CN101453167A - 用于反激式开关电源的无损吸收电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于反激式开关电源的无损吸收电路，包括一上端管脚与变压器初级线圈串联的开关管、一连接在开关管控制脚的用于控制开关管工作的控制芯片及一由第一电感、第一二极管、第一电容和第二二极管构成的无损吸收回路，还包括一由第一电感、第三二极管和第二电容构成的用于吸收无损吸收回路产生的能量并给控制芯片提供辅助电源的供电回路，该供电回路的第三二极管的正负极端分别连接在无损吸收回路中第一电感与第一二极管之间的结点及控制芯片的电源输入端VDD上，所述第二电容的两端分别连接在控制芯片的电源输入端VDD和直流电源VDC的负极端上。本发明的无损吸收电路充分利用无损吸收电路中的能量，节省了辅助电源，并消除了无损吸收电路应用中的限制条件。

Description

用于反激式开关电源的无损吸收电路

技术领域

本发明涉及一种用于反激式开关电源的集无损吸收和辅助电源为一体的电路。

背景技术

基本的反激式电源电路(见图1)，在反激式开关电源中，由于变压器漏感的存在及其它分布参数的影响，在电源工作中开关管Q1的关断瞬间会产生很大的尖峰电压Vclamp，见图2开关管Q1关断过程中漏极的电压波形。这个尖峰电压Vclamp严重威胁着开关管Q1的正常工作，影响整个系统的运行稳定和安全，并产生EMI问题，必须采取措施对其进行拑位或者吸收。目前，有很多种方法可以实现这个目的，其中的RCD吸收装置以其结构简单，成本低廉的特点而得以广泛应用，如图3为RCD吸收基本电路，图中阴影部分为RCD吸收部分，Lpri1为变压器初级电感，Llr为变压器漏感。该装置工作过程如下：当控制器控制开关管M1导通时，变压器初级线圈Lpri1、变压器漏感Llr中的电流逐渐增加，能量存储在变压器初级电感Lpri1和变压器漏感Llr中；当开关管M1关闭时，Lpri1中的能量将转移到副边输出，但变压器漏感Llr中的能量不会传递到副边，如果没有RCD吸收装置，变压器漏感Llr中的能量

(L指漏感，I指开关管关断前流过的最大电流)将会在开关管M1关断瞬间转移到开关管M1的漏源极间电容和开关管M1漏级的杂散电容中，这个能量被分布电容吸收，根据电容中的能量规则

因为这些分布电容的容量非常小，所以分布电容会产生非常高的电压，从而使开关管M1的漏极产生非常高的尖峰电压，即图2中的Vclamp。而开关管M1承受的电压应力为Vc+Vor+Vin，其中Vc为电容上产生的尖峰电压， $\mathrm{Vor}=\frac{\mathrm{Np}}{\mathrm{Ns}}\mathrm{Vout},$ Np：初级线圈匝数，Ns：次级线圈匝数，Vout：输出电压。若加上RCD吸收装置后，其中的电容C2容量远大于分布电容，变压器漏感Llr中的大部分能量将在开关管M1关断瞬间转移到拑位电路的拑位电容C2上，根据电容储能的公式，能量不变的情况下，电容C和电压的平方U²成反比，所以容量大的电容产生的尖峰电压较低，然后这部分能量被拑位电阻R0消耗，为下次吸收做准备，这样在开关管M1关断过程中就大大减少了开关管M1的电压应力。

如上所述，RCD吸收装置缓解开关管M1的高压应力，是通过把变压器漏感Llr能量消耗在拑位电阻R0上来完成的，这造成了这一部分能量的浪费，在吸收漏感能量时要得到较好的吸收效果，即让尖峰电压Vclamp的尖峰较小，这样就的使拑位电容C2的取值要足够大，并且要把每次吸收的能量由拑位电阻R0消耗了，由于拑位电容C2的能量为 $\mathrm{Wc}=\frac{1}{2}\mathrm{CU}2=\frac{1}{2}C2*\mathrm{Vclamp}2,$ 所以要取得越好的效果电容C2的取值就偏大，这样损耗越多。为了减少功率损失，还可以使用如图4所示的无损吸收电路。

