CN208521201U - 一种限制功率输出装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种限制功率输出装置，其可解决因过载而烧毁开关电源的问题，且可保证开关电源有持续输出，满足设计要求，从而实现变压；其包括顺序电连接的供电电源、整流滤波机构、开关电源机构、负载，其还包括开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构，所述开关电源机构与所述开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构顺序电连接，且所述采样机构与所述负载电连接。

Description

一种限制功率输出装置

技术领域

本实用新型涉及电控装置技术领域，具体为一种限制功率输出装置。

背景技术

在电控系统中，最方便也最易获取的电源为交流市电，但输入的交流电一般不能满足于控制系统的要求，此时需要来改变电源电压才可适用，尤其是小功率应用场合，最常用的变压方法为使用开关电源来实现变压，但在开关电源设计的过程中，经常会受成本或实际空间等诸多因素的限制，使得开关电源的输出功率不能做的足够大，这就要求开关电源的负载不能超过开关电源设计的额定值，而当开关电源被设计为恒定电压输出模式时，如果此时其负载波动范围比较大，那么无过载保护的开关电源可能会因过载而烧毁，而有过载保护的开关电源则会出现过载保护现象，从而停止开关电源输出，但对于某些应用场合，是不允许开关电源因过载保护而停止输出的情况发生的，也就无法满足设计要求，从而无法实现变压。

发明内容

针对现有采用开关电源实现变压，存在过载而烧毁，或是停止开关电源输出，从而无法满足设计要求，进而无法实现变压的问题，本实用新型提供了一种限制功率输出装置，其可解决因过载而烧毁开关电源的问题，且可保证开关电源有持续输出，满足设计要求，从而实现变压。

其技术方案是这样的：其包括顺序电连接的供电电源、整流滤波机构、开关电源机构、负载，其特征在于：其还包括开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构，所述开关电源机构与所述开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构顺序电连接，且所述采样机构与所述负载电连接。

其进一步特征在于：

所述开关电源机构与所述开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构构成闭合回路，所述采样机构连接于所述开关电源机构与所述负载之间；

所述负载连接于所述开关电源机构与所述采样机构之间，所述电流检测机构连接于所述负载与所述采样机构之间；

所述供电电源为交流电，所述负载采用负载电阻R_LOAD，所述采样机构包括采样电阻R_SENSE；所述整流滤波机构包括二极管D1、电容C1，所述供电电源经所述二极管D1、电容C1后接地；所述开关电源机构包括变压器T1、二极管ZD1、D2～D4、电容C2～C6、电阻R_LIMIT、开关电源控制器U1，所述二极管D1负极连接所述变压器T1的1脚、二极管ZD1的正极，所述二极管ZD1的负极连接所述二极管D2的负极，且所述二极管D2的正极与所述变压器T1的3脚、开关电源控制器U1的7、8脚均相连接，所述变压器T1的9脚连接所述二极管D4的正极，在所述二极管D4的负极与所述变压器T1的7脚之间分别对应并联连接所述电容C2、C4后接地，所述二极管D4的负极连接电源24V，所述变压器T1的4脚连接所述二极管D3的正极，在所述二极管D3的负极与所述变压器T1的5脚之间分别对应并联连接所述电容C3、C5后接地，所述二极管D3的负极连接直流电源VCC、所述开关电源控制器U1的5脚，所述开关电源控制器U1的1脚经所述电阻R_LIMIT后接地，所述开关电源控制器U1的2、3脚相连后接地；

所述开关电源输出调整机构包括光电耦合器U2、稳压器U3、电容C7、电阻R1～R6，所述稳压器U3的型号是TL431，所述稳压器U3的1脚经所述电阻R1、R2后与所述二极管D4的负极连接，所述光电耦合器U2的4脚连接所述电容C6一端、开关电源控制器U1的4脚，所述光电耦合器U2的3脚连接所述电容C6另一端后接地，所述光电耦合器U2的1脚连接于所述电阻R1、R2之间，所述电容C7的一端、所述光电耦合器U2的2脚均与所述稳压器U3的1脚相连接，所述电容C7的另一端经所述电阻R6后连接于所述电阻R4、R5之间，且所述电阻R4经所述电阻R3后与所述二极管D4的负极连接，所述电阻R5与所述稳压器U3的2、3、6、7脚相连后接地，所述稳压器U3的8脚连接于所述电阻R4、R5之间；

