CN219420580U - 一种电源的抗浪涌电压电路 - Google Patents

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CN219420580U CN202320397875.4U CN202320397875U CN219420580U CN 219420580 U CN219420580 U CN 219420580U CN 202320397875 U CN202320397875 U CN 202320397875U CN 219420580 U CN219420580 U CN 219420580U
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Abstract

本实用新型涉及一种电源的抗浪涌电压电路，包括分压比较子电路、逻辑子电路、PWM控制子电路和Buck子电路；分压比较子电路的一输入端接入输入电压，分压比较子电路的另一输入端接入参考电压Vref，分压比较子电路的输出端与逻辑子电路的输入端连接，逻辑子电路的输出端与PWM控制子电路的输入端连接，PWM控制子电路的输出端与Buck子电路的受控端连接，Buck子电路的输入端接入输入电压，Buck子电路的接地端接地，Buck子电路的输出端用于输出给外部负载供电的外部供电压。本实用新型的抗浪涌电压电路集成在电源模块中，通过对浪涌电压的有效抑制，保证电源不运行在过电压状态，有效阻止了因过压浪涌导致电源模块发生的安全性和稳定性问题。

Description

一种电源的抗浪涌电压电路
技术领域
本实用新型涉及电源技术领域，具体涉及一种电源的抗浪涌电压电路。
背景技术
随着市场对电源模块的需求越来越广泛，电源的小型化和模块化成为发展趋势，目前在浪涌抑制等保护电路的应用上依旧采用独立于电压变换器的标准化模块，存在功耗高、体积大、可靠性低等缺点。如在过压保护电路中只使用稳压管钳位的方式会受到温度的影响而影响其指标的稳定性。
由于用电环境的多样性，电源模块工况日益复杂，电源模块抗电压浪涌的需求越来越高。目前缺少一种能集成到电源模块中的可靠的抗电压浪涌电路。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电源的抗浪涌电压电路，其集成在电源模块中，且抗浪涌效果好。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种电源的抗浪涌电压电路，包括分压比较子电路、逻辑子电路、PWM控制子电路和Buck子电路；所述分压比较子电路的一输入端接入输入电压VIN+，所述分压比较子电路的另一输入端接入参考电压Vref，所述分压比较子电路的输出端与所述逻辑子电路的输入端连接，所述逻辑子电路的输出端与所述PWM控制子电路的输入端连接，所述PWM控制子电路的输出端与所述Buck子电路的受控端连接，所述Buck子电路的输入端接入所述输入电压VIN+，所述Buck子电路的接地端接地，所述Buck子电路的输出端用于输出给外部负载供电的外部供电压。
本实用新型的有益效果是：在本实用新型一种电源的抗浪涌电压电路中，分压比较子电路对输入电压及参考电压分别分压后进行比较，当输入电压分压后得到的电压小于或等于参考电压分压后得到的电压时，分压比较子电路输出低电平，经过逻辑子电路控制使得PWM控制子电路输出高电平，将Buck子电路中的开关管打开，主功率回路导通，电路输出端跟随输入端电压变化；当输入电压分压后得到的电压大于参考电压分压后得到的电压时，分压比较子电路输出高电平，经过逻辑子电路控制使得PWM控制子电路输出PWM波形，对Buck子电路中的开关管进行脉宽调制，此时主功率进入BUCK电路工作模式，将电压降至后端电压转换电路的正常工作电压范围；本实用新型的抗浪涌电压电路集成在电源模块中，通过对浪涌电压的有效抑制，保证电源不运行在过电压状态，有效阻止了因过压浪涌导致电源模块发生的安全性和稳定性问题。
附图说明
图1为本实用新型一种电源的抗浪涌电压电路的整体结构框图；
图2为分压比较子电路、逻辑子电路以及PWM控制子电路的电路原理图；
图3为Buck子电路以及内部电源电压产生子电路的电路原理图；
图4为电压反馈子电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，一种电源的抗浪涌电压电路，包括分压比较子电路、逻辑子电路、PWM控制子电路、Buck子电路、内部电源电压产生子电路和电压反馈子电路；所述分压比较子电路的一输入端接入输入电压VIN+，所述分压比较子电路的另一输入端接入参考电压Vref，所述分压比较子电路的输出端与所述逻辑子电路的输入端连接，所述逻辑子电路的输出端与所述PWM控制子电路的输入端连接，所述PWM控制子电路的输出端与所述Buck子电路的受控端连接，所述Buck子电路的输入端接入所述输入电压VIN+，所述Buck子电路的接地端接地，所述Buck子电路的输出端用于输出给外部负载供电的外部供电压；所述内部电源电压产生子电路的输入端与所述Buck子电路的输出端连接，所述内部电源电压产生子电路的输出端用于输出内部电源电压VCC；所述电压反馈子电路的输入端与所述Buck子电路的输出端连接，所述电压反馈子电路的输出端与所述PWM控制子电路的输入端连接。
