一种交直流自适应电源的制作方法

1.本发明涉及直流电源领域，具体是一种交直流自适应电源。


背景技术：

2.工业仪表在实际应用中受外部条件的限制供电电源可能是直流或者是交流市电，由于交直流不能共存导致用户在购买仪表的时候需要明确给出厂商供电参数，对于仪表生产商就需要不同的电源模块用来匹配现场实际需求，对整个行业带来许多不方便。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种交直流自适应电源，以解决现有技术仪表中需要采用不同电源模块匹配不同供电电源的问题。
4.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
5.一种交直流自适应电源，包括整流模块，所述整理模块输入交流或整流信号，并由整流模块输出直流信号，还包括工作模式切换模块、boost升压模块、buck降压模块，其中：
6.所述工作模式切换模块包括电压比较器，电压比较器采集整流模块输出的直流信号并与对比信号比较，当所述直流信号小于对比信号时由电压比较器的输出脚输出第一控制信号，当所述直流信号大于对比信号时由电压比较器的另一输出脚输出第二控制信号；
7.所述boost升压模块包括第一电流模式控制器、boost升压电路，其中boost升压电路的输入端连接整流模块输出的直流信号，boost升压电路的输出端向外输出升压后的直流信号；boost升压模块中第一电流模式控制器的输出脚连接boost升压电路的控制端，由此使boost升压电路受控于第一电流模式控制器；工作模式切换模块中电压比较器输出的第一控制信号用于控制所述第一电流模式控制器，第一电流模式控制器在接收到电压比较器输出的第一控制信号时向boost升压电路输出驱动信号，驱动boost升压电路对整流模块输出的直流信号升压，并由boost升压电路的输出端向外部输出升压后的直流信号；所述第一电流模式控制器还通过自身反馈输入脚采样反馈信号，并将反馈信号与对比电压比较后，由第一电流模式控制器根据比较结果自动调节向boost升压电路输出的驱动信号的占空比；
8.所述buck降压模块包括第二电流模式控制器、buck降压电路，其中buck降压电路的输入端连接整流模块输出的直流信号，buck降压电路的输出端向外输出降压后的直流信号；buck降压模块中第二电流模式控制器的输出脚连接buck降压电路的控制端，由此使buck降压电路受控于第二电流模式控制器；工作模式切换模块中电压比较器输出的第二控制信号用于控制所述第二电流模式控制器，第二电流模式控制器在接收到电压比较器输出的第二控制信号时向buck降压电路输出驱动信号，驱动buck降压电路对整流模块输出的直流信号降压，并由buck降压电路的输出端向外部输出降压后的直流信号；所述第二电流模式控制器还通过自身反馈输入脚采样反馈信号，并将反馈信号与对比电压比较后，由第二电流模式控制器根据比较结果自动调节向buck降压电路输出的驱动信号的占空比。
9.进一步的，所述整流模块中还集成有emc滤波模块，交流或整流信号经emc滤波模块输出至整流模块的输入端。
10.进一步的，所述boost升压模块中，第一电流模式控制器从boost升压电路中采样反馈信号。
11.进一步的，所述buck降压模块中，buck降压电路配置有变压器模块，buck降压电路的输出端与变压器模块的输入端连接，buck降压电路输出的降压后的直流信号经变压器变压后，由变压器模块的输出端向外输出。
12.进一步的，所述buck降压模块中，第二电流模式控制器从变压器模块输出端采样反馈信号。
13.进一步的，所述变压器模块输出端的反馈信号经光耦连接至第二电流模式控制器的反馈输入端。
14.进一步的，所述工作模式切换模块还包括分压模块，整流模块输出的直流信号通过分压模块供电至所述电压比较器，且所述电压比较器通过分压模块采集整流模块输出的直流信号。
15.进一步的，所述工作模式切换模块还包括两组开关电路，整流模块输出的直流信号通过两组开关电路一一对应供电至所述boost升压模块中的第一电流模式控制器、所述buck降压模块中的第二电流模式控制器，所述电压比较器用于输出第一控制信号的输出脚连接boost升压模块对应的开关电路控制端，电压比较器用于输出第二控制信号的输出脚连接buck降压模块对应的开关电路控制端，由此电压比较器通过控制开关电路通断以控制boost升压模块中第一电流模式控制器、buck降压模块中的第二电流模式控制器。
