開關電源及開關電源防護方法

2023-06-15 01:56:06 2

專利名稱：開關電源及開關電源防護方法
技術領域：
本發明涉及電子技術領域，特別涉及一種開關電源及開關電源防護方法。
背景技術：
開關電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，並使開關電源進入 更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便 化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。 開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關電晶體開通和關斷的時間比率，維持穩定輸 出電壓的一種電源。但是在開關電源的使用中，當在配電系統耦合幹擾或者配電系統出現故障的時 候，電源輸入埠會受到過壓衝擊。為了讓設備在這些情況下能夠正常工作，現有技術是利 用開關電源內的電路器件本身的特性硬抗幹擾。例如，在開關電源內使用能夠耐受高壓的 二極體、電容、脈衝寬度調製器和變壓器等等。在對現有技術進行分析後，發明人發現現有技術至少具有如下缺點對於單一過 壓脈衝，主要能量集中在IOkHz以下，而開關電源內的變壓器的工作頻段通常為50kHz以 上，此時，單一過壓脈衝的能量無法通過變壓器傳遞到次級。如果單一過壓脈衝在一段時間 內出現多次，則構成連續過壓脈衝，其中，單一過壓脈衝在單位時間內出現的次數為連續過 壓脈衝的重複頻率。對於連續過壓脈衝，如果其重複頻率在變壓器的工作頻段內，則連續過 壓脈衝的大部份能量可以傳遞到變壓器的次級。因此，現有的開關電源的電路器件本身對 單個過壓脈衝有較強的防護能力，但是對連續過壓脈衝則失去防護能力，連續過壓脈衝的 大部分能量傳遞到變壓器的次級後，很有可能導致後級電路損壞。

發明內容
為了提高開關電源的防護能力，本發明實施例提供了一種開關電源及開關電源防 護方法。所述技術方案如下一種開關電源，包括諧振模塊和電壓轉換模塊；所述諧振模塊的工作頻率範圍與所述電壓轉換模塊的工作頻率範圍有交集；所述諧振模塊輸出端與所述電壓轉換模塊輸入端耦合，所述諧振模塊用於當開關 電源接收到連續過壓脈衝，且所述連續過壓脈衝的重複頻率在所述交集之內時，吸收所述 連續過壓脈衝的能量，以減少所述電壓轉換模塊承擔的能量。一種利用所述開關電源進行防護的方法，所述方法包括當所述開關電源接收到連續過壓脈衝，且所述連續過壓脈衝的重複頻率在所述交 集之內時，所述諧振模塊吸收所述連續過壓脈衝的能量，以減少所述電壓轉換模塊承擔的 能量°本發明實施例提供的上述技術方案的有益效果是實現了開關電源對連續過壓脈 衝的防護，極大地提高了開關電源的自身防護能力，提升了產品防護等級，避免了開關電源內的後級電路受到損壞。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可 以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明實施例1提供的開關電源結構示意圖；圖2是本發明實施例1提供的開關電源一種電路圖；圖3是本發明實施例1提供的開關電源另一種電路圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步地詳細描述。實施例1參見圖1，本實施例提供了一種開關電源，包括諧振模塊101和電壓轉換模塊 102，諧振模塊101的工作頻率範圍與電壓轉換模塊102的工作頻率範圍有交集，諧振模塊 101輸出端與電壓轉換模塊102輸入端耦合，諧振模塊101用於當開關電源接收到連續過壓 脈衝，且該連續過壓脈衝的重複頻率在上述交集之內時，吸收該連續過壓脈衝的能量，以減 少電壓轉換模塊102承擔的能量。本實施例中，諧振模塊101可以包括電感、電容和電阻。這種情況下，通過選取電 阻的值可以使得諧振模塊101的工作頻率範圍與電壓轉換模塊102的工作頻率範圍有交集。