CN112271938B - 开关电源电路和交流转直流电源 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种开关电源电路和高频开关电源，用于对直流负载的电源电压进行补偿。本申请实施例的电路包括：输入整流滤波电路、电压隔离变换电路、电源控制及驱动电路、输出整流滤波电路和输出电压反馈模块和比例放大模块；所述比例放大模块，用于将基准电压与负载的直流电源负极电压按比例叠加，作为比例放大模块的输入电压，所述比例放大模块的输出电压反映了所述比例放大模块的输入电压的值；所述输出电压反馈模块，用于将所述比例放大模块的输出电压与开关电源电路输出的直流电源的正极电压的分压值进行比较，其电压差作为所述开关电源电路的反馈信号。

Description

开关电源电路和交流转直流电源
技术领域
本申请涉及电子产品技术领域，特别涉及开关电源电路和交流转直流电源。
背景技术
电子设备都配备有直流供电源来为负载电源提供合适的正常的工作电压。在某些环境中，负载电源距离开关电源较远，开关电源需要经过很长的负载线为负载电源供电。负载线越长，在负载线上会产生的压降越大，过长的负载线会导致电源负载端上的实际电压明显低于开关电源的输出电压。
为了保证负载端的电源电压不低于额定电压，就需要提高开关电源的输出电压来补偿负载线上的压降，最终使得电源负载端的电压值能够达到额定电压。为此，需要采集负载端实际电压与开关电源的输出电压进行比较，根据比较结果调整开关电源的输出电压。
目前采集负载电源电压的方式是使用两根采样线，分别从电源负载端的正极和负极进行电压采样。这种采样方法要求同时存在两根采样线构成回路，在采样线的购置上花费成本较高。
发明内容
本申请实施例提供了一种开关电源电路和交流转直流电源，用于对电源负载端供电时进行电压补偿。
本申请第一方面提供一种开关电源电路，该开关电源电路包括：
输入整流滤波电路、电压隔离变换电路、电源控制及驱动电路、输出整流滤波电路和输出电压反馈模块和比例放大模块；
所述比例放大模块，用于将基准电压与电源负载端的负极电压按比例叠加，作为比例放大模块的输入电压，所述比例放大模块的输出电压反映了所述比例放大模块的输入电压的值；
所述输出电压反馈模块，用于将所述比例放大模块的输出电压与开关电源电路输出的直流电源的正极电压的分压值进行比较，其电压差作为所述开关电源电路的反馈信号。
可选地，所述比例放大模块包括采样端口、基准电压源和第一运放IC1；
所述采样端口经第一电阻R1连接到所述第一运放IC1的同相输入端；
所述基准电压源经第二电阻R2连接到所述第一运放IC1的同相输入端；
所述第一运放IC1的同相输入端还经过第三电阻R3接地；
所述第一运放IC1的反相输入端经第四电阻R4接地；
所述第一运放IC1的输出端与所述第一运放IC1的反相输入端通过第五电阻R5连接。
可选地，所述输出电压反馈模块包括：直流供电源、辅助直流源、第二运放IC2和光耦发射端；
所述第二运放IC2的同相输入端通过连接支路连接所述第一运放IC1的输出端；
所述直流供电源的正极经过第七电阻R7连接所述第二运放IC2的反相输入端；
所述第二运放IC2的反相输入端经过第八电阻R8接地，所述第二运放IC2的输出端与所述第二运放IC2的反相输入端串联有第十一电阻R11和第六电容C6；
所述第二运放IC2的输出端连接所述光耦发射端发射反馈信号。
可选地，所述电源负载端的电压大小仅与所述基准电压和第七电阻R7和第八电阻R8有关。
可选地，所述第四电阻R4与所述第五电阻R5的阻值相等，所述第二电阻R2与所述第三电阻R3的阻值相等，且第一电阻R1的取值与第二电阻R2、第七电阻R7、第八电阻R8的阻值相关。
可选地，所述第五电阻R5的阻值为零，所述第二电阻R2与所述第三电阻R3的阻值相等，且第一电阻的取值与第七电阻、第八电阻的阻值相关。
可选地，所述第五电阻R5的阻值是所述第四电阻R4的阻值的两倍，所述第三电阻R3的阻值是所述第二电阻R2的阻值的两倍，且第一电阻R1的取值与第二电阻R2、第七电阻R7、第八电阻R8的阻值相关。
可选地，所述连接支路包括第六电阻R6。
可选地，所述比例放大模块还包括连接在所述第一运放IC1的同相输入端与地线之间的第一滤波电容C1。
本申请第二方面还提供一种交流转直流电源，该交流转直流电源包括上述第一方面的任意一种开关电源电路。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请的一种开关电源电路和交流转直流电源仅需要一条采样线来采集电源负载端的负极电压，就能控制开关电源的输出电压完成对电源负载端的电压的补偿，降低了采样线的材料成本。
附图说明
图1为现有开关电源电路的一个结构示意图；
图2为现有开关电源电路中反馈电路的一个结构示意图；
图3是本申请提供的开关电源电路的一个结构示意图；
