一种小纹波开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种小纹波开关电源，包括电源输入单元，产生并输出具有相差的控制信号的控制单元，直交电压变换、输出高频相差交流电压的两路并行开关变换单元，整流滤波、对消的整流滤波单元和用于电压取样及反馈的稳压取样单元；所述开关变换单元的功率输入端并入电源输入单元的输出端，其信号输入端并入控制单元的输出端，其输出端并入整流滤波单元的输入端，稳压取样单元的输入端接整流滤波单元的输出端，稳压取样单元的输出端接入控制单元的信号输入端，电源输入单元的输入端作为小纹波开关电源的输入端，整流滤波单元的输出端作为开关电源的输出端。本发明的开关电源，体积小、可靠性高、成本低，电压纹波小。
【专利说明】一种小纹波开关电源
【技术领域】
[0001]本发明属于开关电源【技术领域】，特别是一种利用交错对消减小输出纹波的小纹波开关电源。
【背景技术】
[0002]纹波作为开关电源的一个重要指标，是在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波(包括噪声)的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。在一些特种电源尤其是高压电源的应用场合对纹波有严格的要求，例如行波管，特别是相位稳定度要求较高的行波管，高压电源的螺线电源对纹波要求一般在万分之五以下，光电倍增管的要求一般在十万分之五以下。近年来，如何对开关电源的纹波进行抑制也成为了一个较为热门课题。
[0003]开关电源的纹波减小主要包括两部分，一部分是由于输入电源的电压扰动(如电网供电的50Hz纹波)引起的低频纹波，一部分是由于开关电源自身的开关频率引起的高频纹波。对于低频纹波的控制办法主要是通过调节开关电源的环路特性，环路响应迅速并且工作稳定的开关电源都可以抑制低频纹波，本发明所述及的纹波减小着重在于对开关电源自身的高频纹波。通常解决开关电源高频纹波的办法主要是通过提高电源的开关频率或者增大输出滤波电容。
[0004]但是，这两种办法都有很大的局限性:1.功率器件无法大幅度提高工作频率，导致无法通过提高工作频率减小电源输出纹波；2.增大输出滤波电容虽然可以减小纹波，但会增大电源储能，负载短路时释放更大的能量，对器件应力要求较高，尤其是高压电源应用，存在安全隐患，同时也使电源的体积和重量难以减小。
[0005]总之，现有的小纹波开关电源纹体积大、可靠性差、成本高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种利一种小纹波开关电源，体积小、可靠性高、成本低。
[0007]实现本发明目的的技术解决方案为:一种小纹波开关电源，包括:
[0008]电源输入单元:用于将输入的交流电压整流滤波，变成直流电压；
[0009]控制单元:用于产生并输出具有相差的控制信号；
[0010]并行的第一开关变换单元和第二开关变换单元:用于将直流电压变换为高频交流电压，并按比例进行电压变换，两路并行的开关变换单元的输出高频交流电压具有180°相差;
[0011]整流滤波单元:用于将具有180°相差的两路高频交流电压整流滤波后，对消为小纹波直流电压；
[0012]稳压取样单元:用于输出的直流电压取样及反馈；
[0013]所述并行的第一开关变换单元和第二开关变换单元的功率输入端并入电源输入单元的输出端，开关变换单元的信号输入端并入控制单元的输出端，并行的第一开关变换单元和第二开关变换单元的输出端并入整流滤波单元的输入端，稳压取样单元的输入端接整流滤波单元的输出端，稳压取样单元的输出端接入控制单元的信号输入端，电源输入单元的输入端作为小纹波开关电源的输入端，整流滤波单元的输出端作为开关电源的输出端;
[0014]外部交流电压经电源输入单元整流滤波后变成直流电压，并行的第一开关变换单元和第二开关变换单元在控制单元具有相差的信号控制下，将直流电压变换为高频交流电压，并按比例进行电压变换，输出具有180°相差的高频交流电压，经整流滤波单元整流滤波，对消为小纹波直流电压。
[0015]本发明与现有技术相比，其显著优点为:
[0016]1、体积小、成本低:在达到同等纹波要求的前提下，利用交错对消技术减小纹波可以大大的减小电源整流滤波部分的体积和重量，也降低了电源的成本；采用两组变压器共输出功率的方式易于减小变压器的高度，利于电源的低造型设计。
[0017]2、可靠性高:电源电路简单，工作频率低，输出滤波电容小，短路能量小。
[0018]本发明提出的交错对消技术是通过前级控制电路对两路变压器输出的纹波相位进行调节，利用两路变压器输出的相位特点交错对消减小纹波。通过前级控制电路调节两路变压器输出的纹波相差180°，纹波相差180°串联后交错对消可以达到抑制纹波的效果，本发明在理论和具体应用中被证实能够有效的减小开关电源的输出纹波一到两个数量级。
[0019]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明小纹波电源的结构框图。
[0021 ] 图2是本发明的纹波交错对消的理想波形图。
[0022]图3是反激拓扑交错对消小纹波开关电源的电路图。
[0023]图4是反激拓扑交错对消小纹波开关电源的对消纹波仿真波形图。
[0024]图5是反激拓扑交错对消小纹波开关电源的对消纹波实测波形图。
[0025]图6是反激拓扑交错对消小纹波开关电源的样机。
【具体实施方式】
[0026]如图1所示，本发明小纹波开关电源，包括:电源输入单元1、控制单元2、并行的第一开关变换单元31和第二开关变换单元32、整流滤波单元4、稳压取样单元5。
[0027]电源输入单元1，用于将输入的交流电压整流滤波，变成直流电压，完成交流输入的整流滤波以及后级开关变换器的控制功能，包括供电电源输入的整流桥滤波电容，开关变换器的控制芯片以及其外围电路；
[0028]控制单元2，用于产生并输出具有相差的控制信号。根据电路拓扑的纹波特点选择特定的控制芯片和驱动方式，使开关变换部分的两组开关变换器有固定相差，从而使变压器部分的两组变压器输出纹波相位相差180°，达到交错对消的目的。如两组反激变换器串联进行纹波交错对消，根据反激变换器的纹波和拓扑特点可知，两组反激变换器的开关变换部分相位相差180°时，输出纹波相差180°。，所以，反激拓扑利用交错对消技术减小纹波时控制驱动部分需要输出频率相同、相位相差180°的两组隔离驱动信号(正激拓扑应用与此相似)。
[0029]本发明工程应用实例中，纹波交错对消反激拓扑的控制部分是图3控制部分虚框中的3N1电源控制芯片SG3525以及其外围电路和3N2驱动芯片IR2110以及其外围电路。按照SG3525和IR2110的典型应用进行电路外围连接，使3N2的pin I和pin7输出20KHz的开关驱动波形。隔离变压器3T1的初级接3N2输出的20KHz开关驱动波形，两组次级如图3中的接法，根据变压器次级同名端进行接线，一组次级的同名端3T1的pinlO接后级开关管驱动的栅极电阻，一组次级的同名端3T1的pin6接后级开关管的源极，如此接法可保证后级两组变换器输出两组相位相差180°的开关电压波形。两个隔离变压器3T1和3T2使用TDK的EPC17型磁芯(材质PC44)制作，初次级共三组，均为直径0.29漆包线40匝绕制而成)。如两组全桥变换器串联进行纹波交错对消，根据全桥变换器的纹波和拓扑特点可知，两组全桥变换器的开关变换部分相位相差90°时，输出纹波相差180°。所以，全桥拓扑利用交错对消技术减小纹波时控制驱动部分需要输出频率相同、相位相差90°的两组隔离驱动信号(半桥拓扑应用与此相似)。开关变换部分的控制信号由该部分产生并送出，开关变换部分所需的直流电源也由该部分将输入的220VAC整流滤波后送出。稳压取样部分所产生的取样信号反馈到该部分，通过反馈调制控制部分产生的控制信号。用于产生并输出具有相差的控制信号；
[0030]并行的第一开关变换单元31和第二开关变换单元32，用于将直流电压变换为高频交流电压，并按比例进行电压变换，两路并行的开关变换单元31、32的输出高频交流电压具有180°相差。
[0031]所述并行的第一开关变换单元31和第二开关变换单元32的每一路由一开关变换器311、321和一变压器312、322串联而成，第一路开关变换单元31的开关变换器311与第二路开关变换单元32的开关变换器321的内部电路和元器件均相同，变压器312、322参数相同。
