CN113541458B - 一种滤波电路 - Google Patents

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Abstract

本发明专利公开了一种滤波电路及其控制方法，滤波电路包括第一电容、第一开关、第一电感、第一二极管、第二二极管、耐压小于第一电容的第二电容以及用于检测母线电压和电容投切支路电流的电压电流采样控制电路。电压电流采样控制电路设置有电压预设值和电流预设值，电压预设值与检测到的母线电压信号进行比较得到电压控制信号，电流预设值与检测到的电容投切支路电流进行比较得到电流控制信号，电压电流采样控制电路在电压控制信号与电流控制信号的共同作用下控制第一开关的导通与关断。本发明能为不同范围的输入电压提供合适的滤波容量，且实现成本低、占用空间小，同时保护开关管不被冲击电流损坏。

Description

一种滤波电路
技术领域
本发明涉及开关电源整流滤波领域，尤其涉及宽电压输入的整流滤波电路。
背景技术
一方面因为各个国家采用的电压等级不尽相同，如我国采用220VAC，而日本和美国分别为100VAC和230VAC，另一方面由于不同的应用领域以及场合对于电压等级的要求存在差异，所以为了兼容诸多电压等级从而满足不同的用电需求，就需要将开关电源朝着宽输入电压范围的方向进行设计。
但针对内部整流、滤波电路仍采用如图1所示的普通的整流电路且功率小于75W的用电设备而言，宽输入电压范围的设计方向会使得滤波电容的选择成为令设计人员困惑的问题。例如对于输入电压范围为85VAC到460VAC的开关电源，由于要承受高压下650V的直流电压，一般会选择两只耐压400V的电容串联使用，而考虑到容值的关系，有时还会选择用四只耐压400V的电容两两先串联再并联使用。需要注意的是，相同情况下，输入电压越低，所需的电容容量越大，那么在满足输入电压最低时的电容容量要求后，随着输入电压的增大，相当于电容的利用率逐渐降低，以致开关电源成本高、体积大。
因此，申请号为201210303821.3的《一种滤波电路》提出了一种可以解决此问题的滤波电路，其原理框图如图2所示。电路通过电压检测控制电路(102)对输入电压进行判断，当输入电压信号低于电压检测控制电路的第一预设值时，控制开关K1导通，低压大容量的电容C2与高压小容量的电容C1并联已提供足够的电容容量；而输入电压信号高于电压检测控制电路的第一预设值时，控制开关K1断开，滤波电容仅为高压小容量的电容C1。该方法可以根据输入电压范围灵活的匹配不同的电容容量，从而减小体积、降低成本。然而当K1为开关管时，容易因K1导通瞬间电容虚短所导致的冲击电流而损坏，此外，在雷击浪涌、输入电压波动较大的情况下，也会导致相同的问题。若因此选择高压大电流的开关管，则在成本方面没有优势。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种滤波电路及其控制方法，既能够解决在宽输入范围下，现有滤波电路成本高、占用空间大的问题，又能解决由冲击电流造成的电路不可靠的问题。
本发明的目的是通过以下技术措施实现的：
一种滤波电路，包括电容C_H、电压电流采样控制电路100和电容投切支路，电容C_H的两端分别为滤波电路的正端子和负端子，直流输入电压从滤波电路的正端子、负端子接入，电压电流采样控制电路100和电容投切支路都连接于滤波电路的正端子和负端子之间，电压电流采样控制电路100和电容投切支路连接，电压电流采样控制电路100用于监测母线电压和电容投切支路电流，还设置有电压预设值，该电压预设值与检测到的母线电压信号进行比较得到电压控制信号，还设置有电流预设值，该电流预设值与检测到的电容投切支路电流信号进行比较得到电流控制信号，电容投切支路用于根据电压控制信号和电流控制信号，改变接入滤波电路的电容。
优选地，当电容投切支路数量为两路及以上时，电压电流采样控制电路100设有与电容投切支路数量相等的电流预设值，这些电流预设值分别对应各电容投切支路并比较得出各电容投切支路的电流控制信号，这些电流预设值中会出现相同数值或各不相同。
作为电容投切支路的一种具体实施方式，包括开关K1、电感L1、二极管D1、二极管D2和电容C_L，电容C_L耐压小于电容C_H，电容C_L一端连接滤波电路正端子，另一端连接电感L1的一端，同时连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接滤波电路负端子，电感L1的另一端连接开关K1的一端，同时连接二极管D1的阳极，开关K1的另一端连接滤波电路负端子，电压电流控制电路100连接开关K1的另一端，检测电流，即检测电容投切支路电流，开关K1的控制端连接电压电流控制电路100，开关K1的状态由电压电流控制电路100控制，二极管D1的阴极连接滤波电路正端子。
