CN116961437A - 一种电源电路、电源系统和电源设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电源电路、电源系统和电源设备，所述电源电路包括：辅助绕组，第一端耦接所述输入电容的第一端，或经过一个电容后耦接所述输入电容的第一端；辅助控制模块，串联耦接在所述辅助绕组的第二端和所述输出电容之间，至少包括第二功率开关，通过控制所述第二功率开关的导通或截止，控制所述辅助绕组流过电流对输出电容充电或不流过电流。本发明提出的电源系统结构简单，能够节省电源系统的成本，电源系统具有更高效率。
Description
技术领域
本发明涉及电源转换技术领域，具体涉及一种电源电路、电源系统和电源设备。
背景技术
申请人的在先申请，申请号为2023101830846的发明专利申请公开了一种辅助电源、电源系统和电子装置。所述辅助电源，应用于具有变压器、输入电容和输出电容的电源系统中，所述变压器至少具有辅助绕组和主级绕组，所述辅助电源包括：辅助绕组，具有两端，第一端耦接所述输入电容的第一端，或经过一电容后耦接所述输入电容的第一端；供电电容，被配置于提供供电电压用于供电；辅助控制模块，串联耦接在所述辅助绕组的第二端和所述供电电容之间，至少包括第二功率开关；通过控制所述第二功率开关的导通或截止，控制所述辅助绕组流过电流对供电电容充电或不流过电流。
在先申请的辅助电源通过辅助控制模块控制流过辅助绕组的电流来对供电电容充电，既回收了吸收电容中的变压器的漏感能量，同时也在供电电容上产生了供电电压对控制模块供电。
所述在先申请的专利，存在两个不足的地方：第一，需要一个独立的供电电容来产生供电电压，这提升了电源系统的成本，同时也会降低电源系统的可靠性，如果供电电容设置在芯片外部，在印制电路板（PCB）潮湿情况下，供电电容存在漏电导致芯片不能正常工作的风险；如果供电电容设置在芯片内部，则会消耗很大的芯片面积；第二，如果变压器的漏感比较小，转移到供电电容中的漏感能量不足以维持芯片的正常工作，辅助电源会从输入电容上抽取能量，相当于高压输入电容对供电电容供电，这会降低辅助电源的供电效率。因此有必要对现有技术进行进一步的改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电源电路、电源系统和电源设备。
第一方面，本发明提供了一种电源电路，应用于具有变压器、输入电容和输出电容的电源系统中，所述变压器至少具有辅助绕组和主级绕组，所述电源电路包括：
辅助绕组，具有两端，第一端耦接所述输入电容的第一端，或经过一个电容后耦接所述输入电容的第一端；
辅助控制模块，串联耦接在所述辅助绕组的第二端和所述输出电容之间，至少包括第二功率开关，通过控制所述第二功率开关的导通或截止，控制所述辅助绕组流过电流对输出电容充电或不流过电流。
优选的，所述输出电容上的输出电压被配置于提供供电电压对控制模块供电。
优选的，所述电源电路在变压器的主级绕组开始充电之前，所述第二功率开关先导通一个脉冲时间，使流过辅助绕组的电流流经第二功率开关后对所述输出电容充电。
优选的，所述变压器的主级绕组与第一功率开关串联耦接，在第一功率开关从截止状态切换成导通状态之前，第二功率开关先导通一个脉冲时间，使流过辅助绕组的电流流经第二功率开关后对输出电容充电，通过变压器的耦合作用，流过辅助绕组的电流被耦合到变压器的主级绕组，使第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关再从截止状态切换成导通状态。
优选的，所述电源电路的辅助控制模块至少包括三个端口，第一个端口与所述辅助绕组的第二端耦接；第二个端口与所述输出电容耦接；第三个端口与第二控制信号耦接，所述第二控制信号控制第二功率开关的导通或截止，使辅助绕组流过电流并对输出电容充电，或使辅助绕组不流过电流。
第二方面，本发明提供一种电源系统，至少包括第一方面任一项所述的电源电路，所述电源系统还包括控制模块和功率级；所述功率级至少包括变压器的主级绕组、续流模块和第一功率开关；所述电源系统的输出电容上的输出电压为所述控制模块供电；所述控制模块输出第一控制信号耦接第一功率开关的控制端，控制第一功率开关的导通或截止；和所述控制模块输出第二控制信号耦接辅助控制模块，控制第二功率开关的导通或截止。
