CN112072928A - 一种自激推挽电路及其辅助供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自激推挽电路，包括主功率电路和辅助供电电路，主功率电路包括三极管TR1、三极管TR2以及变压器T1，辅助供电电路的输出端与变压器T1辅助绕组的中心抽头处电联接，用以为三极管TR1和TR2提供基极电流，其特征在于：辅助供电电路的输入端与三极管TR1和/或三极管TR2的集电极电联接，可在加强产品的带载能力的同时降低产品的短路功耗。相较于现有技术，本发明电路具有损耗小、输出电压较产品的输入电压高、兼顾产品带载能力和短路功耗等特点，尤其适用于低电压入状态下，能够在较宽的输入电压范围和较宽的温度范围内，较好地满足产品带载能力与降低产品输出端短路状态下的短路功耗。

Description

一种自激推挽电路及其辅助供电方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，特别涉及一种由三极管集电极取电的自激推挽电路及其辅助供电方法。

背景技术

自激推挽拓扑因具有电路简单、开关噪声小，被广泛应用于微小功率电源场合。根据不同场合的应用需求自激推挽拓扑大致可分为两种类型的表现形式，一类为定电压输入开环反馈型，一类为闭环反馈稳压型。

如图1所示，该电路示意图为定电压输入开环反馈型，是目前广泛应用的一种拓扑表现形式，包括输入滤波电路、主功率电路、整流电路和辅助供电电路。其电路工作原理为公知技术，这里不再赘述。

如图2所示，该电路示意图为输入端直接供电电路，即为图1电路示意图所示的辅助供电电路，输入端直接供电电路包括电阻R23、电容C22；将输入电压Vin通过电阻R23转换为平均值低于输入电压的一个稳定电压Vcc然后将该稳定的电压供给主功率电路变压器T1的辅助绕组的中心抽头3处，间接供给三极管TR1和三级管TR2的基极，其电路结构简单，电路压降小，所以非常适用于输入电压较低的情况下，如标称5V输入电压及以下情况下。

如图3所示，该电路示意图为闭环反馈稳压型，包括输入滤波电路、主功率电路、整流电路、反馈电路和辅助供电电路，该电路示意图与图2所示现有技术不同之处在于：该电路示意图辅助供电电路采用线性稳压辅助供电电路方案，还包括反馈电路，反馈电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C5、可调电压源V1、运算放大器IC1。

反馈电路的工作原理为，分压电阻R1连接输出电压Vo，分压电阻R1和电阻R2对输出电压Vo采样得到采样电压，采样电压连接运算放大器IC1输入端6，通过分压电阻R3和电阻R4对可调电压源V1得到比较电压，比较电压连接运算放大器IC1输入端5，经运算放大器IC1比较后，调节运算放大器IC1输出电压大小来调节流入主功率电路变压器T1辅助绕组的中心抽头3处的电流大小，从而调节流入主功率电路的三极管TR1和三极管TR2基极电流大小，从而稳定输出电压Vo。运算放大器IC1的供电电压Vcc由辅助供电电路提供，该电压大小不仅影响着产品启稳电压的大小，而且影响着产品短路时的驱动电流大小，即影响产品短路功耗的大小。其中可调电压源V1的大小可以控制比较电压的大小，从而可以控制输出电压Vo的大小。

启稳电压可表示为产品在额定输出电压及额定负载工作条件下的最低输入电压。启稳电压的大小可以作为产品带载能力强弱的一个衡量指标，即启稳电压越低表征产品的带载能力越强。

如图4所示，该电路示意图为线性稳压辅助供电电路，即为图3电路示意图所示的辅助供电电路。线性稳压辅助供电电路包括电阻R21、电阻R22、电容C21、电容C22、稳压管D21、三极管Q21。其电路工作原理为公知技术，这里不再赘述。

线性稳压辅助供电电路的作用为，该电路通过线性稳压将输入电压Vin转换为平均值低于输入电压的一个稳定电压Vcc，然后将该稳定电压供给反馈电路中的运算放大器IC1供电端8，间接为主功率电路的三极管TR1和三极管TR2提供基极电流。

该电路较输入端直接供电电路复杂，电路压降较大，因此线性稳压辅助供电电路一般应用于较高输入电压或者较宽输入电压范围的情况下，如标称9V输入电压及以上情况下。

图3所示的闭环反馈稳压型电路示意图中辅助供电电路也可以输入端直接供电电路替换，即应用于产品在低输入电压的情况下。电路的工作原理如上所述，这里不再赘述。

但是以上所述的两种辅助供电电路方案均存在以下技术缺点：

1、以上所述的两种辅助供电电路方案均通过将输入电压Vin经线性稳压或电阻转换为一个稳定电压Vcc，使得辅助供电电路的输出电压(即稳定电压Vcc)平均值均小于输入电压Vin。在产品输入电压较小时而所需辅助供电电路输出电压较大时(为了保证产品满足带载能力)，以上所述的两种辅助供电电路方案均无法满足电路设计需求。

