一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路的制作方法

1.本发明涉及过压保护领域，特别涉及一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路。


背景技术：

2.在开关电源行业中，即使添加了再多的被动emc器件防护后，在遇到雷击浪涌时，在emc器件后端也会有一段时间内电压异常偏高，此电压会超过后端系统装置所能承受的电压上限，导致后端系统装置或开关电源控制芯片、主开关管等被击穿损坏。现在国家电网要求升级，在直流输入电压情况下，仍然要求产品的emc能力。而现有直流转直流电源本身都没有emc防护能力，即使添加了前端emc电路后电源仍然要承受很高的母线电压，极易造成后端设备或开关电源损坏甚至起火，存在巨大安全隐患。本电路可以前置在输入电源的输入端emc电路的后端。当浪涌电压到来时可以及时切断输入母线电压，防止dc-dc电源损坏。
3.现有开关电源解决浪涌电压导致整流后电压偏高问题的方法归纳起来主要有三种：
4.第一种前置被动emc器件，少了样品通过浪涌测试后，批量出货产品有损坏甚至起火隐患，且比例较高；
5.第二种是提高电源所能承受的工作电压范围上限，增加更多的emc器件。其中，增加输入电压上限，主要是采用高耐压器件，优点是过压时电路仍能正常工作，可以在异常输入很长时间内都可以正常输出不损坏，缺点是电路成本和体积增加，输入电压上限每提高一倍，储能电容成本约上升四倍，开关管成本约上升两倍以上，在浪涌时过压工作时间很短，这种方法存在严重过设计，很浪费资源；
6.第三种是增加输入过压保护电路，当检测到电网电压过高时，使开关电源控制芯片停止工作，或切断直流母线电压输入，这样可以有效的减小主开关管尖峰耐压，保护主开关管不损坏。在产品长期工作在室外受或其它受浪涌影响的场合，可以有效降低不良率。缺点是现有输入电压峰值电路，温度漂移严重，在低温与高温时起作用电压点差异很大。


技术实现要素：

7.本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路。
8.为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
9.一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路，包括：
10.关断电路，连接电压输入端和后级电路，用于控制所述后级电路的供电通断；
11.检测控制电路，实时检测所述电压输入端电压，并将其与设定的过压保护阀值进行比较，当测得的电压大于过压保护阀值时，控制所述关断电路断开给所述后级电路的供电；当测得的电压小于过压保护阀值时，控制所述关断电路导通，给所述后级电路供电；
12.后级电路，用于输出电流以供用电端使用，其连接有储能电容模块，所述关断电路
断开给所述后级电路的供电后，由储能电容模块为所述后级电路供电。
13.进一步的，所述关断电路包括开关管和电源器件，电源器件的信号控制端连接所述开关管，所述电源器件信号端连接有mos管，所述mos管的栅极连接所述检测电路的驱动信号端，所述mos管的漏极接地。
14.进一步的，所述检测控制电路包括顺次串联的电阻r1、电阻r2、电阻r17，所述电阻r1连接电压输入端，所述电阻r17连接信号地和检测器件u4；所述电阻r17与电阻r2的串联节点连接检测器件u4采样端，所述检测器件u4的输出端和电阻r19相连，电阻r19与电阻r18串联，电阻r18接所述电源器件的供电信号输入端，所述检测器件u4接信号地；所述电阻r19与电阻r18的串联节点连接驱动三极管u6基级，所述驱动三极管u6的发射极连接供电信号输入端，驱动三极管u6的集电极通过电阻r20向所述关断电路输出控制信号，所述电阻r20通过电阻r21连接所述电阻r17、检测器件u4和信号地。
15.进一步的，所述检测控制电路包括电性连接电压输入端的电阻r1、电阻r18以及驱动三极管u6，所述电阻r1串联电阻r2、电阻r17，所述电阻r17连接检测器件u4和信号地，所述检测器件u4的采样端连接在所述电阻r17与电阻r2的串联节点，所述检测器件u4的输出端通过电阻r19连接所述电阻r18，驱动三极管u6的基级连接电阻r19与电阻r18的串联节点，所述驱动三极管u6的集电极通过电阻r20向所述关断电路输出控制信号。
16.进一步的，所述电阻r18通过稳压二极管zd1连接连接电压输入端。
