CN111245250A - 一种高性能反激式开关电源电路及其工作方法 - Google Patents

一种高性能反激式开关电源电路及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉电源电路技术领域，具体是一种高性能反激式开关电源电路，包括性能控制模块、功率冗余模块、保护模块和变压器，性能控制模块与功率冗余模块相连，功率冗余模块与变压器模块相连，性能控制模块还与保护模块相连，保护模块同时与变压器模块相连。本发明可以在负载突变的情况下稳定的输出电流，使电源输出平滑，同时采用可编程的芯片作为控制芯片，有利于电源本身的自我调节，具有很高的保护措施，增加了冗余设计，提高了安全性，可靠性，以及带负载能力。

Description

一种高性能反激式开关电源电路及其工作方法
技术领域
本发明电源电路技术领域，具体是一种高性能反激式开关电源电路及其工作方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电源模块在各个领域得到了广泛的应用，开关电源更是逐步取代了线性电源，成为主流电源。开关电源的功率开关管在PWM的作用下，进行开通和关断动作，把母线电压斩波成脉冲电压。驱动控制电路控制PWM的占空比保证电压的稳定。在中小功率的DC-DC开关电源，最常用的电路拓扑结构是反激式开关电源和正激式电路。由于反激式开关电源仅在控制开关关断期间才向负载提供能量输出，反激式开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较差，性能低，可靠性差。
但在目前现有的反激式开关电源设计中，一般都用单个功率开关管作为原级线圈的斩波开关，瞬态控制特性很差，由于用专用芯片控制，不能做相对的自我调节，不能平稳的为后一级负载输出电流能力，保护措施不完善，冗余措施几乎没有，安全性，可靠性很低。
因此，针对以上现状，迫切需要开发一种高性能反激式开关电源电路，以克服当前实际应用中的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能反激式开关电源电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高性能反激式开关电源电路，包括性能控制模块、功率冗余模块、保护模块和变压器，性能控制模块与功率冗余模块相连，功率冗余模块与变压器模块相连，性能控制模块还与保护模块相连，保护模块同时与变压器模块相连；
所述功率冗余模块包括电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、续流二极管D1、续流二极管D2、斩波功率MOS管Q1和斩波功率MOS管Q2，所述续流二极管D1的阴极与电容C1和电阻R1的一端相连接，电容C1和电阻R1相互并联，续流二极管D1的阳极与斩波MOS管Q1的漏极相连，所述续流二极管D2的阴极与电容C2和电阻R2的一端相连接，电容C2和电阻R2相互并联，续流二极管D2的阳极与斩波MOS管Q2的漏极相连；
所述变压器模块包括变压器，变压器由第一原边线圈、第二原边线圈、副边线圈以及设置在第二原边线圈和副边线圈之间的磁铁组成。
作为本发明进一步的方案：所述斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的源极均接地。
作为本发明进一步的方案：所述第一原边线圈和第二原边线圈两股并联缠绕，副边线圈缠绕在第一原边线圈和第二原边线圈的中间位置。
作为本发明进一步的方案：所述电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2的另一端均与变压器的第一原边线圈和第二原边线圈相连。
作为本发明进一步的方案：所述续流二极管D1和续流二极管D2的阳极分别与第一原边线圈和第二原边线圈相连。
作为本发明进一步的方案：所述性能控制模块与斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的门极相连；所述性能控制模块还与保护模块相连，保护模块与变压器模组中的副边线圈相连。
