一种开关电源和控制该开关电源的方法_3

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功能。
[0064]优选实施例
[0065]如图7所示,该电路为包括了具有降压功能的非隔离前级电路与具有升压功能的后级隔离电路,前后级电路可以共用一个电感,使整体电路能达到升降压功能,适应宽范围的输入电压。其实现过程是利用传统的降压型隔离电源在采用同步整流技术时可以双向工作的特点,反向工作即可理解为升压型,将其输出连接至前级非隔离BUCK电路,即可组成能实现升降压功能的两级隔离电路,同时,BUCK电路的输出电感和反向连接的桥式隔离电路输出电感可以分时共用,相比单级传统降压型桥式隔离电源方案仅需增加Buck的两个开关器件,并且原输出电感移至原边高压端,处理的电流较小,可以在实现升降压功能以适应宽范围输入的同时大大减小体积、提高效率和功率密度。
[0066]下面结合现有技术和本发明优选实施例的附图对上述方案进行进一步说明。
[0067]图1为现有技术中典型的一种隔离型开关电源结构,通过桥式电路开关器件101/103和102/104的交替导通,将输入电压调制为具有一定脉冲宽度的交变信号,通过变压器隔离传递至副边,再经由107?109组成的整流电路及输出电感110和电容111组成的低通滤波电路,得到最终的直流输出电压。输出电压和输入电压的变比由桥式电路的脉冲宽度占空比和变压器的原副边变比决定,在输入电压范围较宽时,桥式电路的脉冲宽度占空比也变化较大。在桥式电路导通时,输入电源通过变压器向输出传递能量,电感110开始储存能量;在桥式电路关断时,电感110释放能到给输出供电。因此,输入电压较高,占空比较低时,即桥式电路关断的时间较长,电感110需要存储较多的能量,导致电感的体积和损耗都较大。所以,此电路在占空比最大的时候效率和储能元件的体积能达到最优,对应的为输入电压最低的时候,但最低输入电压如36V通常并非系统的额定工作电压,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。
[0068]同时,在输入电压较高时,开关器件101?104及106?109均需选用耐压较高的器件,而在低压输入时又需要选用电流较大的开关器件,因此,开关器件的选型较难得到优化;对通讯系统常见的36?75V输入电压范围,开关器件需要选择有至少两倍于额定功率的裕量,同样带来体积和损耗的增大。
[0069]图2为现有技术中电路的两级结构,该常采用的两级结构是为了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,图2在图1所示现有技术上增加一级非隔离的前级稳压电路201,201的输出电压205为一稳定的电压,使得后级传统桥式降压型隔离电路无需承受较宽的输入电压范围。但此电路的前级201开关占空比并没有得到改善,因而依然存在开关器件202、203应力较大和输出电感204储能较高的问题。
[0070]图3为现有技术中非隔离的Buck-Boost电路,能实现升降压的功能。在此电路中,输出电压可以设置为一中间值,在输入电压Vin高于输出电压Vciut时,开关301及302进行脉冲宽度调制,电路工作在降压Buck模式,在输入电压Vin低于输出电压Vout时,开关303及304进行脉冲宽度调制,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,但此电路没有隔离功能。
[0071]图4为现有技术中增加了隔离电路的Buck-Boost升降压电路,其前级401为图3中示出的Buck-Boost电路,隔离部分为如图1所示降压型桥式隔离电路。图4所示的电路能通过前级非隔离Buck-Boost电路401实现宽范围输入时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。但该电路相对图1所示现有技术,需要增加如401所含四个开关器件和一个功率电感及电容,导致体积增加较大,影响效率和功率密度。
[0072]本发明第一实施例如图7所示,为本发明电源拓扑的结构示意图,相对于图1所示现有技术,仅需增加两个开关501和502,即可实现升降压功能达到宽范围输入时占空比变化窄的优势,同时后级电路亦无需应对较宽的输入电压范围。