所述电流检测机构包括三极管Q1、运算放大器U4、电容C8、电阻R7～R11，所述三极管Q1采用带阻三极管，所述光电耦合器U2的2脚与所述三极管Q1的集电极相连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的基极经所述电容C8后接地，且经所述电阻R7后与所述运算放大器U4的输出端相连接，所述运算放大器U4的输出端与其负输入端之间连接所述电阻R11，所述运算放大器U4的正输入端分别连接所述电阻R8、R9的一端，所述电阻R8的另一端连接偏置电压V_BIAS，所述运算放大器U4的负输入端与所述电阻R10的一端连接，所述采样电阻R_SENSE两端分别连接所述电阻R9、R10的另一端，且所述采样电阻R_SENSE一端与所述二极管D4的负极连接、另一端经所述负载电阻R_LOAD后接地；

所述电流检测机构包括三极管Q2、比较器U5、电阻R12、R13，所述比较器U5的型号是LM393D，所述三极管Q2采用带阻三极管，所述三极管Q2的集电极、发射极连接于所述电阻R3两端，所述三极管Q2的基极与所述比较器U5的输出端连接，所述比较器U5的正输入端连接于所述电阻R12、R13之间，且所述电阻R12连接电源3.3V，所述电阻R13接地，所述比较器U5的负输入端连接于所述负载电阻R_LOAD、采样电阻R_SENSE之间，且所述负载电阻R_LOAD与二极管D4的负极连接，所述采样电阻R_SENSE接地。

本实用新型的有益效果是，通过检测与开关电源机构连接的负载的输出电流，根据检测到的电流，可得到开关电源机构的输出功率，且当所检测到的电流大于电流检测机构中设定的阈值时，开关电源输出调整机构可根据情况调整开关电源机构的输出电压，或是将开关电源机构输出模式切换为恒流模式，从而不仅能够解决因过载而烧毁开关电源的问题，还能够保证开关电源机构能够持续有功率输出，满足了设计要求，从而能够实现变压。

附图说明

图1是本实用新型的一实施例的结构框图；

图2是本实用新型的另一实施例的结构框图；

图3是图1的电路原理图；

图4是图2的电路原理图；

图5是供电电源和整流滤波机构连接的电路原理图。

具体实施方式

如图1、图3、图5所示，本实用新型包括顺序电连接的供电电源1、整流滤波机构2、开关电源机构3、负载4，其还包括开关电源输出调整机构5、电流检测机构6、采样机构7，开关电源机构3与开关电源输出调整机构5、电流检测机构6、采样机构7顺序电连接，且采样机构7与负载4电连接；开关电源机构3与开关电源输出调整机构5、电流检测机构6、采样机构7构成闭合回路，采样机构7连接于开关电源机构3与负载4之间。

供电电源1为交流电，负载4采用负载电阻R_LOAD，采样机构7包括采样电阻R_SENSE；整流滤波机构2包括二极管D1、电容C1，供电电源经二极管D1、电容C1后接地；开关电源机构3包括变压器T1、二极管ZD1、D2～D4、电容C2～C6、电阻

R_LIMIT、开关电源控制器U1，开关电源控制器U1采用的型号是STR4A164；二极管D1负极连接变压器T1的1脚、二极管ZD1的正极，二极管ZD1的负极连接二极管D2的负极，且二极管D2的正极与变压器T1的3脚、开关电源控制器U1的7、8脚均相连接，变压器T1的9脚连接二极管D4的正极，在二极管D4的负极与变压器T1的7脚之间分别对应并联连接电容C2、C4后接地，二极管D4的负极连接电源24V，变压器T1的4脚连接二极管D3的正极，在二极管D3的负极与变压器T1的5脚之间分别对应并联连接电容C3、C5后接地，二极管D3的负极连接直流电源VCC、开关电源控制器U1的5脚，开关电源控制器U1的1脚经电阻R_LIMIT后接地，开关电源控制器U1的2、3脚相连后接地。

开关电源输出调整机构5包括光电耦合器U2、稳压器U3、电容C7、电阻R1～R6，稳压器U3的型号是TL431，稳压器U3的1脚经电阻R1、R2后与二极管D4的负极连接，光电耦合器U2的4脚连接电容C6一端、开关电源控制器U1的4脚，光电耦合器U2的3脚连接电容C6另一端后接地，光电耦合器U2的1脚连接于电阻R1、R2之间，电容C7的一端、光电耦合器U2的2脚均与稳压器U3的1脚相连接，电容C7的另一端经电阻R6后连接于电阻R4、R5之间，且电阻R4经电阻R3后与二极管D4的负极连接，电阻R5与稳压器U3的2、3、6、7脚相连后接地，稳压器U3的8脚连接于电阻R4、R5之间。

