CN114142733B - 开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源电路，包括：变压器，包括原边绕组及副边绕组；谐振电容及谐振电感，与所述原边绕组串联形成串联结构；功率开关模块，接收输入电压并连接所述串联结构的两端以形成谐振回路；输出整流模块，连接所述副边绕组并产生输出电压；工作模式控制模块，接收所述输入电压与所述输出电压，当所述输入电压与所述输出电压的比值小于等于预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于LLC模式，当所述输入电压与所述输出电压的比值大于所述预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于AHB模式。本发明将AHB与LLC拓扑统一，通过切换拓扑工作模式使得开关电源电路同时具备高效率和宽输入输出范围的优点。

Description

开关电源电路
技术领域
本发明涉及电路设计领域，特别是涉及一种开关电源电路。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，以维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
LLC拓扑和AHB(Asymmetrical Half-Bridge，不对称半桥)拓扑是开关电源中常见的两种拓扑结构。其中，LLC拓扑采用谐振电感、励磁电感和谐振电容串联的结构，效率高，但是宽范围应用时频率变化太大，控制不好也会牺牲效率；AHB拓扑的输入输出可以做到宽范围，但是满载时变压器只能有部分时间传递负载能量，效率比LLC会略低，不适用于对功率密度和效率要求比较高的条件下。
因此，如何同时满足开关电源的宽输入输出电压范围和高系统效率，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种开关电源电路，用于解决现有技术中开关电源宽输入输出电压范围和高系统效率不能兼顾的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种开关电源电路，所述开关电源电路至少包括：
变压器，包括原边绕组及副边绕组；
谐振电容及谐振电感，与所述原边绕组串联形成串联结构；
功率开关模块，接收输入电压并连接所述串联结构的两端以形成谐振回路；
输出整流模块，连接所述副边绕组并产生输出电压；
工作模式控制模块，接收所述输入电压与所述输出电压，当所述输入电压与所述输出电压的比值小于等于预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于LLC模式，当所述输入电压与所述输出电压的比值大于所述预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于AHB模式。
可选地，所述功率开关模块包括串联于所述输入电压与参考地之间的第一功率开关管及第二功率开关管，所述第一功率开关管与所述第二功率开关管的控制端接收开关控制信号；所述串联结构的第一端连接所述第一功率开关管与所述第二功率开关管的连接节点，所述串联结构的第二端接地。
可选地，所述功率开关模块包括第三功率管、第四功率管、第五功率管及第六功率管；所述第三功率开关管与所述第四功率开关管串联于所述输入电压与参考地之间，所述第五功率开关管与所述第六功率开关管串联于所述输入电压与参考地之间，所述第三功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管及所述第六功率开关管的控制端接收开关控制信号；所述串联结构的第一端连接所述第三功率开关管与所述第四功率开关管的连接节点，所述串联结构的第二端连接所述第五功率开关管与所述第六功率开关管的连接节点。
可选地，所述预设值为k*N，其中，k为小于等于5的实数，N为所述变压器中原边绕组与副边绕组的匝数比。
更可选地，所述副边绕组包括第一副边绕组及第二副边绕组；所述输出整流模块包括第一开关单元及第二开关单元；
所述第一开关单元的电流输入端连接所述第一副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容的上极板；处于LLC模式时所述第一开关单元导通并对输入所述第一开关单元的信号进行整流，处于AHB模式时所述第一开关单元断开；
