CN219659472U - 一种掉电保护电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种掉电保护电路及开关电源，掉电保护电路具体包括储能电容充电电路、储能电容放电电路、检测控制电路。在产品正常工作时，变压器耦合电压输入到充电电路，给储能电容C3充电，当产品输入电源断开后检测控制电路检测产品输入电压下降到设定值，触发控制电路驱动开关管Q1导通，实现电容C1能量的释放，继续维持产品工作一段时间。加入的充放电电路以及控制电路对于产品正常工作状态没有任何影响，但在输入能量被切断时，外置电容存储的电容及时接入维持产品继续工作。本实用新型可以实现了输入掉电产品保持时间的延长，并且冲击电流小、效率高、电路结构简单、可靠性高。

Description

一种掉电保护电路及开关电源

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，特别涉及需要掉电保持时间的超宽输入电压范围的开关电源领域。

背景技术

现在几乎所有的电子设备都需要供电系统开关电源作为能量转换的关键模块，在有些可靠性要求高的领域，比如铁路电源。为了电子设备的的可靠运行，要求在供电被切断时，即开关电源输入电压突然掉电时，仍然能维持一定的时间输出能量，电子设备需进行掉电状态数据的存储且有序切换到备用电源，因此要求开关电源系统有较长的掉电保持时间。例如在铁路电源领域，要求掉电保持时间不小于10ms。

现有技术中，大功率产品通常采用两种方式来实现维持较长的掉电保持时间，第一种方案采用两级拓扑串联的方式，前级采用boost升压电路将输入电压抬升至一定的值，后级采用正常的拓扑进行变换，比如反激、正激、全桥等。外置的储能电容接在两级拓扑的中间节点，即BOOST升压电路的输出端，当输入能量切断后，外置储能电容可以继续给后级提供能量实现掉电保持时间。虽然存储的能量提升很多，但是因为两级串联，电路负载，可靠性较低，更致命的是效率较单级方案会低很多，产品体积和性能的优势会完全丧失。。

第二种方案采用单级方案+专门的掉电电路实现，掉电电路可以是BUCK，BOOST或者变压器绕组电压给外置储能电容充电，当输入能量切断后，外置储能电容通过掉电控制电路接入主功率，给主功率提供能量维持输出电压。为了实现掉电逻辑控制，通常在主功率电流走线串联二极管，用于检测掉电电压切入。虽然检测方式逻辑清晰，但对于输入电流大的电源产品极其不友好，低电压输入时效率低，串联的二极管温升高，使得产品低电压输入时效率和散热性能无优势。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出的掉电保护电路，应用于采用单级拓扑的开关电源，无需输入串联二极管作检测，也可实现掉电保持时间的延长，同时效率高、电路结构简单、可靠性高且易于实现高功率密度模块化。

本实用新型提供的技术方案如下：

第一方面，提供一种掉电保护电路，应用于开关电源，所述开关电源包括单级拓扑的主功率电路、欠压控制电路，所述掉电保护电路包括储能电容充电电路、储能电容放电电路以及检测控制电路；所述储能电容充电电路包括辅助绕组、二极管D3、电容C4、子充电电路；所述储能电容放电电路包括二极管D1、二极管D2、开关管Q1、储能电容C3；

二极管D1的阴极与所述主功率电路的输入端连接，设为A点，阳极与开关管Q1的第二端连接，设为B点；开关管Q1的第一端与储能电容C3的正极、子充电电路的第一端连接；子充电电路的第二端与电容C4的一端、二极管D3的阴极连接；二极管D3的阳极与辅助绕组的异名端连接；辅助绕组与所述主功率电路的原边绕组并联；辅助绕组的同名端、电容C4的一端、储能电容C3的负极接地；所述检测控制电路与A点、B点和开关管Q1的控制端、所述欠压控制电路连接，用于检测A点电压和B点电压，并对A点电压进行处理，在处理后的A点电压低于所述检测控制电路的基准电压REF1或B点电压为高电平时，控制开关管Q1导通，在B点电压为低电平时，控制开关管Q1关断，在A点电压低于所述检测控制电路的基准电压REF2时，输出欠压控制信号至所述欠压控制电路，其中，基准电压REF1大于基准电压REF2。

优选地，所述储能电容放电电路还包括二极管D2，开关管Q1的第一端通过二极管D2与储能电容C3的正极、子充电电路的第一端连接，其中，开关管Q1的第一端与二极管D2的阴极连接。

