微功率电源变换电路 【技术领域】
本发明涉及一种电源变换电路，特别涉及一种微功率直流-直流(DC-DC)转换电路。
背景技术
目前微功率DC-DC转换常用罗耶(Royer)拓朴结构，常用的微功率DC-DC转换应用电路如图1所示，包括第一电阻电路R、第一开关三极管Q1、第二开关三极管Q2、变压器T1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三电容电路C3，变压器包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3、第五绕组N5、第六绕组N6、第一抽头P1、第三抽头P3，第一抽头由变压器第一绕组N1同名端与第二绕组N2异名端相连组成，第三抽头由变压器第五绕组N5异名端与第六绕组N6同名端相连组成；电压输入端第一路通过第一电阻R连接第一三极管Q1基极和第三绕组N3同名端，第三绕组N3异名端接第二开关三极管Q2基极；电压输入端第二路连接第一抽头P1，第一绕组N1异名端连接第一开关三极管Q1集电极、绕组N2同名端连接第二开关三极管Q2集电极；两个开关三极管Q1、Q2的发射极共地连接；输出端第五绕组N5的同名端与第一二极管D1的正极相连、第六绕组N6的异名端与第二二极管D2的正极相连，两个二极管D1、D2的共负极连接后接输出端+Vo，第五输出绕组N5的同名端和第六绕组N6的异名端相连组成的抽头作为输出的参考0V点，第三电容C3并联在两输出端之间。这样的变换器结构简单，使用的元器件少。其中变压器采用环型磁芯，为了保证较高的耦合系数以提高产品转换效率，一般采用原、副边绕组同时绕制的方式。
所以一般存在几个缺点：1、在开关转换瞬间会产生电流尖峰；2、由于元器件少，电路无保护功能，开关功率器件容易受损；3、由于变压器原、副边一起绕制，使电路输入与输出端的隔离度不易提高，且隔离电容较大；4、由于变压器的耦合系数高，在输出端发生短路时，开关管易被击穿，使电源变换器易损坏。
【发明内容】
本发明目的在于提供一种微功率电源变换电路，实现输出功率在5W及以下应用场合的输入输出端隔离度高且带有短路保护功能的直流-直流转换。
本发明的目的可以通过以下方案实现：一种微功率电源变换电路，包括第一电阻电路、第一开关三极管、第二开关三极管、变压器、第一二极管、第二二极管、第三电容电路，变压器包括第一绕组、第二绕组、第三绕组、第五绕组、第六绕组、第一抽头、第三抽头，第一抽头由变压器第一绕组同名端与第二绕组异名端相连组成，第三抽头由变压器第五绕组异名端与第六绕组同名端相连组成；其中第一电阻电路的一端连接输入电压端，第一电阻电路的另一端为第一连接线，第三绕组的异名端接第二开关三极管的基极；上述其他各组成部分按DC-DC转换常用电路连接；其特征在于：还包括第二电容电路和变压器的第四绕组，第二电容电路一端接第一连接线，第二电容电路另一端接地；所述第四绕组异名端与第三绕组同名端相连组成变压器的第二抽头；第四绕组同名端与第一开关三极管基极相连，第二抽头接第一连接线。
本发明还作以下进一步的改进：
所述的微功率电源变换电路还包括：第二电阻电路；所述第二电阻电路一端接第一连接线，第二电阻电路另一端接第二抽头。
在启动瞬间，所述第二电阻电路吸收第三绕组、第四绕组的能量，以减小开关三极管的基极驱动电压，抑制开关三极管进入深饱和，改善电路的启动性能；
在两个开关三极管状态转变时，所述第二电阻电路吸收开关三极管转变瞬间产生的尖锋能量，减小电路噪声；
当电路输出端发生短路时，所述第二电阻电路消耗经变压器T1耦合回原边的短路能量，进一步减小了三极管的驱动电压，抑制三极管进入深饱和状态，更好地改善电路的短路保护功能。
