　　141：控制器             15：LED驱动电路

　　16：待机电源转换电路    161：待机电源转换器

　　162：输出滤波电路       163：反馈电路

　　164：控制器             17、27：节能控制电路

　　18、28、38、48、58：过电压保护电路

　　C1～C5：电容器

　　C21、C22：第一、第二电容器

　　CMP1：比较器

　　D1～D4：二极管

　　D21～D24：第一～第四二极管

　　L1：电感器

　　OC1、OC2：光耦合器

　　OP1：运算放大器

　　Q1～Q5、Q21：晶体管

　　R1～R12：电阻器

　　R21～R29：第一～第九电阻器

　　U1、U2：三端并联调节器

　　ZD1～ZD3：齐纳二极管

　　PS_ON：电源开启引脚端

　　OVP：过电压保护引脚端

　　Vbus：总线电压

　　Vm1、Vm2：第一、第二主电源电压

　　Vsb：待机电源电压

　　Vaux：辅助电源电压

　　Vcc：内部电源电压

　　Vb4、Vbe5：电压

　　Vref：参考电压。 

具体实施方式

图3A和图3B分别本实用新型电源模块的节能控制电路与过电压保护电路的第一实施例的电路图。请参见图3A和图3B，本实用新型节能控制电路27与过电压保护电路28应用于图1与图2A、2B所示电源模块1以取代节能控制电路17与过电压保护电路18。本实用新型节能控制电路27与现有节能控制电路17的区别在于二极管D1。现有节能控制电路17中的二极管D1是为了在第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2有过电压时，确保过电压保护电路18造成的降落在光耦合器OC1输入侧的LED的压降（即Vf4+Vce5-Vf1=0.7V+0.2V-0.7V= 0.2V）不会让LED导通而使LED没有电流通过，其中，Vf4与Vf1分别为二极管D4和D1的正向导通压降，Vce5为晶体管Q5饱和导通时集极端至射极端电压。但本实用新型过电压保护电路28的保护机制使得节能控制电路27并不需要二极管D1。

过电压保护电路28包括第一～第四电阻器R21～R24、第一二极管D21、第二二极管D22、运算放大器OP1与作为开关的晶体管Q21。其中，第一电阻器R21与第二电阻器R22串联耦接于第一主电源电压Vm1与地之间，第一电阻器R21与第二电阻器R22的共同端耦接至第一二极管D21的阳极端，第一二极管D21的阴极端耦接至运算放大器OP1的第一输入端。第三电阻器R23与第四电阻器R24串联耦接于第二主电源电压Vm2与地之间，第三电阻器R23与第四电阻器R24的共同端耦接至第二二极管D22的阳极端，第二二极管D22的阴极端耦接至第一二极管D21的阴极端。运算放大器OP1的第二输入端耦接至参考电压Vref，运算放大器OP1的输出端耦接至晶体管Q21的控制端，晶体管Q21的第一端与第二端分别耦接至过电压保护引脚端OVP与地。在本实施例中，运算放大器OP1的第一输入端与第二输入端分别为非反相输入端与反相输入端，而晶体管Q21为N沟道场效应管的晶体管，其第一端、第二端与控制端分别为漏极端、源极端与栅极端。

当第一主电源电压Vm1未超过(Vref+Vf21)×(R21+ R22)/R22的第一主电源过电压保护点的值时，且第二主电源电压Vm2未超过(Vref+Vf22)×(R23+R24)/R24的第二主电源过电压保护点的值时，运算放大器OP1的第一输入端电压将小于第二输入端电压（即Vref），使得运算放大器OP1的输出端输出低准位信号而控制晶体管Q21截止而不导通，故此时过电压保护电路28不会影响到过电压保护引脚端OVP电压（相当于不输出过电压保护信号），其中，Vf21与Vf22分别为第一二极管D21与第二二极管D22的正向导通压降。

当第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2超过各自的过电压保护点的值时，运算放大器OP1的第一输入端电压将大于第二输入端电压（即Vref），使得运算放大器OP1的输出端输出高准位信号而控制晶体管Q21饱和导通，进而控制过电压保护引脚端OVP电压被拉低到接近零（相当于输出过电压保护信号），造成节能控制电路27中的光耦合器OC1输入侧的LED没有电流通过而使得其输出侧的光敏晶体管截止，导致晶体管Q3截止，使得辅助电源电压Vaux无法通过晶体管Q3提供内部电源电压Vcc给PFC电路13与主电源转换电路14中的控制器131和141所需电源，故在第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2有过电压时PFC电路13与主电源转换电路14将因控制器131和141被关闭而停止动作而能防止主电源转换电路14输出的第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2之后的其它电路的电子零件因工作电压超过规格上限被毁坏问题。

