一种用于开关电源的浪涌抑制电路的制作方法

1.本发明涉及一种用于开关电源的浪涌抑制电路，属于电源技术领域。


背景技术：

2.随着电源技术的不断发展，开关电源的小型化和高效化越来越得到重视。以往开关电源模块的设计重点一般放在电压转换等主电路上，对于防反接、浪涌抑制等保护电路，大多使用标准电路形式或使用模块化设备，存在功耗高、性能较弱或体积较大等缺点。例如，针对防反接功能要求，使用传统二极管防反保护会产生较大损耗，效率较低；或者针对过欠压保护电路使用稳压管等粗放型保护方式，容易受到器件温度、功耗等影响。
3.目前很多使用环境较为负载的设备对开关电源浪涌抑制及保护能力要求越来越高，为了使设备更加可靠，亟需一种能够适应各种恶劣的过欠压浪涌环境的浪涌抑制电路。但是，现有技术中尚缺少此类电路。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出一种用于开关电源的浪涌抑制电路，该电路能够适应各种恶劣的过欠压浪涌用电环境，使设备更加可靠。
5.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种用于开关电源的浪涌抑制电路，包括过压浪涌抑制模块、欠压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块和第二滤波稳压模块，外部电源输入依次经过过压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块、欠压浪涌抑制模块以及第二滤波稳压模块后输出；过压浪涌抑制模块在检测到输入电压高于正常电压范围时，将输出电压钳制在最大正常电压以下；过压浪涌抑制模块在检测到输入电源高于过压浪涌抑制模块可调节的最大电压时，切断电源输出以保护电路；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于正常电压范围时，将输出电压升至最小正常电压以上；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于升压电路可调节的最小电压时，断电维持电路动作，为后续电路提供应急输出；当输入电压处于正常范围之内时，浪涌抑制电路直接正常输出电压。
6.进一步的，所述过压浪涌抑制模块包括主电路和第一控制模块；所述主电路包括瞬态抑制二极管、第一mos管、第二mos管、第一电阻和第二电阻；其中，瞬态抑制二极管并联于主电路的输入端正负极之间；第一mos管的源极连接主电路的输入端正极，栅极连接至第一控制模块，漏极和第二mos管的漏极连接；第二mos管的栅极连接至第一控制模块，源极连接主电路的输出端正极；第一电阻和第二电阻串联后连接至第一mos管和gnd之间；第一控制模块从第一电阻和第二电阻的连接处对输入电压进行采样；所述瞬态抑制二极管起到尖峰抑制的作用，对
±
600v尖峰电压进行抑制；所述第一mos管为防反接mos管，防止输入端错误反接毁坏后级电路；输入正接时，第一mos管先通过体二极管形成通路，第一控制模块对输入电压采样为正，控制第一mos管反向导通，电路正常工作；输入反接时，第一mos管的体二极管截止不能形成通路，第一控制
模块对输入电压的采样为0，第一mos管不导通；所述第一控制模块用于执行如下控制策略：（1）第一控制模块检测到输入电压处于正常范围内时，通过栅极信号控制第二mos管在饱和区工作，使过压浪涌抑制模块处于直通状态；（2）第一控制模块检测到输入电压高于最大正常电压时，通过改变栅极信号控制第二mos管在线性区工作，此时沟道并未完全打开，第二mos管的漏-源极具有压降，从而将输出电压钳制于正常范围以内；此时，第一控制模块对输出电压进行采样，并与基准电压共同输入误差放大器，误差放大器的输出作为栅极信号以控制第二mos管；（3）第一控制模块检测到输入电压高于过压浪涌抑制模块可调节的最大电压时，通过栅极信号控制第一、第二mos管截止以保护电路，此时电路无输出。
7.进一步的，所述欠压浪涌抑制模块包括升压电路、断电维持电路以及第二控制模块；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于最小正常电压时，通过升压电路将输入电压升至最小正常电压以上；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于升压电路最小可调节电压时，升压电路不动作，断电维持电路作用，通过储能器件放电，为后续电路提供应急输出。
