开关电源的制作方法
专利名称：开关电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源领域，尤其涉及一种采用原边控制方法实现恒流输出并且具备功 率因数校正的开关电源。
背景技术：
恒流输出，是指开关电源输出为恒定的电流源，而非恒定的电压源，即当该恒流输 出开关电源连接不同阻抗的负载时，流过负载的电流恒定不变。原边控制，是指开关电源的控制部件通过对变压器原边侧的电流进行调节以实现 对开关电源输出电流的控制，从而省却了变压器副边侧所需的电压电流检测以及光电耦合 等电气隔离器件，简化了电路设计。现有技术中的一种恒流输出的原边控制型的开关电源如图1所示，主要包括输 入单元100，变压器106、原边控制器107、功率开关管109、采样电阻110及输出单元120，其 中输入单元100包括滤波电感101、整流桥102滤波电容103，交流输入电压Vac经 滤波电感101、整流桥102整流后，输送至滤波电容103进行平滑滤波，最后得到干线电压 Vbus,该干线电压Vbus为整个开关电源电路工作供电。变压器106包括原边线圈106a，与原边线圈106a相耦合的副边线圈106b，与副边 线圈106b相耦合的辅助线圈106c。原边控制器107的驱动端OUT经限流电阻108与所述功率开关管109的控制端相 连，用于控制功率开关管109的开通或关断。当驱动端OUT输出高电平时，功率开关管109导通，干线电压Vbus输出的电流Ip 流经原边线圈106a、功率开关管109、采样电阻110到地端，此时，原边线圈106a储能，电流 Ip即为流经原边线圈106a的原边电流。电流Ip经采样电阻110取样后转换成电压信号输 送至原边控制器的107的峰值电流检测端CS，当CS端接收到的电压信号大于原边控制器 107内部设定的阈值电压时，驱动端OUT输出低电平，功率开关管109关断。当功率开关管109关断时，储存在原边线圈106a中的能量经磁路耦合至副边线圈 106b，副边线圈106b经整流二极管114对电容115充电，从而释放储能，充电后的电容115 上的电压作为开关电源的输出，为负载提供恒定电流。要使原边控制型开关电源输出电流为恒定值的重要条件是保持变压器原边线圈 电流峰值Ipk恒定不变。上述的原边控制型开关电源其输入电流Iac形状近似为脉冲形，由此导致输入电 流Iac的高次谐波分量很高，功率因数很低，对电网造成污染且降低了发电设备的利用效率。为了提高上述原边控制型开关电源的功率因数，图2所示的开关电源改善了输入 端的功率因数，在图1所示的开关电源的基础上增设电压提升单元220，设置在整流桥202 和直流干线储能电容219之间。
该电压提升单元220主要包括电感216、第一二极管217和第二二极管218。电 感216的一端连接整流桥202的正极性输出端，另一端连接第二二极管218的正极性端，第 二二极管218的负极性端连接直流干线储能电容219的正极性端，直流干线储能电容219 的负极性端接地；第一二极管217的正极性端连接第二二极管218的正极性端，第一二极管 217的负极性端连接功率开关管209的第一端。其功率因数校正的原理描述如下 当功率开关管209导通时，除了产生流经原边线圈206a的原边电流Ip以外，还产 生另一个流经电感216和第一二极管217的电流Ib，电流Ib在电感216中产生储能。当功 率开关管209关断时，由于原边线圈206a中电压的极性反转，使得第一二极管217关断，此 时，电感216中的储能经第二二极管218向直流干线储能电容219充电，从而，提升直流干 线储能电容219上电压值。由于开关电源工作在高频模式，电感216中的高频电流经滤波电容203和滤波电 感201滤除高频成分后，其低频成分即为开关电源输入端的工频输入电流Iac，并且电流 Iac形状为近似的正弦波形，由此电流Iac的高次谐波分量大大减小，并且整流桥202的导 通角较大，使得功率因数得到了改善。但是，图2所示的开关电源输出电流的恒流性能变差，并且输出电流纹波也会增 大。这是因为，升压单元220的储能电流Ib和原边线圈206a中的电流Ip都是通过功率开 关管209来控制的，即功率开关管209中的电流Id为电流Ib和电流Ip之和。当电流Id 流经采样电阻210时，所产生的电流峰值信号被送至原边控制器207的峰值电流检测端CS， 使驱动端输出低电平，关断功率开关管209，但此时，流经原边线圈206a的电流Ip并没有达 到期望的峰值Ipk，导致原边线圈206a储能不足，使得开关电源的输出电流减小，无法保证 输出电流为恒定值。当开关电源的输入电压发生变化时，储能电流Ib发生变化，使得原边 峰值电流Ipk也发生变化，由此导致开关电源输出电流Iout也发生变化，从而无法实现恒 定电流输出。综上所述，原边控制器207无法采集到真实的原边线圈206a的峰值电流Ipk，故无 法保证开关电源恒流输出的性能。另外，由于开关电源输入的是正弦波工频电压，使得升压单元220的储能电流Ib 也受此正弦波调制，进而使得流经原边线圈206a的原边电流的峰值Ipk也受此正弦波调 制，因此开关电源输出电流Iout也受到调制，表现为较大的纹波电流。与图2类似的开关电源功率因数校正方法，还有较多的衍生电路实施例，其共同 的特征是使用同一个功率开关管控制升压单元的储能电流和变压器原边电流，虽然都可以 改善开关电源输入端的功率因数，但都具有同样的缺点，即输出恒流特性变差、输出电流纹 波变大，将对开关电源所连接的负载带来不利影响。
发明内容
本发明提供一种开关电源，能够在改善输入端的功率因素的同时，实现恒流输出， 技术方案如下一种开关电源，包括输入单元、直流干线储能电容、变压器、原边控制器、功率开关 管、采样电阻及输出单元，还包括