所述第二开关单元的电流输入端连接所述第二副边绕组与所述原边绕组的异名端，电流输出端连接所述输出电容的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第二开关单元的信号进行整流；
所述输出电容的下极板、所述第一副边绕组与所述原边绕组的异名端及所述第二副边绕组与所述原边绕组的同名端接地。
更可选地，所述第一开关单元为双向开关，包括两个反相串联的同步整流开关。
更可选地，所述第一开关单元包括串联的第一开关及第二开关，所述第二开关的工作频率小于所述第一开关的工作频率。
更可选地，所述第一开关为同步整流开关或整流二极管，所述第二开关为继电器或半导体开关。
更可选地，所述第二开关单元为同步整流开关或整流二极管。
更可选地，所述副边绕组包括第三副边绕组及第四副边绕组；所述输出整流模块包括第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第一电容及第二电容；
所述第三开关单元的电流输入端连接所述第三副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容及所述第一电容的上极板；处于LLC模式时所述第三开关单元导通并对输入所述第三开关单元的信号进行整流，处于AHB模式时所述第三开关单元断开；
所述第一电容的下极板连接所述第三副边绕组与所述原边绕组的异名端；
所述第四开关单元并联于所述第一电容的两端，处于LLC模式时所述第四开关单元断开，处于AHB模式时所述第四开关单元导通；
所述第五开关单元的电流输入端接地，电流输出端连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的同名端；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第五开关单元的信号进行整流；
所述第二电容的上极板连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的异名端，下极板接地；
所述输出电容的下极板接地；所述第三副边绕组与所述原边绕组的异名端连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的异名端。
更可选地，所述第三开关单元为双向开关，包括两个反相串联的同步整流开关。
更可选地，所述第三开关单元包括串联的第一开关及第二开关，所述第二开关的工作频率小于所述第一开关的工作频率。
更可选地，所述第一开关为同步整流开关或整流二极管，所述第二开关为继电器或半导体开关。
更可选地，所述第四开关单元为继电器或半导体开关。
更可选地，所述第五开关单元为同步整流开关或整流二极管。
更可选地，所述副边绕组包括第五副边绕组；所述输出整流模块包括第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元及第九开关单元；
所述第六开关单元的电流输入端连接所述第五副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输入电容的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第六开关单元的信号进行整流；
所述第七开关单元的电流输出端接地，电流输出端连接所述第六开关单元的电流输入端；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第七开关单元的信号进行整流；
所述第八开关单元的电流输入端连接所述第五副边绕组与所述原边绕组的异名端，电流输出端连接所述输入电容的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第八开关单元的信号进行整流；
所述第九开关单元的电流输出端接地，电流输出端连接所述第八开关单元的电流输入端；处于LLC模式时所述第九开关单元导通并对输入所述第九开关单元的信号进行整流，处于AHB模式时所述第九开关单元断开；
所述输出电容的下极板接地。
更可选地，所述第六开关单元为同步整流开关或整流二极管，所述第七开关单元为同步整流开关或整流二极管，所述第八开关单元为同步整流开关或整流二极管。
更可选地，所述第九开关单元为双向开关，包括两个反相串联的同步整流开关。
更可选地，所述第九开关单元包括串联的第一开关及第二开关，所述第二开关的工作频率小于所述第一开关的工作频率。
更可选地，所述第一开关为同步整流开关或整流二极管，所述第二开关为继电器或半导体开关。
