CN2572664Y - 具短路保护的开关电源 - Google Patents

Abstract

一种具短路保护的开关电源，包括输入整流滤波电路、自激振荡电路、浪涌电压吸收电路、变压器、短路保护电路、次级整流滤波电路、次级稳压电路和反馈控制电路，浪涌电压吸收电路并联在变压器初级绕组TIA的两端，反馈控制电路主要通过一对光电耦合器U1－A、U1－B将反馈控制信号输入自激振荡电路用于控制开关晶体管的通断，实现恒流或恒压控制，通过设置短路保护电路，有效防止对充电电容C4加速充电，使短路时功率变小，安全可靠。本实用新型提供了一种不需要专用脉宽集成控制器、开机及持续操作电流小、线路简单、实现恒压输出且具短路保护的恒压开关电源。

Description

具短路保护的开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种开关电源，尤其是一种具有一个周期性地接转施加到变压器初级绕组电压的开关型电源。该开关电源容许很宽的电压输入范围，适应全球不同地区的电压要求，适合于一般的直流电源或充电电源，特别适用于无绳电话的充电电源，以及MD、CD和电子手账等的电源。

背景技术

一般的开关电源都是采用专用的脉宽集成控制器，例如在电子工业出版社《新型开关电源实用技术》第62、63页所介绍的开关电源——应用脉宽集成控制器UC3842，它是应用电流控制(Current ModeControl)PM的集成电路。其存在的不足在于：1、需要专用脉宽集成控制器，制作成本高；2、需要比较大的开机及持续操作电流；3、外围器件要求较多，不利于微型化。

发明内容

本实用新型的目的意在克服上述现有技术的不足，提出一种不需要专用脉宽集成控制器、开机及持续操作电流小、线路简单且具有短路保护的开关电源。

实现上述目的的技术方案：一种具短路保护的开关电源，包括输入整流滤波电路、变压器、自激振荡电路、短路保护电路和次级整流滤波电路，其中：

变压器T由初级绕组T1-A、初级绕组T1-B和次级绕组T1-C组成；

输入整流滤波电路的输出接初级绕组T1-A；

自激振荡电路由R2、C4、R7~R10、R5、C5变压器初级绕组T1-B、开关晶体管Q2、Q1和二极管D8连接组成，初级绕组T1-B的一端接地，另一端经电阻R7、电容C4、电阻R2接输入整流滤波电路的输出，开关晶体管Q2的输入与电容C4、电阻R2和D8的阳极并接，开关晶体管Q2的输出串接初级绕组T1-A并经R9接地，D8的阴极接晶体管Q1的集极，晶体管Q1的射极并联电阻R5和电容C5后接地，晶体管Q1的基极并接电阻R8、R10，电阻R8的另一端并接R7和C4，电阻R10的另一端经电阻R9接地；

短路保护电路包括电阻R19、电容C13和二极管D10，电阻R19的一端接开关晶体管Q2的栅极，电阻R19的另一端接二极管D10的阴极和电容C13的一端，二极管D10的阳极接地，C13的另一端并接R7和C4；

变压器次级绕组T1-C的输出接次级整流滤波电路，经次级整流滤波电路整流、滤波后输出开关电源。

设置反馈控制电路，反馈控制电路由光电偶合器U1-A、U1-B、电阻R11、电容C12、二极管D6和D7组成，次级整流滤波电路的输出经光电偶合器U1-A、电阻R11接次级稳压电路，充电电容C12的一端接地，另一端并接D6、D7的阳极和光电偶合器U1-B，D6的另一端并接电阻R7和电容C4，D7的阴极和光电偶合器U1-B的另一端并接晶体管Q1的射极。

设置初级稳压电路，初级稳压电路由初级绕组T1-B、电容C12、二极管D6、D7和稳压管组成，充电电容C12的一端接地，另一端并接二极管D6、D7和稳压管的阳极，二极管D6的阴极并接R7、C4，二极管D7的阴极和稳压管的阴极并接晶体管Q1的射极。

