超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源制造技术

本发明专利技术为超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源。包括输入保护电路、EMI滤波电路、工频整流滤波电路、高频整流滤波电路、升压变换电路、反激变换电路、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、辅助供电电源电路、电源切换电路、电压检测比较控制电路和光耦隔离反馈电路；其中升压变换电路和反激变换电路组成两级式级联电路，能够使自动化仪表自动适应85～265V交流和18～100V直流电源供电。

【技术实现步骤摘要】
超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源
本专利技术属于仪表电源领域，为一种超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源。
技术介绍
国际著名仪表公司生产的自动化仪表的电源系统可以自动适应85~265V交流和18~100V直流电源供电，即将这些仪表的电源接头插在直流电源上或者交流电源上，均能够正常工作。这给用户带来了极大的方便，也大大减少了自动化仪表因接插电源不当而造成的损坏。但是，国产的自动化仪表均无这项功能。所以，在工业现场应用时，就要根据现场提供的是24V直流电源还是220V交流电源这两种情况，来配置不同的电源模块。若将适用于24V直流电源的自动化仪表接到220V交流电源上时，仪表就会损坏；若将适用于220V交流电源的自动化仪表接到24V直流电源上去时，仪表就不工作。此外，有些工业现场提供的直流电压和交流电压变化范围较大，不同国家的电压等级也不同，对于不同的电压等级，就需要不同的电源适配器，这限制了自动化仪表的使用范围。国外研制的宽范围输入电压的开关电源主要有两种电路拓扑结构：采用一级电路拓扑（专利1：CharlesK.Carlin.Universalinputvoltagepowersupply.USPatentNo.US5126652,Jun30,1992）和采用两级电路拓扑。在两级电路拓扑中，其切换方法分为使用继电器切换（专利2：CecilC.Dishman,RandhirS.Mrlik.Powersupplythatadjustsatransformerturnsratiotooperateefficientlyathighandlowlineinput.USPatentNo.US8159198B2,Apr17,2012）和自动切换（专利3：ArchemedeAffaticati,GiuseppeRiboli.Widevoltagerangestabilizedswitchingpowersupplyforvalveactuators.USPatentNo.US20060050459A1,Mar9,2006）。专利1采用一级电路拓扑结构，所述的电源模块的每个部分都是通过模拟器件来实现的，而模拟器件抗干扰性能差，漂移较大。电阻和电感数值的分散性较大，从而造成电源转换精度较差。此外，过多的器件增加了功率损耗，降低了转换效率。并且如果需要改变输出电压的话就必须要改变电感和电阻值，这样操作起来比较麻烦。最重要的是，该电源的输出端没有与输入端进行电气隔离，当输入电压为交流电时，在测试中可能对整个系统造成损坏。专利2采用两级电路拓扑结构，使用继电器进行切换，其缺点是，如果输入电压工作在电路切换点附近就会引起继电器绕组频繁切换。由于继电器有效切换次数的缘故，就会造成继电器过早失效，同时，继电器的引入会使电源的体积增加。专利3采用自动切换方式，但是，只是简单说明了两级电路拓扑，而没有介绍两级电路拓扑的驱动方式；并且第一级升压变换电路需要将最低21.6VDC输入电压升压到120VDC，升压变比太大，容易引起电路不稳定。