CN104467440A - 一种开关电源 - Google Patents

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代兴华
高亚春
赵瑞杰
田素立
王艳领
刘栋
张照雪
刘德林
李红刚
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Abstract

本发明涉及一种开关电源，包括：主电路模块、反馈电路模块、外部误差放大电路模块、输出整流滤波电路模块、保护电路模块，主电路模块包括至少一个MOSFET、MOSFET依次串联，主电路模块还包括一个变压器初级绕组和一个高频开关，变压器初级绕组、MOSFET、高频开关依次串联。当输入电压值较低时，输入电压完全加在高频开关漏源极两端，MOSFET只进行同步的开通关断；当输入电压较高时，高频开关承受钳位保护电路所能钳位的电压值，MOSFET承受剩余的电压值，本发明提供的开关电源所能耐受的输入电压值也大大增加。

Description

一种开关电源
技术领域
本发明涉及一种开关电源，属于开关电源应用领域。
背景技术
开关电源被誉为高效节能电源，是现代提倡绿色环保下的较理想产品，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源亦称无工频变压器的电源，通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。
普通的开关电源的输入电压一般比较稳定，通常是电网交流电经过变压、整流后接到其输入端；传统单管反激电源结构简单，适合小功率电源，但其主开关电压应力大，制约了其在高电压场合的使用；双管反激电源在一定程度上解决了单管反激变换器主开关电压应力大的缺陷，但当输入电源高于800V时，相应的开关管需要耐压1000V以上，且需要专门的逻辑控制芯片，也制约了它的应用。
高压变频调速、电力仪表检测、光伏发电系统等领域要求电压等级高、变化范围宽，使得这些领域采用的开关电源的设计思路必须相应改变。对于一般的开关电源设计，其输入耐压等级低、电压范围小，不能满足这些特殊的工业应用场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关电源，用以解决传统开关电源耐压等级低、电压范围小的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种开关电源，包括：主电路模块、反馈电路模块、外部误差放大电路模块、输出整流滤波电路模块、保护电路模块，所述主电路模块包括至少一个MOSFET，所述MOSFET依次串联，主电路模块还包括一个变压器初级绕组和一个高频开关，所述变压器初级绕组、MOSFET和高频开关依次串联。
所述保护电路模块包括一个稳压二极管，高频开关两端并联所述稳压二极管，所述稳压二极管的负极连接MOSFET的栅极，稳压二极管的正极连接母线电压的负极。
所述输出整流滤波电路模块包括一个变压器次级绕组和一个整流滤波电路，变压器次级绕组连接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端为电压输出端。
外部误差放大电路模块的输入端连接所述电压输出端，外部误差放大电路模块的输出端经反馈电路模块连接主电路模块。
主电路模块中，MOSFET与高频开关串联。当输入电压值较低时，即输入电压值小于上述钳位电路所能钳位的电压值，关断时输入电压完全加在高频开关漏源极两端，MOSFET只进行同步的开通关断；当输入电压高于上述钳位电路所能钳位的电压值时，钳位电路作用，关断时高频开关漏源极两端被钳位在设定的钳位电压，高频开关承受钳位保护电路所能钳位的电压值，MOSFET承受剩余的电压值，本发明提供的开关电源所能耐受的输入电压值也大大增加。
另外，如果输入电压等级要求增大，单个MOSFET与高频开关串联耐压不能满足输入电压要求，能够采用多个MOSFET串联高频开关的方式，高频开关承受钳位保护电路所能钳位的电压值，所有的MOSFET共同承受剩余的电压值，每个MOSFET的承受电压值可以根据需要进行相应的设置，提高了本开关电源的灵活性。
本开关电源能够根据输入电压值的大小灵活增加或者减少MOSFET的数量，不但增加了本开关电源的灵活性，而且能够使每个MOSFET都能够工作在高效工作模式下。
