開關電源裝置以及開關電源裝置的電路設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種開關電源裝置，其不使用大容量的平滑電容器而能夠與寬范圍的輸入電壓相對應。開關電源裝置具有：整流電路，其構(gòu)成為，對交流電壓進行整流，輸出整流電壓；平滑電容器，其構(gòu)成為，將整流電壓平滑化，輸出平滑電壓；第1DC－DC變換器，其構(gòu)成為，對平滑電壓進行變換，輸出中間電壓，與平滑電壓相對應，進行升壓動作、升降壓動作、降壓動作，輸出包含脈動或者實質(zhì)上不包含脈動的中間電壓；以及第2DC－DC變換器，其構(gòu)成為，對中間電壓進行變換，輸出實質(zhì)上不包含脈動的輸出電壓。
【專利說明】開關電源裝置以及開關電源裝置的電路設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種將商用電源等作為輸入電壓源并輸出恒定電壓的開關電源裝置以及開關電源裝置的電路設計方法。特別涉及一種不使用大容量的平滑電容器，而與寬范圍的輸入電壓相對應的開關電源裝置以及開關電源裝置的電路設計方法。
[0002]本申請基于2012年9月28日申請的日本專利申請第2012 — 216548以及2013年9月25日申請的日本專利申請第2013 - 199008并主張優(yōu)先權，其內(nèi)容在這里進行引用。
【背景技術】
[0003]近年來，作為從商用電源等的輸入電壓源獲得規(guī)定的恒定電壓的電源裝置而使用開關電源裝置。圖9是表示現(xiàn)有的開關電源裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。如圖9所示，開關電源裝置300具有整流電路310、平滑電容器320以及DC — DC變換器330，從交流電壓源200輸入交流的輸入電壓Vin，變換為直流的輸出電壓Vout并向負載電路400輸出。
[0004]交流電壓源200通常使用商用電源。整流電路310例如可以由二極管電橋構(gòu)成，平滑電容器320使用電解電容器等。來自交流電壓源200的輸入電壓Vin由整流電路310進行全波整流，由平滑電容器320降低脈動電壓，成為直流電壓并向DC - DC變換器330供
5口 O
[0005]DC — DC變換器330根據(jù)輸入電壓Vin和輸出電壓Vout之間的關系，從升壓型、降壓型、升降壓型中選擇適當方式的電路。另外在要求絕緣功能的情況下，利用使用了變壓器的回掃方式、正向方式等的電路。
[0006]專利文獻1:日本特開2002 - 10643號公報
[0007]專利文獻2:美國專利第6591693號說明書

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在安裝于測定器、控制設備、現(xiàn)場設備等中的開關電源裝置中，為了適于預想的所有電壓輸入范圍，有時要求例如與交流有效值為24?240V這樣的寬范圍的入電壓相對應。為了適于上述寬范圍的輸入電壓，而要求平滑電容器320具有高電壓輸入時的高耐電壓性能。并且，要求較大的容量，以使得能夠在輸入電壓為低電壓的情況下充分降低脈動，確保期望的輸出電壓值。
[0009]如上所述，與寬范圍的輸入電壓相對應而要求平滑電容器320具有高耐電壓性能和大容量，但為了實現(xiàn)該要求而需要大型且高價的電解電容器，導致開關電源裝置300的大型化以及高成本化。
[0010]由此，本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置以及開關電源裝置的電路設計方法的目的在于，能夠與寬范圍的輸入電壓相對應而不使用大容量的平滑電容量。
[0011]本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置具有:整流電路，其構(gòu)成為，對具有第I有效值的第I交流電壓進行整流，輸出第I整流電壓，對具有比所述第I有效值大的第2有效值的第2交流電壓進行整流，輸出第2整流電壓，對具有比所述第2有效值大的第3有效值的第3交流電壓進行整流，輸出第3整流電壓；平滑電容器，其構(gòu)成為，將所述第I整流電壓平滑化，輸出第I平滑電壓，將所述第2整流電壓平滑化，輸出第2平滑電壓，將所述第3整流電壓平滑化，輸出第3平滑電壓；第IDC - DC變換器，其構(gòu)成為，對所述第I平滑電壓進行變換，輸出第I中間電壓，對所述第2平滑電壓進行變換，輸出第2中間電壓，對所述第3平滑電壓進行變換，輸出第3中間電壓，在被輸入所述第I平滑電壓的情況下進行升壓動作，輸出包含脈動在內(nèi)的所述第I中間電壓，在被輸入所述第2平滑電壓的情況下與所述平滑電壓的變動相對應，進行升降壓動作，輸出包含比所述第I中間電壓的脈動小的脈動在內(nèi)的所述第2中間電壓，在被輸入所述第3整流電壓的情況下進行降壓動作，輸入實質(zhì)上不包含脈動的所述第3中間電壓；以及第2DC - DC變換器，其構(gòu)成為，對所述第I中間電壓、所述第2中間電壓以及所述第3中間電壓進行變換，輸出實質(zhì)上不包含脈動的輸出電壓。
