一种开关电源和控制该开关电源的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种开关电源和控制该开关电源的方法。
【背景技术】
[0002]在现有通讯系统的供电架构中，由于安全和效率的考虑，隔离的中间总线(IBA，Intermediate Bus Architecture)架构得到了广泛的应用，在该架构中，系统的输入电压首先经过一个隔离的中间总线电源(IBC, Intermediate Bus Converter)转换成一个中间电压，再由多个后级非隔离电源转换成负载电路需要的电压。
[0003]为适应不同的系统，中间总线电源往往需要适应较宽的输入电压，在处理一定功率的情况下，其功率器件需要同时满足高电压应力和低压输入时的大电流应力，使得器件选型难以优化，对通讯系统常见的36?75V输入电压范围，功率器件需要选择有至少两倍于额定功率的裕量。同时，作为总线电源需要处理一个系统的所有功率需求，因此效率也是最重要的指标，而选择较大功率裕量的器件往往导致效率的降低，并使电源体积增大，影响功率密度指标。
[0004]在如图1所述现有技术中，采用脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulat1n)技术实现变压的传统开关电源结构，在输入电压范围较宽时，脉冲宽度占空比的变化较大，使得电感等储能元件在电压转换过程中需要不断存储、释放较多的能量，导致储能元件的体积和损耗都增加，宽输入电压范围也使得功率器件需要同时能耐受高压输入时的高电压应力和低压输入时的大电流应力，因此，需要选择比实际输出功率大得多的功率器件，导致功率器件的体积和损耗都增大。所以，传统的开关电源结构在宽电压输入范围时会导致效率下降、功率密度下降的问题。
[0005]为解决宽范围输入电压带来的功率器件应力裕量增大的问题，常见的应对方案为如图2所示的两级结构，包括非隔离稳压前级电路与变压器隔离后级电路，通过前级稳压电路使得后级只需应对固定的输入电压，避免宽输入电压范围带来的应力问题。但此方案并没有解决宽输入电压范围带来前级占空比变化较大的问题，对于此降压型开关电源，在占空比最大的时候效率和储能元件的体积能达到最优，在此结构中对应的为输入电压最低的时候如36V，并非额定工作电压，这就导致了系统在额定工作如48V时，效率和体积都不能达到最优。
[0006]为应对宽范围输入电压带来的占空比变化较大的问题，在非隔离的开关电源中，如图3所示的输出正向(non-1nverting)的升降压Buck-Boost拓扑常被用来有效解决此问题，被广泛应用于无隔离需求的电池供电终端设备中。在此拓扑中，输出电压可以设置为一中间值，在输入电压高于输出电压设定值时，电路工作在降压Buck模式,在输入电压低于输出电压设定值时电路工作在升压Boost模式，因此占空比变化范围可以缩减一半。
[0007]图4所示的现有技术为此Buck-Boost拓扑增加了隔离功能的示意图，其隔离部分通过传统降压型桥式电路或其他逻辑链路控制(LLC, Logical Link Control)等谐振电路实现。此电路能实现前述非隔离Buck-Boost的占空比变化范围窄的优势，同时，后级隔离电路亦无需应对宽范围输入电压带来的功率器件应力问题，是现有技术中效率较高的一种应用。
[0008]但该技术实质上等效Buck+Boost+桥式隔离三级电路组成,其主要应用为带多个不同变比的隔离后级，形成多种电压输出的分比式供电架构，它采用较多功率器件，导致做单电源应用时体积增加较大，功率密度不高。
[0009]因此，现有技术中的后级桥式电路仅仅起到了隔离或降压的作用，带来或占空比变化范围宽、效率低或功率器件多、体积较大的问题。
【发明内容】
[0010]本发明提供了一种开关电源和控制该开关电源的方法，用以解决现有技术中的后级桥式电路仅仅起到了隔离或降压的作用，带来或占空比变化范围宽、效率低或功率器件多、体积较大的问题。
