CN109245568B - 一种交流转直流隔离开关电源电路 - Google Patents

一种交流转直流隔离开关电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种交流转直流隔离开关电源电路，包括整流电路、滤波电路、第一功率转换电路、功率转换变压器、第二功率转换电路，第一组直流输出电路、第二组直流输出电路，采用与以往反激式拓扑电源不同的拓扑结构，输出了两组互相隔离的电压。第一功率转换电路工作原理与高压BUCK电路工作原理相同，因此降低了所需的功率开关管的电压应力，只需在功率转换变压器中添加一个副边绕组，即可输出一组与第一组直流输出电路相互隔离的电源为后端第二组直流输出电路供电。最终实现成本与线性变压器相当，性能与原反激式拓扑电源相近的小功率开关电源。

Description

一种交流转直流隔离开关电源电路
技术领域
本发明涉及一种小功率低成本交流转直流隔离开关电源方案，主要应用于电路有绝缘要求，需要隔离供电的单相电子式普通电能表。
背景技术
目前电表行业在电能表设计中除了保证计量功能外，基本都带有通讯功能，使电能表能够自动或半自动抄表，缓解抄表人员的劳动强度及提高抄表数据的准确度。迫于成本压力，单相电子式普通电能表在通讯方面一般采用RS-485或RS-232等方式。这种通讯方式对电源功率要求低，通常仅需1～2瓦，但电能表不可避免的要留出通讯所需接线的低压端子(＜40V)，按照电能表技术规范要求这些低压端子需要与交流电压输入等高压端子(＞40V)隔离(绝缘4KVAC)。因此在电能表硬件电路设计时，我们至少需要提供两组相互隔离的电源，分别为计量MCU电路及RS-485通讯电路供电。
以往行业内为了满足技术规范要求，交流转直流的小功率电源通常采用线性变压器电源或者反激式拓扑开关电源，输出两组相互隔离的电源分别为计量MCU电路及RS-485通讯电路供电。
上述现有技术所存在以下问题：
线性变压器小功率电源：输出两路，电路虽然简单，成本低，但无法应用到要求宽范围输入电压的电网环境，在电能表市场应用方面受到局限；
反激式小功率开关电源：输出两路，适用于宽范围电网环境，电路相对变压器电源复杂，基于反激式拓扑电源的基本原理，对应高频变压器必定需要4个绕组(如附图1：N1绕组、N2绕组、N3绕组、N4绕组)，功率开关管电压应力大，应力电压V除了电网本身输入的最高直流电压Vin_DCmax外还包括次级输出反射到原边的电压Vor与原边变压器漏感产生的电压尖峰Vlk(V＝Vin_DCmax+Vor+Vlk)。因此即便电源要求功率很小，若采用反激式拓扑电源，成本方面会因功率开关管的电压应力及高频变压器绕组繁多，无法达到与线性电源成本相当。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种小功率低成本交流转直流隔离开关电源电路方案，输出两组相互隔离的电压为单相电子式普通电能表计量MCU电路及RS-485通讯电路隔离供电，满足电能表技术规范要求。
本发明采用以下技术方案：
一种交流转直流隔离开关电源电路，包括依次相连的整流电路、滤波电路、第一功率转换电路和第一组直流输出电路，其中，
第一功率转换电路，包括功率开关管Q2、储能电容CP20、续流二极管DP8电容CP19和电感N1；其中功率开关管Q2漏极与滤波电路输出端电性连接，源极连接至电感N1的脚1；储能电容CP20正极接电感N1的脚2，负极接地GND1；续流二极管DP8正极接地GND1，负极接电感N1的脚1；电容CP19正极接功率开关管Q2漏极，负极接地GND1；
所述开关电源电路还包括功率转换变压器T2，以及电性连接的第二功率转换电路和第二组直流输出电路；所述第二功率转换电路包括电感N2、储能电容CP17、续流二极管DP7；其中电感N2的脚4接储能电容CP17正极，储能电容CP17负极接续流二极管DP7正极，续流二极管DP7负极接电感N2的脚3；
所述电感N1为功率转换变压器T2的原边绕组，电感N2为功率转换变压器T2的副边绕组，实现第一功率转换电路和第二功率转换电路的相互隔离；
