专利名称：一种高效率低电磁干扰电源变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关电源，尤其指一种高效率低电磁干扰电源变 换器。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，对开关电源提出了诸如高效率、小型
化、高功率密度以及低电磁干扰EMI等方面的要求。在开关电源的 高效率的道路上，谐振软开关无疑扮演了十分重要的角色。谐振软开 关技术不但很容易提高变换器效率，而且由于减小了电流和电压变化 速度，对变换器的电磁干扰(EMI)性能也是十分有贡献的。变换器 电磁干扰EMI的一个重要来源就是高频功率变压器，所以，对新型 高频功率变压器的研究非常重要，而且将其应用于谐振软开关技术是 十分有意义的。这样就从源头上减少，甚至遏止了 EMI的产生，从 而可以縮短研发周期，减少元件，縮小体积，降低成本。
发明内容
本发明公开了一种高效率低电磁干扰电源变换器。
为达到上述目的，本发明通过以下的技术措施来实现 一种高 效率低电磁干扰电源变换器，包括前级非隔离的电压调整变换器，后 级半桥谐振变换器，其特征在于还包括反馈控制电路；所述后级半桥谐振变换器主要由半桥式连接的第三、第四开关管和压电陶瓷变压器
连接而成，其工作频率恒定；电源信号先通过前级非隔离的电压调整
变换器转换为稳定电压后，再输入后级半桥谐振变换器，后级半桥谐
振变换器相当于一个固定变压比的功率变换器，输入的稳定电压再经
过压电陶瓷变压器功率变换后直接输出给负载供电；同时，压电陶瓷
变压器的输出电压经采样反馈信号通过反馈控制电路直接去控制前
级的非隔离电压调整变换器，使前级电压调整变换器输出的稳定电压
是一个能使随着负载不同而变化的值，保持后级半桥谐振变换器工作 在固定频率状态。
所述第三、第四开关管的栅极由定频率驱动电路驱动，定频率 驱动电路的频率与压电陶瓷变压器的谐振频率相关，实现两个开关管 处于谐振软开关工作状态，两个开关管的转换频率即为固定工作频率。
所述反馈控制电路主要包括反馈电路和PWM控制电路连接，反 馈电路的反馈电压采样部分连接后级半桥谐振变换器的输出，PWM 控制电路控制输出连接前级电压调整变换器，通过反馈环路控制前级 电压调整变换器中开关管的占空比，实现输出的稳定电压随着负载不 同而变化。
所述反馈控制电路中设有光耦隔离电路，该光耦隔离电路连接 于反馈电路和PWM控制电路之间。
所述反馈控制电路中设有隔离驱动电路，该隔离驱动电路连接 于PWM控制电路与前级电压调整变换器之间。所述反馈电压采样部分电路主要包括第一分压电阻、第一二极 管、第二分压电阻、滤波电容，后级半桥谐振变换器的输出端经第一 分压电阻连接二极管的阳极，第一二极管的阴极一路经第二分压电阻 接地，第一二极管的阴极一路经滤波电容接地，经第一二极管的单向 导通特性，取得输出电压的半波，再由滤波电阻和滤波电容进行滤波 从而得到可以反映输出电压信息的直流平滑电压反馈信号。
所述前级非隔离的电压调整变换器主要包括第二滤波电容、第一 开关管，第二开关管、储能电感、第一充电电容，第二滤波电容连接 在输入电源的输入端和电源参考端之间，第一开关管的源极连接电源 输入端，第一开关管的漏极接第二开关管的源极并经储能电感连接电 源参考端，第二开关管的漏极为调整变换器的电压输出端，第一开关 管和第二开关管的栅极作为反馈信号输入端，第一充电电容连接在输 出端和电源参考端之间。
所述前级非隔离的电压调整变换器主要包括第二滤波电容、第一 开关管，续流二极管、储能电感、第一充电电容，第二滤波电容连接 在输入电源的输入端和电源参考端之间，第一开关管的源极连接电源 输入端，第一开关管的漏极接续流二极管的阴极并经储能电感连接电 源参考端，续流二极管的阳极为调整变换器的电压输出端，第一开关 管的栅极作为反馈信号输入端，第一充电电容连接在输出端和电源参 考端之间。
