专利名称：应用压电变压器的开关电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种应用压电变压器的开关电源装置。
背景技术：
开关电源是采用半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比来调整输出电压。 经过了几十年的发展，目前开关电源大都采用电磁转换的脉冲宽度调制(P丽，Pulse Width Modulation)、脉冲频率调制(PFM， Pulse FrequencyModulation)和脉冲宽度频率调制 (P丽-PFM)三种控制方式，相应的控制拓扑结构已经很成熟。其中，脉冲频率调制是导通脉 冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。上述的电磁转换控制方式不可 避免地带来了较强的电磁干扰，同时电磁转换变压器需要的铜材越来越面临较大的价格压 力。 图1是现有技术的开关电源原理框图，其中，输入电网交流电源通过滤波整流电 路等，转化为符合要求的开关电源直流输入电源，开关电路和变压器，是开关电源变换的主 通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制，之后通过整流滤波，提供负载需要的稳定 可靠的直流电源输出，控制电路从输出端取样，经与基准电压进行比较，然后去控制开关电 路，改变其频率或脉宽，使输出稳定。 压电变压器作为一种新型的变压器，是利用极化后的压电体的压电效应来实现电 压输出的。在压电变压器的输入部分用一个正弦波电压信号驱动，通过逆压电效应使输入 部分产生振动，振动波通过输入和输出部分的机械结构耦合到输出部分，输出部分再通过 正压电效应产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的机电能量的二次变换，在压电变 压器的谐振频率下获得最高输出电压。与传统的电磁变压器相比，压电变压器体积小，重量 轻，无噪声，无电磁干扰，升压比大，转换效率高，输出波形好，无需磁芯和铜线，可节省有色 金属材料；同时压电变压器自身作为一个优良的滤波器，可以将电源输入级的干扰完全滤 除，输出一个标准的正弦波，供后级负载使用。 应用压电变压器代替传统的电磁变压器对开关电源中的电磁干扰问题提供了一 个良好的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种应用压电变压器的开关电源装置，解决了压电变压器输入级准 正弦波的转换、输出采样反馈脉冲频率调制控制的问题，保证了电源转换的高品质和安全 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用压电变压器的开关电源装置，包 括 输入整流滤波电路； 开关电路，与所述输入整流滤波电路连接； 压电变压器输入转换电路，与所述开关电路连接，用于将开关电路输出的信号转换成压电变压器需要的正弦波或者准正弦波信号； 压电变压器，与所述压电变压器输入转换电路连接； 整流滤波输出电路，与所述压电变压器连接； 电压采样比较放大反馈电路，与所述开关电路和整流滤波输出电路连接，用于从 所述整流滤波输出电路的输出端采样电压信号，经比较、放大后反馈输入到所述开关电路， 来调节所述开关电路的工作频率； 电流采样比较放大反馈电路，与所述开关电路和整流滤波输出电路连接，用于从 所述整流滤波输出电路的输出端采样电流信号，经比较、放大后反馈输入到所述开关电路， 来调节所述开关电路的工作频率。 本发明的应用压电变压器的开关电源装置，通过采用压电变压器输入转换电路， 将开关电路输出的信号转换成正弦波或者准正弦波信号，作为压电变压器的输入信号，实 现压电变压器的正常输入要求，为正常的功率转换提供了保证；此外，除了采用输出级的电 压采样反馈控制，通过调节开关电路的开关频率，达到在输入电压变化及输出负载变化时 对输出电压的稳定性进行调节；还采用输出级的电流采样反馈控制，保证开关电源在完全 空载、短路、过载、过压等极限工作模式下的安全性。
图1是现有技术的开关电源的原理框图； 图2是本发明的应用压电变压器的开关电源的原理框图； 图3是本发明一实施例的开关电路的电路图； 图4是本发明一实施例的压电变压器输入转换电路的电路图； 图5是本发明一实施例的电流采样反馈电路和电压采样反馈的电路图； 图6是本发明另一实施例的电流采样反馈电路的电路图； 图7本发明一实施例的应用压电变压器的开关电源的电路图
具体实施例方式
本发明的主要思想是用压电变压器其取代传统的电磁变压器应用于开关电源中，
如图2所示，为了保证了压电变压器的高效转换，在开关电路和压电变压器之间连接压电
变压器输入转换电路，用于将开关电路的输出信号转换成压电变压器需要的正弦波或准正