对于工业现场提供的24V直流电源来说，可能的电压范围为18~36V，此时该电源模块就不能正常工作了；当输入电压高于设定切换点电压，而不需要第一级升压变换电路工作时，专利3中也没有说明切换方式。专利3只是提到了辅助供电电路，但是，没有详细介绍辅助供电的原理。一般的开关电源的辅助供电电路只是在电路上电瞬间供电，当电路工作正常以后就将该辅助供电电路切换掉，而专利3对这方面没有说明。国际知名开关电源公司，如美国VICOR(怀格)和日本COSEL(科索)和LAMBDA，产品中均没有如此宽范围电压输入的电源产品。国内对于宽范围输入电压的开关电源的研究有使用继电器切换两级电路的(陈丹江，张伟，肖质红等.一种超宽输入范围的开关电源的设计.电气自动化，2011,33(3):65-67)，还有控制方法及电路拓扑等均没有披露的广州金升阳科技有限公司的电力仪表专用超宽输入电压范围的开关电源模块。该开关电源的型号为LO10-24B13K，其电压输入范围是30～280VAC/30～400VDC，输出电压为13V，输出电流0.5A。从其手册提供的输入电压与效率关系曲线以及输入电压与负载关系曲线看到，当其输入电压低于100VDC时，电源效率低于75%，随着输入电压的降低，效率也在下降。如果要求该电源提供满负载的话，输入电压必须大于50VAC，而当输入电压为30VAC时，只能提供40%的功率。研制宽范围输入的AC/DC-DC自动化仪表开关电源模块有以下三个技术难点：(1)输入电压范围太大，造成电路拓扑结构设计和器件选择困难。现在的解决方案是使用两级或者多级电路级联。然而，由于输入电压范围不同，输出功率不同，电源应用场合不同，为了使电源模块的效率高，选择哪两种或几种电路拓扑组合成为难点。如果选择非隔离型电路拓扑，由于输入电压范围太大，就意味着在最低和最高的输入电压时，都需要输出相同电压。这样可能会导致电路拓扑中开关管的工作占空比D接近于1或者0，而开关管的导通和关断是需要上升和下降时间的，占空比太大或者太小，就没有多余的控制时隙了。这样就会引起电路工作异常，控制环路补偿困难，可能会导致控制不稳定。如果选择隔离型电路拓扑，变压器的匝比需要按照最大直流增益设计，此时输入电压最小，造成变压器的设计难以优化，变压器体积很大。并且，对于所有的开关器件等的选型都要求其耐压值要比最大输入/输出电压还要高。高耐压值的开关器件价格较贵，并且导通电阻大，会产生更高的损耗，这样就降低了整个电路的效率。级联电路的效率较单级电路效率会有所下降，如何选择最佳的电路组合是一个难点；(2)如何选择两级或多级电路切换点以及如何在两级或多级电路拓扑之间进行安全可靠切换。由于每一种电路拓扑都有其特点和输入输出要求，为了提高级联电路拓扑的效率，选择哪个电压值点作为级联电路切换点是一个难点；(3)如何选择电路启动方式，如何消除泄放电阻和检测电阻引起的效率下降。现代开关电源中普遍存在着启动电路、泄放电阻和检测电阻一直消耗功率的问题。在宽范围输入的开关电源中，为了提高效率，如何选择启动方式成为一个难点。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
中陈述的难点问题，本专利技术设计了由升压变换电路和反激变换电路组成两级级联电路拓扑结构的电源模块，该电源模块能够自动适应交、直流供电电源，是一个适用于超宽范围输入的AC/DC-DC电源模块。本专利技术采用以下技术方案：(1)针对第一个设计难点，根据该电源的应用场合，分析各种电路拓扑的结构特点，选择了由升压变换电路和反激变换电路组成两级式级联电路的方法。如果输入电压较低，就将此低电压先升压到一个适合的高电压，再通过第二级电路得到需要的输出电压；如果输入电压较高，此电压就直接到达第二级变换电路；(2)针对第二个设计难点，通过分析升压电路和反激式电路的特点，选择一个两级电路的切换电压点。两级电路之间进行切换的方法是通过电压检测比较电路控制升压变换电路中的PWM调制电路，使其处于正常工作状态或者锁存状态；(3)针对第三个设计难点，为了提高电源效率，选用了专门用于开关电源启动的电源芯片，并且外接开关管来提高带负载能力。在上电瞬间，由此本文档来自技高网...

