CN203243226U - 开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种开关电源。本实用新型的目的是提供一种高压承受能力强、不易烧毁的开关电源。本实用新型的技术方案是：开关电源，包括整流桥堆，该整流桥堆的输出端依次连接有EMI滤波模块、输入整流滤波模块和DC-DC变换电路，其特征在于：所述EMI滤波模块与输入整流滤波模块之间设置有钳位保护模块。本实用新型适用于智能电能表的供电。

Description

开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种开关电源，主要用于智能电能表的供电。

背景技术

目前电子式电能表电源主要分为变压器电源、阻容降压电源、开关电源。变压器电源以抗干扰能力强、纹波电压小、成本低、制作简单、稳定可靠等优势，在智能电能表中已广泛使用，但也存在电压工作范围窄、功率密度小、效率低等缺点，造成变压器电源使用的局限性。阻容降压电源具有体积小、电路简单等优势，因而越来越多的被电子式电能表厂家所采用，而由于其非隔离，不适合大功率、容性、感性、动态的负载，元器件选择要求高等缺点，因而只能在普通电子式电能表中使用。开关电源以效率高、体积小、电压工作范围宽、技术方案可选多、易实现输入输出隔离、功率密度高等优点，已在电子行业各领域广泛使用。现今电子式电能表正向着高智能、高精度、高可靠性和全自动计费的方向发展，对电源的效率、带载能力、体积、工作电压范围、输出电压精度、提出了越来越高的要求。 以往的三相电能表开关电源基本上采用基于PI公司开关电源芯片的Stackfet的Flyback拓扑或单纯的Flyback拓扑结构。这两种结构中前者功率受限，且在原边绕组上产生的峰值电流Ipeak、漏感产生的尖峰电压Vdspeak均会通过上MOS管，造成上MOS管开关损耗增大，在电源输入有高压进入时易烧机；后者由于是单MOS，MOS管的VDSS电压有限制，因此造成电源的高压承受能力有限。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种高压承受能力强、不易烧毁的开关电源。

本实用新型所采用的技术方案是：开关电源，包括整流桥堆，该整流桥堆的输出端依次连接有EMI滤波模块、输入整流滤波模块和DC-DC变换电路，其特征在于：所述EMI滤波模块与输入整流滤波模块之间设置有钳位保护模块。

所述DC-DC变换电路包括与输入整流滤波模块输出端连接的变压器、与变压器输出端连接的输出整流滤波模块；其中变压器原边线圈上连接有用于控制变压器工作状态的开关模块，该开关模块的控制输入端连接有用于控制其通断的PWM控制芯片；输出整流滤波模块的输出端连接有次级反馈模块，该反馈模块的输出端与PWM控制芯片连接形成反馈回路。

所述开关模块上串联有电流采样电阻，该电流采样电阻一端接地，另一端通过导线与PWM控制芯片连接。

所述开关模块为功率MOS管，其漏极与变压器原边线圈连接，源极经电流采样电阻后接地，栅极与PWM控制芯片的控制信号输出端连接。

所述功率MOS管的型号为5N90或6N90。

所述PWM控制芯片的型号为FAN6755W。

所述钳位保护模块输入端或输出端通过0欧姆的电阻连接至PWM控制芯片的过压检测端口。

所述次级反馈模块包括三端可调分流稳压器，以及连接于该三端可调分流稳压器输出端的光耦，其中三端可调分流稳压器输入端与输出整流滤波模块输出端连接，光耦输出端与PWM控制芯片连接。

