一种低电容隔离电源模块

专利摘要:
本实用新型公开了一种低电容隔离电源模块，包括高频开关电源芯片、采样电路、半桥驱动电路、隔离变压器和整流电路，整流电路采用倍压整流或全波整流；高频开关电路与采样电路、半桥驱动电路、隔离变压器电性连接，采样电路、半桥驱动电路和隔离变压器电性连接，隔离变压器与整流电路电性连接；本实用新型提供设计简单合理、大大压缩整体空间占比，实现模块化的一种低电容隔离电源模块。
公开号:CN214337808U
申请号:CN202022524090.8U
申请日:2020-11-04
公开日:2021-10-01
发明作者:罗泽伟；谢晓东；林旭帆
申请人:Zhejiang Mingde Microelectronics Co ltd；
IPC主号:H02M3-335

专利说明:
[n0001] 本实用新型涉及电源技术领域，更具体的说，它涉及一种低电容隔离电源模块。
[n0002] 如图1是常规的电源模块电路，可知其2条共模干扰路径都通过了变压器的寄生电容C0。一般C0容量在200pF～2000pF之间。C0越大干扰信号越容易通过。对于开关频率100KHz来讲C0阻抗79KΩ～7.9KΩ之间。但是对于干扰信号100M来讲C0阻抗在7.9Ω～0.79Ω。这个阻抗对100M高频相当于通路。干扰源信号很容易通过C0直接到空气和大地生成共模干扰回路。这对于电路设计要求中功率不大，但尺寸要小的电源电路来说，将大大影响正常供电。
[n0003] 本实用新型克服了现有技术的不足，提供设计简单合理、大大压缩整体空间占比，实现模块化的一种低电容隔离电源模块。
[n0004] 本实用新型的技术方案如下：
[n0005] 一种低电容隔离电源模块，包括高频开关电源芯片IC1、采样电路、隔离变压器TR1和整流电路，整流电路采用倍压整流或全波整流；高频开关电源芯片IC1与采样电路、隔离变压器电性连接，采样电路和隔离变压器电性连接，隔离变压器与整流电路电性连接。
[n0006] 进一步的，采样电路包括电容C4、电容C5、电阻R2、电阻R3；高频开关电源芯片IC1的2号引脚与电阻R2的一端一起接地，电阻R2的另一端与高频开关电源芯片IC1的3号引脚、电阻R3的一端电性连接，电阻R3的另一端与电容C5的一端连接，电容C5的另一端与电容C4的一端一起接地，电容C4的另一端与高频开关电源芯片IC1的5号引脚连接。
[n0007] 进一步的，隔离变压器TR1的3号引脚与采样电路的电容C5、电阻R3的一端连接，隔离变压器TR1的1号引脚与高频开关电源芯片IC1的6号引脚、电容C2的一端连接，电容C2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与高频开关电源芯片IC1的1号引脚连接；隔离变压器TR1的4号引脚、6号引脚与整流电路电性连接。
[n0008] 进一步的，还包括稳压二极管ZD1，稳压二极管与整流电路的输出端连接。
[n0009] 本实用新型的优点：
[n0010] 本方案中的高频开关电源芯片IC1可以采用利用高频开关电源芯片IC1、半桥驱动电路和整流电路，设计的低匝数变压器隔离供电，能很好的同时满足小尺寸、低功率、低价格、低隔离电容。本方案中电容C5既是隔直电容又做半桥驱动电路的输出电容。变压器TR1既是隔离变压器又作半桥驱动电路的电感。电阻R2、电阻R3对输出电容C5构成采样回路，使得半桥驱动电路电容C5电压等于VCC/2。这时高频开关电源芯片IC1输出50％占空比。变压器TR1工作在50％占空比下就意味着纯交流成分，不会偏磁。由于输出功率小，又要求低的ISO隔离电容，变压器匝数要少，变压器的输出一般是做倍压整流。当然也可以全波整流。本方案中稳压二极管ZD1能防止在启动时或者在意外情况下造成输出电压过高而保护。
[n0011] 图1为常规的电源模块电路图；
[n0012] 图2为常规的功率半桥架构图；
[n0013] 图3为常规的隔离供电电路图；
[n0014] 图4为本实用新型的电路设计图；
[n0015] 图5为本实用新型的检测的波形电路图；
[n0016] 图6为常规的检测的波形畸变图。
[n0017] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
[n0018] 如图1所示，传统的常规电源结构，2条共模干扰路径都通过了变压器产生的寄生电容C0。一般C0容量在200pF～2000pF之间。电容C0越大干扰信号越容易通过。对于开关频率100KHz来讲，电容C0阻抗80K～8K之间。但是对于干扰信号100M来讲，电容C0阻抗在7.9R～0.79R，这个阻抗对100M高频相当于通路。干扰源信号很容易通过电容C0直接到空气和大地生成共模干扰回路。为了解决这个问题，由于电容C0是无法避免的，因此需要设置一个采样电路。
