CN100338951C - 双变压器开关电源 - Google Patents

Abstract

双变压器开关电源，属于电源电器领域，其电路中主要包括有储能电压滤波电容、吸尖峰电压电路、开关及电压控制三极管、变压器等，由两个变压器—主变压器及副变压器，它们并联在一起组成开关管负载，电路中去除大功率燃能负载；其设计方法按特定的五个步骤进行，选取双变压器特定的相关设计参数进行。该双变压器开关电源效率高、体积小、成本低；可靠性高，整机发热功耗和机内温升都明显下降；本电源安装灵活、配备方便，可根据需要选用多种配备。

Description

双变压器开关电源

技术领域

本发明属于电源电器领域，特别涉及到一种用于电视机中的双变压器开关电源及其设计方法。

背景技术

目前市场上销售的家用电视机伴音输出功率都不大，一般机内喇叭的输出功率都在10瓦左右。随着人们文化素质的不断提高，人们对电视机伴音的要求也相对提高。带立体声、环绕声、重低音等功能的电视机日益成为人们追求的热门货，5.1、6声道的电视机很快也将在市场上出现。电视机在不断提高伴音质量的同时，必将要求伴音输出功率成倍的提高，输出功率几百瓦的数字功放器件，正在等待更大输出功率的电源与其匹配，大功率高性能的电视机开关电源将成为人们下一步追求的目标。

电视机一般都用开关电源供电，当伴音输出功率要求成倍增长的时候，对开关电源的性能指标也要求进一步的提高，首先是对开关电源的储备容量要求增大很多。如果开关电源的储备容量太小，在伴音输出功率时大时小的时候图象会出现随着声音大小，时而暗时而亮，或图象幅度时大时小的现象，这种现象对于反激式开关电源尤为严重。

增大开关电源的储备容量，是减少伴音输出功率过大对电视图象产生影响的一种有效方法，但增大开关电源的储备容量，会使开关电源体积增大，电路复杂，成本增加，效率和可靠性都会显著降低。

变压器是开关电源中最主要的储能器件，增大开关电源的储备容量，就意味着增大变压器的体积。在反激式开关电源中，用增大变压器的体积来增大储备容量也会有一定的极限。在开关电源储备容量增大的同时也意味着开关管激励功率的增加，特别是开关电源在负载轻的情况下很难正常工作。在负载很轻的情况下，由于开关管激励过大，而调整管控制电流输出有限，因此开关管由导通到关闭的时间不能无限度的减小，这会使开关管导通和关闭过程失控，开关管因过激励和不能完全关断，而过热烧毁。很多开关电源为了使其在负载较轻的情况下也能正常工作，只好特意用一个或多个大功率电阻作“燃能负载”，用它来白白的损耗能量，其结果不但使开关电源的效率降低，而且因电阻发热使机内温度升高，降低整机可靠性。

图1是简化了的普通开关电源的工作原理图。图中C1是输入电压储能滤波电容，C2、R1、D1是吸尖峰电压电路，V1是开关管，V2是电压调制控制管，D2、D3是输出电压整流二极管，C3、C4是输出电压储能滤波电容，R2是“燃能负载”大功率电阻。实际使用中的开关电源还有多组电压输出，图中只画出其中主要的行扫描电源和伴音电源两组。

