交直流输入自适应开关电源电路制造技术

本发明专利技术公开了一种交直流输入自适应开关电源电路，使用无桥BOOST变换器的整流与升压功能取代现有技术方案中的分立的整流功能与升压功能，用开关管替换现有技术方案中整流二极管，从而提升电源效率，解决因为效率低效带来的相关问题；此外，本发明专利技术采用的控制方案简单高效，解决现有技术方案中控制过于复杂、成本较高、开发难度大等问题。

AC and DC input adaptive switching power supply circuit

The invention discloses an AC/DC input adaptive switching power supply circuit, which uses the rectifying and boosting functions of the bridge-less BOOST converter to replace the separate rectifying and boosting functions in the prior technical scheme, and uses the switch tube to replace the rectifying diode in the prior technical scheme, thereby improving the power supply efficiency and solving the inefficiency band. In addition, the control scheme adopted by the invention is simple and efficient, which solves the problems of over-complicated control, high cost and difficult development in the existing technical scheme.

【技术实现步骤摘要】
交直流输入自适应开关电源电路
本专利技术涉及一种交直流输入自适应开关电源电路，特别涉及一种应用于工业控制、仪器仪表行业具有超宽输入电压范围的交直流输入自适应开关电源电路。
技术介绍
工业现场，能够为设备供电的电源主要有交流电源(如220V/50Hz交流电源、240V/50Hz交流电源、120V/60Hz交流电源等)和直流电源(如蓄电池提供的24V直流电源、48V直流电源等)两种形式。在国外，工业控制、仪器仪表行业终端设备供电，目前已有厂商可以提供兼容交流电源(电压范围85VAC～265VAC)和直流电源(电压范围18VDC～100VDC)的供电装置解决方案，如EMERSON公司的高准1700型和2700型多功能现场和一体式安装型变送器，其供电可以兼容交流电源和直流电源，此设备的电源可以自动切换交流/直流输入、自动识别电源电压(即交直流输入自适应)，可以兼容85VAC～265VAC输入电压范围的交流电源和18VDC～100VDC输入电压范围的直流电源。这给终端设备用户带来了极大的便利。但是EMERSON公司变送器电源的输出最大功率仅为11W，其具体使用的技术暂也不得而知。而在国内，工业控制、仪器仪表行业终端设备供电通常的解决方案为：针对交流电源和直流电源这两种电源形式，分别设计不同的电源转换装置给终端设备供电。输入电源是交流电源，通过一个AC/DC电源，将交流电转换为终端设备所需直流电；输入电源是直流电源，则通过一个DC/DC电源，将直流电转换为终端设备所需直流电。如果某些工业现场只能提供交流电源或者直流电源，那么必须根据供电电源类型选择终端设备，这会大大限制终端设备的使用范围。对于只能使用直流供电的终端设备，若误接入交流电源中，可能会直接将终端设备损毁，甚至会引发爆炸、火灾、操作人员触电等严重安全事故。国内文献给出的解决方案主要构思则主要参考如下：文献1：蒋荣慰.仪用超宽输入电压范围AC/DC-DC开关电源研制.[硕士学位论文].合肥，合肥工业大学，2015年4月.该文献给出的解决方案为：采用“BOOST升压电路”加上“反激变换器”两级电源级联方案，如果输入电压较低，BOOST升压电路将此低电压先升压到一个适合的高电压，再通过反激变换器得到需要的输出电压；如果输入电压较高，BOOST升压电路不工作，输入电压直接到达反激变换器后得到需要的输出电压。其研究成果已经申请专利技术专利，申请号为201410257961.0，专利技术名称为《超宽电压输入范围AC/DC-DC自适应仪用开关电源》，以下简称为专利申请1。文献1与专利申请1的技术方案存在一个致命的问题，即直流低压输入效率低，这一点在文献1的第42页的表4-1中可以看出，样机在直流18VDC输入下效率仅有67％，且样机的最大输出功率仅有11.59W，对于更大功率的应用，如此低的效率，电路将无法正常工作，这将大大限制电路使用范围。本申请的专利技术人对其解决方案进行分析发现，其工频整流滤波电路(图1-1所示)在直流低压输入时损耗过高，是导致整机效率低的根本原因。