专利名称：一种基于压电变压器的电源变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源电路，特别涉及基于压电变压器的电源变换器，主要对压电变压器式电源变换器的驱动电路部分进行改进。
背景技术：
压电变压器为新一代电子变压器，基本原理是在一次侧输入与变压器谐振频率相同的电压，在二次侧因压电效益转换而产生高压输出。压电变压器的能量转换来源为输入电压在压电体厚度方向及长度方向均因受极化而产生的储能，因而具有电能输入经压电体内机械振动而在二次侧产生高压输出的功效。由于具有传输功率密度大、结构简单、抗干扰能力强、不怕短路等优点，压电变压器在电子变压领域有广阔的发展空间。目前压电变压器作为传输能量的一个电子器件，在电源行业内早已有许多研究人员对其驱动电路进行研究。压电变压器的驱动信号必须是一个与压电变压器的谐振频率基本一致的交流信号，这样才能使压电变压器工作。由于压电变压器的谐振频率受外部使用环境温度、负载、内部温度等影响而发生变化，因此压电变压器的驱动电路一般要求对压电变压器的谐振频率进行跟踪，以便保证压电变压器工作在最佳状态。但压电变压器一直工作在谐振频率点时，当负载减轻时其输出电压将大幅升高， 当负载增加时其输出电压将大幅度下降。对于一个开环电路来讲，这是不希望见到的。而将压电变压器的驱动信号工作频率设置在谐振点的右半波靠近谐振点附近，上述负载变化所产生的影响将受到一定程度的减弱。由于压电变压器工作在谐振点时其输出电压随电压输入线性变化；相对于一个开环电路而言，这也是不希望看到的。要解决这些问题一般采用闭环结构，当输入输出间需要进行隔离时则需要进一步配合光电耦合器进行设计，其结果是大大增加了成本和体积。但对于一些微功率场合，过高的电压稳定度是不必要的。另外、压电变压器属于一种高阻态的功率传输器件，其输出电压受负载变化的影响很大。在一些对输出电压精度要求较高的场合，作为功率传输变压器，压电变压器方案与现有磁电变压器方案在性能上仍有一些差距。但在一些对输出电压精度要求不高的微功率变换器场合，特别是一些对体积要求较高的场合，压电变压器方案在成本上远优于磁电变压器方案，且在性能上与电磁变压器相差不大。一般闭环结构的他激式压电变压器驱动电路由控制IC、功率开关管、光电耦合器、误差放大器、比较器、电感和电容等器件组成。显然， 这种电路结构复杂，难以实现产品小型化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低成本、小型化、性能稳定的基于压电变压器的电源变换器，可以自动跟踪压电变压器谐振频率，具有较好的调频特性。为解决以上技术问题，本发明所提供的技术方案是一种基于压电变压器的电源变换器，依次包括一输入滤波电路(100)、一驱动电路000)、一压电变换器000)、一输出整流电路(500)及一输出滤波电路阳00)，所述驱动电路(200)中包括一控制芯片(ICl)及一芯片外围电路，构成一压控振荡电路；所述控制芯片(ICl)经一反馈电路(300)引入所述压电变压器G00)的当前谐振频率信号，用于实现所述控制芯片(ICl)的驱动频率自动跟
S示ο较优地，所述控制芯片(ICl)为555 IC芯片。较优地，所述芯片外围电路包括阻(R1)、电阻(R2)及电容(C2)，其中电压输入正端依次经所述电阻(Rl)、所述电阻(R2)及所述电容(C2)后接于电压输入负端；所述控制芯片(ICl)的接地脚⑴接地；触发脚(2)和门限脚(6)的共同结点接于所述电阻(R2)和所述电容(以)之间，输出脚C3)接于所述压电变压器G00)的第一输入电极(A)，复位脚 ⑷和电源电压脚⑶的共同结点接于电压输入正端，控制电压脚(5)接于所述反馈电路 (300)的输出端，放电脚(7)接于所述电阻(Rl)和所述电阻(R2)之间。较优地，所述压电变压器(400)包括第一输入电极㈧、第二输入电极⑶、第一输出电极(C)、第二输出电极(D)和反馈电极(E)，其中所述第一输入电极(A)接于所述控制芯片(ICl)的输出脚(3)；所述第二输入电极(B)接地；所述第一输出电极(C)接于所述输出整流电路(500)的一个输入端；所述第二输出电极(D)接于所述输出整流电路(500)的另一个输入端；所述反馈电极(E)接于所述反馈电路(300)的输入端。较优地，所述反馈电路(300)包括耦合电阻(R3)，所述耦合电阻(R3)接于所述压电变压器⑷的反馈电极(E)和所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)之间。较优地，所述反馈电路(300)包括耦合电容，所述耦合电容接于所述压电变压器 ⑷的反馈电极(E)和所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)之间。