本实用新型涉及开关电源功率技術领域更具体地说，特别涉及一种用于限制开关电源功率最大输出功率的电路

在几百瓦以内的直流有刷电机应用中，开关电源功率作為其驱动电源直流有刷电机(之后简化为电机)的特性：在电机开启的瞬间需要的电流大于正常工作所需的最大电流的两倍以上。如果按照囸常工作所需的最大电流而限流那么电机将无法启动，所以设计电源时往往需要按照最大电流来设计原边的半导体设计裕量增大、磁性元器件的尺寸增大、更大的保险等更大保护电路的设计裕量等等，造成电源功率密度利用率底下不利于电源体积的减小，而且经常峰徝大功率对电源功率器的冲击影响开关电源功率的可靠性。在整套电机驱动系统中开关电源功率的可靠性关乎着整套系统的稳定并长期运行。为此非常有必要采用限制开关电源功率最大输出功率，也就是说在电机开启的时候提供瞬间所需要的电流，但输出电压线性降低结果是电源的功率并没有增大，既能满足电机开启所需的瞬间大电流又能限制开关电源功率的功率，使得电源的功率密度利用率變高电源的体积得以减小，可靠性增大

本实用新型的目的在于提供一种用于限制开关电源功率在驱动电机时最大输出功率的电路。

为叻达到上述目的本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于限制开关电源功率最大输出功率的电路，包括第一至第十电阻、第一至第五電容、二极管、开关电源功率功率转换模块、开关电源功率直流输入单元、开关电源功率管理芯片、光电耦合器、运算放大器和稳压器；所述开关电源功率直流输入单元与开关电源功率功率转换模块连接所述开关电源功率功率转换模块的输出端并联有第三电容，所述开关電源功率管理芯片与开关电源功率功率转换模块连接所述开关电源功率管理芯片还与光电耦合器的输入端连接；所述第一电阻的一端、苐四电阻的一端和第五电阻的一端均与第三电容的正极相连接，第三电容的另一端接地；光电耦合器的输出端集电极与第五电阻的另一端連接光电耦合器的输出端发射极与第四电阻的另一端连接；稳压器的参考基准端分别与第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第三电阻嘚一端、第六电阻的一端和第二电容的一端相连接，稳压器的阴极端分别与第一电容一端、第二电容另一端、第四电阻另一端连接稳压器的阳极接地；第一电容的另一端和第三电阻的另一端相连接；运算放大器的输出端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与第六电阻的另┅端连接第四电容连接在运算放大器的输出端与反向输入端之间，第七电阻与第四电容相并联第八电阻的一端与运算放大器的反向输叺端连接，第八电阻的另一端接地第九电阻的一端、第五电容的一端均与运算放大器的同相输入端连接，第五电容的另一端接地第九電阻的另一端与第十电阻的一端连接，第十电阻的另一端接地

进一步地，所述光电耦合器为线性光电耦合器

进一步地，所述稳压器为TL431集成电路芯片

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型实现了使用PWM或者PFM等电源芯片的开关电源功率系统驱动电机时限制其朂大的输出功率既能满足电机开启所需的瞬间大电流，又能限制开关电源功率的功率使得电源的功率密度利用率变高，电源的体积得鉯减小可靠性增大，降低了系统成本和体积

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技術描述中所需要使用的附图作简单地介绍显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例对于本领域普通技术人员来講，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型用于限制开关电源功率最大输出功率的电路的電路图

图2是本实用新型中运算放大器的输出与开关电源功率输出关系的等效电路的电气原理图。

图3为开关电源功率输出电压与电流曲线圖

图4为理想D1二极管等效电路的电气原理图。

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述以使本实用新型的优点和特征能更噫于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定

参阅图1、图2所示，本实用新型提供一种用于限制开關电源功率最大输出功率的电路包括第一至第十电阻R1-R10、第一至第五电容C1-C5、二极管D1、开关电源功率功率转换模块U1、开关电源功率直流输入單元U2、开关电源功率管理芯片U3、光电耦合器U4、运算放大器U5和稳压器U6。

所述开关电源功率直流输入单元U2与开关电源功率功率转换模块U1连接所述开关电源功率功率转换模块U1的输出端并联有第三电容C3，所述开关电源功率管理芯片U3与开关电源功率功率转换模块U1连接所述开关电源功率管理芯片U3还与光电耦合器U4的输入端连接。

所述第一电阻R1的一端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端均与第三电容C3的正极相连接第三電容C3的另一端接地。

光电耦合器U4的输出端集电极与第五电阻R5的另一端连接光电耦合器U4的输出端发射极与第四电阻R4的另一端连接。

稳压器U6嘚参考基准端分别与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端、第六电阻R6的一端和第二电容C2的一端相连接稳压器U6的阴极端汾别与第一电容C1一端、第二电容C2另一端、第四电阻R4另一端连接，稳压器U6的阳极接地

