CN102142778A - 串联反激开关电源 - Google Patents

Abstract

一种开关电源技术领域的串联反激开关电源，包括：电源电路、检测电路、控制电路和反激电路，检测电路产生两路电压检测信号并输出至控制电路的输入端，电源电路分别与控制电路、反激电路相连并输出一路工作电源，控制电路生成两路开启信号并输出至反激电路，反激电路包括高端和低端反激电路且输出并联，输出所需的直流电压。本发明实现高压直流-低压直流变换，适合高宽输入电压，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。

Description

串联反激开关电源

技术领域

本发明涉及的是一种开关电源技术领域的装置，具体是一种总压与分压同时受控的串联反激开关电源。

背景技术

高压变频调速、电力仪表检测、海底电缆等应用领域的电压等级高且变化范围宽，使得这些领域采用的开关电源设计思路必须相应改变。对于一般的开关电源设计，其适应的输入电压范围较小，不能满足这些特殊的工业应用场合。电力***检测仪表电源的输入电压范围为交流90～600V，海底电缆电源输入电压范围为交流1500～2000V，工业变频器电源输入电压范围为交流140-800V。由于这些领域比较特殊，因此对其开关电源的研究与设计比较少，随着应用的增加以及对其开关电源性能要求的增加，高宽输入电压的开关电源研究已成为一个新的课题。主要追求的目标为采用新型开关器件和优化高频变压器设计，具有较强的变压变频能力，以便支持更高宽的输入电压，维持较高的变换效率，获得体积小、输出功率大于100W、多路隔离输出的优点，同时具有齐全的保护功能，如过压保护和过流保护。

经过对现有技术的检索发现：中国专利申请号200710162358.4，公开日：2009-4-1，记载了一种宽输入电压范围的电源模块，该技术采用半控逆变器，低压时两个变换器输出并联，高压时两个变换器输出串联，两个变换器输入串联均压。但是该技术不能解决较高输入电压问题，也无法做到两级变化器输入电压之间均压，对参数的一致性要求过高，只要一致性较差整个设备就无法工作，也没有明确给出有关的工作原理。

综上，对高宽输入电压的开关电源现有技术的检索发现，都没有充分开发利用好反激开关电源，输入电压范围尤其上限仍然较低，随输入电压而变压变频性能有限。反激开关电源中的高频变压器磁设计是关键，输入电压过高或过低，开关变压器的设计难度加重，影响变压器的磁路设计，同时由于效率过低和电压等级过高，功率MOSFET的选型非常难，散热处理较差。高压大电流的功率MOSFET的可选产品较少，同样电流能力的功率MOSFET，电压等级越高管压降越大，效率越低。输入电压波动范围越大，同时兼顾高低压，还要达到优化设计，没有理论支持。电压过高，占空比过小，磁芯损耗越大。电压过低，占空比过大，导通损耗越大。因此需要一种低压输入的开关电源，使得整个开关电源的设计与现有成熟和优化的开关电源设计相同。但是对于高宽输入电压而言，单级反激开关电源不能够承受，根据输入电压等级，需要两级或多级反激开关电源。如何设计一种结构简单、功能全面、适合高宽输入电压的开关电源，已成为本领域技术人员需要解决的问题。“串联反激开关电源”的设计方案就是其中一种合理考虑，而且主要是面向更高更宽的输入电压范围，即直流电压500V下限电压-1400V上限电压，变比为1∶2.8，而且通过对总输入电压监控，可以实现输入电压的过压与欠压保护。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种串联反激开关电源，实现高压直流-低压直流变换，适合高宽输入电压，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电源电路、检测电路、控制电路和反激电路，其中：检测电路产生两路电压检测信号并输出至控制电路的输入端，电源电路分别与控制电路、反激电路相连并输出一路工作电源，控制电路生成两路开启信号并输出至反激电路，反激电路包括高端和低端反激电路且输出并联，输出所需的直流电压。

所述的电源电路由一个分压电路和一个与之并联的整流电路组成，其中：分压电路由四个串联电阻组成，整流电路为半波整流电路。

所述的半波整流电路由一个二极管、一个电解电容、一个交流电容和一个稳压二极管组成，其中：二极管的阳极连接绕组的一端，其阴极与电解电容的正极、交流电容的一端和稳压二极管的阴极相连，绕组的另一端与电解电容的负极、交流电容的另一端和稳压二极管的阳极相连。