如上所述，本发明的开关电源电路，具有以下有益效果：
本发明的开关电源电路在输入输出比值合适时控制系统工作于LLC模式，其它工况下工作于AHB模式，以此兼顾高效率和宽输入输出电压范围的优点。
附图说明
图1显示为本发明的开关电源电路的模块示意图。
图2显示为本发明的开关电源电路的第一种实现方式的结构示意图。
图3显示为本发明的第一开关单元的一种实现方式示意图。
图4显示为本发明的第一开关单元的另一种实现方式示意图。
图5显示为本发明的第一开关单元的又一种实现方式示意图。
图6显示为本发明的开关电源电路的第一种实现方式的各节点波形示意图。
图7显示为本发明的开关电源电路的第一种实现方式工作于AHB模式的结构示意图。
图8显示为本发明的开关电源电路的第一种实现方式工作于LLC模式的结构示意图。
图9显示为本发明的开关电源电路的第二种实现方式的结构示意图。
图10显示为本发明的开关电源电路的第二种实现方式工作于AHB模式的结构示意图。
图11显示为本发明的开关电源电路的第二种实现方式工作于LLC模式的结构示意图。
图12显示为本发明的开关电源电路的第三种实现方式的结构示意图。
图13显示为本发明的开关电源电路的第三种实现方式工作于AHB模式的结构示意图。
图14显示为本发明的开关电源电路的第三种实现方式工作于LLC模式的结构示意图。
元件标号说明
1 开关电源电路
11 变压器
12 功率开关模块
121 谐振控制模块
122 驱动模块
13 输出整流模块
14 工作模式控制模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比值可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种开关电源电路1，所述开关电源电路1包括：
变压器11、谐振电容Cr、谐振电感Lr、功率开关模块12、输出整流模块13及工作模式控制模块14。
如图1所示，所述变压器11包括原边绕组及副边绕组。
具体地，所述变压器11中原边绕组的结构及数量由所述功率开关模块12的结构(包括但不限于全桥或半桥)决定，所述变压器11中副边绕组的结构及数量由所述输出整流模块13的结构(包括但不限于全桥或半桥)决定，可根据实际应用做具体设置，在此不一一限定。
如图1所示，所述谐振电容Cr及所述谐振电感Lr与所述原边绕组串联形成串联结构。
具体地，在本实施例中，所述谐振电感Lr及所述谐振电容Cr分别位于所述原边绕组的两侧，且所述谐振电感Lr位于高压侧，所述谐振电容Cr位于低压侧。在实际使用中，所述谐振电容Cr、所述谐振电感Lr及所述原边绕组串联，能与所述功率开关模块12构成谐振回路即可，具体设置位置不以本实施例为限。
如图1所示，所述功率开关模块12接收输入电压Vin并连接所述串联结构的两端以形成谐振回路。
具体地，所述功率开关模块12包括多个功率开关，构成半桥或全桥结构，可根据实际需要设置。
如图1所示，所述输出整流模块13连接所述副边绕组并产生输出电压。
具体地，所述输出整流模块13包括但不限于半桥整流或全桥整流结构，可根据实际需要进行设置。
如图1所示，所述工作模式控制模块14接收所述输入电压Vin与所述输出电压Vout，基于所述输入电压Vin与所述输出电压Vout的比值控制所述输出整流模块13切换工作模式。
具体地，当所述输入电压Vin与所述输出电压Vout的比值小于等于预设值时控制所述输出整流模块13以使所述开关电源电路工作于LLC模式，当所述输入电压Vin与所述输出电压Vout的比值大于所述预设值时控制所述输出整流模块13以使所述开关电源电路工作于AHB模式。
需要说明的是，所述预设值可根据实际需要进行设置，在本实施例中，所述预设值为k*N，其中，N为所述变压器中原边绕组与副边绕组的匝数比。作为示例，当所述输入电压Vin与所述输出电压Vout的比值接近2N时适于采用LLC模式进行工作，当所述输入电压Vin与输出电压Vout的比值远大于2N时适于采用AHB模式进行工作，可选地将k设定为小于等于5、6、7、8、9或10的实数。可根据实际应用确定适于工作于LLC模式及AHB模式对应的所述输入电压Vin与所述输出电压Vout的比值，进而设定k的值，不以本实施例为限。
本发明能同时兼顾高效率和宽输入输出范围，对应用场合的条件限制小，适用范围广。以下基于不同实施例对本发明做具体说明。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种开关电源电路1，所述开关电源电路1包括：
