一种开关电源变换器的制作方法

本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源变换器。

背景技术：

开关电源关键技术在90年代的中国正式兴起，开关电源具有重量轻、体积小、功率密度大的特点，而使之得到大面积推广使用；在电性能表现方面，具有稳压精度高，动态特性好、保护电路完善等特点，与线性电源相比最大的优势是具有良好的源效应特性，在宽电压范围的输入电压范围内保证稳定的输出，线性电源因工频变压器固定匝比的特性，只有在特定的输入电压和输出负载电流的条件下，可以保持稳定的输出电压和工作特性，负载动态特性完全无法保证，想要维持良好的动态特性指标必须设计相应的线性稳压电路，最终导致电路效率低下，电能大量浪费。综合以上开关电源各种优点，开关电源开始发挥着越来越重要的作用，并相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了直流开关电源。

开关电源的出现也解决了不同国家和地区母线电压不同引起的电源的不兼容问题，如目前的手机充电器和电脑电源已经可以兼容85V至265V的输入电压范围，保证在世界范围内的电源适配器的统一设计和维护。

目前在电源领域为了兼容110V母线输入电压和220V母线输入电压，图1中的解决方案在大部分应用环境下使用，其开关S1作为220V和110V电压切换使用，220V输入时经过整流桥进行全波整流，开关S1位置掷于3位置，C1、C2为串联的滤波电容，经过全波整流后输出约为260V左右；110V输入时开关S1位置掷于1位置，电压经过整流桥D1和C1、C2形成倍压整流电路，C1、C2全部是110V的半波整流完成，叠加后的电压与220V全波整流电压相当，使母线电压保持相对稳定，完成交流母线的兼容。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

当110V输入时电容处于半波镇流状态，电容充电周期变短，放电时间变长，纹波变大，大负载情况下母线电压不稳定，当220V输入时经过D1的全波整流C1、C2串联整流电容量降为C1和C2容量的一半，滤波效果下降，电源直流高压母线纹波增大，导致功率输出受限、电性能下降。

在1W-10W小功率电源和效率要求不高的应用场景下，可直接使用正激或反激电源变换器解决多种电压输入的兼容问题。在正激电源变换器宽范围输入应用时，由于输入电压范围比较宽，导致在全范围输入电压范围内占空比的变换比较大；随着输入电压的降低，主电路开关管的占空比会相应增加，此时易出现磁饱和现象；而随着输入电压的升高，主电路开关管的占空比会相应减少，此时电源变换器的效率会急剧下降，开关管的电压应力、电流应力、开关损耗都会随之增大，可靠性不能得到保证。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种开关电源变换器，从而克服现有开关电源效率较低的缺陷。

本发明实施例提供的一种开关电源变换器，包括：整流电路、变压器、第一场效应管、第二场效应管、第一谐振电容、第二谐振电容、输出电路、第一电阻和第二电阻，变压器包括第一初级线圈、第二初级线圈和次级线圈；

第一初级线圈与第一谐振电容并联，且第一初级线圈的第一输入端与第一场效应管的漏极相连，第一初级线圈的第二输入端与整流电路的正输出端相连；第一场效应管的栅极用于接收第一方波信号，第一场效应管的源极串联所述第一电阻后接地；

第二初级线圈与第二谐振电容并联，且第二初级线圈的第一输入端与第二场效应管的漏极相连，第二初级线圈的第二输入端与整流电路的正输出端相连；第二场效应管的栅极用于接收第二方波信号，第二场效应管的源极串联所述第二电阻后接地；

次级线圈的第一输出端和第二输出端与输出电路相连，且次级线圈的第一输出端为负输出端；第一初级线圈的第一输入端、第二初级线圈的第一输入端和次级线圈的第一输出端互为同名端。

在一种可能的实现方式中，第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极可选择地由二者中之一接收方波信号。