[0032]开关变换器由接在电源输入上的开关管构成，开关管栅源接前级的驱动信号，两组开关变换器产生具有固定相差的开关电压波形输送给两组变压器作为功率传输的初级电压变化。开关变换器根据应用拓扑结构的选择确定开关管的电路结构，与普通正激、反激、全桥、半桥拓扑结构相同，只是两组开关变换器频率相同，保持固定相差而已。电源输入部分整流滤波后的直流电源输入到该部分作为变换的直流电源，控制部分的控制驱动信号送到该部分产生开关信号。该部分产生的高频交流电源输出给变压器部分完成能量传输。本发明实例中纹波交错对消反激拓扑的开关变换部分如图3开关变换部分虚框中所示，包括开关管Ql、Q2、电网输入220VAC整流滤波后的300V直流供电如图中所示300V+、300V_，以及Q1、Q2的RCD(电阻电容二极管)吸收回路。本实例中反激初级折射电压设定为500V，开关管电压应力为800V，本电源中开关管Q1、Q2选择APT10050(漏源极限电压1000V，最大漏源平均电流10A)，吸收回路按照典型电路参数设计即可。则Q1、Q2的漏极与300V+之间产生了两组幅度相等，相位相差180°的开关电压波形，供初级连接。变压器完成电源的电压按比例变换以及输入输出之间的隔离。开关变换器产生的高频交流电源作为输入送进变压器部分，变压器的输出作为开关变换单元的输出送给整流滤波部分。两组变压器初级接两组开关变换器所产生的开关电压波形，次级整流滤波后串联，再接入总滤波电容。两组变压器均有一个初级绕组接前端开关变化部分，可有一个或多个次级绕组，但两组变压器绕制参数必须相同，保证两组变压器输出纹波大小相近，达到较好的交错对消效果。
[0033]本发明实例中纹波交错对消反激拓扑的串联变压器部分如图3变压器部分虚框中所示，包括Tl和T2两组变压器。Tl和T2均使用TDK (磁芯厂家)的PQ40/40外形磁芯，材质为PC40，中心磁柱磨出Imm气隙，初级绕组40匝，次级每个绕组100匝，每组变压器共四个次级绕组，分层绕制，初级在最内侧，初次级间及次级绕组间均使用聚纤氧胺胶带进行绝缘，如图3所示连接，初级接开关变换部分，次级接整流滤波部分。
[0034]整流滤波单元4:用于将具有180°相差的两路高频交流电压整流滤波后，对消为小纹波直流电压。包括整流管和滤波电容，根据开关变换部分的电路拓扑形式选择相应形式的整流滤波电路。变压器部分产生的高频高压交流电源送入整流滤波部分后，整流滤波部分输出高压直流。本发明实例中纹波交错对消反激拓扑的整流滤波部分如图3整流滤波部分虚框中所示，对每个次级绕组采用半波整流电路，二极管4D1?4D8为三个MURl 100E串联作为一个整流管，电容4C1?4C4、4C6?4C9使用3kV0.1uF的聚碳酸酯高压电容，每个次级绕组半波整流后串联交错对消再接总的滤波电容4C5、4C10、4C11，4C5和4C10使用6kV0.1uF的聚碳酸酯高压电容，4C11使用IOkV0.1uF的聚碳酸酯高压电容。图4为该电路saber仿真输出电压波形，图中VTl为变压器I整流滤波后的输出电压，VT2为变压器2整流滤波后的输出电压，这是交错对消前两个变压次级整流滤波后的电压波形，可以看出，VTl和VT2的输出纹波Vout = -4378.0-(-4387.2) = 9.2V，而且相位相差180°，两组输出电压经过串联后纹波对消的电压如图4中的Vout，输出纹波Vripple=-8764.7-(-8765.5) = 0.8V。可以看出纹波对消大约将高频纹波减小了一个数量级，通过saber仿真证实了交错纹波对消技术可以大幅减小纹波。
[0035]图5为高压电源样机纹波实测，示波器CHl使用泰克P6015A高压探头交流耦合检测如图1中的VT2，CH2采取同样方法检测Vout，因为VTl悬浮在高压上，所以用CH2减去CHl，即Math通道为VTl。从图中看出，对消之前的纹波，也就是CHl所测量的纹波，峰峰值为392V，对消之后的纹波，也就是CH2所测量的纹波，峰峰值为1.28V，可以看出采用纹波对消技术后纹波减小了两个数量级。
