开关电源输入电压范围拓展电路及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种开关电源输入电压范围拓展电路及其设计方法，其电路包括接在直流电压输入电路与开关电源芯片之间的第一电压扩展电路，所述直流电压输入电路为交直流转换电路或直流电压源，所述开关电源芯片上带有过压及欠压保护端，第一电压扩展电路的正极电压输出端与开关电源芯片的过压及欠压保护端相接，第一电压扩展电路的负极电压输出端与开关电源芯片的接地端相接。本发明还公开了一种开关电源输入电压范围拓展电路的设计方法。本发明实现方便且成本低，能够加强开关电源对电网的适应能力，拓宽了开关电源的应用范围，能够有效地提高开关电源工作的可靠性，实用性强，便于推广使用。
【专利说明】开关电源输入电压范围拓展电路及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于开关电源【技术领域】，具体涉及一种开关电源输入电压范围拓展电路及 其设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的飞速发展，开关电源与人们的关系日益密切，在人们的日常生活 中发挥着越来越重要的作用。现有技术中，开关电源中开关电源芯片的过压及欠压保护范 围一般都比较窄，例如常见的为IV?4V左右，且开关电源芯片的过压及欠压保护范围限制 了开关电源输入电压范围，而且，现有技术中，一般在直流电压输入电路与开关电源芯片之 间连接简单的电阻串联分压电路，使得开关电源的输入电压范围只能为165VAC?265VAC， 对电网的适应能力较弱，且使得开关电源的应用受到了限制，因此，设计开关电源输入电压 范围拓展电路具有重要意义。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种结构简 单、实现方便且成本低、能够加强开关电源对电网的适应能力、拓宽了开关电源的应用范 围、能够有效地提高开关电源工作的可靠性的开关电源输入电压范围拓展电路。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种开关电源输入电压范围拓 展电路，其特征在于：包括接在直流电压输入电路与开关电源芯片之间的第一电压扩展电 路，所述直流电压输入电路为交直流转换电路或直流电压源，所述开关电源芯片上带有过 压及欠压保护端，第一电压扩展电路的正极电压输出端与开关电源芯片的过压及欠压保护 端相接，第一电压扩展电路的负极电压输出端与开关电源芯片的接地端相接。
[0005]上述的开关电源输入电压范围拓展电路，其特征在于：包括接在第一电压扩展电 路与开关电源芯片之间的η个第二电压扩展电路，首个第二电压扩展电路的正极电压输入 端与第一电压扩展电路的正极电压输出端相接，首个第二电压扩展电路的负极电压输入端 与第一电压扩展电路的负极电压输出端相接，相邻的两个第二电压扩展电路中后一个第二 电压扩展电路的正极电压输入端与前一个第二电压扩展电路的正极电压输出端相接，相邻 的两个第二电压扩展电路中后一个第二电压扩展电路的负极电压输入端与前一个第二电 压扩展电路的负极电压输出端相接，末个第二电压扩展电路的正极电压输出端与开关电源 芯片的过压及欠压保护端相接，末个第二电压扩展电路的负极电压输出端与开关电源芯片 的接地端相接；其中，η的取值为自然数。