在一种可能的实现方式中，该开关电源变换器还包括：方波发生电路，方波发生电路用于输出第一方波信号或第二方波信号，且不同时输出第一方波信号和第二方波信号；

方波发生电路的第一输出端与第一场效应管的栅极相连，用于向第一场效应管的栅极输出第一方波信号；方波发生电路的第二输出端与第二场效应管的栅极相连，用于向第二场效应管的栅极输出第二方波信号。

在一种可能的实现方式中，方波发生电路包括：方波发生器、双向开关和外围电路；外围电路与方波发生器相连，方波发生器的输出端与双向开关的输入端相连，双向开关的第一输出端与第一场效应管的栅极相连，双向开关的第二输出端与第二场效应管的栅极相连；

外围电路用于采集状态信号，并将状态信号发送至方波发生器；方波发生器用于根据状态信号产生相应的方波信号，并将方波信号发送至双向开关。

在一种可能的实现方式中，方波发生电路的第一采集端与第一场效应管的源极相连，用于采集第一电流信号；方波发生电路的第二采集端与第二场效应管的源极相连，用于采集第二电流信号；方波发生电路的反馈端与输出电路的正输出端相连，用于采集输出电压；

方波发生电路根据第一电流信号和输出电压调整第一方波信号的占空比；和/或方波发生电路根据第二电流信号和输出电压调整第二方波信号的占空比。

在一种可能的实现方式中，当第一场效应管的栅极接收第一方波信号时，开关电源变换器的占空比的最大值不超过60％；当第二场效应管的栅极接收第二方波信号时，开关电源变换器的占空比的最大值不超过60％。

在一种可能的实现方式中，整流电路包括整流桥和第一滤波电容；整流桥的输入端用于接收工频交流电，整流桥的正输出端为整流电路的正输出端，整流桥的负输出端接地；第一滤波电容的一端与整流桥的正输出端相连，另一端与整流桥的负输出端相连。

在一种可能的实现方式中，输出电路包括：整流二极管、续流二极管、滤波电感和第二滤波电容；整流二极管的阳极与次级线圈的第二输出端相连，阴极与滤波电感的一端相连；滤波电感的另一端为输出电路的正输出端，且与第二滤波电容的一端相连，滤波电容的另一端接地；续流二极管的阳极与次级线圈的第一输出端相连，阴极与整流二极管的阴极相连。

在一种可能的实现方式中，该开关电源变换器还包括：第一电阻和第二电阻；

第一场效应管的源极串联第一电阻后接地；第二场效应管的源极串联第二电阻后接地。

在一种可能的实现方式中，第一初级线圈与第二初级线圈之间的匝数比的取值范围为[1/3,2/3]。

在一种可能的实现方式中，第一初级线圈与第二初级线圈之间的匝数比为1:2。

本发明实施例提供的一种开关电源变换器，第一初级线圈和第二初级线圈为相互独立的励磁线圈，分别与第一场效应管和第二场效应管组成正激电源变换器，通过第一方波信号和第二方波信号可以有效控制开关电源变换器的占空比，使得开关电源变换器的占空比不会过大或过小，电源变换器尽可能工作在效率最优的位置处，从而可以提高开关电源变换器的整体效率。通过多组励磁线圈实现了在两种甚至更多种电压等级情况下的高效转换，同时能满足更宽输入电压的要求，可以实现在直流48V通信网络、飞机交流110V电压等级网络、家用交流220V输入网络、三相交流380V电压等级输入全范围兼容。该开关电源变换器在不改变拓扑型式和工作原理的情况下，通过增加一组或多组其励磁线圈，完成在不同输入电压场景下的应用，使得开关电源变换器适用于更宽的输入电压；在宽输入电压的情况下选择相适应的励磁线圈，变换器一直工作在最优占空比，保证电源工作在最优效率范围内，从而保证电源的转换效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中开关电源的电路图；

