一种具有释放残余电压功能的开关电路的制作方法

1.本发涉及一种具有释放残余电压功能的开关电路。


背景技术：

2.开关电路是一种高频化电能转换装置，其主要利用电力电子开关器件，如晶体管、mos管、可控晶闸管等，通过控制电路，使电子开关器件周期性地"接通"和"关断"，让电力电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现电压变换以及输出电压可调和自动稳压的功能。开关电路停止向负载供电后会在电源输出端的滤波电容形成电压残压。图1为常规的开关电源输出端示意图，静态电流为开关电源在没有任何输出情况下的内部电流，静态电流很小，一般在几ma~几十ma不等。但只要开关电源输入端有供电，静态电流就会一直存在。在开关电源停止向负载供电后，输出端的滤波电容c1会通过电源内部的阻抗进行缓慢放电。但是由于内部静态电流的存在，滤波电容c1的电压无法释放至0v，最终在滤波电容c1两端形成一个稳定电压，通常称为残余电压ur。
3.目前，消除残余电压ur的方式为，在电源输出端添加“假负载”来消耗静态电流。如图1所示，通常的做法是在电源输出端正负极之间加上一颗阻值适量、封装合适的电阻r1，用于开关电源停止向负载供电后与电源输出端滤波电容形成回路进而释放电压残压。但是，这种释放残余电压ur的方式存在以下不足之处：（1）为了尽可能地提高假负载电阻的可靠性，需要对电阻功耗做很大的降额考量，容易导致电阻封装较大、占据较大的空间摆放位置，加大开关电源pcb板的走线布局难度；（2）假负载电阻作为一个额外的固定负载，会额外的引入一个损耗，这一额外损耗会降低开关电源本身的输出转换效率；（3）假负载电阻作为一个特殊器件，在一定程度上增加了开关电源本身的制作成本。


技术实现要素：

4.本发明提出一种具有释放残余电压功能的开关电路。
5.本发明的第一个方面是提供一种具有释放残余电压功能的开关电路，包括位于开关电路输出端的滤波电容，以及用于与滤波电容形成回路的放电电路，所述放电电路由放电电阻和切换开关串联后组成；所述切换开关闭合后接地，使得开关电源的静态电流和/或形成于滤波电容的残余电压形成对地放电回路。
6.作为一种实施方式，所述放电电路中的放电电阻为具有一定阻值的电阻，所述电阻阻值用于确定残余电压放电时间。
7.作为一种实施方式，所述放电电路中的放电电阻由所述开关电路的内部阻抗形成。
8.作为一种实施方式，在所述开关电路对负载输出电流的工作状态下，切换开关断开；在所述开关电路停止对负载输出电流的非工作状态下，切换开关闭合。
9.作为一种实施方式，所述开关电路停止对负载输出电流时，立即闭合切换开关，导通放电电路并保持；当所述开关电路再次对负载输出电流时，立即断开切换开关。
10.作为一种实施方式，所述开关电路停止对负载输出电流后，当滤波电容上的电压释放至电压阈值vo时，立即闭合切换开关，导通放电电路并保持；当所述开关电路再次对负载输出电流时，立即断开切换开关；所述电压阈值vo小于开关电路工作时的输出电压，大于滤波电容的残余电压。
11.作为一种实施方式，所述开关电路停止对负载输出电流后，当滤波电容上的电压释放至残余电压后，闭合切换开关，导通放电电路并保持；当所述开关电路再次对负载输出电流时，立即断开切换开关。
12.本发明的第二个方面是提供一种控制切换开关断开或闭合的控制电路，包括控制切换开关断开或闭合的控制电路，所述控制电路包括电压采样模块、控制模块和驱动模块；电压采样模块用于采集开关电路输出端滤波电容c1的电压数据；控制模块用于根据电压采样模块采集的滤波电容c1的电压数据判断，滤波电容c1的电压是否符合切换开关s1闭合导通的动作条件，如果是，则发送控制信号给驱动模块；驱动模块根据所述控制信号控制切换开关闭合。
