CN102522492A - 一种压电耦合器及其电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电耦合器及其电源电路，主要应用于微功率、小功率开关电源中需要输入输出之间隔离的场合，该压电耦合器包括用于压电耦合的两个谐振支路，所述谐振支路由压电谐振子组成，应用该压电耦合器的电源电路，其原边拓扑的电信号通过所述的压电耦合器的第一谐振支路直接谐振耦合到所述副边拓扑，经负载后通过所述的压电耦合器的另一谐振支路形成一个回路，本发明克服了以往开关电源采用电磁变压器进行隔离时的工艺复杂，人力成本高等问题，以及以往电容隔离方案中电感与电容作为分立元器件接在电路上，其温度稳定性不高、转换效率低和EMI的问题。

Description

一种压电耦合器及其电源电路

技术领域

本发明涉及一种压电耦合器及基于压电耦合器的电源电路；特别涉及应用于微功率、小功率开关电源场合，输入输出之间隔离的压电耦合器及电源电路。

背景技术

(1)关于电磁变压器

目前在开关电源技术中绝大部分都是采用电磁变压器来实现原副边电气隔离。电磁变压器通过将两个或两个以上的绕组绕在同一磁芯上，根据电磁感应原理实现原副边电压、电流、阻抗的变化的同时达到能量传输的目的。电磁变压器具有传输功率密度大，负载调整率好等优点而被普遍应用。

但是电磁变压器的结构决定其加工的自动化水平较低，其生产加工目前还是属于劳动力密集型。因此对于一些结构极为简单的微功率电源模块，变压器工艺及其在产品制程中所占的装配环节耗时过大，使得产品的总成本升高。特别是在人工成本不断上涨的时代背景下，降低人工成本成为一个迫切需要解决的问题。并且目前电磁变压器在各种元器件中的体积一直是最大的，占据着PCB相当大的的空间，不符合小型化和片型化的发展趋势。

(2)关于压电谐振子

压电效应是一种由机械应力转变为电的现象，而逆压电效应是一种由电转换为力的现象，此为公知的内容。利用压电效应和逆压电效应可以实现力—电转换或电—力转换这也为公知的内容。

压电谐振子是一种由具有压电性能的介质材料制备而成且经过极化处理的电容器。压电谐振子符号如图1-1，其等效电路结构如图1-2所示，在等效的电路中，电感L1、电容C1、电阻R1为其串联谐振支路。按照逆压电效应，在一个微小电信号驱动下，压电谐振子产生形变，当输入信号的频率与其本身的固有频率一致时会产生谐振，谐振时谐振子具有很低的阻抗特性。在自由机械条件下，谐振子的等效串联谐振支路为一电感、电容、电阻串联的谐振支路为公知的内容，同时压电谐振子作为一选频器件同样为公知的内容。根据压电谐振子的等效网络可见，当其发生串联谐振时，呈电阻性，其谐振阻抗等于等效为电阻R1的阻值。根据谐振子的设计，即可使电路工作于任何频率，可以通过不同尺寸和不同的振动模式，得到不同的谐振频率。谐振频率可以控制在几十赫兹到几百K赫兹之间。

目前应用压电特性在电路中实现能量传输的主要有压电变压器，而压电变压器的原理是输入的电信号的频率与压电变压器的固有频率一致时，变压器发生谐振，输入端的电能转化为机械能，并通过压电变压器本体将机械能传递到输出端。这个过程是利用电能和机械能的二次转换来实现已是目前公知内容。但以上所提到的压电变压器是电能和机械能的转换，在能量传输过程中其传输的效率与功率对压电材料的要求较为严格，因而在应用上受到了一定的限制。

(3)电容耦合隔离及其变换器

电容器作为一个隔离器件为公知的内容，同时电容器具有作为能量传输通道的作用也为公知的内容。电感器与电容器串联能产生谐振为公知的内容。同时使用电感器与电容器串联的模式进行输入输出隔离及能量能传输亦为公知的内容。专利文献1：申请号为201010287926.5的中国发明专利公开说明书、专利文献2：公开号为CA2141389A1的加拿大专利说明书以及专利文献3：公开号为CA2131689A1的加拿大专利说明书中，均公开了一种使用电容实现隔离传输的电源装置，这三个专利存在一个共同点：利用两个电容对电路进行输出与输入之间的隔离；同时在两电容与负载的串联支路上串入一个或两个电感构成串联谐振电路。利用了谐振电路在发生串联谐振时可获得最低阻抗的原理可以实现输入端与输出端之间的能量传递。

