电源转换模块的制作方法

本发明涉及一种开关电源，具体涉及一种可以检测交变信号正负相位过零点检测功能的开关电源转换模块。

背景技术：

随着开关电源技术的不断成熟和普及，其应用领域也越来越广，从1947年底晶体管问世，电源技术大约经历几个大的技术更新和换代，从20世纪60年代末开始，高耐压，大电流的双极型电子晶体管（亦称巨型晶体管，bjt、gtr）的出现，使得采用高工作频率的开关电源成为可能，在此阶段，工作在非典型开关状态的线性电源（linearpowersupply）成为主流，得到广泛应用，但线性电源固有的体积大，质量重，效率低的缺点，促使真正意义上的第一代开关电源技术迅速发展，到20世纪70年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限的20khz,，主要以自激式振荡开关电源rcc（ringingchokeconvertor）为代表的第一代开关电源满足了市场的大部分需求，但分立元件固有的参数离散性，导致模块的性能稳定性和一致性受到很大局限，同时产品功率无法进一步提高，为了解决rcc电源技术的缺点，以脉宽调节技术pwm（pulsewidthmodulation）为核心的芯片集成技术的产生促进了第二代硬开关电源技术的迅速发展，此阶段，各种电源拓扑技术不断涌现，模块功率进一步提升，工作频率进一步提高，体积却进一步减少，稳定性也更好，到20世纪80年代，随着软开关技术的研究成果的不断突破，采用准谐振技术qr（quasi-resonant）为代表的零电压和零电流开关电路代表了第三代开关电源技术，此技术特点为开关状态接近软开关，所以电源工作频率可以达到mhz以上，转换效率更高，转换功率进一步提升，体积可以做到更小，在准谐振技术基础上，真正的软开关技术取得长足发展和进步，其中代表性的技术为llc谐振半桥（llchalfbridgeresonantconvertor）技术。从电源技术发展的历程可以看出，未来电源技术也会进一步向着集成化，小型化，高频化以及功能多样化方向发展。

从上面的电源技术的发展来看，几乎所有的电子设备都需用到电源模块，特别是现在许多电子和计算机应用系统中，不仅需要电源模块提供高质量的稳定电压，维持系统的稳定工作，同时为了实现交变信号的监测、控制或调节等目的，往往需要同步对交变信号进行正负半周过零点信号进行检测。但目前大部分电源模块应用都没有此种功能，具体原因在于出于安全要求和考虑，电源模块的初次和次级电路之间都需进行双重安全绝缘，具体要求可参见iec60950-11.2.9-1.2.10中关于绝缘的安全要求，所以无法直接对输入交变的高压信号进行取样和使用。到目前为止，还没有一款电源模块，既能进行精确的电压转换，功率传输和阻抗匹配，同时还可以精确对输入交变信号的上升沿和下降沿的过零点进行检测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电源转换模块，具有可以检测交变信号正负相位过零点检测功能的特点。

本发明提供了一种电源转换模块，包括：

功率转换电路，与交变输入端相连接，用于实现功率传输和电压转换；

信号取样电路，与交变输入端相连接，用于对交变输入端的信号进行取样，并生成取样信号，取样信号与交变输入端的信号同相，但幅值同比例缩小；

检测调制电路，与信号取样电路相连接，取样信号经过检测调制电路调制后，输出矩形脉冲信号；

mcu控制器，与检测调制电路相连接；

信号隔离电路，串联在mcu控制器和检测调制电路之间，信号隔离电路用于隔离处理矩形脉冲信号，经隔离处理的矩形脉冲信号作为输入信号经mcu控制器的io口进行采样，mcu控制器接收到矩形脉冲信号后，经过一系列逻辑运算，输出相应指令去驱动后级执行元件工作，此过程周而复始，实现对输入交变信号的监测，调制和控制；

