CN102035392A

CN102035392A - 宽输入电压范围正激式开关电源

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Publication number: CN102035392A
Application number: CN2010105899434A
Authority: CN
Inventors: 翁大丰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: CN102035392B

Abstract

本发明公开了一种宽输入电压范围正激式开关电源，由谐振式复位正激式功率开关电路以及有源开关的最大动态导通时间控制器组合而成；谐振式复位正激式功率开关电路为在常规的正激式功率开关电路基础上在副边整流二极管D1并联一谐振电容Cr；当正激式功率开关电路的有源功率开关M截止时，开关变压器T1的激磁电感Lm与并联谐振电容Cr谐振，从而使开关变压器T1的激磁电流经副边整流二极管D1和D2由正复位到负；开关变压器T1由第一象限复位到第三象限为下一开关周期作准备；有源开关的最大动态导通时间控制器是用来控制所述开关变压器T1的最大伏秒乘积为一常数。本发明的宽输入电压范围正激式开关电源具有高性价比的性能。

Description

宽输入电压范围正激式开关电源

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及隔离式直流-直流和交流-直流变换器。更具体地说，本发明涉及一种新高性能低价格的隔离式直流-直流和交流-直流开关电源。

背景技术

在中小功率直流-直流和交流-直流隔离式开关电源应用中，最常用的拓扑电路结构是反激式电路和正激式电路。它们具有各自的优缺点。通常根据实际应用的要求来选择合适的拓扑电路结构。

在反激式电路中，通常一个磁性元件用来完成输入输出的隔离以及能量的传输及控制。该磁性元件是以一耦合电感的形式来实现输入输出的隔离，即，原边与付边隔离，以及能量的传输及控制。由于经耦合电感传输的电流不连续，需要一比较大的输出电容来平滑该输出电流。这使得反激式电路在高输出电流的直流-直流和交流-直流隔离式开关电源应用中，其整体系统效率比较低。在反激式电路中，其原边的有源开关的导通截止控制相应的输出功率大小。其付边的二极管或同步整流二极管是将由这耦合电感所传输的相应的交流功率转换成直流功率。原边的有源开关所承受最高电压是其输入最高电压Vin加上这耦合电感的复位电压Vrefl。耦合电感的复位电压Vrefl是付边输出电压Vo经这耦合电感匝比N产生。由于耦合电感的复位电压Vrefl是由输出电压Vo和耦合电感匝比N的乘积决定，它与反激式电路的输入电压无关。这对宽输入电压范围直流-直流和交流-直流隔离式开关电源应用而言，将十分有利选择合适性价比的有源功率开关器件。

在正激式电路中，通常有两个磁性元件分别用来完成输入输出的隔离和能量的传输及控制。用于完成输入输出的隔离的磁性元件是一开关变压器。用于来完成输入输出的隔离，即，原边与付边隔离。能量的传输及控制的磁性元件是一电感，即输出电感。由于电感的特性，其输出电流将是一平滑输出电流。其输出电容值可大大地降低。这使得正激式电路在高输出电流的直流-直流和交流-直流隔离式开关电源应用中，其整体系统效率高。在正激式电路中，其原边的有源开关的导通截止控制相应的输出功率大小；其付边的二极管或同步整流二极管以及输出电感是将由开关变压器所传输的相应的交流功率转换成直流功率。

由于在正激式电路中，输入输出的隔离是以开关变压器来完成。开关变压器有一磁场复位的要求。通常有若干种方法来完成，如：有源箝位复位、电阻电容二极管网络复位、复位绕组复位、以及谐振复位。

如图1所示，有源箝位复位能使开关变压器高效地在第一和第三象限复位，但需额外功率开关，且电路复杂。在有源箝位复位中，开关变压器原边绕组最大复位电压Vrefl由输入电压Vin和原边绕组的有源开关的导通占空比决定的。当其占空比小于等于0.5，其最大电压是Vin。随着其占空比减小这复位电压也减小。