[0036]稳压取样单元5:用于输出的直流电压取样及反馈，完成对输出电压的取样及反馈环路的补偿功能。包括分压电阻、环路补偿电阻电容和稳压基准电路。稳压取样部分对整流滤波部分产生的高压直流进行取样，按比例进行取样后对取样信号进行放大和补偿后，送出给控制部分作为反馈信号。
[0037]本发明实例中纹波交错对消反激拓扑的稳压取样部分如图3稳压取样部分虚框中4R1、4R3、4R5?4R7的分压网络以及TL431给出的稳压基准组成。为保证较高的精度和稳定度，4R1、4R3采用T44D-10M-G25(温度系数25ppm/°C )的电阻，4R5使用普通精密电阻，4R6、4R7并联对取样比进行微调。
[0038]所述两路并行的开关变换单元31，32的功率输入端并入电源输入单元I的输出端，开关变换单元31，32的信号输入端并入控制单元2的输出端，两路并行的开关变换单元31,32的输出端并入整流滤波单元4的输入端，稳压取样单元5的输入端接整流滤波单元4的输出端，稳压取样单兀5的输出端接入控制单兀2的信号输入端，电源输入单兀I的输入端作为小纹波开关电源的输入端，整流滤波单元4的输出端作为开关电源的输出端；
[0039]外部交流电压经电源输入单元I整流滤波后变成直流电压，两路并行的开关变换单元31，32在控制单元2具有相差的信号控制下，将直流电压变换为高频交流电压，并按比例进行电压变换，输出具有180°相差的高频交流电压，经整流滤波单元4整流滤波，对消为小纹波直流电压。
[0040]所述两路并行的开关变换单元31，32的每一路由一开关变换器311、321和一变压器312、322串联而成，第一路开关变换单元31与第二路开关变换单元32的开关变换器311、321的内部电路和元器件均相同，变压器312、322参数相同。
[0041]图2是本发明纹波交错对消的理想波形图，两组变压器输出纹波VT1、VT2幅度相等、相位相差180°，可以完全对消，达到输出零纹波VHpple，由于变压器及前端变换器均有离散参数，变压器输出纹波波形不会完全幅度相等，波形也不会完全对称，因此输出纹波可以大幅度抵消，但不为零。
[0042]如图3所示，所述控制单元2包括电源控制芯片1525(21)以及其外围电路、驱动芯片2110(22)以及其外围电路和隔离驱动变压器23，电源控制芯片1525(21)的PINll连接驱动芯片2110(22)的PIN10，电源控制芯片1525(21)的PIN14连接驱动芯片2110 (22)的PIN12，驱动芯片2110(22)的PINl和PIN7接隔离变压器23初级，变压器的次级输出具有相差的控制信号。
[0043]所述两路并行的开关变换单元31，32包括第一开关管Ql、第二开关管Q2及与其配套的电阻电容二极管吸收回路，第一开关管Ql的栅极通过电阻Rl接隔离变压器23的次级PIN1，第一开关管Ql的源极通过电阻R2接隔离变压器23的次级PIN2，第二开关管Q2的栅极通过电阻R3接隔离变压器23的次级PIN3，第二开关管Q2的源极通过电阻R4接隔离变压器23的次级PIN4，电源输入单元I的直流电压负端与第一开关管Q1、第二开关管Q2的源极连接，电源输入单元I的直流电压正端与第一开关管Ql的漏极连接第一变压器312的初级，电源输入单元I的直流电压正端与第二开关管Q2的漏极连接第二变压器322的初级，第一变压器312和第二变压器322的次级输出具有相差的高频交流电压。
[0044]所述整流滤波单元4包括与第一变压器312次级连接的第一整流滤波电路和第二变压器322次级连接的第二整流滤波电路，第一整流滤波电路与第二整流滤波电路串联后与输出滤波电容Cl并联，输出小纹波直流电压。
[0045]所述第一整流滤波电路包括至少两组串联的半波整流电路。
[0046]所述第二整流滤波电路包括至少两组串联的半波整流电路。
[0047]流滤波电路串联的半波整流电路的组数取决于电压增益要求。图示各四组，输出为 8.7kV。
[0048]图4是反激拓扑交错对消小纹波开关电源的对消纹波仿真波形图。
[0049]图5是反激拓扑交错对消小纹波开关电源的对消纹波实测波形图。
[0050]图6是反激拓扑交错对消小纹波开关电源的样机。
[0051]通过仿真和实验证明，本发明的小纹波开关电源在满足体积小、可靠性高、成本低的前提下大幅度减小了输出电压的纹波。
【权利要求】
