恒功率特性的开关电源的制作方法

本实用新型涉及恒功率特性的开关电源，尤其涉及一种恒功率特性的开关电源的欠压保护电路。

背景技术：

当前，对于有恒功率特性的开关电源应用越来越广泛，比如：家用直流风扇、真空包装机、自动咖啡机、打印机以及家用饮水机等。对其要求也是越来越高：高可靠性、高安全性、低成本以及小型化。由于上述的设备对电源需求共同点主要是：峰值电流大，例如：正常工作时需求电流1.5A，在启动或者工作过程中瞬间电流需要3A或者更大，持续大电流时间较短：在几秒钟到几分钟不等；在大电流工作时，对输出电压要求相对宽松：允许有几伏的波动。因此，恒功率特性的开关电源是相对较合理的选择。

恒功率特性，即预设恒定输出功率大小，当输出功率未达到预设的恒功率值时，电流可以持续增加而输出电压不变；当输出功率达到预设值时，进入恒功率模式，输出电流继续增加的时，输出电压会下降但总输出功率不变，维持在预设定的输出功率。例如：12V×2A=24W的恒功率电源，预设定恒功率值24W，在输出电流2.5A时，输电压下降为9.6V，总输出功率不变维持在24W且可以长时间保持此种工作模式。

现有的开关电源管理芯片，普遍采用过负载保护（OLP，Over load protection）方式，即预设定输出过功率保护值，当输出功率达到预设定过功率保护值时，触发过功率保护，当触发过负载保护时，并不会立刻保护而是延迟一段时间后发生保护动作。延迟保护时间一般在100mS以下，原因在于传统的通常用途的开关电源不希望在过负载时，仍然存在较大甚至是最大的功率输出状态，而是希望能在极短时间内（满足瞬间的突发负载需求即可），实施保护使保护后的系统有效功率能大幅下降，从而提高安全和可靠性。例如：12V×2A=24W的开关电源，预设定过负载保护值是24W，当输出电流未达到2A之前，输出功率小于24W，不会触发过负载保护；当输出电流达到2A并尝试大于2A时，比如：2.1A×12V=25.2W时，会触发过负载保护在满足延迟时间后发生保护动作，开关电源管理芯片之所以会采用延时过负载保护为了满足不同负载特性的需求。在上述用电设备中，使用峰值大电流时间通常在几秒或者几十秒钟，因此目前采用延迟过负载保护小于100mS开关电源无法满足上述用电设备的需求，原因在于：延迟保护时间太短，要满足上述设备的供电需求，只能把输出电流做到满足峰值大电流才能实现。举例而言，如果设备正常工作时只需要2A电流，峰值要求4A电流；那么要满足需求，只能做到4A电流输出，输出电流增加但输出电压却没有变化；如此等于总输出功率增加了1倍（12V×2A=24W，12V×4A=48W）。输出功率增加1倍，整体电源系统的成本会相应增加，整体电源系统的体积相应增大，不利于低成本和小型化。

参见图1，采用过负载保护方式的开关电源管理芯片U1的保护原理在于芯片U1的特殊设计，当芯片U1的CS引脚检测到变压器工作电流达到预设定值时，经芯片U1内部处理使输出端12V的电压和电流发生变化，类似于恒功率模式的变化：输出电压下降，输出电流增加。此时，输出取样网络N1检测到输出端的变化时，通过光电耦合器U2传送至芯片U1的FB（反馈）脚，FB脚检测到变化且到达保护条件时触发保护。因此，要实现恒功率模式工作，只需要使芯片U1的FB引脚钳制后，不触发保护即可实现恒功率模式。举例而言，可以在芯片U1的FB引脚对GND并联一颗合适参数的稳压管ZD1来钳制芯片U1的FB引脚，使其无法触发芯片U1的FB脚保护。

对于恒功率特性的开关电源，由于是恒功率的特性输出电压只要＞0V都是可以实现正常工作和输出，在实际应用中发现当输出电压越低、输出电流越大时，系统效率越低。原因在于：输出整流管的导通损耗占比大。例如；24W恒功率电源，当输出12V×2A时，假设输出整流二极管的导通压降为0.2V，在输出整流二极管导通时，损耗0.2V×2A=0.4W；当输出为1V×24A时，输出整流二极管的导通时，损耗为0.2V×24A=4.8W。4.8W相对0.4W而言，是12倍。

考虑到：恒功率模式的开关电源输出变化为1V×24A状态应用极少，正常情况下，用电设备用不到此种状态。但是，不排除用电设备异常情况下，一旦发生此状态，短时间可能不会造成安全问题，长时间不排除发生起火的可能性。因此，有必要为满足设备最大电流和最低电压要求的情况下设计保护功能，比如：设备的最低电压和最大电流要求为7V×3.4A=23.8W，可以设计为6V×4A=24W（留有足够冗余）保护，当电源系统的输出电压试图低于6V时，电源系统启动保护，如此设计不仅可以满足用电设备使用需求，当用电设备出现用电异常时，可以起到必要的保护作用。

