CN101488722A - 一种开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源装置的方案，是一种建立在谐振电路基础上的装置，所述装置同时利用了顺向方式和回扫方式，还利用了谐振电路，来产生高频交流电源，对负载进行驱动，包括：变压器、开关管、电容器和脉冲电路等；其中，在开关管的导通阶段，输入电源通过变压器和电容器把能量输出给负载，同时输入电源也把能量储存在变压器中，在开关管截止阶段，储存在变压器中的能量再通过电容器输出给负载。

Description

一种开关电源装置

技术领域

本发明涉及一种开关电源装置的电路结构，尤其涉及对开关电源装置中变压器的电路结构。

背景技术

在开关电源技术中，常用的电路有：正激(顺向)型、反激(回扫)型、半桥电路，全桥电路和推挽电路等；以上所述电源结构的效率都在90％或以下；对于需要高压启动(点燃)的负载，这类负载如气体放电灯：荧光灯、低压钠灯、高压钠灯和金卤灯等，需要另外增加启动电路，如点燃荧光灯一般采用半桥加电感电容串联谐振电路产生高压点燃荧光灯，低压钠灯、高压钠灯、金卤灯等一般采用全桥或半桥加高压触发器点燃电路启动，这些电路不是非常复杂，成本特高，就是电路稳定性极差，寿命短，特容易烧毁(如市售的节能灯)。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种全新的谐振式开关电源电路装置，在负载启动之前自动产生高压，很容易对气体放电灯等这类负载进行直接点燃驱动，由于装置采用谐振式开关电源结构，使装置效率极大化，效率可达97％或以上，又由于装置的电路特简单，故可靠性特高，寿命特长(5～10年)，且成本特低；再加上简单的保护电路，使装置具有短路、开路、负载异常、负载接错线、负载寿终和过温度等自动保护的功能。

为达到上述目的，本发明提供的一种开关电源装置，其特征在于：包括变压器、开关管、电容和脉冲电路；所述变压器的初级和次级的一端都接入开关管的漏极或集电极，所述变压器的次级的另一端接入所述电容的一端，所述电容的另一端是输出端接入负载的一端，负载的另一端接入输入直流电源的负极或正极，所述变压器的初级的另一端接入输入直流电源的正极，所述开关管的源极或发射机接入输入直流电源的负极，所述开关管的栅极或基极接入所述脉冲电路；

在所述脉冲电路的作用下，所述开关管做开和关的动作，即开关管导通或截止，当所述开关管导通时，所述变压器初级接入输入直流电源，同时所述变压器次级的一端也接入输入直流电源的负极，输入直流电源的能量直接通过所述变压器的次级，再通过所述电容输出给负载，由于所述电容输出的电流在不断减小，在所述开关管导通这个阶段输入直流电源的能量也同时储存在所述变压器中，当所述开关管截止时，所述变压器内部的储能通过所述电容再输出给负载。

本发明提供的基于上述的开关电源装置，其特征在于：所述变压器还包括第三个绕组或第四个绕组，用于提供所述脉冲电路的辅助电源和变压器状态的取样；所述脉冲电路根据所述第三个绕组对所述变压器状态的取样，来控制所述开关管的导通和截止的时间。

本发明提供的基于上述的开关电源装置，其特征在于：所述变压器是带气隙的储能电感，而且所述变压器初次级的漏感很小。

本发明提供的基于上述的开关电源装置，其特征在于：选取所述电容的数值和设计所述变压器初次级的电感值，使其满足谐振的条件，使所述电容与所述变压器谐振，使电源的效率最大化(≧97％)，所述电容采用大纹波电流的高压电容，即低内阻高频高高压电容。

本发明提供的基于上述的开关电源装置，其特征在于：所述装置还包括过电压和过温度保护电路，用于保护所述开关管和所述变压器，当所述装置工作异常使加于所述开关管上的电压超高或接近所述开关管的耐压时，所述保护电路通过所述脉冲电路使开关管停止工作，当所述装置工作异常使所述开关管或所述变压器上的温度超高或接近设定值时，所述保护电路通过所述脉冲电路使开关管停止工作。

