一种带断电保护的开关电源系统的制作方法

本实用新型涉及开关电源中的电路模块技术领域，尤其是一种带断电保护的开关电源系统。

背景技术：

现有技术中，开关电源控制电路一般仅采用变压器对输入的电流进行进行降压后输入至控制电路板以及电动机中，在长期过载运行，容易引起变压器的绝缘快速老化以及热稳定破坏而损坏不起变压或降压作用；如果在通电情况下高电压输入时会使执行机构烧毁，而且容易溅出电火花进而引起火灾，并且还缺乏有效的断电保护器，从而降低了开关电源的使用安全性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种将开关电源使用的安全性能进行提升的一种带断电保护的开关电源系统。

本实用新型所设计的一种带断电保护的开关电源系统，包括：

一交流降压模块，对输入的220V的交流电进行降压至120V/60HZ；

一EMI滤波模块，对输入交流电信号进行滤波处理；

一桥堆，对经EMI滤波模块滤波后的电压进行整流，以得到直流电；

一DC/DC降压模块，对经桥式整流模块整流后的电压进行降压；

一断电保护模块，检测经桥式整流模块整流后的电压的大小；

交流降压模块的输入端与交流电源相连，其输出端与EMI滤波模块相连；EMI 滤波模块的输出端与桥堆相连；桥堆的输出端与DC/DC降压模块相连；断电保护模块包括电压检测模块、电压转换模块、电压拉低模块及开关模块；电压检测模块的输入端、电压转换模块的电源端及开关模块的电源端接输入电源，电压检测模块的输出端接电压转换模块的输入端，电压检测模块的接地端、电压拉低模块的接地端及电压转换模块的接地端接地，电压转换模块的输出端接电压拉低模块的输入端，电压拉低模块的输出端接开关模块的输入端，开关模块的输出端和DC/DC降压模块的输出端均接负载。

进一步优选，DC/DC降压模块包括电源输入端、电源输出端、振荡子电路、反馈子电路、开关子电路和滤波子电路，其中，电源输入端与桥堆的输出端相连，电源输出端与负载相连；振荡子电路的输入端与电源输入端连接，振荡子电路的输出端与反馈子电路的输入端连接；反馈子电路的第一输出端与开关子电路的控制端连接，第二输出端与电源输出端连接；开关子电路的输入端与电源输入端连接，输出端与滤波子电路的输入端连接；滤波子电路的输出端与电源输出端连接；振荡子电路输出第一控制信号至反馈子电路，反馈子电路根据第一控制信号输出第二控制信号至开关子电路，开关子电路根据第二控制信号输出第一电压信号至滤波子电路，滤波子电路根据第一电压信号输出第二电压信号至电源输出端。

进一步优选，DC/DC降压模块的具体电路结构，包括：至少一第一电容C1、第一反相器U1、第一电阻R1和第二电容C2、第二反相器U2、NPN三极管Q1、稳压二极管D1、第三电容C3、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、 P沟道MOSFET管Q2、续流二极管D2、第一电感L1和至少一第四电容C4；其中，第一电容C1一端与电源输入端Vin连接，另一端接地；第一反相器U1的输出端与反馈子电路20的输入端连接，且第一反相器U1的输出端经由第一电阻R1与第一反相器U1的输入端连接；第一反相器U1的输入端经由第二电容C2接地；第一反相器U1的电源端与电源输入端Vin连接；第一反相器U1的接地端接地；第二反相器U2的输出端与开关子电路30的控制端连接，输入端与NPN三极管Q1的集电极连接；NPN三极管Q1的发射极与稳压二极管D1的阴极连接，稳压二极管D1的阳极接地；NPN三极管Q1的集电极经由第二电阻R2与振荡子电路10的输出端连接；第五电阻R5一端与NPN三极管Q1的基极连接，另一端经由第四电阻R4接地；第五电阻 R5和第四电阻R4的公共端分别与第三电阻R3一端和第三电容C3一端连接，第三电阻R3另一端和第三电容C3另一端分别连接至电源输出端Vout；该MOSFET管Q2 的栅极接开关子电路30的控制端，续流二极管D2的阴极与MOSFET管Q2的漏极连接，阳极接地；第一电感L1一端与开关子电路30的输出端连接，另一端与电源输出端Vout连接；第四电容C4一端与电源输出端Vout连接，另一端接地。

