CN103138606A - 一种节能式开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源设备技术领域，涉及一种节能式开关电源,市电220V的电源输入连接到整流滤波电路中，整流滤波电路的输出端间并联接有5V的直流辅助源电路；整流滤波电路的输出端上分别串联接有继电器和Boost变换器，并在输出末端分别与电压检测、电流检测和AD采样电路电连接，AD采样电路的输出端与CPU控制电路电连通，CPU控制电路的输出端与含有IR2110的高频开关电路电连接；电流检测采样电路与驱动电路电连接；驱动电路分别与Boost变换器、含有IR2110的高频开关电路和继电器电连接；继电器、Boost变换器和驱动电路电连通构成功率主电路；其结构简单，功耗小，效率高，噪音低，抗干扰能力强，稳压范围宽。

Description

一种节能式开关电源

技术领域：

本发明属于电源设备技术领域，涉及一种低功耗、高效率的开关电源，特别是一种节能式开关电源。

背景技术：

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表和家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求，开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。目前，市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其效率低，开关损耗大，响应时间慢，噪音大，输出不够稳定等缺点，这样的开关电源不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。故发明这么一种低功耗、高频率开关电源，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，转化效率高，输出稳定准确，而且噪声也小，可望成为开关电源的一种发展趋势。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种开关时间响应快，噪音低，抗干扰能力强，开关损耗低和输出稳定性高的节能式开关电源，用于各种交流用电场合，以提高用电效率。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括整流滤波电路、功率主电路、辅助源电路、高频开关电路、AD采样电路、CPU控制电路、继电器、Boost变换器和驱动电路；市电220V的电源输入连接到整流滤波电路中，整流滤波电路的输出端间并联接有5V的直流辅助源电路；整流滤波电路的输出端上分别串联接有继电器和Boost变换器，并在输出末端分别与电压检测、电流检测和AD采样电路电连接，AD采样电路的输出端与CPU控制电路电连通，实现采样控制，CPU控制电路的输出端与含有IR2110（PWM占空比控制）的高频开关电路电连接；电流检测采样电路与驱动电路电连接；驱动电路分别与Boost变换器、含有IR2110的高频开关电路和继电器电连接；继电器、Boost变换器和驱动电路电连通构成功率主电路；各部件和电路按照电学原理电连通后构成节能式开关电源；220V交流电压经降压、整流、差共模滤波得到稳定的直流电压，直流电压一方面经过辅助源电路得到一个稳定的+5V,一方面经功率主电路，运用Boost变换器升压拓扑，在Boost变换器之前加一个继电器起关断和开启功效，达到由于过压、过流而保护后面电路的作用，继电器由驱动电路驱动，继电器、Boost变换器和驱动电路三者电连通组成功率主电路；在输出电路中增加电压检测电路、电流检测电路，AD采样电路采集输出电路中检测到的电压和电流信号，将采集到的信号传递给CPU控制电路，使输出电压、电流达到稳定、可靠的效果，在CPU控制电路将反馈来的电压、电流信号进行比较、处理，如果输出电压、电流过低，由CPU控制电路根据AD采样电路采集到的信息传递给高频开关电路，高频开关电路控制功率主电路动作，补偿输出功率，使输出电路中电压、电流稳定；如果输出电压、电流过高，在反馈电路中进行分压、分流，得到稳定电压、电流输出,高频开关电路控制功率主电路开通和关断，在正弦波得零点处激发消耗功率小。

本发明将220V交流电压经降压、整流、滤波得直流电压，再经Boost电路升压并滤波得平滑的直流输出，再经采样输入AD转换芯片，由单片机PID调节器实现稳压和调压然后输出指令信号给IR2110并进行显示，IR2110生成PWM信号经驱动电路驱动功率开关管从而实现闭环反馈控制；当输出电流大于保护设定值时产生过流保护信号，过流保护信号驱动继电器动作切断主电路同时关闭驱动信号，然后延时再尝试通电并进行过流检测，若过流则再断开主电路，直到电路恢复正常为止。

本发明与现有技术相比相比，其结构简单，功耗小，效率高，噪音低，抗干扰能力强，稳压范围宽，滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，减少开关电源本身对外界的电磁干扰。

附图说明：

图1为本发明的电路原理示意图。

图2为本发明涉及的整流滤波电路原理示意图。

图3为本发明涉及的功率主电路原理示意图。

图4为本发明涉及的辅助源电路原理示意图。

图5为本发明涉及的高频开关电路原理示意图。

图6为本发明涉及的AD采样电路原理示意图，其中（a）为电压检测AD，（b）为电流检测AD。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括整流滤波电路1、功率主电路2、辅助源电路3、高频开关电路4、AD采样电路5、CPU控制电路6、继电器7、Boost变换器8和驱动电路9；市电220V的电源输入连接到整流滤波电路1中，整流滤波电路1的输出端间并联接有5V的直流辅助源电路3；整流滤波电路1的输出端上分别串联接有继电器7和Boost变换器8，并在输出末端分别与电压检测、电流检测和AD采样电路5电连接，AD采样电路5的输出端与CPU控制电路6电连通，实现采样控制，CPU控制电路6的输出端与含有IR2110（PWM占空比控制）的高频开关电路4电连接；电流检测采样电路5与驱动电路9电连接；驱动电路9分别与Boost变换器8、含有IR2110的高频开关电路4和继电器7电连接；继电器7、Boost变换器8和驱动电路9电连通构成功率主电路2；各部件和电路按照电学原理电连通后构成节能式开关电源。