连 接于所述输入单元和所述直流干线储能电容之间的开关储能单元，用于在所述 功率开关管导通时储存能量；并在储能完成后或所述功率开关管关断时，将所存储能量释 放给所述直流干线储能电容；连接于所述采样电阻和所述原边控制器之间的信号提取单元，用于在所述功率开 关管导通时，从所述采样电阻的电流采样信号中提取出所述变压器原边线圈的峰值电流信 号，并提供给所述原边控制器的峰值电流检测端；与所述变压器的原边线圈及所述功率开关管串接的第一二极管，所述第一二极管 的正极性端与所述原边线圈的一端连接，负极性端与功率开关管的第一端连接。优选地，所述开关储能单元包括第一电感、第二二极管、第三二极管及第一电容， 其中所述第一电感的一端与所述输入单元的输出端相连，所述第一电感的另一端与所 述第二二极管的正极性端相连；所述第二二极管的负极性端与所述第三二极管的正极性端相连接，第三二极管的 负极性端与所述直流干线储能电容的正极性端相连；所述第一电容的一端与所述第三二极管的正极性端相连，所述第一电容的另一端 作为所述开关储能单元的控制端与所述功率开关管的第一端相连接。优选地，所述开关储能单元还包括并联于所述第二二极管两端的阻尼电阻。优选地，所述信号提取单元包括定时器、开关晶体管及限流电阻，其中所述定时器的输入端作为所述信号提取单元的控制端与所述原边控制器的驱动 端相连，所述定时器的输出端与所述开关晶体管的控制端相连接；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与所述功率开关管的第二端相连，且该 第一端作为所述信号提取单元的输出端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连，该开关 晶体管的第二端接地。优选地，所述信号提取单元包括定时电容、第一定时电阻、第二定时电阻、驱动电 阻、开关晶体管及限流电阻，其中所述定时电容、第一定时电阻及第二定时电阻串联连接在所述原边控制控制器的 驱动端和地端之间，且所述定时电容与所述驱动端相连，所述第二定时电阻的一端接地；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与功率开关管的第二端相连，同时该开 关晶体管的第一端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连；所述开关晶体管的第二端接 地；所述开关晶体管的控制端经所述驱动电阻与所述第二定时电阻未接地的一端相连。优选地，所述开关晶体管为三极管，所述三极管的集电极、发射极及基极分别为所 述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。优选地，所述开关晶体管为场效应晶体管，所述场效应晶体管的漏极、源极及栅极 分别为所述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。优选地，所述输入单元包括设置在开关电源输入端的滤波电感、整流桥及输入滤 波电容，其中所述整流桥的交流输入端经所述滤波电感与交流电源相连；所述整流桥的正极性输出端与所述开关储能单元的输入端相连；所述整流桥的负极性输出端与地端相连；
所述输入滤波电容并联在所述整流桥的正负输出端间。优选地，所述输出单元包括整流二极管和输出滤波电容，其中所述整流二极管的正极性端与所述变压器的副边线圈的第一端相连接；所述输出滤波电容的一端与所述整流二极管的负极性端相连接，所述输出滤波电 容的另一端与所述副边线圈第二端相连接。
优选地，所述原边线圈与所述副边线圈为同一线圈，所述变压器的辅助线圈与所 述副边线圈耦合。优选地，所述原边线圈可以为所述副边线圈抽头分出的一部分线圈，所述变压器 的辅助线圈与所述副边线圈耦合。与现有技术相比，本技术具有以下优点所述开关电源在电源输入单元与直流干线储能电容之间弓丨入开关储能单元，通过 功率开关管上的开关信号控制开关储能单元，连续地将电源输入单元上的能量转移至直流 干线储能电容，从而使得开关电源的输入电流在整个工频周期内保持连续，并且输入电流 的形状为近似的正弦波形，由此减小输入电流的高次谐波分量，改善开关电源的功率因数。 该开关电源同时还引入信号提取单元，能够从采样电阻取得的电流信号中提取出原边线圈 的峰值电流信号，并提供给原边控制器，原边控制器根据接收到的原边线圈的峰值电流信 号控制功率开关管的导通与关断，从而控制原边线圈电流的峰值，使得开关电源输出电流 保持恒定。因此，本发明提供的开关电源能够在保持输出电流为恒定的同时，实现功率因数 的校正，改善了开关电源的性能。
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例和现有 技术描述中所需要使用的附图作介绍。图1为现有技术的一种开关电源的电路结构示意图；图2为现有技术的一种具有功率因数校正的开关电源的电路结构示意图；图3为本发明实施例的开关电源的一种电路结构示意图；图4为本发明实施例的开关电源的具体电路结构示意图；图5为图4所示开关电源的各关键点的信号波形图；图6为本发明实施例的开关电源的一种电流信号走向示意图；图7为本发明实施例的开关电源的另一种电流信号走向示意图；图8为本发明实施例的输入输出信号波形图；图9为本发明实施例的开关电源的具体电路结构示意图；图10为本发明实施例的开关电源的另一种电路结构示意图；图11为本发明实施例的开关电源的又一种电路结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对 本发明的具体实施方式
做详细的说明。请参见图3，该图为本发明实施例的开关电源的电路结构示意图，所述开关电源主要包括输入单元300、开关储能单元320、直流干线储能电容305、变压器306、第一二极管 330、原边控制器309、功率开关管311、采样电阻312、信号提取单元340及电源输出单元 360，其中， 所述电源输入单元300包括滤波电感301、由四个二极管组成的整流桥302及输入 滤波电容303。从输入单元300输入的交流电压Vac经整流桥302、滤波电感301及滤波电容303 进行整流和滤波后得到一整流电压Vrec。输入单元300的输出端连接至开关储能单元320的输入端，开关储能单元320的 输出端连接至直流干线储能电容305的正极性端，且作为所述开关电源工作的直流干线电 压Vbus。直流干线储能电容305的负极性端作为整个电路工作的参考地端。所述功率开关管311包括第一端、第二端及控制端，其中，所述第一端连接至开关 储能单元320的控制端。