附图说明
图1是开关电源实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供一种开关电源，包括：主电路模块、反馈电路模块、外部误差放大电路模块、输出整流滤波电路模块、保护电路模块。主电路模块包括至少一个MOSFET，MOSFET依次串联，主电路模块还包括一个变压器初级绕组和一个高频开关，变压器初级绕组、MOSFET和高频开关依次串联。
基于以上技术方案，结合附图，给出以下一个具体实施方式。
如图1所示，本开关电源包括主电路模块1、反馈电路模块2、外部误差放大电路模块3、输出整流滤波电路模块4、保护电路模块5。其中：反馈电路模块2根据外部误差放大电路模块3的变化产生控制信号控制输出脉冲宽度进而控制主电路模块1工作；外部误差放大电路模块3根据输出整流滤波电路模块4输出电压的变化产生控制信号控制反馈电路模块2的输出；保护电路模块5与主电路模块1相连接，保护主电路模块1中的相关功率元器件能够正常工作。
主电路模块1包括：变压器T1，变压器T1包括3个绕组，初级绕组N1、次级绕组N2、辅助绕组Np；电力MOSFET Q1、电阻R1及其栅源极保护稳压管Z1；高频开关集成芯片U1及其相关的外围配置电容C1、电阻R2、R3、R4。变压器初级绕组N1、电力MOSFET Q1、高频开关集成芯片U1依次串联，电路通过电力MOSFET Q1、高频开关集成芯片U1的同步的开通、关断产生高频交流电。辅助绕组Np产生感应电压，用于为电力MOSFET Q1提供控制信号及为高频开关集成芯片U1提供偏压。栅源极保护稳压管Z1的正极连接电力MOSFET Q1的漏极，负极连接电力MOSFET Q1的栅极。电阻R1一端连接母线电压正极DC+、另一端连接电力MOSFET Q1栅极，增强电力MOSFET Q1驱动能力，更好的实现电力MOSFET Q1的饱和导通、降低电路损耗。电阻R2一端接在母线电压正极DC+、另一端接在高频开关集成芯片U1的外部电路流定调整端X端。电阻R3与电容C1并联，一端连接在母线电压负极DC-、另一端连接在高频开关集成芯片U1的外部电路流定调整端X端。电阻R2、R3用于限定初级开关电流的大小，电阻R3、电容C1组成RC滤波器，用于滤除流入高频开关集成芯片U1的外部电路流定调整端X端干扰。电容C2连接在高频开关集成芯片U1的控制端C端与母线电压负极DC-之间，滤除加在控制端C上的尖峰电压、对电路反馈控制进行补偿并能决定自启动频率。电阻R4一端连接在母线电压正极DC+，另一端接在高频开关集成芯片U1的输入电压欠压与过压检测端L端，可以通过设置电阻R4的大小来设置电路的欠压、过压值。
输出整流滤波电路模块4包括整流管D2、储能电容E1、L1、C4，L1和C4组成LC滤波电路，输入电压经过初级绕组N1和次级绕组N2后，经整流管D2和LC滤波电路整流滤波后，得到一个输出电压Uo，E1、C4均连接输出电压Uo的正负极两端。
外部误差放大电路模块3包括可控精密稳压源IC1及其相关外围配置器件电阻R6～R9、CY1。可控精密稳压源IC1内部集成了一个精密基准电压，输出电压Uo的正极依次串接电阻R8和R9后连接到Uo的负极，输出电压Uo的正极经过电阻R8、R9分压后引入可控精密稳压源IC1的基准极。输出电压Uo与可控精密稳压源IC1内部的基准电压进行比较并输出误差电压。输出电压Uo经R6连接隔离光耦OP1中的发光二极管的正极，误差电压连接隔离光耦OP1中的发光二极管的负极。输出电压Uo的正极经R7后连接到发光二极管的负极。R6、R7共同限定了隔离光耦发光二极管的电流并限定了反馈控制的直流增益。CY1为安全电容，用于滤除由初、次级耦合电容产生的共模失真。
反馈电路模块2包括二极管D3、D4，电容C2、C3，隔离光耦OP1。反馈绕组Np的电压经过D3、C3整流滤波后连接在隔离光耦OP1光敏三极管的集电极，发射极连接高频开关集成芯片U1的控制端C端，给高频开关集成芯片U1提供偏压；反馈绕组Np的电压经过D3、C3整流滤波后经过二极管D4连接在电力MOSFET Q1栅极，为电力MOSFET Q1提供控制电平。
