开关电源制造技术

本发明专利技术公开了一种开关电源，含有开关信号形成电路和交流通过电路；开关信号形成电路用于形成交流或脉动的电流，其中包含有周期为开关周期的交流电流成分，即开关纹波电流，交流通过电路用于衰减或通过这些开关纹波电流中的一种或多种特定频率成分，这种电路有可以是单级的，也可能是多级电路，其特征是：交流通过电路包括一个或多个由相互串联的在所述特定频率下呈感性的单元和呈容性的单元组成的串联谐振支路，其中至少一个串联谐振支路中的至少一个谐振频率对应于总开关纹波电流或流过本级电路的开关纹波电流的多种频率成分中电流幅值最大的频率。本发明专利技术可以解决滤波或耦合电容发热问题，减小电路体积，降低电路成本。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种开关电源，具体地说，涉及开关电源中的滤波或耦合电路。为实现上述目的，本专利技术提出一种开关电源，含有开关信号形成电路和交流通过电路；开关信号形成电路用于形成交流或脉动的电流，其中包含有开关纹波电流，交流通过电路用于衰减或通过这些开关纹波电流中的一种或多种特定频率成分，其特征是交流通过电路包括一个或多个由相互串联的在所述特定频率下呈感性的单元和呈容性的单元组成的串联谐振支路，其中至少一个串联谐振支路中的至少一个谐振频率对应于输入到该谐振支路的开关纹波电流多种频率成份中电流幅值最大的频率。由于采用了以上的方案，本专利技术采用串联谐振电路在谐振频率附近呈现很低阻抗的特性，选择串联谐振电路的谐振频率为欲衰减或通过的交流信号的频率，用串联谐振电路替代或部分替代原来的滤波或耦合元件，充分结合了串联谐振电路的谐振特性和开关电源的中开关信号具有周期性的特点，由于开关电源的频率较高，在原来基本滤波电路中使用较大电解电容和高频电容的地方，现在只需使用小容量的电感和电容，适当的设计甚至可以全部不使用有极性的电容，节省了电路成本，减小了电路中元器件体积，很好地解决了发热问题，提高了电路可靠性。图2是本专利技术改进的开关电源中使用的一种滤波电路原理图。图3是本专利技术改进的另一种滤波电路，它的一个串联谐振支路具有两个串联谐振频率。图4是本专利技术改进的又一种滤波电路原理图。图5是本专利技术用于BUCK电路的输出滤波电路。图6是本专利技术用于BOOST电路的输出滤波电路。图7是本专利技术用于BUCK-BOOST电路的输出滤波电路。图8是本专利技术用于BOOST-BUCK电路的输出滤波和耦合电路。图9是本专利技术用于开关电源变换前端直流侧或交流输入电源滤波电路。附图说明图10是本专利技术用于半桥、全桥、不对称半桥等电路的高频耦合电路。图11是本专利技术用于输出恒流的开关电源的输出滤波电路图12是本专利技术用于DCAC变换电路的滤波电路图13是本专利技术用于与共模电感结合使用的滤波电路。图14是采用高频下感性电容和容性电容串联形成的滤波电路。具体实施例方式本专利技术改进开关电源中的滤波电路原理见图2，设输入电源IN的波形是开关变换形成的周期性波形，其周期可以是固定的，也可以有一定变化。在L1中形成周期性电流波形，其中的电流是总的开关纹波电流。如各种占空比固定或变化的造成纹波电流波形的不同，输入波形的不同不应理解为对本专利技术应用的限制。本专利技术将这种周期为开关周期的周期性交流电流称为开关纹波电流。对通常的设计，输出级的单级或多级滤波电路中，都尽量衰减流入到后级电路或最终输出的开关纹波电流，即尽量使开关纹波电流通过本级电路的某一或某些支路而不流到后级电路。耦合电路则将开关纹波电路全部传递到后级电路。因此，本专利技术将滤波电路、交流耦合电路等希望让交流电流通过的电都视为交流通过电路。在现有技术中，通过开关纹波电流的电路中往往采用较大的电解电容并联高频电容，而在耦合电路中则采用较大的高频电容。如图2所示，电容C2和电感L2串联组成谐振支路100，其一端接公共端COM，另一端和电感L1的一端相连，L1的另一端连接于开关信号输入端INA，电容C1和谐振支路100并联。设开关纹波电流(即流过L1的电流)的是周期为T的周期性波形，L2C2的谐振频率为周期性波形的基波或第n次谐波，即1/(2π(L2×C2)1/2)＝n×(1/T)....................①其中n为正整数根据信号频谱变换的基本原理，周期性的波形可被分解为直流成分和基波成分与所有谐波的和，设开关纹波电流的波形为f(t)，其周期为T，角频率为w，n次谐波幅值为Cn，有Cn＝(An2+Bn2)1/2.............................