CN114285282B

CN114285282B - 一种宽电压输入的变换器及控制方法

Info

Publication number: CN114285282B
Application number: CN202210184817.3A
Authority: CN
Inventors: 严宗周
Original assignee: Shenzhen Yuanneng Electric Appliance Co ltd
Current assignee: Shenzhen Yuanneng Electric Appliance Co ltd
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2042-02-28
Also published as: CN114285282A

Abstract

本发明公开了一种宽电压输入的变换器，其包括：输入端；势能变换器，所述势能变换器为电感或变压器；控制单元，所述控制单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管；所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管、所述第二开关管电连接组成第一环路；所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管、所述第一二极管、Vcc电容电连接组成第二环路；所述势能变换器与所述第二二极管、输出电容电连接组成第三环路；以及对应的控制方法，使得VCC随时获得能量，使得输入高压电容容量更小或者去除，从而使得变换器总体体积更小、成本更低、寿命更长。

Description

一种宽电压输入的变换器及控制方法

技术领域

本发明涉及供电电路技术设备领域，尤其涉及到一种宽电压输入的变换器及控制方法。

背景技术

在现有的电源适配器领域，市场上的电源为获得稳定的输出，一般需要在输入端整流后加电解电容，而加入的电解电容致使电源的体积变大，并且对其自身的使用寿命也产生了一定影响。若是采用容量小的长寿电容或除去电容，则会由于输入电压波动范围大，使得在低谷阶段输入电压低，而按照导通时间T=L*△I/U，则导通时间会线性增加，使得所需的驱动能力增加。传统的电源供电在退磁阶段或将要退磁阶段进行充电，在此期间导通耗能最大，但是此期间无法给Vcc电容持续供能，并且波动电压在低压期间需要更大的能量去驱动开关管工作，进而在低压阶段因驱动不足而关闭开关管，从而使得输出能量下降、输出波动浮动大。

如：低压阶段到达IPK时间变长，驱动电流需求大，导致Vcc供电不足。

因此，亟需一种能够解决一种或多种问题的宽电压输入的变换器及控制方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的一种或多种问题，本发明提供了一种宽电压输入的变换器。本发明为解决上述问题采用的技术方案是：一种宽电压输入的变换器，其包括：输入端；势能变换器，所述势能变换器为电感或变压器；

控制单元，所述控制单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管；

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管、所述第二开关管电连接组成第一环路；

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管、所述第一二极管、Vcc电容电连接组成第二环路；

所述势能变换器与所述第二二极管、输出电容电连接组成第三环路。

进一步地，所述势能变换器为电感时：

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管、所述第二开关管、第三二极管电连接组成第一环路；

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管、所述第一二极管、第三二极管、Vcc电容电连接组成第二环路；

所述势能变换器与所述第二二极管、第三二极管、输出电容电连接组成第三环路。

进一步地，所述第一二极管、所述第二二极管可替换为开关。所述第三二极管可替换为开关，更进一步地，所有二极管均可替换为开关。

进一步地，所述输入端为波动输入电路或常压输入电路，所述输入端至少包括：AC输入整流后的电路、AC整流滤波后的电路。

进一步地，当所述势能变换器为电感时：

所述电感的第一端与输入端电连接，所述电感的第二端与所述第二二极管的输入端、所述第一开关管的输入端电连接；

所述第二二极管的输出端与所述输出电容的正极端电连接，所述Vcc电容的负极端与输入端、所述第二开关管的输出端、所述输出电容的负极端电连接，所述Vcc电容的正极端与所述第一二极管的输出端电连接，所述第一开关管的输出端与所述第一二极管的输入端、所述第二开关管的输入端电连接，所述输出电容的两端电连接到输出端。