优选地，开关K1为MOS管或继电器。
具体地，电压电流采样电路100检测母线电压的电压峰值或电压平均值为检测到的母线电压信号。
具体地，电压电流采样电路100检测电容投切支路电流的电流峰值或电流平均值为检测到的电容投切支路电流信号。
具体地，电压电流采样电路100通过直流输入电压获得供电，或者通过与滤波电路连接的后级开关电源的辅助电源获得供电。
具体地，电压电流采样电路100通过电阻或互感器采样电容投切支路电流。
本发明还提供一种滤波电路控制方法，适用于上述任一滤波电路，包括如下步骤：
步骤一，实时获取母线电压信号和电容投切支路电流信号，判断母线电压是否小于电压预设值对应母线电压，并判断电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流，若都为是，则执行步骤二，若出现否，则执行步骤一；
步骤二，控制开关进入限流阶段，判断母线电压是否小于电压预设值对应母线电压，并判断电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流，若都为是，则执行步骤三，若出现否，则断开开关后执行步骤一；
步骤三，控制开关常通，或控制开关以一定频率导通及关断，判断母线电压是否小于电压预设值对应母线电压，并判断电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流，若都为是，则再次执行步骤三，若出现否，则使开关断开，后执行步骤一。
开关以一定频率导通及关断的具体实现方式为，电压电流采样控制电路100采用脉冲驱动的方式控制开关开通及关断。
本发明的工作原理后面会结合具体实施例进行详细说明，此处不再赘述，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、通过控制开关的导通和关断可以调整接入电路中的滤波电容容量，为不同电压范围的输入电压灵活匹配合适体积与容量的滤波电容，在有效的减小了电源的体积的同时也降低了成本；
2、通过在开关所在支路中串联电感，在增加较小的成本和体积的前提下，有效解决冲击电流带来的问题；
3、通过开关导通时存在的限流阶段，可以进一步减小开关导通时的冲击电流大小，增加开关管选型的空间。
附图说明
图1为普通的桥式整流滤波电路图；
图2为适用于宽电压输入的一种滤波电路框图；
图3为本发明第一实施例一种滤波电路的原理图；
图4为本发明第二实施例一种滤波电路的原理图；
图5为本发明具体实施例的一种工作流程图；
图6为本发明具体实施例的另一种工作流程图。
具体实施方式
第一实施例
图3为本发明实施例的滤波电路原理图，包括电容C_H、开关K1、电感L1、二极管D1、二极管D2、耐压小于电容C_H的电容C_L以及用于检测母线电压和电容投切支路电流的电压电流采样控制电路100。开关K1可以为MOS管或继电器。电压电流采样控制电路100用于监测母线电压和电容投切支路电流，还设置有电压预设值，该电压预设值与检测到的母线电压信号进行比较得到电压控制信号，还设置有电流预设值，该电流预设值与检测到的电容投切支路电流信号进行比较得到电流控制信号，电容投切支路用于根据电压控制信号和电流控制信号，改变接入滤波电路的电容。
其连接关系如下：
电容C_H的两端分别为滤波电路的正端子和负端子，直流输入电压从滤波电路的正端子、负端子接入，电容C_L一端连接滤波电路正端子，另一端连接电感L1的一端，同时连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接滤波电路负端子，电感L1的另一端连接开关K1的一端，同时连接二极管D1的阳极，开关K1的另一端连接滤波电路负端子，电压电流控制电路100连接开关K1的另一端，检测电流，即检测电容投切支路电流，开关K1的控制端连接电压电流控制电路100，开关K1的状态由电压电流控制电路100控制，二极管D1的阴极连接滤波电路正端子。
本实施例的滤波电路的工作原理如下：
电压电流采样电路100通过直流输入电压获得供电，或者通过与滤波电路连接的后级开关电源的辅助电源获得供电，检测到的母线电压信号由电压电流采样电路100检测母线电压的电压峰值或电压平均值产生，检测到的电容投切支路电流信号由电压电流采样电路100检测电容投切支路电流的电流峰值或电流平均值产生。电压电流采样电路100通过电阻或互感器采样电容投切支路电流。