所述功率开关管Q2导通时，电感N1和电感N2储能，电容CP19和储能电容CP17分别分别为第一组直流输出电路、第二组直流输出电路供电；功率开关管Q2关断时，电感N1与储能电容CP20、续流二极管DP8构成原边续流电路为第一组直流输出电路供电；电感N2、储能电容CP17、续流二极管DP7构成副边续流电路为第二组直流输出电路供电。
进一步，所述整流电路用于将交流电转换为幅值相对较高的脉动直流电，为后端功率转换做准备。
进一步，所述第一功率转换电路还包括PWM控制电路和电压反馈电路；其中电压反馈电路包括二极管DP6、电容CP14、分压电阻RP12和RP14，其中二极管DP6用于将电感N1上的高频脉冲交流电整流，经与二极管DP6串联的电容CP14滤波形成相对稳定的直流电，然后通过并联于电容CP14的分压电阻RP12和RP14，采样电容CP14上形成的直流电压信号，并接入PWM控制电路的输入脚，与内部基准电压比较实时调整输出不同大小的PWM信号，控制功率开关管Q2的导通、关断的维持时间；
所述PWM控制电路输出端与功率开关管Q2的基极相连。
进一步，所述第一组直流输出电路包括电感LP2和电容CP21；其中电容CP21正极经电感LP2接至储能电容CP20正极，负极接地GND1；用于对第一功率转换电路形成的直流电进行LC滤波、降低纹波噪声，给电能表的MCU计量电路供电。
优选地，电容CP20为低压储能电容。
进一步，所述第二功率转换电路还包括电性连接于电感N2脚4和储能电容CP17正极之间的电阻RP13。进一步，所述第二组直流输出电路包括电感LP4和电容CP18；其中电容CP18正极经电感LP4连接至储能电容CP17正极，负极接地GND2；用于对第二功率转换电路形成的直流电进行LC滤波、降低纹波噪声，给电能表的RS-485通讯电路供电。
进一步，所述第一组直流输出电路和第二组直流输出电路的接地端之间跨接有Y电容CY2。
进一步，所述滤波电路用于阻止功率转换过程中高频噪声串入电网影响其它的电子设备正常工作，同时防止部分电网的干扰噪声进入第一功率转换电路影响电源正常工作。
作为优选，所述滤波电路为电容CP22、电感LP1、电容CP19组成的CLC滤波电路，其中电容CP19同时作为所述第一功率转换电路的储能电容。
进一步，所述交流转直流隔离开关电源电路还包括电性连接的交流输入防雷电路和过电压保护电路，其中交流输入防雷电路输入端连接交流电，过电压保护电路输出端连接整流电路输入端。交流输入防雷电路用于抑制雷击浪涌等瞬时的过电压尖峰，保护后端电路器件，过电压保护电路用于防止单相电子式普通电能表在实际使用过程中因接地故障等原因造成的短时过电压损坏。
作为优选，所述交流输入防雷电路为压敏电阻MOV3。
作为优选，过电压保护电路采用复合热敏电阻RT3。
作为优选，整流电路采用二极管DP5。
本发明中，整个工作过程中功率转换变压器T2原边绕组一直起到一个功率电感的作用。第一功率转换电路工作原理与高压BUCK拓扑开关电源工作原理一致，因而功率开关管Q2应力电压V仅为电网本身输入的最高直流电压Vin_DCmax，所以相比反激式拓扑开关电源，功率开关管Q2的电压应力大幅下降，间接降低了电源成本。
此外，功率转换变压器T2副边绕组与原边绕组共一个高频变压器磁芯，但两个绕组间相互独立、电气绝缘，从而使第一功率转换电路、第二功率转换电路相互隔离，最终供电于两路相互隔离的第一组直流输出电路与第二组直流输出电路。且由于共用一个磁芯，功率开关管Q2导通时，电感N1和电感N2同时储能；功率开关管Q2关断时，电感N2与储能电容CP17、续流二极管DP7构成的副边续流电路为第二组直流输出电路供电，输出电压的稳定性则由功率转换变压器T2原副边绕组的匝比关系及耦合情况决定，无需单独添加副边反馈电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：采用与以往反激式拓扑电源不同的拓扑结构，第一功率转换电路工作原理与高压BUCK电路工作原理相同，因此降低了第一功率转换电路所需的功率开关管的电压应力，相比反激式拓扑开关电源还省去了RCD吸收电路、辅助绕组供电电路等，使解决方案所设计的开关电源器件数量减少、电路更加简单、成本更低(接近与线性变压器小功率电源)。
