一种交流电源电路及其控制方法与流程

本发明涉及交流电源领域，尤其是一种交流电源电路及其控制方法。

背景技术：

pdlcfilm：polymerdispersedliquidcrystalfilm，聚合物分散液晶膜

spwm：sinusoidalpulsewidthmodulation，正弦脉冲宽度调制

dc：directcurrent，直流电

hv：highvoltage，高压

l、c：电感电容

ic：integratedcircuit，集成电路

mcu：microcontrolunit，单片机

pwm的全称是pulsewidthmodulation(脉冲宽度调制)，它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。市场上各种dcdc专用电源芯片，也都是采用pwm控制原理。所谓spwm，就是在pwm的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等。图1就是一个spwm的原理示意图。它将低频模拟正弦波信号，可以转换为高频pwm数字信号，可以大幅度提高电源模块的体积能量比。

聚合物分散液晶膜(pdlcfilm)，该智能调光膜是在两块透明的薄膜材料之间将液晶以微米量级的小微滴分散在聚合物基体内，经由特殊的工艺制作而成。由于由液晶分子构成的小微滴的光轴处于自由取向液晶材料成无序态存在，其折射率与基体的折射率不匹配，当光通过基体时背微滴强烈散射而呈不透明的乳白状态或半透明状态。施加电场可调节液晶微滴的光轴取向，将无序的液晶材料转成有序的排列状态。当两者折射率相匹配时，呈现透明态。除去电场，液晶微滴有恢复最初的散光状态，从而进行显示。该材料目前可以商用的产品形态是调光玻璃。

深圳市国华光电科技有限公司目前研发最新的调光液晶玻璃，可以反逻辑工作，加电时呈现不透明状态，断电时呈现为透明状态。驱动该种高分子液晶调光玻璃，需要60v/50hz以上的交流电源，一般驱动普通液晶的驱动电源无法实现功能驱动。而市场上可以采购的纯正弦波车载逆变器，体积大，价格高，轻载效率低，配套使用不经济。

目前常见的液晶显示面板驱动电源，一般是采用液晶驱动ic集成的电容电荷泵技术，生成正负15v。当需要的驱动电压高于40v时，现在的半导体工艺很难实现，成本高昂。如果需要一个100v/10ma的微功率正弦波交流电源，商用成熟的只有正弦波逆变电源可以配套。但是，现在的正弦波逆变电源，主要服务于标准220v的市电设备，考虑的都是几百瓦到几千瓦的大功耗负载。这些电源模块设计复杂，体积庞大，待机功耗大，轻载效率低，成本高。

如图2所示，图2为一个车载正弦波逆变器成熟商用设计方案示意图。整体分为前级和后级两部分。前级电路由直流电源、高频变压器、整流桥、直流高压滤波电路组成，完成dc/dc升压转换的功能，即实现dc12v输入到至少dc310v输出的转换。后级电路由spwm全桥逆变器、lc低通滤波器组成，主要完成直流高压到50hz/220v正弦ac输出的转换。spwm是直接由mcu的pwm口输出占空比按照正弦规律变化的矩形波，经过驱动电路做放大后直接驱动全桥电路，实现直流交流逆变和正弦波转换。全桥变换电路，将前级dcdc升压变换实现的高压直流电压，通过mcu输出的spwm信号控制全桥电路，变换为正弦波规律分布的高频pwm方波，再经过末级lc低通滤波，负载上就可以实现50hz/220v低频正弦波的交流电源输出。如图2所示，全桥逆变电路工作在310v以上直流高压下，mcu控制电路一般工作在5v以下低压，全桥驱动芯片和全桥开关器件成本高，器件控制逻辑复杂，电路元器件多，系统成本高。而且产品体积大，空载功耗高。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种功耗低、成本低的交流电源电路及其控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种交流电源电路，包括直流电源电路、mcu控制电路、第一dc-dc升压变换电路、第二dc-dc升压变换电路、第一二极管和第二二极管；所述直流电源电路的输出端分别与mcu控制电路的输入端、第一dc-dc升压变换电路的输入端、第二dc-dc升压变换电路的输入端连接；所述mcu控制电路包括正半波spwm控制信号输出端和负半波spwm控制信号输出端，所述mcu控制电路的正半波spwm控制信号输出端与第一dc-dc升压变换电路的控制端连接；所述mcu控制电路的负半波spwm控制信号输出端与第二dc-dc升压变换电路的控制端连接；所述第一dc-dc升压变换电路的输出端与第一二极管并联连接；所述第二dc-dc升压变换电路的输出端与第二二极管并联连接；所述第一二极管的正极、第二二极管的正极作为交流电源电路的输出端；所述第一二极管的负极与第二二极管的负极连接，所述第一二极管的负极、第二二极管的负极接地。