[0012]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，在所述交流電壓頻率的2倍頻率處的所述第IDC - DC變換器的開環(huán)增益具有下述值，即，該值使在所述第2DC - DC變換器的輸出電壓中包含的脈動含有量，小于或等于所述開關電源裝置的規(guī)格所容許的脈動含有量。
[0013]本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置的所述第IDC - DC變換器具有滿足下述式I及2的開環(huán)增益G * H。
[0014]【數(shù)I 】Vdis/{(1+G*H) * (1+G2*H2)} < Vout_ripple_spec (式 I)
[0015]【數(shù)2】Vin2_min < Vdis/(1+G*H)+Vref*G*H/(1+G*H) < Vin2_max (式 2)
[0016]在上述式子中，
[0017]Vout_ri pple_spec是所述開關電源裝置的規(guī)格所容許的脈動含有量，
[0018]Vdis是依賴于所述平滑電壓及負載電流的干擾成分，
[0019]Vin2_min是所述第2DC — DC變換器的容許最小電壓，
[0020]Vin2_max是所述第2DC — DC變換器的容許最大電壓，
[0021]G * H是所述第IDC - DC變換器的開環(huán)增益，
[0022]G2 * H2是所述第2DC — DC變換器的開環(huán)增益，
[0023]Vref為參照電壓。
[0024]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述交流電壓頻率的2倍頻率處的所述第IDC - DC變換器的所述開環(huán)增益為O至20dB。
[0025]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述輸出電壓為直流24V，所述Vout_ripple_spec 為 IOOmVpp,所述 Vin2_min 為 80V,所述 Vin2_max 為 120V。
[0026]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述第I交流電壓的有效值為24~70V的范圍，所述第2交流電壓的有效值為70~120V的范圍，所述第3交流電壓的有效值為120~240V的范圍。
[0027]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述第I交流電壓的有效值為24V，所述第2交流電壓的有效值為100V，所述第3交流電壓的有效值為240V。
[0028]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述第IDC - DC變換器構(gòu)成為，在所述第I平滑電壓小于或等于規(guī)定的基準值期間內(nèi)不進行負反饋開關控制，小于或等于所述基準值的期間內(nèi)的所述第I中間電壓的變動范圍，落在所述第2DC - DC變換器的輸入電壓的容許輸入電壓范圍內(nèi)。
[0029]本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置具有:整流電路，其構(gòu)成為，對交流電壓進行整流，輸出整流電壓；平滑電容器，其構(gòu)成為，將所述整流電壓平滑化，輸出平滑電壓；第IDC - DC變換器，其構(gòu)成為，對所述平滑電壓進行變換，輸出中間電壓；以及第2DC - DC變換器，其構(gòu)成為，對所述中間電壓進行變換，輸出輸出電壓，所述第IDC - DC變換器構(gòu)成為，在所述平滑電壓小于或等于規(guī)定的基準值的期間內(nèi)不進行負反饋開關控制，小于或等于所述基準值的期間內(nèi)的所述中間電壓的變動范圍，落在所述第2DC - DC變換器的輸入電壓的容許輸入電壓范圍內(nèi)。
[0030]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述基準值為5V。
[0031]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述第2DC — DC變換器的輸入電壓的容許輸入電壓范圍的最小值為80V，所述第2DC - DC變換器的輸出電壓的容許輸入電壓范圍的最大值為120V。
