一種開(kāi)關(guān)電源交流輸入斷電快速檢測(cè)電路

包爾恒

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

0 引 言

在諸如電腦等開(kāi)關(guān)電源模塊供電的電子設(shè)備中，通常要求當(dāng)交流輸入市電斷電后開(kāi)關(guān)電源輸出能夠維持特定時(shí)間的供電，以供用電設(shè)備完成數(shù)據(jù)保存等特定操作，也就是交流斷電后用電設(shè)備收到開(kāi)關(guān)電源發(fā)出的斷電告警信號(hào)，然后開(kāi)始執(zhí)行必要操作并要求電源輸出具有一定的保持時(shí)間。在上述應(yīng)用場(chǎng)合，快速的交流斷電檢測(cè)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得及為重要，可以減小開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部電解電容的容量（降低成本和減小電源體積）及有助于變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)等[1]。例如：圖1所示為帶PFC（功率因數(shù)校正）的單相交流輸入、直流輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊結(jié)構(gòu)圖[2]，如果開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載設(shè)備要求收到電源發(fā)出的交流斷電告警信號(hào)后電源輸出需要保持一定的時(shí)間，而此時(shí)輸出供電主要由電解電容C2放電維持，測(cè)試方法是從發(fā)出交流斷電信號(hào)開(kāi)始到電源輸出開(kāi)始下降前的時(shí)間段為輸出保持時(shí)間。如果能夠快速檢測(cè)交流斷電并發(fā)出告警信號(hào)，則可以減小電容C2的容量達(dá)到降低成本和減小電源體積的目的；提高輸出保持時(shí)間的另一個(gè)辦法是改變直流-直流變換部分變壓器的匝數(shù)比，以達(dá)到在更低的C2端電壓下電源仍能保持額定輸出，但單純?yōu)榱溯敵霰３謺r(shí)間而改變變壓器的結(jié)構(gòu)勢(shì)必影響到變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，快速的交流斷電檢測(cè)電路在這種應(yīng)用場(chǎng)合顯得尤為重要。本文介紹的快速交流斷電檢測(cè)電路，較之常見(jiàn)的交流檢測(cè)電路具有檢測(cè)時(shí)間短、成本低的優(yōu)點(diǎn)，電路經(jīng)驗(yàn)證并應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品，取得良好效果。

1 電路結(jié)構(gòu)及原理分析

快速的交流斷電檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理分析如下：

當(dāng)交流電壓正常時(shí)，交流輸入電壓通過(guò)全波整流（圖2中D1、D2和圖1中的整流橋形成電流回路）再經(jīng)電阻分壓后，得到交流輸入電壓的整流電壓采樣信號(hào)接到比較器U1A的同相輸入端；VCC（12V）通過(guò)TL431產(chǎn)生一個(gè)5V基準(zhǔn)電壓VREF，再通過(guò)電阻R10、R11分壓后在U1A的反向輸入端得到一個(gè)比較低的基準(zhǔn)電壓（該圖中基準(zhǔn)電壓為5×470/10470=0.22V），因此交流過(guò)零后U1A的1腳立即輸出高電平（占空度很大的脈沖波），使得三極管Q1在交流輸入正常時(shí)每個(gè)交流周期中絕大部分時(shí)間都是導(dǎo)通狀態(tài)（電容C3放電）；電容C3通過(guò)VREF和電阻R6充電，但由于Q1在每個(gè)交流周期絕大部分時(shí)間導(dǎo)通為C3放電，電容上的電壓不足以充電到高于U1B的同相輸入端電壓，所以在交流電壓正常時(shí)，比較器U1B輸出高電平。

圖1 帶PFC的單相交流輸入/直流輸出開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖

圖2 交流斷電檢測(cè)電路原理圖

當(dāng)交流輸入斷電后，U1A的同相輸入端變?yōu)榈碗娖剑妷簽榱悖?，其輸出?迅速變?yōu)榈碗娖蕉鳴1截止，電容C3通過(guò)VREF、R6快速充電到高于U1B同相輸入端電壓，使U1B輸出低電平，也就是交流斷電后U1B的輸出由高電平快速轉(zhuǎn)為低電平。

電路參數(shù)設(shè)計(jì)中需要注意下述三點(diǎn)：一是U1A反向輸入端的參考電壓要盡量低，使得交流電壓過(guò)零后其輸出迅速變?yōu)楦唠娖?，也就是U1A的輸出脈沖為大占空度；二是電容C3和電阻R6、R3的取值要合適，既要保證交流斷電后，其端電壓能夠通過(guò)VREF、R6快速充電到高于U1B的同相輸入端電壓，又要保證交流過(guò)零附近或極短時(shí)間的電壓閃絡(luò)掉電不誤告警；三是交流停電開(kāi)始到U1B輸出電平反轉(zhuǎn)的時(shí)間差為告警延遲時(shí)間，可通過(guò)改變C3、R6或R3的取值進(jìn)行調(diào)節(jié)：C3、R6越小、延遲時(shí)間越短，交流斷電檢測(cè)越快。

2 仿真分析

對(duì)圖2電路通過(guò)SIMetrix仿真工具進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證[3]，仿真電路如圖3（電路原理及參數(shù)同圖2），在圖3電路參數(shù)下仿真結(jié)果如圖4（橫坐標(biāo)：時(shí)間/毫秒；縱坐標(biāo)：電壓/伏。對(duì)應(yīng)仿真電路所放置探頭，波形從上至下依次為：比較器X1輸出電壓、交流輸入電壓、交流電壓整流并分壓所得電壓、比較器X2輸出電壓），可以看出：該電路參數(shù)下，從交流斷電到發(fā)出告警信號(hào)的時(shí)間為5.88 ms；根據(jù)前述分析，改變圖3電路參數(shù)：將R16的值改為100 kΩ（加快電容C1的充電速度），仿真結(jié)果如圖5，檢測(cè)時(shí)間為2.92 ms；保持R16為100 kΩ，將C1的值減小為0.1 μF，仿真結(jié)果如圖6，檢測(cè)時(shí)間為1.29 ms。該電路從理論上講[4,5]，可以將檢測(cè)時(shí)間降低到極小。

圖3 仿真電路

圖4 仿真結(jié)果（圖3電路參數(shù)）

圖5 仿真結(jié)果（R16=100 kΩ）

圖6 仿真結(jié)果（R16=100 kΩ、C1=0.1 μF）

3 結(jié) 論

快速的交流斷電檢測(cè)電路有助于對(duì)斷電輸出保持時(shí)間有要求的開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在其他要求交流斷電快速告警的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)也是同樣重要。本文介紹和分析的電路具有斷電檢測(cè)時(shí)間短、電路成本低及高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)上述斷電檢測(cè)有要求的應(yīng)用場(chǎng)合具有一定的參考意義。