专利名称：一种直流开关电源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直流开关电源电路。
背景技术：
直流开关电源作为电子、电力、通信等系统中所有用电设备的关键组成部分，为设备内部电路提供二次电源，在输入一次电源品质较为恶劣的情况下以保证各设备的正常工作。根据实际使用方式可将开关式DC电源分为降压型(Buck)开关电源、升压型 (Boost)开关电源和升降压型(Buck-Boost)开关电源。图I所示即为通常所采用的升降压型电源转换电路，包括控制芯片、能量转换电路和输出电路；能量转换电路包括MOS管Ql，电感LI、耦合电容C2、电感L2 ;输入电压VIN直接给控制芯片Al供电，控制芯片的控制管脚与MOS管Ql相连；输出电路包括整流二极管D1，和电容C3。正常工作时，控制芯片Al通过采集输出电源经Rl与R2的分压值控制MOS管Ql的开启/关闭时间，输入电压VIN经MOS管Ql的开关控制后转换为交流信号，又经电容C2及电感LI、L2耦合，最终通过二极管Dl与电容C3整流得到输出电源V0UT。此实现方法已被广泛采用，但仍存在如下的缺点(I)图中MOS管Q1、电容C2及其他元件均可由耐压值较高的同类产品替代，但大多数控制芯片耐压值较低，因此此方法输入最大电压由控制芯片最大耐压值决定，从而限制了此方法的高压适用范围；(2)图中输入电压低于控制芯片的工作电压时，控制芯片无法继续工作，因此上述方法的最低输入电压值也由控制芯片决定，即控制芯片限制了此方法的低压适用范围；(3)当输入电压异常或输出负载变化剧烈时，将导致控制芯片供电电压不稳，可能造成控制芯片工作异常，甚至出现故障；(4)能量转换电路中的开关及储能器件在工作时，由于开关频率较高、电流较大，将对控制芯片的供电稳定性造成一定影响，从而影响整个电路的工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路实现简单、工作范围较宽的直流开关电源电路。本发明包括如下技术方案一种直流开关电源电路，包括能量转换电路、控制电路、输出电路、和输入电路；所述输入电路包括过压保护电路和汇流电路；汇流电路包括第一二极管与第二二极管，输入电压经过压保护电路后输入到汇流电路，汇流电路将经过压保护电路的输入电压与输出电路输出的输出电压汇流后为控制电路供电；能量转换电路由输入电压供电，并在控制电路的控制下产生交流信号；输出电路将能量转换电路产生的交流信号整流滤波后获得所述输出电压；控制电路通过采集所述输出电压来控制能量转换电路中开关器件的开启和关闭时间。过压保护电路包括热敏电阻和TVS 二极管；输入电压经热敏电阻后接入第一二极管的阳极，输出电路输出的所述输出电压接入第二二极管的阳极，第一、二二极管的阴极相连并与控制电路的供电管脚相连，TVS 二极管的阳极接地、阴极与第一二极管的阳极相连。过压保护电路为过压关断电路。过压关断电路包括PNP型三极管、P型MOS管、第一分压电阻、第二分压电阻及稳压二极管；输入电压连接P型MOS管的源极，P型MOS管的漏极连接汇流电路的第一二极管的阳极，P型MOS管的栅极接输入电压经第一分压电阻后的分压点；PNP型三极管的发射极接输入电压，PNP型三极管的集电极接P型MOS管的栅极，PNP型三极管的基极接稳压二级管的阴极，稳压二级管的阳极接输入电压经第二分压电阻后的分压点。本发明与现有技术相比具有如下优点
