开关变换器、AC-DC变换电路及控制方法与流程

开关变换器、ac-dc变换电路及控制方法
技术领域
1.本发明涉及电源领域，具体涉及开关变换器、ac-dc变换电路及控制方法。


背景技术：

2.目前，ac-dc变换电路广泛用于各种电子设备中的开关变换器中。ac-dc变换电路中，首先需要通过整流电路将交流电压整流为直流电压并输出至母线，然后dc-dc变换单元将母线上的电压变换为所需要的目标电压。
3.ac-dc变换电路的工作原理决定了容易在与其连接的交流电路上产生谐波，为了降低该谐波，中国专利文献cn 201490878u公开了一种新型开关变换器输入电流谐波抑制电路，以对谐波进行抑制，然而该方案比较复杂。


技术实现要素：

4.研究发现，很多人使用同一个开关变换器在世界各地走动，每个地区电网的交流电压大小不同，同一个开关变换器在不同大小交流电压的输入下在电网中引起的谐波也有所不同。基于上述现状，本发明的主要目的在于提供开关变换器、ac-dc变换电路及控制方法，从而在电网交流电压大小不同的各个地区能够自适应地兼顾实现降低谐波和减小功耗。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种ac-dc变换电路，包括整流电路、第一母线电容和dc-dc变换单元，所述整流电路用于对输入的交流电压进行整流得到直流电压并将所述直流电压提供给母线，所述第一母线电容一端与所述母线连接、另一端与地连接，所述dc-dc变换单元用于将母线上的电压转换为输出的目标电压，所述ac-dc变换电路还包括第二母线电容、电容开关和电容开关控制电路；所述第二母线电容和电容开关串联在所述母线和地之间；；所述电容开关控制电路检测母线上的电压大小，当母线上的电压小于母线电压阈值，所述电容开关控制电路控制所述电容开关导通，从而使所述第二母线电容接入所述母线的充放电回路；当母线上的电压大于或等于母线电压阈值，所述电容开关控制电路控制所述电容开关断开从而使所述第二母线电容不接入所述母线的充放电回路。
7.优选的，所述电容开关控制电路包括第一电阻分压电路、驱动开关管和上拉电阻；所述第一电阻分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和第二分压电阻串联在所述母线和地之间，所述第一分压电阻和第二分压电阻的公共端连接所述驱动开关管的控制端，且所述驱动开关管的控制端通过所述第二分压电阻接地，所述驱动开关管的电流流入端与所述电容开关的控制端连接、电流流出端与地连接，所述电容开关的控制端通过所述上拉电阻连接第一电压；且满足：vin0＝vth1*(r1+r2)/r2，vcc》vth2；其中，vin0为所述母线电压阈值，vth1为所述驱动开关管的开启电压，vth2为所述电容开关的开启电压，vcc为所述第一电压的大小，r1和r2分别为第一分压电阻的阻值和第二分压电阻的阻值。
8.优选的，所述电容开关控制电路包括第一电阻分压电路、驱动开关管和第二电阻分压电路；所述第一电阻分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和第二分压电阻串联在所述母线和地之间，所述第一分压电阻和第二分压电阻的公共端连接所述驱动开关管的控制端，且所述驱动开关管的控制端通过所述第二分压电阻接地；所述第二电阻分压电路包括第三分压电阻和第四分压电阻，所述第三分压电阻和第四分压电阻串联在第一电压和地之间，所述第三分压电阻和第四分压电阻的公共端连接所述电容开关的控制端，且所述电容开关的控制端通过所述第四分压电阻接地；所述驱动开关管的电流流入端与所述电容开关的控制端连接、电流流出端与地连接；且满足：vin0＝vth1*(r1+r2)/r2，vcc*r4/(r3+r4)》vth2；其中，vin0为所述母线电压阈值，vth1为所述驱动开关管的开启电压，vth2为所述电容开关的开启电压，vcc为所述第一电压的大小，r1、r2、r3和r4分别为第一分压电阻的阻值、第二分压电阻的阻值、第三分压电阻的阻值和第四分压电阻的阻值。
9.优选的，所述的ac-dc变换电路还包括用于防止所述第二母线电容频繁接入和不接入所述母线的充放电回路的稳定电容，所述稳定电容一端连接所述驱动开关管的控制端、另一端接地。
10.优选的，所述第二母线电容的容量大于所述第一母线电容的容量。