[0011]为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种开关电源，包括:输入电源、前级电路和后级隔离电路；所述前级电路包括:第一电感、至少两个开关器件；所述后级隔离电路包括:原边开关电路、变压器及副边整流电路；
[0012]其中，第一开关器件的一端与输入电源的正极连接，第二开关器件的一端和第一电感的输入端共同与第一开关器件的另一端连接，所述第二开关器件的另一端与输入电源的负极连接，第一电感的输出端连接至后级隔离电路的原边开关电路，所述原边开关电路的另一端与第二开关器件的另一端连接。
[0013]进一步，所述原边开关电路包括:至少两个开关器件，其中，一个开关器件的开通或包含所述一个开关器件的组合开关的开通使所述第一电感连接至充电状态，另一个开关器件的关断或包含所述另一个开关器件的组合开关的关断使所述第一电感上的能量通过变压器传递至副边整流电路。
[0014]进一步，所述一个开关器件的开通或包含所述一个开关器件的组合开关的开通使所述第一电感连接至充电状态，以将所述第一电感的输出端连接至输入电源的负端，或者将所述第一电感的输出端通过原边的绕组连接至输入电源的负端
[0015]进一步，在变压器原边包括一个绕组、所述原边开关电路包括四个开关器件的情况下，第三开关器件一端与所述第一电感的输出端连接，第三开关器件的另一端与第四开关器件和变压器原边的电流流入端连接，所述第四开关器件的另一端与第五开关器件的一端和所述输入电源的负极共同连接，所述第五开关器件的另一端与第六开关器件的一端和所述变压器原边的电流流出端共同连接，所述第六开关器件的另一端与所述第一电感的输出端连接。
[0016]进一步，在变压器原边包括一个绕组、所述原边开关电路包括两个开关器件和一个第二电感的情况下，第三开关器件一端与所述第一电感的输出端连接，第三开关器件的另一端通过第四开关器件和所述第二电感，连接至所述第一电感的输出端，第三开关器件和第四开关器件连接处与所述输入电源的负极连接；所述第一电感的输出端和所述变压器原边的电流流入端连接，所述变压器原边的电流流出端与所述第二电感与第四开关器件的连接处连接。
[0017]进一步，在变压器原边包括两个绕组、所述原边开关电路包括两个开关器件的情况下，第三开关器件的一端连接至变压器原边第一绕组的电流流入端，第四开关器件的一端连接至变压器原边第二绕组的电流流出端，所述第一绕组的电流流出端和第二绕组的电流流入端共同与所述第一电感的输出端连接，所述第三开关器件的另一端和所述第四开关器件的另一端共同与所述输入电源的负端连接。
[0018]进一步，在变压器副边包括一个绕组、所述副边整流电路包括四个开关器件的情况下，变压器副边对应变压器原边的电流流入端的同名端与第七开关器件的一端和第八开关器件的一端共同连接，所述第七开关器件的另一端通过第九开关器件、第十开关器件与所述第八开关电路的另一端连接，所述第九开关器件与所述第十开关器件的连接处共同连接至所述变压器副边同名端的另一端，所述第七开关器件的另一端和第八开关器件的另一端作为副边整流电路的输出端。
[0019]进一步，在变压器副边包括两个绕组、所述副边整流电路包括两个开关器件的情况下，第七开关器件的一端连接至变压器副边第一绕组的电流流入端，第八开关器件的一端连接至变压器副边第二绕组的电流流出端，所述第一绕组的电流流出端和第二绕组的电流流入端共同作为副边整流电路的一个输出端，所述第七开关器件的另一端和所述第八开关器件的另一端连接，并共同作为副边整流电路的另一个输出端，使得副边整流电路的一个输出端和另一个输出端形成所述副边整流电路的输出端。
[0020]进一步，所述开关器件至少包括以下一种:三极管，MOS管，二极管。
[0021]另一方面，本发明还提供一种控制开关电源的方法，用于控制上述任一项所述的开关电路，包括:在供给输入电压的情况下，控制原边开关电路的开关器件，以使得至少一个所述开关器件的组合开通使所述第一电感连接至充电状态，至少一个所述开关器件的组合关断使所述第一电感上的能量通过变压器传递至副边整流电路；所述副边整流电路将原边开关电路传递的能量进行整流，以形成开关电源的输出电压。
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