專利名稱：一種開關電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關電源。
背景技術：
任何一款電子產品都需要電源，電源是整個系統工作的能量來源，電源大部分是采用的集成開關電源，還有一部分采用的是變壓器變壓電源。集成開關電源具有體積小、開關頻率高、工作效率高、使用方便等優點，在儀器儀表、精密設備等領域應用較廣泛，但是由于集成開關電源的體積和自身的開關特性，也存在一些缺點(如通頻帶一般很窄，對外有電磁輻射、抗干擾的能力差，紋波大等)，鑒于以上情況，集成開關電源如果用于工業產品就會有很大的局限性。因為工業現場的環境較復雜，當 系統出現短路故障時，開關電源的電壓瞬間跌落，瞬時會產生很大的電磁干擾等，引起控制儀器儀表或精密設備等的重啟動，從而引起控制信號的丟失，造成外部設備工作狀態的改變，給工業生產造成較大的損失，因此，這些狀況在工業生產中要盡量避免。線繞變壓器變壓電源具有電壓穩定、平穩、紋波小、輸出功率高、輸出電壓范圍可調等優點，能夠滿足工業產品控制的要求，但是其體積大、工作效率低、輸出電壓會隨著電網的波動而波動、攜帶安裝不方便等缺點嚴重限制了這種電源的使用推廣。無論是集成開關電源還是變壓器變壓電源，當供電電網、變電設備發生故障或者負載突然發生大的變動或連續變化時，與低電網連接的電氣電子設備會受到電網中電壓瞬間跌落、短時中斷和電壓漸變的影響，開關電源產生的電磁輻射會對電氣電子設備進行干擾，影響電氣電子設備的正常運行。公開號為CN 101578758B的“開關電源裝置”的專利申請公開了一種開關電源裝置，能夠防止切換頻率上升，不產生間歇振蕩，解除了間歇振蕩的頻率進入可聽頻率引起的聲響或脈動電壓變大的問題。但所述公開的開關電源裝置的技術方案采用單路電源輸出，較多的模擬電子器件使電路結構復雜，容易造成相互間的干擾。目前工業產品控制中，由于負載突然發生大的變動或連續變動產生電壓漸變的情況對工業產品的影響最普遍。因此，開關電源還需要進行進一步的優化。
發明內容
本發明的目的在于提供一種開關電源，當系統電壓發生變化時，通過帶參考端的基準源調節脈寬調制集成芯片的反饋電壓，脈寬調制(PWM)集成芯片根據反饋電壓和振蕩器的固有頻率的時鐘信號控制高頻變壓器的充放電過程及充放電頻率，調整系統電壓，使變壓器單元輸出的電壓信號穩定控制開關管的開關頻率，解決了電壓受到干擾跌落(上升)和電壓輸出路數可調的問題。為達此目的，本發明采用以下技術方案一種開關電源，包括供電單元、脈寬調制電路單元、反饋電壓單元、振蕩器、開關元件和變壓器單元；其中，供電單元與變壓器單元和脈寬調制電路單元連接，脈寬調制電路單元與振蕩器和反饋電壓單元連接，并且通過開關元件與變壓器單元連接；所述供電單元包括為變壓器單元充電的第一供電單元和為脈寬調制電路單元供電的第二供電單元；所述反饋電壓單元用于輸出脈寬調制電路單元需要的反饋電壓信號；所述振蕩器產生固有頻率的時鐘信號；脈寬調制電路單元根據所述反饋電壓信號輸出開關量控制所述開關元件的開關狀態，進而控制所述變壓器單元的充放電過程；根據所述固有頻率的時鐘信號輸出不同占空比的控制信號控制所述開關元件的開關頻率，進而控制變壓器單元的充放電頻率；
