CN102904430A

CN102904430A - 开关电源中的双整流电路

Info

Publication number: CN102904430A
Application number: CN2012103766916A
Authority: CN
Inventors: 陆东海
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开了一种开关电源中的双整流电路，包括：主电源电路和次电源电路；主电源电路包括主整流器、主滤波电容和主负载电阻；主整流器的交流输入端连接交流电源，主滤波电容并联在主整流器的整流输出端上；主负载电阻与主滤波电容并联，主滤波电容的两端为主电源输出的正负端；次电源电路包括次整流器、次滤波电容、充放电电容和次负载电阻；次整流器的交流输入端通过充放电电容连接交流电源；次滤波电容并联在次整流器的整流输出端上，次负载电阻与次滤波电容并联，次滤波电容的两端为次电源输出的正负端。本发明实施例能够提供电压差值较大的两种直流电源，且不会引起明显的额外消耗，也不存在初次启动的问题，工作效率和可靠性高。

Description

开关电源中的双整流电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种开关电源中的双整流电路。

背景技术

目前以市电为供电基础的大多数应用设备都需要直流电源，因此需要首先对市电交流电进行整流和滤波，以获得直流电源；在获得直流电源后，还需经过控制电路对其作进一步的控制和处理，以满足应用设备的需求。

开关电源是一种有源电源，需要控制电路（如图1、图2和图3中的“M”），该控制电路自身也需要被供应直流电源，该部分的功率需要很少，但却是必不可少，虽然控制电路一旦启动，很多问题就容易解决，但是在启动之前，什么都做不了，所以这就存在一个初次启动的问题，为了解决控制电路自身的初始供电问题，电路会变得比较复杂。

控制电路一般包括芯片、处理器及其它各种低压低功耗的电子元器件，这部分电路的电压一般只允许在5～20V之间。相对而言，应用设备所需的电源电压高、电流大、功率大，而控制电路所需的电源电压低、电流小、功率小。因此，对于这种存在控制电路的整流电路的应用场合，需要搭建的是一种能同时输出两种不同电压值的电源电路。

为了描述方便，通常将交流电进行整流滤波后获得的、为设备提供主力电能供应的直流电源称为主电源（如图1、2、3中的电容C的两端）；将为控制电路提供电能的直流电源称为次电源（如图1、2、3中的M的Vcc、Gnd两端）。

现有技术中，为同时获得主电源和次电源，传统的做法是直接从主电源串联一个限流电阻到控制电路的次电源上去，从而让控制电路获得电流，如图2所示的限流电阻R。但这种电路是非常低效的，因为主电源的电压比较高（如市电为220V，那么整流滤波后的主电源电压将可能高达310V），次电源的控制电路工作电压很低，所以相对于限流电阻与控制电路的总能量（电流×电压）而言，控制电路所占据的能量比例很小，也即限流电阻消耗了大部分由主电源输送至次电源的能量。

针对以上情况，现有技术中也有提出了改进的方案，即在以上技术的基础上，添加一个由变压器绕组和二极管组成的整流电路，连接在限流电阻与控制电路相连接的同一端，以获得次电源，如图3所示。因为绕组电压可以接近M的额定工作电压，所以比传统的仅串联电阻的方式的效率要高。但其缺点在于限流电阻仍然存在，这是由于只有控制电路启动以后，该控制电路所添加的绕组才能输出电流补充给次电源，维持并加强次电源电压，因此需要保留限流电阻来为控制电路提供初次启动电流，但如果控制电路的启动电流和工作电流相差不大，限流电阻的功耗就不会比原来降低很多。

若通过增加元件使得控制电路启动后可以切断限流电阻的电流，则可以相应地降低其所消耗的能量，但这样的处理将导致控制电路更加复杂，降低了整个电源供应电路的可靠性，相应地也增加了成本。

因此，需要研究一种效率更高、可靠性更强、成本更低的整流电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种开关电源中的双整流电路，能够提供两种电源电压，一方面使得次电源的获得不会引起明显的额外消耗；另一方面使得次电源的获得没有初次启动的问题。