所述三端可调分流稳压器的型号为TL431，光耦的型号为PC817。

本实用新型的有益效果是：1、在EMI滤波模块与输入整流滤波模块之间设置钳位保护模块，能够将输出的电压值限定在一个定值，从而提高了电源的高压承受能力，同时钳位保护模块能够起到限流作用，从而保护了后级电路。2、开关电源的PWM控制芯片采用Fairchild公司的FAN6755W，结合钳位保护模块后，使得本实用新型开关电源既具备flyback拓扑开关电源的优异性能，又具备PI公司Stackfet技术结构抗高压的能力，同时又可以克服Stackfet结构功率受限、上MOS管会受高频变压器原边绕组峰值电流Ipeak及漏感产生的尖峰电压Vdspeak影响而易发烫、超电压范围致使电源烧机的缺陷。因此降低了开关电源在超宽电压工作范围（65~550VAC）、中小功率、恶劣输入电网环境下的设计难度，为高智能、高可靠性的电子式智能电能表（特别是三相电能表）提供高性能特性的电源保障。3、FAN6755W内置过压保护、过流保护及短路保护，从而保证了电源的可靠性。4、本实用新型能够宽电压范围65~550VAC工作，输入最高耐压1.6KVDC，单、多路输出相互隔离，且符合IEC相关标准。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型的电路原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例是一种基于flyback拓扑结构的、能够宽电压范围（65~550VAC）工作的开关电源，它在传统flyback拓扑开关电源中加入了一个钳位保护模块，具体包括依次连接的整流桥堆1、EMI滤波模块2、钳位保护模块4、输入整流滤波模块3和DC-DC变换电路。

所述整流桥堆1由四组二极管组成，其输入端连接交流电（AC IN），用于将交流电整流成直流电。

所述EMI滤波模块2主要包括共模电感LP1、电容CXP4（X电容）、电容CXP5（X电容），其输入端与整流桥堆1的输出端连接；使该电源满足电磁兼容特性，抑制共模、差模信号对电网的影响，以及电源对其它电子设备的电磁干扰，使其符合IEC标准。

所述钳位保护模块4主要由钳位保护器件（UP5，型号为HB10071），以及相应的外围电路组成，其输入端与EMI滤波模块2的输出端连接。当输入电压低于所设定的钳位电压值（可根据实际情况设定不同的值）时，钳位保护模块4不起作用，直流电压直接通过该模块输送至输入整流滤波模块3；当输入电压高于所设定的钳位电压值时，钳位保护模块4将起到钳位作用，并将输出的电压值限定在一定值。如：设定的钳位电压为700VDC，若整流滤波后进入UP5脚1（Vin）的值＞700VDC，为1000VDC时，则UP5的脚2（Vout）输出电压为700VDC（即钳位保护模块输出电压值为700VDC），其差值300V，由UP5来承受，以保证进入输入整流滤波模块3的直流电压值不会超过700VDC。而当进入UP5脚1的（Vin）值低于700VDC时，如Vin=500VDC，则钳位保护模块4不起作用，500V直流电压直接通过UP5，输送至输入整流滤波模块3。另外钳位保护模块4还起到限流的作用，限流值为1A，当通过UP5的值大于1A时，钳位保护模块4将关断，Vout输出值为0V，起到保护后级电路的作用。

所述输入整流滤波模块3主要包括串联的两个电容（ECP1、ECP2，串联后并接于钳位保护模块4的脚2和PGND之间），以及四个均压电阻（RP15、RP16、RP17、RP18，用于防止两个电容电压不平衡造成电容击穿、损坏）；用于滤除交流成分，使整流后的直流更加平滑。

所述DC-DC变换电路包括高频变压器5、输出整流滤波模块6、开关模块7（QP1，采用型号为5N90或6N90的功率MOS管）、PWM控制芯片8（UP2，采用Fairchild公司的FAN6755W芯片）、次级反馈模块9和电流采样电阻10；其中变压器5输入端与输入整流滤波模块3输出端连接，输出端与输出整流滤波模块6连接；开关模块7同时与变压器5和PWM控制芯片8连接，利用PWM控制芯片8控制开关模块7的通断，从而实现对变压器5工作状态的控制；开关模块7与电流采样电阻10串联，以采样流过开关模块7的电流；输出整流滤波模块6的输出端通过次级反馈模块9连接至PWM控制芯片8形成反馈回路，以根据输出电压来调整PWM控制芯片8输出脉冲信号的占空比。