8.进一步的，所述升压电路由boost升压电路以及驱动电路组成；所述boost升压电路包括第一电感、第三mos管、第四mos管、第一电容；其中，第一电感的第一端连接boost升压电路的输入端正极，第二端连接boost升压电路的输出端正极；第三mos管的源极连接至boost升压电路的输出端负极，漏极连接至第四mos管的源极，栅极连接至驱动电路；第四mos管的漏极连接至第一电感的第二端，栅极连接至驱动电路；第一电容并联在boost升压电路的输出端正负极之间；所述驱动电路包括设置在第三mos管的源极和栅极之间的第五mos管，以及设置在第四mos管的源极和栅极之间的第六mos管，驱动电路利用第五、第六mos管导通时的低阻态，使第三mos管和第四mos管在关闭时的c
gs
结电容迅速放电，提升第三mos管和第四mos管的导通关断的动作一致性，实现同步动作；当输入电压处于正常输入范围时，第二控制模块控制驱动电路，驱动第三mos管导通、第四mos管关断，欠压浪涌抑制模块不工作；当输入电压低于最小正常电压时，升压电路动作，此时第二控制模块输出pwm信号，实现同步boost升压功能，将电压升至最小正常电压；其中，当pwm信号为高电平时，第四mos管导通、第三mos管关断；当pwm信号为低电平时，第四mos管关断、第三mos管导通。
9.进一步的，所述断电维持电路包括第一二极管、第二二极管，第七mos管、第三电阻、第四电阻以及作为储能器件的钽电容；第一二极管的负极连接第三电阻的第一端以及钽电容的正极，钽电容的负极与第三电阻的第二端以及第七mos管的漏极连接，第七mos管的源极连接第四电阻，第七mos管的栅极连接第二控制模块，第二二极管的负极连接钽电容的负极；其中，第一二极管起到防反接作用，防止电流倒灌；钽电容与第七mos管串联，通过第七mos管的开通和关断形成回路来控制钽电容进行充放电；第三电阻与钽电容并联，为钽电容形成放电回路，并在电路初次启动时为第七mos管提供漏极电平；第四电阻为零欧电
阻，对断电维持电路进行电路保护，防止电路过流烧毁断电维持电路中的其他器件；第二二极管与第七mos管并联，作为第七mos管的续流二极管，且在第七mos管所在支路断开时为钽电容提供放电回路；第七mos管具有缓启动作用，通过控制第七mos管的mos沟道开启速度能够限制由钽电容引起的开机冲击电流。
10.本发明的有益效果在于：（1）本发明利用mos管的导通特性，控制mos管在线性区工作，此时沟道并未完全打开，可将电压钳制于在正常范围以内，实现过压浪涌抑制功能。
11.（2）本发明的欠压浪涌抑制模块采用升压电路和断电维持电路并联抑制的方式，断电维持电路有效弥补了升压电路在过低电压时升压能力不足的问题，保证欠压浪涌抑制模块能够保证最低正常电压以下的完整范围保护。
12.（3）本发明的欠压浪涌抑制模块升压电路主要由同步boost升压电路组成，用mos管取代传统电路中的二极管，两个mos导通在时都处于饱和导通，功耗将大大降低；驱动电路中在第三mos管和第四mos管的源极-栅极之间使用mos管，利用其mos管导通时的低阻态使第三mos管和第四mos管在关闭时的c
gs
迅速放电，能够迅速关闭，提升了第三mos管和第四mos管的导通关断的动作一致性，降低了功耗，提高了整体效率。
13.（4）本发明的断电维持电路利用mos管导通时的低阻态降低了充放电功耗，利用mos管线性区时的高阻态抑制了电容充电时的冲击电流。
附图说明
14.图1是本发明实施例中浪涌抑制电路的原理示意图。
15.图2是本发明实施例中浪涌抑制策略的流程图。
16.图3是本发明实施例中过压浪涌抑制模块的原理图。
17.图4是本发明实施例中欠压浪涌抑制模块的原理图。
18.图5是本发明实施例中升压电路驱动电路的原理图。
具体实施方式
19.以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
20.如图1所示，一种用于开关电源的浪涌抑制电路，其包括过压浪涌抑制模块、欠压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块和第二滤波稳压模块。外部电源输入依次经过过压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块、欠压浪涌抑制模块以及第二滤波稳压模块并输出。
21.如图2所示，该电路的浪涌抑制策略如下：（1）浪涌抑制电路在输入电压处于正常范围之内时，直接正常输出电压；（2）过压浪涌抑制模块在检测到输入电压高于正常电压范围时，过压浪涌抑制模块作用，将输出电压钳制在最大正常电压以下；（3）过压浪涌抑制模块在检测到输入电源高于过压浪涌抑制模块可调节最大电压时，切断电源输出以保护电路；（4）欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于正常电压范围时，欠压浪涌抑制模块中的升压电路作用，将输出电压升至最小正常电压以上；（5）欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于升压电路可调节最小电压时，欠压
