单级高宽输入电压的开关电源
阅读：283发布：2024-02-23
专利汇可以提供单级高宽输入电压的开关电源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 开关 电源技术领域的单级高宽输入 电压 的 开关电源 ，包括：输入 电路 、辅助电路、变频电路、核心电路、反激电路、反馈电路和输出电路，其中：输入电路、变频电路、核心电路、反激电路、和输出电路依此级联，反馈电路与输出电路连接，辅助电路与反激电路相连。本 发明 能够实现高压直流-低压直流变换，适合高宽输入电压，同时具有结构简单和控制容易的优点。，下面是单级高宽输入电压的开关电源专利的具体信息内容。
1.一种单级高宽输入电压的开关电源，包括：输入电路、辅助电路、变频电路、核心电路、反激电路、反馈电路和输出电路，其中：输入电路、变频电路、核心电路、反激电路、和输出电路依次级联，反馈电路与输出电路连接，辅助电路与反激电路相连，其特征在于：所述的反激电路包括：变压器、吸收电路和斩波电路，其中：吸收回路、斩波电路的功率开关和输出电路分别与变压器的初级绕组、辅助绕组和次级绕组连接；
所述的输入电路均分输入电压，产生输入电压的检测信号，提供高宽输入直流电压； 所述的变频电路产生随着输入电压与负载功率变化而相应变化的等效电阻，用于改变核心控制电路的振荡频率；
所述的辅助电路产生起始和整个控制电路的后续工作电源+15V；
所述的核心电路实施对整个开关电源的控制，包括：RC振荡、闭环控制、PWM（Pulse Width Modulation）控制，脉冲宽度调制脉冲发生、驱动和保护；
所述的反馈电路精密检测输出瞬时电压，并通过光耦成比例地转换成阻抗，输送至核心电路；
所述的反激电路通过功率器件的开关动作产生反激作用，完成反激变换，通过变压器传递能量；
所述的输出电路完成半波整流，产生输出电压；
所述的变压器为三级绕组的高频开关变压器；
所述的吸收电路由第五电容、第十八电阻和第二二极管组成，其中：第十八电阻和第二二极管串联后与第一变压器的初级绕组连接，第五电容并联于第十八电阻两端； 所述的斩波电路由金属氧化物半导体场效应管、第二十六电阻和第二十五电阻组成，其中：第二十五电阻连接于金属氧化物半导体场效应管的漏极与核心电路之间，第二十六电阻连接于该金属氧化物半导体场效应管的源极和漏极之间；
所述的反馈电路由级联的作为精密电压电路的三端可调分流基准源和光电耦合器、第十电容、第三十五电阻、第三十电阻和第三十一电阻构成的光耦电路组成，其中：光电耦合器的二极管的阳极通过第二十六电阻与输出电路的阳极相连，光电耦合器的二极管的阴极与三端可调分流基准源的阴极相连，光电耦合器的晶体管的集电极与核心电路模拟控制器的COM引脚相连，光电耦合器的晶体管的发射极与核心电路的地相连，三端可调分流基准源的阴极与反馈电路的地相连，第三十电阻并联于光电耦合器的二极管 两端，依次串联的第三十五电阻、第三十一电阻和第十电容同时并联于光电耦合器的二极管两端； 所述的高宽输入电压的范围是直流电压500V下限电压－1400V上限电压，变化范围为
1:2.8。
单级高宽输入电压的开关电源
技术领域
背景技术
[0002] 高压变频调速、电力仪表检测、海底电缆等应用领域的电压等级高且变化范围宽，使得这些领域采用的开关电源设计思路必须相应改变。对于一般的开关电源设计，其适应的输入电压范围较小，不能满足这些特殊的工业应用场合。电力系统检测仪表电源的输入电压范围为交流90～600V，海底电缆电源输入电压范围为交流1500～2000V，工业变频器电源输入电压范围为交流140-800V。由于这些领域比较特殊，因此对其开关电源的研究与设计比较少，随着应用的增加以及对其开关电源性能要求的增加，高宽输入电压的开关电源研究已成为一个新的课题。
