CN216564907U

CN216564907U - 一种提高开关电源功率密度的电路

Info

Publication number: CN216564907U
Application number: CN202123091457.2U
Authority: CN
Inventors: 谭继荣; 冯艳波
Original assignee: SHENZHEN SAQCN INNOVATION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHENZHEN SAQCN INNOVATION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2031-12-10

Abstract

本实用新型提供了一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：包括电源电路、磁性器件B2、交变电压电路及逻辑控制器U1；所述电源电路一端连接有电压输入端，另一端连接所述磁性器件B2，所述磁性器件B2与所述交变电压电路连接，所述交变电压电路设有电解电容，所述电解电容的负极接地，正极与所述交变电压电路的输出端连接；所述逻辑控制器U1连接有多条控制支路，所述多条控制支路上均设有开关管Q，所述控制支路通过所述开关管Q与所述磁性器件B2串联。本实用新型非常适合应用于所有AC转DC、DC转AC、DC转DC等开关电路中，能大幅度拉高开关电源工作频率，缩小变压器等磁性元器件体积，进而提高电源输出功率密度，提高电能转化效率。

Description

一种提高开关电源功率密度的电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源技术领域，具体涉及一种提高开关电源功率密度的电路。

背景技术

目前世面上的开关电源，在其相关的升压、降压或升降压等开关电路中，磁性器件的工作频率与开关管的工作频率相同。在固定磁性器件尺寸大小不变的情况下，为了增加磁性器件的输出功率，我们通常通过提高磁性器件的工作频率，达到增大输出功率的目前。但是由于目前开关电路中磁性器件的工作频率与开关管的工作频率相同，当开关管的工作频率增高时，来自开关管的开关损耗、内部导通损耗等必然会增大导致管体发热量增加，电源能量转化效率低，长期工作开关管有烧毁的风险存在，因此局限了磁性器件的工作频率加高。

由于目前世面上的开关电源，磁性器件的工作频率与开关管的工作频率相同，为增加磁性器件的输出拉高工作频率的同时，开关管的损耗也随之加大。如图1所示：磁性器件B1与开关管Q101相连接，逻辑控制模块U101控制开关管Q101的工作频率，由于开关管Q101 与磁性器件B1相连接，所以磁性器件B1的工作频率与开关管Q101 的工作频率相同，即：T-Q101＝T-B1。所以在传统的开关电路中，为提高电路输出功率密度，拉高磁性器件工作频率的同时开关管的工作频率也随之提高。此时开关管的开关损耗、内部导通损耗都增加了。

因此，若能解决在不增大开关管的损耗下，成倍提高磁性器件工作频率，便可达到提高开关电路输出功率密度的目地。

实用新型内容

为了提高开关电路输出功率密度的同时补损耗开关管内部导通的损耗，本实用新型提供一种提高开关电源功率密度的电路。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种提高开关电源功率密度的电路，包括电源电路、磁性器件B2、交变电压电路及逻辑控制器U1；所述电源电路一端连接有电压输入端，另一端连接所述磁性器件B2，所述磁性器件B2与所述交变电压电路连接，所述交变电压电路设有电解电容，所述电解电容的负极接地，正极与所述交变电压电路的输出端连接；所述逻辑控制器U1连接有多条控制支路，所述多条控制支路上均设有开关管Q，所述控制支路通过所述开关管Q与所述磁性器件B2串联。

具体的，所述磁性器件B2包括原边及副边，所述原边与所述电源电路连接，所述副边与所述交变电压电路连接，所述电源电路与所述交变电压电路通过磁性器件B2形成电气隔离。

具体的，所述逻辑控制模设有模拟量I/O模块，所述模拟量I/O 模块通过所述控制支路与开关管Q连接。

具体的，所述模拟量I/O模块用于发射时钟信号，所述时钟信号周期相同，相位错开。

具体的，所述开关管Q为MOS管开关，所述MOS管开关的漏极D连接电源电路，源极S连接模拟接地端AGND，栅极G与所述控制支路相连。

具体的，所述MOS管开关为N形MOS管开关。

具体的，所述控制支路设有限流电阻R1，所述限流电阻R1的一端与所述逻辑控制器U1连接，另一端连接所述MOS管开关的栅极。

本实用新型相比现有技术具有以下优点及有益效果：

本实用新型提供一种提高开关电源功率密度的电路，包括包括电源电路、磁性器件B2、交变电压电路及逻辑控制器U1；电源电路的一端连接电压输入端，另一端连接磁性器件，磁性器件与交变电压电路连接，交变电压电路上设有电解电容，形成开关电源电路。逻辑控制器控制多条控制支路轮流导通，逻辑控制器固定住了每个开关管的工作频率，所以每个开关管的开关损耗/导通损耗也就固定了,因此不需提高开关管的工作频率、无需增加开关管损耗情况下，即可成倍提高开关电路中磁性器件的输出功率密度，成倍增加开关电路输出功率密度。本实用新型非常适合应用于所有AC转DC、DC转AC、DC 转DC等开关电路中，能大幅度拉高开关电源工作频率，缩小变压器等磁性元器件体积，进而提高电源输出功率密度，提高电能转化效率。

