CN218514279U - 一种开关电源及交流-直流变换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种开关电源及交流‑直流变换电路，包括第一母线电容和直流‑直流变换单元，所述第一母线电容一端与母线连接、另一端与地连接，所述直流‑直流变换单元用于将母线上的电压转换为输出的目标电压，所述交流‑直流变换电路还包括第二母线电容、电容开关、电压检测和控制电路；所述第二母线电容和电容开关串联在所述母线和地之间；所述电压检测和控制电路用于通过检测所述直流‑直流变换单元输出侧的电压计算母线上的电压，并根据母线上的电压与母线电压阈值的大小关系控制所述电容开关导通而使所述第二母线电容接入所述母线的充放电回路，或控制所述电容开关断开而使所述第二母线电容不接入所述母线的充放电回路。

Description

一种开关电源及交流-直流变换电路

技术领域

本实用新型涉及电源领域，具体涉及一种开关电源及交流-直流变换电路。

背景技术

交流-直流变换电路用于各种电子设备中的开关电源中，交流-直流变换电路中，首先需要通过整流电路将交流电压整流为直流电压并输出至母线，然后直流-直流变换单元将母线上的电压变换为所需要的目标电压。

交流-直流变换电路的工作原理决定了容易在与其连接的交流电路上产生谐波，为了降低该谐波，现有技术采用了各种输入电流谐波抑制电路，以对谐波进行抑制，然而这些方案比较复杂。

实用新型内容

研究发现，很多人使用同一个开关电源在世界各地走动，每个地区电网的交流电压大小不同，同一个开关电源在不同大小交流电压的输入下在电网中引起的谐波也有所不同。基于上述现状，本实用新型的主要目的在于提供一种开关电源及交流-直流变换电路，为在电网交流电压大小不同的各个地区能够自适应地兼顾实现降低谐波和减小功耗提供硬件电路基础。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种交流-直流变换电路，包括第一母线电容和直流-直流变换单元，所述第一母线电容一端与母线连接、另一端与地连接，所述直流-直流变换单元用于将母线上的电压转换为输出的目标电压，所述交流-直流变换电路还包括第二母线电容、电容开关、电压检测和控制电路；所述第二母线电容和电容开关串联在所述母线和地之间；所述电压检测和控制电路用于通过检测所述直流-直流变换单元输出侧的电压计算母线上的电压，并根据母线上的电压与母线电压阈值的大小关系控制所述电容开关导通而使所述第二母线电容接入所述母线的充放电回路，或控制所述电容开关断开而使所述第二母线电容不接入所述母线的充放电回路。

优选地，所述直流-直流变换单元包括变压器、滤波电容和整流二极管，所述电压检测和控制电路包括电压采样电路和控制电路；所述电压采样电路包括采样电容、第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻和二极管；所述控制电路具有参考电压输入端和电压检测端；所述变压器的次级线圈的第一端连接整流二极管的阳极，整流二极管的阴极连接滤波电容的正极，所述变压器的次级线圈的第二端、所述滤波电容的负极、采样电容的正极均接地，变压器初级线圈与母线连接的一端与次级线圈的第二端是同名端；所述二极管的阴极连接所述变压器的次级线圈的第一端、阳极连接所述采样电容的负极，所述采样电容的负极依次通过第三采样电阻和第二采样电阻接地，所述第三采样电阻和第二采样电阻的公共端连接所述电压检测端，并通过所述第一采样电阻连接参考电压输入端，所述参考电压输入端输入参考电压；所述控制电路通过检测所述电压检测端的电压计算母线上的电压。

优选地，所述控制电路包括控制单元和光耦，所述控制单元具有所述电压检测端和所述参考电压输入端；所述控制单元通过检测所述电压检测端的电压计算母线上的电压，所述控制单元通过光耦控制所述电容开关导通或断开。

优选地，所述控制电路还包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述光耦包括光耦发射元件和光耦接收元件，所述控制单元还具有控制端；所述控制单元通过控制端控制所述光耦发射元件发光或不发光；所述光耦接收元件和第二分压电阻串联在驱动电压与电容开关的控制端之间，所述电容开关的控制端通过第一分压电阻接地。

