專利名稱：交流到直流開關電源轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種開關電源電路領域，更具體地說，是涉及一種交流到直流開關電 源轉換器。
背景技術：
圖1示出一種傳統(tǒng)的線性電源系統(tǒng)的電路圖。該線性電源系統(tǒng)包括工頻變壓器A、 輸出整流濾波電路B和穩(wěn)壓電路C三部分。工頻變壓器A用于實現(xiàn)線性降壓，并實現(xiàn)輸入 輸出的隔離。輸出整流濾波電路B，將工頻變壓器A輸出的工頻交流低壓轉變成直流低電 壓。穩(wěn)壓電路C主要是穩(wěn)定輸出電壓以滿足后級MCU (微控制器)等負載的供電電壓范圍。 圖1采用一個齊納穩(wěn)壓管作為穩(wěn)壓電路C，結構簡單，成本低廉，但穩(wěn)壓能力有限，僅能應用 于10CT130V或者20CT240V這樣的窄范圍輸入電壓且負載電流較小的場合，應用范圍狹窄。作為對圖1所示系統(tǒng)的改進，圖2示出一種傳統(tǒng)的采用三端穩(wěn)壓器的線性電源系 統(tǒng)的電路圖。這一線性電源系統(tǒng)使用低成本的線性穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓電路C，因為線性穩(wěn)壓器 通常輸入電壓范圍較寬，以電表電源需要的5V輸出為例，可選用的線性穩(wěn)壓器的最高輸入 電壓可達到最低輸入電壓的5倍，足以滿足常規(guī)85疒265V的寬范圍輸入要求，且線性穩(wěn)壓 器輸出穩(wěn)壓精度較高，負載能力強，適合小功率的場合。但這一線性電源系統(tǒng)的缺點是效率 較低，高輸入電壓，功率稍大場合下的轉換效率低下，功穩(wěn)壓器發(fā)熱明顯，已經越來越不能 滿足近年來國際節(jié)能法規(guī)的要求，因此該電路正逐漸被淘汰。圖3示出一種傳統(tǒng)的采用DC-DC直流穩(wěn)壓模塊的線性電源系統(tǒng)的電路圖。這一線 性電源系統(tǒng)是目前取代圖2所示電路的常用選擇，其穩(wěn)壓電路C采用DC-DC模塊來實現(xiàn)， DC-DC模塊目前發(fā)展迅速，超寬的輸入范圍，極高的效率使它在電源領域應用中日漸廣泛， 其性能足以滿足超寬50疒420V寬范圍輸入要求的電表電源應用方案。目前圖3所示方案 雖然廣泛被采用于各種電器領域，但也漸漸顯出其缺點圖3中工頻變壓器A體積大，線圈 多，導致其用料較重，隨著國際市場原材料成本的上漲，工頻變壓器的成本已經漸漸滿足不 了電源成本的要求，而通常作為穩(wěn)壓電路C的DC-DC模塊成本也較高，因此整體的方案成本 太高，制約了電源電表方案的發(fā)展。另一個缺點是采用工頻變壓器的方案尺寸大，分量重， 顯然很不利于開關電源小型化的發(fā)展。由于和傳統(tǒng)工頻電源相比所具有的多方面優(yōu)點，諸如更高的效率，更低的待機功 耗，更佳的穩(wěn)定性等，高頻開關電源越來越廣泛地應用于各種電器產品中。在電表電源領 域，采用工頻變壓器的方案向高頻開關電源的過渡已經刻不容緩。以典型的5V/200mA的電表電源為例，圖4所示的是采用GT5010作為控制器的 原邊反饋(PSR)反激式電源，和常規(guī)次級反饋的反激式電源相比，省去了次級反饋電路， 不僅結構簡單，安全可靠且成本較低，是近年來小功率開關電源領域的發(fā)展趨勢。在交流 85165V寬范圍輸入下的電表電源應用中，原邊反饋反激式電源具有諸多優(yōu)點，比如體積 小、成本低、效率高、待機功率低、性能穩(wěn)定等等。但在5CT420V超寬范圍輸入要求下，現(xiàn)有 的原邊反饋反激式電源電路遇到了如下難點。
