開關(guān)電源中應(yīng)力平衡的優(yōu)化方法及適用該方法的開關(guān)電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電源電路的設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種一次側(cè)為三階系統(tǒng)（主功率 存在兩個(gè)磁性元件及一個(gè)容性元件）的開關(guān)電源中應(yīng)力平衡的優(yōu)化方法及適用該方法的 開關(guān)電源。
【背景技術(shù)】
[0002] 電源是將電能轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需的各種形式的電路裝置，它是所有靠電能工 作的裝置的動(dòng)力源泉。直流開關(guān)電源是一種采用占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝 置，廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003] 用于開關(guān)電源前級的電容一般選取的是鋁電解電容，鋁電解電容具有成本低、體 積小、額定耐壓高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛選用。然而，由于鋁電解電容是采用浸有糊狀電解質(zhì)的吸 水紙夾在兩條鋁箔中間卷繞而成，當(dāng)存儲時(shí)間過久，其內(nèi)部的電解液揮發(fā)后漏電流增加，等 效串聯(lián)電阻（ESR〖EquivalentSeriesResistance)也隨之增加，因此錯(cuò)電解電容使用壽命 一般只有兩到三年，而且高低溫情況下會(huì)影響電解液的特性，所以鋁電解電容對溫度也非 常敏感。
[0004] 為減少電子設(shè)備內(nèi)部開關(guān)電源對電網(wǎng)的污染，國際電工委員會(huì)和一些國家與地區(qū) 推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)，對電流諧波作出了限量規(guī)定。為滿足輸入電 流諧波限制要求，最有效的技術(shù)手段就有源功率因數(shù)校正，誕生了一系列的提高功率因數(shù) 的電路（PFC:PowerFactorCorrection簡寫），目前被廣為采用的有源PFC技術(shù)是兩級方 案，這些電路很好的解決了電源PF值低的問題，電路的PF值可達(dá)到0. 9以上，但是這無疑 增加了系統(tǒng)電路及控制的復(fù)雜度，增加了成本，而且影響了電源的轉(zhuǎn)換效率，特別是在功率 不大的場合，缺點(diǎn)更為突出。
[0005]目前的交流轉(zhuǎn)直流拓?fù)渲卸急夭豢缮儆幸粋€(gè)高壓大容量的電解電容進(jìn)行低頻濾 波，但是這個(gè)電解電容有一系列的缺點(diǎn)，如：壽命，高低溫特性等，而且還影響開關(guān)電源的 PF值（功率因數(shù)：PowerFactor簡寫），等等這些都制約著開關(guān)電源的發(fā)展。
[0006] 眾所周知，反激拓?fù)涫荁uck-boost電路的隔離形式，一般被普遍應(yīng)用于中小功率 場合，其具有電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件少，易于多路輸出等優(yōu)點(diǎn)，圖1示出了傳統(tǒng)的反激拓?fù)?電路，包括整流橋、輸入濾波電容C1、變壓器T1、開關(guān)管Q1、開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路、輸出濾波電 容Co、輸出整流二極管D1。輸入電壓通過整流橋后，高電平部分與輸入電容Cl正極相聯(lián)， 一般稱高電平部分為母線電壓，低電平部分與輸入電容Cl的負(fù)極相連，一般稱低電平部分 為變換器原邊地，母線電壓與變壓器Tl輸入端相連，變壓器Tl輸入同名端與開關(guān)管Ql漏 極相連，開關(guān)管Ql的源極與變換器原邊地相連，變壓器輸出同名端與輸出二極管的陽極相 連，輸出二極管陰極連接輸出電容正極，變換器的輸出地與變壓器另一個(gè)輸出端相連，電容 另一端與輸出地相連。電路的工作過程如下：
[0007] 當(dāng)開關(guān)管Ql導(dǎo)通，變壓器Tl初級電流在輸入電壓的作用下，線性上升。變壓器初 級電壓感應(yīng)到次級，使得整流二極管反向截止，電源的輸出電壓由輸出濾波電容Co提供補(bǔ) 給。當(dāng)開關(guān)管Ql關(guān)斷，變壓器初級電流被強(qiáng)制關(guān)斷，由于電感電流不能突變，故在初級側(cè)產(chǎn) 生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)次級的感應(yīng)電動(dòng)勢達(dá)到輸出電壓時(shí)，次級整流二 極管導(dǎo)通。初級電感在開關(guān)管開通時(shí)儲存的能量，通過磁芯耦合到次級電感，然后通過次級 線圈釋放到輸出電谷Co中。