[0006]上述的开关电源输入电压范围拓展电路，其特征在于：所述第一电压扩展电路由 一极巨Q!以及电阻心、I?2、R3、R4、R5和R 6组成，所述电阻&的一端为第一电压扩展电路的 正极电压输入端Vi+且与直流电压输入电路的正极电压输出端相接，所述电阻 Ri的另一端 与电阻R2的一端和电阻Rs的一端相接且为第一电压扩展电路的正极电压输出端，所述电阻 馬的另一端与电阻R s的一端和电阻&的一端相接，所述电阻r5的另一端与三极管仏的基 极和电阻R6的一端相接，所述电阻R4的另一端与三极管Qi的集电极相接，所述电阻r 3的另 一端与三极管A的发射极和电阻R6的另一端相接，所述电阻R3的另一端为第一电压扩展 电路的负极电压输入端vi-且与直流电压输入电路的负极电压输出端相接，所述电阻 Rs的 另一端为第一电压扩展电路的负极电压输出端。
[0007]上述的开关电源输入电压范围拓展电路，其特征在于：第i个第二电压扩展电路 由三极管Qi+1以及电阻和R3(i+i>+3组成，所述电阻R(3i+i)+2的一端为第i个第 二电压扩展电路的正极电压输入端，所述电阻 R(3i+i)+2的另一端与三极管Qi+i的基极和电阻 一^相接，所述三极管Qi+1的集电极与电阻 R3(i+i)+i的一端相接，所述电阻R3(i+i)+i 的另一端为第i个第二电压扩展电路的正极电压输出端v〇+，所述三极管Qi+i的发射极为第 1个第一电压扩展电路的负极电压输入端，所述电阻 R3(i+i)+3的另一端为第i个第二电压扩 展电路的负极电压输出端Vo-;其中，i的取值为1?η的自然数。
[0008]本发明还提供了一种方法步骤简单、能够大大简化开关电源输入电压范围拓展电 路的电路结构、且能够低成本地解决拓宽开关电源输入电压范围的问题的开关电源输入电 压范围拓展电路的设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0009]步骤一、确定输入电压的最小值ViDlin和输入电压的最大值vimax ;
[0010] 一步骤二、选择合适参数的电阻Ri、电阻民、电阻馬、电阻&、电阻馬和电阻馬，并连 接所述三极管化以及电阻&、电阻R2、电阻r3、电阻r4、电阻 Rs和电阻&，组成第一电压扩 展电路；具体过程如下：
[0_频201、槪公式选取幢R3的阻值，其中U开关电源芯 I *：1 片的欠压保护电压，VOTax为开关电源芯片的过压保护幢，L为输入电压为最小值V时 流过电阻R2和电阻r3的电流； lmm 0 5 _2]步骤2〇2、棚公式选取幢R6的阻值，其中， l2为输入电压为最小值 时流过电阻R5和电阻r6的电流； =0=]步骤2〇3、根据公式L (K+jg = L取+jg = L确定电阻馬和电阻化的醜关 系，并根据胃电阻r3和幢Rs的雖级别选取帷R2的阻值和电阻Rs的醜，其中儿为输 入电压为最小值νωη时电阻R2和电阻r3所在支路以及电阻心和电阻馬所在支路的并联 电压；
[剩步骤綱、棚公式^ 确定幢&的最小隱I; 步骤娜、麵公式馳帷R4_值，其中， 工3为输入电压为最大值Viraax时流过电阻r2和电阻r3的电流； _6]步骤2〇6、、根据公式1 = 與⑷：與确定电流^和电 軸阻R4瓶的等效帆14为输人植为最大值V*时流过电 阻5牙电阻Rs的电流，υ?为知入电压为最大值\瞧时电阻心和电阻心所在支路以及电 阻R5和电阻R6所在支路的并联电压；
[0017]步骤2〇7、根据公式
【权利要求】
1. 一种开关电源输入电压范围拓展电路，其特征在于：包括接在直流电压输入电路 (1)与开关电源芯片（4)之间的第一电压扩展电路（2)，所述直流电压输入电路（1)为交直 流转换电路或直流电压源，所述开关电源芯片（4)上带有过压及欠压保护端，第一电压扩 展电路（2)的正极电压输出端与开关电源芯片（4)的过压及欠压保护端相接，第一电压扩 展电路⑵的负极电压输出端与开关电源芯片⑷的接地端相接。