所述次级稳压电路包括由R14、R15、C8、R16、R18和U2构成的恒压电路，电阻R14和R16的一端并接次级整流滤波电路的输出，R14的另一端接稳压管U2的阴极，R16的另一端经R18接稳压管U2的阳极，串联的R15和C8并接在稳压管U2的阴极和控制极之间。

所述次级稳压电路还包括由三极管Q3、电阻R13、电容C10及限流电阻R12构成的限流控制电路，三极管Q3的集极、基极接电阻R13后分别并接在稳压管U2的两端，电容C10与限流电阻R12并联后接在Q3的射极与基极接电阻R13后的两端，Q3的射极与C7并联后经C11接地。

设置浪涌电压吸收电路，浪涌电压吸收电路并接在变压器初级绕组T1-A的两端。

浪涌电压吸收电路由R3、C3并联后串接R4、D5构成。

次级稳压电路的电压输出接LC低通滤波器。

稳压电路是稳压管。

LC低通滤波器的输出接过压保护稳压管。

按照上述方案制作的开关电源，按回扫变换器原理工作，当开关晶体管被接通，电流流过变压器并将它磁化，当开关晶体管被关断，磁化能量将由变压器偶合到次级，次级的控制电路控制输出为恒压电源或恒流电源。其明显的技术效果在于：1、不需要专用脉宽集成控制器，以最少的元器件实现电流控制PWM的效果。2、设置短路保护电路，使短路时功率变小，安全可靠。3、根据需要，设置反馈控制电路和输出稳压电路，对过压和过流都能提供及时的保护和调节。4、根据需要，设置初级控制电路，实现完全初级控制。5、没有复杂的线路，静态维持工作电流很小，只需要很小的开机及持续操作电流，因而，可选用功耗比较少的小型元件。6、该开关电源用了很少数量的有源及无源器件，因此非常节省费用。同时，由于器件数量很少，所以很容易制作成小型可携带的开关电源，特别适用于无绳电话的充电电源，和MD、CD及电子手账等的电源。7、整个电路的设计可容许很宽的电压输入范围，以适应全球不同地区的电压要求。综上所述，本实用新型是一种有短路保护、小型和廉价的开关电源。

附图说明

图1是本实用新型的一种实现电路图。

图2是另一种输入整流滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明：

实施例：参照图1，一种具短路保护的开关电源，包括输入整流滤波电路、浪涌电压吸收电路、变压器、自激振荡电路、短路保护电路、次级整流滤波电路、次级稳压电路和反馈控制电路。其中：

由R1、D1-D4、C1、L1及C2构成的输入整流滤波电路。由R3、C3、R4、D5构成的浪涌电压吸收电路，浪涌电压吸收电路并接在变压器初级绕组T1-A的两端。由初级绕组T1-A、初级绕组T1-B和次级绕组T1-C组成变压器T。

自激振荡电路由R2、C4、R7~R10、变压器初级绕组T1-B、开关晶体管Q2、Q1和二极管D8连接组成，初级绕组T1-B的一端接地，另一端经电阻R7、电容C4、电阻R2接输入整流滤波电路的输出，开关晶体管Q2的输入与电容C4、电阻R2和D8的阳极并接，开关晶体管Q2的输出串接初级绕组T1-A并经R9接地，D8的阴极接晶体管Q1的集极，晶体管Q1的射极并联电阻R5和电容C5后接地，晶体管Q1的基极并接电阻R8、R10，电阻R8的另一端并接R7和C4，电阻R10的另一端经电阻R9接地。

短路保护电路包括电阻R19、电容C13和二极管D6，电阻R19的一端接开关晶体管Q2的栅极，电阻R19的另一端接二极管D10的阴极和电容C13的一端，二极管D10的阳极接地，C13的另一端并接R7和C4。