[0032]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置中，所述第IDC - DC變換器具有變壓器、與所述變壓器連接的開關、以及與所述開關連接的控制部，所述控制部構(gòu)成為，對所述平滑電壓進行檢測，在所述平滑電壓小于或等于規(guī)定的基準值的期間，不進行所述開關的接通/斷開的時間比率的控制。
[0033]在本發(fā)明的一個方式的開關電源裝置的電路設計方法中，該開關電源裝置具有:整流電路，其構(gòu)成為，對交流電壓進行整流，輸出整流電壓；平滑電容器，其構(gòu)成為，將所述整流電壓平滑化，輸出平滑電壓；第IDC — DC變換器，其構(gòu)成為，對所述平滑電壓進行變換，輸出中間電壓；以及第2DC — DC變換器,其構(gòu)成為，對所述中間電壓進行變換，輸出輸出電壓，該開關電源裝置的電路設計方法，進行下述設計:在所述第IDC — DC變換器中包含的電路具有滿足下式I及2的開環(huán)增益G * H。
[0034]【數(shù)3】Vdis/{(1+G*H) * (1+G2*H2)} < Vout_ripple_spec (式 I)
[0035]【數(shù)4】Vi·n2_min < Vdis/ (1+G*H) +Vref*G*H/ (1+G*H) < Vin2_max (式 2)
[0036]在上述式子中，
[0037]Vout_ripple_spec是所述開關電源裝置的規(guī)格所容許的脈動含有量，
[0038]Vdis是依賴于所述平滑電壓及負載電流的干擾成分，
[0039]Vin2_min是所述第2DC — DC變換器的容許最小電壓，
[0040]Vin2_max是所述第2DC — DC變換器的容許最大電壓，
[0041]G * H是所述第IDC - DC變換器的開環(huán)增益，
[0042]G2 * H2是所述第2DC — DC變換器的開環(huán)增益，
[0043]Vref為參照電壓。
[0044]發(fā)明的效果
[0045]根據(jù)本發(fā)明的一個方式，在開關電源裝置以及開關電源裝置的電路設計方法中，能夠不使用大容量的平滑電容器而與寬范圍的輸入電壓相對應。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式所涉及的開關電源裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0047]圖2是將粗調(diào)整DC - DC變換器130作為負反饋控制系統(tǒng)而模型化的框線圖。
[0048]圖3是針對粗調(diào)整DC - DC變換器的開環(huán)增益進行說明的圖。
[0049]圖4是將粗調(diào)整DC - DC變換器的控制環(huán)模型化后的框圖。[0050]圖5是將高精度DC - DC變換器的控制環(huán)模型化后的框圖。
[0051]圖6A是說明第I方法中的粗調(diào)整DC - DC變換器的動作的圖。
[0052]圖6B是說明第I方法中的粗調(diào)整DC — DC變換器的動作的圖。
[0053]圖6C是說明第I方法中的粗調(diào)整DC - DC變換器的動作的圖。
[0054]圖7是表示針對第2方法進行說明的開關電源裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0055]圖8A是說明第2方法中的粗調(diào)整DC — DC變換器的動作的圖。
[0056]圖8B是說明第2方法中的粗調(diào)整DC — DC變換器的動作的圖。
[0057]圖9是表示現(xiàn)有的開關電源裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。
【具體實施方式】
[0058]參照附圖，對本發(fā)明的一個實施方式進行說明。圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式所涉及的開關電源裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。如圖1所示，開關電源裝置100具有整流電路110、平滑電容器120、粗調(diào)整DC - DC變換器130、以及高精度DC — DC變換器140，該開關電源裝置100構(gòu)成為，從交流電壓源200輸入交流的輸入電壓Vin，變換為直流的輸出電壓Vout，向負載電路400輸出。