作为本发明进一步的方案：还包括整流模块，整流模块由整流二极管D3和储能电容C3组成，整流二极管D3为双体并联封装的二极管，整流二极管D3的阳极与变压器模组中的副边线圈相连，整流二极管D3的阴极与储能电容C3相连并连接Vout，储能电容C3的另一端接地。
所述的高性能反激式开关电源电路的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、性能控制模块上电前，对各个变量进行初始化操作；
S2、根据保护模块输出的数据，对变压器侧以及负载侧的电压电流以及频率等数据进行检测；
S3、如果步骤S2的检测结果符合电源的设计参数指标，按照现在的工作模式继续工作，如果检测的结果不正常，根据检测的不正常变量，进行相应的PWM控制。
作为本发明进一步的方案：步骤S3中，PWM控制包括改变斩波功率MOS管Q1和斩波功率MOS管Q2的开关时间、开关频率以及开关的先后顺序。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可以在负载突变的情况下稳定的输出电流，使电源输出平滑，同时采用可编程的芯片作为控制芯片，有利于电源本身的自我调节，具有很高的保护措施，增加了冗余设计，提高了安全性，可靠性，以及带负载能力；
(2)本发明可以根据工况的不同，选择不同的模式控制MOS管的开通和关短，提高了整个电源电路的输出电压的稳定性；
(3)本发明采用了功率冗余模块，实现了电气上的冗余设计，有效的防止其中一路损坏而不能工作，提高了开关电源的保护能力；
(4)本发明采用了新式的变压器绕线技术，提高了开关电源的每路输出电压的稳定性，改变了负载突变引起的性能问题；
(5)本发明增加了一种保护模块，实现了对变压器输出端以及负载端的电压，电流以及频率的测量，有利于MOS管以及变压器的高性能工作，提高了开关电源的可控性以及可靠性；
(6)本发明采用了整流滤波续流电路，且在二极管选择上，为了使温度系数达到一致性，选择了双体并联封装的二极管，实现了对二极管的耐流的同时，保证了其发热系数的一致性，提高了开关电源的寿命以及性能。
附图说明
图1为高性能反激式开关电源电路的结构示意图。
图2为高性能反激式开关电源电路的工作流程图。
图中：1-性能控制模块、2-功率冗余模块、3-保护模块、4-整流模块、5-变压器模块、51-第一原边线圈、52-第二原边线圈、53-副边线圈、54-磁铁。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
实施例1
请参阅图1，本发明实施例中，一种高性能反激式开关电源电路，包括性能控制模块1、功率冗余模块2、保护模块3和变压器5，性能控制模块1与功率冗余模块2相连，功率冗余模块2与变压器模块5相连，性能控制模块1还与保护模块3相连，保护模块3同时与变压器模块5相连；
所述功率冗余模块2包括电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、续流二极管D1、续流二极管D2、斩波功率MOS管Q1和斩波功率MOS管Q2，所述续流二极管D1的阴极与电容C1和电阻R1的一端相连接，电容C1和电阻R1相互并联，续流二极管D1的阳极与斩波MOS管Q1的漏极相连，所述续流二极管D2的阴极与电容C2和电阻R2的一端相连接，电容C2和电阻R2相互并联，续流二极管D2的阳极与斩波MOS管Q2的漏极相连，斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的源极均接地，功率冗余模块2作为变压器开关电路，不仅可以起到一个备份的作用，同时，可以在性能控制模块1配合下，使瞬态性能得到有效的提高；
所述变压器模块5包括变压器，变压器由第一原边线圈51、第二原边线圈52、副边线圈53以及设置在第二原边线圈52和副边线圈53之间的磁铁54组成；
变压器模块5用于整个开关电源能量的传递和存储，保证为后续负载提供相应的能量，变压器模块5改变了之前的绕线方式，是由第一原边线圈51和第二原边线圈52两股并联缠绕，当绕满一圈时，第一原边线圈51和第二原边线圈52左右交换方向继续缠绕，如此类推，同时保证副边线圈53缠绕第一原边线圈51和第二原边线圈52的中间位置；
为了保证线圈的直径要满足负载电流的要求，同时要保证绝缘等级以及抗干扰能力，所述的变压器模块5中的变压器应该按照规格设计选择相应的型号；
