CN102361402B - 一种开关电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源电路，包括启动电路、PWM控制器、启动关断控制电路、主功率管和主变压器，所述启动关断控制电路包括第一电阻、关断三极管、充电电容、第一分压电阻和第二分压电阻；所述PWM控制器电流取样端和所述主功率管源极的连接点通过第一电阻连接到所述启动电路的电压参考端，所述PWM控制器的输出端一路通过充电电容连接到所述启动电路的电压参考端，另一路依次通过第一分压电阻和第二分压电阻连接到所述启动电路的电压参考端，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点连接到关断三极管的基极，关断三极管的集电极连接到所述启动电路的控制端，关断三极管的发射极连接到所述启动电路的电压参考端。

Description

一种开关电源电路

技术领域

本发明涉及一种开关电源电路，特别涉及一种能够在输出短路时产生较小的短路功耗的开关电源电路。

背景技术

在光伏逆变器、高压变频器等电力电子系统中，都需要一个辅助电源输出低压直流电给其控制部分供电，而这种系统的电源输入端电压范围非常宽，低至一两百伏、高达上千伏。对于电源输入端电压范围如此宽的开关电源，其启动电路比较难设计，因为要兼顾低压输入时的启动时间，正常工作时的启动线路损耗，以及输出短路时的短路功耗等指标。

如图1所示，现有技术中一种运用在高压、宽电压输入场合的开关电源电路，包括启动电路A1、滤波输出电路A2、启动关断控制电路A3、PWM控制器、主功率管Qa、二极管D2和主变压器T1。

启动电路A1包括功耗电阻R1、分压电阻R2、稳压二极管ZD1、稳压二极管ZD2、高压MOS管Q2、二极管D4和滤波电容C1；分压电阻R2的一端连接到稳压二极管ZD2的阴极，另一端通过功耗电阻R1连接到高压MOS管Q2的漏极，高压MOS管Q2的删极与稳压二极管ZD2的阴极相连接，高压MOS管Q2的源极依次通过二极管D4和稳压二极管ZD1连接到稳压二极管ZD2的阳极，其中二极管D4和稳压二极管ZD1的阴极相连接，滤波电容C1与稳压二极管ZD1相并联，分压电阻R2和功耗电阻R1的连接点为开关电源电路的电压输入端VIN，稳压二极管ZD2的阳极为开关电源电路的电压参考端，高压MOS管Q2的栅极为启动电路A1的控制端，稳压二极管ZD1的阴极为启动电路A1的输出端。

启动关断控制电路A3包括电阻Ra、三极管Q1、二极管D1、电阻R3、电阻R4、稳压管ZD3和滤波电容C2；PWM控制器的电源输入端VCC一路连接到启动电路A1的输出端，另一路依次通过二极管D1和二极管D2连接到主变压器T1辅助绕组Nt的同名端，其中二极管D1的阳极与D2的阴极相连接；二极管D2的阴极一路通过滤波电容C2连接到三极管Q1的发射极，另一路依次通过稳压管ZD3、电阻R4和电阻R3连接到三极管Q1的发射极，其中稳压管ZD3和二极管D2的阴极相连接，电阻R3和电阻R4的连接点连接到三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极连接到启动电路A1的控制端，主功率管Qa的源极通过电阻Ra连接到稳压二极管ZD2的阳极，PWM控制器的输出端OUTPUT与主功率管Qa的栅极相连接，PWM控制器的电流取样端CS连接到主功率管Qa的源极，PWM控制器的电压参考端GND、三极管Q1的发射极和辅助绕组Nt的异名端均连接到稳压二极管ZD2的阳极；主功率管Qa的漏极连接到主变压器T1原边绕组Np的同名端，主变压器T1原边绕组Np的异名端连接到分压电阻R2和功耗电阻R1的连接点，主变压器T1的副边绕组Ns即为开关电源电路的输出端，其还可通过滤波输出电路A2输出。上述PWM控制器可以采用现有的型号为UC3843的PWM控制IC或现有技术中具有上述引脚功能的PWM控制器。