在本实施例中功率开关管311为场效应晶体管，其第一端即场效应晶体管的漏 极，其第二端即场效应管的源极，其控制端即场效应晶体管的栅极。该功率开关管还可以为 双极型晶体管，其基极为所述控制端，其集电极为所述第一端，其发射极为所述第二端。所述变压器306为一反激式变压器，包括原边线圈306a、与原边线圈306a耦合的 副边线圈306b、与副边线圈306b耦合的辅助线圈306c。原边线圈306a的输入端与所述直流干线储能电容305的正极性端连接，原边线圈 306a的输出端经第一二极管330连接至功率开关管311的第一端，且第一二极管330的正 极性端与原边线圈306a的输出端相连，用于阻止当原边线圈306a电压极性反转时电流的 反向流动。采样电阻312串接在所述功率开关管311的第二端和地之间，用于对功率开关管 311中的电流信号进行取样并转换成一个电压信号。信号提取单元340的输入端连接功率开关管311的第二端，用于获取采样电阻312 上的电压信号，信号提取单元340的输出端连接原边控制器309的峰值电流检测端CS，用于 将信号提取后的原边电流信号提供给原边控制器309。原边控制器309的驱动端OUT与信号提取单元340的控制端连接，用以控制信号 提取单元340的时序。同时，该驱动端OUT经电阻310连接至功率开关管311的控制端，用 于控制功率开关管311的导通和关断。原边控制器309的反馈电压检测端FB接收所述辅助线圈306c输出电压经第一分 压电阻314、第二分压电阻315分压后的电压信号。输入单元300的输出端经启动电阻307连接至原边控制器309的供电端Vcc，电 容308连接在供电端Vcc和接地端GND之间，当电容308上的电压达到原边控制器309的 启动电压时，原边控制器309开始工作；此外，辅助线圈306c的一端通过二极管313与原边 控制器309的供电端Vcc相连接，为电容308充电，以维持原边控制器309工作所需电压。电源输出单元360包括整流二极管316和输出滤波电容317，其中，整流二极管316的正极性端连接副边线圈306b的一端，用于对所述副边线圈306b 的输出电流进行整流；输出滤波电容317的正极性端连接整流二极管316的负极性端，输出 滤波电容317的负极性端连接副边线圈306b的另一端，所述输出滤波电容317的两端作为所述开关电源的输出。本实施例提供的开关电源的工作过程描述如下开关电源得电开始工作时，原边控制器309的驱动端OUT输出高电平，同时记录 OUT端上升沿时刻；OUT端高电平使功率开关管311导通，直流干线储能电容305输出电流 Ip经原边线圈306a、第一二极管330、功率开关管311、采样电阻312至地端，电流Ip流经 原边线圈306a并在其中产生储能；与此同时，开关储能单元320产生电流Ic，该电流Ic从 整流电压Vrec端流进开关储能单元320的输入端，并从开关储能单元320的控制端流出， 经功率开关管311和采样电阻312至地端，电流Ic在开关储能单元320中产生储能。在功率开关管311导通期间，功率开关管311上的电流Id在采样电阻312上产生 电流取样信号Vs，电流取样信号Vs包含原边线圈306a的电流Ip的信号和开关储能单元 320的电流Ic的信号，并输送至信号提取单元340的输入端。信号提取单元340利用电流Ic和电流Ip产生峰值存在的时间差，将电流取样信 号Vs中的电流Ic信号剔除，只保留电流Ip的信号，并产生对应电流Ip的电压信号Vcs，输 送至原边控制器309的峰值电流检测端CS ；当CS端的电压信号Vcs超过内部设定的比较 阈值Vth时，原边控制器309的OUT端输出低电平，将功率开关管311关断。在功率开关管311关断期间，辅助线圈306c上的电压极性反转，产生一个上升沿， 该上升沿电压信号经第一分压电阻314和第二分压电阻315分压后，输送至原边控制器309 的反馈电压检测端FB，原边控制器309记录该FB端的上升沿时刻。原边控制器309根据记录到的OUT端上升沿时刻及FB端上升沿时刻计算出原边 线圈306a的导通时间Tonp。在上述功率开关管311导通期间，由开关储能单元320流进功率开关管311的电 流Ic随时间上升，当电流Ic达到峰值时，开关储能单元320的储能达到最大值，此后电流 Ic快速降为零，随之开关储能单元320中的储能产生电流Ib对直流干线储能电容305充 电，从而提升电容305上的直流电压Vbus。在上述功率开关管311导通期间，由原边线圈306a经第一二极管330流进功率开 关管311的电流Ip也随时间上升，但电流Ip上升速度比电流Ic上升速度来得慢，因而在 时间上电流Ip峰值出现得比电流Ic峰值晚，以便信号提取单元340能够识别出准确的电 流Ip的峰值信号Ipk。当功率开关管311关断时，原边线圈306a中的电流Ip消失，原边线圈306a中的 储能耦合至副边线圈306b，副边线圈306b经整流二极管316对输出滤波电容317充电，其 充电电流为Is，以释放储能，输出滤波电容317对负载提供电流Iout ；与此同时，原边线圈 306a中的漏感储能使其电压极性反转，使得功率开关管311的第一端为高电位，此高电位 输送至开关储能单元320的控制端，从而使得开关储能单元320复位，以便为下一个开关周 期提供初始状态。当副边线圈306b的储能释放完后，其上电压极性反转，从而使辅助线圈306c的极 性再次反转产生一下降沿的电压信号，该下降沿信号同时提供给原边控制器309的反馈电 压检测端FB，原边控制器309记录FB端下降沿时刻，原边控制器309根据记录到的FB端上 升沿时刻至FB端下降沿时刻计算出副边线圈306b的导通时间Tons。 原边控制器309内部定义一固定常数K，并根据原边线圈导通时间Tonp及副边线圈导通时间Tons计算出一个死区时间Td，以满足条件Tons/(Tonp+Tons+Td) = K。当原边 控制器309检测到FB端下降沿时，启动死区时间定时器，在此期间OUT端输出保持为低电 平；当死区时间Td结束时，原边控制器309的OUT端重新输出高电平，驱动功率开关管311 导通，开关电源进入下一个开关周期。其中，开关电源一个完整的开关周期为原边线圈导通 时间Tonp、副边线圈导通时间Tons及死区时间Td三段时间之和，即 在上述过程中，原边控制器309根据信号提取单元340提供的变压器原边线圈 306a的真实的原边线圈电流峰值Ipk，并计算出原边线圈306a导通时间Tonp和副边线圈 306b导通时间Tons，根据如下的公式(1)计算得到开关电源的输出电流lout，
