专利名称：开关电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关电源，具体地说，涉及开关电源中的滤波或耦合电路。
为实现上述目的，本发明提出一种开关电源，含有开关信号形成电路和交流通过电路；开关信号形成电路用于形成交流或脉动的电流，其中包含有开关纹波电流，交流通过电路用于衰减或通过这些开关纹波电流中的一种或多种特定频率成分，其特征是交流通过电路包括一个或多个由相互串联的在所述特定频率下呈感性的单元和呈容性的单元组成的串联谐振支路，其中至少一个串联谐振支路中的至少一个谐振频率对应于输入到该谐振支路的开关纹波电流多种频率成份中电流幅值最大的频率。
由于采用了以上的方案，本发明采用串联谐振电路在谐振频率附近呈现很低阻抗的特性，选择串联谐振电路的谐振频率为欲衰减或通过的交流信号的频率，用串联谐振电路替代或部分替代原来的滤波或耦合元件，充分结合了串联谐振电路的谐振特性和开关电源的中开关信号具有周期性的特点，由于开关电源的频率较高，在原来基本滤波电路中使用较大电解电容和高频电容的地方，现在只需使用小容量的电感和电容，适当的设计甚至可以全部不使用有极性的电容，节省了电路成本，减小了电路中元器件体积，很好地解决了发热问题，提高了电路可靠性。
图2是本发明改进的开关电源中使用的一种滤波电路原理图。
图3是本发明改进的另一种滤波电路，它的一个串联谐振支路具有两个串联谐振频率。
图4是本发明改进的又一种滤波电路原理图。
图5是本发明用于BUCK电路的输出滤波电路。
图6是本发明用于BOOST电路的输出滤波电路。
图7是本发明用于BUCK-BOOST电路的输出滤波电路。
图8是本发明用于BOOST-BUCK电路的输出滤波和耦合电路。
图9是本发明用于开关电源变换前端直流侧或交流输入电源滤波电路。
图10是本发明用于半桥、全桥、不对称半桥等电路的高频耦合电路。
图11是本发明用于输出恒流的开关电源的输出滤波电路图12是本发明用于DCAC变换电路的滤波电路图13是本发明用于与共模电感结合使用的滤波电路。
图14是采用高频下感性电容和容性电容串联形成的滤波电路。
具体实施例方式本发明改进开关电源中的滤波电路原理见图2，设输入电源IN的波形是开关变换形成的周期性波形，其周期可以是固定的，也可以有一定变化。在L1中形成周期性电流波形，其中的电流是总的开关纹波电流。如各种占空比固定或变化的造成纹波电流波形的不同，输入波形的不同不应理解为对本发明应用的限制。本发明将这种周期为开关周期的周期性交流电流称为开关纹波电流。对通常的设计，输出级的单级或多级滤波电路中，都尽量衰减流入到后级电路或最终输出的开关纹波电流，即尽量使开关纹波电流通过本级电路的某一或某些支路而不流到后级电路。耦合电路则将开关纹波电路全部传递到后级电路。因此，本发明将滤波电路、交流耦合电路等希望让交流电流通过的电都视为交流通过电路。在现有技术中，通过开关纹波电流的电路中往往采用较大的电解电容并联高频电容，而在耦合电路中则采用较大的高频电容。
如图2所示，电容C2和电感L2串联组成谐振支路100，其一端接公共端COM，另一端和电感L1的一端相连，L1的另一端连接于开关信号输入端INA，电容C1和谐振支路100并联。
设开关纹波电流(即流过L1的电流)的是周期为T的周期性波形，L2C2的谐振频率为周期性波形的基波或第n次谐波，即1/(2π(L2×C2)1/2)＝n×(1/T)....................①其中n为正整数根据信号频谱变换的基本原理，周期性的波形可被分解为直流成分和基波成分与所有谐波的和，设开关纹波电流的波形为f(t)，其周期为T，角频率为w，n次谐波幅值为Cn，有Cn＝(An2+Bn2)1/2.............................②其中An=2/T∫Tf(t)Cos(nwt)dt]]>Bn=2/T∫Tf(t)Sin(nwt)dt]]>则f(t)＝C1×Sin(wt+d1)+C2×Sin(2(wt+d2))+...