防止電流反抽的保持時間電路和功率變換器的製作方法
2023-12-11 10:58:17 1
專利名稱：防止電流反抽的保持時間電路和功率變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源，特別是涉及一種用於開關電源中的防止電流反抽的保持時 間電路和功率變換器。
背景技術：
目前大多數通信設備要求大功率的通信定製電源自身存儲足夠的能量，以便在全 輸入電壓範圍內(一般為36V 75V，)掉電/短路條件下繼續運行一段時間，一般為10ms 甚至是16mS。為了滿足此很大的保持時間的要求，當前有保持時間要求的電源一般採取如 圖1所示方案。圖1展示了具有保持時間的兩級功率變換器，此類具有保持時間的大功率 電源一般由兩級變換器組成，前級BOOST變換器實現升壓，一般升壓至最高輸入電壓75V， 儘可能減小大容量電解電容數量、布板面積並儘可能降低成本；同時利用BOOST變換器固 有的二極體阻隔作用，使得電源在輸入短路時和輸入掉電(斷路)一樣具有相同的保持時 間；後級一般採用適合的功率變換器，如單端變換器、橋式變換器等。正常條件下當輸入電壓在36 75V之間變化時 ，BOOST變換器輸出電壓保持在 75V,電源輸出工作在額定輸出工況下；在輸入短路和掉電條件下，通過儲能電容供電，輸出 電壓仍能在一定時間內保持在額定輸出。由於正常條件下前級BOOST變換器一直在工作， 且輸入電壓與母線電壓差別越大，BOOST變換器效率越低，這使得電源整體效率較低。隨著業界對大功率客戶定製通信電源的效率要求越來越高，採用此類方案並不能 滿足客戶高效率指標的要求。
發明內容
本發明的主要目的就是針對現有技術的不足，提供一種防止電流反抽的保持時間 電路，能夠在全輸入電壓範圍內短路和斷路條件下均能快速隔離輸入，防止電流反抽，且使 功率變換器的功耗大為降低。本發明的另一目的是提供一種具有上述保持時間電路的功率變換器。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案一種防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，包括防止電流反抽電路、升壓保 持電路和切換電路，所述防止電流反抽電路具有控制前級至後級變換器的能量傳輸的防反 抽M0S管(Metal Oxide SemiconductorTransistor，金屬氧化物半導體電晶體)，所述防止 電流反抽電路在輸入電壓處於規定的正常電壓範圍內時開通所述防反抽M0S管實現所述 能量傳輸，在輸入故障時隔離前級的輸入，所述升壓保持電路具有在上電時存儲能量的保 持電容，所述升壓保持電路在所述保持電容的電壓達到設定電壓後處於空載待機狀態，所 述切換電路在輸入電壓低於最低正常電壓後開通，將所述保持電容上存儲的能量供給所述 後級變換器。優選地，所述防止電流反抽電路包括偏置電源、第一三極體、第二三極體和防反抽 M0S管，所述偏置電源的負極連接所述保持時間電路的輸入正端或負端，所述偏置電源的正極分別通過電阻連接所述第一三極體的集電極和所述第二三極體的集電極，所述第一三極 管和所述第二三極體的發射極分別連接所述防反抽M0S管的源極和漏極，所述第一三極體 和所述第二三極體的基極互連，並連接到與所述防反抽M0S管的漏極相連的三極體的集電 極，所述防反抽M0S管的柵極連接到與所述防反抽M0S管的源極相連的三極體的集電極，所 述防反抽M0S管的源極和漏極分別連接所述保持時間電路的輸入正端和輸出正端或分別 連接所述保持時間電路的輸出負端和輸入負端。