与现有技术相比，本发明具有以下特点
1、由于后级半桥谐振变换器一直工作在能够实现软开关的谐振频率点上，使得变换器的效率能够在不同的输入电压情况下 都比较高；
2、 由于在后级半桥谐振变换器中采用了压电变压器，其特点是
以"电能--机械能…电能"的转换过程代替了传统的电磁耦
合过程，所以从源头上减少了 EMI的产生，且产品的生产 效率极大提高；
3、 在传统的半桥式压电陶瓷变压器变换器中，需要增加与变压 器串联的外接电感，而本发明中通过反馈控制前级非隔离电 压调整变换器来调整半桥电路的输入电压，使得半桥电路保 持工作在固定频率状态，这样后级半桥谐振变换器省去了主 要使用元器件，相应的体积縮小了，成本降低了。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。 图1为本发明实施例一的电路图； 图2为本发明实施例二的电路图； 图3为本发明实施例三的电路具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明所述的一种高效率低电磁干扰电 源变换器进一歩加以阐述。
在图l所示的实施例一中，滤波电容C2、开关管Q1，开关管Q2、储能L1、充电电容C1连接组成前级非隔离电压调整变换器电路，滤
波电容C2连接在输入电源的输入端和电源参考端之间，开关管Ql 的源极连接电源输入端，开关管Ql的漏极接开关管Q2的源极并经 储能电感Ll连接电源参考端，开关管Q2的漏极为调整变换器的电 压输出端，开关管Ql和开关管Q2的栅极作为反馈信号输入端，充 电电容C1连接在输出端和电源参考端之间。
后级半桥谐振变换器主要由半桥式连接的两个开关管Q3、 Q4 和压电陶瓷变压器连接而成，图中电容Cdl、电阻R、电感L、电容 C、理想l:N变压器和电容Cd2是压电陶瓷变压器的等效电路，本实 施例中现有各型号的压电陶瓷变压器均可采用，上述充电电容C1连 接电源参考端的一端连接开关管Q3的源极，充电电容Cl的另一端 连接开关管Q4的漏极，作为后级半桥谐振变换器的电压输入；两个 开关管Q3、 Q4的栅极分别连接由定频率驱动电路的驱动信号输出 端，开关管Q3的漏极和开关管Q4的源极连接，其中开关管Q4的 漏极和源极连接压电陶瓷变压器的输入端，构成半桥式连接电路，压 电陶瓷变压器的输出端连接负载。
反馈控制电路主要包括负反馈电路、光耦隔离电路、PWM控制 电路以及驱动电路；在变压器输出端，如果所接是一等效电阻负载， 即输出为交流，电压采样将比较复杂，负反馈电路中反馈电压采样部 分主要包括第一分压电阻Rsensel、 二极管Dl 、第二分压电阻 Rsense2、滤波电容C3，后级半桥谐振变换器的输出端经第一分压电 阻连接二极管的阳极，二极管的阴极一路经第二分压电阻接地，二极管的阴极一路经滤波电阻和滤波电容接地，经二极管D1的单向导通 特性，取得输出电压的半波，再由滤波电阻和滤波电容进行滤波从而 得到可以反映输出电压信息的直流平滑电压反馈信号，电压反馈信号 经负反馈放大、光耦隔离、PWM控制电路以及驱动电路，输出两路 反馈控制信号分别连接前级非隔离电压调整变换器中开关管Ql，开
关管Q2的栅极。上述反馈控制电路中可以选用各种常用反馈放大电 路模块、隔离光耦和PWM芯片，也可将负反馈电路和PWM控制电 路集成在一个芯片中完成，如UC3843等都可实现反馈控制的功能。
电源信号先通过前级非隔离的电压调整变换器转换为稳定电压 后，再输入后级半桥谐振变换器，后级半桥谐振变换器相当于一个固 定变压比的功率变换器，输入的稳定电压再经过压电陶瓷变压器功率 变换后直接输出给负载供电；同时，压电陶瓷变压器的输出电压经采 样反馈信号通过反馈控制电路直接去控制前级的非隔离电压调整变 换器，使前级电压调整变换器输出的稳定电压是一个能使随着负载不 同而变化的值，保持后级半桥谐振变换器工作在固定频率状态。