當系統電壓發生變化時，脈寬調制電路根據所述反饋電壓信號和所述固有頻率的時鐘信號控制變壓器單元的充放電過程及充放電頻率，調整系統電壓，使變壓器單元輸出的電壓信號穩定。所述第一供電單元包括直流電源、整流電路、濾波電路和第一緩沖電路；其中，交流信號通過電壓變換得到直流電源；直流電源通過整流元件組成的整流電路整流后，經電容和共模扼流圈組成的濾波電路濾波后，通過第一緩沖電路為變壓器單元充電。所述第二供電單元通過三端可調分流基準電路輸出電壓范圍可調的電壓給脈寬調制電路單元供電。所述反饋電壓單元包括光電耦合器和三端可調分流基準電路；三端可調分流基準電路為光電耦合器的輸入端提供穩定的電壓，光電耦合器輸出脈寬調制電路單元需要的反饋電壓；當輸入端電壓升高時，光電耦合器輸出的反饋電壓升高；當輸入端電壓降低時，光電耦合器輸出的反饋電壓降低。所述振蕩器采用由電阻和電容組成的RC振蕩器。所述開關元件包括MOS晶體管。所述變壓器單元至少包括初級繞組、次級繞組和第二緩沖電路；第二緩沖電路包括儲能元件，當電路負載發生變化時，第二緩沖電路能夠進行能量轉換。所述脈寬調制電路采用脈寬調制集成芯片，脈寬調制集成芯片接收反饋電壓單元輸出的反饋電壓，經芯片內部誤差放大比較，輸出開關量控制開關元件的開關狀態，進而控制變壓器單元的充放電過程；當反饋電壓升高時，振蕩器產生的控制信號使PWM的占空比減小，脈寬調制集成芯片輸出低電平，開關元件處于截止狀態，變壓器單元的初級線圈充電結束，次級線圈回路導通給第二緩沖電路充電，抑制反饋電壓升高；當反饋電壓降低時，振蕩器產生的控制信號 使PWM的占空比增大，脈寬調制集成芯片輸出高電平，使開關元件處于導通狀態，變壓器單元的初級線圈開始充電，與次級線圈相連的第二緩沖電路釋放能量給負載供電，抑制反饋電壓減小，當脈寬調制集成芯片的電流反饋端電壓高于預設的電壓值時，關斷充電過程。所述電源用作儀器儀表的內部供電模塊為多路負載進行供電。采用本發明的開關電源，很好的解決了集成開關電源通頻帶窄，遇到干擾電壓跌落的問題，輸出功率和輸出的電壓路數可以根據需要進行設計調整。具有抗干擾能力強、通頻帶寬、功率大、開關頻率可控、成本低、易于集成和使用方便的特點。
圖I為本發明具體實施例的開關電源結構示意圖；圖2為本發明具體實施例的第一供電單元101的電路結構圖；圖3為本發明具體實施例的第二供電單元102的電路結構圖；
圖4為本發明具體實施例的反饋電壓單元104的電路結構圖；圖5為本發明具體實施例的脈寬調制電路單元103的電路結構圖；圖6為辦發明具體實施例的變壓器單元107的電路結構圖；圖7為本發明具體實施例的脈寬調制集成芯片的內部結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖并通過具體實施方式
來進一步說明本發明的技術方案。圖I為本發明具體實施例的開關電源結構示意圖。該開關電源包括供電單元、脈寬調制電路單元103、反饋電壓單元104、振蕩器105、開關元件106和變壓器單元107，其中，供電單元與變壓器單元107和脈寬調制電路單元103連接，脈寬調制電路單元103與振蕩器105和反饋電路單元104連接，并且通過開關元件106與變壓器單元107連接；所述供電單元包括為變壓器單元充電的第一供電單元101和為脈寬調制電路單元供電的第二供電單元102 ；所述反饋電壓單元104用于輸出脈寬調制電路單元需要的反饋電壓信號；所述振蕩器105產生固有頻率的時鐘信號；脈寬調制電路單元103根據所述反饋電壓信號輸出開關量控制所述開關元件106的開關狀態，進而控制所述變壓器單元107的充放電過程；根據所述固有頻率的時鐘信號輸出不同占空比的控制信號控制所述開關元件106的開關頻率，進而控制變壓器單元107的充放電頻率；當系統電壓發生變化時，脈寬調制電路103根據所述反饋電壓信號和所述固有頻率的時鐘信號控制變壓器單元的充放電過程及充放電頻率，調整系統電壓，使變壓器單元輸出的電壓信號穩定。圖2為本發明具體實施例的第一供電單元101的電路結構圖。