无桥PFC输入浪涌电流抑制电路的制作方法

无桥pfc输入浪涌电流抑制电路
技术领域
1.本实用新型涉及一种开关电源，特别是一种抑制浪涌电流的电路。


背景技术：

2.传统的开关电源供应器普遍采用桥式整流管，将输入的交流电整流成直流电后，再经功率因数校正pfc线路升压成为稳定的直流电，如今高效率的开关电源都采用无桥pfc电路，可以有效减少流过桥式整流桥臂中二极管的电流，减小导通路径中器件的损耗，从而提高转换效率。通常在开关电源的pfc输出电压后，会连接一个高耐压的大容量电容，当开关电源接入市电时，220v交流市电会瞬间给大电容充电，形成很大的浪涌电流，有时高达一两百安倍，对开关电源中的元器件会有一定损伤。所以会在输入电流的路径(电磁干扰emi线路)上连接一个正温度系数热敏电阻ptc，再并联上一个继电器。当电源刚接入220v交流市电时，浪涌电流会流经ptc，再给大电容充电，这样浪涌电流会减少很多。待开关电源内部辅助电压正常启动之后，闭合继电器，使得输入电流流经继电器，而不流经ptc，可以有效减小浪涌电流并且不影响开关电源的效率。现有技术的接入ptc，再并联上一个继电器的结构，不能再进一步提升开关电源的功率密度。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种无桥pfc输入浪涌电流抑制电路，要解决的技术问题是抑制浪涌电流，提高开关电源的功能密度。
4.本实用新型采用以下技术方案：一种无桥pfc输入浪涌电流抑制电路，从输入端至输出端顺序连接有电感2、桥式整流管和大电容，桥式整流管的第一二极管负极接输出端正极，大电容连接在输出端正极与负极之间，输出端正极与负极之间反向串接有二极管0和二极管1,桥式整流管的第一二极管正极经电感0接二极管0和二极管1连接点,金属-氧化物半导体场效应晶体管1和金属-氧化物半导体场效应晶体管0串接在二极管0和二极管1连接点与电感2的另一端，所述桥式整流管与负极之间设置有浪涌抑制组件，浪涌抑制组件用于交流市电接入到开关电源的瞬间，防止浪涌电流过大造成对线路中元器件的损伤。
5.本实用新型浪涌抑制组件为并联连接的继电器和正温度系数热敏电阻。
6.本实用新型并联连接的继电器和正温度系数热敏电阻的两端，连接在输入端零线与桥式整流管的第二二极管和第三二极管连接点之间。
7.本实用新型并联连接的继电器和正温度系数热敏电阻的两端，连接在输出端负极与桥式整流管的第三二极管和第四二极管连接点之间。
8.本实用新型与现有技术相比，浪涌抑制组件设置在桥式整流管与负极之间，在不减弱浪涌抑制能力的情况下，可以实现选用更小规格的继电器，降低开关电源的成本，提高了开关电源的功率密度。
附图说明
9.图1是传统的pfc电路浪涌电流流经示意图(一)。
10.图2是传统的pfc电路浪涌电流流经示意图(二)。
11.图3是现有技术的pfc电路浪涌电流流经示意图(一)。
12.图4是现有技术的pfc电路浪涌电流流经示意图(二)。
13.图5是本实用新型实施例1的结构示意图。
14.图6是现有技术的无桥pfc与本实用新型的无桥pfc的电路结构对比图。
15.图7是时间段1的电流流向示意图。
16.图8是时间段2的电流流向示意图。
17.图9是时间段3的电流流向示意图。
18.图10是时间段4的电流流向示意图。
19.图11是实施例1的电流波形图。
20.图12是本实用新型实施例2的结构示意图。
21.图13是本实用新型实施例2抑制浪涌电流示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
23.如图1所示，传统的pfc电路，从开关电源的交流输入火线l至直流输出端正极b
+
，顺序接连接有：保险丝f1、电感lf2、并联的继电器rl101和正温度系数热敏电阻ptc、桥式整流管bd1、电感0l100和二极管0d100串接后与二极管1d101并联、大电容c100，大电容c100连接在输出端正极与负极之间。在二极管0d100的正极连接金属-氧化物半导体场效应晶体管q101的源极s，q101的漏极d接输出端负极b-。
24.当交流市电输入到开关电源时，rl101断开，若初始电压火线l大于零线n，浪涌电流流经f1、lf2、ptc、bd1中的第一二极管、d101，给c100充电，回程的电流从b-开始经bd1中的第三二极管、lf2，回到n(图1虚线所示流向)。在交流电压输入pfc电路的瞬间，抑制浪涌电流线路工作时，q101不工作，处于截止状态。
25.如图2所示，若初始电压n大于l，浪涌电流流经lf2、bd1中的第二二极管、d101，给c100充电，回程电流由b-开始经bd1中的第四二极管、ptc，lf2，回到l(图2虚线所示流向)。