2、在自激推挽拓扑中，一般情况下，产品的带载能力越强，则产品在输出端短路时的短路功耗越大，从而导致产品的可靠性降低，产品的失效风险提高。以上所述的两种辅助供电电路方案均无法同时解决产品带载能力强和短路功耗小这两个自相矛盾的设计难点。

发明内容

有鉴如此，本发明要解决的技术问题是，提供一种自激推挽电路及其辅助供电方法，适用于低电压入状态下，能够在较宽的输入电压范围和较宽的温度范围内，较好地满足产品带载能力与降低产品输出端短路状态下的短路功耗。

为了解决上述问题，本发明所提供的技术方案如下：

一种自激推挽电路，包括主功率电路和辅助供电电路，主功率电路包括三极管TR1、三极管TR2以及变压器T1，辅助供电电路的输出端与变压器T1辅助绕组的中心抽头处电联接，用以为三极管TR1和TR2提供基极电流，其特征在于：辅助供电电路的输入端与三极管TR1和/或三极管TR2的集电极电联接，可在加强产品的带载能力的同时降低产品的短路功耗。

作为上述辅助供电电路的第一种具体实施方式，所述辅助供电电路包括二极管D22和电容C22，二极管D22的阳极电联接三极管TR1的集电极，该联接点即为辅助供电电路的输入端，二极管D22的阴极电联接电容C22的一端，该联接点即为辅助供电电路的输出端，电容C22另一端接地。

作为上述辅助供电电路的第二种具体实施方式，所述辅助供电电路包括二极管D22和电容C22，二极管D22的阳极电联接三极管TR2的集电极，该联接点即为辅助供电电路的输入端，二极管D22的阴极电联接电容C22的一端，该联接点即为辅助供电电路的输出端，电容C22另一端接地。

作为上述辅助供电电路的第三种具体实施方式，所述辅助供电电路包括二极管D22、二极管D23和电容C22，二极管D22的阳极电联接三极管TR1的集电极，该联接点即为辅助供电电路的第一输入端，二极管D23的阳极电联接三极管TR2的集电极，该联接点即为辅助供电电路的第二输入端，二极管D22的阴极电联接二极管D23的阴极，该联接点电联接电容C22的一端，该联接点即为辅助供电电路的输出端，电容C22另一端接地。

作为上述一种自激推挽电路的一种实施方式，自激推挽电路还包括反馈电路，反馈电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C5、可调电压源V1、运算放大器IC1和恒流源IC2；电阻R1一端连接自激推挽电路的输出电压Vo，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运算放大器IC1的反相输入端，电阻R2的另一端接地，运算放大器IC1的地线端接地，同时，电阻R5和电容C5串联组成的支路并联在运算放大器IC1的反相输入端与输出端之间，运算放大器IC1的正相输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端连接可调电压源V1的一端，可调电压源V1的另一端连接电阻R4的一端和地，运算放大器IC1的供电端连接辅助供电电路的输出端，运算放大器IC1的输出端依次连接恒流源IC2以及主功率电路变压器T1辅助绕组的中心抽头处。

本发明还提供一种自激推挽电路的辅助供电方法，适用于低电压输入场合，通过从主功率电路三极管的集电极取电，以为主功率电路三极管提供大于输入电压的辅助供电的输出电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过采用至少一只主功率电路的三极管集电极取电，经辅助供电电路的二极管整流和电容滤波后得到一个较为稳定的电压，大于采用线性稳压辅助供电电路和输入端直接供电电路方案得到的稳定电压。这将增大流入主功率电路变压器辅助绕组的中心抽头处电流，从而增大主功率电路三极管的基极电流，降低产品的启稳电压，加强产品的带载能力。

2、本发明由于在电路正常工作时和在电路输出端短路时，这两种不同工作状态下，辅助供电电路得到的稳定电压不相等(在电路输出端短路时得到的稳定电压Vcc小于在电路正常工作时得到的稳定电压)，在产品电路设计过程中可提升带载能力的同时，使得产品的短路功耗也可降低在一个可接受的范围内，可有效解决电路所需带载能力强和短路功耗低这两个自相矛盾的设计难点。