本例中，变压器5的原边线圈一端与输入整流滤波模块3输出端连接，另一端与功率MOS管（QP1）的漏极连接，该功率MOS管（QP1）的源极经电流采样电阻10后接地，形成一个电路回路；所述功率MOS管（QP1）的栅极与PWM控制芯片8的脚5（Gate）连接，通过PWM控制芯片8输出信号来控制功率MOS管（QP1）的通断，从而控制前述回路（开关模块和电流采样电阻所在回路）的通断，进而达到控制变压器5工作状态的目的。所述电流采样电阻10与功率MOS管（QP1）连接的一端，通过导线连接至PWM控制芯片8的脚3（SENSE），用于对电流采样电阻10进行电压采样。所述PWM控制芯片8的脚8（HV）经电阻RP20和电阻RP21后连接至两个电容（ECP1、ECP2）的连接点。

所述次级反馈模块9主要由三端可调分流稳压器TL431（UP7）和光耦PC817（UP3）及外围电阻电容组成，其中RP48、RP50、RP51为分压电路，RP49、CP16为微分电路、RP52、CP17为积分电路，微分、积分电路共同组成三端可调分流稳压器TL431的环路补偿电路。光耦PC817的输出端连接至PWM控制芯片8的脚2（FB）。

为了充分利用PWM控制芯片8的过压检测功能，提高电源可靠性，可以对整流桥堆1整流并通过EMI滤波模块2后的直流电压进行检测，也可以对钳位保护模块4钳位后的电压进行检测，具体检测点可根据实际需要进行选择；对于前者，可以在钳位保护模块4输入端（UP5的脚1）连接一个0欧姆的电阻（RP56），该电阻另一端接至PWM控制芯片8的脚1（Vin）；对于后者，可以在钳位保护模块4输出端（UP5的脚2）连接一个0欧姆的电阻（RP57），该电阻另一端接至PWM控制芯片8的脚1（Vin）；两个电阻（RP56和RP57只能任选一个焊接于电路中）。

本实施例的工作原理如下：开关电源开启时，交流电经整流桥堆1整流后输出直流电至EMI滤波模块2，然后依次经钳位保护模块4和输入整流滤波模块3输出至变压器5的原边线圈；与此同时，电流流过PWM控制芯片8的脚8（HV）到脚6（Vcc）的外部电容（ECP3，100uF/35V电解电容），当电容上的电压达到PWM控制芯片8的启动电压VDD-on时，PWM控制芯片8开始工作；此时PWM控制芯片8对输入电压进行过压检测，当检测到输入电压超过电路所设定的电压值时，PWM控制芯片8会关断功率MOS管（QP1），停止电源输出，并且PWM控制芯片8进入Auto-Restart工作模式（该模式下，故障消除后会自动恢复正常工作）；在关断功率MOS管（QP1）期间，前述回路（开关模块和电流采样电阻所在回路）断开，高频变压器5的原边线圈始终没有电流流过，原边电感也就没有能量存储，次级也就没有磁能转换为电能，所以变压器次级，即OUT端就不会有输出电压。

当检测到输入电压小于电路所设定的电压值时，PWM控制芯片8通过脚5（Gate）向功率MOS管（QP1）的栅极发送脉冲信号，控制功率MOS管（QP1）的通断；当功率MOS管（QP1）开通时，前述回路（开关模块和电流采样电阻所在回路）接通，变压器5原边线圈流过电流，原边电感存储能量；当功率MOS管（QP1）关断时，原边线圈电感所存储的能量通过磁芯传递到二次侧，然后经过二次侧输出整流滤波模块6，将能量传递到输出端，实现能量的传递（与传统flyback拓扑结构的能量传递方式一致）。

