CN102710148A - 交流到直流开关电源转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流到直流开关电源转换器，包括脉宽调制控制器、由初级绕组和次级绕组构成的变压器、位于变压器初级绕组的初级整流滤波电路、功率开关和位于变压器次级绕组的次级整流滤波电路。脉宽调制控制器具有电源端、接地端和驱动端。初级整流滤波电路的正输出端连接至该电源端，负输出端连接该初级绕组的一端。功率开关的第一端经由一启动电阻连接该初级整流滤波电路的正输出端，一第二端经由一初级电流检测电阻连接该初级绕组的另一端和该接地端，一控制端连接该脉宽调制控制器的驱动端。上述初级整流滤波电路、功率开关和变压器的连接方式构成升降压拓扑电路，从而具有降低输入滤波电容，降低功率开关应力，简化变压器结构等优点。

Description

交流到直流开关电源转换器

技术领域

本发明涉及一种开关电源电路领域，更具体地说，是涉及一种交流到直流开关电源转换器。

背景技术

图1示出一种传统的线性电源***的电路图。该线性电源***包括工频变压器A、输出整流滤波电路B和稳压电路C三部分。工频变压器A用于实现线性降压，并实现输入输出的隔离。输出整流滤波电路B，将工频变压器A输出的工频交流低压转变成直流低电压。稳压电路C主要是稳定输出电压以满足后级MCU（微控制器）等负载的供电电压范围。图1采用一个齐纳稳压管作为稳压电路C，结构简单，成本低廉，但稳压能力有限，仅能应用于100~130V或者200~240V这样的窄范围输入电压且负载电流较小的场合，应用范围狭窄。

作为对图1所示***的改进，图2示出一种传统的采用三端稳压器的线性电源***的电路图。这一线性电源***使用低成本的线性稳压器作为稳压电路C，因为线性稳压器通常输入电压范围较宽，以电表电源需要的5V输出为例，可选用的线性稳压器的最高输入电压可达到最低输入电压的5倍，足以满足常规85V~265V的宽范围输入要求，且线性稳压器输出稳压精度较高，负载能力强，适合小功率的场合。但这一线性电源***的缺点是效率较低，高输入电压，功率稍大场合下的转换效率低下，功稳压器发热明显，已经越来越不能满足近年来国际节能法规的要求，因此该电路正逐渐被淘汰。

图3示出一种传统的采用DC-DC直流稳压模块的线性电源***的电路图。这一线性电源***是目前取代图2所示电路的常用选择，其稳压电路C采用DC-DC模块来实现，DC-DC模块目前发展迅速，超宽的输入范围，极高的效率使它在电源领域应用中日渐广泛，其性能足以满足超宽50V~420V宽范围输入要求的电表电源应用方案。目前图3所示方案虽然广泛被采用于各种电器领域，但也渐渐显出其缺点：图3中工频变压器A体积大，线圈多，导致其用料较重，随着国际市场原材料成本的上涨，工频变压器的成本已经渐渐满足不了电源成本的要求，而通常作为稳压电路C的DC-DC模块成本也较高，因此整体的方案成本太高，制约了电源电表方案的发展。另一个缺点是采用工频变压器的方案尺寸大，分量重，显然很不利于开关电源小型化的发展。

由于和传统工频电源相比所具有的多方面优点，诸如更高的效率，更低的待机功耗，更佳的稳定性等，高频开关电源越来越广泛地应用于各种电器产品中。在电表电源领域，采用工频变压器的方案向高频开关电源的过渡已经刻不容缓。

以典型的5V/200mA的电表电源为例，图4所示的是采用GT5010作为控制器的原边反馈（PSR）反激式电源，和常规次级反馈的反激式电源相比，省去了次级反馈电路，不仅结构简单，安全可靠且成本较低，是近年来小功率开关电源领域的发展趋势。在交流85~265V宽范围输入下的电表电源应用中，原边反馈反激式电源具有诸多优点，比如体积小、成本低、效率高、待机功率低、性能稳定等等。但在50~420V超宽范围输入要求下，现有的原边反馈反激式电源电路遇到了如下难点。

1、电源需要在各种恶劣工作环境下都能可靠工作，在某些电网波动剧烈的地区，在电网徒增大功耗电器负载的情况下的电压跌落情况下，也须可靠工作。因此最低至50V交流电压下电表电源也必须可靠工作这一要求就显得非常必要。而由于原边反馈反激式电源有最大占空比限制以及非连续状态工作模式的限制，通常要求输入整流滤波后的直流电压最低值不能小于60V，要达到这个条件则需要使用至少22UF的输入滤波电容器，不仅成本增高，体积增大，且使用如此大的滤波电容后电源的功率因数（PF）值明显下降，视在功率值增高。