本发明提供的基于上述的开关电源装置，其特征在于：所述装置还包括多个所述电容的并联输出，所述多个电容分别串联多个负载，使多个负载同时并联工作。

本发明提供的基于上述的开关电源装置，其特征在于：所述装置还包括多路开关，所述多路开关分别接入所述多个电容，所述多路开关输出一路供给负载，通过所述多路开关调节所述装置输出的功率。

本发明提供的基于上述的开关电源装置，其特征在于：当使用市电时，所述装置还包括EMC滤波器、功率因数补偿和整流器，所述EMC滤波器用于电磁兼容，所述功率因数补偿用于时市电高效传输和降低谐波污染电网，所述整流器用于使市电输出直流电源。

由于本发明所述的一种开关电源装置，是一种建立在谐振电路基础上的装置，所述装置同时利用了顺向方式和回扫方式，还利用了谐振电路，来产生高频交流电源，对负载进行驱动，包括：变压器、开关管、(谐振)电容器和脉冲电路等；其中，在开关管的导通阶段，输入电源通过变压器和电容器把能量输出给负载，同时输入电源也把能量储存在变压器中，在开关管截止阶段，储存在变压器中的能量再通过电容器输出给负载。当输入为交流电源时，所述装置还包括EMC滤波器、功率因数补偿和整流器。

附图说明

以下附图有助于详细的理解本发明，但仅仅是为了举例解释说明，不应被理解为对本发明的限制。

图1为本发明所述装置的第一个实施例电路原理方框图；

图2为本发明所述装置的第二个实施例电路原理方框图；

图3为本发明所述装置的第三个实施例电路原理方框图；

图4为本发明所述装置的第四个实施例电路原理方框图；

图5为本发明所述装置的第五个实施例电路原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明。下面的说明将有助于本领域的技术人员更好的理解本发明的其他优点、目的和特征。

首先介绍本发明所述装置的第一实施例，参考图1。图1所示的开关电源装置1，用于对负载进行高频交流驱动，其高频交流驱动过程采用谐振电路；该装置1主要包括：变压器13、电容14、开关管12、脉冲电路11。这样，开关电源装置1，在所述脉冲电路11的作用下，所述开关管12做开和关的动作(即开关管导通和截止)，当所述开关管12导通时，所述变压器13初级接入输入直流电源，同时所述变压器13次级的一端也接入输入直流电源的负极，输入直流电源的能量通过所述变压器13的次级，再通过所述电容14输出给负载，由于所述电容14输出的电流在不断减小，在所述开关管12导通这个阶段输入直流电源的能量也同时储存在所述变压器13中，当所述开关管12截止时，所述变压器13内部的储能通过所述电容14再输出给负载。

图1电路内的所述变压器13，由初级绕组Np(匝数为：Np)、次级绕组Ns(匝数为：Ns)；用于产生高频电压；所述初级绕组Np的两端分别连接到①和②端上，其中①为同名端；所述次级绕组Ns的两端分别连接到②和③端上，其中②为同名端；所述同名端为绕组绕线方向一致的始端(或终端)；所述①、②、③端号是变压器骨架上的接线柱的端号，只是用来方便区分绕组相互之间的相对位置和关联，所述端号完全可以从新排列；

所述变压器13的①端连接到直流电源Vin的正端，所述Vin为电源电压；所述变压器13的②端连接到开关管12的漏极D(或集电极c)，所述变压器13的③端连接到电容14的一端，所述电容14的另一端连接到负载的一端，所述负载的另一端连接到直流电源Vin的负端；

所述开关管12，由漏极D(或集电极c)、栅极G(或基极b)和源极S(或发射极e)组成，其中所述漏极D(或集电极c)连接到变压器13的②端，所述源极S(或发射极e)连接到所述直流电源Vin的负端，所述栅极G(或基极b)连接到脉冲控制电路11，所述开关管12和所述变压器13在脉冲控制电路11的作用下产生高频交流电压，并通过所述电容14输出给负载；