如图2所示，电阻电容二极管网络复位能使开关变压器在第一象限复位。但复位能量是由这电阻电容二极管网络吸收而使其复位效率低。在电阻电容二极管网络复位中，开关变压器原边绕组最大复位电压Vrefl是由输入电压Vin和原边绕组的有源开关的导通占空比决定的。当其占空比小于等于0.5，其最大电压是Vin。随着其占空比减小这复位电压也减小。

如图3所示，复位绕组复位能使开关变压器高效地在第一象限复位。这复位能量是经复位绕组反馈到输入电源因此其复位效率高。在复位绕组复位中，开关变压器原边绕组最大复位电压Vrefl是由输入电压Vin决定的，即为Vin，当其占空比小于等于0.5，它与其占空比大小无关。

如图4所示，谐振复位能使开关变压器高效地在第一和第三象限复位，其复位时间是由其谐振半周期决定。谐振复位的电路结构是最简单的。在谐振复位复位中，开关变压器原边绕组最大复位电压Vrefl是由输入电压Vin和原边绕组的有源开关的导通时间以及开关变压器的激磁电感和外电路构成的谐振电容决定的。

对比反激式电路和正激式电路的磁性元件的复位电压，在反激式电路中，复位电压Vrefl是独立与输入电压Vin，而在正激式电路中，复位电压Vrefl是与输入电压Vin相关。如果能够使得正激式电路的磁性元件的最大复位电压Vrefl独立于输入电压Vin，这能使得正激式电路的有源功率开关的最大承受电压与反激式电路的有源功率开关的最大承受电压相当。从而使得正激式电路有更佳的性价比。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种宽输入电压范围正激式开关电源，其是从正激式电路的谐振复位出发，加上相应的控制使得其开关变压器的最大复位电压独立于输入电压Vin；从而有效地控制正激式电路的有源功率开关的最大承受电压；本发明的宽输入电压范围正激式开关电源能达到高性价比的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种宽输入电压范围正激式开关电源，由谐振式复位正激式功率开关电路以及有源开关的最大动态导通时间控制器组合而成；

谐振式复位正激式功率开关电路为在常规的正激式功率开关电路基础上在付边整流二极管D1并联一谐振电容Cr；当正激式功率开关电路的有源功率开关M截止时，开关变压器T1的激磁电感Lm与并联谐振电容Cr谐振，从而使开关变压器T1的激磁电流经付边整流二极管D1和D2由正复位到负；开关变压器T1由第一象限复位到第三象限为下一开关周期作准备。

有源开关的最大动态导通时间控制器是用来控制所述开关变压器T1的最大伏秒乘积为一常数。因此，有源开关的最大动态导通时间控制器有多种实现方法。

作为本发明的宽输入电压范围正激式开关电源的一种改进：有源开关的最大动态导通时间控制器包括由电阻Rt、电容Ct和开关S构成的可复位积分器；电阻Rt与输入电压Vin相连；输入电压Vin经电阻Rt产生相应的随输入电压Vin变化的电流源，所述电流源对电容Ct充电；与电容Ct并联的开关S对电容Ct提供放电回路，开关S受控于R-S触发器，R-S触发器分别受控于比较器和输入的PWM控制信号。

作为本发明的宽输入电压范围正激式开关电源的另一种改进：有源开关的最大动态导通时间控制器由开关变压器T1绕组Nt电压为输入；所述开关变压器T1绕组Nt瞬时电压值经压控电流源It将所述开关变压器T1绕组Nt瞬时电压转换为一相应的瞬时电流源It，电流源It对电容Ct充电。