此外，只需在功率转换变压器中添加一个副边绕组(电感N2)即可与第二功率转换电路中的续流二极管、储能电容构成续流电路，输出一组与第一组直流输出电路相互隔离的电源为后端第二组直流输出电路供电。相比反激式拓扑开关电源减少了功率转换变压器的绕组数量，因此降低了高频变压器绕制所需耗材，间接降低了开关电源整体成本。
与此同时，本解决方案同样采用的是PWM脉宽调制方式，控制功率开关管的快速导通与关断，达到稳定输出电压的目的。因此性能上与反激式拓扑开关电源相同完全适用于宽范围电网的环境，弥补线性变压器小功率电源的不足。
本发明解决了线性电源的不足点，使适用于宽范围电网环境，同时采用新的拓扑电源结构，电路较以往采用的反激式拓扑电源简单，使高频变压器绕组减少，功率开关管电压应力降低，最终实现成本与线性变压器相当，性能与原反激式拓扑电源相近的小功率开关电源。
附图说明
图1为反激式拓扑电源原理图。
图2为本发明的功能框图。
图3为本发明的电路原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案，以下结合附图2-3与具体实施例进行详细说明。
一种小功率低成本的交流转直流隔离开关电源电路，包括交流输入防雷电路、过电压保护电路、整流电路、EMI滤波电路、第一功率转换电路、功率转换变压器T2、第二功率转换电路，第一组直流输出电路、第二组直流输出电路；各个电路之间的功能框图如图2所示，电路原理图如图3所示。
(1)交流输入防雷电路：单相交流输入防雷电路单元采用电能表上常规使用的防雷器件:压敏电阻MOV3，用于抑制雷击浪涌等瞬时的过电压尖峰，保护后端电路器件，连接在交流电的火线L与零线N之间。
(2)过电压保护电路：连接在交流输入防雷电路后端，整流电路前端，基于单相电子普通电能表技术规范中电源需能抗住接地故障等原因造成的短时过电压的要求，及低成本要求，过电压保护电路采用线性小功率电源中常规过电压保护器件：复合热敏RT3。
(3)整流电路：连接在过电压保护电路后端，EMI滤波电路前端，在单相电子式普通电能表中，表上通常火线与计量芯片的参考地直接相连，因此采用一个普通二极管DP5进行半波整流作为整流电路。
(4)EMI滤波电路：连接在整流电路后端，第一功率转换电路前端。为了更好的滤除电网高频噪声干扰电源，及抑制电源本身对外界的高频噪声干扰，EMI滤波电路采用CLC滤波方式，由电容CP22、电感LP1、电容CP19组成。电容CP22通常采用安规X电容，电容CP19同时做为后端第一功率转换电路的高压储能电容，通常为电解电容。电容CP19负极接地GND1，正极接入第一功率转换电路。
(5)第一功率转换电路：包括PWM控制电路、功率开关管Q2、储能电容CP20、续流二极管DP8、电容CP19、电感N1(功率转换变压器T2的原边绕组)和电压反馈电路。此处，电容CP19既是EMI滤波电路的原件也是第一功率转换电路的一个原件。电路中，交流电经整流后的脉动直流电，无法直接作为第一功率转换电路的电压源，必须经过EMI滤波电路中的高压电容CP19滤波并储能，然后才能为第一功率转换电路输入端提供相对平滑、稳定的电压源。
为了更加方便、简易、可靠的实现功率转换及控制，实施案例中，使用集成了功率开关管Q2、PWM控制电路的开关电源芯片MP173，开关电源芯片MP173内部集成的功率开关管Q2为MOS管，MOS管的漏极D连接EMI滤波电路中的高压储能电容CP19的正极，源级S作为PWM控制电路的电平参考基(开关电源芯片MP173的电平零电位参考点)准连接到电感N1的脚1，储能电容CP20为低压储能电容，正极接电感N1的脚2，负极接地GND1；续流二极管DP8正极接地GND1(即储能电容CP20负极与续流二极管DP8正极、电容CP19负极相连)，负极接电感N1的脚1及功率开关管Q2的源级S；