本實施例涉及的工作頻率範圍通常用上下兩個邊界值來表示，上邊界值表示工作 頻率範圍內的最大頻率值，下邊界值表示工作頻率範圍內的最小頻率值。諧振模塊101的 工作頻率範圍的中心點為諧振頻率，電壓轉換模塊102的工作頻率範圍的中心點為工作中 心頻率。例如，諧振模塊101的工作頻率範圍是60KHz 80KHz，則上邊界值為80KHz，下邊 界值為60KHz，諧振頻率為70KHz ；電壓轉換模塊102的工作頻率範圍是70KHz 90KHz，則 上邊界值是90KHz，下邊界值是70KHz，工作中心頻率為80KHz ；此時，諧振模塊101的工作 頻率範圍和電壓轉換模塊102的工作頻率範圍的交集為70KHz 80KHz。本實施例中，諧振模塊101的工作頻率範圍和電壓轉換模塊102的工作頻率範圍 有交集包括部分重合或者完全重合。完全重合情況下指諧振模塊101的工作頻率範圍的 上下兩個邊界值分別與電壓轉換模塊102的工作頻率範圍的上下兩個邊界值相同。例如， 兩個工作頻率範圍均為60KHz 80KHz。部分重合情況下該交集內可以包括多個頻率值，也 可以只包括一個頻率值，如諧振模塊101的工作頻率範圍是60KHz 80KHz，如果電壓轉換 模塊102的工作頻率範圍是80KHz 90KHz，則交集內只包括一個頻率值80KHz，如果電壓 轉換模塊102的工作頻率範圍是70KHz 90KHz，則交集為70KHz 80KHz，即包括70KHz SOKHz內的所有頻率值。本實施例中，當諧振模塊101的工作頻率範圍和電壓轉換模塊102的工作頻率範
4圍有交集時，諧振模塊101的諧振頻率與電壓轉換模塊102的工作中心頻率可以相等，也可 以不相等。優選方式下，諧振模塊101的諧振頻率與電壓轉換模塊102的工作中心頻率相 等。這種情況下，當開關電源接收到連續過壓脈衝，且該連續過壓脈衝的重複頻率與電壓轉 換模塊102的工作中心頻率相等時，該重複頻率與諧振模塊101的工作諧振頻率也相等，此 時，諧振模塊101會產生諧振，吸收該連續過壓脈衝的能量，從而減少電壓轉換模塊102承 擔的能量。相應地，諧振模塊101可以包括電感和電容，通過選取電感和電容的值可以使 得諧振模塊101的諧振頻率與電壓轉換模塊102的工作中心頻率相等。進一步地，在本實施例中，當諧振模塊101的工作頻率範圍和電壓轉換模塊102的 工作頻率範圍有交集時，諧振模塊101的通頻帶和電壓轉換模塊102的通頻帶可以相等，也 可以不相等。優選方式下，諧振模塊101的通頻帶和電壓轉換模塊102的通頻帶相等。在 最佳方式下，諧振模塊101的諧振頻率與電壓轉換模塊102的工作中心頻率相等，並且諧振 模塊101的通頻帶和電壓轉換模塊102的通頻帶也相等，此時，諧振模塊101的工作頻率範 圍和電壓轉換模塊102的工作頻率範圍完全重合，這種情況下，諧振模塊101可以最大程度 地吸收連續過壓脈衝的能量，從而使電壓轉換模塊102承擔的能量最小，極大地提高了開 關電源的防護能力。本實施例中涉及的通頻帶是指在3dB衰減值下，電路能通過的頻率範圍，即工作 頻率範圍。凡信號分量中幅度在最大信號分量幅度的3dB(即0. 707)衰減以內的頻率範圍 便稱為通頻帶。例如，如果最大信號分量幅度的3dB點分別為50KHz和70KHz，則通頻帶為20KHz。本實施例中，諧振模塊101可以位於開關電源的不同位置。第一種方式，諧振模塊 101的輸入端並聯在開關電源的電源輸入端，且諧振模塊101的輸出端還並聯有整流電路， 電壓轉換模塊102的輸入端與濾波電路的輸出端耦合。在第一種方式下，諧振模塊101的輸 入信號為開關電源接收到的信號，諧振模塊101的輸出信號經過整流後作為電壓轉換模塊 102的輸入信號。第二種方式，開關電源的電源輸入端還並聯有整流電路，且諧振模塊101 的輸入端並聯在該整流電路的輸出端，諧振模塊101的輸出端並聯在電壓轉換模塊102的 輸入端。在第二種方式下，諧振模塊101的輸入信號為對開關電源接收到的信號進行整流 後得到的信號，諧振模塊101的輸出信號為電壓轉換模塊102的輸入信號。上述兩種方式下，諧振模塊101至少包括電感和電容，當然也可以包括電感、電 容和電阻。