所述第一供電單元101包括直流電源1011、整流電路1012、濾波電路1013和第一緩沖電路1014，直流電源1011為24V、1A的直流電源，所述直流電源通過220V的交流電進行電壓轉換得到，直流電源1011經由二極管、瞬態電壓抑制器(TVSl)組成的整流電路整流，經由C25、L2、C26、C24、C30組成的濾波電路濾波，通過由電解電容組成的第一緩沖電路為變壓器單元充電，其中，壓敏電阻RlO和保險絲Fl為電路提供了保護，電容與共模扼流圈組成的濾波電路增加了電氣性能，進一步消除了高頻噪聲的干擾。圖3為本發明具體實施例的第二供電單元102的電路結構圖。采用三端可調分流基準電路輸出電壓范圍可調的電壓給脈寬調制電路單元103供電，本實施例的三端可調分流基準源IC4選用型號為TL431的三端可調分流基準電壓源，其具有良好的熱穩定性能，輸出電壓用兩個電阻(電阻R712和電阻R713)就可以任意地設置到從基準電壓2. 5V至36V范圍內的任意值。圖4為本發明具體實施例的反饋電壓單元104的電路結構圖。反饋電壓單元104采用光電耦合器IC2和三端可調分流基準電路輸出脈寬調制電路需要的反饋電壓信號，三端可調分流基準源IC3選用型號為TL431的三端可調分流基準電壓源，其具有良好的熱穩定性能。所述三端可調分流基準電壓源的目的是設置任意穩定的電壓(基準電壓2. 5V至36V),保證光電稱合器IC2的輸入端輸入穩定的電壓VCC,光電稱合器輸出脈寬調制電路單元103需要的反饋電壓信號。如果系統負載減小，系統電源電壓VCC會略微升高，當VCC升高時，光電耦合器IC2的前向電流就會增大，這將導致次級電流也增大，光電耦合器輸出的反饋電壓升高；如果系統負載增大，系統電源電壓VCC會略微下降，當VCC下降時，光電耦合器IC2的前向電流就會減小，光電稱合器輸出的反饋電壓降低。光電耦合器還起到隔離的作用，進一步防止電路間的干擾。、圖5為本發明具體實施例的脈寬調制電路單元103的電路結構圖。所述脈寬調制電路采用電流式脈寬調制集成芯片IC5，本實施例中選用型號為UC384 的脈寬調制集成芯片，所述芯片為14管腳的集成電路，主要作用是通過電壓反饋和電流反饋控制輸出端輸出電平的高低，雙閉環控制方式控制了變壓器通斷電的頻率，使得高頻變壓器完成能量的儲存和傳遞。圖7是型號為UC384 脈寬調制集成芯片的管腳圖。各管腳功能如下第I管腳是內部誤差放大器的輸出端(補償端)，此管腳與第3管腳之間接有反饋網絡，以確定誤差放大器的增益和頻響；第3管腳是誤差放大器的反相輸入端(電壓反饋端)，此管腳與內部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2. 5V)進行比較，產生控制電壓，控制脈沖的寬度;第5管腳是電流反饋端，作用是檢測高頻變壓器充電時的電流，當電流過高則關斷充電過程；第7管腳是振蕩器的輸入端，根據振蕩器的固有頻率輸出不同占空比的方波信號；第8管腳和第9管腳是電源的地；第10管腳是控制電平的輸出端；第11管腳和第12管腳是芯片供電電源端，芯片的工作電壓為12V，由第二供電單元輸出12V電壓為其供電，或者可以通過一個大阻值電阻從高壓降壓獲得；第14管腳是芯片內5V的基準電壓的輸出端，所述5V的基準電壓為振蕩電路和光電耦合器的輸出回路提供電壓，保證了信號同步；其余管腳為無連接端。參見圖5，振蕩器105由電阻R9和電容C32組成，電阻R9和電容C32連接點為振蕩器的信號輸出端，振蕩器的輸出端與脈寬調制集成芯片的第7管腳連接；反饋電壓單元104通過光電耦合器輸出反饋電壓信號到脈寬調制集成芯片的第3腳，脈寬調制集成芯片的第10管腳輸出高低電平信號與開關元件106連接，開關元件106為MOS晶體管，晶體管的漏極與變壓器單元107的初級線圈的負端連接。