进一步地，当所述势能变换器为电感时：

所述电感的第一端与所述输入端、所述第二二极管的输出端电连接，所述电感的第二端与所述输出电容的正极端电连接；

所述Vcc电容的负极端与所述输入端、所述第二开关管的输出端电连接，所述Vcc电容的正极端与所述第一二极管的输出端电连接；

所述第一二极管的输入端与所述第一开关管的输出端、所述第二开关管的输入端电连接；

所述第一开关管的输入端与所述第二二极管的输入端、所述第三二极管的输出端电连接；

所述输出电容的负极端与所述第三二极管的输入端电连接，所述输出电容的两端电连接到输出端。

进一步地，当所述势能变换器为变压器时：

所述变压器包括输入端绕组和输出端绕组，所述输入端绕组的第一端与所述输入端电连接，所述输入端绕组的第二端与所述第一开关管的输出端电连接，所述输出端绕组的第一端与所述第二二极管的输入端电连接，所述输出端绕组的第二端与所述输出电容的负极端电连接；

所述输出电容的正极端与所述第二二极管的输出端电连接，所述输出电容的两端电连接到输出端；

所述Vcc电容的第一端与所述输入端、所述第二开关管的输入端电连接，所述Vcc电容的第二端与所述第一二极管的输出端电连接；

所述第一二极管的输入端与所述第二开关管的输入端、所述第一开关管的输出端电连接。

以及一种宽电压输入的变换器的控制方法，根据公式：导通时间△t=电感L*峰值电流△I/输入电压Vin，得出输入给变换器存储能量的过程中，变换器电感L为固定值，到达固定峰值电流△I所需电流为固定值，当输入端为低压时期，所需导通时间△t变长，即整个环路控制导通所需能量增加，尤其驱动第一开关管导通时候长，导致VCC供电不足，在此过程中，当VCC供电不足时候随时打开第二环路，将输入经过变换器自动分压后直接给VCC供电，可随时根据需要进行降压或者升压给VCC供电：

S010，在Vcc电容端供电不足时，随时打开第二环路给Vcc电容端供电；

S020，在输入端为低压或Vcc电容端驱动能力不足时，先导通第二环路给Vcc电容端供电，在Vcc电容端供电充足后再打开第一环路给势能变换器储能，输出端需要供电时，关闭第一环路和第二环路并打开第三环路；

S021，在退磁期间，Vcc电容供电不足时，打开所述第二环路：输入端大于VCC电压时候通过同时给变换器和Vcc电容端分压供电；输入端小于VCC电压时候通过将输入端和变换器串联升压给VCC电容供电；

S022，在退磁完成后，打开所述第二环路同时给变换器和Vcc电容端分压供电；

S030，在输入端电压正常和Vcc电容端供电正常时，打开第一环路给势能变换器充电储能并在储能完成后关闭第一环路，Vcc电容端需要供电时打开第二环路。

进一步地，还包括：S040，在打开所述第一环路期间，若所述Vcc电容端供电能力不足，可打开所述第二环路给所述Vcc电容端供电，并在所述势能变换器完成储能前根据需要重复上述动作，在所述势能变换器完成储能后，再关闭所述第一环路、所述第二环路并打开所述第三环路给输出端供电。

本发明取得的有益价值是，本发明通过将输入端、势能变化器、控制单元组成相应的回路，构成第一、二、三环路，进而获得随时给VCC供电的回路，配合对应的控制方法实现在开关管导通储能期间还可以随时实现给Vcc电容端供电，进而实现小容量输入电容甚至去除电容后输入电压波动大也能够实现较为稳定输出，使得的变换器体积更小、成本更低、寿命更长；以上极大地提高了本发明的实用价值。

附图说明

图1为本发明的势能变化器为电感时的原理图Ⅰ；

图2为本发明的势能变化器为电感时的原理图Ⅱ；

图3为本发明的势能变换器为变压器时的原理图；

图4为本发明与现有技术的输出电压电流的对比波形图；

图5为本发明实施时的波形图；

图6为本发明合封双绕组时的应用原理图；

图7为本发明合封三绕组时的应用原理图；

图8为合封模块内部结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例限制。

如图1-图3所示，本发明公开了一种宽电压输入的变换器，其包括：输入端；势能变换器，所述势能变换器为电感L1或变压器T1；

控制单元，所述控制单元包括第一开关管K1、第二开关管K2、第一二极管D1、第二二极管D2；

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管K1、所述第二开关管K2电连接组成第一环路；

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管K1、所述第一二极管D1、Vcc电容EC2电连接组成第二环路；