图2为本发明实施例中开关电源变换器的第一电路图；

图3为本发明实施例中开关电源变换器的第二电路图；

图4为本发明实施例中方波发生电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

根据本发明实施例，提供了一种开关电源变换器，图2为该开关电源变换器的结构图，具体包括：整流电路10、变压器T1、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第一谐振电容C3、第二谐振电容C4、输出电路20、第一电阻R3和第二电阻R4。其中，变压器T1包括第一初级线圈N1、第二初级线圈N2和次级线圈N3。整流电路10用于将输入的交流电整流为稳定的直流电，并通过整流电路的正输出端Vin+输出稳定的直流电。输出电路20用于对次级线圈输出的直流电进行稳压和续流处理，从而使得开关电源变换器输出稳定的直流电。

具体的，第一初级线圈N1与第一谐振电容C3并联，且第一初级线圈N1的第一输入端与第一场效应管Q1的漏极相连，第一初级线圈N1的第二输入端与整流电路10的正输出端Vin+相连；第一场效应管Q1的栅极用于接收第一方波信号VG1，第一场效应管Q1的源极串联第一电阻R3后接地。

第二初级线圈N2与第二谐振电容C4并联，且第二初级线圈N2的第一输入端与第二场效应管Q2的漏极相连，第二初级线圈N2的第二输入端与整流电路10的正输出端Vin+相连；第二场效应管Q2的栅极用于接收第二方波信号VG2，第二场效应管Q2的源极串联第二电阻R4后接地。第一电阻R3和第二电阻R4具体为采样电阻；同时，串联第一电阻R3和第二电阻R4以保护相应的正激电源变换器，防止电流过大时击穿场效应管。

次级线圈N3的第一输出端和第二输出端分别与输出电路20相连，且次级线圈N3的第一输出端为负输出端；同时，参见图2所示，第一初级线圈N1的第一输入端、第二初级线圈N2的第一输入端和次级线圈N3的第一输出端互为同名端。

本发明实施例提供的一种开关电源变换器，第一初级线圈和第二初级线圈为相互独立的励磁线圈，分别与第一场效应管和第二场效应管组成正激电源变换器，通过第一方波信号和第二方波信号可以有效控制开关电源变换器的占空比，使得开关电源变换器的占空比不会过大或过小，电源变换器尽可能工作在效率最优的位置处，从而可以提高开关电源变换器的整体效率。

在一种可能的实现方式中，第一场效应管Q1的栅极和第二场效应管Q2的栅极可选择地由二者中之一接收方波信号。即第一场效应管Q1和第二场效应管Q2不同时接收方波信号，或者说二者不同时工作。应当理解的是，可选择地由二者中之一接收方波信号可以通过设置双向开关手动实现，也可以通过设置自动控制的开关实现，该自动控制的开关通过采集控制信号(如输出电压或回路中的电流信号等)确定开关导通的方向。

具体的，当第一场效应管Q1接收第一方波信号时，第二场效应管Q2处于关闭状态，即第二场效应管Q2不导通；相应的，当第二场效应管Q2接收第二方波信号时，第一场效应管Q1处于关闭状态，即第一场效应管Q1不导通。同时，为了保证开关电源变换器的效率，当第一场效应管Q1的栅极接收第一方波信号时，开关电源变换器的占空比的最大值不超过60％；当第二场效应管Q2的栅极接收第二方波信号时，开关电源变换器的占空比的最大值不超过60％。可选的，占空比的最大值可以设为50％。

具体的，第一初级线圈N1的匝数与第二初级线圈N2的匝数不同，根据实际情况设置二者之间的匝数比，第一初级线圈N1与第二初级线圈N2之间的匝数比的取值范围为[1/3,2/3]，即在1:3与2:3之间。由于国内交流电为220V，国外大部分为110V电压等级，二者之间的比值为1:2，故可选的，第一初级线圈N1与第二初级线圈N2之间的匝数比为1:2或2:1。