所述的检测电路由第一检测电路和第二检测电路组成，其中：第一检测电路由两组串联且分别配有均压电容和均压电阻的电解电容组成，串联后的该电解电容的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连，第二检测电路由四个串联电阻和一个稳压二极管组成，串联后的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连。

所述的第一检测电路和第二检测电路上均分别设有一个稳压二极管，该稳压二极管的阳极均与输入电压的负极相连，其阴极均与靠近输入电压负极的两个电阻的公共端相连。

经过第一检测电路的电阻分压和稳压产生对应低端反激电路输入电压的检测信号。

经过第二检测电路的电阻分压和稳压产生对应总输入电压的检测信号。

所述的控制电路由总开启电路、减法电路、低端分开启电路、高端分开启电路、低端光耦隔离电路和高端光耦隔离电路组成，其中：总开启电路产生总开启信号分别与低端和高端光耦隔离电路相连，减法电路产生对应高端反激电路的电压信号与高端分开启电路相连，低端分开启电路产生控制低端反激电路的开启信号并与低端光耦隔离电路相连，高端分开启电路产生控制高端反激电路的开启信号并与高端光耦隔离电路相连，低端光耦隔离电路与低端反激电路相连，高端光耦隔离电路与高端反激电路相连。

所述的总开启电路由窗口比较电路和反相电路组成，其中：窗口比较电路由分压支路、运算放大器电路和反相电路组成。

所述的分压支路由三个串联电阻组成且由中间电阻输出电压与运算放大器电路相连。

所述的运算放大器电路由两个运算放大器和两个二极管组成且二极管共阴极连接后与反相电路连接。

所述的反相电路连接由两个电阻和一个晶体管构成的反相电路，其输出与低端和高端光耦隔离电路相连。

所述的减法电路由两个跟随电路与一个相减电路组成，其中，第一跟随器其输入端连接第一检测电路，其输出端与减法电路相连，第二跟随器其输入端与第二检测电路相连，其输出端与减法电路和窗口比较电路相连，减法电路与低端和高端分开启电路相连。

所述的第一跟随器和第二跟随器均为运算放大器。

所述的相减电路由四个电阻和一个运算放大器组成。

所述的高端分开启电路和低端分开启电路均为滞环比较电路，该滞环比较电路由四个电阻、三个二极管和一个运算放大器组成。

所述的高端光耦隔离电路和低端光耦隔离电路均由一个光耦、一个晶体管和三个电阻组成，其中光耦和一个电阻构成隔离信号传递电路，晶体管和两个电阻构成光耦控制电路。

所述的反激电路由高端反激电路、低端反激电路和滤波电路构成，高端反激电路与低端反激电路的输出均与整流滤波电路相连。

所述的第一反激电路为典型的单端反激开关电源，具有输出电源用次级绕组和工作电源用的辅助绕组。

所述的第二反激电路为典型的单端反激开关电源，具有输出电源用次级绕组和工作电源用的辅助绕组。

所述的滤波电路为半波整流滤波电流由于两个二极管、一个电解电容和一个电阻假负载组成。

本发明根据串联均压原理，将整个高宽输入直流电压分解为两级串联的低宽输入直流电压，分别为串联的两个反激电源供电，因此每级开关电源的均为低压类型，技术成熟，设计简单，选型灵活，效率得以提升。当整个电压处于设计范围时，开放反激式开关电源。高端与低端反激电路，即反激式开关电源的最终开启还要决定于各自供电电压的大小，只要电压足够高就启动工作，否则处于待机充电状态。为了防止反复振荡，每级反激电路设置了滞环电路。如果每级反激式开关电源采用了变压变频技术，可以进一步改进高频变压器和功率器件的设计。串联反激电源方案可以扩展到更多级数，适用更高的输入电压等级。各级反激电路采用不同的参考地，无需采用隔离器件。克服直接高宽输入电压的单级反激开关电源的各种不足，适合更高宽输入电压-低压电源输出、功率150W以下的各种应用场合，具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为本发明的电路原理图的检测电路和电源电路。

图3为本发明的电路原理图的反激电路。

图4为本发明的电路原理图的控制电路。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：电源电路1、检测电路2、控制电路3和反激电路4，其中：检测电路2产生两路电压检测信号并输出至控制电路3的输入端，电源电路1分别与控制电路3、反激电路4相连并输出一路工作电源，控制电路3生成两路开启信号并输出至反激电路4，反激电路4包括高端反激电路和低端反激电路且输出并联，输出所需的直流电压。