2. 按照权利要求1所述的开关电源输入电压范围拓展电路，其特征在于：包括接在第 一电压扩展电路⑵与开关电源芯片⑷之间的η个第二电压扩展电路（3)，首个第二电压 扩展电路（3)的正极电压输入端与第一电压扩展电路（2)的正极电压输出端相接，首个第 二电压扩展电路⑶的负极电压输入端与第一电压扩展电路⑵的负极电压输出端相接， 相邻的两个第二电压扩展电路（3)中后一个第二电压扩展电路（3)的正极电压输入端与前 一个第二电压扩展电路（3)的正极电压输出端相接，相邻的两个第二电压扩展电路（3)中 后一个第二电压扩展电路（3)的负极电压输入端与前一个第二电压扩展电路（3)的负极电 压输出端相接，末个第二电压扩展电路（3)的正极电压输出端与开关电源芯片（4)的过压 及欠压保护端相接，末个第二电压扩展电路（3)的负极电压输出端与开关电源芯片（4)的 接地端相接；其中，η的取值为自然数。
3. 按照权利要求2所述的开关电源输入电压范围拓展电路，其特征在于：所述第一电 压扩展电路（2)由三极管仏以及电阻1?1、1? 2、1?3、1?4、1?5和1?6组成，所述电阻1? 1的一端为第一 电压扩展电路（2)的正极电压输入端Vi+且与直流电压输入电路（1)的正极电压输出端相 接，所述电阻&的另一端与电阻馬的一端和电阻R 5的一端相接且为第一电压扩展电路（2) 的正极电压输出端，所述电阻R2的另一端与电阻馬的一端和电阻R 4的一端相接，所述电阻 R5的另一端与三极管％的基极和电阻R6的一端相接，所述电阻R4的另一端与三极管％的 集电极相接，所述电阻R 3的另一端与三极管％的发射极和电阻&的另一端相接，所述电阻 馬的另一端为第一电压扩展电路（2)的负极电压输入端Vi-且与直流电压输入电路（1)的 负极电压输出端相接，所述电阻&的另一端为第一电压扩展电路（2)的负极电压输出端。
4. 按照权利要求3所述的开关电源输入电压范围拓展电路，其特征在于：第i个第二 电压扩展电路（3)由三极管Qi+1以及电阻R 3(i+1)+1、 R(3i+l)+2 矛口 R3(i+l)+3 组成，所述电阻 R(3i+l)+2 的一端为第i个第二电压扩展电路（3)的正极电压输入端，所述电阻R(3i+1)+2的另一端与三 极管Qi+1的基极和电阻R3(i+1)+3的一端相接，所述三极管Qi+1的集电极与电阻R 3(i+1)+1的一端 相接，所述电阻R3(i+1)+1的另一端为第i个第二电压扩展电路⑶的正极电压输出端V〇+，所 述三极管Q i+1的发射极为第i个第二电压扩展电路（3)的负极电压输入端，所述电阻R3(i+1)+3 的另一端为第i个第二电压扩展电路（3)的负极电压输出端Vo-;其中，i的取值为1?η 的自然数。
5. -种设计如权利要求4所述开关电源输入电压范围拓展电路的方法，其特征在于该 方法包括以下步骤： 步骤一、确定输入电压的最小值ViDlin和输入电压的最大值Viniax ; 步骤二、选择合适参数的电阻&、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R 5和电阻R6，并连接所 述三极管％以及电阻心、电阻馬、电阻馬、电阻&、电阻和电阻Re，组成第一电压扩展电 路（2);具体过程如下： 步骤201、根据公式
选取电阻馬的阻值，其中，V?in为开关电源芯片 ⑷的欠压保护电压，为开关电源芯片⑷的过压保护电压，Ii为输入电压为最小值 Vimin时流过电阻R2和电阻R3的电流； 步骤202、根据公式
选取电阻&的阻值，其中，12为输入电压为最小值V imin时流 过电阻R5和电阻&的电流； 步骤203、根据公式L (R2+R3) = I2 (R5+R6) = Uxl确定电阻R2和电阻R5的阻值关系，并 根据电阻R3和电阻R6的阻值级别选取电阻R2的阻值和电阻R5的阻值，其中，U xl为输入电 压为最小值Vimin时电阻R2和电阻R3所在支路以及电阻R 5和电阻R6所在支路的并联电压； 步骤204、根据公式