附图说明

图1为定电压输入开环反馈型的电路示意图；

图2为输入端直接供电电路的电路示意图；

图3为闭环反馈稳压型的电路示意图；

图4为线性稳压辅助供电电路的电路示意图；

图5为本发明一种自激推挽电路的电路示意图；

图6为本发明辅助供电电路的电路示意图；

图7为本发明电路正常工作时Vc和Vcc电压波形示意图；

图8为本发明电路输出端短路时Vc和Vcc电压波形示意图；

图9为本发明第一实施例电路正常工作时Vc和Vcc实测电压波形；

图10为本发明第一实施例电路输出端短路时Vc和Vcc实测电压波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

图5为本发明一种自激推挽电路的电路示意图，包括输入滤波电路、主功率电路、整流电路、反馈电路和辅助供电电路；其中，主功率电路包括三极管TR1、三极管TR2和变压器T1；辅助供电电路包括二极管D22和电容C22；反馈电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C5、可调电压源V1、运算放大器IC1和恒流源IC2；

二极管D22的阳极连接三极管TR1的集电极，该连接点即为辅助供电电路的输入端，二极管D22的阴极连接电容C22的一端，该连接点即为辅助供电电路的输出端，输出端连接运算放大器IC1的供电端，电阻R1一端连接自激推挽电路的输出电压Vo，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运算放大器IC1的反相输入端，电阻R2的另一端接地，运算放大器IC1的地线端接地，同时，电阻R5和电容C5串联组成的支路并联在运算放大器IC1的反相输入端与输出端之间，运算放大器IC1的正相输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端连接可调电压源V1的一端，可调电压源V1的另一端连接电阻R4的一端和地，运算放大器IC1的输出端依次连接恒流源IC2以及主功率电路变压器T1辅助绕组的中心抽头处，用以为三极管TR1和TR2提供基极电流。

本发明的反馈电路运算放大器IC1输出端连接恒流源IC2的工作原理为：利用恒流源IC2的负温度特性，平衡主功率电路三极管TR1和三极管TR2正温度特性，尤其在高温工作条件下，恒流源IC2的负温度特性抵消了主功率电路三极管TR1和三极管TR2放大倍数的增大对电路所产生的影响，从而拓宽了产品的工作温度。

本发明一种自激推挽电路的工作原理如下：

采用自激推挽电路的产品在电路正常工作时，自激推挽电路的主功率电路中任意一只三极管(TR1或者TR2)集电极峰值电压Vc约等于输入电压Vin的2倍，Vc电压波形频率为产品的开关频率，本发明的自激推挽电路的辅助供电电路由主功率电路的至少一只三极管(TR1或者TR2)集电极峰值电压Vc取电，经二极管整流和电容滤波后得到一个较为稳定的电压Vcc，该稳定电压Vcc的电压平均值约等于1.7倍的输入电压Vin。

如图7所示，该电压波形示意图由上而下分别为电路正常工作时主功率电路其中一只三极管集电极峰值电压Vc和本发明辅助供电电路输出的稳定电压Vcc。

采用自激推挽电路的产品在电路输出端短路时，由于原边主功率电路处于高频自激震荡状态，自激推挽电路中的三极管进入间歇工作状态，而三极管的集电极峰值电压Vc跟随这种间歇工作状态，采用本发明辅助供电电路得到的稳定电压Vcc即为一个周期性的脉动电压，其平均值约等于1.0～1.3倍的输入电压Vin(当滤波电容匹配时，所述的脉动电压平均值的大小受间歇频率的大小、整流二极管的正向导通压降及整流二极管的反向恢复时间大小影响)。

如图8所示，该电压波形示意图由上而下分别为电路输出端短路时其中主功率电路中一只三极管TR1集电极峰值电压为Vc和本发明辅助供电电路输出的稳定电压Vcc。

为了说明本实施例应用本发明辅助供电电路的效果，对比现有技术的自激推挽拓扑采用三种辅助供电电路方案(线性稳压辅助供电电路、输入端直接供电电路和本发明辅助供电电路)所表现的产品带载能力和短路功耗，将采用相同的电路参数：包括相同主功率电路、变压器、整流电路和反馈电路。

三种辅助供电电路所采用的产品规格参数如下：输入电压为4.75～5.25V，输出最大电压为+1250V，输出最大电流为1mA，产品最大输出功率为1.25W。

三种辅助供电电路实际对比测试数据如下表1所示：

表1

上表数据中的Vc表示为主功率电路中三极管TR1集电极峰值电压Vc；Vcc表示为采用三种辅助供电电路方案分别所得到对应的稳定电压Vcc；上表数据中所有Vc和Vcc均在常温25℃、输入电压为5V，输出最大电压为+1250V和输出最大电流为1mA工作条件下测试得到。

