CN108599574B - 一种输出零纹波变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种输出零纹波变换器，改变变压器的磁芯形状，在原来的变压器结构基础上增加一磁柱，将三磁柱的磁芯变为四磁柱的磁芯。然后，在增加的磁柱上添加一绕组，在绕组中上加入合适的电压，让添加的电压产生的磁通抵消原来磁通的对输出电流纹波的影响，使得可以实现输出零纹波。本发明克服了现有开关变换器的不足，当输入电压范围较宽时，可在全输入电压范围内实现输出零纹波。

Description

一种输出零纹波变换器
技术领域
本发明涉及一种输出零纹波变换器。
背景技术
在传统的开关变换器中，由于电压在输出端磁性元器件上的跳变，往往会引起电流波动，这会使得输出电压存在纹波。由于纹波的存在，要选择容量大一点的电容，使输出电压的波动在可接受范围内。
若变换器能实现输出零纹波，则可以减小输出电容，而且纹波降为零，开关电源传输到负载的噪声也会相应减小。陈乾宏在论文《输出纹波最小化有源箝位正激磁集成变换器》中提出了磁集成ACF变换器，将正激变换器中的电感与变压器集成到一个磁芯上，该集成方案对固定的输入电压和输出电压，可以实现输出零纹波。
上述方案存在不足，当输入电压范围较宽时，该方案在不同的输入电压下有不同的输出电压纹波，不能在全输入电压范围内实现零纹波。在上述方案后，有不少方案改进了变压器绕组的绕制位置以及电路，改善了变换器的整体性能，但都未能在全输入电压范围内实现零纹波输出。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是克服现有方法的不足，提出一种变压器结构方案以及电路方案，在较宽的输入电压范围内实现输出零纹波。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
首先，改变变压器的磁芯形状，在原来的变压器结构基础上增加一磁柱，将三磁柱的磁芯变为四磁柱的磁芯。然后，在增加的磁柱上添加一绕组，在绕组中上加入合适的电压，让添加的电压产生的磁通抵消原来磁通的对输出电流纹波的影响，使得可以实现输出零纹波。
一种输出零纹波变换器，包括主功率级电路，所述的主功率级电路包括一变压器、开关管Q1、开关管Q2、开关管SR1、开关管SR2、电容Cr和输出整流滤波电路；
所述的变压器有4根磁柱，分别为磁柱1、磁柱2、磁柱3和磁柱4；磁柱1上绕制绕组p和绕组s，磁柱2上绕制绕组a，磁柱3上没有绕组，磁柱4上绕制绕组L；
输入电压Vin的正端分别与绕组p的同名端和电容Cr的负端相连，绕组p的异名端分别与开关管Q1的漏极和开关管Q2的源极相连，开关管Q1的源极与输入电压Vin的负端相连；开关Q2的漏极与电容Cr的正端相连；绕组s的同名端分别与绕组L的同名端和开关管SR1的漏极相连，绕组L的异名端与输出整流滤波电路的正端相连，开关管SR2的源极和开关管SR1的源极与输出整流滤波电路的负端相连，开关SR2的漏极与绕组s的异名端相连；
其特征在于：还包括一个辅助电压电路，所述的辅助电压电路输出辅助电压给绕组a，使辅助电压产生的磁通对绕组L上电流的影响抵消了绕组p磁通的变化对绕组L上电流的影响。
优选的，所述的输出整流滤波电路包括电阻R和电容Co，电容Co的正端连接电阻R的一端并作为输出整流滤波电路的正端；电容Co的负端连接电阻R的另一端并作为输出整流滤波电路的负端。
优选的，所述的辅助电压电路包括采样/运算电路U1、电容Ca、开关管G1和开关管G2；采样/运算电路U1的第一输入端连接电容Cr的正端，采样/运算电路U1的第二输入端连接电容Cr的负端，采样/运算电路U1的第三输入端连接电容Co的正端，采样/运算电路U1的第四输入端连接电容Co的负端；采样/运算电路U1的正向输出端分别与绕组a的同名端、电容Ca的负端相连，电容Ca的正端与开关管G1的漏极相连；开关管G1的源极分别与开关管G2的漏极、绕组a的异名端相连；开关管G2的源极与采样/运算电路U1的负相输出端相连，并且连接到输入电压Vin的负端。
优选的，所述的辅助电压电路包括采样/运算电路U1、电容Ca、开关管G1和开关管G2；采样/运算电路U1的第一输入端连接开关管Q1的栅极，采样/运算电路U1的第二输入端连接开关管Q1的源极，采样/运算电路U1的第三输入端连接输入电压Vin的正端，采样/运算电路U1的第四输入端连接输入电压Vin的负端；采样/运算电路U1的正向输出端分别与绕组a的同名端、电容Ca的负端相连，电容Ca的正端与开关管G1的漏极相连；开关管G1的源极分别与开关管G2的漏极、绕组a的异名端相连；开关管G2的源极与采样/运算电路U1的负相输出端相连，并且连接到输入电压Vin的负端。
