CN102480229A - 一种等比降压开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种等比例降压开关电源，开关电源包括输入滤波模块、功率变换主模块、输出滤波模块、辅助供电模块和主控制模块，输入滤波模块连接在功率变换主模块的输入端，输出滤波模块连接在功率变换主模块的输出端，功率变换主模块包括串联的开关管和续流电感，主控制模块检测续流电感的输出电流，并根据续流电感的输出电流控制开关管的工作，辅助供电模块给主控制模块供电。本发明中使用软开关电路，效率明显提高，且不需要串联降压电路的大散热器，降低了产品的成本。本发明在输出主回路有续流电感，解决了串联降压电源驱动容性负载冲击大的问题，明显增强了驱动容性负载能力，且电路结构简单。

Description

一种等比降压开关电源

技术领域

本发明公开一种开关电源，特别是一种等比例降压开关电源。

背景技术

晶体管(或称为开关管)是现有技术中的开关电源的常用的开关器件，由于目前晶体管本身性能限制，使得开关电源的输入电压一般在800Vdc以下。为了解决高压控制电路供电问题，一般需要先将输入高压电源降压，然后再经过开关电源给控制电路供电。目前的开关电源的降压电路一般使用等比例降压技术，这样控制电路可以通过采集等比降压后相对较低的电压来计算出高压输入电压值。现有技术中的高压等比降压电源一般使用串联降压电路，这类降压电路的效率低、发热量大，因此需要很大的散热器，而且串联降压电路的输出功率一般都只能在50w以下，如果负载需要的功率超过50w，就需要多个串联降压板，使开关电源的成本和体积都增加。

另外由于等比降压电源负载多为开关电源，请参看附图1，开关电源输入侧通常连接有很大的滤波电容C1，所以上电启动时，滤波电容C1上电压为零，此时输入电压(VIN电压)全部加到开关管Q1上，电流迅速变大，使开关管Q1进入线性区，短时间产生大量的热，开关管Q1会受到很大的电流冲击，易瞬间过流损坏。传统的降压式开关电源输入输出的降低的电压全部消耗在开关管Q1上，所以开关管Q1会比较热，使得一般开关管Q1需要较大散热器，成本增加。由于Buck电路(即降压式变换电路)的输入电压为高压1200Vdc，开关管Q1关断时，由于驱动变压器寄生电容和寄生电感影响，会在开关管Q1的GS两端间产生正极性电压，导致开关管Q1关断过程中进入饱和区，关断电压波形出现平台，造成损耗过大。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的高压等比降压电源效率低、热量大、功率小、抗冲击差等缺点，本发明提供一种新的等比降压开关电源，其通过主控制芯片，控制开关管的通断，使用这种软开关技术提高电源整体效率，减小发热，增加输出功率，增强驱动容性负载能力。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种等比降压开关电源，开关电源包括输入滤波模块、功率变换主模块、输出滤波模块、辅助供电模块和主控制模块，输入滤波模块连接在功率变换主模块的输入端，输出滤波模块连接在功率变换主模块的输出端，功率变换主模块包括串联的开关管和续流电感，主控制模块检测续流电感的输出电流，并根据续流电感的输出电流控制开关管的工作，辅助供电模块给主控制模块供电。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的开关电源中包括输入输出电压比较模块，输入输出电压比较模块检测功率变换主模块输入电压和输出电压，并将变换主模块输入电压和输出电压进行比较，将比较结果输入给主控制模块。

所述的输入输出电压比较模块采用差分放大器，功率变换主模块输入电压经过电阻分压网络分压后输入差分放大器的反向输入端，功率变换主模块的输出电压经过电阻分压网络分压后输入差分放大器的同向输入端。

所述的开关电源中包括软开关信号检测模块，软开关信号检测模块检测续流电感的输出电流，并输出信号给主控制模块。

所述的软开关信号检测模块采用电阻R54，续流电感的输出电流经输出地回流至电阻R54处，经电阻R54反馈给主控制模块。

所述的开关电源中包括隔离驱动模块，主控制模块通过隔离驱动模块驱动开关管。

所述的隔离驱动模块三极管FG1、三极管FG2和变压器TR1，三极管FG1和三极管FG2串联连接，串联连接的三极管FG1和三极管FG2一端与辅助供电模块连接，另一端接地，主控制模块分别与三极管FG1和三极管FG2的基极连接，三极管FG1和三极管FG2的公共端与变压器TR1连接，经过变压器TR1驱动开关管。