但上述三个专利电路中的电感、电容均使用分立元器件，目前市场上存在的高耐压值的电容容量都不大。在工作频率为几百K赫兹的电路中由于谐振电容量较小将导致电感的感值将增大、体积增加；不利于产品小型化。同时分立器件中的电容和电容的温漂都比较大，使用低温漂的电容、电感器件将增加产品成本和体积。

专利文献4：公开号为200910264204.5的中国发明专利公开说明书中，也公开了一种电能隔离传输方法及其隔离传输装置，该专利的电容耦合的电源装置中存在一个难以克服的问题，电容耦合装置的传输功率受到电容容量和驱动频率的限制。从图2可知，隔离电容与输出负载形成串联关系，隔离电容器的交流阻抗为-jωc，输出负载与隔离电容在电路中形成分压关系。只有输入电压频率越高，或电容量越大时，隔离电容的阻抗越小。目前高耐压大容量的电容极少，而且价格高。同样，高的驱动频率使得控制IC的选购成本增高，EMI问题严重。

综上所述，电磁变压器存在工艺复杂、成本较高；电容耦合隔离需使用分离的电感和电容谐振，在高频时对器件的要求较高，以及存在EMI问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服以往开关电源采用电磁变压器进行隔离时的工艺复杂，人力成本高等问题，以及以往电容隔离方案中电感与电容作为分立元器件接在电路上，其温度稳定性不高、转换效率低和EMI的问题。

为解决以上技术问题，本发明提供一种压电耦合器；同时本发明还提供一种基于本发明压电耦合器的谐振式直流/直流变换电源电路，用来替代上述基于电磁变压器和纯电容耦合直流/直流变换电路，使电源电路的工作频率扩展到中低频以下。同时可以保证上述产品体积小型化，降低人力成本，提高转换效率，降低原材料成本，以及使得产品具有更高的稳定性。

本发明所提供的一种压电耦合器，包括用于压电耦合的两个谐振支路，所述谐振支路由压电谐振子组成。即每个谐振支路可以看作是一个压电谐振子，所述的压电耦合器可等效两个压电谐振子组合而成。     优选地，所述组成谐振支路的压电谐振子呈一体式的压电体，压电体上表面分设两个相互隔离的输入支电极、压电体下表面分设两个相互隔离的输出支电极；所述压电谐振子由所述的输入支电极到所述的输出支电极沿厚度方向进行极化，上下相对应的输入支电极和输出支电极之间各自形成一个谐振支路。

优选地，所述组成谐振支路的压电谐振子由两个分立的压电谐振子组成；两个分立的压电谐振子大小相等，极化方向相同，谐振频率相同；两个分立的压电谐振子各自形成一个谐振支路。

更优地，所述压电谐振子为单层压电体；或者由至少为三层奇数层所述的单层压电体层叠而成。

本发明提供的一种基于压电耦合器的谐振式直流/直流变换电源电路，其核心是应用上述压电耦合器来实现输入输出之间的电气隔离，包括电源输入端、原边拓扑、副边拓扑、电源输出端，还包括压电耦合器，所述的压电耦合器连接于所述的原边拓扑与所述的副边拓扑之间；接入原边拓扑的电源输入信号通过所述的压电耦合器的第一谐振支路直接谐振耦合到所述副边拓扑，经负载后通过所述的压电耦合器的第二谐振支路接参考端形成回路。

其中原边拓扑可包括单管、双管、半桥、全桥等各种电源拓扑电路。原边拓扑电路所产生的交变电压通过压电耦合器传输到副边拓扑；压电耦合器的两个输入端连接于原边拓扑；两个输出端连接于副边拓扑。压电耦合器在原、副边拓扑中充当能量传输与隔离的作用。副边拓扑主要包括整流，滤波，稳压等各种单元电路。

