CN220985527U - 开关电源及包括该开关电源的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种开关电源和包括该开关电源的电子设备，涉及开关电源领域，其中开关电源用以驱动LED负载，开关电源包括恒压电路主体和控制模块；恒压电路主体包括主输出回路和辅助输出回路，辅助输出回路包括直流‑直流变换器；主输出回路输出稳定的电压供给LED负载；控制模块包括：误差放大模块，误差放大模块用于对LED负载电流与参考电流进行误差放大，得到误差信号，参考电流表征LED负载的期望工作电流；控制电路，控制电路用于在直流‑直流变换器的电感电流达到误差信号时，控制直流‑直流变换器的主开关管关断；直流‑直流变换器的调节范围可覆盖输出电压的纹波峰值部分，能够高效的去除输出电压中的工频纹波。
Description
技术领域
本实用新型涉及开关电源领域，具体地，涉及一种开关电源和一种包括该开关电源的电子设备。
背景技术
在传统开关电源设计中，通常需要使用多个电源模块来满足不同的电压要求和功率需求。这些电源模块可能包括前一级转换电路和后一级转换电路等。前一级转换电路负责将交流电转换为恒定的直流电压，以供电子设备稳定运行。然而，在一些应用中，特别是对电源质量要求较高的场合，前一级转换电路所提供的恒定电压可能仍然包含一些不可忽视的纹波峰值，这可能对设备性能产生不利影响。
因此，有必要开发一种可以有效地去除电源纹波的开关电源。
实用新型内容
本实用新型旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型提供了一种可以有效地去除电源纹波的开关电源和一种包括该开关电源的电子设备。
为了达到上述目的，本实用新型在第一方面提供了一种开关电源，用以驱动LED负载，所述开关电源包括恒压电路主体和控制模块；所述恒压电路主体包括主输出回路和辅助输出回路，所述辅助输出回路包括直流-直流变换器；所述主输出回路输出稳定的电压供给LED负载，所述直流-直流变换器的输出端与主输出回路串联输出；所述控制模块包括：
误差放大模块，所述误差放大模块用于对LED负载电流与参考电流进行误差放大，得到误差信号，所述参考电流表征所述LED负载的期望工作电流；
控制电路，所述控制电路用于在所述直流-直流变换器的电感电流达到所述误差信号时，控制所述直流-直流变换器的主开关管关断。
本实用新型进一步优选为，所述辅助输出回路还包括辅助绕组，所述辅助绕组与所述主输出回路的绕组耦合以获得所述辅助输出回路的输入信号。
本实用新型进一步优选为，所述直流-直流变换器的输入端与所述辅助绕组连接，所述直流-直流变换器的输出端与所述主输出回路的输出端连接。
本实用新型进一步优选为，所述主输出回路包括主绕组和主整流模块，所述主整流模块的输入端与所述主绕组的输出端连接，所述主整流模块的输出端与所述直流-直流变换器的输出端连接。
本实用新型进一步优选为，所述误差放大模块包括误差放大器，所述误差放大器的第一输入端用于与所述恒压电路主体和所LED负载之间的连接端电连接，所述误差放大器的第二输入端与参考电压端电连接，所述误差放大器的输出端与所述控制电路的输入端电连接，以向所述控制电路提供所述误差信号。
本实用新型进一步优选为，所述控制电路包括比较器和关断控制单元，
所述控制电路的输入端包括所述比较器的正输入端和所述比较器的负输入端，所述比较器的正输入端与所述误差放大模块的输出端电连接，所述比较器的负输入端接收表征直流-直流变换器电感电流的电信号；
所述关断控制单元的输入端与所述比较器的输出端电连接，所述关断控制单元的第二端与所述直流-直流变换器的主开关管的控制端电连接，以根据所述比较器输出的信号向所述主开关管的控制端提供关断控制信号。
本实用新型进一步优选为，所述关断控制单元包括恒定关断时间控制单元，所述恒定关断时间控制单元用于在所述主开关管关断预定时间后，控制所述主开关管导通。
本实用新型进一步优选为，所述关断控制单元包括逻辑单元，所述逻辑单元接收所述比较器输出的信号和所述恒定关断时间控制单元的输出信号，以产生开关控制信号控制所述主开关管的开关状态。
本实用新型进一步优选为，所述开关电源还包括采样模块，所述采样模块的第一端与所述恒压电路主体的输出端电连接，所述采样模块的第二端用于与所述LED负载电连接，所述误差放大模块的第一输入端与所述采样模块的第二端电连接以获得所述LED负载电流。