针对已知技术中开关电源所存在的诸多缺陷，本发明人通过反复计算及实验研究寻找出一种有效的设计方法，并创新设计出实用的开关电源，即双变压器开关电源，它可以在输出功率很大的情况下，依旧保持低成本、高效率的特点，而且完全克服了电视机伴音功率过大对电视机图像的不良影响问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，为了减小电视机伴音输出功率大幅增加下，将对电视机图像造成不良影响问题，在已有技术中，采用增大开关电源的储备电容，也即增大变压器体积的做法，以及采用大功率电阻作“燃能负载”，换取正常工作的做法，从而造成开关电源降低效率、增大成本等诸多缺陷，为克服这些缺陷，重新设计一种双变压器开关电源，以提高工作效率，降低电源成本。为达到这一发明目的，是采用如下技术方案来实现的，一种双变压器开关电源，在其电路中主要包括有储能滤波电容、吸尖峰电压电路、开关及电压控制三极管、变压器、整流二极管、光电耦合放大器、伴音及行扫描电源输出部分，该开关电源中包含主变压器及副变压器，其初级线圈电路中，分别连接一个隔离二极管，主、副变压器并联组成开关管负载，代替原有一个变压器的位置，其特征在于，所述的副变压器的伏秒容量值按如下要求选择：①副变压器T2的选择过程为，由导通脉冲宽度τ_m和输入电压求出主变压器T1的伏秒容量，按等于或大于主变压器T1的伏秒容量值的限定，进而确定T2的伏秒容量值；②选取开关电源输出电压与变压器的初、次级线圈匝数比以及开关管的工作占空比(τ/T)；③在脉冲宽度τ相同的情况下，正确选择变压器的体积大小；④检验变压器的电感量，电感量越小变压器的功率就越大。

所述双变压器开关电源电路中使用的开关管，可用双极型晶体三极管也可用单极型的MOS管，或厚膜电路；副变压器组成的电路接入或移去，都不影响由主变压器组成的开关电源正常工作。所述主、副变压器，它们的初级线圈电路中，可以分别连接一个隔离二极管，当副变压器输出电路的负载电流波动不大时，这两个隔离二极管也可以不接入。所述主变压器次级输出电路中连接有一个光电耦合放大器。

本发明的有益效果如下：

1.效率高、体积小、成本低；由于TI输出负载一般来说比较稳定，故没必要预留很大的储备功率。TI变压器体积可以选得很小，R2大功率电阻可以取消。T2变压器也只需考虑最大输出功率，不用考虑功率储备。因此，T2变压器体积也选得很小。结果不但成本低，而且效率提高很多。

2.可靠性高。双变压器开关电源不需要很大的激励功率，电压调整管的负载很轻，开关管也不会过激励，还有不需要加接“燃能负载”大功率电阻，整机发热功耗和机内温升都要下降很多，因此可靠性会提高。

3.安装灵活，配备方便。双变压器开关电源中的变压器T2，安装或不安装，装大或者装小，几乎不影响主开关电源T1的工作，可根据需要选用多种配备。另外，电源T2的输出也不只是仅仅用做伴音功率放大电源，也可以用于其它方面，如：内置机顶盒、DVD、PC机等产品。并且D4、D5也可以不需要，不用改动原机器线路，只需两根导线与一块T2电源板连接，就可以组合成一个新的开关电源系统。

附图说明

图1为传统的开关电源电路工作原理图；

图2为本发明双变压器开关电源电路工作原理图；

图3为本发明采用MOS管做开关管电源实施例电路工作原理图。

具体实施方式

参照图1表示一种传统的开关电源电路工作原理图，图中储能电压滤波电容1包含有C1、C3、C4，吸尖峰电压电路2包含有C2、R1、D1，其后设有主变压器T1，V1、V2分别为开关及电压控制三极管，D2、D3分别为整流二极管，大功率电阻R2作为“燃能负载3“出现在电路输出部分。作为电源输出端4给出伴音电源输出及行扫描电源输出。参照图2表示本发明双变压器开关电源电路工作原理图。

双变压器开关电源在原理上，只相当于在单变压器开关电源的基础上另加一个变压器T2电源输出电路。因此其工作原理与单变压器开关电源基本相同。但在设计时，对于一些主要设计参数需进行特别选取；

其设计步骤按以下进行：

①选取副变压器T2的伏秒容量U_c T等于或大于主变压器T1的伏秒容量值，这种情况下，双变压器开关电源才能正常工作。变压器的伏秒容量由下式求得：

$N1=\frac{U_C\mathrm{\τ}{10}^8}{S(\mathrm{Bm}-\mathrm{Br})}---\left(1\right)$

式中U_Cτ为变压器的伏秒容量，N1为变压器的初级绕组匝数；U_C为工作电压，单位为伏；τ为开关管导通脉冲宽度，单位为秒；S为变压器磁心面积，单位为平方厘米；Bm为变压器磁心最大磁感应密度，单位为高斯；Br为变压器磁心的剩磁，单位为高斯。