+Cn×Sin(n(wt+dn))....③其中n＝1，2，3...，d1，d2...dn是常数在多数开关电源中，纹波电流的基波和少数几个低次谐波的幅值较大，而其他分量很小，并且随着谐波次数的升高其幅值有快速下降的趋势。根据上述对波形的频域分析可见，可以用少数几个串联谐振电路(100)，选择L2、C2的值，将串联谐振支路100的谐振频率设计在开关纹波电流中少数几个幅值较大的频率上，由于串联谐振支路100在谐振频率附近阻抗一般远低于单独使用容性单元或感性单性时的阻抗，因而此时谐振支路100作用相当于比C2大得多的电容或比L2小得多的电感，理想情况下，串联谐振支路100的阻抗为0，绝大部分的开关纹波电流将流过串联谐振支路，因而流过C1的电流减小，容量也可以减小，甚至可以不用。
在很多开关电源中，开关纹波电流中基波成份幅值最大，并且比其他频率成份大得多，这种情况下，只用1个串联谐振支路就可以达到很好的效果，图2就是一个实例。INA是开关变换形成的周期性波形，在L1中形成开关纹波电流，而串联谐振支路(100)的串联谐振频率设定在所述开关纹波电流波形的基波中心频率上。
实际情况下，串联谐振电路100在被衰减频率处的阻抗并不为0，它与被衰减频率与谐振频率的偏差和L2C2参数的有关。偏差越小，阻抗越低。有频率偏差时串联谐振电路100仍具有较好的作用。例如，被衰减频率与谐振频率相关5％时，串联谐振电路阻抗为C2的电容阻抗的1/10。
串联谐振支路100可以若干个并联使用。这些支路的谐振频率可以针对同一个频率设定而在同一值或同一值附近，这样被衰减频率有一定变化时，电路都具有较低阻抗。也可以针对不同频率设定，这样对多个被衰减频率，电路都具有较低阻抗。
显然，串联谐振支路100也可以在多级滤波中不同级中多处使用。
当某种原因使开关波形的形状如占空比变化或幅值变化时，其基波和谐波在总电流中的比例将发生变化，但由于频率不变，因此串联谐振支路100仍能起到很好的滤波作用。
如图2所示的滤波电路的一个优点是可以全部不使用有极性的电容。因而它也可用于开关电源中通过开关信号的交流耦合通路的一部分或全部，或者用于DCAC变换的输出滤波。
图4电路作了改进。在图2的基础上，增加了L3串联在谐振支路(100)和后级电路之间。它有这样的优点如果选择L3使其和后级电路串联后在被衰减频率上的阻抗大于谐振支路100的阻抗，显然大部分被衰减频率电流将流过谐振支路(100)。如果把电解电容接在L3后面的电路中，则电解电容中将只流过少量的被衰减频率电流，因而电解电容容量可以大大减小。由于开关电源频率较高，L2、C2、L3的数值较小，总体上，电路成本低、体积小。
与普通的滤波电路相比，图2、图4电路具有另一个优点，就是它在增强滤波性能的同时对电路低频特性影响很小，因而也可以应用在对低频信号相位有要求交流滤波电路中；另外，在要求稳定输出的电路中，由于电容可以减小，因而容易使电路多级级联中产生的谐振频率较高，电路对应频率的的增益低，因而它更有利于环路参数的设计，而传统的多级滤波器，由于滤波电容增大时容易产生多个频率较低的谐振点，不利于环路的设计。
例如一种正激电路的滤波电路，其输入为近似为占空比0.5的方波，则电感L1中电流为三角波，其基波电流约是开关纹波电流总有效值的90％，如果采用图2电路作输出滤波，选择串联谐振支路(100)的谐振频率为基波频率，理想情况下，串联谐振支路100阻抗为0，基波电波全部通过本支路，也有部分其他频率的信号通过本支路，这样可以使流过其他电容的电流不到总电流的10％。若开关频率为150KHZ，如果使用传统的滤波电路需要电容容量为1000μF，使用串联谐振支路(100)时，只用100μF的电容C1和L2×C2约为1.126μHμF的串联谐振支路替代，减小体积和成本的效果十分明显。如果采用图4电路作输出滤波，假设取L2＝0.563μH，C2＝2μF，可以取L3＝1μH，电解电容取100μF以下就可以达到原来的滤波效果，而且，基波电流大部分流过串联谐振支路(100)，对谐波频率，因L2C2阻抗仍小于L3与后级电路串联阻抗，因而绝大部分的开关纹波都通过了串联谐振支路(100)。
