CN204145294U - 开关电源隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源隔离电路，其包括开关器件、信号单向传输器件、单向导通器件、电感及控制模块，其中，开关器件和电感与电压源依次串联形成供电回路，单向导通器件、电感及信号单向传输器件与负载依次串联形成负载回路，所述开关器件和信号单向传输器件与控制模块相连而受控于该控制模块；在所述控制模块的控制下，当开关器件导通时信号单向传输器件截止，供电回路工作，电感蓄积能量，当开关器件截止时信号单向传输器件导通，负载回路工作，电感释放能量而为负载供电。本实用新型所公开的开关电源隔离电路是采用电感对负载进行供电，且采用信号单向传输器件及单向导通器件实现电气隔离，从而具有小体积、高效率且低成本等优点。

Description

开关电源隔离电路

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，更具体地涉及一种开关电源隔离电路。

背景技术

现有开关电源的拓扑架构分为三大类：1、buck架构；2、boost架构；以及3、buck-boost架构。它们分别对应图1a、图1b及图1c所示三种电路形式。其中，图1a所示为降压型电路，在该电路中，Vo＝Vin×D，Vo＜Vin；图1b所示为升压型电路，在该电路中，Vo＝Vin/(1-D)，Vo＞Vin；图1c所示为升降压型电路，在该电路中，Vo＝Vin×D/(1-D)，当D＜0.5时Vo＜Vin，当D＞0.5时Vo＞Vin，上述三种电路中，Vin为输入电压，Vo为输出电压，D为占空比。从线路形式上，上述三种电路有个共同之处就是，负载总是与市电(电源)电气连通，通常，这种负载与电源电气连通的情形被认为是一种非隔离状态，这种情况，往往存在较为严重的安全隐患。

基于安全等因素考虑，现有某些开关电源电路会设计为具有隔离功能。其通常采用反激型变压器、正激型变压器以及桥式变压器三种类型，分别如图2a、图2b及图2c所示。上述三种电路的均是通过变压器的方式来实现电气隔离，其工作原理如下：将开关管与变压器的一侧电感作电气串联连接；将变压器的另一侧电感与负载作电气串联连接；变压器这两侧的电感(初级电感和次级电感)并无电气连接，它们通过磁场发生能量关联；根据电磁感应原理，在开关管的控制端施加一定频率的脉冲驱使变压器对负载输出合适的能量。可见，采用变压器的电源电路可达到隔离目的，但却存在以下缺陷：变压器的制作，它需要在磁芯上绕制两个或以上的电感，其带来的是成本高的缺点；变压器两侧电感(初级电感和次级电感)的能量关联是通过磁场发生的，那么，根据电磁感应原理，能量在两侧电感(初级电感和次级电感)之间发生关联时存在能量损耗，其带来的是效率低的问题。

因此，采用变压器的电源电路虽然可实现隔离效果，但变压器的大体积和高成本为照明行业所顾忌，而且隔离电路的效率成为节约能源要突破的一个技术节点。

鉴于此，有必要提供一种具有小体积、高效率且低成本的开关电源隔离电路。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有小体积、高效率且低成本的开关电源隔离电路。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种开关电源隔离电路，其特征在于，包括开关器件、信号单向传输器件、单向导通器件、电感及控制模块，其中，开关器件和电感与电压源依次串联形成供电回路，单向导通器件、电感及信号单向传输器件与负载依次串联形成负载回路，所述开关器件和信号单向传输器件与控制模块相连而受控于该控制模块；在所述控制模块的控制下，当开关器件导通时信号单向传输器件截止，供电回路工作，电感蓄积能量，当开关器件截止时信号单向传输器件导通，负载回路工作，电感释放能量而为负载供电。

优选地，所述开关器件选用MOS管来实现，该MOS管的漏极与电压源的正极相连，其源极与电感相连，其栅极与控制模块的第一控制端相连，所述控制模块向MOS管输出脉冲以控制MOS管的通断。

优选地，所述信号单向传输器件选用光电耦合器来实现，该光电耦合器的两输入端分别与控制模块的第二控制端和第三控制端相连，该光电耦合器的两输出端连接在电感和负载之间，所述控制模块向光电耦合器输出脉冲以控制光电耦合器的通断。