[n0019] 另外电容CY是提供短路共模干扰路径，让干扰信号不走共模路径，通过电容CY直接旁路掉。电容CY的阻抗要远远小于Ca0+Ca1//Cg0+Cg1干扰能量大部分走电容CY短路掉。电容CY一般不能大于2000pF,过大的电容CY会使得初级-次级直接通过工频的能量导致出现静电干扰。2000pF在50Hz下阻抗是1.6M，按CE标准4000V 50Hz下流过电流等于2.5mA超过这个电流会对人体造成伤害。另外由于电容CY的存在导致了初级-次级之间有个容抗，负载就可能是浮地，而负载为浮地时，电容CY就必须去除。具体浮地技术如图2中常见的功率半桥架构。由于电容CY1的存在能量从VH到浮地在到电容CY1到功率地，构成了一个回路。相当于在下桥MOS Q3的D极S极之间并联了一颗电容Ce，Ce＝CY+C0这个电容会直接损耗能量。电容Ce越大损耗越大，可见电容CY对损耗影响之大。
[n0020] 如图3所示，隔离供电装置中电容CY要足够小，在浮地供电装置中电容CY要小于10pF,那么变压器产生的寄生电容Ci要小于电容CY的10倍以上既1pF，对于工作频率100K下变压器的电容Ci做不到1pF。所以要解决这个问题，第一要去掉10M以上的干扰源，这样就去除电容CY。第二提高工作频率从100K提高到2M，这样就大大降低了变压器的匝数，从而降低变压器的寄生电容C0也跟着下降了。初级用半桥技术工作在2M频率。变压器用一个直径4mm的磁环圈数绕制4圈+5圈＝2pF，由于采用了特殊MOS管(Qrr指标低于15nC)和半桥结构并且工作在50％占空比下，是不产生10M以上寄生高频干扰的，那么只有2M的开关频率对于2pF来讲阻抗等于40K，2M的开关频率下40K阻抗下不再影响到次级。对于浮地供电来讲损耗也小到忽略。
[n0021] 因此本方案的具体设计如下：
[n0022] 如图4所示，一种低电容隔离电源模块，包括高频开关电源芯片IC1、采样电路、半桥驱动电路、隔离变压器TR1和整流电路，整流电路采用倍压整流或全波整流；高频开关电源芯片与采样电路、半桥驱动电路、隔离变压器电性连接，采样电路、半桥驱动电路和隔离变压器电性连接，隔离变压器与整流电路电性连接。本方案中的高频开关电源芯片IC1可以采用利用半桥驱动电路，设计的隔离供电，能很好的同时满足小尺寸、低功率、低价格、低隔离电容。
[n0023] 其中半桥驱动电路工作频率可以做得很高，可以从600K～2M频率。这就使得变压器小尺寸化。绕组匝数少使得初次级电容就小，满足低的隔离电容。
[n0024] 采样电路包括电容C4、电容C5、电阻R2、电阻R3；高频开关电源芯片IC1的2号引脚与电阻R2的一端一起接地，电阻R2的另一端与高频开关电源芯片IC1的3号引脚、电阻R3的一端电性连接，电阻R3的另一端与电容C5的一端连接，电容C5的另一端与电容C4的一端一起接地，电容C4的另一端与高频开关电源芯片IC1的5号引脚连接。
[n0025] 隔离变压器TR1的3号引脚与采样电路的电容C5、电阻R3的一端连接，隔离变压器TR1的1号引脚与高频开关电源芯片IC1的6号引脚、电容C2的一端连接，电容C2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与高频开关电源芯片IC1的1号引脚连接；隔离变压器TR1的4号引脚、6号引脚与整流电路电性连接。
[n0026] 作为优选，还包括稳压二极管ZD1，稳压二极管与整流电路的输出端连接。
[n0027] 图5为本方案的输出电波，与图6所示的常规有明显的改进。
[n0028] 综上，电容C5既是隔直电容又做半桥驱动电路的输出电容。隔离变压器TR1既是隔离变压器又作半桥驱动电路的电感。电阻R2、电阻R3对输出电容C5构成采样回路，使得半桥驱动电路电容C5电压等于VCC/2。这时高频开关电源芯片IC1输出50％占空比。隔离变压器TR1工作在50％占空比下就意味着纯交流成分，不会偏磁。由于输出功率小，又要求低的ISO隔离电容，变压器匝数要少，变压器的输出一般是做倍压整流。当然也可以全波整流。其中稳压二极管ZD1是防止在启动时或者在意外情况下造成输出电压过高而保护。
[n0029] 具体的装置参数可以如下设置，在整个装置中高频开关电源芯片IC1的驱动半桥电路工作频率1.4M,变压器用4mm直径2mm高的磁环，输入电压VCC电压12V，输出也是12V，QA-3漆包线，磁环匝数4圈+4圈,做到ISO隔离电容1pF，耐压4KV。整个装置封装在SOP16 8mm宽体贴片封装内成为可能。从此解决隔离供电装置的尺寸问题，成本问题，隔离电容问题而烦恼。
[n0030] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。