26.在传统的pfc电路中，交流市电接入到开关电源的瞬间，不管电压是l大于n,还是l小于n，浪涌电流都会经过ptc，因此，ptc可以防止浪涌电流过大造成对线路中元器件的损伤。
27.当浪涌电流完成对c100充电后，开关电源自身的控制线路启动，将rl101闭合，输入电流流经rl101，用以提开关电源的效率。此时，市电输入的电流全部流经rl101，即开关电源正常工作时，rl101承受所有的输入电流。
28.如图3所示，现有技术的无桥pfc对传统的pfc电路进行了改进，l线经过f1、fl2和ptc后，与桥式整流管bd1的第一二极管正极相连，第一二极管的负极接输出端正极，大电容c100连接在输出端正极与负极之间，输出端正极与负极之间反向串接有二极管0d100和二极管1d101,桥式整流管bd1的第一二极管正极经电感l100接d100和d101连接点,金属-氧化物半导体场效应晶体管1q101和金属-氧化物半导体场效应晶体管0q100串接在d100和d101
连接点与fl2的另一端。
29.当交流市电输入到开关电源时，若初始电压l大于n，浪涌电流经f1、lf2、ptc、bd1中的第一二极管，给c100充电，回程电流由b-开始经bd1中的第三二极管、lf2，回到n(图3虚线所示流向)。此时，q101,q100不工作。
30.如图4所示，若初始电压n大于l，浪涌电流流经lf2、bd1中的第二二极管，给c100充电，回程电流由b-开始经bd1中的第四二极管、ptc，lf2，回到l(图4虚线所示流向)。
31.在现有技术的无桥pfc中，rl101和ptc抑制浪涌电流，与传统的pfc电路相同。不管电压是l大于n,还是l小于n，浪涌电流都会经过ptc，因此，ptc可以防止浪涌电流过大造成对线路中元器件的损伤。开关电源正常工作时，rl101承受所有的输入电流，继电器的电流等于市电输入电流。
32.如图5所示，本实用新型的无桥pfc输入浪涌电流抑制电路，在实施例1中，相比现有技术的无桥pfc，改变了并联连接的rl101和ptc的连接位置，并联连接的rl101和ptc的两端，连接在n线与bd1的第三二极管和第二二二极管连接点之间。
33.在实施例1中，pfc(power factor correction)电路的工作，就是让q101和q100频繁的导通(开)和截止(关)，频率为60khz。q101和q100是同时开或关，控制pfc线路工作的微处理器根据交流市电输入的电压波形来控制q101和q100的导通和截止，控制pfc线路工作的微控制器根据输入市电的波形来计算出q101和q100开通的时间和截止的时间，最终实现功率因素校正的目的。q101和q100由开关电源自身的微处理器来控制，同时可以输出一个高压400v的稳定直流电。
34.fl2用于滤除来由电网的l与n线的共模噪声，同时也防止开关电源干扰电网。
35.l100用于在q101和q100导通时，l100储能，在q101和q100截止时，l100释放电能。
36.d101和d100为升压二极管。l电压大于n电压阶段，在q101和q100截止时，l100释放电能时，电流经过d100形成路径。n电压大于l电压阶段，在q101和q100截止时，l100释放电能时，电流经过d101形成路径。
37.rl101和ptc的工作过程与现有技术的无桥pfc相同。
38.不管电压是l大于n,还是l小于n，浪涌电流都会经过ptc，因此，ptc可以防止浪涌电流过大造成对线路中元器件的损伤。开关电源正常工作时，rl101承受所有的输入电流，流过继电器的电流等于市电输入电流。
39.实施例1的优势在于，开关电源在浪涌电流过后进入正常工作时，通过开关电源自身的控制线路闭合继电器后，继电器的电流有效值会小于电源的市电交流输入电流。因此，实施例1与现有技术相比，继电器不需要选择耐电流大的材料，可以选用耐电流更小的材料，体积也可以减小，有助于提高开关电源的功率密度，降低成本。
40.下面具体分析本实用新型的无桥pfc输入浪涌电流抑制电路中，流过继电器的电流有效值比现有技术的pfc电路更小。
41.如图6所示，现有技术的无桥pfc与实施例1的无桥pfc的电路结构不同，分别为：现有技术的无桥pfc中浪涌抑制组件(并联连接的rl101和ptc)连接在电感lf2与桥式整流管bd1第一二极管正极之间(图6的a点)，实施例1的电路浪涌抑制组件接在n线与bd1的第三二极管和第二二极管连接点之间(图6的b点)。
42.在l电压大于n的阶段，q101和q100导通的时间为时间段1，q101和q100截止的时间
为时间段2。导通和截止的时间加在一起，就是一个pfc的开关周期。
