CN109327145A - 一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源 - Google Patents

一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源 Download PDF

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Abstract

一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，涉及电力电子变换技术领域。包括电源电路以及连接在电源电路输出端的输出电路，其特征在于：所述开关电源还包括滤波器、第一控制环路、第二控制环路，所述滤波器连接在电源电路与输出电路之间，所述第一控制环路的输入端与输出电路连接、输出端与滤波器连接，第一控制环路用于采集输出电路的电压、并与设定值进行比较，得到的误差值作为基准来控制滤波器的稳定值；用于采集滤波器两端的电压做为基准，并与设定值进行比较控制电源电路的输出电压。本发明通过对开关电源的输出增加一级滤波电路，并对滤波电路件进行均流，通过两级控制环路，实现对输出电压的稳定控制和纹波的抑制。

Description

一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，具体为一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源。
背景技术
目前开关电源以其体积小，效率高在各种工业领域得到广泛的应用，但在一些高精度高精密应用场合，开关电源的输出纹波较高使其应用得到限制，常规的工频线性整流电源纹波低，但设备体积大效率低不具备开关电源的优点，所以需要一种低输出纹波的开关电源来弥补其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，通过对开关电源的输出增加一级滤波拓扑，在原有传统的LC滤波的基础上对开关电源的输出进行了二次滤波，降低输出纹波，并通过两级控制实现了对电源的精准稳压滤波控制。
实现上述目的的技术方案是：一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，包括电源电路以及连接在电源电路输出端的输出电路，其特征在于：所述开关电源还包括滤波器、第一控制环路、第二控制环路，所述滤波器连接在电源电路与输出电路之间，所述第一控制环路的输入端与输出电路连接、输出端与滤波器连接，第一控制环路用于采集输出电路的电压、并与设定值进行比较，得到的误差值作为基准来控制滤波器的稳定值；用于采集滤波器两端的电压做为基准，并与设定值进行比较控制电源电路的输出电压。
进一步地，所述电源电路包括变压器T，变压器T的输入端连接有全桥电路，变压器T的输出端连接有整流桥，整流桥的输出端连接有滤波电路。
进一步地，所述全桥电路由四个MOS管或IGBT模块连接组成，所述整流桥由四个二极管连接组成，所述滤波电路包括电感L和电容C，电感L的一端与在整流桥输出端的正极连接，电感L的另一端连接电容C的正极端，电容C的负极端连接整流桥输出端的负极。
进一步地，所述滤波器包括驱动用三极管Q以及多个输出功率用三级管Q1...Qn，驱动用三级管Q以及输出功率用三级管Q1...Qn的集电极c相互并接、并标记为A点，A点与电容C的正极端连接，输出功率用三级管Q1...Qn的发射极e分别串接有电阻R10，电阻R10的另一端相互并接、并标记为B点，所述驱动用三极管Q的集电极c与A点连接，驱动用三级管Q的发射极e分别与输出功率用三极管Q1...Qn的基极b连接。
进一步地，所述输出电路包括负载R，负载R的一端连接滤波器的B点、另一端连接电容C的负极、并标记为G点，G点接地。
进一步地，所述三极管Q2的发射极e串接的电阻R阻值相等。
进一步地，所述第一控制环路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、电容C1、C2、运算放大器U1、二极管D10，所述R1的一端连接滤波器的B点，R1的另一端连接电阻R2，电阻R2的另一端接地，电阻R4的一端连接在电阻R1和R2之间、另一端连接运算放大器U1B的反相输入端，所述运算放大器U1B的反相输入端还连接有电阻R3，电阻R3的另一端用于输入基准电压，电阻R5的一端连接连接运算放大器U1B的同相输入端、另一端接地，电容C1并联在运算放大器U1B的反相输入端和输出端之间；
运算放大器U1B的输出端连接二极管D10的负极，二极管D10的正极连接电阻R7，电阻R7的另一端连接滤波器的驱动用三极管Q的基极b，所述电阻R6的一端连接12V的直流电源、另一端连接二极管D10的正极，电容C2的一端连接二级管D10的正极、另一端接地。
进一步地，所述第二控制环路包括霍尔电压传感器、模数转换器、MCU控制器、占空比调节电路、驱动电路，所述霍尔电压传感器的信号采集端连接滤波器的A点和B点，霍尔电压传感器的信号输出端通过模数转换器连接MCU控制器，MCU控制器的输出端连接有占空比调节电路，占空比调节电路的输出端通过驱动电路连接全桥电路的四个MOS管或IGBT模块的控制端。
本发明的有益效果：
本发明通过对开关电源的输出增加一级滤波电路，并对滤波电路件进行均流，通过两级控制环路，实现对输出电压的稳定控制和纹波的抑制。
本发明的三极管Q2的发射极e串接的电阻R阻值相等，实现了三极管Q2的均流和均压。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的电路图。
具体实施方式
如图1、2所述，本发明包括电源电路1、滤波器2、输出电路3、第一控制环路4、第二控制环路5，滤波器1连接在电源电路1与输出电路3之间。