[0008] 通過上述分析知，普通的反激開關(guān)電源的高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的第 一象限，在開關(guān)管導(dǎo)通期間，變壓器初級線圈只儲存能量，而在截止期間才將初級線圈內(nèi)儲 存的能量傳遞到次級，因此它既是變壓器，又是儲能電感。值得注意的是，在這個(gè)過程中通 過變壓器的電流方向不變，在其中心柱開一定的氣隙可降低剩余磁場、提高磁芯的直流場 強(qiáng)，防止磁芯飽和。而然開氣隙會(huì)造成漏磁現(xiàn)象，從而增加了變壓器的漏電感，造成能量損 耗。普通反激電路的輸入電容容值要求很大，不可避免的引入了電解電容所帶來的缺陷。而 且電源的輸出只通過反激變壓器的儲能傳輸，變壓器的原邊直流分量較大，因此需要磁芯 開一定的氣隙，從而變壓器漏感便很大，損耗很大。
[0009] 目前的無電解電容技術(shù)大多用于LED驅(qū)動(dòng)照明領(lǐng)域，而LED驅(qū)動(dòng)電源并不能滿足 工業(yè)電源的性能要求，工業(yè)負(fù)載對電源的性能要求比LED對電源的性能要求要高出很多， 且LED照明用電源為恒流輸出，而工業(yè)電源要求為恒壓輸出，在輸入饅頭波波谷時(shí)輸出電 壓會(huì)有較大的波動(dòng)，即變換器無法消除這么大的工頻干擾，輸出會(huì)有較大的紋波。再者，目 前的無電解電容電源的輸入范圍也達(dá)不到工業(yè)電源的要求。
[0010] 設(shè)計(jì)開關(guān)電源是個(gè)充滿矛盾的過程，魚和熊掌不可得兼，需要平衡折中各種指標(biāo)， 如穩(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能的折中、功率密度與可靠性的折中、小信號性能與大信號性能的折 中、高低溫下的設(shè)計(jì)折中、電性能與熱性能之間的折中、關(guān)鍵部件的折中等等，當(dāng)然還有其 他方面的折中，所有的這些折中最基本的還是關(guān)鍵部件的折中，一些主功率器件的選取關(guān) 系到整個(gè)開關(guān)電源能否正常工作及開關(guān)電源的性能優(yōu)化，比如主功率器件承受的電壓應(yīng) 力、電流應(yīng)力及磁應(yīng)力等。在普通的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，如功率變壓器的設(shè)計(jì)，首先要優(yōu)化 變壓器的匝比，變壓器的匝比關(guān)系到輸入開關(guān)管的電壓應(yīng)力以及輸出二極管的電壓應(yīng)力， 開關(guān)管的電壓應(yīng)力還與變壓器的漏感有關(guān)，因此希望變壓器的漏感越小越好，但在實(shí)現(xiàn)漏 感最小的同時(shí)，往往會(huì)增加繞組之間的分布電容，這通常會(huì)增加共模EMI干擾和降低安全 性。另外，如驅(qū)動(dòng)能力的折中。為了減小功率開關(guān)器件（MOSFET)的開關(guān)損耗，希望其開關(guān) 過程盡量短，這可通過減小門級驅(qū)動(dòng)電阻來實(shí)現(xiàn)，但在開關(guān)速度提高的同時(shí)，往往會(huì)增加電 源的共模EMI，使得EMI特性變差。
[0011] 在專利申請?zhí)枮?01410822779. 5的《一種電源電路》中國專利公開說明書示出了 一種開關(guān)電源的全新拓?fù)洌渫負(fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)如圖2所示。在專利《一種電源電路》中示出的 電路拓?fù)渲?，其主功率回路存在兩個(gè)感性器件一一電感與變壓器，與一個(gè)容性器件。目前現(xiàn) 有的開關(guān)電源拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)方法不適合用于以上專利中的全新拓?fù)?，而且合理的電感、電?與變壓器的設(shè)計(jì)可以拓寬開關(guān)電源的輸入電壓范圍，減少輸出紋波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決兩個(gè)感性元件與一個(gè)容性元件的設(shè)計(jì)平衡，在 輸出功率滿足要求的基礎(chǔ)上盡可能的減少輸