CN103944421A - 电源变换器输出纹波控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源变换器输出纹波控制电路，包括整流滤波电路单元、BOOST升压电路单元、脉冲宽度调制控制器单元、波形调制单元、开关元件和电流检测电阻，其中整流滤波电路单元连接至波形调制单元和BOOST升压电路单元，波形调制单元连接至脉冲宽度调制控制器单元，BOOST升压电路单元连接至电流检测电阻，波形调制单元利用整流滤波电路单元的输出电压波形调制开关电流波形，并输出至脉冲宽度调制控制器单元，脉冲宽度调制控制器单元与BOOST升压电路单元连接至开关元件。采用本发明的控制电路，能够在不使用大容量滤波电容的情况下有效降低电源变换器的输出纹波。

Description

电源变换器输出纹波控制电路

技术领域

本发明涉及电子电路的控制技术领域，特别是涉及电源变换器输出纹波控制技术。

背景技术

目前，电源变换器为了满足输出纹波的指标要求，需要在输出端并联大容量的电容，大容量的电容一般用电解电容比较常见。众所周知，电解电容的寿命受电压、纹波电流、温度等因数的影响比较大，因此，如果能有一种技术使电源变换器输出纹波降低，那么，要达到相同的纹波限值指标，就可以减小电解电容的容量，就有可能使用聚酯、聚丙烯、金属化聚丙烯等薄膜电容，以及金属化薄膜贴片电容等长寿命电容器，提高有源功率因数校正功能的电源变换器的寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于避免使用大容量电容而有效降低电源变换器的输出纹波的电路，该电路利用低频交流电压波形去调制高频开关电流波形。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种电源变换器输出纹波控制电路，包括整流滤波电路单元、BOOST升压电路单元、脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)控制器单元、波形调制单元开关元件、和电流检测电阻。其中整流滤波电路单元连接至波形调制单元和BOOST升压电路单元，波形调制单元连接至脉冲宽度调制控制器单元，BOOST升压电路单元连接至电流检测电阻，波形调制单元利用整流滤波电路单元的输出电压波形调制开关电流波形，并输出至脉冲宽度调制控制器单元，脉冲宽度调制控制器单元与BOOST升压电路单元连接至开关元件。

其中，所述波形调制单元包括电压波形检测电路、电流波形检测电路和滤波电路，以及电压波形输入Vin端、电流波形输入Cin端、参考地GND端以及波形调制输出Co端，电压波形检测电路连接于电压波形输入Vin端与第一中节点之间，电流波形检测电路连接于电流波形输入Cin端与第一中节点之间，所述第一中节点和滤波电路相连，滤波电路还分别连接至波形调制输出Co端和参考地GND端。

其中，所述电压波形检测电路包括第一电阻，所述电流波形检测电路包括第二电阻，所述滤波电路包括第三电阻和第七电容，所述第三电阻连接于第一中节点与波形调制输出Co端之间，第七电容连接于波形调制输出Co端与参考地GND端之间。

作为本发明一方面，所述BOOST升压电路单元包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第二电容；所述第一电感连接第一二极管阴极与所述整流滤波电路单元的输出端，所述第一二极管的阳极接至参考地，所述第二二极管的阳极连接至第一二极管的阴极、第二二极管的阴极通过开关元件接至电流检测电阻，所述第三二极管的阳极连接第一二极管的阴极，第三二极管的阴极连接至第二电容，所述第二电容还连接至参考地。

本发明电源变换器输出纹波控制电路还包括输入滤波电路单元，所述输入滤波电路单元接收交流输入，滤波后输出至整流滤波电路单元。

一方面，本发明电源变换器输出纹波控制电路还包括钳位电路单元，所述钳位电路单元包括第五电阻、第三电容与第四二极管，其中第五电阻与第三电容并联，连接至所述BOOST升压电路单元中第三二极管的阴极，以及第四二极管的阴极，所述第四二极管的阳极连接至所述BOOST升压电路单元中第二二极管的阴极。

另一方面，本发明电源变换器输出纹波控制电路还包括变压器单元和输出整流滤波单元，所述变压器单元包括初级绕组和次级绕组，其中初级绕组的同名端连接至BOOST升压电路单元中第三二极管的阴极，初级绕组的异名端连接至BOOST升压电路单元中第二二极管的阴极；次级绕组的异名端连接至输出整流滤波单元的一输入端，次级绕组的同名端作为所述电源变换器输出纹波控制电路的一输出端连接至输出整流滤波单元的地电位端。