13.作为一种实施方式，控制切换开关闭合或断开的方法为：步骤s1：控制模块判断开关电路是否停止对负载输出电流；如果开关电路停止对负载输出电流，则进入步骤s2；如果开关电路正在对负载输出电流，则持续检测开关电路是否停止对负载输出电流；步骤s2：控制模块判断滤波电容c1两端电压是否符合切换开关s1闭合导通的动作条件；当滤波电容c1两端电压进入符合切换开关s1闭合导通的动作条件后，控制模块向驱动模块发出控制信号；驱动模块根据控制信号闭合切换开关s1；步骤s3：在切换开关s1闭合状态下，控制模块持续判断开关电路是否开始对负载输出电流，如果开关电路开始对负载输出电流，则向驱动模块发出控制信号；驱动电路根据控制信号断开切换开关。
14.作为一种实施方式，滤波电容c1的电压符合切换开关s1闭合导通的动作条件为：在开关电源停止对输出负载r2输出电流后立刻闭合切换开关s1的控制方式下，当滤波电容c1的电压小于开关电源输出电压vout 时，滤波电容c1的电压符合切换开关s1闭合导通的动作条件；在滤波电容c1上的电压在释放到电压幅值vo时立刻闭合切换开关s1的控制方式下，当滤波电容c1的电压下降至电压幅值vo 时，滤波电容c1的电压符合切换开关s1闭合导通的动作条件；在滤波电容c1上的电压在释放到残余电压ur时立刻闭合切换开关s1的控制方式下，当滤波电容c1的电压下降至残余电压ur时，滤波电容c1的电压符合切换开关s1闭合导通的动作条件。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点和有益效果在于：（1）本发明提出一种具有释放残余电压功能的开关电路，在开关电源输出端的正负极之间设置可以自由控制的切换开关，在开关电源为负载供电的时候，切换开关断开，从而内部阻抗或残余电压放电电阻不参与能量的消耗，切换开关只有在需要释放残余电压时
闭合，以消耗静态电流。以此解决使用假负载带来的额外增加损耗的问题。
16.（2）本发明用于残余电压放电的电阻可以由开关电路内部本身已经存在的电器元件的阻抗实现，在开关电源有限的空间中不用额外增加电器元件，避免了占用pcb板空间和增加成本的问题。当然，也可以使用额外电器元件实现残余电压放电电阻，此时，因为其本身的工作场景，不需要考虑降额使用，只需较小的空间，也减少了pcb板空间的使用并同时降低器件成本。
17.（3）本发明在由假负载释放残余电压的基础上，解决了假负载放电带来的固定损耗会，降低开关电源转换器效率的问题，同时改善了开关电源pcb板电路空间排布有限的问题，并降低了开关电源硬件成本。
18.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
19.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
20.图1为现有技术中开关电源使用假负载释放残余电压的电路示意图。
21.图2为本发明实施例1的一种工作状态电路示意图。
22.图3为本发明实施例1的另一种工作状态电路示意图。
23.图4为本发明实施例2的一种工作状态电路示意图。
24.图5为本发明实施例2的另一种工作状态电路示意图。
25.图6为本发明中切换开关逻辑控制示意图。
26.图7为本发明中检测和控制电路示意图。
27.图8为本发明中控制电路一个具体实施方式示意图。
具体实施方式
28.容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
29.实施例1如图2和图3所示，开关电路具有电源内部阻抗r3、位于输出端的滤波电容c1、由输出端供电的真实负载r2。在图2和图3中，开关符号s2的状态用来表示开关电源是否对其输出负载r2输出电流，不代表电路中一定真实存在物理意义上的开关，物理器件意义上的s2可以存在，也可以不存在。
30.此处开关电路，可以是隔离型，也可以是非隔离型，例如可以举出整流器、变压器、dc
‑
dc变换器、buck 、boost电路等。
31.开关电路工作与否受到指示信号的控制。具体而言，例如可以在变换器的内部串联mos晶体管、三极管等开关元件，将指示信号输入该开关元件的控制端，对该开关元件的通、断进行控制，由此来控制变换器的工作状态。