1、電源需要在各種惡劣工作環(huán)境下都能可靠工作，在某些電網波動劇烈的地區(qū)， 在電網徒增大功耗電器負載的情況下的電壓跌落情況下，也須可靠工作。因此最低至50V 交流電壓下電表電源也必須可靠工作這一要求就顯得非常必要。而由于原邊反饋反激式電 源有最大占空比限制以及非連續(xù)狀態(tài)工作模式的限制，通常要求輸入整流濾波后的直流電 壓最低值不能小于60V，要達到這個條件則需要使用至少22UF的輸入濾波電容器，不僅成 本增高，體積增大，且使用如此大的濾波電容后電源的功率因數(PF)值明顯下降，視在功率 值增高。2、電源有全工作電壓范圍內輸入最大6VA視在功率的要求，因此輸入整流濾波電 容的容量不能太大，須小于10uF,和第1點相矛盾，難以兼顧。3、同樣基于惡劣工作環(huán)境的考慮，最高輸入電壓要求交流420V，對原邊反饋反激 式電源中的開關器件耐壓的要求大大提高?？紤]到反激式變壓器的漏感以及生產時的差 異，電源需要使用耐壓高達900V的場效應管以應對高輸入電壓帶來的應力，提高了成本。 而高輸入電壓條件下的其他器件如輸入濾波電容，整流管等耐壓要求的增高也相應的提高 了成本，導致總體方案成本難以滿足要求。以上幾點制約了開關電源在電表電源領域的應用，因此期望能有一種滿足電表電 源要求的開關電源應用方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種直流到交流開關電源轉換器，以滿足電表 電源的要求。本發(fā)明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提出一種交流到直流開關電源 轉換器，包括脈寬調制控制器、變壓器、初級整流濾波電路、功率開關和次級整流濾波電路。 脈寬調制控制器具有電源端、接地端和驅動端。變壓器由相互隔離的初級繞組和次級繞組 構成。初級整流濾波電路具有正輸入端、負輸入端，正輸出端和負輸出端，該正輸入端和負 輸入端之間輸入交流電，該正輸出端連接至該電源端，該負輸出端連接該初級繞組的一端。 功率開關具有第一端、第二端和控制端，該第一端連接一啟動電阻的一端，該啟動電阻的另 一端連接該初級整流濾波電路的正輸出端，該第二端連接一初級電流檢測電阻的一端，該 初級電流檢測電阻的另一端連接該初級繞組的另一端和該接地端，該控制端連接該脈寬調 制控制器的驅動端。次級整流濾波電路具有正輸入端、負輸入端，正輸出端和負輸出端，該 次級整流濾波電路的正輸入端和負輸入端分別連接該次級繞組的兩端，該次級整流濾波電 路的正輸出端和負輸出端輸出直流電壓。在本發(fā)明的一實施例中，該初級整流濾波電路具有第一電容和第二電容，該第一 電容和該第二電容串聯(lián)于該初級整流濾波電路的正輸出端和負輸出端之間。在本發(fā)明的一實施例中，上述的脈寬調制控制器還具有第一反饋端和第二反饋 端，上述的交流到直流開關電源轉換器還包括檢測電路，用于對該初級繞組上的電壓進行 檢測，該檢測電路具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，該檢測電路的 該第一輸入端和該第二輸入端分別連接該初級繞組的兩端，該檢測電路的該第一輸出端和 第二輸出端分別連接該第一反饋端和第二反饋端。在本發(fā)明的一實施例中，上述的交流到直流開關電源轉換器還包括供電電路，具有第一輸入端和第一輸出端，該供電電路的該第一輸入端連接該初級繞組的該一端，該供 電電路的該第一輸出端連接該電源端。在本發(fā)明的一實施例中，上述的交流到直流開關電源轉換器還包括初級泄放電 路，具有一輸入端和一輸出端，該初級泄放電路的輸入端和輸出端分別連接該初級繞組的 兩端，用于在該功率開關關斷時對該初級繞組進行能量泄放。在本發(fā)明的一實施例中，該脈寬調制控制器為集成電路。