第二方面，提供一种掉电保护电路，应用于开关电源，所述开关电源包括单级拓扑的主功率电路、欠压控制电路，所述掉电保护电路包括储能电容充电电路、储能电容放电电路以及检测控制电路；所述储能电容充电电路包括辅助绕组、二极管D3、电容C4、子充电电路；所述储能电容放电电路包括二极管D1、二极管D2、开关管Q1、储能电容C3；

二极管D1的阴极与所述主功率电路的输入端连接，设为A点，阳极与储能电容C3的正极、子充电电路的第一端连接，设为B点；储能电容C3的负极与开关管Q1的第二端、电容C4的一端、辅助绕组的同名端连接；开关管Q1的第一端接地；子充电电路的第二端与电容C4的另一端、二极管D3的阴极连接；二极管D3的阳极与辅助绕组的异名端连接；辅助绕组与所述主功率电路的原边绕组并联；所述检测控制电路与A点、B点和开关管Q1的控制端、所述欠压控制电路连接，用于检测A点电压和B点电压，并对A点电压进行处理，在处理后的A点电压低于检测控制电路的基准电压REF1或B点电压为高电平时，控制开关管Q1导通，在B点电压为低电平时，控制开关管Q1关断，在A点电压低于检测控制电路的基准电压REF2时，输出欠压控制信号至所述欠压控制电路，其中，基准电压REF1大于基准电压REF2。

优选地，所述检测控制电路包括：分压电路、比较电路、高电平维持电路、驱动电路；

所述分压电路的第一端与所述主功率电路的输入端连接，第二端与所述比较电路的输入端连接，第三端接地，用于检测主功率电路的A点电压，并对A点电压进行分压；

所述比较电路的第一输出端与驱动电路的输入端连接，第二输出端与所述开关电源的欠压控制引脚连接，用于将分压后的A点电压与基准电压REF1比较，当判定分压后的A点电压小于基准电压REF1时，生成高电平至所述驱动电路，当判定分压后的A点电压大于基准电压REF1时，生成低电平至所述驱动电路；

所述高电平维持电路的输入端与B点连接，输出端与所述驱动电路的输入端连接，用于当B点电压为高电平时，生成高电平至所述驱动电路，当B点电压为低电平时，生成低电平至所述驱动电路；

所述驱动电路的输出端与开关管Q1的控制端连接，用于在输出端为高电平时，控制开关管Q1导通，在输出端为低电平时，控制开关管Q1关断。

优选地，所述高电平维持电路包括电阻R3、电阻R4、稳压二极管D7、二极管D6；电阻R3一端作为所述高电平维持电路的输入端，连接B点，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端、稳压管D7的阴极以及二极管D6的阳极，电阻R4的另一端、稳压管D7的阳极接地，二极管D6的阴极作为所述高电平维持电路的输出端连接驱动电路的输入端。

优选地，所述分压电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端作为所述分压电路的第一端，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端后，作为所述分压电路的第二端，电阻R2的另一端作为所述分压电路的第三端。

优选地，所述比较电路包括比较器U1B、比较器U1A和二极管D5；比较器U1B的负输入端与比较器U1A的正输入端连接后作为所述比较电路的第一输入单，比较器U1B的正输入端接入基准电压REF1，比较器U1B的输出端连接二极管D5的阳极，二极管D5的阴极作为所述比较电路的第一输出端；比较器U1A的负输入端接入基准电压REF2，比较器U1A的输出端作为所述比较电路的输出端连接欠压控制电路。

优选地，所述子充电电路是一根导线或者一个电阻或者一个电感或者升压电路。

第三方面，提供一种开关电路，包括互相连接的单级拓扑的主功率电路、欠压控制电路和如上所述的掉电保护电路。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、无需在输入主功率走线上串二极管做逻辑识别电路，有利于大电流输入产品实现掉电保持功能，显著得优化了低压大电流产品效率和散热；

2、由于给储能电容储能的过程和掉电保护电路没有影响主功率电路工作，因此不会带来效率和可靠性降低的问题；

3、由于储能电容存储的能量不会受到输入电压的变化而变化，非常适合超宽输入电压而且有低压输入情况存在的电源解决方案；

4、对于隔离型DC-DC变换器，辅助绕组与副边绕组耦合，采用单级式拓扑实现电路逻辑，相对于两级方案而言，电路可靠性和效率均大幅提高。

附图说明

图1为第一实施例所述开关电源的原理图；

图2为第二实施例所述开关电源的原理图；

图3为第三实施例所述开关电源的原理图。

具体实施方式

本实用新型的目的是这样实现的，在单级拓扑的开关电源中，比如反激电路，开关电源的原边绕组并联一个辅助绕组来耦合输出电压，通过匝比变换将耦合的电压通过半波整流，然后通过子充电电路,如升压电路，将电压冲至恒定不变的值，因为输出电压恒定，耦合的电压也保持基本恒定，在经过子充电电路的电压环反馈，就保证了子充电电路的输出电压不随输入电压变化而变化，在产品正常工作时，对开关管Q1串联电联接的储能电容C3进行充电储能；当输入电压跌出正常输入范围时，控制开关管Q1导通，使储能电容C3存储的能量通过开关管Q1释放到开关电源的输入端。对于储能电容C3的放电回路设计有三种方式，对应的有三种放电电路，后面实时案例主要详述三种放电电路逻辑。

