CN112383234A - 一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路及方法，包括主电路模块、控制电路模块及电容投切模块；主电路模块包括交流电源输入、输入整流滤波电路、高频变压器电路、次级输出整流滤波电路、输出电压反馈电路、电源芯片PWM控制与开关电路、直流电源输出；控制电路模块包括桥后电压采样电路、MCU控制电路；电容投切模块包括电容投切电路；本发明能够对桥后电压进行采样，通过MCU内的算法处理，控制电容投切电路对桥后电压进行补偿，能够准确、快速的降低输出电压的纹波，同时，桥后使用安规电容，不仅可以解决电解电容容易受外界温度等条件的影响而降低寿命的问题，而且可以提高电路的抗雷击浪涌的等级。

Description

一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路及方法

技术领域

本发明涉及电力通讯领域，具体涉及一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路及方法。

背景技术

目前，开关电源因具有体积小，工作范围宽、效率高等优点，被广泛的应用在电力通讯设备中；对于交流供电的开关电源，输入交流经过整流桥整流成脉动的直流电，这种脉动的纹波会在开关电源的工作过程中传输到输出，而造成输出电压有很大的纹波。

开关电源输出电压纹波的大小直接影响后级电路的性能以及可靠性，比如：纹波过大可能会干扰后级数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，可能直接损坏后级电路的器件。

为了解决这个问题，一般会在整流桥的桥后和电源输出并联电解电容，但是电解电容易受外界温度等条件的影响而降低寿命，进而影响电源的可靠性。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提出了一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路及方法，克服电解电容缺陷的同时，又能够降低开关电源输出电压的纹波，提高电源的可靠性，延长了电源的使用寿命。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，包含相互连接的主电路模块、控制电路模块、电容投切模块，其特征在于，对整流桥的桥后电压进行精确采样以及MCU内的算法处理，准确、快速的降低输出电压的纹波。

其中，主电路模块包括交流电源输入、输入滤波整流电路、高频变压器电路、次级输出整流滤波电路、输出电压反馈电路、电源芯片PWM控制与开关电路、输出12V电源电路、输出3.3V电源电路、直流电源输出，其中，输入滤波整流电路的输入端与市电连接，其输出端与高频变压器电路的输入端连接；高频变压器电路的输出端与次级输出整流滤波电路的输入端、输出12V电源电路的输入端、输出3.3V电源电路的输入端连接；输出12V电源电路的输出端与MCU控制电路的输入端连接；输出3.3V电源电路的输出端与MCU控制电路的输入端连接；输出电压反馈电路的输入端与次级输出整流滤波电路的输出端连接，其输出端与电源芯片PWM控制与开关电路连接；电源芯片PWM控制与开关电路的输出端与高频变压器电路的输入端、输入滤波整流电路的输出端连接。

输入滤波整流电路包含安规电容C0、C1、C2，共模电感L1、整流桥BR1，整流桥BR1的桥后使用安规电容C2，解决电解电容容易受外界温度等条件的影响而降低寿命的问题，同时提高电路的抗雷击浪涌的等级。

高频变压器为反激式隔离变压器，其引脚1、4、6、8、10为同名端，引脚2、3、5、7、9为同名端。

输出3.3V电源电路的地与初级芯片的地共地，用于为MCU控制电路提供3.3V电压。

输出12V电源电路为单独的一路隔离输出，用于为MCU控制电路提供12V电压。

控制电路模块，包括桥后电压采样电路和MCU控制电路，其中，桥后电压采样电路的输入端与输入滤波整流电路的输出端连接，其输出端与MCU控制电路的输入端连接；MCU控制电路包括MCU控制器U2、三极管VT1、电阻R8、电阻R9、光耦O2、电阻R10、电阻R11；其输出端与电容投切电路的输入端连接，控制器U2的采样引脚与主电路的VDAC相连，控制器U2的地连接PGND，控制器U2输出PWM引脚连接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极连接3.3V电源电路，三极管VT1的发射极连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接PGND，电阻R9的一端连接三极管VT1的发射极，电阻R9的另一端连接光耦O2的1脚，光耦O2的2脚连接PGND，光耦O2的3脚电阻R11的一端，光耦O2的4脚连接GND，电阻R10的一端连接12V电源电路，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接MOS管VT2的栅极。

