CN112968616B

CN112968616B - 交直流转换器及交直流转换系统

Info

Publication number: CN112968616B
Application number: CN202110189622.3A
Authority: CN
Inventors: 王文博
Original assignee: Beijing Tailicong Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Tailicong Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: CN112968616A

Abstract

本申请涉及电子技术领域，公开了一种交直流转换器及交直流转换系统。交直流转换器包括：滤波器、整流器、电容C1、开关Q1以及一电压比较电路，整流器接收交流输入，电容C1的正极连接至整流器的正输出端，电容C1的负极连接于开关Q1，开关Q1连接于整流器的负输出端，同时开关Q1接地；电容C1的两端连接至电压比较电路的输入端，同时电压比较电路输入参考电压，电压比较电路的输出端连接至开关Q1。同时开关Q1能够主动限制输入浪涌电流。当交流输入接入时，开关Q1防止过大的电流尖峰对电容C1进行充电。通过检测交流电压过零时刻，系统决定何时对电容C1进行充电。本申请提供的交直流转换器，减小了电容尺寸，从而显著地减小了AC/DC变换器的尺寸。

Description

交直流转换器及交直流转换系统

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种交直流转换器及交直流转换系统。

背景技术

交直流转换器用于将高压的交流电压转换为低压的直流电压，被广泛应用于移动手机和笔记本领域。一般来说，如图1所示，其包含了滤波器10、整流器1、电容C1，交直流转换器与提供所需输出电压的DC-DC变换器3连接形成交直流转换系统。滤波器10用于滤除噪声，整流器1将交流电压转换为带有很大纹波的直流电压，电容C1滤除纹波，从而提供一个稳定的直流输出，DC-DC变换器3把直流电压转换为负载所需的电压等级。

交直流转换器的关键性能指标包括：尺寸、传输功率和效率。电容C1为了滤除纹波，因此其电容值不能太小，除此之外，太小容值的电容其寄生电阻太大，所以传统交直流转换器的尺寸受到了电容尺寸的限制；另外，在传统交直流转换器中，电容的输出电压正比于输入交流线电压，这导致当输入交流电压变大时电容上的直流输出电压也变大，而较大的直流电压会导致DC-DC变换器的电容变大以及变换器效率降低。

发明内容

为了改善上述交直流转换器的尺寸受电容尺寸限制以及电容容值大导致变换器效率降低的问题，本申请提供了一种交直流转换器及交直流转换系统。

一方面，本申请提供的交直流转换器通过以下技术方案实现：

交直流转换器，包括：滤波器、整流器、电容C1、开关Q1以及一电压比较电路，所述整流器接收交流输入，所述电容C1的正极连接至所述整流器的正输出端，所述电容C1的负极连接于开关Q1，开关Q1连接于整流器的负输出端，同时开关Q1接地；所述电容C1的两端连接至所述电压比较电路的输入端，同时所述电压比较电路输入参考电压，所述电压比较电路的输出端连接至开关Q1。

通过采用上述技术方案，当电容C1电压低于参考电压时，开关开通，电容C1电压高于参考电压时，开关关断，只有当电容C1电压低于参考电压时，电容C1才向输出端传递功率，因此，电容C1电容值可以小于传统的功率适配器中的电容值，电容C1的厚度可以减小至小于20mm，因此适配器的尺寸可以显著减小，改善了电源中的大体积电容占据了相当大的空间，从而限制了变换器尺寸的问题。

在一些实施方式中，所述电压比较电路包括差分放大器和比较器，所述电容C1的正极连接至所述差分放大器正输入端，电容C1的负极连接至所述差分放大器负输入端，所述差分放大器的输出端连接至所述比较器的负输入端，所述比较器的正输入端连接参考电压，所述比较器的输出连接至开关Q1的门极。

在一些实施方式中，所述开关Q1为场效应管，所述电容C1的负极连接至开关Q1的漏极，所述开关Q1的源极连接至整流器1的负输出端，同时开关Q1的源极也是系统的地，所述比较器的输出连接至所述开关Q1的门极。

通过采用上述技术方案，整流器接收交流输入，输出直流电压给串联连接的电容C1和开关Q1，电容C1上电压被差分放大器采样，然后通过比较器和参考电压进行比较以控制开关Q1的门极信号，当电容C1电压低于参考电压时开关开通，电容C1电压高于参考电压时开关关断。