其中，上述第一種方式下，可以在開關電源中新增電感和電容，或者新增電感、電 容和電阻來組成諧振模塊101。在上述第二種方式下，可以使用開關電源內已有的並聯在橋 式整流電路輸出端的濾波電容，並且新增電感，或者新增電感和電阻來組成諧振模塊101。 由於開關電源中已有的電容具有濾波功能，因此在第二種方式下，諧振模塊101還具有濾 波的功能。當使用開關電源中已有的電容時，可以節省開關電源的成本。本實施例中的任一種實施方式下，諧振模塊101中的電感優選地為空心電感，可 以避免過流飽和。較佳方式下，該電感為容量較小的電感，可以避免過流飽和，具體地，可以 為容量小於指定值的電感，如該電感為容量小於 μΗ的電感等等，該指定值可以根據需要 更改。當然本發明實施例中，也可以採用其它類型的電感，電感的容量也可以根據需要選 擇，本發明實施例對此不做具體限定。本實施例中的電壓轉換模塊102用於接收諧振模塊101輸出的信號，並且經過電壓轉換後作為開關電源的輸出信號輸出。電壓轉換模塊102可以具體包括變壓器。本實施例中的整流電路具體採用橋式整流電路，但是如本領域技術人員所知，也 可以採用其他的整流電路，本發明對此不作限定。本實施例中開關電源的整流、濾波以及電壓轉換的功能均為現有的開關電源就具 有的功能，因此，在本實施例中不做過多說明。本實施例中的諧振模塊101的電路實現有多種，下面以兩種具體的電路來舉例說 明，當然也可以採用其它的電路形式來實現，本發明實施例對此不做具體限定。參見圖2，為本實施例提供的開關電源的一種電路圖。其中，諧振模塊101由新增 的電感Li、電容Cl和電阻Rl組成，並且並聯在開關電源的輸入端。二極體D1、D2、D3和D4 組成整流電路，用於對諧振模塊101的輸出信號進行整流。電容C為濾波電路，用於對該整 流後的信號進行濾波。電壓轉換模塊102具體為變壓器T，用於對該濾波後的信號進行電壓 轉換，該轉換後的信號作為開關電源的輸出信號輸出。圖中除上述提到的器件以外的其它 器件用於對變壓器轉換後的電壓進行穩壓和整流，包括多個器件，如二極體D5和D6，脈衝 寬度調製器Q等等，此處不贅述。在圖2所示的電路中，優選地，電感Ll為空心電感，容量小於1 μ H，可以避免過流 飽和。電容Cl可以按照諧振模塊101的諧振頻率與變壓器T的工作中心頻率&相等的 原則來選取，具體地，可以根據諧振頻率fi的計算公式和變壓器T的工作中心頻率&計算 得到Cl的值，從而按照該值選取電容Cl來組成諧振模塊101。其中，諧振頻率的計算公 式如下
1 由於= &，而且，變壓器T的工作中心頻率&是已知的參數，則也是已知的， 因此，可以將&的值以及已選取的電感Ll值代入公式(1)，從而得到電容Cl的值。另外， 優選地，Cl的耐壓、耐流能力至少應到達C的水平，最好高於C的耐壓、耐流能力，以提高開 關電源的防護能力。諧振模塊101中的電阻R1，其值可以按照諧振模塊101的工作頻率範圍與變壓器 T的工作頻率範圍有交集的原則來選取。優選地，可以按照諧振模塊101的通頻帶Af1等 於變壓器T的通頻帶Afci的原則來選取，諧振模塊101的通頻帶計算公式如下 其中，Ql為諧振模塊101的品質因素，Qci為諧振模塊101的角頻率，且 1
^0 = VLTCI由於變壓器τ的通頻帶Aftl是已知的，並且Af1 = Aftl，因此，在Li和ci已
確定的情況下，利用上述公式⑵可以計算出Rl的值，按照該值選取電阻Rl與已確定的電 感Ll和電容Cl共同組成諧振模塊101。另外，還可以按照指定的功率值來選取電阻R1，如 選取功率超過1/4瓦的電阻等等，以避免長時間過流損壞，指定的功率值可以根據需要更 改，本發明實施例對此不做具體限定。當圖2所示的開關電源在輸入端接收到連續過壓脈衝時，如果該連續過壓脈衝的 電壓為V，重複頻率f = f0,則L1、C1和Rl組成的諧振模塊101產生諧振，由於諧振模塊101
