一种软开关技术的开关电源的制作方法

1.本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种软开关技术的开关电源。


背景技术：

2.传统的开关电源，多数为硬开关电源，这种电源开关器件是在承受电压或电流的情况下接通或断开电路的，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即开关损耗。当电源工作状态一定时，开关器件开通或关断一次的损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗也就越大。同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的震荡，带来附加损耗并产生电磁干扰，因而硬开关电源频率不能太高，还要采取防止电磁干扰的措施。现有的硬开关电源开关损耗大，效率低，不仅浪费了能源，也加剧了开关电源的温升，缩短了开关电源的寿命，限制了开关电源输出功率的进一步提升。
3.传统硬开关电源包括半桥硬开关，如图1所示，半桥硬开关电源拓扑结构由电容c1、c2、co,开关管vt1、vt2，变压器t，二极管vd1、vd2,电感l和输出电容co等组成。半桥硬开关电源的两个开关管vt1和vt2是轮流导通工作的，当vt1导通时，vt2断开，电流通过vt1、变压器t的初级、c2形成回路电流，把能量传递到变压器次级后经二极管vd1整流，后经过电感l和电容co到负载rl；当vt2导通时，vt1断开，电流通过c1、变压器t的初级、vt2形成回路电流，把能量传递到变压器次级后经二极管vd2整流，后经过电感l和电容co到负载rl。
4.上述半桥硬开关电源的开关管vt1、vt2在开通时经过开关管的电压不为零，且比较大，在开关管vt1、vt2关断时的电流不为零，且比较大，所以开关管在开通和关断时的损耗都很大，即开关损耗大，所以极大降低了开关电源的效率，加剧了开关电源的温升，缩短了开关电源的寿命。同时还会产生很大的电磁干扰，危害电源本身和其它相关设备的正常运行。


技术实现要素：

5.软开关电源相对于硬开关电源，即利用lc谐振网络瞬态电流或瞬态电压周期性过零的特征，实现开关管零电压开通或零电流关断操作。软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关，或是通过开关器件的电流为零，即零电流开关。这种开关方式显著地减小了开关过程中产生的电磁干扰，同时大幅度提高了开关电源效率，节约了能源，降低了开关电源内部的温升，提高了开关电源的可靠性。
6.本发明旨在提供一种能大幅度提高电源效率，节约能源，降低电源内部温升，提高电源可靠性，且能降低电磁干扰，从而满足各行电源需求的软开关技术的开关电源。
7.本技术方案如下：一种软开关技术的开关电源，包括输入滤波电路、输入整流电路、pfc电路、llc谐振电路、输出同步整流电路、输出防倒灌电路和输出滤波电路，所述输入滤波电路连接输入整流电路，输入整流电路连接pfc电路，pfc电路分别连接辅助电源电路、llc谐振电路，llc谐振电路连接输出同步整流电路，输出同步整流电路连接输出防倒灌电路，防倒灌电路连
接输出滤波电路，所述llc谐振电路由控制芯片u5，开关管q3、q5，谐振电感l2，变压器t2，谐振电容c2和相关的电阻、电容组成，所述llc谐振电路用于实现软开关功能，降低开关损耗，并将能量传递到次级。
8.进一步的，所述输入滤波电路用于整体电路的输入滤波，所述输入滤波电路由x电容cx1、cx2、cx3，y电容cy2、cy3、cy7、cy8、cy10、cy11和共模电感lf1、lf2组成。
9.进一步的，所述整流电路用于将输入交流电转换为直流电，所述整流电路由整流桥bd1组成。