[0059]如上所述，本實施方式所涉及的開關電源裝置100構(gòu)成為，連接兩段DC - DC變換器而使用，將前段的粗調(diào)整DC - DC變換器130的輸出向后段的高精度DC - DC變換器140輸入。
[0060]交流電壓源200能夠使用商用電源。通常商用電源使用50Hz或60Hz的頻率。開關電源裝置100能夠與寬范圍、例如交流的有效值為24V?240V的電壓區(qū)域相對應。另外，開關電源裝置100也能夠在直流電壓源下動作。
[0061]整流電路110例如可以由二極管電橋構(gòu)成。平滑電容器120例如可以由電解電容器構(gòu)成。
[0062]在本實施方式中，要求平滑電容器120具有與假定的最大電壓相對應的高耐電壓性能。整流電路Iio例如對作為最大電壓的交流有效值240V的輸入進行整流，生成向平滑電容器120施加的339V的直流整流電壓。因此，要求平滑電容器120具有與該339V的直流整流電壓相對應的高耐電壓性能。然而，由于兩段地構(gòu)成DC - DC變換器，因此不必要求如現(xiàn)有技術所示的大容量。對于平滑電容器120可以使用下述容量，S卩，與現(xiàn)有的開關電源裝置300的平滑電容器320中為了在低電壓時滿足規(guī)格所容許的脈動含有量而要求的容量相比較小的容量。
[0063]S卩，平滑電容器120的平滑效果不必充分，能夠使用小型且廉價的電容器。由此，能夠防止開關電源裝置100的大型化以及高成本化。
[0064]來自交流電壓源200的輸入電壓Vin由整流電路110進行全波整流而成為整流電壓，由平滑電容器120平滑化而成為平滑電壓Vrect，并向粗調(diào)整DC — DC變換器130供給。例如，整流電路110對交流有效值240V的輸入電壓Vin進行整流，生成339V的直流整流電壓，對交流有效值100V的輸入電壓Vin進行整流，生成141V的直流整流電壓，以及，對交流有效值24V的輸入電壓Vin進行整流，生成34V的直流整流電壓。
[0065]由于不要求平滑電容120具有大容量，因此向粗調(diào)整DC - DC變換器130輸入的平滑電壓Vrect有時成為包含較大的AC脈動的電壓。特別地，在輸入電壓Vin較低，負載電路400的負載較大的情況下，AC脈動的發(fā)生變得顯著。相反地，在輸入電壓Vin較高的情況下，AC脈動不成為問題。
[0066]粗調(diào)整DC - DC變換器130輸入寬范圍的不特定的平滑電壓Vrect，變換為規(guī)定的中間電壓Vmid。為此，使用能夠進行升壓動作、降壓動作這兩者的方式的變換器。作為與輸入電壓相對應而能夠進行升壓動作、降壓動作這兩者的方式的變換器，可舉出回掃型、SEPIC型等。在本實施方式中，以使用回掃型的情況為例進行說明。
[0067]如圖1所示，粗調(diào)整DC - DC變換器130具有變壓器131、FET等開關132、控制部133、二極管134、電容器135以及誤差檢測部136。
[0068]通過控制部133使開關132接通/斷開,從而使平滑電壓Vrect成為高頻交流,輸入至變壓器131的I次側(cè)，能量被傳遞至二次側(cè)。被傳遞的交流電能由二極管134整流，并且由電容器135平滑化后成為中間電壓Vmid。
[0069]利用誤差檢測部136，對中間電壓Vmid與參照電壓Vref進行比較，生成誤差信號?？刂撇?33基于誤差信號對開關132的接通/斷開的時間比率即占空比進行控制，從而進行負反饋開關控制，控制為將中間電壓Vmid保持恒定。在本實施方式中，進行PWM控制。
[0070]另外，作為粗調(diào)整DC - DC變換器130，只要使后段的高精度DC — DC變換器140的輸出電壓Vout滿足開關電源裝置100的規(guī)格所要求的性能即可，不要求高精度，從而能夠放寬中間電壓Vmid的噪聲性能和調(diào)整性能。由此，能夠由部件數(shù)量較少的簡單的電路構(gòu)成，能夠縮小安裝面積。
[0071]高精度DC - DC變換器140將規(guī)定的中間電壓Vmid變換為規(guī)定的輸出電壓Vout。輸出電壓Vout能夠與負載電路400的要求相對應而任意地設定，中間電壓Vmid能夠與高精度DC - DC變換器140的設計規(guī)格等相對應而任意地設定。
[0072]高精度DC - DC變換器140能夠與中間電壓Vmid和輸出電壓Vout之間的關系相對應，從升壓型、降壓型以及升降壓型中選擇適當?shù)姆绞?，可以使用通常的電路而?gòu)成。
[0073]另外，高精度DC - DC變換器140也可以是向多個負載電路400供給電壓的多輸出型。另外，在要求開關電源裝置100的輸入側(cè)和輸出側(cè)具有電氣絕緣性能的情況下，能夠通過在粗調(diào)整DC - DC變換器130以及高精度DC - DC變換器140中的至少一者中使用絕緣型變換器而實現(xiàn)絕緣性能。