进一步优选，电压检测模块41包括分压电阻R6、分压电阻R7、分压电阻R8 和基准稳压源U3；分压电阻R6、分压电阻R7和所述分压电阻R8串联于输入电源和接地之间，基准稳压源U3的正极接地、负极接分压电阻R6和分压电阻R7的公共连接点、基准端接所述分压电阻R7和分压电阻R8的公共连接点；分压电阻R6和分压电阻R7的公共连接点为电压检测模块的输出端。

进一步优选，电压转换模块43包括三极管Q3，三极管Q3的基极、集电极、发射极对应为电压转换模块的输入端、电源端和输出端。

进一步优选，电压拉低模块45包括分压电阻R9、分压电阻R10和三极管Q4；分压电阻R9与分压电阻R10串联于三极管Q4的基极与接地之间，分压电阻R4与分压电阻阔的公共连接点为电压拉低模块的输入端，三极管制的集电极与发射极对应为电压拉低模块的输出端和接地端。

进一步优选，开关模块47包括分压电阻R11和三极管Q5；分压电阻R11一端接三极管Q5的基极，另一端接三极管Q5的集电极，三极管Q5的集电极接输入电源，三极管Q5的基极与发射极对应为开关模块的输入端和输出端。

进一步优选，交流降压模块1包括电阻R12、电阻R13、电容C5、电容C6、可控硅Q6、双向触发二极管Q7，电阻R12、电阻R13、电容C5、电容C6相互串联连接；可控硅Q6的一端和交流降压模块的输出端均连接在电阻R12和电容C5之间，可控硅Q6的另一端连接在电容C6和电阻R13之间后再与整流模块的输入端相连；双向触发二极管Q7的一端与可控硅Q6的一端相连，其另一端连接在电阻R13、电容C5之间。

进一步优选，EMI滤波模块2包括电感L2、电容C7和电容C8；电感L2的一端为EMI滤波模块的第一输入端，电感L2的另一端为EMI滤波模块的第一输出端；电容C7的一端与EMI滤波模块的第一输入端相连，电容C7的另一端为EMI滤波模块的第二输入端，电容C8的一端与EMI滤波模块的第一输出端相连，电容C3的另一端为EMI滤波模块的第二输出端，电容C7的另一端与电容C8的另一端相连。

进一步优选，还包括用于指示输入电源过压的过压指示模块49，过压指示模块49的输入端接电压转换模块的输出端，过压指示模块49的电源端接输入电源，过压指示模块49的接地端接地；过压指示模块49包括三极管Q8和LED1，三极管Q8的基极与集电极对应为所述过压指示模块的输入端和电源端，三极管Q8 的发射极接LED1的正极，LED1的负极接地。

进一步优选，还包括用于指示负载正常工作的负载指示模块411，负载指示模块411的输入端接所述开关模块的输出端，负载指示模块411的输出端接地；负载指示模块包括分压电阻R14和LED2，分压电阻R14一端接所述开关模块的输出端，另一端接LED2的正极。

本实用新型所设计的一种带断电保护的开关电源系统，其结构使得在有高电压输入时直接断开与执行机构相连的电源，使得高电压电源无法输入至执行机构内，从而提升了使用的安全性能；并且本实用新型的降压电路成本较低，且只通过配置相应的开关子电路就能实现对该降压电路的输出电压和输出电流的灵活配置，从而实现了对输出负载电压和电流需求的灵活配置，使得根据开关电源的使用环境进行灵活配置开关电源的使用需求。

附图说明

图1是实施例1的整体结构示意图；

图2是实施例1的断电保护模块框图；

图3是实施例1的电路原理结构图；

图4是实施例1的DC/DC降压模块电路原理结构图；

图5是实施例1的断电保护模块电路原理结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1-图5所示，本实施例所描述的一种带断电保护的开关电源系统，包括交流降压模块1、EMI滤波模块2、桥堆5(实际为整流桥堆D1)、DC/DC降压模块3和断电保护模块4；其中，交流降压模块1的输入端与交流电源相连，其输出端与EMI滤波模块2相连；EMI滤波模块2的输出端与桥堆5相连；桥堆5 的输出端与DC/DC降压模块3相连；断电保护模块4包括电压检测模块41、电压转换模块43、电压拉低模块45及开关模块47；电压检测模块41的输入端、电压转换模块43的电源端及开关模块47的电源端接输入电源，电压检测模块 41的输出端接电压转换模块43的输入端，电压检测模块41的接地端、电压拉低模块45的接地端及电压转换模块43的接地端接地，电压转换模块43的输出端接电压拉低模块45的输入端，电压拉低模块45的输出端接开关模块的输入端，开关模块47的输出端和DC/DC降压模块3的输出端均接负载。