本发明中的谐振式复位正激式功率开关电路，其开关变压器的最大复位电压Vrefl是由开关变压器T1的激磁电感Lm所储存的电流能量经谐振复位转换成并联谐振电容Cr所储存的最大电压能量来表征。经数学推导可知，开关变压器T1的最大复位电压Vrefl是与输入电压Vin与有源功率开关M导通时间的乘积成线性关系，也就是说，是与开关变压器的T1伏秒乘积成线性关系。显然，如果开关变压器T1的伏秒乘积能控制为一常数，开关变压器T1的最大复位电压Vrefl也是一常数而独立于输入电压Vin。

本发明的优点是对固定的开关变压器T1的激磁电感Lm及谐振电容Cr而言，宽输入电压范围的谐振式复位正激式开关变压器的最大开关变压器的复位电压是一常数。它独立于输入电压，它与反激式电路的耦合电感的复位电压Vrefl一样与输入电压无关。这对宽输入电压范围直流-直流和交流-直流隔离式开关电源应用而言，这将十分有利选择合适性价比的有源功率开关器件。

本发明的优点是这种谐振式复位正激式开关变压器的最大开关变压器的复位电压是一独立于输入电压的常数。这使得很容易利用这正激式开关变压器的附加绕组来产生一稳定的复位电压作为偏置电压给相应的控制集成电路芯片供电。

本发明的优点是这种谐振式复位正激式开关变压器其复位时刻是在当正激式功率开关电路的有源功率开关M截止时，并在当正激式功率开关电路的有源功率开关M导通之前，这样开关变压器已由第一象限复位到第三象限为下一开关周期作准备。也就是说，这谐振式复位不影响系统的环路调节。

本发明的优点是由谐振式复位正激式功率开关电路和有源开关的最大动态导通时间控制器组合而成的宽输入电压范围正激式开关电源，其功率电路相当简单，其整体电源系统实现成本也低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是现有有源箝位复位正激式电路。

图2是现有电阻电容二极管网络复位正激式电路。

图3是现有复位绕组复位正激式电路。

图4是现有谐振复位正激式电路。

图5是本发明的宽输入电压范围正激式开关电源原理方框图；虚线方框内是对应于输入电压的有源开关的最大动态导通时间控制器。

图6是本发明的宽输入电压范围正激式开关电源原理方框图；虚线方框内是对应于开关变压器绕组电压的有源开关的最大动态导通时间控制器。

图7是本发明的宽输入电压范围正激式开关电源具体实例电路图，虚线方框内是对应于输入电压的有源开关的最大动态导通时间控制器。

图8是本发明的宽输入电压范围正激式开关电源具体实例电路图，虚线方框内是对应于开关变压器绕组电压的有源开关的最大动态导通时间控制器。

具体实施方式

本发明的宽输入电压范围正激式开关电源具体实例电路如图7所示。整个电路可分成两部分。其一是谐振式复位正激式功率开关电路，其二是有源开关的最大动态导通时间控制器(虚线框内部分)根据输入电压瞬时电压值来控制这开关变压器的伏秒乘积为一常数。

谐振式复位正激式功率开关电路是在通常的正激式功率开关电路的基础上在付边整流二极管D1并联一谐振电容Cr(如图4所示)。

这样，当正激式功率开关电路的有源功率开关M截止时，开关变压器T1的激磁电感Lm可与这并联谐振电容Cr谐振，从而使开关变压器T1的激磁电流经付边整流二极管D1和D2由正复位到负。这样开关变压器T1由第一象限复位到第三象限为下一开关周期作准备。这开关变压器T1的最大复位电压Vrefl是由这激磁电感Lm所储存的电流能量经这谐振复位转换成这并联谐振电容Cr所储存的最大电压能量来表征。经数学推导可知，这开关变压器的最大复位电压Vrefl是与输入电压Vin与有源功率开关M导通时间的乘积成线性关系，也就是说，是与这开关变压器的伏秒乘积成线性关系。显然，如果这开关变压器的伏秒乘积能控制为一常数，开关变压器的最大复位电压Vrefl也是一常数而独立于输入电压Vin。

