一种开关电源交流输入断电快速检测电路

包尔恒

（广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510925）

0 引 言

在诸如电脑等开关电源模块供电的电子设备中，通常要求当交流输入市电断电后开关电源输出能够维持特定时间的供电，以供用电设备完成数据保存等特定操作，也就是交流断电后用电设备收到开关电源发出的断电告警信号，然后开始执行必要操作并要求电源输出具有一定的保持时间。在上述应用场合，快速的交流断电检测对开关电源的优化设计显得及为重要，可以减小开关电源内部电解电容的容量（降低成本和减小电源体积）及有助于变压器的优化设计等[1]。例如：图1所示为带PFC（功率因数校正）的单相交流输入、直流输出的开关电源模块结构图[2]，如果开关电源的负载设备要求收到电源发出的交流断电告警信号后电源输出需要保持一定的时间，而此时输出供电主要由电解电容C2放电维持，测试方法是从发出交流断电信号开始到电源输出开始下降前的时间段为输出保持时间。如果能够快速检测交流断电并发出告警信号，则可以减小电容C2的容量达到降低成本和减小电源体积的目的；提高输出保持时间的另一个办法是改变直流-直流变换部分变压器的匝数比，以达到在更低的C2端电压下电源仍能保持额定输出，但单纯为了输出保持时间而改变变压器的结构势必影响到变压器的优化设计。因此，快速的交流断电检测电路在这种应用场合显得尤为重要。本文介绍的快速交流断电检测电路，较之常见的交流检测电路具有检测时间短、成本低的优点，电路经验证并应用于实际产品，取得良好效果。

1 电路结构及原理分析

快速的交流断电检测电路结构如图2所示，其工作原理分析如下：

当交流电压正常时，交流输入电压通过全波整流（图2中D1、D2和图1中的整流桥形成电流回路）再经电阻分压后，得到交流输入电压的整流电压采样信号接到比较器U1A的同相输入端；VCC（12V）通过TL431产生一个5V基准电压VREF，再通过电阻R10、R11分压后在U1A的反向输入端得到一个比较低的基准电压（该图中基准电压为5×470/10470=0.22V），因此交流过零后U1A的1脚立即输出高电平（占空度很大的脉冲波），使得三极管Q1在交流输入正常时每个交流周期中绝大部分时间都是导通状态（电容C3放电）；电容C3通过VREF和电阻R6充电，但由于Q1在每个交流周期绝大部分时间导通为C3放电，电容上的电压不足以充电到高于U1B的同相输入端电压，所以在交流电压正常时，比较器U1B输出高电平。

图1 带PFC的单相交流输入/直流输出开关电源结构图

图2 交流断电检测电路原理图

当交流输入断电后，U1A的同相输入端变为低电平（电压为零），其输出端1迅速变为低电平而Q1截止，电容C3通过VREF、R6快速充电到高于U1B同相输入端电压，使U1B输出低电平，也就是交流断电后U1B的输出由高电平快速转为低电平。

电路参数设计中需要注意下述三点：一是U1A反向输入端的参考电压要尽量低，使得交流电压过零后其输出迅速变为高电平，也就是U1A的输出脉冲为大占空度；二是电容C3和电阻R6、R3的取值要合适，既要保证交流断电后，其端电压能够通过VREF、R6快速充电到高于U1B的同相输入端电压，又要保证交流过零附近或极短时间的电压闪络掉电不误告警；三是交流停电开始到U1B输出电平反转的时间差为告警延迟时间，可通过改变C3、R6或R3的取值进行调节：C3、R6越小、延迟时间越短，交流断电检测越快。

2 仿真分析

对图2电路通过SIMetrix仿真工具进行仿真分析和验证[3]，仿真电路如图3（电路原理及参数同图2），在图3电路参数下仿真结果如图4（横坐标：时间/毫秒；纵坐标：电压/伏。对应仿真电路所放置探头，波形从上至下依次为：比较器X1输出电压、交流输入电压、交流电压整流并分压所得电压、比较器X2输出电压），可以看出：该电路参数下，从交流断电到发出告警信号的时间为5.88 ms；根据前述分析，改变图3电路参数：将R16的值改为100 kΩ（加快电容C1的充电速度），仿真结果如图5，检测时间为2.92 ms；保持R16为100 kΩ，将C1的值减小为0.1 μF，仿真结果如图6，检测时间为1.29 ms。该电路从理论上讲[4,5]，可以将检测时间降低到极小。

图3 仿真电路

图4 仿真结果（图3电路参数）

图5 仿真结果（R16=100 kΩ）

图6 仿真结果（R16=100 kΩ、C1=0.1 μF）

3 结 论

快速的交流断电检测电路有助于对断电输出保持时间有要求的开关电源的优化设计，在其他要求交流断电快速告警的应用现场也是同样重要。本文介绍和分析的电路具有断电检测时间短、电路成本低及高可靠性的优点，对上述断电检测有要求的应用场合具有一定的参考意义。