一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源的制作方法

1.本技术涉及开关电源领域，尤其是涉及一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源。


背景技术：

2.如图1所示，谐振半桥是开关电源的一种拓扑，包括有励磁电感lm、谐振电感lr、谐振电容cr、原边开关mos管qp1、原边开关mos管qp2、理想变压器、副边整流管ds1、副边整流管ds2、输出滤波电容co，因谐振半桥能实现原副边开关管的软开关，在高效率、小体积开关电源中，谐振半桥拓扑广泛使用。
3.而谐振半桥拓扑随着开关电源的不断发展在进行着日新月异的创新，随着数据中心数据存储时间的不断加长，对谐振半桥输出保持时间的要求也在不断提高，输出保持时间的长短成为衡量谐振半桥开关电源的重要指标，通常开关电源的输出保持时间通过母线电容储存的能量进行维持。
4.针对上述中的相关技术，发明人认为在母线电容选定，母线电压和谐振拓扑控制芯片设定好的前提下，在小体积和低成本的电源中，输出保持时间满足不了终端对开关电源的需求。


技术实现要素：

5.为了提高输出保持时间，本技术提供了一种提高输出保持时间的谐振半桥电路及开关电源。
6.第一方面，本技术提供一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，采用如下的技术方案：
7.一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，包括llc谐振腔，所述llc谐振腔包括励磁电感lm、谐振电感lr和谐振电容crc，所述谐振电容crc两端并联一辅助电路，所述辅助电路用于在输出保持状态时加大等效谐振电容cr。
8.通过采用上述技术方案，在输出保持状态时，辅助电路加大了等效谐振电容cr，提高了开关电源的输出保持时间，满足了终端数据中心对时间的要求，提高了产品与终端的匹配度。
9.可选的，所述辅助电路包括依次串联的开关元件和辅助谐振电容cra，在输出保持状态时，通过控制所述开关元件导通，将所述辅助谐振电容cra并联于所述谐振电容crc两端，从而加大所述等效谐振电容cr。
10.通过采用上述技术方案，在输出保持状态时，通过控制所述开关元件导通，将所述辅助谐振电容cra并联于所述谐振电容crc两端，从而加大所述等效谐振电容cr，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
11.可选的，所述开关元件为开关管qa，且所述开关管qa的控制端供外部控制单元控制。
12.通过采用上述技术方案，通过外部控制单元控制开关管qa的通断，让辅助谐振电容cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
13.可选的，所述开关元件为开关管qa，且所述开关管qa的控制端连接有辅助控制电路，所述辅助控制电路的检测端连接于所述谐振半桥电路的电源端。
14.通过采用上述技术方案，通过辅助控制电路控制开关管qa的通断，让辅助谐振电容cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
15.可选的，所述辅助控制电路包括电压检测器vd和比较器u；所述电压检测器vd的检测端连接所述辅助控制电路的检测端，输出端连接所述比较器u的反相输入端；所述比较器u的正相输入端连接有基准电压vref，输出端连接于所述开关管qa的控制端。
16.通过采用上述技术方案，通过电压检测器vd与比较器u控制开关管qa的通断，让辅助谐振电容cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
17.可选的，所述比较器u的输出端与所述开关管qa的控制端之间还串联有驱动电路gd。
18.通过采用上述技术方案，通过辅助控制电路产生驱动到驱动电路gd，从而控制开关管qa的通断，让辅助谐振电容cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
19.可选的，所述电压检测器vd为交流电电压检测器。
20.可选的，所述llc谐振腔采用单谐振电容的连接方式。
21.可选的，所述llc谐振腔采用分体谐振电容的连接方式，所述辅助电路设置有两个且与两个分体谐振电容一一对应并联。
22.第二方面，本技术还提供一种开关电源，采用如下的技术方案：
23.一种开关电源，包括功率因数校正电路、母线电容和上述的谐振半桥电路，所述母线电容设置于所述功率因数校正电路和谐振半桥电路之间。
24.综上所述，本技术提高了开关电源的输出保持时间，满足终端数据中心对时间的要求，提高了产品与终端的匹配度。
附图说明
25.图1是相关技术中谐振半桥电路原理图。
26.图2是揭示了开关电源输出保持时间的实质。
27.图3是本技术一实施例的谐振半桥电路原理图。
28.图4是本技术谐振半桥的归一化增益曲线。
29.图5是本技术另一实施例的谐振半桥电路原理图。
30.图6是本技术开关电源电路原理图。
31.附图标记说明：
32.1、辅助电路；2、辅助控制电路；3、功率因数校正电路；4、谐振半桥电路。
具体实施方式
33.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-附图5及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
34.如图2所示，揭示了开关电源输出保持时间th的实质；通常开关电源的输出保持时间th通过母线电容c
link
储存的能量进行维持，母线电压稳态时为vs
nom