权利要求
1.一种开关电源，包括输入单元、直流干线储能电容、变压器、原边控制器、功率开关 管、采样电阻及输出单元，其特征在于，还包括连接于所述输入单元和所述直流干线储能电容之间的开关储能单元，用于在所述功率 开关管导通时储存能量；并在储能完成后或所述功率开关管关断时，将所存储能量释放给 所述直流干线储能电容；连接于所述采样电阻和所述原边控制器之间的信号提取单元，用于在所述功率开关管 导通时，从所述采样电阻的电流采样信号中提取出所述变压器原边线圈的峰值电流信号， 并提供给所述原边控制器的峰值电流检测端；与所述变压器的原边线圈及所述功率开关管串接的第一二极管，所述第一二极管的正 极性端与所述原边线圈的一端连接，负极性端与功率开关管的第一端连接。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关储能单元包括第一电感、 第二二极管、第三二极管及第一电容，其中所述第一电感的一端与所述输入单元的输出端相连，所述第一电感的另一端与所述第 二二极管的正极性端相连；所述第二二极管的负极性端与所述第三二极管的正极性端相连接，所述第三二极管的 负极性端与所述直流干线储能电容的正极性端相连；所述第一电容的一端与所述第三二极管的正极性端相连，所述第一电容的另一端作为 所述开关储能单元的控制端与所述功率开关管的第一端相连接。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述开关储能单元还包括并联于所 述第二二极管两端的阻尼电阻。
4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述信号提取单元包括定时器、开 关晶体管及限流电阻，其中所述定时器的输入端作为所述信号提取单元的控制端与所述原边控制器的驱动端相 连，所述定时器的输出端与所述开关晶体管的控制端相连接；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与所述功率开关管的第二端相连，且该第一 端作为所述信号提取单元的输出端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连，该开关晶体 管的第二端接地。
5.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述信号提取单元包括定时电容、 第一定时电阻、第二定时电阻、驱动电阻、开关晶体管及限流电阻，其中所述定时电容、第一定时电阻及第二定时电阻串联连接在所述原边控制控制器的驱动 端和地端之间，且所述定时电容与所述驱动端相连，所述第二定时电阻的一端接地；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与功率开关管的第二端相连，同时该开关晶 体管的第一端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连；所述开关晶体管的第二端接地； 所述开关晶体管的控制端经所述驱动电阻与所述第二定时电阻未接地的一端相连。
6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述开关晶体管为三极管，所述三极 管的集电极、发射极及基极分别为所述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。
7.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述开关晶体管为场效应晶体管，所 述场效应晶体管的漏极、源极及栅极分别为所述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的开关电源，其特征在于，所述输入单元包括设置在开关电源输入端的滤波电感、整流桥及输入滤波电容，其中 所述整流桥的交流输入端经所述滤波电感与交流电源相连； 所述整流桥的正极性输出端与所述开关储能单元的输入端相连； 所述整流桥的负极性输出端与地端相连； 所述输入滤波电容并联在所述整流桥的正负输出端间。
9.根据权利要求8所述的开关电源，其特征在于，所述输出单元包括整流二极管和输 出滤波电容，其中所述整流二极管的正极性端与所述变压器的副边线圈的第一端相连接； 所述输出滤波电容的一端与所述整流二极管的负极性端相连接，所述输出滤波电容的 另一端与所述副边线圈第二端相连接。
10.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述原边线圈与所述副边线圈为同 一线圈，所述变压器的辅助线圈与所述副边线圈耦合。
11.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述原边线圈为所述副边线圈的一 部分，所述辅助线圈与所述副边线圈耦合。
全文摘要
本发明公开一种开关电源，该开关电源包括电源输入单元、直流干线储能电容、变压器、原边控制器、功率开关管、采样电阻及输出单元，还包括连接于所述输入单元和直流干线储能电容之间的开关储能单元，用于在功率开关管开始导通时储存能量，并在储能完成后或功率开关管关断时，将储能释放给直流干线储能电容；连接于采样电阻和原边控制器之间的信号提取单元，用于从采样电阻的电流采样信号中提取出变压器原边线圈的峰值电流信号，并提供给原边控制器的电流检测端。该开关电源利用开关储能单元改善开关电源输入端的功率因数，同时，利用信号提取单元精确检测到变压器原边线圈峰值电流，保证开关电源输出电流恒定。
文档编号H02M3/335GK102055344SQ20101060133
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者陈忠 申请人:上海明石光电科技有限公司