变压器11、谐振电容Cr、谐振电感Lr、功率开关模块12、输出整流模块13及工作模式控制模块14。
如图2所示，作为示例，所述功率开关模块12为半桥结构，包括串联于所述输入电压Vin与参考地之间的第一功率开关管Q1及第二功率开关管Q2，所述第一功率开关管Q1的第一端接收所述输入电压Vin，第二端连接所述第二功率开关管Q2的第一端；所述第二功率开关管Q2的第二端接地。所述第一功率开关管Q1的第二端及所述第二功率开关管Q2的第一端依次经由所述谐振电感Lr、所述变压器11的原边绕组及所述谐振电容Cr接地(所述原边绕组的两端还并联一激磁电感Lm)，以形成谐振回路。在本实施例中，所述功率开关模块12还包括谐振控制模块121及驱动模块122，所述谐振控制模块121产生开关控制信号(PWMH及PWML)，所述驱动模块122基于开关控制信号驱动所所述第一功率开关管Q1及所述第二功率开关管Q2的控制端，所述第一功率开关管Q1及所述第二功率开关管Q2互补导通。在本示例中，所述第一功率开关管Q1及所述第二功率开关管Q2采用NMOS管实现，在实际使用中可根据需要选择相应的器件类型，不以本实施例为限。
作为另一示例，所述功率开关模块12为全桥结构，包括第三功率管、第四功率管、第五功率管及第六功率管。所述第三功率开关管与所述第四功率开关管串联于所述输入电压与参考地之间，所述第五功率开关管与所述第六功率开关管串联于所述输入电压与参考地之间，所述第三功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管及所述第六功率开关管的控制端接收开关控制信号。所述串联结构的第一端连接所述第三功率开关管与所述第四功率开关管的连接节点依次经由所述谐振电感Lr、所述变压器11的原边绕组及所述谐振电容Cr连接所述第五功率开关管与所述第六功率开关管的连接节点。工作原理及器件类型与半桥结构类似，在此不一一赘述。
如图2所示，在本实施例中，所述变压器11包括原边绕组、第一副边绕组及第二副边绕组，所述输出整流模块13采用半桥整流结构。
具体地，如图2所示，在本实施例中，所述输出整流模块13包括第一开关单元S1及第二开关单元S2。所述第一开关单元S1的电流输入端连接所述第一副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容Cout的上极板；处于LLC模式时所述第一开关单元S1导通并对输入所述第一开关单元S1的信号进行整流，处于AHB模式时所述第一开关单元S1断开。所述第二开关单元S2的电流输入端连接所述第二副边绕组与所述原边绕组的异名端，电流输出端连接所述输出电容Cout的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第二开关单元S2的信号进行整流。所述输出电容Cout的下极板、所述第一副边绕组与所述原边绕组的异名端及所述第二副边绕组与所述原边绕组的同名端接地。
更具体地，作为本发明的一种实现方式，所述第一开关单元S1包括串联的第一开关S11及第二开关S12，其中，所述第一开关S11为高速控制模式的开关，所述第二开关S12为慢速控制模式的切换开关，即所述第二开关S12的工作频率小于所述第一开关S11的工作频率。所述第一开关S11包括但不限于同步整流开关及整流二极管(二极管可视为不受控开关)，所述第二开关S12包括但不限于继电器及半导体开关(任意能实现开关功能的半导体器件)。如图2所示，作为一示例，所述第一开关S11为整流二极管，所述第二开关S12为半导体开关；整流二极管的阳极作为所述第一开关单元S1的电流输入端，阴极连接半导体开关的一端；半导体开关的另一端作为所述第一开关单元S1的电流输出端；此时，整流二极管用于整流，半导体开关受所述工作模式控制模块14的控制用于切换工作模式；半导体开关与整流二极管的位置可互换，在此不一一赘述。如图3所示，作为另一示例，所述第一开关S11为同步整流开关，所述第二开关S12为半导体开关；同步整流开关的漏极作为所述第一开关单元S1的电流输入端，源极连接半导体开关的一端；半导体开关的另一端作为所述第一开关单元S1的电流输出端；此时，同步整流开关用于整流，半导体开关受所述工作模式控制模块14的控制用于切换工作模式；半导体开关与同步整流开关的位置可互换，在此不一一赘述。