优选地，所述单向导通器件选用二极管来实现，所述二极管的正极与负载相连，其负极与电感相连。

优选地，所述控制模块选用单片机来实现，所述单片机的其中三个I/O引脚分别作为所述第一控制端、第二控制端和第三控制端。

优选地，所述负载的两端还并联有滤波电容。

优选地，所述电压源是采用整流桥对市电进行整流所形成的DC电压源。

与现有技术相比，本实用新型所提供的开关电源隔离电路主要由供电回路和负载回路构成，实现了一种buck-insulation架构。从线路的供电模式看，现有技术中利用变压器的互感现象对次级负载进行供电的方式会存在耦合磁通的损失，从而导致效率低下，因此，本实用新型开关电源隔离电路利用电感自身的感应电动势进行供电，其相比传统方式效率更高；在体积方面，由于制作变压器至少需要两组线圈，而电感只需要一组线圈，所以，在同等条件下，变压器的体积会比电感大，因此，本实用新型开关电源隔离电路相比现有技术可实现较小体积；在成本方面，在同等条件下(相同的输入输出条件和环境因素)，研制变压器的工艺较为复杂，所需时间较长，成本较高，因此，本实用新型采用电感来供电可大大降低成本。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1a为采用buck架构的现有开关电源电路；

图1b为采用boost架构的现有开关电源电路；

图1c为采用buck-boost架构的现有开关电源电路；

图2a为采用反激型变压器的现有开关电源隔离电路；

图2b为采用正激型变压器的现有开关电源隔离电路；

图2c为采用桥式变压器的现有开关电源隔离电路；

图3为本实用新型开关电源隔离电路一实施例的电路图。

图4为本实用新型开关电源隔离电路的等效电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图3展示了本实用新型开关电源隔离电路的一实施例。参照图3，本实用新型开关电源隔离电路10包括开关器件11、信号单向传输器件12、单向导通器件13、电感L1及控制模块14。其中，开关器件11和电感L1与电压源15依次串联形成供电回路，单向导通器件13、电感L1及信号单向传输器件12与负载R1依次串联形成负载回路，所述开关器件11和信号单向传输器件12与控制模块14相连而受控于该控制模块14。在所述控制模块14的控制下，当开关器件11导通时信号单向传输器件12截止，供电回路工作，电感L1蓄积能量，当开关器件11截止时信号单向传输器件12导通，负载回路工作，电感L1释放能量而为负载供电。

在某些实施例，例如本实施例中，开关器件11选用开关管，例如选用耗尽型N-MOS管Q1来实现，该MOS管Q1的漏极与电压源15的正极相连，其源极与电感L1相连，其栅极与控制模块14的第一控制端相连。当然，在其它实施例中，开关器件11也可选用其它可接受脉冲进行开关状态操作的其它开关器件来实现。

在某些实施例，例如本实施例中，所述信号单向传输器件12选用光电耦合器OS1来实现，该光电耦合器OS1的两输入端分别与控制模块14的第二控制端和第三控制端相连，该光电耦合器的两输出端连接在电感L1和负载R1之间。在其它实施例中，信号单向传输器件12也可选用霍尔器件来实现。

在某些实施例，例如本实施例中，所述单向导通器件13选用二极管D1来实现，所述二极管D1的正极与负载R1相连，其负极与电感L1相连。在其它实施例中，也可选用其它单向导通器件来取代二极管D1。

在某些实施例，例如本实施例中，所述控制模块14选用单片机(MCU)，例如选用微芯单片机来实现，该单片机的其中三个I/O引脚分别作为所述第一控制端、第二控制端和第三控制端而分别连接MOS管Q1的栅极和光电耦合器OS1的两输入端，该单片机可通过编程而被配置成通过其三个I/O引脚输出脉冲，以脉冲来管理MOS管Q1和光电耦合器OS1的通断：当MOS管Q1导通时，光电耦合器OS1截止；当MOS管Q1截止时，光电耦合器OS1导通。可理解地，基于供电回路和负载回路的电路构造，控制该两回路工作的脉冲是受到限制的，也是唯一的。也即，上述电路决定脉冲只能以某一种方式对MOS管Q1和光电耦合器OS1进行管理，因此，在其它实施例中，管理MOS管Q1和光电耦合器OS1的脉冲可由逻辑器件构成的纯硬件电路来提供，也即控制模块14也可通过无需编程的纯硬件电路来实现，其具体实现方式为本领域普通技术人员所熟知，在此不再赘述。