当所述开关管12导通时，所述变压器13次级绕组Ns电压为：VNs＝—Vin*Ns/Np；设负载为RL，且直流电源和变压器13内阻为零；则对所述电容14的初始充电电流，也是负载电流初始值：Ilp＝—Vin*(Ns/Np)/RL；随着时间的推移，所述电容14上的电压逐步上升，最大值为：—Vin*(Ns/Np)，此时充电电流为零；

当所述开关管12截止时，变压器13储能开始释放，与回扫型电路工作原理相同，所述变压器13上的电压(初次级电压之和)为：VNp+VNs；所述电容14上电压为：—Vin*(Ns/Np)；所述电容14放电电流方向相反初始值为：

Ilp＝(Vin+VNp+VNs+Vin*(Ns/Np))/RL；

图2为本发明所述装置的第二个实施例电路原理方框图，参考图2。图2所示的开关电源装置2，用于对多负载进行高频交流驱动，其高频交流驱动过程采用谐振电路，图2装置是在图1的基础上，增加三个所述电容14、21和22的并联输出，所述三个电容分别串联三个负载，使三个负载同时并联工作；其工作原理同图1，参考图1所述。

图3为本发明所述装置的第三个实施例电路原理方框图，参考图3。图3所示的开关电源装置3，用于对负载进行高频交流驱动，其高频交流驱动过程采用谐振电路方式；其特征在于：所述变压器13还包括第三个绕组Nf，用于提供所述脉冲电路11的辅助电源31和变压器13状态的取样；所述脉冲电路11根据所述第三个绕组Nf对所述变压器13状态的取样，来控制所述开关管12的导通和截止的时间。

所述变压器13，由初级绕组Np(匝数为：Np)、次级绕组Ns(匝数为：Ns)、辅助绕组Nf(匝数为：Nf)组成；用于产生高频电压；所述初级绕组Np的两端分别连接到①和②端上，其中①为同名端；所述次级绕组Ns的一端都连接到②端、另一端分别连接到③端上，其中②为同名端；所述辅助绕组Nf的两端分别连接到④和⑤端上，其中④为同名端；所述同名端为绕组绕线方向一致的始端(或终端)；所述①端连接到直流电源Vin的正端，所述②端连接到开关管12的漏极D(或集电极c)，所述③端连接到所述电容器14的一端，所述④端和⑤端分别连接到辅助电源31上，所述电容器14的另一端连接到负载的一端，所述负载另一端都连接到直流电源Vin的负端；

所述开关管12，由漏极D(或集电极c)、栅极G(或基极b)和源极S(或发射极e)组成，其中所述漏极D(或集电极c)连接到所述变压器13的②端，所述源极S(或发射极e)连接到所述直流电源Vin的负端，所述栅极G(或基极b)连接到脉冲电路11，所述开关管12和所述变压器13在脉冲电路11的作用下产生高频交流电压，并通过所述电容14输出给负载；

图4为本发明所述装置的第四个实施例电路原理方框图，参考图4。图4所示的开关电源装置4，用于负载进行高频交流驱动，其高频交流驱动过程采用谐振电路方式；该装置4是在图3电路的基础上，增加所述过压保护42和过温保护41，用于保护所述开关管12和所述变压器13，当所述装置4工作异常使加于所述开关管12上的电压超高或接近所述开关管12的耐压时，所述保护电路42和41通过所述脉冲电路11使开关管12停止工作，当所述装置4工作异常使所述开关管12或所述变压器13上的温度超高或接近设定值时，所述保护电路42和41通过所述脉冲电路11使开关管停止工作。

其他连接或结构与图3装置3相同；由于图4的电路原理跟图3的电路原理基本相同，可以参考图3的描述；

图5为本发明所述装置的第五个实施例电路原理方框图，参考图5。图5所示的开关电源装置5，用于对气体放电灯进行高频交流驱动，使其发光，其高频交流驱动过程采用谐振电路；对气体放电灯进行驱动；对于图5中的装置5来说，是在图1装置1的基础上，把负载原来接入直流电源Vin负极的一端改为接入直流电源Vin的正极；