为解决以上技术问题，本发明实施例提供一种开关电源中的双整流电路，包括：主电源电路和次电源电路；

所述主电源电路包括主整流器、主滤波电容和主负载电阻；所述主整流器的交流输入端连接交流电源，所述主滤波电容并联在所述主整流器的整流输出端上；所述主负载电阻与所述主滤波电容并联，所述主滤波电容的两端为主电源输出的正负端；

所述次电源电路包括次整流器、次滤波电容、充放电电容和次负载电阻；所述次整流器的交流输入端通过所述充放电电容连接交流电源；所述次滤波电容并联在所述次整流器的整流输出端上，所述次负载电阻与所述次滤波电容并联，所述次滤波电容的两端为次电源输出的正负端。

其中，所述主电源电路与所述次电源电路具有共同的电源负端。

进一步的，所述主整流器为桥式整流器或半桥式整流器；所述次整流器为桥式整流器或半桥式整流器。

本发明实施例提供的开关电源中的双整流电路，包括主电源电路和次电源电路。主电源通过主整流器和主滤波电容获得，主整流器的交流输入端直接连接交流电源；次电源通过次整流器和次滤波电容获得，次整流器的交流输入端通过串联一个电容后连接交流电源，次电源的电流大小由所述串联的电容容量决定。本发明实施例能够提供两种电压值相差悬殊的电源电压，且从主电源处引流所得的次电源没有明显的额外能量消耗，也不存在由电路启动所引起的各种问题，因此该开关电源中的双整流电路具有更高的整流效率和可靠性。

附图说明

图1是传统的普通开关电源电路示意图；

图2是传统的普通开关电源电路示意图（控制器通过串联电阻供电）；

图3是传统的普通开关电源电路示意图（控制器通过串联电阻和绕组供电）；

图4是半桥式整流器的结构示意图；

图5是桥式整流器的结构示意图；

图6是本发明提供的开关电源中的双整流电路的第一实施例的电路连接图；

图7是本发明提供的开关电源中的双整流电路的第二实施例的电路连接图；

图8是本发明提供的开关电源中的双整流电路的第三实施例的电路连接图；

图9是本发明提供的一种开关电源中的双整流电路在开关电源应用中的电路连接图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种开关电源中的双整流电路，包括主电源电路和次电源电路；

具体实施时，所述主整流器为桥式整流器或半桥式整流器；所述次整流器为桥式整流器或半桥式整流器。

参见图4，是半桥式整流器的结构示意图。

半桥式整流器由两个二极管构成，具有一个交流输入端和两个整流输出端。如图4所示，半桥式整流器包括第一二极管10和第二二极管20。第一二极管10的正极与第二二极管20的负极连接，第一二极管10和第二二极管20之间的连接点为交流电输入端S，第一二极管10的负极为其中一个整流输出端OUT_1，第二二极管20的正极为另一个整流输出端OUT_2。

参见图5，是桥式整流器的结构示意图。

桥式整流器由四个二极管构成，具有两个交流输入端和两个整流输出端。如图5所示，两个交流输入端分别为端子S1和端子S2，两个整流输出端分别为端子OUT_1和端子OUT_2。

下面结合图6~图8，对本发明实施例提供的开关电源中的双整流电路的结构及工作原理进行详细描述。

参见图6，是本发明提供的开关电源中的双整流电路的第一实施例的结构示意图。

第一实施例提供的开关电源中的双整流电路包括：主电源电路和次电源电路；具体如下：

在主电源电路中，所述主整流器为半桥式整流器，所述主滤波电容由第二电容器C2和第三电容器C3串联组成；所述半桥式整流器由二极管D1和二极管D2组成，具有一个交流输入端和两个整流输出端，所述交流输入端连接交流电源第一端AC_1，所述两个整流输出端连接所述主滤波电容和主负载电阻（图6所示的电阻R2），所述主滤波电容中的第二电容器C2和第三电容器C3之间的连接点连接交流电源第二端AC_2；其中，由第二电容器C2和第三电容器C3组成的串联电路的两端为主电源输出的正负端。