优选地，所述的原边拓扑为对称半桥拓扑、或全桥拓扑、或非对称半桥拓扑、或单个开关管的LC谐振电路。

优选地，所述的副边拓扑为全桥结构整流电路、或倍压整流电路。

更优地，所述的压电耦合器和负载之间还有一输出整流电路。

更优地，所述的压电耦合器和负载之间还有一稳压电路。

更优地，所述的原边拓扑和所述的副边拓扑之间还有一反馈控制电路，在扰动如负载或输入电压发生变化时用以控制输出电压的稳定。

有益效果

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的压电耦合器，为简单的一体化结构，其生产工艺简单，批量生产时成本较低。本发明提供的压电耦合器的能量传输方式与背景技术中引用的专利文献1-4中所述的谐振方式存在本质上的区别，利用压电谐振子发生谐振时呈现纯阻性，低阻抗的特点实现输入输出端之间能量传输；同时利用压电谐振子本身具有隔直流的特点，作为电源电路中的功率传输器件，可实现输入输出之间的电气隔离。使用压电耦合器替代传统变压器，简化了产品的生产工艺，大大节约了人工成本，同时能实现小体积和高转换效率；使用压电耦合器替代电容耦合方案，无需使用分立元器件来实现谐振的功能，使电路的温度稳定性更高，同时压电耦合器具有体积小、重量轻、不怕高压击穿与短路烧毁、耐潮湿、不用铜铁材料以及不引起电磁干扰等特异性能。

2、本发明提供的基于本发明压电耦合器的谐振式直流/直流变换电路，由于本发明的压电耦合器具有上述有益效果，能实现高效率和低成本的谐振式直流/直流变流效果。

附图说明

图1-1为压电元件，即压电谐振子的符号；

图1-2为压电谐振子产生串联谐振的等效电路图；

图2为本发明引用的专利文献4的电容隔离方案；

图3为压电谐振子的阻抗—频率图；     

图4-1为本发明第一实施例的压电耦合器立体图，其阴影部分为外电极，P为极化方向，Vin为输入端，Vout为输出端；

图4-2为本发明第一实施例的压电耦合器的侧视图；

图5-1为本发明的第一实施例的压电耦合器的等效谐振网络；

图5-2为本发明的第一实施例的压电耦合器的应用连接图；

图6-1为本发明的第二实施例一种压电耦合器的结构图；

图6-2为图6-1所示压电耦合器的等效变形；

图7-1和图7-2为实施例二所述的压电耦合器所采用的两个压电谐振子的谐振频率阻抗扫描图形；

图7-3为实施例二所述的压电耦合器带100Ω负载的谐振频率阻抗扫描图形；

图8为实施例二所述的压电耦合器的一个输出曲线；

图9-1为本发明第三实施例的压电耦合器的结构示意图；

图9-2为图9-1沿界面A-A’的剖视图；

图9-3为图9-1沿界面B-B’的剖视图；

图9-4为图9-1的应用接线图；

图10-1为本发明第四实施例的压电耦合器的结构示意图；

图10-2为图10-1的应用接线图；

图11为本发明第五实施例基于压电耦合器的电源电路的原理图；

图12为本发明第六实施例基于压电耦合器的电源电路的原理图；

图13为本发明第七实施例基于压电耦合器的电源电路的原理图；

图14为本发明第八实施例基于压电耦合器的电源电路的原理图

图15为本发明第九实施例基于压电耦合器的电源电路图；

图16为本发明第十实施例基于压电耦合器的电源电路图；

图17-1为基于压电耦合器的电源电路的原理框图；

图17-2至图17-5为本发明原边拓扑电路实现方式；

图17-6和图17-7为本发明副边整流电路实现方式。

具体实施方式

本发明提供的是一种压电耦合器，并根据压电耦合器的特性提供其在电源电路中的应用。

压电耦合器包括用于压电耦合的两个谐振支路，每个谐振支路均由压电谐振子组成，利用压电谐振子的谐振特性，压电耦合器的阻抗可以根据频率的变化而发生变化，如图3所示。在发生串联谐振时获得最低阻抗；与负载连接时，此时压电耦合器的谐振阻抗远小于分压负载的阻值，则输出的电压基本分在负载两端，而压电耦合器所损耗的电压极小。从而在能量耦合过程中，其损耗的能量很小，传输效率特别高。又因为压电耦合器是一种由介质材料制备而成的，其本身有很强的绝缘性能，击穿场强达5000V/mm以上，即其输入与输出电极间的瓷体起到一个隔离的作用。