所述电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2的另一端均与变压器的第一原边线圈51和第二原边线圈52相连，所述续流二极管D1和续流二极管D2的阳极分别与第一原边线圈51和第二原边线圈52相连；
所述性能控制模块1采用可编程的芯片作为控制芯片，性能控制模块1与斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的门极相连，用于变压器原边电流的续流，同时对母线电压进行斩波，控制原边的电压输入，对开关MOS管和续流器件进行冗余设计，保证了一组斩波开关损坏时，另一个继续工作，同时还可以两组斩波MOS协同工作，保证了输出性能；所述性能控制模块1还与保护模块3相连，保护模块3与变压器模组5中的副边线圈53相连，保护模块3用于检测负载变化以及变压器的输出电流电压，保护模块3保证了电源的瞬态性能，确保了开关电源的安全性和可靠性。
实施例2
请参阅图1，本发明实施例中，一种高性能反激式开关电源电路，包括性能控制模块1、功率冗余模块2、保护模块3和变压器5，性能控制模块1与功率冗余模块2相连，功率冗余模块2与变压器模块5相连，性能控制模块1还与保护模块3相连，保护模块3同时与变压器模块5相连；
所述功率冗余模块2包括电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、续流二极管D1、续流二极管D2、斩波功率MOS管Q1和斩波功率MOS管Q2，所述续流二极管D1的阴极与电容C1和电阻R1的一端相连接，电容C1和电阻R1相互并联，续流二极管D1的阳极与斩波MOS管Q1的漏极相连，所述续流二极管D2的阴极与电容C2和电阻R2的一端相连接，电容C2和电阻R2相互并联，续流二极管D2的阳极与斩波MOS管Q2的漏极相连，斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的源极均接地，功率冗余模块2作为变压器开关电路，不仅可以起到一个备份的作用，同时，可以在性能控制模块1配合下，使瞬态性能得到有效的提高；
所述变压器模块5包括变压器，变压器由第一原边线圈51、第二原边线圈52、副边线圈53以及设置在第二原边线圈52和副边线圈53之间的磁铁54组成；
变压器模块5用于整个开关电源能量的传递和存储，保证为后续负载提供相应的能量，变压器模块5改变了之前的绕线方式，是由第一原边线圈51和第二原边线圈52两股并联缠绕，当绕满一圈时，第一原边线圈51和第二原边线圈52左右交换方向继续缠绕，如此类推，同时保证副边线圈53缠绕第一原边线圈51和第二原边线圈52的中间位置；
为了保证线圈的直径要满足负载电流的要求，同时要保证绝缘等级以及抗干扰能力，所述的变压器模块5中的变压器应该按照规格设计选择相应的型号；
所述电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2的另一端均与变压器的第一原边线圈51和第二原边线圈52相连，所述续流二极管D1和续流二极管D2的阳极分别与第一原边线圈51和第二原边线圈52相连；
所述性能控制模块1采用可编程的芯片作为控制芯片，性能控制模块1与斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的门极相连，用于变压器原边电流的续流，同时对母线电压进行斩波，控制原边的电压输入，对开关MOS管和续流器件进行冗余设计，保证了一组斩波开关损坏时，另一个继续工作，同时还可以两组斩波MOS协同工作，保证了输出性能；所述性能控制模块1还与保护模块3相连，保护模块3与变压器模组5中的副边线圈53相连，保护模块3用于检测负载变化以及变压器的输出电流电压，保护模块3保证了电源的瞬态性能，确保了开关电源的安全性和可靠性。
本实施例与实施例1的不同之处在于，还包括整流模块4，整流模块4由整流二极管D3和储能电容C3组成，整流二极管D3为双体并联封装的二极管，整流二极管D3的阳极与变压器模组5中的副边线圈53相连，整流二极管D3的阴极与储能电容C3相连并连接Vout，储能电容C3的另一端接地，整流模块4对变压器输出的脉动电流进行整流储能，把具有脉动的电流转化成平滑的，满足性能要求的直流电，提供给负载。