弦波信号，同时，除了电压反馈控制电路，还包括电流反馈控制电路，通过调节开关电路的
开关频率，达到对压电变压器传输功率的有效控制，并且对输出电压的稳定性进行调节和
保证开关电源在完全空载、短路、过载、过压等极限工作模式下的安全性。 下面结合附图及实施方式对本发明技术方案做进一步的详细描述。 图4是本发明压电变压器输入转换电路的一个实施例，包括并联在压电变压器
300输入端的第一电感200，以及串联在压电变压器300输入端的第二电感201和电容202。
通过电容_电感谐振，压电变压器输入转换电路将开关电路100输出的方波功率信号转换
为准正弦波功率信号，作为压电变压器300的输入信号，满足压电变压器的正常输入要求，
将压电变压器300上的功耗控制在合理的范围内，从而使压电变压器300的温升可以得到
较好的控制，保证了压电变压器300的高效转换。
如图5所示，500是本发明的电流采样反馈电路的一个实施例，600是本发明的电压采样反馈电路的一个实施例。在整流滤波输出电路400的输出端串联电阻501，从整流滤波输出电路400的输出端采样电流信号，在电阻501上取得与所述电流信号对应的所需电压信号，将所述电压信号送入集成运算放大器503，经集成运算放大器503和外围附属电路通过比较、放大等处理后，将反馈信号送到开关电路100。 如图3所示，开关电路100包括半桥驱动器集成电路芯片IR2153 110和半桥开关电路120， IR2153是VM0S(V型槽金属氧化物半导体场效应管)和IGBT(绝缘栅双极晶体管)栅极驱动器，它将高压半桥栅极驱动电路和一个类似于555时基电路的前端振荡器集成在一个8脚芯片上，是一款功能较强、易于使用的功率驱动IC芯片。半桥驱动器芯片IR2153 IIO输出的驱动信号送入半桥开关电路120的两个MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)121和122，通过控制MOSFET 121和122的开关，将输入直流功率信号转换为可调频的高频方波功率信号。如图3和5所示，光耦合器504输出端A和B分别连接到开关电路100的A和B，通过把光耦合器504输出的反馈信号送到开关电路IOO，来调节半桥驱动器芯片IR2153 110的定频，半桥驱动器芯片IR2153 110的定频通过与其2、3、4管脚相连接的电阻m、112、113禾口 114以及电容115来实现，电阻m、112、113禾口 114串联并连接在管脚2和3之间，电容115连接在管脚3和4之间，管脚4接地，电阻111的两端A和B分别与光耦合器504的输出端A和B连接以及光耦合器601的输出端A和B连接。其中半桥驱动器芯片IR2153 110的2、3、4管脚分别是振荡器定时电阻输入(Oscillator timingresistor input)、振荡器定时电容输入(Oscillator timing c即acitor input)禾口芯片地(IC power and signalground)。由于反馈信号的电压随整流滤波输出电路400输出端的电流变化，半桥驱动器芯片IR2153的工作频率会相应发生变化，从而改变半桥驱动器芯片IR2153 110的输出信号频率，进而改变MOSFET 121和122的开关频率，控制压电变压器的输入能量，达到对压电变压器传输功率的有效控制。 如图6所示，500'是本发明的电流采样反馈电路的另一个实施例，在整流滤波输出电路400的输入端，也即是压电变压器300的输出端，串联电流互感器501'，从整流滤波输出电路400的输入端采样电流信号，通过电流互感器501'取得与所述电流信号对应的所需电压信号，将所述电压信号送入集成运算放大器503，经集成运算放大器503和外围附属电路通过比较、放大等处理后，将反馈信号送到开关电路100 。 如图5和图6所示，在本发明的实施例中，进一步地，在整流滤波输出电路400的输出端并联稳压管502，当输出电压高于设定值时，稳压管502被击穿，电阻501或电流互感器501'上的电流和电压信号发生变化，相应变化的反馈信号被送到开关电路IOO，从而改变半桥驱动器芯片IR2153 110的工作频率，最终改变MOSFET 121和122的开关频率。
图7是本发明的一个应用压电变压器的开关电源的实施例，包括输入整流滤波电路、自振荡和半桥驱动器集成电路IR2153及其外围电路、半桥开关电路、整流滤波输出电路、电流采样反馈电路和电压采样反馈电路。当整流滤波输出电路的输出电流大于设定值时，串联在整流滤波输出电路的输出端的电阻501上的电流和电压信号会发生变化；当整流滤波输出电路的输出电压高于设定值时，稳压管502被击穿，串联在整流滤波输出电路的输出端的电阻501上的电流和电压信号也会发生变化，相应变化的反馈信号被送到开关电路100，这样就实现了电流采样反馈控制，对输出变化在控制部分进行了相应调整，从而