图1所示开关电源电路的工作原理如下：

启动电路A1的工作原理如为：当电压输入端VIN上电后，供电电源通过分压电阻R2给稳压二极管ZD2提供电压，稳压二极管ZD2的电压驱动高压MOS管Q2导通，有两条支路通过给滤波电容C1充电启动PWM控制器工作：一是供电电源通过功耗电阻R1、高压MOS管Q2、二极管D4给滤波电容C1充电；二是主变压器T1的辅助绕组Nt通过二极管D2、D1给滤波电容C1充电，当开关电源输出短路时辅助绕组Nt无输出，因此只有前一支路给滤波电容C1充电。当滤波电容C1的电压上升至PWM控制器的开启电压点后，PWM控制器开始工作，其输出端OUTPUT输出脉冲宽度调制电压。功耗电阻R1和滤波电容C1的大小决定了PWM控制器的电源输入端VCC电压达到其开启电压的时间。另外，该开关电源电路的启动电路也可采用现有技术中其他包含上述启动电路A1功能的电路形式，如高压MOS管Q2采用三极管替代，其实现原理与前面所述相同，在此不再一一赘述。

启动关断控制电路A3的工作原理为：当启动电路A1提供的电压到达PWM控制器的开启电压点后，PWM控制器开始工作，其输出端OUTPUT输出脉冲宽度调制电压信号。当脉冲宽度调制电压为高电平时，主功率管Qa导通，主变压器T1的原边绕组Np电压为上正下负，根据变压器同名端关系，副边绕组Ns电压为上负下正，二极管D5不导通，主变压器T1只储能，无输出；当脉冲宽度调制电压为低电平时，主功率管Qa关断，主变压器T1的原边绕组Np电压变为上负下正，根据主变压器T1同名端关系，副边绕组Ns电压为上正下负，二极管D5导通，主变压器T1释放能量，给输出电路和辅助绕组Nt提供电压，从而带动启动关断控制电路A3开始工作。此时，辅助绕组Nt经二极管D2和滤波电容C2整流滤波后的输出电压慢慢上升，当其电压大于稳压管ZD3的稳压值后，三极管Q1导通，从而拉低高压MOS管Q2的栅极电位，高压MOS管Q2关断，切断了启动电路A1，二极管D4可防止高压MOS管Q2被击穿损坏，这时PWM控制器的供电电压由辅助绕组Nt提供，启动电路A1完全断开，启动电路A1在正常工作时没有产生损耗。

但是，图1所示开关电源电路存在以下缺点：当电路输出短路时，在每一次开关周期中，PWM控制器检测到其电流取样端CS的电压达到其门槛电压(UC3843为1V)时，其输出端OUTPUT立即关断脉冲宽度调制电压信号的输出，防止主变压器T1饱和及主功率管Qa过流。由于输出短路时辅助绕组Nt也是没有输出的，因此滤波电容C2上无电压，三极管Q1不会导通，启动电路A1就会一直工作，功耗电阻R1上的损耗将会非常高。特别是在高压、宽电压输入的场合，对于输入范围为100V-1000V直流的辅助电源，要想使100V输入时的启动延长时间不至于过大，功耗电阻R1阻值需取不超过100KΩ，这样在1000V输入的情况，功耗电阻R1上的损耗将会达到

这样功耗电阻R1必须选择体积很大的水泥电阻，同时其功耗过大(正常情况下，辅助电源的短路功耗需控制在1～2W左右)，不满足输出短路时的短路功耗指标，影响整个电力电子系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源电路，能够在输出短路时产生较小的短路功耗。

本发明的目的是通过以下技术措施实现的：一种开关电源电路，包括启动电路、PWM控制器、启动关断控制电路、主功率管和主变压器，输入电压通过启动电路输入到PWM控制器的电源输入端，PWM控制器的输出端输出脉冲宽度调制信号，控制主功率管工作并通过主变压器输出电压，在开关电源电路输出短路时，启动关断控制电路输出关断信号到启动电路的控制端，所述启动关断控制电路包括第一电阻、关断三极管、充电电容、第一分压电阻和第二分压电阻；所述PWM控制器电流取样端和所述主功率管源极的连接点通过第一电阻连接到所述启动电路的电压参考端，所述PWM控制器的输出端一路通过充电电容连接到所述启动电路的电压参考端，另一路依次通过第一分压电阻和第二分压电阻连接到所述启动电路的电压参考端，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点连接到关断三极管的基极，关断三极管的集电极连接到所述启动电路的控制端，关断三极管的发射极连接到所述启动电路的电压参考端。

为了限制所述充电电容的电流，所述启动关断控制电路还包括用于限制所述充电电容充电电流的第二电阻；所述PWM控制器的输出端通过第二电阻连接到所述充电电容和第一分压电阻的连接点。