在次电源电路中，所述次整流器为半桥式整流器，所述次滤波电容包括第一电容器C1，所述充放电电容包括第四电容器C4；所述半桥式整流器由二极管D3和二极管D4组成具有一个交流输入端和两个整流输出端，所述交流输入端通过所述第四电容器C4连接到交流电源第一端AC_1，所述两个整流输出端连接所述第一电容器C1和次负载电阻（图6所示的电阻R1）。其中，第一电容器C1的两端为次电源输出的正负端。

下面对本实施例提供的开关电源中的双整流电路的工作原理进行说明：

在主电源电路中，第二电容器C2、第三电容器C3是可以假定为恒压的，主电源电路的整流工作原理为：当输入的交流电源电压处于正半周期时，电流从交流电源第一端AC_1开始，流经二极管D1、第二电容器C2，然后到达交流电源第二端AC_2；当输入的交流电源电压处于负半周期时，电流从交流电源第二端AC_2开始，流经第三电容C3、二极管D2，最后到达交流电源第一端AC_1。

在次电源电路中，其基本工作原理为：当输入的交流电源电压处于正半周期时，电流从交流电源第一端AC_1开始，流经第四电容器C4、二极管D3、第一电容器C1（次负载电阻R1与第二电容器C1并联，同样有电流流通）、第三电容器C3（严格说还有第二电容器C2和电阻R2），最后回到交流电源第二端AC_2。在这个过程中，第四电容器C4被充电，极性为“左正右负”。当输入的交流电源电压处于负半周期时，电流从交流电源第二端AC_2开始，通过第三电容器C3、二极管D4、第四电容器C4，回到交流电源第一端AC_1，而第四电容器C4由原来的“左正右负”放电到接近零伏。由此，第四电容器C4作为限流电容会有持续不断的交流电流，不会随周期的增加而逐步减少或消失，流经C4的交流电流经次电源电路整流后，可为的负载电阻R1提供所需的直流电流。流经负载电阻R1的电流大小由第四电容器C4的电容容量所决定，其具体取值因实际应用需要而设定。

参见图7，是本发明提供的开关电源中的双整流电路的第二实施例的结构示意图。

第二实施例提供的开关电源中的双整流电路包括：主电源电路和次电源电路；具体如下：

在主电源电路中，所述主整流器为桥式整流器，所述主滤波电容包括第六电容器C6；所述桥式整流器由二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8组成，具有两个交流输入端和两个整流输出端，所述两个交流输入端分别连接交流电源第一端AC_1和交流电源第二端AC_2，所述两个整流输出端连接所述第六电容器C6和主负载电阻（图7所示的电阻R4）；其中，第六电容器C6的两端为主电源输出的正负端。

在次电源电路中，所述次整流器为半桥式整流器，所述次滤波电容包括第五电容器C5，所述充放电电容包括第七电容器C7；所述半桥式整流器由二极管D9和二极管D10组成，具有一个交流输入端和两个整流输出端，所述交流输入端通过串联所述第七电容器C7连接到交流电源第一端AC_1，所述两个整流输出端连接所述第五电容器C5和次负载电阻（图7所示的电阻R3）；其中，第五电容器C5的两端为次电源输出的正负端。

在本实施例中，主电源电路的基本工作原理为：当输入的交流电源电压处于正半周期时，电流从交流电源第一端AC_1开始，经过二极管D7、第六电容器C6和主负载电阻R4，经过二极管D6回到交流电源第二端AC_2；当输入的交流电源电压处于负半周期时，电流从交流电源第二端AC_2开始，经过二极管D5、第六电容器C6和主负载电阻R4的并联电路、二极管D8，最后回到交流电源第一端AC_1。

