CN114710040A - 一种小功率电源变压器磁饱和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，涉及变压器磁饱和控制技术领域，包括输入整流滤波单元、输入滤波单元、输出电压检测单元、输入检测控制单元，通过输入整流滤波单元侦测输入电压波形以作为频率检测的参考，通过输出电压检测单元和输入检测控制单元获得变压器的初级线圈T1B的输出情况及变压器的取样线圈T1A的输出情况，并依据上述情况进而控制通过变压器的初级线圈T1B的励磁电源，控制方式灵活多变，以避免变压器处于磁饱和状态，并通过输入整流滤波单元、输入滤波单元、变压器的电路布置，解决传统模式存在漏电流测试规格超标，安规电压超标，信号功率超标，传输平衡规格超标的情况，使得本控制系统的效率大大提高。

Description

一种小功率电源变压器磁饱和控制系统

技术领域

本发明涉及变压器磁饱和控制技术领域，具体为一种小功率电源变压器磁饱和控制系统。

背景技术

变压器的铁芯是磁性材料，但通过单元段的磁通量是有限的。当磁通密度增加到一定值时，通过铁芯的磁通量不会增加或增加很慢。这个时候，我们说铁芯饱和了，也就是说变压器饱和了。变压器饱和会导致变压器失去储能能力，直接成为电路中的一种通路状态。在变压器运行过程中，磁场是由电流产生的，磁场强度随着电流和电压的增加而增加，但这种增加并不是无限的。当变压器内部磁场达到一定水平时，电流的增加并不能使磁场强度增加。此时认为变压器达到“磁饱和”，将变压器达到磁饱和时的电流强度作为变压器的饱和电流。一般来说，电感器的工作电流超过饱和电流，或者磁铁(如变压器铁芯)的磁导率太低，体积不够(磁力线密度太大)，容易造成磁饱和。磁饱和也只是变压器质量故障的一种体现。

简单地说，如果在磁芯线圈中加入电流，产生的磁场也会随着电流的增加而增强。当电流达到一定水平时，产生的磁场不会继续增强。此时，磁芯和线圈将进入饱和区，磁芯处于饱和状态。变压器初级通过的电流已经让铁心饱和，从能量传递的角度看，初级能量不能传递给次级能量；同样，如果是线圈，在饱和状态下自感会大大降低甚至消失，剩下的就是线圈的直流电阻。当然，通过的电流会增加，导致被连接的设备部件被过电流损坏。以下是变压器饱和的几种不良现象：

1-变压器一次侧受热甚至爆炸。

2-变压器不工作。

3变压器因开路烧毁MOSFET甚至电路板。

4-由于变压器饱和，客户产品的实际功率无法达到设计功率。

变压器在铁芯满负荷工作时，由于其单位面积的磁通量不能再增加，所以一次线圈的每伏匝数比一次电压的匝数高，但是它的二次电压不会随着初级阶段的比例而增加，即二次电压会得到平衡。如果一次电压进一步升高，初级线圈只会产生热量，不会提高效率

现有电源设计方案采用的都是常规线路，其优点是线路简单，传统模拟IC，其工作模式一般固定为CCM(连续工作模式)、BCM(临界工作模式)、DCM(断续工作模式)其中的一种。

CCM模式适合于大功率场合使用，其优点为电感电流峰值小，磁性元件体积小。缺点为MOS损耗大，效率不高，控制方式较复杂。

BCM模式适合于中小功率场合使用，其优点为开关频率不固定，EMC好，控制方式较简单。缺点为电感电流峰值较大。

DCM模式适合于中小功率场合使用，其优点为输入电流波形自然跟随输入电压波形，控制方式简单。缺点为电感电流峰值很大。

综上可知，现有传统模拟IC单一工作模式电路均有不同的缺点，均不能满足高功率密度、小体积的要求。为了综合各种工作模式的优点，减小各种工作模式的缺点，解决传统模式存在漏电流测试规格超标，安规电压超标，信号功率超标，传输平衡规格超标，以及变压器出现磁饱和的情况提出本发明。