如何控制这开关变压器的伏秒乘积为一常数正是由有源开关的最大动态导通时间控制器来完成。具体控制这开关变压器的最大伏秒乘积为一常数的有源开关的最大动态导通时间控制器可有多种电路实现方法。图7的虚线框内部分给出一种电路实现方法，具体如下：

电阻Rt，电容Ct和开关S构成一可复位积分器。电阻Rt与输入电压Vin相连。该输入电压Vin经电阻Rt产生相应的随输入电压Vin变化的电流源，该电流源对电容Ct充电。与电容Ct并联的开关S对电容Ct提供放电回路，即，完成积分器的复位功能。开关S受控于R-S触发器。R-S触发器分别受控于比较器和输入的PWM控制信号。当输入的PWM为“1”电平，R-S触发器置“0”，开关S截止，输入电压经电阻Rt对电容Ct充电。电容Ct电压从零线性增长。经过时间Ton，电容Ct电压大于或等于比较器的阀电平，比较器输出“1”电平。比较器的输出“1”电平使R-S触发器置“1”经与门而使有源开关M关断，同时又使开关S导通。电容Ct可经开关S放电到零。显然对一固定比较器的阀电平而言，这时间Ton是随输入电压Vin反比变化，即，经有源开关M导通开关变压器T1上的伏秒乘积为一常数。显然Rt-Ct时间常数决定该开关变压器T1上的伏秒乘积，也就是说根据所设计的最大开关变压器T1的复位电压，可根据上述公知的数学推导设计相应开关变压器上的最大伏秒乘积。根据该设计而得的开关变压器T1的伏秒乘积，可计算出相应的Rt-Ct时间常数。由于有源开关的最大动态导通时间控制器控制，开关变压器T1上的伏秒乘积为常数。对固定的开关变压器的激磁电感Lm及谐振电容Cr而言，宽输入电压范围的谐振式复位正激式开关变压器的最大开关变压器的复位电压是一常数。它独立于输入电压，它与这反激式电路的耦合电感的复位电压Vrefl一样与输入电压无关。这对宽输入电压范围直流-直流和交流-直流隔离式开关电源应用而言，这将十分有利选择合适性价比的有源功率开关器件。

本发明的高性价比直流-直流宽输入电压范围正激式开关电源另一具体实例电路如图8所示。整个电路可分成两部分。其一是谐振式复位正激式功率开关电路，其二是有源开关的最大动态导通时间控制器(虚线框内部分)根据开关变压器瞬时电压值以控制这开关变压器的伏秒乘积为一常数。

这谐振式复位正激式功率开关电路是与图7所示的谐振式复位正激式功率开关电路相同。有源开关的最大动态导通时间控制器(虚线框内部分)是由开关变压器T1绕组Nt电压为输入。这开关变压器T1绕组Nt瞬时电压值经压控电流源It将该开关变压器T1绕组Nt瞬时电压转换为一相应的瞬时电流源It，即，当有源开关M导通时这压控电流源It有与开关变压器T1绕组Nt瞬时电压相应的瞬时输出电流。电流源It对电容Ct充电。与图7对比，压控电流源It的作用与电阻Rt相当。如何控制这开关变压器的伏秒乘积为一常数与图7所示电路工作原理相同。当输入的PWM为“1”电平，R-S触发器置“0”，开关S截止，这压控电流源It对电容Ct充电。这电容Ct电压从零线性增长。经过时间Ton，电容Ct电压大于等于比较器的阀电平，比较器输出“1”电平。比较器的输出“1”电平使R-S触发器置“1”经与门而使有源开关M关断，同时又使开关S导通。电容Ct可经开关S放电到零。显然对一固定比较器的阀电平而言，时间Ton是随开关变压器绕组电压反比变化。由于有源开关的最大动态导通时间控制器控制，这开关变压器上的伏秒乘积为常数。对固定的开关变压器的激磁电感Lm及谐振电容Cr而言，宽输入电压范围的谐振式复位正激式开关变压器的最大开关变压器的复位电压是一常数。它独立于输入电压，它与这反激式电路的耦合电感的复位电压Vrefl一样与输入电压无关。这对宽输入电压范围直流-直流和交流-直流隔离式开关电源应用而言，这将十分有利选择合适性价比的有源功率开关器件。