(I)本发明将控制电路供电与能量转换电路供电分开处理，对控制电路供电支路增加过压保护措施，使整个电源转换电路的最大耐压值不再由控制电路的最大耐压值所决定，实际使用时根据工作环境选择相应耐压值过压保护电路元件及能量转换电路元件，大幅提闻直流开关电源电路的耐压值；(2)本发明通过二极管汇流桥电路将外部输入电压与直流开关电源电路的输出电源汇流后为控制电路供电，此方法确保在外部输入电压较高、过压保护电路保护、以及外部输入电压过低时，控制电路仍可使用输出电路输出的电源为其供电，大幅提高直流开关电源电路的工作范围；(3)本发明使用输出电源为控制电路供电的方法，确保本发明可以用于外部输入电压品质较差、输出负载变化较为剧烈的环境，即在本发明电路开始工作(上电)时输入电压正常，无论外部输入电压变化如何剧烈变化，在保证能够提供足够电流(如电池)的条件下，本发明电路均可正常工作，极大的提高本发明的电压适应范围； (4)本发明使得控制电路控制信号、反馈采样信号不易受到大电流波动的干扰，有利于直流开关电源电路效率的提闻;(5)本发明使得整个直流开关电源电路更为简单，所需芯片体积更小，有利于实现整个直流开关电源电路的小型化。
图I是常用升降压型开关电源电路基本组成图。图2是本发明电源电路基本组成原理图。图3是本发明实施例I的电路图。图4是本发明实施例2的电路图。
具体实施例方式本发明的直流开关电源电路，包括输入电路、能量转换电路、控制电路、和输出电路；所述输入电路包括过压保护电路和汇流电路。如图2所示为本发明直流开关电源电路第一种实施方式的原理图。汇流电路采用第一二极管D2与第二二极管D3组成汇流桥。过压保护电路包括热敏电阻Fl和TVS 二极管VI。输入电压VIN经热敏电阻Fl后接入第一二极管D2的阳极，输出电路的输出电压VOUT接入第二二极管D3的阳极，第一、二二极管的阴极直接相连将经过压保护电路的输入电压与输出电路的输出电压VOUT汇流后接入控制电路Al的供电管脚，TVS 二极管Vl的阳极接地、阴极接热敏电阻Fl输出，以保证在输入电压过高或存在尖峰时TVS 二极管和热敏电阻可以同时作用，从而保证控制电路供电不受影响。当输入电压VIN较低时，使得第一二极管D2阳极端电压低于第二二极管D3阳极端电压时，采用VOUT为控制电路供电。热敏电阻Fl —端接输入电压VIN，一端接TVS 二极管阴极，当输入电压VIN电压较高或存在毛刺尖峰时，TVS 二极管瞬时被击穿，通过热敏电阻及TVS 二极管的电流骤增，当电流增大至热敏电阻标称值之上时，热敏电阻阻值增加，将其通过电流控制在标称值以下，从而达到在外部输入电压较高或存在尖峰/毛刺时，输入电路仍能够为控制芯片提供稳定的供电电压及电流；当过压保护电路保护(例如输入电压VIN电压过高时)使得二极管D2阳极端电压低于二极管D3阳极端电压时，采用VOUT为控制电路Al供电。由此可见，二极管D2与二极管D3组成的汇流电路将通过过压保护电路处理的输入电压VIN与输出电路输 出的电压VOUT汇流后为控制电路供电，避免了在过压保护电路保护时影响控制电路供电输入。能量转换电路包括N型MOS管Ql，电感LI、耦合电容C2、电感L2。输出电路包括整流二极管Dl和电容C3。电感LI 一端接输入电压VIN，一端接N型MOS管Ql的漏极及耦合电容C2的输入端，MOS管Ql的源极接地、栅极接控制电路Al控制脚，电感L2 —端接耦合电容C2输出、一端接地，电感LI的接输入电压端和电感L2的接地端为同名端，耦合电容C2输入端接MOS管Ql的漏极，输出端接输出电路中整流二极管Dl的阳极。能量转换电路在控制电路的控制下，周期性开启/关闭MOS管Ql，使得在第一电感LI两端产生交流信号，该信号经第一、二电感的互感及耦合电容的耦合作用，在第二电感L2与耦合电容的输出端产生同样频率的交流信号，送至输出电路。控制电路Al供电管脚POWER接输入电路中二极管汇流桥的输出，反馈采样管脚FB接输出电路输出VOUT经电阻Rl与R2分压后的分压点，控制管脚CTR接N型MOS管Ql的栅极。