优选地，所述第二母线电容的容量大于所述第一母线电容的容量。

优选地，所述直流-直流变换单元为反激直流-直流变换单元。

优选地，所述母线依次通过所述第二母线电容和所述电容开关接地。

优选地，所述控制单元的供电端连接所述滤波电容的正极。

本实用新型还提供了一种开关电源，包括任一所述的交流-直流变换电路。

【有益效果】

所述电压检测和控制电路通过检测所述直流-直流变换单元输出侧的电压计算母线上的电压，当母线上的电压小于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较小)，通过控制电容开关导通而将第二母线电容接入母线的充放电回路，第二母线电容也可以提供一部分放电电流，整体上第一母线电容和第二母线电容只需要进行较小幅度的充电和放电，母线上的纹波相对较小，在与整流电路连接的交流电路中的谐波更少。而当母线上的电压大于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较大)，此时由于母线上的电压较大，为了满足输出端的输出功率需求和维持于目标电压的需要，只需要母线电容提供较小的放电电流，仅仅通过第一母线电容提供该放电电流也不会导致母线上出现较大纹波，因此通过控制电容开关断开而使第二母线电容不接入母线的充放电回路，避免更多的器件诸如第二母线电容和电容开关接入母线而导致更多的功耗，同时又可以因为母线纹波较小而在交流电路中引起的纹波较小。可见，本方案以简单的电路结构，为在交流电压大小不同的各个地区能够自适应地兼顾实现降低谐波和减小功耗提供了硬件电路基础。

本实用新型的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

以下将参照附图对本实用新型的优选实施方式进行描述。图中：

图1为本实用新型一种实施例的交流-直流变换电路的示意图；

图2为本实用新型另一种实施例的交流-直流变换电路的示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本实用新型一种实施例的交流-直流变换电路，包括整流电路、第一母线电容EC1、第二母线电容EC2、电容开关Q2、电压检测和控制电路和直流-直流变换单元。

整流电路的输入端用于输入交流电压，整流电路用于对输入的交流电压进行整流得到直流电压并将直流电压提供给母线。整流电路可以是全桥整流或者半桥整流等整流电路。

直流-直流变换单元的输入端输入母线上的电压，直流-直流变换单元用于将母线上的电压转换为输出的目标电压，具体而言，通过对直流-直流变换单元的控制，从而将母线上的电压转换为输出的目标电压，该目标电压可以根据合适的需要进行设定，对于常见的消费电子产品，5V、12V、24V等均是相对常见的目标电压。直流-直流变换单元可以是各种类型的，例如可以是隔离型即带有变压器的变换单元，如反激变换单元、正激变换单元，也可以是非隔离型的，例如bulk电路。如图2所示的直流-直流变换单元属于隔离型的反激变换单元，包括开关管Q1、变压器T、整流二极管D2和滤波电容EC3，变压器T初级线圈的第一端连接母线、第二端通过开关管Q1接地，变压器T次级线圈的第一端连接整流二极管D2的阳极，整流二极管D2的阴极连接滤波电容EC3的正极，滤波电容EC3的负极接地，变压器T次级线圈的第二端接地，整流二极管D2的阴极端作为直流-直流变换单元的输出端Vout，也即交流-直流变换电路的输出端Vout，该输出端Vout输出目标电压，通过调节开关管Q1的控制信号PWM的占空比，可以将输出端Vout的电压稳定在所设定的目标电压上。

第一母线电容EC1一端与母线连接、另一端与地连接，第二母线电容EC2和电容开关Q2串联在母线和地之间，电压检测和控制电路通过检测直流-直流变换单元输出侧的电压计算母线上的电压，当母线上的电压小于母线电压阈值，电压检测和控制电路控制电容开关Q2导通，从而使第二母线电容EC2接入母线的充放电回路；当母线上的电压大于或等于母线电压阈值，电压检测和控制电路控制电容开关Q2断开从而使第二母线电容EC2不接入母线的充放电回路。在一些实施例中，电容开关Q2可以为MOS管，例如N沟道MOS管。

由于不同地区电网的交流电压大小有所不同，有的差别很大，例如中国的交流电压为220V，而美国的交流电压为110V，两者相差一倍，因此，经过整流电路整流输出得到的电压也会有所不同，也就是母线电压上的电压会有所不同。在输出端Vout的输出功率需求一定时，当母线上的电压小于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较小)，此时由于母线上的电压较小，为了满足输出端Vout的输出功率需求，需要母线电容提供更大的放电电流，如果仅有第一母线电容EC1提供该放电电流，则会导致第一母线电容EC1进行大幅度的充电和放电，造成在母线上出现的纹波很大，进而导致在与整流电路连接的交流电路中出现更多的谐波，这会降低内含本交流-直流变换电路的电子设备的电磁兼容性能的评价。因此，为了降低这种影响，当母线上的电压小于母线电压阈值时，通过控制电容开关Q2导通而将第二母线电容EC2接入母线的充放电回路，第二母线电容EC2也可以提供一部分放电电流，整体上第一母线电容EC1和第二母线电容EC2只需要进行较小幅度的充电和放电，母线上的纹波相对较小，在与整流电路连接的交流电路中的谐波更少。而当母线上的电压大于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较大)，此时由于母线上的电压较大，为了满足输出端Vout的输出功率需求和维持于目标电压的需要，只需要母线电容提供较小的放电电流，仅仅通过第一母线电容EC1提供该放电电流也不会导致母线上出现较大纹波，因此通过控制电容开关Q2断开而使第二母线电容EC2不接入母线的充放电回路，避免更多的器件诸如第二母线电容EC2和电容开关Q2接入母线而导致更多的功耗，同时又可以因为母线纹波较小而在交流电路中引起的纹波较小。