17.进一步的，所述关断电路包括开关管，所述开关管的栅极连接所述检测控制电路的驱动信号端，所述开关管的源极连接储能电容模块和后级电路，开关管的漏极连接信号地，所述所述开关管的栅极通过电阻r10连接信号地。
18.进一步的，所述储能电容模块由储能电容c1、滤波电感l1、储能电容c2组成，所述储能电容c1经滤波电感l1与储能电容c2的正极连接作为正极；所述储能电容c1的负极与储能电容c2负极相连作为负极。
19.进一步的，所述检测器件u4包括运算放大器u2、三极管u5、二极管d6和恒压源
vref
，运算放大器u2的同相输入端连接电容c2，运算放大器u2的反相输入端连接恒压源
vref
的正端，运算放大器u2的负电源端和恒压源
vref
的负端连接信号地，运算放大器u2的正电源端输出控制信号，运算放大器u2的输出端连接三极管u5的基极，三极管u5的发射极连接运算放大器u2的负电源端和二极管d6的阳极，三极管u5的集电极连接二极管d6的阴极和运算放大器u2的正电源端。
20.进一步的，所述后级电路包括变压器，所述变压器初始线圈的一端连接所述开关管，另一端连接所述所述储能电容模块。
21.进一步的，还包括emc滤波电路，所述emc滤波电路用于将电压输入端输入的浪涌的峰值降低。
22.本发明的有益效果在于：
23.本发明的精准防浪涌冲击输入过压保护电路，能实时检测输入的电压的冲击、交流输入电压整流后的直流电压突变，并通过控制关断电路断开给后级电路的供电，防止高压浪涌冲击对元器件造成损坏，响应电压精准，且响应迅速，特别适用于电源产品的输入浪涌防护，可以在输入浪涌情况下及时检测到输入峰值，保护后级电路。
24.本发明适用于可能出现电压升高或有浪涌冲击的各种电子设备场合，如接地故障
等导致电网，电压异常过压的三相，单相交流电压输入情况，光伏1000-2000v直流输入以内的直流输入电压和低压1.25v以上输入直流过压控制的多种场合，反应速度快，电路简单可靠，成本低，性能优越，设计灵活，可灵活调节过压保护阀值。
附图说明
25.图1为本发明一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路的实施例1的连接原理图；
26.图2为本发明的实施例1的检测控制电路的连接示意图；
27.图3为本发明的实施例1的关断电路的连接示意图；
28.图4为本发明的实施例1的开关管的连接示意图；
29.图5为本发明的实施例1的储能电容模块的连接示意图；
30.图6为本发明的实施例2的检测控制电路的连接示意图；
31.图7为本发明的实施例2输入电压低于检测器件供电电压时检测控制电路的示意图；
32.图8为本发明的实施例3的检测器件的连接示意图；
33.图9为本发明一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路的实施例4的原理图；
34.图10为本发明一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路的实施例4的另一种实施方式的原理图；
35.图11为浪涌时直流母线电压波形图；
36.图12为本发明开关管电压波形图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1：
39.如图1-5所示，一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路，包括电压输入端vin、检测控制电路、后级电路和储能电容模块，所述关断电路连接电压输入端vin和后级电路，用于控制所述后级电路的供电通断，所述后级电路用于输出电流以供用电端使用，其连接有储能电容模块，所述关断电路断开给所述后级电路的供电后，由储能电容模块为所述后级电路供电。
40.所述关断电路包括开关管q1和电源器件，所述电源器件为pwm控制芯片，所述电源器件连接并驱动开关管q1，输出pwm波形，所述开关管q1为p型沟道mos管，所述电源器件的供电电流0.1ma以上，所述电源器件的信号控制端连接所述开关管q1，所述电源器件信号端连接有mos管q2，所述mos管q2的栅极连接所述检测电路的驱动信号端，所述mos管q2的漏极接地。所述mos管q2为n型沟道mos管，通常mos管q2的漏极与源极之间的电压在20v以上，电流大于100ma。所述关断电路的输入端可以是输入正，电源器件为输出负极；所述关断电路输出端为输入负极或储能电容模块负极，或储能模块正极。
41.所述检测控制电路包括顺次串联的电阻r1、电阻r2、电阻r17，所述电阻r1连接电