所述的电源电路1由一个分压电路R9、R10、R11、R12和一个与之并联的整流电路D11、E4、C3、ZD3组成，其中：分压电路由四个串联电阻R9、R10、R11、R12组成，整流电路为半波整流电路。

所述的半波整流电路由一个二极管D11、一个电解电容E4、一个交流电容C3和一个稳压二极管ZD3组成，其中：二极管D11的阳极连接绕组的一端，其阴极与电解电容的正极E4、交流电容的C3一端和稳压二极管ZD3的阴极相连，绕组的另一端与电解电容E4的负极、交流电容C3的另一端和稳压二极管ZD3的阳极相连。

所述的检测电路2由第一检测电路E1、E2、C1、C2、R1、R2、R3、R4、ZD1和第二检测电路R5、R6、R7、R8、ZD2组成，其中：第一检测电路由两组串联且分别配有均压电容C1、C2和均压电阻R1、R2、R3、R4的电解电容E1、E2组成，电解电容E1、E2串联后的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连，第二检测电路由四个串联电阻R5、R6、R7、R8和一个稳压二极管ZD2组成，电阻串联后的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连。

所述的第一检测电路和第二检测电路上均分别设有一个稳压二极管ZD1、ZD2，该稳压二极管的阳极均与输入电压的负极相连，其阴极均电阻R3与R4、R7与R8的公共端相连。

所述的控制电路3由总开启电路R13、R14、R15、A1、A2、D1、D2、R16、R17、TR1减法电路A3、A4、A5、R22、R23、R24、R25、分开启电路R26、R27、A6、R28、R29、R30、R31、D3、D4、D5、A7、R32、R33、R34、R35、D6、D7、D8与光耦隔离电路OP1、TR3、R18、R19、R36、OP2、TR2、R37、R20、R21组成，其中：总开启电路产生总开启信号分别与低端光耦隔离电路OP1、TR3、R18、R19、R36和高端光耦隔离电路OP2、TR2、R37、R20、R21相连，减法电路产生高端电压信号与高端分开启电路A7、R32、R33、R34、R35、D6、D7、D8相连，分开启电路包括分压支路R26、R27、低端分开启电路A6、R28、R29、R30、R31、D3、D4、D5和高端分开启电路组成，低端分开启电路产生控制低端反激电路的开启信号并与低端光耦隔离电路相连，高端分开启电路产生控制高端反激电路SMPS2的开启信号并与高端光耦隔离电路相连，低端光耦隔离电路与低端反激电路SMPS1相连，高端光耦隔离电路与高端反激电路相连。

所述的总开启电路由窗口比较电路R13、R14、R15、A1、A2、D1、D2和反相电路R16、R17、TR1组成，其中：窗口比较电路由分压支路R13、R14、R15和运算放大器电路A1、A2、D1、D2。

所述的分压支路由三个串联电阻R13、R14、R15组成且由中间电阻R14输出电压与运算放大器电路相连A1、A2、D1、D2。

所述的运算放大器电路由两个运算放大器A1、A2和两个二极管D1、D2组成且二极管共阴极连接后与反相电路R16、R17、TR1连接。

所述的反相电路R16、R17、TR1连接由两个电阻R16、R17和一个晶体管TR1构成的反相电路，其输出与低端光耦隔离电路OP1、TR3、R18、R19、R36和高端光耦隔离电路OP2、R33、R20、R21相连。

所述的减法电路A3、A4、A5、R22、R23、R24、R25由两个跟随电路A3、A4、减法电路A5、R22、R23、R24、R25组成，其中，第一跟随器A3其输入端连接第一检测电路，其输出端与减法电路相连，第二跟随器A4其输入端与第二检测电路相连，其输出端与减法电路和窗口比较电路相连，减法电路与高端分开启电路相连。

所述的第一跟随器由一个运算放大器A3组成。

所述的第二跟随器由一个运算放大器A4组成。

所述的减法电路由四个电阻R22、R23、R24、R25和一个运算放大器A5组成典型的减法电路。

所述的分开启电路由分压支路R26、R27、高端分开启电路A7、R32、R33、R34、R35、D6、D7、D8和低端分开启电路R26、R27、A6、R28、R29、R30、R31、D3、D4、D5组成，其中：高端分开启电路的输入端连接减法电路的输出端，其输出端与高端光耦隔离电路OP2、TR2、R37、R20、R21相连，低端分开启电路与低端光耦隔离电路OP1、TR3、R36、R18、R19相连。