次电源电路的基本工作原理为：当输入的交流电源电压处于正半周期时，电流从交流电源第一端AC_1开始，经过第七电容器C7、二极管D9、次负载电阻R3和第五电容器C5的并联电路、二极管D6，回到交流电源第二端AC_2，此过程中，第七电容器C7被充电，极性为“左正右负”；当输入的交流电源电压处于负半周期时，电流流向为从交流电源第二端AC_2开始，经过二极管D5、主电源负载R4和第六电容器C6的并联电路，且电流首先流经二极管D10与第七电容器C7，直到第七电容器C7将其所充的电量被放电到零伏后，二极管D10才截止，二极管D8导通，电流回到交流电源第一端AC_1上。

在之后的周期性的交流电源输入过程中，本实施例提供的开关电源中的双整流电路的第七电容器C7周而复始地进行“被充电”和“放电到零伏”的两个过程，因此，第七电容器C7会一直存在交流电流，经整流后，次电源负载电阻R3会有持续的电流，也即获得次电源。

此外，需要说明的是，在本实施例中，当输入的交流电源电压处于正半周期时，二极管D6作为主电源电路和次电源电路的共同元件来导通；当输入的交流电源电压处于负半周期时，二极管D8作为主电源电路和次电源电路的共同元件来导通。因此，主电源电路的电流和次电源电路的电流不会冲突。

从理论上讲，本实施例所提供的开关电源中的双整流电路的第七电容器在放电过程中，会对主电源电路的电流和电压有提升作用。若主电源的电流和电压不断地无限上升，第七电容器C7的放电将会一次比一次不彻底，最终也导致其正向充电一次比一次减弱，次电源电流会慢慢跌落直至消失。但在实际应用场合中，主电源电路的负载电阻的电流比次电源的负载电阻的电流远远要大，次电源的电流对主电源影响将是微不足道的，也即主电源电压可看作是相对恒定的而不会无限上升，因而第七电容器就会有源源不断的电流。

参见图8，是本发明提供的开关电源中的双整流电路的第三实施例的结构示意图。

第三实施例提供的开关电源中的双整流电路包括：主电源电路和次电源电路；具体如下：

在主电源电路中，所述主整流器为桥式整流器，所述主滤波电容包括第九电容器C9；所述桥式整流器由二极管D11、二极管D12、二极管D13和二极管D14组成，具有两个交流输入端和两个整流输出端，所述两个交流输入端分别连接交流电源第一端AC_1和交流电源第二端AC_2，所述两个整流输出端连接所述第九电容器C9和主负载电阻（图8所示的电阻R6）；其中，第九电容器C9的两端为主电源输出的正负端。

在次电源电路中，所述次整流器为桥式整流器，所述次滤波电容包括第八电容器C8，所述充放电电容包括第十电容器C10和第十一电容器C11；所述桥式整流器由二极管D15、二极管D16、二极管D17和二极管D18组成，具有两个交流输入端和两个整流输出端，其中一个交流输入端通过所述第十电容器C10连接到交流电源第一端AC_1，另外一个交流输入端通过所述第十一电容器C11连接到交流电源第二端AC_2，所述两个整流输出端连接所述第八电容器C8和次负载电阻（图8所示的电阻R5）。其中，第八电容器C8的两端为次电源输出的正负端。

在本实施例中，主电源电路的基本工作原理为：当输入的交流电源电压处于正半周期时，电流流向线路为从交流电源第一端AC_1开始，流经二极管D13，到达二极管D12，回到交流电源第二端AC_2，在此过程中，第九电容器C9被充电；当输入的交流电源电压处于负半周期时，电流流向线路为从交流电源第二端AC_2开始，流经二极管D11，达到二极管D14，第九电容器C9被充电。第九电容器C9的两端为主电源输出的正负端，并向主负载电阻R6供电。次电源电路的基本工作原理为：假设在开关电源中的双整流电路启动之前，第十电容器C10、第十一电容器C11的电压均为零伏。当输入的交流电源电压处于正半周期时，电流流向线路为从交流电源第一端AC_1开始，流经第十电容器C10，二极管D17导通，流经第八电容器C8和次负载电阻R5后，二极管D12导通，电流回到交流电源第二端AC_2。在这个过程中，第十电容器C10被充电，其极性为“左正右负”，而因二极管D12导通，所以第十一电容器C11被短路而没有被充电，仍然为零伏。当输入的交流电源电压处于负半周期时，电流流向从交流电源第二端AC_2开始，流经第十一电容器C11，二极管D15导通，电流流至第八电容器C8和次负载电阻R5。由于第十电容器C10在正半周期的交流电源输入时被充电，且其极性为“左正右负”，因此，二极管D18比二极管D14先导通，第十电容器C10被放电。当第十电容器C10被放电至零伏时，二极管D18才截止，二极管D14导通，电流回到交流电源第一端AC_1。