16.本发明在前级采用整流模块，可适用于交流供电电源或直流供电电源。当为交流供电电源时，由整流模块转换为直流电源后输出；当为直流供电电源时，则由整流模块输出该直流供电电源的直流信号，并且无须区分直流供电电源输出极性。同时本发明在整流模块集成包括emc滤波模块，能够对共模干扰等形成滤波，以降低干扰信号的影响。
17.本发明中，通过工作模式切换模块进行电压比较，使buck降压模块或者boost升压模块工作，可在输入信号较大或较小时进行升压或降压，能够得到所需电压信号，以适用于不同供电电压。并且buck降压模块、boost升压模块通过反馈采集能够实现自适应调节占空比，以提高向负载输出电压的稳定性。
18.与现有技术相比，本发明的优点为：
19.本发明不仅可以无差别交直流输入，而且支持超宽电压输入，有效的解决了现场供电问题，直流输入无极性，防止了现场施工导致电源反接的问题。
附图说明
20.图1是本发明结构原理框图。
21.图2是本发明整流模块电路图。
22.图3是本发明工作模式切换模块电路图。
23.图4是本发明工作模式切换模块中分压模块包含的三极管钳位电路图。
24.图5是本发明工作模式切换模块中分压模块包含的电阻分压电路图。
25.图6是本发明工作模式切换模块中用于控制boost模块的开关电路图。
26.图7是本发明工作模式切换模块中用于控制buck模块的开关电路图。
27.图8是本发明boost升压模块电路图。
28.图9是本发明buck降压模块电路图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
30.如图1所示，本发明一种交直流自适应电源，包括整流模块、工作模式切换模块、boost升压模块、buck降压模块，以及配置于buck降压模块的变压器模块，其中：
31.如图2所示，本发明整流模块包括两脚的接线端子p8、保险丝f2、温敏电阻r39、电容c31、共模电感t1、整流桥db1、滤波电容c32。接线端子p8的两个针脚用于连接外部交流供电源的火线、零线，或者连接外部直流供电源的正、负极输出端。接线端子p8用于连接火线或正极输出端的针脚通过保险丝f2与共模电感t1的一个输入端连接，共模电感t1的另一个输入端与接线端子p8用于连接零线或负极输出端的针脚连接，温敏电阻r39、电容c31并联后连接于共模电感t1两个输入端之间，由温敏电阻r39、电容c31和共模电感t1组成emc滤波模块。
32.共模电感t1的两个输出端分别与整流桥db1的两个输入端连接，整流桥db1的一个输出端接地，整流桥db1的另一个输出端通过滤波电容c32接地，并且从整流桥db1另一个输出端、滤波电容c32之间引出导线向外输出直流电压dchv。
33.当接线端子p8接入外部交流供电源时，交流电经过保险丝f2进入整流桥db1后，再通过滤波电容c32滤波变为直流电。当接线端子p8接入外部直流供电源，由于二极管处于正向导通状态所以直流电可以直接通过整流桥db1。在整流桥db1前通过emc滤波模块实现emc滤波。
34.如图3所示，本发明工作模式切换模块包括型号为lt1017in8#pbf的电压比较器芯片u1，该电压比较器芯片u1配置有分压模块、开关电路。
35.分压模块包括三极管钳位电路、电阻分压电路。如图4所示，三极管钳位电路包括三极管q5、电阻r10、电阻r11、电阻r12、稳压二极管d12、稳压二极管d14。三极管q5的集电极连接整流模块中整流桥db1另一个输出端、滤波电容c32之间引出导线，以引入整流模块输出的直流电压dhvc，三极管q5的集电极还依次通过电阻r10、电阻r11连接三极管q5自身基极，电阻r10、电阻r11之间引出导线连接稳压二极管d12的阴极，三极管q5的发射极通过电阻r12连接稳压二极管d14的阴极，同时稳压二极管d14的阴极、电阻r12之间引出导线输出直流电压vdd用于向电压比较器芯片u1、电阻分压电路供电，稳压二极管d14的阳极、稳压二极管d12的阳极共接后接地gnd。
36.如图5所示，分压模块中的电阻分压电路包括电阻r3、电阻r5、稳压二极管d11。电阻r3、电阻r5相互串联形成串联支路，串联支路一端连接三极管钳位电路中稳压二极管d14阴极、电阻r12之间引出导线输出的电压vdd，串联支路另一端接地gnd，并且串联支路接地端与稳压二极管d11阴极端连接，稳压二极管d11阳极端接地gnd，电阻r3、电阻r5之间引出导线用于向电压比较器芯片u1输出直流采样信号inb-。