电源电路1包括变压器T，变压器T的输入端连接有全桥电路6，全桥电路6的输入端连接输入电源Uin，变压器T的输出端连接有整流桥7，整流桥7的输出端连接有滤波电路8。
全桥电路6包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4可以采用MOS管或IGBT模块，输入电源Uin的正极与第一开关S1的一端和第三开关S3的一端均相连 ,第一开关S1的另一端与第二开关S2的一端相连，第三开关S3的另一端与第四开关S4的一端均相连，第二开关S2的另一端和第四开关S4的另一端均与输入电源Uin的负极连接；整流桥7包括电容D1、D2、D3、D4，电容D1、D3的负极端相连，电容D1的正极端连接电容D2，电容D3的正极端连接电容D4，电容D2、电容D4正极端相互连接；滤波电路8包括电感L和电容C，电感L的一端与在整流桥输出端的正极连接，电感L的另一端连接电容C的正极端， 电容C的负极端连接整流桥7输出端的负极。
变压器T一次绕组的一端连接在第一开关S1、第二开关S2之间、另一端连接在第三开关S3及第四开关S4之间，变压器T二次绕组的一端连接在电容D1、D2之间、另一端连接在电容D3、D4之间。
滤波器2包括驱动用三极管Q以及多个输出功率用三级管Q1...Qn，本实施例设置有两个分别为Q1、Q2, 驱动用三极管Q、输出功率用三级管Q1...Qn的集电极c相互并接、并标记为A点，A点与电容C的正极端连接，驱动用三极管Q1的发射极e串接有电阻R10，三极管Q2的发射极e串接有电阻R11，电阻R10、R11的另一端相互并接、并标记为B点，所述驱动用三极管Q的集电极c与A点连接，驱动用三级管Q的发射极e分别与输出功率用三极管Q1、Q2的基极b连接。
输出电路3包括负载R，负载R的一端连接滤波器的B点、另一端连接电容C的负极、并标记为G点，G点接地。
第一控制环路4包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、电容C1、C2、运算放大器U1、二极管D10， R1的一端连接滤波器的B点，R1的另一端连接电阻R2，电阻R2的另一端接地，电阻R4的一端连接在电阻R1和R2之间、另一端连接运算放大器U1B的反相输入端，所述运算放大器U1B的反相输入端还连接有电阻R3，电阻R3的另一端用于输入基准电压，电阻R5的一端连接运算放大器U1B的同相输入端、另一端接地，电容C1并联在运算放大器U1B的反相输入端和输出端之间；
运算放大器U1B的输出端连接二极管D10的负极，二极管D10的正极连接电阻R7，电阻R7的另一端连接滤波器的驱动用三极管Q的基极b，所述电阻R6的一端连接12V的直流电源、另一端连接二极管D10的正极，电容C2的一端连接二级管D10的正极、另一端接地。
第二控制环路5包括霍尔电压传感器5.1、模数转换器5.2、MCU控制器5.3、占空比调节电路5.4、用于驱动第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4的驱动电路5.5，霍尔电压传感器5.1的信号采集端连接滤波器2的A点和B点，霍尔电压传感器5.1的信号输出端通过模数转换器5.2连接MCU控制器5.3，MCU控制器5.3的输出端连接有占空比调节电路5.4，占空比调节电路5.4的输出端通过驱动电路连接全桥电路6的四个MOS管或IGBT模块的控制端。
本发明的工作原理：
第一控制环路4首先对滤波器2的 B点的电压UB进行采样，第一控制环路4为积分控制电路，当输出电压UB降低时候，驱动用三极管Q的基极b电位下降，三极管Q的基极b电流下降，输出功率用三极管Q1、Q2的基极b电流下降，由于电阻R7的存在，使得驱动用三极管Q、输出功率用三极管Q1、Q2处于放大工作区，则输出功率用三极管Q1、Q2两端电压（计为UAB）下降。
电源电路1的控制采样为UAB，当UAB下降，则会进入第二控制环路5，第二控制环路5通过霍尔电压传感器5.1对UAB电压隔离采样，将采样信号送至模数转换器5.2，将模拟信号转换为数字信号，得到数字信号送至MCU控制器5.3，MCU控制器5.3采用型号为TMS320F28335的芯片，MCU控制器5.3进行运算得到占空比信号再通过占空比调节电路5.4控制占空比上调，提高电源电路1的输出电压，因为滤波器2的A点与输出电路3的G点之间的电压（计为UAG）UAG= UB+UAB，输出功率用三极管Q1、Q2两端电压UAB下降，则输出电压UB上升，维持输出电压在目标值。
当输出电压UB上升时候，其分析亦然，第一控制环路4与第二控制环路5实现了电路的两级稳定控制。
如果没有滤波器2，则滤波器2的B点电压波形与A点的电压波形是一致的，只能通滤波电路8进行一次滤波，增加滤波器2，通过第一控制环路4对输出电压UB波形进行采用，得到驱动用三极管Q基极b的控制电压，电容C2对驱动用三极管Q的基极b的电压进行滤波，此时输出功率用三级管Q1、Q2的基极b电压跟随驱动用三极管Q的基极b的电压波形，输出功率用三级管Q1、Q2基极b的电压波形决定了滤波器2的B点电压波形，B点电压波形也是输出波形，对输出电压进行了二次滤波。
电阻R10和R11设定为两个阻值相同的电阻，因为Q1与R10串联，Q2与R11串联，其串联后两端的电压相等，即为UAB，又因为输出功率用三级管Q1、Q2的基极b的电压相等，则流过电阻R10，R11的电流是相等的，则输出功率用三级管Q1、Q2两端的电压是相等的，电阻R10，R11的存在保证了输出功率用三级管Q1、Q2的两端电压相等和电流相等。
电阻R7与驱动用三极管Q串联对驱动用三极管Q的基极电流进行放大，驱动用三极管Q发射极与输出功率用三级管Q1、Q2的基极相连，提供足够的电流确保输出功率用三级管Q1与Q2处于放大区。输出功率用三级管Q1、Q2与电阻R11、R12分别串联后并联，提供更大电流，本发明采用输出功率用三级管并联的个数不定，根据输出电流情况增加并联个数。