[0003] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号02271250.X.公开日：2003.5.21，记载了一种“具有宽输入电压范围的开关电源”，该技术具有电压补偿功能，次级绕组增加线性稳压器，交流输入电压30-550V，无输出电压反馈。中国专利文献号200920060249.6，公开日：2010.3.3，记载了一种“一种用于宽输入电压范围的开关辅助电路”，该技术具有两级反激级联电路，可以减低占空比的变化范围。中国专利文献号200710162358.4，公开日：2009.4.1，记载了一种“一种宽输入电压范围的电源模块”，该技术采用半控逆变器，低压时两个变换器输出并联，高压时两个变换器输出串联，两个变换器输入串联均压。
[0004] 外国文献On Semiconductor AN1327/D，www.onsemi.com.，Marty Brown.Very wide input voltage range，off-line flyback switching power supply非常宽输入电压范围的离线反激开关电源。该技术利用压控振荡器的控制，实现高宽输入电压。当输入电压变化时，变压器反馈绕组的电压相应变化，改变振荡频率。直流输入电压120-854V。
[0005] 美国专利号：US5,621,629.Switching power supply for use in an electronic energy meter having a wide range ofinput voltages宽输入电压范围的电力仪表用开关电源。该技术交流输入电压96-528V，开关电源前采用两级线性稳压来钳位。
[0006] 综合以上，对高宽输入电压的开关电源现有技术的检索发现，都没有充分开发利用好反激开关电源，输入电压范围尤其上限仍然较低，随输入电压而变压变频性能有限。反激开关电源中的高频变压器磁设计是关键，输入电压过高或过低，开关变压器的设计难度加重，影响变压器的磁路设计，同时由于效率过低和电压等级过高，功率MOSFET的选型非常难，散热处理较差。高压大电流的功率MOSFET的可选产品较少，同样电流能力的功率MOSFET，电压等级越高管压降越大，效率越低。输入电压波动范围越大，同时兼顾高低压，还要达到优化设计，没有理论支持。电压过高，占空比过小，磁芯损耗越大。电压过低，占空比过大，导通损耗越大。
发明内容
[0007] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种单级高宽输入电压的开关电源，本发明能够实现高压直流-低压直流变换，适合高宽输入电压，同时具有结构简单和控制容易的优点。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：输入电路、辅助电路辅助电路改为辅助电路、变频电路、核心电路、反激电路、反馈电路和输出电路，其中：输入电路、变频电路、核心电路、反激电路和输出电路依此级联，反馈电路的输入端与输出电路连接，输出端与核心电路相连。
[0009] 所述的反激电路包括：变压器、吸收电路和斩波电路，其中：吸收回路、斩波电路的功率开关和输出电路分别与变压器的初级绕组、辅助绕组和次级绕组连接。
[0010] 所述的变压器为三级绕组的高频开关变压器。
[0014] 所述的模拟控制器为UC3844或UC3845芯片，其中：VCC引脚与辅助电路连接，VREF引脚与三极管、电容及电阻连接后接地，OUT引脚与反激电路的斩波电路连接，模拟控制器的CUR引脚与电容及电阻连接后接地，VFB和GND引脚接地，COM引脚通过电容接地，RT引脚与变频电路连接。
[0015] 所述的反馈电路由级联的精密电压电路和光耦电路实现。
[0016] 所述的精密电压电路由三端可调分流基准源实现。
[0017] 所述的光耦电路由光电耦合器、电容和电阻实现，其中：电阻并联于光电耦合器的二极管两端，其余电阻与电容串联后也并联于该二极管两端。
[0018] 所述的输入电路由级联的动态均压电路、静态均压电路和分压电路实现。