[0074]如上所述，由于不要求平滑電容器120具有大容量，因此，在輸入電壓Vin較低時，向粗調(diào)整DC - DC變換器130輸入的平滑電壓Vrect有時成為包含較大的AC脈動的電壓。
[0075]在利用現(xiàn)有的通常的方法設計粗調(diào)整DC - DC變換器130的情況下，如果低電壓輸入時的平滑電壓Vrect包含較大的AC脈動，則即使在AC脈動的底部電壓變低的定時將輸出電壓升高，輸入電壓有時也不足。由此，控制部133的動作變得不穩(wěn)定或者停止，發(fā)生對開關電源裝置100的動作造成不良影響的情況。
[0076]由此，在本實施方式中構(gòu)成為，即使在平滑電壓Vrect包含較大的AC脈動的情況下，也不會引起粗調(diào)整DC - DC變換器130的動作不良，不會對開關電源裝置100的動作造成不良影響。
[0077](第I方法)
[0078]對第I方法進行說明。圖2是將粗調(diào)整DC - DC變換器130作為負反饋控制系統(tǒng)而模型化的框線圖。在本系統(tǒng)中，將參照電壓Vref設為輸入，將中間電壓Vmid以及負載電流Iload設為輸出，將平滑電壓Vrect作為干擾而進行施加。傳遞函數(shù)G與控制部、開關、以及輸出電路的路徑相當，反饋的傳遞函數(shù)H與誤差檢測部相當。
[0079]在這里，如果將輸入電壓Vin的頻率設為fac，則在全波整流的情況下，平滑電壓Vrect的AC脈動的頻率為2 * fac。
[0080]在圖9所示的現(xiàn)有的DC - DC變換器330中，為了抑制脈動，如圖3的虛線所示，將脈動頻率2 * fac附近的開環(huán)增益|gh| (有時也稱為“環(huán)增益IghI ”，但在這里稱為“開環(huán)增益|GH|)設定得充分高。由此，抑制在平滑電壓Vrect中包含的AC脈動，使輸出電壓不包含脈動頻率2 * fac的成分。
[0081]與此相對，在第I方法的粗調(diào)整DC - DC變換器130中，如圖3的實線所示，使脈動頻率2 * fac附近的開環(huán)增益|GH|下降至OdB附近。由此，相對于頻率2 * fac的AC脈動的抑制靈敏度下降，輸出電壓不會過度升高，因此能夠防止由于輸入電壓不足而導致的控制部133的動作不穩(wěn)定或動作停止。
[0082]即，對粗調(diào)整DC— DC變換器130設定的頻率2 * fac處的開環(huán)增益的值，與在使用圖9所示的現(xiàn)有的I段的DC - DC變換器300的情況下為了使開關電源裝置300的輸出電壓Vout滿足規(guī)格所容許的脈動含有量而在頻率2 * fac處設定開環(huán)增益相比，其設定得較低。
[0083]另一方面，粗調(diào)整DC - DC變換器130的頻率2 * fac處的開環(huán)增益被要求為以下值，即，該值使在下段的高精度DC - DC變換器140的輸出電壓Vout中包含的脈動含有量，小于或等于開關電源裝置100的規(guī)格所容許的脈動含有量。
[0084]利用圖4及圖 5，對于第I方法中的傳遞函數(shù)G、H的增益的設計方法詳細地進行說明。圖4是將圖2所示的粗調(diào)整DC — DC變換器130的控制環(huán)模型化的框圖。在中間電壓Vmid中殘留的AC脈動電壓,依賴于平滑電壓Vrect和負載電流Iload,作為干擾而影響粗調(diào)整DC - DC變換器130的控制環(huán)。將該干擾成分作為函數(shù)Vdis (Vrect, Iload)而在圖4中示出。根據(jù)圖4求出該控制系統(tǒng)的閉環(huán)特性，由以下式I表示。
[0085]【數(shù)5】Vmid = Vdis/(1+G*H)+Vref*G*H/(1+G*H) (式 I)
[0086]在該控制系統(tǒng)中沒有完全被抑制而殘留在Vmid中的脈動成分Vmid_ripple相當于式I的第I項，由以下的式2表示。
[0087]【數(shù)6】Vmid_ripple = Vdis/ (1+G*H) (式 2)
[0088]在圖9所示的現(xiàn)有的I段結(jié)構(gòu)的變換器中，Vmid_ripple直接成為輸出電壓的脈動成分Vout_ripple。由此,如果將輸出脈動容許值設為Vout_ripple_spec,則必須滿足以下的式3。
[0089]【數(shù)7】Vout_ripple = Vmid_ripple = Vdis/(1+G*H) < Vout_ripple_spec(式3)