本实用新型在第二方面还提供了一种电子设备，所述电子设备包括开关电源和LED负载，所述LED负载的两端分别与所述开关电源的主输出回路的输出端和所述开关电源的辅助输出回路的输出端电连接，所述开关电源为第二方面提供的所述的开关电源。
本实用新型的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本实用新型最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本实用新型技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
图1为本实施例中所述开关电源的原理框图。
图2为本实施例中所述开关电源的结构示意图。
图3为一替代性实施例中采用两个DC-DC变换器串联的开关电源。
图4为本实施例中所述电子设备的示意图。
附图中：110、主整流模块；120、辅助整流模块；210、误差放大模块；220、控制电路；221、关断控制单元；300、LED负载。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。
实施例：
如图1和2所示，本实施例在第一方面提供了一种开关电源，所述开关电源用于驱动LED负载，所述开关电源包括恒压电路主体和控制模块。恒压电路主体包括主输出回路以及辅助输出回路，其中所述辅助输出回路包括直流-直流变换器，直流-直流变换器的输出为辅助输出回路的输出，所述主输出回路输出稳定的电压供给LED负载，所述直流-直流变换器的输出端与主输出回路串联输出。
主输出回路包括主绕组，由主输出回路的主绕组提供一电压值接近目标电压(LED负载的额定电压)的恒压源，该恒压源作用于LED负载300时在负载回路中产生LED负载电流，该恒压源在工作时会存在工频纹波。
所述辅助输出回路包括辅助绕组和直流-直流变换器。辅助绕组与所述主输出回路的主绕组耦合以获得所述辅助输出回路的输入信号，所述直流-直流变换器的输入端与所述辅助绕组连接，所述直流-直流变换器的输出端为辅助输出回路的输出端，直流-直流变换器的输出端与所述主输出回路的输出端串联输出。
直流-直流变换器以BUCK(降压)电路为例说明，BUCK(降压)电路通常用于将直流电压从一个级别转换为另一个较低的级别。它由几个关键元件组成，包括主开关管(功率开关)、二极管、电感和电容等。其中，功率开关(晶体管)通常使用MOSFET或者BJT作为功率开关元件。它控制电路的开关操作，使得输入电压能够以一定的占空比进行调制，从而控制输出电压。二极管通常用于形成闭合回路，使得电感中的能量可以传递到负载电容。电感用于储存能量并控制电流。在BUCK变换器中，电感帮助控制电压输出，并减小电流峰值。电容用于滤除脉动并平滑输出，有助于提供稳定的输出电压。直流-直流变换器为现有技术，此处一一详细说明。
由于直流-直流变换器的输出端与主绕组的输出端串联在一起，主绕组部分的电路输出稳定的电压供给LED负载，其中直流-直流变换器主要用于处理电压的工频纹波部分。
所述控制模块为恒压电路主体的一个反馈回路。所述控制模块包括误差放大模块210和控制电路220。其中，所述误差放大模块用于对所述主输出回路的输出电流中的误差进行放大，得到误差信号，也即对LED负载电流与参考电流进行误差放大，所述参考电流表征所述LED负载的期望工作电流，可以通过设置参考电压电路来设定，此处不一一详述。
进一步地，所述误差放大模块210包括误差放大器，即图中EA1。所述误差放大器的第一输入端用于经LED负载与所述主输出回路中主绕组的正输出端电连接，所述误差放大器的第二输入端与参考电压电路的参考电压端电连接，所述误差放大器的输出端与所述控制电路的输入端电连接，以向所述控制电路提供所述误差信号。
所述控制电路的一个输入端接收所述误差信号，其另一个输入端与所述直流-直流变换器中的电感电连接，其输出端与直流-直流变换器中主开关管的控制端电连接。控制电路用于在所述直流-直流变换器的电感电流达到所述误差信号时，控制所述直流-直流变换器的主开关管关断，使所述直流-直流变换器的瞬时输出电流大小等于或略大于误差值，从而实现对开关电源的输出电压上的纹波的消除。
进一步地，所述控制电路220包括比较器(即图2中的CMP2)和关断控制单元221。具体的，所述控制电路的输入端包括所述比较器的正输入端和所述比较器的负输入端，所述比较器的正输入端与所述误差放大模块的输出端电连接，所述比较器的负输入端与所述直流-直流变换器的电感的一端电连接。
