CN2805264Y - 浪涌电流抑制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种浪涌电流抑制电路，其包括依次连接的电压输入端、整流单元和电源开关单元，在电压输入端与整流单元之间串联一电感，在整流单元和电源开关单元之间串接一用于抑制浪涌电流、增大流过整流单元电流的导通角、提高功率因数并减小电流脉动系数的逐流滤波单元。本实用新型浪涌电流抑制电路通过在整流单元和电源开关单元之间串接一逐流滤波单元用于抑制浪涌电流，可省去现有电视机开关电源的扼流电感和滤波电容，有效降低成本、降低损耗功率、提高低压性能以及机械振动性能指标。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种浪涌电流抑制电路，尤其涉及一种适用于电视机等显示器装置开关电源的浪涌电流抑制电路。
背景技术
目前市场上销售的电视机通常都使用开关电源，以提高工作效率和适应电网输入电压不稳定的要求。而开关电源的输入电压一般都是从220伏交流电直接整流和滤波取得。由于开关电源内储能滤波电容的容量一般都取得很大，其两端电压纹波很小，大约只有输入电压的10％左右，而仅当输入电压大于滤波电容器两端电压的时候，整流二极管才导通，因此在输入电压的一个周期内，整流二极管的导通时间很短，即导通角很小，这样整流电路中将出现脉冲尖峰电流，即浪涌电流，请参阅图1所示的一般整流电路输入电压与脉冲尖峰电流的波形图。
若将此种用浪涌电流傅立叶级数展开，可被看成由非常多的高次谐波电流组成，这些谐波电流将会降低电源设备的使用效率，即功率因数很低，并会倒灌到电网，对电网产生污染，并干扰其它电器设备，使电器设备不能正常工作或降低工作性能，严重时还会引起电网频率波动，即交流电源闪烁。
目前，为了降低电源整流电路中出现浪涌电流，很多现有电视机在整流电路中都串联一个可抑制50周浪涌电流的大电感，即扼流电感。请参阅图2，现有电视机采用扼流电感抑制脉冲电流的电路包括依次连接的扼流电感L1，整流单元D1～D4，滤波电容C1、电源开关单元V1，其中，为了防止电感饱和，L1的两个线圈必须分别绕在各自独立的磁回路之中，因此两个线圈之间的漏感很大；自激式开关电源一般用晶体三极管作为V1使用，他激式开关电源一般用场效应管作为V1使用。
然而，扼流L1电感虽然可以有效地抑制脉冲电流的峰值，但采用扼流电感滤波的方法不但增加电视机成本(价格大约为8～12元)，而且会使机器的损耗功率增大，使开关电源的低压性能变差，因为扼流电感两端会产生30～60VP-P(峰峰值)的电压降，并且增加机器重量，使机械振动性能指标下降。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于：提供一种浪涌电流抑制电路，其能解决目前电视机开关电源的抑制浪涌电流电路成本高、损耗功率较大、低压性能较差以及机械振动性能指标较低的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：提供一种浪涌电流抑制电路，其包括依次连接的电压输入端、整流单元和电源开关单元，在电压输入端与整流单元之间串联一电感，在整流单元和电源开关单元之间串接一用于抑制浪涌电流、增大流过整流单元电流的导通角、提高功率因数并减小电流脉动系数的逐流滤波单元。
上述技术方案的进一步改进在于：所述逐流滤波单元包括二电容和三个二极管，其中第一电容与第一二极管串联后两端分别连接于所述整流单元的二输出端，第二电容与第二二极管串联后两端分别连接于所述整流单元的二输出端与第一电容和第一二极管并联，第三二极管桥接于第一二极管与第二二极管之间。
上述技术方案的进一步改进在于：所述与整流单元串联的电感是一共模滤波电感。
上述技术方案的进一步改进在于：所述浪涌电流抑制电路还包括一电感和电阻，其中该电感串接于整流单元与逐流滤波单元之间，电阻与第三二极管串联。
上述技术方案的进一步改进在于：所述浪涌电流抑制电路还包括二电感，其中一电感串接于整流单元与逐流滤波单元之间，另一电感与第三二极管串联。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型浪涌电流抑制电路通过在整流单元和电源开关单元之间串接一逐流滤波单元用于抑制浪涌电流，可省去现有电视机开关电源的扼流电感和滤波电容，有效降低成本、降低损耗功率、提高低压性能以及机械振动性能指标。