10.进一步的，所述pfc电路用于提高电源高功率因数，减小无功电流，减小线路损耗，改善电网供电质量，所述pfc电路由电感t1、二极管d7、开关管q4、控制芯片u2和相关电阻、电容组成。
11.进一步的，所述辅助电源电路用于提供电源内部供电，所述辅助电源电路由控制芯片u1，电感l1，二极管d1、d2、d5，稳压二极管zd1，电容cd1、cd2和相关电阻组成。
12.进一步的，所述输出同步整流电路用于降低整流损耗，所述输出同步整流电路由控制芯片u8，整流管q6、q8和相关的电阻、电容组成。
13.进一步的，所述输出防倒灌电路用于防止输出电压倒灌，所述输出防倒灌电路由控制芯片u7，开关管q1和相关的电阻、电容组成。
14.进一步的，所述输出滤波电路用于整体电路的输出滤波，所述输出滤波电路由共模电感lf3和相关的电阻、电容组成。
15.发明的有益效果：本发明提出的一种软开关技术的开关电源显著地减小了开关过程中产生的电磁干扰，同时大幅度提高了开关电源的效率，节约了能源，降低了开关电源内部的温升，提高了开关电源的可靠性，满足实际的市场中的更多需求，带来了更大经济效益和环保效益。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明提出的一种半桥开关电源现有技术电路原理图；图2为本发明实施例提出的一种软开关技术的开关电源电路原理图一；图3为本发明实施例提出的一种软开关技术的开关电源电路原理图二；图4为本发明实施例提出的一种软开关技术的开关电源的llc谐振电路仿真波形图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
19.实施例1
本实施例提出一种软开关技术的开关电源电路具体功能及工作原理。
20.一种软开关技术的开关电源主要包括：输入滤波电路，输入整流电路，功率因数校正（pfc）电路，辅助电源电路，llc谐振电路，输出同步整流电路，输出防倒灌电路和输出滤波电路。
21.其中输入滤波电路：作为输入电磁兼容（emc）的设计。
22.输入整流电路：用于将输入交流电转换成直流电。
23.功率因数校正（pfc）电路：用于提电源高功率因数，减小无功电流，减小线路损耗，改善电网供电质量。
24.辅助电源电路：用于提供电源内部供电。
25.llc谐振电路：通过让开关管实现软开关功能，降低开关损耗，并将能量传递到次级。
26.输出同步整流电路：采用通态电阻极低的专用功率mosfet来取代整流二极管以降低整流损耗。
27.输出防倒灌电路：用于防止输出电压倒灌对电源造成损坏。
28.输出滤波电路：作为输出电磁兼容（emc）的设计。
29.本设计的能量转换原理描述：输入交流电经输入滤波电路后，通过整流电路将交流电转换为直流电，然后通过pfc电路提升电源的pf值，由llc谐振电路后把能量传递到次级，然后再由输出同步整流电路转换成直流电，再经输出防倒灌电路和输出滤波电路后得到所需的直流电。
30.实施例2本实施例在实施例1的基础上提出一种软开关技术的开关电源的具体电路连接结构。
31.参考图2-图3，输入滤波电路，主要由x电容cx1、cx2、cx3，y电容cy2、cy3、cy7、cy8、cy10、cy11和共模电感lf1、lf2组成，其中y电容cy3的一端连接保险丝f1的一端、压敏电阻rv1的一端、x电容cx1的一端和共模电感lf1的1脚，y电容cy3的另一端连接y电容cy2的一端和大地；y电容cy2的另一端连接输入线n、压敏电阻rv1的另一端、x电容cx1的另一端和共模电感lf1的2脚；y电容cy7的一端连接共模电感lf1的4脚、x电容cx2的一端和共模电感lf2的1脚，y电容cy7的另一端连接y电容cy8的一端和大地；y电容cy8的另一端连接共模电感lf1的3脚、x电容cx2的另一端和共模电感lf2的2脚；y电容cy10的一端连接共模电感lf2的4脚、x电容cx3的一端和整流桥bd1的2脚，y电容cy10的另一端连接y电容cy11的一端和大地；y电容cy11的另一端连接共模电感lf2的3脚、x电容cx3的另一端、热敏电阻rth1的一端和继电器rl1的2脚。
