本实用新型涉及一种自激式开关电源电路，特别涉及一种低成本、高可靠性且具有超宽电压输入范围、极低空载功耗的非隔离降压型自激式开关电源电路。
背景技术：
：目前，常用的非隔离降压型电路主要有：线性稳压电路、降压型开关变换电路。线性稳压电路的成本相对低廉(如常用的LM78XX、阻容式降压电路以及由稳压二极管构成的稳压电路等)，但是对于输入电压较高、输出电压较低的降压电路来说，线性稳压电路将变得极其低效，这会使得电路的可靠性大打折扣。降压型开关变换电路按照控制信号的产生方式可以分为两大类：自激式、它激式。它激式开关变换电路大多需要使用控制芯片(如反激电路、降压控制器构成的Buck电路等)，故成本较高，对于一些低成本的应用场合没有竞争优势；自激式变换电路有自激Buck电路、RCC电路，相较于自激Buck电路，RCC电路由于需要在储能电感上增加一个反馈绕组，制作复杂，同样存在成本高的问题。显然，自激Buck是优选项。中国专利CN201010210969公开一种基于双极性晶体管自激式Buck电路，如图1所示。输入电压Vin的正极与TR1的发射极、Q1的发射极、R1的一端相连，TR1的基极与Q1的集电极、R3的一端相连，Q1的基极与R2的一端、C1的一端、R4的一端以及R1的另一端相连，R2的另一端与Q2的集电极相连，电感L的一端与TR1的集电极、二极管D1的阴极、C1的另一端、R4的另一端相连，电感L的另一端与稳压管Z的阴极、输出滤波电容Co的一端相连作为输出电压Vout的正极，输出滤波电容Co的另一端与D1的阳极、Q2的发射极、R6的一端、R3的另一端、输入电压Vin的负极与输出电压Vout的负极相连作为公共地，Q2的基极与R6的另一端、R5的一端相连，R5的另一端与Z1的阳极相连。所述电路主开关管TR1使用三极管，电路特性使得Q1在截止区与饱和区之间切换时有较长时间停留在放大区，电路效率不可能很高；所述电路主开关TR1的关断主要是通过Z1、R5、R6、Q2检测输出电压实现的，TR1的开通时间较长，高压应用中极容易因为L1的峰值电流过大而使整个电路损毁，很难实现从十几伏到几百伏的宽输入电压范围内可靠工作，而且此电路空载功耗较大，也很难满足节能环保要求。技术实现要素：有鉴于此，本实用新型提供一种新的电路，能够解决上述存在的问题。本实用新型公开了一种具有极高性价比的自激式开关电源电路，可以在超宽输入电压范围内可靠稳定的工作，并能实现极低的空载功耗，轻松满足节能环保要求。为了达到上述目的，本实用新型是通过以下技术措施实现的：一种自激式开关电源电路，包括主功率电路，主功率电路为Buck变换电路，包括开关管TR1、二极管D1以及电感L1，开关管TR1的源极与输入电压Vin的正极相连，开关管TR1的漏极分别与电感L1的一端及二极管D1的阴极相连，电感L1的另一端作为主功率电路的输出电压的正极，用于与输出电容Co的一端相连；二极管D1的阳极作为主功率电路的输出电压的负极；所述自激式开关电源电路，还包括驱动单元和负反馈控制电路，所述驱动单元，包括驱动电路和驱动限时电路，驱动电路对开关管TR1进行驱动控制；驱动限时电路，限制驱动电路对开关管TR1的开通时间；所述负反馈控制电路，检测输出电压，并反馈给驱动单元；在电路空载或轻载时，负反馈控制电路根据检测到的输出电压，控制驱动单元对开关管TR1进行“间歇模式”的驱动控制。优选的，所述负反馈控制电路，由稳压管Z1、电阻R5、电阻R6、NPN型三极管Q5和电容C2构成，NPN型三极管Q5的基极与电阻R5的一端、电阻R6的一端、电容C2的一端相连，电容C2的另一端与电阻R6的另一端、三极管Q5的发射极相连并接地，电阻R5的另一端与稳压管Z1的阳极相连，稳压管Z1的阴极与输出电压的正极相连，NPN型三极管Q5的集电极与驱动单元相连。优选的，所述驱动电路，由NPN型三极管Q1、电阻R1、二极管D2、NPN型三极管Q2以及NPN型三极管Q3构成；三极管Q1的发射极与开关管TR1的栅极、二极管D2的阳极相连，电阻R1的一端与开关管TR1的源极、三极管Q1的集电极相连，二极管D2的阴极与三极管Q1的基极、电阻R1的另一端、三极管Q2的集电极、三极管Q3的集电极相连，三极管Q2的发射极与三极管Q3的基极相连，三极管Q3的发射极接至驱动限时电路；驱动限时电路，由电阻R2和NPN型三极管Q4构成；电阻R2的一端与三极管Q3的发射极、三极管Q4的基极相连，电阻R2的另一端、三极管Q4的发射极相连接至地，三极管Q4的集电极与三极管Q2的基极相连。