为了隔断所述启动关断控制电路对PWM控制器输出端的干扰，所述启动关断控制电路还包括用于隔断所述启动关断电路对所述PWM控制器输出端干扰的第一二极管；第一二极管连接在所述PWM控制器的输出端与所述第二电阻之间，其中第一二极管的阴极与所述第二电阻相连接。

作为发明的一种实施方式，还包括滤波输出电路；滤波输出电路连接在主变压器的副边绕组两端。

本发明的目的还可通过以下技术措施实现：

一种开关电源电路，包括启动电路、PWM控制器、启动关断控制电路、主功率管和主变压器，输入电压通过启动电路输入到PWM控制器的电源输入端，PWM控制器的输出端输出脉冲宽度调制信号，控制主功率管工作并通过主变压器输出电压，在开关电源电路输出短路时，启动关断控制电路输出关断信号到启动电路的控制端，所述启动关断控制电路包括第一电阻、关断三极管、充电电容、第一分压电阻和第二分压电阻；所述PWM控制器电流取样端和所述主功率管源极的连接点通过第一电阻连接到所述启动电路的电压参考端，所述PWM控制器的基准电压端一路通过充电电容连接到所述启动电路的电压参考端，另一路依次通过第一分压电阻和第二分压电阻连接到所述启动电路的电压参考端，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点连接到关断三极管的基极，关断三极管的集电极连接到所述启动电路的控制端，关断三极管的发射极连接到所述启动电路的电压参考端。

相比于现有技术，本发明具有以下技术效果：

由于采用了上述启动关断控制电路，通过设置充电电容、第一分压电阻、第二分压电阻的大小，可控制开关电源电路短路时充电电容上电压的维持时间，充电电容上的电压通过第一分压电阻和第二分压电阻组成的驱动电路控制关断三极管的开通和关断，从而控制启动电路的开通和关断，通过缩短启动电路的开通时间以及减小启动电路在输出短路时的平均功耗，进而减小整个开关电源的短路功耗，而不会出现现有技术中在开关电源电路输出短路时，启动电路因保持开通而导致产生严重损耗的状况。所以，本发明的开关电源电路适合应用于高压、宽电压输入场合中，并具有低输出短路功耗的特点，符合辅助电源在输出短路时的短路功耗指标，能够保证电力电子系统工作的可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为现有技术开关电源电路的电路原理图；

图2为本发明实施例一的原理框图；

图3为本发明实施例一的电路原理图；

图4为为本发明实施例一的开关电源电路在800V直流输入下，其PWM控制器的工作周期图；

图5为本发明实施例二的电路原理图；

具体实施方式

图2和图3示出了本发明实施例一的开关电源电路，主要包括启动电路A1、滤波输出电路A2、启动关断控制电路A4、PWM控制器、主功率管Qa和主变压器T1。其中：启动电路A1、滤波输出电路A2、主功率管Qa和主变压器T1与图1所示开关电源电路的结构组成及连接关系都相同，在此不再一一说明。

本发明实施例一的开关电源电路与图1所示开关电源电路的不同点在于：启动关断控制电路A4包括第一电阻Ra、第一二极管D3、第二电阻R7、关断三极管Q3、充电电容C3、第一分压电阻R5和第二分压电阻R6；所述PWM控制器电流取样端CS和所述主功率管源极的连接点通过第一电阻Ra连接到所述启动电路的电压参考端，即开关电源电路的电压参考端，所述PWM控制器的输出端OUTPUT依次通过第一二极管D3、第二电阻R7和充电电容C3连接到所述启动电路的电压参考端，其中第一二极管D3的阴极与第二电阻R7相连接，第二电阻R7和充电电容C3的连接点A依次通过第二分压电阻R6和第一分压电阻R5连接到所述启动电路的电压参考端，第一分压电阻R5和第二分压电阻R6的连接点连接到关断三极管Q3的基极，关断三极管Q3的集电极连接到所述启动电路的控制端，即高压MOS管Q2的栅极，三极管的发射极连接到所述启动电路的电压参考端。

上述PWM控制器可以采用现有的型号为UC3843的PWM控制IC或现有技术中具有上述引脚功能的PWM控制器。

另外，该开关电源电路的启动电路也可采用现有技术中其他包含上述启动电路A1功能的电路形式，如高压MOS管Q2采用三极管替代，其实现原理与前面所述相同，在此不再一一赘述。