所述的微功率电源变换电路还包括第三电阻电路；所述第三电阻电路并联在两输出端之间，所述第三电阻用于改善产品在轻载及空载情况下的输出特性。
所述微功率电源变换电路增加一第四电容电路，第四电容电路一端接第一开关三极管的集电极，第四电容电路另一端接第二开关三极管的集电极，所述第四电容用于吸收第一开关三极管和第二开关三极管在饱和导通和截止关断转换瞬间所产生的电压尖峰，降低电路的输出噪声，进一步保护了开关功率器件。
所述的微功率电源变换电路还包括第一电容电路，第一电容电路连接在输入电压端和地之间，用于输入电压的滤波。
上述微功率电源变换电路中变压器的绕制方法，采用输入绕组、输出绕组分边绕制在环形磁芯上的方式，其中输入绕组的漆包线紧密均匀地缠绕在环型磁芯的同段圆弧上，输出绕组的漆包线则紧密均匀地缠绕在输入绕组的对称的圆弧上，所述输入绕组为第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组，所述输出绕组为第五次组、第六绕组。通过改变变压器的绕线方式，实现在产品发生短路时对产品内部关键元件的保护，实现产品短路保护的功能。
本发明现对现有技术优点在于：
1、在相同原材料情况下，可实现更高的输入与输出之间隔离电压，达到更高的隔离电压等级，且隔离电容小；
2、实现产品的输出短路保护；
3、防止开关三极管发射结击穿而永久损坏，使产品可达更高的平均无故障时间，更好地保证了产品工作的可靠性和稳定性；
4、实现电路结构简单。
说明书附图
图1是现有技术中典型罗耶(Royer)电路的电路图；
图2是本发明的实施例一的电路图；
图3是本发明的实施例一的短路等效电路图；
图4是本发明的绕组方式示意图；
图5是本发明地实施例二的电路图；
图6是本发明的实施例三的电路图；
图7是本发明的实施例四的电路图。
【具体实施方式】
本发明实施例提供一种适用于输出功率在5W及以下应用场合的微功率电源变换电路，能够实现输入与输出间高隔离电压，且具有短路保护功能，使电路工作更可靠和稳定。
实施例一
微功率电源变换电路实施例一的电路图参见图2所示，它包括第一电阻电路、第一电容电路、第二电容电路、第一开关三极管Q1、第二开关三极管Q2、变压器T1、第一二极管D1、第二二极管D2、第二电阻电路、第三电容电路，其中图2中第一电阻电路包括第一电阻R1，但是本发明实施例并不限定第一电阻电路仅能包括第一电阻，也可以由多个电阻通过电路组合实现与第一电阻相同的功能；图2中第一电容电路包括第一电容C1，第二电容电路包括第二电容C2，第三电容电路包括第三电容C3；但是本发明实施例并不限定第一电容电路仅能包括第一电容，也可以由多个电容通过电路组合实现与第一电容相同的功能；第二电容电路和第三电容电路也可以采用与第一电容电路相同的实现方式实现；图2中变压器T1包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3、第四绕组N4、第五绕组N5、第六绕组N6、第一抽头P1、第二抽头P2、第三抽头P3，其中第一抽头P1由变压器T1第一绕组N1同名端与第二绕组N2异名端相连组成；第二抽头P2由变压器T1第三绕组N3同名端与第四绕组N4异名端相连组成；第三抽头P3由变压器T1第五绕组N5异名端与第六绕组N6同名端相连组成；
下面详细介绍各电路内部及之间的连接关系及其各电路内部的每个组成部分的作用和工作原理。
第一电容电路，连接在输入端Vin与地之间；
第一电阻电路与第二电容电路通过第一连接线11串联连接后，第一电阻电路接输入端Vin和变压器T1第一抽头P1，第二电容电路接地，形成软启动电路，用于吸收启动瞬间电压瞬间加在电路中所产生的启动尖峰电流；