2、电源有全工作电压范围内输入最大6VA视在功率的要求，因此输入整流滤波电容的容量不能太大，须小于10uF，和第1点相矛盾，难以兼顾。

3、同样基于恶劣工作环境的考虑，最高输入电压要求交流420V，对原边反馈反激式电源中的开关器件耐压的要求大大提高。考虑到反激式变压器的漏感以及生产时的差异，电源需要使用耐压高达900V的场效应管以应对高输入电压带来的应力，提高了成本。而高输入电压条件下的其他器件如输入滤波电容，整流管等耐压要求的增高也相应的提高了成本，导致总体方案成本难以满足要求。

以上几点制约了开关电源在电表电源领域的应用，因此期望能有一种满足电表电源要求的开关电源应用方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种直流到交流开关电源转换器，以满足电表电源的要求。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种交流到直流开关电源转换器，包括脉宽调制控制器、变压器、初级整流滤波电路、功率开关和次级整流滤波电路。脉宽调制控制器具有电源端、接地端和驱动端。变压器由相互隔离的初级绕组和次级绕组构成。初级整流滤波电路具有正输入端、负输入端，正输出端和负输出端，该正输入端和负输入端之间输入交流电，该正输出端连接至该电源端，该负输出端连接该初级绕组的一端。功率开关具有第一端、第二端和控制端，该第一端连接一启动电阻的一端，该启动电阻的另一端连接该初级整流滤波电路的正输出端，该第二端连接一初级电流检测电阻的一端，该初级电流检测电阻的另一端连接该初级绕组的另一端和该接地端，该控制端连接该脉宽调制控制器的驱动端。次级整流滤波电路具有正输入端、负输入端，正输出端和负输出端，该次级整流滤波电路的正输入端和负输入端分别连接该次级绕组的两端，该次级整流滤波电路的正输出端和负输出端输出直流电压。

在本发明的一实施例中，该初级整流滤波电路具有第一电容和第二电容，该第一电容和该第二电容串联于该初级整流滤波电路的正输出端和负输出端之间。

在本发明的一实施例中，上述的脉宽调制控制器还具有第一反馈端和第二反馈端，上述的交流到直流开关电源转换器还包括检测电路，用于对该初级绕组上的电压进行检测，该检测电路具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，该检测电路的该第一输入端和该第二输入端分别连接该初级绕组的两端，该检测电路的该第一输出端和第二输出端分别连接该第一反馈端和第二反馈端。

在本发明的一实施例中，上述的交流到直流开关电源转换器还包括供电电路，具有第一输入端和第一输出端，该供电电路的该第一输入端连接该初级绕组的该一端，该供电电路的该第一输出端连接该电源端。

在本发明的一实施例中，上述的交流到直流开关电源转换器还包括初级泄放电路，具有一输入端和一输出端，该初级泄放电路的输入端和输出端分别连接该初级绕组的两端，用于在该功率开关关断时对该初级绕组进行能量泄放。

在本发明的一实施例中，该脉宽调制控制器为集成电路。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著优点：

1、本发明的初级整流滤波电路、功率开关和变压器的连接方式构成了升降压拓扑电路，由于采用升降压拓扑电路作为初级主电路，使输入整流滤波后的纹波电压低至20V也能正常工作，因此只需要采用很小的输入滤波电容器，即可实现全输入电压范围内的视在功率要求；

2、由于采用升降压拓扑电路作为初级主回路，使开关器件的应力大大降低，只需要650V的场效应管就能可靠工作；

3、由于采用升降压拓扑电路作为初级主回路，变压器绕组少，结构简单，易生产，成本低。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出一种传统的线性电源***的电路图。

图2示出一种传统的采用三端稳压器的线性电源***的电路图。

图3示出一种传统的采用DC-DC直流稳压模块的线性电源***的电路图。

图4示出一种典型的原边反馈（PSR）反激式电源***的电路图。

图5示出本发明一实施例的开关电源转换器的原理框图。

图6示出本发明一实施例的的开关电源转换器的电路图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及50~420V交流超宽输入电压范围，输出5V/200mA的交流到直流开关电源转换器。这一开关电源转换器可适用于电表电源应用。在本发明的实施例中，重新设计***连接方式。

图5示出本发明一实施例的开关电源转换器的原理框图。参照图5所示，开关电源转换器可包括初级整流滤波电路110、功率开关120、变压器130、脉宽调制控制器140、检测电路150、供电电路160、以及次级整流滤波电路170。

如图5所示，变压器130具有互相隔离的初级绕组和次级绕组，但是不具有辅助绕组。初级整流滤波电路110可采用非隔离的典型升降压拓扑电路。变压器130的初级绕组作为升降压拓扑电路的电感，而次级绕组作为输出绕组。