压输入端vin，所述电阻r17连接信号地和检测器件u4，所述电阻r17与电阻r2的串联节点连接检测器件u4采样端，所述检测器件u4的输出端和电阻r19相连，所述电阻r19通过电阻r18连接所述电源器件的供电信号输入端vcc，所述检测器件u4接信号地；所述电阻r19与电阻r18的串联节点连接驱动三极管u6基级，所述驱动三极管u6的发射极连接供电信号输入端vcc，由所述电源器件为所述检测控制电路供电，所述供电信号输入端vcc输出的电平为vcc电平；所述驱动三极管u6的集电极通过电阻r20向所述关断电路输出控制信号，所述电阻r20通过电阻r21连接所述电阻r17、检测器件u4和信号地。所述检测器件u4可以为可控精密稳压源或稳压二极管。
42.所述检测控制电路实时检测所述电压输入端vin的电压，并将其与设定的过压保护阀值进行比较，当在电压输入端vin输入的母线电压峰值突然增大，经所述电阻r1、电阻r2、电阻r17分压后电压大于所述检测器件u4内部设定的过压保护阀值vref，检测器件u4正极对负极导通，与电阻r19连接处变为低电平，电阻r18与电阻r19分压处，与驱动三极管u6相连接点处电平低于vcc电平，驱动三极管u6导通，驱动三极管u6经过驱动电阻r20输出控制信号vg，并驱动开mos管q2导通，此时电源器件的控制脚被拉低至地电位，电源器件停止输出驱动信号，开关管q1失去开关作用，所述电压输入端vin断开向所述后级电路供电，此时开关管q1漏极与源极之间的电压最大值就是母线电压峰值，不再有开关尖峰，开关管q1的电压不会大于最大击穿的电压，不会损坏。
43.当电压输入端vin输入的电压正常时，通过电阻r1、电阻r2、电阻r17分压后电压降低至过压保护阀值vref以下，检测器件u4与电阻r19相连接处变为高电平，电阻r18与电阻r19分压处，与驱动三极管u6相连接点处的电平等于vcc电平，驱动三极管u6断开，控制信号vg断开，控制mos管q2断开，所述电源器件恢复正常工作。
44.所述电阻r1、电阻r2、电阻r17都可以选择高阻的电阻发热量小，电压输入端vin输入的电压正常，所述mos管q2断开，且检测器件u4供电电流满足1ma就可以正常工作，节能省电，当电压输入端vin电压异常升高时，mos管q2处于开通状态,电源器件的控制脚接地，系统关闭，此时功耗更小，而且检测控制电路中的各电路元件成本都不高，因此，本发明电路具有极高的产品实用和商业价值。
45.所述后级电路包括变压器t，所述变压器t初始线圈的一端连接开关管q1的源极，另一端连接所述所述储能电容模块，当开关管q1电压降低为母线电压，所述电压输入端vin断开向所述后级电路供电，由所述储能电容模块向所述后级电路供电。当此时后端电路由后端电容供电。当储能电路电压通过电阻r1、电阻r2、电阻r17分压后降低至过压保护阀值vref以下，检测器件u4与电阻r19相连接处变为高电平，电阻r18与电阻r19分压处，与驱动三极管u6相连接点处电平等于vcc电平，驱动三极管u6断开，控制信号vg断开,控制mos管q2断开，电源器件恢复正常工作。
46.在一些实施例中，所述储能电容模块包含储能电容，储能电容的正极作为储能电容模块的正极，储能电容的负极作为储能电容模块的负极，所述变压器t初始线圈的一端连接在储能电容的正极，所述储能电容正负极分别连接所述电压输入端vin和输出负极，所述储能电容具有储能作用，在输入电压升高时，可以存储部分电量，当电压降低时释放能量。
47.具体的，在本实施例中，所述储能电容模块由储能电容c1、滤波电感l1、储能电容c2组成，所述储能电容c1经滤波电感l1与储能电容c2的正极连接作为正极，所述变压器t初
始线圈的一端连接所述储能电容模块的正极；所述储能电容c1的负极与储能电容c2负极相连作为负极，负极接地。如果电压输入端vin输入为雷击浪涌，浪涌时长为2s以内，2s以内由储能电容模块给后级电路供电，2s以后电源恢复正常输出，响应时间更加迅速，可以达ns等级，浪涌时对应直流母线电压(见图11)，浪涌时添加此电路后对应电源开关管电压波形(见图12)。
48.本技术的过压保护电路灵活可控制，可以应用到低压直流电源通信电源、三相四线电源、单相电源、光伏电源、煤矿、风能等更多需要场合，对浪涌冲击峰值削弱非常有效，也可以应用在长时间过压状态。
49.实施例2：
50.如图6所示，一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路，其与上述实施例1的区别在于：电压输入端vin输入低压直流，在确保电压输入端vin输入的母线电压小于电源器件最大要求电压时，检测控制电路的供电方式不再采用独立的电源器件供电。
