一種開關電源交流輸入斷電快速檢測電路

包爾恒

（廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510925）

0 引 言

在諸如電腦等開關電源模塊供電的電子設備中，通常要求當交流輸入市電斷電后開關電源輸出能夠維持特定時間的供電，以供用電設備完成數據保存等特定操作，也就是交流斷電后用電設備收到開關電源發出的斷電告警信號，然后開始執行必要操作并要求電源輸出具有一定的保持時間。在上述應用場合，快速的交流斷電檢測對開關電源的優化設計顯得及為重要，可以減小開關電源內部電解電容的容量（降低成本和減小電源體積）及有助于變壓器的優化設計等[1]。例如：圖1所示為帶PFC（功率因數校正）的單相交流輸入、直流輸出的開關電源模塊結構圖[2]，如果開關電源的負載設備要求收到電源發出的交流斷電告警信號后電源輸出需要保持一定的時間，而此時輸出供電主要由電解電容C2放電維持，測試方法是從發出交流斷電信號開始到電源輸出開始下降前的時間段為輸出保持時間。如果能夠快速檢測交流斷電并發出告警信號，則可以減小電容C2的容量達到降低成本和減小電源體積的目的；提高輸出保持時間的另一個辦法是改變直流-直流變換部分變壓器的匝數比，以達到在更低的C2端電壓下電源仍能保持額定輸出，但單純為了輸出保持時間而改變變壓器的結構勢必影響到變壓器的優化設計。因此，快速的交流斷電檢測電路在這種應用場合顯得尤為重要。本文介紹的快速交流斷電檢測電路，較之常見的交流檢測電路具有檢測時間短、成本低的優點，電路經驗證并應用于實際產品，取得良好效果。

1 電路結構及原理分析

快速的交流斷電檢測電路結構如圖2所示，其工作原理分析如下：

當交流電壓正常時，交流輸入電壓通過全波整流（圖2中D1、D2和圖1中的整流橋形成電流回路）再經電阻分壓后，得到交流輸入電壓的整流電壓采樣信號接到比較器U1A的同相輸入端；VCC（12V）通過TL431產生一個5V基準電壓VREF，再通過電阻R10、R11分壓后在U1A的反向輸入端得到一個比較低的基準電壓（該圖中基準電壓為5×470/10470=0.22V），因此交流過零后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在交流輸入正常時每個交流周期中絕大部分時間都是導通狀態（電容C3放電）；電容C3通過VREF和電阻R6充電，但由于Q1在每個交流周期絕大部分時間導通為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，比較器U1B輸出高電平。

圖1 帶PFC的單相交流輸入/直流輸出開關電源結構圖

圖2 交流斷電檢測電路原理圖

當交流輸入斷電后，U1A的同相輸入端變為低電平（電壓為零），其輸出端1迅速變為低電平而Q1截止，電容C3通過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為低電平。

電路參數設計中需要注意下述三點：一是U1A反向輸入端的參考電壓要盡量低，使得交流電壓過零后其輸出迅速變為高電平，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，又要保證交流過零附近或極短時間的電壓閃絡掉電不誤告警；三是交流停電開始到U1B輸出電平反轉的時間差為告警延遲時間，可通過改變C3、R6或R3的取值進行調節：C3、R6越小、延遲時間越短，交流斷電檢測越快。

2 仿真分析

對圖2電路通過SIMetrix仿真工具進行仿真分析和驗證[3]，仿真電路如圖3（電路原理及參數同圖2），在圖3電路參數下仿真結果如圖4（橫坐標：時間/毫秒；縱坐標：電壓/伏。對應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：該電路參數下，從交流斷電到發出告警信號的時間為5.88 ms；根據前述分析，改變圖3電路參數：將R16的值改為100 kΩ（加快電容C1的充電速度），仿真結果如圖5，檢測時間為2.92 ms；保持R16為100 kΩ，將C1的值減小為0.1 μF，仿真結果如圖6，檢測時間為1.29 ms。該電路從理論上講[4,5]，可以將檢測時間降低到極小。

圖3 仿真電路

圖4 仿真結果（圖3電路參數）

圖5 仿真結果（R16=100 kΩ）

圖6 仿真結果（R16=100 kΩ、C1=0.1 μF）

3 結 論

快速的交流斷電檢測電路有助于對斷電輸出保持時間有要求的開關電源的優化設計，在其他要求交流斷電快速告警的應用現場也是同樣重要。本文介紹和分析的電路具有斷電檢測時間短、電路成本低及高可靠性的優點，對上述斷電檢測有要求的應用場合具有一定的參考意義。