一种低成本高效率交流到直流转换拓扑及转换方法技术

本发明专利技术属于涉及开关电源领域，具体涉及了一种低成本高效率交流到直流转换拓扑及转换方法，旨在解决提高交流到直流的转化效率的问题。本发明专利技术包括：交流电源模块、采样及信号控制模块、负载输出模块、主开关模块和两个二极管；所述交流电源模块，提供初始交流电；采样及信号控制模块，基于初始交流电生成控制信号；主开关模块，根据所述控制信号进行导通或关断，并基于初始交流电生成功率调节信号；第一二极管和第二二极管，用于使电流定向导通确保采样及信号控制模块和主开关模块正常工作；负载输出模块，对功率调节信号滤波，生成直流电压，并根据功率调节信号生成最终直流电压。本发明专利技术可以有效提高交流到直流转化效率，并且具体可集成化的条件。成化的条件。成化的条件。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高效率交流到直流转换拓扑及转换方法


[0001]本专利技术涉及开关电源领域，具体涉及了一种低成本高效率交流到直流转换拓扑及转换方法。

技术介绍

[0002]近些年来随着各种物联网设备的迅速普及，以及对各种电力电子设备控制的需求，如何从交流电路中高效低成本地取出小功率低压直流电成为了现在的研究热点。
[0003]目前物联网设备采用两种解决方案，对于用电量较大的设备采用电源适配器来供电，成本高、体积大，其本质是AC
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DC开关电源。这种AC
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DC开关电源效果虽然较好，但是不利于电力电子设备的小型化与集成化。而对于用电量较小的设备则直接采用电池供电，电池废弃后对环境十分不友好。
[0004]早期传统的AC
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DC开关电源的从交流到直流取电技术通过模拟电路实现。该模拟电路包括工频降压变压器、二极管整流器以及电容滤波器和电阻。输出电压主要取决于变压器的匝数比，电路的效率适中。然而，工频变压器所需要的磁性元件的尺寸和重量阻碍了这种解决方案在物联网设备和电力电子控制设备中的使用。
[0005]后续的非隔离方案首先将220V交流电源直接整流，整流后的脉动直流电压经电容滤波后接入串联调节器中。串联调节器使用双极性晶体管或功率场效应晶体管(Power
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MOSFET)与稳压管组成电压跟随器。晶体管以射极跟随器或源极跟随器的形式连接,负载连接在射极或源极,稳压管连接在晶体管的基极或栅极。但是这种串联调节器的效率通常不会大于输入电压与输出电压的比值。
[0006]再往后的技术路线则是目前常使用的开关模式电源，前级与上述方案一致，仍首先将220V交流电源直接整流，整流后的脉动直流电压经电容滤波，但是后级并不连接串联调节器，而是连接目前成熟的DC
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DC斩波电路方案，非隔离方案有buck
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boost电路，cuk电路等方案，隔离方案则是正激电路或者反激电路。如今的电源适配器大多采用单端反激电路的方案，即隔离型的buck
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boost电路。
[0007]无论是早期的传统方案还是整流后采用串联调节器的方案亦或是整流后采用DC
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DC斩波电路的方案，均无法小型化甚至集成到具有其他功能的芯片上，有两点限制1.方案中涉及到磁性元件(电感，变压器)的，磁性元件体积大，没有集成到硅片上的可能性；2.不涉及到磁性元件的电路方案功率损耗大，对散热性能的要求导致无法集成。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术中的上述问题，即目前AC
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DC开关电源由于磁性元件体积大或功率损耗大而难以集成化的问题，本专利技术提供了一种低成本高效率交流到直流转换拓扑：
[0009]所述转换拓扑包括：交流电源模块100、采样及信号控制模块200、负载输出模块300、主开关模块400、第一二极管501和第二二极管502；
[0010]所述交流电源模块100，用于提供初始交流电；
[0011]所述采样及信号控制模块200，基于所述初始交流电生成控制信号；
[0012]所述主开关模块400，根据所述控制信号进行导通或关断，并基于初始交流电生成功率调节信号；
[0013]第一二极管501和第二二极管502，用于使电流定向导通，确保所述采样及信号控制模块200和主开关模块400正常工作；
[0014]所述负载输出模块300，对所述功率调节信号进行滤波，生成待调节直流电压，并根据所述调节器与负载单元调节所述待调节直流电压，生成直流电压。
[0015]在一些优选的实施方式中，所述转换拓扑，其连接方式为：
[0016]交流电源模块100的第一端连接采样及信号控制模块200的第一端；交流电源模块100的第二端连接采样及信号控制模块200的第二端；
[0017]采样及信号控制模块200的第三端连接主开关模块400的第一端；采样及信号控制模块200的第四端连接负载输出模块300的第一端；
[0018]主开关模块400的第二端连接负载输出模块300的第二端；
[0019]第一二极管501的阳极与采样及信号控制模块200的第五端连接，第一二极管501的阴极与交流电源模块100的第一端连接；
[0020]第二二极管502的阳极与交流电源模块100的第二端连接，第二二极管502的阴极与主开关模块400的第三端连接。
[0021]在一些优选的实施方式中，所述采样及信号控制模块200，具体包括：
[0022]所述采样及信号控制模块200包括第一分压电阻2001、第二分压电阻2003、稳压电容2002和稳压装置2004；