过电压保护电路28还可包括第五电阻器R25与第一电容器C21，其中，第五电阻器R25与第一电容器C21并联耦接于运算放大器OP1的第一输入端与地之间。在设计上，第五电阻器R25的电阻值需远大于第二电阻器R22与第四电阻器R24的电阻值以避免影响到第一主电源电压Vm1与第二主电源电压Vm2的取样。当第一二极管D21与第二二极管D22的线路布局距离运算放大器OP1的第一输入端较远时，可能会有一些高频噪声耦合到线路而输入到运算放大器OP1的第一输入端，造成过电压保护电路28误动作，故使用第五电阻器R25与第一电容器C21组成的RC滤波电路来滤除耦合到线路中的高频噪声。此外，由于运算放大器OP1的输入阻抗非常大，在进行过电压保护之后运算放大器OP1的第一输入端会处在高电位，此时第五电阻器R25即可快速将运算放大器OP1的第一输入端的电荷泄放掉。若没有第五电阻器R25，则在进行过电压保护之后，即使拔除交流市电，运算放大器OP1的第一输入端仍会维持在高电位一段较长时间。

过电压保护电路28还可包括第三二极管D23，其中，第三二极管D23的阳极端耦接至运算放大器OP1的输出端，第三二极管D23的阴极端耦接至运算放大器OP1的第一输入端。当第一主电源电压Vm1或第二主电源电压Vm2超过各自的过电压保护点的值时，运算放大器OP1的输出端输出高准位信号而控制晶体管Q21饱和导通，此高准位信号还经过第三二极管D23输入至运算放大器OP1的第一输入端，使得运算放大器OP1的第一输入端电压更高，即使在进行过电压保护之后第一主电源电压Vm1与第二主电源电压Vm2均降至0V，过电压保护电路28仍然因运算放大器OP1的第一输入端大于第二输入端而继续进行过电压保护，即处于锁住（latch）状态，直到拔除交流市电后再将该电源接入交流市电之后0VP保护的锁住状态才会被解除。

图4为本实用新型电源模块的过电压保护电路的第二实施例的电路图。请参见图4，过电压保护电路38与过电压保护电路28的区别在于其还包括第二电容器C22、第四二极管D24、第六电阻器R26与第七电阻器R27。其中，第六电阻器R26的第一端耦接至正常工作的三端并联调节器（shunt regulator）U1的参考端，第六电阻器R26的第二端耦接至第四二极管D24的阳极端，第四二极管D24的阴极端输出参考电压Vref至运算放大器OP1的第二输入端，第四二极管D24作单向导通和隔离之用。第七电阻器R27与第二电容器C22并联耦接于运算放大器OP1的第二输入端与地之间，第七电阻器R27与第二电容器C22组成的RC滤波电路作滤除高频噪声之用。

在本实施例中，三端并联调节器U1为待机电源转换电路16中所使用的组件。待机电源转换电路16包括待机电源转换器161、输出滤波电路162、反馈电路163与控制器164。其中，输出滤波电路162包括电容器C3和C4与电感器L1，用于降低待机电源转换器161输出的待机电源电压Vsb纹波。反馈电路163包括电容器C5、光耦合器OC2、电阻器R8～R11与三端并联调节器U1，用于取样待机电源电压Vsb并将误差放大后传送给控制器164使其据以调整待机电源转换器161输出的待机电源电压Vsb。当三端并联调节器U1采用TL431时，其内部具有一个2.5V的参考电压源，使得三端并联调节器U1正常工作时参考端电压将稳定在2.5V，故参考电压Vref=(2.5V-Vf24)× R27/(R26+R27)，其中，Vf24为第四二极管D24的正向导通压降。在设计上，第六电阻器R26的电阻值需远大于电阻器R9的电阻值以避免影响到反馈电路163的正常反馈。

