CN116345884A - 一种开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源，包括变压器、初级侧回路、次级侧回路和初级侧供电电路，初级侧回路为半桥谐振电路，初级侧供电回路包括第一电容、第一二极管、第二电容和第三开关管，第二电容一端为供电电路的输入端，连接变压器原边绕组另一端，第二电容另一端同时连接第一二极管的阳极和第三开关管一端，第一二极管的阴极和第一电容一端连接在一起为供电电路的输出端，第三开关管另一端和第一电容另一端连接在一起为供电电路的接地端，连接第二开关管的源极；第三开关管被配置为当第一电容两端电压小于或等于预设阈值电压时关断，当第一电容两端电压大于预设阈值电压时导通。本发明开关电源的成本更低、体积更小；控制实现更简单，可集成度更高。

Description

一种开关电源
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种开关电源。
背景技术
开关电源电路通过开关管的导通和关断以将输入信号转换为输出信号，一般开关电源电路采用控制装置来控制开关管的导通和关断，且该控制装置需要直流电压进行供电。在开关电源电路中，常采用低压差线性调节器、集成钳位电路等方式产生供电电压信号。虽然采用低压差线性调节器和集成钳位电路产生供电电压信号的结构简单，但是损耗很大，导致开关电源效率降低。
第三绕组供电是一种能够很好地产生供电电压信号的电路方案。以不对称半桥反激式变压器电路为例，如图1所示为一种常见的采用第三绕组供电方案的电路，包括变压器、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、电容C1、电容C2、控制装置和次级侧回路，其中电容C2两端的电压为控制装置的供电电压Vcc。这种方式供电损耗小，开关电源效率较高。但是第三绕组的供电电压信号需要等输出电压建立后才能建立起来，因此在开关电源电路刚启动时需要通过额外启动电路为供电电容C2进行充电，并且需要供电电容C2维持供电一段时间，应用时一般要求启动电流足够大或供电电容C2的容值足够大。而且采用第三绕组供电的方案需要增加一个变压器的辅助绕组，这会使得开关电源成本变高，体积增大。
另外，在具有恒流功能的产品中，如果恒流电压很低，恒流过程中第三绕组供电无法提供足够的供电电压，这种情况下通常需要正反激供电，供电电路更复杂，成本高，因此有必要对开关电源的供电电路进行优化和改进。
发明内容
有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源，至少在一定程度上能解决上述现有技术问题的不足。
本发明实施例采用的技术方案如下：
一种开关电源，包括变压器、初级侧回路、次级侧回路和初级侧供电电路，所述初级侧回路为半桥谐振电路，所述半桥谐振电路的桥臂中包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，所述第一开关管Q1的漏极连接所述开关电源的输入正端，所述第一开关管Q1的源极和所述第二开关管Q2的漏极的连接点耦接所述变压器原边绕组一端，所述第二开关管Q2的源极同时耦接所述变压器原边绕组另一端和所述开关电源的原边输入地端；所述初级侧供电回路包括第一电容、第一二极管、第二电容和第三开关管，所述第二电容一端作为所述供电电路的输入端，连接所述变压器原边绕组另一端，所述第二电容另一端同时连接所述第一二极管的阳极和所述第三开关管一端，所述第一二极管的阴极和所述第一电容一端连接在一起作为所述供电电路的输出端，所述第三开关管另一端和所述第一电容另一端连接在一起作为所述供电电路的接地端，连接所述第二开关管Q2的源极；所述第三开关管被配置为当所述第一电容两端的电压小于或等于预设阈值电压时关断，当所述第一电容两端的电压大于所述预设阈值电压时导通。
进一步地，所述第三开关管被配置为导通与关断存在一回差，即当所述第一电容两端的电压小于或等于第一预设阈值电压Vth1时关断，当所述第一电容两端的电压大于或等于第二预设阈值电压Vth2时导通，所述第一预设阈值电压Vth1小于所述第二预设阈值电压Vth2。