为了使得本领域的技术人员更好地理解本实用新型，以下结合具体的实施电路对本实用新型进行进一步说明。

第一实施例

如图1所示，为本实施例所述开关电源的原理图，本实施例所述的主功率电路为单级拓扑的反激电路，在单级拓扑的反激电路的基础上增加了储能电容充电电路、储能电容放电电路、检测控制电路。

所述储能电容充电电路包括辅助绕组、二极管D3、电容C4、子充电电路；所述储能电容放电电路包括二极管D1、二极管D2、开关管Q1、储能电容C3；

二极管D1的阴极与所述主功率电路的输入端连接，设为A点，阳极与开关管Q1的第二端连接，设为B点；开关管Q1的第一端与储能电容C3的正极、子充电电路的第一端连接；子充电电路的第二端与电容C4的一端、二极管D3的阴极连接；二极管D3的阳极与辅助绕组的异名端连接；辅助绕组与所述主功率电路的原边绕组并联；辅助绕组的同名端、电容C4的一端、储能电容C3的负极接地；所述检测控制电路与A点、B点和开关管Q1的控制端、所述欠压控制电路连接，用于检测A点电压和B点电压，并对A点电压进行处理，在处理后的A点电压低于所述检测控制电路的基准电压REF1或B点电压为高电平时，控制开关管Q1导通，在B点电压为低电平时，控制开关管Q1关断，在A点电压低于所述检测控制电路的基准电压REF2时，输出欠压控制信号至所述欠压控制电路，其中，基准电压REF1大于基准电压REF2。

在本实施例中，所述检测控制电路包括：分压电路、比较电路、高电平维持电路、驱动电路；

具体的，检测控制电路对A点电压进行处理具体为分压电路对A点电压进行分压；所述分压电路的第一端与所述主功率电路的输入端连接，第二端与所述比较电路的输入端连接，第三端接地，用于检测主功率电路的A点电压，并对A点电压进行分压；

所述比较电路的第一输出端与驱动电路的输入端连接，第二输出端与所述开关电源的欠压控制引脚连接，用于将分压后的A点电压与基准电压REF1比较，当判定分压后的A点电压小于基准电压REF1时，生成高电平至所述驱动电路，当判定分压后的A点电压大于基准电压REF1时，生成低电平至所述驱动电路；

所述高电平维持电路的输入端与B点连接，输出端与所述驱动电路的输入端连接，用于当B点电压为高电平时，生成高电平至所述驱动电路，当B点电压为低电平时，生成低电平至所述驱动电路；

具体的，B点正常无电压，只有开关管Q1导通了，储能电容C3的电压才能传到B点，从而，当开关管Q1导通后，B点电压为高电平，当开关管Q1关断后，B点无电压，为低电平。

所述驱动电路的输出端与开关管Q1的控制端连接，用于在输入端为高电平时，控制开关管Q1导通，在输入端为低电平时，控制开关管Q1关断。

分压电路包括电阻R1和电阻R2，比较电路包括比较器U1B、比较器U1A和二极管D5，高电平维持电路包括电阻R3、电阻R4、稳压二极管D7、二极管D6；R1的一端连接产品的输入正A点，R1的另一端连接R2的一端以及比较器U1B的负输入端和比较器U1A的正输入端，R2的另一端连接输入地。比较器U1B的正输入端连接基准电压REF1，比较器U1B的输出端连接二极管D5的阳极，二极管D5的阴极连接驱动电路的输入端E点。比较器U1A的负输入端连接基准电压REF2，比较器U1A的输出端连接产品的欠压控制引脚。驱动电路的输出端连接开关管Q1的栅极。高电平维持电路包括电阻R3、电阻R4、稳压二极管D7、二极管D6，电阻R3一端连接B点，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端、稳压管D7的阴极以及二极管D6的阳极，电阻R4的另一端、稳压管D7的连接输入地，二极管D6的阴极连接驱动电路的输入端E点。

