变压器状态监测电路及有源钳位开关电源的制作方法

本实用新型涉及有源钳位技术的开关电源技术领域，尤其是涉及变压器状态监测电路及有源钳位开关电源。

背景技术：

开关电源是一种采用开关方式工作的直流稳压电源，具有转换效率高、体积小、控制精度高等优点，广泛应用于消费类电子、通信、电气、能源、航空航天、军事等领域，其性能的优劣直接影响电子设备的性能。开关电源的输入端直接将交流整流为直流，在经过自激励振荡或者IC激励间歇震荡形成高频方波，通过高频变压器耦合到次级，整流后输出稳定的直流电。可见，高频变压器是开关电源的主要部件。

在实际应用中，经常因为高频变压器设计不合理或制作工艺不佳而损坏开关电源。而高频变压器磁饱和是造成障碍的重要原因。在磁饱和时，一次绕组的电感量明显降低，以至于一次绕组的直流内阻和内部功率开关管的功耗迅速增加，导致一次侧电流急剧增大，有可能内部的限流电路还来不及保护，功率管就已经损坏。最终导致高频变压器很烫，芯片过热；当负载加重时输出电压迅速跌落，达不到设计输出功率。

目前，现有技术中，如图1所示，有源钳位开关电源一般包括输入控制电路10、变压器12和输出整流滤波电路13，在对有源钳位开关电源中的变压器进行饱和状态监测时，通常将电流检测电路20串联在变压器12与输入控制电路10之间的主电路上，这样电流检测电路20工作时，流经电流检测电路20上的电流较大，使得电流检测电路20的功率损耗较大，而且对电流检测电路20中的互感器要求高，导致现有的有源钳位开关电源中电流检测电路的成本较高、占用电路板面积较大，在电路整体体积固定的情况下，影响其他电路的使用面积，从而影响整个电路的工作效率。

因此，现有技术中对有源钳位开关电源中的变压器进行的饱和状态监测仍存在电流检测电路功率损耗较大、成本较高、电路体积较大的问题，影响开关电源的工作效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种变压器状态监测电路及有源钳位开关电源，以缓解了现有技术中对有源钳位开关电源中的变压器进行的饱和状态监测时存在的电流检测电路功率损耗较大、成本较高、电路体积较大的问题，提高了开关电源的工作效率。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种变压器状态监测电路，包括有源钳位变换器与电流检测电路；

所述有源钳位变换器包括输入控制电路、变压电路和输出整流滤波电路；所述变压电路包括变压器，所述变压器的原边的第一端连接电源端，所述变压器的原边的第二端连接所述输入控制电路的输入端，所述变压器的副边的第一端连接所述输出整流滤波电路的输入端，所述变压器的副边的第二端连接所述输出整流滤波电路的接地端；所述变压器的原边的第一端通过高频滤波电容接地；

所述输入控制电路包括主开关支路和钳位控制支路；

所述电流检测电路连接在所述钳位控制支路上。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述变压器的原边的第一端与所述变压器的副边的第一端为同名端。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述主开关支路包括主开关管，所述钳位控制支路包括钳位开关管和钳位电容；

所述钳位开关管的源极接地，所述钳位开关管的漏极连接所述钳位电容的一端，所述钳位电容的另一端连接至所述变压器的原边第二端；

所述主开关管的漏极连接至所述变压器的原边的第二端，所述主开关管的源极接地。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述电流检测电路包括互感器取样电路；所述互感器取样电路包括电流互感器，所述电流互感器的输入边串联在所述钳位电容与所述钳位开关管之间。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述互感器取样电路还包括第一电阻、防逆流二极管以及第二电阻，所述电流互感器的输入边的第一端连接所述钳位电容，所述电流互感器的输入边的第二端连接所述钳位开关管的漏极；所述电流互感器的输出边的第一端连接所述防逆流二极管的阳极，所述电流互感器的输出边的第二端接地，所述第一电阻与所述电流互感器的输出边并联，所述第一电阻的一端与所述第二电阻的一端相连并接地，所述第二电阻的另一端连接所述防逆流二极管的阴极；