进一步地，所述开关电源还包括第三绕组和二极管D4，所述二极管D4的阳极连接所述第三绕组一端，所述二极管D4的阴极连接所述供电电路的输出端，所述第三绕组另一端连接所述开关电源的原边输入地端，所述第三绕组的供电电压大于所述第二预设值Vth2。
进一步地，所述第一电容为所述半桥谐振电路中的谐振电容。
进一步地，所述初级侧回路为半桥LLC式谐振电路。
进一步地，所述第一电容为所述半桥LLC式谐振电路中的谐振电容。
优选地，所述第三开关管为MOS管。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明实施例通过对第三开关管的开关状态进行控制，一方面，可以保证在开关电源电路刚启动时就建立足够的供电电压信号，减少开关电源的启机时间，简化了供电电路结构，允许减小供电电容的容值和开关电源电路所需的启动电流，使得开关电源的成本更低、体积更小；另一方面，第三开关管的工作时序与半桥谐振电路中第一开关管和第二开关管互相独立，控制实现更简单，可集成度更高，从而能拓展其应用场景。
附图说明
图1为应用现有技术的一种第三绕组供电方式的开关电源原理图；
图2为本发明第一实施例的开关电源的原理图；
图3为第一实施例提供的开关电源的关键工作过程波形图；
图4为本发明第二实施例的开关电源的原理图；
图5为第二实施例提供的开关电源的关键工作过程波形图；
图6为本发明第三实施例的开关电源的原理图；
图7为本发明第四实施例的开关电源的原理图；
图8为本发明第四实施例的开关电源的原理图；
图9为本发明第五实施例的开关电源的原理图。
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明显易懂，下面将结合具体实施方式和说明书附图对本发明及其有益效果作进一步详细说明，但是，本发明的具体实施方式并不局限于此。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中描述的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列元器件、单元电路或控制时序不必限于清楚地列出的那些元器件、单元电路或控制时序，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些电路固有的元器件、单元电路或控制时序。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
此外，本公开附图仅为本公开的示意图，并非一定是按比例绘制。附图中相同的标记表示相同或类似的部分，因而将省略对其重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以运用软件来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
第一实施例
图2为本发明第一实施例的开关电源的原理图，请参见图2，其中的开关电源包括变压器T1、初级侧回路、次级侧回路和初级侧供电电路，初级侧回路为半桥谐振电路，半桥谐振电路的桥臂中包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1的漏极连接开关电源的输入正端Vin，第一开关管Q1的源极和第二开关管Q2的漏极的连接点耦接变压器T1原边绕组一端，第二开关管Q2的源极同时耦接变压器原边绕组另一端和开关电源的原边输入地端；初级侧供电回路包括第一电容C2、第一二极管D1、第二电容C3和第三开关管Q3，第二电容C3一端作为供电电路的输入端，连接变压器T1原边绕组另一端，第二电容C3另一端同时连接第一二极管D1的阳极和第三开关管Q3一端，第一二极管D1的阴极和第一电容C2一端连接在一起作为供电电路的输出端VCC，第三开关管Q3另一端和第一电容C2另一端连接在一起作为供电电路的接地端，连接第二开关管Q2的源极；第三开关管Q3被配置为当第一电容C2两端的电压小于或等于预设阈值电压时关断，当第一电容C2两端的电压大于预设阈值电压时导通。