优选的，所述电源系统还包括反馈模块，所述反馈模块取样所述电源系统输出的电压或电流，并输出反馈信号与所述控制模块耦接，控制模块依据所述反馈信号与基准电压的误差值，控制第一功率开关的导通和截止，使所述电源系统输出基准电压预设的电压或电流。
优选的，所述控制模块控制第一功率开关从截止状态切换成导通状态之前，控制所述电源电路中的第二功率开关先导通一个脉冲时间给辅助绕组充电，通过变压器的耦合关系，使与主级绕组串联耦接的第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，所述控制模块再控制第一功率开关从截止状态切换成导通状态。
优选的，所述变压器的主级绕组和辅助绕组具有相同的同名端位置，在第一功率开关从截止状态切换成导通状态前的一个脉冲时间的一部分或全部，第二功率开关导通，电流流入变压器的辅助绕组并对输出电容充电，通过变压器的主级绕组和辅助绕组之间的耦合关系，第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关再从截止状态切换成导通状态；或
所述变压器的主级绕组和辅助绕组具有相反的同名端位置，在第一功率开关从截止状态切换成导通状态前的脉冲时间的第一期间，第二功率开关导通，电流流入变压器的辅助绕组并对输出电容充电，第一功率开关两端的跨压上升到第一电位；在第一功率开关从截止状态切换成导通状态前的脉冲时间的第二期间，第二功率开关截止，通过变压器的主级绕组和辅助绕组之间的耦合关系，第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关再从截止状态切换成导通状态。
优选的，所述电源系统包括驱动芯片，所述驱动芯片至少包括辅助控制模块和控制模块。
第三方面，本发明实施例提供了一种电源设备，包括第一方面任一项所述的电源电路。
本发明包括以下优点：
本发明提供了一种电源电路、电源系统和电源设备，通过辅助绕组将吸收电容中的变压器的漏感能量转移到输出电容中，同时还采用输出电容上的输出电压为控制模块供电，不仅去掉了现有技术中的独立供电电容，还用更低的输出电压为控制模块供电，不仅降低了电源系统成本，提高了电源系统的可靠性，还提高了电源系统的效率。
附图说明
图1a是本发明一个实施例的电源电路的简化结构图；
图1b是本发明另一个实施例的电源电路的结构图；
图1c是本发明再一个实施例的电源电路的结构图；
图1d是本发明又一个实施例的电源电路的简化结构图；
图2a是本发明的辅助控制模块的一种实施例；
图2b是本发明的辅助控制模块的另一种实施例；
图3a至图3b是本发明部分实施例的部分节点波形示意图。
根据惯常的作业方式，图中各种特征与元件并未依比例绘制，其绘制方式是为了以最佳的方式呈现与本发明相关的具体特征与元件。此外，在不同图式间，以相同或相似的元件符号来指称相似的元件/部件。
附图标记说明
110：辅助控制模块
1101：第一反相器
1102：第一开关
1103：第二开关
1104：可关断电流源
120：功率级
121：续流模块
130：控制模块
140：反馈模块
150：吸收电路
符号说明
MP：第一功率开关
MA：第二功率开关
GP：第一控制信号
GA：第二控制信号
Vds：跨压
Coss：寄生电容
P1：第一个端口
P2：第二个端口
P3：第三个端口
TS：变压器
Lp：主级绕组
Ls：次级绕组
La：辅助绕组
Ip：主级绕组电流
Ia：辅助绕组电流
Nps：匝数比
Dlp：吸收二极管
Clp：吸收电容
Rlp：吸收电阻
CIN：输入电容
CO：输出电容
VIN：输入电压
VO：输出电压
IO：输出电流
FB：反馈信号
R11~R13：电阻
VREF：基准电压
T1~T3：时间点
T12：第一期间
T23：第二期间
T13：脉冲时间。
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。
第一方面，本发明实施例提供了一种电源电路。如图1a所示，一种电源电路，应用于具有变压器TS、输入电容CIN和输出电容CO的电源系统中，所述变压器TS具有辅助绕组La、次级绕组Ls和主级绕组Lp，所述电源电路包括：辅助绕组La，具有两端，第一端耦接所述输入电容CIN的第一端的输入电压VIN，或经过一个电容Clp后耦接所述输入电容CIN的第一端的输入电压VIN；辅助控制模块110，串联耦接在所述辅助绕组La的第二端和所述输出电容CO之间，至少包括第二功率开关MA，通过控制所述第二功率开关MA的导通或截止，辅助控制模块110控制所述辅助绕组La流过电流对输出电容CO充电或不流过电流。