在一些实施方式中，还包括浪涌保护电路，所述浪涌保护电路连接于电压比较电路与开关Q1之间。

通过采用上述技术方案，能够主动限制输入浪涌电流，当交流输入接入时，开关Q1防止过大的电流尖峰对电容C1进行充电。

在一些实施方式中，所述浪涌保护电路包括整流单元、过零检测电路、第二定时器、与门电路及门极驱动，交流输入同时驱动所述整流单元，所述整流单元的输出连接有分压器，所述分压器的输出连接至所述过零检测电路，所述过零检测电路连接第二定时器，所述第二定时器连接至与门电路的一个输入引脚，所述差分放大器的输出同时连接至所述过零检测电路，所述比较器的输出连接至与门电路，作为与门电路的一个输入信号，与门电路的输出连接至门极驱动，门极驱动的输出连接至开关Q1的门极。

通过采用上述技术方案，利用过零检测电路产生过零信号，过零检测电路接收分压器的输出作为输入信号，触发第二定时器使得电容C1开始充电，在启动阶段，过零检测电路能够检测到交流输入的过零时间，允许开关Q1开通，使得电容C1在一定时间内充电，充电时间由第二定时器决定。

在一些实施方式中，所述开关Q1的源极通过一电流检测电阻R2连接至系统的地，所述开关Q1的源极同时连接一电流斜率检测电路，所述电流斜率检测电路连接一第一定时器，所述第一定时器连接至与门电路的另一输入引脚。

通过采用上述技术方案，能够防止系统由于故障交流电接入而被触发，电流斜率检测电路被用来防止电容C1遭受到高的雪崩脉冲，如果检测到满足条件的电流斜率，系统会关断开关Q1来防止电容C1在这段时间内充电，关断时间由第一定时器决定，当电容C1电压增加到低于最小工作电压时，过零检测电路被关断，从而保证稳态运行。

在一些实施方式中，所述分压器包括串联的电阻R3和电阻R4，所述电阻R4的一个端口与电阻R3及所述过零检测电路连接，电阻R4的另一个端口连接至地。

在一些实施方式中，所述第一定时器和第二定时器、过零检测电路、电流斜率检测电路，及电压比较电路既可以用模拟元件实现也可以用数字元件实现。

通过采用上述技术方案，提高了适用范围，使交直流转换器更容易实现。

在一些实施方式中，还包括陶瓷电容C2，所述陶瓷电容C2并联在串联连接的电容C1和开关Q1两端。

通过采用上述技术方案，陶瓷电容C2用于滤除小纹波，从而提供一个稳定的直流输出给负载。

另一方面，本申请公开了交直流转换系统。

本申请提供的交直流转换系统包括上述交直流转换器及与交直流转换器连接的DC-DC变换器。

综上所述，本申请提供的交直流转换器及交直流转换系统包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过开关Q1和电容C1，当电容C1电压低于参考电压时，电容C1才向输出传递功率，因此，电容C1电容值可以小于传统的功率适配器中的电容值，适配器的尺寸可以显著减小；

2.通过过零检测电路、电流斜率检测电、第一定时器、第二定时器及门极驱动，实现浪涌保护。

附图说明

图1为传统交直流转换器的构架图；

图2为本申请实施例1提供的交直流转换器的电路图；

图3为本申请实施例2提供的交直流转换器的电路图。

图中，1、整流器；10、滤波器；2、电压比较电路；21、差分放大器；22、比较器；3、DC-DC变换器；4、整流单元；5、过零检测电路；6、电流斜率检测电路；7、第一定时器；8、第二定时器；10、门极驱动；101、与门电路。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本申请实施例1提供了不带浪涌电流保护的交直流转换器，如图2所示，包括整流器1、电容C1、陶瓷电容C2、开关Q1以及一电压比较电路2，整流器1由四个二极管组成，整流器1用于接收交流输入，电容C1的正极连接至整流器1的正输出端，电容C1的负极连接于开关Q1，开关Q1为场效应管，电容C1的负极连接至开关Q1的漏极，开关Q1的源极连接至整流器1的负输出端，同时也是系统的地；电压比较电路2包括一个差分放大器21和一个比较器22，电容C1的正极同时连接至差分放大器21正输入端，电容C1的负极同时连接至差分放大器21负输入端，差分放大器21的输出端连接至比较器22的负输入端，比较器22的正输入端连接参考电压，比较器22的输出连接至开关Q1的门极来控制开关Q1；陶瓷电容C2和负载并联在串联连接的电容C1和开关Q1两端，陶瓷电容C2的正极连接于电容C1的正极，陶瓷电容C2的负极连接于开关Q1的源极。

当然，在整流器1与交流输入之间连接有滤波器10，交流输入经过滤波器10滤波后，输入至整流器1，整流器1接收交流输入，输出直流电压给串联连接的电容C1和开关Q1，即整流器1将交流电转换为带有很大功率波纹的直流电，电容C1来存储能量，从而提供一个稳定的直流输出；电容C1上电压被差分放大器21采样，然后通过比较器22和参考电压进行比较，以控制开关Q1的门极信号，陶瓷电容C2用于滤除小纹波，从而提供一个稳定的直流输出给负载。