当通过电压控制信号判断得出母线电压小于与电压预设值对应的母线电压且通过电流控制信号判断得出电容投切支路电流小于与电流预设值对应的支路电流时，电压电流采样控制电路100控制开关K1导通，此时包含开关K1、电感L1、二极管D1、二极管D2、电容C_L的电容投切支路被接入滤波电路，其中，由于电容C_L的接入，滤波电路得以提供输入电压较低时所需的较大的电容容量，同时因为支路中串联的电感L1以及开关K1导通时存在的限流阶段，开关K1开通瞬间并不会产生较大的冲击电流，从而避免开关损坏；当通过电压控制信号判断得出母线电压大于与电压预设值对应的母线电压或通过电流控制信号判断得出电容投切支路电流大于与电流预设值对应的支路电流时，电压电流采样控制电路100控制开关K1关断，电感通过二极管D1续流，电容C_L通过二极管泄能，此时具有电容C_L的电容投切支路被切出滤波电路，滤波作用主要依靠耐压较高而容量相对较小的电容C_H实现。
第二实施例
图4为本发明实施例的滤波电路原理图，其电路包括电容C_H、开关K1、电感L1、二极管D1、二极管D2、开关K2、电感L2、二极管D3、二极管D4、耐压小于电容C_H的电容C_L、耐压小于电容C_L的电容C_L2以及用于检测母线电压和电容投切支路电流的电压电流采样控制电路100。
其连接关系如下：电容C_H的两端分别为滤波电路的正端子和负端子，直流输入电压从滤波电路的正端子和负端子接入，电容C_L一端连接滤波电路正端子，另一端连接电感L1的一端，同时连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接滤波电路负端子，电感L1的另一端连接开关K1的一端，同时连接二极管D1的阳极，开关K1的另一端连接滤波电路负端子，电压电流控制电路100连接开关K1的另一端，检测电流，即检测第一电容投切支路电流，开关K1的控制端连接电压电流控制电路100，开关K1的状态由电压电流控制电路100控制，二极管D1的阴极连接滤波电路正端子；电容C_L2一端连接滤波电路正端子，另一端连接电感L2的一端，同时连接二极管D4的阴极，二极管D4的阳极连接滤波电路负端子，电感L2的另一端连接开关K2的一端，同时连接二极管D3的阳极，开关K2的另一端连接滤波电路负端子，电压电流控制电路100连接开关K2的另一端，检测电流，即检测第二电容投切支路电流，开关K2的控制端连接电压电流控制电路100，开关K2的状态由电压电流控制电路100控制，二极管D3的阴极连接滤波电路正端子。
本实施例工作原理与第一实施例相同，在此不作赘述，需要点明的是，电压电流采样控制电路100用于监测母线电压和两路电容投切支路电流，还设置有对应两路电容投切支路的两电流预设值。其中，根据实际的器件的选型以及损耗等因素，两电流预设值可以设置为相同值，也可以设置为不同值。
相对于第一实施，第二实施例中多增加的滤波支路可以使其工作在更宽的直流输入电压范围或在同等输入电压范围内根据输入电压范围灵活的匹配不同的电容容量，从而减小体积、降低成本。
上述实施例控制方法具体如图5的流程图所示，电路开始工作后，经模块202中步骤，判断母线电压是否小于电压预设值对应母线电压且电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流，若母线电压大于电压预设值对应母线电压或电容投切支路电流大于电流预设值对应支路电流，则再次进行模块202中判断步骤；若母线电压小于电压预设值对应母线电压且电容投切支路电流小于电流预设值对应支路电流，则进行模块203中所示步骤，使开关进入限流阶段，同时进行模块204中步骤，对母线电压是否小于电压预设值对应母线电压且电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流再次进行判断：
若母线电压大于电压预设值对应母线电压或电容投切支路电流大于电流预设值对应支路电流，则进行模块207中开关断开步骤，然后返回自模块202中的步骤开始循环前述步骤；
若母线电压小于电压预设值对应母线电压且电容投切支路电流小于电流预设值对应支路电流，则进行模块205中的使开关常通步骤，同时进行模块206中步骤，对母线电压是否小于电压预设值对应母线电压且电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流再次进行判断：
若母线电压大于电压预设值对应母线电压或电容投切支路电流大于电流预设值对应支路电流，则进行模块207中使开关断开步骤，然后返回自模块202中步骤开始循环前述步骤；
若母线电压小于电压预设值对应母线电压且电容投切支路电流小于电流预设值对应支路电流，则重复同时执行模块205和模块206中步骤。
上述实施例控制方法还可以如图6的流程图所示，与图5所示的区别之处在于，模块205由模块208取代，模块208中的步骤为，使开关以某种频率导通及关断。