具体的，当开关管Q1导通后，检测到B点电压为高电平时，通过高电平维持电路的电阻分压，稳压二极管D7稳压得到高电平输入到驱动电路，当开关管Q1关闭时，B点与储能电容C3断开，B点接地，高电平维持电路无输入。

具体的，储能电容放电电路的开关管可以是任何器件，只要能实现控制信号能将放电回路切断即可，比如MOS管、IGBT、可控硅、继电器等。

具体的，比较器的特征在于，不局限于比较器的种类，能实现比较功能即可，可以是集成IC，比如LM2904,可以是任何分立元件搭建的具有比较功能的单元电路。

本实施例的工作原理如下：

储能电容C3通过子充电电路充满电后，充电回路处于开路状态，当输入端电源断开后，输入端电压A点的电压会降低，检测控制电路中的分压电路对A点电压进行分压，在检测到分压后的A点电压低于基准电压REF1后，比较器U1B输出一个高电平通过驱动电路驱动开关管Q1,储能电容的能量通过开关管Q1和二极管D1释放到产品输入端A点，使得A，B点电平升高，这时比较器U1B输出端电平又会翻转为低电平，关断开关管Q1，但是由于有高电平维持电路的存在，开关管Q1将被持续打开，直到产品欠压关断。控制逻辑如下，当B点电平升高以后，经过R3，R4电阻分压，稳压管D7钳位，会使E点产生一个稳定的高电平，继续为驱动电路的输入端提供高电平，维持开关管Q1一直导通，储能电容C3的能量一直释放，产品输入端A点电平持续降低，当分压后的A点电压低于基准电压REF2后，触发欠压保护，比较器U1A的输出端输出一个低电平至欠压控制电路，关断产品，实现整个掉电延时控制。

第二实施例

本实施例如图2所示，与第一实施例的区别是：储能电容放电电路不同，储能电容充电电路、检测控制电路和控制逻辑与第一实施例相同，具体区别如下：

储能电容放电电路还包括二极管D2，二极管D2的阳极和储能电容C3的正极连接，储能电容C3的负极和输入地连接，二极管D2的阴极和开关管Q1的漏极连接，开关管Q1的源极同时和二极管D1的阳极、检测控制电路的输入端B连接，二极管D1的阴极和产品的输入正连接。

本实施例的工作原理与第一实施例一致

第三实施例

本实施例如图3所示，与第一实施例的区别是：储能电容放电电路、储能电容充电电路不同，检测控制电路和控制逻辑与第一实施例相同，具体区别如下：

储能电容充电电路包括辅助绕组、二极管D3、电容C4、子充电电路，储能电容放电电路包括二极管D1、二极管D2、开关管Q1、储能电容C3；辅助绕组3-4的4端和副边绕组5-6的6端互为同名端并且连接电容C4的负极、开关管Q1的源极，3端和副边绕组的5端互为同名端并且连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极和电容C4的一端、子充电电路的第二端连接，电容C4的另一端和辅助绕组3-4的4端、储能电容C3的负极和开关管Q1的漏极连接。二极管D1的阴极连接A点，二极管D1的阳极和子充电电路的第一端、储能电容C3的正极、检测控制电路的输入端B连接，开关管Q1的漏极和输入地连接。

以上仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，例如，单级拓扑的修改，变压器T1同名端的修改，开关管Q1更改为其他可以实现形同功能的器件，比如，MOS管、IGBT、可控硅、继电器等，对于实现这一功能的所有电路的更改，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种掉电保护电路，应用于开关电源，所述开关电源包括单级拓扑的主功率电路、欠压控制电路，其特征在于，所述掉电保护电路包括储能电容充电电路、储能电容放电电路以及检测控制电路；所述储能电容充电电路包括辅助绕组、二极管D3、电容C4、子充电电路；所述储能电容放电电路包括二极管D1、二极管D2、开关管Q1、储能电容C3；

二极管D1的阴极与所述主功率电路的输入端连接，设为A点，阳极与开关管Q1的第二端连接，设为B点；开关管Q1的第一端与储能电容C3的正极、子充电电路的第一端连接；子充电电路的第二端与电容C4的一端、二极管D3的阴极连接；二极管D3的阳极与辅助绕组的异名端连接；辅助绕组与所述主功率电路的原边绕组并联；辅助绕组的同名端、电容C4的一端、储能电容C3的负极接地；所述检测控制电路与A点、B点和开关管Q1的控制端、所述欠压控制电路连接，用于检测A点电压和B点电压，并对A点电压进行处理，在处理后的A点电压低于所述检测控制电路的基准电压REF1或B点电压为高电平时，控制开关管Q1导通，在B点电压为低电平时，控制开关管Q1关断，在A点电压低于所述检测控制电路的基准电压REF2时，输出欠压控制信号至所述欠压控制电路，其中，基准电压REF1大于基准电压REF2。