11.优选的，所述dc-dc变换单元为反激dc-dc变换单元。
12.优选的，所述母线依次通过所述第二母线电容和所述电容开关接地。
13.本发明还提供了一种开关变换器，包括任一所述的ac-dc变换电路。
14.本发明还提供了一种所述的ac-dc变换电路的控制方法，所述电容开关控制电路检测母线上的电压大小；当母线上的电压小于母线电压阈值，所述电容开关控制电路控制所述电容开关导通，从而使所述第二母线电容接入所述母线的充放电回路；当母线上的电压大于或等于母线电压阈值，所述电容开关控制电路控制所述电容开关断开从而使所述第二母线电容不接入所述母线的充放电回路。
15.优选的，当母线上的电压小于vth1*(r1+r2)/r2，所述驱动开关管被控制断开，所述电容开关的控制端的电压被上拉至所述第一电压，从而所述电容开关被控制导通；当母线上的电压大于或等于vth1*(r1+r2)/r2，所述驱动开关管被控制导通，所述电容开关的控制端的电压被下拉至零，从而所述电容开关被控制断开。
16.优选的，当母线上的电压小于vth1*(r1+r2)/r2，所述驱动开关管被控制断开，所述电容开关的控制端的电压被维持在所述第四分压电阻的电压，从而所述电容开关被控制导通；当母线上的电压大于或等于vth1*(r1+r2)/r2，所述驱动开关管被控制导通，所述电容开关的控制端的电压被下拉至零，从而所述电容开关被控制断开。
17.【有益效果】
18.当母线上的电压小于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较小)，通过控制电容开关导通而将第二母线电容接入母线的充放电回路，第二母线电容也可以提供一部分放电电流，整体上第一母线电容和第二母线电容只需要进行较小幅度的充电和放电，母线上的纹波相对较小，在与整流电路连接的交流电路中的谐波更少。而当母线上的电压大于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较大)，此时由于母线上的电压较大，为了满足输出端的输出功率需求和维持于目标电压的需要，只需要母线电容提供较小的放电电流，仅仅
通过第一母线电容提供该放电电流也不会导致母线上出现较大纹波，因此通过控制电容开关断开而使第二母线电容不接入母线的充放电回路，避免更多的器件诸如第二母线电容和电容开关接入母线而导致更多的功耗，同时又可以因为母线纹波较小而在交流电路中引起的纹波较小。本方案以简单的电路结构，在交流电压大小不同的各个地区能够自适应地兼顾实现降低谐波和减小功耗。
19.本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
20.以下将参照附图对本发明的优选实施方式进行描述。图中：
21.图1为本发明一种实施例的ac-dc变换电路的示意图；
22.图2为本发明另一种实施例的ac-dc变换电路的示意图。
具体实施方式
23.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
24.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
25.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.图1是本发明一种实施例的ac-dc变换电路，包括整流电路、第一母线电容c1、第二母线电容c2、电容开关q1、电容开关控制电路和dc-dc变换单元。
28.整流电路的输入端用于输入交流电压，整流电路用于对输入的交流电压进行整流得到直流电压并将直流电压提供给母线。整流电路可以是全桥整流或者半桥整流等整流电路。
29.dc-dc变换单元的输入端输入母线上的电压，dc-dc变换单元用于将母线上的电压转换为输出的目标电压，具体而言，通过对dc-dc变换单元的控制，从而将母线上的电压转换为输出的目标电压，该目标电压可以根据合适的需要进行设定，对于常见的消费电子产品，5v、12v、24v等均是相对常见的目标电压。dc-dc变换单元可以是各种类型的，例如可以是隔离型即带有变压器的变换单元，如反激变换单元、正激变换单元，也可以是非隔离型的，例如bulk电路。图1所示的dc-dc变换单元属于隔离型的反激变换单元，包括开关管q3、变压器t、整流二极管d1和滤波电容c4，变压器t初级线圈的第一端连接母线、第二端通过开关管q3接地，变压器t次级线圈的第一端连接整流二极管d1的阳极，滤波电容c4的两端分别