32.输入整流电路，主要由整流桥bd1组成，其中整流桥bd1的3脚连接热敏电阻的另一端和继电器rl1的1脚；整流桥bd1的1脚连接电容c3的一端、二极管d8的阳极、电阻r38的一端和电感t1的1脚；整流桥bd1的4脚连接初级参考地gnd。
33.功率因数校正（pfc）电路，主要由电感t1，二极管d7，开关管q4，控制芯片u2和相关的电阻、电容组成，控制芯片u2的1脚连接电容c8的一端、c10的一端、电阻r10的一端和电阻r12的一端；控制芯片u2的2脚连接电阻r6的一端和电容c10的另一端；控制芯片u2的3脚连接电阻r26的一端、电阻r22的一端和电容c16的一端；控制芯片u2的4脚连接电阻r43的一
端、电阻r42的一端、电容c18的一端和mos管q4的s脚；控制芯片u2的5脚连接电阻r25的一端；控制芯片u2的6脚连接初级参考地gnd；控制芯片u2的7脚连接电阻r37的一端和二极管d6的阴极；控制芯片u2的8脚连接电解电容cd3的阳极、电容c11的一端和电源vcc；电感t1的2脚连接二极管d7的阳极和mos管q4的d脚，电感t1的3脚连接电阻r25的另一端，电感t1的4脚连接初级参考地gnd；mos管q4的g脚连接电阻r37的另一端、电阻r36的一端和电阻r43的另一端；电解电容c1的阳极连接二极管d8的阴极、二极管d7的阴极和电阻r23的一端；电解电容c1的阴极连接电阻r42的另一端、电容c18的另一端和初级参考地gnd；电阻r24的一端连接电阻r23的另一端和电阻r10的另一端。
34.辅助电源电路，主要由控制芯片u1，电感l1，二极管d1、d2、d5，稳压二极管zd1，电容cd1、cd2和相关电阻组成，其中控制芯片u1的1脚连接u1的2脚、电容c4的一端、电解电容cd1的阴极、电容c7的一端、二极管d1的阴极和电感l1的一端；控制芯片u1的3脚连接电容c4的另一端和电阻r11的一端；控制芯片u1的4脚连接电解电容cd1的阳极和二极管d2的阴极；控制芯片u1的5脚连接u1的6脚、u1的7脚、u1的8脚和电源vbus；稳压二极管zd1的阳极连接电阻r11的另一端，稳压二极管zd1的阴极连接电容c7的另一端、二极管d2的阳极和二极管d5的阴极；二极管d5的阳极连接电感l1的另一端、电解电容cd2的阳极、电阻r5的一端和vcc1；电解电容cd2的阴极连接二极管d1的阳极和初级参考地gnd。
35.llc谐振电路，主要由控制芯片u5，开关管q3、q5，谐振电感l2，变压器t2，谐振电容c2和相关的电阻、电容组成，其中控制芯片u5的1脚连接电阻r18的一端、电阻r20的一端和电容c15的一端；控制芯片u5的2脚连接电阻r19的一端和电容c14的一端；控制芯片u5的3脚连接电容c13的一端和二极管d4的阳极；控制芯片u5的4脚连接电阻r16的一端、电阻r17的一端、电阻r18的一端和电阻r27的一端；控制芯片u5的5脚连接电阻r27的另一端、电阻r15的一端和电容c17的一端；控制芯片u5的6脚连接电容c22的一端、电阻r46的一端、电阻r47的一端和二极管d10的阴极；控制芯片u5的7脚连接电阻r4的一端、电阻r7的一端和电容c20的一端；控制芯片u5的8脚连接初级参考地gnd；控制芯片u5的9脚悬空；控制芯片u5的10脚连接初级参考地gnd；控制芯片u5的11脚连接电阻r44的一端；控制芯片u5的12脚连接电容c24的一端、电解电容cd4的阳极和电源vcc；控制芯片u5的13脚悬空；控制芯片u5的14脚连接电容c25的一端、电阻r32的一端、mos管q3的s脚、mos管q5的d脚和电感l2的一端；控制芯片u5的15脚连接电阻r31的一端；控制芯片u5的16脚连接电容c25的另一端；mos管q3的d脚连接电阻r21的一端和电源vbus；mos管q3的g脚连接电阻r31的另一端和电阻r32的另一端；mos管q5的g脚连接电阻r44的另一端和电阻r45的一端；mos管q5的s脚连接电阻r45的另一端、电容c2的一端和初级参考地gnd；变压器t2的1脚连接电感l2的另一端；变压器t2的2脚连接电容c2的另一端和电容c30的一端。