本实施例不通过辅助绕组来为控制器140提供电源，而是直接由初级绕组两端整流滤波得到直流电压，给整个控制器140供电。在此，可由一个具有整流滤波功能的供电电路160来得到该直流电压。

脉宽调制控制器140通过一个检测电路150采集变压器130的初级绕组两端电压，得到输出电压的反馈信号，进而稳定次级输出整流滤波后的直流电压。检测电路150通常只需要由电阻这样简单的元件构成。

初级整流滤波电路110中可使用单个630V的电容量4.7UF的滤波电容。

另外，得益于初级整流滤波电路110采用了升降压结构，功率开关120只需耐压650V的场效应管即可。

图6示出本发明一实施例的的开关电源转换器的电路图。参照图6所示，开关电源转换器100包含初级整流滤波电路110、功率开关120、启动电阻R1、初级电流检测电阻R2、集成的脉宽调制控制器140、检测电路150、供电电路160、功率转化变压器TR1、初级泄放电路180以及次级整流滤波电路170。

本实例的集成的脉宽调制控制器140具有电源端VCC、接地端GND、驱动端Gate、第一反馈端RI、第二反馈端FB、第三反馈端CS。驱动端Gate的功能是功率开关的栅极驱动输出。第一反馈端RI的功能是可编程输出电缆损失补偿。第二反馈端FB的功能是通过电流采样检测输出电压。第三反馈端CS的功能是通过连接到功率开关源极到地的电阻的上端来检测初级电流。在本发明的一实施例中，脉宽调制控制器140可采用GT5010芯片，它可控制输出恒压及恒流。

初级整流滤波电路110实施整流和滤波，它具有正输入端L、负输入端N、正输出端和负输出端。两个输入端用以输入交流电，两个输出端受控地连接到变压器的初级绕组Np的两端。初级整流滤波电路110可由4个普通二极管D1、D2、D3、D4及2个串联的350V/10UF的电解电容C1、C2组成。

功率开关120可为场效应管Q1，其栅极连接脉宽调制控制器140的驱动端Gate，漏极连接初级整流滤波电路110的正输出端，源极连接初级限流检测电阻R2的一端。初级电流检测电阻R2的另一端连接变压器TR1的2端。

启动电阻R1一端连接初级整流滤波电路110的正输出端，另一端连接电容C3的正极，并连接至脉宽调制控制器140的电源端VCC。

检测电路150由电阻R3、R4组成，电阻R3一端作为检测电路150的第一输入端连接变压器TR1的2端，另一端作为检测电路150的第一输出端连接脉宽调制控制器140的RI端；电阻R4一端作为检测电路150的第二输入端连接变压器TR1的1端，另一端作为检测电路的第二输出端连接脉宽调制控制器140的反馈端FB。

供电电路160由二极管D5、电容C3组成。二极管D5的阳极作为供电电路160的第一输入端连接变压器TR1的1端，阴极作为供电电路160的第一输出端连接电容C3的正极并连接脉宽调制控制器140的VCC端；从变压器TR1的2端直接与脉宽调制控制器140的GND端连接。电容C3负极连接变压器TR1的2端。

初级泄放电路180由电容C4、快恢复二极管D6及电阻R5组成。电容C4正极连接变压器TR1的1端，负极连接二极管D6的阳极。二极管D6的阴极连接变压器TR1的2端。电阻R5并联在电容C4两端。

次级整流滤波电路170也实施整流和滤波，它具有正输入端、负输入端、正输出端和负输出端。两个输入端分别连接到变压器的次级绕组Ns的两端，两个输出端输出直流电压。在本实施例中，次级整流滤波电路170由快恢复二极管D7、电容C5及电阻R6组成。二极管D7阳极连接变压器TR1的3端，阴极连接电容C5的正极。电容C5的负极连接变压器TR1的4端。电阻R6并联在电容C5两端。

初级整流滤波电路110中的二极管D1至D4组成整流桥，用于对输入交流电进行全桥整流；电容C1、C2串联对整流后的电压进行滤波，实现输入交直流的转换。二极管D1至D4可使用1A/1000V的普通二极管1N4007。350V的电解电容C1、C2需串联使用以应对最高420V的交流输入电压。2个350V或者400V的容量10UF的电容串联，基本等效于一个630V的电容量4.7UF的滤波电容，可保证整流滤波后的最低直流电压大于30V，同时也保留了足够高的PF值，在最高输入下依然可以达到最大视在功率小于6VA的要求。

因为初级整流滤波电路110采用了升降压结构，功率开关Q1只需耐压650V的场效应管即可。受控功率开关Q1由脉宽调制控制器U2驱动，进行高频开关动作，进而实现高低压的转换。

