CN101640484A - 一种基于压电陶瓷变压器的开关电源 - Google Patents

Abstract

一种基于压电陶瓷变压器的开关电源，包括依次连接的输入整流电路、零电压开关转换器、谐振电路、压电变压器、输出整流滤波电路和稳压电路；所述输入整流电路还通过降压电路与控制电路连接，所述控制电路与零电压开关转换器连接；所述稳压电路通过检测反馈电路与控制电路连接；输入整流电路与市电之间还连接有输入滤波电路；所述控制电路包括自激式半桥驱动芯片；所述谐振电路包括电感L1、电感L2和电容C1；电容C1与电感L1串联后与电感L2并联，所述电感L2同时与压电变压器并联。本发明的开关电源体积小，无电磁干扰，转换效率高，在谐振部分、控制部分以及输出稳压部分提出了改进，能提高开关电源的集成度和电压输出精度。

Description

一种基于压电陶瓷变压器的开关电源

技术领域

本发明涉及一种小功率开关电源，特别涉及一种基于压电陶瓷变压器的开关电源。

技术背景

压电陶瓷变压器是属于一种新型的变压器。与传统的电磁变压器式开关电源相比，具有无电磁干扰，也不受电磁干扰、能量转换效率高、功率密度大、耐辐射、耐高温、无噪声、可靠性高、结构简单、不怕短路烧毁、电源安全性高、体积小、重量轻等特点。为此，本发明基于压电陶瓷变压器的新型开关电源可避免传统开关电源的缺点，具有体积小、安全性高、转换效率高、无电磁干扰等优点。

中国专利申请号为：ZL94117775.0公开了一种基于压电陶瓷变压器的电源电路，它利用交流电源经整流稳压，用来提供产生方波的脉宽调制发生器及半桥输出电路的驱动器的直流工作电源，该驱动器提供半桥式功率放大器MOSFET的驱动电压，从而产生作用于压电陶瓷的激励电压，并从压电陶瓷副端感应电极，产生输出交变电压信号，经专用的整流滤波稳压电路，获直流输出信号，其特点在于，由两组电感电容并联谐振成三、五次谐波滤波电路，将半桥输出的方波鉴定为正弦波，并采用于压电陶瓷激励电极并联的补偿电感。

该发明的不足之处在于，用两组电感电容并联谐振成三、五次谐波滤波电路，结构复杂，使得整个装置的谐振部分结构也随之复杂；该发明的控制部分采用了3个控制IC，分别实现直流变换与稳压、提供方波信号和驱动半桥输出电路的功能，电路集成度不高，不利于电路的集成化和小型化；另外，该发明电路通过调节光电耦合器的开通状态控制输出方波，通过调节压电变压器的输出激励电压的频率实现稳压功能，稳压精度难以提高。

发明内容

本实发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种能提高开关电源的集成度和电压输出精度的基于压电陶瓷变压器的新型开关电源。使其具有体积小，无电磁干扰，转换效率高。

为了解决上述技术问题，本发明的一种基于压电陶瓷变压器的开关电源，包括依次连接的输入整流电路、零电压开关转换器、谐振电路、压电变压器、输出整流滤波电路和稳压电路；所述输入整流电路通过降压电路与控制电路连接，所述控制电路与零电压开关转换器连接；所述稳压电路通过检测反馈电路与控制电路连接；输入整流电路与市电之间还连接有输入滤波电路；所述控制电路包括自激式半桥驱动芯片；所述谐振电路包括电感L1、电感L2和电容C1；电容C1与电感L1串联后与电感L2并联，所述电感L2同时与压电变压器并联。