发明内容

本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，包括

由整流桥堆BD1、启动电阻R1、启动电阻R2组成的输入整流滤波单元，用于将输入的交流电整流为直流电，同时将后端的锯齿波电流整形为接近正弦包络的电流波形；

用于整流后平滑滤波的输入滤波单元；

由电阻R9、电阻R10、电阻R13、电阻R5、电阻R6、贴片电容C6、贴片电容C4组成的输出电压检测单元，用于侦测变压器的取样线圈T1A的输出电压及侦测变压器的初级线圈T1B的输出电压并提供反馈信息；

由单片机U1、贴片二极管D2、电容C7、电阻R7、电阻R8、场效应管Q1为主构成的输入检测控制单元，用于侦测输入电压波形以作为频率检测的参考，以及用于完成对输出电压信号的反馈获取及判断，同时依据上述信息进行计算，在单片机U1的输出端OUT输出不同的PWM频率，控制轻重载及输入电压的工作模式；

其中，整流桥堆BD1的正输出端通过启动电阻R1与启动电阻R2所构成的电阻串连接在单片机U1上具有内部ADC功能的输入端VCC上；输入滤波单元的输入端连接在整流桥堆BD1的正输出端上；变压器的初级线圈T1B的输入端通过一共模电感LF1与整流桥堆BD1的正输出端连接，变压器的次级线圈T1C用于为后级电路提供电平；贴片二极管D2的正极通过电阻R7与变压器的取样线圈T1A的输出端连接，贴片二极管D2的负极与单片机U1上具有内部ADC功能的反馈端FB连接，单片机U1的输入端VCC通过电容C7接地，场效应管Q1的栅极通过电阻R8与单片机U1上具有内部PWM功能的输出端OUT连接；电阻R9和电阻R10串联后连接在变压器的取样线圈T1A的两端，电阻R9和电阻R10的分压点与单片机U1的反馈端FB连接，电阻R9和电阻R10的分压点还通过贴片电容C4与变压器的取样线圈T1A的输入端连接，电阻R5和电阻R6并联后的一端与场效应管Q1的漏极连接，另一端接地，电阻R13的一端与单片机U1上具有内部ADC功能的反馈端CS连接，另一端与场效应管Q1的漏极连接，贴片电容C6的一端与单片机U1的反馈端CS连接，另一端接地。

控制轻重载及输入电压的工作模式包括以下步骤：

步骤一、在单片机U1的程序存储器中装载FB端4.9V以上电压鉴别程序模块、FB端2.5V～4.9V电压鉴别程序模块、FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块、FB端1.5V以下电压鉴别程序模块、CS端0.7V以下电压鉴别程序模块、固定频率模式PWM输出程序模块、降低频率模式PWM输出程序模块、间歇模式PWM输出程序模块、过流保护程序模块、过载保护程序模块、峰值电流控制程序模块，所述各个程序模块的指令适于由单片机U1的主控处理器加载并执行；

其中，所述固定频率模式PWM输出程序模块、降低频率模式PWM输出程序模块、间歇模式PWM输出程序模块均为设定场效应管Q1的导通时间，且固定频率模式导通效应管Q1的占空比>降低频率模式导通效应管Q1的占空比>间歇模式导通效应管Q1的占空比；

在FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块中设定“降低频率”是：当FB端的电压值低于2.5V时，随着负载的降低，PWM导通效应管Q1的占空比同步下降；

