CN103259394A - 一种变频移相全桥变换器的附加电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频移相全桥变换器的附加电路，解决开关电源中低负载时不必要的能源浪费，保障开关电源的可靠性。本发明包含电流检测输出电路、比较放大电路、频率变换电路，电流检测输出电路输出高/低电平端与比较放大电路输入端连接，比较放大电路输出端与频率变换电路输入端连接，频率变换电路包含有金氧半场效晶体管Q。本发明使开关电源转换器在高负载时工作在高频率段，能够高效、稳定、正常的工作；在低负载时工作在低频率段，增强了开关电源转换器的可靠性，并有效地解决了开关电源转换器在低负载状态下的温度过高的问题。

Description

一种变频移相全桥变换器的附加电路

技术领域

本发明涉及一种电子产品中的开关电源，特别涉及一种自动变频功能的移相全桥开关电源转换器，解决其本身低负载（特别是空载）损耗问题，降低空（低）负载损耗，以达到绿色能源要求的低空载损耗的要求，是一种具有自动变频功能的开关电源转换器附加电路。

背景技术

目前电信交换局常见设备直流供电电压为－48V和+24V，而现有的市电、光伏发电或者柴油发电设备等等, 均未能满足需求；开关电源是一项必不可缺的技术部分，而如何降低损耗就变成开关电源一个主要的研究课题。

研究表明，电子设备和电子器件失效的原因有70%以上是由过热引起，开关电源转换器同样面临此问题。作为开关电源的主要工作环节金氧半场效晶体管MOSFET温度过高问题在金氧半场效晶体管MOSFET上尤为突出。金氧半场效晶体管MOSFET在工作时有一定的开关损耗，温度会上升，如果处理不好还会引起管子的通流量减少，严重的会使管子击穿。由于开关损耗与金氧半场效晶体管MOSFET 的开关速度以及金氧半场效晶体管MOSFET的输入和输出电容有关，但是在同样的金氧半场效晶体管MOSFET下，开关损耗与工作频率成正比关系。因此高的工作频率会产生高的开关损耗。由于高的开关频率计环流问题，移相全桥电路低负载（特别是空载）时过热现象尤为明显，由于过热问题，转换器经常会引起故障。对系统的可靠性构成威胁，影响设备的正常使用，也由此造成了能源不必要的浪费。

众所周知，移相全桥控制，控制简单；电压、电流应力小；功率密度大；开关管实现了软开关，提高了电路的效率等广泛应用于开关电源中。但它也存在着一些弊端：为了实现软开关致使占空比损失，尤其是在开关过程中存在环流问题，产生不必要的损耗，阻碍了电路效率的提高。而现有的过热处理的方法主要是散热方法、散热设备、散热器件和导热材料的开发和选取，或者采用更优的器件，成为各制造商提高设备可靠性的关键技术。但是并没有有效的解决电源转换器的自身过热的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足之处，本发明提供一种具有自动变频功能的开关电源转换器附加电路，降低开关电源转换器在低负载时的过热现象，保障设备的可靠性供电及能源浪费的问题；解决开关电源中低负载时不必要的能源浪费，保障开关电源的可靠性，降低空（低）载损耗。

为实现上述目的，本发明公开了一种变频移相全桥变换器的附加电路，通过以下的技术方案加以实现：

一种变频移相全桥变换器的附加电路，包含电流检测输出电路、比较放大电路、频率变换电路，其中，电流检测输出电路输出端与比较放大电路输入端连接，比较放大电路输出端与频率变换电路输入端连接，频率变换电路包含有金氧半场效晶体管Q；比较放大电路包含：线性放大器U2A、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3，电阻R3串联电阻R4，电阻R5串联电阻R6，两组串联电路并联，并联的电阻R3与电阻R5一端连接电源，电阻R3的另一端连接线性放大器U2A的反向输入端，电阻R5的另一端连接线性放大器U2A的正向输入端，电阻R3串联电阻R4后接地，电阻R5串联电阻R6后接地。

在其中一些实施例中，所述线性放大器U2A连接电源，线性放大器U2A的输出端连接频率变换电路的金氧半场效晶体管Q的衬底P，线性放大器U2A的输出端经过电容C3滤波后连接频率变换电路的金氧半场效晶体管Q的栅极G。

在其中一些实施例中，所述电流检测输出电路与比较放大电路之间串联滤波电路，滤波电路是RC滤波器，RC滤波器由电阻R7和电容C4并联构成，电流检测输出电路输出端与RC滤波器输入端连接，RC滤波器输出端与比较放大电路连接，电阻R7和电容C4一端连接电流检测输出电路输出端，电阻R7的另一端连接线性放大器U2A的正向输入端，电容C4的另一端接地。

在其中一些实施例中，所述电流检测输出电路提供一个低电平或者高电平信号，输出到RC滤波器，RC滤波器的电阻R7和电容C4一端连接一通用端口GPIO1。

在其中一些实施例中，所述频率变换电路包含金氧半场效晶体管Q、电阻R2，金氧半场效晶体管Q的漏极D接地，金氧半场效晶体管Q的源极S串联电阻R2后连接FRESET端口。