优选的，所述自激式开关电源电路，还包括启动电路，由电阻R3构成，电阻R3的一端与输入电压Vin的正极相连，电阻R3的另一端与驱动单元的三极管Q2的基极相连。优选的，所述自激式开关电源电路，还包括正反馈控制电路，由电容C1和电阻R4构成；电容C1的一端与开关管TR1的漏极相连，电容C1的另一端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与驱动单元的三极管Q2的基极相连。优选的，所述自激式开关电源电路，还包括线性稳压器和滤波电容Co2，线性稳压器采用低压差线性稳压器，线性稳压器的输入电压引脚与电感L1的一端相连，线性稳压器的输出电压引脚与滤波电容Co2的一端相连并作为输出电压的正极；线性稳压器的接地引脚接地，滤波电容Co2的另一端接地，并作为输出电压的负极。优选的，所述开关管TR1为P型MOSFET，开关管TR1的内部具有一个齐纳稳压二极管，该齐纳稳压二极管的阳极、阴极分别与开关管TR1的栅极、源极相连。优选的，所述负反馈控制电路的电容C2可以实现对电路间歇工作的周期进行可控调节。优选的，所述自激式开关电源电路，所有元器件均采用SMD器件，使用SMT组装工艺制成为模块电源产品。优选的，所述主功率电路，还包括输出电容Co，输出电容Co的一端与电感L1的另一端相连，并作为输出电压的正极；输出电容Co的另一端接地，并作为输出电压的负极。本实用新型还提供一种自激式开关电源电路，包含由第一开关管TR1、第一电感L1、第一二极管D1以及输出电容Co构成的主功率电路，由第一NPN型三极管Q1、第一电阻R1、第二二极管D2、第二NPN型三极管Q2以及第三NPN型三极管Q3构成的驱动电路，由第二电阻R2和第四NPN型三极管Q4构成驱动限时电路，由第三电阻R3构成的启动电路，由第一电容C1、第四电阻R4构成的正反馈控制电路，由第一稳压管Z1、第五电阻R5、第六电阻R6、第五NPN型三极管Q5和第二电容C2构成的负反馈控制电路。所述第一开关管TR1的源极与输入电压Vin的正极、第一三极管Q1的集电极、第一电阻R1的一端、第三电阻R3的一端相连，所述第一开关管TR1的栅极与第二二极管D2的阳极、第一三极管Q1的发射极相连，所述第二二极管D2的阴极与第一电阻R1的另一端、第一三极管Q1的基极、第二三极管Q2的集电极、第三三极管Q3的集电极相连，所述第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3的基极相连，所述第三三极管Q3的发射极与第四三极管Q4的基极、第二电阻R2的一端相连，所述第二三极管Q2的基极与第四三极管Q4的集电极、第五三极管Q5的集电极、第四电阻R4的一端、第三电阻R3的另一端相连，第四电阻R4的另一端与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端与第一开关管TR1的漏极、第一电感L1的一端、第一二极管D1的阴极相连，所述第一电感L1的另一端与第一稳压管Z1的阴极、第一输出电容Co的一端相连作为输出电压的正极，第一稳压管Z1的阳极与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第五三极管Q5的基极、第六电阻R6的一端、第二电容C2的一端相连，第一输出电容Co的另一端、第六电阻R6的另一端、第二电容C2的另一端、第五三极管Q5的发射极极、第一二极管D1的阳极、第四三极管Q4的发射极、第二电阻R2的另一端与输入电压Vin的负极以及公共地相连作为输出电压的负极。优选的，所述自激式开关电源电路，还包括线性稳压器和滤波电容Co2，线性稳压器采用低压差线性稳压器，线性稳压器的输入电压引脚与电感L1的一端相连，线性稳压器的输出电压引脚与滤波电容Co2的一端相连并作为输出电压的正极；线性稳压器的接地引脚接地，滤波电容Co2的另一端接地，并作为输出电压的负极。优选的，所述主功率电路的第一开关管TR1为P沟道增强型绝缘栅场效应晶体管，即P型MOSFET。优选的，所述第一开关管TR1的内部具有一个齐纳稳压二极管，该齐纳稳压二极管的阳极、阴极分别与开关管的栅极、源极相连。优选的，一种自激式开关电源电路，由于具有较高的性价比，可以制作成模块电源产品，所有器件均可采用SMD器件，使用SMT组装工艺，在工厂中进行批量自动化生产。