2.根据权利要求1所述的掉电保护电路，其特征在于，所述储能电容放电电路还包括二极管D2，开关管Q1的第一端通过二极管D2与储能电容C3的正极、子充电电路的第一端连接，其中，开关管Q1的第一端与二极管D2的阴极连接。

3.一种掉电保护电路，应用于开关电源，所述开关电源包括单级拓扑的主功率电路、欠压控制电路，其特征在于，所述掉电保护电路包括储能电容充电电路、储能电容放电电路以及检测控制电路；所述储能电容充电电路包括辅助绕组、二极管D3、电容C4、子充电电路；所述储能电容放电电路包括二极管D1、二极管D2、开关管Q1、储能电容C3；

二极管D1的阴极与所述主功率电路的输入端连接，设为A点，阳极与储能电容C3的正极、子充电电路的第一端连接，设为B点；储能电容C3的负极与开关管Q1的第二端、电容C4的一端、辅助绕组的同名端连接；开关管Q1的第一端接地；子充电电路的第二端与电容C4的另一端、二极管D3的阴极连接；二极管D3的阳极与辅助绕组的异名端连接；辅助绕组与所述主功率电路的原边绕组并联；所述检测控制电路与A点、B点和开关管Q1的控制端、所述欠压控制电路连接，用于检测A点电压和B点电压，并对A点电压进行处理，在处理后的A点电压低于检测控制电路的基准电压REF1或B点电压为高电平时，控制开关管Q1导通，在B点电压为低电平时，控制开关管Q1关断，在A点电压低于检测控制电路的基准电压REF2时，输出欠压控制信号至所述欠压控制电路，其中，基准电压REF1大于基准电压REF2。

4.根据权利要求1-3任一项所述的掉电保护电路，其特征在于，所述检测控制电路包括：分压电路、比较电路、高电平维持电路、驱动电路；

所述分压电路的第一端与所述主功率电路的输入端连接，第二端与所述比较电路的输入端连接，第三端接地，用于检测主功率电路的A点电压，并对A点电压进行分压；

所述比较电路的第一输出端与驱动电路的输入端连接，第二输出端与所述开关电源的欠压控制引脚连接，用于将分压后的A点电压与基准电压REF1比较，当判定分压后的A点电压小于基准电压REF1时，生成高电平至所述驱动电路，当判定分压后的A点电压大于基准电压REF1时，生成低电平至所述驱动电路；

所述高电平维持电路的输入端与B点连接，输出端与所述驱动电路的输入端连接，用于当B点电压为高电平时，生成高电平至所述驱动电路，当B点电压为低电平时，生成低电平至所述驱动电路；

所述驱动电路的输出端与开关管Q1的控制端连接，用于在输出端为高电平时，控制开关管Q1导通，在输出端为低电平时，控制开关管Q1关断。

5.根据权利要求4所述的掉电保护电路，其特征在于，所述高电平维持电路包括电阻R3、电阻R4、稳压二极管D7、二极管D6；电阻R3一端作为所述高电平维持电路的输入端，连接B点，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端、稳压管D7的阴极以及二极管D6的阳极，电阻R4的另一端、稳压管D7的阳极接地，二极管D6的阴极作为所述高电平维持电路的输出端连接驱动电路的输入端。

6.根据权利要求4所述的掉电保护电路，其特征在于，所述分压电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端作为所述分压电路的第一端，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端后，作为所述分压电路的第二端，电阻R2的另一端作为所述分压电路的第三端。

7.根据权利要求4所述的掉电保护电路，其特征在于，所述比较电路包括比较器U1B、比较器U1A和二极管D5；比较器U1B的负输入端与比较器U1A的正输入端连接后作为所述比较电路的第一输入单，比较器U1B的正输入端接入基准电压REF1，比较器U1B的输出端连接二极管D5的阳极，二极管D5的阴极作为所述比较电路的第一输出端；比较器U1A的负输入端接入基准电压REF2，比较器U1A的输出端作为所述比较电路的输出端连接欠压控制电路。

8.根据权利要求1-3任一项所述的掉电保护电路，其特征在于，所述子充电电路是一根导线或者一个电阻或者一个电感或者升压电路。

9.一种开关电路，其特征在于，包括互相连接的单级拓扑的主功率电路、欠压控制电路和如权利要求1-8任一项所述的掉电保护电路。