所述振蕩器105采用分立的電容和電阻組成的RC振蕩器，為脈寬調制電路單元提供固有頻率的時鐘信號，所述時鐘信號決定了芯片IC5輸出的最高頻率，芯片工作時，振蕩器為電路提供方波，方波的產生由芯片內鋸齒波輸入比較器得出，鋸齒波上升沿的斜率由Rt和Ct決定；所述變壓器單元107包括一組初級繞組、多組次級繞組和多組第二緩沖電路；第二緩沖電路包括儲能元件，當電路負載發生變化時，第二緩沖電路能夠進行能量轉換。脈寬調制集成芯片IC5的第3管腳接反饋電壓單元104輸出的反饋電壓信號，當反饋電壓發生變化時，經芯片內部誤差放大器放大比較，PWM控制器輸出鋸齒波的斜率根據反饋電壓信號發生變化，最終輸出不同占空比的高低電平信號控制MOS晶體管的開關狀態，進而控制高頻變壓器的通斷電頻率，使變壓器單元輸出穩定的電壓信號。具體工作過程如下如果系統負載減小時，系統電源電壓VCC會略微升高，當VCC升高時，光耦IC2的前向電流就會增大，這將導致次級電流也增大，輸出的反饋電壓信號增力口，脈寬調制集成芯 片IC5的第3管腳為誤差放大器的反相輸入端，反饋電壓信號經芯片內部誤差放大器放大比較，PWM控制器輸出鋸齒波的斜率變大，使輸出信號的占空比減小，集成芯片IC5的第10管腳輸出低電平信號，開關電源功率MOS管關閉，變壓器單元的初級線圈電流減小，磁場減弱，充電過程結束，次級線圈回路中二極管Dl導通，能量通過二極管Dl和由C4、C5和LI組成的第二緩沖電路輸出直流電壓，向負載釋放，其中，部分能量由初級線圈回路中的二極管D6向電阻R6和電容C23釋放，隨著系統能量的消耗，系統電壓VCC會慢慢的降低，從而抑制了系統電壓VCC的升高。如果系統負載增大時，系統電源電壓VCC會略微降低，當VCC降低時，光耦IC2的前向電流就會減小，這將導致次級電流也減小，輸出的反饋電壓信號減小，脈寬調制集成芯片IC5的第3管腳為誤差放大器的反相輸入端，反饋電壓信號經芯片內部誤差放大器放大比較，PWM控制器輸出鋸齒波的斜率變小，輸出信號的占空比變大，集成芯片IC5的第10管腳輸出高電平信號，開關電源功率MOS管導通，變壓器單元的初級線圈電流線性增大，磁場增強，充電過程開始，次級線圈中二極管Dl截止，由C4、C5和LI組成的第二緩沖電路輸出直流電壓，向負載釋放，其中，初級線圈回路中的二極管D6截止，變壓器此時存儲能量，隨著系統能量的積累，系統電壓VCC會慢慢的增加，從而抑制了系統電壓VCC的降低。其中，在MOS管源極串接一小阻值電阻R14，把電流信號變為電壓信號，送入集成芯片IC5的5腳(電流反饋端)作為比較電壓，控制激勵脈沖的占空比，達到穩壓目的；當充電電流過高則關斷充電過程，芯片IC5停止輸出，有效保護功率開關管。本發明實施例能夠實現根據負載功耗使輸出多路電壓為負載供電。采用本發明的開關電源，很好的解決了集成開關電源通頻帶窄，遇到干擾電壓跌落的問題，輸出功率和輸出的電壓路數可以根據需要進行設計調整。具有抗干擾能力強、通頻帶寬、功率大、開關頻率可控、成本低、易于集成和使用方便的特點。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.ー種開關電源，包括供電單元、脈寬調制電路單元、反饋電壓単元、振蕩器、開關元件和變壓器単元；其中，供電單元與變壓器単元和脈寬調制電路單元連接，脈寬調制電路單元與振蕩器和反饋電壓單元連接，并且通過開關元件與變壓器單元連接； 所述供電単元包括為變壓器単元充電的第一供電單元和為脈寬調制電路單元供電的第二供電單元； 所述反饋電壓單元用于輸出脈寬調制電路單元需要的反饋電壓信號； 所述振蕩器產生固有頻率的時鐘信號； 脈寬調制電路單元根據所述反饋電壓信號輸出開關量控制所述開關元件的開關狀態，進而控制所述變壓器単元的充放電過程；根據所述固有頻率的時鐘信號輸出不同占空比的控制信號控制所述開關元件的開關頻率，進而控制變壓器単元的充放電頻率； 當系統電壓發生變化吋，脈寬調制電路根據所述反饋電壓信號和所述固有頻率的時鐘信號控制變壓器單元的充放電過程及充放電頻率，調整系統電壓，使變壓器單元輸出的電壓信號穩定。
