CN209105026U - 用于开关电源的输入保护电路的电路装置及开关电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于开关电源的输入保护电路的电路装置及开关电源。该电路装置具有浪涌保护电路，该浪涌保护电路与输入侧的供电电压接触，并且电流补偿扼流器作为抑制部件连接至该浪涌保护电路，所述电流补偿扼流器连接至包括输出侧的能量存储装置的整流电路。经由对电路技术进行修改，例如，使用两个变阻器作为浪涌保护，并且通过使用诸如硅二极管的合适的开关元件作为整流元件以及使用陶瓷电容器作为能量存储装置，输入保护电路被设计成使得作为浪涌电路的扩展的输入电压范围要求的需求被满足。该开关电源具有根据本实用新型的用于输入保护电路的电路装置。

Description

用于开关电源的输入保护电路的电路装置及开关电源
技术领域
本实用新型涉及一种用于开关电源的输入保护电路的电路装置，该电路装置具有浪涌保护电路，该浪涌保护电路与输入侧的供电电压接触，并且电流补偿扼流器作为抑制部件连接至该浪涌保护电路，所述电流补偿扼流器连接至包括输出侧的能量存储装置的整流电路。
此外，本实用新型涉及一种开关电源，其具有根据本实用新型的用于输入保护电路的电路装置。
背景技术
为了从电力供应系统(电力供应电网)向需要限定的供电电压的电子设备供电，使用电源，特别是开关电源。这些电源将由电力供应电网供应的、并且作为输入电压与电源接触的标称市电电压(下面也称为市电电压或标称电压)变换成适于电子设备的供电电压。由于全世界安装的电力供应系统彼此不同并且可以包括取决于应用领域的不同大小的标称电压，因此需要多个电源来覆盖大范围的标称电压。
根据现有技术，与电源的输入电压范围有关的两组电源已经在市场上建立起来，即，用于24V至60V标称电压的AC/DC电源(也称为U1-NT)以及用于100V至240V标称电压的AC/DC电源(也称为U2-NT)。
不同的生产商将这些电源作为单独的设备或电力供应模块分配到市场上。
这些已知的电源具有输入保护电路，该输入保护电路被校准到相应的输入电压范围，其中，输入电压的动态范围至多为4:1。
为了尽可能有效，努力使输入保护电路的功耗尽可能低。
因此，在U1-NT中，桥式整流器配备有最大反向电压为200V的肖特基二极管。在这种情况下，阈值电压仅为0.3V，这是因为在效率为70％时，在小的输入电压19.2V(“24V-20％”)下，0.75A的输入电流以及10W的输出负荷流动。在这种情况下，2倍二极管路径上的功耗为0.5W。
在诸如电流补偿扼流器(德语：Drosseln或Drosselspulen)的其他阻抗中，努力用尽可能小的欧姆电阻值构造所述阻抗，以便不引起任何进一步的附加损耗。
布置在输入保护电路中的输出侧的能量存储装置的尺寸被设定成缓冲电容器的形式，使得该能量存储装置的ESR(等效串联电阻)仅生成高电路电流的小的损耗。
然而，在U2-NT中，其他优先级适用于输入保护电路。为此，必须针对更大的电压来设计部件，这是因为高达400V的电压与DC中间电路接触。
流过纵向元件的电流在该范围内明显更小，即，在输入电压为100V、效率为70％以及输出性能为10W时，仅0.14A流动。
作为整流元件的肖特基二极管由于大约200V的最大反向电压太小而被拒绝。因此，在这种情况下，优选使用具有1kV的反向电压的硅桥式整流器。
能量存储装置(缓冲电容器)在U2-NT中占据大的构造空间。U2-NT的ESR不是关键因素，因为其中流动的电路电流相对较小，但在U2-NT中使用的电解质电容器的类型由于积聚的热量大而不能以相同的方式用于U1-NT。
在一些产品规范中，需要4kV对称和2kV非对称的冲击电压测试。然而，在实践中，大多数开关电源被构造成仅针对2kV对称和1kV非对称的较低需求。
市场上可购买的电源和电力供应模块所需的相对大的构造空间已被证明是另外的缺点，这是因为这使集成到其他设备中变得复杂。
因此可以说，迄今为止必须为市场生产两种电源种类，其各自的输入保护电路覆盖下市电电压范围(U1-NT)或上市电电压范围(U2-NT)。
因此，例如，由制造商分配的设备的数目加倍，同时增加了开发、制造、存储和调度的成本。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的是开发一种用于开关电源的输入保护电路，该开关电源可以处理尽可能宽的标称市电电压范围并且还需要小的构造空间。
