CN107231090A

CN107231090A - 开关式电源

Info

Publication number: CN107231090A
Application number: CN201610169991.5A
Authority: CN
Inventors: 毕宝云
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-10-03

Abstract

本公开的实施例涉及开关式电源。该开关式电源包括：变压器，变压器的原边绕组的第一节点被耦合以接收输入电压；第一开关，被耦合至原边绕组的中间节点；以及第二开关，被耦合至原边绕组的第二节点。此外，该开关式电源还包括控制电路装置，被耦合至第一开关和第二开关，并且被配置成根据输入电压的变化，向第一开关和第二开关中的一个开关提供驱动信号。

Description

开关式电源

技术领域

本公开的实施例涉及开关式电源。

背景技术

应用于工业环境中的电子产品，越来越期望能够满足尽可能宽的输入电压范围，以增加产品的应用场合和可靠性，例如从80Vac到580Vac。相对于传统的线性变压器来说，开关电源是一个理想的选择，能够实现宽范围的输入电压应用。但与此同时，由于占空比在输入电压较高时偏小，就会造成电源效率偏低，进而影响产品温升和可靠性。

常规的解决方案可以按输入电压分为不同的型号分别设计，这种方法避免了宽范围输入的设计难度，可以分别实现最优设计，但增加了产品型号和管理成本，而且不能在一个产品上同时实现宽范围输入。另外一种常规方法通过增加设计余量来实现，该方法实现了宽范围输入，但是没有解决效率的问题，通过增加设计余量来降低产品温升，会带来体积和成本的增加，不利于产品小型化和成本控制。

发明内容

本公开的实施例旨在提供至少部分地解决上述问题的开关式电源。

根据一些实施例，提供了一种开关式电源，该开关式电源包括：变压器，变压器的原边绕组的第一节点被耦合以接收输入电压；第一开关，被耦合至原边绕组的中间节点；第二开关，被耦合至原边绕组的第二节点；以及控制电路装置，被耦合至第一开关和第二开关，并且被配置成根据输入电压的变化，向第一开关和第二开关中的一个开关提供驱动信号。

在一些实施例中，控制电路包括输入电压检测器，被配置成响应于输入电压的变化，生成表示将驱动信号提供给第一开关和第二开关中的一个开关的控制信号。

在一些实施例中，输入电压检测器包括：滞回比较器，被配置成：在输入电压升高的情况下，根据输入电压高于第一阈值的确定，生成用于将驱动信号提供给第二开关的控制信号；以及在输入电压降低的情况下，根据输入电压低于第二阈值的确定，生成用于将驱动信号提供给第一开关的控制信号，其中第一阈值高于第二阈值。

在一些实施例中，控制电路装置包括控制器，被配置成生成用于控制第一开关和第二开关中的任一开关通断的驱动信号。

在一些实施例中，控制电路装置包括：切换器，被配置成响应于输入电压的变化，将驱动信号提供给第一开关和第二开关中的一个开关。

在一些实施例中，切换器包括单刀双掷开关。

在一些实施例中，切换器包括继电器或者由分立电子器件组成的切换电路。

在一些实施例中，第一开关和第二开关包括以下类型的开关中的至少一项：MOSFET、BJT和IGBT。

在一些实施例中，第一开关和第二开关中的任一个与变压器组成反激式转换器的一部分。

在一些实施例中，原边绕组的在第一节点与中间节点之间的第一部分和在中间节点与第二节点之间的第二部分彼此分立。

本公开的实施例所提供的开关式电源可以同时满足相电压和线电压输入，提高产品的可靠性，同时满足全球市场不同电网电压，减少产品型号，提高产品的竞争力。

此外，在宽范围输入的开关电源设计中，通过分段控制的方法提高电源的转换效率，提高了能源的利用率，降低了产品的功耗，降低了产品的温升，减小了产品的体积，提高了产品的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定，其中：

图1是示意性地图示根据本公开的实施例的功率转换器的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图中示出的若干示例性实施方式来描述本公开的原理和精神。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。

图1是示意性地图示根据本公开的实施例的开关式电源100的示意图。如图1所示，开关式电源100在IN处接收输入电压，输入电压可以是稳定的直流电压，也可以是交流电压经整流等而获得的脉动的直流电压。输入电压的范围例如包括100V-800V。图1中还示意性地示出了两个可选的用于滤波的输入电容器C1和C2。将输入电压经由开关式电源100进行转换之后，在OUT处提供输出电压，例如24V的直流电压。