浪涌抑制模块中的断电维持电路作用，通过储能器件放电为后续电路提供一定时间的应急输出。
22.如附图3所示，过压浪涌抑制模块包括主电路和第一控制模块。
23.其中，过压浪涌抑制模块主电路包括：瞬态抑制二极管tvs1、第一mos管q1、第二mos管q2、第一电阻r1和第二电阻r2。
24.瞬态抑制二极管tvs1并联于输入端， mos管q1源极连接输入正，栅极连接至第一控制模块，漏极和mos管q2的漏极连接；mos管q2的栅极连接至第一控制模块，源极连接输出正；电阻r1和电阻r2串联后连接至mos管q1和gnd之间，第一控制模块连接至电阻r1和电阻r2连接处进行电压采样作为输入电压采样。
25.瞬态抑制二极管起到瞬态尖峰抑制的作用，对
±
600v瞬态尖峰电压进行抑制。mos管q1为防反接mos管，防止输入端错误反接毁坏后级电路。输入正接时，q1先通过体二极管形成通路，第一控制模块对输入电压采样为正，控制q1反向导通，电路正常工作；输入反接时，q1的体二极管截止不能形成通路，第一控制模块对输入电压的采样为0，q1不导通。第一控制模块检测输入电压处于正常范围内时，第一控制模块通过栅极信号控制mos管q2在饱和区工作，处于直通状态。第一控制模块检测到输入电压高于最大正常电压时，第一控制模块通过改变栅极信号控制q2在线性区工作，此时沟道并未完全打开，q2的漏-源极具有一定压降，从而将输出电压钳制于在正常范围以内；此时，第一控制模块对输出电压进行采样，并与基准电压共同输入误差放大器，输出作为栅极信号控制q2。当第一控制模块检测到输入电压高于过压浪涌抑制模块可调节最大电压时，通过栅极信号控制q1、q2管截止以保护电路，此时电路无输出。
26.如图4所示，欠压浪涌抑制模块包括升压电路、断电维持电路以及第二控制模块。其中，欠压浪涌抑制模块采用升压电路和断电维持电路并联抑制的策略，断电维持电路有效弥补了升压电路在过低电压时升压能力不足的问题，保证欠压浪涌抑制模块能够保证最低正常电压以下的完整范围保护。
27.具体来说，欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于最小正常电压时，升压电路作用，将输入电压升至最小正常电压以上；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于升压电路最小可调节电压时，升压电路不动作，断电维持电路作用，为后续电路提供一定时间的应急输出。
28.仍见图4，欠压浪涌抑制模块的升压电路由boost升压电路以及驱动电路组成。其中，boost升压电路包括：第一电感l1、第三mos管q3、第四mos管q4、第一电容c1。
29.l1一端连接输入正，另一端连接输出正；q3源极连接至输出负，漏极连接至q4源极，栅极连接至驱动电路；q4漏极连接至l1第二端，栅极连接至驱动电路；c1并联至输出端。
30.当输入电压处于正常输入范围时，欠压浪涌抑制模块不具备升压功能，第二控制模块控制驱动电路驱动q3导通，q4截止。当输入电压低于最小正常电压时，升压电路动作将电压升至最小正常电压。
31.如图5所示，驱动电路主要包括mos管q5、q10以及三极管q6、q7、q8、q9、q11和其他外围电阻器件。
32.驱动电路中第二控制模块的输出ac为pwm信号，当pwm信号为高电平时，q7截止，q6截止，同时q8导通，q5导通，从而q4导通；由于q8导通，q11导通，q10处于低阻状态，q3的cgs
迅速放电，q3迅速关断。当pwm为低电平时，q8截止，q11截止，q10截止，且q5导通，从而q3导通；由于q8截止，q5截止，且q7导通，q6处于低阻状态，q4的cgs迅速放电，q4迅速关断。
33.驱动电路中q3和q4的源极-栅极之间分别使用mos管q6和q10，利用其mos管导通时的低阻态使q3和q4在关闭时的结电容c
gs
迅速放电，能够迅速关闭，提升了q3和q4的导通关断的动作一致性，降低了功耗。
34.断电维持电路包括二极管d1、d2，mos管q7、电阻r3、r4以及钽电容e1，其中钽电容作为储能器件。
35.d1负极连接r3第一端和钽电容e1的正极，钽电容的负极与r3的第二端和q7的漏极连接，q7的源极连接r4，栅极连接第二控制模块，二极管d2负极连接钽电容负极。
