CN102185472A - 间接高宽输入电压的开关电源 - Google Patents
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Abstract
一种开关电源技术领域的间接高宽输入电压的开关电源，包括：降压变换器和反激变换器，降压变换器将输入高压转换为稳定的下限电压，反激变换器将下限电压转换为单路或多路低压工作电源供控制电路使用。本发明实现高压直流～低压直流变换，适合高宽输入电压，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种开关电源技术领域的装置，具体是一种间接高宽输入电压的开关电源。
背景技术
高压变频调速、电力仪表检测、海底电缆等应用领域的电压等级高且变化范围宽，使得这些领域采用的开关电源设计思路必须相应改变。对于一般的开关电源设计，其适应的输入电压范围较小，不能满足这些特殊的工业应用场合。电力系统检测仪表电源的输入电压范围为交流90～600V，海底电缆电源输入电压范围为交流1500～2000V，工业变频器电源输入电压范围为交流140～800V。由于这些领域比较特殊，因此对其开关电源的研究与设计比较少，随着应用的增加以及对其开关电源性能要求的增加，高宽输入电压的开关电源研究已成为新的课题。主要追求的目标为采用新型开关器件和优化高频变压器设计，具有较强的变压变频能力，以便支持更高宽的输入电压，维持较高的变换效率，获得体积小、输出功率大于100W、多路隔离输出的优点，同时具有齐全的保护功能，如过压保护和过流保护。
经过对高宽输入电压的开关电源现有技术的检索，发现主要有以下文献，它们的主要技术特征如下：
[1]实用新型专利.具有宽输入电压范围的开关电源.专利号：02271250.X.授权公告日：2003年5月21日.具有电压补偿功能，次级绕组增加线性稳压器，交流输入电压30-550V，无输出电压反馈。
[2]实用新型专利.一种用于宽输入电压范围的开关电源电路.专利号：200920060249.6，授权公告日：2010.3.3.具有两级反激级联电路，可以减低占空比的变化范围；
[3]实用新型专利.一种宽输入电压范围的电源模块.申请号：200710162358.4，公开日：2009.4.1.采用半控逆变器，低压时两个变换器输出并联，高压时两个变换器输出串联，两个变换器输入串联均压；
[4]Marty Brown.Very wide input voltage range，off～line flyback switching power supply.On Semiconductor AN1327/D.www.onsemi.com.利用压控振荡器的控制，实现高宽输入电压。输入电压变化时，变压器反馈绕组的电压相应变化，改变振荡频率。直流输入电压120-854V。
[5]US5621629.Switching power supply for use in an electronic energy meter having a wide range of input voltages.交流输入电压96-528V，开关电源前采用两级线性稳压来钳位。
综合以上，对高宽输入电压的开关电源现有技术的检索发现，都没有充分开发利用好反激开关电源，输入电压范围尤其上限仍然较低，随输入电压而变压变频性能有限。反激开关电源中的高频变压器磁设计是关键，输入电压过高或过低，开关变压器的设计难度加重，影响变压器的磁路设计，同时由于效率过低和电压等级过高，功率MOSFET的选型非常难，散热处理较差。高压大电流的功率MOSFET的可选产品较少，同样电流能力的功率MOSFET，电压等级越高管压降越大，效率越低。输入电压波动范围越大，同时兼顾高低压，还要达到优化设计，没有理论支持。电压过高，占空比过小，磁芯损耗越大。电压过低，占空比过大，导通损耗越大。因此需要一种恒压低压输入的开关电源，使得整个开关电源的设计与现有成熟和优化的开关电源设计相同。如何设计一种结构简单、功能全面、适合高宽输入电压的开关电源，已成为本领域技术人员需要解决的问题。“间接高宽输入电压的开关电源”的设计方案就是其中一种合理考虑，而且主要是面向更高更宽的输入电压范围，即直流电压170V下限电压-1400V上限电压，变比为1∶18.2。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种间接高宽输入电压的开关电源，实现高压直流～低压直流变换，适合高宽输入电压，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：降压变换器和反激变换器，其中：降压变换器将输入高压转换为稳定的下限电压，反激变换器将下限电压转换为单路或多路低压工作电源供控制电路使用。
所述的降压变换器包括：均压电路及与之串联的第一电源电路、控制电路、反馈电路、第二电源电路和功率电路，其中：均压电路由两个串联的电解电容和各自并联的均压电阻组成，该串联的电解电容的阳极和阴极分别与输入直流电压正极和负极相连，第一电源电路由四个串联的分压电阻、稳压二极管和半波整流电路组成，控制电路为具有电压检测和电流检测功能的模拟控制器实现，反馈电路由四个串联的分压电阻组成，第二电源电路由四个串联的分压电阻、稳压二极管、半波整流电路组成，功率电路由电感、电解电容、续流二极管和功率开关组成。
所述的反激变换器为单端反激开关电源，由降压变换器输出的下限电压供电，具备两个相互隔离的次级绕组，分别为第一电源电路和第二电源电路供电。