在一种实施例中，如图1a所示，输出电容CO上的输出电压VO，被配置于提供供电电压VO对控制模块供电。
在一种实施例中，如图1a所示，电源电路在变压器TS的主级绕组Lp开始充电之前，第二功率开关MA先导通一个脉冲时间，使流过辅助绕组La的电流流经第二功率开关MA后对输出电容CO充电。
在一种实施例中，如图1a所示，变压器TS的主级绕组Lp与第一功率开关MP串联耦接，在第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态之前（或变压器TS的主级绕组Lp开始充电之前），第二功率开关MA先导通一个脉冲时间，使流过辅助绕组La的电流流经第二功率开关MA后对输出电容CO充电，通过变压器TS的耦合作用，流过辅助绕组La的电流被耦合到变压器TS的主级绕组Lp，使第一功率开关MP两端的跨压Vds从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关MP再从截止状态切换成导通状态（或变压器TS的主级绕组Lp再开始充电）。
在一种实施例中，如图1a所示，电源电路的辅助控制模块110至少包括三个端口，第一个端口P1与辅助绕组La的第二端耦接；第二个端口P2与输出电容CO耦接；第三个端口P3与第二控制信号GA耦接，第二控制信号GA控制第二功率开关MA的导通或截止，使辅助绕组La流过电流并对输出电容CO充电，或使辅助绕组La不流过电流。
在一种实施例中，如图2a所示，辅助控制模块110包括第一反相器110、第一开关1102、第二开关1103、可关断电流源1104和第二功率开关MA，辅助控制模块110的第一个端口P1为第二功率开关MA的第一端，耦接辅助绕组La的第二端；第二端口P2为第二功率开关MA的第二端，耦接输出电压VO；第三个端口P3耦接第一反相器110的输入端，第一反相器110的输出端控制第一开关1102和第二开关1103的控制端，第一开关1102控制可关断电流源1104的导通和截止，第二开关1103和可关断电流源1104一起控制第二功率开关MA的导通和截止；在第三个端口P3的信号为高电平时，第一开关1102和第二开关1103截止，可关断电流源1104控制第二功率开关MA导通，使流过辅助绕组La的电流流经第二功率开关MA后对输出电容CO充电；在第三个端口P3的信号为低电平时，第一开关1102和第二开关1103导通，可关断电流源1104和第二功率开关MA都截止，辅助绕组La不流过电流。
在一种实施例中，如图2b所示，辅助控制模块110包括高压常导通器件JA（JFET或是耗尽型MOSFET）和第二功率开关MA，辅助控制模块110的第一个端口P1为高压常导通器件JA的第一端，耦接辅助绕组La的第二端，高压常导通器件JA的第二端耦接第二功率开关MA的第一端；辅助控制模块110的第二个端口P2为第二功率开关MA的第二端，耦接输出电压VO；第三个端口P3耦接第二控制信号GA，在第三个端口P3的信号GA为低电平时，第二功率开关MA截止，辅助绕组La不流过电流；在第三个端口P3的信号GA为高电平时，第二功率开关MA导通，流过辅助绕组La的电流流经高压常导通器件JA和第二功率开关MA后对输出电容CO充电。
第二方面，本发明提供了一种电源系统。在一种实施例中，如图1a所示，电源系统除了包括第一方面所述的电源电路外，还包括并联耦接输出电容CO的负载、控制模块130、反馈模块140和功率级120；电源系统的输出电容CO上的输出电压VO为控制模块130供电；功率级120至少包括变压器TS的主级绕组Lp、续流模块121和第一功率开关MP；电源电路为控制模块130提供供电电压；控制模块130输出第一控制信号GP耦接第一功率开关MP的控制端，控制第一功率开关MP的导通或截止；和控制模块121输出第二控制信号GA耦接辅助控制模块110，控制第二功率开关MA的导通或截止。