[0019] 所述的动态均压电路由第一动态均压模块和第二动态均压模块组成。
[0020] 所述的动态均压模块由电容、电阻和电解电容实现，其中：电容与电阻串联，电解电容并联于电容和电阻的另一端。
[0021] 所述的静态均压电路由包括分别与动态均压模块中的电解电容并联的电阻支路实现。
[0022] 所述的分压电路由分压电阻和稳压二极管实现，其中：第一分压电阻和二极管并联，并联组件再与其它电阻串联。
[0023] 所述的辅助电路包括：由若干电阻组成的起始电路和整流电路，其中：起始电路与整流电路输出端的一个电阻和电解电容相连后接地；
[0024] 所述的起始电路包括：四只依次串联的电阻，一端与供电电压正极相连，另一端与整流电路输出端相连；
[0025] 所述的整流电路包括：功率检测电路和半波整流电路，其中：功率检测电路与半波整流电路依次串联；
[0026] 所述的功率检测电路包括：两只电容、两只电阻、一只稳压二极管和一只晶体管，其中一只电容、一只电阻、一只稳压二极管与一只晶体管具有一个公共端，另一只电容和另一只电阻构成RC滤波器并联于反激电路的辅助绕组两端；
[0027] 所述的半波整流电路包括：一只二极管、一只电阻和一只电解电容，二极管阴极与电阻、电解电容具有一个公共端，即输出端，其阳极与功率检测电路的输出端相连，电阻、电解电容的另一端与辅助电路的地相连；
[0028] 所述的变频电路由级联的变压变频电路和变载变频电路实现。
[0029] 所述的变压变频电路由级联的电压跟随电路和光耦电路实现。
[0031] 所述的光耦电路由光电耦合器和电阻实现，其中：光电耦合器的二极管的阳极与电压跟随电路连接，光电耦合器二极管的阴极外接电阻后接地，光电耦合器的三极管的集电极外接电阻后与变载变频电路连接，光电耦合器的三极管的发射极与核心电路连接。
[0032] 所述的变载变频电路包括一个电阻支路。
[0033] 所述的输出电路为半波整流电路，该电路由电解电容、二极管和电阻实现，其中：电解电容与电阻并联，电解电容的一端接地且与变压器的次级绕组的一端连接，电解电容的另一端与二极管的一端连接，二极管的另一端与变压器的次级绕组的另一端连接。
[0034] 本发明中输入电路能够均分输入电压，产生输入电压的检测信号，提供高宽输入直流电压。变频电路产生随着输入电压与负载功率变化而相应变化的等效电阻，用于改变核心控制电路的振荡频率。辅助电路产生起始和整个控制电路的后续工作电源+15V。核心电路实施对整个开关电源的控制，包括：RC振荡、闭环控制、PWMPulse Width Modulation，脉冲宽度调制脉冲发生、驱动和保护等。反馈电路能够精密检测输出瞬时电压，并通过光耦成比例地转换成阻抗，输送至核心电路。该反激电路能够通过功率器件的开关动作产生反激作用，完成反激变换，能够通过变压器传递能量。该输出电路能够完成半波整流，产生输出电压。
[0035] 本发明根据传统PWM控制器的振荡电路的工作原理，通过改变等效振荡电阻可以实现变频调制原理，使得反激电源的开关频率随着输入电压的增加而下降，同时随着输出功率的降低而降低，从而简化和优化高频变压器的设计，简化和优化功率开关的设计，使得单级反激电源更加适应更高更宽的输入电压范围，而且具有较高的效率，同时具有输出电压反馈闭环控制功能，能够获得稳定的输出直流电压。克服直接高宽输入电压的单级反激开关电源恒定频率、无输出电压反馈的各种不足，适合更高宽输入电压-低压电源输出、功率150W以下的各种应用场合，具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。附图说明
[0036] 图1为本发明的系统图。
[0037] 图2为实施例1的电路图。
具体实施方式