技术领域：
本发明涉及电源领域，尤其涉及一种采用原边控制方法实现恒流输出并且具备功 率因数校正的开关电源。
背景技术：
恒流输出，是指开关电源输出为恒定的电流源，而非恒定的电压源，即当该恒流输 出开关电源连接不同阻抗的负载时，流过负载的电流恒定不变。原边控制，是指开关电源的控制部件通过对变压器原边侧的电流进行调节以实现 对开关电源输出电流的控制，从而省却了变压器副边侧所需的电压电流检测以及光电耦合 等电气隔离器件，简化了电路设计。现有技术中的一种恒流输出的原边控制型的开关电源如图1所示，主要包括输 入单元100，变压器106、原边控制器107、功率开关管109、采样电阻110及输出单元120，其 中输入单元100包括滤波电感101、整流桥102滤波电容103，交流输入电压Vac经 滤波电感101、整流桥102整流后，输送至滤波电容103进行平滑滤波，最后得到干线电压 Vbus,该干线电压Vbus为整个开关电源电路工作供电。变压器106包括原边线圈106a，与原边线圈106a相耦合的副边线圈106b，与副边 线圈106b相耦合的辅助线圈106c。原边控制器107的驱动端OUT经限流电阻108与所述功率开关管109的控制端相 连，用于控制功率开关管109的开通或关断。当驱动端OUT输出高电平时，功率开关管109导通，干线电压Vbus输出的电流Ip 流经原边线圈106a、功率开关管109、采样电阻110到地端，此时，原边线圈106a储能，电流 Ip即为流经原边线圈106a的原边电流。电流Ip经采样电阻110取样后转换成电压信号输 送至原边控制器的107的峰值电流检测端CS，当CS端接收到的电压信号大于原边控制器 107内部设定的阈值电压时，驱动端OUT输出低电平，功率开关管109关断。当功率开关管109关断时，储存在原边线圈106a中的能量经磁路耦合至副边线圈 106b，副边线圈106b经整流二极管114对电容115充电，从而释放储能，充电后的电容115 上的电压作为开关电源的输出，为负载提供恒定电流。要使原边控制型开关电源输出电流为恒定值的重要条件是保持变压器原边线圈 电流峰值Ipk恒定不变。上述的原边控制型开关电源其输入电流Iac形状近似为脉冲形，由此导致输入电 流Iac的高次谐波分量很高，功率因数很低，对电网造成污染且降低了发电设备的利用效率。为了提高上述原边控制型开关电源的功率因数，图2所示的开关电源改善了输入 端的功率因数，在图1所示的开关电源的基础上增设电压提升单元220，设置在整流桥202 和直流干线储能电容219之间。
该电压提升单元220主要包括电感216、第一二极管217和第二二极管218。电 感216的一端连接整流桥202的正极性输出端，另一端连接第二二极管218的正极性端，第 二二极管218的负极性端连接直流干线储能电容219的正极性端，直流干线储能电容219 的负极性端接地；第一二极管217的正极性端连接第二二极管218的正极性端，第一二极管 217的负极性端连接功率开关管209的第一端。其功率因数校正的原理描述如下 当功率开关管209导通时，除了产生流经原边线圈206a的原边电流Ip以外，还产 生另一个流经电感216和第一二极管217的电流Ib，电流Ib在电感216中产生储能。当功 率开关管209关断时，由于原边线圈206a中电压的极性反转，使得第一二极管217关断，此 时，电感216中的储能经第二二极管218向直流干线储能电容219充电，从而，提升直流干 线储能电容219上电压值。由于开关电源工作在高频模式，电感216中的高频电流经滤波电容203和滤波电 感201滤除高频成分后，其低频成分即为开关电源输入端的工频输入电流Iac，并且电流 Iac形状为近似的正弦波形，由此电流Iac的高次谐波分量大大减小，并且整流桥202的导 通角较大，使得功率因数得到了改善。但是，图2所示的开关电源输出电流的恒流性能变差，并且输出电流纹波也会增 大。这是因为，升压单元220的储能电流Ib和原边线圈206a中的电流Ip都是通过功率开 关管209来控制的，即功率开关管209中的电流Id为电流Ib和电流Ip之和。当电流Id 流经采样电阻210时，所产生的电流峰值信号被送至原边控制器207的峰值电流检测端CS， 使驱动端输出低电平，关断功率开关管209，但此时，流经原边线圈206a的电流Ip并没有达 到期望的峰值Ipk，导致原边线圈206a储能不足，使得开关电源的输出电流减小，无法保证 输出电流为恒定值。当开关电源的输入电压发生变化时，储能电流Ib发生变化，使得原边 峰值电流Ipk也发生变化，由此导致开关电源输出电流Iout也发生变化，从而无法实现恒 定电流输出。综上所述，原边控制器207无法采集到真实的原边线圈206a的峰值电流Ipk，故无 法保证开关电源恒流输出的性能。另外，由于开关电源输入的是正弦波工频电压，使得升压单元220的储能电流Ib 也受此正弦波调制，进而使得流经原边线圈206a的原边电流的峰值Ipk也受此正弦波调 制，因此开关电源输出电流Iout也受到调制，表现为较大的纹波电流。与图2类似的开关电源功率因数校正方法，还有较多的衍生电路实施例，其共同 的特征是使用同一个功率开关管控制升压单元的储能电流和变压器原边电流，虽然都可以 改善开关电源输入端的功率因数，但都具有同样的缺点，即输出恒流特性变差、输出电流纹 波变大，将对开关电源所连接的负载带来不利影响。
发明内容
本发明提供一种开关电源，能够在改善输入端的功率因素的同时，实现恒流输出， 技术方案如下一种开关电源，包括输入单元、直流干线储能电容、变压器、原边控制器、功率开关 管、采样电阻及输出单元，还包括