电容投切模块包括电容投切电路，电容投切电路的输入端与MCU控制电路的输出端连接，其输出端与输入滤波整流电路的输出端连接，包括MOS管VT2、安规电容C5、二极管D3、电阻R12；MOS管VT2的栅极连接电阻R11的另一端，MOS管VT2的漏极连接安规电容C5的一端，安规电容C5的另一端连接PGND，MOS管VT2的源极连接GND，电阻R12的一端连接GND，电阻R12的另一端连接VDAC，二极管D3的阳极连接GND，二极管D3的阴极连接MOS管VT2的漏极。

一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的方法，包括以下步骤：

步骤1：MCU的片内高精度ADC对整流桥桥后的电压VDAC进行实时精确采样；

步骤2：判断当前电压是否高于某一个阈值，若当前电压低于某一个阈值时，进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：当前电压低于某一个阈值时，说明桥后电压需要电压补偿，此时，经过内部的算法处理，MCU控制电容投切电路对桥后电压进行电压补偿；

步骤4：当前电压高于某一个阈值时，说明桥后电压不需要电压补偿，经过内部的算法处理，MCU断开对电容投切电路的控制。

进一步的，所述某一个阈值是一个设定值，且随电源输出负载的不同而不同，需要通过测试来获得。

本发明的有益效果如下：

1.整流桥桥后使用安规电容不仅可以解决电解电容易受外界温度等条件的影响而降低寿命的问题，而且可以提高电源的抗雷击浪涌的等级；

2.增加了电容投切电路对桥后电压进行电压补偿，通过对桥后电压进行精确采样以及MCU内的算法处理，准确、快速的降低输出电压的纹波。

附图说明

图1为本发明用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路的结构框图。

图2为本发明用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路的电路图。

图3为本发明用于电力行业产品降低开关电源纹波的方法的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明公开了一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路及方法，其包括交流电源输入、输入滤波整流电路、桥后电压采样电路、MCU控制电路、电容投切电路、高频变压器电路、次级输出整流滤波电路、输出电压反馈电路、电源芯片PWM控制与开关电路、直流电源输出构成的主电路模块，桥后电压采样电路、MCU控制电路构成的控制电路模块，电容投切电路构成的电容投切模块。

如图2所示，主电路模块包括交流电源输入Vin、输入滤波整流电路01、高频变压器电路03、次级输出整流滤波电路04、输出12V电源电路05、输出3.3V电源电路06、电源芯片PWM控制与开关电路02，输出电压反馈电路07、直流电源输出Vo；其中，输入滤波整流电路01的输入端与市电连接，其输出端与高频变压器电路03的输入端连接；高频变压器电路03的输出端与次级输出整流滤波电路04的输入端、输出12V电源电路05的输入端、输出3.3V电源电路06的输入端连接；输出12V电源电路的输出端05与MCU控制电路09的输入端连接；输出3.3V电源电路的输出端06与MCU控制电路09的输入端连接；输出电压反馈电路07的输入端与次级输出整流滤波电路04的输出端连接，其输出端与电源芯片PWM控制与开关电路02连接；电源芯片PWM控制与开关电路02的输出端与高频变压器电路03的输入端、输入滤波整流电路01的输出端连接。

输入整流滤波电路01包括安规电容C0、共模电感L1、安规电容C1、整流桥BR1、安规电容C2；安规电容C0的一端连接共模电感L1的1脚并与L相连，安规电容C0的另一端连接共模电感L1的3脚并与N相连，安规电容C1的一端连接共模电感L1的2脚并与整流桥BR1的1脚相连，安规电容C1的另一端连接共模电感L1的4脚并与整流桥BR1的2脚相连，安规电容C2的一端连接整流桥BR1的3脚并与VDAC相连，安规电容C2的另一端连接整流桥BR1的4脚并与PGND相连，其作用是把输入的交流市电整流成脉动的直流电，同时通过π型滤波器滤除输入的纹波噪声。

高频变压器电路03包括反激式隔离变压器T1，其中引脚1、4、6、8、10为同名端，引脚2、3、5、7、9为同名端；其作用是通过磁场的变化将初级的能量传输到次级，并且能起到隔离的作用。

次级输出整流滤波电路04包括二极管D3、电解电容C3、电解电容C4、电感L2、电阻R13，二极管D3的阳极连接反激式隔离变压器T1的7脚，二极管D3的阴极连接电解电容C3的一端并与电感L2的一端相连，电解电容C3的另一端连接反激式隔离变压器T1的8脚并与GND1相连，电解电容C4的一端连接电感L2的另一端并与电阻R13的一端相连，电解电容C4的另一端连接电阻R13的另一端并与GND1相连，其作用是将次级线圈的交流信号整流滤波成稳定的输出直流信号，同时通过π型滤波器滤除电路中的纹波噪声。