[0038] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0039] 如图1所示，本实施例包括：输入电路1、变频电路2、核心电路3、反激电路4、输出电路5、反馈电路6和辅助电路7，其中：输入电路1、变频电路2、核心电路3、反激电路4、和输出电路5依此级联，反馈电路6与输出电路5连接，辅助电路7与反激电路相连。
[0040] 如图2所示，所述的反激电路4包括：变压器T1、吸收电路8和斩波电路9，其中：吸收回路8和斩波电路9的功率开关S1、输出电路5分别与变压器的初级绕组W1和次级绕组W3连接。辅助电路7与反激电路的辅助绕组W2相连
[0041] 所述的变压器T1为三级绕组的高频开关变压器。
[0042] 所述的吸收电路8由电容C5、电阻R18和二极管D2实现，其中：电阻R18和二极管D2串联后与变压器T1的初级绕组W1并联，电容C5并联于电阻R18两端。
[0043] 所述的斩波电路9由功率开关S1和电阻实现，其中：功率开关S1的金属氧化物半导体场效应管的漏极分两路连接电阻R25和R26，电阻R25的另一端与核心电路3的模拟控制器U1连接，电阻R26的另一端与该场效应管的源极连接。
[0044] 所述的核心电路由模拟控制器U1、电容、三极管TR2和电阻实现。
[0045] 所述的模拟控制器U1为UC3844或UC3845芯片，其中：VCC引脚与辅助电路7连接，VREF引脚与三极管TR2、电容C9及电阻R24和R27连接后接地，OUT引脚与反激电路4的斩波电路9连接，CUR引脚与电容C8及电阻R27、R28和R29连接后接地，VFB和GND引脚接地，COM引脚通过电容C7接地，RT引脚与变频电路2连接。
[0046] 所述的反馈电路6由级联的精密电压电路10和光耦电路11实现。
[0047] 所述的精密电压电路10由三端可调分流基准源U2实现。
[0048] 所述的光耦电路11由光电耦合器OP1、电容C10和电阻R26、R30和R31实现，其中：电阻R30并联于光电耦合器OP1的二极管两端，其余电阻R26、R31与电容C10串联后也并联于该二极管两端。
[0049] 所述的输入电路1由级联的动态均压电路14、静态均压电路15和分压电路13实现。
[0050] 所述的动态均压电路14由第一动态均压模块16和第二动态均压模块17组成。
[0051] 所述的动态均压模块16、17由电容C1、C2、电阻R1、R2和电解电容E1、E2实现，其中：电容C1、C2分别与电阻R1、R2串联，电解电容E1、E2分别并联于电容C1、C2和电阻R1、R2的另一端。
[0052] 所述的静态均压电路由分别与动态均压模块中的电解电容E1、E2并联的双电阻R3与R4、R5与R6串联支路实现。
[0053] 所述的分压电路13由分压电阻R7、R8、R9和R10和稳压二极管ZD2实现，其中：电阻R10和二极管ZD2并联后，并联组件再与其它电阻R7、R8、R9串联。
[0054] 所述的辅助电路包括：由若干电阻组成的起始电路和整流电路，其中：起始电路与整流电路输出端的一个电阻和电解电容相连后接地；
[0055] 所述的起始电路包括：四只依次串联的电阻R11～R14，一端与供电电压正极相连，另一端与整流电路输出端相连；
[0056] 所述的整流电路包括：功率检测电路和半波整流电路，其中：功率检测电路与半波整流电路依次串联；
[0057] 所述的功率检测电路包括：两只电容C3，C4、两只电阻R16，R17、一只稳压二极管ZD1和一只晶体管TR1，其中一只电容C3、一只电阻R16、稳压二极管ZD1与晶体管TR1具有一个公共端，另一只电容C4和另一只电阻R17构成RC滤波器并联于反激电路的辅助绕组两端；
[0058] 所述的半波整流电路包括：一只二极管D1、一只电阻R15和一只电解电容E3，二极管D1阴极与电阻R15、电解电容E3具有一个公共端，即输出端，其阳极与功率检测电路的输出端相连，电阻R15、电解电容E3的另一端与辅助电路的地相连；
[0059] 所述的变频电路2由级联的变压变频电路22和变载变频电路23实现。