2.根據權利要求I所述的開關電源，其特征在于，所述第一供電單元包括直流電源、整流電路、濾波電路和第一緩沖電路；其中，交流信號通過電壓變換得到直流電源；直流電源通過整流元件組成的整流電路整流后，經電容和共模扼流圈組成的濾波電路濾波后，通過第一緩沖電路為變壓器單元充電。
3.根據權利要求I所述的開關電源，其特征在于，所述第二供電單元通過三端可調分流基準電路輸出電壓范圍可調的電壓給脈寬調制電路單元供電。
4.根據權利要求I所述的開關電源，其特征在于，所述反饋電壓單元包括光電耦合器和三端可調分流基準電路；三端可調分流基準電路為光電耦合器的輸入端提供穩定的電壓，光電耦合器輸出脈寬調制電路單元需要的反饋電壓； 當輸入端電壓升高時，光電耦合器輸出的反饋電壓升高；當輸入端電壓降低時，光電耦合器輸出的反饋電壓降低。
5.根據權利要求I所述的開關電源，其特征在于，所述振蕩器采用由電阻和電容組成的RC振蕩器。
6.根據權利要求I所述的開關電源，其特征在于，所述開關元件包括MOS晶體管。
7.根據權利要求I所述的開關電源，其特征在于，所述變壓器単元至少包括初級繞組、次級繞組和第二緩沖電路；第二緩沖電路包括儲能元件，當電路負載發生變化時，第二緩沖電路能夠進行能量轉換。
8.根據權利要求7所述的開關電源，其特征在于，所述脈寬調制電路采用脈寬調制集成芯片，脈寬調制集成芯片接收反饋電壓單元輸出的反饋電壓，經芯片內部誤差放大比較，輸出開關量控制開關元件的開關狀態，進而控制變壓器單元的充放電過程； 當反饋電壓升高吋，振蕩器產生的控制信號使PWM的占空比減小，脈寬調制集成芯片輸出低電平，開關元件處于截止狀態，變壓器単元的初級線圈充電結束，次級線圈回路導通給第二緩沖電路充電，抑制反饋電壓升高；當反饋電壓降低時，振蕩器產生的控制信號使PWM的占空比増大，脈寬調制集成芯片輸出高電平，使開關元件處于導通狀態，變壓器単元的初級線圈開始充電，與次級線圈相連的第二緩沖電路釋放能量給負載供電，抑制反饋電壓減小，當脈寬調制集成芯片的電流反饋端電壓高于預設的電壓值時，關斷充電過程。
9.根據權利要求I所述的開關電源，其特征在于，所述電源用作儀器儀表的內部供電模塊為多路負載進行供電。
全文摘要
本發明公開了一種開關電源，所述開關電源采用脈寬調制(PWM)集成芯片控制MOS開關管的開關頻率，通過三端可調分流電路來調節反饋電壓的大小，當系統電壓發生變化時，脈寬調制集成芯片根據反饋電壓信號和外接的振蕩器產生的固有頻率的時鐘信號控制變壓器單元的充放電過程及充放電頻率，調整系統電壓，使變壓器單元輸出的電壓信號穩定。本發明實施的開關電源解決了電壓受到干擾跌落(上升)的問題，使電壓輸出路數可調，具有抗干擾能力強、通頻帶寬、功率大、開關頻率可控、成本低、易于集成和使用方便的特點。
文檔編號H02M3/335GK102664528SQ201210120419
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月23日 優先權日2012年4月23日
發明者王東壯 申請人:承德承信自動化工程有限公司