其中，所述输出整流滤波单元包括第六二极管和第六电容，所述第六二极管的阳极连接至变压器单元次级绕组的异名端，第六二极管的阴极连接至所述电源变换器输出纹波控制电路的另一输出端；所述第六电容连接于所述电源变换器输出纹波控制电路的两个输出端之间。

所述变压器单元还包括辅助绕组，电源变换器输出纹波控制电路还包括辅助电源电路单元，其中辅助绕组的同名端连接至参考地，辅助绕组的异名端连接至辅助电源电路单元。

由于采用以上技术方案，本发明在不使用大容量滤波电容的条件下能有效降低电源变换器的输出纹波。

本发明还能使电源变换器的占空比在跟随输出负载变化的同时还能跟随输入半波正弦交流电压波形的变化。

由于不需要采取大容量滤波电容，电源变换器的滤波电容可以采用长寿命的薄膜电容，从而提高了电源变换器的使用寿命。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的电源变换器输出纹波控制电路原理框图。

图2是根据发明的电源变换器输出纹波控制电路的优选实施方式原理图。

图3是一种BOOST升压电路原理图。

图4是一种单级功率因素校正(PFC，Power Factor Correction)电路原理图。

图5是一种带反向钳位的单级PFC电路原理图。

图6是根据本发明实施方式，交流输入经整流滤波电路单元整流后的直流脉动半波正弦电压波形示意图。

图7是根据本发明实施方式，波形调制单元输出波形示意图。

图8是根据本发明实施方式，PWM控制器单元驱动输出的波形示意图。

图9是图4所示的电路中AB两点之间工作电压波形示意图。

图10是图5所示的电路中CD两点之间工作电压波形示意图。

具体实施方式

为了便于本领域的技术人员理解，下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

在此公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是为了描述示范实施例的目的。然而，可以在许多替换形式中实现示范实施例，并且不应将其看作仅限于在此阐明的示范实施例。

然而，应该理解，不旨在限于公开的具体示范实施例，而是相反地，示范实施例将覆盖落入本公开的范围内的所有修改、等同物和替换物。遍及附图的描述，相似的标号涉及相似的元件。

应该理解，虽然术语第一、第二等在此用作描述不同的元件，但是这些元件可以不被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区别开。例如，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件而不背离示范实施例的范围。如在此所用，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。

应该理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在中间元件。用来描述元件之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

图1是根据本发明实施方式的电源变换器输出纹波控制电路原理框图。

该实施方式电路中，包括输入滤波电路单元、整流滤波电路单元、BOOST升压电路单元、波形调制单元、PWM控制器单元、箝位电路单元、辅助电源电路单元、电压反馈电路单元、驱动电路单元、变压器单元、开关管Q1、电流检测电阻R、输出整流滤波单元等。

如图1所示，根据本发明实施方式的输入滤波电路单元连接输入交流电压的L线和N线，输入滤波电路单元输出分别连接整流滤波电路单元的交流输入AC1和AC2端，整流滤波电路单元的参考地GND端和波形调制单元参考地GND端、BOOST升压电路单元的地(2端)、PWM控制器单元的参考地GND端、辅助电源电路单元的参考地(3端)、电压反馈电路单元的参考地(3端)、变压器单元辅助绕组同名端(3端)以及电流检测电阻R的2端相连接，可以统称为参考地端。整流滤波电路单元的正电压HV端和BOOST升压电路单元的输入1端以及波形调制单元的电压波形输入Vin端相连接。波形调制单元的波形调制输出Co端和PWM控制器单元的电流检测CS端相连接，波形调制单元的电流波形输入Cin端和电流检测电阻R的1端以及开关管Q1源极相连接。BOOST升压电路单元的输出4端和箝位电路单元的1端以及变压器单元初级绕组Np的同名端(1端)相连接，BOOST升压电路单元的3端和箝位电路单元的2端、变压器单元初级绕组Np的异名端(2端)以及开关管Q1漏极相连接，开关管Q1的栅极和PWM控制器单元的驱动输出Gate端相连接。PWM控制器单元的电源Vcc端和辅助电源电路单元的输出2端相连接，PWM控制器单元的反馈控制FB端和电压反馈电路单元的4端相连接。变压器单元的辅助绕组Nf的异名端(4端)和辅助电源电路单元的输入1端相连接，变压器单元的次级绕组Ns的异名端(6端)和输出整流滤波单元的输入1端相连接，变压器单元的次级绕组Ns的同名端(5端)和输出整流滤波单元的地电位2端、电压反馈电路单元的地电位1端以及输出VO-端相连接，输出整流滤波单元的输出3端和电压反馈电路单元的2端以及输出VO+端相连接。