综上可见，电压检测和控制电路根据母线上的电压与母线电压阈值之间的大小关系，在不同情况下分别控制第二母线电容EC2接入或不接入母线的充放电回路，在交流电压大小不同的各个地区能够自适应地兼顾实现降低谐波和减小功耗。本方案中，可以根据实际需要灵活设置母线电压阈值。

另外，在一些实施例中，母线依次通过第二母线电容EC2和电容开关Q2接地，此时，由于电容开关Q2通过第二母线电容EC2连接母线，即不直接与母线连接，避免了母线上的高压直接加在电容开关Q2上，因此，电容开关Q2不会被母线的高压击穿，从另外的角度而言，电容开关Q2可以选用耐压较小的器件，从而可以节省成本。

如图2所示，在一些实施例中，直流-直流变换单元包括变压器T，电压检测和控制电路包括电压采样电路和控制电路；电压采样电路包括采样电容C1、第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3和二极管D1；控制电路具有参考电压输入端VREF和电压检测端Vsen；变压器T的次级线圈的第一端连接整流二极管D2的阳极，整流二极管D2的阴极连接滤波电容EC3的正极，变压器T的次级线圈的第二端、滤波电容EC3的负极、采样电容C1的正极均接地，变压器T初级线圈与母线连接的一端与次级线圈的第二端是同名端；二极管D1的阴极连接变压器T的次级线圈的第一端、阳极连接采样电容C1的负极，采样电容C1的负极依次通过第三采样电阻R3和第二采样电阻R2接地，第三采样电阻R3和第二采样电阻R2的公共端连接电压检测端Vsen，并通过第一采样电阻R1连接参考电压输入端VREF，参考电压输入端VREF输入参考电压Vref；控制电路通过检测电压检测端Vsen的电压计算母线上的电压。由于采样电容C1的正极接地，负极通过二极管D1连接次级线圈的第一端，因此，采样电容C1的负极的电压VC1满足：VC1＝0-(VDC*NS/NP-VD1)，其中，VDC为母线上的电压，VD1为二极管D1的压降，NS和NP分别为变压器T次级线圈和初级线圈的匝数。由于采样电容C1的负极的电压VC1为负值，因此，流过第三采样电阻R3的电流等于流过第一采样电阻R1的电流与流过第二采样电阻R2的电流之和，即：(Vsen-VC1)/R3＝(Vref-Vsen)/R1+Vsen/R2，其中，Vsen为电压检测端Vsen检测到的电压大小，Vref为参考电压，R1、R2和R3分别为第一采样电阻R1、第二采样电阻R2和第三采样电阻R3的阻值，通过求解上述方程，即可以计算得到电压VC1，结合前面的公式，即可以计算得到母线上的电压VDC。本实施例中，由于采样电容C1的正极接地，负极通过二极管D1连接次级线圈的第一端，且变压器T初级线圈与母线连接的一端与次级线圈的第二端是同名端，因此从而实现采样电容C1的负极的电压VC1能够跟随母线电压变化。

在一些实施例中，控制电路包括控制单元IC和光耦，控制单元IC具有电压检测端Vsen和参考电压输入端VREF；控制单元IC的供电端Vin连接滤波电容的正极，即控制芯片IC的供电电压为交流-直流电路的输出电压；控制单元IC通过检测电压检测端Vsen的电压计算母线上的电压，当母线上的电压小于母线电压阈值，控制单元IC通过光耦控制电容开关Q2导通，从而使第二母线电容EC2接入母线的充放电回路；当母线上的电压大于或等于母线电压阈值，控制单元IC通过光耦控制电容开关Q2断开从而使第二母线电容EC2不接入母线的充放电回路。本实施例中，通过光耦对电容开关Q2进行控制，可以实现直流-直流变换单元输入侧和输出侧之间的隔离，防止输出侧被输入侧的高压损坏。