第一工作电压电路，串联在功率转换电路与检测调制电路之间，用于向检测调制电路提供工作电压；

第二工作电压电路，串联在功率转换电路与信号隔离电路之间，用于向信号隔离电路提供工作电压。

该功率转换电路为反激功率转换电路、正激功率转换电路、半桥功率转换电路、全桥功率转换电路或者llc功率转换电路。

该功率转换电路由一个整流电路、一个贮能滤波电容、一个具有初次和次级隔离功能的高频变压器和一个电源管理电路组成，整流电路为四个二极管组成的整流桥，整流桥的输入端与交变输入端相连接，整流桥的输出端与高频变压器相连接，贮能滤波电容并联于整流桥与高频变压器之间，电源管理电路具有一个电源管理ic，高频变压器总共包括四个绕组，高频变压器初级侧分别设有初级主绕组、初级第一绕组和初级第二绕组，高频变压器次级侧设有次级主绕组，初级主绕组一端接整流桥输出端正极，另一端与电源管理ic相连接，初级第一绕组一端接地，另一端通过一个第二二极管与电源管理ic相连接，初级第一绕组连接于第二二极管阳极端，第二二极管阳极端通过分流电阻与电源管理ic相连接。

该信号取样电路可以采用全波整流电路或者半波整流电路。

该信号取样电路由相串联的一个第一二极管和两个限流电阻组成，第一二极管的阳极端与交变输入端的l线相连接，第一二极管的阴极端通过相串联两个分流电阻接地，检测调制电路连接于两个分流电阻之间。

该检测调制电路的工作过程为：

当交变输入端的信号由正半周最大值向负半周最小值变化过程中，在经过零点时，矩形脉冲信号由高电平翻转到低电平；

当交变输入端的信号处于负半周时，取样信号为0电平，矩形脉冲信号低电平将保持；

当交变输入端的信号由负半周最小值向正半周最大值变化过程中，在经过零点时，矩形脉冲信号由低电平翻转到高电平；

当交变输入端的信号处于正半周时，取样信号为0电平，矩形脉冲信号高电平将保持。

该第一工作电压电路包括一个第三二极管和一个限流电阻，第三二极管阳极端与初级第二绕组一端连接，初级第二绕组另一端接地，第三二极管阴极端依次经过限流电阻和信号隔离电路与检测调制电路相连接。

该信号隔离电路具有主动侧和响应侧，信号隔离电路主动侧分别与第一工作电压电路和检测调制电路相连接，信号隔离电路响应侧分别与第二工作电压电路和mcu控制器相连接。

该信号隔离电路响应侧通过相串联的两个分流电阻接地，mcu控制器连接于两个分流电阻之间。

该信号隔离电路具有主动侧和响应侧，信号隔离电路主动侧分别与第一工作电压电路和检测调制电路相连接，信号隔离电路主动侧分别与第二工作电压电路和mcu控制器相连接，第二工作电压电路与次级主绕组正极相连接，次级主绕组负极接地，次级主绕组正极与负极之间还连接有一个贮能滤波电容。

该检测调制电路采用n沟道mos管或者npn型三极管。

该信号隔离电路为光耦合器或者同匝比的驱动变压器。

本发明的优点在于：实现功率传输和电压转换，过零点检测电路可以实现对输入交变高压大信号进行实时同步过零点检测，并同步输出矩形脉冲波，过零点检测电路可以实现对输入交变高压大信号和输出的同步脉冲低压小信号进行安全隔离。解决了传统电路无法同步监测输入交变信号的上升沿和下降沿的过零点，并且将监测低压小信号与输入交变高压大信号之间安全隔离的问题，本发明可以实现上述功能且总体成本低，安全可靠。

附图说明

图1为本发明提供的一种电源转换模块的结构框图。

图2为图1所示电源转换模块的电路原理图。

图3为图1所示电源转换模块中输入交变信号与输出过零点检测信号相位关系图。

图4为本发明提供的另一种电源转换模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

图1至图3显示的是本发明的一种电源转换模块。

如图1所示，该电源转换模块包括功率转换电路b，信号取样电路c，检测调制电路e，mcu控制器h，信号隔离电路g，第一工作电压电路d和第二工作电压电路f。

各个电路的结构关系为：

功率转换电路b与交变输入端相连接，用于实现功率传输和电压转换。

信号取样电路c与交变输入端相连接，用于对交变输入端的信号进行取样，并生成取样信号。取样信号与交变输入端的信号同相，但幅值同比例缩小。

检测调制电路e与信号取样电路c相连接。取样信号经过检测调制电路e调制后，输出矩形脉冲信号。

mcu控制器h与检测调制电路e相连接。

信号隔离电路g串联在mcu控制器和检测调制电路e之间。信号隔离电路g用于隔离处理矩形脉冲信号，经隔离处理的矩形脉冲信号作为输入信号经mcu控制器h的io口进行采样。