电流检测机构6包括三极管Q1、运算放大器U4、电容C8、电阻R7～R11，三极管Q1采用带阻三极管，光电耦合器U2的2脚与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极经电容C8后接地，且经电阻R7后与运算放大器U4的输出端相连接，运算放大器U4的输出端与其负输入端之间连接电阻R11，运算放大器U4的正输入端分别连接电阻R8、R9的一端，电阻R8的另一端连接偏置电压V_BIAS，运算放大器U4的负输入端与电阻R10的一端连接，采样电阻R_SENSE两端分别连接电阻R9、R10的另一端，且采样电阻R_SENSE一端与二极管D4的负极连接、另一端经负载电阻R_LOAD后接地。

上述一实施例的工作原理是，采样电阻R_SENSE连接在开关电源机构3输出正端与负载电阻R_LOAD之间，电流检测机构6使用运算放大器U4，电路中的放大倍数及输出的偏置电压V_BIAS根据实际电路的需要设置，通过运算放大器U4对流过采样电阻R_SENSE的电流I采样，运算放大器U4的输出电压为由上式可知，电流I增大，运算放大器U4的输出电压响应也会增大，直至大于电流检测机构6中设定的阈值，三极管Q1导通，然后开关电源输出调整机构5中的光电耦合器U2导通，从而可调整开关电源控制器U1的开关占空比，从而可改变开关电源机构3的输出电压，保证开关电源机构3有持续的功率输出，满足应用要求。

如图2、图4、图5所示，负载4连接于开关电源机构3与采样机构7之间，电流检测机构6连接于负载4与采样机构7之间；电流检测机构6包括三极管Q2、比较器U5、电阻R12、R13，比较器U5的型号是LM393D，三极管Q2采用带阻三极管，三极管Q2的集电极、发射极连接于电阻R3两端，三极管Q2的基极与比较器U5的输出端连接，比较器U5的正输入端连接于电阻R12、R13之间，且电阻R12连接电源3.3V，电阻R13接地，比较器U5的负输入端连接于负载电阻R_LOAD、采样电阻R_SENSE之间，且负载电阻R_LOAD与二极管D4的负极连接，采样电阻R_SENSE接地。

上述另一实施例的工作原理是，正常情况下，开关电源机构3输出电压由电阻R3、R4、R5共同决定，其输出电压为：

当开关电源机构3的输出功率增大，其流过负载电阻R_LOAD的电流大于电流检测机构6中设定的阈值时，用作电流采样的采样电阻R_SENSE两端电压增大，比较器U5的负输入端电压值大于其正输入端电压值，比较器U5的输出端输出信号翻转，三极管Q2导通，在忽略三极管Q2导通压降情况下，此时开关电源机构输出电压为：由该式可知，此时开关电源机构输出电压降低，而开关电源机构输出电压降低后，流过负载电阻R_LOAD的电流会随之减小，直至小于电流检测机构中设定的阈值时，比较器U5的输出端输出信号恢复，开关电源机构输出电压随之提高，如此往复，可保证开关电源机构输出电压及电流在一定范围内拨动，并不会停止功率输出，从而满足了设计要求，并实现变压。

一般在某一些特定的应用场合，开关电源的负载会因环境或时间的变化而变化，比如风机或泵类，随着风机或水泵运行时间的增加，电机的温度会改变，而电机的参数受温度影响，当电机参数发生改变后，其转速和功率会变化，从而可能出现开关电源过载的情况发生，而当开关电源设有过载保护功能时，触发过载保护功能后，开关电源停止功率输出，此时电机停止运行，若风机或水泵所处的环境要求其不允许有停止转动的情况发生时，此时就要求开关电源做出相应的调整，比如切换为恒电流输出模式，或者降低开关电源输出电压，让风机或水泵继续工作；

而本实用新型是在通过检测与开关电源机构连接的负载的输出电流，根据检测到的电流，可得到开关电源机构的输出功率，且当所检测到的电流大于电流检测机构中设定的阈值时，开关电源输出调整机构可根据情况调整开关电源机构的输出电压，或是将开关电源机构输出模式切换为恒流模式，使得整个开关电源机构输出的功率不超过设定值，从而不仅能够解决因过载而烧毁开关电源的问题，还能够保证开关电源机构能够持续有功率输出，满足了设计要求，从而能够实现变压。

另外，上述两个实施例，只是说明可以实现限制开关电源输出功率的两个具体方案，本专利技术并不只限制于以上两个电路，例如也可以通过运放采样低边电流，或是比较器比较输出的高边电流，可以通过改变反馈电路的分压比，也可以通过改变开关电源控制芯片的开关占空比均可实现，且电流检测机构中也不仅限使用运放或比较器的采样电路，也可以通过晶体管及电阻电容等被动元件的组合来实现，只要是通过检测输出端电流，然后根据电流大小来调整输出电压的技术方案，本专利技术均可覆盖。

