專利名稱：應用壓電變壓器的開關電源裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源領域，尤其涉及一種應用壓電變壓器的開關電源裝置。
背景技術：
開關電源是采用半導體器件作為開關，通過控制開關的占空比來調整輸出電壓。 經過了幾十年的發展，目前開關電源大都采用電磁轉換的脈沖寬度調制(P麗，Pulse Width Modulation)、脈沖頻率調制(PFM， Pulse FrequencyModulation)和脈沖寬度頻率調制 (P麗-PFM)三種控制方式，相應的控制拓撲結構已經很成熟。其中，脈沖頻率調制是導通脈 沖寬度恒定，通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式。上述的電磁轉換控制方式不可 避免地帶來了較強的電磁干擾，同時電磁轉換變壓器需要的銅材越來越面臨較大的價格壓 力。 圖1是現有技術的開關電源原理框圖，其中，輸入電網交流電源通過濾波整流電 路等，轉化為符合要求的開關電源直流輸入電源，開關電路和變壓器，是開關電源變換的主 通道，完成對帶有功率的電源波形進行斬波調制，之后通過整流濾波，提供負載需要的穩定 可靠的直流電源輸出，控制電路從輸出端取樣，經與基準電壓進行比較，然后去控制開關電 路，改變其頻率或脈寬，使輸出穩定。 壓電變壓器作為一種新型的變壓器，是利用極化后的壓電體的壓電效應來實現電 壓輸出的。在壓電變壓器的輸入部分用一個正弦波電壓信號驅動，通過逆壓電效應使輸入 部分產生振動，振動波通過輸入和輸出部分的機械結構耦合到輸出部分，輸出部分再通過 正壓電效應產生電荷，實現壓電體的電能-機械能-電能的機電能量的二次變換，在壓電變 壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與傳統的電磁變壓器相比，壓電變壓器體積小，重量 輕，無噪聲，無電磁干擾，升壓比大，轉換效率高，輸出波形好，無需磁芯和銅線，可節省有色 金屬材料；同時壓電變壓器自身作為一個優良的濾波器，可以將電源輸入級的干擾完全濾 除，輸出一個標準的正弦波，供后級負載使用。 應用壓電變壓器代替傳統的電磁變壓器對開關電源中的電磁干擾問題提供了一 個良好的解決方案。
發明內容
本發明提供了一種應用壓電變壓器的開關電源裝置，解決了壓電變壓器輸入級準 正弦波的轉換、輸出采樣反饋脈沖頻率調制控制的問題，保證了電源轉換的高品質和安全 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種應用壓電變壓器的開關電源裝置，包 括 輸入整流濾波電路； 開關電路，與所述輸入整流濾波電路連接； 壓電變壓器輸入轉換電路，與所述開關電路連接，用于將開關電路輸出的信號轉換成壓電變壓器需要的正弦波或者準正弦波信號； 壓電變壓器，與所述壓電變壓器輸入轉換電路連接； 整流濾波輸出電路，與所述壓電變壓器連接； 電壓采樣比較放大反饋電路，與所述開關電路和整流濾波輸出電路連接，用于從 所述整流濾波輸出電路的輸出端采樣電壓信號，經比較、放大后反饋輸入到所述開關電路， 來調節所述開關電路的工作頻率； 電流采樣比較放大反饋電路，與所述開關電路和整流濾波輸出電路連接，用于從 所述整流濾波輸出電路的輸出端采樣電流信號，經比較、放大后反饋輸入到所述開關電路， 來調節所述開關電路的工作頻率。 本發明的應用壓電變壓器的開關電源裝置，通過采用壓電變壓器輸入轉換電路， 將開關電路輸出的信號轉換成正弦波或者準正弦波信號，作為壓電變壓器的輸入信號，實 現壓電變壓器的正常輸入要求，為正常的功率轉換提供了保證；此外，除了采用輸出級的電 壓采樣反饋控制，通過調節開關電路的開關頻率，達到在輸入電壓變化及輸出負載變化時 對輸出電壓的穩定性進行調節；還采用輸出級的電流采樣反饋控制，保證開關電源在完全 空載、短路、過載、過壓等極限工作模式下的安全性。
圖1是現有技術的開關電源的原理框圖； 圖2是本發明的應用壓電變壓器的開關電源的原理框圖； 圖3是本發明一實施例的開關電路的電路圖； 圖4是本發明一實施例的壓電變壓器輸入轉換電路的電路圖； 圖5是本發明一實施例的電流采樣反饋電路和電壓采樣反饋的電路圖； 圖6是本發明另一實施例的電流采樣反饋電路的電路圖； 圖7本發明一實施例的應用壓電變壓器的開關電源的電路圖
具體實施例方式
本發明的主要思想是用壓電變壓器其取代傳統的電磁變壓器應用于開關電源中，
如圖2所示，為了保證了壓電變壓器的高效轉換，在開關電路和壓電變壓器之間連接壓電
變壓器輸入轉換電路，用于將開關電路的輸出信號轉換成壓電變壓器需要的正弦波或準正
弦波信號，同時，除了電壓反饋控制電路，還包括電流反饋控制電路，通過調節開關電路的