本發(fā)明由于采用以上技術方案，使之與現(xiàn)有技術相比，具有如下顯著優(yōu)點1、本發(fā)明的初級整流濾波電路、功率開關和變壓器的連接方式構成了升降壓拓撲 電路，由于采用升降壓拓撲電路作為初級主電路，使輸入整流濾波后的紋波電壓低至20V 也能正常工作，因此只需要采用很小的輸入濾波電容器，即可實現(xiàn)全輸入電壓范圍內的視 在功率要求；2、由于采用升降壓拓撲電路作為初級主回路，使開關器件的應力大大降低，只需 要650V的場效應管就能可靠工作；3、由于采用升降壓拓撲電路作為初級主回路，變壓器繞組少，結構簡單，易生產， 成本低。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發(fā)明的具 體實施方式作詳細說明，其中圖1示出一種傳統(tǒng)的線性電源系統(tǒng)的電路圖。圖2示出一種傳統(tǒng)的采用三端穩(wěn)壓器的線性電源系統(tǒng)的電路圖。圖3示出一種傳統(tǒng)的采用DC-DC直流穩(wěn)壓模塊的線性電源系統(tǒng)的電路圖。圖4示出一種典型的原邊反饋(PSR)反激式電源系統(tǒng)的電路圖。圖5示出本發(fā)明一實施例的開關電源轉換器的原理框圖。圖6示出本發(fā)明一實施例的的開關電源轉換器的電路圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例涉及5CT420V交流超寬輸入電壓范圍，輸出5V/200mA的交流到直 流開關電源轉換器。這一開關電源轉換器可適用于電表電源應用。在本發(fā)明的實施例中， 重新設計系統(tǒng)連接方式。圖5示出本發(fā)明一實施例的開關電源轉換器的原理框圖。參照圖5所示，開關電 源轉換器可包括初級整流濾波電路110、功率開關120、變壓器130、脈寬調制控制器140、檢 測電路150、供電電路160、以及次級整流濾波電路170。如圖5所示，變壓器130具有互相隔離的初級繞組和次級繞組，但是不具有輔助繞 組。初級整流濾波電路110可采用非隔離的典型升降壓拓撲電路。變壓器130的初級繞組 作為升降壓拓撲電路的電感，而次級繞組作為輸出繞組。本實施例不通過輔助繞組來為控制器140提供電源，而是直接由初級繞組兩端整 流濾波得到直流電壓，給整個控制器140供電。在此，可由一個具有整流濾波功能的供電電 路160來得到該直流電壓。
脈寬調制控制器140通過一個檢測電路150采集變壓器130的初級繞組兩端電 壓，得到輸出電壓的反饋信號，進而穩(wěn)定次級輸出整流濾波后的直流電壓。檢測電路150通 常只需要由電阻這樣簡單的元件構成。初級整流濾波電路110中可使用單個630V的電容量4. 7UF的濾波電容。另外，得益于初級整流濾波電路110采用了升降壓結構，功率開關120只需耐壓 650V的場效應管即可。圖6示出本發(fā)明一實施例的的開關電源轉換器的電路圖。參照圖6所示，開關電 源轉換器100包含初級整流濾波電路110、功率開關120、啟動電阻R1、初級電流檢測電阻 R2、集成的脈寬調制控制器140、檢測電路150、供電電路160、功率轉化變壓器TR1、初級泄 放電路180以及次級整流濾波電路170。本實例的集成的脈寬調制控制器140具有電源端VCC、接地端GND、驅動端Gate、第 一反饋端RI、第二反饋端FB、第三反饋端CS。驅動端Gate的功能是功率開關的柵極驅動輸 出。第一反饋端RI的功能是可編程輸出電纜損失補償。第二反饋端FB的功能是通過電流 采樣檢測輸出電壓。第三反饋端CS的功能是通過連接到功率開關源極到地的電阻的上端 來檢測初級電流。在本發(fā)明的一實施例中，脈寬調制控制器140可采用GT5010芯片，它可 控制輸出恒壓及恒流。初級整流濾波電路110實施整流和濾波，它具有正輸入端L、負輸入端N、正輸出端 和負輸出端。兩個輸入端用以輸入交流電，兩個輸出端受控地連接到變壓器的初級繞組Np 的兩端。初級整流濾波電路110可由4個普通二極管01、02、03、04及2個串聯(lián)的350V/10UF 的電解電容C1、C2組成。