在一种实施例中，如图1a所示，反馈模块140取样电源系统输出的电压或电流，并输出反馈信号FB与控制模块130耦接，控制模块130依据反馈信号FB与基准电压VREF的误差值，控制第一功率开关MP的导通和截止，使电源系统输出基准电压VREF预设的电压或电流；反馈信号FB与基准电压VREF耦接误差放大器的两个输入端，在误差放大器的输出端具有低通滤波器电容，在误差放大器输出端的电容上得到反馈信号FB与基准电压VREF的误差值；依据反馈信号FB与基准电压VREF的误差值，使电源系统输出基准电压VREF预设的电压或电流为现有技术，说明书不再重复阐述。
在一种实施例中，如图1b所示，反馈模块140包括分压电阻R11和R12，分压电阻R11和R12取样输出电容CO上的输出电压VO，得到反馈信号FB为VO*R12/(R11+R12)，控制模块130依据反馈信号FB与基准电压VREF的误差值，控制第一功率开关MP的导通和截止，使电源系统的输出基准电压VREF预设的输出电压VO，输出电压VO与基准电压VREF的值成比例。
在一种实施例中，如图1c所示，反馈模块140包括负载电流取样电阻R13，电阻R13串联耦接在负载与地之间，取样流过负载的输出电流，得到反馈信号FB为IO*R13（IO为流过负载的输出电流），控制模块130依据反馈信号FB与基准电压VREF的误差值，控制第一功率开关MP的导通和截止，使电源系统的输出预设的输出电流IO，输出电流IO与基准电压VREF的值成比例。
在一种实施例中，如图1a所示，控制模块130控制第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态之前，控制电源电路中的第二功率开关MA先导通一个脉冲时间给辅助绕组La充电，通过变压器TS的耦合关系，使与主级绕组Lp串联耦接的第一功率开关MP两端的跨压Vds从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，控制模块130再控制第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态。
在一种实施例中，如图1a所示，变压器TS的主级绕组Lp和辅助绕组La具有相同的同名端位置，在第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态前的一个脉冲时间的一部分或全部，第二功率开关MA导通，电流流入变压器TS的辅助绕组La并对输出电容CO充电，通过变压器TS的主级绕组Lp和辅助绕组La之间的耦合关系，第一功率开关MP两端的跨压Vds从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关MP再从截止状态切换成导通状态。
在一种实施例中，如图1d所示，变压器TS的主级绕组Lp和辅助绕组La具有相反的同名端位置，在第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态前的脉冲时间的第一期间，第二功率开关MA导通，电流流入变压器TS的辅助绕组La并对输出电容CO充电，第一功率开关MP两端的跨压Vds上升到第一电位；在第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态前的脉冲时间的第二期间，第二功率开关MA截止，通过变压器TS的主级绕组Lp和辅助绕组La之间的耦合关系，第一功率开关MP两端的跨压Vds从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关MP再从截止状态切换成导通状态。
变压器的两个绕组的同名端是这样规定的：具有磁耦合的两绕组，当电流分别从两绕组各自的某端同时流入（或流出）时，若两者产生的磁通相助，则这两端叫作变压器绕组的同名端，用黑点“·”或星号“*”作标记。同名端的位置可以自行定义，可以把流入端称为同名端，也可以把流出端称为同名端。
在一种实施例中，电源系统还包括有整流桥，整流桥输入端耦接交流电，输入电容CIN与整流桥的输出端耦接，用于旁路高频信号；在一种实施例中，电源系统的输入端直接耦接直流输入电压VIN，输入电容CIN用于旁路输入电压VIN的高频信号。
在一种实施例中，续流模块121由二极管组成，包括二极管的功率级构成非同步整流结构。
在一种实施例中，续流模块121由场效应管（MOSFET）组成，包括场效应管的功率级构成同步整流结构。
在一种实施例中，如图1a所示，电源系统包括驱动芯片，驱动芯片至少包括辅助控制模块110和控制模块130。
