CN204425183U - 一种功能安全产品用电源 - Google Patents

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董健
谢忠诚
董伟
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Abstract

本实用新型公开了一种功能安全产品用电源,包括隔离变压器,输入电压依次经过第一EMC电路、限压限流保护电路、DC/DC芯片和全桥过载保护驱动电路后输入隔离变压器的初级线圈;隔离变压器具有两个工作时轮流导通的次级线圈,分别与第二十五整流桥和第二十九整流桥连接,再分别由第一滤波电路和第二滤波电路滤波后输出。本实用新型解决了隔离变压器容易磁饱和的问题。

Description

一种功能安全产品用电源
技术领域
本发明涉及一种功能安全产品用电源,属于工业过程测量和控制系统功能安全产品用电源领域。
背景技术
目前针对功能安全电源的设计结合IEC61508要求需要如下:
1、过电压保护与安全切断或切换到备用电源。
2、电压控制与安全关闭或切换到备用电源单元(次级)。
3、带安全断电或切换到备用电源单元。
4、防止电压击穿、电压波动、过压、低压的保护措施。
5、分开电力线和信息线。
6、抗物理环境(如温度,湿度,水,振动,灰尘,腐蚀物)的措施。
7、电磁兼容满足IEC 61326-3-1要求。
8、抗温升措施。
9、除此之外一般要求有低纹波,低噪声,响应时间快等。
目前传统小功率开关电源是大多以单端反激电路实现。使用的隔离方式还是以变压器隔离为主。隔离变压器大多数采用绕线方式。单端反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时,变压器一次侧线圈内储存能量;而开关管关断时,变压器将一次侧线圈内储存的电能通过变压器输出给负载供电,直到下一个脉冲到来,开始新的周期。
开关电源中的变压器起着非常重要的作用:一是实现电场-磁场-电场能量的转换,为负载提供稳定的电能;二是实现电压转换。通过改变变压器的初级绕组和多个次级绕组匝比得到多路不同的电压值;三是实现绝缘耐压隔离,保证用户端的安全和阻断和削弱高压或静电的串扰。
这种方式以其电路简单,而得到广泛使用。但该方式存在如下缺点和问题:
1、磁芯利用率很低,变压器的体积大
单端反激电源变压磁芯工作在磁滞回线的第一象限,磁芯利用率低。
2、开关管承受的电压高
变压器的输出电压由反激时输出,同时变压器不可避免有漏感存在,导致在传输电能时开关管承受的电压更高。
3、共模噪声大
开关管的反激电压高是共模噪声大的主要原因。在小信号的测量场合,噪声问题会变得十分的敏感,甚至有可能是致命问题。
4、输出电压的瞬态控制特性比较差
由于反激式开关电源仅在控制开关关断期间才向负载提供能量输出,当负载电流出现变化时,开关电源不能立刻对输出电压或电流产生反应,而需要等到下个工作周期时,通过输出电压取样和调宽控制电路的作用,开关电源才开始对已经过去了的事件进行反应(即改变占空比)。因此,反激式开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较差。
5、容易磁饱和
反激式开关电源变压器的磁心一般都需要留一定的气隙,就是防止输出功率大时出现磁饱和;当磁饱和发生后电源就可能出现致命问题。
6、需要负载取样电路或负载取样绕组以跟踪输出电压的变化。
7、安全间距达不到本安与非本安间的绝缘距离要求,更不符合功能安全设计要求。
发明内容
发明目的:本发明提出一种功能安全电源,解决了隔离变压器容易磁饱和的问题。
技术方案:本发明提出一种功能安全产品用电源,包括隔离变压器,输入电压依次经过第一EMC电路、限压限流保护电路、DC/DC芯片和全桥过载保护驱动电路后输入隔离变压器的初级线圈;隔离变压器具有两个工作时轮流导通的次级线圈,分别与第二十五整流桥和第二十九整流桥连接,再分别由第一滤波电路和第二滤波电路滤波后输出。
优选地,所述全桥过载保护驱动电路包括全桥芯片,该全桥芯片输出端并联了RC吸收电路。
优选地,所述RC吸收电路包括两条并联的RC支路,分别包括了相互串联的第四十八电阻和第六十二电容,以及串联的第七十五电阻和第四十三电容,其中六十二电容和四十三电容的另一端接地。
优选地,所述限压限流保护电路,其包括保险丝、与保险丝串联的第七二极管,第二十三管,第六十三电阻,第七稳压二极管,第四十电容,第六二极管。
优选地,所述全桥过载保护驱动电路,该全桥过载保护驱动电路包括全桥芯片和第六十六电阻。
有益效果:本发明用全桥(H桥)驱动平面变压器。全桥方式是指采用两组对角线开关管轮流同时导通驱动平面变压器的线圈,使得变压器的初级线圈轮流出现正向电流和反向电流,即轮流产生近似的对称的正向电场、正向磁场和反向电场和反向磁场;这样使得磁芯工作在1、3象限,磁芯利用率大大提高,也就使得变压器的的体积可大大缩小。又由于初级线圈只有一组线圈。这样,极大地减少了变压器的体积,节省了平面变压器的绕组及匝数,从而使平板变压器能透过用PCB板来实现,方便了数字化制造和自动化生产。
也正由于采用的平面PCB走线技术,使线圈之间距离可控,变压器参数一致性得到了保障。
在噪声方面,由于电源的交流峰峰值仅与电源电压相同,产生的共模噪声大大降低。给小信号的测量和处理带来了十分的便利。