有濾波特性，因此，能夠吸收連續過壓脈衝的能量，諧振模塊101輸出的信號經過D1、D2、D3 和D4組成的整流電路和由C組成的濾波電路後，到達變壓器T初級的過壓為V1，經過變壓 器電壓轉換後到達變壓器次級的過壓為V2，已知變壓器T的變比為N 1，則V、V1和V2的 關係如下V1 = VXRl/(Rl+r) ；(3)V2 = V1ZN ；(4)其中，r為開關電源的輸出阻抗，單位為歐姆。由上述公式(3)和⑷可以得到V2 = VXRl/(Rl+r)/N ；(5)對於不具有諧振模塊的開關電源來說，變壓器次級電壓V2 = V/N，而具有諧振模 塊的開關電源，變壓器次級電壓V2 = [Rl/(Rl+r)] XV/N，由於Rl/(Rl+r) <1，因此，增加 了諧振模塊後的開關電源中變壓器次級電壓會降低，諧振模塊吸收了一部分連續過壓脈衝 的能量，從而減少了變壓器次級所承受的衝擊，抑制了連續過壓脈衝的幹擾，起到了防護作 用，提高了開關電源的防護能力。例如，變壓器的工作中心頻率為fQ = 50kHz，通頻帶為Aftl = 10kHz，變比為 40 1，開關電源輸入端接收到的連續過壓脈衝為V = 2kV，開關電源的輸出阻抗為r = 2Ω。選取Ll = ΙμΗ的空心電感，Cl =6. 8μ F且耐壓能力為470V的電容，由Ll和Cl組 成諧振模塊，其諧振頻率f\約為50kHz。選取Rl =0.05歐姆且功率超過1/4瓦的電阻，使 諧振模塊的通頻帶Δ 約為9. 7kHz。此時，變壓器的初級過壓為V1 = 2kVX0. 05/2. 05 = 49V，變壓器的次級過壓為V2 = 49V/40 = 1. 2V。通常，開關電源的輸出阻抗遠遠大於2歐 姆，因此，沒有增加諧振模塊時，開關電源輸出電壓遠超過50V。由此可見，增加諧振模塊後 的開關電源可以極大地降低變壓器次級電壓，提高了開關電源的防護能力。參見圖3，為本實施例提供的開關電源的另一種電路圖。諧振模塊101由開關電源 電路中原有的電容C串聯一個新增的電感LO和新增的電阻RO組成。二極體D1、D2、D3和 D4組成整流電路，用於對開關電源接收到的信號進行整流，然後輸出給諧振模塊101。變壓 器T用於對諧振模塊101輸出的信號進行電壓轉換，該轉換後的信號作為開關電源的輸出 信號輸出。圖中除上述提到的器件以外的其它器件用於對變壓器轉換後的電壓進行穩壓和 整流，包括多個器件，如二極體D5和D6，脈衝寬度調製器Q等等，此處不贅述。在圖3所示的電路中，諧振模塊101中的電容為開關電源中已有的電容，因此，無 需選取新的電容。優選地，電感LO可以按照諧振模塊101的頻率與變壓器T的工作中 心頻率&相等的原則來選取，具體地，可以根據諧振頻率的計算公式和變壓器T的工作 中心頻率&計算得到LO的值，從而按照該值選取電感LO來組成諧振模塊101。其中，諧振 頻率的計算公式如下f] =-\- ；(6)
2^-xVLOC由於= &，而且，變壓器T的工作中心頻率&是已知的參數，則也是已知的， 因此，可以將fi的值以及原有電容C的值代入公式(6)，從而得到電感LO的值。另外，優選 地，電感LO為空心電感，容量小於1 μ H，可以避免過流飽和。在圖3所示的電路中，諧振模塊101中的電阻RO的選取與圖2中Rl的選取原則 類似，區別僅在於將公式(2)中的Rl替換為R0，Ll替換為L0，從而得出RO的值。此處不再贅述。在圖2和圖3兩個具體實施方式
中，諧振模塊101均包括電阻。當然，在本發明的 其它實施例中也可以不包括電阻，只要諧振模塊101的工作頻率範圍與電壓轉換模塊102 的工作頻率範圍有交集即可。當包括電阻時，可以更精確地控制兩個工作頻率範圍，如完全 重合。本發明實施例對此不做具體限定。本實施例提供的開關電源，通過增加諧振模塊來吸收連續過壓脈衝的能量，實現 了開關電源對連續過壓脈衝的防護，提高了開關電源的自身防護能力，提升了產品的防護 等級，避免了開關電源內的後級電路受到損壞。當採用開關電源內已有的電容組成諧振模 塊時，可以實現在低成本的情況下，提高產品的防護等級。實施例2本實施例提供了一種利用實施例1中提供的開關電源進行防護的方法，包括當開關電源接收到連續過壓脈衝，且該連續過壓脈衝的重複頻率在上述交集之內 時，諧振模塊吸收該連續過壓脈衝的能量，以減少電壓轉換模塊承擔的能量。