磁性元件及基于该磁性元件的开关电源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电源电路，特别涉及一种降低输入电容提高功率因数的磁性元件及基于该磁性元件的开关电源。
【背景技术】
[0002]用于开关电源前级的电容一般选取的是铝电解电容，铝电解电容具有成本低、体积小、额定耐压高等优点而被广泛选用。然而，由于铝电解电容是采用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两条铝箔中间卷绕而成，当存储时间过久，其内部的电解液挥发后漏电流增加，等效串联电阻(ESR -Equivalent Series Resistance)也随之增加，因此销电解电容使用寿命一般只有两到三年，而且高低温情况下会影响电解液的特性，所以铝电解电容对温度也非常敏感。
[0003]为减少电子设备内部开关电源对电网的污染，国际电工委员会和一些国家与地区推出了 IEC1000-3-2和EN61000-3-2等标准，对电流谐波作出了限量规定。为满足输入电流谐波限制要求，最有效的技术手段就有源功率因数校正，诞生了一系列的提高功率因数的电路(PFC:Power Factor Correct1n简写)，目前被广为采用的有源PFC技术是两级方案，这些电路很好的解决了电源PF值低的问题，电路的PF值可达到0.9以上，但是这无疑增加了系统电路及控制的复杂度，增加了成本，而且影响了电源的转换效率，特别是在功率不大的场合，缺点更为突出。
[0004]目前的交流转直流拓扑中都必不可少有一个高压大容量的电解电容进行低频滤波，但是这个电解电容有一系列的缺点，如:寿命，高低温特性等，而且还影响开关电源的PF值(功率因数:Power Factor简写)，等等这些都制约着开关电源的发展。
[0005]大容量铝电解电容的寿命与其两端电压，工作温度及流经其两端的纹波电流有关。要想延长铝电解电容的使用寿命，就要从这三个方面入手，其中工作电压受输入电压范围的影响，工作温度受电源工作环境及其本身的转换效率的影响，纹波电流与容值及电容所处位置的电压波动幅值有关。
[0006]随着对电源功率密度要求的提高，开关电源在实现功率转换性能的高效率的同时，在体积上要求更加的紧凑和小型化，这就需要对功率器件如半导体开关器件和磁性元件进行结构上的优化设计，并对辅助源电路、控制电路等实现空间应用的最小化。
[0007]感性器件在开关电源中是必不可少的，而且也是占整体开关电源体积较大的。磁集成技术可以有效地减小磁性元件的体积和重量，是提高开关电源功率密度的有效措施，也成为开关电源磁学领域发展的趋势。采用磁集成技术，开关电源中的所有磁性元件可以由一个磁性元件完成，如变压器与变压器，电感与电感，电感与变压器等等。如此，电源的总体积便可减小。
[0008]目前的磁集成可采用解耦形式的集成，即两个磁性器件的磁通互不干扰，分别独立工作；另一种集成形式为耦合的形式，利用磁路推导，两个磁性器件的磁通相互耦合，但是总体呈现的两个磁性器件的磁通不变。
[0009]如专利申请号为201410822779.5的《一种电源电路》中国专利公开说明书示出了一种开关电源的全新拓扑，该拓扑解决了初级电容容量问题，使用小容量电容也可以正常工作，但是在专利《一种电源电路》中示出的电路拓扑中，其主功率回路存在两个感性器件一一电感与变压器，由于两个感性器件的存在，使得该拓扑不但在体积上受到限制，而且两个感性元件均为开关电源一次侧高压器件，在电路布局及安规的考虑均较困难，也恶化了 EMI性能。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是，提供一种能够解决上述存在的一些问题，不但可增加磁芯的利用率，减少体积，降低了安规设计的难度，而且整个电源还具有高功率因数及降低电源输入级电容的容值，从而可以降低成本，改善电磁参数，提高整机电源的性能的磁性元件。
[0011]与此相应的，本发明另一个目的是，提供一种基于该磁性元件的开关电源。
[0012]为了达到上述目的，本发明是通过以下技术措施实现的:
[0013]一种磁性元件，使用EE型磁芯，变压器的原副边绕组及辅助电源绕组绕制在EE磁芯的中柱上，电感绕组平均的绕制在EE磁芯的两个边柱上，使得左右两个边柱上的线圈匝数相同，左右两个边柱上的绕组串联在一起形成所述的电感绕组。该磁性元件中变压器绕组的绕制方式与普通反激电路的变压器绕制方式一致，电感绕组的具体绕制方式是，EE磁芯的左边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向与右边柱上的绕组在EE磁芯外框上的磁通方向相同，磁芯的两个边柱开气隙。
[0014]另一种磁性元件，使用EI型磁芯，磁性元件中所有的绕组均绕制在I型柱上，其中变压器的原副边绕组及辅助电源绕组绕制在EI型磁芯组成“日”字的上半部分，电感绕组绕制在EI型磁芯组成“日”字的下半部分。变压器绕组的磁通路径为EI型磁芯组成“日”的上半部分，电感绕组的磁通路径为EI型磁芯组成“日”的下半部分，形成二者的解耦。且E型中柱上的磁芯可设计成变压器与电感磁通相互抵消一部分，减少E型中柱的截面积。
[0015]优选的，所述E型磁芯的边柱可开设有气隙。E型磁芯为扇形结构，以通过扩展磁芯的表面来减少E型磁芯的壁厚。I型磁芯开设有分布气隙。
[0016]本发明还提供一种开关电源，包括整流桥、第一电容、电感绕组、第一二极管、第一开关管及其驱动电路、第二电容、变压器原边绕组、变压器副边绕组、与变压器副边绕组连接的反激电路输出部分以及将第一二极管的阳极钳位在整流桥的负输出端电位的钳位电路，所述整流桥具有正输出端和负输出端，所述第一电容并联于整流桥的正输出端与负输出端之间；所述电感、变压器原边绕组和变压器副边绕组为前述的磁性元件结构，所述开关电源的具体连接关系是，整流桥的正输出端与磁性元件中电感绕组的一端连接，电感绕组的另一端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阳极还与钳位电路的一端连接，钳位电路的另一端与整流桥的负输出端连接；第一二极管的阴极分别与第二电容的一端及第一开关管的漏极连接，第一开关管的源极与磁性元件中变压器原边绕组的同名端连接，变压器原边绕组的同名端还与整流桥的负输出端连接；磁性元件中变压器原边绕组的异名端与第二电容的另一端连接。
[0017]优选的，所述钳位电路，由第二开关管构成，第二开关管为MOS管，由第一开关管的驱动模块驱动，第二开关管的漏极与第一二极管的阳极连接，第二开关管的源极与整流桥的负输出端连接；当第一开关管导通时，磁性元件中电感绕组经第二开关管构成电感的励磁回路；同时，第二电容经磁性元件中变压器的原边绕组、第一开关管构成变压器的励磁回路；当第一开关管关断时，第一二极管连通磁性元件中的电感与变压器，形成单一电流回路，在电流回路中电感能量释放完毕后，钳位电路将第一二极管阳极的最低电压钳位在整流桥负输出端电位，使得第一二极管的电压应力与第一开关管的电压应力相同。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0019](I)更大限度的发挥了磁材的利用率。
[0020](2)由于功率电压与变压器采用磁集成技术耦合在一起，因此开关电源的一次侧的PCB电路布线更容易，且容易满足安规要求的爬电距离。