一種具有自反饋自保護功能的寬壓或穩壓電源電路的製作方法
2024-04-01 03:32:05 1
本發明涉及一種具有電源輸入範圍寬、輸出電流強、電路實現簡單等特點，可廣泛應用於高電壓直流應用場合的具有自反饋自保護功能的寬壓或穩壓電源電路。
背景技術：
直流電源作為電子、電力、通信等系統中所有用電設備的關鍵組成部分，為設備內部電路提供二次電源，在輸入一次電源品質較差的情況下以保證各設備的正常工作。
目前，針對高壓應用的直流電源多採用線性穩壓的形式，通過三極體、功率電阻、線性直流穩壓電源多級級聯實現。圖1為一種典型應用電路。vin為高壓輸入電源，r1為功率電阻，v1為瞬態抑制二極體，q1為功率三極體，此功能模塊組成的電路可通過v1鉗位三極體基極輸入電壓，從而起到第一級降壓的目的。同理利用此電路可級聯多級電壓降，最終輸入至線性穩壓直流電源u1輸入埠，生成系統二次電源vcc。此電路原理較簡單，但存在多種缺點。
1、通過功率電阻及三極體實現電壓差降及電流放大，器件發熱嚴重、電源轉換效率低，輸出驅動電流弱。
2、利用此電路進行多級級聯，很難保證低壓開啟特性，電源輸入範圍較窄。
除上述電路外，也有採用開關電源設計高耐壓電源電路的方法，如採用降壓型(buck)或升降壓型(buck-boost)開關電源。但開關電源往往受制於電源晶片自身的耐壓限制，多應用於100v以下場合。圖2和圖3所示即為通常所採用的降壓型及升降壓型電源轉換電路，包括控制晶片、能量轉換和輸出反饋電路；能量轉換電路主要由mos管、二極體、電感、電容組成；輸出反饋電路主要由二極體、電阻等組成；控制晶片主要負責pwm信號生成；
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明目的是提供一種寬電源適應範圍，結構易於實現，輸出電流強，可靠性高的具有自反饋自保護功能的寬壓穩壓電源電路。
本發明包括如下技術方案：一種具有自反饋自保護功能的寬壓或穩壓電源電路，該寬壓或穩壓電源電路包括輸入保護電路，pwm信號控制及能量生成電路，匯流電路和輸出反饋通斷控制電路；
所述輸入保護電路，用於完成輸入電源電壓的開啟及關斷控制，可在後級輸出電壓穩定輸出時切斷電源輸入，防止高壓接入後級電路；
所述pwm信號控制及能量生成電路，用於採集自舉輸出電壓來動態調節能量傳遞電路中開關器件的開啟和關閉時間，並生成交流信號，將電源輸入能量傳遞轉換輸出至電壓反饋電路，並將動態反饋電壓信號反饋至pwm控制電路，以實現pwm信號振蕩及佔空比動態調整；
所述匯流電路，用於將經過壓保護電路的輸入電壓與輸出電路的輸出電壓匯流後做為控制電路供電，同時通過儲能電容防止瞬態幹擾造成的過壓及欠壓保護；
所述輸出反饋通斷控制電路，用於使高壓輸入信號不傳輸至控制電路的輸入端；而在初始加電情況下輸出電壓為低電平，關閉光耦，輸入電壓為後級電路供電。
進一步，所述輸入保護電路包括熱敏電阻f1、pmos管v1、穩壓管v3、電阻r13、npn三極體q2、限流電阻r10、限流電阻r12和tvs二極體v4；
其中，所述熱敏電阻f1一端與vin輸入端連接，另一端與pmos管v1的源極連接，穩壓管v3並聯於pmos管v1的源極與柵極之間，所述電阻r3串聯於pmos管v1的柵極與gnd之間；所述pmos管v1的漏極與npn三極體q2的集電極連接，所述電阻r10與電阻r12串聯後並聯於npn三極體q2的集電極與基極之間，所述npn三極體q2的發射極與d6的正極連接。
進一步，所述pwm信號控制及能量生成電路包括控制晶片u18、mos管q1、電容c3、電容c22、二極體d2、電阻r3、互感l1、電感l2、電容c5、電阻r1、電阻r2、電阻r3、電阻r4和功率電阻r6；