51.详细的，所述检测控制电路包括电性连接电压输入端vin的电阻r1、电阻r18以及驱动三极管u6，所述电阻r18与电压输入端vin之间连接有稳压二极管zd1，所述电阻r18与稳压二级管zd1的阳极相连，稳压二级管zd1的阴极连接母线电压vin。所述电阻r1串联电阻r2、电阻r17，所述电阻r17连接检测器件u4和信号地，所述检测器件u4的采样端连接在所述电阻r17与电阻r2的串联节点，所述检测器件u4的输出端通过电阻r19连接所述电阻r18，驱动三极管u6的基级连接电阻r19与电阻r18的串联节点，所述驱动三极管u6的集电极通过电阻r20向所述关断电路输出控制信号。其中，其中电压输入端vin是输入的正极，一路传输给检测器件u4进行采样比较，一路通过稳压二极管zd1，一路通过电阻r18、电阻r19供电检测器件u4。当应用输入电压低于所述检测器件u4供电电压时，可将所述稳压二级管zd1短路(参考图7)。所述电压输入端vin给后级电路供电，所述关断电路包括开关管q1，所述开关管q1的栅极连接所述检测控制电路的电阻r20，所述开关管q1的源极连接储能电容模块和后级电路，开关管q1的漏极连接信号地，所述所述开关管q1的栅极通过电阻r10连接信号地，可以作为短路保护电路的地。
52.所述电阻r1、电阻r2、电阻r17将输入的电压信号降压后给到检测器件u4，检测器件u4可以选择2.5v的tl431，或1.25v的tl432。当输入电压出现过压时，即电压输入端vin的信号过压时，检测器件u4采样到电压高于设定的过压保护阀值vref进行比较时，检测器件u4与电压r19相连接处变为低电平，电阻r18与电阻r19分压与驱动三极管u6相连接处的电平低于稳压二级管zd1阳极高电平，驱动三极管u6导通。驱动三极管u6导通后稳压二级管zd1阳极高电平通过驱动三极管u6经过电阻r20输出控制信号vg,控制开关管q1关闭。
53.当输入电压正常时，开关管q1一直处于导通状态，导通阻抗很小，基本不存在开关损，所以发热量小，且检测控制电路损耗也小，在0.1w以内，几乎不影响开关电源整机效率。当输入电压异常升高到原来2倍时，开关管q1处于开关状态，发热量会有所上升，可根据功耗选取合适的mos管。
54.实施例3
55.本实施例与以上任何一种实施例不同的是，所述检测器件u4为由运算放大器u2、三极管u5、二极管d6和恒压源vref组成的检测电路，见附图8。
56.进一步的，所述检测器件u4包括运算放大器u2、三极管u5、二极管d6和恒压源
vref
，
运算放大器u2的同相输入端作为采集端，运算放大器u2的反相输入端连接恒压源
vref
的正端，运算放大器u2的负电源端和恒压源
vref
的负端连接信号地，运算放大器u2的正电源端输出控制信号，运算放大器u2的输出端连接三极管u5的基极，三极管u5的发射极连接运算放大器u2的负电源端和二极管d6的阳极，三极管q2的集电极连接二极管d6的阴极和运算放大器u2的正电源端。
57.本实施例中的所述检测器件u4工作原理与以上实施例一样，可实现同等功效。
58.实施例4
59.参考图9，一种精准防浪涌冲击输入过压保护电路，本实施例与以上任何一种实施例不同的是，还包括emc滤波电路，所述emc滤波电路用于将电压输入端vin输入的浪涌的峰值降低。
60.此外，所述emc滤波电路，与后级电路之间还连接有滤波电路，电压从电压输入端vin接入后，滤波电路，滤去整流输出电压中的纹波。
61.所述emc滤波电路、滤波电路可以包含以下至少一个元件：共模圈、x电容、热敏电阻、桥堆、y电容、限流电阻、保险丝、防雷放电管。
62.参考图10，在另一种实施例中，所述emc滤波电路与所述滤波电路之间还可以连接整流电路，所述整流电路可以包含以下至少一个元件：桥式整流器、滤波电容、电阻、二级管等，滤波电容整流电路将交流电变为直流电，滤波电路滤除掉电压中的交流成分。
63.综上所述，本发明适用于可能出现电压升高或有浪涌冲击的各种电子设备场合，如接地故障等导致电网，电压异常过压的三相，单相交流电压输入情况，光伏1000-2000v直流输入以内的直流输入电压和低压1.25v以上输入直流过压控制的多种场合，反应速度快，电路简单可靠，成本低，性能优越，设计灵活，可灵活调节过压保护阀值。
64.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。