如图4所示的无损吸收电路也是把对开关管M2关断时由变压器漏感的能量吸收起来，并回馈到输入或者输出中，该装置工作过程如下：当控制器控制开关管M2关断时，开关管M2的漏极电压迅速上升，电容C3开始充电，吸收漏感中的能量，减缓开关管M2漏极的dV/dT。电容C3充电一直到开关管M2关断后漏感的能量被吸收完为止，此时电容C3两端电压A点为正，B点为负，稳定后电容C3两端的电压值为VOR，当控制器控制开关管M2再次开通后，电容C3的右端引脚A点的电位下降为0，由于电容C3左端比右端的电压高，其电压差为VOR，所以开关管M2刚开通时，电容C3左端引脚的电压下降为-VOR，引起D4导通，那么电容C3通过二极管D4和电感L1形成谐振，能量在电感L1和电容C3之间发生转移，能量先由电容C3放电转移至电感L1，由于电感L1电流的可持续性，电容C3放电完成后再由电感L1释放能量对C3充电，直至电感L1中的能量再次转移到电容C3，经过谐振过程的半个周期，电容C3上的电压由+VOR转化为0再转化为-VOR，如图6、7所示为无损吸收电路在开关管导通时LC谐振半个周期的电容C3、电感L1上的电压变化过程，也就是说在开关管导通电感L1，电容C3半个谐振周期后，电容C3的电压改变了方向，为下次吸收漏感能量做准备，此时电容C3充电完成后其两端的电压情况为A为负，B为正。由于二极管的单向导通性，二极管D4截止，能量保存在电容C3中。当开关管M2再次关断时，当B点电压大于输入电压时，二极管D5导通，电容C3放电，其中的能量回馈到变压器线圈中，当电容C3中的能量释放完毕后再次对其充电，吸收变压器漏感中的能量，随着控制器的控制动作，无损吸收电路重复这样的周期。在吸收电路中多为非耗能器件，不产生损耗，只在二极管D4，开关管M2以及其他一些寄生元件上产生少量的能量损失。由于无损吸收电路不产生能量损耗，所以可以用更大的吸收电容C3来缓冲开关过程，减小EMI干扰，有利系统的稳定，并且最大限度的减少了能量损耗。

无损吸收电路有很多优点但目前还无法普及使用，是因为其使用需要有限制条件，在前面的分析过程中，电容C3的电压在开关管M2开通后从A正B负转到B正A负需要一个时间过程，为电容C3和电感L1的谐振周期的一半，要求开关管的导通时间大于这个时间，如果开关管不能满足这个要求，开关管M2在电容C3和电感L1之间能量转化完成之前关闭，那么电容C3、电感L1的谐振回路被关闭，那么电感L1的能量还没有完全转移至电容C3，造成电感L1中有能量累积，由于电感L1上的电流不能瞬间为零，造成电感L1能量无处释放，电感L1上会形成很大的冲击电压，从而容易造成对开关管M2等器件击穿或毁坏。由于反激式变换器通过控制芯片或控制电路控制开关管M2的开通与关断，当次级负载变化使得开关管M2导通时间需求不一致，大部分控制芯片组成的反激式开关电源在不同工作过程不能全部保证这个条件，所以无法使用这个无损吸收电路。另一方面，在反激式开关电源中，通常需在变压器中增加辅助线圈来解决控制芯片的供电问题，如图7所示，辅助线圈Las与初级线圈Lpri4同相，作为辅助电源来给控制电路供电。辅助线圈Las可以与初级线圈Lpri4同相，也可以和它反相。开关管M3开关一次，则辅助线圈给电容C4供电一次，反复补充能量，以保证控制模块工作电源在正常的工作区间内。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于反激式开关电源的无损吸收电路，它能在发挥无损吸收装置优点的同时，充分利用无损吸收电路中的能量，节省了辅助电源，简化了电路，减小了损耗。