所述的高端分开启电路由一个滞环比较电路组成，包括四个电阻R32、R33、R34、R35、三个二极管D6、D7、D8和一个运算放大器A7。

所述的低端分开启电路由一个滞环比较电路组成，包括四个电阻R28、R29、R30、R31、、三个二极管D3、D4、D5和一个运算放大器A6。

所述的光耦隔离电路由高端光耦隔离电路OP2、TR2、R37、R20、R21和低端光耦隔离电路OP1、TR3、R36、R18、R19组成，其中：高端光耦隔离电路的输出端与高端反激电路SMPS2的输入控制端相连，低端光耦隔离电路的输出端与低端反激电路SMPS1的输入控制端相连。

所述的高端光耦隔离电路由一个光耦OP2、一个晶体管TR2和三个电阻R37、R20、R21组成，其中光耦OP2和一个电阻R37构成隔离信号传递电路，晶体管TR2和两个电阻R20、R21构成高端光耦控制电路。

所述的低端光耦隔离电路由一个光耦OP1、一个晶体管TR3和三个电阻R36、R18、R19组成，其中光耦OP1和一个电阻R36构成隔离信号传递电路，晶体管TR3和两个电阻R18、R19构成低端光耦控制电路。

所述的反激电路4包括：第一反激电路SMPS1、第二反激电路SMPS2和输出并联电路D9、D10、E3、R38，其中：第一反激电路包括常规或采用变压变频技术的单端反激开关电源SMPS1，第二反激电路SMPS2包括常规或采用变压变频技术的单端反激开关电源，输出并联电路包括两个整流二极管D9、D10、一个电解电容E3和一个电阻假负载R38，将第一反激电路、第二反激电路的输出并联。

本实施例中所述的检测电路、电源电路、控制电路和反激电路组成总压与分压同时受控的串联反激开关电源，其作用是通过对高宽输入直流电压进行均压得到串联的低宽直流电压，分别为串联的反激开关电源供电，如果总电压高于开启电压，输出总开启信号，每级反激电源的输入电压各自高于阈值时，产生控制反激电路的分控制信号，该反激开关电源即启动。两级反激电源可能同时待机、工作或只有一级工作。同时，反激电源为控制电路提供工作电源。反激开关电源的输出并联，不仅使得后级反激变换器的设计与成熟的传统单端反激电源设计一致，简化高频变压器和开关电路的设计，而且可以很好地解决输入直流电压均压问题，增强供电的可靠性。

本实施例中：直流输入电压高宽范围，例如上限电压1400V，下限电压500V。输出低压直流电压，如±24V、±15V、±12V、±5、±3.3V等。检测电路、反激电源部分的器件选择900V电压等级，控制电路、电源电路部分器件电压等级选择控制低压等级。

本发明一组实施例的参数为：输入直流上限电压1400V，输出直流电压为单路如+15V等，额定总功率为100W。

900V电压等级的器件：

电阻R1、R3、R5、R7：330kΩ，2W，插件；

电阻R2、R4、R6、R8：2.2kΩ，1W，插件；

电阻R9、R10、R11：150kΩ，2W，插件；

电阻R12：20kΩ，2W，插件；

电解电容E1、E2：750V，220μF，插件，每个电容可以再由多个电容串联，以便提高耐压能力；

交流电容C1、C2、C3：2.2μF，1200V；

反激开关电源SMPS1、SMPS2：900V电压等级；

稳压二极管ZD1、ZD2：5V，6A；

稳压二极管ZD3：16V，2A；D11

普通二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8：700V，0.5A；

反向快速恢复二极管D9、D10、D11：700V，2A；

电解电容E3：50V，220μF，插件；

电阻R38：100Ω，2W，插件；

控制电压等级的器件：

工作电源：+15V

三极管TR1、TR2、TR3：NPN C9013、S9013

运算放大器A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7：轨对轨运算放大器，如TLC2272；

电阻R13、R14、R15、R16、R17：5.1kΩ，1/4W；

电阻R18、R19、R36：5.1kΩ，1/4W；

电阻R20、R21、R37：5.1kΩ，1/4W；

电阻R22、R23、R24、R25：5.1kΩ，1/4W；

电阻R26、R27：5.1kΩ，1/4W；

电阻R28、R29、R30、R31、R32、R34、R35：5.1kΩ，1/4W；

光电耦合器OP1、OP2：PC817；

本实施例对输入电压进行两级均压，分别为串联结构的反激式开关电源供电，可以承受更高更宽的输入电压范围。对总输入电压进行监控，可以实现输入电压的过压与欠压保护，保护整个电路；分压较高时反激式开关电源就进入工作状态，反激式开关电源的内部工作状态采取滞环切换。

