專利名稱：提供直流5v和24v雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電源電路，特別是指一種工業(yè)過程自動化控制終端設備的提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路，是一種采用反激式變換器DC/DC、AC/DC高頻開關電源，適用于石化、給排水、電力、冶金等領域的控制終端設備內為主控制器和其他I/O模塊提供直流5V和24V輸出的小功率開關電源電路。
背景技術：
目前，隨著電子技術的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，對電源的要求更加靈活多樣。電子設備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。在我國應用于工業(yè)過程自動化領域控制設備中小功率開關電源電路，有的線路設計過于復雜、元器件數(shù)量多；而有的電源線路設計又過于簡單，大多為單路輸出，不足之處是元件成本增加、電路成本上升、體積龐大、輸出的穩(wěn)定性較差，不能夠滿足現(xiàn)場控制設備中為各種控制模塊、輸入、輸出模塊及現(xiàn)場儀表供電的需要。

發(fā)明內容
本實用新型的目的在于避免上述現(xiàn)有技術中的不足之處而提供一種能提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路，工業(yè)現(xiàn)場設計的小功率開關電源電路，利用現(xiàn)代電力電子技術，通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源電路。電源輸入使用AC(16～24VAC電壓源連接到AC/DC輸入)或DC輸入(14～40VDC電壓源連接到AC/DC輸入)；提供直流5V/1A和24V/0.5A輸出，通過發(fā)光二極管顯示每路輸出的狀態(tài)；同時還提供13.8V的充電電壓，可以使用后備電池供電；采用了冷運行、變壓器隔離、大功率高可靠性的開關技術；5V、24V輸出彼此隔離，和輸入電壓部分也是隔離的；主電路采用單端反激式脈沖寬度調制技術(PWM，從輸入電源提取的能量隨脈寬變化，在一固定周期內保持平均能量轉換。)控制方式。主輸出通過電壓反饋回路進行調節(jié)，使用瞬間保護二極管和保險管分別對過壓和過流進行保護；可以根據(jù)系統(tǒng)對電源的不同要求串聯(lián)起來使用。
本實用新型的目的可以通過以下措施來達到一種提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路，該電路由電源輸入電路、充電電路和主控、反饋、輸出電路組成，其具體連接電路構成如下電源輸入電路的外接端子AC/DC兩端并聯(lián)電容C23后，接在電橋CR2的交流輸入端1、3，外接端子BATT的+極通過二極管CR1接電橋的正端2及輸出V+，BATT的負極接電橋的負端4及輸出V-，電橋的2、4兩端并接壓敏電阻RV1、電容C1、C2，輸出V-接電源地，輸出V+通過并聯(lián)的壓敏電阻RV3、電容C6接外殼及主控、反饋、輸出電路和充電電路的相應點，輸出V-接電源地與外殼并聯(lián)壓敏電阻RV2、電容C4，電橋的正端2通過由電阻R30、R31、電容C14、穩(wěn)壓二極管CR9、場效應管Q1組成的穩(wěn)壓電路接入主控、反饋、輸出電路U1的7腿；充電電路的V+通過電阻R20接入主控、反饋、輸出電路的相應點，充電電路的V+通過電容C21接電源地，以及由模塊U5、電阻R27和由模塊U6、電阻R24、R26、R28、電容C22組成的兩級三端穩(wěn)壓器，其輸出通過二極管CR7、CR4接電源輸入電路的相應點；主控、反饋、輸出電路主控部分其中的控制芯片U1的1腿通過并聯(lián)的電阻R9、電容C11接電源地，2、5腿接電源地，4、8腿并聯(lián)電阻R8，各自通過電容C8、C10接電源地，6腿通過電阻R2接場效應管的柵極g和電阻R24接電源地，3腿通過電容C3到電源地和通過電阻R6到場效應管的源極S，場效應管的源極S通過電阻R1到電源地，場效應管的漏極d接變壓器的原邊繞組及通過串聯(lián)的電容C7、電阻R3到電源地，CPOMP端通過電阻R25接比較器U3A的2腿，比較器的2腿通過并聯(lián)的電阻R11、電容C12接電源地，4腿接電源地，1腿接三極管Q9的基極，三極管Q9的集電極、發(fā)射極分別接控制芯片的8、3腿，控制芯片的8腿通過串聯(lián)的電阻R12、R13接比較器的1腿，控制芯片的7腿接比較器的8腿，三極管Q9的集電極與基極并聯(lián)電阻R10；反饋部分直流輸出的負端通過電阻R21接可調穩(wěn)壓管的負端，同時通過串聯(lián)的電阻R22、可變電阻R19、電阻R18接光耦片的輸入端，可變電阻R19的可變端接可調穩(wěn)壓管的調整端，及通過串聯(lián)的電容C15、電阻R16、R17接光耦片的另一輸入端，可調穩(wěn)壓管的正端接電阻R16、R17的連接點，光耦片的兩輸入端并聯(lián)電阻R15，光耦片的一輸出端接電源地，另一端接控制芯片U1的1腿；輸出部分變壓器次極線圈L1B的一端通過正向連接的二極管CR6后，通過電感L1、電容C13、C17、C20組成的低通濾波器后，接入光耦片和電阻R18的輸入端，通過保險F1，通過并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管CR5、電容C18、電阻R23形成直流5V正的輸出，直流5V輸出的負端通過電容C9接電源地；變壓器次極線圈L1C的一端通過正向連接的二極管CR10后，并聯(lián)電容C19，通過保險F2后，并聯(lián)電容C16形成直流24V輸出。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路為主控制器和其它I/O模塊提供電源，提供直流5V和24V輸出，通過發(fā)光二極管顯示每路輸出的狀態(tài)；同時還提供一個電池充電器，當主供電電源的電壓降至一定值時，充電器開始工作，充電器可對12V電解電池進行點滴式充電。如果主電源掉電，此電源模塊通過電池供電。模塊的這項特征可以對你的系統(tǒng)在啟動和運行過程中進行掉電保護。該電路采用了冷運行、變壓器隔離、大功率高可靠性的開關技術。5V、24V輸出彼此隔離，和輸入電壓部分也是隔離的。它具有高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾強等特點，還可以根據(jù)系統(tǒng)對電源的不同要求串聯(lián)起來使用。安裝方便快捷，安裝在7.5mm×35mm的DIN導軌上，連接到系統(tǒng)總線上。由于本實用新型采用的都是工業(yè)級元、器件，可適應的溫度泛圍非常廣，為-40℃～60℃。能夠在較惡劣的環(huán)境下工作。


圖1.提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的方塊圖；圖2.提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的電源輸入電路；圖3.提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的充電電路；圖4.提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的主控、反饋、輸出電路。
具體實施方式
請參考圖1提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的方塊圖，該電路由電源輸入電路、充電電路和主控、反饋、輸出電路組成，電源輸入電路向主控、反饋、輸出電路提供電源，同時也能對充電電路的電池充電，當電源輸入電路掉電時電池可直接對主控、反饋、輸出電路供電。
現(xiàn)將該電路按其實現(xiàn)的功能分成幾部分進行說明。
請參考圖2提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的電源輸入電路，該電路通過外接端子可同外部電源和電池電源相接，為該電路供電。在AC/DC電壓輸入兩端接入由電容C23與電橋CR2輸入端并聯(lián)的整流濾波電路；在BATT的正極通過一個二極管CR1，接入電橋CR2的輸出端2，同時外接一個由電容、電阻、二極管、場效應管組成的穩(wěn)壓電路，為主電路的脈寬調制控制器U1供電，負極與電橋CR2輸出端4相連，在CR2電橋的2、4輸出端并聯(lián)兩個抗串模干擾電容C1、C2和一個壓敏電阻RV1，在BATT的負極與外殼地之間接入一個抗串模干擾電容C4和壓敏電阻RV2，在BATT的正極通過C6與RV3的并聯(lián)電路接外殼地。