图4为本申请提供的开关电源电路中比例放大模块与比例放大模块的结构示意图；
图5为本申请提供的开关电源电路中比例放大模块与比例放大模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
图1展示了一种现有的输入与输出隔离的高频开关电源电路，该电路一般采用输入整流滤波电路110、高频开关隔离电压变换电路120、控制及驱动电路130、输出整流滤波电路140、输出电压或电流反馈控制电路150等功能模块组成。由于在有些应用场景中，负载距离开关电源较远，负载线较长，这样就会产生较大的线损电压降，使电源负载端电压低于电源输出电压较多，造成负载端设备供电异常。反馈控制电路需要从两条采样线上分别获取负载电源的正极电压和负极电压作为电源输出电压调节电路的参考输入电压，使电源输出端电压比设定值提高一部分，这部分电压基本等于负载连接线上产生的压降，以此来达到补偿线损电压的目的，使电源负载端的电压始终保持稳定。
图2展示了现有电路中反馈电路150的具体结构，其中V2表示辅助直流源，连接负载输入端的远程采样电压与连接电源输出端的本地采样电压经过电阻网络(R1、R2、R3、R4、R5、R6)分压后连接到一个运放的反相输入端，而在运放的同相输入端接入一个基准电压源。使用VDC表示开关电源输出端的正负极电压差，使用VLD表示电源负载端的正负极电压差，则有：VREF＝VDC·k1+VLD·k2；其中,k1、k2为分压电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6决定的比例系数。在上式中，当VREF电阻值固定时，进行电压补偿时VDC和VLD都会发生变化，使电源负载端电压VLD与基准电压VREF不是单独对应关系，所以远程电压无法根据的基准电压值来精确设置。
从图1、图2可以看出，为了对负载线上的压降进行补偿、稳定电源负载端的电压不变，现有的电路需要两条与负载线同样长度的采样线分别对负载电源的正极和负极进行采样。因此在开关电源与负载电源距离较远的供电系统中，因远程调压所附加的采样线的成本较高。此外现有的带远程采样的输出电压反馈控制电路将远程采样信号线直接连接在反馈分压电阻上，因此抗浪涌干扰能力也较差。在开关电源与负载电源距离较远的供电系统中，容易造成电源输出的误动作。
本发明对上述开关电源电路进行了改进，提供了一种使用一条采样线就能对线损电压进行完全补偿的开关电源电路。
图3是本申请提供的开关电源电路的一个实施例示意图，图中展示的开关电源电路包括：输入整流滤波电路310、电压隔离变换电路320、电源控制及驱动电路330、输出整流滤波电路340、输出电压反馈模块350和比例放大模块360。在此电路中，输入整流滤波电路310连接外部工频电源，经过一系列电力变化后经过输出整流滤波电路340和负载连接线输送到负载端上。本发明的输出电压反馈模块350与图1所示的反馈控制电路150不同，且本发明比图1所示的电路多出了比例放大模块360。
其中，比例放大模块用于将负载端的负极电压按比例与基准电压叠加，该基准电压是一个稳定值，作为比例放大模块的输入电压，所述比例放大模块的输出电压反映了所述比例放大模块的输入电压的值。
可以看到，上述电路不再同时采集电源负载端的正极和负极电压，而仅需要采集电源负载端的正极电压，使用一条采样线连接电源负载端的负极即可。
图4展示了输出电压反馈模块350和比例放大模块360的具体结构。
输出电压反馈模块350，用于将所述比例放大模块的输出电压与所述开关电源电路输出的直流电源的正极电压进行比较，将两者的电压差作为所述开关电源电路的反馈信号。电压控制及驱动电路中根据所述该反馈信号，控制所述电压隔离变换电路，进而调整开关电源电路的输出电压大小，将电源负载端的电压VREF始终维持在一个固定值。
作为一种较优的实施例，图4展示了输出电压反馈模块350和比例放大模块360的具体结构。其中，辅助直流源使用V2表示，各接地处使用SGND表示。
首先对比例放大模块360进行说明，在本实施例中，比例放大模块360包括一个采样端口LD-、基准电压源和第一运放IC1。在电路通电时，基准电压源可以提供一个稳定的基准电压(通常为2.5V、3.3V或5V)，将此基准电压值记为VREF。
所述采样端口一端连接电源负载端的负极，另一端经第一电阻R1连接到所第一运放IC1的同相输入端；所述基准电压源经第二电阻R2也连接到所述第一运放IC1的同相输入端；再从第一运放IC1的同相输入端连接一个第三电阻R3接地。此时，采样端口LD-的电压就是电源负载端的负极电压。将采样端口采集到的电压与基准电压按经过R1、R2、R3三个电阻分压叠加后，作为第一运放IC1同相输入端的电压。此时第一运放IC1同相输入端的电压VIN为表达式(1)：
Figure GDA0003297436720000051