所述的变压器TR1包括初级线圈、次级线圈，初级线圈和次级线圈之间设有两层屏蔽层，第一屏蔽层对应于初级线圈设置，与初级线圈之间形成一个寄生电容，第一屏蔽层与初级线圈之间设有第一绝缘层；第二屏蔽层对应于次级线圈设置，与次级线圈之间形成一个寄生电容，第二屏蔽层与次级线圈之间设有第二绝缘层；第一屏蔽层和第二屏蔽层之间设有第三绝缘层，第一屏蔽层和第二屏蔽层之间也形成一个寄生电容。

所述的辅助供电模块连接在续流电感的次级线圈上，从续流电感处获取电源。

所述的主控制模块采用型号为L6562的FPC芯片。

本发明的有益效果是：本发明中使用软开关电路，较原来串联降压相比效率明显提高，节能明显，而且不需要串联降压电路的大散热器，从而节约了成本资源，降低了产品的成本。本发明的输出功率可以做到200w以上，一个本发明的电源可以取代4只传统的串联降压电源，客户使用成本明显降低。本发明使用软开关Buck电路，其输出主回路有续流电感，解决了串联降压电源驱动容性负载冲击大的问题，明显增强了驱动容性负载能力，而且本发明中采用PFC芯片控制Buck电路，主拓扑Buck电路中的开关管可以实现零电压开通零电压关断，且电路结构简单。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中串联降压电路基本原理图。

图2为本发明电路方框图。

图3为本发明的电路原理图。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图2，本发明中主要包括输入滤波模块、功率变换主模块、输出滤波模块、隔离驱动模块、软开关信号检测模块、辅助供电模块、主控制模块和输入输出电压比较模块，本实施例中，输入滤波模块、功率变换主模块和输出滤波模块组成主功率回路，请结合参看附图3，本实施例中主功率回路为附图3中的方框A部分，其中，输入滤波模块为一个输入接口CN1，输入接口CN1的正负极输出线上跨接有滤波电容C2，输入滤波模块的正极输出线连接在功率变换主模块上，本实施例中，功率变换主模块包括开关管Q1和电感TR2，输入滤波模块的正极输出线连接在开关管Q1上，经过开关管Q1与电感TR2连接，电感TR2输出端连接在输出滤波模块上，本实施例中，开关管Q1的控制端与隔离驱动模块连接。开关管Q1与电感TR2之间还连接有电容C3，电容C3一端连接在开关管Q1与电感TR2之间，电容C3另一端接地，二极管D1和二极管D10串联连接，二极管D1负极接地，二极管D1的正极与二极管D10的负极连接，二极管D10的正极连接在开关管Q1与电感TR2之间。本实施例中，输出滤波模块为一个输出接口CN2，输出接口CN2的正负极输入线间跨接有滤波电容C28，输出接口CN2的正负极输入线间还跨接有依次串联连接的电阻R19、电阻R1、电阻R33、电阻R7、电阻R20和电阻R6，电阻R19、电阻R1、电阻R33、电阻R7、电阻R20和电阻R6为开关电源的假负载。

本实施例中的隔离驱动模块使用推挽输出和增强关断电路，其核心是驱动变压器TR1的设计。请参看附图3的E部分，开关管Q1的控制端通过依次串联连接的二极管D6、电容C7和电阻R23连接在变压器TR1的初级线圈上，变压器TR1的初级线圈另一端连接在开关管Q1与电感TR2之间，变压器TR1的次级线圈一端通过串联的电阻R10和电容C5与三极管FG2和三极管FG1的发射极连接，变压器TR1的次级线圈另一端接地。三极管FG2的集电极接16V电源，三极管FG2的发射极和集电极之间连接有二极管，三极管FG1的集电极接地，三极管FG1的发射极和集电极之间连接有二极管，二极管采用保护二极管D5。变压器TR1包括初级线圈和次级线圈，本实施例中，初级线圈和次级线圈之间设有两层屏蔽层，第一屏蔽层对应于初级线圈设置，与初级线圈之间形成一个寄生电容，第一屏蔽层与初级线圈之间设有第一绝缘层；第二屏蔽层对应于次级线圈设置，与次级线圈之间形成一个寄生电容，第二屏蔽层与次级线圈之间设有第二绝缘层；第一屏蔽层和第二屏蔽层之间设有第三绝缘层，第一屏蔽层和第二屏蔽层之间也形成一个寄生电容。开关管Q1的G端和S端连接有三极管FG3，三极管FG3的基极连接在开关管Q1与电感TR2之间。