在本具体实施例中，如图2所示：所述分压比较子电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3和电压比较器U1；所述电阻R1的一端为所述分压比较子电路的一输入端并接入输入电压VIN+，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R2的一端、所述电容C1的一端以及所述电压比较器U1的正向输入端连接，所述电阻R2的另一端以及所述电容C1的另一端均接地；所述电阻R3的一端为所述分压比较子电路的另一输入端并接入参考电压Vref，所述电阻R3的另一端分别与所述电阻R4的一端、所述电容C2的一端以及所述电压比较器U1的负向输入端连接，所述电阻R4的另一端以及所述电容C2的另一端均接地；所述电压比较器U1的电源端接入内部电源电压VCC的同时还通过所述电容C3接地，所述电压比较器U1的接地端接地，所述电压比较器U1的输出端为所述分压比较子电路的输出端并与所述逻辑子电路的输入端连接。
具体的，电阻R1和电阻R2对输入电压VIN+进行分压，电阻R3和电阻R4对参考电压Vref进行分压，电压比较器U1用于将分压后的输入电压VIN+和分压后的参考电压Vref进行比较，当分压后的输入电压VIN+大于分压后的参考电压Vref，电压比较器U1输出低电平，当分压后的输入电压VIN+小于或等于分压后的参考电压Vref，电压比较器U1输出高电平。
在本具体实施例中，如图2所示：所述逻辑子电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、三极管Q1和三极管Q2；所述电阻R5的一端为所述逻辑子电路的输入端并与所述分压比较子电路的输出端连接，所述电阻R5的另一端分别与所述电阻R6的一端以及所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极通过所述电阻R7接入内部电源电压VCC，所述三极管Q1的集电极还通过所述电阻R8连接所述三极管Q2的基极，所述三极管Q2的基极通过电阻R9接地，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极通过所述电阻R10接入内部电源电压VCC。具体的，三极管Q1和三极管Q2均为NPN型三极管。
在本具体实施例中，如图2所示：所述PWM控制子电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和PWM控制芯片U2，所述PWM控制芯片U2的型号为UC2843B；所述二极管D1的正极连接在所述三极管Q1的集电极上，所述二极管D2的负极连接在所述三极管Q2的集电极上，所述二极管D2的正极连接在所述PWM控制芯片U2的COMP引脚上，所述PWM控制芯片U2的VFB引脚接地，所述PWM控制芯片U2的RT/CT引脚通过所述电容C4接地，所述PWM控制芯片U2的RT/CT引脚与CSI引脚之间连接有所述电容C5和所述电阻R11，且所述电容C5和所述电阻R11并联，所述PWM控制芯片U2的CSI引脚通过所述电阻R12接入参考电压Vref，所述PWM控制芯片U2的CSI引脚通过所述电阻R13接入输入电压VIN+，所述PWM控制芯片U2的RT/CT引脚通过所述电阻R14接入参考电压Vref，所述PWM控制芯片U2的Vref引脚用于输出参考电压Vref的同时还通过所述电容C6接地，所述PWM控制芯片U2的VCC引脚接入内部电源电压VCC的同时还通过所述电容C7接地，所述PWM控制芯片U2的GND引脚接地，所述PWM控制芯片U2的OUT引脚与所述二极管D3的正极连接，所述二极管D3的负极与所述二极管D1的负极连接后作为所述PWM控制子电路的输出端。具体的，根据NPN型三极管基极高电平导通低电平截止的特性，逻辑子电路控制PWM控制子电路进入关闭状态或工作状态：当电压比较器U1输出低电平时，三极管Q1截止，三极管Q2导通，二极管D2左侧为低电平，将PWM控制芯片U2的COMP引脚拉低，PWM控制芯片U2的输出关闭，此时OUT端为高电平；当电压比较器U1输出高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2截止，PWM控制芯片U2的COMP引脚为高电平，PWM控制芯片U2的OUT引脚输出PWM波，即OUT端为PWM波形。
在本具体实施例中，如图3所示：所述Buck子电路包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、开关管Q3、二极管D4、电感L和电容C8；所述电阻R15的一端为所述Buck子电路的受控端并与所述PWM控制子电路的输出端连接，所述电阻R15的另一端与所述开关管Q3的栅极连接，所述电阻R15的另一端通过所述电阻R6与所述开关管Q3的源极连接，所述开关管Q3的源极与所述电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端为所述Buck子电路的接地端并接地，所述开关管Q3的漏极分别与所述二极管D4的正极以及所述电感L的一端连接，所述二极管D4的负极为所述Buck子电路的输入端并接入输入电压VIN+，所述电感L的另一端与所述电容C8的一端连接后作为所述Buck子电路的输出端负极Vout-，所述电容C8的另一端与所述二极管D4的负极连接后作为所述Buck子电路的输出端正极Vout+。具体的，所述开关管Q3为MOS管。
