CN208522659U - 交流输入型开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种交流输入型开关电源，包括：交流输入模块、整流模块、开关模块、储能模块，所述开关电源还包括检测控制模块，所述检测控制模块的输入端连接于所述交流输入模块与整流模块之间，输出端连接所述开关模块，所述交流输入模块用于连接外部交流电，所述整流模块用于将交流电转换为直流电，所述开关模块用于实现所述开关电源的开关供电，所述储能模块用于存储稳定的直流电并输出给外部用电电路使用，所述检测控制模块用于检测交流电的零点，并控制所述开关模块进行开关切换。在实用新型开关电源当过零检测电路检测到交流电处于正向半周时，将会对下一个周期的过零点准确捕获并驱动高速电子开关管闭合，最小化浪涌电流。

Description

交流输入型开关电源

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，尤其是交流输入型开关电源的电压过零检测及浪涌抑制技术。

背景技术

当今社会大多数的用电设备都使用开关电源供电，而开关电源在输入交流整流以后一般都需要一个大容量的电容平滑滤波，产生一个相对稳定的直流电作为主功率变换回路的供电电源，由于此大电容的存在，根据电容两端加电以后产生的电流i=K*C*△U/△t/ESR（公式①）,其中K是常数，C是电容容量，△U是加在电容两端的电压变化量，△t为电容两端产生电压变化量△U所用的时间，ESR为回路中的等效电阻，可以看出电流i与电容容量C以及瞬间加到电容两端的电压△U成正比，与回路中的等效串联电阻ESR以及△t成反比，在交流电接通之前此大电容两端的电压为零，如果不采取限流措施在交流电接通的瞬间会产生非常大的冲击电流即浪涌电流,浪涌电流对电网和开关电源本身都有很大的危害，因此，开关电源都要对此浪涌电流进行限制。目前限制浪涌电流的方法主要有以下三种。

第一种是应用最早最多的方法，就是在输入线路上串联一个负温度系数的热敏电阻R1，也就是加大公式①中的等效串联电阻ESR,交流电接通时R1起到限流作用， R1工作会消耗一定的电能发热，随着持续工作其温度逐渐升高而其自身的阻值则随之下降减少自身的电能消耗。此电路的主要问题有二，其一是选用阻值大的R1则浪涌抑制效果较好但其功耗大体积大且成本高，若选用阻值小的R1虽然降低了功耗、体积和成本，但是对浪涌电流的抑制效果不佳，其二是不适合频繁关机/开机的应用场合，由于负温度系数的热敏电阻R1的温度不能快速降下来因此其阻值也不能快速恢复到正常阻值，频繁关机开机时对浪涌电流的抑制有限。

第二种是第一种的改进，此方法在电源正常工作以后使用一个继电器K1将限流电阻R1短路掉，这样就避免了工作过程中电流流经R1产生的能量损耗，但是此方法依然不理想，其选用电阻达到理想的浪涌抑制效果电阻体积较大，因此，第二种方法也不是一个完美的解决方法。