37.整流模块输出的直流电压dhvc经三极管钳位电路，由三极管钳位电路中稳压二极管d12和稳压二极管d14保证三极管q5的g、e极之间电压在一个范围内自动调节，最终由三
极管钳位电路中三极管q5集电极通过电阻r12输出直流电压vdd，该直流电压vdd一方面用于向电压比较器芯片u1供电，另一方面用于输出至电阻分压电路。
38.电阻分压电路中，通过电阻r3、r5对直流电压vdd分压，电压比较器芯片u1从电阻r3、r5之间采集直流采样信号inb-。由此，整流模块中整流桥db1输出的电压dchv经三极管钳位电路、电阻分压电路分压后，被电压比较器芯片u1采集。
39.如图3所示，电压比较器芯片u1的引脚v-引脚接地gnd，电压比较器芯片u1的引脚v+通过电阻r1连接分压模块的三极管钳位电路中三极管q5集电极通过电阻r12输出的直流电压vdd，由此直流电压vdd向电压比较器芯片u1供电。电压比较器芯片u1的引脚v+还通过电阻r2接地gnd，电阻r2与地gnd之间引出导线与一个稳压二极管d2的阳极连接，稳压二极管d2的阴极连接至电阻r2与电压比较器芯片u1的引脚v+之间，稳压二极管d2的阴极还与一个二极管d3的阳极连接，二极管d3的阴极通过电阻r4与电压比较器芯片u1的引脚+inb连接，二极管d3的阴极与一个稳压二极管d4的阴极连接，稳压二极管d4的阳极接地，二极管d3的阴极、稳压二极管d4的阴极之间引出导线连接至电压比较器芯片u1的引脚-ina，并且电压比较器芯片u1通过引脚+inb从二极管d3、稳压二极管d4之间引入对比信号，比较器芯片u1的-inb引脚与电阻分压电路中电阻r3、r5之间连接，由此电压比较器芯片u1引入直流采样信号inb-。电压比较器芯片u1将直流采样信号inb-与对比电压进行比较，直流采样信号inb-是从dchv电压采集的做对比的电源分压，当直流采样信号inb-小于对比电压时，电压比较器芯片u1通过自身outputa引脚向外输出第一控制信号oa，当直流采样信号inb-小于对比电压时，电压比较器芯片u1通过自身outputb引脚向外输出第二控制信号ob。
40.工作模式切换模块中的开关电路包括boost模块开关电路、buck模块开关电路图。如图6所示，boost模块开关电路包括三极管q1、电阻r6、电阻r7、稳压二极管d5，三极管q1的集电极通过电阻r6连接分压模块的三极管钳位电路中稳压二极管d14阴极、电阻r12之间引出导线，以引入直流电压vdd，三极管q1的发射极与稳压二极管d5的阴极连接，稳压二极管d5的阳极接地gdn，三极管q1的发射极、稳压二极管d5的阴极之间引出导线向boost升压模块输出供电电压boost_vcc，三极管q1的基极通过电阻r7与电压比较器芯片u1的outputa引脚连接。由此，电压比较器芯片u1的outputa引脚输出第一控制信号oa时使三极管q1导通，直流电压vdd通过三极管q1向boost升压模块供电，当电压比较器芯片u1的outputa引脚停止输出第一控制信号oa时，三极管q1关断，直流电压vdd停止向boost升压模块供电，通过该方式使boost升压模块的工作受控于电压比较器芯片u1。
41.buck模块开关电路与boost模块开关电路结构相同。如图7所示，buck模块开关电路包括三极管q2、电阻r8、电阻r9、稳压二极管d6，三极管q2的集电极通过电阻r8连接分压模块的三极管钳位电路中稳压二极管d14阴极、电阻r12之间引出导线，以引入直流电压vdd，三极管q2的发射极与稳压二极管d6的阴极连接，稳压二极管d6的阳极接地gdn，三极管q2的发射极、稳压二极管d6的阴极之间引出导线向buck降压模块输出供电电压buck_vcc，三极管q2的基极通过电阻r9与电压比较器芯片u1的outputb引脚连接。由此，电压比较器芯片u1的outputb引脚输出第二控制信号ob时使三极管q2导通，直流电压vdd通过三极管q2向buck降压模块供电，当电压比较器芯片u2的outputb引脚停止输出第二控制信号ob时，三极管q2关断，直流电压vdd停止向buck降压模块供电，通过该方式使buck降压模块的工作受控于电压比较器芯片u1。