连 接于所述输入单元和所述直流干线储能电容之间的开关储能单元，用于在所述 功率开关管导通时储存能量；并在储能完成后或所述功率开关管关断时，将所存储能量释 放给所述直流干线储能电容；连接于所述采样电阻和所述原边控制器之间的信号提取单元，用于在所述功率开 关管导通时，从所述采样电阻的电流采样信号中提取出所述变压器原边线圈的峰值电流信 号，并提供给所述原边控制器的峰值电流检测端；与所述变压器的原边线圈及所述功率开关管串接的第一二极管，所述第一二极管 的正极性端与所述原边线圈的一端连接，负极性端与功率开关管的第一端连接。优选地，所述开关储能单元包括第一电感、第二二极管、第三二极管及第一电容， 其中所述第一电感的一端与所述输入单元的输出端相连，所述第一电感的另一端与所 述第二二极管的正极性端相连；所述第二二极管的负极性端与所述第三二极管的正极性端相连接，第三二极管的 负极性端与所述直流干线储能电容的正极性端相连；所述第一电容的一端与所述第三二极管的正极性端相连，所述第一电容的另一端 作为所述开关储能单元的控制端与所述功率开关管的第一端相连接。优选地，所述开关储能单元还包括并联于所述第二二极管两端的阻尼电阻。优选地，所述信号提取单元包括定时器、开关晶体管及限流电阻，其中所述定时器的输入端作为所述信号提取单元的控制端与所述原边控制器的驱动 端相连，所述定时器的输出端与所述开关晶体管的控制端相连接；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与所述功率开关管的第二端相连，且该 第一端作为所述信号提取单元的输出端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连，该开关 晶体管的第二端接地。优选地，所述信号提取单元包括定时电容、第一定时电阻、第二定时电阻、驱动电 阻、开关晶体管及限流电阻，其中所述定时电容、第一定时电阻及第二定时电阻串联连接在所述原边控制控制器的 驱动端和地端之间，且所述定时电容与所述驱动端相连，所述第二定时电阻的一端接地；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与功率开关管的第二端相连，同时该开 关晶体管的第一端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连；所述开关晶体管的第二端接 地；所述开关晶体管的控制端经所述驱动电阻与所述第二定时电阻未接地的一端相连。优选地，所述开关晶体管为三极管，所述三极管的集电极、发射极及基极分别为所 述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。优选地，所述开关晶体管为场效应晶体管，所述场效应晶体管的漏极、源极及栅极 分别为所述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。优选地，所述输入单元包括设置在开关电源输入端的滤波电感、整流桥及输入滤 波电容，其中所述整流桥的交流输入端经所述滤波电感与交流电源相连；所述整流桥的正极性输出端与所述开关储能单元的输入端相连；所述整流桥的负极性输出端与地端相连；
所述输入滤波电容并联在所述整流桥的正负输出端间。优选地，所述输出单元包括整流二极管和输出滤波电容，其中所述整流二极管的正极性端与所述变压器的副边线圈的第一端相连接；所述输出滤波电容的一端与所述整流二极管的负极性端相连接，所述输出滤波电 容的另一端与所述副边线圈第二端相连接。
优选地，所述原边线圈与所述副边线圈为同一线圈，所述变压器的辅助线圈与所 述副边线圈耦合。优选地，所述原边线圈可以为所述副边线圈抽头分出的一部分线圈，所述变压器 的辅助线圈与所述副边线圈耦合。与现有技术相比，本技术具有以下优点所述开关电源在电源输入单元与直流干线储能电容之间弓丨入开关储能单元，通过 功率开关管上的开关信号控制开关储能单元，连续地将电源输入单元上的能量转移至直流 干线储能电容，从而使得开关电源的输入电流在整个工频周期内保持连续，并且输入电流 的形状为近似的正弦波形，由此减小输入电流的高次谐波分量，改善开关电源的功率因数。 该开关电源同时还引入信号提取单元，能够从采样电阻取得的电流信号中提取出原边线圈 的峰值电流信号，并提供给原边控制器，原边控制器根据接收到的原边线圈的峰值电流信 号控制功率开关管的导通与关断，从而控制原边线圈电流的峰值，使得开关电源输出电流 保持恒定。因此，本发明提供的开关电源能够在保持输出电流为恒定的同时，实现功率因数 的校正，改善了开关电源的性能。
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例和现有 技术描述中所需要使用的附图作介绍。图1为现有技术的一种开关电源的电路结构示意图；图2为现有技术的一种具有功率因数校正的开关电源的电路结构示意图；图3为本发明实施例的开关电源的一种电路结构示意图；图4为本发明实施例的开关电源的具体电路结构示意图；图5为图4所示开关电源的各关键点的信号波形图；图6为本发明实施例的开关电源的一种电流信号走向示意图；图7为本发明实施例的开关电源的另一种电流信号走向示意图；图8为本发明实施例的输入输出信号波形图；图9为本发明实施例的开关电源的具体电路结构示意图；图10为本发明实施例的开关电源的另一种电路结构示意图；图11为本发明实施例的开关电源的又一种电路结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对 本发明的具体实施方式
做详细的说明。请参见图3，该图为本发明实施例的开关电源的电路结构示意图，所述开关电源主要包括输入单元300、开关储能单元320、直流干线储能电容305、变压器306、第一二极管 330、原边控制器309、功率开关管311、采样电阻312、信号提取单元340及电源输出单元 360，其中， 所述电源输入单元300包括滤波电感301、由四个二极管组成的整流桥302及输入 滤波电容303。从输入单元300输入的交流电压Vac经整流桥302、滤波电感301及滤波电容303 进行整流和滤波后得到一整流电压Vrec。输入单元300的输出端连接至开关储能单元320的输入端，开关储能单元320的 输出端连接至直流干线储能电容305的正极性端，且作为所述开关电源工作的直流干线电 压Vbus。直流干线储能电容305的负极性端作为整个电路工作的参考地端。所述功率开关管311包括第一端、第二端及控制端，其中，所述第一端连接至开关 储能单元320的控制端。在本实施例中功率开关管311为场效应晶体管，其第一端即场效应晶体管的漏 极，其第二端即场效应管的源极，其控制端即场效应晶体管的栅极。