电源转换器的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种电源转换器。


背景技术：

2.近年来，用户对led驱动电源要求越来越高，例如，低谐波、高pf值、无频闪、体积小、效率高、成本低，由于普通的led驱动电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使ac输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此电网侧的功率因数不高，大量的高次谐波对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰，使得其它电气设备无法正常工作，因此为了减少谐波干扰，在led驱动电源中增加了功率因数校正电路(即pfc)，用于提高led驱动电源中的功率因数从而减少谐波干扰。
3.如图1所示，给出了现有技术中的电源转换器的电路图。电源转换器用于驱动led，包括emi滤波电路10、输入整流模块11、电荷泵模块12、输入滤波电容cin以及谐振变换器13。其中谐振电容cr、原边绕组lp和谐振电感lr串联连接在电荷泵模块12和功率管q1和q2的中间节点hb之间，构成了谐振网络。emi滤波电路10包括电容c1和c2以及电感l1，用于抑制差模干扰，其中电容c1连接在交流输入电压vac的两端，电感l1连接在电容c1和c2的第一端之间，电容c2连接在输入整流模块12的两个输入端之间。输入整流模块11用于将输入交流电压vac整流成直流电压，在此为整流桥。谐振变换器13还包括控制电路，用于根据由串联在谐振网络中的采样电阻rs来获取电流采样信号cs(电流采样信号cs为ilr
×
rs)，从而产生驱动控制信号vgs1和vgs2以分别驱动功率管q1和q2。但采样电阻rs的参考地在此为功率管q1和q2的中间节点hb而非功率管q2的参考地gnd(也即输入滤波电容的参考地)，会使得控制电路的设计较为复杂。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电源转换器，通过改变电源转换器中电荷泵模块以及emi滤波电路中元件的位置，从而实现采样电阻与输入直流电压共地，进而简化了控制电路的设计。
5.根据本发明的第一方面，提出了一种电源转换器，包括：
6.输入整流模块，用于对交流输入电压进行整流，以输出整流电压；
7.谐振变换器，用于将整流后得到的直流输入电压进行功率变换以向负载供电；
8.电荷泵模块，包括第一端、第二端和至少一个第三端，所述第一端和第二端串联耦接在所述输入整流模块的负输出端和所述直流输入电压的参考地之间；
9.所述第三端耦接至所述谐振变换器的谐振网络；
10.第一电容，并联连接在所述电荷泵模块的第一端和第二端之间。
11.具体地，所述电源转换器还包括：
12.第一电感，串联连接在所述输入整流模块的输入端或输出端；以及
13.第二电容，连接在所述交流输入电压的两端，其中
14.所述第一电感、第二电容与所述第一电容共同形成emi滤波电路。
15.具体地，所述电荷泵模块包括：
16.至少一个二极管组，每个二极管组包括串联连接在所述电荷泵模块的第一端和第二端之间的两个二极管，以形成从所述第二端至所述第一端的单向导通路径。
17.具体地，当所述电荷泵模块包括多个二极管组时，所述多个二极管组并联连接。
18.具体地，每个二极管组的两个二极管的公共点为所述电荷泵模块的第三端，分别连接至所述谐振变换器中相应的谐振电容。
19.具体地，所述谐振变换器中的谐振电容的数量与所述二极管组的数量相对应。
20.具体地，所述电荷泵模块还包括：
21.至少一个升压电容，分别与至少一个二极管组中的一个二极管并联。
22.具体地，当所述电荷泵模块包括多个升压电容时，所述多个升压电容分别与不同二极管组中的一个二极管并联。
23.具体地，所述谐振变换器包括至少一个谐振电容，其中所述至少一个谐振电容的第一端分别连接至所述电荷泵模块，第二端连接在一起，以与所述谐振电感以及所述谐振变换器中变压器的原边绕组串联构成所述谐振变换器的谐振网络。
24.具体地，所述电源转换器还包括：
25.采样电路，连接在所述电荷泵模块的第二端和所述参考地之间，以获取以所述输入直流电压的参考地为参考地的电流采样信号，用于所述谐振变换器的控制。
26.具体地，所述采样电路包括采样电阻，以在所述采样电阻的非接地端获取所述电流采样信号。
27.具体地，所述电源转换器还包括控制电路，接收所述电流采样信号，并据以产生开关控制信号，以控制所述谐振变换器中功率管的开关动作。
28.综上所述，本发明实施例通过改变电源转换器中电荷泵模块以及emi滤波电路中元件的位置，从而实现采样电阻与输入直流电压共地，进而简化了控制电路的设计
附图说明
29.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
30.图1为现有技术中的电源转换器的电路图；
31.图2为本发明实施例的电源转换器的第一种电路示意图；
32.图3为本发明实施例的电源转换器的第二种电路示意图；
33.图4为本发明实施例的电源转换器的第三种电路示意图；