此外，开关式电源100可以包括变压器T1、二极管D2、输出电容器C3等，这些部件可以与开关管Q1和Q2中的任一个组成反激式转换器。应当注意，虽然在图1中仅示出了反激式转换器的拓扑，但是本领域技术人员应当理解，本发明的构思很容易地扩展至正激式转换器等其他拓扑，为了简洁起见，不再赘述。

如图1所示，转换器T1包括原边绕组和副边绕组N3，原边绕组分为两个部分，分别为第一部分N1和第二部分N2。在图1中，这两个部分被示出为两个分立的绕组。然而，本领域技术人员应当理解，这两个绕组也可以通过对一个原边绕组中间抽头而实现。

原边绕组的第一节点a1(即，最上部的节点)接收输入电压，其中间节点a0(即，第一部分N1与第二部分N2之间的节点)与开关管Q1耦合，其第二节点a2(即，最下部的节点)与开关管Q2耦合。

更具体地，由于在图1中使用的为N型MOSFET，因此，原边绕组的这些节点分别与开关管的漏极耦合。尽管在图1中示出了N型MOSFET，但是本领域技术人员应当理解，这些开关(例如，开关管Q1和Q2)也可以是P型MOSFET，或者由其他形式的半导体开关器件来实施，例如IGBT、BJT、JFET等。在采用其他开关器件的情况下，只需对图1中所示的电路图进行相应修改即可，因此不再赘述。

开关管Q1和Q2的栅极分别从控制电路装置10接收驱动信号。控制电路装置10响应于输入电压的变化，向开关管Q1和Q2中的一个提供驱动信号。作为示例，控制电路装置10可以根据输入电压的不同范围而向开关管Q1和Q2中的一个提供驱动信号。例如，当输入电压较低时，可以将驱动信号提供给开关管Q1，而非开关管Q2，这样可以通过驱动信号控制开关管Q1通断，从而利用开关管Q1与原边绕组的第一部分N1来实施反激式转换器。例如，当输入电压较高时，可以将驱动信号提供给开关管Q2，而非开关管Q1，这样可以通过驱动信号控制开关管Q2通断，从而利用开关管Q2与整个原边绕组(包括第一部分N1和第二部分N2)来实施反激式转换器。通过这种方式，开关式电源100的驱动信号的占空比可以被控制在一个较高的水平，从而降低诸如开关损耗之类的损耗，提高其电源转换效率。

作为示例，控制电路装置10可以包括输入电压检测器3，其响应于输入电压的变化而生成表示将驱动信号提供给开关管Q1和开关管Q2中的一个开关管的控制信号。

作为示例，输入电压检测器3可以由滞回比较器来实现。在输入电压升高的情况下，滞回比较器根据输入电压高于第一阈值的确定，生成用于将驱动信号提供给第二开关的控制信号。此外，在输入电压降低的情况下，滞回比较器根据输入电压低于第二阈值的确定，生成用于将驱动信号提供给第一开关的控制信号，其中第一阈值高于第二阈值。第一阈值和第二阈值可以由电压基准源来提供，滞回比较器的实施方式在本领域中是公知的，因而不再赘述。此外，滞回比较器的电源可以由IN处的输入电压提供。

此外，控制电路装置10还可以包括切换器2，切换器2用于将控制信号在开关管Q1和Q2之间进行切换。切换器2可以是单刀双掷开关，其可以由继电器实现，或者通过由分立电子器件组成的切换电路来实现，这些分立电子器件可以包括各种类型的开关管，例如，MOSFET、JFET、IGBT和BJT等。

控制电路装置10包括控制器1，其为开关管Q1和Q2中的任一个提供驱动信号，例如脉宽调制(PWM)驱动信号。此外，控制器1可以通过反馈信号进行调制和实现各种保护功能。

下面结合具体的示例描述根据图1所示的开关式电源100的工作原理。应当理解，如下具体示例主要用于使发明构思对本领域技术人员而言更加清楚，并不旨在限制本公开的范围。

假设输入电压为交流电压整流后的直流电压或直接为直流电压，其数值为100Vdc到800Vdc，输出电压为24Vdc。

变压器T1的原边绕组包括串联连接的第一部分N1和第二部分N2，在该示例中第一部分N1与第二部分N2为分立的绕组。变压器T1的副边绕组为N3。

输入电压可以分为两个区间，例如，区间1：100Vdc到400Vdc，区间2：300Vdc到800Vdc。这样，输入电压的范围由原来的1:8分别变为1:4和1:2.67，降低了设计的困难。

输入电压检测器3通过电阻分压直接检测输入电压，与基准源进行比较。例如，可以设置两个阈值，即，第一阈值为400Vdc，第二阈值为300Vdc。具体地，如果电压从低到高变化，则需要达到400Vdc，才达到第一阈值，输入电压判断为区间2；如果电压从高到低变化，需要降低到300Vdc，才达到第二阈值，输入电压判断为区间1。这样，可以避免输入电压在阈值附近波动导致的控制电路装置的频繁切换。