所述电压反馈电路包括二极管DP6，电感CP14、分压电阻RP12、RP14，二极管DP6用于将电感N1上高频脉冲交流电整流(交流电经过整流电路后变为脉动直流电，频率为100HZ左右，而这里的“高频脉冲交流电”指的是电感N1两端在功率开关管Q2高速导通和关断期间形成的高频脉冲交流电，该高速导通和关断的频率与PWM控制信号相同，为几十KHZ)，高频脉冲直流电经与二极管DP6串联的电容CP14滤波形成相对稳定的直流电，然后经过与电容CP14并联的分压电阻RP12、RP14，分压电阻RP12、RP14用于采样电容CP14上形成的直流电压信号，并接入PWM控制电路的FB脚，也就是输入脚，与开关电源芯片MP173内部基准电压Vref比较实时调整输出不同大小的PWM信号，控制功率开关管Q2的导通、关断的维持时间，从而控制电感N1及电感N2储能和放电时间，达到稳定输出两组隔离电压的目的；所述PWM控制电路输出端与功率开关管Q2的基极相连；PWM控制电路输出PWM信号，控制功率开关管Q2的关断，功率开关管Q2导通时，幅值相对较高的直流电，通过电感N1储能，同时为第一组直流输出电路供电；功率开关管Q2断开时，电感N1经续流二极管DP8、储能电容CP20构成原边续流电路继续为第一组直流输出电路供电，供电电压的稳定性由电压反馈电路控制。
CP15作为开关电源芯片MP173电压采样信号的滤波电容，并联于PWM控制电路FB脚与功率开关管Q2的源级S之间，使电压采样信号更加稳定、干净，提升电源输出稳定性。CP16作为开关电源芯片MP173供电脚VCC的去耦电容，滤除外界耦合到电源端的噪声，使芯片工作更加稳定。
实施例中，电容CP19、功率开关管Q2，电感N1，续流二极管DP8，储能电容CP20，共同构成相同于高压BUCK开关电源的电路。
功率开关管Q2导通时，第一功率转换电路走向：电容CP19正极>功率开关管Q2漏极D>功率开关管Q2源级S>电感N1脚1>电感N1脚2>储能电容CP20的正极>储能电容CP20的负极>电容CP19的负极；
功率开关管Q2关断时，第一功率转换电路走向：电感N1的脚2>储能电容CP20的正极>储能电容CP20的负极>续流二极管DP8正极>续流二极管DP8负极>电感N1的脚1。
(6)第一组直流输出电路：第一功率转换电路形成的直流提供给第一组直流输出电路为MCU等计量电路供电。第一组直流输出电路包括电感LP2、电容CP21，其中电容CP21正极经电感LP2接至储能电容CP20正极，负极接地GND1。电感LP2、电容CP21的作用是对第一功率转换电路形成的直流电进行LC滤波，降低纹波噪声，为单相电子式普通电能表的MCU计量电路提供更加稳定的直流电。
(7)第二功率转换电路：包括储能电容CP17、续流二极管DP7、电阻RP13、电感N2(功率转换变压器T2的副边绕组)，电阻RP13用于抑制电源上电瞬间的浪涌电流，阻值必要时可以为0欧姆。其中电感N2的脚4经电阻RP13接至储能电容CP17正极，储能电容CP17负极接续流二极管DP7正极，续流二极管DP7负极接电感N2的脚3。
电感N2的脚4与电感N1的脚2为同名端。
电感N2与电阻RP13、储能电容CP17、续流二极管DP7构成副边续流电路。功率开关管Q2导通时，电感N1和电感N2储能，电容CP19和储能电容CP17分别分别为第一组直流输出电路、第二组直流输出电路供电；功率开关管Q2关断时，电感N1与储能电容CP20、续流二极管DP8构成原边续流电路为第一组直流输出电路供电；副边续流电路为第二组直流输出电路供电，输出电压的稳定性则由功率转换变压器T2原副边绕组的匝比关系及耦合情况决定，无需单独添加副边反馈电路。
(8)第二组直流输出电路：包括电感LP4、电容CP18，其中电容CP18正极经电感LP4连接至储能电容CP17正极，负极接地GND2。电感LP4、电容CP18的作用是对第二率转换电路形成的直流电进行LC滤波，降低纹波噪声，提供更加稳定的直流电为单相电子式普通电能表的RS-485等通讯电路供电。
跨接在第一组直流输出电路的接地端GND1与第二组直流输出电路的接地端GND2间的Y电容CY2目的是为了改善电源对外辐射发射干扰幅值。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种交流转直流隔离开关电源电路，包括依次相连的整流电路、滤波电路、第一功率转换电路和第一组直流输出电路，其中，