32.在开关电源停止对输出端负载r2供电后，开关电源的静态电流会慢慢地给输出端滤波电容c1充电，最终形成残余电压ur。为了消除该残余电压ur，本实施例在开关电源输出端正负极之间设置用于释放残余电压ur的放电电路，该放电电路包括串联连接的切换开关s1和放电电阻r1。切换开关s1为可自由控制的开关。
33.当开关电源对输出负载r2供电，即开关电源带着输出负载r2正常输出电流时，输出端的滤波电容c1两端的电压为关电源输出电压vout。此时，放电电路中的切换开关s1置于断开状态，放电电路未导通，放电电阻r1作为放电元件不接入工作电路中。当开关电源停止对输出负载r2供电时，如图3所示，开关符号s2断开，开关电源不对负载r2输出电流，此时输出端的滤波电容c1会通过电源内部的阻抗r3进行缓慢放电。但是由于内部静态电流的存在，滤波电容c1的电压无法释放至0v，最终在滤波电容c1两端形成一个稳定的电压，即残余电压ur。此时，如图3所示，将切换开关s1闭合，切换开关s1和放电电阻r1在输出端滤波电容c1两端形成回路，且放电电路通过切换开关s1接地，使得静态电流和残余电压构成对地放电回路，输出端滤波电容c1两端原本无法完全释放的残余电压将最终释放到0v。简言之，在开关电源不对外供电时，放电电路通过切换开关s1使得静态电流和残余电压构成对地放电回路。
34.实施例2结合图4和图5，实施例2与实施例1的区别在于，设置在开关电源输出端正负极之间的放电电路的组成不同。在实施例2中，不是如实施例1中通过增加额外放电电阻r1来组成放电电路，而是利用开关电源的内部阻抗r3与切换开关s1构成放电电路，即内部阻抗r3与切换开关s1串联后形成放电电路，当切换开关s1闭合后，切换开关s1和内部阻抗r3在输出端滤波电容c1两端形成回路，且放电电路通过切换开关s1接地，使得静态电流和残余电压ur构成对地放电回路。
35.具体地，如图4和图5所示，在本实施例中，在开关电源停止对输出负载r2供电后，开关电源的静态电流会慢慢地给滤波电容c1充电，最终形成残余电压ur。为了消除该残余电压ur，本实施例在设置放电电路，该放电电路包括切换开关s1和开关电源内部阻抗r3。切换开关s1为可自由控制的开关。
36.当开关电源带着输出负载r2正常输出电流时，输出端滤波电容c1两端的电压为关电源输出电压vout。此时，切换开关s1置于断开状态。当开关电源停止给输出负载r2输出电流时，如图5所示，开关符号s2断开，表示开关电源不对外输出电流，此时输出端的滤波电容c1会通过电源内部的阻抗r3进行缓慢放电，但是由于内部静态电流的存在，输出端滤波电容c1的电压无法释放至0v，最终在滤波电容c1两端形成一个稳定的残余电压ur。此时，切换开关s1闭合，切换开关s1和内部阻抗r3在输出端滤波电容c1两端形成回路，且放电电路通过切换开关s1接地，滤波电容c1上原本无法放完的电压将通过切换开关s1接地，使得静态电流和残余电压ur构成对地放电回路，滤波电容c1上的残余电压ur最终释放到0v。
37.需要进一步说明的是，由于实施例1和实施例2中残余电压的放电回路组成不同，使得实施例1与实施例2对应的残余电压放电时间有差异。因此，实施例1和实施例2会有着
各自不同的应用场景。从相对比较的角度来说，实施例1中，由于放电电阻r1是单独设置的电阻，故其阻值可以根据需要设定。具体地，该阻值可以根据残余电压ur放电时间需求来具体选定。放电时间t约等于r1*c1，此处c1为输出端滤波电容的大小。因此，实施例1适合对残余电压放电时间有要求的应用场景。
38.在实施例2中，放电电阻由内部阻抗r3形成，但内部阻抗r3不是一定固定的阻值，它的阻抗值是一个动态变化的值，与开关电源的拓扑形式、电源的输出滤波参数、电源内部使用的元器件的参数等相关，一般在几千欧姆到几百千欧姆不等，从而使得残余电压ur最终释放至0v的时间不能确定。因此，实施例2适合对残余电压放电时间没有要求的应用场景。