[0023]在采样及信号控制模块200的第一端和采样及信号控制模块200的第二端之间，为依次连接的第一分压电阻2001、稳压电容2002、第二分压电阻2003；其中，稳压电容2002的正极连接第一分压电阻2001，稳压电容2002的负极连接第二分压电阻2003；
[0024]稳压电容2002的正极与第一分压电阻2001之间引出采样及信号控制模块200的第三端；稳压电容2002的负极与第二分压电阻2003之间为第一公共节点2005，第一公共节点2005分别引出采样及信号控制模块200的第四端和采样及信号控制模块200的第五端；
[0025]所述稳压装置2004连接在采样及信号控制模块200的第三端和第四端之间。
[0026]在一些优选的实施方式中，所述稳压装置2004包括稳压二极管20041。
[0027]在一些优选的实施方式中，所述主开关模块400，由开关MOSFET管4001构成；
[0028]开关MOSFET管4001的栅极连接主开关模块400的第一端；开关MOSFET管4001的源极连接主开关模块400的第二端；开关MOSFET管4001的漏极连接主开关模块400的第三端；
[0029]所述主开关模块400可通过功率场效应管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、结型场效应晶体管JEFT、功率双极性晶体管BJT或比较器中的一种实现。
[0030]在一些优选的实施方式中，所述负载输出模块300，包括：
[0031]负载电容3001和调节器与负载单元；
[0032]负载电容3001的正极连接负载输出模块200的第二端，负载电容3001的负极连接负载输出模块200的第一端；
[0033]所述调节器与负载单元并联在所述负载电容3001的两端。
[0034]在一些优选的实施方式中，所述负载输出模块300，还包括控制电压子模块；
[0035]所述控制电压子模块，用于当所述负载电容3001电压过限时，生成可关断主开关模块400的信号。
[0036]在一些优选的实施方式中，所述控制电压子模块，包括第一控制电压子模块结构，具体包括：
[0037]第三分压电阻3002、第四分压电阻3003和低电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本高效率交流到直流转换拓扑，其特征在于，所述转换拓扑包括：交流电源模块(100)、采样及信号控制模块(200)、负载输出模块(300)、主开关模块(400)、第一二极管(501)和第二二极管(502)；所述交流电源模块(100)，用于提供初始交流电；所述采样及信号控制模块(200)，基于所述初始交流电生成控制信号；所述主开关模块(400)，根据所述控制信号进行导通或关断，并基于初始交流电生成功率调节信号；第一二极管(501)和第二二极管(502)，用于使电流定向导通，确保所述采样及信号控制模块(200)和主开关模块(400)正常工作；所述负载输出模块(300)，对所述功率调节信号进行滤波，生成待调节直流电压，并根据所述调节器与负载单元调节所述待调节直流电压，生成直流电压。2.根据权利要求1所述的一种低成本高效率交流到直流转换拓扑，其特征在于，所述转换拓扑，其连接方式为：交流电源模块(100)的第一端连接采样及信号控制模块(200)的第一端；交流电源模块(100)的第二端连接采样及信号控制模块(200)的第二端；采样及信号控制模块(200)的第三端连接主开关模块(400)的第一端；采样及信号控制模块(200)的第四端连接负载输出模块(300)的第一端；主开关模块(400)的第二端连接负载输出模块(300)的第二端；第一二极管(501)的阳极与采样及信号控制模块(200)的第五端连接，第一二极管(501)的阴极与交流电源模块(100)的第一端连接；第二二极管(502)的阳极与交流电源模块(100)的第二端连接，第二二极管(502)的阴极与主开关模块(400)的第三端连接。3.根据权利要求2所述的一种低成本高效率交流到直流转换拓扑，其特征在于，所述采样及信号控制模块(200)，具体包括：所述采样及信号控制模块(200)包括第一分压电阻(2001)、第二分压电阻(2003)、稳压电容(2002)和稳压装置(2004)；在采样及信号控制模块(200)的第一端和采样及信号控制模块(200)的第二端之间，为依次连接的第一分压电阻(2001)、稳压电容(2002)和第二分压电阻(2003)；其中，稳压电容(2002)的正极连接第一分压电阻(2001)，稳压电容(2002)的负极连接第二分压电阻(2003)；稳压电容(2002)的正极与第一分压电阻(2001)之间引出采样及信号控制模块(200)的第三端；稳压电容(2002)的负极与第二分压电阻(2003)之间为第一公共节点(2005)，第一公共节点(2005)分别引出采样及信号控制模块(200)的第四端和采样及信号控制模块(200)的第五端；所述稳压装置(2004)连接在采样及信号控制模块(200)的第三端和第四端之间；所述稳压装置(2004)为稳压二极管(20041)。4.根据权利要求2所述的一种低成本高效率交流到直流转换拓扑，其特征在于，所述主开关模块(400)，由开关MOSFET管(4001)构成；开关MOSFET管(4001)的栅极连接主开关模块(400)的第一端；开关MOSFET管(4001)的
源极连接主开关模块(400)的第二端；开关MOSFET管(4001)的漏极连接主开关模块(400)的第三端；所述主开关模块(400)可通过绝缘栅双极型晶体管IGBT、结型场效应晶体管JEFT、功率双极性晶体管BJT或比较器中的一种实现。5.根据权利要求2所述的一种低成本高效率交流到直流转换拓扑，其特征在于，所述负载输出模块(300)，包括：负载电容(3001)和调节器与负载单元；负载电容(3001)的正极连接负载输出模块(200)的第二端，负载电容(3001)的负极连接负载输出模块(200)的第一端；所述调节器与负载单元并联在所述负载电容(3001)的两端。6.根据权利要求5所述的一种低成本高效率交流到直流转换拓扑，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晋，贺嵩铭，曾庆鹏，霍群海，尹靖元，韦统振，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：