CN102801329A - 一种高效率、低损耗的交直流电源电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

依据本发明的一种高效率、低损耗的交直流电源电路及其控制方法，解决了现有技术中在高压母线下采样电阻损耗过大、轻载时开关损耗难以减小而造成不必要电能浪费的问题，其利用后一级电压转换电路的占空比信号表征前一级电压转换电路的输出电压，而无需采样电阻采样第一级电压转换电路的输出电压，提高了待机效率同时降低了设计难度；同时在轻载情况下能够自动减低母线电压从而降低了开关损耗。

Description

一种高效率、低损耗的交直流电源电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体的说，涉及一种高效率、低损耗的交直流电源电路及其控制方法。
背景技术
传统的交直流电源电路的原理框图如图1所示，交流电源经过整流桥和滤波电容的处理后得到的直流输入电压Vg依次经过升压电路和反激式变换器转换为一直流电压输出。其中所述升压电路具有功率因数校正功能，其功率因数校正控制电路接收所述输入电压Vg和通过电压采样得到的母线电压VBUS以得到电流基准，电流环控制电路根据所述电流基准以及采样到的输入电流控制开关管Q1的开关动作以将直流输入电压转换为母线电压VBUS，同时控制其输入电流和输入电压同相位，提高电路的功率因数。目前这种交直流电路存在以下几个问题：
由于对母线电压VBUS的采样一般依靠电阻分压来完成，而一般升压式电路的输出电压大致在300V到400V之间，以母线电压VBUS为400V、采样电阻为2M欧姆为例，则采样电阻上的损耗为80mW。而一般样机整体的待机损耗包括各级电路中控制芯片的待机损耗以及外围器件的损耗等，一般规定在0.3W以下。由此可见通过采样电阻的方式得到升压电路的输出电压信息，其电阻损耗占据了待机损耗的很大一部分，降低待机效率的同时增加了设计困难。
轻载情况下，所述母线电压VBUS一般仍保持不变，而减小后级的反激式变换器的占空比使其工作在断续导通模式下（DCM）来调整其直流输出电压保持稳定，因此前一级电路中在高母线电压下的开关损耗导致了电能的浪费，转换效率难以进一步提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效率、低损耗的交直流电源电路及其控制方法，以解决现有技术中在高压母线下采样电阻损耗过大、轻载时开关损耗难以减小而造成不必要电能浪费的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
依据本发明一实施例的一种高效率、低损耗的交直流电源电路，将交流电源经整流后得到的直流输入电压依次经过第一级电压转换电路和第二级电压转换电路转换为一直流信号，其中：
所述第一级电压转换电路将所述直流输入电压转换为第一输出电压；
所述第二级电压转换电路接收所述第一输出电压，并将其转换为一恒定的直流信号；
所述第一级电压转换电路接收一表征所述第二级电压转换电路的占空比的第一控制信号，将其转换为表征所述第一输出电压的反馈信号，并据此进行电压转换。
优选的，所述第一输出电压与所述第一控制信号所表征的占空比成反比例关系。
进一步的，所述第一级电压转换电路包括输出电压反馈电路和功率因数校正控制电路；
所述输出电压反馈电路接收所述第一控制信号，对其进行均值处理后，将其与第一基准值进行比较，其比较的结果经过补偿电路得到所述反馈信号；
所述功率因数校正控制电路接收所述反馈信号和第一级电压转换电路的输入电流信号，并据此将所述直流输入电压转换为所述第一输出电压，同时控制所述第一级电压转换电路的输入电压和输入电流同相位。
优选的，所述功率因数校正控制电路工作在恒定导通时间模式或输入电压前馈控制模式。
优选的，所述第一控制信号为所述第二级电压转换电路的开关控制信号。
依据本发明一实施例的一种高效率、低损耗的交直流电源电路的控制方法，将交流电源经整流后的直流输入电压依次经过第一级电压转换和第二级电压转换后得到一直流信号，包括以下步骤：
进行第一级电压转换将所述直流输入电压转换为第一输出电压；
接收所述第一输出电压，进行第二级电压转换得到一恒定的直流信号；
接收一表征第二级电压转换电路的占空比的第一控制信号，将其转换为表征所述第一输出电压的反馈信号，并据此进行第一级电压转换。
进一步包括：
接收所述第一控制信号进行均值处理后，将其与第一基准值进行比较，所比较的结果经过补偿得到所述反馈信号；
接收所述反馈信号和第一级电压转换电路的输入电流信号，并据此将所述直流输入电压转换为所述第一输出电压，同时控制所述第一级电压转换电路的输入电压和输入电流同相位。
优选的，所述第一控制信号为所述第二级电压转换电路的开关控制信号。