步骤二、在整流桥堆BD1的两个交流输入端通电，单片机U1通过VCC引脚侦测输入电压波形以作为频率检测的参考；

步骤三、当变压器的初级线圈T1B进入工作阶段后，检测输出频率、侦测变压器的取样线圈T1A的输出电压及侦测变压器的初级线圈T1B的输出电压；

步骤四、当FB端的电压大于4.9V时，启动过载保护程序模块使系统工作于过载保护模式，然后转步骤九；

步骤五、当FB端的电压不大于4.9V不小于2.5V时，启动固定频率模式PWM输出程序模块以及启动峰值电流控制程序模块使系统工作于固定频率模式，然后转步骤九；

步骤六、当FB端的电压小于2.5V不小于1.5V时，启动降低频率模式PWM输出程序模块使系统工作于降低频率模式，同时系统进入谷底导通，并随着负载的降低，输出频率同步下降，提高系统效率和降低输出噪声，然后转步骤九；

步骤七、当FB端的电压小于1.5V时，启动间歇模式PWM输出程序模块使系统工作于间歇模式，降低功率和降低输出噪声，然后转步骤九；

步骤八、当CS脚的电压小于0.7V时，启动过流保护程序模块使系统工作于过流保护模式，然后转步骤九；

步骤九、持续运行，转步骤三；如停止运行，转步骤十；

步骤十、结束。

作为本发明进一步技术方案：在FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块中设定“降低频率”是：当反馈端FB的电压值低于2.5V时，每递减0.1V，PWM导通效应管Q1的占空比减少10％。

作为本发明进一步技术方案：输入滤波单元由滤波电容C1、滤波电容C2、电阻R3、电阻R4、吸收电容C3、吸收电容C3A、阻尼二极管D1组成；其中，电阻R3、电阻R4、吸收电容C3、吸收电容C3A构成一初级吸收回路。

作为本发明进一步技术方案：变压器的次级线圈T1C通过一输出滤波单元为后级电路提供稳定的电平，输出滤波单元由二极管D3、二极管D4、电解电容C9、电容C11、电阻R16、电阻R17组成；其中，二极管D3和二极管D4并联用于整流，电阻R16、电阻R17、电容C11构成一次级吸收回路。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：通过输入整流滤波单元侦测输入电压波形以作为频率检测的参考，通过输出电压检测单元和输入检测控制单元获得变压器的初级线圈T1B的输出情况及变压器的取样线圈T1A的输出情况，并依据上述情况进而控制通过变压器的初级线圈T1B的励磁电源，控制方式灵活多变，以避免变压器处于磁饱和状态，并通过输入整流滤波单元、输入滤波单元、变压器的电路布置，解决传统模式存在漏电流测试规格超标，安规电压超标，信号功率超标，传输平衡规格超标的情况，使得本控制系统的效率大大提高。

附图说明

图1是本发明所涉及的电路原理图；

图2是本发明所涉及的单片机内装载的程序模块原理方框图；

图3是本发明所涉及的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，包括

由整流桥堆BD1、启动电阻R1、启动电阻R2组成的输入整流滤波单元，用于将输入的交流电整流为直流电，同时将后端的锯齿波电流整形为接近正弦包络的电流波形；

用于整流后平滑滤波的输入滤波单元；

由电阻R9、电阻R10、电阻R13、电阻R5、电阻R6、贴片电容C6、贴片电容C4组成的输出电压检测单元，用于侦测变压器的取样线圈T1A的输出电压及侦测变压器的初级线圈T1B的输出电压并提供反馈信息；

由单片机U1、贴片二极管D2、电容C7、电阻R7、电阻R8、场效应管Q1为主构成的输入检测控制单元，用于侦测输入电压波形以作为频率检测的参考，以及用于完成对输出电压信号的反馈获取及判断，同时依据上述信息进行计算，在单片机U1的输出端OUT输出不同的PWM频率，控制轻重载及输入电压的工作模式；