請參考圖3提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的充電電路，其電路在V+端與BATT+端通過兩個三端穩(wěn)壓器的極連組成給電池BATT的充電電路，V+端接入三端穩(wěn)壓器U5的Vin端，Vout通過電阻R27與其ADJ端同時接入三端穩(wěn)壓器U6的Vin，三端穩(wěn)壓器U6的ADJ接入電位器R24，通過調節(jié)電位器，可進行電池充電器校準；Vout通過CR7接入BATT+，完成對電池的充電。
請參考圖4.提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的主控、反饋、輸出電路，其中主控電路控制芯片(脈沖寬度調制技術PWM)U1，其6腳(output)通過一分壓電阻R2接入金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET Q2的g端柵極，其1腳(COMP)外接RC網絡(由電阻R9、電容C11組成)用于改善內部誤差放大器的閉環(huán)增益和頻率效應；5腳GND接電源地；3腳為電流檢測端，通過一個分壓電阻R6接入Q2的S端源極，Q2的d端漏極相連的電容C7可以消除開關管的尖峰電壓，用于檢測開關管的電流，當3腳電壓≥1V時，控制芯片U1 UC1843就關閉輸出脈沖，保護開關管不至于過流損壞，在其8腳(Vref)和4腳(RT/CT)之間接入一個電阻R8，另分別通過C8和C10電容接電源地，決定了振蕩器的振蕩頻率。
反饋電路此電路提供了一個5V基準反饋電路，可調穩(wěn)壓管U4 TL431接入一個電位器R19，通過幾個分壓電阻接入光耦片U2的輸入端，同時通過變壓器T1B的繞邊副組產生的5V輸出也接入光耦片U2的輸入端，光耦片U2輸出端與控制芯片U1的1腳COMP端相接。當輸出電壓增高時，U4TL431吸收電流能力加大，使得光耦片原邊電流增大，引起反饋電壓VFB升高。
輸出電路該電源電路輸出級為兩路隔離輸出，輸出采用二極管、電容作為輸出級，為了使電壓紋波系數(shù)滿足要求，在5V的輸出電路中又加了一級電感、電容組成的低通濾波器；同時還接入保險管F1、F2實現(xiàn)過流保護，瞬間保護二極管實現(xiàn)過壓保護；在5V的輸出電路中接入一個預負載R23，以此構成回路，保證輸出電壓的穩(wěn)定；接入發(fā)光二極管DS1、DS2進行電壓輸出狀態(tài)的顯示。
下面對本實用新型作一步說明。
電路外部通過接線端子接入16～24VAC電壓源或14～40VDC電壓源，通過由電容、電橋組成的濾波電路再經過抗串模干擾電容和過壓保護電阻將交流轉換為直流接入主控、反饋、輸出電路，同時通過電橋的2端經過由電容、電阻、場效應管及二極管組成的穩(wěn)壓電路向控制芯片U1 UC1843提供啟動電壓；當外部電源不提供電壓時，電橋CR2 LT420的2端輸出為零，二極管CR1 IN5401導通，其外接電池正極，此時就由電池BATT為該電路供電。同時，在其外接電源正常工作時，還可通過兩個穩(wěn)壓電路的極連實現(xiàn)給蓄電池BATT充電。其工作過程是由控制芯片U1 UC1843控制的場效應管MOSFET IRF530把直流電壓轉換成具有不同脈沖寬度的矩形波，輸送到高頻變壓器，經降壓、隔離后整成直流輸出?？刂菩酒琔1的6腳(output)控制場效應管MOSEFT IRF530的柵極；控制芯片U1的1腳(COMP)外接RC網絡(由電阻R9、電容C11組成)用于改善內部誤差放大器的閉環(huán)增益和頻率效應；3腳為電流檢測端，用于檢測開關管的電流，當3腳電壓≥1V時，控制芯片U1 UC1843就關閉輸出脈沖，保護開關管不至于過流損壞，與開關管并聯(lián)的電容C7可以消除開關管的尖峰電壓；在其8腳(Vref)和4腳(RT/CT)之間接入一個電阻R8，另分別通過C8和C10電容接電源地，決定了振蕩器的振蕩頻率。