在一种实施例中，如图1a所示，电源系统包括输入电容CIN、并联耦接输出电容CO的负载、电源电路、控制模块130、反馈模块140、吸收电路150和功率级120，功率级120包括变压器TS的主级绕组Lp和次级绕组Ls、续流模块121和第一功率开关MP；吸收电路150包括吸收二极管Dlp和吸收电容Clp；输入电容CIN的第一端与主级绕组Lp的同名端和吸收电容Clp的第二端耦接，输入电容CIN的第二端与地耦接，吸收电容Clp的第一端与辅助绕组La的同名端和吸收二极管Dlp的阴极耦接，此处辅助绕组La的同名端也为辅助绕组La的第一端，辅助绕组La的非同名端为为辅助绕组La的第二端，辅助绕组La的第一端通过吸收电容Clp以后，与输入电容CIN的第一端的输入电压VIN耦接，辅助绕组La的第二端与辅助控制模块110的第一个端口P1耦接；主级绕组Lp的非同名端与第一功率开关MP的第一端和吸收二极管Dlp的阳极耦接，第一功率开关MP的控制端与控制模块130输出的第一控制信号GP耦接；输出电容CO的第一端与续流模块121的第二端耦接，续流模块121的第一端与次级绕组Ls的非同名端耦接，次级绕组Ls的同名端与输出电容CO的第二端耦接；或输出电容CO的第一端与次级绕组Ls的非同名端耦接，输出电容CO的第二端与续流模块121的第一端耦接，续流模块121的第二端与次级绕组Ls的同名端耦接；电源电路为控制模块130供电。
图1a所示电源系统属于反激电源系统，在第一功率开关MP导通时，输入电压VIN对主级绕组Lp进行充电，此时主级绕组Lp上的电压降近似为VIN（忽略第一功率开关MP的导通压降），通过变压器TS的耦合关系，在主级绕组Lp和辅助绕组La匝数相同或近似相同的情况下，辅助绕组La上的电压降也保持为VIN或近似等于VIN；在主级绕组Lp充电期间，辅助控制模块110的第一个端口P1的电压为(VIN+Nps*VO)-VIN=Nps*VO，（Nps为主级绕组Lp和次级绕组Ls的匝数比）；在第一功率开关MP截止时，输出电容CO上的输出电压VO对次级绕组Ls进行放电，等同于主级绕组Lp上的电压降近似为-Nps*VO（忽略吸收二极管Dlp的导通压降），在次级绕组Ls放电期间，辅助控制模块110的第一端口P1的电压为(VIN+Nps*VO)-(-Nps*VO)=VIN+2Nps*VO。
结合图3a所示的波形示意图和图1a所示的电源系统的结构图，在控制模块130输出的第一控制信号GP变成高电平控制第一功率开关MP导通前，控制模块130输出的第二控制信号GA先产生一个高电平的脉冲时间T13，让辅助控制模块110中的第二功率开关MA导通一个脉冲时间T13给辅助绕组La充电，流过辅助绕组La的辅助绕组电流Ia流经第二功率开关MA对输出电容CO充电，通过变压器TS的耦合关系，流经辅助绕组La的电流会被耦合到主级绕组Lp，产生方向相反的主级绕组电流Ip，在图3a所示的示意图中，在第二功率开关MA导通的脉冲时间T13里边，对应的在辅助绕组La上产生的辅助绕组电流Ia和方向相反的主级绕组电流Ip，耦合产生的主级绕组电流Ip会将与主级绕组Lp串联耦接的第一功率开关MP的寄生电容Coss上的电荷转移到主级绕组Lp中，使第一功率开关MP两端的跨压Vds降低，第一功率开关MP两端的跨压Vds从初始的第一电位VIN+Nps*VO（忽略吸收二极管Dlp上的导通压降）降低到比第一电位更低的第二电位（比如零电位或接近零的电位）后，控制模块130输出的第一控制信号GP才变成高电平，控制第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态，让变压器TS的主级绕组Lp开始充电。
在图3a所示的波形示意图中，T1时间点对应着第二功率开关MA优先于第一功率开关MP导通的时间点，在一种实施例中，T1时间点响应于变压器TS的退磁结束信号而产生；在一种实施例中，T1时间点响应于第一功率开关MP两端的跨压Vds的一波谷而产生（或为第一个波谷，或为第N个波谷）；在一种实施例中，T1时间点响应于图1a所示的电源系统的脉冲宽度调制信号（PWM信号）而产生。