输出12V电源电路05包括二极管D4、电容C8、电容C9，二极管D4的阳极连接反激式隔离变压器T1的9脚，二极管D4的阴极连接电容C8、C9的一端，电容C8、C9的另一端连接反激式隔离变压器T1的10脚并与GND相连，其作用是产生一个隔离的12V输出电压，用于控制电路的供电。

输出3.3V电源电路06包括二极管D2、电容C6、C7，二极管D2的阳极连接反激式隔离变压器T1的5脚，二极管D4的阴极连接电容C6、C7的一端，电容C6、C7的另一端连接反激式隔离变压器T1的6脚并与PGND相连，其作用是产生一个3.3V输出电压，用于控制电路的供电。

输出电压反馈电路07包括电阻R4、R5、R6、R7、R14、电容C11、稳压芯片VS1、光耦O1，电阻R4的一端连接电阻R6并与输出Vo相连，电阻R5的一端连接电阻R4的另一端并与光耦O1的1脚相连，电阻R5的另一端连接电阻R14的一端并与稳压芯片VS1的3脚、光耦O1的2脚相连，电阻R14的另一端连接电容C11的一端，电容C11的另一端连接电阻R6的另一端并与电阻R7的一端、稳压芯片VS1的1脚相连，电阻R7的另一端连接稳压芯片VS1的2脚并与GND1相连，光耦O1的4脚连接PGND，光耦O1的3脚连接电源控制芯片U1的FB引脚，其作用是将输出电压的变化反馈到电源芯片中。

电源芯片PWM控制与开关电路包括电源控制芯片U1、二极管D1、电容C10，电源控制芯片U1的STAR引脚连接VDAC，电源控制芯片U1的OUT引脚连接反激式隔离变压器T1的2脚，二极管D1的阳极连接反激式隔离变压器T1的3脚，二极管D1的阴极连接电容C10的一端并与电源控制芯片U1的VCC相连，电容C10的另一端连接反激式隔离变压器T1的4脚并与PGND相连，其作用是产生PWM信号，控制内部的开关MOS的开通与关断，从而控制初级能量的传输量。

如图2所示，控制电路模块包括桥后电压采样电路08与MCU控制电路09；其中，桥后电压采样电路08的输入端与输入滤波整流电路01的输出端连接，其输出端与MCU控制电路09的输入端连接；包括MCU控制器U2、三极管VT1、电阻R8、电阻R9、光耦O2、电阻R10、电阻R11；MCU控制器U2的采样引脚与主电路的VDAC相连，MCU控制器U2的地连接PGND，MCU控制器U2输出PWM引脚连接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极连接3.3V电源电路，三极管VT1的发射极连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接PGND，电阻R9的一端连接三极管VT1的发射极，电阻R9的另一端连接光耦O2的1脚，光耦O2的2脚连接PGND，光耦O2的3脚电阻R11的一端，光耦O2的4脚连接GND，电阻R10的一端连接12V，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接MOS管VT2的栅极。

如图2所示，电容投切模块包括电容投切电路10，电容投切电路10的输入端与MCU控制电路09的输出端连接，其输出端与输入滤波整流电路01的输出端连接；电容投切电路10包括MOS管VT2、安规电容C5、二极管D3、电阻R12；MOS管VT2的栅极连接电阻R11的另一端，MOS管VT2的漏极连接安规电容C5的一端，安规电容C5的另一端连接PGND，MOS管VT2的源极连接GND，电阻R12的一端连接GND，电阻R12的另一端连接VDAC，二极管D3的阳极连接GND，二极管D3的阴极连接VT2的漏极。

如图3所示，本发明具体的工作步骤如下：

步骤1：MCU的片内高精度ADC对整流桥桥后电压VDAC进行电压采样；

步骤2：判断当前电压是否高于某一个阈值，若当前电压低于某一个阈值时，进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：当VDAC电压低于某一个阈值时，MCU的PWM引脚输出低电平，三极管VT1截止，光耦O2不工作，12V电源通过R10、R11对VT2栅极电容充电，MOS管VT2导通，电容C5通过VT2、R12放电，对VDAC进行电压补偿；

步骤4：当VDAC电压高于某一个阈值时，MCU的PWM引脚输出高电平，三极管VT1导通，光耦O2工作，光耦O2的3脚被拉低为GND，VT2截止，此时整流桥桥后电压VDAC通过R12、D3给C5充电。