更具体地，作为本发明另一种实现方式，所述第一开关单元S1为双向开关，包括两个反相串联的同步整流开关。如图4所示，第二同步整流开关S12的源极作为所述第一开关单元S1的电流输入端，漏极连接所述第一同步整流开关S11的漏极；所述第一同步整流开关S11的源极作为所述第一开关单元S1的电流输出端；此时，所述第一同步整流开关S11(寄生二极管)用于整流，所述第二同步整流开关S12受所述工作模式控制模块14的控制用于切换工作模式(工作在AHB模式时S11和S12都关断)。如图5所示，所述第一同步整流开关S11与所述第二同步整流开关S12的位置可互换，在此不一一赘述。
更具体地，如图2所示，作为本发明的一种实现方式，所述第二开关单元S2为整流二极管。作为本发明的另一种实现方式，所述第二开关单元S2为同步整流开关。
需要说明的是，本实施例中，以N型同步整流开关为例，在实际使用中可根据需要选择相应的器件类型，并适应性调整连接关系，不以本实施例为限。任意能实现上述整流功能及模式切换功能的开关均适用于本发明，不以本实施例为限。
如图2所示，所述工作模式控制模块14基于Vin/(Vout*N)产生模式切换信号，以控制所述开关电源电路1工作在不同的模式。
具体地，以所述功率开关模块12为半桥结构、所述第一开关单元S1采用整流二极管和半导体开关、所述第二开关单元S2采用整流二极管为例。如图6所示，随着开关控制信号PWMH及PWML的切换，所述第一功率开关管Q1的第二端及所述第二功率开关管Q2的第一端处的电压VHB、所述谐振电容Cr上的电压VCr、所述谐振电感Lr上的电流iLr及所述激磁电感Lm上的电流iLm相应增大或减小。如图6及图7所示，当Vin/(Vout*N)远大于2(仅作为示例，具体数值根据实际需要设定)时，模式切换信号mode＝0，所述第二开关S12关断，所述开关电源电路1工作于AHB模式，此时，第一副边绕组及第一开关所在支路断开不工作，仅第二副边绕组及第二开关单元S2进行整流工作，并在所述第一功率开关管Q1关断、所述第二功率开关管Q2导通时有电流iD2流过所述第二开关单元S2，具有宽输入输出范围的优点。如图6及图8所示，当Vin/(Vout*N)接近2时，模式切换信号mode＝1，所述第二开关S12导通，所述开关电源电路1工作于LLC模式，此时，第一副边绕组及第一开关所在支路、第二副边绕组及第二开关单元S2所在支路均进行整流工作，并当原边绕组中的电流由同名端流入时有电流iD1流过所述第一开关单元S1，当原边绕组中的电流由同名端流出时有电流iD2流过所述第二开关单元S2，具有高效率的优点。
实施例二
如图9所示，本实施例提供一种开关电源电路1，与实施例一的不同之处在于所述输出整流模块13的结构不同。
如图9所示，所述副边绕组包括第三副边绕组及第四副边绕组。所述输出整流模块13包括第三开关单元S3、第四开关单元S4、第五开关单元S5、第一电容C1及第二电容C2。所述第三开关单元S3的电流输入端连接所述第三副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容Cout及所述第一电容C1的上极板；处于LLC模式时所述第三开关单元S3导通并对输入所述第三开关单元S3的信号进行整流，处于AHB模式时所述第三开关单元S3断开。所述第一电容C1的下极板连接所述第三副边绕组与所述原边绕组的异名端。所述第四开关单元S4并联于所述第一电容C1的两端，处于LLC模式时所述第四开关单元S4断开，处于AHB模式时所述第四开关单元S4导通。所述第五开关单元S5的电流输入端接地，电流输出端连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的同名端；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第五开关单元S5的信号进行整流。所述第二电容C2的上极板连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的异名端，下极板接地。所述输出电容Cout的下极板接地。所述第三副边绕组与所述原边绕组的异名端连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的异名端。
具体地，所述第三开关单元S3为双向开关，或一个高速控制模式开关和一个慢速控制模式切换开关的串联结构，具体结构参见实施例一，在此不一一赘述。
具体地，所述第四开关单元S4包括但不限于继电器及半导体开关，任意能实现模式切换的器件均适用于本发明。
具体地，所述第五开关单元S5包括但不限于同步整流开关及整流二极管，任意能实现整流功能的器件均适用于本发明。