以上仅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，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术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，如增加更多的电容投切电路以使滤波电路工作在更宽的直流输入电压范围；实施例中电容可以由数个电容通过串并联的方式实现或采用不同的电压电流采样策略等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种滤波电路，其特征在于：包括电容C_H、电压电流采样控制电路100和电容投切支路，电容C_H的两端分别为滤波电路的正端子和负端子，直流输入电压从滤波电路的正端子、负端子接入，电压电流采样控制电路100和电容投切支路都连接于滤波电路的正端子和负端子之间，电压电流采样控制电路100和电容投切支路连接，电压电流采样控制电路100用于监测母线电压和电容投切支路电流，还设置有电压预设值，该电压预设值与检测到的母线电压信号进行比较得到电压控制信号，还设置有电流预设值，该电流预设值与检测到的电容投切支路电流信号进行比较得到电流控制信号，并在电压控制信号与电流控制信号的共同作用下，控制电容投切支路中的开关导通与关断，以改变接入滤波电路的电容。
2.根据权利要求1所述的滤波电路，其特征在于：当所述电容投切支路数量为两路及以上时，电压电流采样控制电路100设有与电容投切支路数量相等的电流预设值，这些电流预设值分别对应各电容投切支路并比较得出各电容投切支路的电流控制信号，这些电流预设值中会出现相同数值或各不相同。
3.根据权利要求1所述的滤波电路，其特征在于：所述电容投切支路包括开关K1、电感L1、二极管D1、二极管D2和电容C_L，电容C_L耐压小于电容C_H，电容C_L一端连接滤波电路正端子，另一端连接电感L1的一端，同时连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接滤波电路负端子，电感L1的另一端连接开关K1的一端，同时连接二极管D1的阳极，开关K1的另一端连接滤波电路负端子，电压电流控制电路100连接开关K1的另一端，检测电流，即检测电容投切支路电流，开关K1的控制端连接电压电流控制电路100，开关K1的状态由电压电流控制电路100控制，二极管D1的阴极连接滤波电路正端子。
4.根据权利要求3所述的滤波电路，其特征在于：所述开关K1为MOS管或继电器。
5.根据权利要求1至4任一所述的滤波电路，其特征在于：所述电压电流采样电路100检测母线电压的电压峰值或电压平均值为检测到的母线电压信号。
6.根据权利要求1至4任一所述的滤波电路，其特征在于：所述电压电流采样电路100检测电容投切支路电流的电流峰值或电流平均值为检测到的电容投切支路电流信号。
7.根据权利要求1至4任一所述的滤波电路，其特征在于：所述电压电流采样电路100通过直流输入电压获得供电，或者通过与滤波电路连接的后级开关电源的辅助电源获得供电。
8.根据权利要求1至4任一所述的滤波电路，其特征在于：所述电压电流采样电路100通过电阻或互感器采样电容投切支路电流。
9.一种滤波电路控制方法，适用于如权利要求1至7任一所述的滤波电路，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，实时获取母线电压信号和电容投切支路电流信号，判断母线电压是否小于电压预设值对应母线电压，并判断电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流，若都为是，则执行步骤二，若出现否，则执行步骤一；
步骤二，控制开关进入限流阶段，判断母线电压是否小于电压预设值对应母线电压，并判断电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流，若都为是，则执行步骤三，若出现否，则断开开关后执行步骤一；
步骤三，控制开关常通，或控制开关以一定频率导通及关断，判断母线电压是否小于电压预设值对应母线电压，并判断电容投切支路电流是否小于电流预设值对应支路电流，若都为是，则再次执行步骤三，若出现否，则使开关断开，后执行步骤一。
10.根据权利要求9所述的滤波电路控制方法，其特征在于：所述开关以一定频率导通及关断的具体实现方式为，电压电流采样控制电路100采用脉冲驱动的方式控制开关开通及关断。
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