36.二极管d1起到防反接作用，防止钽电容e1放电时电流倒灌。钽电容e1与mos管q7进行串联设计，通过q7的开通和关断形成回路来控制钽电容进行充放电。r3与钽电容e1并联相接，具有为钽电容形成放电回路的作用，并且在电路初启动时为q7提供漏极电平。mos管q7具有缓启动作用，通过控制q7在启动时工作在线性区，来限制由钽电容引起的较大的开机冲击电流。电阻r4为零欧电阻，对断电维持电路进行电路保护，防止电路过流烧毁其他器件。二极管d2与mos管q7并联相接，作为q7的续流二极管，且在mos管所在支路断开时为钽电容提供放电回路。
37.以下为一个更具体的实施例：本实施例浪涌抑制电路用于机载28v电源模块中，输入正常范围为+16v～+36v。其工作方式如下：（1）当输入电压在正常范围之内，过压浪涌抑制模块中q1、q2导通，欠压浪涌抑制模块中q3导通，q4截止，电路输出正常电压。
38.（2）当过压浪涌抑制模块中控制模块检测到输入电压高于+36v时，控制模块对输出电压的采样与基准电压+36v共同输入误差放大器，输出作为栅极信号控制q2在线性区工作，将输出电压钳制在+36v。
39.（3）当过压浪涌抑制模块中控制模块检测到输入电压大于+100v时，通过控制电路使q1、q2关闭，切断电路输出。
40.（4）当欠压浪涌抑制模块中控制模块检测到输入电压低于+16v时，欠压浪涌抑制模块中的升压电路工作，控制模块根据基准电压+16v生成pwm信号驱动q3、q4导通或关断。
41.具体地，包括以下内容：（4.1）当pwm信号为+5v高电平时，q7截止，q6截止，同时q8导通，q5导通，从而q4导通；由于q8导通，q11导通，q10处于低阻状态，q3的cgs迅速放电，q3迅速关断，此时电路给电感l1充电。
42.（4.2）当pwm信号为0v低电平时，q8截止，q11截止，q10截止，且q5导通，从而q3导通；由于q8截止，q5截止，且q7导通，q6处于低阻状态，q4的cgs迅速放电，q4迅速关断，此时电感l1和输入同时给电容c1充电。
43.（4.3）驱动电路根据pwm信号实现同步boost升压功能，将输出电压升至最小正常电压+16v。
44.（5）当欠压浪涌抑制模块中控制模块检测到输入电压低于升压电路可调节最小电压+6v时，断电维持电路工作，钽电容放电为后续电路提供一定时间的应急供电。
45.总之，本发明浪涌抑制电路具有较高的可靠性以及较低的功耗，且具有较为宽泛的浪涌电压抑制范围，能够适应各种恶劣的过欠压浪涌用电环境，使设备更加可靠。
46.需要说明的是，上述对所公开的实施例的说明，旨在使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
47.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种用于开关电源的浪涌抑制电路，其特征在于，包括过压浪涌抑制模块、欠压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块和第二滤波稳压模块，外部电源输入依次经过过压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块、欠压浪涌抑制模块以及第二滤波稳压模块后输出；过压浪涌抑制模块在检测到输入电压高于正常电压范围时，将输出电压钳制在最大正常电压以下；过压浪涌抑制模块在检测到输入电源高于过压浪涌抑制模块可调节的最大电压时，切断电源输出以保护电路；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于正常电压范围时，将输出电压升至最小正常电压以上；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于升压电路可调节的最小电压时，断电维持电路动作，为后续电路提供应急输出；当输入电压处于正常范围之内时，浪涌抑制电路直接正常输出电压。2.根据权利要求1所述的一种用于开关电源的浪涌抑制电路，其特征在于，所述过压浪涌抑制模块包括主电路和第一控制模块；所述主电路包括瞬态抑制二极管、第一mos管、第二mos管、第一电阻和第二电阻；其中，瞬态抑制二极管并联于主电路的输入端正负极之间；第一mos管的源极连接主电路的输入端正极，栅极连接至第一控制模块，漏极和第二mos管的漏极连接；第二mos管的栅极连接至第一控制模块，源极连接主电路的输出端正极；第一电阻和第二电阻串联后连接至第一mos管和gnd之间；第一控制模块从第一电阻和第二电阻的连接处对输入电压进行采样；所述瞬态抑制二极管起到尖峰抑制的作用，对
±