在本申请此实施方式中，当电容C1电压低于参考电压时开关Q1开通，而当电容C1电压高于参考电压时开关Q1关断，因此，电容C1电容值可以小于传统的交直流转换器中的电容值，继而，交直流转换器的尺寸可以显著减小。如能够采用电容长度小于20mm，容值102uF，耐压160V，直径12.5mm的电容代替45mm长，容值100uF，耐压450V，直径14.5mm的电容。本申请实施例提供的交直流转换器可以实现将交流电（90-264V）转换到低电压（5-20V用于移动手机和笔记本领域），给电池提供了一个高质量电能，特别对于低功率场合，改善了电源中的大体积电容占据了相当大的空间，从而限制了变换器尺寸的问题。

本申请还公开了交直流转换系统，其包括上述交直流转换器及与交直流转换器连接的DC-DC变换器3，DC-DC变换器3一端连接于电容C1的正极，另一端连接于开关Q1的源极，DC-DC变换器3把直流功率转换为负载所需的电压等级。

实施例2

本申请实施例2提供了带浪涌电流保护的交直流转换器，如图3所示，包括整流器1、电容C1、陶瓷电容C2、开关Q1、电压比较电路2及浪涌保护电路，与实施例1中相同，整流器1整流器1由四个二极管组成，用于接收交流输入，电容C1的正极连接至整流器1的正输出端，电容C1的负极连接于开关Q1，开关Q1为场效应管，电容C1的负极连接至开关Q1的漏极，开关Q1的源极连接至整流器1的负输出端，同时也是系统的地；电压比较电路2包括一个差分放大器21和一个比较器22，电容C1的正极同时连接至差分放大器21正输入端，电容C1的负极同时连接至差分放大器21负输入端，差分放大器21的输出端连接至比较器22的负输入端以及浪涌保护电路，比较器22的正输入端连接参考电压，比较器22的输出端连接至浪涌保护电路，电压比较电路2通过浪涌保护电路控制开关Q1，陶瓷电容C2和负载并联在串联连接的电容C1和开关Q1两端。

如图3所示，浪涌保护电路包括整流单元4、过零检测电路5、第二定时器8、与门电路101及门极驱动10。整流单元4包括两个并联的二极管和充当分压器的电阻R3和电阻R4，整流单元4接收交流输入，整流单元4正输出端连接至串联的电阻R3、电阻R4，电阻R4的一个端口和电阻R3及过零检测电路5连接，用于驱动过零检测电路5，电阻R4的另一个端口连接至地，过零检测电路5与第二定时器8连接，驱动第二定时器8，而第二定时器8连接至与门电路101的一个输入引脚，与门电路101与门极驱动10连接；差分放大器21的输出连接至比较器22输入负端的同时连接至过零检测电路5，比较器22的输出端连接至与门电路101，作为与门电路101的一个输入信号，门极驱动10的输出端连接至开关Q1门极，控制开关Q1。

如图3所示，浪涌保护电路还包括电流检测电阻R2、电流斜率检测电路6及第一定时器7，电流检测电阻R2连接于开关Q1的源极，开关Q1的源极通过电流检测电阻R2连接至系统的地，电流检测电阻R2上电压驱动电流斜率检测电路6，电流斜率检测电路6连接至第一定时器7，电流斜率检测电路6驱动第一定时器7，第一定时器7驱动与门电路101的一个输入引脚。陶瓷电容C2并联在串联连接的电容C1、开关Q1和电流检测电阻R2两端，陶瓷电容C2的正极连接于电容C1的正极，陶瓷电容C2的负极连接于电流检测电阻R2的接地端。

当然，在整流器1及整流单元4与交流输入之间连接有滤波器10，交流输入经过滤波器10滤波后，输入至整流器1及整流单元4，整流器1接收交流功率输入，将交流电转换为带有很大功率纹波的直流电，给串联连接的电容C1、开关Q1及电流检测电阻R2提供直流输出电压，电容C1用来存储能量，从而提供一个稳定的直流输出，，电容C1上电压被差分放大器21采样，然后通过比较器22和参考电压比较来得到与门电路101的输入信号；整流单元4连接至两个充当分压器的电阻（电阻R3、电阻R4）来检测线电压，过零检测电路5接收分压器的输出作为输入信号，以触发第二定时器8，第二定时器8连接至与门电路101的输入端作为与门电路101的一个输入信号；另外，电流检测电阻R2上高di/dt值触发第一定时器7，第一定时器7连接至与门电路101的另一个输入引脚作为与门电路101的另一个输入信号，电流检测电阻R2上高di/dt值触发第一定时器7，使得开关Q1的门极信号在短时间内保持导通状态，如果在这一阶段结束后di/dt仍然为高，开关Q1关断，第一定时器7和第二定时器8的输出和比较器22输出一起驱动与门电路101，与门电路101输出控制门极驱动10，门极驱动10控制开关Q1的门极。陶瓷电容C2用来滤除小纹波，从而提供一个稳定的直流输出给负载。