由于本实施例所提供的开关电源中的双整流电路的结构是对称的，且对应位置的元件可以互换，第十电容器C10的工作过程与第十一电容器C11的工作过程完全一致。在下一个交流电源的电压周期中，第十电容器C10与第十一电容器C11周而复始地进行“被充电”和“被放电至零伏”这两个过程，因而第十电容器C10与第十一电容器C11会持续不断地存在交流电流，交流电流经次电源电路的整流和滤波后能够为次电源负载电阻R5提供直流电源。

在本实施例中第十电容器C10与第十一电容器C11的交流阻抗决定了次电源负载电阻R5上的电流，在实际应用中，可为充电电容选取合适的电容容量，以获得合适的次电源。经计算和实测得，对于220V/50HZ的交流输入，要得到12V/10mA的次电源，第十电容器C10与第十一电容器C11的容量采用0.33UF左右即可。

此外，需要说明的是，在本实施例中，当输入的交流电源电压处于正半周期时，二极管D12作为主电源电路和次电源电路的共同元件来导通；当输入的交流电处于负半周期时，二极管D14作为主电源和次电源的共同元件来导通。因此，主电源和次电源的电流方向一致，不会产生冲突。

综上所述，以上各个实施例的共同优点包括：一方面次电源的获得没有产生额外的损耗，所有的功率都到了必要的地方——次电源负载电阻；另一方面，次电源的获得也没有初次启动问题。

此外，图8所示的开关电源中的双整流电路还具有更多优点，表现在：首先，本实施例具有更高的整流效率，具体体现在无论输入的交流电源的电压是处于正半周期还是负半周期，本实施例的开关电源中的双整流电路都向次电源电路输送电流；第二，对于要获得同样的次电源电流，本实施例中的第十电容器C10和第十一电容器C11作为充电电容，其容量分别只需为以上各个实施例中的充放电电容的容量的一半；此外，本实施例中的第十电容器C10和第十一电容器C11在放电过程中，其放电通路没有经过主电源的负载电路，因而不会对主电源的电流和电压产生影响，第十电容器C10和第十一电容器C11的放电也更加彻底。综上所述，本实施例所提供的开关电源中的双整流电路具有更好的性能。

进一步地，以上各个实施例中的主电源电路与次电源电路具有共同的电源负端。

可选地，以上各个实施例中的构成主电源电容、次电源电容和充放电电容的电容器均可选取为电解电容器，其各自的极性与其所在的主电源电路或次电源电路的电压极性相对应。

参见图9，是本发明提供的一种开关电源中的双整流电路在开关电源应用中的电路连接图。图中A点为主电源输出端的正极，B为次电源输出端的正极，且主电源和次电源的负极共同接地。

在本实施例中，U1为控制电路中的控制器芯片，其工作电流约为20mA，工作电压约为12V，第十二电容器C12容量为1uF，且第十二电容器C12使用了有极性的电解电容。主整流器为桥式整流器，由二极管D19、二极管D20、二极管D21和二极管D22组成，且其中的二极管D20保证了第十二电容器C12不会出现反向极性的电压，所以这里第十二电容器C12可以用电解电容。稳压管Z1可以将多于控制器芯片U1所需的电流消耗掉，使次电源达到稳压的目的。次电源使得控制器芯片U1工作后，控制场效应管将主电源通过高频变压器T1转换电能到主电源的两个输出端DC+、DC－，实现产品的功能。

