CN114244132A - 一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源 - Google Patents

一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源 Download PDF

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Abstract

本申请涉及开关电源领域，尤其是涉及一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源，该谐振半桥电路包括LLC谐振腔，所述LLC谐振腔包括励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Crc，所述谐振电容Crc两端并联一辅助电路，所述辅助电路用于在输出保持状态时加大等效谐振电容Cr。本申请提高了开关电源的输出保持时间，满足终端数据中心对时间的要求，提高了产品与终端的匹配度。

Description

一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源
技术领域
本申请涉及开关电源领域，尤其是涉及一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源。
背景技术
如图1所示，谐振半桥是开关电源的一种拓扑，包括有励磁电感Lm、谐振电感Lr、谐振电容Cr、原边开关mos管Qp1、原边开关mos管Qp2、理想变压器、副边整流管Ds1、副边整流管Ds2、输出滤波电容Co，因谐振半桥能实现原副边开关管的软开关，在高效率、小体积开关电源中，谐振半桥拓扑广泛使用。
而谐振半桥拓扑随着开关电源的不断发展在进行着日新月异的创新，随着数据中心数据存储时间的不断加长，对谐振半桥输出保持时间的要求也在不断提高，输出保持时间的长短成为衡量谐振半桥开关电源的重要指标，通常开关电源的输出保持时间通过母线电容储存的能量进行维持。
针对上述中的相关技术，发明人认为在母线电容选定，母线电压和谐振拓扑控制芯片设定好的前提下，在小体积和低成本的电源中，输出保持时间满足不了终端对开关电源的需求。
发明内容
为了提高输出保持时间，本申请提供了一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源。
第一方面，本申请提供一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，采用如下的技术方案：
一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，包括LLC谐振腔，所述LLC谐振腔包括励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Crc，所述谐振电容Crc两端并联一辅助电路，所述辅助电路用于在输出保持状态时加大等效谐振电容Cr。
通过采用上述技术方案，在输出保持状态时，辅助电路加大了等效谐振电容Cr，提高了开关电源的输出保持时间，满足了终端数据中心对时间的要求，提高了产品与终端的匹配度。
可选的，所述辅助电路包括依次串联的开关元件和辅助谐振电容Cra，在输出保持状态时，通过控制所述开关元件导通，将所述辅助谐振电容Cra并联于所述谐振电容Crc两端，从而加大所述等效谐振电容Cr。
通过采用上述技术方案，在输出保持状态时，通过控制所述开关元件导通，将所述辅助谐振电容Cra并联于所述谐振电容Crc两端，从而加大所述等效谐振电容Cr，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
可选的，所述开关元件为开关管Qa，且所述开关管Qa的控制端供外部控制单元控制。
通过采用上述技术方案，通过外部控制单元控制开关管Qa的通断，让辅助谐振电容Cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
可选的，所述开关元件为开关管Qa，且所述开关管Qa的控制端连接有辅助控制电路，所述辅助控制电路的检测端连接于所述谐振半桥电路的电源端。
通过采用上述技术方案，通过辅助控制电路控制开关管Qa的通断，让辅助谐振电容Cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
可选的，所述辅助控制电路包括电压检测器VD和比较器U；所述电压检测器VD的检测端连接所述辅助控制电路的检测端，输出端连接所述比较器U的反相输入端；所述比较器U的正相输入端连接有基准电压Vref，输出端连接于所述开关管Qa的控制端。
通过采用上述技术方案，通过电压检测器VD与比较器U控制开关管Qa的通断，让辅助谐振电容Cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
可选的，所述比较器U的输出端与所述开关管Qa的控制端之间还串联有驱动电路GD。
通过采用上述技术方案，通过辅助控制电路产生驱动到驱动电路GD，从而控制开关管Qa的通断，让辅助谐振电容Cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