在方案中还包含了过压、欠压、过流、过热保护和输出过载保护,这些故障避免模式为产品的功能安全提供了基础。同时满足功能安全提出的多项EMC技术指标。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的晶体管级电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示,第一EMC电路包括串联的第二共模电感L2和第三共模电感L3,以及并联在第二、第三共模电感输出端的第三十一电容C31、第三十三电容C33。这些共模电感和电容一方面滤除信号线上共模电磁干扰,另一方面又抑制电源本身向外发出的电磁干扰,避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。在输入端Vin还并联第三压敏电阻RV3和第四压敏电阻RV4进行差模浪涌的保护。
在第一EMC电路之后是限压限流保护电路,其包括保险丝F3、与保险丝F3串联的第七二极管D7,第二十三管Q23,第六十三电阻R63,第七稳压二极管Z7,第四十电容C40,第六二极管D6。当输入端口反接时,第七二极管D7阻断电流,起到防反接保护的作用,其反向击穿电压达100V。第六十二电阻R62为上电限流器件。限制流过MOS管的电流。
第二十三MOS管Q23和第二十四MOS管Q24都是N沟道耗尽型MOSFET,它们的沟道均并联在第七二极管D7的负极与DC/DC芯片的第五引脚5之间,其中第二十三MOS管Q23的源极通过第五二极管D5连接到DC/DC芯片的第五引脚5,第六二极管D6的正负极分别接在第二十三MOS管Q23的栅极和DC/DC芯片的第五引脚5。
第二十三MOS管Q23和第二十四MOS管Q24的栅源电压由负压逐渐向正压增大,使其沟道电流逐渐增大,这样输入电源的电流冲击通过该软启动电路得到有效抑制。另外第五二极管D5和第六二极管D6配合软启动电路提供慢速充电和快速放电的放电通道。
第二十三MOS管Q23和第二十四MOS管Q24的栅极均连接到第四十电容C40,第六十三电阻R63也与第四十电容C40连接,第四十电容C40的另一端接地。因此通过第六十三电阻R63向第四十电容C40充电,有效地控制上电瞬间的栅压,也就是控制了启动电流。稳压管Z7并联在第四十电容C40两端。当输入电路过压时,第二十四管Q24源极电压被第七稳压二极管Z7和第六二极管D6正向导通压降之和所限制。当输入电路欠压时,第八稳压二极管Z8关断停止DC/DC芯片的使能引脚,关断第五DC/DC芯片U5的工作。
第四十四电容C44为带极性的电解电容,电源正常工作时第四十四电容C44被充满电。若发生输入电压短时中断或电压跌落,则第四十四电容C44为电源电路提供电能,提高电源的可靠性。第三十电容C30连接在第二十三MOS管Q23源极与地之间,起到滤波的作用。
限压限流保护电路之后是DC/DC芯片,该DC/DC芯片为AOZ1282。当输入电压低于15V时,DC/DC芯片的电源电压低于其最低工作电压直流3V,因而其无直流12V的电压输出。整个电源电路无供电,处于失电状态。当输入电压在直流15至31V之间时,第四十五电容C45上的电压与输入电压同步,此时DC/DC芯片开始工作并稳定输出直流12V。第四十五电容C45连接在DC/DC芯片的第五引脚5与地之间。当输入电压在直流31V以上时,第四十五电容C45的电压被限定在直流31V。该DC/DC芯片在输出直流12V时,输出效率达到84%-98%,远优于线性电源的转换效率。C45,C46为前端电路的滤波电容,C48,C50为DC/DC芯片的退偶电容。第八二极管Z8和第六十九电阻R69为DC/DC芯片提供欠压保护。
在DC/DC芯片与隔离变压器之间设置全桥过载保护驱动电路,该全桥过载保护驱动电路包括全桥芯片U6和第六十六电阻R66。全桥芯片U6将DC/DC芯片输出的直流电压通过内部占空比为50%的脉冲转换为正负对称的振荡脉冲信号,为隔离变压器T3提供同步脉冲和现场设备或隔离电路提供隔离电源。
全桥芯片U6MAX13256本身具有过流过热保护功能,能将输出电流限制在220mA以内。同时全桥芯片U6还具有过热保护功能,当器件温度超过160摄氏度时,器件停止工作;当器件温度低于150摄氏度时,器件恢复工作。全桥芯片U6的供电和接地采用了双冗余方式,确保任何一个断线故障都不会影响正常供电。
全桥芯片U6的输出电压加在隔离变压器T3的初级线圈1-2上。隔离变压器T3的初级线圈1-2上还并联了RC吸收电路,该RC吸收电路包括两条并联的RC支路,分别包括了相互串联的第四十八电阻R48和第六十二电容C62,以及串联的第七十五电阻R75和第四十三电容C43,其中六十二电容C62和四十三电容C43的另一端接地。所述RC吸收电路将非对称的噪声信号均匀地分布在两条支路上,达到有效抑制噪声的效果。
隔离变压器T3实现输入、输出和电源的三端隔离,其中初级线圈1-2,第一次级线圈3-4以及第二次级线圈8-9之间的匝数比为1:1:2。因此DC/DC芯片输出的12V占空比为50%的方波电压将被变换为12V和24V的方波电压。隔离变压器T3次级线圈输出的方波电压分别经过第二十五整流桥Q25和第二十九整流桥Q29的整流,转换为脉动直流电,再分别经过第一滤波电路和第二滤波电路的滤波后分别作为第一输出Vout1和第二输出Vout2输出。其中第一滤波电路包括相互并联的第五十五电容C55、第六十四电容C64和第五十八电容C58;第二滤波电路包括第五十六电容C56、第四十一电容C41和第五十七电容C57。