图2是根据发明的电源变换器输出纹波控制电路的优选实施方式原理图。在该优选实施方式中，整流滤波电路单元由整流桥堆和电容C1组成；波形调制单元由电阻R1、电阻R2、电阻R3以及电容C7组成；BOOST升压电路单元由电感L、二极管D1、D2、D3以及电容C2组成；箝位电路单元由电阻R5、二极管D4、电容C3组成；PWM控制器单元至少包括低通滤波电路LEB、信号衰减电路VA、过流保护电路OCP、电压比较器VC以及PWM控制逻辑和驱动电路等功能模块；辅助电源电路单元由二极管D5、电容C4组成；电压反馈电路单元由光电耦合器OP1、三端可调基准电压源U1、电阻R6、R7、R8、R9、电容C5组成；输出整流滤波单元由二极管D6、电容C6组成。

图2所示的整流滤波电路单元将输入交流整流成直流脉动半波正弦电压，电压波形如图6所示。图6是根据本发明实施方式，交流输入经整流滤波电路单元整流后的直流脉动半波正弦电压波形示意图。波形调制单元中的电阻R1用来检测这个电压波形，电阻R2用来检测电流检测电阻R3上流过的高频开关电流，直流脉动半波正弦电压波和高频开关电流波在电阻R1和电阻R2连接点第一中节点进行叠加，经电阻R3和电容C7滤波后由波形调制单元的波形调制输出Co端输出到PWM控制器单元的电流检测CS端，实现用直流脉动半波正弦电压波去调制高频开关电流波形功能。波形调制单元的波形调制输出Co端输出波形如图7所示。图7中的Voc对应的粗黑虚线是表示开关电流峰值限制阀值，开关电流峰值达到这个值就将关闭PWM控制器单元Gate的输出，图7中的Va对应的细虚线是表示PWM控制器单元的电压反馈FB端经过信号衰减电路和偏置电路VA衰减后的电压值，图7中的Vb所指的黒实线是波形调制单元的电压波形输入Vin端的直流脉动半波正弦电压经电阻R1后在波形调制单元的波形调制输出Co端和参考地GND端之间的近似的一个半周交流电压波。电流波形经电阻R1、R3叠加在图7中的Vb所指的黒实线上，当电路参数一定情况下，开关管Q1导通后，流过电流检测电阻R3的开关电流按一定斜率从零开始上升，开关电流波形经电阻R1、R3叠加在图7中的Vb所指的黒实线上，按一定斜率上升的开关电流波形不再是从零开始，而是以这条黑实线为起始点上升的，当上升到图7中的Va对应的细虚线所表示的电压值时，使得PWM控制器单元内部的电压比较器输出高电平，使得PWM控制器单元内部的PWM控制逻辑和驱动电路输出低电平，当变压器储能泄放到输出端负载后，开关管Q1重新导通，重复下一周期。因为Va对应的细虚线近似一条直线，Vb所指的黒实线是直流脉动半波正弦波，在半波正弦波的峰值附近，开关管Q1导通时间变短，占空比减小，而在接近零点附件，开关管Q1导通时间变长，占空比增大。PWM控制器单元的驱动输出波形如图8所示。因开关管Q1是同时作为PWM控制器单元和BOOST升压电路的开关元件，所以在半波正弦波的峰值附近，电感L储能少，滤波电容C2两端的电压有降低趋势，在接近零点附近，电感L储能增加，滤波电容C2两端的电压有升高的趋势，从而使得滤波电容C2两端的电压趋于平滑，经开关管Q1、变压器单元、输出整流滤波电路二次变换后输出电压更加平稳，输出纹波减小。

为了进一步说明本发明实施方式的技术效果，以图3为例说明BOOST升压电路的基本原理，图3是一种BOOST升压电路原理图，当该BOOST升压电路工作稳定时，因储能电容C两端电压在短时间内可视为不变，当电感L在开关管Q关闭后产生的感生电动势比电容C两端电压低时，二极管D截止，电感L两端的感生电动势将反向，开关管Q体内寄生体二极管将导通，电感L剩余能量回馈到交流输入端。

