CN102857105A - 开关电源电路及相应的开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源电路，包括输入模块、控制模块以及输出模块，其中所述控制模块包括：用于通过所述开关管Q1来控制所述输入模块的微处理器，以及用于给所述微处理器发出保护信号的保护电路，所述保护电路包括过压保护电路、欠压保护电路以及过热保护电路，所述保护电路与所述微处理器连接，所述开关管分别与所述输入模块和所述输出模块连接，所述开关管的控制端与所述微处理器连接。本发明还涉及一种开关电源装置，本发明对输入电源的上下限有所限制并具有过热保护电路，可提高开关电源装置的可靠性和安全性，避免了现有的开关电源电路及相应的开关电源装置由于进线电源过压、进线电源欠压以及过热导致开关电源装置寿命过低的缺陷。

Description

开关电源电路及相应的开关电源装置

技术领域

本发明涉及电路设计领域，更具体地说，涉及一种具有综合保护电路的开关电源电路及相应的开关电源装置。

背景技术

开关电源的质量指标首先应该是以安全性和可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，我们知道进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现为器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。

其次，温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10％，温升50℃时的工作寿命只有温升25℃时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。

故，有必要提供一种开关电源电路及相应的开关电源装置，以解决现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有的开关电源电路及相应的开关电源装置由于进线电源过压、进线电源欠压以及过热导致开关电源寿命过低的缺陷，提供一种对输入电源的上下限有所限制并具有过热保护电路的可提高开关电源的可靠性和安全性的开关电源电路及相应的开关电源装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种开关电源电路，包括：用于获得输入电压的输入模块、用于控制所述输入模块输出的控制模块以及用于将所述输入模块输出的电压输出给负载的输出模块，所述控制模块包括：用于通过所述开关管Q1来控制所述输入模块输出的微处理器，以及用于给所述微处理器发出保护信号的保护电路；所述保护电路与所述微处理器的保护信号输入端连接，所述开关管Q1的待导通两端串联在所述输出模块的输入侧供电回路中，所述开关管Q1的控制端与所述微处理器连接，所述微处理器通过接收保护信号，产生控制所述开关管Q1通断的控制信号；

所述保护电路包括：过压比较器AR2、欠压比较器AR1、过热比较器AR3、输入电压采样电路以及热敏电阻R9，所述输入电压采样电路的输入端连接输入模块的输出，所述输入电压采样电路的两路输出分别连接所述过压比较器AR2和欠压比较器AR1的一输入端，所述过压比较器AR2、欠压比较器AR1的另一输入端和过热比较器AR3的一输入端与所述基准电压的输出连接，所述过热比较器AR3的另一输入端与热敏电阻R9的分压输入连接，所述欠压比较器AR1、所述过压比较器AR2以及所述过热比较器AR3的输出端同时与所述微处理器的同一端口连接，当所述欠压比较器AR1、所述过压比较器AR2和所述过热比较器AR3中任一比较器的输入电压变化使其比较器输出电压发生跳转时，所述保护电路给所述微处理器发出保护信号。

所述的开关电源电路中，其中，所述过压比较器AR2的反相输入端与基准电压的输出连接，所述过压比较器AR2的同相输入端与所述输入电压采样电路的一路输出相连；所述欠压比较器AR1的同相输入端与基准电压的输出连接，所述欠压比较器AR1的反相输入端与所述输入电压采样电路的另一路输出相连；所述过热比较器AR3的同相输入端与基准电压的输出连接，所述过热比较器AR3的反相输入端与热敏电阻R9的分压输入连接。

所述的开关电源电路中，其中，所述输入电压采样电路包括变阻器R5、电阻R7和电阻R8，所述输入模块的输出与地之间依次串联变阻器R5、电阻R7和电阻R8，电阻R8上的分压输出作为所述输入电压采样电路的一路输出连接所述过压比较器AR2的一输入端，电阻R7和电阻R8上的分压输出作为所述输入电压采样电路的另一路输出连接所述欠压比较器AR1的一输入端。

所述的开关电源电路中，其中，所述热敏电阻R9为紧贴于开关管Q1表面的热敏电阻。

所述的开关电源电路中，其中，所述保护电路还包括应急比较器AR4，所述应急比较器AR4的反相输入端与基准电压的输出连接，所述应急比较器AR4的同相输入端接入一应急控制信号，所述应急比较器AR4的输出端与所述微处理器的应急信号采样端连接。