权利要求:
Claims (4)
[0001] 1.一种低电容隔离电源模块，其特征在于，包括高频开关电源芯片、采样电路、半桥驱动电路、隔离变压器和整流电路，整流电路采用倍压整流或全波整流；高频开关电源芯片与采样电路、半桥驱动电路、隔离变压器电性连接，采样电路、半桥驱动电路和隔离变压器电性连接，隔离变压器与整流电路电性连接。
[0002] 2.根据权利要求1所述的一种低电容隔离电源模块，其特征在于：采样电路包括电容C4、电容C5、电阻R2、电阻R3；高频开关电源芯片IC1的2号引脚与电阻R2的一端一起接地，电阻R2的另一端与高频开关电源芯片IC1的3号引脚、电阻R3的一端电性连接，电阻R3的另一端与电容C5的一端连接，电容C5的另一端与电容C4的一端一起接地，电容C4的另一端与高频开关电源芯片IC1的5号引脚连接。
[0003] 3.根据权利要求2所述的一种低电容隔离电源模块，其特征在于：隔离变压器的3号引脚与采样回路模块的电容C5、电阻R3的一端连接，隔离变压器的1号引脚与高频开关电源芯片IC1的6号引脚、电容C2的一端连接，电容C2的另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与高频开关电源芯片IC1的1号引脚连接；隔离变压器TR1的4号引脚、6号引脚与整流模块电性连接。
[0004] 4.根据权利要求1所述的一种低电容隔离电源模块，其特征在于：还包括稳压二极管ZD1，稳压二极管与整流电路的输出端连接。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN2020214312724||2020-07-21||

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CN202021431272||2020-07-21||

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