功率開關120可為場效應管Q1，其柵極連接脈寬調制控制器140的驅動端Gate， 漏極連接初級整流濾波電路110的正輸出端，源極連接初級限流檢測電阻R2的一端。初級 電流檢測電阻R2的另一端連接變壓器TR1的2端。啟動電阻R1—端連接初級整流濾波電路110的正輸出端，另一端連接電容C3的 正極，并連接至脈寬調制控制器140的電源端VCC。檢測電路150由電阻R3、R4組成，電阻R3—端作為檢測電路150的第一輸入端連 接變壓器TR1的2端，另一端作為檢測電路150的第一輸出端連接脈寬調制控制器140的 RI端；電阻R4 —端作為檢測電路150的第二輸入端連接變壓器TR1的1端，另一端作為檢 測電路的第二輸出端連接脈寬調制控制器140的反饋端FB。供電電路160由二極管D5、電容C3組成。二極管D5的陽極作為供電電路160的 第一輸入端連接變壓器TR1的1端，陰極作為供電電路160的第一輸出端連接電容C3的正 極并連接脈寬調制控制器140的VCC端；從變壓器TR1的2端直接與脈寬調制控制器140 的GND端連接。電容C3負極連接變壓器TR1的2端。初級泄放電路180由電容C4、快恢復二極管D6及電阻R5組成。電容C4正極連接 變壓器TR1的1端，負極連接二極管D6的陽極。二極管D6的陰極連接變壓器TR1的2端。 電阻R5并聯(lián)在電容C4兩端。次級整流濾波電路170也實施整流和濾波，它具有正輸入端、負輸入端、正輸出端 和負輸出端。兩個輸入端分別連接到變壓器的次級繞組Ns的兩端，兩個輸出端輸出直流電 壓。在本實施例中，次級整流濾波電路170由快恢復二極管D7、電容C5及電阻R6組成。二極管D7陽極連接變壓器TR1的3端，陰極連接電容C5的正極。電容C5的負極連接變壓器 TR1的4端。電阻R6并聯(lián)在電容C5兩端。初級整流濾波電路110中的二極管D1至D4組成整流橋，用于對輸入交流電進行 全橋整流；電容Cl、C2串聯(lián)對整流后的電壓進行濾波，實現(xiàn)輸入交直流的轉換。二極管D1 至D4可使用1A/1000V的普通二極管1N4007。350V的電解電容Cl、C2需串聯(lián)使用以應對 最高420V的交流輸入電壓。2個350V或者400V的容量10UF的電容串聯(lián)，基本等效于一個 630V的電容量4. 7UF的濾波電容，可保證整流濾波后的最低直流電壓大于30V，同時也保留 了足夠高的PF值，在最高輸入下依然可以達到最大視在功率小于6VA的要求。因為初級整流濾波電路110采用了升降壓結構，功率開關Q1只需耐壓650V的場 效應管即可。受控功率開關Q1由脈寬調制控制器U2驅動，進行高頻開關動作，進而實現(xiàn)高 低壓的轉換。初級電流檢測電阻R2采集初級整流濾波電路110每周期的峰值電流并傳遞給脈 寬調制控制器140，以實現(xiàn)逐周期的限流，確保系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定的工作。啟動電阻R1在系統(tǒng)上電時給電容C3提供充電電流，使脈寬調制控制器140的VCC 電壓上升至達到啟動閾值，開啟控制器140的控制功能。啟動后控制器140的耗電電流增 力口，電阻R1提供的電流不足以維持VCC電壓，此后由供電電路130對控制器U2供電。二極 管D5，電容C3對變壓器初級繞組Np上的高頻交變電壓進行整流濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓 給控制器U2供電。檢測電路150對變壓器初級繞組Np上的高頻交變電壓進行采樣，與脈寬調制控制 器U2內部的基準電壓作比較，通過內部反饋控制功率開關Q1的開通占空比，以穩(wěn)定輸出電壓。初級泄放電路180具有一輸入端和一輸出端，該初級泄放電路180的輸入端和輸 出端分別連接該初級繞組Np的兩端，主要作用于在功率開關Q1關斷時對變壓器初級繞組 Np上的能量泄放，同時電阻R5耗散一部分功率也有助于輸出的穩(wěn)定。變壓器TR1的1端至2端是初級繞組，3端至4端是次級繞組，應注意初級繞組的 1端與次級繞組的3端是同名端。和傳統(tǒng)反激式電源相比，反饋和供電直接由初級繞組得 至IJ，不需要另加輔助繞組。本發(fā)明的上述實施例的主要控制原理描述如下變壓器次級繞組Ns的整流管導通期間，初級繞組Np的兩端電壓Vp與次級繞組兩 端電壓Vs的關系如下