可选的，所述电压检测器VD为交流电电压检测器。
可选的，所述LLC谐振腔采用单谐振电容的连接方式。
可选的，所述LLC谐振腔采用分体谐振电容的连接方式，所述辅助电路设置有两个且与两个分体谐振电容一一对应并联。
第二方面，本申请还提供一种开关电源，采用如下的技术方案：
一种开关电源，包括功率因数校正电路、母线电容和上述的谐振半桥电路，所述母线电容设置于所述功率因数校正电路和谐振半桥电路之间。
综上所述，本申请提高了开关电源的输出保持时间，满足终端数据中心对时间的要求，提高了产品与终端的匹配度。
附图说明
图1是相关技术中谐振半桥电路原理图。
图2是揭示了开关电源输出保持时间的实质。
图3是本申请一实施例的谐振半桥电路原理图。
图4是本申请谐振半桥的归一化增益曲线。
图5是本申请另一实施例的谐振半桥电路原理图。
图6是本申请开关电源电路原理图。
附图标记说明：
1、辅助电路；2、辅助控制电路；3、功率因数校正电路；4、谐振半桥电路。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-附图5及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图2所示，揭示了开关电源输出保持时间Th的实质；通常开关电源的输出保持时间Th通过母线电容Clink储存的能量进行维持，母线电压稳态时为Vsnom，母线电压在谐振半桥不工作时的最小电压为Vsmin，母线电容Clink稳态时储存的能量采用Enom表示为：
Figure BDA0003405797510000041
母线电容Clink在谐振半桥不工作时最小储存的能量采用Emin表示为：
Figure BDA0003405797510000042
则
Figure BDA0003405797510000051
开关电源的输出功率为Po，输出保持时间为Th，效率为η，则输出保持时间可表示为：
Figure BDA0003405797510000052
输出保持时间Th的长短取决于母线电容Clink的大小和最小母线电压Vsmin的大小，在母线电容Clink选定，母线电压和谐振拓扑控制芯片设定好的前提下，母线电容Clink的大小固定不变，同时在小尺寸高功率密度电源中母线电容Clink的大小受限于尺寸而无法调整，所以影响输出保持时间Th最重要的一个参数就是最小电压Vsmin，且输出保持时间Th与最小电压Vsmin有非线性的定量关系。
如图3所示，本申请实施例公开一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，包括LLC谐振腔、理想变压器、原边开关、副边整流管和输出滤波电容Co，LLC谐振腔采用单谐振电容的连接方式，LLC谐振腔包括励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Crc，理想变压器包括原边电感Np、第一副边电感Ns1和第二副边电感Ns2，原边开关包括第一原边开关管Qp1和第二原边开关管Qp2，副边整流管包括第一副边整流管Ds1和第二副边整流管Ds2；第一原边开关管Qp1一端连接所述谐振半桥电路的输入端，另一端连接第二原边开关管Qp2一端和谐振电感Lr一端；谐振电感Lr另一端连接励磁电感Lm一端和原边电感Np一端，励磁电感Lm另一端连接谐振电容Crc一端和原边电感Np另一端，谐振电容Crc另一端和第二原边开关管Qp2另一端连接于谐振半桥电路接地端；第一副边电感Ns1一端连接第二副边电感Ns2一端和输出滤波电容Co正极，另一端连接第一副边整流管Ds1阴极，第二副边电感Ns2另一端连接第二副边整流管Ds2阴极，第一副边整流管Ds1阳极、第二副边整流管Ds2阳极和输出滤波电容Co负极均连接于接地端。
为了提高输出保持时间Th，本申请实施例在谐振电容Crc两端并联一辅助电路1，辅助电路1在稳态时不工作，在输出保持状态时加大等效谐振电容Cr。
如图4所示，图4是谐振半桥的归一化增益曲线，输出电压与母线电压对应的关系式为
Figure BDA0003405797510000061
其中，Vo为输出电压，n为变压器匝数比，M为电压增益，Vs为母线电压，由上述公式可知，母线电压Vs与电压增益M成反比，如果需要得到更小的母线电压Vs(即Vsmin)时，那么需要获得更高的电压增益M(即Mmax)。在等效谐振电容Cr增大后，此时谐振腔特征阻抗变小，实质对应的增益曲线变得更陡峭，在相同的频率范围内能得到更大的电压增益M，从而得到更小的母线电压Vs(即Vsmin)，则ΔE增大，从而使输出保持时间Th变长。
具体来说，辅助电路1包括依次串联的开关元件和辅助谐振电容Cra，在输出保持状态时，通过控制开关元件导通，将辅助谐振电容Cra并联于谐振电容Crc两端，从而加大等效谐振电容Cr，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