，母线电压在谐振半桥不工作时的最小电压为vs
min
，母线电容c
link
稳态时储存的能量采用e
nom
表示为：母线电容c
link
在谐振半桥不工作时最小储存的能量采用e
min
表示为：则
35.开关电源的输出功率为po，输出保持时间为th，效率为η，则输出保持时间可表示为：输出保持时间th的长短取决于母线电容c
link
的大小和最小母线电压vs
min
的大小，在母线电容c
link
选定，母线电压和谐振拓扑控制芯片设定好的前提下，母线电容c
link
的大小固定不变，同时在小尺寸高功率密度电源中母线电容c
link
的大小受限于尺寸而无法调整，所以影响输出保持时间th最重要的一个参数就是最小电压vs
min
，且输出保持时间th与最小电压vs
min
有非线性的定量关系。
36.如图3所示，本技术实施例公开一种提高输出保持时间的谐振半桥电路，包括llc谐振腔、理想变压器、原边开关、副边整流管和输出滤波电容co，llc谐振腔采用单谐振电容的连接方式，llc谐振腔包括励磁电感lm、谐振电感lr和谐振电容crc，理想变压器包括原边电感np、第一副边电感ns1和第二副边电感ns2，原边开关包括第一原边开关管qp1和第二原边开关管qp2，副边整流管包括第一副边整流管ds1和第二副边整流管ds2；第一原边开关管qp1一端连接所述谐振半桥电路的输入端，另一端连接第二原边开关管qp2一端和谐振电感lr一端；谐振电感lr另一端连接励磁电感lm一端和原边电感np一端，励磁电感lm另一端连接谐振电容crc一端和原边电感np另一端，谐振电容crc另一端和第二原边开关管qp2另一端连接于谐振半桥电路接地端；第一副边电感ns1一端连接第二副边电感ns2一端和输出滤波电容co正极，另一端连接第一副边整流管ds1阴极，第二副边电感ns2另一端连接第二副边整流管ds2阴极，第一副边整流管ds1阳极、第二副边整流管ds2阳极和输出滤波电容co负极均连接于接地端。
37.为了提高输出保持时间th，本技术实施例在谐振电容crc两端并联一辅助电路1，辅助电路1在稳态时不工作，在输出保持状态时加大等效谐振电容cr。
38.如图4所示，图4是谐振半桥的归一化增益曲线，输出电压与母线电压对应的关系式为其中，vo为输出电压，n为变压器匝数比，m为电压增益，vs为母线电压，由上述公式可知，母线电压vs与电压增益m成反比，如果需要得到更小的母线电压vs(即vs
min
)时，那么需要获得更高的电压增益m(即m
max
)。在等效谐振电容cr增大后，此时谐振腔特征阻抗变小，实质对应的增益曲线变得更陡峭，在相同的频率范围内能得到更大的电压增益m，从而得到更小的母线电压vs(即vs
min
)，则δe增大，从而使输出保持时间th变长。
39.具体来说，辅助电路1包括依次串联的开关元件和辅助谐振电容cra，在输出保持状态时，通过控制开关元件导通，将辅助谐振电容cra并联于谐振电容crc两端，从而加大等效谐振电容cr，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间。
40.在本技术实施例中，开关元件为开关管qa，且开关管qa的控制端供外部控制单元控制，在稳态时，外部控制单元控制开关管qa为关断状态，辅助电路1断开，等效谐振电容cr＝crc，此时和传统谐振电路相同，谐振腔的增益以及开关频率变化范围和预设计一样，不会进入容性工作状态；在输出保持状态(即市电掉电输出保持状态)时，外部控制单元控制开关管qa为导通状态，辅助电路1导通，等效谐振电容为cr＝crc cra，等效谐振电容增大，谐振半桥等效q值降低，谐振半桥增益增大，输出保持时间加长。
41.如图5所示，在本技术另一实施例中，开关元件为开关管qa，且开关管qa的控制端连接有辅助控制电路2，辅助控制电路2的检测端连接于谐振半桥电路的电源端。
42.具体来说，辅助控制电路2包括电压检测器vd和比较器u；电压检测器vd的检测端连接辅助控制电路2的检测端，输出端连接比较器u的反相输入端；比较器u的正相输入端连接有基准电压vref，输出端连接于开关管qa的控制端；在本技术一实施例中，比较器u的输出端与开关管qa的控制端之间还串联有驱动电路gd；其中，电压检测器vd为交流电电压检测器。
43.本技术实施例通过辅助控制电路2产生驱动到驱动电路gd，从而控制开关管qa的通断，让辅助谐振电容cra在市电断电的时候参与谐振，改变谐振半桥的增益曲线，从而提高开关电源的输出保持时间，满足终端数据中心对时间的要求，提高产品与终端的匹配度。
44.在输入稳态时，电压检测器vd检测为高电平，vs》vref，比较器u输出低电平，驱动电路gd输出为低电平，开关管qa为关断状态，辅助电路1断开，等效谐振电容为cr＝crc，此时和传统谐振电路相同，谐振腔的增益以及开关频率变化范围和预设计一样，不会进入容性工作状态。
45.在输出保持状态(即市电掉电输出保持状态)时，电压检测器vd检测为低电平，vs《vref，比较器u输出高电平，驱动电路gd输出为高电平，开关管qa为导通状态，辅助电路1导通，等效谐振电容为cr＝crc cra，等效谐振电容cr增大，谐振半桥等效q值降低，谐振半桥增益增大，输出保持时间加长。
46.在本技术其他实施例中，llc谐振腔也可以采用分体谐振电容的连接方式，此时，辅助电路1设置有两个且分别与两个分体谐振电容一一对应并联，用于控制等效谐振电容的大小。
47.如图6所示，本技术实施例还提供一种开关电源，包括功率因数校正电路3、母线电容c
link
和上述谐振半桥电路4，母线电容c
link
设置于功率因数校正电路3和谐振半桥电路4之间。
48.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。