对正激式开关电源电路而言，这是具有隔离功能的降压开关电路。由降压开关电路可知，其输入Vin和输出Vo之间关系是：

V_IN·D＝N·V_O

其中，D是有源开关M导通的占空比，N是开关变压器原付边匝比。对固定开关频率而言，Vin*D对应开关变压器的伏秒乘积。也就是说，这降压开关电路的输入输出关系对应于开关变压器T1的伏秒乘积。对于所需要的稳态输出电压Vo而言，只需控制开关变压器T1的伏秒乘积为一对应的常数来保证输出所需的输出电压Vo。

对照要使该开关变压器的最大复位电压Vrefl是一常数而独立于输入电压Vin的控制原理是：控制该开关变压器的伏秒乘积为一相应的常数；要通过系统闭环调节而使稳态输出电压Vo为一期望值，该系统闭环调节是使开关变压器的伏秒乘积为一对应的常数来保证输出所需的输出电压Vo；这两者的控制目标是一致的，即，控制这开关变压器的伏秒乘积为常数。只是这两者所对应的伏秒乘积数值不同而已。

在实际设计应用中，由于系统环路调节所产生的这宽输入电压范围正激式开关电源的有源功率开关的导通时间通常是小于这开关变压器的最大伏秒乘积所对应的导通时间。也就是说，这开关变压器的复位电压将小于这开关变压器的最大复位电压；更进一步地说，这保证输出所需的稳态输出电压Vo所对应的开关变压器的伏秒乘积数值小于开关变压器的最大复位电压Vrefl所对应的这开关变压器的伏秒乘积数值。仅仅当系统环路动态调节所产生的这宽输入电压范围正激式开关电源的有源功率开关的导通时间对应与这开关变压器的最大伏秒乘积所对应的导通时间，这时，这开关变压器的复位电压达到最大复位电压。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.宽输入电压范围正激式开关电源，其特征是：由谐振式复位正激式功率开关电路以及有源开关的最大动态导通时间控制器组合而成；

所述谐振式复位正激式功率开关电路为在常规的正激式功率开关电路基础上在付边整流二极管D1并联一谐振电容Cr；当正激式功率开关电路的有源功率开关M截止时，开关变压器T1的激磁电感Lm与并联谐振电容Cr谐振，从而使开关变压器T1的激磁电流经付边整流二极管D1和D2由正复位到负；开关变压器T1由第一象限复位到第三象限为下一开关周期作准备；

所述有源开关的最大动态导通时间控制器是用来控制所述开关变压器T1的最大伏秒乘积为一常数。

2.根据权利要求1所述的宽输入电压范围正激式开关电源，其特征是：所述有源开关的最大动态导通时间控制器包括由电阻Rt、电容Ct和开关S构成的可复位积分器；电阻Rt与输入电压Vin相连；输入电压Vin经电阻Rt产生相应的随输入电压Vin变化的电流源，所述电流源对电容Ct充电；与电容Ct并联的开关S对电容Ct提供放电回路，开关S受控于R-S触发器，R-S触发器分别受控于比较器和输入的PWM控制信号。

3.根据权利要求1所述的宽输入电压范围正激式开关电源，其特征是：所述有源开关的最大动态导通时间控制器由开关变压器T1绕组Nt电压为输入；所述开关变压器T1绕组Nt瞬时电压值经压控电流源It将所述开关变压器T1绕组Nt瞬时电压转换为一相应的瞬时电流源It，电流源It对电容Ct充电。