附图说明
图1是本实用新型现有普通电视机整流电路输入电压与脉冲尖峰电流的波形示意图；
图2是本实用新型现有电视机采用扼流电感抑制脉冲电流的峰值的电路原理图；
图3是本实用新型浪涌电流抑制电路的电路原理图；
图4是本实用新型浪涌电流抑制电路的输入电压和输入电流以及输出电压的波形示意图；
图5是本实用新型浪涌电流抑制电路另一实施例的电路原理图。
具体实施方式
请参阅图3，本实用新型浪涌电流抑制电路包括依次连接的电感L2、整流单元、逐流滤波单元、电源开关单元。其中整流单元和电源开关单元与现有电视机开关电源的整流单元和电源开关单元相同，电感L2与整流单元串联，逐流滤波单元串接在整流单元和电源开关单元之间。
本实施例的电感L2是共模滤波电感，其与现有采用扼流电感抑制脉冲电流的电视机中的扼流电感的结构和功能完全不同。
本实施例的逐流滤波单元(请参阅图3中虚线框中部分)包括电容C2、C3和二极管D5、D6、D7，其中C2与D5串联后两端分别连接整流单元的二输出端，C3与D7串联后两端分别连接整流单元的二输出端与C2与D5并联，D6桥接于D5与D7之间。可以理解，该逐流滤波单元不但可以增大流过整流单元电流的导通角，而且还可以提高功率因数，和减小电流脉动系数(实验证明，该逐流滤波单元可使整流单元电流的导通角提高到120度以上，功率因数大于0.8，电流脉动系数小于2)。
请一并参阅图4，当输入电压(AC220V)高于输入电压幅值的1/2时(约150V)，输入电压对电容C2、C3充电；当输入电压小于输入电压幅值的1/2时(约150V)，电容C2、C3并联向负载放电。
由此可知，因采用逐流滤波单元，本实用新型浪涌抑制电路结构简单，成本低，原来电路中(请参阅图2)的滤波电容C1可以省去，相当于用C2、C3代替，并且电容C2、C3的耐压可以减小一半。但因为本实用新型逐流滤波电路输出电压纹波非常大，高达180V以上，所以相应地要求电视机开关电源在非常宽的工作电压范围都能正常工作。为此要求电源开关管V1占空比的变化范围应较大；储能滤波电容的容量也要求比较大；变压器次级线圈与初级线圈的匝数比也要求较高。当这些参数全部选择合适时，才能使开关电源更加正常地工作，本实施例的上述各参数的计算方法如下所述：
1、电源开关管占空比的计算
当输入电压为AC 260V时，其峰值电压为370V，而电源开关管V1的耐压通常都在650V左右，由此可求得电源开关管的最大占空比为：
DHmax＝0.43 (1)
式中D为占空比，其定义是导通时间与周期之比，即：
D＝ON/T＝ON/(ON+OFF) (2)
当输入电压为AC 110V时，其峰值电压为155V，其峰值电压的一半为77V左右，假设两个储能滤波电容C2、C3的纹波电压为30V，即逐流滤波单元输出最低电压为47V，由此可求得电源开关管的最大占空比为：
DWmax＝0.86 (3)
其中，式(1)和式(3)的结果就是电源开关管工作时占空比的极限值，实际工作时电源开关管的占空比应介于这两个值之间。即：最高输入电压时(AC260V)，占空比的最大值不能大于0.43，最低输入电压时(AC110V)，占空比的最大值不能大于0.86。
可以理解，在实际工作中占空比要留有一定的余量，如果当输入电压为AC 260V时，对应电源开关管占空比D的最小值为1/3，则当输入电压为AC110V时，对应电源开关管占空比D的最大值则为0.79。
2、开关电源变压器伏秒容量和变压器匝数的计算
变压器的参数设计主要是伏秒容量的确定和变压器线圈匝数的计算，变压器的线圈匝数和伏秒容量由下式求得：
式(4)中UCτ为变压器的伏秒容量，N1为变压器的初级线圈绕组的匝数；UC为工电压，单位为伏；τ为开关管导通脉冲宽度，单位为秒；S为变压器磁心面积，单位为平方厘米；Bm为变压器磁心最大磁感应密度，单位为高斯；Br为变压器磁心的剩磁，单位为高斯。
可以理解，其中Bm值越大越好，剩磁值Br越小越好，磁心的导磁率μ值越高越好，以及磁心的损耗越小越好。磁心的最大磁感应密度Bm与磁心的材料和密度有关，以国产磁心为例，其Bm值约在5000高斯左右，Br约等于Bm的70％。没有气隙的磁心导磁率非常高，μ值都在几千以上，甚至接近1万左右，但若有0.01毫米的气隙，导磁率μ就会下降到最大值的几分之一。