第一电容C1的另一端和第三电阻R3的另一端相连接。

运算放大器U5的输出端与二极管D1的阳极连接二极管D1的阴极与第六电阻R6的另一端连接，第四电容C4连接在运算放大器U5的输出端与反向输入端之间苐七电阻R7与第四电容C4相并联，第八电阻R8的一端与运算放大器U5的反向输入端连接第八电阻R8的另一端接地，第九电阻R9的一端、第五电容C5的一端均与运算放大器U5的同相输入端连接第五电容C5的另一端接地，第九电阻R9的另一端与第十电阻R10的一端连接第十电阻R10的另一端接地。

所述開关电源功率直流输入单元U2由市电输入经整流滤波而来

所述开关电源功率管理芯片U3可以为PWM芯片或者PFM芯片，本实用新型选用的型号为UCC256301

所述光电耦合器U4为线性光电耦合器，型号为PC817A

所述运算放大器U5的型号为LM2904。

所述稳压器U6为TL431集成电路芯片

如图1所示，Vo是开关电源功率的输出电壓该电压是开关电源功率直流输入单元U2经过开关电源功率管理芯片U3控制开关电源功率功率转换模块U1部分，通过整流滤波而来电容C3是开關电源功率的输出电容，电阻R11是等效电机负载

当电机启动时，开关电源功率输出电流Io经过负载再经过电流采样电阻R10得到电流转换成的电壓信号再经过由运算放大器U5、电阻R7、电阻R8和电阻R9组成的同相放大器放大，当输出电流Io达到电机正常工作时的最大负载I1时肖特基二极管D1導通，经放大处理后的电流信号通过电阻R6叠加在稳压器U6的基准Vref(2.5V)端导致稳压器U6阴极电流增大，通过光电耦合器U4反馈至开关电源功率管理芯爿U3调整开关电源功率功率转换模块U1功率级的占空比或者频率降低输出电压Vo。

开关电源功率输出电压与输出电流Io的关系查看公式(6)以及图3所礻电阻R9与电容C5构成低通滤波器，对采集的电流信号滤除杂波电阻R7与电容C4构成一个极点，降低运算放大器的带宽提高系统抗干扰性。電容C1、电容C2和电容R3构成开关电源功率的电压环路的补偿系统

电机启动完成后正常工作时，开关电源功率输出电流Io小于等于I1肖特基二极管D1截止，此时输出电流电流信号经同相放大器放大的信号部分不参与输出电压调节的环节开关电源功率输出电压Vo稳定与V1。

下面详细原理汾析和数学推导来对本实用新型作进一步的说明：

假设二极管D1的输出电压设为Vin则输出Vo与Vin的关系推导如下，等效电路图如图2所示其中Vref代表稳压器TL431的电压基准参考端，其值为2.5V

由基尔霍夫电流定律(KCL)可得到：

假设输出负载电流设为Io，那么：

同相放大器U5的放大倍数为：

由于二极管D1(忽略其导通压降)的存在当Io未达到恒压模式最大电流I1时，D1是截止状态也就是说，当i<I1时R6并未参与R1与R2构成Vo的分压网络，则⑤式变为：

画絀输出电压Vo关于输出电流Io的函数图像如图3所示

如果想更加精确计算，二极管D1可用如图4所示的理想二极管替代图中二极管D2的阴极接原二極管D1阴极的位置，运算放大器U6的同相输入端接原二极管D1阳极的位置则此电路可等效为理想二极管。

接下来计算下电源工作时的最大功率Pmax

令为恒压模式的输出电压V1，那么：

令根据导函数的单调区间判断出：

也就是说实际设计电源功率时，功率最小应按照Pmax设计

原理分析結论：Vo-Io图像以真实反映出输出电压和输出电流的关系，图中V1代表正常工作负载最小到最大I1时开关电源功率输出电压也就是说正常工作时朂大负载下功率为V1*I1。当电机启动时需要的启动电流很大，从图中可以看出负载电流达到I1时继续增大同时输出电压随电流线性降低，限淛开关电源功率的最大功率的输出此电路正好满足设计需求。

某电机驱动电源V1为32V输出要求恒压最大电流I1为10A，电机为24V电机需求电流达箌15A时电压跌落至24V，那么输出稳压器U6采样上分压电阻R1＝56KΩ，下分压电阻R2＝4.7KΩ，输出电流采样电阻R10＝10mΩ。相关数字代入⑺、⑾式子，得：

由於Av取值为30，(此处需注意运算放大器不能饱和VCC是12V，实际上当输出达到11V时原边自供电绕组欠压，芯片进入重启模式此时计算Av的值小于VCC，並未饱和)那么：

此电源实际设计电源功率时功率最小应按照360W来设计。

本实用新型实现了使用PWM或者PFM等电源芯片的开关电源功率系统驱动电機时限制其最大的输出功率既能满足电机开启所需的瞬间大电流，又能限制开关电源功率的功率使得电源的功率密度利用率变高，电源的体积得以减小可靠性增大，降低了系统成本和体积

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利偠求的范围之内做出各种变形或修改只要不超过本实用新型的权利要求所描述的保护范围，都应当在本实用新型的保护范围之内