34.图5为本发明实施例的第一种电源转换器的电路图；
35.图6为本发明实施例的第一种电源转换器的工作波形图；
36.图7为本发明实施例的第一种电源转换器的等效电路图；以及
37.图8为本发明实施例的第二种电源转换器的电路图。
具体实施方式
38.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下
文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
39.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
40.同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
41.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
43.图2为本发明实施例的电源转换器的第一种电路示意图。如图2所示，电源转换器包括输入整流模块11、电荷泵模块12、输入滤波电容cin以及谐振变换器13。其中输入整流模块11，用以对交流输入电压vac进行整流，以输出整流电压，在此为整流桥，应理解，其他能够实现整流功能的电路也可以适用。在本实施例中，电源转换器还包括emi滤波电路，包括第二电容c1，连接在交流输入电压vac的两端，电感l1，串联连接在输入整流模块11的整流回路上，与输入整流模块11的输入端或输出端相连；以及第一电容c2。例如，在一个实施例中，电感l1连接在输入整流模块11的负输出端和电荷泵模块12的第一端之间。在其他实施例中，电感l1也可以连接在电容c1的第一端和输入整流模块11的正输入端之间，如图3所示，或者电感l1连接在输入整流模块11的正输出端和输入滤波电容cin的第一端之间，如图4所示。输入滤波电容cin连接在输入整流模块11的正输出端和参考地gnd之间，以将整流电压转换为平滑的直流输入电压vbus。
44.电荷泵模块12采用从谐振回路获得的谐振电流以及从整流电压抽取电流以实现功率因数校正，并且给输入滤波电容cin提供电流，来实现升压的功能。在本实施例中，电荷泵模块12包括第一端、第二端和至少一个第三端。电荷泵模块12的第一端和第二端串联耦接在所述输入整流模块的负输出端和直流输入电压vbus的参考地gnd之间，第三端耦接至谐振变换器13的谐振网络。具体地，电荷泵模块12的第一端与输入整流模块11的负输出端连接，第二端经采样电路与输入滤波电容cin的第二端(即参考地gnd)相连，电荷泵模块12的至少一个第三端还连接至谐振变换器13的至少一个谐振电容。电荷泵模块12的第一端和第二端之间并联连接电容c2，其中电容c2与电容c1和电感l1共同构成emi滤波电路，其功能与图1中的emi滤波电路相同。
45.在本实施例中，电源转换器中的采样电路包括采样电阻rs，连接在电荷泵模块12的第二端和参考地gnd之间，以在采样电阻rs的非接地端获取电流采样信号cs以用于谐振变换器的控制。
46.在本发明中，电荷泵模块12包括至少一个二极管组，以形成从gnd至输入整流模块11的负输出端的单向导电路径，其中每个二极管组包括串联连接在电荷泵模块12的第一端和第二端之间的两个二极管，并且每组两个二极管的公共点为电荷泵模块12的第三端，分别连接至谐振变换器13的谐振网络，具体地，分别与谐振网络中的谐振电容的第一端相连。当电荷泵模块12包括多个二极管组时，该多个二极管组并联连接。电荷泵模块12还包括至少一个升压电容，分别与相应的二极管并联，其中每个升压电容的一端与一对应的谐振电容的一端相连，也即当包括多个升压电容时，多个升压电容分别与不同二极管组中的一个二极管并联。
47.谐振变换器13接收直流输入电压vbus，用以将直流输入电压vbus进行功率变换后，即转换为输出电压或输出电流以向负载供电，在此，负载为led。谐振变换器13为半桥llc谐振变换器，原边侧包括串联连接在直流输入电压vbus和参考地gnd之间的功率管q1和q2，以及谐振单元，该谐振单元包括至少一个谐振电容(cr1、cr2
…
crn，其中n≥1)、谐振电感lr和第一变压器t1的原边绕组lp。应理解，谐振电容的数量与电荷泵中的二极管组的数量相对应。
48.具体地，至少一个谐振电容的第二端连接在一起，再与谐振电感lr和第一变压器t1的原边绕组lp串联。图2仅给出一种示例，每个谐振电容的第一端与电荷泵模块12相连，第二端与原边绕组lp的一端(i.e.，非同名端)相连，谐振电感lr连接在原边绕组lp的另一端(i.e.，同名端)和中间节点hb之间。应理解，谐振电感lr也可以连接在谐振电容cr和原边绕组lp之间，只要三者串联连接在谐振回路中即可。副边侧包括整流电路，在此为副边绕组以及二极管d1和d2构成的全波整流电路，整流电路的输出端连接输出电容co，其与负载led并联。
49.此外，电源转换器还包括控制电路，其中控制电路包括主控电路，用于根据电流采样信号cs和输出电压反馈信号来产生开关控制信号，并通过端口lo输出驱动信号以控制功率管q2的开关状态，主控电路的参考地为gnd；还包括分控电路，用于根据主控电路产生的开关控制信号从端口hb输出驱动信号以控制功率管q1的开关状态，其中分控电路以中点hb为参考地。