较优地，所述反馈电路(300)包括二极管(Dl)、电阻(R3)、电阻(R4)、电阻(R5)、 电容(O)及NPN三极管(Q2)，其中所述压电变压器(400)的反馈电极(E)依次经所述二极管(Dl)、所述电阻(R4)、所述NPN三极管的基极、所述NPN三极管的集电极、 所述电阻(R3)后接于所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)；所述电容(C3)和所述电阻 (R5)并接后一端接于所述二极管(Dl)和所述电阻(R4)之间，另一端接于电压输入负端、所述NPN三极管0^2)的发射极和地三者的共同结点。较优地，所述压电变压器(400)包括第一输入电极㈧、第二输入电极⑶、第一输出电极(C)和第二输出电极(D)，其中所述第一输入电极(A)接于所述控制芯片(ICl)的输出脚⑶；所述第二输入电极⑶接于所述反馈电路(300)的输入端；所述第一输出电极 (C)接于所述输出整流电路(500)的一个输入端；所述第二输出电极(D)接于所述输出整流电路(500)的另一个输入端。较优地，所述反馈电路(300)包括二极管(D1)、二极管(D6)、电阻(R3)、电阻 (R4)、电阻(R5)、电容(C3)、NPN三极管(Q2)，其中所述压电变压器^)0)的第二输入电极(B)依次经所述二极管(Dl)、所述电阻(R4)、所述NPN三极管的基极、所述NPN三极管0^2)的集电极、所述电阻(R3)后接于所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)；所述电容(C3)和所述电阻(R5)并接后一端接于所述二极管(Dl)和所述电阻(R4)之间，另一端接于电压输入负端、所述NPN三极管(Q2)、所述NPN三极管的发射极和地三者的共同结点；所述二极管(D6)的阳极电压输入负端，阴极接于所述压电变压器G00)的第二输入电极⑶。较优地，还包括一 LC谐振驱动电路(700)，接于所述驱动电路(200)和所述压电变压器(400)之间，所述LC谐振驱动电路(700)包括电感(Li)及MOS管(Q1)，其中所述电感(Li)的一端接于所述压电变压器G00)的第一输入电极(A)，另一端接于所述压电变压器G00)的第二输入电极(B)；所述MOS管Oil)的栅极接所述控制芯片(ICl)的输出脚 (3)，源极接地，漏极经所述电感(Li)后接于所述控制芯片(ICl)的复位脚0)。与现有技术相比，本发明基于压电变压器的电源变换器技术方案的最大优点是 驱动电路可以摒弃传统电路中使用电感和开关管组成的电路进行驱动的方式，而改用控制芯片来实现；由此，在所需输出功率较小的场合内可以去掉体积较大的电感器件，从而实现小型化。具体而言，与现有压电变压器功率传输方案相比，本发明包括但不仅限于以下优点1、驱动电路无需开关管、电感等大体积的元器件，因而易于实现产品体积小型化；2、驱动电路结构结单，制作成本低；3、实现预稳压输出特点，降低因电压输入波动对输出电压的影响；4、采用输入反馈电极信号采样，提升了产品效率；5、具有压电变压器工作频率自动跟踪和较正的功能。
图1为本发明基于压电变压器的电源变换器的电路原理结构框图；图2为本发明通过压电变压器反馈电极取样、电阻耦合的第一实施例电路图；图3为在图2的基础上增LC谐振驱动电路的第二实施例电路图；图4为本发明通过压电变压器反馈电极取样、IC的5脚电平控制IC输出频率的第三实施例电路图；图5为本发明通过压电变压器输入功率回路取样、IC的5脚电平控制IC输出频率的第四实施例电路图。
具体实施例方式本发明的核心部分在于压电变压器驱动电路采用控制芯片(IC)，其控制电压脚通过反馈自动引入压电变压器的当前谐振频率信号，从而实现驱动频率的自动跟踪功能，完成对压电变压器输出电压的调节。对于本发明而言，控制芯片的驱动频率总是落在压电变压器频率的右半波靠近谐振点附近且稳定下来。选择控制芯片驱动频率点在压电变压器谐振点的右半边，从而可有效实现利用阳5 IC对其驱动频率进行小范围的频率调节。当电压输入稳定时，控制芯片输出信号的频率受控于压电变压器的反馈频率；当输入变化时，其变量将与压电变压器反馈信号一同影响控制芯片的输出信号频率；由此，实现对输出电压的调节。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，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。