所述防逆流二极管的阴极为电流检测接口。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述电流互感器的输入边的第一端与所述电流互感器的输出边的第一端为同名端。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述电流互感器的输入边的线圈的匝数少于所述电流互感器的输出边的线圈的匝数。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述电流检测电路包括取样电阻；所述取样电阻一端连接所述钳位开关管的源极，另一端连接所述主开关管的源极；所述主开关管的源极接地；

所述钳位开关管的源极为电流检测接口。

结合第一方面的任一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述输出整流滤波电路包括整流二极管、续流二极管、储能滤波电感、储能滤波电容；

所述整流二极管的阳极连接所述变压器的副边的第一端，所述整流二极管的阴极连接所述续流二极管的阴极、所述储能滤波电感的第一端；所述储能滤波电感的第二端连接所述储能滤波电容的第一端；所述储能滤波电容的第二端连接所述续流二极管的阳极；所述续流二极管的阳极接地；

所述储能滤波电容两端并联负载电阻。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种有源钳位开关电源，包括输入整流滤波电路、PWM调制电路，以及第一方面的任一种实施例所述的变压器状态监测电路；

所述变压器状态监测电路分别与所述输入整流滤波电路、所述PWM调制电路连接。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实施例提供的变压器状态监测电路，包括有源钳位变换器与电流检测电路；该有源钳位变换器包括输入控制电路、变压电路和输出整流滤波电路；该变压电路包括变压器，变压器的原边的第一端连接电源端，变压器的原边的第二端连接输入控制电路的输入端，变压器的副边的第一端连接输出整流滤波电路的输入端，变压器的副边的第二端连接输出整流滤波电路的接地端；变压器的原边的第一端通过高频滤波电容接地；输入控制电路包括主开关支路和钳位控制支路；电流检测电路连接在钳位控制支路上。本实用新型提供的实施例对有源钳位开关电源中的变压器进行饱和状态监测时，电流检测电路串联在钳位控制支路上，只检测钳位控制支路上的励磁电流，而不再检测主功率电流，从而大大降低了电流检测电路的功率损耗，同时小电流检测降低了对电流检测电路中对电流互感器的要求，降低了电路成本与电路体积。因此，本实用新型解决了现有技术中对有源钳位开关电源中的变压器进行饱和状态监测时存在的电流检测电路功率损耗较大、成本较高、电路体积较大的问题，提高了开关电源的工作效率。

本实用新型的其他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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的现有技术中的变压器状态监测电路的模块示意图；

图2为本实用新型实施例提供的变压器状态监测电路的模块示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第一种变压器状态监测电路；

图4为本实用新型实施例提供的第二种变压器状态监测电路；

图5为本实用新型实施例提供的有源钳位开关电源的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前现有技术中对有源钳位开关电源中的变压器进行的饱和状态监测仍存在电流检测电路功率损耗较大、成本较高、体积较大的问题，影响开关电源的工作效率。基于此，本实用新型实施例提供的一种变压器状态监测电路及有源钳位开关电源，可以对有源钳位开关电源中的变压器进行的饱和状态监测时，电流检测电路串联在钳位控制支路上，只检测钳位控制支路上的励磁电流，而不再检测主功率电流，从而大大降低了电流检测电路的功率损耗，同时小电流检测降低了对电流检测电路中电流互感器的要求，降低了电路成本与电路体积。因此，本实用新型解决了现有技术中对有源钳位开关电源中的变压器进行饱和状态监测时存在的电流检测电路功率损耗较大、成本较高、电路体积较大的问题，提高了开关电源的工作效率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种变压器状态监测电路进行详细介绍。