在图3a所示的波形示意图中，T3时间点对应着第一功率开关MP的导通时间点，T1时间点和T3时间点之间的期间为第二功率开关MA导通的脉冲时间T13，脉冲时间T13的长短和辅助绕组La流过的辅助绕组电流Ia的大小决定了第一功率开关MP两端的跨压Vds从初始的第一电位下降到更低的第二电位的幅度，在一种实施例中，通过优化脉冲时间T13和辅助绕组电流Ia使得第二电位接近零电位后，第一功率开关MP再导通，实现第一功率开关MP切换在零电压状态。
在图3a所示的波形示意图中，T3时间点是第二功率开关MA的截止时间点，也是第一功率开关MP的导通时间点，在一种实施例中，第二功率开关MA的截止时间点为T1时间点和T3时间点中间的一个T2时间点，第二功率开关MA并不是在在整个脉冲时间T13内都导通，而只在脉冲时间T13的第一期间T12内导通，在第二期间T23内截止。
在一种实施例中，图1a所示的电源系统中的辅助绕组La的第一端也可以偶接到输入电容CIN的第一端，说明书不再具体分析。
在一种实施例中，如图1d所示的电源系统也属于反激电源系统，图1d所示的电源系统与图1a所示的电源系统的区别是变压器TS的辅助绕组La和主级绕组Lp的同名端的位置不同，图1a所示的电源系统中的变压器TS的辅助绕组La和主级绕组Lp具有相同的同名端位置；图1d所示的电源系统中的变压器TS的辅助绕组La和主级绕组Lp具有相反的同名端位置。
图1d所示的电源系统包括输入电容CIN、并联耦接输出电容CO的负载、电源电路、控制模块130、反馈模块140、吸收电路150和功率级120，功率级120包括变压器TS的主级绕组Lp和次级绕组Ls、续流模块121和第一功率开关MP；吸收电路150包括吸收二极管Dlp和吸收电容Clp；输入电容CIN的第一端与主级绕组Lp的同名端和吸收电容Clp的第二端耦接，输入电容CIN的第二端与地耦接，吸收电容Clp的第一端与辅助绕组La的非同名端和吸收二极管Dlp的阴极耦接，此处辅助绕组La的非同名端也为辅助绕组La的第一端，辅助绕组La的同名端为为辅助绕组La的第二端，辅助绕组La的第一端通过吸收电容Clp以后，与输入电容CIN的第一端的输入电压VIN耦接，辅助绕组La的第二端与辅助控制模块110的第一个端口P1耦接；主级绕组Lp的非同名端与第一功率开关MP的第一端和吸收二极管Dlp的阳极耦接，第一功率开关MP的控制端与控制模块130输出的第一控制信号GP耦接；输出电容CO的第一端与续流模块121的第二端耦接，续流模块121的第一端与次级绕组Ls的非同名端耦接，次级绕组Ls的同名端与输出电容CO的第二端耦接；或输出电容CO的第一端与次级绕组Ls的非同名端耦接，输出电容CO的第二端与续流模块121的第一端耦接，续流模块121的第二端与次级绕组Ls的同名端耦接；电源电路为控制模块130供电。
在图1d所示的电源系统中，第一功率开关MP导通时，输入电压VIN对主级绕组Lp进行充电，此时主级绕组Lp上的电压降近似为VIN（忽略第一功率开关MP的导通压降），通过变压器TS的耦合关系，在主级绕组Lp和辅助绕组La匝数相同或近似相同的情况下，辅助绕组La上的电压降也保持为-VIN或近似等于-VIN；在主级绕组Lp充电期间，辅助控制模块110的第一个端口P1的电压为(VIN+Nps*VO)+VIN=2VIN+Nps*VO，（Nps为主级绕组Lp和次级绕组Ls的匝数比）；在第一功率开关MP截止时，输出电容CO上的输出电压VO对次级绕组Ls进行放电，等同于主级绕组Lp上的电压降近似为-Nps*VO（忽略吸收二极管Dlp的导通压降），在次级绕组Ls放电期间，辅助控制模块110的第一端口P1的电压为(VIN+Nps*VO)-(Nps*VO)=VIN。
结合图3b所示的波形示意图和图1d所示的电源系统的结构图，在控制模块130控制输出的第一控制信号GP变成高电平控制第一功率开关MP导通前，控制模块130输出的第二控制信号GA在脉冲时间T13的第一期间T12产生一个高电平，让辅助控制模块110中的第二功率开关MA导通第一期间T12时间给辅助绕组La充电，流过辅助绕组La的辅助绕组电流Ia流经第二功率开关MA对输出电容CO充电，通过变压器TS的耦合关系，流经辅助绕组La的电流会被耦合到主级绕组Lp，产生方向相同的主级绕组电流Ip使第一功率开关MP两端的跨压Vds上升到第一电位VIN（忽略吸收二极管Dlp上的导通压降），在图3b所示的示意图中，在脉冲时间T13里的第一期间T12时间里，第二控制信号GA为高电平，第二功率开关MA导通，对应的在次级绕组La上产生了辅助绕组电流Ia和方向相同的主级绕组电流Ip，耦合产生的主级绕组电流Ip会将与主级绕组串联耦接的第一功率开关MP两端的跨压Vds充电到第一电位；在脉冲时间T13里的第二期间T23时间里，第二控制信号GA为低电平，第二功率开关MA截止，通过变压器TS的主级绕组Lp和辅助绕组La之间的耦合关系，第一功率开关MP两端的跨压Vds在第二期间T23时间里快速从初始的第一电位VIN降低到更低的第二电位（比如零电位或接近零的电位）后，控制模块130输出的第一控制信号GP才变成高电平，控制第一功率开关MP从截止状态切换成导通状态。