优选的，所述的开关管Q1和开关管Q2的驱动是互补的，开关管Q1、开关管G1以及开关管SR2的驱动是相同的，开关管Q2、开关管G2以及开关管SR1的驱动是相同的。
本发明所提的方案，克服了现有开关变换器的不足，当输入电压范围较宽时，可在全输入电压范围内实现输出零纹波。
附图说明
图1为现有磁集成实现单电压零纹波的电路原理图；
图2为本发明的功率级原理图；
图3为本发明第一实施例辅助电压原理图；
图4为本发明第二实施例辅助电压原理图。
具体实施方式
本发明的发明构思为增加磁路，利用电压构造新磁通，将新添加的磁通抵消原来变压器中磁通对输出电流的影响，从而实现零纹波。
本发明的变换器由功率级电路以及辅助电压电路构成。本发明有两个实施例，两个实施例的功率级电路都是相同的，只是辅助电压的实现方式不一样。
第一实施例
图2为本发明零纹波电路的第一实施例功率级原理图。
本发明零纹波电路的变压器结构如下：
变压器有4根磁柱，分别为磁柱1、磁柱2、磁柱3和磁柱4。变压器的磁柱1上绕制绕组p，匝数为Np，变压器的磁柱1上绕制绕组s，匝数为Ns，变压器磁柱2上绕制绕组a，匝数为Na，变压器磁柱3上没有绕组，变压器磁柱4上绕制绕组L，匝数为NL。
本发明零纹波电路的功率级电路的连接关系如下：
输入电压Vin的正端与绕组p的同名端相连，绕组p的异名端与开关Q1的漏极相连，开关Q1的源极与输入电压Vin的负端相连。开关Q1的漏极与开关Q2的源极相连，开关Q2的漏极与电容Cr的正端相连，电容Cr的负端与输入电压Vin的正端相连。绕组s的同名端与绕组L的同名端相连，绕组L的异名端与输出电容Co的正端相连，输出电容Co的负端与开关SR2的源极相连，开关SR2的漏极与绕组s的异名端相连。绕组s的同名端与开关SR1的漏极相连，开关SR1的源极与输出电容Co的负端相连。负载电阻R一端接在输出电容Co的正端，另一端接在输出电容Co的负端。
图3为本发明零纹波电路的辅助电压电路第一实施例原理图。
本发明零纹波电路的辅助电压电路的连接关系如下：
电容Cr的正端与采样/运算电路U1的第一输入端相连，电容Cr的负端与采样/运算电路U1的第二输入端相连，输出电容Co的正端与采样/运算电路U1的第三输入端相连，输出电容Co的负端与采样/运算电路U1的第四输入端相连，采样/运算电路U1的正向输出端与功率级绕组a的同名端相连，绕组a的异名端与开关G2的漏极相关，开关G2的源极与采样/运算电路U1的负相输出端，采样/运算电路U1的正向输出端与电容Ca的负端相连，电容Ca的正端与开关G1的漏极相连，开关G1的源极与开关G2的漏极相连；采样/运算电路U1的负相输出端连接到输入电压Vin的负端。
辅助电压Vax的产生过程如下，通过采样电容Cr的电压Vcr，以及采样输出电压Vo，根据比例求差电路，得到辅助电压由于绕组a的匝数Na、绕组L的匝数NL、绕组p的匝数Np、磁柱3的磁阻Rm3、磁柱4的磁阻Rm4都是已知的，因此，电压Vax是通过箝位电容电压Vcr和输出电压Vo乘以一固定比例系数后求差求出来的，由于比例电路以及求差电路都是业界公知常识，因此这里不给出具体的电路。辅助电压Vax可以由控制芯片产生，也可以用分立元器件搭建电路产生。
该实施例的开关管Q1、Q2、SR1、SR2、G1、G2的栅极分别连接外部驱动信号，其中开关Q1和开关Q2的驱动是互补的，开关Q1、开关G1以及开关SR2的驱动是相同的，开关Q2、开关G2以及开关SR1的驱动是相同的。本发明实现零纹波的过程如下：
达到稳定状态后，绕组L上的电流在一个周期内的变化量一定为零，因此，绕组L的电流在开关G2开通阶段的变化量，与开关G2关断阶段的变化量相比，大小相等，方向相反。
在开关G2开通的阶段，辅助电压Vax通过绕组a在磁芯上产生的磁通会影响磁柱4上的磁通，该磁通抵消了绕组p产生的磁通对绕组L的电流的影响，使得绕组L上的电流维持不变，即开关G2开通的阶段，绕组L上的电流不变。由于开关G2开通阶段和关断阶段的变化量大小相等，因此开关G2关断的阶段，绕组L的电流变化量也不变。综上所述可知，绕组L的电流在整个周期里是不变的，输出电压Vo不会产生波动。
变压器四根磁柱上的气隙根据磁阻的大小进行加工。
实际过程中，由于参数偏差，辅助绕组a产生的磁通不一定能完全抵消绕组p对绕组L的电流的影响，因此，实际过程中，输出电压也会存在着一定的小纹波。
某开关变换器输入电压为9～36V，输出电压为5V，输出最大电流为10A，开关频率330kHz，输出电容1uF，输出电容的寄生电阻为10mΩ，采用原方案，在输入电压为10.7V时，仿真得到的输出电压纹波为2.5mV，当输入电压为36V时，输出电压纹波为60mV，采用本发明所提方案后，当输入电压为10.7V时，输出电压纹波为1.3mV，当输入电压为36V时，输出电压纹波为2.5mV，近似在全电压范围内实现零纹波输出。