Claims (8)

1.一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，包括电源电路以及连接在电源电路输出端的输出电路，其特征在于：所述开关电源还包括滤波器、第一控制环路、第二控制环路，所述滤波器连接在电源电路与输出电路之间，所述第一控制环路的输入端与输出电路连接、输出端与滤波器连接，第一控制环路用于采集输出电路的电压、并与设定值进行比较，得到的误差值作为基准来控制滤波器的稳定值；用于采集滤波器两端的电压做为基准，并与设定值进行比较控制电源电路的输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，其特征在于：所述电源电路包括变压器T，变压器T的输入端连接有全桥电路，变压器T的输出端连接有整流桥，整流桥的输出端连接有滤波电路。
3.根据权利要求2所述的一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，其特征在于：所述全桥电路由四个MOS管或IGBT模块连接组成，所述整流桥由四个二极管连接组成，所述滤波电路包括电感L和电容C，电感L的一端与在整流桥输出端的正极连接，电感L的另一端连接电容C的正极端，电容C的负极端连接整流桥输出端的负极。
4.根据权利要求3所述的一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，其特征在于：所述滤波器包括驱动用三极管Q以及多个输出功率用三级管Q1...Qn，驱动用三级管Q以及输出功率用三级管Q1...Qn的集电极c相互并接、并标记为A点，A点与电容C的正极端连接，输出功率用三级管Q1...Qn的发射极e分别串接有电阻R10，电阻R10的另一端相互并接、并标记为B点，所述驱动用三极管Q的集电极c与A点连接，驱动用三级管Q的发射极e分别与输出功率用三极管Q1...Qn的基极b连接。
5.根据权利要求4所述的一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，其特征在于：所述输出电路包括负载R，负载R的一端连接滤波器的B点、另一端连接电容C的负极、并标记为G点，G点接地。
6.根据权利要求4所述的一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，其特征在于：所述三极管Q2的发射极e串接的电阻R阻值相等。
7.根据权利要求4所述的一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，其特征在于：所述第一控制环路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、电容C1、C2、运算放大器U1、二极管D10，所述R1的一端连接滤波器的B点，R1的另一端连接电阻R2，电阻R2的另一端接地，电阻R4的一端连接在电阻R1和R2之间、另一端连接运算放大器U1B的反相输入端，所述运算放大器U1B的反相输入端还连接有电阻R3，电阻R3的另一端用于输入基准电压，电阻R5的一端连接连接运算放大器U1B的同相输入端、另一端接地，电容C1并联在运算放大器U1B的反相输入端和输出端之间；
运算放大器U1B的输出端连接二极管D10的负极，二极管D10的正极连接电阻R7，电阻R7的另一端连接滤波器的驱动用三极管Q的基极b，所述电阻R6的一端连接12V的直流电源、另一端连接二极管D10的正极，电容C2的一端连接二级管D10的正极、另一端接地。
8.根据权利要求4所述的一种输出纹波抑制电路拓扑结构的开关电源，其特征在于：所述第二控制环路包括霍尔电压传感器、模数转换器、MCU控制器、占空比调节电路、驱动电路，所述霍尔电压传感器的信号采集端连接滤波器的A点和B点，霍尔电压传感器的信号输出端通过模数转换器连接MCU控制器，MCU控制器的输出端连接有占空比调节电路，占空比调节电路的输出端通过驱动电路连接全桥电路的四个MOS管或IGBT模块的控制端。
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