参见图1，为本发明基于压电变压器的微功率电源变换器(以下简称变换器)的功能框图，其中电压输入依次经输入滤波电路1OO、驱动电路200、压电变压器400、输出整流电路500、输出滤波电路600后输出；在驱动电路200和压电变压器400之间有一反馈电路300 ；驱动电路200由控制芯片及芯片外围电路构成压控振荡电路，且控制芯片的控制电压脚经反馈电路300引入压电变压器400的当前谐振频率信号，由此实现控制芯片的驱动频率自动跟踪，完成对驱动信号频率的调整及完成对输出电压的调节。从图1可以看出本变换器电路属于开环结构，因无需功率开关管和电感等大体积元器件，从而有助于实现产品的小型化，下面结合具体实现电路进一步说明。实施例一图2所示实施例一为本发明较为实用的电路图，其中的输入滤波电路100、驱动电路200、压电变压器400、输出整流电路500、输出滤波电路600电路构成具体如下所述输入滤波电路100，由滤波电容Cl组成，连接在电压输入正、负两端。当然，输入滤波电路100也可采用其它形式，如LC滤波、RC滤波等。所述驱动电路200，为电阻R1、电阻R2、电容C2、控制芯片ICl组成的压控振荡电路，电压输入正端依次经电阻R1、电阻R2、电容C2后接于电压输入负端；控制芯片ICl 优选555 IC系列控制芯片，ICl的接地脚1 (GROUND)接地，触发脚2 (TRIGGER)和门限脚 6 (THRESHOLD)的共同结点接于电阻R2和电容C2之间，输出脚3 (OUTPUT)接于压电变压器 400的输入电极A，复位脚4 (RESET)和电源电压脚S(Vcc)的共同结点接于电压输入正端， 控制电压脚5 (C0NTR0LV0LTAGE)接于反馈电路3的输出端，放电脚7 (DISCHARGE)接于电阻 Rl和电阻R2之间。该驱动电路200主要由555 IC控制芯片ICl构成一个多谐振压控振荡电路。起初，多谐振压控振荡电路的输出信号频率由R1、R2、C2的值决定，一般情况下可将其输出信号频率设置在压电变压器400谐振频率略高的频段。最终控制芯片ICl的输出信号频率将会在比压电变压器400谐振频率高一些的频段稳定下来。所述反馈电路300，是通过从压电变压器400的反馈电极E取频率信号再经一个耦合电阻R3耦合到ICl的控制电压脚5来完成频率控制的。一般情况下，压电变压器400作为采样信号的端口是不能直接接入测量端口的，主要是因为直接耦合时电变压器400输出信号中饱含的其它频率的谐波信号将影响到系统。电阻R3的主要作用是起电阻耦合的作用，当然也可以使用电容进行耦合(图中不再描述)。由于压电变压器400本身具有一定的选频特性，因而其反馈端口的输出电压频率与本身谐振频率基本一致。将此反馈信号接控制芯片ICl的控制电压脚5可实现与C2的充放电波型进行相互调制，经过几个周期后，制芯片ICl的输出脚3输出频率与反馈端口电压波型频率一致。而反馈电极E正是利用了压电变压器这一特征，通过系统的自适应过程使得控制芯片ICl的输出电压频率始终保持在比压电变压器谐振频率略高的地方。所述压电变压器400用于功率传输，其第一输入电极A接控制芯片ICl的输出脚 3，第二输入电极B接地，反馈电极E接反馈电路300，第一输出电极C和第二输出电极D分别接于输出整流电路500的一个输入端。当输入端信号基本与其谐振频率一致时，压电变压器400将输入端电能转化为机械能，传输到输出端后再转化为电能。所述输出整流电路500，为公知的桥式整流电路，其包括四个二极管D2、D3、D4、 D5，在此不再赘述。所述输出滤波电路600，为接于电压输出端的电容C4，也可采用LC滤波、RC滤波等电路结构。在该第一实施例中，当压电变压器400工作时，从输入反馈电极E中取一信号；该频率信号可用来调节一低成本的现有定时电路，它可以直接耦合到压电变压器400的输入端口，也可以通过下述第二实施例中的LC谐振驱动电路700中。通过LC谐振驱动电路700 驱动压电变压400的优点是，提高了压电变压器传输效率，且能在一定程度上降低压电变压器错误选择其它频率的现象。实施例二图3所示第二实施例为在第一实施例中基础上增加了以LC谐振驱动电路700。该 LC谐振驱动电路700由电感Li、MOS管Ql组成；电感Ll与压电变压器400的两个输入电极A、B相连；MOS管Ql栅极接控制芯片ICl的输出脚3，源极接地，漏极经电感Ll后接于控制芯片ICl的复位脚4。在第一实施例中，由于IC输出端口灌电流的能力有限，因而一般只局限于微功率传输模块上。而本实施例增加了 LC谐振驱动电路700，可以使得本发明电路往传输功率更高的模块发展。所述LC谐振驱动电路700的工作过程是当MOS管Ql导通时，电感Ll存储能量； 当MOS管Ql关断时，电感Ll释放能量，并与压电变压器400的输入端电容发生谐振。一般来讲，Ll取值应尽量使得其谐振频率与压电变压器的谐振频率一致。