所述的开关电源电路中，其中，所述基准电压由电阻R1、稳压管D1和直流电源VCC构成，直流电源VCC的输出与地之间串联电阻R1和稳压管D1，稳压管D1的负极作为所述基准电压的输出，稳压管D1的正极接地。

所述的开关电源电路中，其中，所述输入模块包括整流电路和滤波电路，所述整流电路为全波桥式整流电路，所述滤波电路包括电容C1，所述电容C1的一端连接所述整流电路的输出，所述电容C1的另一端接地。

所述的开关电源电路中，其中，所述输出模块包括一变压器、二极管D21和滤波电容C4，所述变压器的初级线圈侧连接所述输入模块的输出，且所述开关管Q1的待导通两端串联在所述变压器的初级线圈供电回路中，所述变压器次级线圈的一端接地，所述变压器次级线圈的另一端依次通过二极管D21的正极、二极管D21的负极和滤波电容C4后接地。

所述的开关电源电路中，其中，所述输出模块还包括：在所述变压器初级线圈的两端之间并联滤波电容C2和二极管D1的串联结构，所述变压器初级线圈的一端连接所述输入模块的输出和滤波电容C2的一端，所述变压器初级线圈的一端另一端连接所述开关管Q1的一端和二极管D1的正极，且在所述变压器初级线圈的一端和二极管D1的负极之间串接限流电阻R3。

本发明还涉及一种开关电源装置，本发明的开关电源装置采用上述的开关电源电路进行供能。

实施本发明的开关电源电路及相应的开关电源装置，具有以下有益效果：对输入电源的上下限有所限制并具有过热保护电路，可提高开关电源的可靠性和安全性，避免了现有的开关电源电路及相应的开关电源由于进线电源过压、进线电源欠压以及过热导致开关电源寿命过低的缺陷。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的开关电源电路的优选实施例的电路结构示意图；

图2是本发明的开关电源电路的优选实施例的保护电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在图1所示的本发明的开关电源电路的优选实施例的电路结构示意图中，所述开关电源电路包括：用于获得输入电压的输入模块1、用于控制所述输入模块输出的控制模块2以及用于将所述输入模块输出的电压输出给负载的输出模块3，其中控制模块2包括微处理器21以及保护电路22，微处理器21用于通过所述开关管Q1来控制所述输入模块1的输出，保护电路22用于给所述微处理器21发出保护信号，所述保护电路22与所述微处理器21的保护信号输入端(P1.2、P1.3)连接，所述开关管Q1的待导通两端串联在所述输出模块3的输入侧供电回路中，所述开关管Q1的控制端与所述微处理器21的管脚P1.1连接，所述微处理器21通过接收保护信号，产生控制所述开关管Q1通断的控制信号。上述电路中，如图1所示，若开关管Q1采用PNP型三极管，则所述开关管Q1的待导通两端分别为集电极和发射集，其控制端为基极，当然本发明不限于采用此类三极管，还可以采用MOS管等具有可控开关作用的半导体器件。

如图2所示，本发明的开关电源电路设置有具有过压比较器AR2、欠压比较器AR1以及过热比较器AR3、输入电压采样电路以及热敏电阻R9的保护电路22，所述输入电压采样电路的输入端连接输入模块1的输出(如图1所示的节点P1.4)，所述输入电压采样电路的两路输出分别连接所述过压比较器AR2和欠压比较器AR1的一输入端，所述过压比较器AR2、欠压比较器AR1的另一输入端和过热比较器AR3的一输入端与所述基准电压的输出连接，所述过热比较器AR3的另一输入端与热敏电阻R9的分压输入连接，所述欠压比较器AR1、所述过压比较器AR2以及所述过热比较器AR3的输出端同时与所述微处理器21的同一端口P1.2(即所述微处理器21的保护信号输入端)连接，当所述欠压比较器AR1、所述过压比较器AR2和所述过热比较器AR3中任一比较器的输入电压变化使其比较器输出电压发生跳转时，所述保护电路22给所述微处理器21发出保护信号。