[0090]因此，在圖9所示的現(xiàn)有的DC - DC變換器330中，必須如下所述進行設計，即，在頻率2 * fac處，將G * H設計得充分大，或者使用大容量的平滑電容器320，使向控制環(huán)輸入的Vdis自身變小。然而，G * H的增大導致控制環(huán)的穩(wěn)定性下降，大容量的電容器需要較大的部件安裝面積和體積，因此難以實現(xiàn)。
[0091]另一方面，在第I方法中的兩段結(jié)構(gòu)的變換器的情況下，通過使用圖5所示的下一段的高精度DC - DC變換器140的模型，從而將下一段的高精度DC - DC變換器140的輸出電壓的脈動成分大致抑制為I/ (1 + G2 * H2)。在這里，要求該高精度DC — DC變換器140的輸出電壓的脈動成分小于輸出電壓脈動容許值。該關系如式4所不。
[0092]【數(shù)8】Vout_ripple = Vmid_ripple/(1+G2*H2) = Vdis/{(1+G*H) * (1+G2*H2)}< Vout_ripple_spec (式 4)
[0093]此時，只要將前段的粗調(diào)整DC - DC變換器130的輸出Vmid，控制在落入下一段的高精度DC — DC變換器140的容許輸入電壓范圍(最小值Vin2_min，最大值Vin2_max)的程度即可。具體地說，只要以滿足式5的方式確定G、H的增益即可。
[0094]【數(shù)9】Vin2_min < Vmid = Vdis/(l+G*H)*Vref*G*H/(l+G*H) < Vin2_max (式5)
[0095]在滿足式4及式5的條件下，能夠?qū)⑾乱欢蔚母呔菵C - DC變換器140設計成通常的DC - DC變換器，由于在G2、H2中獲得充分的增益，因此能夠容易地抑制輸出脈動。
[0096]例如,在輸出電壓為直流24V的情況下,將Vout_ripple_spec設定為lOOmVpp。另外，例如，將Vin2_min設定為80V，將Vin2_max設定為120V。例如，將脈動頻率2 * fac的粗調(diào)整DC - DC變換器的開環(huán)增益設定為O至20dB。
[0097]圖6A~C是說明粗調(diào)整DC — DC變換器130的動作的圖。在本實施例中，粗調(diào)整DC - DC變換器130所輸出的中間 電壓Vmid為100V。另外，輸入電壓Vin的頻率為fac，在平滑電壓Vrect中包含有頻率2 * fac的AC脈動。
[0098]圖6A是輸入電壓Vin為低電壓的有效值24V的情況的例子，粗調(diào)整DC — DC變換器130進行升壓動作。由于輸入電壓Vin為低電壓，因此在平滑電壓Vrect中包含較大的AC脈動，在升壓后的中間電壓Vmid中較多地包含有沒有被完全抑制的脈動成分。但是，該脈動成分被下一段的高精度DC - DC變換器140抑制。進行上述動作的輸入電壓Vin的有效值的范圍例如為24~70V的范圍。
[0099]圖6B是輸入電壓Vin與中間電壓為相同程度的有效值100V的情況的例子，粗調(diào)整DC — DC變換器130與平滑電壓Vrect的變動相對應而進行升降壓動作。在平滑電壓Vrect中包含的脈動與輸入電壓Vin為低電壓時相比較小。在升降壓后的中間電壓Vmid中殘留脈動成分，但與在輸入電壓Vin為有效值24V的情況下的中間電壓中包含的脈動成分相比較少。進行上述動作的輸入電壓Vin的有效值的范圍例如為70~120V的范圍。
[0100]圖6C是輸入電壓Vin為高電壓的有效值240V的情況的例子，粗調(diào)整DC — DC變換器130進行降壓動作。在平滑電壓Vrect中包含的脈動進一步減少，在降壓后的中間電壓Vmid中實質(zhì)上不包含脈動成分。進行上述動作的輸入電壓Vin的有效值的范圍例如為120~240V的范圍。本說明書中的實質(zhì)上不包含脈動的情況，是指完全不包含脈動成分，或者包含可以忽略程度的少量的脈動成分的情況。具體地說，脈動成分是指lOOmVpp。
[0101]在任一種情況下，利用下一段的高精度DC - DC變換器140將中間電壓Vmid變換為滿足容許脈動量的、實質(zhì)上不包含脈動的規(guī)定的輸出電壓Vout，并向負載電路400供給。如上所述，根據(jù)第I方法，即使中間電壓Vmid包含較大的AC脈動，開關電源裝置100也能夠進行正常的動作，因此能夠與寬范圍的輸入電壓相對應而不必使用大容量的平滑電容器。
[0102](第2方法)
[0103]下面，對于第2方法進行說明，該第2方法的作用在于，即使在平滑電壓Vrect包含較大的AC脈動的情況下，粗調(diào)整DC - DC變換器130也不對開關電源裝置100的動作造成不良影響。