43.在n电压大于l的阶段，即是场效应管q101和q100导通的时间为时间段3，q101和q100截止的时间为时间段4，导通和截止的时间加在一起，就是一个pfc的开关周期。
44.如图7所示，开关电源pfc线路正常工作后，若l电压大于n，在时间段1，q101和q100导通，输入电流给电感l100储能，电流路径为：从l流出，经f1、lf2、l100、q100、q101、lf2，回到n。此时，市电输入电流流经图7中的a点(没有连接rl101的线路)。
45.如图8所示，在时间段2，q101和q100截止，l100释放电能，电流路径为：从l流出，经f1、lf2、l100、d100、b
+
、b-、bd1的第三二极管、lf2，回到n。此时，市电输入电流流经图8中的a点(没有连接rl101的线路)、bd1的第三二极管和rl101(图8中的b点)，流经a点的电流等于经过rl101的电流。
46.如图9所示，若n电压大于l，在时间段3，q101和q100导通，l100储能，电流路径为：从n流出，经lf2、q101、q100、l100、lf2、f1，回到l。此时，市电输入电流只流经图9中的a点(没有连接rl101的线路)。
47.如图10所示，在时间段4，q101和q100截止，l100释放电能，电流路径为：从n流出，经lf2、rl101(图10中的b点)、bd1的第二二极管、b
+
、b-、d101、l100、lf2、f1，回到l。此时，市电输入电流流经rl101(图10中的b点)和图10中的a点(没有连接rl101的线路)，流经rl101的电流等于经过图10中的a点线路的电流。
48.通过分析以上4个时间段可以看到，不管是l与n的电压如何，q101与q100是开通还是截止，电流始终经过a点(没有连接rl101的线路)，而流经rl101(b点)的时间段仅有2个，时间段2和时间段4，是在q101与q100截止的时候。
49.实施例1中，l100为400uh，q100和q101采用600v 39mohm场效应管，d100和d101采用600v/8asbd二极管，bd1为800v25a桥式整流管，c100采用450v2000uf，cx3规格为250vac2.2uf，共模电感lf2感量1.5mh，f1规格为25a,在atx-3600w型服务器电源机上验证,输出电压为12v280a3360w，用220v交流市电输入，测试对比a点(没有连接rl101的线路)和流经rl101(b点)两处的电流波形。
50.如图11所示，示波器的第3测试通道测试流经rl101(b点)的电流，电流有效值为11.45a。示波器的第4测试通道测试a点的电流，电流有效值为16.03a。由测试值可以看出，流经rl101(b点)的电流明显小于a点的电流。
51.通过实施例1实际测试对比，可以看出，如果继电器连接在a点，所选继电器的电流规格必须大于16.03a。如果继电器连接在b点，所选继电器的电流规格只需要大于11.45a即可，可以使材料小型化，降低开关电源成本。
52.如图12所示，本实用新型实施例2的无桥pfc输入浪涌电流抑制电路，并联连接的rl101和ptc的两端，连接在b-与bd1的第三二极管和第四二极管连接点之间(图12中的c点)。
53.当交流市电输入到开关电源时，rl101断开，正温度系数热敏电阻ptc和大电容c100可以起到抑制浪电流过大的作用。
54.在开关电源正常工作后，时间段1、时间段2、时间段3和时间段4中，如图8所示，b-与bd1的第四二极管和第三二极管连接点之间(图12中的c点)，只在时间段2内有电流流过，所以c处的电流有效值最小。
55.如图4和图13所示，初始电压n大于l，浪涌电流流经lf2、bd1中的第二二极管，给c100充电，回程电流由b-开始经bd1中的第四二极管、ptc，lf2，回到l(图4虚线所示流向)。这一阶段回程电流除了有b-经c处到bd1的第四二极管再到ptc，还有一小部分电流会经b-经d101，l100到ptc(图13点划线所示电流方向)。所以c处不包含所有的回程电流，浪涌抑制组件如果设置在c处，抑制浪涌能力小于a处和b处。
56.综上，比较现有技术的无桥pfc、实施例1和实施例2的三种不同的并联连接的正温度系数热敏电阻ptc和继电器rl101在开关电源中的接法，现有技术为普通线路方案，实施例1为优化方案，实施例2为最优方案，现有技术、实施例1和实施例2对浪涌电流的抑制能力是，现有技术＝实施例1》实施例2，开关电源正常工作后的电流有效值，现有技术》实施例1》实施例2。因此，若考虑对浪涌电流的抑制能力，实施例1为最优方案，它对浪涌电流抵制能力大于例2。若考虑开关电源正常工作后的电流有效值，实施例2为最优方案，开关电源正常工作后经过继电器rl101的电流有效值最小。