连接在整流二极管d1的阴极和变压器t次级线圈的第二端，整流二极管d1的阴极端作为dc-dc变换单元的输出端vout，也即ac-dc变换电路的输出端vout，该输出端vout输出目标电压，通过调节开关管q3的控制信号pwm的占空比，可以将输出端vout的电压稳定在所设定的目标电压上。
30.第一母线电容c1一端与母线连接、另一端与地连接，第二母线电容c2和电容开关q1串联在母线和地之间，电容开关控制电路检测母线上的电压大小，当母线上的电压小于母线电压阈值，电容开关控制电路控制电容开关q1导通，从而使第二母线电容c2接入母线的充放电回路；当母线上的电压大于或等于母线电压阈值，电容开关控制电路控制电容开关q1断开从而使第二母线电容c2不接入母线的充放电回路。在一些实施例中，电容开关q1可以为mos管，例如n沟道mos管。
31.由于不同地区电网的交流电压大小有所不同，有的差别很大，例如中国的交流电压为220v，而美国的交流电压为110v，两者相差一倍，因此，经过整流电路整流输出得到的电压也会有所不同，也就是母线电压上的电压会有所不同。在输出端vout的输出功率需求一定时，当母线上的电压小于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较小)，此时由于母线上的电压较小，为了满足输出端vout的输出功率需求，需要母线电容提供更大的放电电流，如果仅有第一母线电容c1提供该放电电流，则会导致第一母线电容c1进行大幅度的充电和放电，造成在母线上出现的纹波很大，进而导致在与整流电路连接的交流电路中出现更多的谐波，这会降低内含本ac-dc变换电路的电子设备的电磁兼容性能的评价。因此，为了降低这种影响，当母线上的电压小于母线电压阈值时，通过控制电容开关q1导通而将第二母线电容c2接入母线的充放电回路，第二母线电容c2也可以提供一部分放电电流，整体上第一母线电容c1和第二母线电容c2只需要进行较小幅度的充电和放电，母线上的纹波相对较小，在与整流电路连接的交流电路中的谐波更少。而当母线上的电压大于母线电压阈值时(即当前接入的交流电压较大)，此时由于母线上的电压较大，为了满足输出端vout的输出功率需求和维持于目标电压的需要，只需要母线电容提供较小的放电电流，仅仅通过第一母线电容c1提供该放电电流也不会导致母线上出现较大纹波，因此通过控制电容开关q1断开而使第二母线电容c2不接入母线的充放电回路，避免更多的器件诸如第二母线电容c2和电容开关q1接入母线而导致更多的功耗，同时又可以因为母线纹波较小而在交流电路中引起的纹波较小。
32.综上可见，电容开关控制电路根据母线上的电压与母线电压阈值之间的大小关系，在不同情况下分别控制第二母线电容c2接入或不接入母线的充放电回路，在交流电压大小不同的各个地区能够自适应地兼顾实现降低谐波和减小功耗。
33.另外，在一些实施例中，母线依次通过第二母线电容c2和电容开关q1接地，此时，由于电容开关q1通过第二母线电容c2连接母线，即不直接与母线连接，避免了母线上的高压直接加在电容开关q1上，因此，电容开关q1不会被母线的高压击穿，从另外的角度而言，电容开关q1可以选用耐压较小的器件，从而可以节省成本。
34.在一些实施例中，电容开关控制电路包括第一电阻分压电路、驱动开关管q2(例如mos管，如n沟道mos管)和第二电阻分压电路；第一电阻分压电路包括第一分压电阻r1和第二分压电阻r2，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2串联在母线和地之间，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2的公共端连接驱动开关管q2的控制端，且驱动开关管q2的控制端通过第