第三种是使用单片机及相应软件的方法检测交流电的零点并在电压过零控制继电器吸合以减小浪涌电流，此方法的主要问题，其一是过零检测方法无法精确检测到交流电压的真正零点，由于其采用二极管检测零点，而二极管是无法做到直到零伏才导通或截止的，当电压低于一定的电压值时控制单元就认为已经达到了过零点，其实此时的交流电压值仍然有Vd+Vz+i*R,Vd为二极管D1 D2的正向压降，Vz为稳压二极管D3 D4的稳压电压，i为流经电阻R1/R2/D1/D2/D3/D4的电流，R为R1R2的阻值，根据常规稳压二极管的规格判断该电压有数伏到数十伏，显然和真正的电压零点相去甚远；其二是继电器的触点从开路到吸合的动作时间为毫秒级的，一般为2-20mS，且有很大的离散型，即同一厂家同一型号同一批的产品每一个继电器的动作时间都有差异，而一般的市电为50Hz/60Hz,其半个周期的时间为10mS/8.3mS，由此可以看出继电器的动作时间和市电的半个周期时间基本相当了，从检测到零点并下达吸合指令到继电器吸合时已经不是市电的零点了，甚至可能是市电的峰值，考虑到继电器动作时间的离散型想通过软件的方式控制每一个继电器都是在零点闭合也是不可能的；其三，此方法电路中的继电器K1也不能使用MOS管或者IGBT等高速器件替代，因为其体内在DS之间寄生一个二极管，这个二极管的存在导致MOS、IGBT等为单向截止器件，而交流电为双向的，这种器件无法做到双向截止，总有一个方向不受控制的导通；其四，由于其控制为按照之前周期检测计算出来的周期时间控制，当电网频率有跳变时，其控制继电器的指令仍然按照之前测算的执行，因此也不是跳变后的实时零点。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种交流输入型开关电源，其精度高，在电压变换的零点及时开关，而且速度快、功耗低。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种交流输入型开关电源，包括：依次相连的交流输入模块、整流模块、开关模块、储能模块，所述开关电源还包括检测控制模块，所述检测控制模块的输入端连接于所述交流输入模块与整流模块之间，输出端连接所述开关模块，所述交流输入模块用于连接外部交流电，所述整流模块用于将交流电转换为直流电，所述开关模块用于实现所述开关电源的开关供电，所述储能模块用于存储稳定的直流电并输出给外部用电电路使用，所述检测控制模块用于检测交流电的零点，并控制所述开关模块进行开关切换。

进一步，所述交流输入模块为交流输入连接器J1，具有火线端L和零线端N。

进一步，所述整流模块为桥式整流，为桥式整流电路（整流桥）BD1，具有两交流输入端和直流输出正端、直流输出负端，所述交流输入连接器J1的火线端L连接所述桥式整流电路BD1的一个交流输入端，所述交流输入连接器J1的零线端N连接所述桥式整流电路BD1的另外一个交流输入端，所述桥式整流电路BD1的直流输出正端连接所述储能模块，直流输出负端连接参考地GND网络。

进一步，所述储能模块为电容C1，所述电容C1的正极连接所述桥式整流电路BD1的直流输出正端并作为所述开关电源的DC+网络，负极作为所述开关电源的DC-网络。

进一步，所述检测控制模块包括过零检测电路和驱动控制电路；所述过零检测电路包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、比较器U2、第七电阻R7；其中，所述第一电阻R1一端连接所述交流输入连接器J1的零线端N，另外一端连接所述运算放大器U1的反向输入端；所述第二电阻R2一端连接所述运算放大器U1的反向输入端，另外一端连接所述运算放大器U1的输出端；所述第三电阻R3一端连接所述交流输入连接器J1的火线端L，另外一端连接所述运算放大器U1的正向输入端；所述第四电阻R4一端连接所述运算放大器U1的正向输入端，另外一端连接参考地GND网络；所述运算放大器U1的输出端连接所述比较器U2的正向输入端，所述比较器U2的反向输入端连接参考地GND网络；所述比较器U2的输出端连接所述驱动控制电路，所述第七电阻R7作为所述比较器U2的上拉电阻，其一端连接所述比较器U2的输出端，另外一端连接+VCC。

进一步，所述驱动控制电路包括移位寄存器U3、第五电阻R5、第六电阻R6、驱动三极管T2；所述移位寄存器U3的输入端D连接+VCC，CLK端连接所述比较器U2的输出端，输出端Q1连接所述第五电阻R5的一端；所述第五电阻R5的另外一端连接所述驱动三极管T2的基极；所述驱动三极管T2的集电极连接+VCC；发射极连接所述第六电阻R6的一端，并输出控制信号CTL；所述第六电阻R6的另外一端连接参考地GND网络。

进一步，所述开关模块包括开关管T1，所述开关管T1的漏极连接所述储能模块，源极连接参考地GND网络网络，栅极连接所述控制信号CTL。

进一步，所述开关电源还包括保护模块，所述保护模块连接于所述交流输入模块与整流模块之间，用于对整个开关电源进行过流保护，所述保护模块为熔断器F1。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：