Claims (10)

1.一种串联反激开关电源，其特征在于，包括：电源电路、检测电路、控制电路和反激电路，其中：检测电路产生两路电压检测信号并输出至控制电路的输入端，电源电路分别与控制电路、反激电路相连并输出一路工作电源，控制电路生成两路开启信号并输出至反激电路，反激电路包括高端和低端反激电路且输出并联，输出所需的直流电压；

所述的检测电路由第一检测电路和第二检测电路组成，其中：第一检测电路由两组串联且分别配有均压电容和均压电阻的电解电容组成，串联后的该电解电容的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连，第二检测电路由四个串联电阻和一个稳压二极管组成，串联后的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连；

所述的控制电路由总开启电路、减法电路、低端分开启电路、高端分开启电路、低端光耦隔离电路和高端光耦隔离电路组成，其中：总开启电路产生总开启信号分别与低端和高端光耦隔离电路相连，减法电路产生对应高端反激电路的电压信号与高端分开启电路相连，低端分开启电路产生控制低端反激电路的开启信号并与低端光耦隔离电路相连，高端分开启电路产生控制高端反激电路的开启信号并与高端光耦隔离电路相连，低端光耦隔离电路与低端反激电路相连，高端光耦隔离电路与高端反激电路相连；

所述的反激电路由高端反激电路、低端反激电路和滤波电路构成，高端反激电路与低端反激电路的输出均与整流滤波电路相连。

2.根据权利要求1所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的电源电路由一个分压电路和一个与之并联的整流电路组成，其中：分压电路由四个串联电阻组成，整流电路为半波整流电路。

3.根据权利要求2所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的半波整流电路由一个二极管、一个电解电容、一个交流电容和一个稳压二极管组成，其中：二极管的阳极连接绕组的一端，其阴极与电解电容的正极、交流电容的一端和稳压二极管的阴极相连，绕组的另一端与电解电容的负极、交流电容的另一端和稳压二极管的阳极相连。

4.根据权利要求1所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的第一检测电路和第二检测电路上均分别设有一个稳压二极管，该稳压二极管的阳极均与输入电压的负极相连，其阴极均与靠近输入电压负极的两个电阻的公共端相连；经过第一检测电路的电阻分压和稳压产生对应低端反激电路输入电压的检测信号；经过第二检测电路的电阻分压和稳压产生对应总输入电压的检测信号。

5.根据权利要求1所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的总开启电路由窗口比较电路和反相电路组成，其中：窗口比较电路由分压支路、运算放大器电路和反相电路组成。

6.根据权利要求5所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的分压支路由三个串联电阻组成且由中间电阻输出电压与运算放大器电路相连；所述的运算放大器电路由两个运算放大器和两个二极管组成且二极管共阴极连接后与反相电路连接；所述的反相电路连接由两个电阻和一个晶体管构成的反相电路，其输出与低端和高端光耦隔离电路相连。

7.根据权利要求1所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的减法电路由两个跟随电路与一个相减电路组成，其中，第一跟随器其输入端连接第一检测电路，其输出端与减法电路相连，第二跟随器其输入端与第二检测电路相连，其输出端与减法电路和窗口比较电路相连，减法电路与低端和高端分开启电路相连。

8.根据权利要求7所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的第一跟随器和第二跟随器均为运算放大器；所述的相减电路由四个电阻和一个运算放大器组成。

9.根据权利要求1所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的高端分开启电路和低端分开启电路均为滞环比较电路，该滞环比较电路由四个电阻、三个二极管和一个运算放大器组成；所述的高端光耦隔离电路和低端光耦隔离电路均由一个光耦、一个晶体管和三个电阻组成，其中光耦和一个电阻构成隔离信号传递电路，晶体管和两个电阻构成光耦控制电路。

10.根据权利要求1所述的串联反激开关电源，其特征是，所述的第一反激电路为典型的单端反激开关电源，具有输出电源用次级绕组和工作电源用的辅助绕组；所述的第二反激电路为典型的单端反激开关电源，具有输出电源用次级绕组和工作电源用的辅助绕组；所述的滤波电路为半波整流滤波电流由于两个二极管、一个电解电容和一个电阻假负载组成。

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