如图10所示，以所述第三开关单元S3为整流二极管和半导体开关的串联结构为例，当Vin/(Vout*N)远大于2时，模式切换信号mode＝0，所述第三开关单元S3中的慢速控制模式切换开关关断，所述第四开关单元S4导通，所述开关电源电路1工作于AHB模式，此时，第三副边绕组及第三开关单元S3所在支路断开不工作，仅第四副边绕组及第五开关单元S5进行整流工作。如图11所示，当Vin/(Vout*N)接近2时，模式切换信号mode＝1，所述第三开关单元S3中的慢速控制模式切换开关导通，所述第四开关单元S4断开，所述开关电源电路1工作于LLC模式，此时，第三副边绕组、第三开关单元、第四副边绕组及第五开关单元S5均工作，输出电压Vout为所述第一电容C1及所述第二电容C2上的电压之和(输出侧为倍压整流电路)。
需要说明的是，本实施例的开关电源电路1的其它结构及工作原理与实施例一类似，在此不一一赘述。
实施例三
如图12所示，本实施例提供一种开关电源电路1，与实施例一、二的不同之处在于所述输出整流模块13的结构不同，本实施例中，所述输出整流模块13采用全桥整流结构。
如图12所示，所述副边绕组包括第五副边绕组。所述输出整流模块13包括第六开关单元S6、第七开关单元S7、第八开关单元S8及第九开关单元S9。所述第六开关单元S6的电流输入端连接所述第五副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容Cout的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第六开关单元S6的信号进行整流。所述第七开关单元S7的电流输入端接地，电流输出端连接所述第六开关单元S6的电流输入端；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第七开关单元S7的信号进行整流。所述第八开关单元S8的电流输入端连接所述第五副边绕组与所述原边绕组的异名端，电流输出端连接所述输出电容Cout的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第八开关单元S8的信号进行整流。所述第九开关单元S9的电流输入端接地，电流输出端连接所述第八开关单元S8的电流输入端；处于LLC模式时所述第九开关单元S9导通并对输入所述第九开关单元S9的信号进行整流，处于AHB模式时所述第九开关单元S9断开。所述输出电容Cout的下极板接地。
具体地，所述第六开关单元S6、所述第七开关单元S7及所述第八开关单元S8包括但不限于同步整流开关及整流二极管，任意能实现整流功能的器件均适用于本发明。需要说明的是，所述第六开关单元S6、所述第七开关单元S7及所述第八开关单元S8的器件类型可以相同，也可以不同。
具体地，所述第九开关单元S9为双向开关，或一个高速控制模式开关和一个慢速控制模式切换开关的串联结构，具体结构参见实施例一，在此不一一赘述。
如图13所示，以所述第六开关单元S6、所述第七开关单元S7及所述第八开关单元S8为整流二极管，所述第九开关单元S9为整流二极管和半导体开关的串联结构为例，当Vin/(Vout*N)远大于2时，模式切换信号mode＝0，所述第九开关单元S9中的慢速控制模式切换开关关断，所述开关电源电路1工作于AHB模式；当原边绕组电流从同名端流出时，电流从所述第五副边绕组与所述原边绕组的异名端依次经过所述第八开关单元S8、所述输出电容Cout、所述第七开关单元S7回到所述第五副边绕组与所述原边绕组的同名端，进而实现整流输出。如图14所示，当Vin/(Vout*N)接近2时，模式切换信号mode＝1，所述第九开关单元S9中的慢速控制模式切换开关导通，所述开关电源电路1工作于LLC模式；当原边绕组电流从同名端流出时，电流从所述第五副边绕组与所述原边绕组的异名端依次经过所述第八开关单元S8、所述输出电容Cout、所述第七开关单元S7回到所述第五副边绕组与所述原边绕组的同名端；当原边绕组电流从同名端流入时，电流从所述第五副边绕组与所述原边绕组的同名端依次经过所述第六开关单元S6、所述输出电容Cout、所述第九开关单元S9回到所述第五副边绕组与所述原边绕组的异名端；进而实现整流输出。
需要说明的是，本实施例的开关电源电路1的其它结构及工作原理与实施例一类似，在此不一一赘述。