以第一初级线圈N1与第二初级线圈N2之间的匝数比为1:2为例，即N₁：N₂＝1:2，其中，N₁为第一初级线圈N1的匝数，N₂为第二初级线圈N2的匝数。

当输入电压为220V电压等级时，Q1处于关闭状态，Q2受控，即此时第二场效应管Q2接收第二方波信号；经过整流电路10滤波整流后的直流电压约为260V左右，该直流电输入到第二初级线圈N2，工作方式为单向励磁，此时由第二初级线圈N2和次级线圈N3组成正激电路拓扑，开关电源变换器的占空比为D＝Vo×N₂/Vin×N₃，其中，Vo为次级线圈N3的输出电压，Vin第二初级线圈N2的输入电压。

此时，开关电源变换器随着占空比的增大效率会相应提升，但是由于磁芯单向励磁的特性，在开关管第二场效应管Q2关闭期间，第二谐振电容C4进行剩磁复位，若占空比过大则易造成磁饱和，故占空比最大不宜超过50％。但是正激有源嵌位拓扑型式占空比可根据实际情况进行增大，设定在220V±20％最低点电压176V时电源变换器的占空比为50％，那么其变压器T1的匝比K₁＝N₂/N₃即为某个确定的值，并且此时开关电源变换器工作在效率的最优曲线位置，保证的产品效率的同时，提高了整机的产品可靠性。

同理，当输入电压为110V电压等级时，Q2处于关闭状态，Q1受控，即此时第一场效应管Q1接收第一方波信号；经过整流电路10整流滤波后的直流电压约为130V左右，其作为第一初级线圈N1的直流输入电压，因T1变压器的匝比N₁：N₂＝1：2左右，如图2所示，此时由N1、N3组成正激电路拓扑，其占空比为D＝Vo*N₁/Vin*N₃，输入电压Vin为第二初级线圈N2工作电压的一半，所以当变压器T1的另一匝比K₂＝N₁/N₃、N₁：N₂＝1：2时，K₂＝K₁/2。同样的，设定在110V±20％最低点电压88V时，占空比D的值保持在50％左右，从而保证在输入电压为110V电压等级时开关电源变换器也可以工作在效率最优的位置。

本发明实施例提供的开关电源变换器，通过多组励磁线圈实现了在两种甚至更多种电压等级情况下的高效转换，同时能满足更宽输入电压的要求，可以实现在直流48V通信网络、飞机交流110V电压等级网络、家用交流220V输入网络、三相交流380V电压等级输入全范围兼容。同时，第一场效应管和第二场效应管不同时接收方波信号，从而实现对两个励磁线圈的切换。

在一种可能的实现方式中，参见图3所示，整流电路10包括整流桥D4和第一滤波电容C5；整流桥D4的输入端用于接收工频交流电，整流桥D4的正输出端即为整流电路10的正输出端Vin+，整流桥D4的负输出端接地。第一滤波电容C5的一端与整流桥D4的正输出端相连，另一端与整流桥D4的负输出端相连。整流桥用于将工频交流电整流为直流电，第一滤波电容用于对整流后的直流电进行滤波，得到稳定的直流电。

可选的，参见图3所示，输出电路20包括：整流二极管D2、续流二极管D3、滤波电感L1和第二滤波电容C6。整流二极管D2的阳极与次级线圈N3的第二输出端相连，阴极与滤波电感L1的一端相连；滤波电感L1的另一端为输出电路20的正输出端，且与第二滤波电容C6的一端相连，第二滤波电容C6的另一端接地；续流二极管D3的阳极与次级线圈N3的第一输出端相连，阴极与整流二极管D2的阴极相连。当开关管(第一场效应管Q1或第二场效应管Q2)导通时，次级线圈N3输出直流电，此时整流二极管D2工作，输出电路20的正输出端Vo输出直流电；当开关管关断时，变压器T1不传输电能，此时续流二极管D3、滤波电感L1和第二滤波电容C6组成续流回路，以防止器件受损。