②其中An=2/T∫Tf(t)Cos(nwt)dt]]>Bn=2/T∫Tf(t)Sin(nwt)dt]]>则f(t)＝C1×Sin(wt+d1)+C2×Sin(2(wt+d2))+...+Cn×Sin(n(wt+dn))....③其中n＝1，2，3...，d1，d2...dn是常数在多数开关电源中，纹波电流的基波和少数几个低次谐波的幅值较大，而其他分量很小，并且随着谐波次数的升高其幅值有快速下降的趋势。根据上述对波形的频域分析可见，可以用少数几个串联谐振电路(100)，选择L2、C2的值，将串联谐振支路100的谐振频率设计在开关纹波电流中少数几个幅值较大的频率上，由于串联谐振支路100在谐振频率附近阻抗一般远低于单独使用容性单元或感性单性时的阻抗，因而此时谐振支路100作用相当于比C2大得多的电容或比L2小得多的电感，理想情况下，串联谐振支路100的阻抗为0，绝大部分的开关纹波电流将流过串联谐振支路，因而流过C1的电流减小，容量也可以减小，甚至可以不用。在很多开关电源中，开关纹波电流中基波成份幅值最大，并且比其他频率成份大得多，这种情况下，只用1个串联谐振支路就可以达到很好的效果，图2就是一个实例。INA是开关变换形成的周期性波形，在L1中形成开关纹波电流，而串联谐振支路(100)的串联谐振频率设定在所述开关纹波电流波形的基波中心频率上。实际情况下，串联谐振电路100在被衰减频率处的阻抗并不为0，它与被衰减频率与谐振频率的偏差和L2C2参数的有关。偏差越小，阻抗越低。有频率偏差时串联谐振电路100仍具有较好的作用。例如，被衰减频率与谐振频率相关5％时，串联谐振电路阻抗为C2的电容阻抗的1/10。串联谐振支路100可以若干个并联使用。这些支路的谐振频率可以针对同一个频率设定而在同一值或同一值附近，这样被衰减频率有一定变化时，电路都具有较低阻抗。也可以针对不同频率设定，这样对多个被衰减频率，电路都具有较低阻抗。显然，串联谐振支路100也可以在多级滤波中不同级中多处使用。当某种原因使开关波形的形状如占空比变化或幅值变化时，其基波和谐波在总电流中的比例将发生变化，但由于频率不变，因此串联谐振支路100仍能起到很好的滤波作用。如图2所示的滤波电路的一个优点是可以全部不使用有极性的电容。因而它也可用于开关电源中通过开关信号的交流耦合通路的一部分或全部，或者用于DCAC变换的输出滤波。图4电路作了改进。在图2的基础上，增加了L3串联在谐振支路(100)和后级电路之间。它有这样的优点如果选择L3使其和后级电路串联后在被衰减频率上的阻抗大于谐振支路100的阻抗，显然大部分被衰减频率电流将流过谐振支路(100)。如果把电解电容接在L3后面的电路中，则电解电容中将只流过少量的被衰减频率电流，因而电解电容容量可以大大减小。由于开关电源频率较高，L2、C2、L3的数值较小，总体上，电路成本低、体积小。与普通的滤波电路相比，图2、图4电路具有另一个优点，就是它在增强滤波性能的同时对电路低频特性影响很小，因而也可以应用在对低频信号相位有要求交流滤波电路中；另外，在要求稳定输出的电路中，由于电容可以减小，因而容易使电路多级级联中产生的谐振频率较高，电路对应频率的的增益低，因而它更有利于环路参数的设计，而传统的多级滤波器，由于滤波电容增大时容易产生多个频率较低的谐振点，不利于环路的设计。例如一种正激电路的滤波电路，其输入为近本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电源，含有开关信号形成电路和交流通过电路；开关信号形成电路用于形成交流或脉动的电流，其中包含有开关纹波电流，交流通过电路用于衰减或通过这些开关纹波电流中的一种或多种特定频率成分，其特征是：交流通过电路包括一个或多个由相互串联的在所述特定频率下呈感性的单元和呈容性的单元组成的串联谐振支路（１００），其中至少一个串联谐振支路（１００）中的至少一个谐振频率对应于输入到该谐振支路（１００）的开关纹波电流多种频率成份中电流幅值最大的频率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱春辉，曹升芳，张强，
申请(专利权)人：艾默生网络能源有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]