[0060] 所述的变压变频电路22由级联的电压跟随电路24和光耦电路25实现。
[0061] 所述的电压跟随电路24由放大器A1实现，其中：放大器A1的同相输入端与输入电路连接，放大器A1的输出端与光耦电路25连接，放大器A1输出端与放大器A1的反相输入端连接。
[0062] 所述的光耦电路25由光电耦合器OP2和电阻R20、R21实现，其中：光电耦合器OP2的二极管的阳极与电压跟随电路24连接，光电耦合器OP2的二极管的阴极外接电阻R20后接地，光电耦合器OP2的三极管的集电极外接电阻R21后与变载变频电路23连接，光电耦合器OP2的三极管的发射极与核心电路3连接。
[0063] 所述的变载变频电路23包括一个由电阻R22和R23组成的电阻支路。
[0064] 所述的输出电路5为半波整流电路，该电路由电解电容E4、二极管D3和电阻R34实现，其中：电解电容E4与电阻R34并联，电解电容E4的一端接地且与变压器T1的次级绕组W3的一端连接，电解电容E4的另一端与二极管D3的一端连接，二极管D3的另一端与变压器T1的次级绕组W3的另一端连接。
[0065] 本实施例中：直流输入电压高宽范围，例如上限电压1400V，下限电压500V。输出低压直流电压，如±24V、±15V、±12V、±5、±3.3V等。输入电路、反激电路部分的器件选择2000V电压等级，变频电路、核心电路、辅助电路、反馈电路和输出电路部分器件电压等级选择控制低压等级。
[0066] 本实施例的参数为：输入直流上限电压1400V，输出直流电压为单路如+15V等，额定总功率为100W。
[0067] 2000V电压等级的器件：
[0069] 电阻R11、R12、R13、R14、R15：330kΩ，2W，插件；
[0070] 电容C1、C2、C5：2.2μF，1200V，插件；
[0071] 电阻R18：330Ω，2W，插件；
[0072] 快速恢复二极管D3：2500V，2A，100℃，如IXBH2N250；
[0073] 功率开关S1：BIMOSFET，2500V耐压，5A，100℃；
[0074] 变压器T1：高压高频变压器，根据反激开关电源原理而设计；
[0075] 控制电压等级的器件：
[0076] 工作电源：+15V
[0077] 三极管：TR1、TR2：NPN C9013、S9013
[0078] 基准电流源U2：TL431；
[0079] PWM控制器：UC3844等；
[0080] 光电耦和器：OP1、OP2：PC817；
[0081] 电容C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11：2.2μF，600V，插件；
[0082] 电阻R25：5.1Ω，1/4W；
[0083] 电阻R26：10kΩ，1/2W；
[0084] 电阻R29：1.0Ω，2W；
[0085] 电阻R27、R28：5.1kΩ，1/4W；
[0086] 电阻R19、R20、R21、R22、R23、R24：5.1kΩ，1/4W；
[0087] 电阻R15、R34：5.1kΩ，2W；
[0088] 稳压二极管ZD1、ZD2：5.1V，1W；
[0089] 光电耦合器E4、OP2：PC817。
[0090] 本发明主要是面向更高更宽的输入电压范围，即直流电压500V下限电压-1400V上限电压，变化范围为1∶2.8，而且通过对总输入电压监控，能够实现输入电压的过压与欠压保护。反激电路采用开关频率的变频调制原理和输出电压负反馈控制，能够优化和简化高频变压器的设计和功率电路的设计，提高输出电压品质，增加效率和降低成本，克服高宽输入直流电压供电的单级反激电路定频问题，具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。
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