所述关断控制单元221的输入端与所述比较器的输出端电连接，所述关断控制单元221的第二端与所述直流-直流变换器的主开关管的控制端电连接，以根据所述比较器输出的信号通过预定的模式向所述主开关管的控制端提供关断控制信号。
所述关断控制单元221包括恒定关断时间控制单元(即图3中的COT)和逻辑单元，恒定关断时间控制单元和逻辑单元可为现有的电路结构实现。通过逻辑单元和恒定关断时间控制单元，在控制所述直流-直流变换器的主开关管关断后，采用恒定关断时间的方式控制所述直流-直流变换器的主开关管的导通时刻，从而控制了一个周期中主开关管的通断状态。具体的，逻辑单元可采用纯逻辑电路或RS触发器等电子元件来实现，本领域技术人员可根据控制方式的不同来设计对应的逻辑电路，此处不在详述。
如图2所示，本实施例中，所述恒压电路主体采用AC-DC转换电路，AC-DC转换电路包括原边模块和副边模块。其中，所述原边模块包括输入回路，输入回路包括用于将交流电转换为直流电的整流桥，用于对直流电进行滤波的滤波电路，以及与滤波电路电连接的原边绕组(即图中Np)，在原边绕组上设有原边控制电路。
所述副边模块包括所述主输出回路和所述辅助输出回路。主输出回路包括主绕组(即图中Aur1)和主整流模块110。所述主绕组与原边绕组耦合形成变压器，所述主绕组的输出端与所述主整流模块的输入端电连接，所述主整流模块的第一输出端为所述主输出回路的第一输出端，也是所述恒压电路主体的第一输出端和所述开关电源的第一输出端。所述主整流模块110的第二输出端与所述直流变换器(即图中DC-DC变换器)的第一输出端电连接。
所述辅助输出回路中除了辅助绕组(即Aur2)和所述直流-直流变换器外，还包括辅助整流模块120，所述辅助绕组与所述主输出回路的主绕组耦合以获得所述辅助输出回路的输入信号(或者所述辅助绕组与所述输入回路的原边绕组耦合以获得所述辅助输出回路的输入信号均可，不做限制)。
所述辅助绕组的输出端与所述辅助整流模块120的输入端电连接，所述直流-直流变换器的输入端与辅助整流模块120的输出端电连接。所述直流-直流变换器的第一输出端与所述主整流模块的第二输出端电连接，所述直流-直流变换器的第二输出端为所述辅助输出回路的第二输出端，也即恒压电路主体第二输出端和所述开关电源的第二输出端。
所述误差放大模块中所述LED负载电流是通过采样模块获得的。所述采样模块采用采样电阻R，采样电阻R串联在LED负载与所述直流-直流变换器的第二输出端之间，采样电阻R的第一端经LED负载与所述恒压电路主体的第一输出端电连接，采样电阻R的第二端与所述直流-直流变换器的第二输出端电连接，所述误差放大器的输入端与所述采样电阻R的第一端电连接，以获得采样电阻R上的电流。
此外，在所述误差放大器的输出端和采样电阻之间还设有补偿单元，补偿单元可采用单个或多个电容。
本实施例具体工作原理如下：
由于所述主输出回路输出稳定的电压供给LED负载，所以所述LED负载电流即等于所述开关电源瞬时的输出电流。
具体的，所述开关电源提供一电压值接近于目标电压(如LED负载的期望工作电压)的电压，该电压作用于LED负载时在负载回路中产生LED负载电流，该电压在工作时会存在工频纹波。所述误差信号是通过采样所述开关电源瞬时的输出电流(或LED负载电流)并与一预设的参考电流进行比较放大获得，所述参考电流为LED负载在正常工作时的期望值。该参考电流的大小即为本开关电源输出电流大小的期望值或目标值，也是一个恒流。故最后得到的误差信号是反映的是开关电源实际输出大小与期望值(或目标值)之间的差值的放大值。
需要说明的是这里对输出电流的采样频率大于所述工频纹波的频率，以便获得更加快速的响应。
所述控制电路在所述辅助输出回路中的直流-直流变换器的电感电流达到所述误差信号时，控制所述直流-直流变换器的主开关管关断，并在关断后，采用恒定关断时间的方式控制所述直流-直流变换器的主开关管的导通时刻，从而使主输出回路输出稳定的电压供给LED负载。
在直流-直流变换器的主开关管关断之后，关断恒定时间，则控制主开关管导通，但恒定关断时间只是一个控制方式之一，本领域技术人员根据实际情况还可以通过例如时钟信号的控制方式控制主开关管的导通，此处不做限制。