[0104]在現(xiàn)有的DC — DC變換器中，存在能夠進行負反饋控制動作的輸入電壓范圍，如果偏離該范圍，則會振蕩或者控制電路停止而進行不穩(wěn)定動作，輸出電壓變動較大。另一方面，在第2方法中，如圖7所示，構(gòu)成為，控制部133 — I對平滑電壓Vrect進行檢測。并且，如圖8A所示，在平滑電壓Vrect為比規(guī)定的基準值大的區(qū)間，進行開關132的占空比控制而進行負反饋開關控制，在平滑電壓Vrect為比規(guī)定的基準值小的區(qū)間，不進行開關132的占空比控制，使負反饋開關控制停止。具體地說，將脈寬固定為規(guī)定值。固定的脈寬值是任意的。
[0105]詳細地進行說明，圖8A示出平滑電壓Vrect包含較大的脈動，低于可脈動控制的輸入電壓范圍的情況?？刂撇?33 -1對平滑電壓Vrect進行檢測，如果小于或等于規(guī)定的基準值，則將開關132的占空比固定，停止負反饋開關控制，成為非控制狀態(tài)，從而避免進行不穩(wěn)定動作。然后如果平滑電壓Vrect上升，超過規(guī)定的基準值，則再次返回至通常的負反饋開關控制動作。由于在非控制區(qū)間不進行負反饋開關控制，因此，因負載電流Iload而輸出電壓Vmid變動，但可以對基準值進行設定，使得該變動范圍成為落入下一段的高精度DC — DC變換器140的容許輸入電壓范圍(最小值Vin2_min，最大值Vin2_max)的范圍，從而進行非控制動作。
[0106]例如，將Vin2_min設定為80V，將Vin2_max設定為120V。例如，粗調(diào)整DC — DC變換器130構(gòu)成為，在平滑電壓小于或等于5V的期間內(nèi)不進行負反饋開關控制。
[0107]通過控制部133 -1不進行占空比控制，從而成為反饋控制環(huán)被斷開的狀態(tài)，因此，不會使過度輸出的中間電壓Vmid上升，能夠防止由于輸入電壓不足而導致的控制部133的動作不穩(wěn)定或動作停止。
[0108]在該情況下，如圖SB的實線所示，由于在中間電壓Vmind中較多地殘留脈動成分，因此在能夠由下一段的高精度DC - DC變換器140抑制的范圍內(nèi)，設定不進行占空比控制的基準值。
[0109]如以上說明所示，根據(jù)第2方法，即使在中間電壓Vmid包含較大的AC脈動的情況下，開關電源裝置100也能夠進行正常的動作，因此能夠不使用大容量的平滑電容器而與寬范圍的輸入電壓相對應。
【權利要求】
1.一種開關電源裝置，其具有: 整流電路，其構(gòu)成為，對具有第I有效值的第I交流電壓進行整流，輸出第I整流電壓，對具有比所述第I有效值大的第2有效值的第2交流電壓進行整流，輸出第2整流電壓，對具有比所述第2有效值大的第3有效值的第3交流電壓進行整流，輸出第3整流電壓；平滑電容器，其構(gòu)成為，將所述第I整流電壓平滑化，輸出第I平滑電壓，將所述第2整流電壓平滑化，輸出第2平滑電壓，將所述第3整流電壓平滑化，輸出第3平滑電壓； 第IDC — DC變換器，其構(gòu)成為，對所述第I平滑電壓進行變換，輸出第I中間電壓，對所述第2平滑電壓進行變換，輸出第2中間電壓，對所述第3平滑電壓進行變換，輸出第3中間電壓，在被輸入所述第I平滑電壓的情況下進行升壓動作，輸出包含脈動在內(nèi)的所述第I中間電壓，在被輸入所述第2平滑電壓的情況下與所述平滑電壓的變動相對應，進行升降壓動作，輸出包含比所述第I中間電壓的脈動小的脈動在內(nèi)的所述第2中間電壓，在被輸入所述第3整流電壓的情況下進行降壓動作，輸入實質(zhì)上不包含脈動的所述第3中間電壓；以及 第2DC - DC變換器，其構(gòu)成為，對所述第I中間電壓、所述第2中間電壓以及所述第3中間電壓進行變換，輸出實質(zhì)上不包含脈動的輸出電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的開關電源裝置，其中， 在所述交流電壓頻率的2倍頻率處的所述第IDC - DC變換器的開環(huán)增益具有下述值，即，該值使在所述第2DC - DC變換器的輸出電壓中包含的脈動含有量，小于或等于所述開關電源裝置的規(guī)格所容許的脈動含有量。
3.根據(jù)權利要求2 所述的開關電源裝置，其中， 所述第IDC - DC變換器具有滿足下述式I及2的開環(huán)增益G * H，
【數(shù) I 】Vdis/{(1+G*H) * (1+G2*H2)} < Vout_ripple_spec (式 I)
【數(shù) 2】Vin2_min < Vdis/(1+G*H)+Vref*G*H/(1+G*H) < Vin2_max (式 2) 在上述式子中， Vout_ripple_spec是所述開關電源裝置的規(guī)格所容許的脈動含有量， Vdis是依賴于所述平滑電壓及負載電流的干擾成分， Vin2_min是所述第2DC — DC變換器的容許最小電壓， Vin2_max是所述第2DC — DC變換器的容許最大電壓， G * H是所述第IDC - DC變換器的開環(huán)增益， G2 * H2是所述第2DC - DC變換器的開環(huán)增益， Vref為參照電壓。