本實施例中，諧振模塊的諧振頻率可以與電壓轉換模塊的工作中心頻率相等；相 應地，上述方法具體包括當開關電源接收到連續過壓脈衝，且該連續過壓脈衝的重複頻率與電壓轉換模塊 的工作中心頻率相等時，諧振模塊吸收該連續過壓脈衝的能量，以減少電壓轉換模塊承擔 的能量。本實施例提供的開關電源防護方法，實現了對連續過壓脈衝的防護，提高了開關 電源的自身防護能力，提升了產品防護等級，避免了開關電源內的後級電路受到損壞。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
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權利要求
一種開關電源，其特徵在於，包括諧振模塊和電壓轉換模塊；所述諧振模塊的工作頻率範圍與所述電壓轉換模塊的工作頻率範圍有交集；所述諧振模塊的輸出端與所述電壓轉換模塊的輸入端耦合，且所述諧振模塊用於當開關電源接收到連續過壓脈衝，且所述連續過壓脈衝的重複頻率在所述交集之內時，吸收所述連續過壓脈衝的能量，以減少所述電壓轉換模塊承擔的能量。
2.根據權利要求1所述的開關電源，其特徵在於，所述諧振模塊包括電感、電容和電阻。
3.根據權利要求1所述的開關電源，其特徵在於，所述諧振模塊的諧振頻率與所述電 壓轉換模塊的工作中心頻率相等。
4.根據權利要求3所述的開關電源，其特徵在於，所述諧振模塊包括電感和電容。
5.根據權利要求1或3所述的開關電源，其特徵在於，所述諧振模塊的通頻帶與所述電 壓轉換模塊的通頻帶相等。
6.根據權利要求1所述的開關電源，其特徵在於，所述諧振模塊的輸入端並聯在所述 開關電源的電源輸入端，且所述諧振模塊的輸出端還並聯有整流電路，所述電壓轉換模塊 的輸入端與所述整流電路的輸出端耦合。
7.根據權利要求6所述的開關電源，其特徵在於，所述諧振模塊至少包括電感和電容， 且所述電容為新增的電容。
8.根據權利要求1所述的開關電源，其特徵在於，所述開關電源的電源輸入端還並聯 有整流電路，且所述諧振模塊的輸入端並聯在所述整流電路的輸出端，所述諧振模塊的輸 出端並聯在所述電壓轉換模塊的輸入端。
9.根據權利要求8所述的開關電源，其特徵在於，所述諧振模塊至少包括電感和電容， 且所述電容為所述開關電源內已有的並聯在所述橋式整流電路的輸出端的濾波電容。
10.一種利用權利要求1所述的開關電源進行防護的方法，其特徵在於，所述方法包括當所述開關電源接收到連續過壓脈衝，且所述連續過壓脈衝的重複頻率在所述交集之 內時，所述諧振模塊吸收所述連續過壓脈衝的能量，以減少所述電壓轉換模塊承擔的能量。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述諧振模塊的諧振頻率與所述電壓 轉換模塊的工作中心頻率相等；所述方法具體包括當所述開關電源接收到連續過壓脈衝，且所述連續過壓脈衝的重複頻率與所述電壓轉 換模塊的工作中心頻率相等時，所述諧振模塊吸收所述連續過壓脈衝的能量，以減少所述 電壓轉換模塊承擔的能量。
全文摘要
本發明公開了一種開關電源和開關電源防護方法，屬於電子技術領域。該開關電源包括諧振模塊和電壓轉換模塊，諧振模塊的工作頻率範圍與電壓轉換模塊的工作頻率範圍有交集；諧振模塊的輸出端與電壓轉換模塊的輸入端耦合，諧振模塊用於當開關電源接收到連續過壓脈衝，且連續過壓脈衝的重複頻率在該交集之內時，吸收連續過壓脈衝的能量，以減少電壓轉換模塊承擔的能量。所述方法包括當開關電源接收到連續過壓脈衝，且連續過壓脈衝的重複頻率在該交集之內時，諧振模塊吸收連續過壓脈衝的能量，以減少電壓轉換模塊承擔的能量。本發明實現了開關電源對連續過壓脈衝的防護，提高了開關電源的防護能力。
文檔編號H02M3/315GK101924458SQ20101024454
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月2日 優先權日2010年8月2日
發明者狄偉 申請人:華為終端有限公司