所述势能变换器与所述第二二极管D2、输出电容EC3电连接组成第三环路。

具体地，如图1所示，当所述势能变换器为电感L1时：

所述电感L1的第一端与输入端电连接，所述电感L1的第二端与所述第二二极管D2的输入端、所述第一开关管K1的输入端电连接；

所述第二二极管D2的输出端与所述输出电容EC3的正极端电连接，所述Vcc电容EC2的负极端与输入端、所述第二开关管K2的输出端、所述输出电容EC3的负极端电连接，所述Vcc电容EC2的正极端与所述第一二极管D1的输出端电连接，所述第一开关管K1的输出端与所述第一二极管D1的输入端、所述第二开关管K2的输入端电连接，所述输出电容EC3的两端电连接到输出端。

具体地，如图2所示，所述势能变换器为电感L1时：

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管K1、所述第二开关管K2、第三二极管D3电连接组成第一环路；

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管K1、所述第一二极管D1、第三二极管D3、Vcc电容EC2电连接组成第二环路；

所述势能变换器与所述第二二极管D2、第三二极管D3、输出电容EC3电连接组成第三环路。

如图2所示，所述电感L1的第一端与所述输入端、所述第二二极管D2的输出端电连接，所述电感L1的第二端与所述输出电容EC3的正极端电连接；

所述Vcc电容EC2的负极端与所述输入端、所述第二开关管K2的输出端电连接，所述Vcc电容EC2的正极端与所述第一二极管D1的输出端电连接；

所述第一二极管D1的输入端与所述第一开关管K1的输出端、所述第二开关管K2的输入端电连接；

所述第一开关管K1的输入端与所述第二二极管D2的输入端、所述第三二极管D3的输出端电连接；

所述输出电容EC3的负极端与所述第三二极管D3的输入端电连接，所述输出电容EC3的两端电连接到输出端。

具体地，如图3所示，当所述势能变换器为变压器T1时：

所述变压器包括输入端绕组NP和输出端绕组NS，所述输入端绕组NP的第一端与所述输入端电连接，所述输入端绕组NP的第二端与所述第一开关管K1的输出端电连接，所述输出端绕组NS的第一端与所述第二二极管D2的输入端电连接，所述输出端绕组NS的第二端与所述输出电容EC3的负极端电连接；

所述输出电容EC3的正极端与所述第二二极管D2的输出端电连接，所述输出电容EC3的两端电连接到输出端；

所述Vcc电容EC2的第一端与所述输入端、所述第二开关管K2的输入端电连接，所述Vcc电容EC2的第二端与所述第一二极管D1的输出端电连接；

所述第一二极管D1的输入端与所述第二开关管K2的输出端、所述第一开关管K1的输入端电连接。

需要指出的是，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2、所述第三二极管D3可替换为开关，进一步地，所有二极管均可替换成开关管，以提升效率。上述电路中还可加入升压电路BOOST、降压BUCK、反激FLYBUCK、谐振LLC变换器、正激FORWORCONVERTER等。

需要说明的是，上述开关管可采用高耐雷击工艺的开关管，避免去除滤波电容或减少电容容量后防止雷击不够。所述输入端为波动输入电路或常压输入电路，所述输入端至少包括：AC输入整流后的电路、AC整流滤波后的电路，以及其他波动电路。

以及上述宽电压输入的变换器的控制方法，根据公式：导通时间△t=电感L*峰值电流△I/输入电压Vin，得出输入给变换器存储能量的过程中，变换器电感L为固定值，到达固定峰值电流△I所需电流为固定值，当输入端为低压时期，所需导通时间△t变长，即整个环路控制导通所需能量增加，尤其驱动第一开关管导通时候长，导致VCC供电不足，在此过程中，当VCC供电不足时候随时打开第二环路，将输入经过变换器自动分压或者串联升压给VCC供电，实现随时根据需要进行供电：

S010，在Vcc电容EC2端供电不足时，随时打开第二环路给Vcc电容EC2端供电，以保证Vcc电容EC2端尽可能不会或少进入到欠压保护状态；

S020，在输入端为低压或Vcc电容EC2端驱动能力不足时（图5中的①），先导通第二环路给Vcc电容EC2端供电，在Vcc电容EC2端供电充足后再打开第一环路给势能变换器储能，输出端需要供电时，关闭第一环路和第二环路并打开第三环路；