控制芯片Al实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚CTR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Ql相应的开启或关闭时间。输出电路中二极管Dl阳极接能量转换电路的输出，阴极接储能滤波电容C3，通过二极管的整流作用将输入交流信号整流滤波输出，输出电路输出的电压VOUT作为整个直流开关电源电路的输出。如上所述电路为非隔离型Buck-Boost DC开关电源电路，输入电压分为两路分别进行处理，一路经过压保护电路为控制电路Al供电，另一路直接进入能量转换电路；输入电路中使用第一二极管与第二二极管组成的汇流桥将过压保护电路的输出与输出电路的输出进行汇流，为控制电路Al供电；控制芯片Al通过采集反馈FB管脚电压控制能量转换电路中MOS管开关。实施例I本实施例的控制电路使用国家半导体公司的Buck-Boost型电源芯片LM3478实现，如图3所示。输入电压VIN经热敏电阻Fl与TVS 二极管组成的过压保护电路后，通过二极管D2与输出电压VOUT经D3汇流后接入控制芯片LM3478供电脚VIN，LM3478输出控制脚DR接MOS管Ql的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接R5下拉到GND，补偿管脚COMP通过电容C8与电阻R4连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻Rl与R2的中点，电流采样管脚ISEN通过滤波电阻连接至MOS管Ql的源极，并经功率电阻R6连接至GND，另一路输入电压VIN直接连接电感LI，LI另一端连接MOS管Ql的漏极，电感L2 —端接GND，一端接二极管Dl的阳极，耦合电容C2 —端接Ql的漏极一端接二极管Dl的阳极，二极管Dl的阴极通过电容C3整流滤波后输出至VOUT。图3中的电容C4-C15、电感L3-L4均为滤波、储能作用，不再详细说明。本实施例中LM3478正常工作电压范围为4 40V，热敏电阻采用50mA_72V热敏电阻，TVS 二极管采用36VTVS 二极管；采用上述电路后使得整个电路正常工作输入电压范围扩展到3 75V，输出电压VOUT为12V。实施例2 如图4所示为本发明直流开关电源电路实施例2的电路图；汇流电路包括第一汇流二极管D5和第二汇流二极管D6。在本实施例中采用过压关断电路实现过压保护电路。过压保护电路由PNP型三极管Q3、P型MOS管Q2、稳压管V4及V5与外围分压电阻实现；M0S管Q2的源极接输入电压VIN、漏极接汇流电路的第一汇流二极管D5、栅极接输入电压VIN经电阻Rll与R14分压的分压点，稳压管V4并联于MOS管栅极与源极之间，三级管Q3的基极接稳压管V5的阴极、发射级接输入电压VIN、集电极接MOS管Q2的栅极，分压电阻Rl2并接在三级管Q3的发射级与稳压管V5的阳极之间，电阻R13 —端与电阻R12相连，另一端接地。当外部输入电压正常时，通过分压电阻Rll与R14的分压控制MOS管Q2正常开启，稳压管V4用于保护MOS管Vgs两端电压。当外部电压超过由V5、R12、R13设定电压(设定值=(V5额定电压+0.4V)/R12*(R12+13))时，三极管Q3导通，从而控制MOS管Q2关闭，实现过压关断的功能。当MOS管Q2关闭时，第一汇流二极管D5阳极端的电压为零，采用输出电压VOUT为控制电路Ul供电。本实施例的控制电路使用国家半导体公司Buck型电源芯片LM2596实现，如图4所示。