    整个能量传递过程中，通过对电流采样电阻10上的电压进行采样（由于电流采样电阻与功率MOS管串联，因此流经两者的电流相同），并将采样得到的电压送入PWM控制芯片8的脚3（SENSE），通过内部电流比较器与VLimit进行比较，若大于VLimit，则比较器输出高电平，并通过RS触发器，降低PWM控制芯片8输出脉冲信号的占空比，进而减小输出。反之，则增大占空比，增大输出，以保证电源输出电压的稳定性。其原理如下：VLimit值为PWM控制芯片8（FAN6755W）内部设定的参考值，与外部电路无关，具体电压值为0.6~0.85V之间；通过SENSE脚（脚3）将流过采样电阻10的电流信号（即为流过功率MOS管的电流）通过V=I*R关系式转变为电压信号，然后进入PWM控制芯片8内部比较器与设定的参考电压值VLimit进行比较，进而控制芯片输出的占空比大小，以稳定输出次级电压。

    同时，对于次级反馈模块9，当V=RP51/(RP48+RP50+RP51)*VO＞2.5V时，即VO＞12V（输出整流滤波模块6的输出电压值要求控制在12V），三端可调分流稳压器TL431的脚1输出低电平，光耦PC817(UP3)发光二极管流过电流，驱动光耦三极管，拉低PWM控制芯片8（FAN6755W）脚2（FB）的电压，此时PWM控制芯片8通过内部控制电路降低输出脉冲信号的占空比D，减少变压器5原边电感储能时间，继而降低变压器5的输出电压；反之当V=RP51/(RP48+RP50+RP51)*VO＜2.5V时，即VO＜12V，三端可调分流稳压器TL431的脚1输出高电平，光耦不工作，PWM控制芯片8增大输出脉冲信号的占空比D，增加变压器5原边电感储能时间，继而增高变压器5的输出电压。次级反馈模块9通过周而复始的反馈，促使PWM控制芯片8增大、减小脉冲信号的占空比，来控制输出整流滤波模块6的输出电压恒定在12V。 

Claims (9)

1.一种开关电源，包括整流桥堆（1），该整流桥堆的输出端依次连接有EMI滤波模块（2）、输入整流滤波模块（3）和DC-DC变换电路，其特征在于：所述EMI滤波模块（2）与输入整流滤波模块（3）之间设置有钳位保护模块（4）。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于：所述DC-DC变换电路包括与输入整流滤波模块（3）输出端连接的变压器（5）、与变压器输出端连接的输出整流滤波模块（6）；其中变压器（5）原边线圈上连接有用于控制变压器（5）工作状态的开关模块（7），该开关模块的控制输入端连接有用于控制其通断的PWM控制芯片（8）；输出整流滤波模块（6）的输出端连接有次级反馈模块（9），该反馈模块的输出端与PWM控制芯片（8）连接形成反馈回路。

3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于：所述开关模块（7）上串联有电流采样电阻（10），该电流采样电阻一端接地，另一端通过导线与PWM控制芯片（8）连接。

4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于：所述开关模块（7）为功率MOS管，其漏极与变压器（5）原边线圈连接，源极经电流采样电阻（10）后接地，栅极与PWM控制芯片（8）的控制信号输出端连接。

5.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于：所述功率MOS管的型号为5N90或6N90。

6.根据权利要求2或3或4或5所述的开关电源，其特征在于：所述PWM控制芯片（8）的型号为FAN6755W。

7.根据权利要求2或3或4或5所述的开关电源，其特征在于：所述钳位保护模块（4）输入端或输出端通过0欧姆的电阻连接至PWM控制芯片（8）的过压检测端口。

8.根据权利要求2或3或4或5所述的开关电源，其特征在于：所述次级反馈模块（9）包括三端可调分流稳压器，以及连接于该三端可调分流稳压器输出端的光耦，其中三端可调分流稳压器输入端与输出整流滤波模块（6）输出端连接，光耦输出端与PWM控制芯片（8）连接。

9.根据权利要求8所述的开关电源，其特征在于：所述三端可调分流稳压器的型号为TL431，光耦的型号为PC817。

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