开关变换器开关节点取电电路的制作方法

本实用新型涉及一种开关变换器开关节点取电电路，特别涉及一种通过开关变换器开关节点进行取电并为开关变换器提供辅助电源的电路。

背景技术：

开关变换器是现代电能变换技术的核心组成部分，也是各类开关电源、变频器、UPS、光伏发电、风能发电、LED照明等系统的基本组成单元，广泛应用于电力、通信、家电、铁路交通、汽车电子、工业控制、仪器仪表、航空、航天、航海等领域。

开关变换器与一定的控制技术相结合方能构成一个完整的系统。目前，控制技术取得了长足的进步，控制芯片(以下简称控制器)种类非常丰富，而且随着半导体技术的发展，数字控制技术已然成为一种新的发展潮流。对于开关变换器构成的系统来说，控制器的供电显得极为重要，一个稳定可靠的控制器供电系统(以下简称辅助电源)将直接决定整个系统的可靠性。通常针对不同的开关变换器和控制器，工程师都需要精心设计辅助电源，这无疑增加了系统的复杂程度和成本。常见的做法都是在开关变换器的主功率变压器上耦合一个绕组来产生控制器所需电压，对于功率大的系统常常是单独设计一个小型的开关电源系统作为辅助电源。比如反激变换器，辅助电源通常是采用在变压器上增加额外的一个绕组与整流电路的方法，来产生控制器所需电压，这就导致系统设计更加复杂，成本也会相应地增加。

中国专利(专利申请号201711180756.9)提出一种反激变换器的辅助电源(如图1所示)，通过在开关管的漏极与原边参考地之间(此处即为反激变换器开关节点。开关变换器的开关节点是指开关变换器开关管与储能元件之间的连接点，开关节点处会存在一个脉动直流电压，以下称为开关节点，记为SW。)取电为反激变换器的控制器供电，其有益效果为：1、通过开关节点为控制器供电，减少一个变压器绕组；2、使用线性稳压电路实现稳定电压输出，为控制器提供稳定电压；3、对漏感尖峰有一定的吸收作用。但是此专利所述电路的应用范围很窄，仅适用于低输入电压的的反激变换器，如电源行业内4.5VDC～9VDC输入电压范围内的产品，对于更高输入电压的反激变换器来说，其取电效率将大大降低。

以下，通过一个实例来说明上述电路存在的问题。

某反激开关电源，输入Vin(4.5VDC～9VDC)、输出Vo(12VDC)、输出功率Po(10W)，变压器原副边匝数比n(6：12)。反激变换器开关节点的平台电压满足：

VSW＝Vin+nVo(10.5V≤Vds≤15V)

通过图1电路，在开关节点处取电，获得的电压即为Vsw，经过一个线性稳压电路，可以得到一个10V左右相对稳定的电压为控制器供电，因为线性稳压电路的输入电压与输出电压之间的差值不大，所以最终的取电效率相对还是可以接受的。但是当反激开关电源的输入电压较高，Vsw会很高，此时通过线性稳压电路来获得一个较低的控制器所需的供电电压，取电效率将会非常低下，比如48V的电源系统，输入电压最高可达75V，此时Vsw在100V 左右，通过线性稳压电路取电，获得一个10V的电压，取电效率仅为10％，这是不可接受的，其取电效率比直接从输入电压Vin上通过线性稳压电路取电的效率还要低。

已经意识到，希望提供一种可以适用于更高输入电压、更加高效的开关变换器开关节点取电电路。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够适用于更高输入电压的高效开关变换器开关节点取电电路。将开关变换器开关节点处的脉动直流电压，经过电容分压电路分压后，作为开关变换器的辅助电源，降低开关变换器辅助电源的设计难度和制造成本。

本实用新型解决上述技术问题是通过以下技术方案实现的：

开关变换器开关节点取电电路，其特征在于：包含输入电压正端口、输入电压负端口、输出电压正端口、输出电压负端口、公共地端口、单向开关模块、电容分压模块和泄放电路模块；输入电压负端口与输出电压负端口相连，作为公共地端口；输入电压正端口接于开关变换器开关节点SW处，并通过单向开关模块与电容分压模块的输入端相连；电容分压模块的另一端接至公共地端口，电容分压模块的输出端与泄放电路模块的一端相连，作为输出电压正端口；泄放电路模块的另一端与单向开关模块和电容分压模块的连接点相连。

优选地，单向开关模块由二极管D1构成；二极管D1的阳极引出，接于开关变换器开关节点SW处，作为取电电路的输入电压正端口；二极管D1的阴极与电容分压模块的输入端相连。

优选地，电容分压模块由上分压电容C1和下分压电容C2构成；上分压电容C1的一端连接单向开关模块的输出端，上分压电容C1的另一端与下分压电容C2相连，下分压电容C2的另一端接至公共地端口，上分压电容C1和下分压电容C2的连接处引出作为取电电路的输出电压正端口。

优选地，泄放电路是一个有源网络或者无源网络。

优选地，泄放电路模块由电阻R1构成；电阻R1的一端与电容分压模块的输入端连接，电阻R1的另一端与输出电压正端口相连。

作为上述方案的改进，泄放电路模块由稳压管Z1和电阻R1构成；稳压管Z1的阳极与电容分压模块的输出端连接，作为取电电路的输出电压正端口，稳压管Z1的阴极与电阻R1 的一端相连，电阻R1的另一端与电容分压模块的输入端连接。

优选地，电阻R1与稳压管Z1的位置互换，即：电阻R1的一端与电容分压模块的输出端连接，作为取电电路的输出电压正端口，电阻R1的另一端与稳压管Z1的阳极相连，稳压管Z1的阴极与电容分压模块的输入端相连。

作为上述方案的改进，泄放电路由三极管Q1、电阻R1和电阻R2构成，三极管Q1的集电极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电容分压模块的输出端连接，作为取电电路的输出电压正端口，三极管Q1的发射极与电容分压模块的输入端相连，三极管Q1的基极通过电阻R2接至开关变换器开关节点SW处。

优选地，三极管Q1为PNP型三极管。

本实用新型开关变换器开关节点取电的方法和电路的有益效果为：

(1)提供一种开关变换器开关节点取电电路，降低开关变换器辅助电源的设计难度和制造成本；

(2)解决现有方案在开关节点电压较高时，取电效率低下的问题，给出一种高效率并适用于更高输入电压的开关电源的辅助电源解决方案。

(3)电路结构简单，适用于所有开关变换器需要辅助电源供电的场合。

附图说明

图1为现有反激变换器的辅助供电电路应用电路原理图；

图2为本实用新型开关变换器开关节点取电电路的电路框图；

图3为本实用新型开关变换器开关节点取电电路第一实施例的电路原理图；

图4为本实用新型第一实施例应用于反激开关电源的电路原理图；

图5为本实用新型第一实施例应用于反激开关电源的关键节点波形图；

图6为本实用新型开关变换器开关节点取电电路第二实施例的电路原理图；

图7为本实用新型开关变换器开关节点取电电路第三实施例的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的发明构思是将开关变换器开关节点的脉动直流电压，经过电容分压模块分压后，作为开关变换器的辅助电源，同时在电容分压模块前增加单向开关模块，使得添加的电容分压模块不会对开关管的开通过程产生较大影响。

以下结合附图及实施例，对本实用新型进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图2为本实用新型开关变换器开关节点取电电路的电路框图，本实用新型所述取电电路 201的输入电压正端口接于开关变换器开关节点SW处，输出电压正端口作为取电电路201 的输出端向外输出电压，取电电路201的输入电压负端口、输出电压负端口接于公共地端口。

具体地，取电电路201包括二极管D1、下分压电容C2、上分压电容C1以及跨接在上分压电容C1两端的泄放电路。二极管D1的阳极接于开关变换器开关节点SW处，二极管D1 的阴极与上分压电容C1的一端、泄放电路的一端相连，上分压电容C1的另一端、下分压电容C2的一端与泄放电路的另一端相连，并引出作为取电电路201的输出电压正端口，下分压电容C2的另一端接于公共地端口。

开关变换器的种类较多，此处不便于一一进行说明，为了便于对电路原理进行阐释，仅针对反激变换器，列举具体实施例进行说明，相关工程技术人员据此可得出本实用新型应用于开关变换器的设计要领。

第一实施例

图3为本实用新型开关变换器开关节点取电电路第一实施例的电路原理图，包括二极管 D1、下分压电容C2、上分压电容C1和泄放电阻R1。

本实用新型开关变换器开关节点取电电路的第一实施例的连接关系如下：

二极管D1的阳极接于开关变换器开关节点SW处，作为取电电路301的输入电压正端口；二极管D1的阴极与上分压电容C1的一端、泄放电阻R1的一端相连，上分压电容C1 的另一端、泄放电阻R1的另一端与下分压电容的C2的一端相连，并作为取电电路301的输出电压正端口；下分压电容C2的另一端、取电电路301的输入电压负端口和输出电压负端口相连，作为公共地端口。

其中，开关变换器开关节点SW是指开关变换器开关管与储能元件之间的连接点，开关节点处存在一个脉动直流电压，此脉动直流电压呈周期性，一个周期内的一段时间内呈高压状态(以下简称高电平)，其余时间内呈低压状态(以下简称高电平)。

本实施例的工作原理：

在脉动直流电压的一个周期内，开关变换器开关节点SW为高电平时，二极管D1导通，上分压电容C1、下分压电容C2充电，开关变换器开关节点SW低电平时，二极管D1不导通，下分压电容C2用来向外供电，电阻R1用来给电容C1放电。一个周期内，上分压电容 C1的两端的电压平均值实际很小，泄放电阻R1损失的电能相对较少，使取电电路301具备较高的效率。

其中，上分压电容C1和下分压电容C2可以为多个电容串联组成。

图4为本实用新型第一实施例应用于反激开关电源的电路原理图。如图所示，取电电路 401的输入电压正端口接于反激开关电源的开关节点SW处(开关管TR1的漏极与变压器T 相连的节点)，取电电路401的输入电压负端口与开关管TR1的源极相连，接至公共地端口。电感Lr、电感Lm与理想变压器T构成变压器的等效模型，电感Lr等效为变压器T的漏感，电感Lm等效为原边励磁电感，变压器T为理想变压器。

反激开关电源一般需要考虑两个过程：一、反激开关电源刚上电瞬间，控制器的电源建立，至反激开关开关电源输出电压建立，称其为启动过程；二、控制器电源建立后，开始有开关控制信号产生，反激开关电源输出建立，称其为正常工作过程。

本实用新型第一实施例应用于反激开关电源的工作过程与原理如下：

启动过程：电源接通后，输入电源正极通过Vin，经过电感Lr和电感Lm加到取电电路401的输入电压正端口，电感Lr、电感Lm、上分压电容C1和下分压电容C2发生串联谐振，上分压电容C1和下分压电容C2被充电，直至下分压电容C2的电压达到控制器的启动阈值，即取电电路401产生的输出电压达到控制器的启动阈值，控制器开始工作，输出开关控制信号，控制开关管TR开通或关断，至反激开关开关电源输出电压建立，启动过程结束。

稳定工作过程：控制器输出开关控制信号，控制开关管TR开通或关断，同时根据输出端的反馈量调整开关管TR的导通时间，达到维持输出电压稳定的目的。此时，反激开关电源的开关节点SW处将产生一个脉动直流电压，取电电路401在开关节点SW的脉动直流电压为高电平时，二极管D1导通，给上分压电容C1和下分压C2进行充电，直至开关节点SW 的脉动直流电压变为低电平的时刻，此时上分压电容C1和下分压电容C2将按照一定比例分配电压(分压比与电容的容值有关)；取电电路401在开关节点SW的脉动直流电压为低电平时，二极管D1关断，取电电路401的向外输出能量由下分压电容C2提供，负载(控制器) 会消耗下分压电容C2中的能量，与此同时，泄放电阻R1会释放上分压电容C1中的能量；之后，电路开始下一个周期，重新开始给电容C1和C2充电和放电。

图5为本实用新型第一实施例应用于反激开关电源的关键节点波形图，从波形图中可以更加直观的看到上分压电容C1和下分压电容C2的充放电过程。

应当指出，实际应用中，上分压电容C1的取值在满足取电电路401输出电压要求的情况下应选取尽可能小的容值，这样上分压电容C1的电压波形将类似一个“三角波”，可以使得上分压电容C1在一个周期内的电压平均值更小，从而使取电电路具备更高的效率。

第二实施例

图6为本实用新型第二实施例的电路图，与第一实施例图3相比，不同之处在于：取电电路601对泄放电路改进，其他与第一实施例相同，不再累述。其中泄放电路包括泄放电阻 R1和稳压管Z1。

本实用新型开关变换器开关节点取电电路的第二实施例的连接关系如下：

二极管D1的阳极接于开关变换器开关节点SW处，作为取电电路601的输入电压正端口；二极管D1的阴极与上分压电容C1的一端、电阻R1的一端相连，R1的另一端与稳压管 Z1的阴极相连，稳压管Z1的阳极、上分压电容C1的另一端与下分压电容的C2的一端相连，并作为取电电路601的输出电压正端口；下分压电容C2的另一端、输入电压负端口和输出电压负端口相连，作为取电电路601的公共地端口。

其中，通过合理选取稳压管Z1的稳压值Uz，实现对单向开关模块开通电压的控制，从而实现对单向开关模块的配置。

需要说明的是，电阻R1与稳压管Z1的位置可以互换，即：电阻R1的一端与上分压电容C1和下分压电容C2相连的节点连接，作为取电电路的输出电压正端口，电阻R1的另一端与稳压管Z1的阳极相连，稳压管Z1的阴极与上分压电容C1的另一端相连。

第三实施例

图7为本实用新型第三实施例的电路原理图，与第一实施例图3相比，不同之处在于：使用一个受控的有源网络作为泄放电路模块，其他电路部分并无差别，不再累述。其中泄放电路包括电阻R1、三极管Q1和电阻R2。

本实用新型开关变换器开关节点取电电路的第三实施例的连接关系如下：

二极管D1的阳极接于开关变换器开关节点SW处，作为取电电路701的输入电压正端口；二极管D1的阴极与上分压电容C1的一端、三极管Q1的发射极相连，三极管Q1的集电极通过电阻R1与上分压电容C1的另一端、下分压电容的C2的一端相连，并作为取电电路701的输出电压正端口；下分压电容C2的另一端与输入电压负端口和输出电压负端口相连，作为取电电路701的公共地端口；三极管Q1的基极通过电阻R1接至开关变换器开关节点SW处，开关变换器开关节点SW为泄放电路提供控制信号。

其中，三极管Q1是PNP型三极管。

本实施例的好处为：在开关变换器开关节点SW的脉动直流电压为高电平时，三极管Q1 不导通，上分压电容C1和下分压电容C2进行充电，电流此时不流过泄放电路，泄放电路不工作；在开关变换器开关节点SW的脉动直流电压为低电平时，泄放电路开始工作，三极管 Q1导通，通过R1给上分压电容C1放电，同样可以实现泄放电路第一种具体实施方式的效果，但是取电电路701具有更高的效率。

以上实施例仅是针对反激变换器，列举的优选的实施方式，不应视为对本实用新型的限制。本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于相关工程技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本实用新型的保护范围。由于开关变换器的种类较多，此处不便一一列举说明，相关工程技术人员据此可得出本实用新型应用于开关变换器的设计要领并应用其他开关变换器，这些应用也应视为本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。