4.根據(jù)權利要求2所述的開關電源裝置，其中， 所述交流電壓頻率的2倍頻率處的所述第IDC - DC變換器的所述開環(huán)增益為O至20dB。
5.根據(jù)權利要求3所述的開關電源裝置，其中， 所述輸出電壓為直流24V，
所述 Vout_ripple_spec 為 IOOmVpp, 所述 Vin2_min 為 80V， 所述 Vin2_max 為 120V。
6.根據(jù)權利要求1所述的開關電源裝置，其中， 所述第I交流電壓的有效值為24~70V的范圍，所述第2交流電壓的有效值為70~120V的范圍，所述第3交流電壓的有效值為120~240V的范圍。
7.根據(jù)權利要求6所述的開關電源裝置，其中， 所述第I交流電壓的有效值為24V，所述第2交流電壓的有效值為100V，所述第3交流電壓的有效值為240V。
8.根據(jù)權利要求1所述的開關電源裝置，其中， 所述第IDC - DC變換器構(gòu)成為，在所述第I平滑電壓小于或等于規(guī)定的基準值期間內(nèi)不進行負反饋開關控制， 小于或等于所述基準值的期間內(nèi)的所述第I中間電壓的變動范圍，落在所述第2DC -DC變換器的輸入電壓的容許輸入電壓范圍內(nèi)。
9.一種開關電源裝置，其中，具有: 整流電路，其構(gòu)成為，對交流電壓進行整流，輸出整流電壓； 平滑電容器，其構(gòu)成為，將所述整流電壓平滑化，輸出平滑電壓； 第IDC - DC變換器，其構(gòu)成為，對所述平滑電壓進行變換，輸出中間電壓；以及 第2DC — DC變換器，其構(gòu)成為，對所述中間電壓進行變換，輸出輸出電壓，· 所述第IDC — DC變換器構(gòu)成為，在所述平滑電壓小于或等于規(guī)定的基準值的期間內(nèi)不進行負反饋開關控制， 小于或等于所述基準值的期間內(nèi)的所述中間電壓的變動范圍，落在所述第2DC - DC變換器的輸入電壓的容許輸入電壓范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權利要求9所述的開關電源裝置，其中， 所述基準值為5V。
11.根據(jù)權利要求10所述的開關電源裝置，其中， 所述第2DC - DC變換器的輸入電壓的容許輸入電壓范圍的最小值為80V， 所述第2DC - DC變換器的輸入電壓的容許輸入電壓范圍的最大值為120V。
12.根據(jù)權利要求9所述的開關電源裝置，其中， 所述第IDC - DC變換器具有變壓器、與所述變壓器連接的開關、以及與所述開關連接的控制部， 所述控制部構(gòu)成為，對所述平滑電壓進行檢測，在所述平滑電壓小于或等于規(guī)定的基準值的期間，不進行所述開關的接通/斷開的時間比率的控制。
13.一種開關電源裝置的電路設計方法，其中， 該開關電源裝置具有: 整流電路，其構(gòu)成為，對交流電壓進行整流，輸出整流電壓； 平滑電容器，其構(gòu)成為，將所述整流電壓平滑化，輸出平滑電壓； 第IDC - DC變換器，其構(gòu)成為，對所述平滑電壓進行變換，輸出中間電壓；以及 第2DC — DC變換器，其構(gòu)成為，對所述中間電壓進行變換，輸出輸出電壓， 該開關電源裝置的電路設計方法，進行下述設計: 在所述第IDC - DC變換器中包含的電路，具有滿足下式I及2的開環(huán)增益G * H， 【數(shù)3】Vdis/{(1+G*H) * (1+G2*H2)} < Vout_ripple_spec (式 I)【數(shù) 4】Vin2_min < Vdis/ (1+G*H) +Vref*G*H/ (1+G*H) < Vin2_max (式 2)在上述式子中，Vout_ripple_spec是所述開關電源裝置的規(guī)格所容許的脈動含有量，Vdis是依賴于所述平滑電壓及負載電流的干擾成分，Vin2_min是所述第2DC — DC變換器的容許最小電壓，Vin2_max是所述第2DC — DC變換器的容許最大電壓，G * H是所述第IDC - DC變換器的開環(huán)增益，G2 * H2是所述第2DC - DC變換器的開環(huán)增益，Vref為參照電壓。
【文檔編號】H02M3/28GK103715895SQ201310451520
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權日:2012年9月28日
【發(fā)明者】川澄泰之 申請人:橫河電機株式會社