本发明根据合适等级的恒定电压供电的反激开关电源具有效率高、设计简单、选型灵活的优势，设计利用将高宽范围输入电压通过前级降压变换器转换为一合适等级的低压电压，如输入电压的下限电压，利用成熟的单端反激开关电源技术，设计间接高宽范围输入电压的开关电源，为了简化降压变换器的设计，功率开关置于直流电压的低端，设置前后两个参考地GND1和GND2，克服直接高宽输入电压的反激开关电源的各种不足，适合更高宽输入电压～低压电源输出、功率150W以下的各种应用场合，具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例包括：降压变换器1和反激变换器2，其中：降压变换器1通过均压电路、第一电源电路、控制电路、反馈电路、第二电源电路和功率电路，将输入电压转换为输入电压的下限电压，反激变换器2为标准的单端反激开关电源，将输入的下限电压转换为低电压电源，供控制电路使用，同时提供两个次级绕组为降压变换器1中第一电源和第二电源供电。
所述的降压变换器包括：均压电路E1、E2、R1、R2和后续的第一电源电路R3、R4、R5、R6、ZD1、C1、E3、D1、R7、控制电路U1、反馈电路R8、R9、R10、R11、U2、第二电源电路R12、R13、R14、R15、ZD2、C2、E4、D2、R16和功率电路S1、L1、E5、D3，其中：均压电路由两个串联的电解电容E1、E2和各自并联的均压电阻R1、R2组成，串联后的阳极和阴极分别与输入直流电压正极+和负极～相连；第一电源电路由四个串联的分压电阻R3、R4、R5、R6、稳压二极管ZD1和半波整流电路C1、E3、D1、R7组成；控制电路为模拟控制器，如UCC3524、TL494，输入电压反馈VF3和电流反馈CF1；反馈电路由四个串联的分压电阻R8、R9、R10、R11和线性隔离放大器U2，如HCPL7520组成；第二电源电路由四个串联的分压电阻R12、R13、R14、R15、稳压二极管ZD2、半波整流电路C2、E4、D2、R16组成；功率电路由电感L1、电解电容E5、续流二极管D3和功率开关S1组成。
所述的反激变换器2为单端反激开关电源，由降压变换器输出的下限电压供电，具备两个相互隔离的次级绕组W1、W2，二者绝缘强度可以为输入电压的最大值，分别为第一电源电路和第二电源电路供电。
以电力电子变压器为例，本实施例的参数为：输入直流上限电压1400V，输出直流电压为多路如±24V、±15V、±12V、±5、±3.3V等，额定总功率为100W。
高压上限电压器件：
电解电容E1与E2：750V，10μF；
电阻R1、R2：470kΩ，2W；
电阻R3、R4、R5：470kΩ，2W；
绕组W1、W2：W1、W2根据反激变换器优化设计而定；
低压下限电压器件：
电阻R8、R9、R10：100kΩ，1/4W，插件；
电阻R12、R13、R14：100kΩ，1/4W，插件；
电解电容E5：220V，220μF，插件；
功率开关S1：BIMOSFET，2500V耐压，5A，100℃；
快速恢复二极管D3：2500V，2A，100℃，如IXBH2N250；
反激变换器：常规单端反激开关电源；
低压控制电压器件：
快速恢复二极管D1、D2：如UF4007，插件；
稳压二极管ZD1、ZD2：5V，插件；
交流电容C1、C2：50V，0.1μF，贴片；
电解电容E3、E4：50V，220μF，插件；
PWM发生器U1：如UC2843，TL494，UCC3524，开关频率为5kHz；
线性隔离放大器U2：如HCPL7520；
电阻R6、R7：10kΩ，2W；
电阻R11：90Ω，1/8W，贴片；
电阻R15：20kΩ，1/8W，贴片
电阻R16：2Ω，2W，插件；
本实施例中所述的降压变换器1和反激变换器2组成间接高宽输入电压的开关电源，其作用是通过特殊设计的降压变换器获得容易处理的低压输出电压，使得后级反激变换器的设计与成熟的传统单端反激电源设计一致，获得优秀的变换器性能。
本实施例中：直流输入电压高宽范围，例如上限电压1400V，下限电压170V。输出低压直流电压，如±24V、±15V、±12V、±5、±3.3V等。降压变换器部分的器件选择按照上限电压考虑，反激变换器部分的器件选择按照下限电压考虑，但是为降压变换器提供第一电源和第二电源的两个次级绕组的绝缘强度应该考虑上限电压。
Claims (7)
1.一种间接高宽输入电压的开关电源，包括：降压变换器和反激变换器，其中：降压变换器将输入高压转换为稳定的下限电压，反激变换器将下限电压转换为单路或多路低压工作电源供控制电路使用，其特征在于：所述的降压变换器包括：均压电路及与之串联的第一电源电路、控制电路、反馈电路、第二电源电路和功率电路。
2.根据权利要求1所述的间接高宽输入电压的开关电源，其特征是，所述的均压电路由两个串联的电解电容和各自并联的均压电阻组成，该串联的电解电容的阳极和阴极分别与输入直流电压正极和负极相连。
3.根据权利要求1所述的间接高宽输入电压的开关电源，其特征是，所述的第一电源电路由四个串联的分压电阻、稳压二极管和半波整流电路组成。
4.根据权利要求1所述的间接高宽输入电压的开关电源，其特征是，所述的控制电路为具有电压检测和电流检测功能的模拟控制器实现。
5.根据权利要求1所述的间接高宽输入电压的开关电源，其特征是，所述的反馈电路由四个串联的分压电阻组成。
6.根据权利要求1所述的间接高宽输入电压的开关电源，其特征是，所述的第二电源电路由四个串联的分压电阻、稳压二极管、半波整流电路组成，功率电路由电感、电解电容、续流二极管和功率开关组成。
7.根据权利要求1所述的间接高宽输入电压的开关电源，其特征是，所述的反激变换器为单端反激开关电源，由降压变换器输出的下限电压供电，具备两个相互隔离的次级绕组，分别为第一电源电路和第二电源电路供电。
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