其技术方案，交直流输入自适应功能是通过工频整流滤波电路实现的，具体方案为使用一个全桥整流滤波电路，这样导致的结果就是，直流输入需要经过整流桥内的两个二极管，而整流桥选型不仅需要兼顾低压直流输入下的较大的输入电流，还需要考虑交流输入下需要承受较高的输入电压，所以整流桥必须使用常用AC/DC电源使用的标准型“桥堆”，其导通压降通常在0.9V～1.5V之间，两个二极管将产生1.8V～3V的导通压降，在直流18V输入的情况下，其整流桥损耗将达到10％～16.7％，这仅是整流桥产生的损耗，整机的损耗当然不止这些，还包括升压变换电路(图1-2所示)、反激变换电路(图1-3所示)等，所以文献1与专利申请1的技术方案，直流18VDC输入下效率仅有67％。效率低意味着损耗高，电路中损耗通常要以热量的形式散发出去，而在行业实际应用中电源电路大多被密封起来，所以器件散热问题将很难处理。当然整流桥也可以考虑选择导通压降较小的二极管，比如使用四个分立肖特基二级管，但是高压型的肖特基二极管，导通压降依旧很高且选型困难，这并不会使得整流桥的损耗问题得到根本解决，同时会大幅增加物料成本和采购难度，显然是得不偿失的。按照文献1与专利申请1的技术方案，以及专利申请1中给出的实施例的硬件电路框图(图1-4所示)，实际搭建电路对其电路效率进行评估，其中的反激变换器研究相对成熟，其效率经过适当优化可以达到90％左右，所评估重点放在工频整流滤波电路与升压变换电路这两部分。图2为评估效率所使用的控制框图，采用电压型控制、开关频率为65KHz、取L为320uH铁硅铝磁环制作的电感、S为600V/10A/0.19Ω的MOSFET、D为400V/10A的超快恢复二极管、整流桥为1000V/2A的标准桥堆，输出Vo设定为70VDC，当输出功率达到28W时，整流桥表面最高温度已经超过94℃(常温30℃下测试，使用风扇散热)，这对于可靠性要求极高的工业电源来说是不可接受的。而且随着输出功率的增大，必须选用更大通流能力和更大体积的整流桥，以解决低压直流输入下的整流桥损耗带来的发热问题。文献2：廖政伟.基于变模态的宽输入电压范围隔离型DC/DC变流器的研究.[硕士学位论文].浙江，浙江大学，2013年1月.该文献也提出一种两级电源解决方案：采用“BOOST升压电路”加上“LLC变换器”，当输入电压低时，BOOST升压电路启动工作，将输入电压升高到某一设定值，再通过LLC变换器得到需要的输出电压；当输入电压高时，BOOST升压电路不工作，输入电压直接到达LLC变换器后得到需要电压(参见文献2第2.2.1节与第2.2.2节，第13页)。文献2的两级电源控制理念与文献1两级电源控制理念大体相同，均为：输入电压较低时，BOOST升压电路将输入电压升高；输入电压较高时，BOOST升压电路不工作，输入电压直接到后级变换电路。不同点在于文献1(包括专利申请1)使用的是两级独立控制方案，即使用两颗模拟控制芯片实现整机控制的目的。而文献2使用的是数字控制方案，即使用一颗数字控制器，通过软件算法实现对两级的控制，文献2的控制过于复杂且成本较高、开发难度大；并且文献2所述技术方案只能应用于新能源领域的直流输入场合，并不能实现交直流输入自适应。文献3：申请公布号为CN105553292A，专利技术名称为《一种两级控制方法、两级控制器及AC/DC开关电源》的中国专利技术专利申请公布说明书，该文献给出了一种“BOOST升压电路”加上“反激变换器”的两级电源方案，同时给出了一种高集成的两级控制方法及基于该控制器的AC/DC电源，但是这种方案也仅适用于宽输入范围的AC/DC电源。综上所述，目前，包括文献1、专利申请1、文献2、文献3中提及的技术方案，行业内并没有相关的独立研究成果和技术能克服前文技术方案存在的缺点，概括如下：1)低压直流输入下，整流桥损耗过高、整流桥温升过高，整机效率低；2)效率低及整流桥温升问题导致电源可靠性问题，严重限制电源功率的扩展；3)控制过于复杂，成本较高，开发难度大。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题是克服现有超宽输入电压范围的交直流输入自适应开关电源存在的缺点，解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种交直流输入自适应开关电源电路，其特征在于：包含整流升压变换电路、隔离型开关变换器、第一采样电路、第二采样电路以及控制器；整流升压变换电路为无桥BOOST变换器；整流升压变换电路将输入其的电压整流为固定极性的直流电压，第一采样电路对该直流电压进行采样并输出至控制器，当该直流电压低于设定值时，控制器产生第一PWM控制信号，控制整流升压变换电路将该直流电压升高至设定值后输出；当该直流电压等于或高于设定值时，控制器封锁第一PWM控制信号，整流升压变换电路依靠自身电路结构，仅将输入其的电压整流为固定极性的直流电压后输出；隔离型开关变换器用于将整流升压变换电路输出的电压进行隔离后输出隔离电压，第二采样电路对该隔离电压进行采样并输出至控制器，控制器产生第二PWM控制信号，控制隔离型开关变换器产生最终所需的输出电压。