在图3b所示的波形示意图中，T1时间点对应着第二功率开关MA优先于第一功率开关MP导通的时间点，在一种实施例中，T1时间点响应于变压器TS的退磁结束信号而产生；在一种实施例中，T1时间点响应于第一功率开关MP两端的跨压Vds的一波谷而产生（或为第一个波谷，或为第N个波谷）；在一种实施例中，T1时间点响应于图1d所示的电源系统的脉冲宽度调制信号（PWM信号）而产生。
在图3b所示的波形示意图中，T3时间点对应着第一功率开关MP的导通时间点，T1时间点和T2时间点之间的第一期间T12为第二功率开关MA导通的脉冲时间，第一期间T12的长短、第二期间T23的长短和辅助绕组La流过的辅助绕组电流Ia的大小决定了第一功率开关MP两端的跨压Vds从初始的第一电位下降到更低的第二电位的幅度，在一种实施例中，通过优化这三个参数使第二电位接近零电位后，第一功率开关MP再导通，实现第一功率开关MP切换在零电压状态。
在一种实施例中，图1d所示的电源系统中的辅助绕组La的第一端也可以偶接到输入电容CIN的第一端，说明书不再具体分析。
在图1a和图1d所示的电源系统中，流过辅助绕组La和第二功率开关MA的电流都被输出电容CO吸收，相当于将吸收电容Clp中回收的变压器TS的漏感能量都转移到了输出电容CO上进行回收利用，同时，并且还同时实现了电源系统的第一功率开关MP工作在零电压切换状态，这不仅回收利用了变压器的漏感能量，还减小了第一功率开关MP的开关损耗，提高了电源系统的效率。
在图1b所示的电源系统中，反馈模块140通过分压电阻R11和R12取样电源系统输出的电压VO，并输出反馈信号FB与控制模块130耦接，控制模块130依据反馈信号FB与基准电压VREF的误差值，控制第一功率开关MP的导通和截止，使图1b所示的电源系统输出由基准电压VREF预设的输出电压VO。
在图1c所示的电源系统中，反馈模块140通过电阻R13取样电源系统输出的电流IO，并输出反馈信号FB与控制模块130耦接，控制模块130依据反馈信号FB与基准电压VREF的误差值，控制第一功率开关MP的导通和截止，使图1c所示的电源系统输出由基准电压VREF预设的输出电流IO。
在以上实施例中，为了能够方便更清楚和简洁的表述本发明的工作原理，说明书只是示例性的列举了变压器TS的主级绕组Lp和辅助绕组La的匝数相同的情况，在实际实施过程中，也可以让变压器TS的主级绕组Lp和辅助绕组La的匝数保持不同，但并不影响本发明的工作原理。
第三方面，本发明实施例提供了一种电源设备，包括第一方面任一项所述的电源电路。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1）本申请的电源电路和电源设备，通过辅助绕组将吸收电容中的变压器的漏感能量转移到输出电容中，同时还采用输出电容上的输出电压为控制模块供电，不仅去掉了现有技术中的独立供电电容，还用更低的输出电压为控制模块供电，不仅降低了电源系统成本，提高了电源系统的可靠性，还提高了电源系统的效率。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。“和/或”表示可以选择两者之中的任意一个，也可以两者都选择。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种电源电路，应用于具有变压器、输入电容和输出电容的电源系统中，所述变压器至少具有辅助绕组和主级绕组，其特征在于，所述电源电路包括：
辅助绕组，具有两端，其中第一端耦接所述输入电容的第一端，或经过一个电容后耦接所述输入电容的第一端；