此電路提供了一個5V基準反饋電路，當輸出電壓增高時，可調穩(wěn)壓管U4 TL431吸收電流能力加大，使得光耦片原邊電流增大，引起反饋電壓VFB升高，即控制芯片U1 UC1843的2腳電壓升高，輸出脈沖寬度變窄，輸出電壓下降。同理，當輸出電壓降低時，通過此反饋電路也能使輸出電壓穩(wěn)定在設定值。另外通過調整分壓電位器R19可以微小調整輸出電壓的幅值。光耦片U2在此也有隔離作用。在上述的反饋環(huán)節(jié)中，可調穩(wěn)壓管U4 TL4311對輸出電壓進行采樣，供給線性光耦片U2，再傳輸給控制芯片U1 UC1843，然后經過芯片的誤差放大器、控制芯片的鎖存器，控制場效應管MOSFET IRF530的柵極，從而控制變壓器的開關頻率，在變壓器的初級線圈中產生脈沖電流，通過感應在變壓器的次級產生一定的脈沖電壓，經整流、濾波后就獲得所需的直流電壓。該電源電路輸出級為兩路隔離輸出，輸出采用二極管、電容作為輸出級，為了使電壓紋波系數(shù)滿足要求，在5V的輸出電路中又加了一級電感、電容組成的低通濾波器；同時還接入保險管F1、F2實現(xiàn)過流保護，瞬間保護二極管實現(xiàn)過壓保護；在5V的輸出電路中接入一個預負載R23，以此構成回路，保證輸出電壓的穩(wěn)定；接入發(fā)光二極管DS1、DS2進行電壓輸出狀態(tài)的顯示。
提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路的電源輸入可以使用AC(16～24VAC電壓源連接到AC/DC輸入)或DC輸入(14～40VDC電壓源連接到AC/DC輸入)。輸出為5VDC/1A或24VDC/0.5A，并且還可以作為11～14VDC電池充電器(200mA)。兩路輸出是彼此隔離的，每路輸出都帶有保險絲。發(fā)光二極管顯示每路輸出的狀態(tài)。5V輸出除了從端子輸出外還與I/O總線連接。與I/O總線連接可將5V輸出到其它模塊上。24V只從端子輸出，一些要求24V供電的模塊，可以從這里得到電源，同樣也可以向外部需要24V供電的儀器供電。該電路采用了冷運行、變壓器隔離、大功率高可靠性的開關技術。5V、24V輸出彼此隔離，和輸入電壓部分也是隔離的。
該用于自動化控制設備的提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路，已制成模塊，本廠編號和名稱為E201小功率開關電源模塊，該模塊采用B型盒(115mm×55mm)封裝，安裝在7.5mm×35mm的DIN導軌上，連接到系統(tǒng)I/OBUS總線上。該模塊的電源輸入可以使用AC(16～24VAC電壓源連接到AC/DC輸入)或DC輸入(14～40VDC電壓源連接到AC/DC輸入)，在其前端加上變壓器接入電網。輸出為5VDC/1A或24VDC/0.5A，并且還可以作為11～14VDC電池充電器(200mA)。兩路輸出是彼此隔離的，每路輸出都帶有保險絲。發(fā)光二極管顯示每路輸出的狀態(tài)。5V輸出除了從端子輸出外還與I/O總線連接。與I/O總線連接可將5V輸出到其它模塊上。24V只從端子輸出，一些要求24V供電的模塊，可以從這里得到電源，同樣也可以向外部需要24V供電的儀器供電，例如20mA閉合回路變送器。E201小功率開關電源模塊應用到多種控制設備中，同變壓器相連，將AC220V電源轉換為DC24V、0.5A或DC5V、1A的直流電源，通過系統(tǒng)總線為數(shù)字輸入/輸出模塊供電，同時通過接線端子為模擬量輸入/輸出模塊、顯示模塊和部分現(xiàn)場儀表供電。
根據(jù)E201小功率開關電源模塊的參數(shù)設計原理、材料選擇原則，不僅能實現(xiàn)小功率、高效率的設計要求，并且電路實現(xiàn)容易、性能價格比較高、體積小、具有較大的實用價格。現(xiàn)場應用表明，E201小功率開關電源模塊具有應用靈活、性能穩(wěn)定、可靠性高、安裝使用方便等特點，并可應用于-40℃-60℃的環(huán)境溫度，適用于野外惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。