其中，第二开关管Q2的源极耦接变压器原边绕组另一端指的是第二开关管Q2的源极与变压器原边绕组另一端没有直接连接，而是通过谐振电容C1间接连接；第二开关管Q2的源极耦接开关电源的原边输入地端指的是第二开关管Q2的源极和开关电源的原边输入地端没有直接连接，而是通过电阻R1间接连接。
进一步地，第三开关管Q3被配置为导通与关断存在一回差，即当第一电容C2两端的电压小于或等于第一预设阈值电压Vth1时关断，当第一电容C2两端的电压大于或等于第二预设阈值电压Vth2时导通，第一预设阈值电压Vth1小于第二预设阈值电压Vth2。
其中，当第一电容C2两端的电压小于或等于第一预设阈值电压Vth1时第三开关管Q3被配置为关断，以使流入变压器T1原边绕组一端的的正向谐振电流ILr为第二电容C3充电，并继续通过第一二极管D1为第一电容C2充电；
其中，当第一电容C2两端的电压大于或等于第二预设阈值电压Vth2时第三开关管Q3被配置为导通，第一电容C2被第三开关管Q3旁路，停止为第一电容C2充电，流入变压器T1原边绕组一端的的正向谐振电流ILr只为第二电容C3充电。
图3为第一实施例提供的开关电源的关键工作过程波形图，其中，Vcc为控制装置的供电电压；SW1为第一开关管Q1的驱动波形，高电平时导通、低电平时关断；SW2为第二开关管Q2的驱动波形，高电平时导通、低电平时关断；SW3为第三开关管Q3的驱动波形，高电平时导通、低电平时关断；ILr为流经变压器原边绕组的谐振电流。请参见图3，在开关电源每个工作周期中第一开关管Q1导通、第二开关管Q2关断的状态下，可以将供电电压Vcc的充电分为三个细分的时间段：
在（t0~t1）时间段内，第一电容C2两端的电压Vcc小于或等于第一预设阈值电压Vth1，控制第三开关管Q3为关断状态，第一开关管Q1导通，开关电源输入正端Vin的电能对变压器T1原边绕组激磁，流入变压器原边绕组一端的正向谐振电流ILr为第二电容C3充电，并继续通过第一二极管D1为第一电容C2充电，充电电流逐渐增大；第一开关管Q1关断后，变压器T1原边绕组中存储的能量向次级侧电路传递能量，这一过程内正向的谐振电流ILr对变压器T1的原边绕组去磁，充电电流逐渐减小。这一时间段内开关电源工作于充电状态。
在（t1~t2）时间段内，第一电容C2两端的电压Vcc会大于或等于第二预设值Vth2，控制第三开关管Q3导通，第一二极管D1和第一电容C2被第三开关管Q3旁路，在谐振电流ILr为正向或负向的任意时刻均不会为第一电容C2充电，这一时间段又称为充电停止状态。
在第三时间段内（t2~t3），第一电容C2两端的电压Vcc小于第一预设阈值电压Vth1，第三开关管Q3关断，为下一个开关周期充电过程作准备。这一时间段内负向的谐振电流ILr无法为第一电容C2充电，开关电源处于预备充电状态，直到谐振电流ILr方向翻转为正向。
本实施例通过对第三开关管Q3的开关状态进行控制，一方面，可以保证在开关电源电路刚启动时就建立足够的供电电压信号，减少开关电源的启机时间，简化了供电电路结构，允许减小供电电容C1的容值和开关电源电路所需的启动电流，使得开关电源的成本更低、体积更小；另一方面，第三开关管Q3的工作时序与半桥谐振电路中第一开关管Q1和第二开关管Q2互相独立，控制实现更简单，可集成度更高，从而能拓展其应用场景。
第二实施例
图4为本发明第二实施例的开关电源的原理图，请参见图4，本实施例与第一实施例不同之处在于：开关电源还包括第三绕组和二极管D4，二极管D4的阳极连接第三绕组一端，二极管D4的阴极连接供电电路的输出端，第三绕组另一端连接开关电源的原边输入地端，第三绕组的供电电压大于第二预设值Vth2。
图5为第二实施例提供的开关电源的关键工作过程波形图，第二实施例的开关电源可以实现启动过程和稳态工作过程中初级侧供电电路供电的解耦，在第三绕组的供电电压建立之前通过控制第三开关管Q3的开关状态为控制装置供电，在第三绕组的供电电压建立之后，由第三绕组为控制装置供电，因此要求第三绕组的供电电压大于第二预设值Vth2，即开关电源在稳态工作过程中控制装置将控制第三开关管Q3保持导通。
本实施方式可以在兼顾启动过程和稳态工作过程初级侧供电电路供电效果的同时，进一步降低启动电流需求和减小供电电容的容值，提高开关电源的可靠性，并使开关电源获得更优的效率。