50.与图1相比，在本发明实施例中，并没有直接将采样电阻rs与原边绕组lp串联，而是将采样电阻rs串联连接在电荷泵模块12的第二端和输入滤波电容cin的第二端之间以进行电流采样，从而采样电阻rs的一端直接与参考地gnd相连，在采样电阻rs的另一端可以得到相对于参考地gnd的、表征谐振电流i
lr
的电流采样信号cs。
51.图5给出了本发明实施例的第一种电源转换器的电路图。在本实施例中，给出了电荷泵模块12仅包括一个二极管组的情况。电荷泵模块12包括二极管d3和d4，构成一个二极管组，其串联连接在采样电阻rs的第一端(非接地端)和输入整流模块11的负输出端之间，二极管d3和d4的连接方向相同，形成从gnd至输入整流模块11的负输出端之间的单相导通路径。具体地，二极管d3的阴极与电感l1的第二端相连，电感l1的第一端与输入整流模块11的负输出端相连。二极管d4的阴极与二极管d3的阳极相连，其阳极与采样电阻rs的第一端相连。升压电容cbst与二极管d3或d4并联，在本实施例中，升压电容cbst与二极管d4并联，应理解，在其他实施例中，升压电容cbst可以与二极管d3并联。二极管d3和d4的公共点同时还与谐振变换器13中的谐振电容cr的第一端相连。其他模块与图2中相同，不再此阐述。
52.图6给出了本发明实施例的第一种电源转换器的工作波形图。如图6所示，给出了谐振电流i
lr
和中点hb的电压v
hb
的波形图。图7给出了本发明实施例的第一种电源转换器的等效电路图。下面结合图6和图7对图5所示的电源转换器的工作原理进行详细说明。
53.在t0-t1期间，谐振电流i
lr
从峰值逐渐减小，功率管q1导通，v
hb
的电压等于vbus。该期间的电源转换器的等效电路图如图7(a)所示，谐振电流i
lr
经功率管q1给输入滤波电容cin充电，并流过采样电阻rs和二极管d4，再流入谐振变换器的谐振单元，也即流过谐振电容cr、原边绕组lp和谐振电感lr，形成闭合回路。
54.在t1-t2期间，谐振电流i
lr
减小至零并开始反向，功率管q1仍导通。该期间的电源转换器的等效电路图如图7(b)所示，谐振电流i
lr
经谐振单元流过升压电容cbst、采样电阻rs、输入滤波电容cin、功率管q1后再回到谐振单元，构成闭合回路。在此期间，输入滤波电容cin放电，升压电容cbst被充电，直至t2时刻，升压电容cbst两端的电压达到电容c2两端的电压，此后二极管d3处于导通状态。
55.在t2-t3期间，电源转换器的等效电路图如图7(c)所示，谐振电流i
lr
经谐振单元、二极管d3、电容c3、采样电阻rs、输入滤波电容cin、功率管q1后形成闭合回路。在此期间，输入滤波电容cin放电，电容c2被充电。直至t3时刻，功率管q1关断，功率管q2导通，谐振电流i
lr
开始减小。
56.在t3-t4期间，电源转换器的等效电路图如图7(d)所示，谐振电流i
lr
从t3时刻开始减小，流过谐振单元、二极管d3、电容c2、采样电阻rs、功率管q2后形成闭合回路。直至t4时刻，谐振电流i
lr
负向减小至零，此后谐振电流i
lr
为正。
57.在t4-t5期间，功率管q2仍然导通，电源转换器的等效电路图如图7(e)所示，谐振电流i
lr
经功率管q2、采样电阻rs、升压电容cbst、谐振单元形成闭合回路。在此期间，升压电容cbst放电。直到t5时刻，升压电容cbst放电至零，此后二极管d4导通。
58.在t5-t6期间，功率管q2仍然导通，电源转换器的等效电路图如图7(f)所示，谐振电流i
lr
经功率管q2、采样电阻rs、二极管d4、谐振单元形成闭合回路。至此，一个谐振周期结束，此后往复循环。
59.从上述描述可以看出，在整个谐振周期，采样电阻rs上均有谐振电流i
lr
流过，因此采样电阻rs两端的电压即为rs
×ilr
，其与谐振电流i
lr
成正比，可以表征谐振电流i
lr
。
60.综上所述，通过改变emi滤波电路中的部分滤波元件的位置以及电荷泵模块的连接方式，使得电流采样信号cs的参考地为gnd，从而可以使得控制电路中的主控单元以gnd为参考地，简化了控制电路的设计。
61.图8给出了本发明实施例的第二种电源转换器的电路图。在本实施例中，给出了电荷泵模块包括两个二极管组的情况。与图5相比，区别在于：(1)谐振变换器包括两个谐振电容cr1和cr2；(2)电荷泵模块12的结构不同，比图5所示的电荷泵模块相比多了一个二极管组(二极管d5和d6)，并且谐振电容cr2的第一端与二极管d5和d6的公共点相连，另一端与谐振电容cr的第二端相连。与上述过程相似，可以在采样电阻rs的第一端得到相当于gnd的、表征谐振电流i
lr
的电流采样信号cs，具体工作过程不再阐述，本领域技术人员可以很容易推导出来。此外，本领域技术人员可以对其进行变形，从而推导出多个二极管组的情况。
62.综上所述，本发明实施例通过改变电源转换器中电荷泵模块以及emi滤波电路中元件的位置，从而实现采样电阻与输入直流电压共地，进而简化了控制电路的设计。
63.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。