综上所述，本发明实施例提供的开关电源中的双整流电路，能够提供两种具有不同电压值的电源，包括主电源和次电源。一方面，本发明实施例提供的开关电源中的双整流电路，使得次电源在获取过程中不会引起明显的额外消耗，所有的能量都转移到次电源的负载中去，次电源的整流效率大大提高；另一方面，本发明实施例中没有对次电源的进行加强或维持的控制电路，因而次电源的获得没有初次启动的问题，本开关电源中的双整流电路更加简单、可靠。

需要说明的是，本开关电源中的双整流电路的主负载电阻、次负载电阻是一个耗电电路的概括。在具体应用当中，该主负载电阻、次负载电阻可被相应的耗电电路替代，如图9所示的实施例。

本发明实施例提供的开关电源中的双整流电路是基于开关电源电路的研究而设计的，并也将以广泛应用于开关电源为目的，但是本发明同样适用于任何需要两种大压差电源供电的场合。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种开关电源中的双整流电路，其特征在于，包括：主电源电路和次电源电路；

2.如权利要求1所述的开关电源中的双整流电路，其特征在于，所述主电源电路与所述次电源电路具有共同的电源负端。

3.如权利要求2所述的开关电源中的双整流电路，其特征在于，所述主整流器为桥式整流器或半桥式整流器；所述次整流器为桥式整流器或半桥式整流器。

4.如权利要求1~3任一项所述的开关电源中的双整流电路，其特征在于，在主电源电路中，所述主整流器为半桥式整流器，所述主滤波电容由第二电容器C2和第三电容器C3串联组成；所述半桥式整流器具有一个交流输入端和两个整流输出端，所述交流输入端连接交流电源第一端AC_1，所述两个整流输出端连接所述主滤波电容和主负载电阻，所述主滤波电容中的第二电容器C2和第三电容器C3之间的连接点连接交流电源第二端AC_2；

在次电源电路中，所述次整流器为半桥式整流器，所述次滤波电容包括第一电容器C1，所述充放电电容包括第四电容器C4；所述半桥式整流器具有一个交流输入端和两个整流输出端，所述交流输入端通过所述第四电容器C4连接到交流电源第一端AC_1，所述两个整流输出端连接所述第一电容器C1和次负载电阻。

5.如权利要求1~3任一项所述的开关电源中的双整流电路，其特征在于，在主电源电路中，所述主整流器为桥式整流器，所述主滤波电容包括第六电容器C6；所述桥式整流器具有两个交流输入端和两个整流输出端，所述两个交流输入端分别连接交流电源第一端AC_1和交流电源第二端AC_2，所述两个整流输出端连接所述第六电容器C6和主负载电阻；

在次电源电路中，所述次整流器为半桥式整流器，所述次滤波电容包括第五电容器C5，所述充放电电容包括第七电容器C7；所述半桥式整流器具有一个交流输入端和两个整流输出端，所述交流输入端通过所述第七电容器C7连接到交流电源第一端AC_1，所述两个整流输出端连接所述第五电容器C5和次负载电阻。

6.如权利要求1~3任一项所述的开关电源中的双整流电路，其特征在于，在主电源电路中，所述主整流器为桥式整流器，所述主滤波电容包括第九电容器C9；所述桥式整流器具有两个交流输入端和两个整流输出端，所述两个交流输入端分别连接交流电源第一端AC_1和交流电源第二端AC_2，所述两个整流输出端连接所述第九电容器C9和主负载电阻；

在次电源电路中，所述次整流器为桥式整流器，所述次滤波电容包括第八电容器C8，所述充放电电容包括第十电容器C10和第十一电容器C11；所述桥式整流器具有两个交流输入端和两个整流输出端，其中一个交流输入端通过所述第十电容器C10连接到交流电源第一端AC_1，另外一个交流输入端通过所述第十一电容器C11连接到交流电源第二端AC_2，所述两个整流输出端连接所述第八电容器C8和次负载电阻。