在本申请此实施方式中，当电容C1电压低于参考电压时开关Q1开通，而当电容C1电压高于参考电压时开关Q1关断，因此，电容C1电容值可以小于传统的功率适配器中的电容值，因此，适配器的尺寸可以显著减小。另外，在本申请此实施方式中，在启动阶段，过零检测电路5能够检测到交流输入的过零时间，允许开关Q1开通，使得电容C1在一定时间内充电，充电时间由第二定时器8决定；为了防止系统由于故障交流电接入而被触发，电流斜率检测电路6被用来防止电容C1遭受到高的雪崩脉冲，如果检测到满足条件的电流斜率，系统会关断开关Q1来防止电容C1在这段时间内充电，关断时间由第一定时器7决定，当电容C1电压增加到低于最小工作电压时，过零检测电路5被关断，从而保证稳态运行。

本申请提供的交直流转换器中，第一定时器7和第二定时器8、过零检测电路5、电流斜率检测电路6，及电压比较电路2既可以用模拟元件实现也可以用数字元件实现。

本申请还公开了交直流转换系统，其包括上述交直流转换器及与交直流转换器连接的DC-DC变换器3，DC-DC变换器3一端连接于电容C1的正极，另一端连接于电流检测电阻R2的接地端，DC-DC变换器3把直流功率转换为负载所需的电压等级。

以上所述，以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，不应理解为对本申请的限制。本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims

1.交直流转换器，其特征在于，包括：滤波器（10）、整流器（1）、电容C1、开关Q1以及一电压比较电路（2），所述整流器（1）接收交流输入，所述电容C1的正极连接至所述整流器（1）的正输出端，所述电容C1的负极连接于开关Q1，开关Q1连接于整流器（1）的负输出端，同时开关Q1接地；所述电容C1的两端连接至所述电压比较电路（2）的输入端，同时所述电压比较电路（2）输入参考电压，所述电压比较电路（2）的输出端连接至开关Q1；

所述电压比较电路（2）包括差分放大器（21）和比较器（22），所述电容C1的正极连接至所述差分放大器（21）正输入端，电容C1的负极连接至所述差分放大器（21）负输入端，所述差分放大器（21）的输出端连接至所述比较器（22）的负输入端，所述比较器（22）的正输入端连接参考电压，所述比较器（22）的输出连接至开关Q1的门极；

所述开关Q1为场效应管，所述电容C1的负极连接至开关Q1的漏极，所述开关Q1的源极连接至整流器（ 1 ）的负输出端，同时开关Q1的源极也是系统的地，所述比较器（22）的输出连接至所述开关Q1的门极；

还包括浪涌保护电路，所述浪涌保护电路连接电压比较电路（2）与开关Q1；

所述浪涌保护电路包括整流单元（4）、过零检测电路（5）、第二定时器（8）、与门电路（101）及门极驱动（10），交流输入同时输入到所述整流单元（4），所述整流单元（4）的输出连接有分压器，所述分压器的输出连接至所述过零检测电路（5），所述过零检测电路（5）连接第二定时器（8），所述第二定时器（8）连接至与门电路（101）的一个输入引脚，所述差分放大器（21）的输出同时连接至所述过零检测电路（5），所述比较器（22）的输出连接至与门电路（101），作为与门电路（101）的一个输入信号，与门电路（101）的输出连接至门极驱动（10），门极驱动（10）的输出连接至开关Q1的门极。

2.根据权利要求1所述的交直流转换器，其特征在于，所述开关Q1的源极通过一电流检测电阻R2连接至系统的地，所述开关Q1的源极同时连接一电流斜率检测电路（6），所述电流斜率检测电路（6）连接一第一定时器（7），所述第一定时器（7）连接至与门电路（101）的另一输入引脚。

3.根据权利要求1所述的交直流转换器，其特征在于，所述分压器包括串联的电阻R3和电阻R4，所述电阻R4的一个端口与电阻R3的一个端口及所述过零检测电路（5）连接，电阻R4的另一个端口连接至地。

4.根据权利要求2所述的交直流转换器，其特征在于，所述第一定时器（7）、第二定时器（8）、过零检测电路（5）、电流斜率检测电路（6），及电压比较电路（2）采用模拟元件实现或数字元件实现。

5.根据权利要求1至4中任一所述的交直流转换器，其特征在于，还包括陶瓷电容C2，所述陶瓷电容C2并联在串联连接的电容C1和开关Q1两端。

6.交直流转换系统，其特征在于，包括权利要求5所述的交直流转换器及与交直流转换器连接的DC-DC变换器（3）。