当开关电源内部有几种开关工作频率时，交流通过电路的输入信号中可能含有多种开关周期成分，也即含有多种开关频率的基波、谐波及它们的差拍频率。设各种开关工作频率为f1，f2...fn，信号中的频率可以用下式的绝对值表示A1×f1+A2×f2+...+An×fn.......................④其中A1，A2......是不全为0的整数。
可以设定串联谐振支路(100)的谐振频率，使该谐振频率对应于式④表示的频率。
也可以将交流通过电路中两个或两个以上串联谐振支路100的串联谐振频率对应上述④式的相同频率组合或不同频率组合。
除可用于滤波外，串联谐振支路100还可以作为开关电源中通过开关频率信号的交流耦合通路的一部分或全部，其原理是类似的。
串联谐振支路(100)也可以正好具有两个或两个以上串联谐振率，可以设定它们对应于两个或两个以上的的可以用式④表示的频率组合。
图3正是本发明具有两个或两个以上串联谐振频率的串联谐振支路(100)的一个应用实例，它表明，一个串联谐振支路(100)具有多个谐振频率是可能的，并可以设定2个或2个以上的谐振频率对应于2个或2个以上的式④表示的频率组合。图中，L7和C7并联后一端接公共端COM，另一端接电感L6的一端，L6的另一端和C6的一端连接，C6的另一端接滤波电感L1的一端，作为本级电路的输出OUTA，L1的另一端作为本级电路的输入INA。本电路中，L7和C7的并联电路和C6与L6的串联电路视频率的不同都既可作为感性部分也可作为容性部分，显然，本电路可以设计具有两个串联谐振频率。选择合适的参数可以使它们分别对应于④表示的频率。
本发明改进的BUCK(降压式)基本电路见图5，传统电路中，可控开关Q的一端接到电源输入端INA，单向器件D的负端接可控开关的另一端并和滤波电感L1的一端相连，单向器件D的正端和输入与输出的公共端COM相连，L1的另一端和滤波电容C1的一端相连作为本级电路的输出OUTA，C1的另一端接公共端COM。改进的电路中，串联谐振支路(100)并联于原来的滤波电容C1上，从而改善了其滤波电路。降压电路的其他形式可以方便地按本电路的原理使用。
本发明改进的BOOST(升压式)基本电路见图6，传统的升压电路中，电感L1的一端和电源输入端INA相连，另一端与可控开关Q的一端和单向器件D的正端相连，可控开关的另一端接到公共端COM相连，单向器件D的另一端和滤波电容C1的一端相连，作为本级电路的输出OUTA，C1的另一端接到公共端COM。本发明改进的电路中，电感L2和电容C2串联构成的串联谐振支路100并联在滤波电容C1上。升压电路的其他形式可以方便地按本电路的原理使用。
本发明改进的BUCK-BOOST(降-升压式)基本电路见图7。传统的降-升压式电路中，可控开关的一端接电源输入INA，另一端与单向器件的负端和电感的一端连接在一起，电感L1的另一端接输入输出公共端COM，单向器件的正端和滤波电容C1的一端相连，作为本级电路的输出OUTA，C1的另一端与公共端COM相连。改进的电路中，电感L2和电容C2串联构成的串联谐振支路100并联在滤波电容C1上。降-升压电路的其他形式可以方便地按本电路的原理使用。
本发明改进的BOOST-BUCK(升-降压)基本电路见图8，传统的升-降压电压中，电感L1的一端连接到电源输入端INA，另一端和可控开关Q的一端及耦合电容C3的一端连在一起，可控开关的另一端连接到公共端COM，耦合电容C3的另一端和单向器件D的正端、电感L3连在一起，D的另一端连到公共端COM，L3的另一端和滤波电容C1的一端连接，作为本级电路的输出OUTA，C1的另一端接到公共端COM。本发明改进的升-降压电路中，由L2和C2串联构成的串联谐振电路100并联在输出电容C1上，由L4和C4串联构成的串联谐振电路200并联在耦合电容C3上起耦合作用。本实施例使用了两支串联谐振电路L4C4和L2C2，这两支串联谐振电路起不同的作用，串联谐振电路200起耦合的作用，可以减小耦合电容的容量，减小电路总体积。升-降压电路的其他形式可以方便地按本电路的原理使用。