优选的，所述第一输出电容Co取值较大(47uF甚至更大)，出于成本的考虑，Co一般选取铝电解电容。优选的，所述第一输出电容Co可以选择在模块外放置。与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：(1)第一开关管TR1使用P型MOSFET，使整个电路具有较高的转换效率；(2)在宽电压范围内，驱动电路均能有效地对第一开关管TR1进行驱动，驱动限时电路可以在每个开关周期对第一开关管TR1的开通时间进行限制，这种限制作用随着输入电压的增大而增强，使电路在低压下具有较强的带负载能力，在高压下不至于因为电感饱和而使电路异常，使得电感选型变得简单(电感体积可以很小，利于整个电路体积的减小)。从而实现整个电路在宽电压范围内可靠稳定工作的效果。(3)负反馈控制电路使得整个电路在空载或者轻负载时处于间歇性工作的状态，简称“间歇模式”，使得整个电路可以实现极低的空载功耗，同时，第二电容C2可以实现对电路间歇工作的周期可控调节，使得电路调试变的简单；(4)整个电路结构简单、性价比高、可靠性高，便于进行批量化生产。以下将结合附图对本实用新型的原理以及设计方法做进一步说明。附图说明图1为现有基于三极管的自激Buck变换电路；图2为本实用新型自激式开关电源电路第一实施例的电路原理图；图3为本实用新型自激式开关电源电路第一实施例的电路框图；图4为本实用新型自激式开关电源电路第一实施例电路原理详图；图5为本实用新型自激式开关电源电路第一实施例的典型波形图；图6为本实用新型自激式开关电源电路第一实施例样品满载效率曲线图；图7为本实用新型自激式开关电源电路第一实施例样品输出电压VS输入电压曲线图；图8为本实用新型自激式开关电源电路第二实施例的电路框图；图9为本实用新型自激式开关电源电路第二实施例样品输出电流VS输入电压曲线图；图10为本实用新型自激式开关电源电路第二实施例样品带1mA负载时输入电流VS输入电压曲线图。具体实施方式第一实施例一种自激式开关电源电路原理图如图2所示，电路框图如图3所示，一种自激式开关电源电路包括主功率电路、驱动电路301、驱动限时电路302、启动电路303、正反馈控制电路304、负反馈控制电路305。驱动电路301可以在超宽的输入电压范围内对主功率开关管进行有效的驱动，提高主功率开关管的开关速度，从而提高整个电路的效率；驱动限时电路可以限制主功率开关管的开通时间，达到限制主功率电感峰值电流的目的，使电路可以在较高输入电压下可靠工作。负反馈控制电路305对输出电压进行监控，使电路空载或轻载时工作在“间歇模式”，降低整个电路的功耗。所述主功率电路为Buck变换电路，由第一开关管TR1、第一电感L1、第一二极管D1以及第一输出电容Co构成，其中，第一开关管TR1为主功率开关管，第一开关管TR1的源极与输入电压Vin的正极相连，第一开关管TR1的漏极与第一电感L1的一端、第一二极管D1的阴极相连，第一电感L1的另一端与第一输出电容Co的一端相连作为输出电压Vout的正极，第一二极管D1的阳极与输入电压Vin的负极、第一输出电容Co的另一端、输出电压Vout的负极相连作为公共地。优选的，第一开关管TR1为P沟道增强型绝缘栅场效应晶体管，即P型MOSFET。第一开关管TR1的内部具有一个齐纳稳压二极管，该齐纳稳压二极管的阳极、阴极分别与开关管的栅极、源极相连。第一输出电容Co取值较大(47uF甚至更大)，出于成本的考虑，Co一般选取铝电解电容。第一输出电容Co还可以选择在模块外放置。第一开关管TR1使用MOSFET，使整个电路具有较高的转换效率。所述驱动电路301由第一三极管Q1、第一电阻R1、第二二极管D2、第二三极管Q2、第三三极管Q3构成，第一三极管Q1的发射极与第一开关管TR1的栅极、第二二极管D2的阳极相连，第一电阻R1的一端与第一开关管TR1的源极、第一三极管Q1的集电极相连，第二二极管D2的阴极与第一三极管Q1的基极、第一电阻R1的另一端、第二三极管Q2的集电极、第三三极管Q3的集电极相连，第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3的基极相连，第三三极管Q3的发射极接至驱动限时电路302；所述驱动限时电路302由第二电阻R2和第四三极管Q4构成，第二电阻R2的一端与第三三极管Q3的发射极、第四三极管Q4的基极相连，第二电阻R2的另一端、第四三极管Q4的发射极