[发明专利]一种直接滤波式开关电源

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或直流变换为直流的开关电源。

背景技术

目前，开关电源应用很广，对于输入功率在75W以下，对功率因数(PF，Power Factor，也称功率因素)不作要求的场合，反激式(Fly-back)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，所以应用很广。为了方便，很多文献也称为反激开关电源、反激电源，日本和台湾地区又称返驰式变换器。常见的拓扑如图1所示，该图原型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，该书在本文中简称为：参考文献1。由整流桥101、滤波电路200、以及基本反激拓扑单元电路300组成，300也简称为主功率级，实用的电路在整流桥前还加有压敏电阻、NTC热敏电阻、EMI(Electromagnetic Interference)等保护电路，以确保反激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CL构成，为了EMI性能更出色，一般在电解CL两端还会并联一个高频特性好的高压小容量电容；主功率级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，主功率级300其实还包括很多电路，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，其主拓扑不局限限于反激电路，可以是双管反激电路、半桥变换器等。

随着直流供电的兴起，如太阳能、风力发电设备普及，高压直流供电也开始普及，也出现了采用反激电源作为系统的待机电源等，图1的基本拓扑中，去了整流桥101，即可实现直流供电，也有人喜欢直接从整流桥101的前端采用直流供电，这样效率略低，但可实现交直流两用，且不用区分直流供电时的正负极。

国内很多厂家并没有认真执行国家标准，一些输入功率超过75W的应用领域，如台式电脑的供电电源，功率为150W以上，也是采用类似图1的拓扑，主功率级300多采用双管正激，双管正激为业界通俗说法，实际上为半桥变换器；整流桥101中甚至没有串入功率因数校正电感，即整流滤波后，给半桥变换器供电。

整流桥101中串入功率因数校正电感，仍属无源滤波式功率因数校正，不是有源功率因数校正。我们把整流后滤波的开关电源，以及整流桥串入功率因数校正电感，再滤波的开关电源都定义为：直接滤波式开关电源。

滤波电路200一般由电解电容CL构成，为了方便，“电解电容”以下都简称为“电解”。随着工业领域中智能化系统的推广，使用电解的开关电源的不足之处也随之体现出来，因为使用了电解CL，而该电解的特性也因此限制了开关电源的用途，电解电容在高温和低温下的寿命一直是业界难题，众所周知，电容CL经常为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、新疆、以及高纬度的国家与地区，开关电源的使用变得棘手，当然，可以使用如CBB薄膜电容来滤波，但体积过大，且成本过高。

电解电容单位体积的电容量非常大，所以在包括反激电源的开关电源中，特别是交流输入的领域，目前仍是低成本的解决方案，在各种电源中应用极多，如各种手机充电器、笔记本电脑适配器、各种彩电的电源、台式电脑电源、空调的待机电源等，都要用到开关电源，同时也使用了电解电容。

设计一台开关电源时，经常面临电解CL的寿命问题，在实际使用中，很多开关电源达不到使用寿命，其主因就是滤波用的电解提前失效。很多要求较高的场合，采用了冗余设计，使用两个开关电源互为备份，坏了一个，还可以正常工作。成本较高，且仍然不知道其中开关电源是什么时间失效，也不方便准备备品。

常见的非冗余设计场合，一旦开关电源失效，将会引起很多连带失效，从而使得损失被扩大，据统计，合格设计的开关电源发生失效，97％以上由滤波的电解电容先行失效引起的。

现有的使用电解电容的开关电源，尚不能对电解电容的失效进行有效的预先告知。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决现有的使用电解电容滤波的直接滤波式开关电源存在的不足，提供一种直接滤波式开关电源，在滤波电解电容完全失效前，提供指示，实现在开关电源完全失效前的预先告知。