反馈控制电路由光电偶合器U1-A、U1-B、电阻R11、电容C12、二极管D6、D7、电阻R5和电容C5组成，充电电容C12的一端接地，另一端并接D6、D7和光电偶合器U1-B，D6的另一端并接R7、C4，晶体管Q1的射极并接D7和光电偶合器U1-B的另一端，开关晶体管Q2是MOS场效应晶体管。由反馈控制电路中的光电偶合器U1-B、电容C12、二极管D6、D7、电阻R5和电容C5与自激振荡电路组成控制开关晶体管Q2的初级控制电路。由D9、C6及C7构成次级整流滤波电路，次级整流滤波电路的输出经光电偶合器U1-A、电阻R11接次级稳压电路。

次级稳压电路包括恒压电路和限流控制电路，由R14、R15、C8、R16、R18和U2构成的恒压电路，电阻R14和R16的一端并接次级整流滤波电路的输出，R14的另一端接稳压管U2的阴极，R16的另一端经R18接稳压管U2的阳极，串联的R15和C8并接在稳压管U2的阴极和控制极之间。由反馈控制电路中的光电偶合器U1-A、电阻R11和恒压电路连接构成次级控制电路。限流控制电路由三极管Q3、电阻R13、电容C10及限流电阻R12连接而成，三极管Q3的集极、基极接电阻R13后分别并接在稳压管U2的两端，电容C10与限流电阻R12并联后接在Q3的射极与基极接电阻R13后的两端，Q3的射极与C7并联后经C11接地。此外，电容C10也可并接在Q3的射极与基极之间。次级控制电路的输出设置滤波电路，滤波电路由L2、C9构成一个低通LC滤波器，其谐振频率远低于开关频率，可把输出电流的纹波降至很低，稳压管Z1作为输出过压保护，以防止过高的输出电压。

开关晶体管Q2在工作期间含有一个接通阶段和一个关断阶段，本开关电源由供电绕组T1-B、初级控制电路和次级控制电路实现恒压或恒流输出。

恒流输出：当开关电源工作时，输出电流流经电源检测电阻R12，当电流上升使R12上的电压升至Q3的导通电压(大约0.65V)，Q3导通，通过反馈控制电路，透过一对光偶U1-A和U1-B，向初级控制电路发出控制信号，Q1逐步导通，使开关晶体管Q2的脉宽减少，次级绕组T1-C输出电压减小，从而使输出电流维持在一个恒定值。

自激振荡：开关晶体管Q2在接通期间，经由一个高阻电阻器R2、一个初级绕组T1-B、一个电容器C4，低阻电阻器R7续步接通。首先，电容器C4经R2充电，当C4上的电压上升至Q2导通电压，Q2即开始导通。随着初级绕组T1-B的正反馈作用，开关晶体管Q2进入深层导通，变压器初级绕组T1-A的电流开始上升，这电流同时流经Q2及R9，当R9上的电压上升至令Q1导通，Q2栅极上的电压减少而令开关晶体管Q2截止，初级绕组T1-B产生一个负电压使Q2加速截止。同时，储存在变压器T中的能量亦开始透过次级绕组T1-C、D9、C6向C7释放，直至变压器所有能量释放完毕，开关晶体管Q2又再重新导通，这样就完成一个振荡周期。若除去恒流控制电路(R13、C10及Q3)，则输出短路时，C13、D10及R19就会发挥短路保护功能，因为正常的工作频率由加速充电电阻R19及C13的电压决定。当输出短路时，T1C两端的电压很小，因而T1B两端的电压及C13的电压变得很小，输出频率及功率变小。

恒压输出：次级控制电路透过R16、R18组成的分压器对输出电压进行检测，若电压过高，U2的阴极电压会下降，光电偶合器U1-A及U1-B的电流上升，Q1提早导通而引致Q2的脉宽下降。透过这个反馈控制电路，输出电压会固定在预先设计的位置。