上述结构的设计原理：利用交流降压模块对输入的220V的交流电进行降压至120V/60HZ，将降压后的120V/60HZ交流电输入至EMI滤波模块中，利用EMI滤波模块对输入交流电信号进行滤波处理，将低频的有用信号顺利通过，对高频信号干扰进行抑制，使得电源信号传输更加稳定可靠，件滤波处理后的交流电输入至桥堆中，利用桥堆对经EMI滤波模块滤波后的电压进行整流，以得到直流电，将直流电输入至DC/DC降压模块进行降压处理；直流电在传输过程中断电保护模块对整流后的交流电进行检测电压的大小，在输入电压超过电压阔值时，所述电压检测模块输出高电平，电压转换模块接收高电平后向所述电压拉低块输出高电平，电压拉低模块接收高电平后导通，使所述开关模块通过电压拉低模块与接地之间形成导边回路，电压拉低模块向所述开关模块的输入端输出低电平，所述开关模块截止，停止向负载供电，避免因过压对负载造成损坏；在输入电压低于电压阔值时，所述电压检测模块输出低电平，电压转换模块接收低电平后向电压拉低模块输出低电平，电压拉低模块接收低电平后截止，所述开关模块与输入电源形成导通回路，所述开关模块导通，输入电源通过所述开关模块向负载供电。

本实施中具体的DC/DC降压模块3包括电源输入端、电源输出端、振荡子电路31、反馈子电路32、开关子电路33和滤波子电路34，其中，电源输入端与桥堆5 的输出端相连，电源输出端与负载相连；振荡子电路31的输入端与电源输入端连接，振荡子电路31的输出端与反馈子电路32的输入端连接；反馈子电路32的第一输出端与开关子电路33的控制端连接，第二输出端与电源输出端连接；开关子电路33的输入端与电源输入端连接，输出端与滤波子电路34的输入端连接；滤波子电路34的输出端与电源输出端连接；其结构的振荡子电路31输出第一控制信号至反馈子电路32，反馈子电路32根据第一控制信号输出第二控制信号至开关子电路33，开关子电路33根据第二控制信号输出第一电压信号至滤波子电路34，滤波子电路34根据第一电压信号输出第二电压信号至电源输出端；其电路成本较低，且只通过配置相应的开关子电路就能实现对该降压电路的输出电压和输出电流的灵活配置，从而实现了对输出负载电压和电流需求的灵活配置，使得根据开关电源的工作效率以及体积大小进行灵活配置开关电源的使用需求。

本实施中具体的DC/DC降压模块的具体电路结构包括：至少一第一电容C1、第一反相器U1、第一电阻R1和第二电容C2、第二反相器U2、NPN三极管Q1、稳压二极管D1、第三电容C3、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、 P沟道MOSFET管Q2、续流二极管D2、第一电感L1和至少一第四电容C4；其中，第一电容C1一端与电源输入端Vin连接，另一端接地；第一反相器U1的输出端与反馈子电路20的输入端连接，且第一反相器U1的输出端经由第一电阻R1与第一反相器U1的输入端连接；第一反相器U1的输入端经由第二电容C2接地；第一反相器U1的电源端与电源输入端Vin连接；第一反相器U1的接地端接地；第二反相器U2的输出端与开关子电路30的控制端连接，输入端与NPN三极管Q1的集电极连接；NPN三极管Q1的发射极与稳压二极管D1的阴极连接，稳压二极管D1的阳极接地；NPN三极管Q1的集电极经由第二电阻R2与振荡子电路10的输出端连接；第五电阻R5一端与NPN三极管Q1的基极连接，另一端经由第四电阻R4接地；第五电阻 R5和第四电阻R4的公共端分别与第三电阻R3一端和第三电容C3一端连接，第三电阻R3另一端和第三电容C3另一端分别连接至电源输出端Vout；该MOSFET管Q2 的栅极接开关子电路30的控制端，续流二极管D2的阴极与MOSFET管Q2的漏极连接，阳极接地；第一电感L1一端与开关子电路30的输出端连接，另一端与电源输出端Vout连接；第四电容C4一端与电源输出端Vout连接，另一端接地。

上述结构中，第一反相器U1、第一电阻R1和第二电容C2构成振荡子电路 10，第一电阻R1的阻值设为33K，第二电容C2的电容值设为1500pF，电源输入端Vin外接输入电压，本实施例的输入电压设为12V。当12V的输入电压上电后，该振荡子电路10开始工作，并输出0-12V的方波，其占空比为50％，该方波的频率设为fosc。