在本具体实施例中，如图3所示：所述内部电源电压产生子电路包括三端稳压芯片U3、电容C9、电容C10、电阻R18、电阻R19和光耦U4；所述三端稳压芯片U3的GND引脚与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述三端稳压芯片U3的Vin引脚与所述Buck子电路的输出端正极Vout+连接，所述三端稳压芯片U3的Vin引脚还通过所述电容C9与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述三端稳压芯片U3的Vout引脚通过所述电容C10与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述三端稳压芯片U3的Vout引脚还通过所述电阻R18与所述光耦U4中的发光器正极连接，所述光耦U4中的发光器负极与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述光耦U4中的发光器正、负极之间连接有所述电阻R19，所述光耦U4中的受光器发射极接地，所述光耦U4中的受光器集电极用于输出内部电源电压VCC。
在本具体实施例中，如图4所示：所述电压反馈子电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、可控精密稳压源D5和光耦U5；所述电阻R20和所述电阻R21串联在所述Buck子电路的输出端正极Vout+以及输出端负极Vout-之间，所述电阻R22和所述电阻R23串联在所述Buck子电路的输出端正极Vout+以及输出端负极Vout-之间，所述电阻R20和所述电阻R21的公共连接端以及所述电阻R22和所述电阻R23的公共连接端均依次通过所述电阻R24、所述电容C12以及所述电阻R25连接在所述光耦U5的发光器负极上，所述电阻R24和所述电容C12的公共连接端通过所述电容C11连接在所述可控精密稳压源D5的阳极上，所述可控精密稳压源D5的参考极连接在所述电阻R24和所述电容C12的公共连接端上，所述可控精密稳压源D5的阴极连接在所述光耦U5的发光器负极上，所述光耦U5的发光器正、负极之间连接有所述电阻R26，所述光耦U5的发光器正极通过所述电阻R27连接在所述Buck子电路的输出端正极Vout+上，所述光耦U5的受光器集电极连接在所述PWM控制芯片U2的COMP引脚上，所述光耦U5的受光器集电极通过所述电容C13接地，所述光耦U5的受光器集电极还依次通过所述电阻R28以及所述电容C14接地。
具体的，输出电压(即外部供电压)通过可控精密稳压源D5(型号为TL431)和光耦U5反馈到PWM控制芯片U2的COMP引脚，调节电阻R20和电阻R21分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压升高，可控精密稳压源D5阴极到阳极的电流增大，使光耦U5输出三极管电流增大，即PWM控制芯片U2的COMP引脚对地的分流变大，PWM控制芯片U2输出脉宽相应变窄，输出电压减小。同样地，如果输出电压减小，可通过反馈调节使之升高。
在本实用新型中，分压比较子电路对输入电压VIN+及参考电压Vref分别分压后进行比较，当输入电压VIN+分压后得到的电压小于或等于参考电压Vref分压后得到的电压时，电压比较器U1输出低电平，经过逻辑子电路控制使得PWM控制子电路中PWM控制芯片U2的COMP引脚拉低，PWM控制芯片U2输出关断，此时内部电源电压VCC通过二极管D1到达OUT端，将将Buck子电路中的开关管Q3打开，主功率回路导通，电路输出端跟随输入端电压变化；当输入电压VIN+分压后得到的电压大于参考电压Vref分压后得到的电压时，电压比较器U1输出高电平，经过逻辑子电路控制使得PWM控制子电路中PWM控制芯片U2的COMP引脚拉高，PWM控制芯片U2的OUT引脚输出PWM波形，对Buck子电路中的开关管Q3进行脉宽调制，此时主功率进入BUCK电路工作模式，将电压降至后端电压转换电路的正常工作电压范围。
关于电路中的参数：
假设已知条件：后端电压转换电路正常工作电压范围为18V～40V，最大工作电流20A，需要承受的浪涌电压为0V/1s。参考电压Vref为固定5V电压，给定电阻R3＝R4＝4.7k，则电压比较器U1的反向输入端电压值为2.5V。给定R2阻值，计算当输入电压VIN+为40V，电压比较器U1的同向输入端电压值为2.5V时电阻R1的阻值。当输入电压VIN+小于40V时，电压比较器U1输出端输出低电平，主电路输出电压跟随输入电压。反之电压比较器U1输出高电平，主电路进入BUCK电路模式，将高于40V～80V的电压调制至36V，满足电压转换电路正常工作电压范围为18V～40V。此时设定BUCK电路的开关频率200kHz，根据假设的已知条件计算出电感L、开关Q3、二极管D4(也称续流管)等主要元器件参数。