作为以上所述的压电耦合器的应用，本发明还阐述了压电耦合器在电源中的应用电路。压电谐振子本身就具有隔直流通交流的作用，经过极化后的压电谐振子中的等效电感将增加，其自然谐振频率则可以通过设计外部结构来获得。在靠近谐振频率的范围内，压电谐振子具有很低阻抗。基于压电耦合器的电源电路，其原理是利用压电耦合器发生谐振时对交流形成低阻抗通道，将原边的能量耦合到电路的副边。因而在该谐振电路中可用压电耦合器作为一个单一的器件就能实现谐振以及能量传输，不再需要使用分立的一个电容和一个电感串联来获得谐振支路，如附图5-2所示。

根据组成压电耦合器的所对应的不同振动模式和不同结构形状，可以在电路中产生不同的谐振效果，得到不同谐振频率，从而在电路上实现不同的功能。以下结合附图对其中几个实施例进行详细说明：

实施例一

图4-1和图4-2是本发明的第一实施例的压电耦合器PT的立体图和侧视图，该实施例提供的压电耦合器PT是一个有四个电极的长方形的一体式压电体，压电体上表面分设两个相互隔离的输入支电极、压电体下表面分设两个相互隔离的输出支电极；压电谐振子由输入支电极到输出支电极沿厚度方向进行极化，上下相对应的输入支电极和输出支电极之间各自形成一个谐振支路。图中阴影部分表示为电极，压电体左右上下的四个电极是对称相等的，其一个面，即输入支电极M1、输入支电极M2一侧作为输入端，另一个面，即输出支电极N1、输出支电极N2一侧作为输出端。

本实施例所述的压电耦合器PT，即是将一个压电谐振子的两面电极分成四个相等的部分，成为四个支电极，则可等效为两个压电谐振子。本实施例所述的压电耦合器PT是利用长度伸缩振动模式，上述的两个等效压电谐振子所起的作用是相同的，因此这两个等效压电谐振子的电容量和尺寸相等，其谐振频率和谐振阻抗一致；当其输出端连接负载时，相当于两个谐振子串联，此时谐振频率不变，其等效谐振网络如图5-1所示。

本实施例所示的压电耦合器PT应用于电路的连接如图5-2所示，其耦合器的输入端连接应用电路的原边拓扑，耦合器的输出端连接应用电路的副边拓扑。其应用原理是：原边拓扑电路输出的信号到压电耦合器PT的输入端，当该信号的频率相等或接近于压电耦合器PT的固有频率时，压电耦合器PT发生谐振，对交流信号形成低阻抗通道，将原边的能量耦合到电路的副边。

实施例二

图6-1示出了本发明压电耦合器的第二实施例，图6-2是本实施例压电耦合器的等效变形，本实施例的压电耦合器区别于第一实施例的是：首先本实施例组成谐振支路的压电谐振子由两个分立的压电谐振子PT1和PT2组成，并且该谐振子是圆片型利用径向振动模式来发生谐振的，两个分立的压电谐振子大小相等，极化方向相同，谐振频率相同；两个分立的压电谐振子各自形成一个谐振支路。如图6-1所示，其圆片振子的上下两个面背覆电极，极化方向沿厚度方向。所述的压电耦合器由两个相同的圆片型压电谐振子组成，其输入端为两个振子的其中一个面电极，输出端为两个振子的另一个面电极。本实施例的两个分立的压电谐振子也可采用长度伸缩振动模式的压电谐振子。

图7-1至图7-3是分别单独对两个谐振子和两个谐振子串联一个100Ω电阻时（如图6-2）的频率阻抗对比，可见两个谐振子串联后其谐振频率基本没有变化，谐振阻抗接近负载100Ω。该实施例的压电耦合器与实施例一的工作原理相同。图8所示是单独对该压电耦合器的输入电压和输出电压的测试，可得在压电耦合器谐振频率附近，即压电谐振子谐振频率附近，耦合器的谐振阻抗最小，则其输出电压最大；远离其谐振频率时，耦合器的阻抗逐渐增大，则其输出电压这件下降。原因是在谐振频率142KHz附近其谐振阻抗最小，则压电耦合器对输入端电压的分压较小，输入端的电压基本被负载分压，因此输出会较大。

实施例三

在实施例一的基础上，本实施例提供了一种多层结构的压电耦合器，由至少为三层奇数层的单层压电体叠成多层结构压电体，该单层压电体的结构与实施例一的压电体结构相同；层叠式压电耦合器各单层之间的电极共用，作为层叠式压电耦合器的内电极；所述层叠式压电耦合器还包括四条沿厚度方向设置的侧电极，通过在各层电极之间间隔设置的隔离带，将所述的两个相隔离的输入电极奇数层和偶数层分别导通、及两个相隔离的输出电极的奇数层和偶数层分别导通。上述多层结构压电体可以紧密烧结在一起，也可以使用导电胶连接在一起。