【技术特征摘要】
1.一种交直流输入自适应开关电源电路，其特征在于：包含整流升压变换电路、隔离型开关变换器、第一采样电路、第二采样电路以及控制器；整流升压变换电路为无桥BOOST变换器；整流升压变换电路将输入其的电压整流为固定极性的直流电压，第一采样电路对该直流电压进行采样并输出至控制器，当该直流电压低于设定值时，控制器产生第一PWM控制信号，控制整流升压变换电路将该直流电压升高至设定值后输出；当该直流电压等于或高于设定值时，控制器封锁第一PWM控制信号，整流升压变换电路依靠自身电路结构，仅将输入其的电压整流为固定极性的直流电压后输出；隔离型开关变换器用于将整流升压变换电路输出的电压进行隔离后输出隔离电压，第二采样电路对该隔离电压进行采样并输出至控制器，控制器产生第二PWM控制信号，控制隔离型开关变换器产生最终所需的输出电压。2.根据权利要求1所述的交直流输入自适应开关电源电路，其特征在于：整流升压变换电路包括：第一电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管和母线电容；第一电感的一端和第二二极管的阳极用于输入电压，第一电感的另一端与第一二极管的阳极和第一开关管的漏极相连，第二二极管的阳极与第二开关管的漏极相连，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极和母线电容的一端相连，连接点为整流升压变换电路的输出正极，第一开关管的源极与第二开关管的源极和母线电容的另一端相连，连接点为整流升压变换电路的输出负极。3.根据权利要求1所述的交直流输入自适应开关电源电路，其特征在于：整流升压变换电路包括：第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管和母线电容；第一电感的一端和第二电感的一端用于输入电压，第一电感的另一端与第一二极管的阳极和第一开关管的漏极相连，第二电感的另一端与第二二极管的阳极和第二开关管的漏极相连，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极和母线电容的一端相连，连接点为整流升压变换电路的输出正极，第一开关管的源极与第二开关管的源极和母线电容的另一端相连，连接点为整流升压变换电路的输出负极。4.根据权利要求1所述的交直流输入自适应开关电源电路，其特征在于：整流升压变换电路包括：第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开...

【专利技术属性】
技术研发人员：任鹏程，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44