图4是一种单级PFC电路的原理图。因BOOST升压电路和后级的PWM变换电路共用开关管Q1，需要在BOOST升压电路中电感L和开关管Q1之间插入二极管D2，使得开关管Q1体内寄生体二极管没有电流流通回路，当电感L在开关管Q1关闭后产生的感生电动势比电容C两端电压低时，二极管D1截止，电感L两端的感生电动势反向后没有泄放回路，反向电动势将会很高，电路中AB两点之间工作电压波形示意如图9所示，将有可能使二极管D2、D3、开关管Q1超过耐压而损坏。

图5是一种带反向钳位的单级PFC电路原理图。该电路中在CD两点之间接入二极管D1，D1阳极接D点，D1阴极接C点，二极管D1导通，为电感L两端的反向电动势提供流通回路，电感L剩余磁能回馈到交流输入端，在开关管Q1关断时间内，CD两点之间被钳位在负的二极管D1导通电压值，电路中CD两点之间工作电压波形示意如图10所示，CD两点之间工作电压大为降低，避免了二极管D2、D3、开关管Q1超过耐压而损坏。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电源变换器输出纹波控制电路，包括整流滤波电路单元、BOOST升压电路单元、脉冲宽度调制控制器单元、波形调制单元、开关元件和电流检测电阻，其中整流滤波电路单元连接至波形调制单元和BOOST升压电路单元，波形调制单元连接至脉冲宽度调制控制器单元，BOOST升压电路单元连接至电流检测电阻，波形调制单元利用整流滤波电路单元的输出电压波形调制开关电流波形，并输出至脉冲宽度调制控制器单元，脉冲宽度调制控制器单元与BOOST升压电路单元连接至开关元件。

2.权利要求1所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，所述波形调制单元包括电压波形检测电路、电流波形检测电路和滤波电路，以及电压波形输入Vin端、电流波形输入Cin端、参考地GND端、波形调制输出Co端和第一中节点，电压波形检测电路连接于电压波形输入Vin端与第一中节点之间，电流波形检测电路连接于电流波形输入Cin端与第一中节点之间，所述第一中节点和滤波电路相连，滤波电路还分别连接至波形调制输出Co端以及参考地GND端。

3.权利要求2所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，所述电压波形检测电路包括第一电阻，所述电流波形检测电路包括第二电阻，所述滤波电路包括第三电阻和第七电容，所述第三电阻连接于第一中节点与波形调制输出Co端之间，第七电容连接于波形调制输出Co端与参考地GND端之间。

4.权利要求1所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，所述BOOST升压电路单元包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第二电容；

所述第一电感连接第一二极管阴极与所述整流滤波电路单元的输出端，

所述第一二极管的阳极接至参考地，

所述第二二极管的阳极连接至第一二极管的阴极、第二二极管的阴极通过所述开关元件接至所述电流检测电阻，

所述第三二极管的阳极连接第一二极管的阴极，第三二极管的阴极连接至第二电容，

所述第二电容还连接至参考地。

5.权利要求4所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，该纹波控制电路还包括输入滤波电路单元，所述输入滤波电路单元接收交流输入，滤波后输出至整流滤波电路单元。

6.权利要求5所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，该纹波控制电路还包括钳位电路单元，所述钳位电路单元包括第五电阻、第三电容与第四二极管，其中

第五电阻与第三电容并联，连接在所述BOOST升压电路单元中第三二极管的阴极，以及第四二极管的阴极之间，

所述第四二极管的阳极连接至所述BOOST升压电路单元中第二二极管的阴极。

7.权利要求5所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，该纹波控制电路还包括变压器单元和输出整流滤波单元，所述变压器单元包括初级绕组和次级绕组，其中

初级绕组的同名端连接至BOOST升压电路单元中第三二极管的阴极，初级绕组的异名端连接至BOOST升压电路单元中第二二极管的阴极；

次级绕组的异名端连接至输出整流滤波单元的一输入端，次级绕组的同名端作为所述电源变换器输出纹波控制电路的一输出端连接至输出整流滤波单元的地电位端。

8.权利要求7所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，所述输出整流滤波单元包括第六二极管和第六电容，其中：

所述第六二极管的阳极连接至变压器单元次级绕组的异名端，第六二极管的阴极连接至所述电源变换器输出纹波控制电路的另一输出端；

所述第六电容连接于所述电源变换器输出纹波控制电路的两个输出端之间。

9.权利要求7所述的电源变换器输出纹波控制电路，其特征在于，所述变压器单元还包括辅助绕组，电源变换器输出纹波控制电路还包括辅助电源电路单元，其中：

辅助绕组的同名端连接至参考地，辅助绕组的异名端连接至辅助电源电路单元。