第一运放IC1的反向输入端经过第四电阻R4接地，并且第一运放IC1的反向输入端与第一运放IC1的输出端之间还串联了一个电阻R5构成反馈通路。这样一来，第一运放IC1的输出端电压VOUT为表达式(2)：
Figure GDA0003297436720000052
输出电压反馈模块350包括通过两条负载线连接负载端的直流供电源、开关电源内部的辅助直流源、第二运放IC2和光耦发射端OP1A；
第二运放IC2的同相输入端连接第一运放IC1的输出端，使得第二运放IC2的同相输入端电压等于第一运放IC1的输出端电压。
第二运放IC2的反相输入端经过第七电阻R7连接直流供电源的正极DC+；且第二运放IC2还经过第八电阻R8接地。所述第二运放IC2的输出端与所述第二运放IC2的反相输入端串联有第十一电阻R11，作为第二运放IC2的反馈通路，该反馈通路中还可以串联第六电容C6，提高电压增益的频率补偿性能。如果将SGND等同于地电位DC-，就可以得出公式3，其中VDC表示开关电源输出端的电压差，也就是直流供电源输出总电压。
Figure GDA0003297436720000053
把公式1和公式2代入公式3后，可以得到VDC与VREF、VLD-的关系式。
选择合适的电阻值组合，就可以在开关电源电路中实现对线损电压的完全补偿，保持负载电源电压不变。
第一种方案是：令R4＝R5；R2＝R3；R1＝0.5*R2*R7/R8，上述公式3就可以简化为公式4：
Figure GDA0003297436720000054
将公式4第一项
Figure GDA0003297436720000055
设设为电源负载端的额定电压VLD，得到公式5：
Figure GDA0003297436720000056
因为直流供电需要2根相同规格的负载线，则公式4第二项2·VLD-就是直流电源VDC为电源负载端供电时产生的线损电压降，则可以得到公式6：
VLD＝VDC-2VLD- (6)
在以上电阻取值下，电源负载端电压仅取决于第七电阻R7和第八电阻R8的比值，以及基准电压源的电压大小。
第二种方案是：令R5＝0，R2＝R3，R1＝0.25*(R7-R8)/R8，代入到公式3可得：
Figure GDA0003297436720000061
同样地，第二种方案中，负载电源电压仅取决于第七电阻R7和第八电阻R8的比值，以及基准电压源的电压大小。
第三种方案是：
令R5＝2*R4，R3＝2*R2，R1＝R2*(3*R7+R8)/(3*R8)时，代入到公式3计算负载电源电压，可以算出负载电源电压如下：
Figure GDA0003297436720000062
同样地，第三种方案中，负载电源电压仅取决于第七电阻R7和第八电阻R8的比值，以及基准电压源的电压大小。
根据公式5、7、8可知，只要为电阻R1、R2、R3、R5、R7、R8选择合适的阻值，就能实现对线损电压的完全补偿，使得电源负载端电压为一个固定值，且电源负载端电压仅与第七电阻R7和第八电阻R8以及设定的基准电压源VREF相关。
从公式3中可以看到，在电路中各电阻阻值已经固定、基准电压源的电压也固定不变的情况下，电源负载端电压是一个固定不变的电压数值；
基于图4所示的实施例，请参阅图5。在图5所示的实施例中，第一运放IC1的输出端连接第二运放IC2的同相输入端时，还可以串联一个第六电阻R6作为滤波电阻，可以滤除长距离采样线路上的杂讯。此外还可以在第一运放IC1的反向输入端设置一个接地的第一电容C1，该电容可以吸收采样线上可能存在的干扰电压，增强了电路的抗干扰性能和可靠性。在一些需要远程输送低压电的应用场景中，例如安防监控领域的摄像头的供电距离可能大于100米，如果采用本发明电路可以使电源和系统抗外部产生的感应雷浪涌电压干扰和其他电磁干扰能力更强，可靠性更高。
在一些具体实施方式中，第一运放IC1的一个供电端口连接辅助直流源，而另一个供电端口接地，两供电端口之间使用第八电容C8隔开。
在一些具体实施方式中，所述开关电源电路还包括连接第一运放IC1输出端与第一运放IC1反向输入端的第二电容C2。
在一些具体实施方式中，所述开关电源电路还包括连接在第二运放IC2反向输入端的接地电容C3。
在一些具体实施方式中，所述开关电源电路还包括串联在第二运放IC2反相输入端与直流供电源正极DC+之间的第四电容C4和第九电阻R9。
在一些具体实施方式中，所述开关电源电路还可以包括连接在第二运放IC2的反向输入端与第二运放IC2的输出端之间的第五电容C5。
在一些具体实施方式中，所述开关电源电路还包括串联在第二运放IC2的反向输入端与第二运放IC2的输出端之间的第六电容C6和第十一电阻R11。
在一些具体实施方式中，所述第二运放IC2的一个供电端口连接辅助直流源，另一个供电端口接地，两供电端口之间使用第七电容C7隔开。