其中，所述控制晶片u18的輸出控制腳dr接mos管q1的柵極，開關頻率控制管腳fa/sd連接r1下拉到gnd，補償管腳comp通過電容c3、c22與電阻r3連接至gnd，反饋採樣腳fb接反饋電阻r2與r4的中點，電流採樣管腳isen通過限流電阻連接至mos管q1的源極，並經功率電阻r6連接至gnd，互感l1一端接輸入電壓vin，一端接n型mos管q1的漏極及耦合電容c5的輸入端，mos管q1的源極接地、柵極接控制電路u1控制腳，電感l2一端接耦合電容c5輸出、一端接地，互感l1的接輸入電壓端和接地端為同名端，耦合電容c5輸入端接mos管q1的漏極，輸出端接輸出電路中整流二極體d2的陽極。在控制電路的控制下，周期性開啟/關閉mos管q1，使得在第一電感l1兩端產生交流信號，該信號經互感及耦合電容的耦合作用，在l1的1腳輸出端產生同樣頻率的交流信號，送至輸出電路，二極體d2陽極接能量轉換電路l1的輸出，陰極接儲能濾波電容c2，通過二極體的整流作用將輸入交流信號整流濾波輸出二次電源vcc，並通過r2、r4組成的網絡實現自舉電壓反饋至控制電路，控制電路反饋採樣管腳fb接v12經電阻r2與r4分壓後的分壓點，控制晶片u1實時採集輸出電壓反饋值，並將其與內部參考源對比，根據比較結果改變控制管腳dr輸出的開關控制信號的佔空比，從而控制mos管q1相應的開啟或關閉時間。
進一步，所述匯流電路包括二極體d5、二極體d6和儲能電容c4；
其中，所述二極體d6一端與npn三極體q2的集電極連接，另一端與所述二極體d5的一端連接，所述二極體d5的另一端與輸出電壓vcc連接，所述儲能電容c4一端接地，另一端與所述二極體d5和連接二極體d6。
進一步，所述輸出反饋通斷控制電路包括tvsv2、電阻r8、電阻r9及光耦b1；
其中，所述電阻r8一端與vcc連接，另一端與所述tvsv2連接，所述tvsv2與所述光耦b1的第一針腳連接，所述光耦b1的第二針腳接地，所述光耦b1的第四針腳與電阻r9的一端連接，所述光耦b1的第三針腳與v3的漏極連接，所述電阻r9的另一端與pmos管v1的源極連接。
其中，所述輸入保護電路，主要由一個pmos管、npn三極體、限流電阻、熱敏電阻及tvs組成，由限流電阻、tvs及熱敏電阻組成的輸入保護電路可防止瞬態高壓脈衝接入後級電路。由npn三極體、電阻組成的電路利用三極體的電流放大特性既可保證低壓電流導通輸入，又可防止持續高壓脈衝接入後級電路。由pmos管、穩壓管、電阻等組成的開關切換電路，可完成輸入電源電壓的開啟及關斷控制，可在後級輸出電壓穩定輸出時切斷電源輸入。
2、pwm信號控制及能量生成電路，為一個典型的升壓或降壓型電源電路，主要由一個具有推輓輸出功能的晶片組成，可採集自舉輸出電壓來動態調節能量傳遞電路中開關器件的開啟和關閉時間。並控制n-mosfet開關、電感和電容網絡，在pwm控制電路的控制下產生交流信號，將電源輸入能量傳遞轉換輸出至電壓反饋電路，並將動態反饋電壓信號反饋至pwm控制電路，以實現pwm信號振蕩及佔空比動態調整。
3、匯流電路，主要包括兩個二極體、及儲能電容，匯流電路將經過壓保護電路的輸入電壓與輸出電路的輸出電壓匯流後做為控制電路供電，同時通過儲能電容防止瞬態幹擾造成的過壓及欠壓保護。
4、輸出反饋控制電路，主要包括tvs、電阻電容網絡及光耦隔離器組成，通過tvs檢測後級電壓是否超過一定門限值，當超過時通過阻容網絡打開光耦隔離器控制後端pmos管關閉輸入供電，默認情況下光耦隔離器為關閉狀態，保證後級pmos管處於常開。
本發明相比現有技術有如下優點：
（1）本發明提出一種驅動電路，電路簡單可靠，有利於實現整個驅動電路的小型化；
（2）本發明電壓工作範圍寬。通過三極體電流放大原理可有效提高電源晶片低壓開啟性能。通過開關控制電路可有效保證在外部輸入電壓較高時將高壓輸入電源進行關斷處理，保證後端器件安全可靠工作。通過二極體匯流橋電路將外部輸入電壓與直流開關電源電路的輸出電源匯流後為控制電路供電的方法，使整個電源轉換電路的最大耐壓值不再由控制電路的最大耐壓值所決定，實際使用時根據工作環境選擇相應耐壓值nmos管及能量轉換電路元件，可大幅提高直流開關電源電路的耐壓值；