本发明用于开关电源变换前端直流侧或交流输入电源滤波的滤波电路见图9，串联谐振支路100与电容C1并联，从电容C1两端引出直流电压输入高频开关变换器。
图10是本发明应用于半桥、全桥、不对称半桥开关电路等的高频耦合电路，传统电路中耦合电容C3的一端连接半桥、全桥、不对称半桥等开关电路，另一端与变压器、负载或其他后级电路相连，改进的耦合电路中，串联谐振电路(200)并联在C3上，可以减小电容的总容量。
图11是本发明用于输出恒流的开关电源的输出滤波电路，改进前电路中，L1的一端连接到高频开关变换的输入端INA，另一端与滤波电容C3的一端和L3的一端相连，电容C3的另一端接公共端COM，电感L3的另一端与滤波电容C1相连作为本级电路的输出OUTA，电容C1的另一端连接到公共端COM。本发明改进的电路中，由L2和C2串联构成的串联谐振支路100、L4和C4串联构成的串联谐振支路200都并联到电容C3上，由L5和C5串联构成的串联谐振电路300并联在电容C1上。串联谐振支路的串联谐振频率可以根据L1中的开关纹波电流设定，例如，串联谐振支路100和200的谐振频率点对应于开关纹波电流的基波和三次谐波，串联谐振支路300的谐振频率对应于开关纹波电流的基波。由于恒流源的负载阻抗可能很低甚至为0，因而滤波电容一般较大，采用本发明后，可以大大减小滤波电容容量，从而减小体积，降低成本。
图12是本发明用于DCAC变换滤波的滤波电路，传统的滤波电路中，电感L1的一端连接到开关变换单元输出的一端，另一端与滤波电容C1的一端相连，C1的另一端连接到开关变换输出的另一端。改进的电路中，由L2和C2串联构成的串联谐振支路100并联在滤波电容C1上。可以减小总电容的容量，在输出大电流的电路中，效果更为明显。
图13是本发明与共模电感结合使用的滤波电路，图13电路中以共模电感代替了图3中的L3。由于共模电感有一定的差模分量，因而电路具有与图3电路相似的效果，图13中滤波电感L1的一端连接到输入开关信号的一端INA，另一端与电容C1的一端、串联谐振支路100的一端及共模电感的一个输入端连在一起，电容C1的另一端和串联谐振支路100的另一端、共模电感的另一个输入端都连接到开关信号的另一个输入端INB，电容C3并联在共模电感的两个输出端，作为本级电路的两个输出端OUTA，OUTB。
有些电容在较高频下是电感性的，如铝电解电容，因此可以用铝电解电容代替电感和该频率下容性的电容串联，形成串联谐振点，构成某种频率下的谐振支路。图14是本发明采用高频下感性电容和容性电容串联形成的滤波电路，电感L1的一端连接到开关信号输入端INA，L1的另一端与电容C1的一端和由电容C4和CL串联组成的谐振支路300的连在一起，作为本级电路的输出端OUTA，电容C1的另端和串联谐振支路300的另一端都接到输入输出公共端COM。
权利要求
1.一种开关电源，含有开关信号形成电路和交流通过电路；开关信号形成电路用于形成交流或脉动的电流，其中包含有开关纹波电流，交流通过电路用于衰减或通过这些开关纹波电流中的一种或多种特定频率成分，其特征是交流通过电路包括一个或多个由相互串联的在所述特定频率下呈感性的单元和呈容性的单元组成的串联谐振支路(100)，其中至少一个串联谐振支路(100)中的至少一个谐振频率对应于输入到该谐振支路(100)的开关纹波电流多种频率成份中电流幅值最大的频率。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征是至少一个串联谐振支路(100)中的至少一个谐振频率对应于总开关纹波电流多种频率成份中电流幅值最大的频率。