Claims (7)

1.一种限制功率输出装置，其包括顺序电连接的供电电源、整流滤波机构、开关电源机构、负载，其特征在于：其还包括开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构，所述开关电源机构与所述开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构顺序电连接，且所述采样机构与所述负载电连接。

2.根据权利要求1所述的一种限制功率输出装置，其特征在于：所述开关电源机构与所述开关电源输出调整机构、电流检测机构、采样机构构成闭合回路，所述采样机构连接于所述开关电源机构与所述负载之间。

3.根据权利要求1所述的一种限制功率输出装置，其特征在于：所述负载连接于所述开关电源机构与所述采样机构之间，所述电流检测机构连接于所述负载与所述采样机构之间。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种限制功率输出装置，其特征在于：所述供电电源为交流电，所述负载采用负载电阻R_LOAD，所述采样机构包括采样电阻R_SENSE；所述整流滤波机构包括二极管D1、电容C1，所述供电电源经所述二极管D1、电容C1后接地；所述开关电源机构包括变压器T1、二极管ZD1、D2~D4、电容C2~C6、电阻R_LIMIT、开关电源控制器U1，所述二极管D1负极连接所述变压器T1的1脚、二极管ZD1的正极，所述二极管ZD1的负极连接所述二极管D2的负极，且所述二极管D2的正极与所述变压器T1的3脚、开关电源控制器U1的7、8脚均相连接，所述变压器T1的9脚连接所述二极管D4的正极，在所述二极管D4的负极与所述变压器T1的7脚之间分别对应并联连接所述电容C2、C4后接地，所述二极管D4的负极连接电源24V，所述变压器T1的4脚连接所述二极管D3的正极，在所述二极管D3的负极与所述变压器T1的5脚之间分别对应并联连接所述电容C3、C5后接地，所述二极管D3的负极连接直流电源VCC、所述开关电源控制器U1的5脚，所述开关电源控制器U1的1脚经所述电阻R_LIMIT后接地，所述开关电源控制器U1的2、3脚相连后接地。

5.根据权利要求4所述的一种限制功率输出装置，其特征在于：所述开关电源输出调整机构包括光电耦合器U2、稳压器U3、电容C7、电阻R1~R6，所述稳压器U3的型号是TL431，所述稳压器U3的1脚经所述电阻R1、R2后与所述二极管D4的负极连接，所述光电耦合器U2的4脚连接所述电容C6一端、开关电源控制器U1的4脚，所述光电耦合器U2的3脚连接所述电容C6另一端后接地，所述光电耦合器U2的1脚连接于所述电阻R1、R2之间，所述电容C7的一端、所述光电耦合器U2的2脚均与所述稳压器U3的1脚相连接，所述电容C7的另一端经所述电阻R6后连接于所述电阻R4、R5之间，且所述电阻R4经所述电阻R3后与所述二极管D4的负极连接，所述电阻R5与所述稳压器U3的2、3、6、7脚相连后接地，所述稳压器U3的8脚连接于所述电阻R4、R5之间。

6.根据权利要求5所述的一种限制功率输出装置，其特征在于：所述电流检测机构包括三极管Q1、运算放大器U4、电容C8、电阻R7~R11，所述三极管Q1采用带阻三极管，所述光电耦合器U2的2脚与所述三极管Q1的集电极相连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的基极经所述电容C8后接地，且经所述电阻R7后与所述运算放大器U4的输出端相连接，所述运算放大器U4的输出端与其负输入端之间连接所述电阻R11，所述运算放大器U4的正输入端分别连接所述电阻R8、R9的一端，所述电阻R8的另一端连接偏置电压V_BIAS，所述运算放大器U4的负输入端与所述电阻R10的一端连接，所述采样电阻R_SENSE两端分别连接所述电阻R9、R10的另一端，且所述采样电阻R_SENSE一端与所述二极管D4的负极连接、另一端经所述负载电阻R_LOAD后接地。

7.根据权利要求5所述的一种限制功率输出装置，其特征在于：所述电流检测机构包括三极管Q2、比较器U5、电阻R12、R13，所述比较器U5的型号是LM393D，所述三极管Q2采用带阻三极管，所述三极管Q2的集电极、发射极连接于所述电阻R3两端，所述三极管Q2的基极与所述比较器U5的输出端连接，所述比较器U5的正输入端连接于所述电阻R12、R13之间，且所述电阻R12连接电源3.3V，所述电阻R13接地，所述比较器U5的负输入端连接于所述负载电阻R_LOAD、采样电阻R_SENSE之间，且所述负载电阻R_LOAD与二极管D4的负极连接，所述采样电阻R_SENSE接地。