其中，整流桥堆BD1的正输出端通过启动电阻R1与启动电阻R2所构成的电阻串连接在单片机U1上具有内部ADC功能的输入端VCC上；输入滤波单元的输入端连接在整流桥堆BD1的正输出端上；变压器的初级线圈T1B的输入端通过一共模电感LF1与整流桥堆BD1的正输出端连接，变压器的次级线圈T1C用于为后级电路提供电平；贴片二极管D2的正极通过电阻R7与变压器的取样线圈T1A的输出端连接，贴片二极管D2的负极与单片机U1上具有内部ADC功能的反馈端FB连接，单片机U1的输入端VCC通过电容C7接地，场效应管Q1的栅极通过电阻R8与单片机U1上具有内部PWM功能的输出端OUT连接；电阻R9和电阻R10串联后连接在变压器的取样线圈T1A的两端，电阻R9和电阻R10的分压点与单片机U1的反馈端FB连接，电阻R9和电阻R10的分压点还通过贴片电容C4与变压器的取样线圈T1A的输入端连接，电阻R5和电阻R6并联后的一端与场效应管Q1的漏极连接，另一端接地，电阻R13的一端与单片机U1上具有内部ADC功能的反馈端CS连接，另一端与场效应管Q1的漏极连接，贴片电容C6的一端与单片机U1的反馈端CS连接，另一端接地。

通过输入整流滤波单元侦测输入电压波形以作为频率检测的参考，通过输出电压检测单元和输入检测控制单元获得变压器的初级线圈T1B的输出情况及变压器的取样线圈T1A的输出情况，并依据上述情况进而控制通过变压器的初级线圈T1B的励磁电源，控制方式灵活多变，以避免变压器处于磁饱和状态，并通过输入整流滤波单元、输入滤波单元、变压器的电路布置，解决传统模式存在漏电流测试规格超标，安规电压超标，信号功率超标，传输平衡规格超标的情况，使得本控制系统的效率大大提高。

控制轻重载及输入电压的工作模式包括以下步骤：

步骤一、在单片机U1的程序存储器11中装载FB端4.9V以上电压鉴别程序模块101、FB端2.5V～4.9V电压鉴别程序模块102、FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块103、FB端1.5V以下电压鉴别程序模块104、CS端0.7V以下电压鉴别程序模块105、固定频率模式PWM输出程序模块106、降低频率模式PWM输出程序模块108、间歇模式PWM输出程序模块109、过流保护程序模块110、过载保护程序模块111、峰值电流控制程序模块107，所述各个程序模块的指令适于由单片机U1的主控处理器12加载并执行；

其中，所述固定频率模式PWM输出程序模块106、降低频率模式PWM输出程序模块108、间歇模式PWM输出程序模块109均为设定场效应管Q1的导通时间，且固定频率模式导通效应管Q1的占空比>降低频率模式导通效应管Q1的占空比>间歇模式导通效应管Q1的占空比；

在FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块103中设定“降低频率”是：当FB端的电压值低于2.5V时，随着负载的降低，PWM导通效应管Q1的占空比同步下降；

步骤二、在整流桥堆BD1的两个交流输入端通电，单片机U1通过VCC引脚侦测输入电压波形以作为频率检测的参考；

步骤三、当变压器的初级线圈T1B进入工作阶段后，检测输出频率、侦测变压器的取样线圈T1A的输出电压及侦测变压器的初级线圈T1B的输出电压；

步骤四、当FB端的电压大于4.9V时，启动过载保护程序模块111使系统工作于过载保护模式，然后转步骤九；

步骤五、当FB端的电压不大于4.9V不小于2.5V时，启动固定频率模式PWM输出程序模块106以及启动峰值电流控制程序模块107使系统工作于固定频率模式，然后转步骤九；

步骤六、当FB端的电压小于2.5V不小于1.5V时，启动降低频率模式PWM输出程序模块108使系统工作于降低频率模式，同时系统进入谷底导通，并随着负载的降低，输出频率同步下降，提高系统效率和降低输出噪声，然后转步骤九；