如图9-1所示，本实施例所示的压电耦合器是一种长度伸缩振动的多层复合结构压电耦合器。如图9-2、图9-3所示，这是该多层耦合器的沿界面A-A’、B-B’的剖视图，这是一种三层的压电耦合器，输入端的输入支电极M1、输入支电极M2与输入端的内电极相连，输出端的输出支电极N1、输出支电极N2与输出端的内电极相连。其输入端的输入支电极M1、输入支电极M2与应用电路的原边拓扑连接，输出端的输出支电极N1、输出支电极N2与应用电路的副边拓扑连接，如图9-4所示。该压电耦合器的工作原理与以上实施例一和实施例二相同。本实施例的单层压电体也可是采用圆片型利用径向振动模式的压电体。

实施例四

在实施例三的基础上本发明还提供以另外一种实施例方案，如图10-1、图10-2所示，图10-1是实施例四的压电耦合器的结构图、图10-2是图10-1的应用接线图。

本实施例的压电耦合器与实施例三不同之处在于，本实施例的多层耦合器是由两个分立的多层正方形压电体PT1与PT2组成，其振动模式是厚度振动模式。其等效及应用原理与实施例二类似，在此不再赘述。

实施例五

根据以上几个实施例所提供的压电耦合器，本发明还提供了一种基于以上所述压电耦合器的电源应用电路，如图11所示。本电路包括电源输入端、原边拓扑、副边拓扑、电源输出端，滤波电容C2、负载R，压电耦合器PT，压电耦合器PT连接于原边拓扑与副边拓扑之间；从电源输入端接入原边拓扑的电源输入信号通过所述的压电耦合器PT的第一谐振支路直接谐振耦合到副边拓扑，副边拓扑的电源输出端经负载后通过压电耦合器PT的第二谐振支路接电源输入参考端形成回路。对应图5-2所示，输入电路、原边拓扑电路对应压电耦合器PT原边拓扑，副边整流电路、滤波电容C2和负载R对应压电耦合器PT的副边拓扑。图11所示的本实施例电路的具体结构描述如下：

原边拓扑电路由场效应管Q1、场效应管Q2两个场效应管组成，其中场效应管Q1的漏极接于电源的输入端，源极与场效应管Q2的漏极相接。场效应管Q2的漏极接于输入的参考地。场效应管Q1、场效应管Q2共同组成半桥式电路。压电耦合器PT的M1端口与场效应管Q1的源极相连接，N1则连接于输出输出桥式整流的其中一输入端口；压电耦合器PT的M2端口连接于场效应管Q2的源极，N2端口则连接于桥式整流电路的另一个端口。

上述电路中利用了压电耦合器PT的通交流隔直流的特点，使得电路的输入端于输出端产生了隔离效果。通过半桥电路，控制其开关频率，在压电耦合器PT谐振网络的输入端产生一频率可调的信号来改变谐振网络的阻抗，从而实现输出电压的调节。

该电路的工作原理如下所述：半桥电路中的场效应管Q1、场效应管Q2轮流导通，假设场效应管Q1先导通，场效应管Q2断开；输入端电源Vin流经场效应管Q1向压电耦合器PT的等效电容C1和C1′、等效电容C0和C0′充电，在此充电过程中上述等效电容器C1、等效电容C0内有电流流过；与此同时压电耦合器PT的等效电感L1上也有电流流过。压电耦合器PT的N1、N2两输出端口经桥式整流后连接于负载。在场效应管Q1导通向上述电容充电过程的同时向负载供电。当场效应管Q1断开，场效应管Q2导通过渡的期间由于等效电感L1电流不能突变，压电耦合器PT的等效电感L1的感应电动势开始反向以保持电流不变，并继续向负载Rload提供能量同时也向各个等效电容C1和C1′、等效电容C0和C0′充电。其电流流经的回路为二极管D1、负载Rload、二极管D4、场效应管Q2的体二极管。当等效电感向等效电容器的充电过程结束后，存储在等效电容C1和C1′、等效电容C0和C0′的能量开始释放，等效电容释放能量的回路流经二极管D3、负载Rload、二极管D2和场效应管Q2。等效电容释放的能量在经桥式整流后向负载供电。至此整个电路完成一个工作周期。通过分析压电耦合器PT的特性可知，电路在稳态工作过程中的等效阻抗R1与其谐振频率有关。当电路的工作频率接近压电耦合器PT的谐振频率时，等效阻抗R1阻抗值最低。此时输入端的能量基本上毫无损失地流向负载。同理，通过调节电路的工作频率可以达到改变压电耦合器PT阻抗的目的。从而达到改变输出功率的效果。