实现上述目的技术方案是：一种用于反激式开关电源的无损吸收电路，包括一上端管脚与变压器初级线圈串联的开关管M2、一连接在开关管M2控制脚的用于控制开关管M2工作的控制芯片及一由第一电感LOA、第一二极管D0、第一电容C0和第二二极管D1构成的用于吸收开关管M2在关断瞬间产生的尖峰电压的无损吸收回路，该无损吸收回路中的第二二极管D1、第一二极管D0和第一电感LOA依次串联连接后与串联连接的变压器初级线圈和开关管M2并联后连接在直流电源VDC的正负两极端上，所述第一电容C0的两端分别连接在第一二极管D0和第二二极管D1之间的结点及变压器初级线圈和开关管上端管脚之间的结点上，还包括一由第一电感LOA、第三二极管D2和第二电容C1构成的用于吸收无损吸收回路产生的能量并给控制芯片提供辅助电源的供电回路，该供电回路的第三二极管D2的正负极端分别连接在无损吸收回路中第一电感LOA与第一二极管D0之间的结点及控制芯片的电源输入端VDD上，所述第二电容C1的两端分别连接在控制芯片的电源输入端VDD和工作地端上，该工作地端为直流电源VDC的负极端。

上述的用于反激式开关电源的无损吸收电路，其中，所述无损吸收回路还包括一串联连接在第一电感LOA和第一二极管D0之间的第二电感LOB。

上述的用于反激式开关电源的无损吸收电路，其中，所述供电回路还包括一连接在第三二极管D2的负极端和控制芯片的电源输入端VDD之间的限流电阻R1。

上述的用于反激式开关电源的无损吸收电路，其中，所述供电回路还包括一并联连接在第二电容C1两端的稳压二极管D3。

由于采用了本发明的用于反激式开关电源的无损吸收电路的技术方案，即本发明在现有技术的无损吸收电路的基础上进行了改进，在原来无损吸收电路的基础上增加能量吸收器件，吸收电感上的能量，利用其中的能量作为辅助电源，把无损吸收电路用做控制芯片供电，既消除了无损吸收使用中可能出现的问题和危害，又可以在实现无损吸收所有优点的情况下实现了辅助电源并消除了无损吸收使用的限制条件，可以使无损吸收电路被广泛地使用。在获得无损吸收电路所有节能和低EMI干扰的优点的同时解决了辅助电源功能。扩展了无损吸收电路的功能，在发挥无损吸收优势的同时，充分利用无损吸收电路中的能量，节省了辅助电源，简化了电路，减小了损耗。

附图说明

图1为基本的反激式电源电路原理图；

图2为基本的反激式电源电路中开关管关断过程中漏极电压的变化曲线图；

图3为现有技术的RCD吸收装置的电路原理图；

图4为现有技术的无损吸收装置的电路原理图；

图5、6分别为无损吸收装置在开关管导通时电感L和电容C谐振半个周期的电容C3、电感L1上的电压变化曲线图；

图7为现有技术对反激式电源电路中控制芯片供电的电路原理图；

图8为本发明的用于反激式开关电源的无损吸收电路的第一种实施例的原理图；

图9为本发明的用于反激式开关电源的无损吸收电路在开关管导通时电感L和电容C谐振半个周期的第一电容C0、第一电感L0A上的电压变化曲线图；

图10为本发明的用于反激式开关电源的无损吸收电路的第二种实施例的原理图；

图11为本发明的用于反激式开关电源的无损吸收电路的第三种实施例的原理图；

图12为本发明的用于反激式开关电源的无损吸收电路的第四种实施例的原理图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例并结合附图进行详细地说明：

请参阅图8，本发明的第一种用于反激式开关电源的无损吸收电路，包括一上端管脚与变压器初级线圈Lpri1串联的开关管M2、一连接在开关管M2控制脚的用于控制开关管M2工作的控制芯片、一无损吸收回路和一供电回路，其中，M2可以是MOS管，也可以用三极管，或其他的开关器件，无损吸收回路由第一电感LOA、第一二极管D0、第一电容C0和第二二极管D1构成，用于吸收开关管M2在关断瞬间产生的尖峰电压，该无损吸收回路中的第二二极管D1、第一二极管D0和第一电感LOA依次串联连接后与串联连接的变压器初级线圈Lpri1和开关管M2并联后连接在直流电源VDC的正负两极端上，而无损吸收回路中的第一电容C0的两端分别连接在第一二极管D0和第二二极管D1之间的结点及变压器初级线圈Lpri1和开关管M2上端管脚之间的结点上。供电回路由第一电感LOA、第三二极管D2和第二电容C1构成，用于吸收无损吸收回路产生的能量并给控制芯片提供辅助电源，该供电回路的第三二极管D2的正负极端分别连接在无损吸收回路中第一电感LOA与第一二极管D0之间的结点及控制芯片的电源输入端VDD上，供电回路的第二电容C1的两端分别连接在控制芯片的电源输入端VDD和工作地端上，该工作地端为直流电源VDC的负极端。