相连接至公共地，第四三极管Q4的集电极与第二三极管Q2的基极相连；所述启动电路303由第三电阻R3构成，第三电阻R3的一端与输入电压Vin的正极相连，第三电阻R3的另一端与第二三极管Q2的基极以及第四三极管Q4的集电极相连，接至正反馈控制电路304、所述正反馈控制电路304由第一电容C1、第四电阻R4构成，第一电容C1的一端与第一开关管TR1的漏极相连，第一电容C1的另一端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端又与负反馈控制电路305相连；所述负反馈控制电路305由第五三极管Q5、第一稳压管Z1、第五电阻R5、第六电阻R6构成以及第二电容C2构成，第五三极管Q5的基极与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端、第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与第六电阻R6的另一端、第五三极管Q5的发射极相连接至公共地，第五电阻R5的另一端与第一稳压管Z1的阳极相连，第一稳压管Z1的阴极与输出电压Vout的正极相连，第五三极管Q5的集电极与第四三极管Q4的集电极、第二三极管Q2的基极、第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端相连。为了便于相关工程技术人员对原理以及设计方法与过程的理解，将结合电路原理详图，如图4所示，使用一定的电气符号来说明本实用新型的工作原理。图4中Cgs为第一开关管TR1的栅极与源极间寄生电容。本实用新型第一实施例开关电源电路的工作原理：一种自激式开关电源电路从启机到电路正常工作期间，将电路的工作分为两个大的过程——开关过程和稳压过程。两个个大过程大致分步拆解如下：1)开关过程：Step1：启机，+Vin通过R3加到Q2基极，产生电流i1，经过Q2、Q3两级放大，b点电压下降，a点电压下降，Cgs放电，TR1开始开通；Step2：+Vin通过TR1加到d点，d点电压上升，产生电流i2且向下，使得ib增大，通过Q2、Q3进一步将b点、a点电压拉低，Cgs进一步放电，加剧TR1开通；Step3：TR1开通后，+Vin给电感L1储能；Step4：同时，在ib的作用下，iq激增，iq流过R2使得c点电压上升，随着c点电压的升高，使得Q4发射结流过电流，从而产生电流i3，方向向下，使得ib减小；Step5：ib减小，通过Q2、Q3的作用使得b点电压上升，a点电压上升，Cgs充电，TR1开始关断；Step6：当b点电压升高到一定程度Q1导通，加速a点电压的上升，加速TR1关断；Step7：TR1关断后，电感L1通过D1续流，d点被钳位至-0.7V左右，从而产生一个向上的i2，使得ib进一步减小，进一步加剧TR1关断；Step8：直至L1续流完毕，d点电压上升，给C1充电，产生向下的i2；Step9：i1+i2使得ib增大，进入又一个开关周期；2)稳压过程：Step10：每个开关周期电路都会给输出电容Co充电，数个周期后，f点电压上升，将Z1击穿，产生电流iz；Step11：iz作用于Q5，产生电流i4，使得ib电流减小，进而使Step1过程被阻止，开关周期停；Step12：之后负载消耗能量(空载时Co漏电流消耗能量)，f点电压下降，iz减小，对Q5的作用减弱，i4减小；Step13：i1重新取得优势，重新进入Step1。在Step2、Step7中正反馈控制电路起到了加速TR1开通与关断的作用，同时Step6中Q1与R1组成的结构也起到了加速TR1关断的作用。这大大提高了TR1的开通与关断速度，进而使得电路具有较高的转换效率。由于在宽电压范围内，驱动电路均能有效地对第一开关管TR1进行驱动；驱动限时电路可以在每个开关周期对第一开关管TR1的开通时间进行限制，这种限制作用随着输入电压的增大而增强，使电路在低压下具有较强的带负载能力，在高压下不至于因为电感饱和而使电路异常，使得电感选型变得简单(电感体积可以很小，利于整个电路体积的减小)。从而实现整个电路在宽电压范围内可靠稳定工作的效果。负反馈控制电路的第二电容C2可以实现对Q5的响应速度进行调整，从而实现对电路间歇工作的周期的可控调节，使得电路调试变的简单。电路实际上是处于一种间歇性工作的状态，简称其为“间歇模式”。