本发明涉及电源变换范畴,主要适应于电子信息产品领域。 通常,电子信息产品的二次电源,有两类变换方案:一类是工频串稳方案,它利用电磁转换原理,由变压器按比例升降传输电压,交流电经整流滤波后,其直流电压仍随输入电压波动而变化。为了达到稳定输出电压的目的,串稳方案采用在额定输出电压基础上附加调整电压(调整电压=输入变量+环路内阻压降),然后利用串连调整管完成变量范围的自动跟踪吸收。但是,这种方案在稳压过程中,高于额定输出电压部分的电能变为热能而损耗,低于下限调整范围时,因没有调整余量,设备不能正常工作。人们为了使负载能够得到较稳定的电压,通常总是尽可能增加附加调整电压值,附加调整电压值愈大,则调整管热损耗愈高,电能利用率则愈低,要提高电能利用率,则必须相应缩小附加调整电压值,这样电源适应范围变窄,又难以满足实用要求。这是一对难以克服的内在矛盾,基此,人们只有在稳压范围、效率、成本、体积、可靠性等因素中权衡取舍,进行应用设计。就典型应用实例而言,其电压适用范围约正负10%左右,电能利用率约40%左右(包括变压器的铜损和铁损),显然,它与电能日趋紧张的现实很不适应。为了满足设备正常工作需要,人们又采用工频变压复合方案(即外加稳压器),这种方案属低效率累乘,其适用范围扩展约10%,总效率却低于30%。由于效率进一步降低,设备对电源涉能量增加,客观上造成了能源紧张的恶性循环,但该方案仍不能满足电压波动较大地区的设备正常工作的需要。
基于上述方案的内在矛盾,六十年代起,人们又研究发明了脉宽调制方案(一般称开关电源),它采用调宽储能方式,把电能转换为磁能,然后取释放变量,反馈控制储能脉宽,达到稳定输出电压的目的,就目前采用开关电源的(冷机芯)彩色电视机来看,输入电压适应范围扩展到正负20%左右,电能利用率提高到65%左右,它虽然在一定程度上缓和了适应范围与效率之间的矛盾,但是由于反馈信息及控制范围的局限,其适应范围和稳压精度还不够理想,仍未满足实用需求,加之电路结构比较复杂,造价比串稳方案增加二倍左右,限制了在一般中低档产品上应用,同时,由于造价增高,其自身的保护便显得尤为重要。但就目前应用实例来看,其输入过电压保护,输出动态及短路保护等均无较理想的方案。
上述方案公知度很宽,详细工作过程及内在特性分别见《半导体线路》及《晶体管电路》二册,分别由复旦大学物理系,清华大学电子工程系编写,脉宽调制见《电视技术》83年6期,《电子技术》86年1-5期,《电视机中的开关电源》蔡清、高厚琴编译,人民邮电出版社出版。
本发明的目的是提供一种输入电压适应范围宽,电能利用率高,造价低,保护功能完善,能够解决不同供电制式通用和电压严重不稳地区设备的正常工作,并能被高、中、低档电子信息产品广泛接受的二次电源。
为实现上述目地,本发明提出一种选通组合叠加控制方案,采用本人88103815.6申请提出的选通方案,运用幅值识别完成输入电压的选通及关断,运用幅值记忆实现输入过压保护,并以恒流方式完成浪涌抑制,降低保护功耗。选通后经平滑滤波,采用脉宽调制储能逆变,为解决宽范围的输入输出复合变量极限交叉的跟踪平衡,储能逆变的脉宽控制部分,采用叠加取样组合设定控制方案,分别对输入输出复合变量取样,形成互逆斜率变量,交叉叠加斜率比较后控制储能脉宽,并以取样峰值配合识别门限,形成设定控制范围及输出转移保护特性,完成多信息宽范围脉宽自动调整。