權利要求
1.一種交流到直流開關電源轉換器，包括 脈寬調制控制器，具有電源端、接地端、驅動端； 變壓器，由相互隔離的初級繞組和次級繞組構成； 初級整流濾波電路，具有正輸入端、負輸入端，正輸出端和負輸出端，該正輸入端和負輸入端之間輸入交流電，該正輸出端連接至該電源端，該負輸出端連接該初級繞組的一端; 功率開關，具有第一端、第二端和控制端，該第一端連接一啟動電阻的一端，該啟動電阻的另一端連接該初級整流濾波電路的正輸出端，該第二端連接一初級電流檢測電阻的一端，該初級電流檢測電阻的另一端連接該初級繞組的另一端和該接地端，該控制端連接該脈寬調制控制器的驅動端； 次級整流濾波電路，具有正輸入端、負輸入端，正輸出端和負輸出端，該次級整流濾波電路的正輸入端和負輸入端分別連接該次級繞組的兩端，該次級整流濾波電路的正輸出端和負輸出端輸出直流電壓。
2.如權利要求I所述的交流到直流開關電源轉換器，其特征在于，該初級整流濾波電路具有第一電容和第二電容，該第一電容和該第二電容串聯(lián)于該初級整流濾波電路的正輸出端和負輸出端之間。
3.如權利要求I所述的交流到直流開關電源轉換器，其特征在于，該脈寬調制控制器還包括第一反饋端和第二反饋端，該交流到直流開關電源轉換器還包括檢測電路，用于對該初級繞組上的電壓進行檢測，該檢測電路具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，該檢測電路的該第一輸入端和該第二輸入端分別連接該初級繞組的兩端，該檢測電路的該第一輸出端和第二輸出端分別連接該第一反饋端和第二反饋端。
4.如權利要求I所述的交流到直流開關電源轉換器，其特征在于，還包括供電電路，具有第一輸入端和第一輸出端，該供電電路的該第一輸入端連接該初級繞組的該一端，該供電電路的該第一輸出端連接該電源端。
5.如權利要求I所述的交流到直流開關電源轉換器，其特征在于，還包括初級泄放電路，具有一輸入端和一輸出端，該初級泄放電路的輸入端和輸出端分別連接該初級繞組的兩端，用于在該功率開關關斷時對該初級繞組進行能量泄放。
6.如權利要求I所述的交流到直流開關電源轉換器，其特征在于，該脈寬調制控制器為集成電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種交流到直流開關電源轉換器，包括脈寬調制控制器、由初級繞組和次級繞組構成的變壓器、位于變壓器初級繞組的初級整流濾波電路、功率開關和位于變壓器次級繞組的次級整流濾波電路。脈寬調制控制器具有電源端、接地端和驅動端。初級整流濾波電路的正輸出端連接至該電源端，負輸出端連接該初級繞組的一端。功率開關的第一端經由一啟動電阻連接該初級整流濾波電路的正輸出端，一第二端經由一初級電流檢測電阻連接該初級繞組的另一端和該接地端，一控制端連接該脈寬調制控制器的驅動端。上述初級整流濾波電路、功率開關和變壓器的連接方式構成升降壓拓撲電路，從而具有降低輸入濾波電容，降低功率開關應力，簡化變壓器結構等優(yōu)點。
文檔編號H02M7/04GK102710148SQ20121023272
公開日2012年10月3日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權日2012年7月6日
發(fā)明者張洪為, 繆海峰 申請人:聚辰半導體(上海)有限公司