综上所述，本发明提供一种开关电源电路，所述开关电源电路至少包括：变压器，包括原边绕组及副边绕组；谐振电容及谐振电感，与所述原边绕组串联形成串联结构；功率开关模块，接收输入电压并连接所述串联结构的两端以形成谐振回路；输出整流模块，连接所述副边绕组并产生输出电压；工作模式控制模块，接收所述输入电压与所述输出电压，当所述输入电压与所述输出电压的比值小于等于预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于LLC模式，当所述输入电压与所述输出电压的比值大于所述预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于AHB模式。本发明的开关电源电路将AHB与LLC拓扑统一，通过切换拓扑工作模式使得开关电源电路同时具备高效率和宽输入输出范围的优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路至少包括：
变压器，包括原边绕组及副边绕组；
谐振电容及谐振电感，与所述原边绕组串联形成串联结构；
功率开关模块，接收输入电压并连接所述串联结构的两端以形成谐振回路；
输出整流模块，连接所述副边绕组并产生输出电压；
工作模式控制模块，接收所述输入电压与所述输出电压，当所述输入电压与所述输出电压的比值小于等于预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于LLC模式，当所述输入电压与所述输出电压的比值大于所述预设值时控制所述输出整流模块以使所述开关电源电路工作于AHB模式；
当工作在AHB模式时，所述输出整流模块仅在每个谐振周期的正半周时间或负半周时间内工作以向负载传递能量。
2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于：所述功率开关模块包括串联于所述输入电压与参考地之间的第一功率开关管及第二功率开关管，所述第一功率开关管与所述第二功率开关管的控制端接收开关控制信号；所述串联结构的第一端连接所述第一功率开关管与所述第二功率开关管的连接节点，所述串联结构的第二端接地。
3.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于：所述功率开关模块包括第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管及第六功率开关管；所述第三功率开关管与所述第四功率开关管串联于所述输入电压与参考地之间，所述第五功率开关管与所述第六功率开关管串联于所述输入电压与参考地之间，所述第三功率开关管、所述第四功率开关管、所述第五功率开关管及所述第六功率开关管的控制端接收开关控制信号；所述串联结构的第一端连接所述第三功率开关管与所述第四功率开关管的连接节点，所述串联结构的第二端连接所述第五功率开关管与所述第六功率开关管的连接节点。
4.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于：所述预设值为k*N，其中，k为小于等于5的实数，N为所述变压器中原边绕组与副边绕组的匝数比。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的开关电源电路，其特征在于：所述副边绕组包括第一副边绕组及第二副边绕组；所述输出整流模块包括第一开关单元及第二开关单元；
所述第一开关单元的电流输入端连接所述第一副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容的上极板；处于LLC模式时所述第一开关单元导通并对输入所述第一开关单元的信号进行整流，处于AHB模式时所述第一开关单元断开；
所述第二开关单元的电流输入端连接所述第二副边绕组与所述原边绕组的异名端，电流输出端连接所述输出电容的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第二开关单元的信号进行整流；
所述输出电容的下极板、所述第一副边绕组与所述原边绕组的异名端及所述第二副边绕组与所述原边绕组的同名端接地。
6.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于：所述第一开关单元为双向开关，包括两个反相串联的同步整流开关。
7.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于：所述第一开关单元包括串联的第一开关及第二开关，所述第二开关的工作频率小于所述第一开关的工作频率。
8.根据权利要求7所述的开关电源电路，其特征在于：所述第一开关为同步整流开关或整流二极管，所述第二开关为继电器或半导体开关。