1、纯硬件检测交流电频率，可以实时监测交流电频率变化，准确捕捉交流电压的每一次过零的每一个零点，精度极高；

2、开关管安装在整流桥输出的直流侧，此时的交流电已经被整流桥整流为单向脉动的直流，因此可以使用MOS管、IGBT等单向截止的高速器件，使用高速开关管，在电压过零点及时的接通市电到整流回路上，从下达接通指令到电子开关接通时间最多几个微秒，延迟时间相对交流电半个周期的10mS/8.3mS可以忽略不计，速度极快；

3、省掉限流电阻,减少不必要的能量消耗提高电源效率；其四，使用少量的运算放大器、比较器、移位寄存器、开关管等器件，电路简单、体积小且成本低。

附图说明

图1是本实用新型实施例开关电源的功能结构框图；

图2是本实用新型实施例开关电源的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

请参见图1所示，本实用新型一实施例交流输入型开关电源，包括：依次相连的交流输入模块、整流模块、开关模块、储能模块。所述开关电源还包括检测控制模块，所述检测控制模块的输入端连接于所述交流输入模块与整流模块之间，输出端连接所述开关模块。所述开关电源还包括保护模块，所述保护模块连接于所述交流输入模块与整流模块之间。所述交流输入模块用于连接外部交流电。所述整流模块用于将交流电转换为直流电。所述开关模块用于实现所述开关电源的开关供电。所述储能模块用于存储稳定的直流电并输出给外部用电电路使用。所述检测控制模块用于检测交流电的零点，并控制所述开关模块进行开关切换。所述保护模块用于对整个开关电源进行过流保护。下面将对各模块进行具体说明。

在本具体实施例中，所述交流输入模块为交流输入连接器J1，对外连接交流电。所述整流模块为桥式整流电路，具体为整流桥BD1。所述保护模块为熔断器F1。所述储能模块为电容C1。所述交流输入连接器J1的火线端L连接所述熔断器F1的一端，所述熔断器F1的另外一端连接所述桥式整流电路BD1的一个交流输入端。所述交流输入连接器J1的零线端N连接所述桥式整流电路BD1的另外一个交流输入端。所述桥式整流电路BD1的直流输出正端连接电容C1的正极，直流输出负端连接参考地GND网络。所述电容C1的正极作为所述开关电源的DC+网络，负极作为所述开关电源的DC-网络。

所述检测控制模块包括过零检测电路和驱动控制电路。所述过零检测电路包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、比较器U2、第七电阻R7；其中，所述第一电阻R1一端连接所述交流输入连接器J1的零线端N，另外一端连接所述运算放大器U1的反向输入端；所述第二电阻R2一端连接所述运算放大器U1的反向输入端，另外一端连接所述运算放大器U1的输出端；所述第三电阻R3一端连接所述交流输入连接器J1的火线端L，另外一端连接所述运算放大器U1的正向输入端；所述第四电阻R4一端连接所述运算放大器U1的正向输入端，另外一端连接参考地GND网络；所述运算放大器U1的输出端连接所述比较器U2的正向输入端，所述比较器U2的反向输入端连接参考地GND网络；所述比较器U2的输出端连接所述驱动控制电路，所述第七电阻R7作为所述比较器U2的上拉电阻，其一端连接所述比较器U2的输出端，另外一端连接+VCC。

所述驱动控制电路包括移位寄存器U3、第五电阻R5、第六电阻R6、驱动三极管T2；所述移位寄存器U3的输入端D连接+VCC，CLK端连接所述比较器U2的输出端，输出端Q1连接所述第五电阻R5的一端；所述第五电阻R5的另外一端连接所述驱动三极管T2的基极；所述驱动三极管T2的集电极连接+VCC；发射极连接所述第六电阻R6的一端，并输出控制信号CTL；所述第六电阻R6的另外一端连接参考地GND网络。

在本实施例中，所述移位寄存器U3具有四个输出端Q0、Q1、Q2、Q3，可任意选择Q1-Q3其中一个输出端作为所述移位寄存器U3实际使用的输出端，三个输出的差别就是延迟时间不同，Q1相对Q0延迟时间为从上电时刻到第一个正半周期的过零点之间的时间（小于等于一个周期时间） ，Q2相对Q1又多延迟一个完整市电周期，Q3相对Q2又多延迟一个市电周期，而Q0在接上交流电时刻就出现（高电平），没有延迟时间，此时不一定是零点，因此Q0不能用。在本实施例中，是选择输出端Q1作为所述移位寄存器U3实际使用的输出端去连接所述电阻R5的一端。