具体地，控制电路还包括第一分压电阻R4和第二分压电阻R5，光耦包括光耦发射元件U1A和光耦接收元件U1B，控制单元IC还具有控制端IO；控制单元IC通过控制端IO控制光耦发射元件U1A发光或不发光；光耦接收元件U1B和第二分压电阻R5串联在驱动电压与电容开关Q2的控制端之间，电容开关Q2的控制端通过第一分压电阻R4接地；且满足：(VCC-V0)*R4/(R5+R4)>Vth2；其中，Vth2为电容开关Q2的开启电压，VCC为驱动电压的大小，V0为光耦接收元件U1B的导通压降，R4和R5分别为第一分压电阻的阻值和第二分压电阻的阻值。图2所示第二分压电阻R5位于驱动电压与光耦接收元件U1B之间，但是第二分压电阻R5与光耦接收元件U1B的位置可以互换。图2中显示的是一种形式的光耦发射元件U1A和光耦接收元件U1B，还可以采用现有其他种类的光耦器件。工作时，控制单元IC通过检测电压检测端Vsen的电压计算母线上的电压，当母线上的电压小于母线电压阈值，控制单元IC控制光耦发射元件U1A发光，光耦接收元件U1B接收到光后导通，电容开关Q2的控制端的电压被维持在大于Vth2的电压(即(VCC-V0)*R4/(R5+R4))，从而控制电容开关Q2导通，进而使第二母线电容EC2接入母线的充放电回路；当母线上的电压大于或等于母线电压阈值，控制单元IC控制光耦发射元件U1A不发光，光耦接收元件U1B没有接收到光而不导通，电容开关Q2的控制端的电压被第一分压电阻R4下拉到零，从而控制电容开关Q2断开，进而使第二母线电容EC2不接入母线的充放电回路。

本实用新型还提供了一种开关电源，包括任一所述的交流-直流变换电路。

本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本实用新型的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本实用新型的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种交流-直流变换电路，包括第一母线电容和直流-直流变换单元，所述第一母线电容一端与母线连接、另一端与地连接，所述直流-直流变换单元用于将母线上的电压转换为输出的目标电压，其特征在于，

所述交流-直流变换电路还包括第二母线电容、电容开关、电压检测和控制电路；所述第二母线电容和电容开关串联在所述母线和地之间；所述电压检测和控制电路用于通过检测所述直流-直流变换单元输出侧的电压计算母线上的电压，并根据母线上的电压与母线电压阈值的大小关系控制所述电容开关导通而使所述第二母线电容接入所述母线的充放电回路，或控制所述电容开关断开而使所述第二母线电容不接入所述母线的充放电回路。

2.根据权利要求1所述的交流-直流变换电路，其特征在于，所述直流-直流变换单元包括变压器、滤波电容和整流二极管，所述电压检测和控制电路包括电压采样电路和控制电路；所述电压采样电路包括采样电容、第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻和二极管；所述控制电路具有参考电压输入端和电压检测端；所述变压器的次级线圈的第一端连接整流二极管的阳极，整流二极管的阴极连接滤波电容的正极，所述变压器的次级线圈的第二端、所述滤波电容的负极、采样电容的正极均接地，变压器初级线圈与母线连接的一端与次级线圈的第二端是同名端；所述二极管的阴极连接所述变压器的次级线圈的第一端、阳极连接所述采样电容的负极，所述采样电容的负极依次通过第三采样电阻和第二采样电阻接地，所述第三采样电阻和第二采样电阻的公共端连接所述电压检测端，并通过所述第一采样电阻连接参考电压输入端，所述参考电压输入端输入参考电压；所述控制电路通过检测所述电压检测端的电压计算母线上的电压。

3.根据权利要求2所述的交流-直流变换电路，其特征在于，

所述控制电路包括控制单元和光耦，所述控制单元具有所述电压检测端和所述参考电压输入端；所述控制单元通过检测所述电压检测端的电压计算母线上的电压，所述控制单元通过光耦控制所述电容开关导通或断开。

4.根据权利要求3所述的交流-直流变换电路，其特征在于，

所述控制电路还包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述光耦包括光耦发射元件和光耦接收元件，所述控制单元还具有控制端；所述控制单元通过控制端控制所述光耦发射元件发光或不发光；所述光耦接收元件和第二分压电阻串联在驱动电压与电容开关的控制端之间，所述电容开关的控制端通过第一分压电阻接地。

5.根据权利要求1所述的交流-直流变换电路，其特征在于，

所述第二母线电容的容量大于所述第一母线电容的容量。

6.根据权利要求1所述的交流-直流变换电路，其特征在于，

所述直流-直流变换单元为反激直流-直流变换单元。

7.根据权利要求1所述的交流-直流变换电路，其特征在于，

所述母线依次通过所述第二母线电容和所述电容开关接地。

8.根据权利要求3所述的交流-直流变换电路，其特征在于，

所述控制单元的供电端连接所述滤波电容的正极。

9.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的交流-直流变换电路。

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