实施例一：

图2示出了本实用新型实施例提供的变压器状态监测电路的模块示意图。如图2所示，该变压器状态检测电路包括有源钳位变换器与电流检测电路200。该有源钳位变换器包括输入控制电路、变压电路120和输出整流滤波电路130，其中，该变压电路120包括变压器，该输入控制电路包括主开关支路111和钳位控制支路112。具体地，变压器的原边的第一端连接电源端，变压器的原边的第二端连接输入控制电路的输入端。变压器的副边的第一端连接输出整流滤波电路130的输入端，变压器的副边的第二端连接输出整流滤波电路130的接地端。变压器的原边的第一端通过高频滤波电容接地，从而滤除电源中的交流成分，使得电源提供的直流信号更平滑。上述主开关支路111用于控制变压器功率传输的占空比，该钳位控制支路112用于吸收变压器的漏感和线路杂散电感的能量，以及流通变压器的激磁电流，控制主开关支路111中的电压尖峰。该电流检测电路200连接在钳位控制支路112上。该电流检测电路200用于采集上述钳位控制支路112上的励磁电流，并将采集的励磁电流输出，通过观察分析该采集的励磁电流的波形斜率变化，来判断变压器的工作状态是否为饱和。

本实用新型提供的实施例对有源钳位开关电源中的变压器进行饱和状态监测时，电流检测电路串联在钳位控制支路上，只检测钳位控制支路上的励磁电流，而不再检测主功率电流，从而大大降低了电流检测电路的功率损耗，同时小电流检测降低了对电流检测电路中电流互感器的要求，降低了电路成本与电路体积。因此，本实用新型解决了现有技术中对有源钳位开关电源中的变压器进行饱和状态监测时存在的电流检测电路功率损耗较大、成本较高、电路体积较大的问题，提高了开关电源的工作效率。

进一步地，图3示出了本实用新型实施例提供的第一种变压器状态监测电路。如图3所示，变压器T1的原边的第一端即连接电源端VIN的一端，与上述变压器T1的副边的第一端为同名端，从而使得该有源钳位变换器为正激有源钳位变换器。正激有源钳位变换器简洁、高效，性能良好，是高效率、大功率应用的出色选择。

进一步地，上述主开关支路111包括主开关管VT2，上述钳位控制支路112包括钳位开关管VT1和钳位电容C2。该钳位开关管VT1优选为P沟道场效应管，该主开关管VT2优选为N沟道场效应管。该钳位开关管VT1的源极接地，钳位开关管VT1的漏极连接钳位电容C2的一端，钳位电容C2的另一端、上述主开关管VT2的漏极连接至变压器T1原边第二端，主开关管VT2的源极接地。

具体地，该主开关管VT2导通时，流过变压器T1原边的电流包括直流电流即主功率电流和励磁电流，这时变压器T1原边的第一端接入的输入电压全部加在变压器的原边上，此过程为功率传输的过程。当钳位开关管VT1导通时，钳位电压加在变压器T1原边的电压与主开关管VT2开通时相反，这个为变压器复位过程。在主开关管VT2截止、钳位开关管VT1导通时，励磁电流流过钳位控制支路112，由电流检测电路200采集该钳位控制支路112上的励磁电流，从而将该励磁电流导出，通过观察分析该励磁电流的波形斜率变化，来判断变压器的工作状态是否为饱和。

进一步地，电流检测电路200包括互感器取样电路；该互感器取样电路包括电流互感器L2，该电流互感器L2的输入边串联在钳位电容C2与钳位开关管VT1之间。另外，互感器取样电路还包括第一电阻R2、防逆流二极管VD1以及第二电阻R1。其中，防逆流二极管VD1用于防止有电流从电流检测接口流入该互感器取样电路。电流互感器L2的输入边的第一端连接钳位电容C2，电流互感器L2的输入边的第二端连接钳位开关管VT1的漏极。电流互感器L2的输出边的第一端连接防逆流二极管VD1的阳极，电流互感器L2的输出边的第二端接地，第一电阻R2与电流互感器L2的输出边并联，第一电阻R2的一端与第二电阻R1的一端相连并接地，第二电阻R1的另一端连接防逆流二极管VD1的阴极。防逆流二极管VD1的阴极为电流检测接口IOUT，该电流检测接口IOUT用于连接示波器、单片机的输入输出引脚或者其它任意可以检测电流的仪器接口。