步骤七、当FB端的电压小于1.5V时，启动间歇模式PWM输出程序模块109使系统工作于间歇模式，降低功率和降低输出噪声，然后转步骤九；

步骤八、当CS脚的电压小于0.7V时，启动过流保护程序模块110使系统工作于过流保护模式，然后转步骤九；

步骤九、持续运行，转步骤三；如停止运行，转步骤十；

步骤十、结束。

通过侦测输入电压波形以作为频率检测的参考，然后通过侦测、获取及判断变压器的初级线圈T1B的输出情况、变压器的取样线圈T1A的输出情况，同时依据上述信息进行计算，进而控制通过变压器的初级线圈T1B的励磁电源，以避免变压器处于磁饱和状态。

其中，变压器的初级线圈T1B的输出情况为输出电压信号，变压器的取样线圈T1A的输出情况除包括输出电压信号外，通过贴片二极管D2和电阻R7的电路布置，使得变压器的取样线圈T1A的输出情况还包括输出频率信号，以使得单片机U1的输入端VCC能得到较好的频率反馈，调节PWM输出时更准确。

将传统模拟集成电路更换为可编程的智能主控单片微计算机，智能化输出多模式PWM，以及过载保护和过流保护，使得控制通过变压器的初级线圈T1B的励磁电源的控制方式更智能、多样。控制方式包括过载保护方式、过流保护方式、固定频率导通方式、随负载降低对应降低输出频率的降低频率导通方式、间歇导通方式，更能满足变压器在多种情况下避免磁饱和的情况发生。

在FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块103中设定“降低频率”是：当反馈端FB的电压值低于2.5V时，每递减0.1V，PWM导通效应管Q1的占空比减少10％。

输入滤波单元由滤波电容C1、滤波电容C2、电阻R3、电阻R4、吸收电容C3、吸收电容C3A、阻尼二极管D1组成；其中，电阻R3、电阻R4、吸收电容C3、吸收电容C3A构成一初级吸收回路。

变压器的次级线圈T1C通过一输出滤波单元为后级电路提供稳定的电平，输出滤波单元由二极管D3、二极管D4、电解电容C9、电容C11、电阻R16、电阻R17组成；其中，二极管D3和二极管D4并联用于整流，电阻R16、电阻R17、电容C11构成一次级吸收回路。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，其特征在于，包括

由整流桥堆BD1、启动电阻R1、启动电阻R2组成的输入整流滤波单元，用于将输入的交流电整流为直流电，同时将后端的锯齿波电流整形为接近正弦包络的电流波形；

用于整流后平滑滤波的输入滤波单元；

由电阻R9、电阻R10、电阻R13、电阻R5、电阻R6、贴片电容C6、贴片电容C4组成的输出电压检测单元，用于侦测变压器的取样线圈T1A的输出电压及侦测变压器的初级线圈T1B的输出电压并提供反馈信息；

由单片机U1、贴片二极管D2、电容C7、电阻R7、电阻R8、场效应管Q1为主构成的输入检测控制单元，用于侦测输入电压波形以作为频率检测的参考，以及用于完成对输出电压信号的反馈获取及判断，同时依据上述信息进行计算，在单片机U1的输出端OUT输出不同的PWM频率，控制轻重载及输入电压的工作模式；

其中，整流桥堆BD1的正输出端通过启动电阻R1与启动电阻R2所构成的电阻串连接在单片机U1上具有内部ADC功能的输入端VCC上；输入滤波单元的输入端连接在整流桥堆BD1的正输出端上；变压器的初级线圈T1B的输入端通过一共模电感LF1与整流桥堆BD1的正输出端连接，变压器的次级线圈T1C用于为后级电路提供电平；贴片二极管D2的正极通过电阻R7与变压器的取样线圈T1A的输出端连接，贴片二极管D2的负极与单片机U1上具有内部ADC功能的反馈端FB连接，单片机U1的输入端VCC通过电容C7接地，场效应管Q1的栅极通过电阻R8与单片机U1上具有内部PWM功能的输出端OUT连接；电阻R9和电阻R10串联后连接在变压器的取样线圈T1A的两端，电阻R9和电阻R10的分压点与单片机U1的反馈端FB连接，电阻R9和电阻R10的分压点还通过贴片电容C4与变压器的取样线圈T1A的输入端连接，电阻R5和电阻R6并联后的一端与场效应管Q1的漏极连接，另一端接地，电阻R13的一端与单片机U1上具有内部ADC功能的反馈端CS连接，另一端与场效应管Q1的漏极连接，贴片电容C6的一端与单片机U1的反馈端CS连接，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，其特征在于，控制轻重载及输入电压的工作模式包括以下步骤：