具体电路工作原理如下开关管Ql和Q2互补导通，开关管Q1 导通时输入电压施加在储能电感Ll上，开关管Q2导通时储存在储 能电感Ll中的能量释放到充电电容Cl上，通过控制开关管Ql和 Q2的占空比，可以达到使C1电容上电压稳定的效果。而从图中可以 看出，反馈控制输出的两路反馈控制信号分别连接前级非隔离电压调 整变换器中开关管Q1，开关管Q2的栅极，以同步整流的形式驱动， 即Q1、 Q2轮流互补且有一定的死区导通，相比续流二极管电路来说减小了导通损耗，从而提高效率。通过反馈控制环路，开关管Q1和 Q2的占空比是由最后输出电压控制的，因此充电电容C1上的电压是 一个能使最终输出电压稳定而随着负载不同而变化的值。
开关管Q3、 Q4是半桥电路的上下管，在此电路中工作在固定频 率固定占空比且互不导通的状态，因此整个半桥电路就相当于一个固 定变压比的功率变换器，定频率驱动电路的频率与压电陶瓷变压器的 谐振频率相关，通过设定定频率驱动电路的驱动频率，配合压电陶瓷 变压器的谐振频率点，使两个开关管处于谐振软开关工作状态。设定 过程中先测试出压电陶瓷变压器在空载和负载情况下的固有频率，然 后设置定频率驱动电路的工作频率略高于测试所得的固有频率，考虑 压电陶瓷变压器的批次不稳定情况，设置的频率通常高于固有频率 10%左右。此时两个开关管的转换频率即为后级半桥谐振变换器固定 工作频率。
由于通过反馈控制前级非隔离电路最终输出电压稳定而随着负 载不同而变化的值，来调整后级半桥谐振变换器的输入电压，使得半 桥电路可以保持工作在固定频率状态，仍然可以得到稳定的输出电 压。这样做就使后级半桥谐振变换器一直工作在能够实现软开关的固 定工作频率点上，使得变换器的效率能够在不同的输入电压情况下都 比较高，且谐振工作模式EMI的性能会很好。
图2所示实施例与图1基本相同，不同之处在于反馈控制电路。 实施例一中该光耦隔离电路连接于反馈电路和PWM控制电路之间。 而实施例二中反馈控制电路中设有隔离驱动电路，该隔离驱动电路连接于PWM控制电路与前级电压调整变换器之间，隔离驱动电路同时 实现隔离和驱动两种功能。
图3所示实施例与图1基本相同，不同之处在于实施例一中非隔 离的电压调整变换器电路以同步整流的形式驱动；而实施例三中将非 隔离的电压调整变换器电路以非同步整流的形式来驱动，在本实施例 三中将非隔离的电压调整变换器电路中省去一个开关管Q2，取而代
之的是一个续流二极管D2，而二极管的连接方向与Q2内部寄生二 极管的方向相同。前级非隔离的电压调整变换器主要包括滤波电容 C2、开关管Q1，续流二极管D2、储能电感L1、充电电容C1，滤波 电容C2连接在输入电源的输入端和电源参考端之间，开关管Q1的 源极连接电源输入端，开关管Ql的漏极接续流二极管D2的阴极并 经储能电感Ll连接电源参考端，续流二极管D2的阳极为调整变换 器的电压输出端，开关管Q1的栅极作为反馈信号输入端，充电电容 Cl连接在输出端和电源参考端之间。当Ql关闭时候，电感拉动电流 自动从续流二极管中通过。上述前级非隔离电压调整变换器电路的在 现有技术中还有多种方式。
因此，本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利 用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术 思想前提下，本发明中具体实施电路还可以做出其它多种形式的修 改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1、一种高效率低电磁干扰电源变换器，包括前级非隔离的电压调整变换器，后级半桥谐振变换器，其特征在于还包括反馈控制电路；所述后级半桥谐振变换器主要由半桥式连接的第三、第四开关管和压电陶瓷变压器连接而成，其工作频率恒定；电源信号先通过前级非隔离的电压调整变换器转换为稳定电压后，再输入后级半桥谐振变换器，后级半桥谐振变换器相当于一个固定变压比的功率变换器，输入的稳定电压再经过压电陶瓷变压器功率变换后直接输出给负载供电；同时，压电陶瓷变压器的输出电压经采样反馈信号通过反馈控制电路直接去控制前级的非隔离电压调整变换器，使前级电压调整变换器输出的稳定电压是一个能使随着负载不同而变化的值，保持后级半桥谐振变换器工作在固定频率状态。