本实施例中，输入输出电压比较模块实质为一个差分放大器，请参看附图3中的D部分，本实施例中，输入电源经过依次串联连接的电阻R43、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电阻R16和电阻R45与电阻R28的分压后输入比较器的反向输入端，输出电源经过依次串联连接的电阻R17、电阻R18、电阻R31、电阻R46和电阻R11与电阻R29的分压后输入比较器的同向输入端，比较器的输出端连接在主控制芯片U2的INV端上。比较器的输出端与反向输入端之间连接有电容C16，与电容C16并联连接有电阻R27和电容C18，电阻R27和电容C18串联连接，与电容C18并联连接有电容C4。本实施例中使用电容隔直反馈，保证直流增益满足等比要求。

本实施例中，主控制模块主要为主控制芯片U2，本实施例中，主控制芯片U2采用型号为L6562的FPC芯片，本实施例中，L6562芯片的各个引脚功能如下表：

INV	反馈输入引脚
		COMP	反馈输出引脚
MULT	乘法器输入引脚
		CS	电流检测引脚
VCC	正电源引脚
		GD	驱动输出引脚
GND	接地引脚
		ZCD	电感电流过零检测引脚

主控制芯片U2的INV端与COMP端之间连接有电容C24和电阻R60，电容C24和电阻R60并联连接，主控制芯片U2的MULT端上连接有基准电压源，将主控制芯片U2作为电流型PWM芯片使用，本实施例中，基准电压源由辅助供电电源进行供电，辅助供电电源通过电阻R38和电阻R53分压得到基准电压源。主控制芯片U2的CS端与地之间连接有电容C8，主控制芯片U2的CS端与信号地之间连接有电阻R52，地与信号地之间连接有电阻R11，与电阻R11并联连接有电阻R54。主控制芯片U2的ZCD端连接有电流检测延时电路(即软开关信号检测模块)，请参看附图3中C部分，本实施例中，电流检测延时电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R2、电容C17、稳压管Z1和稳压管Z2，其中电阻R3、电阻R5、电阻R4和电阻R2依次串联连接，电阻R3与L6562芯片的引脚5(即电感电流过零检测脚)连接，电阻R2与检测线圈(即续流电感TR2的第1脚，本实施例中，续流电感TR2采用变压器实现)连接，电容C17连接在L6562芯片的引脚5和地之间，稳压管Z1和稳压管Z2反向串联连接，稳压管Z1的正极与稳压管Z2的正极连接，稳压管Z1的负极连接在电阻R3和电阻R5的公共节点处，稳压管Z2的负极接地，本实施例中，稳压管Z1与稳压管Z2选用5.1V稳压管。主控制芯片U2的GD端与连接三极管FG1和三极管FG2的基极连接。

请参看附图3中的B部分，本实施例中的辅助供电电路从主功率回路中的续流电感TR2中获取能量，经整流滤波以后供给主控制模块和三极管FG1与三极管FG2。本实施例中，从续流电感TR2的次级线圈上分别引出两个电源线，分别经过二极管D3和二极管D9的整流滤波后形成直流电，然后经过三极管Q2和二极管D2后输出16V电源，给主控制模块和三极管FG1与三极管FG2，本实施例中，为了提高辅助供电电源对容性负载的驱动能力，供电电路采用带中心抽头的全波整流，保证在驱动大电容负载启动是不会打嗝。同时，本实施例中，辅助供电电源还通过串联连接的电阻R14、电阻R9、电阻R12、电阻R13和电阻R14从输入接口处取电，以保证上电时即有电源给主控制模块供电。