本发明的附加电路由电流检测输出电路检测到的负载电流的大小来判断变换器处于低负载还是高负载状态（配合相应的自定义低/高负载的临界点），根据这两种状态来提供一个低电平或者高电平信号，通过比较放大来控制金氧半场效晶体管MOSFET的导通和关闭，以实现对移相全桥控制器所控制的全桥电路的频率调整为所对应的低频率和高频率两种工作状态。显而易见，本发明附加电路所述的技术方案，有效地解决了开关电源转换器在低负载状态下的温度过高和能源浪费的问题。开关型稳压电源的脉宽调制PWM开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的工作原理示意框图；

图2为本发明实施例的移相全桥控制器频率设置部分的原理图；

图3为本发明实施例的电路原理图；

图4 为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，解析本发明的优点与精神，藉由以下结合附图与具体实施方式对本发明的详述得到进一步的了解。

本发明附加电路是基于移相全桥控制器所控制的移相全桥电路，如今比较成熟的开关电源的工作频率都是单一固定的，无论负载的大小，开关电源转换器的频率都是不变的，这样一来对其自身就存在一定的问题，由于金氧半场效晶体管MOSFET导通时有一定的导通电阻，又开关高频率地工作，且由于电路本身存在的环流，空载或低负载时会有较大的损耗，再者开关电源转换器在恶劣环境下工作是最常见的事，这就有可能会损坏转换器中的金氧半场效晶体管MOSFET，由此转换器的可靠性就得不到保证，在能源被不必要浪费的同时对人力物力也是一种浪费。本设计将实现低频率和高频率两种工作状态由负载情况来进行切换，由此解决低负载过热和能源浪费的问题。

如图1所示，整个具有自动变频功能的开关电源转换器附加电路的组成有：电流检测输出电路11、比较放大电路12、频率变换电路13三个部分，电流检测输出电路11部分是由IC集成电路配合相应的软件对负载的采样进行判断低/高负载而相应输出一个低/高电平信号。

如图2所示，本发明实施例的移相全桥控制器频率设置部分的原理图，其中移相全桥控制器（U1）的4组OUT端口分别输出控制4组金氧半场效晶体管MOSFET；移相全桥控制器（U1）的FRESET端口和本发明附加电路的输出端FRESET端口相连。

如图3、图4所示，线性放大器U2A为芯片LM358的一个单元，由其连接方式构成一个放大电路，电阻R7和电容C4构成一个RC滤波器，电阻R3串联电阻R4、电阻R5串联电阻R6构成两组并联的分压电路；IC集成电路判断发出的高/低电平信号经RC滤波器后送到线性放大器U2A正向输入端，经比较放大，再经电容C3滤波后，输出到金氧半场效晶体管Q（MOSFET）的栅极G来控制金氧半场效晶体管Q的关闭/导通状态。

经读取负载是否为低负载，若是低负载则，电流检测输出电路11输出一个低电平信号，否则电流检测输出电路11输出一个高电平信号，送到线性放大器U2A进行比较放大，输出一个低/高电平来控制金氧半场效晶体管Q（MOSFET）的关闭/导通状态，决定电阻R2是否并联到移相全桥控制器（U1）的电阻R1上，达到全桥电路频率的切换，实现变频功能，有效地解决了开关电源转换器在低负载状态下的温度过高和能源浪费的问题。相对于现有解决由于开关电源在低负载（特别是空载）时过热的方法，现有主要就是通过散热的方法，或者采用更优的器件的方法，而本发明则是通过附加电路来实现。

附图1、附图3为具体实施例的原理框图和原理图，在第一实施例中，本附加电路包括电流检测输出电路11（IC集成电路、电流判断）、比较放大电路12、频率变换电路13，其中，电流检测输出电路11输出端与比较放大电路12输入端连接，比较放大电路12输出端与频率变换电路13输入端连接。电流检测输出电路11采用IC集成电路，用于进行电流判断。

比较放大电路12包含：线性放大器U2A（芯片LM358）、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3，电阻R3串联电阻R4，电阻R5串联电阻R6，两组串联电路并联，并联的电阻R3与电阻R5一端连接电源，电阻R3的另一端连接线性放大器U2A的2脚（反向输入端），电阻R5的另一端连接线性放大器U2A的3脚（正向输入端），电阻R3串联电阻R4后接地，电阻R5串联电阻R6后接地，线性放大器U2A的8脚连接电源，线性放大器U2A的4脚接地，线性放大器U2A（芯片LM358）的1脚（输出端）连接频率变换电路13的金氧半场效晶体管Q（MOSFET）的衬底P，线性放大器U2A（芯片LM358）的1脚经过电容C3滤波后连接频率变换电路13的金氧半场效晶体管Q的栅极G，电容C3的另一端接地。