例如，当主电路进入BUCK调制模式后，根据BUCK电路工作原理将40V～80V的电压调制至36V。
根据工作电压范围和工作电流选择开关管Q3、二极管D4、电容C8的参数；
根据BUCK电路传递函数VO＝VIN×DON可得到占空比DON，DONmax＝VO/VINmin，DONmin＝VO/VINmax；其中，VO为输出电压(即图3中Vout+与Vout-之间的电压)，VIN为输入电压(即图3中的VIN+)，DONmax为最大占空比，DONmin为最小占空比，VINmin为最小输入电压，VINmax为最大输入电压。
根据公式VO＝L×Δi×fSW/(1-DON)求出电感L的电感量，其中Δi＝30％×IO，IO为输出电流，fSW为开关频率；当DON取最小值时，电感L的电感量最大。
本实用新型提供的抗浪涌电压电路将浪涌电压限制在额定电压范围内，使得开关电源在浪涌电压的工作过程中避免因超出额定耐电压而造成开关电源内部元器件损伤进而损坏电源，可以避免造成不必要的损失和后果。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：包括分压比较子电路、逻辑子电路、PWM控制子电路和Buck子电路；所述分压比较子电路的一输入端接入输入电压VIN+，所述分压比较子电路的另一输入端接入参考电压Vref，所述分压比较子电路的输出端与所述逻辑子电路的输入端连接，所述逻辑子电路的输出端与所述PWM控制子电路的输入端连接，所述PWM控制子电路的输出端与所述Buck子电路的受控端连接，所述Buck子电路的输入端接入所述输入电压VIN+，所述Buck子电路的接地端接地，所述Buck子电路的输出端用于输出给外部负载供电的外部供电压。
2.根据权利要求1所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述分压比较子电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3和电压比较器U1；所述电阻R1的一端为所述分压比较子电路的一输入端并接入输入电压VIN+，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R2的一端、所述电容C1的一端以及所述电压比较器U1的正向输入端连接，所述电阻R2的另一端以及所述电容C1的另一端均接地；所述电阻R3的一端为所述分压比较子电路的另一输入端并接入参考电压Vref，所述电阻R3的另一端分别与所述电阻R4的一端、所述电容C2的一端以及所述电压比较器U1的负向输入端连接，所述电阻R4的另一端以及所述电容C2的另一端均接地；所述电压比较器U1的电源端接入内部电源电压VCC的同时还通过所述电容C3接地，所述电压比较器U1的接地端接地，所述电压比较器U1的输出端为所述分压比较子电路的输出端并与所述逻辑子电路的输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述逻辑子电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、三极管Q1和三极管Q2；所述电阻R5的一端为所述逻辑子电路的输入端并与所述分压比较子电路的输出端连接，所述电阻R5的另一端分别与所述电阻R6的一端以及所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极通过所述电阻R7接入内部电源电压VCC，所述三极管Q1的集电极还通过所述电阻R8连接所述三极管Q2的基极，所述三极管Q2的基极通过电阻R9接地，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极通过所述电阻R10接入内部电源电压VCC。
4.根据权利要求3所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述PWM控制子电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和PWM控制芯片U2，所述PWM控制芯片U2的型号为UC2843B；所述二极管D1的正极连接在所述三极管Q1的集电极上，所述二极管D2的负极连接在所述三极管Q2的集电极上，所述二极管D2的正极连接在所述PWM控制芯片U2的COMP引脚上，所述PWM控制芯片U2的VFB引脚接地，所述PWM控制芯片U2的RT/CT引脚通过所述电容C4接地，所述PWM控制芯片U2的RT/CT引脚与CSI引脚之间连接有所述电容C5和所述电阻R11，且所述电容C5和所述电阻R11并联，所述PWM控制芯片U2的CSI引脚通过所述电阻R12接入参考电压Vref，所述PWM控制芯片U2的CSI引脚通过所述电阻R13接入输入电压VIN+，所述PWM控制芯片U2的RT/CT引脚通过所述电阻R14接入参考电压Vref，所述PWM控制芯片U2的Vref引脚用于输出参考电压Vref的同时还通过所述电容C6接地，所述PWM控制芯片U2的VCC引脚接入内部电源电压VCC的同时还通过所述电容C7接地，所述PWM控制芯片U2的GND引脚接地，所述PWM控制芯片U2的OUT引脚与所述二极管D3的正极连接，所述二极管D3的负极与所述二极管D1的负极连接后作为所述PWM控制子电路的输出端。