进一步地，所述第一dc-dc升压变换电路包括第一dc-dc升压变换芯片、第一升压变压器、第一电压调节电阻和第二电压调节电阻，所述直流电源电路的输出端分别与第一dc-dc升压变换芯片的电源端、第一升压变压器的第一输入端连接；所述第一dc-dc升压变换芯片的控制端为第一dc-dc升压变换电路的控制端，所述mcu控制电路的正半波spwm控制信号输出端与第一dc-dc升压变换芯片的控制端连接；所述第一dc-dc升压变换芯片的第一输出端与第一升压变压器的第二输入端连接，所述第一升压变压器的第一输出端与第二电压调节电阻的一端连接，所述第一升压变压器的第二输入端与第二输出端连接；所述第二电压调节电阻的一端作为第一dc-dc升压变换电路的输出端；所述第二电压调节电阻的另一端与第一电压调节电阻的一端连接；所述第一电压调节电阻的另一端与第一dc-dc升压变换芯片的第二输出端连接；所述第一电压调节电阻的另一端接地。

进一步地，所述第二dc-dc升压变换电路包括第二dc-dc升压变换芯片、第二升压变压器、第三电压调节电阻和第四电压调节电阻，所述直流电源电路的输出端分别与第二dc-dc升压变换芯片的电源端、第二升压变压器的第一输入端连接；所述第二dc-dc升压变换芯片的控制端为第二dc-dc升压变换电路的控制端，所述mcu控制电路的负半波spwm控制信号输出端与第二dc-dc升压变换芯片的控制端连接；所述第二dc-dc升压变换芯片的第一输出端与第二升压变压器的第二输入端连接，所述第二升压变压器的第一输出端与第四电压调节电阻的一端连接，所述第二升压变压器的第二输入端与第二输出端连接；所述第四电压调节电阻的一端作为第二dc-dc升压变换电路的输出端；所述第四电压调节电阻的另一端与第三电压调节电阻的一端连接；所述第三电压调节电阻的另一端与第二dc-dc升压变换芯片的第二输出端连接；所述第三电压调节电阻的另一端接地。

进一步地，所述mcu控制电路包括stm8s003f3型号的单片机及其外围电路。

进一步地，所述第一dc-dc升压变换芯片、第二dc-dc升压变换芯片为eta1617型号的dc-dc升压变换芯片。

进一步地，所述第一升压变压器、第二升压变压器为自抽头变压器。

进一步地，所述第一dc-dc升压变换电路还包括第一稳压二极管和第二稳压二极管；所述第一稳压二极管的阳极与第一升压变压器的第一输出端连接；所述第一稳压二极管的阴极与第二电压调节电阻的一端连接；所述第二稳压二极管的阴极与第一稳压二极管的阳极连接；所述第二稳压二极管的阳极接地。

进一步地，所述第二dc-dc升压变换电路还包括第三稳压二极管和第四稳压二极管；所述第三稳压二极管的阴极与第二升压变压器的第一输出端连接；所述第三稳压二极管的阳极与第四电压调节电阻的一端连接；所述第四稳压二极管的阳极与第三稳压二极管的阴极连接；所述第四稳压二极管的阴极接地。

进一步地，所述第一dc-dc升压变换电路还包括第一电容，所述第二dc-dc升压变换电路还包括第二电容，所述第一电容的一端与第二电压调节电阻的一端连接，所述第一电容的另一端接地；所述第二电容的一端与第四电压调节电阻的一端连接，所述第二电容的另一端接地。

本发明所采用的另一技术方案是：一种交流电源电路的控制方法，包括以下步骤：

mcu控制电路输出正半波spwm控制信号至第一dc-dc升压变换电路以控制其生成正弦波波形的正半波；

mcu控制电路输出负半波spwm控制信号至第二dc-dc升压变换电路以控制其生成正弦波波形的负半波；

利用第一二极管和第二二极管的单向导通特性实现第一dc-dc升压变换电路和第二dc-dc升压变换电路的分时工作以使交流电源电路输出正弦全波交流信号。

本发明的有益效果是：本发明中一种交流电源电路及其控制方法，交流电源电路包括直流电源电路、mcu控制电路、第一dc-dc升压变换电路、第二dc-dc升压变换电路、第一二极管和第二二极管，mcu控制电路的正半波spwm控制信号输出端与第一dc-dc升压变换电路的控制端连接以输入正半波spwm控制信号至第一dc-dc升压变换电路，则第一dc-dc升压变换电路可实现正弦波正半波输出，mcu控制电路的负半波spwm控制信号输出端与第二dc-dc升压变换电路的控制端连接以输入负半波spwm控制信号至第二dc-dc升压变换电路，则第二dc-dc升压变换电路可实现正弦波负半波输出，再结合第一二极管和第二二极管的单向导通极性实现第一dc-dc升压变换电路和第二dc-dc升压变换电路的分时工作，以实现完整的正弦全波交流信号输出，不仅电路的功耗低，去掉了常规的全桥变换电路，可大幅度缩小电源模块尺寸，降低电源待机功耗，显著降低成本；而且通过mcu控制电路输出spwm控制信号去调制dc-dc升压变换电路，pwm信号的频率可以提高到mhz，系统运行的鲁棒性更强，可以实现极微小尺寸的交流电源模块。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是spwm的原理示意图；

图2是车载正弦波逆变器成熟商用设计方案示意图；

图3是本发明中一种交流电源电路的部分结构框图；

图4是本发明中一种交流电源电路的结构示意图；

图5是本发明中一种交流电源电路的直流电源电路的一具体实施例电路图；

图6是本发明中一种交流电源电路的mcu控制电路的一具体实施例电路图；

图7是本发明中一种交流电源电路的第一dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图；

图8是本发明中一种交流电源电路的第二dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种交流电源电路，参考图3和图4，图3是本发明中一种交流电源电路的部分结构框图，图4是本发明中一种交流电源电路的结构示意图，包括直流电源电路、mcu控制电路、第一dc-dc升压变换电路、第二dc-dc升压变换电路、第一二极管d5和第二二极管d6；直流电源电路的输出端分别与mcu控制电路的输入端、第一dc-dc升压变换电路的输入端、第二dc-dc升压变换电路的输入端连接，直流电源电路为它们提供工作电压；mcu控制电路包括正半波spwm控制信号输出端spwm1和负半波spwm控制信号输出端spwm2，mcu控制电路的正半波spwm控制信号输出端spwm1与第一dc-dc升压变换电路的控制端连接；mcu控制电路的负半波spwm控制信号输出端spwm2与第二dc-dc升压变换电路的控制端连接；第一dc-dc升压变换电路的输出端与第一二极管d5并联连接；第二dc-dc升压变换电路的输出端与第二二极管d6并联连接；第一二极管d5的正极、第二二极管d6的正极作为交流电源电路的输出端；第一二极管d5的负极与第二二极管d6的负极连接，第一二极管d5的负极、第二二极管d6的负极接地。

一种交流电源电路的控制方法，参考图3和图4，图3是本发明中一种交流电源电路的部分结构框图，图4是本发明中一种交流电源电路的结构示意图，包括以下步骤：

mcu控制电路输出正半波spwm控制信号至第一dc-dc升压变换电路以控制其生成正弦波波形的正半波；

mcu控制电路输出负半波spwm控制信号至第二dc-dc升压变换电路以控制其生成正弦波波形的负半波；

利用第一二极管和第二二极管的单向导通特性实现第一dc-dc升压变换电路和第二dc-dc升压变换电路的分时工作以使交流电源电路输出正弦全波交流信号；当第一dc-dc升压变换电路输出正弦波波形的正半波时，v+端通过第一二极管和地形成电流回路；由于第二二极管的导向导通特性，电流无法通过第二二极管，此时，交流电源电路通过v+端和地输出正弦波的正半波；当第二dc-dc升压变换电路输出正弦波波形的负半波时，v-端通过第二二极管和地形成电流回路；由于第一二极管的导向导通特性，电流无法通过第二二极管，此时，交流电源电路通过v-端和地输出正弦波的负半波；由此，交流电源电路可以输出完整的正弦波波形。

本发明中一种交流电源电路及其控制方法，交流电源电路包括直流电源电路、mcu控制电路、第一dc-dc升压变换电路、第二dc-dc升压变换电路、第一二极管和第二二极管，mcu控制电路的正半波spwm控制信号输出端与第一dc-dc升压变换电路的控制端连接以输入正半波spwm控制信号至第一dc-dc升压变换电路，则第一dc-dc升压变换电路可实现正弦波正半波输出，mcu控制电路的负半波spwm控制信号输出端与第二dc-dc升压变换电路的控制端连接以输入负半波spwm控制信号至第二dc-dc升压变换电路，则第二dc-dc升压变换电路可实现正弦波负半波输出，再结合第一二极管和第二二极管的单向导通极性实现第一dc-dc升压变换电路和第二dc-dc升压变换电路的分时工作，以实现完整的无直流成分的纯正弦波波形输出，不仅电路的功耗低，去掉了常规的全桥变换电路，可大幅度缩小电源模块尺寸，降低电源待机功耗，显著降低成本；而且通过mcu控制电路输出spwm控制信号去调制dc-dc升压变换电路，pwm信号的频率可以提高到mhz，系统运行的鲁棒性更强，可以实现极微小尺寸的交流电源模块。

作为技术方案的进一步改进，参考图5，图5是本发明中一种交流电源电路的直流电源电路的一具体实施例电路图，直流电源电路包括直流电源和电源转换电路，电源转换电路用于将电源电压转换成其他电压，本实施例中，直流电源采用5v的直流电源，电源转换电路包括电源转换芯片u4及其外围电路，电源转换芯片u4采用me6206a33m3型号的，将5v直流电转换成3.3v直流电，为mcu控制电路、第一dc-dc升压变换电路和第二dc-dc升压变换电路供电。参考图4和图6，图4是本发明中一种交流电源电路的结构示意图，图6是本发明中一种交流电源电路的mcu控制电路的一具体实施例电路图，mcu控制电路包括stm8s003f3型号的单片机u3及其外围电路；mcu控制电路包括正半波spwm控制信号输出端spwm1和负半波spwm控制信号输出端spwm2，用于输出正半波spwm控制信号和负半波spwm控制信号，本发明中，正半波spwm控制信号和负半波spwm控制信号的pwm主频采用的都是100khz；正弦波频率采用50hz，如图4所示，正半波spwm控制信号(spwm1输出)和负半波spwm控制信号(spwm2输出)的脉宽保持一致，正半波spwm控制信号和负半波spwm控制信号保持参数的绝对值一致，而且负半波spwm控制信号比正半波spwm控制信号延时10ms(50hz的半周期)。

作为技术方案的进一步改进，参考图5和图7，图5是本发明中一种交流电源电路的直流电源电路的一具体实施例电路图，图7是本发明中一种交流电源电路的第一dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图，第一dc-dc升压变换电路包括第一dc-dc升压变换芯片u1、第一升压变压器t1、第一电压调节电阻r1和第二电压调节电阻r2，本实施例中，第一dc-dc升压变换芯片u1采用eta1617型号的dc-dc升压变换芯片，第一升压变压器t1为自抽头变压器，本实施例选择了钰泰科技(上海)有限公司研发的eta1617芯片；eta1617芯片是一款40v异步升压芯片，可驱动单串10颗led，主要用于智能手机和7-10寸平板电脑的tft屏背光led驱动。eta1617芯片采用了内部补偿构架，输出ovp保护则采用了内部控制，与其他厂商类似芯片比较省去了一个引脚。eta1617芯片在3.6v输入时驱动6颗led，效率可达91％，同时，其en脚可直接实现pwm调光，无需外围电路。eta1617芯片采用sot23-6封装，800khz开关频率，200mv反馈电压，恒流精度3％；eta1617芯片用于实现直流升压；直流电源电路的输出端分别与第一dc-dc升压变换芯片u1的电源端vin、第一升压变压器t1的第一输入端1连接；第一dc-dc升压变换芯片u1的控制端即使能端en为第一dc-dc升压变换电路的控制端，mcu控制电路的正半波spwm控制信号输出端spwm1与第一dc-dc升压变换芯片u1的控制端连接；第一dc-dc升压变换芯片u1的第一输出端sw与第一升压变压器t1的第二输入端2连接，第一升压变压器t1的第一输出端3与第二电压调节电阻r2的一端连接，第一升压变压器t1的第二输入端2与第二输出端4连接；第二电压调节电阻r2的一端作为第一dc-dc升压变换电路的输出端输出正弦波正半波(从图7中的v_pos输出)；第二电压调节电阻r2的另一端与第一电压调节电阻r1的一端连接；第一电压调节电阻r1的另一端与第一dc-dc升压变换芯片u1的第二输出端fb连接；第一电压调节电阻r1的另一端接地。mcu控制电路生成正半波spwm控制信号后，输入第一dc-dc升压变换芯片u1的en脚，调制其输出正弦波的正半波。本发明中，eta1617芯片是从5v升压到86v，输出电压计算方法：vfb*(r2+r1)/r1＝0.2v*431＝86.2v。eta1617芯片支持最大40v的输出，超过40v会实施过压保护，eta1617芯片不工作，停止输出。本设计例，自抽头变压器用于实现高压输出；以第一升压变压器t1为例，初级1和2是10uh的电感量，次级3和4是47uh电感量，相当于输出电压放大了4.7倍。通过改变初级和次级的线圈匝数比，可以实现输出最大电压放大能力,通过利用自抽头变压器，无需增加外围器件，可以通过低成本把dc-dc升压变换芯片的输出电压大幅度提升，实现安全高压输出。

进一步地，参考图7，图7是本发明中一种交流电源电路的第一dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图，第一dc-dc升压变换电路还包括第一稳压二极管d1和第二稳压二极管d3；第一稳压二极管d1的阳极与第一升压变压器t1的第一输出端3连接；第一稳压二极管d1的阴极与第二电压调节电阻r2的一端连接；第二稳压二极管d3的阴极与第一稳压二极管d1的阳极连接；第二稳压二极管d3的阳极接地。利用第一稳压二极管d1和第二稳压二极管d3实现第一dc-dc升压变换电路电压的稳定输出。

作为技术方案的进一步改进，参考图5和图8，图5是本发明中一种交流电源电路的直流电源电路的一具体实施例电路图，图8是本发明中一种交流电源电路的第二dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图，第二dc-dc升压变换电路包括第二dc-dc升压变换芯片u2、第二升压变压器t2、第三电压调节电阻r4和第四电压调节电阻r5，本实施例中，第二dc-dc升压变换芯片u2和第一dc-dc升压变换电路一样采用eta1617型号的dc-dc升压变换芯片用于实现直流升压，第二升压变压器t2和第一升压变压器一样为自抽头变压器用于实现高压输出，第二dc-dc升压变换电路的工作原理和第一dc-dc升压变换电路相同；本实施例选择了钰泰科技(上海)有限公司研发的eta1617芯片；直流电源电路的输出端分别与第二dc-dc升压变换芯片u2的电源端vin、第二升压变压器t2的第一输入端1连接；第二dc-dc升压变换芯片u2的控制端即使能端en为第二dc-dc升压变换电路的控制端，mcu控制电路的负半波spwm控制信号输出端spwm2与第二dc-dc升压变换芯片u2的控制端en连接；第二dc-dc升压变换芯片u2的第一输出端sw与第二升压变压器t2的第二输入端2连接，第二升压变压器t2的第一输出端3与第四电压调节电阻r5的一端连接，第二升压变压器t2的第二输入端2与第二输出端4连接；第四电压调节电阻r5的一端作为第二dc-dc升压变换电路的输出端输出正弦波负半波(从图8中的v_neg输出)；第四电压调节电阻r5的另一端与第三电压调节电阻r4的一端连接；第三电压调节电阻r4的另一端与第二dc-dc升压变换芯片u2的第二输出端fb连接；第三电压调节电阻r4的另一端接地。mcu控制电路生成负半波spwm控制信号后，输入第二dc-dc升压变换芯片u2的en脚，调制其输出正弦波的负半波。

进一步地，参考图8，图8是本发明中一种交流电源电路的第二dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图，第二dc-dc升压变换电路还包括第三稳压二极管d2和第四稳压二极管d4；第三稳压二极管d2的阴极与第二升压变压器t2的第一输出端3连接；第三稳压二极管d2的阳极与第四电压调节电阻r5的一端连接；第四稳压二极管d4的阳极与第三稳压二极管d2的阴极连接；第四稳压二极管d4的阴极接地。利用第三稳压二极管d2和第四稳压二极管d4实现第二dc-dc升压变换电路电压的稳定输出。

作为技术方案的进一步改进，参考图7和图8，图7是本发明中一种交流电源电路的第一dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图，图8是本发明中一种交流电源电路的第二dc-dc升压变换电路的一具体实施例电路图，第一dc-dc升压变换电路还包括第一电容c2，第二dc-dc升压变换电路还包括第二电容c9，第一电容c2的一端与第二电压调节电阻r2的一端连接，第一电容c2的另一端接地；第二电容c9的一端与第四电压调节电阻r5的一端连接，第二电容c9的另一端接地；第一电容c2和第二电容c9用作第一dc-dc升压变换电路和第二dc-dc升压变换电路的输出滤波。

本发明通过mcu控制电路输出双路spwm信号调制第一dc-dc升压变换电路和第二dc-dc升压变换电路，使第一dc-dc升压变换电路输出正弦波正半波，第二dc-dc升压变换电路输出正弦波负半波，然后，2个dc-dc升压变换电路合成输出无直流成分的纯正弦波波形。这样的原理性创新，重点利用了新型dc-dc升压变换芯片的可调制性，可以大幅度简化正弦波电源设计，降低成本，缩小体积，提高效率；再者，在2个dc-dc升压变换电路里面，可以采用自抽头变压器，实现高于dc-dc升压变换芯片的耐压规格10倍以上高压输出，无需增加外围器件，低成本实现高压正弦波；另外，利用了适用于便携电子产品的低压dc-dc升压变换芯片，静态功耗指标大幅领先于传统的dc-dc高压升压方案，而且去除了全桥变换电路的功耗，可以实现超低的静态功耗。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。