本发明实施例一的开关电源电路的工作原理为：

当启动电路A1提供的电压到达PWM控制器的开启电压点后，PWM控制器开始工作，其输出端OUTPUT的电压通过第一二极管D3、第二电阻R7给充电电容C3充电，充电电容C3上的电压再通过第二分压电阻R6和第一分压电阻R5驱动关断三极管Q3导通工作，从而拉低高压MOS管Q2的栅极电位，高压MOS管Q2截止，启动电路A1停止工作。因为输出端OUTPUT的输出电流能力有限，第二电阻R7的作用是限制充电电容C3的充电电流。在电源正常工作时，充电电容C3上的电压为PWM控制器的输出端OUTPUT输出脉冲宽度调制电压信号的峰值电压，约等于PWM控制器的VCC电压值，这时关断三极管Q3导通，高压MOS管Q2截止，启动电路A1一直不工作，启动电路基本没有损耗。

当开关电源电路输出短路时，在每一次开关周期中，PWM控制器检测到其电流取样端CS的电压达到其门槛电压(UC3843为1V)时，输出端OUTPUT立即关断脉冲宽度调制信号的输出，从而主功率管Qa截止，防止了主功率管Qa过流和主变压器T1饱和。由于启动电路停止工作并且输出短路时辅助绕组Nt是没有输出的，所以PWM控制器的电源输入端VCC的电压会持续下降，当VCC电压下降到PWM控制器的欠压点时，PWM控制器停止工作，其输出端OUTPUT完全无输出，由于此时充电电容C3上仍然存在电压，所以关断三极管Q3仍然导通，不过充电电容C3已无能量供给，所以充电电容C3的电压会慢慢下降，等到充电电容C3上的电压降到不足以使关断三极管Q3导通时，高压MOS管Q2的栅极电位恢复到稳压二极管ZD2的稳压电压，高压MOS管Q2导通，启动电路A1再次开始工作，给PWM控制器的电源输入端VCC提供电压，而当VCC电压达到其开启电压时，PWM控制器又启动工作，其输出端OUTPUT输出脉冲宽度调制电压给充电电容C3提供电压，关断三极管Q3导通，从而再次关断启动电路A1，同时由于输出短路VCC电压又持续下降，如此重复上述过程，直到开关电源电路输出脱离短路状态，开关电源电路恢复正常工作。

另外，本发明实施例一与图1所示的开关电源电路中启动电路A1的工作原理相同，在此不再赘述。

上述本发明实施例一中，用于限制所述充电电容充电电流的第二电阻R7、可以省去，同样能够实现本发明实施例一所能实现本发明的目的，其原理与上述实施例一的工作原理相同。

如图4所示，为本发明实施例一的开关电源电路在800V直流输入下，其PWM控制器的工作周期图。当开关电源电路输出短路时，在PWM控制器重复启动的一个周期中，t0时刻启动电路A1开始给PWM控制器的电源输入端VCC充电，到t1时刻电源输入端VCC电压达到PWM控制器启动点后开始工作，之后电源输入端VCC电压逐渐降低，到t2时刻电源输入端VCC电压降到PWM控制器的欠压点，t3时刻充电电容C3上电压不足以导通关断三极管Q3，启动电路A1又开始给电源输入端VCC充电；所以启动电路A1的工作时间为ta(ta＝t1-t0)，启动电路A1的断开时间为tb+tc；当开关电源电路的电压输入端VIN的输入电压为800V时，在启动电路A1的工作时间ta期间，启动电路A1功耗为

所以需确保tb+tc》ta才能使启动电路A1的平均功耗在合理范围以内；而ta由启动电路A1的充电电流、滤波电容C1及PWM控制器的开启电压及欠压点决定，充电电流由电压输入端VIN的输入电压、功耗电阻R1决定，当功耗电阻R1取100K欧姆时，功耗电阻R1上的电流为

即充电电流为8mA；tb由PWM控制器工作的消耗电流、滤波电容C1值及PWM控制器的开启电压和欠压点决定，工作时PWM控制器的消耗电流也在7～8mA左右，所以正常情况下tb约等于ta，所以要想tb+tc》ta，tc的时间非常关键，而tb+tc的值由充电电容C3、第二分压电阻R6和第一分压电阻R5决定，充电电容C3容值越大，能量存储越多，其电压释放时间越长，在满足关断三极管Q3驱动电流的条件下合理选择第二分压电阻R6和第一分压电阻R5的值，分压电阻R6和分压电阻R5越大，充电电容C3上电压释放时间越长，则tb+tc时间越长，启动电路A1的平均功耗越小。所以通过合理选择充电电容C3、第二分压电阻R6和第一分压电阻R5的值，可确定tb+tc的时间，降低启动电路A1在输出短路期间的平均功耗。由图中可看出，ta《tb+tc，所以其短路功耗在可接受范围内。