第一开关三极管Q1的基极接第四绕组N4同名端，第一开关三极管Q1的集电极接第一绕组N1异名端，第一开关三极管Q1的发射极与第二开关三极管Q2的发射极共地连接；
第二开关三极管Q2的基极接第三绕组N3异名端，第二开关三极管Q2的集电极接第二绕组N2同名端，第二开关三极管Q2的发射极与第一开关三极管Q2的发射极共地连接；
变压器T1第一绕组N1异名端接第一开关三极管Q1的集电极，第一绕组N1同名端与第二绕组N2异名端组成变压器T1的第一抽头P1，第一抽头P1接输入端Vin；
变压器T1第二绕组N2同名端接第二开关三极管Q2的集电极，第二绕组N2异名端与第一绕组N1同名端组成变压器T1的第一抽头P1，第一抽头P1接输入端Vin；
变压器T1第三绕组N3异名端接第二开关三极管Q2的基极，第三绕组N3同名端与第四绕组N4异名端组成变压器T1的第二抽头P2，第二抽头P2接第一连接线11；
变压器T1第四绕组N4同名端接第一开关三极管Q1的基极，第四绕组N4异名端与第三绕组N3同名端组成变压器T1的第二抽头P2，第二抽头P2接第一连接线11；
变压器T1第五绕组N5同名端接第一二极管D1阳极，第五绕组N5异名端与第六绕组N6同名端组成变压器T1的第三抽头P3，第三抽头P3接输出端0V；
变压器T1第六绕组N6异名端接第二二极管D2阳极，第六绕组N6同名端与第五绕组N5异名端组成变压器T1的第三抽头P3，第三抽头P3接输出端0V；
第一二极管D1的阳极接变压器T1第五绕组N5同名端，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2共阴极连接后接输出端+Vo；
第二二极管D2的阳极接变压器T1第六绕组N6异名端，第二二极管D2的阴极与第一二极管D1共阴极连接后接输出端+Vo；
第三电容电路并联连接在两输出端之间。
此电路的工作原理是：当电量从输入端Vin输入时，经第一电容C1进行滤波后，经第一电阻R1与第二电容C2串联组成的启动电路为第一开关三极管Q1、第二开关三极管Q2提供正向偏置电流，由于两个三极管的物理特性不可能完全一致，因此，其中一个将首先导通，假设第二开关三极管Q2先导通，这时第三绕组N3起增大第二开关三极管Q2的基极电流的作用，而第四绕组N4产生减小第一开关三极管Q1的基极电流的作用，逐渐使第二开关三极管Q2饱和导通，而第一开关三极管完全截止，在此期间，变压器T1第二绕组N2进行储能。当变压器T1饱和后翻转，第三绕组N3中电流减小，第四绕组N4中电流增加，在两绕组作用下，使第二开关三极管Q2趋于关断，而第一开关三极管Q1趋于导通，这时变压器T1第一绕组N1进行储能，第二绕组N2所储能量经变压器T1耦合至第五绕组N5，再经第一二极管D1整流输出。当变压器T1饱和后再次翻转，在第三绕组N3、第四绕组N4作用下，使第一开关三极管Q1关断，第二开关三极管Q2重新导通，这时第一绕组N1将所储能量经变压器T1传递输出，而第二绕组N2进行储能。如此往复，实现自振荡频率和能量转换输出。
当电路输出端发生短路时，其等效电路图参见图3，图中Ln1为第一绕组的漏感，Ln2为第二绕组的漏感，Ln5为第三绕组的漏感，Ln6为第六绕组的漏感。