Claims (5)

1.一种功能安全产品用电源,包括隔离变压器(T3),其特征在于,输入电压依次经过第一EMC电路、限压限流保护电路、DC/DC芯片和全桥过载保护驱动电路后输入隔离变压器(T3)的初级线圈;隔离变压器(T3)具有两个工作时轮流导通的次级线圈,分别与第二十五整流桥和第二十九整流桥连接,再分别由第一滤波电路和第二滤波电路滤波后输出。
2.根据权利要求1所述的功能安全产品用电源,其特征在于,所述全桥过载保护驱动电路包括全桥芯片(U6),该全桥芯片(U6)输出端并联了RC吸收电路。
3.根据权利要求2所述的功能安全产品用电源,其特征在于,所述RC吸收电路包括两条并联的RC支路,分别包括了相互串联的第四十八电阻(R48)和第六十二电容(C62),以及串联的第七十五电阻(R75)和第四十三电容(C43),其中六十二电容(C62)和四十三电容(C43)的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的功能安全产品用电源,其特征在于,所述限压限流保护电路,其包括保险丝(F3)、与保险丝(F3)串联的第七二极管(D7),第二十三管(Q23),第六十三电阻(R63),第七稳压二极管(Z7),第四十电容(C40),第六二极管(D6)。
5.根据权利要求1所述的功能安全产品用电源,其特征在于,所述全桥过载保护驱动电路,该全桥过载保护驱动电路包括全桥芯片(U6)和第六十六电阻(R66)。
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