第一工作电压电路d串联在功率转换电路b与检测调制电路e之间，用于向检测调制电路e提供工作电压。

第二工作电压电路f串联在功率转换电路b与信号隔离电路g之间，用于向信号隔离电路g提供工作电压。

该功率转换电路b可以为正激功率转换电路，也可以为反激功率转换电路、半桥功率转换电路、全桥功率转换电路或者llc功率转换电路。

该信号取样电路c可以采用全波整流电路或者半波整流电路。

如图2所示，该功率转换电路b为反激功率转换电路。

所谓反激功率转换电路，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出。

该功率转换电路b由一个整流电路db1、一个贮能滤波电容ec1、一个具有初次和次级隔离功能的高频变压器t1和一个电源管理电路组成。

其中，整流电路db1为四个二极管组成的整流桥。

整流桥的输入端与交变输入端相连接，整流桥的输出端与高频变压器t1相连接。

贮能滤波电容ec1并联于整流桥与高频变压器t1之间。

电源管理电路具有一个电源管理ic。

高频变压器t1总共包括四个绕组。

高频变压器t1初级侧分别设有初级主绕组np、初级第一绕组nvcc1和初级第二绕组nvcc2。

高频变压器t1次级侧设有次级主绕组ns。

初级主绕组ns一端接整流桥输出端正极，另一端与电源管理ic的swd引脚相连接。

初级第一绕组nvcc1一端接地，另一端通过一个第二二极管d2和电阻r5与电源管理ic的swd引脚相连接。

初级第一绕组nvcc1连接于第二二极管d2阳极端，第二二极管阳极端通过分流电阻（r6，r7）与电源管理ic的fb引脚相连接。

电源管理ic的cs引脚通过一个电阻r3接地。

该信号取样电路c由相串联的一个第一二极管d1和两个限流电阻（r1，r2）组成。

第一二极管d1的阳极端与交变输入端的l线相连接，第一二极管d1的阴极端通过相串联两个分流电阻（r1，r2）接地。

检测调制电路e连接于两个分流电阻（r1，r2）之间。

该检测调制电路e采用的是n沟道mos管q1。

该检测调制电路e还通过一个瞬变二极管zd1接地。

第一工作电压电路d包括一个第三二极管d3和一个限流电阻r4。

第三二极管d3阳极端与初级第二绕组nvcc2一端连接。

初级第二绕组nvcc2另一端接地。

第三二极管d3阴极端依次经过限流电阻r4和信号隔离电路g与检测调制电路e相连接。

该信号隔离电路g为光耦合器ph1。

光耦合器ph1具有主动侧和响应侧。

光耦合器ph1主动侧分别与第一工作电压电路d和检测调制电路e相连接。

光耦合器ph1响应侧分别与第二工作电压电路f和mcu控制器h相连接。

第二工作电压电路f通过电阻r8与次级主绕组ns正极相连接。

次级主绕组ns负极接地。

次级主绕组ns正极与负极之间还连接有一个贮能滤波电容ec2。

光耦合器ph1响应侧通过相串联的两个分流电阻（r9，r10）接地，mcu控制器连接于两个分流电阻（r9，r10）之间。

如图3所示，检测调制电路e的工作过程为：

当交变输入端的信号由正半周最大值向负半周最小值变化过程中，在经过零点时，矩形脉冲信号由高电平翻转到低电平；

当交变输入端的信号处于负半周时，取样信号为0电平，矩形脉冲信号低电平将保持；

当交变输入端的信号由负半周最小值向正半周最大值变化过程中，在经过零点时，矩形脉冲信号由低电平翻转到高电平；

当交变输入端的信号处于正半周时，取样信号为0电平，矩形脉冲信号高电平将保持。

mcu控制器h接收到数据io口信号由低电平翻转到高电平后，经过一系列逻辑运算，输出相应指令去驱动后级执行元件工作，此过程周而复始，实现对输入交变信号的监测，调制和控制。

在其他的实施例中，检测调制电路e还可以采用npn型三极管。

实施例2

图4显示的是本发明的另一种实施方式的电源转换模块。如图4所示，与实施例1的不同之处仅在于，该信号隔离电路g为同匝比的驱动变压器t2。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和变形应用，以进一步实现对后级电路的控制，这些应用也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例详述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。