開關頻率，達到對壓電變壓器傳輸功率的有效控制，并且對輸出電壓的穩定性進行調節和
保證開關電源在完全空載、短路、過載、過壓等極限工作模式下的安全性。 下面結合附圖及實施方式對本發明技術方案做進一步的詳細描述。 圖4是本發明壓電變壓器輸入轉換電路的一個實施例，包括并聯在壓電變壓器
300輸入端的第一電感200，以及串聯在壓電變壓器300輸入端的第二電感201和電容202。
通過電容_電感諧振，壓電變壓器輸入轉換電路將開關電路100輸出的方波功率信號轉換
為準正弦波功率信號，作為壓電變壓器300的輸入信號，滿足壓電變壓器的正常輸入要求，
將壓電變壓器300上的功耗控制在合理的范圍內，從而使壓電變壓器300的溫升可以得到
較好的控制，保證了壓電變壓器300的高效轉換。
如圖5所示，500是本發明的電流采樣反饋電路的一個實施例，600是本發明的電壓采樣反饋電路的一個實施例。在整流濾波輸出電路400的輸出端串聯電阻501，從整流濾波輸出電路400的輸出端采樣電流信號，在電阻501上取得與所述電流信號對應的所需電壓信號，將所述電壓信號送入集成運算放大器503，經集成運算放大器503和外圍附屬電路通過比較、放大等處理后，將反饋信號送到開關電路100。 如圖3所示，開關電路100包括半橋驅動器集成電路芯片IR2153 110和半橋開關電路120， IR2153是VM0S(V型槽金屬氧化物半導體場效應管)和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)柵極驅動器，它將高壓半橋柵極驅動電路和一個類似于555時基電路的前端振蕩器集成在一個8腳芯片上，是一款功能較強、易于使用的功率驅動IC芯片。半橋驅動器芯片IR2153 IIO輸出的驅動信號送入半橋開關電路120的兩個MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)121和122，通過控制MOSFET 121和122的開關，將輸入直流功率信號轉換為可調頻的高頻方波功率信號。如圖3和5所示，光耦合器504輸出端A和B分別連接到開關電路100的A和B，通過把光耦合器504輸出的反饋信號送到開關電路IOO，來調節半橋驅動器芯片IR2153 110的定頻，半橋驅動器芯片IR2153 110的定頻通過與其2、3、4管腳相連接的電阻m、112、113禾口 114以及電容115來實現，電阻m、112、113禾口 114串聯并連接在管腳2和3之間，電容115連接在管腳3和4之間，管腳4接地，電阻111的兩端A和B分別與光耦合器504的輸出端A和B連接以及光耦合器601的輸出端A和B連接。其中半橋驅動器芯片IR2153 110的2、3、4管腳分別是振蕩器定時電阻輸入(Oscillator timingresistor input)、振蕩器定時電容輸入(Oscillator timing c即acitor input)禾口芯片地(IC power and signalground)。由于反饋信號的電壓隨整流濾波輸出電路400輸出端的電流變化，半橋驅動器芯片IR2153的工作頻率會相應發生變化，從而改變半橋驅動器芯片IR2153 110的輸出信號頻率，進而改變MOSFET 121和122的開關頻率，控制壓電變壓器的輸入能量，達到對壓電變壓器傳輸功率的有效控制。 如圖6所示，500'是本發明的電流采樣反饋電路的另一個實施例，在整流濾波輸出電路400的輸入端，也即是壓電變壓器300的輸出端，串聯電流互感器501'，從整流濾波輸出電路400的輸入端采樣電流信號，通過電流互感器501'取得與所述電流信號對應的所需電壓信號，將所述電壓信號送入集成運算放大器503，經集成運算放大器503和外圍附屬電路通過比較、放大等處理后，將反饋信號送到開關電路100 。 如圖5和圖6所示，在本發明的實施例中，進一步地，在整流濾波輸出電路400的輸出端并聯穩壓管502，當輸出電壓高于設定值時，穩壓管502被擊穿，電阻501或電流互感器501'上的電流和電壓信號發生變化，相應變化的反饋信號被送到開關電路IOO，從而改變半橋驅動器芯片IR2153 110的工作頻率，最終改變MOSFET 121和122的開關頻率。
圖7是本發明的一個應用壓電變壓器的開關電源的實施例，包括輸入整流濾波電路、自振蕩和半橋驅動器集成電路IR2153及其外圍電路、半橋開關電路、整流濾波輸出電路、電流采樣反饋電路和電壓采樣反饋電路。當整流濾波輸出電路的輸出電流大于設定值時，串聯在整流濾波輸出電路的輸出端的電阻501上的電流和電壓信號會發生變化；當整流濾波輸出電路的輸出電壓高于設定值時，穩壓管502被擊穿，串聯在整流濾波輸出電路的輸出端的電阻501上的電流和電壓信號也會發生變化，相應變化的反饋信號被送到開關電路100，這樣就實現了電流采樣反饋控制，對輸出變化在控制部分進行了相應調整，從而