实施例三图4所示实施例三为通过压电变压器400的反馈电极反馈、IC控制电压脚5的电平控制ICl的输出频率。本实施例与实施例一的区别在于，反馈电路300采用不同电路结构。该反馈电路300由二极管D1、电阻R3、R4、R5、电容C3、NPN三极管Q2组成，其中 反馈电极依次经二极管D1、电阻R4、NPN三极管Q2基极、NPN三极管Q2集电极、电阻R3后接于控制芯片ICl控制电压脚5 ；电容C3和电阻R5并接后一端接于二极管Dl和电阻R4之间，另一端接于电压输入负端、NPN三极管Q2发射极和地三者的共同结点。由555 IC芯片的工作原理可知，当控制芯片ICl的触发脚2电压上升时；其输出脚3输出的驱动信号的频率上升；当控制芯片的2脚电压下降时，其输出脚3输出的驱动信号频率下降。有利的是，当压控振荡电路输出的驱动信号频率大于谐振频率时可满足负反馈控制的条件，从而可以通过负反馈控制来稳定输出电压；而压电变压器400工作时所需要的驱动信号频率须与其谐振频率基本一致，对于驱动波的形状基本上没有限制。由于555 控制芯片输出口灌电流能力可达到200mA，因而555控制芯片输出脚3输出的信号可以直接驱动压电变压器，由此实现微功率传输。本实施例中，压控驱动电路的555控制芯片ICl输出脚3所输出电压信号可接作用于压电变压器400。而取样电压可以来自压电变压器400本身所设置的反馈电极E，其反馈电压的作用是通过改变2脚的阀值电压来实现的。如图2所示，当反馈取样端电压上升时，通过Dl、R4、R5、QU R3的共同作用后，从控制芯片5脚分流的电流值将增大，从而起到改变2脚阀值电压，最终达到调频的目的。实施例四图5实施例四为通过输入功率回路取样，即直接从压电变压器的输入电极B处取样、IC控制电压脚5的电平控制IC输出频率。其与实施例三的不同之处为反馈电路3还包括一只接于压电变压器输入电极B与电压输入负端之间的二极管D6，取样电压则来自压电变压器400谐振时的输入功率回路。类似地，实施例二中的LC谐振驱动电路700也可应用于下述实施例三、实施例四的电路之中，工作原理及工作过程与实施例二相同，在此不再赘述。除上述说明的几种实施电路外，本行业技术人员通过以上描述与附图举例能自然联想到的其它等同应用方案。需说明的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下， 对本发明进行若干的改进和修饰，如输出整流电路可以使用半波整流电路、全波整流电路、 倍压整流电路等；滤波电路可以使用LC滤波、π型滤波等，均落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种基于压电变压器的电源变换器，依次包括一输入滤波电路(100)、一驱动电路 (200)、一压电变换器(400)、一输出整流电路(500)及一输出滤波电路(600)，其特征在于， 所述驱动电路(200)中包括一控制芯片(ICl)及一芯片外围电路，构成一压控振荡电路；所述控制芯片(ICl)经一反馈电路(300)引入所述压电变压器G00)的当前谐振频率信号， 用于实现所述控制芯片(ICl)的驱动频率自动跟踪。
2.根据权利要求1所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述控制芯片 (ICl)为 555 IC 芯片。
3.根据权利要求2所述基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述芯片外围电路包括阻(Rl)、电阻(R2)及电容(C2)，其中电压输入正端依次经所述电阻(Rl)、所述电阻(R2)及所述电容(C2)后接于电压输入负端；所述控制芯片(ICl)的接地脚(1)接地，触发脚⑵和门限脚(6)的共同结点接于所述电阻(R2)和所述电容(C2)之间，输出脚(3) 接于所述压电变压器(400)的第一输入电极(A)，复位脚(4)和电源电压脚⑶的共同结点接于电压输入正端，控制电压脚(5)接于所述反馈电路(300)的输出端，放电脚(7)接于所述电阻(Rl)和所述电阻(R2)之间。
4.根据权利要求3所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述压电变压器(400)包括第一输入电极(A)、第二输入电极(B)、第一输出电极(C)、第二输出电极(D) 和反馈电极(E)，其中所述第一输入电极(A)接于所述控制芯片(ICl)的输出脚(3)；所述第二输入电极(B)接地；所述第一输出电极(C)接于所述输出整流电路(500)的一个输入端；所述第二输出电极(D)接于所述输出整流电路(500)的另一个输入端；所述反馈电极 (E)接于所述反馈电路(300)的输入端。