【技术保护点】
超宽电压输入范围AC/DC‑DC自适应仪用开关电源，既可适用于全球范围内的交流电压，也可以适用于宽范围输入的直流电压，其特征在于：包括输入保护电路、EMI滤波电路、工频整流滤波电路、高频整流滤波电路、升压变换电路、反激变换电路、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、辅助供电电源电路、电源切换电路、电压检测比较控制电路和光耦隔离反馈电路；所述升压变换电路和反激变换电路组成两级式级联电路，如果输入电压较低，就将此低电压先升压到一个适合的高电压，再通过第二级电路后得到需要的输出电压；如果输入电压较高，此高电压不经过第一级变换就直接到达第二级变换电路后得到需要的输出电压；通过用于开关电源启动的芯片和外接的MOSFET来提高带负载能力；在上电瞬间，由用于开关电源启动的芯片供电，当电路工作稳定后，从第二级电路的变压器辅助绕组提供芯片工作电源并将开始提供电源的回路切换掉；使用这种方法，不仅解决了芯片供电问题，而且解决了现在开关电源中启动电阻一直消耗能量的问题；使用电容零损耗放电器解决了EMI滤波电路中的泄放电阻一直消耗功率的问题；使用了零损耗高压检测信号断接集成器，解决了第一级电路的检测电阻在第一级电路不工作时仍然在消耗功率的问题，工作效率较高。...

【技术特征摘要】
1.超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源，输入电压范围为18～100VDC和85～265VAC，在通过工频整流滤波电路之后，电压范围达到了18VDC～370VDC；既可适用于全球范围内的交流电压，也可以适用于宽范围输入的直流电压，其特征在于：包括输入保护电路、EMI滤波电路、工频整流滤波电路、高频整流滤波电路、升压变换电路、反激变换电路、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、第一PWM调制电路、第二PWM调制电路、辅助供电电源电路、电源切换电路、电压检测比较控制电路和光耦隔离反馈电路；所述升压变换电路和反激变换电路组成两级式级联电路，如果输入电压较低，就将此低电压先升压到一个适合的高电压，再通过第二级反激变换电路后得到需要的输出电压；如果输入电压较高，此高电压不经过第一级升压变换电路就直接到达第二级反激变换电路后得到需要的输出电压；即当输入电压高于60VDC时，第一级升压变换电路就不工作了；通过用于开关电源启动的芯片和外接的MOSFET来提高带负载能力；在上电瞬间，由用于开关电源启动的芯片供电，当电路工作稳定后，从第二级反激变换电路的变压器辅助绕组提供芯片工作电源并将开始提供电源的回路切换掉；使用这种方法，不仅解决了芯片供电问题，而且解决了现在开关电源中启动电阻一直消耗能量的问题；使用电容零损耗放电器解决了EMI滤波电路中的泄放电阻一直消耗功率的问题；使用了零损耗高压检测信号断接集成器，解决了第一级升压变换电路的分压电阻在第一级升压变换电路不工作时仍然在消耗功率的问题，工作效率较高；所述电容零损耗放电器等效于高压开关，它与X电容的泄放电阻串联后，并接于X电容的两端；当开关电源正常工作时，它保持断路，切断泄放电阻上的电流，使得泄放电阻的功率损耗接近于零；当交流断电后，它迅速接通泄放电阻，对X电容进行安全放电；所述零损耗高压检测信号断接集成器，它与分压电阻串联，能够在待机、空载或远程关断的条件下将不需要的分压电阻与直流高压线的连接断开，从而消除分压电阻上的功耗并降低电源系统的总功耗：当输入电压低于60V时，第一级升压变换电路工作，零损耗高压检测信号断接集成器导通，分压电阻正常工作；当输入电压低于60V时，第一级升压变换电路就不工作，零损耗高压检测信号断接集成器随即断开，分压电阻也因此从电路中断开，不再消耗能量。2.如权利要求1所述的超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源，其特征在于：所述工频整流滤波电路由整流桥D3和滤波电容C11、C12组成；电容C11、C12的容值决定工频整流滤波电路输出电压纹波大小。3.如权利要求1所述的超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源，其特征在于：所述升压变换电路由储能电感L1、开关管Q1、续流二极管D1、输出滤波电容C9、C10、开关管源极检流电阻CS1和第一电压采样电路组成；所述第一电压采样电路由分压电阻R44、R39和零损耗高压检测信号断接集成器组成；当输入电压为18～60VDC时，第一级升压变换电路工作，这时零损耗高压检测信号断接集成器的开关S1、S2接通，正常分压；当输入电压为60～100VDC或者85～265VAC时，第一级升压变换电路就不工作，此时零损耗高压检测信号断接集成器的开关S1、S...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，蒋荣慰，方敏，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34