本方案由输入滤波连接整流部件,整流部件的一端连接记忆设定和平滑滤波,整流部件的另一端连接记忆设定及开关执行,记忆设定连接幅值检测,幅值检测连接识别开关,识别开关连接开关执行,开关执行的另一端接地,平滑滤波的另一端连接驱动保护及储能变换的绕组(1),绕组(1)的另一端连接储能调制及脉冲吸收,脉冲吸收的另一端接地,储能调制的另一端连接储能取样,储能取样、平滑滤波各有一端接地,驱动保护连接脉宽调制及储能变换的绕组(2),绕组(2)的另一端接地,输出取样连接储能变换绕组(3)的两端,输出取样的还有一端连接比较放大,比较放大的另一端连接放大取样,放大取样的另外两端分别连接储能取样及脉宽调制,脉宽调制还有一端连接储能调制,输出接口连接储能变换的绕组(4)及绕组(5)。
本方案具体功能及工作过程是:由输入滤波完成双向传导滤波连接整流部件,交流电经输入滤波通过整流部件形成脉动正弦直流;记忆设定对超压幅值进行储存,形成对输入保护状态记忆;幅值检测对输入电压组成设定分压器,组合识别开关,完成幅值检测;识别开关利用三极管发射结阈值门限,完成识别选通及关断;开关执行按照选通指令完成选通范围及关机保护;平滑滤波将选通后的脉动直流进行平滑滤波,以备逆变;驱动保护担任触发激励及输出保护,激励脉冲经脉宽调制控制储能调制,流经储能变换绕组的电能转换为磁能储存于变压器中,储能完毕后磁能又转换为电能向输出接口储能,并提供取样反馈;输出取样担任输出电压调整及输出变量取样,并送入比较放大;比较放大根据自设标准电压对输出变量进行比较放大后提供放大取样;储能取样将储能动态取样,供放大取样交叉叠加;交叉叠加斜率比较后的变量控制脉宽调制,调节储能状态,实现输入输出复合变量的自动调节;脉冲吸收担任反峰吸收及浪涌抑制,达到保护器件抑制辐射的目的。
本方案根据不同需要可简化记忆设定,幅值检测,识别开关,开关执行,输入滤波等部件。
本方案应用于要求电压调整率不大于2%的产品还可以简化比较放大,输出取样直接与储能取样叠加,完成反馈调节。
本方案应用于大功率产品时,可采用桥式推挽逆变。
由于本发明采用选通组合叠加控制方案,完成了输入电压适应范围的按需设定及输入监测,浪涌抑制,并兼顾输入部分的自动保护,解决了不同供电制式通用和电压严重不稳地区设备的正常工作。
通过对输入输出复合变量取样,进行交叉叠加,斜率比较,完成多信息脉宽自动调整,平衡供求关系,稳定输出电压,改善输出特性,实现故障抑制、限耗保护及开路短路保护。
通过优化设计,形成了简练的控制方案,进一步改善了各项指标,完善了保护功能,在充分改善了实用性的基础上,设计成本降低30%左右,元器件减少40%左右,可促进各类产品的广泛接收。
由于本方案属节能方案的组合,总体设计又立足节能降耗,它充分改善了适应范围与效率之间的矛盾,同时提高了自身的可靠性,典型方案的能源利用率高于85%,比工频串稳提高一倍以上。
图一为本发明的逻辑方框结构图
图二是配套于多功能彩电的实施例
图三是配套于黑白电视机的实施例
图四是配套于对电源要求较低的产品实施例
图五是简化结构方框图。
下面结合附图和实施例对本方案作进一步详细说明。
图一是本发明的逻辑方框结构图,由输入滤波1,整流部件2,记忆设定3,幅值检测4,识别开关5,开关执行6,平滑滤波7,储能变换8,储能调制9,储能取样10,放大取样11,比较放大12,输出取样13,驱动保护14,脉宽调制15,脉冲吸收16及输出接口17组成。
其特征在于:输入滤波(1)连接整流部件(2),整流部件(2)的一端连接记忆设定(3)和平滑滤波(7),整流部件(2)的另一端连接记忆设定(3)及开关执行6,记忆设定(3)连接幅值检测(4),幅值检测(4)连接识别开关(5),识别开关(5)连接开关执行(6),开关执行(6)另一端接地,平滑滤波(7)的另一端连接驱动保护(14)及储能变换(8)的绕组(1),绕组(1)的另一端连接储能调制(9)及脉冲吸收(16),脉冲吸收(16)的另一端接地,储能调制(9)的另一端连接储能取样(10),储能取样(10)、平滑滤波(7)各有一端接地,驱动保护(14)连接脉宽调制(15)及储能变换(8)的绕组(2),绕组(2)的另一端接地,输出取样(13)连接储能变换(8)的绕组(3)的两端,输出取样(13)的还有一端连接比较放大(12),比较放大的另一端连接放大取样(11),放大取样(11)的另外两端分别连接储能取样(10)及脉宽调制(15),脉宽调制(15)还有一端连接着储能调制(9),输出接口(17)连接着储能变换8的绕组(4)及绕组(5)。