36.输出同步整流电路，主要由控制芯片u8，整流管q6、q8和相关的电阻、电容组成，其中控制芯片u8的1脚连接三极管q7的e脚和电容c34的一端；控制芯片u8的2脚连接电容c34的另一端、电容c33的一端、稳压二极管zd4的阳极和次级参考地sgnd；控制芯片u8的3脚连接电阻r58的一端；控制芯片u8的4脚连mos管q8的s脚、电阻r61的一端、电容c35的一端和次级参考地sgnd；控制芯片u8的5脚连电阻r59的一端；控制芯片u8的6脚连电阻r53的一端；控制芯片u8的7脚连电阻r5的一端、mos管q6的s脚、电容c29的一端和次级参考地sgnd；控制芯片u8的8脚连接电阻r52的一端；mos管q8的g脚连接电阻r58的另一端和电阻r61的另一端；
mos管q8的d脚连接变压器t2的c脚、电阻r59的另一端和电阻r60的另一端；mos管q6的g脚连接电阻r51的另一端和电阻r52的另一端；mos管q6的d脚连接变压器t2的a脚、电阻r50的一端和电阻r53的另一端。
37.输出防倒灌电路，主要由控制芯片u7，开关管q1和相关的电阻、电容组成，其中控制芯片u7的1脚连接电阻r55的一端、电阻r33的一端、电阻r34的一端、电阻r35的一端和输出电压24v；控制芯片u7的2脚连接电阻r55的另一端和电容c32的一端；控制芯片u7的3脚悬空；控制芯片u7的4脚悬空；控制芯片u7的5脚连接控制芯片u7的7脚、mos管q1的s脚、电容c32的另一端、电容c36的一端和共模电感lf3的1脚；控制芯片u7的6脚连接mos管q1的d脚、电容c36的另一端和次级参考地sgnd；控制芯片u7的8脚连接mos管q1的g脚。
38.输出滤波电路，主要由共模电感lf3和相关的电阻、电容组成，其中共模电感lf3的2脚连接变压器t2的b脚、电解电容cd5的阳极、电解电容cd6的阳极和电容c27的一端；共模电感lf3的3脚连接电容c28的一端、电容c31的一端、电阻r48的一端和输出负载端vout+1；共模电感lf3的4脚连接电容c28的另一端、电容c31的另一端、led灯led1的阴极和输出负载端vout-1。
39.本发明中相关集成电路芯片型号为：u1:viper22 、u2:l6562dtr、u3:el3h7、u4: el3h7 、u5: l6599 、u6:ltl431 、u7:lm5051、u8:srk2001。
40.实施例3本实施例在实施例2的基础上提出一种软开关技术的开关电源功能原理。
41.在硬开关电源中，开关管负载往往为感性负载，流过开关管漏(d)-源(s)极电流(ids)线性或近似线性增加，关断时漏(d)-源(s)瞬态电流ids往往很大，关断瞬间漏(d)-源(s)电流ids并不能迅速下降到零，造成开关管关断瞬间漏(d)-源(s)电压uds与ids存在交叠现象，不可避免地存在较大的关断损耗ploss(off)；在开关管开通瞬间，漏(d)-源(s)电压uds也不能迅速下降到零，导致开通瞬间uds与ids也存在交叠现象，造成了较大的开通损耗ploss(on)，其中开通损耗与关断损耗统称为开关损耗。
42.本设计的软开关技术开关电源，之所以能大幅度提高电源效率，节约能源，降低电源内部温升，提高电源的可靠性，降低电磁干扰，是由于：（1）本发明的软开关技术开关电源工作在谐振点f=fs处，软开关电源的llc谐振电路有两个谐振频率，一个是谐振电感lr(图二中的l2)和谐振电容cr (图二中的c2)的形成的谐振频率fs，一个是lm(图二中t2的励磁电感)加上lr与cr的谐振频率fm。即：的谐振频率fs，一个是lm(图二中t2的励磁电感)加上lr与cr的谐振频率fm。即：。