开关电源变压器的磁心中间要留气隙，以防止流过变压器的电流过大时出现磁饱和。气隙长度与变压器的体积有关，与磁心材料有关，还与电路中的出现浪涌电流的大小有关。通常电视机开关电源变压器的气隙长度可取0.3～0.8mm。气隙长度取得过大容易产生漏感，过小，开关电源开始工作的瞬间电源变压器容易出现饱和。当变压器留有足够的气隙时Bm可取4000高斯，Br可取500高斯。
计算时，UC一般取最高工作电压；τ可根据最高工作电压时对应的开关管导通脉冲宽度来取值，开关管导通脉冲宽度可根据占空比的计算来求得。
知道了工作电压UC，和对应的开关管导通脉冲宽度τ，以及占空比，就可以计算变压器其它绕组的变压比或线圈匝数。再根据输出功率或电流来选择漆包线的粗细，一般漆包线的电流密度可选为2～4安/平方毫米。由于流过变压器初级线圈的电流会跟随输入电压不断地变化，在输入电压最低的时候，电流反而最大，因此在选择变压器初级线圈电流密度时，应按最大工作电流的情况进行考虑。电流密度选得过大，变压器的铜损会过大，温升也会增大，铜损温升以不超过25℃为宜。
例如，UC最高工作电压为370V，对应的占空比为1/3(最小值)，则初级线圈产生的感应电动势(反电动势)为185伏，如需要次级线圈输出18.5V，可取变压比为1∶10(N2/N1)。如取UC最低工作电压为47V，对应的占空比为0.79(最大值)，计算出来的结果也完全相同。但占空比太大，相应要求输出电压储能滤波电容的容量也增大。
逐流滤波单元滤波电容的容量主要由输入电压，输出功率来决定。一般25寸CRT电视机的损耗功率大约为150瓦左右，29寸CRT电视机的损耗功率大约为180瓦左右。
当输入电压为AC220V时，1/2峰值电压为150V，如果储能电容器C2、C3两端的纹波电压为30V，则当储能电容器C2、C3在放电时的平均电压为135V，而平均电流为1.11A(按150瓦计算)，对应的放电时间为1/6周期，即3.3mS，根据
ΔUC＝Q/C (5)
即C＝1.11A*3.3mS/30V＝122微法 (6)
式中C为C2、C3并联值，即C2＝C3＝61微法。
当输入电压为AC110V时，1/2峰值电压为77V，如果储能电容器C2、C3两端的纹波电压仍为30V，则当储能电容器C2、C3在放电时的平均电压为62V，而平均电流则为2.42A，对应的放电时间为1/6周期，即3.3mS，根据式(5)可求出：
C＝2.42A*3.3mS/30V＝266微法 (7)
即C2＝C3＝133微法。
以上计算结果只是元件参数的最小值，在实际应用中需要预留足够的余量，余量一般要取一倍左右，因为电解电容的容量受温度影响非常大，而且随着使用时间的增长，容量会变小。
可以理解，图4中的波形是在假定负载不变的情况下得出来的，实际上其与电视机中逐流滤波单元输出电压的真正波形还有很大的出入，因为电视机中的开关电源不能等效为一个恒定负载，而是一个具有负阻特性的负载，即：输入电压越低，输入电流反而越大。实践证明，在电网的使用设备中，电流上升率di/dt对电网的干扰危害最大。减小电流上升率di/dt最好的方法就是在电路中串联电感或电阻。请一并参阅图5，为进一步降低逐流滤波单元中电流上升率di/dt，本实用新型浪涌抑制电路另一实施例是在上述基础上增设电感L2和电阻R2，其中L2串接于整流单元与逐流滤波单元之间，R2与D6串联。可以理解，R2也可用一个电感来代替。
Claims (5)
1.一种浪涌电流抑制电路，其包括依次连接的电压输入端、整流单元和电源开关单元，其特征在于：在电压输入端与整流单元之间串联一电感，在整流单元和电源开关单元之间串接一用于抑制浪涌电流、增大流过整流单元电流的导通角、提高功率因数并减小电流脉动系数的逐流滤波单元。
2.如权利要求1所述的浪涌电流抑制电路，其特征在于：所述逐流滤波单元包括二电容和三个二极管，其中第一电容与第一二极管串联后两端分别连接于所述整流单元的二输出端，第二电容与第二二极管串联后两端分别连接于所述整流单元的二输出端与第一电容和第一二极管并联，第三二极管桥接于第一二极管与第二二极管之间。
3.如权利要求2所述的浪涌电流抑制电路，其特征在于：所述与整流单元串联的电感是一共模滤波电感。
4.如权利要求3所述的浪涌电流抑制电路，其特征在于：还包括一电感和电阻，其中该电感串接于整流单元与逐流滤波单元之间，电阻与第三二极管串联。
5.如权利要求3所述的浪涌电流抑制电路，其特征在于：还包括二电感，其中一电感串接于整流单元与逐流滤波单元之间，另一电感与第三二极管串联。
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