理想的情况是Bm越大越好，剩磁Br越小越好，还有磁心的导磁率μ越高越好，以及磁心的损耗越小越好。磁心的最大磁感应密度Bm与磁心的材料和密度有关，国产磁心的Bm值约在5000高斯左右，Br约等于Bm的90％。没有气隙的磁心导磁率非常高，μ值都在几千以上，甚至接近1万左右，但只要有0.01毫米的气隙，导磁率μ就会下降到最大值的几分之一。

磁心的损耗主要是涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗与材料的品质有关，还和工作频率有关，涡流损耗与频率的平方成正比。磁滞损耗与磁滞回线的面积有关，也和工作频率有关，磁滞损耗与频率成正比。因此磁心的涡流损耗和磁滞损耗限制了变压器工作频率的提高。开关电源的工作频率选在20-100kHz之间较为合适。工作频率过低，一是变压器体积大，二是人耳能听到变压器磁心因磁滞伸缩发出叫声；工作频率过高，变压器涡流损耗、磁滞损耗及开关管损耗将成倍增加，开关电源的效率将明显下降。

变压器磁心的磁回路一定要留有气隙，没有气隙的磁心，当流过变压器的电流中含有直流成分时，磁心很容易饱和，使变压器无法正常工作。气隙留得越大，Br就变得越小，磁心的有效导磁率就会下降。当气隙大于1毫米时Br小于Bm的10％。变压器的伏秒容量越大和磁心气隙留得越大，磁心就越不容易饱和。

变压器的伏秒容量要留有足够的余量，磁心气隙也可以留得大一些，但磁心气隙留得过大，会增大变压器的漏感和变压器的有效导磁率降低，变压器的效率要降低。更坏的情况是，变压器的漏感产生的反电动势很容易把开关管击穿损坏。磁心气隙可根据变压器的体积和流过其初级线圈的直流大小来选取，小变压器气隙可取小些，一般取0.3到1毫米。

②选取开关电源输出电压与变压器的初、次级线圈匝数比以及开关管的工作占空比(τ/T)及电压由关系式求得： $U_o=\frac{U_i\mathrm{N\τ}}{T-\mathrm{\τ}}\mathrm{\η}---\left(2\right)$

当输入电压为240Vac时，开关管工作占空比最大不要超过1/3(假设开关管耐压为600V)

式中U_o为输出电压，U_i为变压器的初级线圈的输入电压，N为变压器的初次级线圈匝数比，τ为开关管导通脉冲宽度，T为开关管的工作周期，η为变压器的工作效率。自激式开关电源开关管导通脉冲宽度τ与激励电压有关，与变压器T1的伏秒容量有关，与变压器的初次级线圈匝数比有关，与调整管的工作状态有关。改变其中任一参数，均可改变开关电源的工作频率。

变压器初次级线圈的电流密度选2-3A/平方毫米。工作频率较高或导线面积太大时需选用多股线绕制。

③在脉冲宽度τ相同的情况下，正确选择变压器的体积大小；变压器的体积大小决定开关电源的功率大小，正确选择不但可以提高开关管的工作效率和降低成本，还可提高机器的可靠性。开关电源设计后，在进行调试时，首先要检验T1、T2变压器开关电源容量。以实际使用情况改变负载大小，由最小到最大，观测开关电源参数的变化。负载最小时，开关电源的工作频率最高，占空比最小；负载最大时，开关电源的工作频率最高，占空比最大。正常情况下负载由最小到最大，工作频率变化应该达3倍左右。如果工作频率变化很小，说明开关电源的储备功率太大。可适当减小变压器的体积，重新设计。