请参阅图2，一种高性能反激式开关电源电路的工作方法，包括以下步骤：
S1、性能控制模块1上电前，对各个变量进行初始化操作
S2、根据保护模块3输出的数据，对变压器侧以及负载侧的电压电流以及频率等数据进行检测；
S3、如果步骤S2的检测结果符合电源的设计参数指标，按照现在的工作模式继续工作，如果检测的结果不正常，根据检测的不正常变量，进行相应的PWM控制；
具体的，本实施例中，PWM控制包括改变斩波功率MOS管Q1和斩波功率MOS管Q2的开关时间、开关频率以及开关的先后顺序，以达到满足设计指标的要求，使输出的电压电流平滑不跌落输出。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (9)

1.一种高性能反激式开关电源电路，其特征在于，包括性能控制模块(1)、功率冗余模块(2)、保护模块(3)和变压器(5)，性能控制模块(1)与功率冗余模块(2)相连，功率冗余模块(2)与变压器模块(5)相连，性能控制模块(1)还与保护模块(3)相连，保护模块(3)同时与变压器模块(5)相连；
所述功率冗余模块(2)包括电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、续流二极管D1、续流二极管D2、斩波功率MOS管Q1和斩波功率MOS管Q2，所述续流二极管D1的阴极与电容C1和电阻R1的一端相连接，电容C1和电阻R1相互并联，续流二极管D1的阳极与斩波MOS管Q1的漏极相连，所述续流二极管D2的阴极与电容C2和电阻R2的一端相连接，电容C2和电阻R2相互并联，续流二极管D2的阳极与斩波MOS管Q2的漏极相连；
所述变压器模块(5)包括变压器，变压器由第一原边线圈(51)、第二原边线圈(52)、副边线圈(53)以及设置在第二原边线圈(52)和副边线圈(53)之间的磁铁(54)组成。
2.根据权利要求1所述的高性能反激式开关电源电路，其特征在于，所述斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的源极均接地。
3.根据权利要求1所述的高性能反激式开关电源电路，其特征在于，所述第一原边线圈(51)和第二原边线圈(52)两股并联缠绕，副边线圈(53)缠绕在第一原边线圈(51)和第二原边线圈(52)的中间位置。
4.根据权利要求3所述的高性能反激式开关电源电路，其特征在于，所述电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2的另一端均与变压器的第一原边线圈(51)和第二原边线圈(52)相连。
5.根据权利要求4所述的高性能反激式开关电源电路，其特征在于，所述续流二极管D1和续流二极管D2的阳极分别与第一原边线圈(51)和第二原边线圈(52)相连。
6.根据权利要求5所述的高性能反激式开关电源电路，其特征在于，所述性能控制模块(1)与斩波MOS管Q1和斩波MOS管Q2的门极相连；所述性能控制模块(1)还与保护模块(3)相连，保护模块(3)与变压器模组(5)中的副边线圈(53)相连。
7.根据权利要求1所述的高性能反激式开关电源电路，其特征在于，还包括整流模块(4)，整流模块(4)由整流二极管D3和储能电容C3组成，整流二极管D3为双体并联封装的二极管，整流二极管D3的阳极与变压器模组(5)中的副边线圈(53)相连，整流二极管D3的阴极与储能电容C3相连并连接Vout，储能电容C3的另一端接地。
8.如权利要求1-7任一所述的高性能反激式开关电源电路的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、性能控制模块(1)上电前，对各个变量进行初始化操作；
S2、根据保护模块(3)输出的数据，对变压器侧以及负载侧的电压电流以及频率等数据进行检测；
S3、如果步骤S2的检测结果符合电源的设计参数指标，按照现在的工作模式继续工作，如果检测的结果不正常，根据检测的不正常变量，进行相应的PWM控制。
9.根据权利要求8所述的高性能反激式开关电源电路的工作方法，其特征在于，步骤S3中，PWM控制包括改变斩波功率MOS管Q1和斩波功率MOS管Q2的开关时间、开关频率以及开关的先后顺序。
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