根据本实用新型的电路装置通过以下来实现该目的：浪涌保护电路由第一变阻器和第二变阻器形成，所述第一变阻器布置在电流补偿扼流器的上游，并且所述第二变阻器布置在电流补偿扼流器的下游；电流补偿扼流器的尺寸被设定成使得电流补偿扼流器具有尽可能小的欧姆电阻和尽可能大的电感；整流电路包括具有至少5A的平均正向电流的硅二极管；能量存储装置被实现为陶瓷电容器；以及由浇铸材料覆盖的导电路径熔丝被集成在导体板中，作为浪涌保护装置。
本实用新型的基本思想有利地基于经由对电路技术的修改并且通过使用合适的电路元件来设计输入保护电路，使得扩展的输入电压范围呈现给保护电路的需求被满足。
通过使用两个变阻器，接触市电电压的瞬态浪涌被限制。通过将第一变阻器布置在电流补偿扼流器的上游并且将第二变阻器布置在电流补偿扼流器的下游，可以在不需要附加的外部部件的情况下满足对标准要求的4kV冲击电压测试的要求。
为了抑制经由快速切换处理与寄生电容和寄生电感一起发生的无线电干扰电压，使用电流补偿扼流器作为抑制部件。
电流补偿扼流器包括尽可能低的欧姆电阻和尽可能高的电感。这通过铜绕组的对应大的导体横截面和具有高磁导率的芯材料来实现。因此，电压降和由此产生的欧姆损耗很小，同时具有紧凑的设计。
具有至少5A的平均导电电流的硅二极管被构建在整流电路中。例如，5A的布局表示对即将到来的应用的有意加大，但与同一壳体中的平均整流电流为1A并且对应用也足够的二极管类型相比，根据5安培二极管类型的数据表，与二极管接触的电压在例如0.75A的导电电流下较低。这也引起较低的功耗，因为功耗和与二极管接触的电压以及流过二极管的电流的乘积成比例。
替代通常使用的电解质电容器，陶瓷电容器用作用于缓冲输入保护电路的输出电压的能量存储装置。这些陶瓷电容器具有低ESR，从而即使在小输入电压和因而得到的大电流尖峰期间，损耗也可以保持为低并且也可以获得可接受的效率。
由浇铸复合物覆盖的导电路径熔丝集成在承载电路元件的导体板中，作为浪涌保护装置。与通常使用的玻璃熔丝相比，这些导电路径熔丝具有短路保护的优势并且占用较少的构造空间。
经由与电路技术有关的措施和通过选择合适的部件，可以在不妨碍电气强度并且不明显增加构造空间的情况下使功耗最小化，特别是在低输入电压下。
此外，本实用新型包括开关电源，该开关电源包括根据本实用新型的用于输入保护电路的电路装置。
作为开关电源的部件，根据本实用新型实现的电路装置因此能够处理范围从24V到240V的电网电压，作为电源或电力供应模块的输入电压。至多可以获得16:1的输入电压的动态范围。
替代各自具有用于范围从24V到60V或100V到240V的输入电压范围的特定输入保护电路的两个电源变体，仅需要具有根据本实用新型的电路装置的宽范围开关电源，以覆盖24V到240V的市电电压范围。
为了控制开关电源中的功能进展，有利地使用功率因数控制控制系统(PFC控制器)。
PFC控制器通常包括两个控制电路，第一控制电路(功率控制电路)跟踪与输入电压的瞬时值成比例的性能因数预控制器的输入电流。如果该电流遵循正弦形输入电压，则市电电流也是正弦形状并且与市电电压同相，因此性能因数等于1。
第二控制电路(电压控制电路)跟踪扼流器电流的有效值，使得尽管输出性能不同，但性能因数预控制器的平均输出电压仍保持一致。
与传统的电流模式反激控制器相比，可以实现在PFC拓扑中具有更小的容量的能量存储装置。这也额外导致更小的构造空间。
附图说明
实施方式的其他有利特征可以从以下描述和附图中得出，附图通过示例描述了本实用新型的优选实施方式。在下面：
图1示出了根据现有技术的U1电源的输入保护电路；
图2示出了根据现有技术的U2电源的输入保护电路；以及
图3示出了根据本实用新型的用于宽范围电源的输入保护电路的电路装置。
具体实施方式
在图1中，示出了用于根据现有技术的U1电源的输入保护电路的电路装置10。
电路装置10基本上包括四个功能部件组，这些功能部件组可以被示为从在输入侧接触的市电电压Un(电路装置10的输入电压)开始的连续信号处理步骤的电路。
在输入侧，浪涌保护电路12经受市电电压Un。浪涌保护电路12包括变阻器R1，并且如果需要，还包括部分可变的电阻，以衰减市电电压Un中的瞬态浪涌。
电流补偿扼流器L1作为抑制部件14与浪涌保护电路12邻接，高频干扰传输借助于所述电流补偿扼流器L1而被大部分抑制。
在下一个信号处理步骤中，借助于配备有肖特基二极管V1至V4的桥式整流器在整流电路16中进行整流。
输入保护电路10的输出电压借助于实现为电解质电容器C5的能量存储装置18进行缓冲。