第一功率转换电路，包括功率开关管Q2、储能电容CP20、续流二极管DP8、电容CP19和电感N1；其中功率开关管Q2漏极与滤波电路输出端电性连接，源极连接至电感N1的脚1；储能电容CP20正极接电感N1的脚2，负极接地GND1；续流二极管DP8正极接地GND1，负极接电感N1的脚1；电容CP19正极接功率开关管Q2漏极，负极接地GND1；
其特征在于：所述开关电源电路还包括功率转换变压器T2，以及电性连接的第二功率转换电路和第二组直流输出电路；所述第二功率转换电路包括电感N2、储能电容CP17、续流二极管DP7；其中电感N2的脚4接储能电容CP17正极，储能电容CP17负极接续流二极管DP7正极，续流二极管DP7负极接电感N2的脚3；
所述电感N1为功率转换变压器T2的原边绕组，电感N2为功率转换变压器T2的副边绕组，实现第一功率转换电路和第二功率转换电路的相互隔离；
所述功率开关管Q2导通时，电感N1和电感N2储能，电容CP19和储能电容CP17分别为第一组直流输出电路、第二组直流输出电路供电；功率开关管Q2关断时，电感N1与储能电容CP20、续流二极管DP8构成原边续流电路为第一组直流输出电路供电；电感N2、储能电容CP17、续流二极管DP7构成副边续流电路为第二组直流输出电路供电；
功率开关管Q2导通时，第一功率转换电路走向依次为：电容CP19正极、功率开关管Q2漏极D、功率开关管Q2源级S、电感N1脚1、电感N1脚2、储能电容CP20的正极、储能电容CP20的负极、电容CP19的负极；
功率开关管Q2关断时，第一功率转换电路走向依次为：电感N1的脚2、储能电容CP20的正极、储能电容CP20的负极、续流二极管DP8正极、续流二极管DP8负极、电感N1的脚1；
所述第一组直流输出电路包括电感LP2和电容CP21；其中电容CP21正极经电感LP2接至储能电容CP20正极，负极接地GND1；用于对第一功率转换电路形成的直流电进行LC滤波、降低纹波噪声，给电能表的MCU计量电路供电；
所述第二组直流输出电路包括电感LP4和电容CP18；其中电容CP18正极经电感LP4连接至储能电容CP17正极，负极接地GND2；用于对第二功率转换电路形成的直流电进行LC滤波、降低纹波噪声，给电能表的RS-485通讯电路供电。
2.如权利要求1所述的交流转直流隔离开关电源电路，其特征在于：所述第一功率转换电路还包括PWM控制电路和电压反馈电路；其中电压反馈电路包括二极管DP6、电容CP14、分压电阻RP12和RP14，其中二极管DP6用于将电感N1上的高频脉冲交流电整流，经与二极管DP6串联的电容CP14滤波形成相对稳定的直流电，然后通过并联于电容CP14的分压电阻RP12和RP14，采样电容CP14上形成的直流电压信号，并接入PWM控制电路的输入脚，与内部基准电压比较实时调整输出不同大小的PWM信号，控制功率开关管Q2的导通、关断的维持时间；所述PWM控制电路输出端与功率开关管Q2的基极相连。
3.如权利要求1所述的交流转直流隔离开关电源电路，其特征在于：所述第二功率转换电路还包括电性连接于电感N2脚4和储能电容CP17正极之间的电阻RP13。
4.如权利要求1所述的交流转直流隔离开关电源电路，其特征在于：所述第一组直流输出电路和第二组直流输出电路的接地端之间跨接有Y电容CY2。
5.如权利要求1所述的交流转直流隔离开关电源电路，其特征在于：所述滤波电路为电容CP22、电感LP1、电容CP19组成的CLC滤波电路，其中电容CP19同时作为所述第一功率转换电路的储能电容。
6.如权利要求1所述的交流转直流隔离开关电源电路，其特征在于：所述开关电源电路还包括电性连接的交流输入防雷电路和过电压保护电路，其中交流输入防雷电路输入端连接交流电，过电压保护电路输出端连接整流电路输入端。
7.如权利要求6所述的交流转直流隔离开关电源电路，其特征在于：所述交流输入防雷电路为压敏电阻MOV3，过电压保护电路采用复合热敏电阻RT3。
8.如权利要求1所述的交流转直流隔离开关电源电路，其特征在于：整流电路采用二极管DP5。
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