附图说明

图1为现有技术的开关电路示意图；

图2为本实用新型的电路示意图；

图3为开关管的连接示意图；

图4为开关管工作频率示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型通过了一种提高开关电源功率密度的电路，参照图2，包括电源电路100、磁性器件B2、交变电压电路200及逻辑控制器 U1。电源电路100一端连接有稳压前电压输入端VIN，另一端连接磁性器件B2，磁性器件B2的另一端连接交变电压电路200，磁性器件B2在本实施例中为磁性变压器。磁性变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。铁芯(或磁芯)的作用是加强两个线圈之间的磁耦合。可以变换电路中的电流和阻抗。磁性器件B2包括原边及副边，原边与电源电路100连接，副边与交变电压电路200连接。通过磁性器件B2将电源电路100与交变电压电路200电气隔离。在交变电压电路200上还设有电解电容，用于充电和放电，电解电容的负极接地，正极与变压电路的输出端连接OUT/PUT。由于电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。电解电容充完电后输出高电压，放完电之后输出低电压。逻辑控制器U1连接有多条控制支路300，每条控制支路300上都设有开关管Q，形成开关电源电路100。每条控制支路300的开关管Q都与磁性器件B2 串联，以此达到在开关管Q工作频率固定的情况下输出高电压的目的。

逻辑控制器U1设有模拟量I/O模块，通过控制支路300与开关管Q连接。模拟量I/O模块用于发射时钟信号，时钟信号周期相同，相位错开。由于控制支路300同时导通和只有一条控制支路300导通的效果是一样的。模拟量I/O模块可以发出时钟信号0和时钟信号1，当发出时钟信号0的时候，开关管Q处于关断状态，发送时钟信号1 的时候，开关管Q导通。本实施例中不同控制支路300导通之间有一定的时间间隔，Q101为第一条控制支路300的信号频率、Q102为第三条控制支路300的信号频率、Q103第三条控制支路300的信号频率，以此类推直至Q10N为第N条控制支路300的信号频率。但是由于时钟频率周期相同，并通过模拟量I/O模块发射每段时钟信号0 和时钟信号1的相位错开，从而达到不同的控制支路300不会同时导通，并通过控制支路300轮流导通，使电解电容以更高频率充放电。

参照图3，本实施例中的开关管Q为MOS管开关，MOS管开关的漏极D连接电源电路100，源极S连接模拟接地端AGND，采用0 欧电阻连接。栅极G与所述控制支路300相连。MOS管开关为N形 MOS管开关(N渠道)，MOS管开关是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管开关是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性，不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应，因此在开关应用中，MOS管开关的开关速度应该比三极管快。MOS管开关作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管开关是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 N形MOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。P 形MOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC 时的情况(高端驱动)。但是，虽然P形MOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用N形MOS作为开关使用。

在模拟量I/O模块的输出口一般都会带点杂散电感，在电压突变的情况下可能和栅极电容形成LC振荡，当它们之间串上限流电阻R1 后，可增大阻尼，进而减小振荡效果。当栅极关断时，MOS管开关的D极和S极从导通状态变为截止状态时，漏源极电压VDS会迅速增加，如果过大，就会击穿MOS管开关，所以添加限流电阻R1 可以让栅极慢慢放电，而不至于使器件击穿，100欧阻值是比较通用的做法。

本实用新型的工作原理是：参照图2-,4，逻辑控制器U1通过控制每个开关管轮流导通的方式工作，在电路中每个开关管都与B2相连接，所以电路中无论哪个开关管工作，磁性器件B2都会参与其工作过程。

假设：控制支路中开关管的工作频率从第一个到第N个分别为：Q1至QN。

Q1的工作频率为：(T-Q1),

Q2的工作频率为：(T-Q2),

Q3的工作频率为：(T-Q3),

....

QN的工作频率则为：(T-QN),

那么磁性器件B2的工作频率(T-B2)即为所有的开关管工作之和，即：

(T-B2)＝(T-Q1)+(T-Q2)+(T-Q3)+...(T-QN)

由此电路可通过增加接入开关管的数量，逻辑控制模块U1再逐个控制每个开关管轮流导通工作，由于逻辑控制器U1固定控制住了每个开关管的工作频率，因此每个开关管的开关损耗/导通损耗也就固定了，在不增加单颗开关管的损耗情况下可将磁性器件B2的工作频率成倍抬高。进而达到增加开关电路输出功率密度的目地。

需要说明的是，上述具体实施方式仅仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理，在本实用新型所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：包括电源电路、磁性器件B2、交变电压电路及逻辑控制器U1；所述电源电路一端连接有电压输入端，另一端连接所述磁性器件B2，所述磁性器件B2与所述交变电压电路连接，所述交变电压电路设有电解电容，所述电解电容的负极接地，正极与所述交变电压电路的输出端连接；所述逻辑控制器U1连接有多条控制支路，所述多条控制支路上均设有开关管Q，所述控制支路通过所述开关管Q与所述磁性器件B2串联。

2.根据权利要求1所述的一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：所述磁性器件B2包括原边及副边，所述原边与所述电源电路连接，所述副边与所述交变电压电路连接，所述电源电路与所述交变电压电路通过磁性器件B2形成电气隔离。

3.根据权利要求1所述的一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：所述逻辑控制模设有模拟量I/O模块，所述模拟量I/O模块通过所述控制支路与开关管Q连接。

4.根据权利要求3所述的一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：所述模拟量I/O模块用于发射时钟信号，所述时钟信号周期相同，相位错开。

5.根据权利要求1所述的一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：所述开关管Q为MOS管开关，所述MOS管开关的漏极D连接电源电路，源极S连接模拟接地端AGND，栅极G与所述控制支路相连。

6.根据权利要求5所述的一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：所述MOS管开关为N形MOS管开关。

7.根据权利要求5所述的一种提高开关电源功率密度的电路，其特征在于：所述控制支路设有限流电阻R1，所述限流电阻R1的一端与所述逻辑控制器U1连接，另一端连接所述MOS管开关的栅极G。