在一种可能的实现方式中，该开关电源变换器还包括：方波发生电路，方波发生电路用于输出第一方波信号或第二方波信号，且不同时输出第一方波信号和第二方波信号；即方波发生电路分时输出第一方波信号或第二方波信号。具体的，方波发生电路的第一输出端与第一场效应管Q1的栅极相连，用于向第一场效应管Q1的栅极输出第一方波信号；方波发生电路的第二输出端与第二场效应管Q2的栅极相连，用于向第二场效应管Q2的栅极输出第二方波信号。

本发明实施例中，方波发生器用于产生第一方波信号或第二方波信号，并调节第一方波信号或第二方波信号的占空比，从而控制第一场效应管或第二场效应管的工作状态。具体的，方波发生电路包括：方波发生器、双向开关和外围电路；外围电路与方波发生器相连，方波发生器的输出端与双向开关的输入端相连，双向开关的第一输出端与第一场效应管的栅极相连，双向开关的第二输出端与第二场效应管的栅极相连。其中，外围电路用于采集状态信号，并将状态信号发送至方波发生器；方波发生器用于根据状态信号产生相应的方波信号，并将方波信号发送至双向开关。该状态信号包括：流经第一场效应管Q1源极的第一电流信号、流经第二场效应管Q2源极的第二电流信号和输出电路20所输出的输出电压；该方波信号具体为第一方波信号或第二方波信号。

具体的，方波发生器的一种电路图参见图4所示，其中，方波发生电路的第一采集端CS1与第一场效应管Q1的源极相连，用于采集第一电流信号；方波发生电路的第二采集端CS2与第二场效应管Q2的源极相连，用于采集第二电流信号；方波发生电路的反馈端与输出电路20的正输出端Vo相连，用于采集输出电压。方波发生电路根据第一电流信号和输出电压调整第一方波信号的占空比；和/或方波发生电路根据第二电流信号和输出电压调整第二方波信号的占空比。

其中，方波发生器为图4中的方波发生芯片IC2，双向开关为开关S2，其余电路组成该外围电路，且外围电路包括第一采集端CS1、第二采集端CS2和反馈端。方波发生器的输出端Output输出第一方波信号或第二方波信号，双向开关S2的输入端2接收方波信号，并根据方波信号的类型确定该方波信号为第一方波信号还是为第二方波信号，进而导通双向开关S2的第一输出端1或第二输出端3，择一输出方波信号；通过图4中的双向开关S2可以实现输出第一方波信号VG1或第二方波信号VG2。其中，该双向开关S2可以为手动的拨码开关，也可以为自动控制的开关，根据输入电压、输出电压或其他信号(如第一电流信号或第二电流信号等)确定开关导通的方向。

本发明实施例提供的一种开关电源变换器，第一初级线圈和第二初级线圈为相互独立的励磁线圈，分别与第一场效应管和第二场效应管组成正激电源变换器，通过第一方波信号和第二方波信号可以有效控制开关电源变换器的占空比，使得开关电源变换器的占空比不会过大或过小，电源变换器尽可能工作在效率最优的位置处，从而可以提高开关电源变换器的整体效率。通过多组励磁线圈实现了在两种甚至更多种电压等级情况下的高效转换，同时能满足更宽输入电压的要求，可以实现在直流48V通信网络、飞机交流110V电压等级网络、家用交流220V输入网络、三相交流380V电压等级输入全范围兼容。该开关电源变换器在不改变拓扑型式和工作原理的情况下，通过增加一组或多组其励磁线圈，完成在不同输入电压场景下的应用，使得开关电源变换器适用于更宽的输入电压；在宽输入电压的情况下选择相适应的励磁线圈，变换器一直工作在最优占空比，保证电源工作在最优效率范围内，从而保证电源的转换效率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。