所述输入滤波电路包括EMI滤波器、启动浪涌限制器、浪涌电压抑制器；所述EMI滤波器通过启动浪涌限制器与浪涌电压抑制器连接。

所述启动浪涌限制器为热敏电阻；所述浪涌电压抑制器为两个反向串联的稳压二极管。

所述稳压电路包括基准电压稳压器。

所述压电变压器为降压型压电陶瓷变压器。

所述降压电路包括与控制电路电源端串联的电阻。

所述零电压开关转换器包括两个串联的MOSFET管。

为了减少输出电压的干扰，所述输出整流滤波电路包括EMI滤波器、启动浪涌限制器、浪涌电压抑制器；所述EMI滤波器通过启动浪涌限制器与浪涌电压抑制器连接。

所述检测反馈电路包括光电耦合器，所述光电耦合器检测输出电压的波动来调节自激式半桥驱动器芯片输出频率的大小。

与现有技术相比，本发明的优点在于，首先，采用了自激式半桥驱动芯片，取代了过去的稳压器、方波脉冲发生器和半桥输出电路的驱动器，实现了电路的集成化；其次，采用了输入滤波电路，其包括EMI滤波器、启动浪涌限制器、浪涌电压抑制器，因此在谐振部分，可以取代复杂且效果一般的三、五次谐波滤波电路，而只要采用LLC串并联谐振滤波电路即可，进一步有利于电路的集成化；最后，在输出部分采用了基准稳压电源，通过在基准稳压器上并联光电耦合开关来实时调节压电变压器的激励信号的频率，使得电路输出电压更加精确的稳定在设计要求的电压输出值。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为输入滤波电路、输入整流电路的电路原理图；

图3为零电压开关和谐振电路的电路原理图；

图4为降压电路和控制电路电路原理图；

图5为输出整流滤波电路的电路原理图；

图6为检测反馈电路的控制原理图；

图7为输出部分的稳压电路与检测反馈电路的电路原理图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。

本发明的原理框图如图1所示，包括依次连接的输入整流电路2、零电压开关转换器3、谐振电路4、压电变压器5、输出整流滤波电路6和稳压电路7；所述输入整流电路2还通过降压电路10与控制电路9连接，所述控制电路9与零电压开关转换器3连接；所述稳压电路7通过检测反馈电路8与控制电路9连接；输入整流电路2与市电之间连接有输入滤波电路1。

图2为输入滤波电路1、输入整流电路2的电路原理图。本实用新型采用市电220V交流电直接供电，输入滤波电路1由三个部分组成：即EMI滤波器、启动浪涌电流限制器、浪涌电压抑制器；具体实施例中，在EMI滤波器后面串联一个热敏电阻Rt，热敏电阻Rt起到启动浪涌电流限制器的作用，当启动浪涌电流过大时，热敏电阻Rt发热，阻值增大，防止启动浪涌电流过大。热敏电阻Rt后并联两个反向串联的稳压二极管D1、D2，两个反向串联的稳压二极管起到浪涌电压抑制器的作用，能抑制浪涌电压过大，保护系统本身。

图3为零电压开关3和谐振电路4的电路原理图。该电路包括两个部分，一个零电压开关3和一个LLC串并联谐振电路4。零电压开关3由两个MOSFET管构成，两路驱动信号由自激式半桥驱动器芯片提供，采用固定开关死区的互补PWM控制方式，即两个信号占空比各位50％；LLC串并联谐振电路4，由两个电感和一个电容，即电感L1、电感L2和电容C1组成；电容C1与电感L1串联后与电感L2并联，所述电感L2同时与压电变压器5并联。两个MOSFET管组成上下桥臂，中间接隔直电容，压电陶瓷变压器5通过一个电感和一个电容串联到电源副端。

图4为降压电路10和控制电路9的电路原理图。本实施例采用自激式半桥驱动器芯片实现控制电路9的功能，所述自激式半桥驱动器芯片为由两个MOSFET管构成的零电压开关3提供两路驱动信号。由于电源系统由市电220V交流电供电，经稳压之后还是220V，而自激式半桥驱动器芯片的供电电压是15V，因此，为了实现其15V供电，本系统的降压电路7为在自激式半桥驱动器芯片及电源之间串联一个大电阻R，达到降压的作用。