实施例六

在应用实施例一的压电耦合器PT的基础上，提供一种具体的压电耦合器电源电路，本实施例的区别在于提供了一种半桥整流电路，图12是本实施例的电路原理图。半桥整流的好处在于实现输出电压较低的电路方案时，整流电路所占的损压降较小，这样可得到较高的效率。

实施例七

基于实施例一二三四所述的压电耦合器，本发明还提供了一种区别于实施例五和实施例六的电源电路，主要区别是本实施例采用的单开关管和电感形成驱动谐振，如图13所示。

该实施例的电路连接方式为：谐振电路为单管LC谐振电路，由电感L、电容C3、场效应管Q1组成，电感L接输入电压Vin，与电容C3串联后接地；场效应管Q1漏极接电感L与电容C3 的连接点、漏极接电容C3与地的连接点、栅极接驱动电路，如可以是PWM驱动电路；谐振电路产生谐振波的节点为Q。压电耦合器PT的其中一个谐振子PT1的M1端节点A连接，N1端连接于公知的全桥整流电路的输入端；另一个谐振子的PT2的M2端与地连接，N2端连接于公知的全桥整流电路的输出端。全桥整流电路的阴极与阳极的后续电路依次为滤波电容C2、负载。

电路工作原理为：当场效应管Q1 的栅极驱动信号Vg为高电平时，场效应管Q1导通，输入电压Vin向电感L充电，电感L存储能量。同时电感对输入电流起滞后作用，电感两端电压超前电流90度相位。当驱动信号Vg为低电平时，场效应管Q1关断，由于电感L电流不能突变，则电感L向压电谐振子PT1充电。谐振子PT1两端电压滞后电流90度相位。直到电容充电电压到达峰值时刻流经谐振子PT1的电流将降为0。当等效谐振子PT1充电电压开始下降时，流经谐振子PT1的电流开始反向。此时电感L电流恰好达0。当压电谐振子PT1、等效谐振子PT2进行传输能量的工作状态时，负载Rload与输入电源、电感L、谐振子PT1及PT2构成串联结构，如图13所示。输出负载电压即为输入动态节Q点电压有效值减去PT1\PT2上的各占的电压值及整流二极管的压降。

同理当动态节点Q电压波型上升时电容C1、等效谐振子PT1、等效谐振子PT2充电。电容对变化电压的阻抗为-jωc 。当节点A电压下降时电容C1、等效谐振子PT1等效电容与电感L及电源端形成一个放电回路。等效谐振子PT1、等效谐振子PT2则通过二极管D4、二极管D2、负载Rload、电感L及电源输入端形成放电回路。此时等效谐振子PT1与等效谐振子PT2电容量周期性变化，处于一种动态平衡的状态。

实施例八

图14所示为本发明的第八实施例，基本原理与实施例七基本相同。其原边谐振电路仍是单管LC谐振，只是将电容C2的位置改变，将其接于开关管的输出端，及M1M2的两端；副边整流还可以是半桥整流方式。事实上，LC并联谐振与实施例三LC串联谐振的最终效果是相同的。其根本原因在于，相对于动态节点Q，输入端即可认为是一个公共地。同事，本实施例，与实施例二类似，也采用了半桥整流的方案。

实施例九

图15为本发明的第九实施例。如图所示，区别于上述实施例四的地方在于，输出滤波电容端与负载之间增加一稳压电路。对于开环电路的产品方案，增加稳压电路是必须的。这有利提高电路对负载变化的调节能力。从而在一度程度上提高输出电压的稳定精确性。

实施例十

图16为本发明的第十实施例。如图所示。本实施为一种输出电压闭环的结构。电压反馈电路主要包含以下环节：电压采样，误差放大，隔离耦合，PFM调节等主要环节。

工作原理为：从上述的实施例分析可知，输出负载电压与谐振时电路回路中电感与压电耦合器PT的分压有关。同时电容对交流信号的阻抗为-jωc。电感对交流信号的阻抗为jωL。通过调节不同的驱动频率，使得PT上的分压改变，从而达到调节输出电压幅值的目的。也正是由于这个机理，本发明才能实现升、降压输出。