600v尖峰电压进行抑制；所述第一mos管为防反接mos管，防止输入端错误反接毁坏后级电路；输入正接时，第一mos管先通过体二极管形成通路，第一控制模块对输入电压采样为正，控制第一mos管反向导通，电路正常工作；输入反接时，第一mos管的体二极管截止不能形成通路，第一控制模块对输入电压的采样为0，第一mos管不导通；所述第一控制模块用于执行如下控制策略：（1）第一控制模块检测到输入电压处于正常范围内时，通过栅极信号控制第二mos管在饱和区工作，使过压浪涌抑制模块处于直通状态；（2）第一控制模块检测到输入电压高于最大正常电压时，通过改变栅极信号控制第二mos管在线性区工作，此时沟道并未完全打开，第二mos管的漏-源极具有压降，从而将输出电压钳制于正常范围以内；此时，第一控制模块对输出电压进行采样，并与基准电压共同输入误差放大器，误差放大器的输出作为栅极信号以控制第二mos管；（3）第一控制模块检测到输入电压高于过压浪涌抑制模块可调节的最大电压时，通过栅极信号控制第一、第二mos管截止以保护电路，此时电路无输出。3.根据权利要求1所述的一种用于开关电源的浪涌抑制电路，其特征在于，所述欠压浪涌抑制模块包括升压电路、断电维持电路以及第二控制模块；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于最小正常电压时，通过升压电路将输入电压升至最小正常电压以上；欠压浪涌抑制模块在检测到输入电压低于升压电路最小可调节电压时，升压电路不动作，断电维持电路作用，通过储能器件放电，为后续电路提供应急输出。4.根据权利要求3所述的一种用于开关电源的浪涌抑制电路，其特征在于，所述升压电路由boost升压电路以及驱动电路组成；所述boost升压电路包括第一电感、第三mos管、第四mos管、第一电容；其中，第一电感
的第一端连接boost升压电路的输入端正极，第二端连接boost升压电路的输出端正极；第三mos管的源极连接至boost升压电路的输出端负极，漏极连接至第四mos管的源极，栅极连接至驱动电路；第四mos管的漏极连接至第一电感的第二端，栅极连接至驱动电路；第一电容并联在boost升压电路的输出端正负极之间；所述驱动电路包括设置在第三mos管的源极和栅极之间的第五mos管，以及设置在第四mos管的源极和栅极之间的第六mos管，驱动电路利用第五、第六mos管导通时的低阻态，使第三mos管和第四mos管在关闭时的c
gs
结电容迅速放电，提升第三mos管和第四mos管的导通关断的动作一致性，实现同步动作；当输入电压处于正常输入范围时，第二控制模块控制驱动电路，驱动第三mos管导通、第四mos管关断，欠压浪涌抑制模块不工作；当输入电压低于最小正常电压时，升压电路动作，此时第二控制模块输出pwm信号，实现同步boost升压功能，将电压升至最小正常电压；其中，当pwm信号为高电平时，第四mos管导通、第三mos管关断；当pwm信号为低电平时，第四mos管关断、第三mos管导通。5.根据权利要求3所述的一种用于开关电源的浪涌抑制电路，其特征在于，所述断电维持电路包括第一二极管、第二二极管，第七mos管、第三电阻、第四电阻以及作为储能器件的钽电容；第一二极管的负极连接第三电阻的第一端以及钽电容的正极，钽电容的负极与第三电阻的第二端以及第七mos管的漏极连接，第七mos管的源极连接第四电阻，第七mos管的栅极连接第二控制模块，第二二极管的负极连接钽电容的负极；其中，第一二极管起到防反接作用，防止电流倒灌；钽电容与第七mos管串联，通过第七mos管的开通和关断形成回路来控制钽电容进行充放电；第三电阻与钽电容并联，为钽电容形成放电回路，并在电路初次启动时为第七mos管提供漏极电平；第四电阻为零欧电阻，对断电维持电路进行电路保护，防止电路过流烧毁断电维持电路中的其他器件；第二二极管与第七mos管并联，作为第七mos管的续流二极管，且在第七mos管所在支路断开时为钽电容提供放电回路；第七mos管具有缓启动作用，通过控制第七mos管的mos沟道开启速度能够限制由钽电容引起的开机冲击电流。

技术总结
本发明公开了一种用于开关电源的浪涌抑制电路，属于电源技术领域。本发明包括过压浪涌抑制模块、欠压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块和第二滤波稳压模块，外部电源输入依次经过过压浪涌抑制模块、第一滤波稳压模块、欠压浪涌抑制模块以及第二滤波稳压模块后输出。本发明浪涌抑制电路具有较高的可靠性以及较低的功耗，且具有较为宽泛的浪涌电压抑制范围，能够适应各种恶劣的过欠压浪涌用电环境，使设备更加可靠。备更加可靠。备更加可靠。


技术研发人员：刘瑞杰 赵明宇 东安 王江辉 贾占强 徐江宁 殷佳源
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8