6可以有效防止出现输出过压、过流、短路这些非正常工作状态，确保使用的安全。 需要说明的是，以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，而不是对本发明技术方
案的限定，任何熟悉该技术的本领域普通技术人员在本发明所提示的技术范围内，可轻易
想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种应用压电变压器的开关电源装置，其特征在于，包括输入整流滤波电路；开关电路，与所述输入整流滤波电路连接；压电变压器输入转换电路，与所述开关电路连接，用于将开关电路输出的信号转换成压电变压器需要的正弦波或者准正弦波信号；压电变压器，与所述压电变压器输入转换电路连接；整流滤波输出电路，与所述压电变压器连接；电压采样比较放大反馈电路，与所述开关电路和整流滤波输出电路连接，用于从所述整流滤波输出电路的输出端采样电压信号，经比较、放大后反馈输入到所述开关电路，来调节所述开关电路的工作频率；电流采样比较放大反馈电路，与所述开关电路和整流滤波输出电路连接，用于从所述整流滤波输出电路的输出端采样电流信号，经比较、放大后反馈输入到所述开关电路，来调节所述开关电路的工作频率。
2. 如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于所述压电变压器输入转换电路包 括第一 电感、第二电感和电容，所述第一 电感与所述压电变压器的输入端并联，所述第二电 感和电容串联，并与所述压电变压的输入端串联。
3. 如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述电流采样比较反馈放大电路 包括电阻，与所述整流滤波输出电路的输出端串联，用于从整流滤波输出电路的输出端采 样电流信号；运算放大器及其外围电路，与所述电阻连接，用于把所述电阻上与所述电流信号对应 的电压信号与基准电压信号进行比较和放大。
4. 如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述电流采样比较反馈放大电路 包括电流互感器，与所述整流滤波输出电路的输入端串联，用于从整流滤波输出电路的输 入端采样电流信号；运算放大器及其外围电路，与所述电流互感器连接，用于把所述电流互感器上与所述 电流信号对应的电压信号与基准电压信号进行比较和放大。
5. 如权利要求3或4所述的开关电源装置，其特征在于，所述电流采样比较反馈放大电 路还包括稳压二极管，与所述整流滤波输出电路的输出端并联，用于限定所述整流滤波输 出电路的输出电压。
6. 如权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，所述电流采样比较放大反馈电路 还包括光耦合器，与所述运算放大器的输出连接，用于将所述运算放大器比较放大后的信 号经光隔离后反馈输入到所述开关电路。
7. 如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述开关电路包括半桥驱动电路 和半桥开关电路，所述半桥驱动电路与所述输入整流滤波电路和半桥开关电路连接，所述 半桥开关电路与所述压电变压器输入转换电路连接。
8. 如权利要求7所述的开关电源装置，其特征在于，所述半桥驱动电路采用一个自振 荡半桥驱动器集成电路芯片IR2153。
9.如权利要求8所述的开关电源装置，其特征在于，所述半桥驱动电路还包括所述自 振荡半桥驱动器集成电路芯片IR2153的管脚2和管脚3之间连接的电阻以及管脚3和管 脚4之间连接的电容，用于实现所述自振荡半桥驱动器集成电路芯片IR2153的定频。
全文摘要
本发明涉及一种应用压电变压器的开关电源装置，包括输入整流滤波电路、开关电路、压电变压器输入转换电路、压电变压器、整流滤波输出电路、电压采样比较放大反馈电路、电流采样比较放大反馈电路。压电变压器输入转换电路连接在开关电路和压电变压器之间，用于将开关电路的输出信号转换成压电变压器需要的正弦波或准正弦波信号，以保证了压电变压器的高效转换，本发明的开关电源装置除了电压反馈控制电路，还包括电流反馈控制电路，通过调节开关电路的开关频率，达到对压电变压器传输功率的有效控制，并且对输出电压的稳定性进行调节和保证开关电源在完全空载、短路、过载、过压等极限工作模式下的安全性。
文档编号H02M3/335GK101777839SQ20091007623
公开日2010年7月14日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者都金龙, 马生茂 申请人:中国电子为华实业发展有限公司