優選地，所述升壓保持電路為升壓拓撲電路。優選地，所述升壓保持電路包括第二 M0S管、變壓器、副邊整流二極體和儲能電 容，所述第二 M0S管與所述變壓器的原邊繞組串接於輸入正端和負端之間或輸出正端和負 端之間，所述副邊整流二極體的陽極與所述變壓器的副邊繞組相連，所述副邊整流二極體 的陰極與所述儲能電容的陽極相連，所述儲能電容的陰極與輸出負端相連，所述儲能電容 耦合到所述切換電路的輸入端。優選地，所述切換電路包括切換M0S管、隔離二極體和緩衝電容，所述切換M0S管 的源極與所述儲能電容的陽極相連，所述切換M0S管的漏極與所述隔離二極體的陽極相 連，所述隔離二極體的陰極與所述緩衝電容的陽極同接輸出正端，所述緩衝電容的陰極與 輸出負端相連。優選地，所述升壓保持電路包括第二 M0S管、第一電感、整流二極體和儲能電容， 所述第二 M0S管與所述第一電感串接於輸入正端和負端之間或輸出正端和負端之間，所 述整流二極體的陽極與所述儲能電容的陰極相連，所述整流二極體的陰極連接在所述第二 M0S管和所述第一電感之間，所述儲能電容的陽極與輸入正端相連，所述儲能電容耦合到所 述切換電路的輸入端。優選地，所述切換電路包括切換M0S管、隔離二極體和緩衝電容，所述切換M0S管 的源極與所述儲能電容的陰極相連，所述切換M0S管的漏極與所述緩衝電容的陰極相連， 所述儲能電容的陽極與所述隔離二極體的陽極相連，所述隔離二極體的陰極與所述緩衝電 容的陽極同接輸出正端，所述緩衝電容的陰極與輸出負端相連。一種具有保持時間的功率變換器，包括前述的防止電流反抽的保持時間電路。本發明有益的技術效果是本發明的保持時間電路包括防止電流反抽電路、升壓保持電路和切換電路，其中， 防止電流反抽電路在輸入電壓處於規定的正常範圍時開通M0S管，實現前級至後級變換器 的能量傳輸，並在輸入故障時隔離前級輸入，在上電時，升壓保持電路中的保持電容存儲能 量，保持電容的電壓達到設定電壓後，升壓保持電路處於空載待機狀態，切換電路在輸入電 壓低於最低正常電壓後才開通，將保持電容上存儲的能量供給後級變換器；按照這樣的配 置，在全輸入電壓範圍內短路和斷路條件下，本發明的保持時間電路都能快速隔離輸入以 防止電流反抽，且輸入短路和斷路條件下一樣滿足相同的保持時間要求並保護輸入端器件 免受大電流的衝擊以致損壞；同時，由於升壓保持電路在正常工作條件下處於空載待機狀 態，與傳統方案相比去除了前級BOOST變換器，即省去了前級變換器功耗，這使得保持時間 電路自身功耗極低；又由於是通過M0S管將前級輸入傳輸至後級變換器，故與肖特基二極 管相比其導通損耗很低。綜合上述優點，採用本發明保持時間電路的功率變換器，可以在有 效防止電流反抽的基礎上很好地滿足全輸入電壓範圍內高效率和保持時間的要求。
圖1為現有的具有保持時間的兩級功率變換器原理圖；圖2為本發明的具有保持時間的功率變換器一種實施例的原理圖；圖3為本發明的保持時間電路實施例一的原理圖；圖4為本發明的保持時間電路實施例二的原理圖；圖5為本發明的保持時間電路實施例三的原理圖；圖6為本發明的保持時間電路實施例四的原理圖。本發明的特徵及優點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。