5.根据权利要求4所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述Buck子电路包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、开关管Q3、二极管D4、电感L和电容C8；所述电阻R15的一端为所述Buck子电路的受控端并与所述PWM控制子电路的输出端连接，所述电阻R15的另一端与所述开关管Q3的栅极连接，所述电阻R15的另一端通过所述电阻R6与所述开关管Q3的源极连接，所述开关管Q3的源极与所述电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端为所述Buck子电路的接地端并接地，所述开关管Q3的漏极分别与所述二极管D4的正极以及所述电感L的一端连接，所述二极管D4的负极为所述Buck子电路的输入端并接入输入电压VIN+，所述电感L的另一端与所述电容C8的一端连接后作为所述Buck子电路的输出端负极Vout-，所述电容C8的另一端与所述二极管D4的负极连接后作为所述Buck子电路的输出端正极Vout+。
6.根据权利要求5所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述抗浪涌电压电路还包括电压反馈子电路，所述电压反馈子电路的输入端与所述Buck子电路的输出端连接，所述电压反馈子电路的输出端与所述PWM控制子电路的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述电压反馈子电路包括电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、可控精密稳压源D5和光耦U5；所述电阻R20和所述电阻R21串联在所述Buck子电路的输出端正极Vout+以及输出端负极Vout-之间，所述电阻R22和所述电阻R23串联在所述Buck子电路的输出端正极Vout+以及输出端负极Vout-之间，所述电阻R20和所述电阻R21的公共连接端以及所述电阻R22和所述电阻R23的公共连接端均依次通过所述电阻R24、所述电容C12以及所述电阻R25连接在所述光耦U5的发光器负极上，所述电阻R24和所述电容C12的公共连接端通过所述电容C11连接在所述可控精密稳压源D5的阳极上，所述可控精密稳压源D5的参考极连接在所述电阻R24和所述电容C12的公共连接端上，所述可控精密稳压源D5的阴极连接在所述光耦U5的发光器负极上，所述光耦U5的发光器正、负极之间连接有所述电阻R26，所述光耦U5的发光器正极通过所述电阻R27连接在所述Buck子电路的输出端正极Vout+上，所述光耦U5的受光器集电极连接在所述PWM控制芯片U2的COMP引脚上，所述光耦U5的受光器集电极通过所述电容C13接地，所述光耦U5的受光器集电极还依次通过所述电阻R28以及所述电容C14接地。
8.根据权利要求5所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述抗浪涌电压电路还包括用于产生内部电源电压VCC的内部电源电压产生子电路，所述内部电源电压产生子电路的输入端与所述Buck子电路的输出端连接，所述内部电源电压产生子电路的输出端用于输出内部电源电压VCC。
9.根据权利要求8所述的电源的抗浪涌电压电路，其特征在于：所述内部电源电压产生子电路包括三端稳压芯片U3、电容C9、电容C10、电阻R18、电阻R19和光耦U4；所述三端稳压芯片U3的GND引脚与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述三端稳压芯片U3的Vin引脚与所述Buck子电路的输出端正极Vout+连接，所述三端稳压芯片U3的Vin引脚还通过所述电容C9与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述三端稳压芯片U3的Vout引脚通过所述电容C10与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述三端稳压芯片U3的Vout引脚还通过所述电阻R18与所述光耦U4中的发光器正极连接，所述光耦U4中的发光器负极与所述Buck子电路的输出端负极Vout-连接，所述光耦U4中的发光器正、负极之间连接有所述电阻R19，所述光耦U4中的受光器发射极接地，所述光耦U4中的受光器集电极用于输出内部电源电压VCC。
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