所述开关模块包括开关管T1，所述开关管T1的漏极连接电容C1的负极，源极连接参考地GND网络网络，栅极连接所述控制信号CTL。

在本具体实施例中，所述运算放大器U1采用差分运算放大器LM2904，所述比较器U2采用LM239DG,所述移位寄存器U3采用CD4015BP,所述驱动三极管T2采用FZT651,所述开关管T1采用高速电子开关管N沟道MOS管，当然其也可以采用SCR、GTO、IGBT、固态继电器等，其型号规格和其它器件如桥式整流电路BD1、电容C1、熔断器F1等具体规格可以根据实际的电路功率/电流大小以及其它性能要求等因素综合考虑。

整个电路的具体工作原理如下：

（1）所述运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4构成的运算放大器电路将高压交流电按一定比例缩小至所述比较器U2允许的输入电压范围之内，若R1=R3,R2=R4，则运算放大器比例为R2/R1；

（2）在交流电的正半周期时间内，所述比较器U2的正向输入端为正压高于反向输入端GND(零伏)的电压，所述比较器U2输出高电平；相应的在交流电的负半周期时间内，所述比较器U2的正向输入端为负压低于反向输入端GND（零伏）的电压，所述比较器U2输出低电平；

（3）上电之前电容C1上电压为零，所述移位寄存器U3的输出端Q0、Q1、Q2、Q3均为低电平；当有交流电到所述交流输入连接器J1上后，交流电第一个正半周期来临之时，所述比较器U2输出高电平给所述移位寄存器U3的输入端，即CLK端，所述移位寄存器U3为上升沿触发则所述移位寄存器U3的输出端Q0输出变为高电平，输出端Q1、Q2、Q3仍然为低电平；交流电从正半周期向负半周期变化时，所述比较器U2输出低电平，所述移位寄存器U3不触发，其输出状态保持不变；当下一次交流电从负半轴向正半轴过零点时刻，所述比较器U2再次输出高电平，其上升沿触发所述移位寄存器U3动作，则输出端Q1、Q0为高电平，输出端Q1高电平驱动控制驱动三极管T2导通，则+VCC经所述开关管T1的PN结到所述驱动三极管T2的栅极驱动所述驱动三极管T2导通，即+VCC经由所述驱动三极管T2驱动开关管T1导通，交流电经过所述熔断器F1及所述桥式整流电路BD1、所述开关管T1开始从零伏对电容C1进行充电；当交流电再次进入负半周期后，所述移位寄存器U3的输出端Q1的输出持续保持高电平，所述驱动三极管T2、开关管T1继续保持导通，……以此类推，循环重复；

（4）交流输入断电后，所述移位寄存器U3的输出端Q0、Q1、Q2、Q3恢复初始的低电平，所述开关管T1截止；再次上电后按照步骤（3）的过程再次工作。

因为根据公式①可知，在确定的产品应用中达到相关的性能指标电容容量C基本是确定的，想无限减小电容容量C也是不现实的，而使用串联电阻有很多的缺点在背景技术中也已说明，这些方法都不理想。因此，有效抑制市电接通瞬间的浪涌电流，可考虑通过减小接通时的电容两端的电压差△U来实现，根据市电电压是正弦波形，其瞬时值V(t)=UoSin(wt)（公式②），其中Uo为正弦波的峰值，Sin(wt)时间t的正弦函数，其值在一定的时刻（n*180°时刻，其中n为整数）为零，如果选择在该正弦函数的过零点接通市电，则浪涌电流会被抑制到最小。

在实用新型开关电源通过过零检测电路、驱动控制电路、高速的电子开关管等相互配合，当过零检测电路检测到交流电处于正向半周时，将会对下一个周期的过零点准确捕获并驱动高速电子开关管闭合，最小化浪涌电流。