2、 根据权利要求1所述的高效率低电磁干扰电源变换器，其特 征在于所述第三、第四开关管的栅极由定频率驱动电路驱动，定频 率驱动电路的频率与压电陶瓷变压器的谐振频率相关，实现两个开关 管处于谐振软开关工作状态，两个开关管的转换频率即为固定工作频 率。
3、 根据权利要求1或2所述的高效率低电磁干扰电源变换器， 其特征在于所述反馈控制电路主要包括反馈电路和PWM控制电路 连接，反馈电路的反馈电压采样部分连接后级半桥谐振变换器的输 出，PWM控制电路控制输出连接前级电压调整变换器，通过反馈环 路控制前级电压调整变换器中开关管的占空比，实现输出的稳定电压 随着负载不同而变化。
4、 根据权利要求3所述的高效率低电磁干扰电源变换器，其特 征在于所述反馈控制电路中设有光耦隔离电路，该光耦隔离电路连 接于反馈电路和PWM控制电路之间。
5、 根据权利要求3所述的高效率低电磁干扰电源变换器，其特征在于所述反馈控制电路中设有隔离驱动电路，该隔离驱动电路连接于PWM控制电路与前级电压调整变换器之间。
6、 根据权利要求3所述的高效率低电磁干扰电源变换器，其特征在于所述反馈电压采样部分电路主要包括第一分压电阻、第一二极管、第二分压电阻、滤波电容，后级半桥谐振变换器的输出端经第 一分压电阻连接二极管的阳极，第一二极管的阴极一路经第二分压电 阻接地，第一二极管的阴极一路经滤波电容接地，经第一二极管的单 向导通特性，取得输出电压的半波，再由滤波电阻和滤波电容进行滤 波从而得到可以反映输出电压信息的直流平滑电压反馈信号。
7、 根据权利要求1所述的高效率低电磁干扰电源变换器，其特征在于所述前级非隔离的电压调整变换器主要包括第二滤波电容、第 一开关管，第二开关管、储能电感、第一充电电容，第二滤波电容连 接在输入电源的输入端和电源参考端之间，第一开关管的源极连接电 源输入端，第一开关管的漏极接第二开关管的源极并经储能电感连接 电源参考端，第二开关管的漏极为调整变换器的电压输出端，第一开 关管和第二开关管的栅极作为反馈信号输入端，第一充电电容连接在 输出端和电源参考端之间。
8、 根据权利要求1所述的高效率低电磁干扰电源变换器，其特征在于所述前级非隔离的电压调整变换器主要包括第二滤波电容、第 一开关管，续流二极管、储能电感、第一充电电容，第二滤波电容连 接在输入电源的输入端和电源参考端之间，第一开关管的源极连接电 源输入端，第一开关管的漏极接续流二极管的阴极并经储能电感连接 电源参考端，续流二极管的阳极为调整变换器的电压输出端，第一开 关管的栅极作为反馈信号输入端，第一充电电容连接在输出端和电源 参考端之间。
全文摘要
一种高效率低电磁干扰电源变换器，包括前级非隔离的电压调整变换器，后级半桥谐振变换器，还包括反馈控制电路；所述后级半桥谐振变换器主要由半桥式连接的第三、第四开关管和压电陶瓷变压器连接而成；电源信号通过前级非隔离的电压调整变换器转换为稳定电压，输入后级半桥谐振变换器，输入的稳定电压经过压电陶瓷变压器功率变换后直接输出给负载供电；压电陶瓷变压器的输出电压经采样反馈信号通过反馈控制电路直接去控制前级的非隔离电压调整变换器，使前级电压调整变换器输出的稳定电压是一个能使随着负载不同而变化的值。变换器的效率能够在不同的输入电压下都比较高，后级半桥谐振变换器省去主要使用元器件，体积缩小，成本降低。
文档编号H02M3/335GK101582640SQ20091004041
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者张红军, 黄江剑, 晟 龚 申请人:广州金升阳科技有限公司