（3）本發明電源工作可靠性高。通過二極體匯流方法確保在外部輸入電壓較高、以及外部輸入電壓瞬間過低時，控制電路仍可使用輸出電路輸出的電源為其供電，充分考慮電壓超壓及欠壓情況，大幅提高直流電源可靠性；
（4）本發明輸出驅動電流能力強。採用升壓降壓型電源設計思想，通過合理選擇震蕩頻率、電感值及電容值，可有效保證電源系統效率，提高驅動電流能力。
附圖說明
圖1為高壓線性穩壓電源示意圖；
圖2為典型降壓電源電路示意圖；
圖3為典型升壓降壓電源電路示意圖；
圖4為一種具有自反饋自保護功能的寬壓或穩壓電源的電路示意圖。
圖中：ⅰ.保護電路，ⅱ.wm信號控制及能量生成電路，ⅲ.匯流電路，ⅳ.輸出反饋通斷控制電路。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步介紹。
本發明的新型驅動電路設計方法，包括輸入保護電路，pwm信號控制及能量生成電路，匯流電路，輸出反饋通斷控制電路四部分組成。
如圖4所示為本發明一種具有自反饋自保護功能的寬壓或穩壓電源電路的原理圖，該寬壓或穩壓電源電路包括輸入保護電路，pwm信號控制及能量生成電路，匯流電路和輸出反饋通斷控制電路；
所述輸入保護電路，用於完成輸入電源電壓的開啟及關斷控制，可在後級輸出電壓穩定輸出時切斷電源輸入，防止高壓接入後級電路；
所述pwm信號控制及能量生成電路，用於採集自舉輸出電壓來動態調節能量傳遞電路中開關器件的開啟和關閉時間，並生成交流信號，將電源輸入能量傳遞轉換輸出至電壓反饋電路，並將動態反饋電壓信號反饋至pwm控制電路，以實現pwm信號振蕩及佔空比動態調整；
所述匯流電路，用於將經過壓保護電路的輸入電壓與輸出電路的輸出電壓匯流後做為控制電路供電，同時通過儲能電容防止瞬態幹擾造成的過壓及欠壓保護；
所述輸出反饋通斷控制電路，用於使高壓輸入信號不傳輸至控制電路的輸入端；而在初始加電情況下輸出電壓為低電平，關閉光耦，輸入電壓為後級電路供電。
所述輸入保護電路包括熱敏電阻f1、pmos管v1、穩壓管v3、電阻r13、npn三極體q2、限流電阻r10、限流電阻r12和tvs二極體v4；
其中，所述熱敏電阻f1一端與vin輸入端連接，另一端與pmos管v1的源極連接，穩壓管v3並聯於pmos管v1的源極與柵極之間，所述電阻r3串聯於pmos管v1的柵極與gnd之間；所述pmos管v1的漏極與npn三極體q2的集電極連接，所述電阻r10與電阻r12串聯後並聯於npn三極體q2的集電極與基極之間，所述npn三極體q2的發射極與d6的正極連接。
所述pwm信號控制及能量生成電路包括控制晶片u18、mos管q1、電容c3、電容c22、二極體d2、電阻r3、互感l1、電感l2、電容c5、電阻r1、電阻r2、電阻r3、電阻r4和功率電阻r6；
其中，所述控制晶片u18的輸出控制腳dr接mos管q1的柵極，開關頻率控制管腳fa/sd連接r1下拉到gnd，補償管腳comp通過電容c3、c22與電阻r3連接至gnd，反饋採樣腳fb接反饋電阻r2與r4的中點，電流採樣管腳isen通過限流電阻連接至mos管q1的源極，並經功率電阻r6連接至gnd，互感l1一端接輸入電壓vin，一端接n型mos管q1的漏極及耦合電容c5的輸入端，mos管q1的源極接地、柵極接控制電路u1控制腳，電感l2一端接耦合電容c5輸出、一端接地，互感l1的接輸入電壓端和接地端為同名端，耦合電容c5輸入端接mos管q1的漏極，輸出端接輸出電路中整流二極體d2的陽極。在控制電路的控制下，周期性開啟/關閉mos管q1，使得在第一電感l1兩端產生交流信號，該信號經互感及耦合電容的耦合作用，在l1的1腳輸出端產生同樣頻率的交流信號，送至輸出電路，二極體d2陽極接能量轉換電路l1的輸出，陰極接儲能濾波電容c2，通過二極體的整流作用將輸入交流信號整流濾波輸出二次電源vcc，並通過r2、r4組成的網絡實現自舉電壓反饋至控制電路，控制電路反饋採樣管腳fb接v12經電阻r2與r4分壓後的分壓點，控制晶片u1實時採集輸出電壓反饋值，並將其與內部參考源對比，根據比較結果改變控制管腳dr輸出的開關控制信號的佔空比，從而控制mos管q1相應的開啟或關閉時間。