·确定电阻&的最小阻值Rlmin ; 步骤205、根据公式
_选取电阻R4的阻值，其中，13为 输入电压为最大值Vimax时流过电阻R2和电阻R3的电流； 步骤206、、根据公式
I3(R2+RJ = I4(R5+R6) = Ux2确定电流14和电压Ux2， 其中，Rm为电阻R3和电阻R4并联的等效电阻，14为输入电压为最大值V imax时流过电阻R5和 电阻R6的电流，Ux2为输入电压为最大值Vimax时电阻R2和电阻R 3所在支路以及电阻R5和 电阻&所在支路的并联电压； 步骤207、根据公式
-确定电阻札的最大阻值Rlmax，并根据公式 Rlmin彡札彡Rlmax选取电阻札的阻值； 步骤208、将电阻&的一端与直流电压输入电路（1)的正极电压输出端相接，将电阻札 的另一端与电阻馬的一端和电阻r5的一端相接，将电阻馬的另一端与电阻&的一端和电 阻R4的一端相接，将电阻R 5的另一端与三极管Qi的基极和电阻R6的一端相接，将电阻R4 的另一端与三极管％的集电极相接，将电阻R3的另一端与三极管Qi的发射极和电阻R6的 另一端相接，将电阻馬的另一端为与直流电压输入电路（1)的负极电压输出端相接； 步骤三、根据公式
）十算第一电压扩展电路（2)的实际 输入电压最小值和实际输入电压最大值^_，并判断是否有^? ^_且巧_ #_， 当且6_^_时，结束所述开关电源输入电压范围拓展电路的设计；否 贝1J，执行步骤四；其中，电阻Ru的阻值为
电阻V。的阻值为
步骤四、取η = 1，根据第二电压扩展电路（3)的元器件参数选择方法选择构成第η个 第二电压扩展电路（3)的元器件，连接各个元器件组成第二电压扩展电路（3)，并将第η个 第二电压扩展电路⑶接在第一电压扩展电路⑵与开关电源芯片⑷之间；其中，第i个 第二电压扩展电路（3)的元器件参数选择方法为： 步骤I、根据公式R3(i+1)+1 = a%选取电阻R3(i+1)+1的阻值，其中，a的取值为2?3的实 数； 步骤II、根据公式 R(3i+l)+2 =R5选取电阻 R(3i+l)+2 的阻值； 步骤III、根据公式
R6选取电阻R3(i+1)+3的阻值，其中，b的取值为2?3的 实数； 其中，η为第二电压扩展电路（3)的个数且η的取值为自然数，i的取值为0?η的自 然数； 步骤五、根据公式
计算由第一电压扩展电路（2) 和η个第二电压扩展电路（3)构成的开关电源输入电压范围拓展电路的实际输入电压最小 值^：?和实际输入电压最大值匕《，并判断是否有且，当I? ?时，结束所述开关电源输入电压范围拓展电路的设计；否则，执行步骤六；其 中，电阻RUn+1)的阻值为
j的取值为〇?n+1的自然数；电阻 R' Un+1)的阻值为!
i的取值为 1?n+1的自然数；电阻RM(n+1)的阻值为Λ"_:ι
i的取值为1? n+1的自然数； 步骤六、将η的取值增1，根据第二电压扩展电路（3)的元器件参数选择方法选择构 成第η个第二电压扩展电路（3)的元器件，连接各个元器件组成第η个第二电压扩展电路 (3)，并将第η个第二电压扩展电路（3)接在第η-I个第二电压扩展电路（3)与开关电源芯 片（4)之间；返回步骤五。
【文档编号】H02H7/12GK104300503SQ201410587235
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】刘树林, 付垚, 张法旺, 韩跃云, 刘锦涛, 张静鹏, 邓兴旺 申请人:西安科技大学