辅助控制模块，串联耦接在所述辅助绕组的第二端和所述输出电容之间，至少包括第二功率开关，通过控制所述第二功率开关的导通或截止，控制所述辅助绕组流过电流对输出电容充电或不流过电流。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述输出电容上的输出电压被配置于提供供电电压对控制模块供电。
3.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路在变压器的主级绕组开始充电之前，所述第二功率开关先导通一个脉冲时间，使流过辅助绕组的电流流经第二功率开关后对所述输出电容充电。
4.根据权利要求3所述的电源电路，其特征在于，所述变压器的主级绕组与第一功率开关串联耦接，在第一功率开关从截止状态切换成导通状态之前，第二功率开关先导通一个脉冲时间，使流过辅助绕组的电流流经第二功率开关后对输出电容充电，通过变压器的耦合作用，流过辅助绕组的电流被耦合到变压器的主级绕组，使第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关再从截止状态切换成导通状态。
5.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路的辅助控制模块至少包括三个端口，第一个端口与所述辅助绕组的第二端耦接；第二个端口与所述输出电容耦接；第三个端口与第二控制信号耦接，所述第二控制信号控制第二功率开关的导通或截止，使辅助绕组流过电流并对输出电容充电，或使辅助绕组不流过电流。
6.一种电源系统，至少包括权利要求1至5任一项所述的电源电路，其特征在于，所述电源系统还包括控制模块和功率级；所述电源系统的输出电容上的输出电压为所述控制模块供电；所述功率级至少包括变压器的主级绕组、续流模块和第一功率开关；所述控制模块输出第一控制信号耦接第一功率开关的控制端，控制第一功率开关的导通或截止；和所述控制模块输出第二控制信号耦接辅助控制模块，控制第二功率开关的导通或截止。
7.根据权利要求6所述的电源系统，其特征在于，所述电源系统还包括反馈模块，所述反馈模块取样所述电源系统输出的电压或电流，并输出反馈信号与所述控制模块耦接，控制模块依据所述反馈信号与基准电压的误差值，控制第一功率开关的导通和截止，使所述电源系统输出基准电压预设的电压或电流。
8.根据权利要求6所述的电源系统，其特征在于，所述控制模块控制第一功率开关从截止状态切换成导通状态之前，控制所述电源电路中的第二功率开关先导通一个脉冲时间给辅助绕组充电，通过变压器的耦合关系，使与主级绕组串联耦接的第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，所述控制模块再控制第一功率开关从截止状态切换成导通状态。
9.根据权利要求8所述的电源系统，其特征在于，所述变压器的主级绕组和辅助绕组具有相同的同名端位置，在第一功率开关从截止状态切换成导通状态前的一个脉冲时间的一部分或全部，第二功率开关导通，电流流入变压器的辅助绕组并对输出电容充电，通过变压器的主级绕组和辅助绕组之间的耦合关系，第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关再从截止状态切换成导通状态；或
所述变压器的主级绕组和辅助绕组具有相反的同名端位置，在第一功率开关从截止状态切换成导通状态前的脉冲时间的第一期间，第二功率开关导通，电流流入变压器的辅助绕组并对输出电容充电，第一功率开关两端的跨压上升到第一电位；在第一功率开关从截止状态切换成导通状态前的脉冲时间的第二期间，第二功率开关截止，通过变压器的主级绕组和辅助绕组之间的耦合关系，第一功率开关两端的跨压从初始的第一电位降低到更低的第二电位后，第一功率开关再从截止状态切换成导通状态。
10.一种电源设备，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的电源电路。
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| CN202311211742.4A CN116961437A (zh) | 2023-09-20 | 2023-09-20 | 一种电源电路、电源系统和电源设备 |
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