当所述开关管12导通时，所述变压器13次级绕组Ns电压为：VNs＝—Vin*Ns/Np；设负载为RL，且直流电源和变压器13内阻为零；则对所述电容14的初始充电电流，也是负载电流初始值：Ilp＝—Vin*(1+Ns/Np)/RL；随着时间的推移，所述电容14上的电压逐步上升，最大值为：—Vin*(1+Ns/Np)，此时充电电流为零；

当所述开关管12截止时，变压器13储能开始释放，与回扫型电路工作原理相同，所述变压器13上的电压(初次级电压之和)为：VNp+VNs；所述电容14上电压为：—Vin*(1+Ns/Np)；所述电容14放电电流方向相反初始值为：

Ilp＝(VNp+VNs+Vin*(1+Ns/Np))/RL；

由于本发明所述的一种开关电源装置，是一种建立在谐振电路基础上的装置，所述装置同时利用了顺向方式和回扫方式，还利用了谐振电路，来产生高频交流电源，对负载进行驱动，包括：变压器、开关管、(谐振)电容器和脉冲电路等；其中，在开关管的导通阶段，输入电源通过变压器和电容器把能量输出给负载，同时输入电源也把能量储存在变压器中，在开关管截止阶段，储存在变压器中的能量再通过电容器输出给负载。当输入为交流电源时，所述装置还包括EMC滤波器、功率因数补偿和整流器。

Claims (8)

1、一种开关电源装置，其特征在于：包括变压器、开关管、电容和脉冲电路；所述变压器的初级和次级的一端都接入开关管的漏极或集电极，所述变压器的次级的另一端接入所述电容的一端，所述电容的另一端是输出端接入负载的一端，负载的另一端接入输入直流电源的负极或正极，所述变压器的初级的另一端接入输入直流电源的正极，所述开关管的源极或发射机接入输入直流电源的负极，所述开关管的栅极或基极接入所述脉冲电路；

在所述脉冲电路的作用下，所述开关管做开和关的动作，即开关管导通或截止，当所述开关管导通时，所述变压器初级接入输入直流电源，同时所述变压器次级的一端也接入输入直流电源的负极，输入直流电源的能量直接通过所述变压器的次级，再通过所述电容输出给负载，由于所述电容输出的电流在不断减小，在所述开关管导通这个阶段输入直流电源的能量也同时储存在所述变压器中，当所述开关管截止时，所述变压器内部的储能通过所述电容再输出给负载。

2、根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：所述变压器还包括第三个绕组或第四个绕组，用于提供所述脉冲电路的辅助电源和变压器状态的取样；所述脉冲电路根据所述第三个绕组对所述变压器状态的取样，来控制所述开关管的导通和截止的时间。

3、根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于：所述变压器是带气隙的储能电感，而且所述变压器初次级的漏感很小。

4、根据权利要求3所述的开关电源装置，其特征在于：选取所述电容的数值和设计所述变压器初次级的电感值，使其满足谐振的条件，使所述电容与所述变压器谐振，使电源的效率最大化(≧97％)，所述电容采用大纹波电流的高压电容，即低内阻高频高高压电容。

5、根据权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于：所述装置还包括过电压和过温度保护电路，用于保护所述开关管和所述变压器，当所述装置工作异常使加于所述开关管上的电压超高或接近所述开关管的耐压时，所述保护电路通过所述脉冲电路使开关管停止工作，当所述装置工作异常使所述开关管或所述变压器上的温度超高或接近设定值时，所述保护电路通过所述脉冲电路使开关管停止工作。

6、根据权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于：所述装置还包括多个所述电容的并联输出，所述多个电容分别串联多个负载，使多个负载同时并联工作。

7、根据权利要求6所述的开关电源装置，其特征在于：所述装置还包括多路开关，所述多路开关分别接入所述多个电容，所述多路开关输出一路供给负载，通过所述多路开关调节所述装置输出的功率。

8、根据权利要求5或6所述的开关电源装置，其特征在于：当使用市电时，所述装置还包括EMC滤波器、功率因数补偿和整流器，所述EMC滤波器用于电磁兼容，所述功率因数补偿用于时市电高效传输和降低谐波污染电网，所述整流器用于使市电输出直流电源。

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