所述匯流電路包括二極體d5、二極體d6和儲能電容c4；
其中，所述二極體d6一端與npn三極體q2的集電極連接，另一端與所述二極體d5的一端連接，所述二極體d5的另一端與輸出電壓vcc連接，所述儲能電容c4一端接地，另一端與所述二極體d5和連接二極體d6。
所述輸出反饋通斷控制電路包括tvsv2、電阻r8、電阻r9及光耦b1；
其中，所述電阻r8一端與vcc連接，另一端與所述tvsv2連接，所述tvsv2與所述光耦b1的第一針腳連接，所述光耦b1的第二針腳接地，所述光耦b1的第四針腳與電阻r9的一端連接，所述光耦b1的第三針腳與v3的漏極連接，所述電阻r9的另一端與pmos管v1的源極連接。
1、輸入保護電路，主要由pmos管v1、npn三極體q2、限流電阻r10、r12、熱敏電阻f1、tvsv4等組成。由限流電阻r10、r12、tvsv4及熱敏電阻f1組成的輸入保護電路可防止瞬態高壓脈衝接入後級電路，可防止持續高壓脈衝接入後級電路。由npn三極體q2、限流電阻r10、r12組成的電路利用三極體的電流放大特性可保證低壓電流導通輸入。由pmos管v1、穩壓管v3、電阻r13等組成的開關切換電路，可完成輸入電源電壓vin的開啟及關斷控制，可在後級輸出電壓穩定輸出時切斷電源輸入。
2、本實施案例的pwm信號控制晶片u18，u18輸出控制腳dr接mos管q1的柵極，開關頻率控制管腳fa/sd連接r1下拉到gnd，補償管腳comp通過電容c3、c22與電阻r3連接至gnd，反饋採樣腳fb接反饋電阻r2與r4的中點，電流採樣管腳isen通過限流電阻連接至mos管q1的源極，並經功率電阻r6連接至gnd。互感l1一端接輸入電壓vin，一端接n型mos管q1的漏極及耦合電容c5的輸入端，mos管q1的源極接地、柵極接控制電路u1控制腳，電感l2一端接耦合電容c5輸出、一端接地，互感l1的接輸入電壓端和接地端為同名端，耦合電容c5輸入端接mos管q1的漏極，輸出端接輸出電路中整流二極體d2的陽極。在控制電路的控制下，周期性開啟/關閉mos管q1，使得在第一電感l1兩端產生交流信號，該信號經互感及耦合電容的耦合作用，在l1的1腳輸出端產生同樣頻率的交流信號，送至輸出電路。二極體d2陽極接能量轉換電路l1的輸出，陰極接儲能濾波電容c2，通過二極體的整流作用將輸入交流信號整流濾波輸出二次電源vcc，並通過r2、r4組成的網絡實現自舉電壓反饋至控制電路。控制電路反饋採樣管腳fb接v12經電阻r2與r4分壓後的分壓點。控制晶片u1實時採集輸出電壓反饋值，並將其與內部參考源對比，根據比較結果改變控制管腳dr輸出的開關控制信號的佔空比，從而控制mos管q1相應的開啟或關閉時間。
3、匯流電路，主要包括二極體d5、d6及儲能電容c4，匯流電路將經過壓保護電路的輸入電壓與輸出電路輸出的vcc匯流後做為控制晶片u18供電，同時通過儲能電容防止瞬態幹擾造成的過壓及欠壓保護。
4、輸出反饋控制電路，主要包括tvsv2、電阻r8、電阻r9、及光耦b1組成，當輸出電壓vcc超過tvsv2的保護閾值時，v2導通，從而控制光耦b1的輸入發光管導通供電，打開光耦隔離器，從而控制後端pmos管v1關閉輸入供電vin，保證高壓輸入信號不傳輸至控制電路u18輸入端。初始加電情況下vcc電壓為低電平，光耦隔離器為關閉狀態，可保證後級pmos管在初始加電情況下處於常開。
綜上所示，本發明電源輸入適應性範圍寬，如本實例可滿足10v~150v正常工作；本發明通過將控制電路與能量轉換電路合理選取阻容、二極體、nmos管，能顯著提高驅動電路耐壓，從而實現高壓範圍應用。本發明結構形式簡單，驅動能力強，通過合理選用電感、電容網絡，可實現高效率、大電流功率輸出；本發明設計的輸出反饋控制電路充分考慮隔離、超壓、欠壓保護，極大提高了系統應用可靠性。同時本發明對輸入輸出增加了自恢復保險絲和tvs,提高了可靠性。