權利要求1.一種提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路，其特征在于該電路由電源輸入電路、充電電路和主控、反饋、輸出電路組成，其具體連接電路構成如下電源輸入電路的外接端子AC/DC兩端并聯(lián)電容C23后，接在電橋CR2的交流輸入端1、3，外接端子BATT的+極通過二極管CR1接電橋的正端2及輸出V+，BATT的負極接電橋的負端4及輸出V-，電橋的2、4兩端并接壓敏電阻RV1、電容C1、C2，輸出V-接電源地，輸出V+通過并聯(lián)的壓敏電阻RV3、電容C6接外殼及主控、反饋、輸出電路和充電電路的相應點，輸出V-接電源地與外殼并聯(lián)壓敏電阻RV2、電容C4，電橋的正端2通過由電阻R30、R31、電容C14、穩(wěn)壓二極管CR9、場效應管Q1組成的穩(wěn)壓電路接入主控、反饋、輸出電路U1的7腿；充電電路的V+通過電阻R20接入主控、反饋、輸出電路的相應點，充電電路的V+通過電容C21接電源地，以及由模塊U5、電阻R27和由模塊U6、電阻R24、R26、R28、電容C22組成的兩級三端穩(wěn)壓器，其輸出通過二極管CR7、CR4接電源輸入電路的相應點；主控、反饋、輸出電路主控部分其中的控制芯片U1的1腿通過并聯(lián)的電阻R9、電容C11接電源地，2、5腿接電源地，4、8腿并聯(lián)電阻R8，各自通過電容C8、C10接電源地，6腿通過電阻R2接場效應管的柵極g和電阻R24接電源地，3腿通過電容C3到電源地和通過電阻R6到場效應管的源極S，場效應管的源極S通過電阻R1到電源地，場效應管的漏極d接變壓器的原邊繞組及通過串聯(lián)的電容C7、電阻R3到電源地，CPOMP端通過電阻R25接比較器U3A的2腿，比較器的2腿通過并聯(lián)的電阻R11、電容C12接電源地，4腿接電源地，1腿接三極管Q9的基極，三極管Q9的集電極、發(fā)射極分別接控制芯片的8、3腿，控制芯片的8腿通過串聯(lián)的電阻R12、R13接比較器的1腿，控制芯片的7腿接比較器的8腿，三極管Q9的集電極與基極并聯(lián)電阻R10；反饋部分直流輸出的負端通過電阻R21接可調穩(wěn)壓管的負端，同時通過串聯(lián)的電阻R22、可變電阻R19、電阻R18接光耦片的輸入端，可變電阻R19的可變端接可調穩(wěn)壓管的調整端，及通過串聯(lián)的電容C15、電阻R16、R17接光耦片的另一輸入端，可調穩(wěn)壓管的正端接電阻R16、R17的連接點，光耦片的兩輸入端并聯(lián)電阻R15，光耦片的一輸出端接電源地，另一端接控制芯片U1的1腿；輸出部分變壓器次極線圈L1B的一端通過正向連接的二極管CR6后，通過電感L1、電容C13、C17、C20組成的低通濾波器后，接入光耦片和電阻R18的輸入端，通過保險F1，通過并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管CR5、電容C18、電阻R23形成直流5V正的輸出，直流5V輸出的負端通過電容C9接電源地；變壓器次極線圈L1C的一端通過正向連接的二極管CR10后，并聯(lián)電容C19，通過保險F2后，并聯(lián)電容C16形成直流24V輸出。
專利摘要本實用新型涉及一種能提供直流5V和24V雙路隔離輸出的小功率開關電源電路，電源輸入電路，經整流、濾波供給主控電路主電源和充電電路的電源，充電電源經穩(wěn)壓電路供給主控電路的電源；同時經兩級穩(wěn)壓提供對電池充電的電源；主控電路是由脈寬調制芯片控制的場效應管把直流電壓轉換成具有不同脈沖寬度的矩形波，輸送到高頻變壓器，經降壓、隔離、整流后成為直流輸出，同時設置了反饋電路，當輸出電壓增高時，引起反饋電壓升高，主控電路使輸出脈沖寬度變窄，輸出電壓下降。同理，當輸出電壓降低時，通過此反饋電路也能使輸出電壓穩(wěn)定在設定值。使輸出電壓更加穩(wěn)定。如果主電源掉電，此電源通過電池供電。可對系統(tǒng)在啟動和運行過程中進行掉電保護。
文檔編號H02J7/00GK2572646SQ0225746
公開日2003年9月10日 申請日期2002年9月26日 優(yōu)先權日2002年9月26日
發(fā)明者俞凌, 莊貴林 申請人:北京安控科技發(fā)展有限公司