比较常用的保护方式是通过开关电源管理芯片的VCC引脚的供电欠压保护来达到保护的目的。VCC引脚的供电一般是通过变压器的其中一组绕组经过整流二极管整流后提供。其中，VCC绕组同电源输出端绕组成1:1的匝V比关系：即Vout/Nout=Vvcc/Nvcc。VCC引脚的供电电压会随着输出电压变化而变化，例如：输出电压Vout为12V，绕组匝数Nout为15匝；VCC引脚的供电电压Vvcc为15V，绕组匝数Nvcc为19匝（18.6匝取整数19匝）。当输出电压Vout变化为9V时，VCC引脚的供电电压Vvcc变化为12V。因此，在理想状态下实现VCC引脚的欠压保护，可以利用变压器的此特性来完成。但此种保护方式在实际使用中存在缺陷，原因在于：变压器在制作的过程中，由于绕制的工艺过程的不一致，容易造成变压器的漏感大小不一；并且，不同批次的材料也有差异，在实际生产过程中一致性较差。由此，容易出现VCC引脚的供电电压因为变压器漏感的影响，而无法下降到VCC欠压保护电压，从而无法实现保护功能。

参见图2，另外一种保护方式是检测输出电流的保护方式：通过对输出电流的检测，当输出电流达到或试图超过预设值时，通过电路处理切断开关电源管理芯片U1的VCC引脚的供电，或者，反馈给芯片U1的FB脚实现保护。但是，此种保护方式需要设置电流检测电路N2来检测输出电流的大小，因此检测部分要流过同样大小的电流，有电流流过就会产生损耗。小电流较容易处理，大电流流过损耗较大效率降低，可靠性和安全性无法满足要求因此不常用。负载RL的电流经过检测电阻R1到变压器T1的输出绕组的GND端，在这个电流回路中，检测电阻R1要承受RL负载的所有电流。假如负载RL上的电流是2A，检测电阻R1为0.1Ω；根据欧姆定律，2A*2A*0.1Ω=0.4W的功率会被发热损耗掉，流过检测电阻R1的电流越大，这种损耗也越大。

综上所述，针对恒功率特性的开关电源在设计和实际使用时所面临的安全性和可靠性的问题，为其设计一种新的保护电路是十分必要和有意义的。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种恒功率特性的开关电源，能够有效地提高可靠性和安全性。

本实用新型针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种恒功率特性的开关电源，包括开关电源管理芯片和钳制用稳压管，该开关电源管理芯片为采用过负载保护模式的开关电源管理芯片，该钳制用稳压管与该开关电源管理芯片的反馈引脚相连；其中，还包括：输出欠压保护电路，其包括保护用稳压管和光电耦合器；其中，该保护用稳压管与该开关电源的输出电压相连，用于设定该开关电源的欠压保护阈值，该光电耦合器由该保护用稳压管供电，该钳制用稳压管通过该光电耦合器工作来实现接地。

在一些实施例中，该光电耦合器包括一发光管和一光接收管；其中，该发光管由该保护用稳压管驱动，该光接收管串接在该钳制用稳压管的正极与地之间，该钳制用稳压管的负极与该开关电源管理芯片的反馈引脚相连。

在一些实施例中，该发光管并接一电阻，该钳制用稳压管的正极与该电阻相连，该钳制用稳压管的负极经由另一电阻与该开关电源的输出电压相连。

在一些实施例中，该开关电源还包括输出取样电路和另一光耦隔离器；其中，该输出取样电路对该开关电源的输出电压进行取样，并将取样结果提供到该开关电源管理芯片的反馈引脚。

与现有技术相比，本实用新型通过巧妙地采用由保护用稳压管和光电耦合器构建的输出欠压保护电路，来控制钳制用稳压管在欠压时及时停止工作，能够驱使芯片及时进入过负载保护模式，从而能够提高恒功率特性的开关电源的可靠性和安全性。

附图说明

图1是现有的一种恒功率特性的开关电源的电原理图。

图2是现有的一种恒功率特性的开关电源及其过负载保护的电原理图。

图3是本实用新型的恒功率特性的开关电源的电原理图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型予以进一步地详尽阐述。

参见图3，图3是本实用新型的恒功率特性的开关电源的电原理图。本实用新型提出一种恒功率特性的开关电源100，其包括：开关电源管理芯片U1，光电耦合器U2，输出取样电路10，钳制用稳压管ZD1和输出欠压保护电路20。