该功率开关管还可以为 双极型晶体管，其基极为所述控制端，其集电极为所述第一端，其发射极为所述第二端。所述变压器306为一反激式变压器，包括原边线圈306a、与原边线圈306a耦合的 副边线圈306b、与副边线圈306b耦合的辅助线圈306c。原边线圈306a的输入端与所述直流干线储能电容305的正极性端连接，原边线圈 306a的输出端经第一二极管330连接至功率开关管311的第一端，且第一二极管330的正 极性端与原边线圈306a的输出端相连，用于阻止当原边线圈306a电压极性反转时电流的 反向流动。采样电阻312串接在所述功率开关管311的第二端和地之间，用于对功率开关管 311中的电流信号进行取样并转换成一个电压信号。信号提取单元340的输入端连接功率开关管311的第二端，用于获取采样电阻312 上的电压信号，信号提取单元340的输出端连接原边控制器309的峰值电流检测端CS，用于 将信号提取后的原边电流信号提供给原边控制器309。原边控制器309的驱动端OUT与信号提取单元340的控制端连接，用以控制信号 提取单元340的时序。同时，该驱动端OUT经电阻310连接至功率开关管311的控制端，用 于控制功率开关管311的导通和关断。原边控制器309的反馈电压检测端FB接收所述辅助线圈306c输出电压经第一分 压电阻314、第二分压电阻315分压后的电压信号。输入单元300的输出端经启动电阻307连接至原边控制器309的供电端Vcc，电 容308连接在供电端Vcc和接地端GND之间，当电容308上的电压达到原边控制器309的 启动电压时，原边控制器309开始工作；此外，辅助线圈306c的一端通过二极管313与原边 控制器309的供电端Vcc相连接，为电容308充电，以维持原边控制器309工作所需电压。电源输出单元360包括整流二极管316和输出滤波电容317，其中，整流二极管316的正极性端连接副边线圈306b的一端，用于对所述副边线圈306b 的输出电流进行整流；输出滤波电容317的正极性端连接整流二极管316的负极性端，输出 滤波电容317的负极性端连接副边线圈306b的另一端，所述输出滤波电容317的两端作为所述开关电源的输出。本实施例提供的开关电源的工作过程描述如下开关电源得电开始工作时，原边控制器309的驱动端OUT输出高电平，同时记录 OUT端上升沿时刻；OUT端高电平使功率开关管311导通，直流干线储能电容305输出电流 Ip经原边线圈306a、第一二极管330、功率开关管311、采样电阻312至地端，电流Ip流经 原边线圈306a并在其中产生储能；与此同时，开关储能单元320产生电流Ic，该电流Ic从 整流电压Vrec端流进开关储能单元320的输入端，并从开关储能单元320的控制端流出， 经功率开关管311和采样电阻312至地端，电流Ic在开关储能单元320中产生储能。在功率开关管311导通期间，功率开关管311上的电流Id在采样电阻312上产生 电流取样信号Vs，电流取样信号Vs包含原边线圈306a的电流Ip的信号和开关储能单元 320的电流Ic的信号，并输送至信号提取单元340的输入端。信号提取单元340利用电流Ic和电流Ip产生峰值存在的时间差，将电流取样信 号Vs中的电流Ic信号剔除，只保留电流Ip的信号，并产生对应电流Ip的电压信号Vcs，输 送至原边控制器309的峰值电流检测端CS ；当CS端的电压信号Vcs超过内部设定的比较 阈值Vth时，原边控制器309的OUT端输出低电平，将功率开关管311关断。在功率开关管311关断期间，辅助线圈306c上的电压极性反转，产生一个上升沿， 该上升沿电压信号经第一分压电阻314和第二分压电阻315分压后，输送至原边控制器309 的反馈电压检测端FB，原边控制器309记录该FB端的上升沿时刻。原边控制器309根据记录到的OUT端上升沿时刻及FB端上升沿时刻计算出原边 线圈306a的导通时间Tonp。在上述功率开关管311导通期间，由开关储能单元320流进功率开关管311的电 流Ic随时间上升，当电流Ic达到峰值时，开关储能单元320的储能达到最大值，此后电流 Ic快速降为零，随之开关储能单元320中的储能产生电流Ib对直流干线储能电容305充 电，从而提升电容305上的直流电压Vbus。在上述功率开关管311导通期间，由原边线圈306a经第一二极管330流进功率开 关管311的电流Ip也随时间上升，但电流Ip上升速度比电流Ic上升速度来得慢，因而在 时间上电流Ip峰值出现得比电流Ic峰值晚，以便信号提取单元340能够识别出准确的电 流Ip的峰值信号Ipk。当功率开关管311关断时，原边线圈306a中的电流Ip消失，原边线圈306a中的 储能耦合至副边线圈306b，副边线圈306b经整流二极管316对输出滤波电容317充电，其 充电电流为Is，以释放储能，输出滤波电容317对负载提供电流Iout ；与此同时，原边线圈 306a中的漏感储能使其电压极性反转，使得功率开关管311的第一端为高电位，此高电位 输送至开关储能单元320的控制端，从而使得开关储能单元320复位，以便为下一个开关周 期提供初始状态。当副边线圈306b的储能释放完后，其上电压极性反转，从而使辅助线圈306c的极 性再次反转产生一下降沿的电压信号，该下降沿信号同时提供给原边控制器309的反馈电 压检测端FB，原边控制器309记录FB端下降沿时刻，原边控制器309根据记录到的FB端上 升沿时刻至FB端下降沿时刻计算出副边线圈306b的导通时间Tons。 原边控制器309内部定义一固定常数K，并根据原边线圈导通时间Tonp及副边线圈导通时间Tons计算出一个死区时间Td，以满足条件Tons/(Tonp+Tons+Td) = K。当原边 控制器309检测到FB端下降沿时，启动死区时间定时器，在此期间OUT端输出保持为低电 平；当死区时间Td结束时，原边控制器309的OUT端重新输出高电平，驱动功率开关管311 导通，开关电源进入下一个开关周期。其中，开关电源一个完整的开关周期为原边线圈导通 时间Tonp、副边线圈导通时间Tons及死区时间Td三段时间之和，即 在上述过程中，原边控制器309根据信号提取单元340提供的变压器原边线圈 306a的真实的原边线圈电流峰值Ipk，并计算出原边线圈306a导通时间Tonp和副边线圈 306b导通时间Tons，根据如下的公式(1)计算得到开关电源的输出电流lout，