本实施例涉及的整流滤波电路1使频率为50Hz的交流电顺利通过高于50Hz的高频干扰杂波将被滤除，使用共模滤波器，用于功率因数校正电路的EMI设计，运行时频率是变化的，运行事故的最低频率发生在正弦波的峰值时期，磁心完全释放其能量需要的时间最长，期望的运行频率是50KHZ，为最小频率；在50KHZ时需要24dB的衰减时使共模滤波的转折率为：

$\mathrm{fc}=\mathrm{fsw}\×{10}^{\frac{\mathrm{Att}}{40}}$

式中A_tt为以负dB形式表示的在开关频率处需要的衰减，

$\mathrm{fc}=50\mathrm{kHz}\×{10}^{\frac{-24}{40}}=12.5\mathrm{kHz}$

取阻尼系数不小于0.707是比较合适的，这样在转折频率处有-3dB衰减量，就不会因振荡而产生噪声；另外，由于认证机构用LISN进行测试，所用的输入线路阻抗为50Ω，滤波器的共模电感和“Y”联结的电容值：

$L=\frac{R_L\mathrm{\ξ}}{\mathrm{\πfc}}=\frac{50\mathrm{\Ω}\×0.707}{\mathrm{\π}\×12.5}=900\mathrm{\μH}$

$C=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\πfc}\right)}^{2}L}=\frac{1}{{(2\mathrm{\π}\×12.5)}^2\×900\mathrm{\μH}}=0.18\mathrm{\μF}$

为防止工频电网上高频干扰进入稳压电源，阻止稳压电源本身产生的高频干扰反串入电网中，采用低通滤波器，图2中的C2、C3用于滤除共模干扰，C1、C4用于滤除常态干扰，L1、L2、L1、用于滤除共模干扰，整流电路采用全桥整流模式。

本实施例的功率主电路2的连续工作模式电压增益与关断占空比成反比，当接通占空比大于0.8之后，M迅速增加，M的增加在一段D1中是有限度的，在D1继续增加时M反会下降；考虑电感有寄生电阻RL，电容有寄生电阻RC时，电压增益与关断占空比关系如下式：

$M=\frac{1}{D_2}\left(\frac{{D_2}^{2}R}{R^{\′}}\right)$

式中:

是理想的升压变换器电压增量的函数；

是修正因子；

当峰值发生在处（条件：RC=0）峰值

到达峰值后，转而下降，相应与上式中修正因素有显著影响的结果；对于一个高效率的变换器来说，寄生电阻值，通常比变换器负载电阻的1%还要小；应选取尽量小的寄生电阻的元件有利于转化；当RL=RC=0.01R时，占空比D1=0.88时，M的最大值为4.7；当D1大于0.88时，M值反而下降，一般作为变换器来说，电源电压下降时，为使输出电压稳定，控制线路总是尽量增大D1，使M增大，维持输出电压为一个恒定值；如果设计的控制线路允许D1大于0.88以上工作，输出电压不仅不增加，反而会下降，在实际应用中，应使控制线路电压产生一个下垂特性，使所有升压变换器的最大占空比调节在D1小于0.88之内；负载两端电压正比于节点1与2之间电压，直接测量节点2与地之间电压，表面上看来0.1Ω的采样电阻影响不大，但电路中流过的电流为2A时，电流采样电阻上的压降为0.2V，误差约为0.5％，可见误差并不小；会因电路中电流的不同，造成的测量误差也不同，随电压变化误差呈现一定的非线性，这会给电压调节带来麻烦；改用AD采样电路的方式采集电压，使用差分运放在节点1和节点2之间采样，可减小误差，测量电路的各个环节都应准确可靠，采样电阻也应尽量准确稳定。

本实施例的辅助源电路3的辅助源电压按DC5V设计，所需电流约600mA，故采用三端稳压器件LM7812提供辅助电源，考滤到反馈回路信号较弱(毫伏级)，反馈回路电源精度和稳定性要求较高，故将LM7812输出的DC5V电压经过2次稳压调整后供电，提高误差放大环节基准电压精度。