微处理器21通过接收保护电路22的保护信号，从而控制开关电源的开启和关闭，如电路产生过压、欠压或过热现象时，通过同一端口通知微处理器21，关闭开关电源，使其停止工作，实现对开关电源电路中器件的保护，从而提高了开关电源的可靠性和安全性，避免了现有的开关电源电路及相应的开关电源由于进线电源过压、进线电源欠压以及过热导致开关电源寿命过低的缺陷。上述电路结构采用3个比较器及几个分立元器件构成了的过压、欠压、过热保护电路，当上述任意一种情形发生时，即可发出控制信号使得使输出模块3的输入停止工作，从而导致整个电源电路停止工作，起到保护作用，易于其电路结构简单、集成，不占用空间，方便适用于小型便携式电筒中的电源电路。

图2给出了应用于本发明开关电源电路中的一最优实施例保护电路，以下结合最优实施例进行说明。

在上述电路结构的基础上，所述过压比较器AR2的反相输入端与基准电压的输出连接，所述过压比较器AR2的同相输入端与所述输入电压采样电路的一路输出相连；所述欠压比较器AR1的同相输入端与基准电压的输出连接，所述欠压比较器AR1的反相输入端与所述输入电压采样电路的另一路输出相连；所述过热比较器AR3的同相输入端与基准电压的输出连接，所述过热比较器AR3的反相输入端与热敏电阻R9的分压输入连接；所述过压比较器AR2、欠压比较器AR1和过热比较器AR3的输出同时连接所述微处理器21的同一端口P1.2(即所述微处理器21的保护信号输入端)。

在上述电路结构的基础上，所述输入电压采样电路包括变阻器R5、电阻R7和电阻R8，所述输入模块1的输出(如图1所示的节点P1.4)与地之间依次串联变阻器R5、电阻R7和电阻R8，电阻R8上的分压输出作为所述输入电压采样电路的一路输出连接所述过压比较器AR2的一输入端，电阻R7和电阻R8上的分压输出作为所述输入电压采样电路的另一路输出连接所述欠压比较器AR1的一输入端。

在上述电路结构的基础上，所述基准电压由电阻R1、稳压管D1和直流电源VCC构成，直流电源VCC的输出与地之间串联电阻R1和稳压管D1，稳压管D1的负极作为所述基准电压的输出，稳压管D1的正极接地。这一结构中，通过稳压二极管D1的设置保证了基准电压的稳定性，从而保证了保护电路22工作的稳定性和可靠性。

以上电路结构中，当输入模块1的输出(如图1所示的节点P1.4)电压过高时，导致过压比较器AR2的同相输入端输入高电平，使得过压比较器AR2的输出端输出低电平至微处理器21的P1.2脚，这时可以控制微处理器21的P1.1脚停止供电，从而开关管Q1截止，开关电源电路停止工作，即实现了对开关电源电路中器件的保护，当然也可以仅仅发出过压报警，让工作人员判断下一步的操作(可直接启动应急开关关闭开关电源电路等)。通过调节可调电阻R5的大小可以控制过压比较器AR2发出过压信号的电压阈值，可调电阻R5的阻值越大，过压比较器AR2发出过压信号的电压阈值就越高。

以上电路结构中，当输入模块1的输出(如图1所示的节点P1.4)电压过低时，导致欠压比较器AR1的反相输入端输入低电平，使得欠压比较器AR1的输出端输出低电平至微处理器21的P1.2脚，这时可以控制微处理器21的P1.1脚停止供电，从而开关管Q1截止，开关电源电路停止工作，即实现了对开关电源电路中器件的保护，当然也可以仅仅发出欠压报警，让工作人员判断下一步的操作(可直接启动应急开关关闭开关电源电路等)。通过调节可调电阻R5的大小可以控制欠压比较器AR1发出欠压信号的电压阈值，可调电阻R5的阻值越大，欠压比较器AR1发出欠压信号的电压阈值就越高。

以上电路结构中，上述热敏电阻R9为紧贴于开关管Q1表面的热敏电阻。若热敏电阻R9采用负温度系数类型，则当温度上升时，热敏电阻R9的阻值下降，导致过热比较器AR3的反相输入端的输入低电平，过热比较器AR3的输出端输出低电平至微处理器21的P1.2脚，这时可以控制微处理器21的P1.1脚停止供电，从而开关管Q1截止，开关电源电路停止工作，即实现了对开关电源电路中器件的过热保护，当然也可以仅仅发出过热报警，让工作人员判断下一步的操作(可直接启动应急开关关闭开关电源电路等)。通过适当的选择限流电阻R3的大小可以控制过热比较器AR3发出过热信号的电压阈值，限流电阻R3的阻值越大，过热比较器AR3发出过热信号的温度阈值就越低，当然也可以采用不同的连接方式使用正温度系数的热敏电阻实现本发明的保护电路。