初级电流检测电阻R2采集初级整流滤波电路110每周期的峰值电流并传递给脉宽调制控制器140，以实现逐周期的限流，确保***能可靠稳定的工作。

启动电阻R1在***上电时给电容C3提供充电电流，使脉宽调制控制器140的VCC电压上升至达到启动阈值，开启控制器140的控制功能。启动后控制器140的耗电电流增加，电阻R1提供的电流不足以维持VCC电压，此后由供电电路130对控制器U2供电。二极管D5，电容C3对变压器初级绕组Np上的高频交变电压进行整流滤波，得到稳定的直流电压给控制器U2供电。

检测电路150对变压器初级绕组Np上的高频交变电压进行采样，与脉宽调制控制器U2内部的基准电压作比较，通过内部反馈控制功率开关Q1的开通占空比，以稳定输出电压。

初级泄放电路180具有一输入端和一输出端，该初级泄放电路180的输入端和输出端分别连接该初级绕组Np的两端，主要作用于在功率开关Q1关断时对变压器初级绕组Np上的能量泄放，同时电阻R5耗散一部分功率也有助于输出的稳定。

变压器TR1的1端至2端是初级绕组，3端至4端是次级绕组，应注意初级绕组的1端与次级绕组的3端是同名端。和传统反激式电源相比，反馈和供电直接由初级绕组得到，不需要另加辅助绕组。

本发明的上述实施例的主要控制原理描述如下：

变压器次级绕组Ns的整流管导通期间，初级绕组Np的两端电压Vp与次级绕组两端电压Vs的关系如下：

$\frac{\mathrm{Vp}}{\mathrm{Vs}}=\frac{\mathrm{Np}}{\mathrm{Vs}}---\left(1\right)$

上式Np是初级绕组圈数，Ns是次级绕组匝数；

输出电压Vo与Vs关系如下：

Vo＝Vs-Vd  (2)

上式中Vd是输出整流二极管导通压降。

本实施例中采用恒压控制，通过电压采样电路B与内部基准比较，内部反馈精确控制Vp，进而控制Vo输出稳定。

比较图4和图6可以发现，和传统的反激式开关电源相比，本实施例的元器件基本相同，所不同的主要是：首先改变了变压器初级绕组Np在回路中的位置，其次Q1开关管的电压应力减小，耐压要求可比反激式开关电源的耐压低200V；另外变压器结构更简单，这是因拓扑结构不同，本实施例的变压器初级绕组Np的电感量可降至反激式的1/16，圈数降至反激式的1/4；并且取消了辅助绕组。由此可见，本发明的实施例的开关电源转换器优于现有技术的开关电源转换器。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种交流到直流开关电源转换器，包括：

脉宽调制控制器，具有电源端、接地端、驱动端；

变压器，由相互隔离的初级绕组和次级绕组构成；

初级整流滤波电路，具有正输入端、负输入端，正输出端和负输出端，该正输入端和负输入端之间输入交流电，该正输出端连接至该电源端，该负输出端连接该初级绕组的一端；

功率开关，具有第一端、第二端和控制端，该第一端连接一启动电阻的一端，该启动电阻的另一端连接该初级整流滤波电路的正输出端，该第二端连接一初级电流检测电阻的一端，该初级电流检测电阻的另一端连接该初级绕组的另一端和该接地端，该控制端连接该脉宽调制控制器的驱动端；

次级整流滤波电路，具有正输入端、负输入端，正输出端和负输出端，该次级整流滤波电路的正输入端和负输入端分别连接该次级绕组的两端，该次级整流滤波电路的正输出端和负输出端输出直流电压。

2.如权利要求1所述的交流到直流开关电源转换器，其特征在于，该初级整流滤波电路具有第一电容和第二电容，该第一电容和该第二电容串联于该初级整流滤波电路的正输出端和负输出端之间。

3.如权利要求1所述的交流到直流开关电源转换器，其特征在于，该脉宽调制控制器还包括第一反馈端和第二反馈端，该交流到直流开关电源转换器还包括：检测电路，用于对该初级绕组上的电压进行检测，该检测电路具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，该检测电路的该第一输入端和该第二输入端分别连接该初级绕组的两端，该检测电路的该第一输出端和第二输出端分别连接该第一反馈端和第二反馈端。

4.如权利要求1所述的交流到直流开关电源转换器，其特征在于，还包括：供电电路，具有第一输入端和第一输出端，该供电电路的该第一输入端连接该初级绕组的该一端，该供电电路的该第一输出端连接该电源端。

5.如权利要求1所述的交流到直流开关电源转换器，其特征在于，还包括：初级泄放电路，具有一输入端和一输出端，该初级泄放电路的输入端和输出端分别连接该初级绕组的两端，用于在该功率开关关断时对该初级绕组进行能量泄放。

6.如权利要求1所述的交流到直流开关电源转换器，其特征在于，该脉宽调制控制器为集成电路。

Images