在一些具体实施方式中，光耦发射端OP1A的阳极极经第十二电阻R12连接辅助直流源，光耦发射端OP1A的阴极连接第二运放IC2的输出端。
需要说明的是，本申请中的第一运放IC1、第二运放IC2默认处于深度负反馈的工作状态。第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3为抗干扰滤波电容，C1、C2、C3值的大小只影响开关电源输出电压动态调压时的平滑度，不影响开关电源的输出电压稳态值。
本申请的开关电源电路可以应用台式电脑电源、电源适配器、充电器、医疗设备和精密仪器仪表等领域的高频开关电源中，还可以分开印刷于多个线路板后组合连接。电路中的元器件可以是任意封装的同类原理性能元器件，或者其串联、并联组合。
本申请还提供了一种交流转直流电源，该一种交流转直流电源包括图3至5中任一实施例所对应的开关电源电路，对负载电源电压进行精确补偿。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，网络连接可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

Claims (7)

1.一种开关电源电路，其特征在于，包括：
输入整流滤波电路、电压隔离变换电路、电源控制及驱动电路、输出整流滤波电路和输出电压反馈模块和比例放大模块；
所述比例放大模块，用于将基准电压与电源负载端的负极电压按比例叠加，作为比例放大模块的输入电压，所述比例放大模块的输出电压反映了所述比例放大模块的输入电压的值；
所述输出电压反馈模块，用于将所述比例放大模块的输出电压与开关电源电路输出的直流电源的正极电压的分压值进行比较，其电压差作为所述开关电源电路的反馈信号；
其中，所述比例放大模块包括采样端口、基准电压源和第一运放(IC1)；
所述采样端口经第一电阻(R1)连接到所述第一运放(IC1)的同相输入端；
所述基准电压源经第二电阻(R2)连接到所述第一运放(IC1)的同相输入端；
所述第一运放(IC1)的同相输入端还经过第三电阻(R3)接地；
所述第一运放(IC1)的反相输入端经第四电阻(R4)接地；
所述第一运放(IC1)的输出端与所述第一运放(IC1)的反相输入端通过第五电阻(R5)连接；
所述输出电压反馈模块包括：直流供电源、辅助直流源、第二运放(IC2)和光耦发射端；
所述第二运放(IC2)的同相输入端通过连接支路连接所述第一运放(IC1)的输出端；
所述直流供电源的正极经过第七电阻(R7)连接所述第二运放(IC2)的反相输入端；
所述第二运放(IC2)的反相输入端经过第八电阻(R8)接地，所述第二运放(IC2)的输出端与所述第二运放(IC2)的反相输入端串联有第十一电阻(R11)和第六电容(C6)；
所述第二运放(IC2)的输出端连接所述光耦发射端发射反馈信号；
所述电源负载端的电压大小仅与所述基准电压和第七电阻(R7)和第八电阻(R8)有关。
2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，
所述第四电阻(R4)与所述第五电阻(R5)的阻值相等，所述第二电阻(R2)与所述第三电阻(R3)的阻值相等，且所述第一电阻(R1)的取值与第二电阻(R2)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)的阻值相关。
3.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，
所述第五电阻(R5)的阻值为零，所述第二电阻(R2)与所述第三电阻(R3)的阻值相等，且第一电阻的取值与第七电阻(R7)、第八电阻(R8)的阻值相关。
4.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，
所述第五电阻(R5)的阻值是所述第四电阻(R4)的阻值的两倍，所述第三电阻(R3)的阻值是所述第二电阻(R2)的阻值的两倍，且所述第一电阻(R1)的取值与第二电阻(R2)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)的阻值相关。
5.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述连接支路包括第六电阻(R6)。
6.根据权利要求2至4任一项所述的开关电源电路，其特征在于，所述比例放大模块还包括连接在所述第一运放(IC1)的同相输入端与地线之间的第一滤波电容(C1)。
7.一种交流转直流电源，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的开关电源电路。
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