6可以有效防止出現輸出過壓、過流、短路這些非正常工作狀態，確保使用的安全。 需要說明的是，以上所述僅為本發明較佳的具體實施例，而不是對本發明技術方
案的限定，任何熟悉該技術的本領域普通技術人員在本發明所提示的技術范圍內，可輕易
想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種應用壓電變壓器的開關電源裝置，其特征在于，包括輸入整流濾波電路；開關電路，與所述輸入整流濾波電路連接；壓電變壓器輸入轉換電路，與所述開關電路連接，用于將開關電路輸出的信號轉換成壓電變壓器需要的正弦波或者準正弦波信號；壓電變壓器，與所述壓電變壓器輸入轉換電路連接；整流濾波輸出電路，與所述壓電變壓器連接；電壓采樣比較放大反饋電路，與所述開關電路和整流濾波輸出電路連接，用于從所述整流濾波輸出電路的輸出端采樣電壓信號，經比較、放大后反饋輸入到所述開關電路，來調節所述開關電路的工作頻率；電流采樣比較放大反饋電路，與所述開關電路和整流濾波輸出電路連接，用于從所述整流濾波輸出電路的輸出端采樣電流信號，經比較、放大后反饋輸入到所述開關電路，來調節所述開關電路的工作頻率。
2. 如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于所述壓電變壓器輸入轉換電路包 括第一 電感、第二電感和電容，所述第一 電感與所述壓電變壓器的輸入端并聯，所述第二電 感和電容串聯，并與所述壓電變壓的輸入端串聯。
3. 如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于，所述電流采樣比較反饋放大電路 包括電阻，與所述整流濾波輸出電路的輸出端串聯，用于從整流濾波輸出電路的輸出端采 樣電流信號；運算放大器及其外圍電路，與所述電阻連接，用于把所述電阻上與所述電流信號對應 的電壓信號與基準電壓信號進行比較和放大。
4. 如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于，所述電流采樣比較反饋放大電路 包括電流互感器，與所述整流濾波輸出電路的輸入端串聯，用于從整流濾波輸出電路的輸 入端采樣電流信號；運算放大器及其外圍電路，與所述電流互感器連接，用于把所述電流互感器上與所述 電流信號對應的電壓信號與基準電壓信號進行比較和放大。
5. 如權利要求3或4所述的開關電源裝置，其特征在于，所述電流采樣比較反饋放大電 路還包括穩壓二極管，與所述整流濾波輸出電路的輸出端并聯，用于限定所述整流濾波輸 出電路的輸出電壓。
6. 如權利要求5所述的開關電源裝置，其特征在于，所述電流采樣比較放大反饋電路 還包括光耦合器，與所述運算放大器的輸出連接，用于將所述運算放大器比較放大后的信 號經光隔離后反饋輸入到所述開關電路。
7. 如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于，所述開關電路包括半橋驅動電路 和半橋開關電路，所述半橋驅動電路與所述輸入整流濾波電路和半橋開關電路連接，所述 半橋開關電路與所述壓電變壓器輸入轉換電路連接。
8. 如權利要求7所述的開關電源裝置，其特征在于，所述半橋驅動電路采用一個自振 蕩半橋驅動器集成電路芯片IR2153。
9.如權利要求8所述的開關電源裝置，其特征在于，所述半橋驅動電路還包括所述自 振蕩半橋驅動器集成電路芯片IR2153的管腳2和管腳3之間連接的電阻以及管腳3和管 腳4之間連接的電容，用于實現所述自振蕩半橋驅動器集成電路芯片IR2153的定頻。
全文摘要
本發明涉及一種應用壓電變壓器的開關電源裝置，包括輸入整流濾波電路、開關電路、壓電變壓器輸入轉換電路、壓電變壓器、整流濾波輸出電路、電壓采樣比較放大反饋電路、電流采樣比較放大反饋電路。壓電變壓器輸入轉換電路連接在開關電路和壓電變壓器之間，用于將開關電路的輸出信號轉換成壓電變壓器需要的正弦波或準正弦波信號，以保證了壓電變壓器的高效轉換，本發明的開關電源裝置除了電壓反饋控制電路，還包括電流反饋控制電路，通過調節開關電路的開關頻率，達到對壓電變壓器傳輸功率的有效控制，并且對輸出電壓的穩定性進行調節和保證開關電源在完全空載、短路、過載、過壓等極限工作模式下的安全性。
文檔編號H02M3/335GK101777839SQ20091007623
公開日2010年7月14日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者都金龍, 馬生茂 申請人:中國電子為華實業發展有限公司