图5为本实用新型电源模块的过电压保护电路的第三实施例的电路图。请参见图5，过电压保护电路48与过电压保护电路28的区别在于其还包括第八电阻器R28与三端并联调节器U2。其中，第八电阻器R28的第一端耦接至待机电源电压Vsb，第八电阻器R28的第二端耦接至三端并联调节器U2的阴极端和参考端，三端并联调节器U2的阳极端耦接至地，三端并联调节器U2的参考端输出参考电压Vref至运算放大器OP1的第二输入端。当三端并联调节器U2采用TL431时，其内部具有一个2.5V的参考电压源，使得三端并联调节器U2正常工作时参考端电压将稳定在2.5V，故参考电压Vref=2.5V。

图6为本实用新型电源模块的过电压保护电路的第四实施例的电路图。请参见图6，过电压保护电路58与过电压保护电路28的区别在于将运算放大器OP1以比较器CMP1取代。由于比较器CMP1通常采用开集极或开漏极输出结构，故过电压保护电路58还需包括第九电阻器R29，其中，第九电阻器R29的第一端耦接至待机电源电压Vsb，第九电阻器R29的第二端耦接至比较器CMP1的输出端，以便在比较器CMP1输出高准位信号时由第九电阻器R29所得到的待机电源电压Vsb提供给晶体管Q21做驱动。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用于限定本实用新型，任何熟习此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。 

Claims (9)

1.一种具有过电压保护的电源模块，其特征在于，包括：

　　一主电源转换电路，包括一控制器，该主电源转换电路接收一总线电压，并在该控制器的控制下进行转换以输出一第一主电源电压；

　　一节能控制电路，输出一内部电源电压以提供该控制器工作所需电源，并在接收到一过电压保护信号时停止输出该内部电源电压；

　　一过电压保护电路，包括一第一电阻器、一第二电阻器、一第一二极管、一运算放大器与一开关，该第一电阻器与该第二电阻器串联耦接于该第一主电源电压与地之间，该第一电阻器与该第二电阻器的共同端耦接至该第一二极管的阳极端，该第一二极管的阴极端耦接至该运算放大器的第一输入端，该运算放大器的第二输入端耦接至一参考电压，该运算放大器的输出端在第一输入端电压大于第二输入端电压时输出信号控制该开关导通以输出该过电压保护信号，反之则控制该开关不导通而不输出该过电压保护信号。

2. 根据权利要求1所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该主电源转换电路还输出一第二主电源电压，该过电压保护电路还包括一第三电阻器、一第四电阻器与一第二二极管，该第三电阻器与该第四电阻器串联耦接于该第二主电源电压与地之间，该第三电阻器与该第四电阻器的共同端耦接至该第二二极管的阳极端，该第二二极管的阴极端耦接至该第一二极管的阴极端。

3. 根据权利要求1所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该过电压保护电路还包括一第五电阻器与一第一电容器，该第五电阻器与该第一电容器并联耦接于该运算放大器的第一输入端与地之间。

4. 根据权利要求1所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该过电压保护电路还包括一第三二极管，该第三二极管的阳极端耦接至该运算放大器的输出端，该第三二极管的阴极端耦接至该运算放大器的第一输入端。

5. 根据权利要求1所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该过电压保护电路还包括一第六电阻器与一第四二极管，该第六电阻器的第一端耦接至一正常工作的三端并联调节器的参考端，该第六电阻器的第二端耦接至该第四二极管的阳极端，该第四二极管的阴极端输出该参考电压至该运算放大器的第二输入端。

6. 根据权利要求5所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该过电压保护电路还包括一第七电阻器与一第二电容器，该第七电阻器与该第二电容器并联耦接于该运算放大器的第二输入端与地之间。

7. 根据权利要求1所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该电源模块还包括一待机电源转换电路，该待机电源转换电路输出一待机电源电压。

8. 根据权利要求7所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该过电压保护电路还包括一第八电阻器与一三端并联调节器，该第八电阻器的第一端耦接至该待机电源电压，该第八电阻器的第二端耦接至该三端并联调节器的阴极端和参考端，该三端并联调节器的阳极端耦接至地，该三端并联调节器的参考端输出该参考电压至该运算放大器的第二输入端。

9. 根据权利要求7所述的具有过电压保护的电源模块，其特征在于：该运算放大器以一比较器取代，该比较器具有开集极或开漏极输出结构，该过电压保护电路还包括一第九电阻器，该第九电阻器的第一端耦接至该待机电源电压，该第九电阻器的第二端耦接至该比较器的输出端。

Images