权利要求
1.一种开关电源，包括输入单元、直流干线储能电容、变压器、原边控制器、功率开关 管、采样电阻及输出单元，其特征在于，还包括连接于所述输入单元和所述直流干线储能电容之间的开关储能单元，用于在所述功率 开关管导通时储存能量；并在储能完成后或所述功率开关管关断时，将所存储能量释放给 所述直流干线储能电容；连接于所述采样电阻和所述原边控制器之间的信号提取单元，用于在所述功率开关管 导通时，从所述采样电阻的电流采样信号中提取出所述变压器原边线圈的峰值电流信号， 并提供给所述原边控制器的峰值电流检测端；与所述变压器的原边线圈及所述功率开关管串接的第一二极管，所述第一二极管的正 极性端与所述原边线圈的一端连接，负极性端与功率开关管的第一端连接。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关储能单元包括第一电感、 第二二极管、第三二极管及第一电容，其中所述第一电感的一端与所述输入单元的输出端相连，所述第一电感的另一端与所述第 二二极管的正极性端相连；所述第二二极管的负极性端与所述第三二极管的正极性端相连接，所述第三二极管的 负极性端与所述直流干线储能电容的正极性端相连；所述第一电容的一端与所述第三二极管的正极性端相连，所述第一电容的另一端作为 所述开关储能单元的控制端与所述功率开关管的第一端相连接。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述开关储能单元还包括并联于所 述第二二极管两端的阻尼电阻。
4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述信号提取单元包括定时器、开 关晶体管及限流电阻，其中所述定时器的输入端作为所述信号提取单元的控制端与所述原边控制器的驱动端相 连，所述定时器的输出端与所述开关晶体管的控制端相连接；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与所述功率开关管的第二端相连，且该第一 端作为所述信号提取单元的输出端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连，该开关晶体 管的第二端接地。
5.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述信号提取单元包括定时电容、 第一定时电阻、第二定时电阻、驱动电阻、开关晶体管及限流电阻，其中所述定时电容、第一定时电阻及第二定时电阻串联连接在所述原边控制控制器的驱动 端和地端之间，且所述定时电容与所述驱动端相连，所述第二定时电阻的一端接地；所述开关晶体管的第一端经所述限流电阻与功率开关管的第二端相连，同时该开关晶 体管的第一端与所述原边控制器的峰值电流检测端相连；所述开关晶体管的第二端接地； 所述开关晶体管的控制端经所述驱动电阻与所述第二定时电阻未接地的一端相连。
6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述开关晶体管为三极管，所述三极 管的集电极、发射极及基极分别为所述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。
7.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述开关晶体管为场效应晶体管，所 述场效应晶体管的漏极、源极及栅极分别为所述开关晶体管的第一端、第二端及控制端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的开关电源，其特征在于，所述输入单元包括设置在开关电源输入端的滤波电感、整流桥及输入滤波电容，其中 所述整流桥的交流输入端经所述滤波电感与交流电源相连； 所述整流桥的正极性输出端与所述开关储能单元的输入端相连； 所述整流桥的负极性输出端与地端相连； 所述输入滤波电容并联在所述整流桥的正负输出端间。
9.根据权利要求8所述的开关电源，其特征在于，所述输出单元包括整流二极管和输 出滤波电容，其中所述整流二极管的正极性端与所述变压器的副边线圈的第一端相连接； 所述输出滤波电容的一端与所述整流二极管的负极性端相连接，所述输出滤波电容的 另一端与所述副边线圈第二端相连接。
10.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述原边线圈与所述副边线圈为同 一线圈，所述变压器的辅助线圈与所述副边线圈耦合。
11.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述原边线圈为所述副边线圈的一 部分，所述辅助线圈与所述副边线圈耦合。
全文摘要
本发明公开一种开关电源，该开关电源包括电源输入单元、直流干线储能电容、变压器、原边控制器、功率开关管、采样电阻及输出单元，还包括连接于所述输入单元和直流干线储能电容之间的开关储能单元，用于在功率开关管开始导通时储存能量，并在储能完成后或功率开关管关断时，将储能释放给直流干线储能电容；连接于采样电阻和原边控制器之间的信号提取单元，用于从采样电阻的电流采样信号中提取出变压器原边线圈的峰值电流信号，并提供给原边控制器的电流检测端。该开关电源利用开关储能单元改善开关电源输入端的功率因数，同时，利用信号提取单元精确检测到变压器原边线圈峰值电流，保证开关电源输出电流恒定。
文档编号H02M3/335GK102055344SQ20101060133
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者陈忠 申请人:上海明石光电科技有限公司
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