S021，在退磁期间（图5中的④），Vcc电容EC2供电不足时，打开所述第二环路同时给变换器和Vcc电容EC2端分压或者升压供电，此时当输入低于VCC电压，输入和变换器串联升压给VCC供电；

S022，在退磁完成后（图5中的⑤，即剩磁谐振或剩磁清零期间），打开所述第二环路同时给变换器和Vcc电容端EC2端分压供电

S030，在输入端电压正常和Vcc电容EC2端供电正常时（图5中的③），打开第一环路给势能变换器充电储能并在储能完成后关闭第一环路，Vcc电容EC2端需要供电时打开第二环路；

S040，在打开所述第一环路期间（图5中的②），若所述Vcc电容EC2端供电能力不足，可打开所述第二环路给所述Vcc电容EC2端供电，并在所述势能变换器完成储能前根据需要循环供电（打开所述第二环路），在所述势能变换器完成储能后，再关闭所述第一环路、所述第二环路并打开所述第三环路给输出端供电。

结合图4、图5所示的对比波形图和实施波形图，其中GATE-K1为所述第一开关管的第一种实施方式，GATE-K2为所述第二开关管的第一种实施方式，GATE-K2A为所述第二开关管的第二种实施方式。

现结合图4、图5，解释所述第一开关管的第一种实施方式与所述第二开关管的第一种实施方式（以下简称K2）、第二种实施方式（以下简称K2A）的结合实施：

在图4中③VCC供电处Vcc电容端对应所述第一开关管K1的开启，以及所述第二开关管的开启、关闭，③VCC供电处为所述第三环路开启，输出电容供电状态；而在所述第一开关管K1启动前，由K2和K2A可见，所述第二开关管K2的状态是开还是关，均对电压无影响；在所述第一开关管启动后（K1的第3个方波），所述第二开关管若是进入开启或维持开启状态，则所述第一环路导通，所述势能变换器处于储能状态，在所述势能变换器储能完成后，关闭所述第二开关管（所述第一环路），此时所述第二环路导通给所述Vcc电容端供电，在Vcc电容端电压上升后，所述第一开关管关闭（所述第一、二环路关闭、所述第三环路导通）给输出端供电，给输出端供电期间对比K2、K2A可见，此时所述第二开关管均对电压无影响；所述第一开关管启动（第1个方波），K2和K2A中所述第二开关管的状态是先关闭再启动并重复一次此动作，既是在给Vcc电容端供电时，两次打开所述第一环路给所述势能变换器储能，期间Vcc电容端出现的波峰表示了其得到充电的供电了。

结合上述解释和图4、图5，可见通过本发明提供的变换器和控制方法实现在开关管导通储能期间还可以随时实现给Vcc电容端供电，进而实现小容量输入电容甚至去除电容后输入电压波动大也能够实现较为稳定输出。其中①②③都是在导通期间同时，将输入通过变换器分压给VCC供电。 ④是退磁期间：若输入比VCC高则是和①②③类似将输入通过变换器分压供电。若输入比VCC低则是将输入和变换器反激串联升压供电。 ⑤是空闲时间，即退磁完成后剩磁谐振或者剩磁为零时候，导通第二环路和①②③类似将输入通过变换器分压供电。

结合上述变换器的结构和控制方法，本发明在实际生产时的原理图参照图6-图8所示，其公布了合封模块的结构图及在两种变压器绕组上的应用。

市场上的产品只能在导通完成后或退磁期间，进行对Vcc供电，其他时间不能够进行供电，使得在输入低谷阶段Vcc供电不足。而本发明除了可以在导通完成后或退磁期间对Vcc供电，还能够在导通期间、退磁完成后进行对Vcc的供电，任意阶段都随时可以给Vcc供电，进而使得输出波动更小，寿命更长。

综上所述，本发明通过将输入端、势能变化器、控制单元组成相应的回路，构成第一、二、三环路，其相对其他接在波动电路或常压输入电路后的变换器体；配合对应的控制方法实现在开关管导通储能期间通过组合三个环路，可以随时实现给Vcc电容端供电，进而实现小容量输入电容甚至去除电容后输入电压波动大也能够实现较为稳定输出，使得变换器总体体积更小、成本更低、寿命更长，以上极大地提高了本发明的实用价值。