1.一种小纹波开关电源，其特征在于，包括: 电源输入单元(I):用于将输入的交流电压整流滤波，变成直流电压； 控制单元(2):用于产生并输出具有相差的控制信号； 并行的第一开关变换单元(31)和第二开关变换单元(32):用于将直流电压变换为高频交流电压，并按比例进行电压变换，所述两路并行的开关变换单元的输出高频交流电压具有180°相差； 整流滤波单元(4):用于将具有180°相差的两路高频交流电压整流滤波后，对消为小纹波直流电压； 稳压取样单元(5):用于输出的直流电压取样及反馈； 所述并行的第一开关变换单元(31)和第二开关变换单元(32)的功率输入端并入电源输入单元(I)的输出端，开关变换单元(31，32)的信号输入端并入控制单元(2)的输出端，并行的第一开关变换单元(31)和第二开关变换单元(32)的输出端并入整流滤波单元(4)的输入端，稳压取样单元(5)的输入端接整流滤波单元(4)的输出端，稳压取样单元(5)的输出端接入控制单元(2)的信号输入端，电源输入单元(I)的输入端作为小纹波开关电源的输入端，整流滤波单元⑷的输出端作为开关电源的输出端； 外部交流电压经电源输入单元(I)整流滤波后变成直流电压，并行的第一开关变换单元(31)和第二开关变换单元(32)在控制单元(2)具有相差的信号控制下，将直流电压变换为高频交流电压，并按比例进行电压变换，输出具有180°相差的高频交流电压，经整流滤波单元(4)整流滤波，对消为小纹波直流电压。
2.根据权利要求1所述的小纹波开关电源，其特征在于:所述并行的第一开关变换单元(31)和第二开关变换单元(32)的每一路由一开关变换器(311、321)和一变压器(312、322)串联而成，第一路开关变换单元(31)与第二路开关变换单元(32)的开关变换器(311,321)的内部电路和元器件均相同，变压器(312、322)参数相同。
3.根据权利要求2所述的小纹波开关电源，其特征在于:所述控制单元(2)包括电源控制芯片1525(21)以及其外围电路、驱动芯片2110(22)以及其外围电路和隔离驱动变压器(23)，电源控制芯片1525(21)的PINll连接驱动芯片2110 (22)的PIN10，电源控制芯片1525(21)的 PIN14 连接驱动芯片 2110(22)的 PIN12，驱动芯片 2110 (22)的 PINl 和 PIN7接隔离变压器(23)初级，变压器的次级输出具有相差的控制信号。
4.根据权利要求2所述的小纹波开关电源，其特征在于:所述两路并行的开关变换单元(31，32)包括第一开关管Q1、第二开关管Q2及与其配套的电阻电容二极管吸收回路，第一开关管Ql的栅极通过电阻Rl接隔离变压器(23)的次级PIN1，第一开关管Ql的源极通过电阻R2接隔离变压器(23)的次级PIN2，第二开关管Q2的栅极通过电阻R3接隔离变压器(23)的次级PIN3，第二开关管Q2的源极通过电阻R4接隔离变压器(23)的次级PIN4，电源输入单元(I)的直流电压负端与第一开关管Q1、第二开关管Q2的源极连接，电源输入单元(I)的直流电压正端与第一开关管Ql的漏极连接第一变压器(312)的初级，电源输入单元(I)的直流电压正端与第二开关管Q2的漏极连接第二变压器(322)的初级，第一变压器(312)和第二变压器(322)的次级输出具有相差的高频交流电压。
5.根据权利要求2所述的小纹波开关电源，其特征在于:所述整流滤波单元(4)包括与第一变压器(312)次级连接的第一整流滤波电路和第二变压器(322)次级连接的第二整流滤波电路，第一整流滤波电路与第二整流滤波电路串联后与输出滤波电容Cl并联，输出小纹波直流电压。
6.根据权利要求5所述的小纹波开关电源，其特征在于:所述第一整流滤波电路包括至少两组串联的半波整流电路。
7.根据权利要求5所述的小纹波开关电源，其特征在于:所述第二整流滤波电路包括至少两组串联的半波整流电路。
【文档编号】H02M3/335GK103973122SQ201410174894
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】高彧博, 谢章贵, 张峻岭, 毕磊, 张俊, 朱元江 申请人:中国船舶重工集团公司第七二三研究所