[发明专利]一种反激式开关电源电路

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源领域，特别涉及高可靠性的交流变直流开关电源电路。

背景技术

工业与民用需要把各种电网的交流电压变成隔离的直流，极为传统的方法是使用体积大的工频变压器，将市电转换成低压交流电，再整流滤波成直流电，然后经线性稳压电路得到较为纯净的直流电，这个方法的变换效率低，体积大、功率因数也比较低。

上世纪六十年代出现的开关电源较好地解决了这一问题，如目前较好的电源，使用BOOST的PFC(Power Factor Correction)电路加上LLC变换器(LLC resonant converter)，可以让功率因数在0.95以上，并且变换效率可以高达96%，电路拓扑复杂，成本高，用在大功率场合才有优势。

对于输入功率在75W以下的开关电源，反激式(Flyback)开关电源具有迷人的优势，电路拓扑简单，输入电压范围宽。由于元件少，电路的可靠性相对就高，所以得到广泛的应用，常见的拓扑如图1所示，该图来自张兴柱博士所著的书号为ISBN978-7-5083-9015-4的《开关电源功率变换器拓扑与设计》第60页。由整流桥101，以及滤波电路200、基本反激拓扑单元电路300组成，实用的电路在整流桥前还加有EMI(Electromagnetic Interference)等保护电路，以确保反激开关电源的电磁兼容性达到使用要求。

整流桥101一般由四个整流二极管组成，申请号201210056555.9的授权发明说明书中的图4-1、图4-2、图4-3给出了整流桥的几种公知画法；滤波电路200一般由电解电容CL构成，为了EMI性能更出色，一般在电解电容CL两端还会并联一个高频特性好的高压小容量电容；基本反激拓扑单元电路300包括很多器件，这里只列出功率变压器B，主功率开关管V，一般为MOS管，输出整流二极管D，输出滤波电容C，反激拓扑中的功率变压器B事实上是储能电感，基本反激拓扑单元电路300以下简称为反激电路，以300表示，其实它还包括很多电路，如用于吸收MOS管反峰电压的DCR电路，PWM控制电路，光耦反馈电路，甚至有源钳位电路，甚至是双管反激电路。

随着工业领域中智能化系统的推广，小功率反激式开关电源向各个领域渗透，小功率反激式开关电源的不足之处也体现出来，正因为反激式开关电源使用电解电容CL，该电解电容限制了图1反激式开关电源的用途，众所周知，这里的电容C使用400V耐压的电解电容，而耐压大于250V的电解电容，其低温一般只能工作到-25℃。即在-40℃的环境下，如东北三省、新彊、以及高纬度的国家与地区，小功率反激式开关电源的使用变得棘手，当然，可以使用如CBB这种CBB薄膜电容来滤波，但体积过大，且成本过高。

针对此，2012年下半年，日本红宝石电解电容生产厂全球首家推出能工作在-40℃环境下的电解电容，以满足市场需要，但是这种电容由于研发时间短，上市时间也短，其品质有待市场检验，品种少，其产品在全球有专利保护，其它电解厂家生产困难，对于开关电源生产厂，其采购也困难。

解决这一问题，也有方法，如采用填谷式功率因数校正电路，简称填谷电路，填谷电路是由斯宾格勒(Spangler)于1988年提出的，参见图2中201部分，其中电容C1和电容C2性能参数相同，一般采用相同型号的电容即可，当然，不同型号的，其容量大体相同，即容量相差不足20%也可工作，这种情况也视为电容的性能参数相同；二极管D1和二极管D2的性能参数相同。其原理为：首次通电以后，当输入的交流电压接近峰值时，对电容C1、电容C2充电，即当交流电压U_AC经整流桥101后，从整流桥101的正极输出端(图中标+)输出，电流经电容C1、二极管D3、电容C2返回整流桥101的负极输出端(图中的-)，实现对电容C1、电容C2的充电。

在放电时，电容C1和电容C2是等效并联放电，即电容C1的放电电流经负载300、二极管D1回到电容C1的负极，同时，电容C2的放电电流经二极管D2、负载300流回到电容C2的负极。图2中，当负载300由开关电源换为纯阻性负载时，W点的工作波形，即负载300的工作电压波形，如图3所示，以输入电压U_AC为220V交流有效值为例，其中T为交流电的周期，为20mS。图3中虚线为整流桥101后无任何滤波电路的电压波形，是脉动直流电，最低工作电压为零伏。