在某些实施例，例如本实施例中，所述负载R1的两端还并联有电容C1，该电容C1用于对输出给负载R1的输出电压进行滤波。

在某些实施例，例如本实施例中，所述电压源15是采用整流桥DB1对市电进行整流所形成的DC电压源。

图4展示了本实用新型开关电源隔离电路10的等效电路。参照图4，MOS管Q1等效为开关S1，光电耦合器OS1等效为开关S2。DC电压源为整个电路提供能量；开关S1与电感L1构成DC电压源的供电回路；电感L1、二极管D1、电容C1、负载R1及开关S2形成以电感的自感电动势为能量来源的负载回路。当开关S1导通时，开关S2是断开的，电感L1通过DC电压源蓄积能量；当开关S1关断时，开关S2是导通的，电感L1泄放能量而给负载R1供电。

本实用新型所提供的开关电源隔离电路是对图1a所示的传统buck架构做了调整，将原来buck架构的电感和二极管的位置做了调换(事实上这样的拓扑是buck-boost架构)，并在此基础上加了个信号单向传输器件，该电路拓扑结构可称为buck-insulation架构。从线路上看，该buck-insulation架构只用电感L1对负载R1进行供电，且通过二极管D1和光电耦合器OS1对DC电压源实现电气回路隔离。

如上所述，本实用新型所提供的开关电源隔离电路主要由供电回路和负载回路构成，实现了一种buck-insulation架构。从线路的供电模式看，现有技术中利用变压器的互感现象对次级负载进行供电的方式会存在耦合磁通的损失，从而导致效率低下，因此，本实用新型开关电源隔离电路利用电感自身的感应电动势进行供电，其相比传统方式效率更高；在体积方面，由于制作变压器至少需要两组线圈，而电感只需要一组线圈，所以，在同等条件下，变压器的体积会比电感大，因此，本实用新型开关电源隔离电路相比现有技术可实现较小体积；在成本方面，在同等条件下(相同的输入输出条件和环境因素)，研制变压器的工艺较为复杂，所需时间较长，成本较高，因此，本实用新型采用电感来供电可大大降低成本。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种开关电源隔离电路，其特征在于：包括开关器件、信号单向传输器件、单向导通器件、电感及控制模块，其中，开关器件和电感与电压源依次串联形成供电回路，单向导通器件、电感及信号单向传输器件与负载依次串联形成负载回路，所述开关器件和信号单向传输器件均与控制模块相连而受控于该控制模块；

当开关器件导通时信号单向传输器件截止，供电回路工作，电感蓄积能量，当开关器件截止时信号单向传输器件导通，负载回路工作，电感释放能量而为负载供电。

2.如权利要求1所述的开关电源隔离电路，其特征在于：所述开关器件选用MOS管来实现，该MOS管的漏极与电压源的正极相连，其源极与电感相连，其栅极与控制模块的第一控制端相连，所述控制模块向MOS管输出脉冲以控制MOS管的通断。

3.如权利要求2所述的开关电源隔离电路，其特征在于：所述信号单向传输器件选用光电耦合器来实现，该光电耦合器的两输入端分别与控制模块的第二控制端和第三控制端相连，该光电耦合器的两输出端连接在电感和负载之间，所述控制模块向光电耦合器输出脉冲以控制光电耦合器的通断。

4.如权利要求3所述的开关电源隔离电路，其特征在于：所述单向导通器件选用二极管来实现，所述二极管的正极与负载相连，其负极与电感相连。

5.如权利要求3所述的开关电源隔离电路，其特征在于：所述控制模块选用单片机来实现，所述单片机的其中三个I/O引脚分别作为所述第一控制端、第二控制端和第三控制端。

6.如权利要求1所述的开关电源隔离电路，其特征在于：所述负载的两端还并联有滤波电容。

7.如权利要求1所述的开关电源隔离电路，其特征在于：所述电压源是采用整流桥对市电进行整流所形成的DC电压源。