图5示出了本发明实施例二的开关电源电路，包括启动电路A1、滤波输出电路A2、启动关断控制电路A5、PWM控制器、主功率管Qa、第二二极管D2和主变压器T1。本发明实施例二与实施例一的开关电源电路基本相同，其连接关系不同点在于：启动关断控制电路A5中，第一二极管D3的阳极连接到PWM控制器的基准电压端Vref。本发明实施例二与实施例一的工作原理基本相同，其区别在于：当电源输入端VCC的电压达到PWM控制器的开启电压时，其基准电压端Vref输出一个固定的5V电压可通过启动关断控制电路A5拉低高压MOS管Q2的栅极电位，当VCC电压降低到PWM控制器的欠压点时，基准电压端Vref的电压会停止输出。

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和替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种开关电源电路，包括启动电路、PWM控制器、启动关断控制电路、主功率管和主变压器，输入电压通过启动电路输入到PWM控制器的电源输入端，PWM控制器的输出端输出脉冲宽度调制信号，控制主功率管工作并通过主变压器输出电压，在开关电源电路输出短路时，启动关断控制电路输出关断信号到启动电路的控制端，其特征在于：所述启动关断控制电路包括第一电阻、关断三极管、充电电容、第一分压电阻和第二分压电阻；所述PWM控制器电流取样端和所述主功率管源极的连接点通过第一电阻连接到所述启动电路的电压参考端，所述PWM控制器的输出端一路通过充电电容连接到所述启动电路的电压参考端，另一路依次通过第一分压电阻和第二分压电阻连接到所述启动电路的电压参考端，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点连接到关断三极管的基极，关断三极管的集电极连接到所述启动电路的控制端，关断三极管的发射极连接到所述启动电路的电压参考端。

2.根据权利要求1所述开关电源电路，其特征在于：所述启动关断控制电路还包括用于限制所述充电电容充电电流的第二电阻；所述PWM控制器的输出端通过第二电阻连接到所述充电电容和第一分压电阻的连接点。

3.根据权利要求2所述开关电源电路，其特征在于：所述启动关断控制电路还包括用于隔断所述启动关断控制电路对所述PWM控制器输出端干扰的第一二极管；第一二极管连接在所述PWM控制器的输出端与所述第二电阻之间，其中第一二极管的阴极与所述第二电阻相连接。

4.根据权利要求1～3中任一权利要求所述开关电源电路，其特征在于：还包括滤波输出电路；滤波输出电路连接在主变压器的副边绕组两端。

5.一种开关电源电路，包括启动电路、PWM控制器、启动关断控制电路、主功率管和主变压器，输入电压通过启动电路输入到PWM控制器的电源输入端，PWM控制器的输出端输出脉冲宽度调制信号，控制主功率管工作并通过主变压器输出电压，在开关电源电路输出短路时，启动关断控制电路输出关断信号到启动电路的控制端，其特征在于：所述启动关断控制电路包括第一电阻、关断三极管、充电电容、第一分压电阻和第二分压电阻；所述PWM控制器电流取样端和所述主功率管源极的连接点通过第一电阻连接到所述启动电路的电压参考端，所述PWM控制器的基准电压端一路通过充电电容连接到所述启动电路的电压参考端，另一路依次通过第一分压电阻和第二分压电阻连接到所述启动电路的电压参考端，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点连接到关断三极管的基极，关断三极管的集电极连接到所述启动电路的控制端，关断三极管的发射极连接到所述启动电路的电压参考端。

6.根据权利要求5所述开关电源电路，其特征在于：所述启动关断控制电路还包括用于限制所述充电电容充电电流的第二电阻；所述PWM控制器的基准电压端通过第二电阻连接到所述充电电容和第一分压电阻的连接点。

7.根据权利要求6所述开关电源电路，其特征在于：所述启动关断控制电路还包括用于隔断所述启动关断控制电路对所述PWM控制器输出端干扰的第一二极管；第一二极管连接在所述PWM控制器的基准电压端与所述第二电阻之间，其中第一二极管的阴极与所述第二电阻相连接。

8.根据权利要求5～7中任一权利要求所述开关电源电路，其特征在于：还包括滤波输出电路；滤波输出电路连接在主变压器的副边绕组两端。

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