具體實施例方式請參考圖2，一種具有保持時間的功率變換器包括主功率變換器和耦合在前級和 主功率變換器之間的保持時間電路。主功率變換器可以是移相全橋變換器，也可以根據電 源輸出功率規格合理的選擇各種隔離和非隔離變換器如正激變換器、反激變換器、半橋變 換器以及BUCK、BOOST等拓撲電路。保持時間電路由三部分功能電路組成，包括防止電流 反抽電路、升壓保持電路和切換電路。其中，防止電流反抽電路具有控制前級至後級變換器 的能量傳輸的防反抽M0S管，在輸入電壓處於規定的正常範圍時通過開通防反抽M0S管來 實現前級至後級變換器的能量傳輸，並在輸入故障時隔離前級輸入，升壓保持電路具有在 上電時存儲能量的保持電容，在保持電容的電壓達到設定電壓時，升壓保持電路處於空載 待機狀態，切換電路在輸入電壓低於最低正常電壓後開通，將所述保持電容上存儲的能量 供給後級變換器。規定的正常範圍可例如為通信領域一般要求的36V 75V寬範圍輸入電 壓，但是不限於該範圍。以下通過多個實施例進一步說明防止電流反抽的保持時間電路。實施例一請參考圖3，一種保持時間電路包括防止電流反抽電路、升壓保持電路和切換電 路。防止電流反抽電路包括偏置電源Vp、第一三極體Q1A、第二三極體Q1B和防反抽 M0S管Q1，所述偏置電源Vp的負極連接輸入正端+Vin，所述偏置電源Vp的正極通過電阻 R1、R2分別連接所述第一三極體Q1A和所述第二三極體Q1B的集電極，所述第一三極體Q1A 的發射極連接所述防反抽M0S管Q1的源極，所述第二三極體Q1B的發射極連接所述防反抽 M0S管Q1的漏極，所述第一三極體Q1A和所述第二三極體Q1B的基極互連，並連接到第二三 極管Q1B的集電極，所述防反抽M0S管Q1的柵極連接到第一三極體Q1A的集電極，所述防 反抽M0S管Q1的源極和漏極分別連接保持時間電路的輸入正端+Vin和輸出正端+Vout。升壓保持電路為反激電路，包括第二 M0S管Q2、變壓器T1、副邊整流二極體D1和 儲能電容C1，所述第二 M0S管Q2與所述變壓器T1的原邊繞組串接於保持時間電路的輸入 正端+Vin和輸入負端-Vin之間，變壓器T1的原邊繞組一端與第二 M0S管Q2的漏極相連， 所述副邊整流二極體D1的陽極與所述變壓器T1的副邊繞組一端相連，所述副邊整流二極 管D1的陰極與所述儲能電容C1的陽極相連，所述儲能電容C1的陰極、所述第二 M0S管Q2 的源極同與保持時間電路的輸出負端-Vout相連。所述切換電路包括切換M0S管Q3、隔離二極體D2和緩衝電容C2，所述切換M0S管Q3的源極與所述儲能電容C1的陽極相連，所述 切換M0S管Q3的漏極與所述隔離二極體D2的陽極相連，所述隔離二極體D2的陰極與所述 緩衝電容C2的陽極及防反抽M0S管Q1漏極同接輸出正端+Vout，所述緩衝電容的陰極與輸 出負端-Vout相連。 該保持時間電路的工作原理如下偏置電源Vp、電阻R1、R2，第一三極體Q1A、第二三極體Q1B和防反抽M0S管Q1組 成防止電流反抽電路，正常條件下前級輸入供電通過防反抽M0S管Q1向後級供電，可以選 擇導通電阻較小的M0SFET管，這樣防止電流反抽功能電路比常用的肖特基管比較功耗可 以大幅降低，在輸入電源故障條件下如輸入短路和斷路時，防止電流反抽電路能快速隔離 輸入，防止保持時間電路儲存的能量通過輸入段洩放而使電源保持時間不足，並保護輸入 端器件免受大電流的衝擊以至損壞。變壓器T1、第二 M0S管Q2、副邊整流二極體D1和儲能電容C1組成反激式升壓保 持電路，電源上電後此反激電路可以快速充電以根據保持時間的要求將電容電壓充至合適 的設定電壓值，例如75V，這樣可以儘可能減小大容量電解電容數量、布板面積和儘可能降 低成本。切換M0S管Q3、隔離二極體D2和緩衝電容C2組成切換電路，當檢測到輸入電壓跌 出最低正常輸入電壓，例如35V，控制切換M0S管Q3開通，將儲能電容C1中的能量切換到緩 衝電容C2以向主功率變換器供電，從而保證主功率變換器輸入掉電後繼續工作一段時間， 滿足電源保持時間的要求。