本实用新型的主要优点有：其一，纯硬件检测交流电频率，可以实时监测交流电频率变化，准确捕捉交流电压的每一次过零的每一个零点，精度极高；其二，开关管安装在整流桥输出的直流侧，此时的交流电已经被整流桥整流为单向脉动的直流，因此可以使用MOS管、IGBT等单向截止的高速器件，使用高速开关管，在电压过零点及时的接通市电到整流回路上，从下达接通指令到电子开关接通时间最多几个微秒，延迟时间相对交流电半个周期的10mS/8.3mS可以忽略不计，速度极快；其三，省掉限流电阻,减少不必要的能量消耗提高电源效率；其四，使用少量的运算放大器、比较器、移位寄存器、开关管等器件，电路简单、体积小且成本低。

本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流输入型开关电源，其特征在于，包括：依次相连的交流输入模块、整流模块、开关模块、储能模块，所述开关电源还包括检测控制模块，所述检测控制模块的输入端连接于所述交流输入模块与整流模块之间，输出端连接所述开关模块，所述交流输入模块用于连接外部交流电，所述整流模块用于将交流电转换为直流电，所述开关模块用于实现所述开关电源的开关供电，所述储能模块用于存储稳定的直流电并输出给外部用电电路使用，所述检测控制模块用于检测交流电的零点，并控制所述开关模块进行开关切换。

2.根据权利要求1所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述交流输入模块为交流输入连接器（J1），具有火线端（L）和零线端（N）。

3.根据权利要求2所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述整流模块为桥式整流电路（BD1），具有两交流输入端和一直流输出正端、一直流输出负端，所述交流输入连接器（J1）的火线端（L）连接所述桥式整流电路（BD1）的一个交流输入端，所述交流输入连接器（J1）的零线端（N）连接所述桥式整流电路（BD1）的另外一个交流输入端，所述桥式整流电路（BD1）的直流输出正端连接所述储能模块，直流输出负端连接参考地GND网络。

4.根据权利要求3所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述储能模块为电容（C1），所述电容（C1）的正极连接所述桥式整流电路（BD1）的直流输出正端并作为所述开关电源的DC+网络，负极作为所述开关电源的DC-网络。

5.根据权利要求2-4任一所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述检测控制模块包括过零检测电路和驱动控制电路。

6.根据权利要求5所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述过零检测电路包括运算放大器（U1）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、比较器（U2）、第七电阻（R7）；其中，所述第一电阻（R1）的一端连接所述交流输入连接器（J1）的零线端（N），另外一端连接所述运算放大器（U1）的反向输入端；所述第二电阻（R2）的一端连接所述运算放大器（U1）的反向输入端，另外一端连接所述运算放大器（U1）的输出端；所述第三电阻（R3）的一端连接所述交流输入连接器（J1）的火线端（L），另外一端连接所述运算放大器（U1）的正向输入端；所述第四电阻（R4）的一端连接所述运算放大器（U1）的正向输入端，另外一端连接参考地GND网络；所述运算放大器（U1）的输出端连接所述比较器（U2）的正向输入端，所述比较器（U2）的反向输入端连接参考地GND网络；所述比较器（U2）的输出端连接所述驱动控制电路，所述第七电阻（R7）作为所述比较器（U2）的上拉电阻，其一端连接所述比较器（U2）的输出端，另外一端连接+VCC。

7.根据权利要求6所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述驱动控制电路包括移位寄存器（U3）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、驱动三极管（T2）；所述移位寄存器（U3）的输入端（D）连接+VCC，CLK端连接所述比较器（U2）的输出端，输出端（Q1）连接所述第五电阻（R5）的一端；所述第五电阻（R5）的另外一端连接所述驱动三极管（T2）的基极；所述驱动三极管（T2）的集电极连接+VCC；发射极连接所述第六电阻（R6）的一端，并输出控制信号CTL；所述第六电阻（R6）的另外一端连接参考地GND网络。

8.根据权利要求7所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述开关模块包括开关管（T1），所述开关管（T1）的漏极连接所述储能模块，源极连接参考地GND网络，栅极连接所述控制信号CTL。

9.根据权利要求1所述的交流输入型开关电源，其特征在于：所述开关电源还包括保护模块，所述保护模块连接于所述交流输入模块与整流模块之间，用于对整个开关电源进行过流保护，所述保护模块为熔断器（F1）。