42.如图8所示，本发明中的boost升压模块，包括型号为uc2843dtr的第一电流模式控制器u6，以及boost升压电路。boost升压电路包括储能电感l1、mos开关管q3、二极管d8、电流采样电阻r45，储能电感l1一端连接整流模块中整流桥db1另一个输出端、滤波电容c32之间引出导线，以引入直流电压dchv，储能电感l1另一端与mos开关管q3的漏极连接，mos开关管q3的源极通过电流采样电阻r45接地，mos开关管q3的栅极通过一个电阻r42连接第一电流模式控制器u6的输出脚output，mos开关管q3的漏极、储能电感l1之间引出导线通过正接的二极管d8向外输出升压后的直流电压dcout1。
43.第一电流模式控制器u6的补偿脚comp通过一个电容c33、一个电阻r40与第一电流模式控制器u6的反相反馈输入脚vfb连接，电阻r40并联有电容c34，由电容c33、电容c34、电阻r40构成rc补偿网络。第一电流模式控制器u6的反相反馈输入脚vfb与一个稳压二极管d7的阴极连接，电阻r40、电容c34之间引出导线通过电阻r41接地gnd，稳压二极管d7的阳极与电阻r41共接接地gnd，电阻r40、电容c33之间连接整流模块中整流桥db1另一个输出端、滤波电容c32之间的引出导线，以引入直流电压dchv，由此直流低压dchv通过电阻r40、电阻r41分压后送入第一电流模式控制器u6的反相反馈输入脚vfb作为对比信号。电阻r40、电容c33之间还引出导线与一个稳压二极管d9的阴极连接，稳压二极管d9的阳极通过电阻r47接地。
44.第一电流模式控制器u6的振荡输入脚rt/ct通过定时电容c35接地gnd，同时第一电流模式控制器u6的振荡输入脚rt/ct还通过定时电阻r44与第一电流模式控制器u6的基准电压输出脚vref连接，由第一电流模式控制器u6通过基准电压输出脚vref向由定时电阻r44、定时电容c35构成的振荡电路输出电压，并由振荡电路产生振荡信号送入至第一电流模式控制器u6。
45.第一电流模式控制器u6的同相反馈输入脚isense通过电阻r43连接至mos开关管q3源极、电流采样电阻r45之间，由此第一电流模式控制器u6的同相反馈输入脚isense通过电阻r43从mos开关管q3源极、电流采样电阻r45获取反馈信号。第一电流模式控制器u6的同相反馈输入脚isense还通过电容c36与电流采样电阻r45共接接地gnd。
46.第一电流模式控制器u6的引脚ground、引脚pwrgnd共接接地，第一电流模式控制器u6的电源引脚vcc、vc共接后，再连接工作模式切换模块的boost模块开关电路中的三极管q1发射极、稳压二极管d5阴极之间引出导线，由此向boost模块开关电路输出供电电压boost_vcc至第一电流模式控制器u6。
47.当电压比较器芯片u1的outputa引脚输出第一控制信号oa时使三极管q1导通时，三极管q1向第一电流模式控制器u6输出供电电压boost_vcc，使第一电流模式控制器u6工作，此时第一电流模式控制器u6通过自身输出脚output向mos开关管q3的栅极输出驱动电压，使mos开关管q3导通，当mos开关管q3导通时，储能电感l1充电，整个电路不向负载供电。当电压比较器芯片u1的outputa引脚停止输出第一控制信号oa时，三极管q1截止，此时第一电流模式控制器u6停止向mos开关管q3的栅极输出驱动电压，mos开关管q3截止，直流电压dchv通过储能电感l1向负载输出电压，同时储能电感l1向负载放电输出电压，由此相当于对直流电压dchv升压后形成升压后的直流电压dcout1输出至负载。电压比较器芯片u1从mos开关管q3、直流采样电阻r45之间获取反馈信号，并与通过反相反馈输入脚vfb引入的对比信号进行比较，电压比较器芯片u1基于比较结果自动调节向mos开关管q3的栅极输出的
驱动电压占空比，以此实现自动调节功能。