在本申请实施例中，开关元件为开关管Qa，且开关管Qa的控制端供外部控制单元控制，在稳态时，外部控制单元控制开关管Qa为关断状态，辅助电路1断开，等效谐振电容Cr＝Crc，此时和传统谐振电路相同，谐振腔的增益以及开关频率变化范围和预设计一样，不会进入容性工作状态；在输出保持状态(即市电掉电输出保持状态)时，外部控制单元控制开关管Qa为导通状态，辅助电路1导通，等效谐振电容为Cr＝Crc+Cra，等效谐振电容增大，谐振半桥等效Q值降低，谐振半桥增益增大，输出保持时间加长。
如图5所示，在本申请另一实施例中，开关元件为开关管Qa，且开关管Qa的控制端连接有辅助控制电路2，辅助控制电路2的检测端连接于谐振半桥电路的电源端。
具体来说，辅助控制电路2包括电压检测器VD和比较器U；电压检测器VD的检测端连接辅助控制电路2的检测端，输出端连接比较器U的反相输入端；比较器U的正相输入端连接有基准电压Vref，输出端连接于开关管Qa的控制端；在本申请一实施例中，比较器U的输出端与开关管Qa的控制端之间还串联有驱动电路GD；其中，电压检测器VD为交流电电压检测器。
本申请实施例通过辅助控制电路2产生驱动到驱动电路GD，从而控制开关管Qa的通断，让辅助谐振电容Cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间，满足终端数据中心对时间的要求，提高产品与终端的匹配度。
在输入稳态时，电压检测器VD检测为高电平，Vs>Vref，比较器U输出低电平，驱动电路GD输出为低电平，开关管Qa为关断状态，辅助电路1断开，等效谐振电容为Cr＝Crc，此时和传统谐振电路相同，谐振腔的增益以及开关频率变化范围和预设计一样，不会进入容性工作状态。
在输出保持状态(即市电掉电输出保持状态)时，电压检测器VD检测为低电平，Vs<Vref，比较器U输出高电平，驱动电路GD输出为高电平，开关管Qa为导通状态，辅助电路1导通，等效谐振电容为Cr＝Crc+Cra，等效谐振电容Cr增大，谐振半桥等效Q值降低，谐振半桥增益增大，输出保持时间加长。
在本申请其他实施例中，LLC谐振腔也可以采用分体谐振电容的连接方式，此时，辅助电路1设置有两个且分别与两个分体谐振电容一一对应并联，用于控制等效谐振电容的大小。
如图6所示，本申请实施例还提供一种开关电源，包括功率因数校正电路3、母线电容Clink和上述谐振半桥电路4，母线电容Clink设置于功率因数校正电路3和谐振半桥电路4之间。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，包括LLC谐振腔，所述LLC谐振腔包括励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Crc，其特征在于：所述谐振电容Crc两端并联一辅助电路（1），所述辅助电路（1）用于在输出保持状态时加大等效谐振电容Cr。
2.根据权利要求1所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述辅助电路（1）包括依次串联的开关元件和辅助谐振电容Cra，在输出保持状态时，通过控制所述开关元件导通，将所述辅助谐振电容Cra并联于所述谐振电容Crc两端，从而加大所述等效谐振电容Cr。
3.根据权利要求2所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述开关元件为开关管Qa，且所述开关管Qa的控制端供外部控制单元控制。
4.根据权利要求2所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述开关元件为开关管Qa，且所述开关管Qa的控制端连接有辅助控制电路（2），所述辅助控制电路（2）的检测端连接于所述谐振半桥电路的电源端。
5.根据权利要求4所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述辅助控制电路（2）包括电压检测器VD和比较器U；所述电压检测器VD的检测端连接所述辅助控制电路（2）的检测端，输出端连接所述比较器U的反相输入端；所述比较器U的正相输入端连接有基准电压Vref，输出端连接于所述开关管Qa的控制端。
6.根据权利要求5所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述比较器U的输出端与所述开关管Qa的控制端之间还串联有驱动电路GD。
7.根据权利要求5所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述电压检测器VD为交流电电压检测器。
8.根据权利要求1所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述LLC谐振腔采用单谐振电容的连接方式。
9.根据权利要求1所述的一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，其特征在于：所述LLC谐振腔采用分体谐振电容的连接方式，所述辅助电路（1）设置有两个且与两个分体谐振电容一一对应并联。
10.一种开关电源，其特征在于：包括功率因数校正电路（3）、母线电容和权利要求1-9任一项所述的谐振半桥电路（4），所述母线电容设置于所述功率因数校正电路（3）和谐振半桥电路（4）之间。
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