依照本发明的一种高效率、低损耗的交直流电源电路及其控制方法，以后一级电压转换电路的占空比信号表征前一级电压转换电路的输出电压，而无需采样电阻采样第一级电压转换电路的输出电压，解决了高母线电压下采样电阻损耗过大的问题，提高了待机效率同时降低了设计难度；同时在轻载情况下能够自动减低母线电压从而降低了开关损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1所示为现有的一种交直流电源电路的原理框图；
图2所示为依据本发明的一种交直流电源电路的第一实施例的电路图；
图3所示为依据本发明的一种交直流电源电路的第二实施例的电路图；
图4所示为依据本发明的一种交直流电源电路的第三实施例的电路图；
图5所示依据本发明的一种交直流电源电路的的第四实施例的电路图；
图6所示为依据本发明的一种交直流电源电路的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图2，所示为依据本发明的一种交直流电源电路的第一实施例的电路图；其中所述交直流电源电路将交流电源AC经整流后的直流输入电压Vg依次经过第一级电压转换电路和第二级电压转换电路转换为一直流信号VOUT以为负载供电。
其中所述第一级电压转换电路将所述直流输入电压Vg转换为第一输出电压VBUS；
所述第二级电压转换电路接收所述第一输出电压VBUS，通过控制器（Controller）控制功率级电路进行电压转换将所述第一输出电压VBUS转换为一恒定的直流输出信号VOUT；
而第二级电压转换电路输出一表征其占空比的第一控制信号VD，在实际应用中可以将第二级电压转换电路的控制电路输出的开关控制信号作为所述第一控制信号VD。所述第一级电压转换电路中的PFC控制电路接收所述第一控制信号VD，并将其转换为表征第一级电压转换电路的输出电压（VBUS）的反馈信号，以此代替电压采样电路对电压VBUS的采样。所述第一级电压转换电路中的PFC控制电路根据所述反馈信号控制功率级电路A中开关管的动作将所述直流输入电压Vg转换为第一输出电压VBUS；同时对其进行功率因数校正。
由此可见，依据本发明的交直流电源电路无需采样电阻采样第一级电压转换电路的输出电压，而是利用后级电路的占空比信息来表征，因此解决了高母线电压下采样电阻损耗过大的问题，提高了待机效率。
参考图3，所示为依据本发明的一种交直流电源电路的第二实施例的电路图；其在图2所示实施例的基础上给出了两级转换电路的功率级电路部分以及控制电路的实现。其中第一级电压转换电路为非隔离性升压电路，具体由电感L1、开关管Q1、二极管D1和输出电容CBUS组成，所述第二级电压转换电路为一反激式变换器。
所述反激式变换器的占空比Dy的计算公式如下：
V OUT V BUS = = 1 N × D y 1 - D y - - - ( 1 )
其中N为反激式变换器的原副边的匝数比；当N=1时，由式（1）可以推出以下关系：
1 + V OUT V BUS = 1 1 - D y - - - ( 2 )
由此可以看出，在所述交直流电源电路的直流输出信号VOUT固定时，所述第一输出电压VBUS与所述反激式变换器的占空比Dy成反比例关系，因此可以利用所述反激式变换器的占空比Dy的信息来表征所述第一输出电压VBUS，以代替目前常用的采样电阻。
所述第一级电压转换电路进一步包括输出电压反馈电路301和功率因数校正控制（PFC）电路302；
所述输出电压反馈电路301接收第二级电压转换电路中控制电路所输出的开关管的控制信号作为表征反激式变换器的占空比Dy的第一控制信号VD，利用一串联至地的均值电阻和均值电容对其进行均值处理后，将均值电阻和均值电容公共连接点输出的电压输入至跨导运算放大器与第一基准值Vref1进行比较，其比较的结果经过补偿电路得到所述反馈信号VC1；
所述功率因数校正控制电路接收所述反馈信号VC1和第一级电压转换电路的输入电流信号iL，并据此控制开关管Q1的开关动作在输出端输出第一输出电压VBUS，同时控制所述第一级电压转换电路的输入电压和输入电流同相位。
当所述第一输出电压VBUS升高时，所述反激式变换器的占空比Dy变小，相应的所述第一控制信号VD进行均值处理后得到的数值变小，相应的，所述反馈信号VC1变大，相应的控制所述第一输出电压VBUS降低。
由此可以看出在轻载情况下，第二级转换电路的占空比会降低，相应的控制所述第一输出电压VBUS降低，而母线电压降低将大大减小开关管的开关损耗，进一步提高了整个电路的效率。
根据本发明的教导，可知第一、二级电压转换电路的拓扑结构并不限制于上述实施例所列举的。所述第一级电压转换电路可以采用具有功率因数校正功能的其他非隔离型拓扑结构，相应的，所述第二级电压转换电路可以为其他任何合适的隔离型拓扑结构。同样第一级电压转换电路为具有功率因数校正功能的隔离型拓扑结构时，所述第二级电压转换电路可以采用非隔离型拓扑结构。
其中隔离型的拓扑结构可以包括反激式变换器、正激式变换器、推挽变换器或桥式变换器等；而所述非隔离型拓扑结构包括非隔离型降压电路、非隔离型升压电路或非隔离型升降压电路等。