主输出回路的输出电压存在纹波，其对应的电流I1也存在纹波。由于所述辅助输出回路与主输出回路串联连接，其输出电压为叠加关系，若直流-直流变换器的输出电流(即电感电流)为I2，则开关电源总的输出电流为I，由I1和I2叠加，即I＝I1+I2；若参考电流为I0，误差值为K，K＝I-I0。分别以开关电源总的输出电压位于纹波峰值和纹波谷值时进行说明。
当开关电源总的输出电压位于纹波峰值时，对应的电流I1为其最大值，总的输出电流I也为最大值，此时与参考电流I0之间的差值，即误差值为最小值，则直流-直流变换器的开关管按照预设的工作模式工作直到直流变换器的输出电流大小恰好补偿误差值这一部分且比误差值稍微大一点，相应地电压的纹波(与期望值之间的差值)也会被补偿。
当开关电源中的输出电压位于纹波谷值时，对应的输出电流I1为其最小值，总的输出电流I也为最小值，此时与参考电流I0之间的差值，即误差值为最大值，则直流-直流变换器的开关管按照预设的工作模式工作直到直流变换器的输出电流大小恰好补偿误差值这一部分且比误差值稍微大一点，相应地电压的纹波(与期望值之间的差值)也会被补偿。
其中直流-直流变换器的开关管的预设的工作模式与误差值相关。这里预设的工作模式可以是恒定关断时间方式。恒定关断时间指的是开关管在一个工作周期内的关闭时间。
开关管的关断时间的长度由控制电路根据误差值来决定，以确保输出电压动态维持在所需的稳定水平。通过在直流-直流变换器的开关管控制关断时间，可以调整输出电压的平均值，以适应输入电压波动和负载变化。
由上可知，直流-直流变换器的开关管按照预设工作模式(例如PWM控制下工作周期中的关断时间、导通时间)与直流-直流变换器的瞬时输出电流相关，直流-直流变换器的瞬时输出电流与误差值大小相关，而误差值大小又与电源的纹波大小相关，故本方案中通过直流-直流变换器的开关管按照预设的工作模式与电源的纹波大小进行关联，使得直流-直流变换器的开关管可以根据电源的纹波大小的变化动态调节直流-直流变换器的开关管的对应工作模式例如PWM控制下工作周期中的关断时间、导通时间)，从而输出对应大小的瞬时输出电流和电压，以达到直流-直流变换器在和主输出回路共同输出的过程中消除电压纹波的目的。
本方案中所述开关电源一方面通过AC-DC转换电路提供恒压源，另一方面再通过调节范围可覆盖恒压源纹波峰值部分的DC-DC变换器，并且DC-DC变换器输入和输出压差相对不大，因此使得AC-DC转换电路部分可以选用功率因数较高的元件，进而整体提高了开关电源的转换效率，以及可以实现较高效率的去除了纹波。
另外，AC-DC转换电路和DC-DC变换器(即直流-直流变换器)采用串联架构后，DC-DC变换器的可以针对AC-DC转换电路输出电压纹波高低进行设计，当输出电压纹波较小时，DC-DC变换器可以输出电压只需覆盖电压纹波幅值即可，因此相比与传统前后两级式方案的串联连接方式开关应力要小很多，使得配合开关器件使用的储能器件的成本明显降低。
需要说明的是，DC-DC电路可以为BUCK电路、Boost电路或Buck-Boost电路中的任意一种，AC-DC转换电路可以为BUCK电路、Boost电路、Flyback电路或Buck-Boost电路中的任意一种，此处不做限制，例如当AC-DC转换电路为Boost电路中，可以将辅助输出回路接在Boost电路的负输出端和LED负载之间，其纹波消除方案与Flyback类似，所不同的是，LED负载的电压为主输出回路的电压减去辅助输出回路的电压，通过上述类似的纹波消除方案，通过辅助输出回路滤除LED输出电压中的纹波，同样可实现在供给LED负载电压稳定的情况下，使得LED电流稳定。
如图3所示，在一替代性的实施例中，还示出了一种采用两个DC-DC变换器(即直流-直流变换器)的开关电源，在该开关电源的恒压电路主体中的辅助输出回路通过采用输出端串联的两个DC-DC变换器，替代上述方案中的一个DC-DC变换器，这两个DC-DC变换器分别具有不相同的响应频率，且各自对应的误差放大模块中分别设置了不同的参考电压，即在某些对电源纹波更高要求的应用场景下，可以通过这种方式在进行一次去纹波的基础上，再进行二次(更精细)去纹波。
需要说明的是，本领域技术人员根据实际场景的需要，可以在此基础上继续串联更多的DC-DC变换器，来提高电源质量(主要指去纹波方面)，其中DC-DC变换器的响应频率和误差放大模块中设置的参考电压，也可根据情况进行调整，可以相同，也可以不同。