5.根据权利要求4所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述反馈电路 (300)包括耦合电阻(R3)，所述耦合电阻(R3)接于所述压电变压器(4)的反馈电极(E)和所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)之间。
6.根据权利要求4所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述反馈电路 (300)包括耦合电容，所述耦合电容接于所述压电变压器(4)的反馈电极(E)和所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)之间。
7.根据权利要求4所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述反馈电路 (300)包括二极管(Dl)、电阻(R3)、电阻(R4)、电阻(R5)、电容(C3)及NPN三极管(Q2)，其中所述压电变压器G00)的反馈电极(E)依次经所述二极管(Dl)、所述电阻(R4)、所述 NPN三极管0^2)的基极、所述NPN三极管0^2)的集电极、所述电阻(R3)后接于所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)；所述电容(C3)和所述电阻(R5)并接后一端接于所述二极管(Dl)和所述电阻(R4)之间，另一端接于电压输入负端、所述NPN三极管0^2)的发射极和地三者的共同结点。
8.根据权利要求3所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述压电变压器(400)包括第一输入电极(A)、第二输入电极(B)、第一输出电极(C)和第二输出电极 (D)，其中所述第一输入电极(A)接于所述控制芯片(ICl)的输出脚(3)；所述第二输入电极(B)接于所述反馈电路(300)的输入端；所述第一输出电极(C)接于所述输出整流电路 (500)的一个输入端；所述第二输出电极(D)接于所述输出整流电路(500)的另一个输入端。
9.根据权利要求8所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，所述反馈电路 (300)包括二极管(Dl)、二极管(D6)、电阻(R3)、电阻(R4)、电阻(R5)、电容(C3)、NPN三极管(Q2)，其中所述压电变压器(400)的第二输入电极(B)依次经所述二极管(Dl)、所述电阻(R4)、所述NPN三极管0^2)的基极、所述NPN三极管0^2)的集电极、所述电阻(R3)后接于所述控制芯片(ICl)的控制电压脚(5)；所述电容(C3)和所述电阻(R5)并接后一端接于所述二极管(Dl)和所述电阻(R4)之间，另一端接于电压输入负端、所述NPN三极管0^2)、 所述NPN三极管的发射极和地三者的共同结点；所述二极管(D6)的阳极电压输入负端，阴极接于所述压电变压器G00)的第二输入电极(B)。
10.根据权利要求4 9所述的基于压电变压器的电源变换器，其特征在于，还包括一 LC谐振驱动电路(700)，接于所述驱动电路(200)和所述压电变压器(400)之间，所述LC 谐振驱动电路(700)包括电感(Li)及MOS管(Ql)，其中所述电感(Li)的一端接于所述压电变压器G00)的第一输入电极(A)，另一端接于所述压电变压器000)的第二输入电极⑶；所述MOS管Oil)的栅极接所述控制芯片(ICl)的输出脚(3)，源极接地，漏极经所述电感(Li)后接于所述控制芯片(ICl)的复位脚0)。
全文摘要
本发明公开一种基于压电变压器的电源变换器，依次包括一输入滤波电路(100)、一驱动电路(200)、一压电变换器(400)、一输出整流电路(500)及一输出滤波电路(600)，所述驱动电路(200)中包括一控制芯片(IC1)及一芯片外围电路，构成一压控振荡电路；所述控制芯片(IC1)经一反馈电路(300)引入所述压电变压器(400)的当前谐振频率信号，用于实现所述控制芯片(IC1)的驱动频率自动跟踪。本发明可以自动跟踪压电变压器谐振频率，具有较好的调频特性，因无需电感等体积较大的器件，有助于实现产品小型化。
文档编号H02M3/24GK102170231SQ20111010274
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者余凤兵, 李民, 胡健仁, 黄天华 申请人:广州金升阳科技有限公司