输入电压经由三极管Q3、M0S管Q2、稳压管V4、V5及若干分压电阻组成的过压关断电路后，与输出电压VOUT经二极管D5、D6汇流后接入电源芯片Ul管脚+VIN，电源芯片Ul反馈采样管脚FEEDBK经分压电阻R8连接电源转换电路输出V0UT，电源芯片输出管脚OUTPUT经限流电阻R9连接NPN型三极管Q4的基极，三极管Q4的集电极接输入电压VIN，发射极接P型MOS管Q5的栅极，同时三极管Q4的发射极与稳压管V6的阳极相连，稳压管V6的阳极通过电阻RlO接地；M0S管Q5的源接输入电压VIN，漏极接二极管D7的阴极、电感L5的一端、N型MOS管Q6的栅极，Q6的源极接地，漏极接整流二极管D4的阳极后输出。综上所示，本发明由于将输入电压分为控制电路供电和转换电路供电两路，并对其分别处理，当输入电压电压过高时，过压保护电路保护，控制电路由输出电路或经过过压保护电路后的输入电压提供供电电源；当输入电压电压过低时，控制电路由输出电路供电，从而实现宽范围输入正常工作的目的；避免了因控制电路耐压值较低而影响整个电路的工作电压范围，降低了对控制电路芯片耐压值的要求，增强了开关电源电路的电源适应性，提高了开关电源电路的转换效率及可靠性。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.一种直流开关电源电路，包括能量转换电路、控制电路、和输出电路；其特征在于直流开关电源电路还包括输入电路；所述输入电路包括过压保护电路和汇流电路； 汇流电路包括第一二极管与第二二极管； 输入电压经过压保护电路后输入到汇流电路，汇流电路将经过压保护电路的输入电压与输出电路输出的输出电压汇流后为控制电路供电； 能量转换电路由输入电压供电，并在控制电路的控制下产生交流信号； 输出电路将能量转换电路产生的交流信号整流滤波后获得所述输出电压； 控制电路通过采集所述输出电压来控制能量转换电路中开关器件的开启和关闭时间。
2.如权利要求I所述的直流开关电源电路，其特征在于过压保护电路包括热敏电阻和TVS 二极管；输入电压经热敏电阻后接入第一二极管的阳极，输出电路输出的所述输出电压接入第二二极管的阳极，第一、二二极管的阴极相连并与控制电路的供电管脚相连，TVS 二极管的阳极接地、阴极与第一二极管的阳极相连。
3.如权利要求I所述的直流开关电源电路，其特征在于过压保护电路为过压关断电路。
4.如权利要求3所述的直流开关电源电路，其特征在于过压关断电路包括PNP型三极管、P型MOS管、第一分压电阻、第二分压电阻及稳压二极管；输入电压连接P型MOS管的源极，P型MOS管的漏极连接汇流电路的第一二极管的阳极，P型MOS管的栅极接输入电压经第一分压电阻后的分压点；PNP型三极管的发射极接输入电压，PNP型三极管的集电极接P型MOS管的栅极，PNP型三极管的基极接稳压二级管的阴极，稳压二级管的阳极接输入电压经第二分压电阻后的分压点。
全文摘要
一种直流开关电源电路，包括输入电路、能量转换电路、控制电路、输出电路；输入电路中包含过压保护电路及汇流电路，过压保护电路在外部电源电压过高时保证控制电路不受外部影响，汇流电路将输入电压经过压保护电路后的输出与输出电路的输出汇流后为控制电路供电，以保证过压保护电路保护或输入电压过低时控制电路仍能够正常工作。本发明由于将输入电压分为控制电路供电和转换电路供电两路，并对其分别处理，因此避免了因控制电路耐压值较低而影响整个电路的工作电压范围，降低了对控制电路芯片耐压值的要求，从而确保本发明电路可用于宽范围电压输入的应用环境。
文档编号H02M3/155GK102801310SQ20121030065
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者刘壮华, 严忠清, 郭茜, 金怡宏, 李金鸣, 岳鹏, 韩松, 樊鹏辉, 卜春光, 赵甲 申请人:中国航天时代电子公司