實施例二請參考圖4，本實施例與實施例一的不同之處如下所述偏置電源Vp的負極連接輸入正端_Vin，所述第一三極體Q1A的發射極連接 所述防反抽M0S管Q1的漏極，所述第二三極體Q1B的發射極連接所述防反抽M0S管Q1的 源極，所述第一三極體Q1A和所述第二三極體Q1B的基極互連，並連接到第一三極體Q1A的 集電極，所述防反抽M0S管Q1的柵極連接到第二三極體Q1B的集電極，所述防反抽M0S管 Q1的源極和漏極分別連接輸入負端_Vin和輸出負端-Vout ；所述第二 M0S管Q2與所述變 壓器T1的原邊繞組串接於輸出正端+Vout和負端-Vout之間。實施例三請參考圖5，本實施例與實施例一的不同之處如下升壓保持電路採用升壓拓撲電路，具有第一電感L1。所述第二 M0S管Q2與所述第 一電感L1串接於輸入正端+Vin和負端-Vin之間，所述整流二極體D1的陽極與所述儲能 電容C1的陰極相連，所述整流二極體D1的陰極連接在所述第二 M0S管Q2和所述第一電感 L1之間，所述儲能電容C1的陽極與輸入正端+Vin相連，所述儲能電容C1的陰極與所述切 換M0S管Q3的源極相連，所述切換M0S管Q3的漏極與所述緩衝電容C2的陰極相連，所述 儲能電容C1的陽極與所述隔離二極體D2的陽極相連，所述隔離二極體D1的陰極與所述緩 衝電容C2的陽極同接輸出正端+Vout，所述緩衝電容C2的陰極與輸出負端-Vout相連。實施例四請參考圖6，本實施例與實施例三的不同之處如下所述偏置電源Vp的負極連接輸入正端_Vin，所述第一三極體Q1A的發射極連接
6所述防反抽M0S管Q1的漏極，所述第二三極體Q1B的發射極連接所述防反抽M0S管Q1的 源極，所述第一三極體Q1A和所述第二三極體Q1B的基極互連，並連接到第一三極體Q1A的 集電極，所述防反抽M0S管Q1的柵極連接到第二三極體Q1B的集電極，所述防反抽M0S管 Q1的源極和漏極分別連接輸入負端_Vin和輸出負端-Vout ；所述第二 M0S管Q2與所述第 一電感L1串接於輸出正端+Vout和負端-Vout之間。實施例二 _四的電路工作原理與實施例一是相類似的，此處不再贅述。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的 保護範圍。
權利要求
一種防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，包括防止電流反抽電路、升壓保持電路和切換電路，所述防止電流反抽電路具有控制前級至後級變換器的能量傳輸的防反抽MOS管，所述防止電流反抽電路在輸入電壓處於規定的正常電壓範圍內時開通所述防反抽MOS管實現所述能量傳輸，在輸入故障時隔離前級的輸入，所述升壓保持電路具有在上電時存儲能量的保持電容，所述升壓保持電路在所述保持電容的電壓達到設定電壓後處於空載待機狀態，所述切換電路在輸入電壓低於最低正常電壓後開通，將所述保持電容上存儲的能量供給所述後級變換器。
2.如權利要求1所述的防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，所述防止電流反 抽電路包括偏置電源、第一三極體、第二三極體和所述防反抽MOS管，所述偏置電源的負極 連接所述保持時間電路的輸入正端或負端，所述偏置電源的正極分別通過電阻連接所述第 一三極體的集電極和所述第二三極體的集電極，所述第一三極體和所述第二三極體的發射 極分別連接所述防反抽MOS管的源極和漏極，所述第一三極體和所述第二三極體的基極互 連，並連接到與所述防反抽MOS管的漏極相連的三極體的集電極，所述防反抽MOS管的柵極 連接到與所述防反抽MOS管的源極相連的三極體的集電極，所述防反抽MOS管的源極和漏 極分別連接所述保持時間電路的輸入正端和輸出正端或分別連接所述保持時間電路的輸 出負端和輸入負端。