该实施例中，电源输入为220Vac，输出带载3W，阈值设置为85V时，可以明显的降低输出的纹波噪声。

以上实施例是该发明比较典型的一种实施方式，本领域技术人员在本技术范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路及方法，包含相互连接的主电路模块、控制电路模块、电容投切模块，其特征在于，对整流桥的桥后电压进行精确采样以及MCU内的算法处理，准确、快速的降低输出电压的纹波。

2.根据权利要求1所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，其特征在于，所述主电路模块包括交流电源输入、输入滤波整流电路、高频变压器电路、次级输出整流滤波电路、输出电压反馈电路、电源芯片PWM控制与开关电路、输出12V电源电路、输出3.3V电源电路和直流电源输出，其中，输入滤波整流电路的输入端与市电连接，其输出端与高频变压器电路的输入端连接；高频变压器电路的输出端与次级输出整流滤波电路的输入端、输出12V电源电路的输入端、输出3.3V电源电路的输入端连接；输出12V电源电路的输出端与MCU控制电路的输入端连接；输出3.3V电源电路的输出端与MCU控制电路的输入端连接；输出电压反馈电路的输入端与次级输出整流滤波电路的输出端连接，其输出端与电源芯片PWM控制与开关电路连接；电源芯片PWM控制与开关电路的输出端与高频变压器电路的输入端、输入滤波整流电路的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，其特征在于，所述输入滤波整流电路包含安规电容C0、C1、C2，共模电感L1、整流桥BR1，整流桥BR1的桥后使用安规电容C2，解决电解电容易受外界温度等条件的影响而降低寿命的问题，同时提高电路的抗雷击浪涌的等级。

4.根据权利要求2所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，其特征在于，所述高频变压器为反激式隔离变压器，引脚1、4、6、8、10为同名端，引脚2、3、5、7、9为同名端。

5.根据权利要求2所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，其特征在于，所述输出3.3V电源电路的地与初级芯片的地共地，用于为MCU控制电路提供3.3V电压。

6.根据权利要求2所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，其特征在于，所述输出12V电源电路为单独的一路隔离输出，用于为MCU控制电路提供12V电压。

7.根据权利要求1所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，其特征在于，所述控制电路模块，包括桥后电压采样电路和MCU控制电路，其中，桥后电压采样电路的输入端与输入滤波整流电路的输出端连接，其输出端与MCU控制电路的输入端连接；MCU控制电路包括MCU控制器U2、三极管VT1、电阻R8、电阻R9、光耦O2、电阻R10、电阻R11；其输出端与电容投切电路的输入端连接，控制器U2的采样引脚与主电路的VDAC相连，控制器U2的地连接PGND，控制器U2输出PWM引脚连接三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极连接3.3V电源电路，三极管VT1的发射极连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接PGND，电阻R9的一端连接三极管VT1的发射极，电阻R9的另一端连接光耦O2的1脚，光耦O2的2脚连接PGND，光耦O2的3脚电阻R11的一端，光耦O2的4脚连接GND，电阻R10的一端连接12V电源电路，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接MOS管VT2的栅极。

8.根据权利要求1所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的电路，其特征在于，所述电容投切模块包括电容投切电路，电容投切电路的输入端与MCU控制电路的输出端连接，其输出端与输入滤波整流电路的输出端连接，电容投切电路包括MOS管VT2、安规电容C5、二极管D3、电阻R12；MOS管VT2的栅极连接电阻R11的另一端，MOS管VT2的漏极连接安规电容C5的一端，安规电容C5的另一端连接PGND，MOS管VT2的源极连接GND，电阻R12的一端连接GND，电阻R12的另一端连接VDAC，二极管D3的阳极连接GND，二极管D3的阴极连接MOS管VT2的漏极。

9.一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：MCU的片内高精度ADC对整流桥桥后的电压VDAC进行实时精确采样；

步骤2：判断当前电压是否高于某一个阈值，若当前电压低于某一个阈值时，进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：当前电压低于某一个阈值时，说明桥后电压需要电压补偿，此时，经过内部的算法处理，MCU控制电容投切电路对桥后电压进行电压补偿；

步骤4：当前电压高于某一个阈值时，说明桥后电压不需要电压补偿，经过内部的算法处理，MCU断开对电容投切电路的控制。

10.根据权利要求9所述的一种用于电力行业产品降低开关电源纹波的方法，其特征在于，所述某一个阈值是一个设定值，且随电源输出负载的不同而不同，需要通过测试来获得。

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