在上述图2所示的电路结构的基础上，所述保护电路22还包括应急比较器AR4，所述应急比较器AR4的反相输入端与基准电压的输出连接，所述应急比较器AR4的同相输入端接入一应急控制信号，所述应急比较器AR4的输出端与所述微处理器21的应急信号采样端连接。这里的应急控制信号通过一外接的应急开关来实现，当启动应急开关时，应急比较器AR4的同相输入端输入低电平，使得应急比较器AR4的输出端输出低电平至微处理器21的P1.3脚，控制微处理器21的P1.1脚停止供电，从而开关管Q1截止，开关电源电路停止工作，从而实现了对开关电源电路应急停止的控制。

在上述电路结构的基础上，如图1所示，所述输入模块1包括整流电路和滤波电路，所述整流电路为全波桥式整流电路，所述滤波电路包括电容C1，所述电容C1的一端连接所述整流电路的输出，所述电容C1的另一端接地。

在上述电路结构的基础上，如图1所示，所述输出模块3包括一变压器、二极管D21和滤波电容C4，所述变压器的初级线圈侧连接所述输入模块1的输出，且所述开关管Q1的待导通两端串联在所述变压器的初级线圈供电回路中，所述变压器次级线圈的一端接地，所述变压器次级线圈的另一端依次通过二极管D21的正极、二极管D21的负极和滤波电容C4后接地。

在上述电路结构的基础上，如图1所示，所述输出模块3还包括：在所述变压器初级线圈的两端之间并联滤波电容C2和二极管D1的串联结构，所述变压器初级线圈的一端连接所述输入模块1的输出(如图1所示的节点P1.4)和滤波电容C2的一端，所述变压器初级线圈的一端另一端连接所述开关管Q1的一端和二极管D1的正极，且在所述变压器初级线圈的一端和二极管D1的负极之间串接限流电阻R3。对输入模块1的输入进行整流滤波使得输入的电压波形更加的平滑稳定，方便对其进行进一步的处理，通过变压滤波单元的处理可以得到用户需要的稳压电源。当断电后，限流电阻R3和二极管D1能给变压器初级电感的储能形成释放的回路。

上述电路结构中是针对图2具体连接关系所进行的原理描述，但是本发明不限于图2中比较器的具体连接连接方式，通过选择输入电压采样电路中个电阻的阻值以及比较器的性能，调整比较器的同相、和反相输入同样可以实现上述本发明所示的功能。

下面通过图1和图2的电路结构示意图具体说明本发明的开关电源电路的工作原理。

微处理器21利用引脚P1.1的PWM输出控制开关管Q1的通断。输入模块1的输出的待测量电压直接从输入模块1整流滤波后取得(即图1中的P1.4处)，它反映输入电源电压的变化，所有比较器共用一个基准电压，AR1为欠压比较器，AR2为过压比较器，通过调整电阻R5可以调节过、欠压动作的电压阈值。AR3为过热比较器，电阻R9为负温度系数的热敏电阻，电阻R9与限流电阻R3构成分压器，紧贴于开关管Q1的表面，温度升高时，热敏电阻R9阻值下降，适当选取限流电阻R3的阻值，使过热比较器AR3在设定的温度进行阈值动作。应急比较器AR4用于外部故障应急关机，当其同相输入端输入低电平时，比较器的输出端输出低电平封锁PWM驱动信号。由于4个比较器的输出端是并联的，无论是过压、欠压、过热任何一种故障发生，比较器都输出低电平，图2中的P1.2和P1.3输出口分别连接到图1中微处理器21的管脚P1.2和管脚P1.3，管脚P1.2的输入可以产生故障报警或直接控制管脚P1.1封锁驱动信号使开关电源停止工作，管脚1.3的输入则直接控制管脚P1.1封锁驱动信号使开关电源停止工作，实现保护。

本发明的开关电源电路为开关电源设置了监控开关电源的过压、欠压以及关键功率元件的过热的保护电路，以保证开关电源正常而可靠的运行。本发明的开关电源电路用一个4比较器及几个分立元器件构成的过压、欠压、过热保护电路。当上述任意一种情形发生时，使开关电源停止工作，提高了开关电源的可靠性和安全性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种开关电源电路，包括：用于获得输入电压的输入模块(1)、用于控制所述输入模块输出的控制模块(2)以及用于将所述输入模块输出的电压输出给负载的输出模块(3)，其特征在于，所述控制模块(2)包括：