3.如权利要求1所述的开关电源，其特征是所述串联谐振支路(100)具有两个或两个以上的串联谐振频率，其中至少有两个谐振频率对应于输入到该串联谐振支路(100)的开关纹波电流中幅值最大的频率或分别对应于输入本级电路的或总输入的开关纹波电流中幅值最大和第二大的频率。
4.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是所述交流通过电路还包括滤波电容(C1)，并联于串联谐振支路(100)。
5.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是所述交流通过电路还包括电感(L3)，它串联在所述谐支路(100)和后级电路之间。
6.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是所述串联谐振支路(100)中的感性元件是在高频下呈感性的电容。
7.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是所述串联谐振支路(100)还包含有根据下式的绝对值设定的谐振频率A1×f1+A2×f2+...+An×fn其中A1，A2......An是不全为0的整数，f1、f2、......、fn是开关纹波电流可能具有的各种开关频率的中心值。
8.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是它包括下述基本变换电路中的至少一种降压电路、升压电路、升-降压电路、降-升压电路、直流交流(DCAC)高频开关变换电路、半桥、全桥、不对称半桥变换电路；串联谐振支路(100)并联于所述降压电路或升压电路或升-降压电路或降-升压电路的输出电路中，用于输出滤波；或者串联于升-降压电路升压部分与降压部分间，用于高频耦合；或者并联于开关电源的交流输入侧，用于交流输入滤波；或者并联于开关电源变换前端直流侧，用于直流侧电源滤波；或者并联于直流交流(DCAC)高频开关变换电路交流输出电路，用于直流交流(DCAC)变换输出滤波；或者位于半桥、全桥、不对称半桥变换电路与输出电路之间，用于高频耦合。
9.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是，所述交流通过电路用于输出恒流源的输出滤波，至少有一个谐振支路(100)的一个谐振频率对应于输入到该谐振支路(100)的开关纹波电流中幅值最大的频率。
10.如权利要求9所述的开关电源，它包括至少两个串联谐振电路或者一个串联谐振电路有两个串联谐振频率，都对应于总的或输入本级电路的纹波电流中幅值最大的频率或分别对应于输入到该谐振支路(100)的开关纹波电流中幅值最大和第二大的频率。
11.如权利要求5所述的开关电源，所述电感(L3)用共模电感的差模分量代替。
12.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征是串联谐振支路(100)中的至少一个谐振频率对应于开关纹波电流的基波频率。
全文摘要
本发明公开了一种开关电源,含有开关信号形成电路和交流通过电路;开关信号形成电路用于形成交流或脉动的电流,其中包含有周期为开关周期的交流电流成分,即开关纹波电流,交流通过电路用于衰减或通过这些开关纹波电流中的一种或多种特定频率成分,这种电路有可以是单级的,也可能是多级电路,其特征是:交流通过电路包括一个或多个由相互串联的在所述特定频率下呈感性的单元和呈容性的单元组成的串联谐振支路,其中至少一个串联谐振支路中的至少一个谐振频率对应于总开关纹波电流或流过本级电路的开关纹波电流的多种频率成分中电流幅值最大的频率。本发明可以解决滤波或耦合电容发热问题,减小电路体积,降低电路成本。
文档编号H02M1/14GK1377124SQ0211515
公开日2002年10月30日 申请日期2002年4月24日 优先权日2002年4月24日
发明者朱春辉, 曹升芳, 张强 申请人:艾默生网络能源有限公司