图2示出了用于根据现有技术的U2电源的输入保护电路的电路装置20。
用于U2电源的该电路装置20示出了与用于U1电源的电路装置10相同的总体布局，其包括浪涌保护电路12、抑制部件14、整流电路16和能量存储装置18。
然而，由于不同的电压和电流，电路元件受到与电路技术有关的不同边际条件的影响，因此根据需求不同地被设定尺寸。
图3示出了根据本实用新型的用于宽范围电源的输入保护电路的电路装置30。
同样在这种情况下，输入保护电路30基于浪涌保护电路12、抑制部件14、整流电路16和能量存储装置18，然而，这些功能部件组是关于电路技术进行修改的并且被提供有特定电路元件，以使得实现用于比U1电源或U2电源的输入电压范围高的输入电压范围的保护电路。
因此，在图3中可以看出，浪涌保护电路12由第一变阻器RV100和第二变阻器RV101构成，所述第一变阻器RV100从电路输入端开始——即从接触市电电压Un观看——被设置在电流补偿扼流器LD100的上游，并且所述第二变阻器RV101被设置在电流补偿扼流器LD100的下游。
电流补偿扼流器LD100主要目标在于抑制共模干扰电流，并且由其上设置有两个绕组的一个高可渗透环形芯组成，电流通过环形芯沿相反的方向流动。
优选使用高可渗透锰锌铁氧体(材料K7000)作为环形芯，因为环形芯可以在10kHz至1MHz的频率范围内操作并且具有16mm的外径、9.6mm的内径和6.3mm的高度。在4150nH下产生这样的芯的AL值(每绕组数平方的电感)。
添加另一个纵向电感L100，以用于抑制在整流电路16的输出端针对质量(mass)进行切换的差模干扰发射。
为了此目的，这些总共三个线轴中的每一个包括在每种情况下具有0.5Ω到1Ω的一个欧姆电阻的绕组，如可以从以下描述中获得的那样。
性能范围为20W的开关电源通常具有75％至85％之间的效率，即，整个功耗为输入性能的15％至25％。输入电路中的功耗不应超过5％，并且因此为整个功耗的大约1/4。从10W的开关电源的期望初始性能和80％的效率开始，因此需要12.5W的输入性能，从该输入性能起，在20V的输入电压(输入电压在小输入电压时最大)下产生0.625A的输入电流Iin。
整个功耗Pv是(12.5W-10W)＝2.5W。由此，在RCu＝1/4*Pv/Iin 2＝1.6Ω处计算总欧姆电阻。分为总共三个所需的线轴，产生每个线轴0.53Ω的欧姆绕组电阻。
由两个线轴组成的电流补偿扼流器LD100的电感优选为每个线轴20mH到30mH。另一纵向电感L100的电感在1mH的范围内。
桥式整流电路16由1000V硅二极管D100至D103构成。在有意的加大中，所述二极管具有5A的平均导电电流，以生成尽可能低的功耗。
在输出侧，安装了每个具有2.2μF的两个450V陶瓷电容器CK100和CK102，以用于缓冲输入保护电路的输出电压。
在输入侧，电路装置具有两个导电路径熔丝作为浪涌保护装置，它们被集成在导体板中并且由浇铸复合物覆盖。所述导电路径熔丝优选地实现为两个0.2mm×5mm的镀锌焊接路径，以在发生短路时安全地将它们分开。

Claims (3)

1.一种用于开关电源的输入保护电路的电路装置(30)，所述电路装置具有浪涌保护电路(12)，所述浪涌保护电路与输入侧的供电电压接触，并且电流补偿扼流器作为抑制部件(14)连接至所述浪涌保护电路，所述电流补偿扼流器连接至包括输出侧的能量存储装置(18)的整流电路(16)，
所述电路装置的特征在于：
所述浪涌保护电路(12)由第一变阻器(RV100)和第二变阻器(RV101)形成，所述第一变阻器(RV100)被布置在所述电流补偿扼流器(LD100)的上游，并且所述第二变阻器(RV101)被布置在所述电流补偿扼流器(LD100)的下游；
所述电流补偿扼流器(LD100)的尺寸被设定成使得所述电流补偿扼流器具有尽可能小的欧姆电阻和尽可能大的电感；
所述整流电路(16)包括具有至少5安培的平均正向电流的硅二极管(D100-D103)；
所述能量存储装置(18)被实现为陶瓷电容器(CK100，CK102)；并且
由浇铸复合物覆盖的导电路径熔丝被集成在导体板中，作为浪涌保护装置。
2.一种开关电源，其特征在于包括：根据权利要求1所述的用于输入保护电路的电路装置。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于包括：用于控制功能序列的功率因数控制控制系统。
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