步骤一、在单片机U1的程序存储器中装载FB端4.9V以上电压鉴别程序模块、FB端2.5V～4.9V电压鉴别程序模块、FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块、FB端1.5V以下电压鉴别程序模块、CS端0.7V以下电压鉴别程序模块、固定频率模式PWM输出程序模块、降低频率模式PWM输出程序模块、间歇模式PWM输出程序模块、过流保护程序模块、过载保护程序模块、峰值电流控制程序模块，所述各个程序模块的指令适于由单片机U1的主控处理器加载并执行；

其中，所述固定频率模式PWM输出程序模块、降低频率模式PWM输出程序模块、间歇模式PWM输出程序模块均为设定场效应管Q1的导通时间，且固定频率模式导通效应管Q1的占空比>降低频率模式导通效应管Q1的占空比>间歇模式导通效应管Q1的占空比；

在FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块中设定“降低频率”是：当FB端的电压值低于2.5V时，随着负载的降低，PWM导通效应管Q1的占空比同步下降；

步骤二、在整流桥堆BD1的两个交流输入端通电，单片机U1通过VCC引脚侦测输入电压波形以作为频率检测的参考；

步骤三、当变压器的初级线圈T1B进入工作阶段后，检测输出频率、侦测变压器的取样线圈T1A的输出电压及侦测变压器的初级线圈T1B的输出电压；

步骤四、当FB端的电压大于4.9V时，启动过载保护程序模块使系统工作于过载保护模式，然后转步骤九；

步骤五、当FB端的电压不大于4.9V不小于2.5V时，启动固定频率模式PWM输出程序模块以及启动峰值电流控制程序模块使系统工作于固定频率模式，然后转步骤九；

步骤六、当FB端的电压小于2.5V不小于1.5V时，启动降低频率模式PWM输出程序模块使系统工作于降低频率模式，同时系统进入谷底导通，并随着负载的降低，输出频率同步下降，提高系统效率和降低输出噪声，然后转步骤九；

步骤七、当FB端的电压小于1.5V时，启动间歇模式PWM输出程序模块使系统工作于间歇模式，降低功率和降低输出噪声，然后转步骤九；

步骤八、当CS脚的电压小于0.7V时，启动过流保护程序模块使系统工作于过流保护模式，然后转步骤九；

步骤九、持续运行，转步骤三；如停止运行，转步骤十；

步骤十、结束。

3.根据权利要求2所述的一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，其特征在于，在FB端2.5V以下及不低于1.5V电压鉴别程序模块中设定“降低频率”是：当反馈端FB的电压值低于2.5V时，每递减0.1V，PWM导通效应管Q1的占空比减少10％。

4.根据权利要求1所述的一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，其特征在于，输入滤波单元由滤波电容C1、滤波电容C2、电阻R3、电阻R4、吸收电容C3、吸收电容C3A、阻尼二极管D1组成；

其中，电阻R3、电阻R4、吸收电容C3、吸收电容C3A构成一初级吸收回路。

5.根据权利要求1所述的一种小功率电源变压器磁饱和控制系统，其特征在于，变压器的次级线圈T1C通过一输出滤波单元为后级电路提供稳定的电平，输出滤波单元由二极管D3、二极管D4、电解电容C9、电容C11、电阻R16、电阻R17组成；

其中，二极管D3和二极管D4并联用于整流，电阻R16、电阻R17、电容C11构成一次级吸收回路。

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