④副变压器T2因与主变压器同时进行设计，由导通脉冲宽度τm和输入电压求出T1的伏秒容量，进而求出T2的伏秒容量。

T2变压器设计好后，同样也要检验T2变压器容量，不过T2的检验方法与T1的完全不相同。检验T2变压器容量的方法是，检测其输出电压的调整率。如果当负载变化时，输出电压波动很大，这说明变压器的储备功率不够大，可重新设计，适当增大变压器的体积。

⑤检验变压器的电感量，电感量越小变压器的功率就越大实际上变压器电感量隐含在式(1)之中。直接计算变压器线圈的匝数，比计算变压器的电感量方便很多。一般直接计算变压器的电感是很困难的，只能通过测试来求得。变压器的电感量与磁心面积成正比，与线圈匝数的平方成正比。当变压器的伏秒容量确定以后，变压器的功率就与磁心面积和线圈匝数有关。磁心面积越大，线圈匝数越少，变压器的功率就越大。换句话来说，就是：电感量越小，变压器的功率就越大。即：

$W=\frac{1}{2}{\mathrm{LI}}^2=\frac{{U_i}^2\mathrm{\τ}}{2L}---\left(3\right)$

$P=\frac{W}{T}=\frac{{U_i}^2\mathrm{\τ}}{2\mathrm{LT}}---\left(4\right)$

式中W为变压器存储的能量，L为变压器初级电感量，τ为开关管导通脉冲宽度，U_i为变压器输入电压，T为变压器工作周期。

在图2中，T1为主变压器，T2为付变压器，C1是输入电压储能滤波电容，C2、R1、D1是吸尖峰电压电路，V1是开关管，V2是电压调整控制管，D2、D3是输出电压整流二极管，D4、D5是隔离二极管，C3、C4是输出电压储能滤波电容。

这种双变压器开关电源分主、副两组电源输出电压，分别用于电视机中图像信号和伴音信号两大部分电路。主电源输出电压由主变压器提供，其输出电压具有自动稳压功能，主要用于电视机中的图像信号处理电路，如：高频信号接收、中频放大、图像信号处理、CPU控制、行场扫描、CRT阳极高压等电路；副电源电压由副变压器提供输出，主要用于电视机中的伴音信号功率放大，其输出电压一般不进行稳压，或稳压性能相对来说比主变压器的电源输出电压稳压性能差，但由于图像信号与伴音信号两大部分电路，分别使用相对独立的双变压器主、副两组输出电压电源，互相干扰的程度相对可以减小很多，因此，伴音功率输出可以做得很大。特别适用于带立体声、环绕声、重低音等功能的5.1、6声道的电视机。比较可知，本发明增加了副变压器T2的电路部分5，主、副变压器的初级线圈电路中分别连有隔离二极管D4、D5(如果T2的负载很稳定，隔离二极管D4、D5也可以不用)。参照图3，表示用MOS管作为开关管的双变压器开关电源工作原理图。

Claims (4)

1.一种双变压器开关电源，在其电路中主要包括有储能滤波电容、吸尖峰电压电路、开关及电压控制三极管、变压器、整流二极管、光电耦合放大器、伴音及行扫描电源输出部分，该开关电源中包含主变压器及副变压器，其初级线圈电路中，分别连接一个隔离二极管，主、副变压器并联组成开关管负载，代替原有一个变压器的位置，其特征在于，所述的副变压器的伏秒容量值按如下要求选择：

①副变压器T2的选择过程为，由导通脉冲宽度τ_m和输入电压求出主变压器T1的伏秒容量，按等于或大于主变压器T1的伏秒容量值的限定，进而确定T2的伏秒容量值；

②选取开关电源输出电压与变压器的初、次级线圈匝数比以及开关管的工作占空比(τ/T)；

③在脉冲宽度τ相同的情况下，正确选择变压器的体积大小；

④检验变压器的电感量，电感量越小变压器的功率就越大。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述主变压器次级输出电路中连接有一个光电耦合放大器。

3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述双变压器开关电源电路中使用的开关管，采用双极型晶体三极管、单极型MOS管，或厚膜电路。

4.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，当副变压器输出电路的负载电流波动不大情况下，所述主、副变压器的初级线圈电路中所分别连接的隔离二极管也可以不接入。

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