本发明中为一款150w开关管损耗小于4W，软开关效果明显，开关管波形没有尖峰毛刺。下面以1200V输入为例，详述本发明的工作过程：

启动过程：母线VIN上电后，VIN通过电阻R9、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15对电容C21和电容C19充电，当电容C21和电容C19达到主控制芯片U2的启动电压后，主控制芯片U2开始输出第一个方波，经过隔离驱动模块后，控制开关管Q1打开。本实施例中，为了防止开机过冲，设有软启动电路，原理是控制主控制芯片U2的第3脚(即VCC端)电压缓慢上升。主控制芯片U2输出第一个方波，开关管Q1打开，电流经过开关管Q1和续流电感TR2对输出电容C28和负载进行充电，当充电电流达到主控制芯片U2的电流门限时，主控制芯片U2输出变低，使得开关管Q1关闭，续流电感TR2进入续流状态。由于VOUT/VIN＜0.66，所以此时输入输出比较模块中差分放大器的输出端一直为零，经过若干周期后，输出电容C28两端电压达到额定值，此时，输入输出比较模块中的差分放大器的输出端电压升高到一个合适的值，其由输入输出电压的压差决定，通常为2.5V，上下波动0.2V，并输入给主控制芯片U2的INV端，来控制输出电压稳定。

本发明的谐振过程：进入正常工作以后，一个开关周期内的开关管Q1的工作情况如下：首先开关管Q1处于导通状态，开关管Q1的漏极电压接近VIN，续流电感TR2内的电流开始上升，续流电感TR2内的电流大小由电阻R54检测，本实施例中，续流电感TR2的输出电流经过一个地线(本发明中定义为输出地)反馈至电阻R54处，通过电阻R54可以检测回流大小，从而判定续流电感TR2内的电流大小。当续流电感TR2内的电流达到一定值时(本实施例中，开关管Q1关断的电流值由输出需要功率决定，如果输出功率大，则输出电流就大，为了防止VOUT降低，则需要增大续流电感TR2内的电流)，开关管Q1关断，由于电容C3的电压不能突变，所以开关管Q1关断时，其源极和漏极电压基本相同，实现了开关管Q1零电压关断。开关管Q1关断以后，电容C3的电压逐渐下降接近零，此时二极管D1导通，使续流电感TR2的电流逐渐下降到零，此时，电容C3的电压仍然接近零伏，所以电流开始从电容C28经过续流电感TR2向电容C3充电，进入续流电感TR2与电容C3的谐振状态。谐振中，开关管Q1的管漏极的电压存在最大值，本实施例中，开关管Q1的管漏极的电压最大值由VOUT/VIN决定，如果VOUT＞VIN/2，谐振电压最大值由开关管Q1的体二极管钳位，如果VOUT＜VIN/2，则谐振电压最大值为2*VOUT。如果在谐振电压最大值时打开开关管Q1，则可以实现或接近零电压开通开关管Q1。

本发明在工作时，在开关管Q1关断前一时刻，电容C3的电压等于母线电压，续流电感TR2的电流流向电容C28；当开关管Q1关断时，由于电容C3的电压不能突变，所以保证了开关管Q1可以零电压关断(零电压关断是指关断时以及关断过程中，开关管两端电压接近零)；此后电容C3的电压逐渐下降到，直到续流二极管D1和续流二极管D10导通，此时电容C3的电压接近零伏；续流电感TR2的电流也逐渐降低到零，随后续流电感TR2与电容C3及寄生电容发生自由震荡，电感TR2内的电流开始倒流，电容C3被充电且电压逐渐升高到母线电压，随后开关管Q1的寄生二极管导通，电容C3的电压被母线电压钳位，续流电感TR2继续倒流且电流逐渐减小最终为零，如果在倒流期间打开开关管Q1就可以实现开关管Q1的零电压开通。实现零电压开通和关断，可以减小开关管Q1上得消耗，提高电源效率，实现高效率降压。