39.另外，在实施例1中，放电电阻r1是单独设置的电阻，故如果放电电路发生故障，不能按要求释放残余电压ur时，可以非常简单查找出故障原因，便于电路维修。在实施例2中，由于放电电阻是借助内部其他元器件阻抗形成，故如果放电电路发生故障，不能按要求释放残余电压ur时，难以排查究竟是哪一个元器件发生故障使得放电电路不能正常工作。当然，实施例2相对于实施例1的优点在于，不用另外设置放电电阻r1，借助内部其他元器件阻抗形成放电电阻，可以不用额外增加元器件，且便于开关电源封装和小型化。
40.在实施例1和实施例2所对应的附图中，开关符号s2在仅仅用来表示开关电源对负载供电或者不供电。在实际应用中，由使用开关电源的用户通过自搭电路或者数字命令来控制开关电源上的控制引脚以切换电源的输出工作状态，工作状态包括为负载r2输出电流和不为负载r2输出电流。
41.实施例3如图2、图3所示，在实施例1和实施例2中，使用同一个放电回路，即使得开关电源的静态电流形成对地放电回路，又使得滤波电容的残余电压ur形成对地放电回路。 即使用一个放电回路，同时实现静态电流对地放电回路和残余电压ur对地放电回路。实施例3作为一种可选择的实施方式，在开关电路中设置两个实施例1和实施例2中所示的放电回路，分别实现静态电流对地放电回路和残余电压ur对地放电回路。
42.例如，放电回路一包括串联的放电电阻和切换开关，放电回路一中的切换开关闭合后接地，使得开关电源的静态电流形成对地放电回路。放电回路二同样包括串联的放电电阻和切换开关，放电回路二中的切换开关闭合后接地，使得形成于滤波电容的残余电压ur形成对地放电回路。
43.在本发明中，针对不同的情况，切换开关s1的闭合时机不同，进一步对应的切换开关s1控制方式：方式一：开关电源停止对输出负载r2输出电流后，即状态开关s2断开后，立刻闭合切换开关s1，导通放电电路并一直保持；直到开关电源再次对负载r2输出电流，即状态开关s2再次闭合后，立即断开切换开关s1。
44.方式二：开关电源停止对负载r2输出电流后，即状态开关s2断开后，不立即闭合切换开关s1，当滤波电容c1上的电压在释放到一个固定的电压幅值vo时，立刻闭合切换开关s1，并一直保持，直到开关电源再次对负载r2输出电流，即状态开关s2再次闭合后，再立即断开切换开关s1。此处的电压幅值vo小于电源输出电压vout，但大于稳态的残余电压ur。
45.方式三：开关电源停止对负载r2输出电流后，即状态开关s2断开后，滤波电容c1上
的电压会被电源内部阻抗慢慢释放，但因为静态电流的存在，滤波电容c1在经过很长时间的放电之后依旧不能放到0v，最终形成一个稳定电平，即残余电压ur。当检测到滤波电容c1上的电压已经处于稳定的残压之后，闭合切换开关s1，并一直保持，直到开关电源再次对负载r2输出电流，即状态开关s2再次闭合后，再断开切换开关s1。
46.上述三种控制方式，有着不同的优缺点。
47.按照方式一控制切换开关s1的状态时，其优点在于，相当于把稳态的开关电源输出电压直接当成残压来对待，节约了滤波电容c1自身通过电源内部阻抗缓慢放电的过程，在开关电源停止对输出负载r2输出电流后直接由切换开关s1直接形成对地放电回路。其缺点在于，电源内部的元器件（形成内部阻抗r3）或者放电电阻r1需要承受很大的放电电流。应为在很短的时间内接地，放电电流较大，有较大的冲击电流，某些器件对冲击电流最大值有要求。如果元器件设计的不够强壮，例如形成内部阻抗的一系列器件，或者放电电阻r1设计不构强壮，难以承受较大冲击电流，则有可能损坏电源的元器件或放电电阻r1。因此，按照方式一控制切换开关s1的状态时，对开关电源本身的元器件或放电电阻具有较高的要求。
48.按照方式二控制切换开关s1的状态时，其优点在于，对开关电源输出电压设置了门槛值vo，该门槛值vo是一个处于输出电压vout与残余电压ur之间的值，当开关电源输出端电压（即滤波电容c1电压）降低到该门槛值vo时，再闭合切换开关s1，这样可以减少电源内部的元器件（形成内部阻抗r3）或者放电电阻r1需要承受的放电电流，对元器件或者放电电阻r1的强壮性要求可以适当降低。其缺点在于，相较于方式一需要更长的放电时间。