43.参考图4，为图二中mos管q3驱动波形，为图二中mos管q5驱动波形，vn为图二中mos管q5的d脚波形，为图二中谐振回路l2电流波形，为图二中变压器t2的励磁电流，为图二中mos管q6的电流波形，为图二中mos管q8的电流波形。
44.t0~t2时段：在t1时刻，mos管q3驱动打开，q3零电压导通，谐振电流大于励磁电
流，mos管q8导通，反射到原边励磁电感上的电压使励磁电流线性增加，输入电压和反射到原边的电压之差加在谐振回路上，产生一个正弦的谐振电流。至时刻t2，mos管q3关断。由于开关频率等于谐振频率fs，所以此时刻的谐振电流和励磁电流相等，次边mos管q8电流过零关断。在谐振电流变正之后，mos管q3导通，故实现了零电压开通(zvs)。
45.在t2~t3时段：在t2时刻，mos管q3截止，mos管q8截止。这个间隔也是一个谐振间隔(死区时间)。但由于励磁电感的参与，使得谐振频率大大降低，由于该间隔时间很短，所以谐振电流在该间隔时间内可以看作不变，故对mos管q3结电容充电，mos管q5结电容放电，在mos管q5结电容电压降为零时，谐振电流会使mos管q5的体二极管先导通，以保证mos管q5有驱动时，实现mos管q5的零电压开通(zvs)。为了实现mos管q5的零电压开通(zvs)，必须将死区时间(t2~t3)设置到大于mos管q5的结电容电压降到零所需要的时间。
46.在t3~t5时段：在t3时刻，mos管q5驱动打开，q5零电压导通，谐振电流小于励磁电流，mos管q6导通，反射到原边励磁电感上的电压使励磁电流下降，反射到原边的电压加到谐振回路上，产生一个正弦的谐振电流。至t5时刻，mos管q5关断。由于开关频率等于谐振频率fs，所以此时刻的谐振电流和励磁电流相等，次边mos管q6电流过零关断。在谐振电流变负之后，mos管q5导通，故实现了零电压开通(zvs)。
47.在t5~t6时段：在t5时刻，mos管q5截止，mos管q6截止。这个间隔也是一个谐振间隔(死区时间)。但由于励磁电感的参与，使得谐振频率大大降低，由于该间隔时间很短，所以谐振电流在该间隔时间内可以看作不变，故对mos管q5结电容充电，mos管q3结电容放电，在mos管q3结电容电压降为零时，谐振电流会使mos管q3的体二极管先导通，以保证mos管q3有驱动时，实现mos管q3的零电压开通(zvs)。为了实现mos管q3的零电压开通(zvs)，必须将死区时间(t5~t6)设置到大于mos管q3的结电容电压降到零所需要的时间。
48.所以，该开关频率的设计能大大提高开关电源效率，节约能源，降低电源内部温升，同时提高电源的可靠性。
49.（2）本发明的软开关技术开关电源开关频率f=fs为优化设计，当开关频率fm《f《fs时，在初级mos管q3或mos管q5还未关断前，谐振电流已经等于励磁电流，所以次级相应的mos管q8或mos管q6的电流先零电流关断(zcs),并导致谐振电感参与谐振，使得归一化电压增益有大于1的可能；当开关频率fs《f时，在初级mos管q3或mos管q5关断后，谐振电流依然大于励磁电流，次级相应的mos管q8或mos管q6的电流关断斜率较大，在mos管的d-s脚会产生尖峰电压。所以，这两种开关频率的设计会降低开关电源的效率和可靠性。
50.（3）本发明的软开关技术开关电源能降低电磁干扰，由于本发明的开关电源为软开关电源，电源的初级mos管q3和mos管q5都工作在零电压开通(zvs)状态，电源的次级mos管q6和mos管q8都工作在零电流关断(zcs)状态，所以产生的电磁干扰很小。
51.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。