短路时电路的工作原理是：假设在第二开关三极管Q2饱和导通，第一开关三极管Q1截止时输出发生短路，通过第一二极管D1的电流变大，在第六绕组N6漏感Ln6的作用下，减小了副边绕组耦合到变压器T1原边绕组的能量，当此短路能量经变压器T1耦合至原边后，由于第二绕组N2漏感Ln2进一步消耗能量，从而减小了流过第二开关三极管Q2的集电极电流，由于三极管的放大倍数β不变，依关系式Ic＝βIb可知，第二开关三极管Q2的基极电流减小，从而防止处于导通状态的第二开关三极管Q2进入深饱和状态而导致产品无法正常工作，造成第二开关三极管Q2的损坏。当变压器T1饱和翻转后，在漏感Ln5、Ln1共同作用下，使第一开关三极管Q1在输出短路时不被损坏。如此反复，达到短路时对关键元器件的保护目的，实现短路保护。
本发明采用变压器的各输入绕组、输出绕组分边绕制的方法，即各输入绕组紧密均匀地缠绕在变压器环型磁芯的同段圆弧上，各输出绕组则紧密均匀地缠绕在与输入绕组所绕圆弧的对称圆弧上。为达到较好的隔离效果，两组漆包线之间尽可能不直接接触，除非磁芯上绕组较多，缠绕导线较满时。各绕组的绕制工艺示意图如图4所示，本实施例所述输入绕组包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3和第四绕组N4，所述输出绕组包括第五绕组N5、第六绕组N6。
即输入绕组N1～N4在环型磁芯同段圆弧上绕制，输出绕组N5、N6在环型磁芯与输入绕组所绕圆弧的对称圆弧上绕制。通过此工艺，可实现在使用相同原材料情况下，获得更高的输入与输出之间的隔离电压，达到更高的隔离电压等级，且隔离电容小；另一优点是在输出端发生短路时，由于变压器T1的耦合系数小，由副边绕组耦合到变压器T1原边绕组的能量小，更好的保护了电路的开关三极管器件，使产品可达更高的平均无故障时间，更好地保证了产品工作的可靠性和稳定性；
实施例二
如图5所示，为进一步改善本发明，在图2所示的实施例的基础上，所述微功率电源变换电路增加第二电阻电路，第二电阻电路包括第二电阻R2；但是本发明实施例并不限定第二电阻电路仅能包括第二电阻，也可以由多个电阻通过电路组合实现与第二电阻相同的功能。第二电阻电路一端接第一连接线11，第二电阻电路另一端接第二抽头P2，其工作原理是在启动瞬间，第二电阻R2吸收第三绕组N3、第四绕组N4的能量，以减小开关三极管的基极驱动电压，抑制开关三极管进入深饱和，改善电路的启动性能；在两个开关三极管状态转变时，第二电阻R2吸收开关三极管转变瞬间产生的尖锋能量，减小电路噪声；当电路输出端发生短路时，第二电阻R2消耗经变压器T1耦合回原边的短路能量，进一步减小了三极管的驱动电压，抑制三极管进入深饱和状态，更好地改善电路的短路保护功能。
实施例三
如图6所示，为进一步改善本发明，在图2所示的实施例的基础上，所述微功率电源变换电路增加第三电阻电路，第三电阻电路包括第三电阻R3；但是本发明实施例并不限定第三电阻电路仅能包括第三电阻，也可以由多个电阻通过电路组合实现与第三电阻相同的功能。第三电阻电路并联连接在输出端两端，主要是抑制产品空载时的输出电压因负载变化而升高，改善产品在轻载及空载情况下的输出特性。
实施例四
如图7所示，为进一步改善本发明，在图2所示的实施例的基础上，所述微功率电源变换电路增加第四电容电路，第四电容电路包括第四电容C4；但是本发明实施例并不限定第四电容电路仅能包括第四电容，也可以由多个电容通过电路组合实现与第四电容相同的功能。第四电容电路一端接第一开关三极管Q1的集电极，第四电容电路另一端接第二开关三极管Q2的集电极，主要用于吸收第一开关三极管和第二开关三极管在饱和导通和截止关断转换瞬间所产生的电压尖峰，降低电路的输出噪声，进一步保护了开关功率器件。
以上对本发明实施例所提供的微功率电源变换电路及直流-直流转换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。