本实施例的高频开关电路4的开负载两端电压正比于节点1与2之间电压，直接测量节点2与地之间电压，表面上看来0.1Ω的采样电阻影响不大，但电路中流过的电流为2A时，电流采样电阻上的压降为0.2V，误差为0.5％，因电路中电流的不同，造成的测量误差也不同，随电压变化误差呈现一定的非线性，这会给电压调节带来麻烦，所以，改用AD采样电路的方式采集电压，使用差分运放在节点1和节点2之间采样，可减小误差；测量电路的各个环节都应准确可靠，采样电阻也应尽量准确稳定，由于电路中有寄生电感，瞬间电流的切断会在电感两端出现冲击电压，采用对开关管加缓冲电路改善关断性能，开关管Q关断时，原电路一部分电流通过快恢复二极管D对电容C充电，使开关管两端电压缓慢上升，电路中电流的减小速度也有所减缓，简单的缓冲电路可省去二极管D；另一方面是在输出滤波电解电容两端并接高频特性好、寄生电感小的聚丙烯电容，且多个并联效果更好。

本实施例用于电压和电流检测的AD采样电路5对输出电压和电流分别采样输入AD转换芯片，由单片机PID调节器实现稳压和调压然后输出指令信号给IR2110，IR2110生成PWM信号经驱动电路驱动功率开关管从而实现闭环反馈控制；当输出电流大于保护设定值时产生过流保护信号，过流信号驱动继电器动作切断主电路同时关闭驱动信号，然后延时再尝试通电并进行过流检测，若过流则再断开主电路，直到电路恢复正常为止。

本实施例涉及的CPU控制电路6、继电器7、Boost变换器8和驱动电路9，以及包含在高频开关电路4中的IR2110电路均采用市售的现有技术产品，按电学原理分别接在电路中。

本实施例的交流电经降压、整流、差、共模滤波得比较稳定的直流电压，直流电压经功率主电路2使用Boost升压拓扑，Boost升压拓扑高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本；功率主电路2使用Boost升压拓扑，由于升压幅度不大，电路结构应尽量简单，器件数量尽量少，自制辅助源电路3，采用三端稳压器件提供辅助电源，考滤到反馈回路信号较弱(毫伏级)，反馈回路电源精度和稳定性要求较高，故将三端稳压器件输出的DC5V电压经过两次稳压调整后供电，以提高误差放大环节基准电压精度；直流电压经Boost电路升压再滤波得平滑的直流输出，输出电压、电流经AD采样电路5，由CPU控制电路6的PID调节器实现稳压和调压然后输出指令信号给IR2110，IR2110生成PWM信号经驱动电路驱动功率开关管从而实现闭环反馈控制，确保该开关电源的输出稳定性和数值的准确性，采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小；当输出电流大于保护设定值时产生过流保护信号，过流信号驱动继电器动作切断主电路同时关闭驱动信号，然后延时再尝试通电并进行过流检测，若过流则再断开主电路，直到电路恢复正常为止，体现了功率转换效率高、稳压范围宽、噪音低、功耗低抗干扰能力强的特点。

Claims (1)

1.一种节能式开关电源，其特征在于主体结构包括整流滤波电路、功率主电路、辅助源电路、高频开关电路、AD采样电路、CPU控制电路、继电器、Boost变换器和驱动电路；市电220V的电源输入连接到整流滤波电路中，整流滤波电路的输出端间并联接有5V的直流辅助源电路；整流滤波电路的输出端上分别串联接有继电器和Boost变换器，并在输出末端分别与电压检测、电流检测和AD采样电路电连接，AD采样电路的输出端与CPU控制电路电连通，实现采样控制，CPU控制电路的输出端与含有IR2110的高频开关电路电连接；电流检测采样电路与驱动电路电连接；驱动电路分别与Boost变换器、含有IR2110的高频开关电路和继电器电连接；继电器、Boost变换器和驱动电路电连通构成功率主电路；各部件和电路按照电学原理电连通后构成节能式开关电源；220V交流电压经降压、整流、差共模滤波得到稳定的直流电压，直流电压一方面经过辅助源电路得到一个稳定的+5V,一方面经功率主电路，运用Boost变换器升压拓扑，在Boost变换器之前加一个继电器起关断和开启功效，达到由于过压、过流而保护后面电路的作用，继电器由驱动电路驱动，继电器、Boost变换器和驱动电路三者电连通组成功率主电路；在输出电路中增加电压检测电路、电流检测电路，AD采样电路采集输出电路中检测到的电压和电流信号，将采集到的信号传递给CPU控制电路，使输出电压、电流达到稳定、可靠的效果，在CPU控制电路将反馈来的电压、电流信号进行比较、处理，如果输出电压、电流过低，由CPU控制电路根据AD采样电路采集到的信息传递给高频开关电路，高频开关电路控制功率主电路动作，补偿输出功率，使输出电路中电压、电流稳定；如果输出电压、电流过高，在反馈电路中进行分压、分流，得到稳定电压、电流输出,高频开关电路控制功率主电路开通和关断，在正弦波得零点处激发消耗功率小。

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