本发明的第二种用于反激式开关电源的无损吸收电路，请参阅图10，无损吸收回路还包括一串联连接在第一电感LOA和第一二极管D0之间的第二电感LOB。其作用是通过调节无损吸收电路第一电感L0A和第二电感L0B的相对大小来调节给第二电容C1提供能量的大小。

本发明的第三种用于反激式开关电源的无损吸收电路，请参阅图11，供电回路还包括一连接在第三二极管D2的负极端和控制芯片的电源输入端VDD之间的可调电阻大小的限流电阻R1，其作用也是通过调节此限流电阻R1的大小来调节供给第二电容C1的能量大小。

本发明的第四种用于反激式开关电源的无损吸收电路，请参阅图12供电回路还包括一并联连接在第二电容C1两端的稳压二极管Z1，其作用是稳定控制芯片电源供给能量。

上述的用于反激式开关电源的无损吸收电路的工作原理是：在控制芯片内部或者外部，第二电容C1和一个稳压二极管Z1并联用于限制工作电压。在开关管M2开通期间，第一电感L0A将和第一电容C0形成谐振，能量在第一电感L0A和第一电容C0间转移，其电压变化如图9所示，第一电感L0A的端电压初始是正弦电压，当第一电感L0A端电压呈正弦波形上升到足以使第三二极管D2导通后，第一电感L0A将给第二电容C1提供能量，就像辅助线圈提供能量一样，由于第二电容C1储能作用，第一电感L0A的电压将被拑位在Vc1。开关管M2每开关一次，第一电感L0A提供一次能量给第二电容C1，这样就避免了无损吸收电路中能量在第一电感L0A中累积而击穿开关管M2的可能，在无损吸收缓解开关管M2关断时漏极电压应力的同时，节省了辅助电源，简化了电路，节省了能源。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种用于反激式开关电源的无损吸收电路，包括一上端管脚与变压器初级线圈串联的开关管M2、一连接在开关管M2控制脚的用于控制开关管M2工作的控制芯片及一由第一电感LOA、第一二极管D0、第一电容C0和第二二极管D1构成的用于吸收开关管M2在关断瞬间产生的尖峰电压的无损吸收回路，该无损吸收回路中的第二二极管D1、第一二极管D0和第一电感LOA依次串联连接后与串联连接的变压器初级线圈和开关管M2并联后连接在直流电源VDC的正负两极端上，所述第一电容C0的两端分别连接在第一二极管D0和第二二极管D1之间的结点及变压器初级线圈和开关管M2上端管脚之间的结点上，其特征在于，还包括一由第一电感LOA、第三二极管D2和第二电容C1构成的用于吸收无损吸收回路产生的能量并给控制芯片提供辅助电源的供电回路，该供电回路的第三二极管D2的正负极端分别连接在无损吸收回路中第一电感LOA与第一二极管D0之间的结点及控制芯片的电源输入端VDD上，所述第二电容C1的两端分别连接在控制芯片的电源输入端VDD和工作地端上，该工作地端为直流电源VDC的负极端。

2.根据权利要求1所述的用于反激式开关电源的无损吸收电路，其特征在于，所述无损吸收回路还包括一串联连接在第一电感LOA和第一二极管D0之间的第二电感LOB。

3.根据权利要求1所述的用于反激式开关电源的无损吸收电路，其特征在于，所述供电回路还包括一连接在第三二极管D2的负极端和控制芯片的电源输入端VDD之间的限流电阻R1。

4.根据权利要求1所述的用于反激式开关电源的无损吸收电路，其特征在于，所述供电回路还包括一并联连接在第二电容C1两端的稳压二极管Z1。

Images