本发明在工作时，在开关管Q1关断前一时刻，电容C3的电压等于母线电压，续流电感TR2的电流流向电容C28；当开关管Q1关断时，由于电容C3的电压不能突变，所以保证了开关管Q1可以零电压关断(零电压关断是指关断时以及关断过程中，开关管两端电压接近零)；此后电容C3的电压逐渐下降到，直到续流二极管D1和续流二极管D10导通，此时电容C3的电压接近零伏；续流电感TR2的电流也逐渐降低到零，随后续流电感TR2与电容C3及寄生电容发生自由震荡，电感TR2内的电流开始倒流，电容C3被充电且电压逐渐升高到母线电压，随后开关管Q1的寄生二极管导通，电容C3的电压被母线电压钳位，续流电感TR2继续倒流且电流逐渐减小最终为零，如果在倒流期间打开开关管Q1就可以实现开关管Q1的零电压开通。实现零电压开通和关断，可以减小开关管Q1上得消耗，提高电源效率，实现高效率降压。本发明中，将上述开关情况定义为软开关，为实现更好的软开关效果，本发明中加入了电流检测延时电路，其通过检测续流电感TR2的次级线圈的输出电压，并将该电压输入主控制芯片U2的ZCD脚(即电感零电流检测脚)，控制芯片U2的ZCD脚电压变为零的时间会随主功率回路的输入输出电压高低而变化，这样会导致从电感TR2的电流变为零到开关管Q1打开的延迟会随工作电压的变化而变化，然而电感TR2与电容C3的谐振周期固定，所以会导致零电压打开时刻不好控制。本实施例中，采用稳压二极管Z1和稳压二极管Z2限制电阻R3输入端的电压，使得不论检测线圈的输出电压是多少，电阻R3输入电压基本上在5.1V，所以通过调节RC值(即电阻R3和电容C10的值)就可以灵活改变打开开关管Q1的延时时间，而且不受工作电压影响，以实现全电压输入范围内零电压打开，以实现更准确的开通开关管Q1。

另外本发明中还采用了双重屏蔽的驱动变压器，使得驱动变压器寄生电容的电荷能够快速泄放到主回路中，避免正极性尖峰电压。

Claims (10)

1.一种等比降压开关电源，其特征是：所述的开关电源包括输入滤波模块、功率变换主模块、输出滤波模块、辅助供电模块和主控制模块，输入滤波模块连接在功率变换主模块的输入端，输出滤波模块连接在功率变换主模块的输出端，功率变换主模块包括串联的开关管和续流电感，主控制模块检测续流电感的输出电流，并根据续流电感的输出电流控制开关管的工作，辅助供电模块给主控制模块供电。

2.根据权利要求1所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的开关电源中包括输入输出电压比较模块，输入输出电压比较模块检测功率变换主模块输入电压和输出电压，并将变换主模块输入电压和输出电压进行比较，将比较结果输入给主控制模块。

3.根据权利要求2所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的输入输出电压比较模块采用差分放大器，功率变换主模块输入电压经过电阻分压网络分压后输入差分放大器的反向输入端，功率变换主模块的输出电压经过电阻分压网络分压后输入差分放大器的同向输入端。

4.根据权利要求1所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的开关电源中包括软开关信号检测模块，软开关信号检测模块检测续流电感的输出电流，并输出信号给主控制模块。

5.根据权利要求4所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的软开关信号检测模块采用电阻R54，续流电感的输出电流经输出地回流至电阻R54处，经电阻R54反馈给主控制模块。

6.根据权利要求1所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的开关电源中包括隔离驱动模块，主控制模块通过隔离驱动模块驱动开关管。

7.根据权利要求6所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的隔离驱动模块包括三极管FG1、三极管FG2和变压器TR1，三极管FG1和三极管FG2串联连接，串联连接的三极管FG1和三极管FG2一端与辅助供电模块连接，另一端接地，主控制模块分别与三极管FG1和三极管FG2的基极连接，三极管FG1和三极管FG2的公共端与变压器TR1连接，经过变压器TR1驱动开关管。

8.根据权利要求7所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的变压器TR1包括初级线圈、次级线圈，初级线圈和次级线圈之间设有两层屏蔽层，第一屏蔽层对应于初级线圈设置，与初级线圈之间形成一个寄生电容，第一屏蔽层与初级线圈之间设有第一绝缘层；第二屏蔽层对应于次级线圈设置，与次级线圈之间形成一个寄生电容，第二屏蔽层与次级线圈之间设有第二绝缘层；第一屏蔽层和第二屏蔽层之间设有第三绝缘层，第一屏蔽层和第二屏蔽层之间也形成一个寄生电容。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的辅助供电模块连接在续流电感的次级线圈上，从续流电感处获取电源。

10.根据权利要求1至8中任意一项所述的等比降压开关电源，其特征是：所述的主控制模块采用型号为L6562的FPC芯片。

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