第三实施例
图6为本发明第三实施例的开关电源的原理图，请参见图6，本实施例与图2不同之处在于：图2的开关电源次级侧回路为半波整流，本实施例为全波整流。，
参见图7，为本实施例开关电源电路工作波形图，本实施例开关电源的工作原理与第一实施例一致，此处不再赘述。
第四实施例
图8为本发明第四实施例的开关电源的原理图，请参见图8，与图2不同之处在于：第一电容为半桥谐振电路中的谐振电容C1。此时第二电容C3和第一二极管D1位于初级侧回路，从而也能为第一电容充电，实现与图2开关电源一致的技术效果。
本实施例的开关电源在兼顾供电电压供电效果的同时，能进一步简化初级侧供电电路的结构，使得开关电源的成本更低、可集成度更高。
第五实施例
图9为本发明第五实施例的开关电源的原理图，请参见图9，与第三实施例不同之处在于：在本实施例中，半桥谐振电路为半桥LLC式变压器电路，即开关电源的初级侧回路还包括谐振电感L1；此外第一电容为半桥LLC式谐振电路中的谐振电容，即第一电容为半桥LLC式谐振电路中的谐振电容C1，此时第二电容C3和第一二极管D1位于初级侧回路，从而也能为第一电容充电。本实施例开关电源的工作原理与第一实施例一致，此处不再赘述。
应当理解的是，尽管出于帮助更好地了解和理解本发明而描述了本发明的具体实施例，然而还存在与实施例等同的其他实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以上实施例以图解说明的方式而非限制方式给出示例，因此任何不脱离本发明的精神或实质而对该实施例所记载的技术方案中的全部或部分技术特性进行修改或替换，均应视为涵盖于权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种开关电源，其特征在于：包括变压器、初级侧回路、次级侧回路和初级侧供电电路，所述初级侧回路为半桥谐振电路，所述半桥谐振电路的桥臂中包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，所述第一开关管Q1的漏极连接所述开关电源的输入正端，所述第一开关管Q1的源极和所述第二开关管Q2的漏极的连接点耦接所述变压器原边绕组一端，所述第二开关管Q2的源极同时耦接所述变压器原边绕组另一端和所述开关电源的原边输入地端；所述初级侧供电回路包括第一电容、第一二极管、第二电容和第三开关管，所述第二电容一端作为所述供电电路的输入端，连接所述变压器原边绕组另一端，所述第二电容另一端同时连接所述第一二极管的阳极和所述第三开关管一端，所述第一二极管的阴极和所述第一电容一端连接在一起作为所述供电电路的输出端，所述第三开关管另一端和所述第一电容另一端连接在一起作为所述供电电路的接地端，连接所述第二开关管Q2的源极；所述第三开关管被配置为当所述第一电容两端的电压小于或等于预设阈值电压时关断，当所述第一电容两端的电压大于所述预设阈值电压时导通。
2.根据权利要求1所述开关电源，其特征在于，所述第三开关管被配置为导通与关断存在一回差，即当所述第一电容两端的电压小于或等于第一预设阈值电压Vth1时关断，当所述第一电容两端的电压大于或等于第二预设阈值电压Vth2时导通，所述第一预设阈值电压Vth1小于所述第二预设阈值电压Vth2。
3.根据权利要求2所述开关电源，其特征在于：所述开关电源还包括第三绕组和二极管D4，所述二极管D4的阳极连接所述第三绕组一端，所述二极管D4的阴极连接所述供电电路的输出端，所述第三绕组另一端连接所述开关电源的原边输入地端，所述第三绕组的供电电压大于所述第二预设值Vth2。
4.根据权利要求1至3任一项所述开关电源，其特征在于：所述第一电容为所述半桥谐振电路中的谐振电容。
5.根据权利要求1至3任一项所述开关电源，其特征在于：所述初级侧回路为半桥LLC式谐振电路。
6.根据权利要求5所述开关电源，其特征在于：所述第一电容为所述半桥LLC式谐振电路中的谐振电容。
7.根据权利要求1至3任一项所述开关电源，其特征在于：所述第三开关管为MOS管。
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