在某些状态下(如低压、重负载等)，电路工作过程中，Z1自始至终都未被击穿，电路会进入另外一种状态——连续开关的状态，简称其为“连续开关模式”。图5所示为电路在“间歇模式”“连续开关模式”的典型波形。对于“开关过程”，电感L1的电流每个周期都是恰好从零开始，电路工作在临界模式。这使得整个电路可以实现极低的空载功耗。电路实际的工作过程会比上述分析过程复杂，相关工程技术人员若要进一步对电路进行理解需要结合实际电路进行仿真和调试分析。根据第一实施例所述较佳的实施方式，得到第一实施例方案的样品：第一实施例方案样品规格如下表1所示：表1第一实施例样品的设计规格项目Min.Typ.Max.单位工作电压/Vin20--380VDC输出电压/Vo14.251515.75V输出电流范围/Io0--60mA输出电压精度----±5％效率/η--70--％空载功耗/Po0--5--mW图6所示为样品的满载效率曲线图，可以看出样品在20～380VDC的宽输入电压范围内可靠稳定工作，整个电路在高压时效率高达90％；图7所示为满负载下输出电压VS输入电压曲线图，可以看出样品在20～380VDC的宽输入电压范围内能为负载提供一个精度为±5％的较为稳定的电压。满足设计规格要求。第二实施例图8所示的电路为本实用新型第二实施例的电路原理图，一种自激式开关电源电路，包括主功率电路、驱动电路801、驱动限时电路802、启动电路803、正反馈控制电路804、负反馈控制电路805、二级稳压电路806。第二实施例与第一实施例的区别之处在于：在第一实施例输出端增加一个低压差线性稳压器(以下简称为LDO)，从而可以获得更高的输出电压精度、更小的纹波噪声，第二实施例与第一实施例其他电路相同，故不再赘述，主要阐述二者的差异之处：二级稳压电路806。所述二级稳压电路806主要由一个LDO构成，LDO的输入端Vi与第一输出电容Co1(与第一实施例中的输出电容Co等效)的一端、第一电感L1的一端相连，LDO的接地端GND直接接至地，LDO的输出端Vo与第二输出电容Co2的一端相连作为输出电压的正极，第一输出电容Co1、第二输出电容Co2的另一端与公共地相连作为输出电压的负极。第二实施例仅在第一实施的基础上增加第二级稳压电路806。第一实施例中，输出电压为一个相对稳定的电压，将此输出电压通过一个低压差线性稳压器LDO，在不牺牲较多效率的情况下，可以得到一个电压精度极高、纹波噪声极小的电压，低压差线性稳压器的输出即为第二实施例的输出电压Vout，所述LDO具备输出短路保护功能，从而使所述自激式开关电源电路具备输出短路保护功能。根据第二实施例所述较佳的实施方式，得到第二实施例方案样品:第二实施例方案样品规格如下表2所示：表2第二实施例样品的设计规格项目Min.Typ.Max.单位工作电压/Vin13--380VDC输出电压/Vo3.2343.33.366V输出电流范围/Io0--120mA输出电压精度----±2％效率/η--60--％空载功耗/Po0--5--mW图9为第二实施例样品输出电流VS输入电压曲线图，可以看出样品在13～380VDC的宽输入电压范围均可稳定工作、并为负载提供稳定输出(样机实际输出电压精度为±1.1％)，满足设计要求。图10为第二实施例样品带1mA负载时输入电流VS输入电压曲线图，可以看出样品空载和轻负载功耗极低，在90～200VDC输入电压范围、带1mA负载时，整机功耗小于5mW，可以轻松满足节能环保要求。同时，所述样品还具备输出短路保护功能。本实用新型自激式开关电源电路，由于具有较高的性价比，可以制作成模块电源产品，所有器件均可采用SMD器件，使用SMT组装工艺，在工厂中进行批量自动化生产。因此，本实用新型自激式开关电源电路特别适用于要求体积小、性价比高、空载功耗小，需要从超宽电压范围获得一个较稳定低电压的应用场合。整个电路结构简单、性价比高、可靠性高，便于进行批量化生产。以上仅是本实用新型的部分实施方式，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，实施例可交叉组合，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。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，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。当前第1页1 2 3