第二实施例
图4为本发明零纹波电路的辅助电压第二实施例原理图。
本发明零纹波电路的辅助电压电路的连接关系如下：
开关Q1的栅极与采样/运算电路U2的第一输入端相连，开关Q1的源极与采样/运算电路U2的第二输入端相连，输入电压Vin的正端与采样/运算电路U2的第三输入端相连，输入电压Vin的负端与采样/运算电路U2的第四输入端相连，采样/运算电路U2的正向输出端与功率级绕组a的同名端相连，绕组a的异名端与开关G2的漏极相关，开关G2的源极与采样/运算电路U2的负相输出端，采样/运算电路U2的正向输出端与电容Ca的负端相连，电容Ca的正端与开关G1的漏极相连，开关G1的源极与开关G2的漏极相连；采样/运算电路U1的负相输出端连接到输入电压Vin的负端。
第二实施例的功率级原理图与第一实施例相同，只是辅助电压Vax的实施方式不同，本实施例中的计算公式为钳位电压Vax是通过采样输入电压Vin和开关Q1的驱动信号drvQ1的占空比D，然后进行数学运算得到的，由于对给定电压进行常规的数学运算是业界公知常识，因此这里不给出具体的电路。辅助电压Vax可以由控制芯片产生，也可以用分立元器件搭建电路产生。
以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体控制方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种输出零纹波变换器，包括主功率级电路，所述的主功率级电路包括一变压器、开关管Q1、开关管Q2、开关管SR1、开关管SR2、电容Cr和输出整流滤波电路；
所述的变压器有4根磁柱，分别为磁柱1、磁柱2、磁柱3和磁柱4；磁柱1上绕制绕组p和绕组s，磁柱2上绕制绕组a，磁柱3上没有绕组，磁柱4上绕制绕组L；
输入电压Vin的正端分别与绕组p的同名端和电容Cr的负端相连，绕组p的异名端分别与开关管Q1的漏极和开关管Q2的源极相连，开关管Q1的源极与输入电压Vin的负端相连；开关Q2的漏极与电容Cr的正端相连；绕组s的同名端分别与绕组L的同名端和开关管SR1的漏极相连，绕组L的异名端与输出整流滤波电路的正端相连，开关管SR2的源极和开关管SR1的源极与输出整流滤波电路的负端相连，开关SR2的漏极与绕组s的异名端相连；
其特征在于：还包括一个辅助电压电路，所述的辅助电压电路输出辅助电压给绕组a，使辅助电压产生的磁通对绕组L上电流的影响抵消了绕组p磁通的变化对绕组L上电流的影响。
2.根据权利要求1所述的一种输出零纹波变换器，其特征在于：所述的输出整流滤波电路包括电阻R和电容Co，电容Co的正端连接电阻R的一端并作为输出整流滤波电路的正端；电容Co的负端连接电阻R的另一端并作为输出整流滤波电路的负端。
3.根据权利要求2所述的一种输出零纹波变换器，其特征在于：所述的辅助电压电路包括采样/运算电路U1、电容Ca、开关管G1和开关管G2；采样/运算电路U1的第一输入端连接电容Cr的正端，采样/运算电路U1的第二输入端连接电容Cr的负端，采样/运算电路U1的第三输入端连接电容Co的正端，采样/运算电路U1的第四输入端连接电容Co的负端；采样/运算电路U1的正向输出端分别与绕组a的同名端、电容Ca的负端相连，电容Ca的正端与开关管G1的漏极相连；开关管G1的源极分别与开关管G2的漏极、绕组a的异名端相连；开关管G2的源极与采样/运算电路U1的负相输出端相连，并且连接到输入电压Vin的负端。
4.根据权利要求2所述的一种输出零纹波变换器，其特征在于：所述的辅助电压电路包括采样/运算电路U1、电容Ca、开关管G1和开关管G2；采样/运算电路U1的第一输入端连接开关管Q1的栅极，采样/运算电路U1的第二输入端连接开关管Q1的源极，采样/运算电路U1的第三输入端连接输入电压Vin的正端，采样/运算电路U1的第四输入端连接输入电压Vin的负端；采样/运算电路U1的正向输出端分别与绕组a的同名端、电容Ca的负端相连，电容Ca的正端与开关管G1的漏极相连；开关管G1的源极分别与开关管G2的漏极、绕组a的异名端相连；开关管G2的源极与采样/运算电路U1的负相输出端相连，并且连接到输入电压Vin的负端。
5.根据权利要求2或3所述的一种输出零纹波变换器，其特征在于：所述的开关管Q1和开关管Q2的驱动是互补的，开关管Q1、开关管G1以及开关管SR1的驱动是相同的，开关管Q2、开关管G2以及开关管SR2的驱动是相同的。
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