当输出电压变化时，通过输出端的分压网络进行电压采样、采样电压经与基准电压比较后产生一个误差信号，该信号通过光电耦进行放大并传输到原边，并参与PFM调节电路的控制。从而起到调节驱动频率的作用，实现输出电压的稳定。

电压闭环调节的优点在于提高输出电压的稳定性，负载调整率将明显优于直接增加稳压电路的方式。

本发明提供的是一种压电耦合器，以及压电耦合器应用的电源电路，压电耦合器的可以等效为两个谐振子或用两个分立的谐振子组合，所以压电耦合器的形状和结构并不限于实施例一二三四中所提到的方案，还可以是其他的振动模式的压电耦合器，如切变振动、弯曲振动等。在压电耦合器凡涉及到压电耦合器的，都已包括了各类结构、各种振动模式及各种不同频率的方案。

上述各实施例的基于压电耦合器的电源电路，并不局限所列举的原边拓扑方案和整流的方式，原边拓扑可以是全桥拓扑、对称或非对称半桥拓扑、以及单管加一电感组成的各种拓扑；副边整流电路可以是全桥整流和半桥整流，如图17-1至17-7所示，图17-1为基于压电耦合器的电源电路的原理框图；图17-2、图17-3、图17-4、图17-5为原边拓扑电路实现方式，图17-2为全桥拓扑电路实现方式，图17-3为对称板桥拓扑电路实现方式，图17-4为非对称板桥拓扑电路实现方式,图17-5为胆管驱动拓扑电路实现方式；图17-6、图17-7为副边整流电路实现方式，图17-6为全桥结构整流电路实现方式，图17-7为倍压结构整流电路实现方式。各种拓扑和整流方案应视本发明的电源电路所要实现的效果来组合优化。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，例如：所述的压电耦合器可以是各种结构形状的压电谐振子组成，可以是各种振动模式或者是多种振动模式的组合；所述的压电耦合器可以是以上各种结构的多层形状；所述的压电耦合器还可以是两个压电谐振子组合在一起的多层结构等。

Claims (10)

1.一种压电耦合器，其特征在于：包括用于压电耦合的两个谐振支路，所述谐振支路由压电谐振子组成。

2.根据权利要求1所述的压电耦合器，其特征在于：所述组成谐振支路的压电谐振子呈一体式的压电体，压电体上表面分设两个相互隔离的输入支电极、压电体下表面分设两个相互隔离的输出支电极；所述压电谐振子由所述的输入支电极到所述的输出支电极沿厚度方向进行极化，上下相对应的输入支电极和输出支电极之间各自形成一个谐振支路。

3.根据权利要求1所述的压电耦合器，其特征在于：所述组成谐振支路的压电谐振子由两个分立的压电谐振子组成；两个分立的压电谐振子大小相等，极化方向相同，谐振频率相同；两个分立的压电谐振子各自形成一个谐振支路。

4.根据权利要求2或3所述的压电耦合器，其特征在于：所述压电谐振子为单层压电体；或者由至少为三层奇数层所述的单层压电体层叠而成。

5.一种应用权利要求1所述压电耦合器的电源电路，包括电源输入端、原边拓扑、副边拓扑、电源输出端，其特征在于：还包括压电耦合器，所述的压电耦合器连接于所述的原边拓扑与所述的副边拓扑之间；接入原边拓扑的电源输入信号通过所述的压电耦合器的第一谐振支路直接谐振耦合到所述副边拓扑，经负载后通过所述的压电耦合器的第二谐振支路接参考端形成回路。

6.根据权利要求5所述的电源电路，其特征为：所述的原边拓扑为对称半桥拓扑、或全桥拓扑、或非对称半桥拓扑、或单个开关管的LC谐振电路。

7.根据权利要求5所述的电源电路，其特征为：所述的副边拓扑为全桥结构整流电路、或倍压整流电路。

8.根据权利要求5所述的电源电路，其特征为：所述的压电耦合器和负载之间还有一输出整流电路。

9.根据权利要求5所述的电源电路，其特征为：所述的压电耦合器和负载之间还有一稳压电路。

10.根据权利要求5所述的电源电路，其特征为：所述的原边拓扑和所述的副边拓扑之间还有一反馈控制电路。

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