48.如图9所示，本发明中的buck升压模块，包括型号为uc2843dtr的第二电流模式控制器u8，以及buck降压电路。buck降压电路包括储能电感l2、mos开关管q4、电解电容c41、电容c42、电流采样电阻r55，此外还包括变压器t2。储能电感l2一端连接整流模块中整流桥db1另一个输出端、滤波电容c32之间引出导线，以引入直流电压dchv，并且储能电感l2该端还通过电解电容c41接地，储能电感l1另一端与mos开关管q4的漏极连接，mos开关管q4的源极通过电流采样电阻r55接地，mos开关管q4的栅极通过一个电阻r51连接第二电流模式控制器u8的输出脚output，mos开关管q4的漏极、储能电感l1之间引出导线连接电容c42一端，电容c42另一端与变压器t1的一个输入端连接，变压器t1的另一个输入端与一个稳压二极管d1的阳极连接，稳压二极管d1的阴极与一个二极管d13的阴极连接，二极管d13的阳极与变压器t1的另一个输入端共接接地gnd，变压器t2的一个输出端与一个二极管d10阳极连接，二极管d10的阴极通过一个电解电容c43接地d_gnd，同时变压器t2的另一个输出端与电解电容c43共接接地d_gnd，从二极管d10、电解电容c43之间引出导线向外部负载输出降压后的直流电压dc24v。
49.第二电流模式控制器u8的补偿脚comp通过一个电容c37、一个电阻r50与第二电流模式控制器u6的反相反馈输入脚vfb连接，电阻r50并联有电容c38，由电容c37、电容c38、电阻r50构成rc补偿网络。第二电流模式控制器u8的反相反馈输入脚vfb还通过电阻r52与一个型号为is181d的光耦u12的输出脚em连接，光耦u12的输出脚em还通过电阻r49接地gnd，光耦u12的输出脚col与第二电流模式控制器u8的基准电压输出脚vref连接，由第二电流模式控制器u8通过基准电压输出脚vref向光耦u12供电，光耦u12的一个输入脚通过电阻r48接地gnd，光耦u12的另一个输入脚连接二极管d10、电解电容c43之间引出导线，以引入降压后的直流电压dc24v，由此第二电流模式控制器u8的反相反馈输入脚vfb通过光耦从变压器t2的输出部分采样降压后的直流电压dcout2作为对比信号。
50.第二电流模式控制器u8的振荡输入脚rt/ct通过定时电容c39接地gnd，同时第二电流模式控制器u8的振荡输入脚rt/ct还通过定时电阻r54与第二电流模式控制器u8的基准电压输出脚vref连接，由第二电流模式控制器u8通过基准电压输出脚vref向由定时电阻r54、定时电容c39构成的振荡电路输出电压，并由振荡电路产生振荡信号送入至第二电流模式控制器u8。
51.第二电流模式控制器u8的同相反馈输入脚isense通过电阻r53连接至mos开关管q4源极、电流采样电阻r55之间，由此第二电流模式控制器u8的同相反馈输入脚isense通过电阻r53从mos开关管q4源极、电流采样电阻r55获取反馈信号。第二电流模式控制器u8的同相反馈输入脚isense还通过电容c40与电流采样电阻r55共接接地gnd。
52.第二电流模式控制器u8的引脚ground、引脚pwrgnd共接接地，第二电流模式控制器u8的电源引脚vcc、vc共接后，再连接工作模式切换模块的buck模块开关电路中的三极管q2发射极、稳压二极管d6阴极之间引出导线，由此向buck模块开关电路输出供电电压buck_vcc至第二电流模式控制器u8。
53.当电压比较器芯片u1的outputb引脚没有输出第二控制信号ob时，三极管q2处于截止状态时，三极管q2不向第二电流模式控制器u8输出供电电压buck_vcc，则第二电流模式控制器u8不工作，此时第二电流模式控制器u8没有通过自身输出脚output向mos开关管
q4的栅极输出驱动电压，由此mos开关管q4截止，当mos开关管q4截止时，直流电压dchv使储能电感l2、电容c42分压充电，整个电路不向外部负载供电。当电压比较器芯片u1的outputb引脚输出第二控制信号ob时，三极管q2导通，此时第二电流模式控制器u8向mos开关管q4的栅极输出驱动电压，mos开关管q4导通，则由电容c42向变压器t2的输入端输出电压，该电压小于直流电压dchv，由此变压器t2的输入端输入的是降压后的直流电压，降压后的直流电压经变压器t2变压后，通过变压器t2的输出端向外负载输出直流电压dcout2。电压比较器芯片u1从mos开关管q4、直流采样电阻r55之间获取反馈信号，并与通过反相反馈输入脚vfb引入的对比信号进行比较，电压比较器芯片u1基于比较结果自动调节向mos开关管q4的栅极输出的驱动电压占空比，以此实现自动调节功能。
54.本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。