用于通过所述开关管Q1来控制所述输入模块(1)输出的微处理器(21)，以及用于给所述微处理器(21)发出保护信号的保护电路(22)；所述保护电路(22)与所述微处理器(21)的保护信号输入端连接，所述开关管Q1的待导通两端串联在所述输出模块(3)的输入侧供电回路中，所述开关管Q1的控制端与所述微处理器(21)连接，所述微处理器(21)通过接收保护信号，产生控制所述开关管Q1通断的控制信号；

所述保护电路(22)包括：过压比较器AR2、欠压比较器AR1、过热比较器AR3、输入电压采样电路以及热敏电阻R9，所述输入电压采样电路的输入端连接输入模块(1)的输出，所述输入电压采样电路的两路输出分别连接所述过压比较器AR2和欠压比较器AR1的一输入端，所述过压比较器AR2、欠压比较器AR1的另一输入端和过热比较器AR3的一输入端与所述基准电压的输出连接，所述过热比较器AR3的另一输入端与热敏电阻R9的分压输入连接，所述欠压比较器AR1、所述过压比较器AR2以及所述过热比较器AR3的输出端同时与所述微处理器(21)的同一端口连接，当所述欠压比较器AR1、所述过压比较器AR2和所述过热比较器AR3中任一比较器的输入电压变化使其比较器输出电压发生跳转时，所述保护电路(22)给所述微处理器(21)发出保护信号。

2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，

所述过压比较器AR2的反相输入端与基准电压的输出连接，所述过压比较器AR2的同相输入端与所述输入电压采样电路的一路输出相连；

所述欠压比较器AR1的同相输入端与基准电压的输出连接，所述欠压比较器AR1的反相输入端与所述输入电压采样电路的另一路输出相连；

所述过热比较器AR3的同相输入端与基准电压的输出连接，所述过热比较器AR3的反相输入端与热敏电阻R9的分压输入连接。

3.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述输入电压采样电路包括变阻器R5、电阻R7和电阻R8，所述输入模块(1)的输出与地之间依次串联变阻器R5、电阻R7和电阻R8，电阻R8上的分压输出作为所述输入电压采样电路的一路输出连接所述过压比较器AR2的一输入端，电阻R7和电阻R8上的分压输出作为所述输入电压采样电路的另一路输出连接所述欠压比较器AR1的一输入端。

4.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述热敏电阻R9为紧贴于开关管Q1表面的热敏电阻。

5.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述保护电路(22)还包括应急比较器AR4，所述应急比较器AR4的反相输入端与基准电压的输出连接，所述应急比较器AR4的同相输入端接入一应急控制信号，所述应急比较器AR4的输出端与所述微处理器(21)的应急信号采样端连接。

6.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述基准电压由电阻R1、稳压管D1和直流电源VCC构成，直流电源VCC的输出与地之间串联电阻R1和稳压管D1，稳压管D1的负极作为所述基准电压的输出，稳压管D1的正极接地。

7.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述输入模块(1)包括整流电路和滤波电路，所述整流电路为全波桥式整流电路，所述滤波电路包括电容C1，所述电容C1的一端连接所述整流电路的输出，所述电容C1的另一端接地。

8.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述输出模块(3)包括一变压器、二极管D21和滤波电容C4，所述变压器的初级线圈侧连接所述输入模块(1)的输出，且所述开关管Q1的待导通两端串联在所述变压器的初级线圈供电回路中，所述变压器次级线圈的一端接地，所述变压器次级线圈的另一端依次通过二极管D21的正极、二极管D21的负极和滤波电容C4后接地。

9.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述输出模块(3)还包括：在所述变压器初级线圈的两端之间并联滤波电容C2和二极管D1的串联结构，所述变压器初级线圈的一端连接所述输入模块(1)的输出和滤波电容C2的一端，所述变压器初级线圈的一端另一端连接所述开关管Q1的一端和二极管D1的正极，且在所述变压器初级线圈的一端和二极管D1的负极之间串接限流电阻R3。

10.一种采用权利要求1-9中任一的开关电源电路进行供能的开关电源装置。

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