以上所述的实施例仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种宽电压输入的变换器，其特征在于，包括：输入端；势能变换器，所述势能变换器为电感或变压器；

所述输入端、所述势能变换器、所述第一开关管、所述第一二极管、Vcc电容电连接组成第二环路，所述Vcc电容是合封模块的供电电容；

2.根据权利要求1所述的一种宽电压输入的变换器，其特征在于，所述势能变换器为电感时：

3.根据权利要求1所述的一种宽电压输入的变换器，其特征在于，当所述势能变换器为电感时：

4.根据权利要求1所述的一种宽电压输入的变换器，其特征在于，当所述势能变换器为电感时：

所述第一开关管的输入端与所述第二二极管的输入端、第三二极管的输出端电连接；

所述输出电容的负极端与第三二极管的输入端电连接，所述输出电容的两端电连接到输出端。

5.根据权利要求1所述的一种宽电压输入的变换器，其特征在于，当所述势能变换器为变压器时：

所述变压器包括输入端绕组和输出端绕组，所述输入端绕组的第一端与所述输入端电连接，所述输入端绕组的第二端与所述第一开关管的输入端电连接，所述输出端绕组的第一端与所述第二二极管的输入端电连接，所述输出端绕组的第二端与所述输出电容的负极端电连接；

所述Vcc电容的第一端与所述输入端、所述第二开关管的输出端电连接，所述Vcc电容的第二端与所述第一二极管的输出端电连接；

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种宽电压输入的变换器，其特征在于，所述输入端为波动输入电路或常压输入电路，所述输入端至少包括：AC输入整流后的电路、AC整流滤波后的电路；所有二极管均可替换为开关管；所有环路上的元器件可调换位置。

7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述的宽电压输入的变换器的控制方法，其特征在于，所述Vcc电容供电无法满足输出要求时候在不同时期导通所述第二环路进行降压或者升压给所述Vcc电容进行供电：

S010，在所述Vcc电容端供电不足时，随时打开所述第二环路给所述Vcc电容端供电，以保障整体变换器正常工作，并通过控制将输入端能量转化到所述势能变换器里，然后导通所述第三环路，将所述势能变换器内存储的能量传递到输出。

8.根据权利要求7所述的一种宽电压输入的变换器的控制方法，其特征在于，还包括以下任意一种或多种：S020，在输入端为低压或所述Vcc电容端驱动能力不足时，先导通所述第二环路给所述Vcc电容端供电，在所述Vcc电容端供电充足后再打开所述第一环路给所述势能变换器储能，输出端需要供电时，关闭所述第一环路和所述第二环路并打开所述第三环路；

S021，在退磁期间，所述Vcc电容供电不足时，打开所述第二环路同时给变换器和所述Vcc电容端分压供电，或者此时当输入低于所述Vcc电容的电压，输入和变换器串联升压给所述Vcc电容供电；

S022，在退磁完成后，打开所述第二环路同时给变换器和所述Vcc电容端分压供电；

S030，在输入端电压正常和所述Vcc电容端供电正常时，打开所述第一环路给所述势能变换器充电储能并在储能完成后关闭所述第一环路，所述Vcc电容端需要供电时打开所述第二环路。

9.根据权利要求7所述的一种宽电压输入的变换器的控制方法，其特征在于，还包括：S040，在打开所述第一环路期间，若所述Vcc电容端供电能力不足，可打开所述第二环路给所述Vcc电容端供电，并在所述势能变换器完成储能前根据需要循环供电，在所述势能变换器完成储能后，再关闭所述第一环路、所述第二环路并打开所述第三环路给输出端供电。

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的一种宽电压输入的变换器的控制方法，其特征在于，S010、S020、S021、S022、S030、S040中的任意一种或多种自由组合或重复使用给所述Vcc电容供电，以保障整体变换器正常工作，通过控制将输入端的能量转化到所述势能变换器里，最后导通所述第三环路，将所述势能变换器内存储的能量传递到输出。