进一步地，该电流互感器L2的输入边的第一端与电流互感器L2的输出边的第一端为同名端，且电流互感器L2的输入边的线圈的匝数少于电流互感器L2的输出边的线圈的匝数。电流互感器L2相当于一个袖珍的正激变压器，电流互感器L2的输入边的匝数少，工作电流大，电流互感器L2的输出边的匝数多电流小，由此，互感器取样电路采集的励磁电流中的一部分作为采样电路即可，进一步降低了电流检测电路200工作时的功率损耗。

进一步地，在上述变压器状态检测电路要求体积较小时，还可以用单个电阻来代替上述互感器取样电路，以进一步地降低体积和成本。图4示出了本实用新型实施例提供的第二种变压器状态监测电路。如图4所示，除电流检测电路200部分，该第二种变压器状态检测电路与第一种变压器状态检测电路相同。在图4中，电流检测电路200包括取样电阻R4。该取样电阻R4一端连接钳位开关管VT1的源极，另一端连接主开关管VT2的源极。主开关管VT2的源极接地，钳位开关管VT1的源极为电流检测接口IOUT。

进一步地，在上述图3和图4两种电路图中，上述输出整流滤波电路130包括整流二极管VD2、续流二极管VD3、储能滤波电感L1、储能滤波电容C3。该整流二极管VD2的阳极连接变压器T1副边的第一端，整流二极管VD2的阴极连接续流二极管VD3的阴极、储能滤波电感L1的第一端。储能滤波电感L1的第二端连接储能滤波电容C3的第一端。储能滤波电容C3的第二端连接续流二极管VD3的阳极，续流二极管VD3的阳极接地，储能滤波电容C3两端并联负载电阻。

实施例二：

图5示出了本实用新型实施例提供的有源钳位开关电源的结构示意图。如图5所示，该有源钳位开关电源，包括输入整流滤波电路60、PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)调制电路70、以及如实施例一中的变压器状态监测电路50。变压器状态监测电路50分别与输入整流滤波电路60、PWM调制电路70连接。

具体地，上述输入整流滤波电路60将交流电压整流滤波，变成含有一定脉动成份的直流电压，该直流电压进入变压器状态监测电路50中的有源钳位变换器后，由PWM调制电路70控制输入控制电路中主开关管VT2和钳位开关管VT1的导通和截至，从而将上述直流电压转换成所需电压值的方波，最后由变压器状态监测电路50中的输出整流滤波电路130将该方波变为所需要的直流电压。

本实施例提供的变压器状态监测电路，包括有源钳位变换器与电流检测电路；该有源钳位变换器包括输入控制电路、变压电路和输出整流滤波电路；该变压电路包括变压器，变压器的原边的第一端连接电源端，变压器的原边的第二端连接输入控制电路的输入端，变压器的副边的第一端连接输出整流滤波电路的输入端，变压器的副边的第二端连接输出整流滤波电路的接地端；变压器的原边的第一端通过高频滤波电容接地；输入控制电路包括主开关支路和钳位控制支路；电流检测电路连接在钳位控制支路上。本实用新型提供的实施例对有源钳位开关电源中的变压器进行的饱和状态监测时，电流检测电路串联在钳位控制支路上，只检测钳位控制支路上的励磁电流，而不再检测主功率电流，从而大大降低了电流检测电路的功率损耗，同时小电流检测降低了对电流检测电路中电流互感器的要求，降低了电路成本与电路体积。因此，本实用新型解决了现有技术中对有源钳位开关电源中的变压器进行的状态监测时存在的电流检测电路功率损耗较大、成本较高、电路体积较大的问题，提高了开关电源的工作效率。

本实用新型实施例提供的有源钳位开关电源，与上述实施例提供的变压器状态监测电路具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的有源钳位开关电源的具体工作过程，可以参考前述变压器状态检测电路实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。