两个区间有100V电压的重叠区域，这是为了满足不同额定电压的波动范围，并留有足够的余量。比如，区间1可以满足110Vac、230Vac等额定交流输入，而区间2可以满足277Vac、400Vac、480Vac等额定交流输入。

下面描述该电路的具体操作。当输入电压在区间1时，驱动信号被提供给开关管Q1而非开关管Q2，从而开关管Q1在驱动信号的控制下通断，而开关管Q2保持关闭，原边绕组的第一部分N1通过电流，而第二部分N2被禁用，变压器的匝比为n1＝N1/N3。

当输入电压在区间2时，驱动信号被提供给开关管Q2而非开关管Q1，从而开关管Q1保持关闭，而开关管Q2在驱动信号的控制下通断，原边绕组的两个部分N1和N2通过电流，变压器的匝比为n2＝(N1+N2)/N3。

显然，n2大于n1，因此，对于反激式恒压输出的电路，输出电压24Vdc保持不变，不同的匝比将带来不同的反射电压Vor＝(Vo+Vf)*n，其中Vo为输出电压，Vf为副边整流二极管的正向导通压降。而占空比D＝Vor/(Vor+Vin)，通过反射电压和输入电压的变化，就可以控制占空比。

常规方法由于没有实施上述分段控制方法，因此，不存在原边绕组的第二部分N2。与常规方法相比，在区间1，反射电压不变，占空比也保持不变，但由于最大电压相对较低，元器件应力减小；在区间2，由于原边绕组的第二部分N2的使用，与常规方法相比，反射电压增大，而最大输入电压不变，从而导致最小占空比增大。

由此可见，开关式电源100通过检测输入电压，将输入电压分为不同的区间，在不同的电压范围内由驱动信号控制不同的开关管。开关管分别连接变压器原边绕组的不同绕组的输出端，从而实现占空比在不同输入电压下的分段控制，提高最小占空比，进而提高效率。此外，开关式电源100还可以实现自动调节、动态调节，无需人为控制。本领域技术人员还应当理解，尽管仅示出了两段控制的实施例，但是本发明的构思还很容易地扩展至多段控制的实施例，例如，原边绕组可以分为多段，从而相应地提供多个开关管，此外切换器也可以使用具有单刀多掷功能的开关，这种开关具体可以通过由分立电子器件组成的多个开关来实施。

Claims

1.一种开关式电源，包括：

变压器，所述变压器的原边绕组的第一节点被耦合以接收输入电压；

第一开关，被耦合至所述原边绕组的中间节点；

第二开关，被耦合至所述原边绕组的第二节点；以及

控制电路装置，被耦合至所述第一开关和所述第二开关，并且被配置成根据所述输入电压的变化，向所述第一开关和所述第二开关中的一个开关提供驱动信号。

2.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述控制电路包括输入电压检测器，被配置成响应于所述输入电压的变化，生成表示将所述驱动信号提供给所述第一开关和所述第二开关中的一个开关的控制信号。

3.根据权利要求2所述的开关式电源，其中所述输入电压检测器包括：

滞回比较器，被配置成：

在所述输入电压升高的情况下，根据所述输入电压高于第一阈值的确定，生成用于将所述驱动信号提供给所述第二开关的控制信号；以及

在所述输入电压降低的情况下，根据所述输入电压低于第二阈值的确定，生成用于将所述驱动信号提供给所述第一开关的控制信号，

其中所述第一阈值高于所述第二阈值。

4.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述控制电路装置包括控制器，被配置成生成用于控制所述第一开关和所述第二开关中的任一开关通断的驱动信号。

5.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述控制电路装置包括切换器，被配置成响应于所述输入电压的变化，将驱动信号提供给所述第一开关和所述第二开关中的一个开关。

6.根据权利要求5所述的开关式电源，其中所述切换器包括单刀双掷开关。

7.根据权利要求6所述的开关式电源，其中所述切换器包括继电器或者由分立电子器件组成的切换电路。

8.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述第一开关和所述第二开关包括以下类型的开关中的至少一项：

MOSFET、BJT、JFET和IGBT。

9.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述第一开关和所述第二开关中的任一个与所述变压器组成反激式转换器的一部分。

10.根据权利要求1-9中的任一项所述的开关式电源，其中所述原边绕组的在所述第一节点和所述中间节点之间的第一部分和在所述中间节点和所述第二节点之间的第二部分彼此分立。