频率变换电路13包含：金氧半场效晶体管Q、电阻R2，金氧半场效晶体管Q（MOSFET）的漏极D接地， 金氧半场效晶体管Q的源极S串联电阻R2后连接FRESET端口，FRESET端口输出端与移相全桥控制器（U1）的FRESET端口连接。通过金氧半场效晶体管Q的关闭或者导通两种状态，实现电阻R2与移相全桥控制器（U1）的电阻R1断开或者并联，实现频率的切换。

在第二实施例中，还可以在电流检测输出电路11与比较放大电路12之间串联滤波电路，滤波电路是由电阻R7和电容C4构成的RC滤波器，RC滤波器由电阻R7和电容C4并联构成，电流检测输出电路11输出端与滤波电路（RC滤波器）输入端连接，滤波电路输出端与比较放大电路12连接，电阻R7和电容C4一端连接一通用端口GPIO1，电阻R7的另一端连接线性放大器U2A的3脚（正向输入端），电容C4的另一端接地，电流检测输出电路11（IC集成电路）通过检测到的负载电流的大小来判断变换器处于低负载还是高负载状态（配合相应的定义低/高负载的临界点），根据这两种状态由电流检测输出电路11的一通用端口GPIO1来提供一个低电平或者高电平信号，由电流检测输出电路11检测到的低/高负载来发出一个低/高电平信号，通过电流检测输出电路11的一通用端口GPIO1输出到滤波电路（RC滤波器）。滤波电路是由R7和C4构成的RC滤波器，设在线性放大器U2A的正向输入前端，过滤信号中存在的杂波。实现自动变频功能。

在这个实施例中，具有自动变频功能的开关电源转换器附加电路，该电路由电流检测输出电路11、滤波电路、比较放大电路12和频率变换电路13所构成，实现自动变频功能。由电流检测输出电路11通过检测到的负载电流的大小来判断变换器处于低负载还是高负载状态（配合相应的软件自定义低/高负载的临界点），根据这两种状态由电流检测输出电路11来提供一个低电平或者高电平信号，经过RC滤波器（R7和C4并联构成的滤波电路）后，输入到线性放大器U2A正向输入端进行比较并放大，继而经过电容C3滤波后，输出的电压信号控制金氧半场效晶体管Q（MOSFET）关闭或者导通，使频率在低频率和高频率间自动切换。通过频率间的自动切换，使开关电源转换器在高负载时工作在高频率段，能够高效、稳定、正常的工作；在低负载（或者空载）时工作在低频率段，增强了开关电源转换器的可靠性，并有效地解决了开关电源转换器在低负载状态下的温度过高和能源浪费的问题。

现有技术主要是通过散热方法，或者采用更优的器件的方法来实现低负载（特别是空载）时开关电源过热的问题，其实是治标而不治本，而不必要的能源浪费问题并没有解决。而本发明具有自动变频功能的开关电源转换器附加电路通过自动变频功能来实现移相全桥电路低负载（特别是空载）时过热的问题，避免了不必要的能源浪费，最终实现节能减排的效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种变频移相全桥变换器的附加电路，其特征在于，包含：电流检测输出电路、比较放大电路、频率变换电路，其中，所述电流检测输出电路输出端与比较放大电路输入端连接，所述比较放大电路输出端与频率变换电路输入端连接，所述频率变换电路包含有金氧半场效晶体管Q；

所述比较放大电路包含：线性放大器U2A、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3，所述电阻R3串联电阻R4，所述电阻R5串联电阻R6，两组串联电路并联，并联的电阻R3与电阻R5一端连接电源，所述电阻R3的另一端连接线性放大器U2A的反向输入端，所述电阻R5的另一端连接线性放大器U2A的正向输入端，所述电阻R3串联电阻R4后接地，所述电阻R5串联电阻R6后接地。

2.根据权利要求1所述的一种变频移相全桥变换器的附加电路，其特征在于，所述线性放大器U2A连接电源，所述线性放大器U2A的输出端连接频率变换电路的金氧半场效晶体管Q的衬底P，所述线性放大器U2A的输出端经过电容C3滤波后连接频率变换电路的金氧半场效晶体管Q的栅极G。

3.根据权利要求1所述的一种变频移相全桥变换器的附加电路，其特征在于，所述电流检测输出电路与比较放大电路之间串联滤波电路，所述滤波电路是RC滤波器，所述RC滤波器由电阻R7和电容C4并联构成，所述电流检测输出电路输出端与RC滤波器输入端连接，所述RC滤波器输出端与比较放大电路连接，所述电阻R7和电容C4一端连接电流检测输出电路输出端，所述电阻R7的另一端连接线性放大器U2A的正向输入端，所述电容C4的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的一种变频移相全桥变换器的附加电路，其特征在于，所述电流检测输出电路提供一个低电平或者高电平信号，输出到RC滤波器，所述RC滤波器的电阻R7和电容C4一端连接一通用端口GPIO1。

5.根据权利要求1所述的一种变频移相全桥变换器的附加电路，其特征在于，所述频率变换电路包含：金氧半场效晶体管Q、电阻R2，所述金氧半场效晶体管Q的漏极D接地，所述金氧半场效晶体管Q的源极S串联电阻R2后连接FRESET端口。

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