第二反相器U2、NPN三极管Q1、稳压二极管D1、第三电容C3、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5构成反馈子电路20，稳压二极管D1的标称稳定电压值为2V，第三电容C3的电容值设为0.1uF，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5的阻值分别设为100K、43K、47K和10K。其中，第二电阻R2为限流电阻，当NPN三极管Q1导通时，能够使第一反相器U1 的输出端不被地直接短路，由于当NPN三极管Q1导通时流过的是无用电流，若第二电阻R2过小，则会降低电路效率，因此将第二电阻R2设为100K。

P沟道MOSFET管Q2和续流二极管D2构成开关子电路30，管Q2的选择与该降压电路的输入电压和负载所需的工作电流有关，其中，MOSFET管Q2的漏源极电压VDS值大于该降压电路的输入电压，其漏电流ID应大于负载所需的工作电流。对于不同的负载，当其所需的最大工作电流不同时，该降压电路只需选用相应的MOSFET管Q2就可以实现，即通过配置相应的开关子电路30就能实现对该降压电路的输出电压和输出电流参数的相对灵活配置。设该续流二极管D2的正向导通电压为VF，当MOSFET管Q2截止时，该续流二极管D2可以将上述滤波子电路40的输入电压(即第一电压信号)固定在-VF电位，使得滤波子电路40 与参考地形成一完整回路。其中，续流二极管D2的反向耐压值VRM必须大于该降压电路的输入电压(本实施例中以24V为例进行说明)。

第一电感L1和至少一第四电容C4构成滤波子电路40，第四电容C4的数量可以根据实际需要进行设置，本实施例中设置两个第四电容C4，其电容值分别为0.1uF和100uF。第一电感L1的电感值设为220uH，该降压电路的输出电压和输出电流参数与第一电感L1的耐压及额定电流有关。该滤波子电路40接收开关子电路30输出的第一电压信号，并对该第一电压信号进行滤波，输出第二电压信号，其中，第二电压信号为一直流电压。

DC/DC降压电路具体工作原理如下：

对该降压电路的电源输入端Vin输入12V的直流电压，振荡子电路10开始工作，并输出0-12V的方波信号(即第一控制信号)，且其占空比为50％；设电源输入端Vin开始有电压输入的时刻为T0，则T0时刻MOSFET管Q2导通，滤波子电路40的输入电压从0V逐渐上升，从而电源输出端Vout的输出电压从0V逐渐上升，设该降压电路预设的目标输出电压是5V，则由电源输出端Vout输出的 5V电压经过反馈子电路20的第三电阻R3和第四电阻R4分压后到NPN三极管Q1 的基极电压为2.6V；当电源输出到Vout输出的电压大于5V时，则NPN三极管 Q1的基极电压大于2.6V，即大于基准电压(稳压二极管D1的标称稳定电压与NPN 三极管Q1的基极发射极电压Vbe之和)，此时NPN三极管Q1导通，则反馈子电路20输出高电平，因此MOSFET管Q2截止，设此时刻为T1，开关子电路30在 T1时刻之后关闭，因此滤波子电路40的输出电压由高电平逐渐降低为低电平，导致NPN三极管Q1的基极电压小于2.6V，随后NPN三极管Q1截止，反馈子电路 20输出低电平，然后MOSFET管Q2导通，此时刻设为T2，因此该降压电路按照上述过程循环，进而达到稳定输出目标电压的目的。其中，T0到T1时间段MOSFET 管Q2导通，T1到T2时间段MOSFET管Q2截止，T0至T2时间段为一个周期，T0至T1时间段占整个周期的比值为占空比，振荡子电路10与反馈子电路20共同控制MOSFET管Q2输出占空比进而达到调节目标输出电压的目的。由于稳压二极管D1的反向击穿电压为2V，且NPN三极管Q1的基极发射极间电压VBE为 0.6V，第三电阻R3的阻值为43K，第四电阻R4的阻值为47K，当该降压电路正常工作时，输出电压计算公式如下：

即本实施例提供的降压电路实现了从12V至5V直流电压的转换。

本实施中具体的电压检测模块41包括分压电阻R6、分压电阻R7、分压电阻 R8和基准稳压源U3；分压电阻R6、分压电阻R7和所述分压电阻R8串联于输入电源和接地之间，基准稳压源U3的正极接地、负极接分压电阻R6和分压电阻R7的公共连接点、基准端接所述分压电阻R7和分压电阻R8的公共连接点；分压电阻R6 和分压电阻R7的公共连接点为电压检测模块的输出端。