3.如權利要求1或2所述的防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，所述升壓保持 電路為升壓拓撲電路。
4.如權利要求1或2所述的防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，所述升壓保 持電路包括第二 MOS管、變壓器、副邊整流二極體和儲能電容，所述第二 MOS管與所述變壓 器的原邊繞組串接於輸入正端和負端之間或輸出正端和負端之間，所述副邊整流二極體的 陽極與所述變壓器的副邊繞組相連，所述副邊整流二極體的陰極與所述儲能電容的陽極相 連，所述儲能電容的陰極與輸出負端相連，所述儲能電容耦合到所述切換電路的輸入端。
5.如權利要求4所述的防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，所述切換電路包 括切換MOS管、隔離二極體和緩衝電容，所述切換MOS管的源極與所述儲能電容的陽極相 連，所述切換MOS管的漏極與所述隔離二極體的陽極相連，所述隔離二極體的陰極與所述 緩衝電容的陽極同接輸出正端，所述緩衝電容的陰極與輸出負端相連。
6.如權利要求1或2所述的防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，所述升壓保持 電路包括第二 MOS管、第一電感、整流二極體和儲能電容，所述第二 MOS管與所述第一電感 串接於輸入正端和負端之間或輸出正端和負端之間，所述整流二極體的陽極與所述儲能電 容的陰極相連，所述整流二極體的陰極連接在所述第二 MOS管和所述第一電感之間，所述 儲能電容的陽極與輸入正端相連，所述儲能電容耦合到所述切換電路的輸入端。
7.如權利要求6所述的防止電流反抽的保持時間電路，其特徵在於，所述切換電路包 括切換MOS管、隔離二極體和緩衝電容，所述切換MOS管的源極與所述儲能電容的陰極相 連，所述切換MOS管的漏極與所述緩衝電容的陰極相連，所述儲能電容的陽極與所述隔離 二極體的陽極相連，所述隔離二極體的陰極與所述緩衝電容的陽極同接輸出正端，所述緩 衝電容的陰極與輸出負端相連。
8.一種具有保持時間的功率變換器，其特徵在於，包括如權利要求1所述的防止電流 反抽的保持時間電路。
全文摘要
本發明公開了一種防止電流反抽的保持時間電路，包括防止電流反抽電路、升壓保持電路和切換電路，所述防止電流反抽電路具有控制前級至後級變換器的能量傳輸的防反抽MOS管，所述防止電流反抽電路在輸入電壓處於規定的正常電壓範圍內時開通所述防反抽MOS管實現所述能量傳輸，在輸入故障時隔離前級的輸入，所述升壓保持電路具有在上電時存儲能量的保持電容，所述升壓保持電路在所述保持電容的電壓達到設定電壓後處於空載待機狀態，所述切換電路在輸入電壓低於最低正常電壓後開通，將所述保持電容上存儲的能量供給所述後級變換器。本發明的保持時間電路可以在有效防止電流反抽的基礎上很好地滿足全輸入電壓範圍內高效率和保持時間的要求。
文檔編號H02M3/315GK101854115SQ201010107350
公開日2010年10月6日 申請日期2010年2月1日 優先權日2010年2月1日
發明者何建軍, 林全喜 申請人:艾默生網絡能源有限公司