[0073]为进一步说明图7电路图的结构与原理,可以如图8所示,从图8中可以看出,本发明利用图1现有降压型桥式隔离电路在副边整流电路采用同步整流技术(即106?109为开关器件取代二极管时,其输出电流可以双向流动的特点),将其输入输出反向后与前级Buck电路相连接,即其输出电感110与前级Buck的输出电感603相连接,输入电源端112与输出电容111相连接。
[0074]在图1所示的现有技术中,从112端到113端为降压式结构,通过此反向连接,在图8所示结构图中,可以形成从113到112端的升压式结构,结合由601、602、603构成的Buck型降压电路,形成升降压的结构。此结构中,后级电路原副边开关器件106?109、101?104的电压应力由输出电压Vciut决定,而在大部分应用中输出电压Vciut为一稳定的值,因此,后级开关器件同样无需应对宽范围输入电压带来的大应力问题。此外,串联连接的电感603和110可以等效合并为一个,进而形成如图7所示简洁的发明结构。
[0075]为进一步的说明本发明的具体工作方式,如图9所示,当图7所示本发明结构工作在降压状态时,后级的桥式隔离电路开关器件504?507,509?512按接近50%的占空比工作,后级隔离电路704等效于一个开关直流变压器,输出电容513可以按CcZN2的大小等效折算至原边,其中,N为变压器508的原副边绕组的匝数比,C。为输出电容513的容值,连接至电感503的输出端。等效电容701与前级的开关器件501、502及输出电感503正好形成一个完整的Buck型降压电路703,其输出电压702的值为VinXD,其中,D为开关器件501的占空比,702再经过前述等效开关直流变压器704按N:1变比得到输出电压Vciut,因此输出电压Vciut = VinXD/N,其中D〈l,实现降压功能。
[0076]如图10所示,当如图7所示本发明结构工作在升压状态时,前级降压型电路工作在直通状态,即开关502关闭,开关501导通,将电感503连接至输入电源,等效于如图1所示现有降压型桥式隔离电路的输出电感110,形成反向连接的降压型电路,实现升压功能。具体地,原边开关器件504?507按图1所示原同步整流开关器件106?109的工作方式,其占空比>50%,即504?507存在同时导通的时间,当504?507同时导通时,电感503通过输入电压Vin进行充电,此时变压器508的原副边绕组电压均为0,开关器件509?512同时关断。当504?507对角交替导通时,即504、506同时导通或505、507同时导通时,副边相应的对角开关器件510、512同时导通或509、511同时导通,变压器副边绕组连接至输出电压Vciut,原边绕组电压VciutXN连接至电感503的输出端,对电感进行放电,在电感电流达到动态平衡时,Vout = Vin/(2 X (1-D))/N,实现升压功能,其中,D为开关器件504?507的占空比,D>0.5。
[0077]本发明第二优选实施例如图11所示,图11为本发明后级隔离电路副边采用两个开关器件、变压器副边为两个绕组的一种结构示意图,变压器901的副边包括两个绕组902和903,其对应于采用全桥整流的推挽式隔离降压电路的一种反向连接方式。具体的,当504?507同时导通时,副边开关器件904与905关断,电感503通过输入电压Vin进行充电。当504?507对角交替导通时,即504、506同时导通或505、507同时导通时,副边开关器件904或905相应的导通,使绕组902或903连接至输出电压Vciut,感应至变压器原边绕组电压对电感503进行放电。
[0078]本发明第三优选实施例如图12所示,图12为本发明后级隔离电路的原边开关电路采用两个开关器件1001、1002的一种结构示意图,变压器1005的原边进一步包括两个绕组1003和1004,其对应于采用采用副边双绕组结构整流的推挽式隔离降压电路的一种反向连接方式。具体的,当原边开关器件1001、1002同时导通时,副边开关器件904与905关断,电感503通过输入电压Vi
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