本实施中具体的电压转换模块43包括三极管Q3，三极管Q3的基极、集电极、发射极对应为电压转换模块的输入端、电源端和输出端。

本实施中具体的电压拉低模块45包括分压电阻R9、分压电阻R10和三极管 Q4；分压电阻R9与分压电阻R10串联于三极管Q4的基极与接地之间，分压电阻R4 与分压电阻阔的公共连接点为电压拉低模块的输入端，三极管制的集电极与发射极对应为电压拉低模块的输出端和接地端。

本实施中具体的开关模块47包括分压电阻R11和三极管Q5；分压电阻R11一端接三极管Q5的基极，另一端接三极管Q5的集电极，三极管Q5的集电极接输入电源，三极管Q5的基极与发射极对应为开关模块的输入端和输出端。

本实施中具体的交流降压模块1包括电阻R12、电阻R13、电容C5、电容C6、可控硅Q6、双向触发二极管Q7，电阻R12、电阻R13、电容C5、电容C6相互串联连接；可控硅Q6的一端和交流降压模块的输出端均连接在电阻R12和电容C5之间，可控硅Q6的另一端连接在电容C6和电阻R13之间后再与整流模块的输入端相连；双向触发二极管Q7的一端与可控硅Q6的一端相连，其另一端连接在电阻R13、电容C5之间。

本实施中具体的EMI滤波模块2包括电感L2、电容C7和电容C8；电感L2的一端为EMI滤波模块的第一输入端，电感L2的另一端为EMI滤波模块的第一输出端；电容C7的一端与EMI滤波模块的第一输入端相连，电容C7的另一端为EMI滤波模块的第二输入端，电容C8的一端与EMI滤波模块的第一输出端相连，电容C3的另一端为EMI滤波模块的第二输出端，电容C7的另一端与电容C8的另一端相连。

本实施中具体还包括用于指示输入电源过压的过压指示模块49，过压指示模块49的输入端接电压转换模块的输出端，过压指示模块49的电源端接输入电源，过压指示模块49的接地端接地；过压指示模块49包括三极管Q8和LED1，三极管Q8的基极与集电极对应为所述过压指示模块的输入端和电源端，三极管Q8 的发射极接LED1的正极，LED1的负极接地。三极管Q2为NPN型三极管。LED1为红色LED。

本实施中具体还包括用于指示负载正常工作的负载指示模块411，负载指示模块411的输入端接所述开关模块的输出端，负载指示模块411的输出端接地；负载指示模块包括分压电阻R14和LED2，分压电阻R14一端接所述开关模块的输出端，另一端接LED2的正极，LED2的负极接地；LED2为绿色LED.

上述结构中的过压断电保护电路的具体工作原理如下:

输入电源经由分压电阻R1分压后加到基准稳压源U1上，分压电阻R7与分压电阻R8分压后为基准稳压源U1提供基准电压。在输入电源发生变化时，基准稳压源U1的负极输出电压也随之发生变化。

在输入电源正常时，基准稳压源U1输出低电平，因此三极管Q3的基极为低电平，三极管Q3接收低电平截止，三极管Q3的发射极输出低电平，因而三极管 Q8和三极管制的基极均接收到低电平。三极管Q8和三极管Q5均截止。与三极管 Q8连接的LED1不发光。而三极管Q5也无法经由三极管Q4与接地形成导通回路。因此三极管Q5经由分压电阻R11与输入电源形成导通回路，三极管Q5导通。输入电源经由三极管Q5对负载供电。同时，输入电源经由三极管Q5对LED2供电，LED2 点亮，表明输入电源的电压正常，电路正常工作。

在输入电源过压时，基准稳压源U1输出高电平，因此，三极管Q3的基极为高电平，三极管Q3接收高电平后导通，三极管Q3的发射极输出高电平，因而三极管Q8与三极管Q4的基极均接收到高电平。三极管Q8与三极管Q4均导通。与三极管Q8连接的LED1发光。表明输入电源此时处于过压状态。而三极管Q5经由三极管Q4与接地形成导通回路。因此三极管Q5的基极电压被拉低，三极管制截止。从而断开了输入电源与负载之间的连接。同时，输入电源停止对LED2供电，LED2 熄灭。

在输入电源电压恢复正常时，输入电源经由三极管制向负载供电。三极管 Q3、三极管Q8及三极管制均截止。LED1熄灭，LED2点亮。

上述结构中的过压断电保护电路经由电压转换模块43的电压转换使得电压拉低模块45的输入端接收高电平，因而电压拉低模块45能够使开关模块47与接地形成导通回路，开关模块47的输入端为低电平，开关模块47截止，从而输入电源与负载断开连接，避免因过压对负载造成损坏。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。