49.按照方式三控制切换开关s1的状态时，其优点在于，有较小的放电电流，对元器件强壮性要求较低。其缺点在于，检测稳定电压需要一定的时间，总体的放电时间比方式二长。
50.上述为针对不同的情况，切换开关s1闭合和断开的三种控制方式，实施上述控制方式需要具体的检测和控制电路来实现。结合图7，本发明中，实现前述切换开关s1控制方式的一种检测和控制电路包括电压采样模块、控制模块和驱动模块。
51.电压采样模块用于采集滤波电容c1两端的电压信号，具体可以采用图7中所示的分压采样方式实现。
52.控制模块根据电压采样模块采集的滤波电容c1的电压信号，判断滤波电容c1的电压状态，并根据滤波电容c1的电压状态向驱动模块发出闭合或断开切换开关s1的控制指令。
53.如图8所示，控制模块进一步包括模数转换子模块（adc）和逻辑判断单元。模数转换子模块将电压采样模块采集的电压信号转换为数字信号，逻辑判断单元根据数字信号判断滤波电容c1的电压状态。
54.根据上述检测和控制电路，当控制模块检测到滤波电容c1的电压状态符合切换开关s1闭合导通动作条件后，控制模块发出逻辑控制高电平或者低电平，该电平通过驱动模块把逻辑信号变成有驱动能力的高电平，驱动切换开关s1闭合导通，此时放电电路提供滤波电容c1对地放电通路，消除残余电压ur。当控制模块检测到开关电源将要给输出负载供电时，同样通过驱动电路控制切换开关s1断开，关闭放电通路，使得开关电源正常对负载输出电流。
55.前述介绍了切换开关s1的三种控制方式，针对这三种不同的控制方式，切换开关s1闭合导通动作条件也有三种不同的形式。
56.当按照方式一控制切换开关s1的状态时，开关电源停止对输出负载r2输出电流后立刻闭合切换开关s1，此方式下，当控制模块检测到滤波电容c1的电压小于开关电源输出电压vout 时，即确定滤波电容c1的电压状态符合切换开关s1闭合导通动作条件，控制模块向驱动模块发出逻辑控制电平。
57.当按照方式二控制切换开关s1的状态时，当滤波电容c1上的电压在释放到一个固定的电压幅值vo时立刻闭合切换开关s1，此方式下，当控制模块检测到滤波电容c1的电压下降至电压幅值vo 时，即确定滤波电容c1的电压状态符合切换开关s1闭合导通动作条件，控制模块向驱动模块发出逻辑控制电平。
58.当按照方式三控制切换开关s1的状态时，当滤波电容c1上的电压在释放到残余电压ur时立刻闭合切换开关s1，此方式下，当控制模块检测到滤波电容c1的电压下降至残余电压ur时，即确定滤波电容c1的电压状态符合切换开关s1闭合导通动作条件，控制模块向驱动模块发出逻辑控制电平。
59.在实际应用中，开关电源将要给输出负载供电状态，由使用开关电源的用户通过自搭电路或者数字命令来控制开关电源上的控制引脚以切换电源的输出工作状态，工作状态包括为负载r2输出电流和不为负载r2输出电流。
60.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
61.应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
62.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
63.应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。
64.本发明的实施例中的模块、单元或组件可以以硬件方式实现，也可以以一个或者多个处理器上运行的软件方式实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器（dsp）来实现根据本发明实施例。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的计算机程序产品或计算机可读介质上。