保护电路5包括稳压二极管VR1，VR1负极连接在电力MOSFET Q1栅极、正极连接在母线电压负极DC-；漏极保护电路，其由稳压二极管VR2及快恢复二极管D1组成，稳压二极管VR2与快恢复二极管D1负负极相连，稳压二极管VR2正极连接在变压器初级绕组N1一端(母线电压正极DC+)、快恢复二极管D1正极连接在变压器初级绕组N1另一端(电力MOSFET Q1源极)，每当电力MOSFET及高频开关集成芯片U1由导通变为截止时，对高频变压器漏感产生的尖峰电压及次级绕组N2产生的感应电压进行钳位与吸收，用以保护电力MOSFET。
输入电压在主电路模块1经变压器初级绕组和次级绕组后在输出整流滤波电路模块4中输出电压Uo，Uo由外部误差放大电路3中可控精密稳压源IC1及R8、R9的串联分压决定，R8与R9连接处电压稳定，改变高频变压器匝数比及R8、R9的值可获得其他输出电压值。
输出电压Uo经过外部误差放大电路模块3的控制，并通过反馈电路模块2向主电路模块1进行反馈来稳定输出电压Uo。
当输出电压Uo的电压值发生变化时，输出电压Uo与可控精密稳压源IC1内部的基准电压进行比较并输出的误差电压相应发生变化，发光二级管的发光频率也相应的变化，光敏三极管的发射极电流发生变化，即隔离光耦OP1改变高频开关集成芯片U1控制端电流，进而控制电力MOSFET Q1和高频开关集成芯片U1同步开通、关断产生的交流电的频率，即改变该输出脉冲宽度，使Uo产生相应的变化，从而使Uo保持稳定。
另外，当电力MOSFET Q1、高频开关集成芯片U1同时关断时高频开关集成芯片U1漏、源极间会产生较大的关断电压，此时稳压二极管VR1在高频开关集成芯片U1漏、源极两端，将高频开关集成芯片U1漏、源极间电压值钳位在稳压二极管VR1保护范围内。
高频开关集成芯片U1开通瞬间，电力MOSFET Q1的源极电压瞬间被拉低至DC-，此时母线通过电阻R1、辅助绕组通过二极管D4为电力MOSFET Q1栅极提供充电电流，为电力MOSFET Q1栅源极结电容Cgs充电直至电力MOSFET Q1栅源极电压达到其开启电压Ugs,电力MOSFET Q1开通；高频开关集成芯片U1关断瞬间,栅源极结电容Cgs电量泄放，电力MOSFET Q1栅源极电压低于其开启电压Ugs时电力MOSFET Q1关断；辅助绕组Np产生的感应电压应大于电力MOSFET Q1栅源极的开启电压Ugs，通常取值为12-15VDC。
更重要的是，当输入电压较低时，由高频开关集成芯片独自承受电压的变化，电力MOSFET只进行开通、关断的动作；当输入电压较高时，保护电路中的钳位电路钳位高频开关集成芯片两端电压于特定值，电力MOSFET承受剩余电压；当输入电压等级要求继续提高时，可以采用多个电力MOSFET串联高频开关集成芯片的方法，各个电力MOSFET的栅极驱动配置参照单个电力MOSFET的配置方式，各个电力MOSFET所承受的电压值可以根据需要进行进行相应配置。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种开关电源，包括：主电路模块、反馈电路模块、外部误差放大电路模块、输出整流滤波电路模块、保护电路模块，其特征在于，所述主电路模块包括至少一个MOSFET，所述MOSFET依次串联，主电路模块还包括一个变压器初级绕组和一个高频开关，所述变压器初级绕组、MOSFET和高频开关依次串联。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述保护电路模块包括一个稳压二极管，高频开关两端并联所述稳压二极管，所述稳压二极管的负极连接MOSFET的栅极，稳压二极管的正极连接母线电压的负极。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述输出整流滤波电路模块包括一个变压器次级绕组和一个整流滤波电路，所述变压器次级绕组连接整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端为电压输出端。
4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，外部误差放大电路模块的输入端连接所述电压输出端，外部误差放大电路模块的输出端经反馈电路模块连接主电路模块。
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