具短路保护的开关电源的工作过程：当该开关电源接到市电上去，电容器C1及C2立即被充电至电源电压的峰值，电源电压经串联的R2、C4、R7对初级绕组T1-B充电，当C4上的电压上升至Q2的导通电压，Q2即开始导通，随着初级绕组T1-B的正反馈电压，开关晶体管Q2进入深层导通，变压器初级绕组T1-A的电流开始上升，这电流同时流经Q2及R9。当R9上的电压上升令Q1导通，Q2栅极上的电压减少而令开关晶体管Q2的输出电流减少，而初级绕组T1-B随即产主一个负电压使Q2加速截止。这时，储存在变压器T中的能量亦开始透过次级绕组T1-C释放，电流透过二极管D9储存到C7，当输出电压高于由R16及R18所设定的分压值时，U2阴极电压下降，U1-A及U1-B的电流会增加。由于C12经初极绕组T1-B、D6、R7每周期都充电成负电压，所以U1-B导通，而U1-B导通会降低Q1的射极电压，令Q1提早导通。因此，开关晶体管Q2的导通时间也随之减少，最终，输出电压会自动调节在由R16及R18所组成的分压器预先设定的数值上。当负载电流很小，电压会维持在这个预设值，若负载电流不断增加，R12的电压会跟随上升，当R12上的电压升到设定值时，Q3随即导通，光电偶合器U1-A、U1-B的电流增加，Q1提早导通，开关管Q2的导通时间也随之而减少，储存在变压器的能量亦减少，次级绕组T1-C的输出电压因而降低。输出电压降低后，输出电流亦因此而减少，最终电流会维持在一个预设值附近。这时，本开关电源工作在恒流状态，提供恒定电流输出。

开关电源按负载的函数改变开关晶体管Q2的转换频率。它的工作频率大约由50K至200KHZ，在最轻负载最高输入电压时工作频率最高；相反地，在最大负载及最低输入电压时频率为最低。

图1中的输入整流滤波电路也可用如图2所示的另一种输入整流滤波电路代替，在图2中，输入整流滤波电路包括滤波电容C1、共模电感器L1、二极管整流桥和滤波电容C2，共模电感器L1的输入端并接滤波电容C1，共模电感器L1的输出端经二极管整流桥整流后并接滤波电容C2。

若电压控制精度要求不高，次级控制电路中的稳压电路(R14、R15、C8、R16、R18及U2)可由单一稳压管代替，稳压管的阴极接在Q3的集极，稳压管的阳极接在输出的地端，即电容C9的负极。

若电压控制精度要求再低的话(例如±5％至±10％)，则光偶U1及次级控制电路中的稳压电路(R11、R14、R15、C8、R16、R18及U2)可由单一稳压管代替：由初级绕组T1-B、电容C12、二极管D6、D7和稳压管组成初级稳压电路，此时，稳压管的阴极接在D7的阴极及Q1的射极。稳压管的阳极接在C12的一端及D7的阳极。其它电路结构不变这样，整个电路就变成全初级控制了。此时，在每一个关断周期，D9向C7充电，与此同时，C12透过D6、R7、T1B充电。由于T1B及T1C是绕在同一变压器上，若除去T1B和T1C的漏感的影响，C7与C12的电压比值便等于T1C和T1B的圈数比值。只要选取适当的稳压管，就可以进行全初级控制了。若C7的电压过高，C12就会产生一个高于稳压管所设定的负电压，这会使稳压管导通，Q11的射极电压因而降低，使Q1提早导通，而Q2提早截止。则输出的电压就会被限定在设定的电压上。

本实施例开关电源设置浪涌吸收电路，目的是吸收开关晶体管的浪涌电压，从而减少开关电源的噪声。这个电路可以改变成单由R4及C3组成(D5短路、R3开路)又或将R4、R3、C3换成一个稳压管，稳压管的阴极与二极管D5的阴极相接，稳压管的阳极接在电容器C2的正极，这三种浪涌吸收电路也适用在这发明中。