该输出取样电路10对该开关电源100的输出电压VOUT进行取样，并将取样结果通过光电耦合器U2提供到该开关电源管理芯片U1的FB引脚。具体而言，该输出取样电路10包括比较器、参考电平VREF和电阻R3、R4和R5。

该输出欠压保护电路20包括电阻R1、R2，保护用稳压管ZD2和光电耦合器U3。其中，该保护用稳压管ZD2与该开关电源的输出电压VOUT相连，用于设定该开关电源100的欠压保护阈值；该光电耦合器U3由该保护用稳压管ZD2供电，该钳制用稳压管ZD1通过该光电耦合器U3工作来实现接地。

具体而言，该光电耦合器U3包括一发光管和一光接收管。其中，该发光管由该保护用稳压管ZD2驱动，该光接收管串接在该钳制用稳压管ZD1的正极与地之间，该钳制用稳压管ZD1的负极与该开关电源管理芯片的FB引脚相连。该发光管并接电阻R2，该钳制用稳压管ZD2的正极与该电阻R2相连，该钳制用稳压管ZD2的负极经由另一电阻R1与该开关电源100的输出电压VOUT相连。

该恒功率特性的开关电源100的工作原理大致包括：该开关电源管理芯片U1为采用过负载保护模式的开关电源管理芯片。为了实现恒功率特性工作，在芯片U1的FB引脚对地增加一个合适参数的钳制用稳压管ZD1。在正常工作中，开关电源100的输出电压VOUT依靠输出取样电路10经过光电耦合器U2传送至芯片U1的FB引脚。同时，钳制用稳压管ZD1通过输出欠压保护电路20中的光电耦合器U3工作来实现接地。光电耦合器U3依靠电阻R1和保护用稳压管ZD2的导通来进行供电，以进入工作状态。

当开关电源100恒功率工作时，即输出电压VOUT降低、输出电流增大，在输出电压VOUT低于保护用稳压管ZD2的工作电压（预设最低工作电压取值）时，保护用稳压管ZD2停止导通。一旦保护用稳压管ZD2停止导通，光电耦合器U3由于失去供电电压，而停止工作。这时，钳制用稳压管ZD1由于光电耦合器U3停止工作而失去对地连接，钳制用稳压管ZD1失去对地连接后，就无法对芯片U1的FB引脚实现钳制作用，芯片U1的FB引脚在没有钳制用稳压管ZD1钳制后，立即恢复过负载特性，进而实现保护。

举例而言，一款直流风扇正常工作的需要为12V×1.5A。其启动瞬间最大电流为2.8A，其最低工作电压6V。出于安全考虑要求，可以设计输出电压VOUT在＜6V附近时，使开关电源100进入保护状态。如此，开关电源100的芯片U1的FB引脚进入恒功率模式的参数选为3.6V较为合理，也即：钳制用稳压管ZD1选用3.6V稳压管为宜。保护用稳压管ZD2选用5.6V稳压管为宜。根据稳压管的特性，当开关电源100的输出电压VOUT由12V下降到低于5.6V时，保护用稳压管ZD2停止工作,在保护用稳压管ZD2停止后，电阻R1和保护用稳压管ZD2上是没有电流流过的。这时，光电耦合器U3由于保护用稳压管ZD2停止工作而失去供电，同样停止工作。光电耦合器U3停止工作后，钳制用稳压管ZD1失去了接地通路，相当于悬空，没有连接一样。芯片U1进入过负载保护模式，触发保护。

也就是说，为过负载保护模式的开关电源管理芯片U1的FB引脚进入恒功率模式的合理参数，决定了钳制用稳压管ZD1的参数取值。输出电压VOUT的设定保护值决定了保护用稳压管ZD2的参数取值。举例而言，假设恒功率特性的开关电源100正常输出电压VOUT为18V，当输出电压VOUT在恒功率模式工作时要求在输出电压VOUT小于＜10V 附近保护，则保护用稳压管ZD2的参数取值可以选为9.1V。

采用该输出欠压保护电路20，保护用稳压管ZD2稳压管和光电耦合器U3只需要3mA-5mA即可实现稳定工作。假设开关电源100的输出电压VOUT为12V，12V×0.005A=0.06W，也即60mW。由于这个损耗对于几十瓦的电源来讲，几乎可以忽略，因此不存在发热和影响效率的问题，进而该开关电源100的安全性和可靠性均能够得到保证。

与现有技术相比，本实用新型通过巧妙地采用由保护用稳压管ZD2和光电耦合器U3构建的输出欠压保护电路20，来控制钳制用稳压管ZD1在欠压时及时停止工作，能够驱使芯片U1及时进入过负载保护模式，从而能够提高恒功率特性的开关电源100的可靠性和安全性。

上述内容，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用于限制本实用新型的实施方案，本领域普通技术人员根据本实用新型的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本实用新型的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。