9.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于：所述第二开关单元为同步整流开关或整流二极管。
10.根据权利要求1-4任意一项所述的开关电源电路，其特征在于：所述副边绕组包括第三副边绕组及第四副边绕组；所述输出整流模块包括第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第一电容及第二电容；
所述第三开关单元的电流输入端连接所述第三副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容及所述第一电容的上极板；处于LLC模式时所述第三开关单元导通并对输入所述第三开关单元的信号进行整流，处于AHB模式时所述第三开关单元断开；
所述第一电容的下极板连接所述第三副边绕组与所述原边绕组的异名端；
所述第四开关单元并联于所述第一电容的两端，处于LLC模式时所述第四开关单元断开，处于AHB模式时所述第四开关单元导通；
所述第五开关单元的电流输入端接地，电流输出端连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的同名端；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第五开关单元的信号进行整流；
所述第二电容的上极板连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的异名端，下极板接地；
所述输出电容的下极板接地；所述第三副边绕组与所述原边绕组的异名端连接所述第四副边绕组与所述原边绕组的异名端。
11.根据权利要求10所述的开关电源电路，其特征在于：所述第三开关单元为双向开关，包括两个反相串联的同步整流开关。
12.根据权利要求10所述的开关电源电路，其特征在于：所述第三开关单元包括串联的第一开关及第二开关，所述第二开关的工作频率小于所述第一开关的工作频率。
13.根据权利要求12所述的开关电源电路，其特征在于：所述第一开关为同步整流开关或整流二极管，所述第二开关为继电器或半导体开关。
14.根据权利要求10所述的开关电源电路，其特征在于：所述第四开关单元为继电器或半导体开关。
15.根据权利要求10所述的开关电源电路，其特征在于：所述第五开关单元为同步整流开关或整流二极管。
16.根据权利要求1-4任意一项所述的开关电源电路，其特征在于：所述副边绕组包括第五副边绕组；所述输出整流模块包括第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元及第九开关单元；
所述第六开关单元的电流输入端连接所述第五副边绕组与所述原边绕组的同名端，电流输出端连接输出电容的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第六开关单元的信号进行整流；
所述第七开关单元的电流输入端接地，电流输出端连接所述第六开关单元的电流输入端；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第七开关单元的信号进行整流；
所述第八开关单元的电流输入端连接所述第五副边绕组与所述原边绕组的异名端，电流输出端连接所述输出电容的上极板；处于LLC模式及AHB模式时均对输入所述第八开关单元的信号进行整流；
所述第九开关单元的电流输入端接地，电流输出端连接所述第八开关单元的电流输入端；处于LLC模式时所述第九开关单元导通并对输入所述第九开关单元的信号进行整流，处于AHB模式时所述第九开关单元断开；
所述输出电容的下极板接地。
17.根据权利要求16所述的开关电源电路，其特征在于：所述第六开关单元为同步整流开关或整流二极管，所述第七开关单元为同步整流开关或整流二极管，所述第八开关单元为同步整流开关或整流二极管。
18.根据权利要求16所述的开关电源电路，其特征在于：所述第九开关单元为双向开关，包括两个反相串联的同步整流开关。
19.根据权利要求16所述的开关电源电路，其特征在于：所述第九开关单元包括串联的第一开关及第二开关，所述第二开关的工作频率小于所述第一开关的工作频率。
20.根据权利要求19所述的开关电源电路，其特征在于：所述第一开关为同步整流开关或整流二极管，所述第二开关为继电器或半导体开关。
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