另外，两级电压转换电路均采用非隔离型拓扑也在本发明的保护范围之内，如图4所示电路中第一级电压转换电路为非隔离型升压电路，所述第二级电压转换电路为非隔离型降压电路。在所述交直流电源电路的直流输出信号VOUT固定时，所述第一输出电压VBUS与所述反激式变换器的占空比Dy成反比例关系。其工作原理与图3所示实施例相似，在此不再赘述。
图5中详细示出了第一级电压转换电路中功率因数校正控制电路以及第二级电压转换电路中控制电路的具体实现方法中的一种，具体工作原理可参照背景技术部分，为公知方法，在此不再赘述。在本实施例中，所述功率因数校正控制电路工作在输入电压前馈控制模式，即需要对直流输入电压Vg进行采样和前馈，也可以采用不需要输入电压前馈的恒定导通时间模式进行功率因数校正控制。
参考图6，所示为依据本发明的一种高效率、低损耗的交直流电源电路的控制方法的流程图，将交流电源经整流后的直流输入电压经过第一级电压转换和第二级电压转换后得到一直流信号，其包括以下步骤:
S601：进行第一级电压转换将所述直流输入电压转换为第一输出电压；
S602：接收所述第一输出电压，进行第二级电压转换得到一恒定的直流信号；
S603接收一表征第二级电压转换电路的占空比的第一控制信号，将其转换为表征所述第一输出电压的反馈信号，并据此进行第一级电压转换。
所述步骤S603中可以进一步包括以下步骤：
接收所述第一控制信号进行均值处理后，将其与第一基准值进行比较，所比较的结果经过补偿得到所述反馈信号；
接收所述反馈信号和第一级电压转换电路的输入电流信号，并据此将所述直流输入电压转换为所述第一输出电压，同时控制所述第一级电压转换电路的输入电压和输入电流同相位。
优选实施例中，所述第一控制信号为所述第二级电压转换电路的开关控制信号。
以上对依据本发明的优选实施例的交流-直流电压转换电路进行了描述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本领域技术人员在本发明实施例公开的电路的基础上所做的相关的改进、多个实施例的结合，以及采用其他技术、电路布局或元件而实现的相同功能的电路结构，也在本发明实施例的保护范围之内。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种高效率、低损耗的交直流电源电路，将交流电源经整流后得到的直流输入电压依次经过第一级电压转换电路和第二级电压转换电路转换为一直流信号，其特征在于：
所述第一级电压转换电路将所述直流输入电压转换为第一输出电压；
所述第二级电压转换电路接收所述第一输出电压，并将其转换为一恒定的直流信号；
所述第一级电压转换电路接收一表征所述第二级电压转换电路的占空比的第一控制信号，将其转换为表征所述第一输出电压的反馈信号，并据此进行电压转换。
2.根据权利要求1所述的交直流电源电路，其特征在于，所述第一输出电压与所述第一控制信号所表征的占空比成反比例关系。
3.根据权利要求1所述的交直流电源电路，其特征在于，所述第一级电压转换电路包括输出电压反馈电路和功率因数校正控制电路；
所述输出电压反馈电路接收所述第一控制信号，对其进行均值处理后，将其与第一基准值进行比较，其比较的结果经过补偿电路得到所述反馈信号；
所述功率因数校正控制电路接收所述反馈信号和第一级电压转换电路的输入电流信号，并据此将所述直流输入电压转换为所述第一输出电压，同时控制所述第一级电压转换电路的输入电压和输入电流同相位。
4.根据权利要求3所述的交直流电源电路，其特征在于，所述功率因数校正控制电路工作在恒定导通时间模式或输入电压前馈控制模式。
5.根据权利要求1所述的交直流电源电路，其特征在于，所述第一控制信号为所述第二级电压转换电路的开关控制信号。
6.一种高效率、低损耗的交直流电源电路的控制方法，将交流电源经整流后的直流输入电压依次经过第一级电压转换和第二级电压转换后得到一直流信号，其特征在于包括以下步骤：
进行第一级电压转换将所述直流输入电压转换为第一输出电压；
接收所述第一输出电压，进行第二级电压转换得到一恒定的直流信号；
接收一表征第二级电压转换电路的占空比的第一控制信号，将其转换为表征所述第一输出电压的反馈信号，并据此进行第一级电压转换。
7.根据权利要求6所述的交直流电源电路的控制方法，其特征在于，进一步包括：
接收所述第一控制信号进行均值处理后，将其与第一基准值进行比较，所比较的结果经过补偿得到所述反馈信号；
接收所述反馈信号和第一级电压转换电路的输入电流信号，并据此将所述直流输入电压转换为所述第一输出电压，同时控制所述第一级电压转换电路的输入电压和输入电流同相位。
8.根据权利要求6所述的交直流电源电路的控制方法，其特征在于，所述第一控制信号为所述第二级电压转换电路的开关控制信号。
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