图二是对应方框图1的实施例,F801、K801、T804、C821、D812、X802、RT801、R818属附加功能部件,其典型结由C801并联于T801的两个输入端。T801的两个输出端并联C802后连接T802的两个输入端。T802的一个输出端经R801接C806、C808及D802的负极、D804的正极。T802的另一输出端接C805、C807及D801的负极、D803的正极。D801正极、D802正极、C806未接端、C805的未接端、C809的一端、R803的一端、Q801的发射极、D805的正极、Q802的源极统一接于一点。D803的负极、D804的负极、C807的末接端、C808的未接端、C809的未接端、R802的一端、R804、R806、R817、C820的一端、C810的正极、L1的一端连接于一点。R802、R803的未接端连接Q801的基极。R804的未接端连接Q801的集电极、D805负极、Q802的栅极。L1的另一端连接C811、C812、Q803的漏极。C811的另一端连接L801。L801的另一端连接R805、D806。R805、D806的另一端连接R814、Q802的漏极、Q805的发射极、L2、C810的另一端、C812的另一端。R806的另一端连接C822的正极、C822的负极连接R807、D807的负极、Q803的栅极、Q805的集电极。R807的另一端连接C813。C813的另一端连接L2的未接端。Q803的源极连接R809、R810、R811、L3、C814的负极、R814的未接端。R809的另一端连接R808、D807的正极、Q805的基极。R810的另一端连接D808的正极、Q804的发射极。R811的另一端连接R812、Q804的基极。R808的另一端连接Q804的集电极。C814的极连接R813、D808的负极、D809的负极。R812的另一端连接R813的另一端。D809的正极经L802连接L3的未接端。C820、R817的另一端连接L4、L5、R815、R816、C816的负极、C817的负极、C819的负极。L4的另一端经L803连接L804、D810的正极。L804的另一端连接C815。C815的另一端连接L805、D810的负极、C816的正极。L805的另一端连接C817的正极、R815的未接端。L5的另一端经L806连接C818及D811的正极。D811的负极连接C818的未接端、R816的未接端、C819的正极。
图二的主要工作过程如下:
交流电通过保险丝F801及遥控开关K801经双T共扼滤波器,完成双向传导干扰及脉冲尖峰的抑制,经整流部件D801至804把交流电变换成脉动正弦直流,C805至C808吸收整流二级管的开关辐射,脉动直流经记忆电容C809形成设定时间常数,完成输入保护状态记忆,一路由R802、R803组成输入电压幅值检测分压器,由Q801担任幅值检测识别开关,控制Q802导通或关断。另一路由R804及D805给Q802提供偏置电压,经Q802选通后由C810完成平滑滤波,为主逆变器提供逆变能量,T803担任储能逆变释放,Q803担任储能开关执行,Q804担任输出取样及比较放大,Q805完成叠加比较后的调宽执行,R814担任储能正向斜率取样,R809预置衰减斜率与输出变量斜率复合后,叠加于R814形成交叉叠加斜率比较,控制Q805完成对Q803储能脉宽的调制,从而完成对输入输出变量的自动控制。