本实施例开关电源也可以制作成二个或以上的输出，只要在变压器加一个或多个绕组，一个或多个整流滤波电路就可实现多组输出的开关电源。

Claims (9)

1、一种具短路保护的开关电源，包括输入整流滤波电路、变压器、自激振荡电路和次级整流滤波电路，变压器T由初级绕组T1-A、初级绕组T1-B和次级绕组T1-C组成，输入整流滤波电路的输出接初级绕组T1-A，自激振荡电路由R2、C4、R7~R10、R5、C5、变压器初级绕组T1-B、开关晶体管Q2、Q1和二极管D8连接组成，初级绕组T1-B的一端接地，另一端经电阻R7、电容C4、电阻R2接输入整流滤波电路的输出，开关晶体管Q2的输入与电容C4、电阻R2和D8的阳极并接，开关晶体管Q2的输出串接初级绕组T1-A并经R9接地，D8的阴极接晶体管Q1的集极，晶体管Q1的射极并联电阻R5和电容C5后接地，晶体管Q1的基极并接电阻R8、R10，电阻R8的另一端并接R7和C4，电阻R10的另一端经电阻R9接地，变压器次级绕组T1-C的输出接次级整流滤波电路，经次级整流滤波电路整流、滤波后输出开关电源，其特征在于：设置短路保护电路，短路保护电路包括电阻R19、电容C13和二极管D10，电阻R19的一端接开关晶体管Q2的栅极，电阻R19的另一端接二极管D10的阴极和电容C13的一端，二极管D10的阳极接地，C13的另一端并接R7和C4。

2、根据权利要求1所述具短路保护的开关电源，其特征在于：设置反馈控制电路，反馈控制电路由光电偶合器U1-A、U1-B、电阻R11、电容C12、二极管D6和D7组成，次级整流滤波电路的输出经光电偶合器U1-A、电阻R11接次级稳压电路，充电电容C12的一端接地，另一端并接D6、D7的阳极和光电偶合器U1-B，D6的另一端并接电阻R7和电容C4，D7的阴极和光电偶合器U1-B的另一端并接晶体管Q1的射极。

3、根据权利要求1所述具短路保护的开关电源，其特征在于：设置初级稳压电路，初级稳压电路由初级绕组T1-B、电容C12、二极管D6、D7和稳压管组成，充电电容C12的一端接地，另一端并接二极管D6、D7和稳压管的阳极，二极管D6的阴极并接R7、C4，二极管D7的阴极和稳压管的阴极并接晶体管Q1的射极。

4、根据权利要求1所述具短路保护的开关电源，其特征在于：所述次级稳压电路包括由R14、R15、C8、R16、R18和U2构成的恒压电路，电阻R14和R16的一端并接次级整流滤波电路的输出，R14的另一端接稳压管U2的阴极，R16的另一端经R18接稳压管U2的阳极，串联的R15和C8并接在稳压管U2的阴极和控制极之间。

5、根据权利要求4所述具短路保护的开关电源，其特征在于：所述次级稳压电路还包括由三极管Q3、电阻R13、电容C10及限流电阻R12构成的限流控制电路，三极管Q3的集极、基极接电阻R13后分别并接在稳压管U2的两端，电容C10与限流电阻R12并联后接在Q3的射极与基极接电阻R13后的两端，Q3的射极与C7并联后经C11接地。

6、根据权利要求1所述具短路保护的开关电源，其特征在于：设置浪涌电压吸收电路，浪涌电压吸收电路并接在变压器初级绕组T1-A的两端。

7、根据权利要求6所述具短路保护的开关电源，其特征在于：浪涌电压吸收电路由R3、C3并联后串接R4、D5构成。

8、根据权利要求2所述具短路保护的开关电源，其特征在于：次级稳压电路是稳压管。

9、根据权利要求8所述具短路保护的开关电源，其特征在于：LC低通滤波器的输出接过压保护稳压管。