由以上数据可见本发明可以改善现有电路方案的带载能力，在相同的输入电压5V的工作条件下，电路正常工作时，采用本发明的辅助供电电路得到的稳定电压Vcc为采用线性稳压辅助供电电路和输入端直接供电电路方案得到的稳定电压Vcc的1.7～2倍左右；在相同的输入电压、相同的输出电压和输出负载的工作条件下，采用本发明的辅助供电电路将会增大反馈电路中运算放大器的供电电压，从而增大主功率电路中三极管的基极电流，降低产品的启稳电压，表现为产品的带载能力加强。

图9为本发明第一实施例电路正常工作时Vc和Vcc实测电压波形，图10为本发明第一实施例电路输出端短路时Vc和Vcc实测电压波形。

采用三种辅助供电电路方案实际对比测试产品启稳电压和短路功耗数据如下表2所示：

表2

	启稳电压	短路功耗
			线性稳压辅助供电电路	4.55V	900mW
输入端直接供电电路	4.55V	910mW
			本发明辅助供电电路	4.30V	550mW

上表数据中的启稳电压是在常温25℃、输出最大电压为+1250V和输出最大电流为1mA工作条件下测试得到；短路功耗是在常温25℃、输入电压为5V，输出最大电压为+1250V和输出最大电流为1mA工作条件下测试得到。

由以上数据可见，在采用相同的电路参数的条件下，本发明不仅可以降低现有电路方案的启稳电压，即提升产品的带载能力；而且可以降低产品的短路功耗，降低的短路功耗为采用线性稳压辅助供电电路和输入端直接供电电路的1.6倍左右，使产品同时具有带载能力强和短路功耗低这两大电路技术优势。

以上实施案例只是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，例如上述第一实施例的二极管D22可选用具有整流特性的元器件或元器件的部分功能替代(如NPN三极管BE级)，同样可以实现发明目的，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述。

Claims (6)

1.一种自激推挽电路，包括主功率电路和辅助供电电路，主功率电路包括三极管TR1、三极管TR2以及变压器T1，辅助供电电路的输出端与变压器T1辅助绕组的中心抽头处电联接，用以为三极管TR1和TR2提供基极电流，其特征在于：辅助供电电路的输入端与三极管TR1和/或三极管TR2的集电极电联接，可在加强产品的带载能力的同时降低产品的短路功耗。

2.根据权利要求1所述的一种自激推挽电路，其特征在于：所述辅助供电电路包括二极管D22和电容C22，二极管D22的阳极电联接三极管TR1的集电极，该联接点即为辅助供电电路的输入端，二极管D22的阴极电联接电容C22的一端，该联接点即为辅助供电电路的输出端，电容C22另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种自激推挽电路，其特征在于：所述辅助供电电路包括二极管D22和电容C22，二极管D22的阳极电联接三极管TR2的集电极，该联接点即为辅助供电电路的输入端，二极管D22的阴极电联接电容C22的一端，该联接点即为辅助供电电路的输出端，电容C22另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种自激推挽电路，其特征在于：所述辅助供电电路包括二极管D22、二极管D23和电容C22，二极管D22的阳极电联接三极管TR1的集电极，该联接点即为辅助供电电路的第一输入端，二极管D23的阳极电联接三极管TR2的集电极，该联接点即为辅助供电电路的第二输入端，二极管D22的阴极电联接二极管D23的阴极，该联接点电联接电容C22的一端，该联接点即为辅助供电电路的输出端，电容C22另一端接地。

5.根据权利要求1至4所述的一种自激推挽电路，还包括反馈电路，其特征在于：反馈电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C5、可调电压源V1、运算放大器IC1和恒流源IC2；电阻R1一端连接自激推挽电路的输出电压Vo，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运算放大器IC1的反相输入端，电阻R2的另一端接地，运算放大器IC1的地线端接地，同时，电阻R5和电容C5串联组成的支路并联在运算放大器IC1的反相输入端与输出端之间，运算放大器IC1的正相输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，电阻R3的另一端连接可调电压源V1的一端，可调电压源V1的另一端连接电阻R4的一端和地，运算放大器IC1的供电端连接辅助供电电路的输出端，运算放大器IC1的输出端依次连接恒流源IC2以及主功率电路变压器T1辅助绕组的中心抽头处。

6.一种自激推挽电路的辅助供电方法，适用于低电压输入场合，通过从主功率电路三极管的集电极取电，以为主功率电路三极管提供大于输入电压的辅助供电的输出电压。

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