具体由L3比例取样,经L802、D809、C814形成取样电压,由R810、D808形成比较电压,经R811、R812、R813取输出变量后经Q804比较放大,经R808限幅,提供给R809取输出斜率衰减负荷变量,叠加于R814所取出的储能变量,交叉叠加斜率比较后,控制Q805对触发驱动脉宽进行调制,从而完成输入输出复合变量的自动调节。R814及Q805同时担任输出限耗。R813还担任输出电压的调整。
D807对触发脉宽进行限幅,R806、C822、R807、C813、L2完成驱动触发以及输出保护,C812、C811、L801、R805、D806完成尖峰抑制,降低辐射干扰。
D810、D811、C816、C819、L805、C817完成输出整流及平滑滤波,L803、L806、L804、C815、C818完成浪涌抑制以及谐振吸收,R815、R816担任开路泄放。
图2是配套于彩色接收监视多功能遥控电视机实例电理图,它在大幅度改善了各项指标的情况下充分减化了线路结构,其主逆变部分对应北京838(彩电电源主逆变部分)减少元件38只和一块控制集成电路。东芝Ⅱ型是近期广泛采用的新型方案,国内89年联合设计菲利浦单片机电源也是应用Ⅱ型方案,本方案比对应部分减少元件28只,更重要的是由于器件大量减少,极大的改善了内在矛盾以及印板优化设计,从而使传导及辐射干扰等指标处于领先水平,并可任选继电器或光电藕合器执行遥控指令,其输入保护方案,可对上限电压采取截止关断和限幅选通。这样便达到了保护主滤波电容及储能开关管的目的。因过高的工作电压其脉冲反峰将造成开关管的击穿损坏,过高的电压对主滤波电容造成击穿短路乃至危害其它器件。它们均属成本高且耐压余量小的器件。由于主逆变反馈调节范围宽,输出可以处于开路状态,其限耗转移特性形成输出短路保护,当输出短路时,转移特性造成输出电压急剧下降,通过反馈主逆变停止工作。此时必须关机后排除短路故障,才能恢复工作。
图五是简化结构方框图,它是根据不同产品功能需要由图一简化而得。其特征在于去掉图一中的记忆设定(3)、幅值检测(4)、识别开关(5)、开关执行(6)。简化后整流部件(2)连接开关执行(6)的一端,改接储能取样(10)(即接地)。
图三是对应图五的实施例,X801是输入插座,F801是输入保险丝。C801并联于T801的两个输入端,C802并联于T801的两个输出端组成单T共轭双向输入滤波器。整流部件由D801、C805担任。其整流部件也可以是桥式全波整流,它因用途功耗而易,其余部件结构功能同图二。
图三是配套于黑白电视机的通用电源,它适应边远山区、边疆草原及国际多供电制试的通用。其输入电压适应范围50V-300V,并能采用直流或干电池供电。如确有必要其下限可进一步降低,目前成本略高于工频串稳,发展趋势有等于或低于串稳成本的可能,其体积重量降低3倍,其它指标性能同彩电实例。
图四是本方案进一步简化的实施例,它适应于对电压调整率允许大于2%的产品或设施。其特征在于简化掉比较放大(12),具体包括R811、R812、R813、R810、R808、Q804。简化后其它性能指标不变,由于结构简单,体积进一步减小,以利促进产品的进一步推广应用。
由于本方案形成了一种电压适应范围宽、电能利用率高、造价低、保护功能完善的通用型二次电源,它的应用推广将进一步降低配套费用,简化供电结构(省略电子交流稳压器),发挥更好的社会效益。