本实施例所提供的开关电源与前述用于开关电源的工频纹波滤波方法的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。
如图4所示，本实施例在第二方面，还提供了一种电子设备，所述电子设备包括开关电源和LED负载，所述负载的两端分别与所述开关电源的主输出回路的第一输出端和所述开关电源的辅助输出回路的第二输出端电连接，所述开关电源为本实施例第一方面所提供的开关电源。
以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本实用新型包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.一种开关电源，用以驱动LED负载，所述开关电源包括恒压电路主体和控制模块；所述恒压电路主体包括主输出回路和辅助输出回路，所述辅助输出回路包括直流-直流变换器；其特征在于，所述主输出回路输出稳定的电压供给LED负载，所述直流-直流变换器的输出端与主输出回路串联输出；所述控制模块包括：
误差放大模块，所述误差放大模块用于对LED负载电流与参考电流进行误差放大，得到误差信号，所述参考电流表征所述LED负载的期望工作电流；
控制电路，所述控制电路用于在所述直流-直流变换器的电感电流达到所述误差信号时，控制所述直流-直流变换器的主开关管关断。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述辅助输出回路还包括辅助绕组，所述辅助绕组与所述主输出回路的绕组耦合以获得所述辅助输出回路的输入信号。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述直流-直流变换器的输入端与所述辅助绕组连接，所述直流-直流变换器的输出端与所述主输出回路的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述主输出回路包括主绕组和主整流模块，所述主整流模块的输入端与所述主绕组的输出端连接，所述主整流模块的输出端与所述直流-直流变换器的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述误差放大模块包括误差放大器，
所述误差放大器的第一输入端用于与所述恒压电路主体和LED负载之间的连接端电连接，所述误差放大器的第二输入端与参考电压端电连接，所述误差放大器的输出端与所述控制电路的输入端电连接，以向所述控制电路提供所述误差信号。
6.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制电路包括比较器和关断控制单元，
所述比较器的正输入端与所述误差放大模块的输出端电连接，所述比较器的负输入端接收表征直流-直流变换器电感电流的电信号；
所述关断控制单元的输入端与所述比较器的输出端电连接，所述关断控制单元的第二端与所述直流-直流变换器的主开关管的控制端电连接，以根据所述比较器输出的信号向所述主开关管的控制端提供关断控制信号。
7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述关断控制单元包括恒定关断时间控制单元，所述恒定关断时间控制单元用于在所述主开关管关断预定时间后，控制所述主开关管导通。
8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述关断控制单元包括逻辑单元，所述逻辑单元接收所述比较器输出的信号和所述恒定关断时间控制单元的输出信号，以产生开关控制信号控制所述主开关管的开关状态。
9.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括采样模块，所述采样模块的第一端与所述恒压电路主体的输出端电连接，所述采样模块的第二端用于与所述LED负载电连接，所述误差放大模块的第一输入端与所述采样模块的第二端电连接以获得所述LED负载电流。
10.一种电子设备，所述电子设备包括开关电源和LED负载，所述LED负载的两端分别与所述开关电源的主输出回路的输出端和所述开关电源的辅助输出回路的输出端电连接，其特征在于，所述开关电源为权利要求1至9中任意一项所述的开关电源。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |