一种新型开关电源的制作方法

1.本发明创造涉及开关电源，具体地指一种新型开关电源及其实现方法。


背景技术：

2.随着开关电源技术的发展，开关电源广泛用于各种电器和电子设备，为减小开关电源输出电压纹波，通常是加大用于滤波的电解电容，特别是加大开关电源输入整流桥后滤波的电解电容，减小输入整流桥输出电压波动，实现开关电源输出电压低纹波的目的，加大滤波的电解电容，无形中会增大开关电源的体积和成本，降低开关电源的可靠性。
3.基于冲量控制技术的单周控制技术或积分复位控制技术理论上可以用于开关电源的控制，但是由于目前市场上没有用于开关电源控制的单周控制芯片或积分复位控制芯片，单周控制技术或积分复位控制技术并没有广泛用于开关电源，仅局限于仿真和理论研究，或者用于功率因数校正。本发明人也曾经研究过单周控制技术或积分复位控制技术在开关电源中的应用，但是由于没有单周控制或积分复位控制的专用控制芯片，实验效果并不理想。
4.针对用户提出的低成本低纹波小体积的开关电源的要求，用户也花费较大代价，组织人力研发，经历较长时间，但一直不能满足技术和经济两方面的要求。本发明人综合考虑各种开关电源的控制方法，认为基于冲量控制技术的单周控制技术或积分复位控制技术在要求低成本低纹波小体积的开关电源应用中有明显优势，可以自动适应整流输出电压波动，显著减小滤波电容容量和体积，降低开关电源成本，但因缺少专用控制芯片，单周控制技术或积分复位控制技术鲜有应用于开关电源产品，没有相关技术可供借鉴。本发明人也根据单周控制或积分复位控制原理搭建实验电路，但由于电路误差和延时太大，开关电源输出电压的低频纹波还是较大，不能满足所需开关电源低纹波低成本的指标要求。
5.为满足用户提出的非隔离低纹波低成本小体积开关电源的要求，本发明人拟采用buck电路拓扑，并对开关电源控制技术和控制芯片进行深入研究，发现没有专用的单周控制芯片可供选用，也难以直接应用现有控制芯片直接达成目的，但发现精密定时器555有两个比较器、一个rs触发器、一个复位开关和一个反相器，而双路精密定时器556包含有两片精密定时器555，对其进行适当改造，完全可以用作本发明创造的开关电源核心控制芯片。


技术实现要素：

6.本发明创造的目的在于克服现有技术不足而提供一种新型开关电源，该开关电源成本低，体积小，纹波低，可靠性高。
7.实现本发明创造目的采用的技术方案是，基于buck电路拓扑，对双路精密定时器556进行适当改造，用作开关电源的核心控制芯片，在此基础上，提出一种新型开关电源及其实现方法。本发明创造的基本原理如下：精密定时器555 有两个比较器、一个rs触发器、一个复位开关和一个反相器，而双路精密定时器556包含有两片精密定时器555，其中第一片555外接电阻和电容，可以产生高频脉冲，第二片555还有两个比较器、一个rs触发器、一
个复位开关和一个反相器，稍加改造，加上适当的外围电路，包括下拉电阻、充电电阻、积分电容，可以对采用buck电路拓扑的开关电源整流桥输出电压v
c
或续流二极管电压v
d
进行积分、比较、复位，产生pwm信号，自动适应整流桥输出电压v
c
的波动。其中，下拉电阻接于第二片555的cont管脚和信号地之间，调整下拉电阻可以调节cont管脚的电压，即基准电压v
ref
；第一片555输出的高频脉冲送到第二片555的trig管脚，经第一比较器与二分之一基准电压v
ref
比较，产生置位脉冲，送到rs触发器的s端，使得rs触发器的置“0”(低电平)，一方面使复位开关关断，另一方面经反相器输出“1”(高电平)，控制半导体开关导通；同时，v
c
或v
d
开始经充电电阻对积分电容充电，积分电容电压v
int
逐渐增大，在第二比较器与基准电压v
ref
比较，当积分电容电压v
int
大于基准电压 v
ref
时，第二比较器输出高电平送到rs触发器的r端，使得rs触发器的置“1”(高电平)，一方面使得复位开关导通，对积分电容放电，另一方面经反相器输出“0”(低电平)，控制半导体开关关断。理论上讲，开关电源的输出电压v0与基准电压v
ref
成正比例，调整基准电压v
ref
就可以调节开关电源的输出电压 v0，可以消除开关电源输出电压的低频纹波，剩下的高频纹波很小，但是由于驱动电路有延时和用作半导体开关的功率mos管有管压降，造成开关电源输出电压还是有一定的低频纹波。
8.作为改进，再加一级pi调节器，经电阻分压器对输出电压v0取样、调理后得到反馈电压v
f
送入pi调节器，与给定电压v
gd
相减，对其误差放大后，经单向二极管送到上述第二片555的cont管脚，作为新的基准电压v
ref
。当输出电压v0减小，反馈电压v
f
减小，新的基准电压v
ref
增大，导致输出电压v0增大，实现负反馈，实现输出电压v0稳压的目的，进一步降低开关电源输出电压的低频纹波，另外，可以通过调节给定电压v
gd
来调整输出电压v0的大小；下拉电阻确定的基准电压要比pi调节器输出确定的基准电压稍大；当pi调节器输出大于下拉电阻确定的基准电压时，单向二极管截止；下拉电阻确定的基准电压v
ref
可以确定开关电源输出电压v0的最大输出，而pi调节器输出确定的基准电压v
ref
可以确定开关电源的额定输出电压。
9.作为改进，增加输入电压过压保护电路、输入电压欠压保护电路、输出电压过压保护电路、电流过流保护电路等，进一步提高开关电源的可靠性。
10.作为改进，可以与电解电容并联cbb薄膜电容改善电容高频性能。
11.作为改进，可以用单片机或dsp替换双路精密定时器556，便于智能控制，同时可以在程序中做一些修正，适当延时半导体开关功率mos管的导通时间，补偿驱动电路延时造成的影响。
12.作为改进，可以把本发明创造的开关电源除功率电路和辅助电源之外的各部分电路组合集成成模块，可以简化开关电源结构，减小开关电源体积。
13.本发明创造的显著特点就是可以显著减小功率电路中用于滤波的电解电容的容量，作为改进，极端情况，去掉本发明创造的开关电源整流桥后滤波用的电解电容和输出滤波用的电解电容，仅保留小容量的cbb薄膜电容，构成无电解电容开关电源，可以广泛用于led照明、半导体制冷、半导体制热等用电领域。
14.本发明创造具有显著的创新性，主要表现在：
15.(1)与单周控制原理显著不同，结构更简单。
16.从众多的参考文献介绍的单周控制原理看，单周控制原理组成主要包括：脉冲发生器、带复位开关的可复位积分器、比较器、rs触发器等，脉冲发生器产生高频脉冲送到rs
触发器的s端，使得rs触发器的q端置“1”(高电平)，端置“0”(低电平)，q信号去控制半导体开关导通，信号去关断可复位积分器的复位开关，积分电容充电；当可复位积分器输入为正，则输出为负，需要反相放大，得到正的积分电压信号在比较器与基准电压比较，当正的积分电压信号大于基准电压，比较器输出高电平，送到rs触发器的r端，使得rs触发器的q端置“0”，端置“1”，q信号去控制半导体开关关断，信号去控制复位开关导通，对积分电容放电，等待下一个触发脉冲到来。由于可复位积分器输入信号为正时输出负的积分电压信号，需要正负电源供电，并对负的积分电压信号进行反相放大。
17.本发明创造的原理主要包括脉冲发生器、第一比较器、第二比较器、触发器、反相器、复位开关、充电电阻、积分电容等，脉冲发生器输出高频脉冲，经第一比较器输出高频脉冲，送到rs触发器的s端，使得rs触发器的置“0”，信号一方面经反相器反相后输出“1”去控制半导体开关导通，另一方面控制复位开关关断；同时输入电压v
c
或续流二极管电压v
d
经充电电阻对积分电容充电，积分电容的积分电压v
int
为正，在第二比较器与基准电压v
ref
比较，当积分电压v
int
大于基准电压v
ref
，第二比较器输出“1”送到rs触发器的r端，使得rs触发器的端置“1”，信号一方面经反相器反相后输出“0”去控制半导体开关关断，另一方面控制复位开关导通，对积分电容放电，等待下一个触发脉冲到来；本发明创造不需要负电源供电，不需要可复位积分器，没有出现负的积分电压信号，仅对双路精密定时器556进行改造，第一电容电压v
c
或续流二极管电压v
d
经充电电阻给积分电容充电得到正的积分电压。
18.本发明创造的开关电源的输出电压理论上仅由基准电压v
ref
、充电电阻、积分电容决定，与输入电压、负载无关，可以消除开关电源的低频纹波，又由于开关频率较高，电流纹波率适中，开关电源的高频纹波也很小，从而实现开关电源输出电压低纹波的目标。实际上，由于驱动电路有延时，功率mos管有管压降等原因，开关电源输出电压还是存在一定的低频纹波，可以加一级pi调节器来解决。如果采用单片机或dsp控制，可以在程序中做修正，适当延时功率mos管导通时间，补偿驱动电路延时造成的影响。
19.(2)创新了双路精密定时器556的用法。
20.精密定时器555和双路精密定时器556一般用于定时器、单稳、多谐振荡器等，其内部内置有三个分压电阻，把电源电压v
cc
分成v
cc
/3、2v
cc
/3分别送到第一比较器的同相输入端、第二比较器的反相输入端，当输入电压v
cc
＝15v，则v
cc
/3＝5v，2v
cc
/3＝10v，cont管脚的电压等于10v，是固定的。
21.本发明创造把556的第一片555用于多谐振荡器产生高频脉冲，在第二片 555的cont管脚与信号地之间接有一下拉电阻，调节下拉电阻，可以调节第二片555的cont管脚的电压，用作开环控制的基准电压v
ref
，或者把pi调节器输出电压经单向二极管送到第二片555的cont管脚，用作闭环控制的基准电压 v
ref
；把第二片555的thres管脚和disch管脚连在一起，接一个积分电容到信号地，接一个充电电阻到第一电容电压v
c
或续流二极管电压v
d
，充分利用第二片555内置的第一比较器、第二比较器、rs触发器、复位开关、反相器，完成了对v
c
或v
d
的积分、复位，产生pwm信号，把一个普通的双路精密定时器556稍加改造用作本发明创造的开关电源的核心控制芯片。
22.(3)显著降低开关电源成本、体积和纹波。
23.本发明创造可以自动适应开关电源整流桥输出电压v
c
的波动，v
c
的最小值只需稍
大于开关电源的输出电压v0，当v0＝80v，v
c
最小值约等于100v即可，当电源交流输入电压最小值200v，v
c
的最大值等于280v，v
c
的波动达180v，可以显著减小整流桥输出滤波电容，降低成本，减小体积，可以把一个600w到 800w的开关电源硬件成本降低到rmb30元以内，且理论上开关电源的输出电压仅由基准电压v
ref
、充电电阻、积分电容决定，与输入电压和负载无关，仅加一级pi调节器就可以克服因驱动电路延时和功率mos管管压降带来的影响，可以显著减小开关电源输出电压纹波，显然其他开关电源控制方法是不可能实现的。
24.(4)首次提出无电解电容开关电源。
25.本发明创造可以显著减小功率电路中用于滤波的电解电容的电容量，在极端情况，可以去掉功率电路中用于滤波的电解电容，仅保留小容量的cbb薄膜电容，构成无电解电容开关电源，可以广泛用于led照明、半导体制冷、半导体制热等用电领域。
附图说明
26.图1是实施例中本发明创造的基本原理结构示意图。
27.图2是实施例中本发明创造改进后的原理结构示意图。
28.图中标号：1
‑
emi滤波器，2
‑
整流桥，3
‑
第一电容，4
‑
半导体开关，5
‑
续流二极管，6
‑
电感，7
‑
第二电容，8
‑
辅助电源，9
‑
控制电路，10
‑
稳压电路，11
‑
驱动电路，12
‑
保护电路，13
‑
脉冲发生器，14
‑
第一比较器，15
‑
第二比较器，16
‑
rs 触发器，17
‑
放电开关，18
‑
反相器，19
‑
充电电阻，20
‑
积分电容，21
‑
输入端子， 22
‑
输出端子，23
‑
下拉电阻，24
‑
限流电阻，25
‑
门极电路，26
‑
输入电压过压保护电路，27
‑
输入电压欠压保护电路，28
‑
输出电压过压保护电路，29
‑
电流过流保护电路，30
‑
故障rs触发器，31
‑
第一电阻分压器，32
‑
第三比较器，33
‑
第二电阻分压器，34
‑
第四比较器，35
‑
第三电阻分压器，36
‑
第五比较器，37
‑
电流取样电阻，38
‑
第一放大器，39
‑
第六比较器，40
‑
第四电阻分压器，41
‑
跟随器，42
‑
pi 调节器，43
‑
第五二极管，44
‑
第四二极管，45
‑
第三二极管，46
‑
第二二极管，47
‑ꢀ
第一二极管。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明创造作进一步的详细说明。
30.具体实施例1
31.如图1所示，本发明创造提出的一种新型开关电源及其实现方法，主要包括emi滤波器1、整流桥2、第一电容3、半导体开关4、续流二极管5、电感6、第二电容7、辅助电源8、控制电路9、稳压电路10、驱动电路11、保护电路 12、充电电阻19、积分电容20、输入端子21、输出端子22、下拉电阻23；其中，
32.所述emi滤波器1的输入端经输入端子21接电网取电，输出端接整流桥2 的交流输入端；
33.所述整流桥2把交流电变换成直流电；
34.所述第一电容3是电解电容，其正极接整流桥2的正极，负极接整流桥2 的负极；为改善电容性能，减小脉冲电流环路面积，减小电磁干扰，可以与电解电容并联cbb薄膜电容；
35.所述半导体开关4是功率mos管，功率mos管的d极接整流桥2的正极， s极接电感6的一端；所述半导体开关4也可以是igbt或其他全控半导体开关器件；
36.所述电感6的另一端接开关电源的输出端子22的正极；
37.所述续流二极管5的k极接半导体开关4功率mos管的s极；
38.所述第二电容7是电解电容，其正极与输出端子22的正极连接；为改善电容性能，可以与电解电容并联cbb薄膜电容；
39.所述输出端子22的负极、第二电容7的负极、续流二极管5的a极、第一电容3的负极与整流桥2的负极连接在一起，成为开关电源的功率地pg；
40.所述辅助电源8从整流桥2的正极取电，输出直流电压vcc给控制电路9、稳压电路10、驱动电路11、保护电路12供电；辅助电源8的输出正极与控制电路9、稳压电路10、驱动电路11、保护电路12等的电源正极连接；辅助电源 8的输出负极与控制电路9、稳压电路10、驱动电路11、保护电路12等的电源负极连接，成为开关电源的信号地sg；开关电源的信号地sg与功率地pg连接；
41.所述控制电路9的控制芯片是双路精密定时器556，对其稍加改造并扩展其应用，内置电路包括脉冲发生器13、第一比较器14、第二比较器15、rs触发器16、放电开关17、反相器18；
42.所述充电电阻19一端接整流桥2的正极，另一端与积分电容20的一端和第二比较器15的同相输入端连接；作为改进，为减小功率mos管管压降的影响，所述充电电阻19一端可以连接续流二极管5的k极；
43.所述积分电容20的另一端接信号地sg；
44.所述下拉电阻23的一端接第二比较器15的反相输入端，另一端接信号地 sg；所述下拉电阻23设置开关电源开路控制的基准电压信号v
ref
，开关电源的输出电压与基准电压信号v
ref
成正比；
45.所述驱动电路11采用半桥驱动芯片ir2113s的高端驱动，自举供电，其输出h0经限流电阻24、门极电路25，送到半导体开关4功率mos管的栅极g，控制功率mos管的导通和关断；ir2113s的vs脚与半导体开关4功率mos 管的s极连接；所述驱动电路11也可以采用其他类似功能驱动芯片；
46.所述脉冲发生器13外接电阻和电容，产生高频脉冲，送到第一比较器14 的反相输入端，产生脉冲，送到rs触发器16的s端，使得rs触发器16的置“0”(低电平)，信号送到放电开关17的控制极，使得放电开关17关断，同时信号再送到反相器18的输入端，反相后，输出“1”，送到驱动电路11的 ir2113s芯片hin脚，ho脚输出高电平，控制半导体开关4功率mos管导通；
47.同时，整流桥2的输出电压v
c
经充电电阻19给积分电容20充电，当积分电容20的电压达到基准电压信号v
ref
时，第二比较器15输出正脉冲，送到rs 触发器16的r端，使得rs触发器16的置“1”，信号送到放电开关17的控制极，使得放电开关17导通，对积分电容20放电，同时信号再送到反相器 18的输入端，反相后，输出“0”，送到驱动电路11的ir2113s芯片的hin脚， ho脚输出低电平，控制半导体开关4功率mos管关断；
48.当半导体开关4功率mos管导通时，整流桥2的输出电压v
c
经半导体开关4功率mos管给电感6充电，同时给第二电容7充电，并经过输出端子22 给负载提供能量；
49.当半导体开关4功率mos管关断时，续流二极管5导通，给电感6放电提供电流通路，同时电感6和第二电容7给负载提供能量；
50.所述稳压电路10包括第四电阻分压器40、跟随器41、pi调节器42、第五二极管43；所述第五二极管43的a极接第二片555的cont管脚，k极接pi调节器42的输出端；
51.所述第四电阻分压器40从输出端子22的正极取电，输出电压v0分压后，经跟随器41后送到pi调节器42反馈调节后，经第五二极管43送到控制电路9 的第二比较器15的反相输入端，作为基准电压信号v
ref
，当开关电源输出端子 22的输出电压升高，经稳压电路10反馈调节后，基准电压信号v
ref
减小，使得开关电源的输出电压降低，完成一个稳压的负反馈过程，实现开关电源输出电压v0稳定。
52.开关电源开环工作时，开环控制的基准电压信号v
ref
由下拉电阻23确定，调节下拉电阻23可以调节开环控制的基准电压信号v
ref
，决定开关电源输出电压v0的最大值，此时第五二极管43反向截止；开关电源闭环工作时，闭环控制的基准电压信号v
ref
由pi调节器42的输出电压确定，决定开关电源输出电压v0的额定值，此时第五二极管43正向导通；开环控制的基准电压信号v
ref
稍大于闭环控制的基准电压信号v
ref
；开关电源输出电压的最大值稍大于开关电源输出电压的额定值。
53.作为改进，如图2所示，所述保护电路12包括输入电压过压保护电路26、输入电压欠压保护电路27、输出电压过压保护28、电流过流保护电路29、故障 rs触发器30等，其中，
54.所述输入电压过压保护电路26对整流桥2正极的输出电压v
c
取样，经第一电阻分压器31分压，送到第三比较器32的同相输入端，当输入电压过压时，第三比较器32输出高电平信号，经第一二极管47送到故障rs触发器30，故障rs触发器30输出高电平信号，送到驱动电路11的ir2113s的使能端en， ir2113s的ho变为低电平，关断半导体开关4功率mos管；
55.所述输入电压欠压保护电路27对整流桥2正极的输出电压v
c
取样，经第二电阻分压器33分压，送到第四比较器34的反相输入端，当输入电压欠压时，第四比较器34输出高电平，经第二二极管46送到故障rs触发器30，故障rs 触发器30输出高电平信号，送到驱动电路11的ir2113s的使能端en，ir2113s 的ho变为低电平，关断半导体开关4功率mos管；
56.所述输出电压过压保护电路28对输出端子22正极电压取样，经第三电阻分压器35分压，送到第五比较器36的同相输入端，当输出电压过压时，第五比较器36输出高电平，经第三二极管45送到故障rs触发器30，故障rs触发器30输出高电平信号，送到驱动电路11的ir2113s的使能端en，ir2113s的 ho变为低电平，关断半导体开关4功率mos管；
57.所述电流过流保护电路29包括电流取样电阻37、第一放大器38、第六比较器39、第四二极管44；电流取样电阻37插入第一电容3负极和续流二极管5 的a极之间；电流取样电阻37一端接续流二极管5的a极，并以续流二极管5 的a极为功率地pg，与信号地sg连接；
58.所述电流取样电阻37的另一端接第一电容3的负极，把该点电压信号i送到第一放大器38反相放大后，送到第六比较器39的同相输入端，当流经电流取样电阻37的电流过流时，第六比较器39输出高电平，经第四二极管44送到故障rs触发器30，故障rs触发器30输出高电平信号，送到驱动电路11的 ir2113s的使能端en，ir2113s的ho变为低电平，关断半导体开关4功率mos 管。
59.作为改进，为减小上电冲击，在第一电容3之前增加热敏电阻。
60.作为改进，所述控制电路9采用单片机或dsp完成控制功能，并在程序中做修正，适当延时半导体开关4功率mos管的导通时间，补偿驱动电路的延时造成的影响。
61.作为改进，把所述控制电路9、稳压电路10、驱动电路11、保护电路12组合集成成模
块，简化开关电源结构和体积。
62.本实施例中，开关电源整流桥输出电压v
c
波动较大，开关电源输出电压 v0纹波小，与其他开关电源相比，可以显著降低开关电源成本和体积，但功率因数较低。如须提高功率因数，需要加功率因数校正电路。
63.具体实施例2
64.本发明创造的显著特点就是可以显著减小功率电路中用于滤波的第一电容 (3)的电容量和第二电容(7)的电容量，作为改进，可以去掉第一电容(3) 的电解电容，保留小容量的cbb薄膜电容，可以工作于开环控制或闭环控制，可以简化开关电源结构，降低开关电源成本，提高功率因数，可以调整下拉电阻(23)调整开关电源输出电压和功率，可以广泛用于led照明、半导体制冷、半导体制热等用电领域。
65.第一电容(3)保留小容量cbb薄膜电容可以减小脉冲电流环路，减小电磁干扰。
66.本实施例中，开关电源整流桥输出电压v
c
在交流输入电压过零时接近于零，与实施例1相比，进一步降低成本和体积，提高了功率因数，但要保证开关电源输出电压纹波小，需要增大开关电源输出滤波电容。
67.具体实施例3
68.本发明创造的显著特点就是可以显著减小功率电路中用于滤波的第一电容(3)的电容量和第二电容(7)的电容量，作为改进，可以去掉第二电容(7) 的电解电容，保留小容量的cbb薄膜电容，可以工作于开环控制或闭环控制，可以简化开关电源结构，降低开关电源成本，提高功率因数，可以调整下拉电阻(23)调整开关电源输出电压和功率，可以广泛用于led照明、半导体制冷、半导体制热等用电领域。
69.第一电容(3)的电解电容并联cbb电容，可以改善电容性能，减小脉冲电流环路，减小电磁干扰，第二电容(7)保留小容量cbb薄膜电容可以减小输出电压v0的高频纹波。
70.本实施例中，开关电源整流桥输出电压v
c
波动较大，与实施例1相比，进一步降低成本和体积，但功率因数还是较低。
71.具体实施例4
72.本发明创造的显著特点就是可以显著减小功率电路中用于滤波的第一电容 (3)的电容量和第二电容(7)的电容量，作为改进，极端情况，可以去掉第一电容(3)的电解电容和第二电容(7)的电解电容，保留小容量的cbb薄膜电容，构成无电解电容开关电源，可以工作于开环控制或闭环控制，特别是无电解电容开关电源工作于开环控制，可以简化开关电源结构，降低开关电源成本，提高功率因数，可以调整下拉电阻(23)调整开关电源输出电压和功率，可以广泛用于led照明、半导体制冷、半导体制热等用电领域。
73.第一电容(3)和第二电容(7)保留小容量cbb薄膜电容可以减小脉冲电流环路，减小电磁干扰。
74.本实施例中，在交流输入电压过零时，开关电源整流桥输出电压接近于零，开关电源输出电压也接近于零，与实施例1、2、3相比，进一步降低成本和体积，提高了功率因数，但开关电源输出电压波动大。
75.本发明创造的实施不局限于上述具体实施例，任何人在本发明创造的启示下得到相同或相似的结果，皆在本发明创造保护之内。