二分压电阻r2接地；第二电阻分压电路包括第三分压电阻r3和第四分压电阻r4，第三分压电阻r3和第四分压电阻r4串联在第一电压和地之间，第三分压电阻r3和第四分压电阻r4的公共端连接电容开关q1的控制端，且电容开关q1的控制端通过第四分压电阻r4接地；驱动开关管q2的电流流入端与电容开关q1的控制端连接、电流流出端与地连接；且满足：vin0＝vth1*(r1+r2)/r2，vcc*r4/(r3+r4)》vth2；其中，vin0为母线电压阈值，vth1为驱动开关管q2的开启电压，vth2为电容开关q1的开启电压，vcc为第一电压的大小，r1、r2、r3和r4分别为第一分压电阻r1的阻值、第二分压电阻r2的阻值、第三分压电阻r3的阻值和第四分压电阻r4的阻值。当母线上的电压大于母线电压阈值vin0时，驱动开关管q2的控制端上的电压(即第二分压电阻r2的电压)大于驱动开关管q2的开启电压vth1，驱动开关管q2被控制导通，电容开关q1的控制端的电压被拉低，小于电容开关q1的开启电压vth2，因此电容开关q1断开，第二母线电容c2不接入母线的充放电回路；当母线上的电压小于母线电压阈值vin0时，驱动开关管q2的控制端上的电压(即第二分压电阻r2的电压)小于驱动开关管q2的开启电压vth1，驱动开关管q2被控制断开，电容开关q1的控制端的电压被第一电阻分压电路维持在大于电容开关q1的开启电压vth2，电容开关q1导通，因此第二母线电容c2接入母线的充放电回路。
35.在一些实施例中，为了防止母线上的电压抖动而引起驱动开关管q2频繁导通和断开，进而引起第二母线电容c2频繁接入和不接入母线的充放电回路，的dc-dc变换电路还包括用于防止第二母线电容c2频繁接入和不接入母线的充放电回路的稳定电容c3，稳定电容c3一端连接驱动开关管q2的控制端、另一端接地。在某个时刻母线上的电压出现突变(例如尖峰)，由于稳定电容c3的存在，第四分压电阻r4上的电压不会突变，而是开始缓慢上升，因此驱动开关管q2仍然保持该某个时刻时的状态(例如导通)，接着母线上的该突变消失，第四分压电阻r4上的电压又开始缓慢回复，驱动开关管q2仍然保持该某个时刻时的状态。
36.如图2所示，在一些实施例中，电容开关控制电路包括第一电阻分压电路、驱动开关管q2和上拉电阻r5；第一电阻分压电路包括第一分压电阻r1和第二分压电阻r2，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2串联在母线和地之间，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2的公共端连接驱动开关管q2的控制端，且驱动开关管q2的控制端通过第二分压电阻r2接地，驱动开关管q2的电流流入端与电容开关q1的控制端连接、电流流出端与地连接，电容开关q1的控制端通过上拉电阻r5连接第一电压；且满足：vin0＝vth1*(r1+r2)/r2，vcc》vth2；其中，vin0为母线电压阈值，vth1为驱动开关管q2的开启电压，vth2为电容开关q1的开启电压，vcc为第一电压的大小，r1和r2分别为第一分压电阻r1的阻值和第二分压电阻r2的阻值。当母线上的电压大于母线电压阈值vin0时，驱动开关管q2的控制端上的电压(即第二分压电阻r2的电压)大于驱动开关管q2的开启电压vth1，驱动开关管q2被控制导通，电容开关q1的控制端的电压被拉低，小于电容开关q1的开启电压vth2，因此电容开关q1断开，第二母线电容c2不接入母线的充放电回路；当母线上的电压小于母线电压阈值vin0时，驱动开关管q2的控制端上的电压(即第二分压电阻r2的电压)小于驱动开关管q2的开启电压vth1，驱动开关管q2被控制断开，电容开关q1的控制端的电压被上拉电阻r5上拉至第一电压，该第一电压大于电容开关q1的开启电压vth2，因此电容开关q1导通，第二母线电容c2接入母线的充放电回路。
37.本发明还提供了一种开关变换器，包括任一所述的ac-dc变换电路。
38.本发明还提供了一种ac-dc变换电路的控制方法，电容开关控制电路检测母线上的电压大小；当母线上的电压小于母线电压阈值，电容开关控制电路控制电容开关导通，从而使第二母线电容接入母线的充放电回路；当母线上的电压大于或等于母线电压阈值，电容开关控制电路控制电容开关断开从而使第二母线电容不接入母线的充放电回路。
39.本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
40.应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。