图5为输出整流滤波电路6的电路原理图。压电陶瓷变压器5激振后，产生正弦波的高频电压输出，因此该部分的整流滤波与输入部分相似，只不过整流桥采用了快速整流二极管，滤波电容选用高频电解电容器，并选用允许在一定磁场强度下工作的电感。滤波部分，采用一个两级LC滤波器，有效地限制差模干扰，提高了高频噪声的抑制效果。

图6为检测反馈电路8的控制原理图。反馈控制部分功能的实现原理为：压电陶瓷变压器随着工作环境的变化，其谐振频率会不断漂移。该部分即为频率跟踪，就是通过检测压电陶瓷变压器的输出部分之后的电信号的变化，调节LLC串并联谐振变换器的频率，使得频率跟压电陶瓷变压器的谐振频率基本一致。本实用新型采用光电耦合开关，通过检测压电陶瓷变压器的输出电压变换情况而改变自激式半桥驱动器芯片的谐振电路中电阻的阻值，从而改变自激式半桥驱动器芯片输出信号的频率，即改变了LLC串并联谐振变换器的激振频率。

图7为输出部分的稳压电路7与检测反馈电路8的电路原理图。输出稳压部分的实现：采用基准电压稳压器，其基准电压Vref稳定在2.5V，输出电压可以通过公式 $\mathrm{Vout}=\mathrm{Vref}\·(1+\frac{R1}{R2})$ 算出，改变R1、R2的值，就可以得到不同的电压输出。例如，采用R1＝3.6K欧，R2＝0.947K欧，得到输出电压Vout＝12V。反馈控制部分的实现：压电陶瓷变压器随着工作环境的变化，其谐振频率会不断漂移。该部分即为频率跟踪，就是通过检测压电陶瓷变压器的输出部分之后的电信号的变化，调节LLC串并联谐振变换器的频率，使得频率跟压电陶瓷变压器的谐振频率基本一致。本发明采用光电耦合开关，通过检测压电陶瓷变压器的输出电压变换情况而改变自激式半桥驱动器芯片的RC谐振电路中电阻的阻值，从而改变自激式半桥驱动器芯片输出信号的频率，即改变了LLC串并联谐振变换器的激振频率。

Claims (9)

1、一种基于压电陶瓷变压器的开关电源，包括

依次连接的输入整流电路(2)、零电压开关转换器(3)、谐振电路(4)、压电变压器(5)、输出整流滤波电路(6)和稳压电路(7)；

所述输入整流电路(2)还通过降压电路(10)与控制电路(9)连接，所述控制电路(9)与零电压开关转换器(3)连接；所述稳压电路(7)通过检测反馈电路(8)与控制电路(9)连接；

其特征在于：输入整流电路(2)与市电之间还连接有输入滤波电路(1)；所述控制电路(9)包括自激式半桥驱动芯片；所述谐振电路(4)包括电感L1、电感L2和电容C1；电容C1与电感L1串联后与电感L2并联，所述电感L2同时与压电变压器(5)并联。

2、根据权利要求1所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述输入滤波电路(1)包括EMI滤波器、启动浪涌限制器、浪涌电压抑制器；所述EMI滤波器通过启动浪涌限制器与浪涌电压抑制器连接。

3、根据权利要求2所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述启动浪涌限制器为热敏电阻；所述浪涌电压抑制器为两个反向串联的稳压二极管。

4、根据权利要求3所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述稳压电路(7)包括基准电压稳压器。

5、根据权利要求4所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述压电变压器(5)为降压型压电陶瓷变压器。

6、根据权利要求5所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述降压电路(10)包括与控制电路(9)电源端串联的电阻。

7、根据权利要求6所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述零电压开关转换器(3)包括两个串联的MOSFET管。

8、根据权利要求7所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述输出整流滤波电路(6)包括EMI滤波器、启动浪涌限制器、浪涌电压抑制器；所述EMI滤波器通过启动浪涌限制器与浪涌电压抑制器连接。

9、根据权利要求8所述的基于压电陶瓷变压器的开关电源，其特征在于：所述检测反馈电路(8)包括光电耦合器，所述光电耦合器检测输出电压的波动来调节自激式半桥驱动器芯片输出频率的大小。

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