一种AC-DC适配器论文和设计-李涛

全文摘要

本实用新型公开了一种AC‑DC适配器，包括市电整流滤波电路、压电变压器、高频振荡及稳压保护电路、驱动及开关电路、次级整流滤波电路和电源电路；市电整流滤波电路用于对市电进行整流滤波；压电变压器包括驱动部分和发电部分，用于将输入端之间的周期方波转换成交流电；高频振荡及稳压保护电路用于控制输出高频脉冲波给驱动及开关电路；驱动及开关电路用于对第一PT输入端和第二PT输入端之间的直流电压进行斩波，得到周期方波；次级整流滤波电路的输入端与PT输出端电连接；电源电路的输入端连接市电，输出端分别与高频振荡及稳压保护电路和集成电路栅极驱动器电连接。本实用新型在不额外增加供电电源情况下，缩小了电源适配器的体积。

主设计要求

1.一种AC-DC适配器，其特征在于，包括市电整流滤波电路、压电变压器、高频振荡及稳压保护电路、驱动及开关电路、次级整流滤波电路和电源电路；所述市电整流滤波电路用于对市电进行整流滤波，所述市电整流滤波电路的输入端与所述市电连接，所述市电整流滤波电路的输出端分别与所述压电变压器的第一PT输入端和所述高频振荡及稳压保护电路的高压引脚电连接；所述压电变压器包括驱动部分和发电部分，所述驱动部分包括所述第一PT输入端和第二PT输入端，所述发电部分包括PT输出端，所述压电变压器用于将所述第一PT输入端和所述第二PT输入端之间的周期方波转换成交流电，并通过所述PT输出端输出所述交流电；所述高频振荡及稳压保护电路用于控制输出高频脉冲波给所述驱动及开关电路；所述驱动及开关电路包括集成电路栅极驱动器和氮化镓晶体管，所述集成电路栅极驱动器用于将所述高频脉冲波降压为恒5V幅值脉冲波并通过驱动引脚输出至所述氮化镓晶体管的栅极，所述氮化镓晶体管的漏极与所述第二PT输入端电连接，源极接初级地，所述氮化镓晶体管用于对所述第一PT输入端和所述第二PT输入端之间的直流电压进行斩波，得到所述周期方波；所述次级整流滤波电路的输入端与所述PT输出端电连接，用于对所述交流电进行整流滤波，输出直流负载电压；所述电源电路的输入端连接所述市电，输出端分别与所述高频振荡及稳压保护电路和所述集成电路栅极驱动器电连接，用于将所述市电转换成电源电压并为所述高频振荡及稳压保护电路和所述集成电路栅极驱动器供电。

设计方案

1.一种AC-DC适配器，其特征在于，包括市电整流滤波电路、压电变压器、高频振荡及稳压保护电路、驱动及开关电路、次级整流滤波电路和电源电路；

所述市电整流滤波电路用于对市电进行整流滤波，所述市电整流滤波电路的输入端与所述市电连接，所述市电整流滤波电路的输出端分别与所述压电变压器的第一PT输入端和所述高频振荡及稳压保护电路的高压引脚电连接；

所述压电变压器包括驱动部分和发电部分，所述驱动部分包括所述第一PT输入端和第二PT输入端，所述发电部分包括PT输出端，所述压电变压器用于将所述第一PT输入端和所述第二PT输入端之间的周期方波转换成交流电，并通过所述PT输出端输出所述交流电；

所述高频振荡及稳压保护电路用于控制输出高频脉冲波给所述驱动及开关电路；

所述驱动及开关电路包括集成电路栅极驱动器和氮化镓晶体管，所述集成电路栅极驱动器用于将所述高频脉冲波降压为恒5V幅值脉冲波并通过驱动引脚输出至所述氮化镓晶体管的栅极，所述氮化镓晶体管的漏极与所述第二PT输入端电连接，源极接初级地，所述氮化镓晶体管用于对所述第一PT输入端和所述第二PT输入端之间的直流电压进行斩波，得到所述周期方波；

所述次级整流滤波电路的输入端与所述PT输出端电连接，用于对所述交流电进行整流滤波，输出直流负载电压；

所述电源电路的输入端连接所述市电，输出端分别与所述高频振荡及稳压保护电路和所述集成电路栅极驱动器电连接，用于将所述市电转换成电源电压并为所述高频振荡及稳压保护电路和所述集成电路栅极驱动器供电。

2.根据权利要求1所述的AC-DC适配器，其特征在于，所述电源电路包括降压电容。

3.根据权利要求1所述的AC-DC适配器，其特征在于，所述周期方波的频率等于所述压电变压器的谐振频率。

4.根据权利要求1所述的AC-DC适配器，其特征在于，还包括可调电阻，所述可调电阻的与所述氮化镓晶体管串联，用于调节所述周期方波的幅值。

5.根据权利要求1所述的AC-DC适配器，其特征在于，所述市电整流滤波电路和所述次级整流滤波电路均包括全桥整流电路和滤波电容。

6.根据权利要求1所述的AC-DC适配器，其特征在于，还包括负载电压反馈电路，所述负载电压反馈电路的输入端与所述次级整流滤波电路的输出端电连接，输出端与所述高频振荡及稳压保护电路电连接，用于将所述直流负载电压反馈至所述高频振荡及稳压保护电路，以使所述高频振荡及稳压保护电路调整所述高频脉冲波的占空比。

7.根据权利要求6所述的AC-DC适配器，其特征在于，所述负载电压反馈电路包括光电耦合器。

8.根据权利要求1所述的AC-DC适配器，其特征在于，还包括电磁干扰EMI滤波电路，连接于所述市电，用于滤除所述市电中的高频电磁噪声，将滤除噪声后的交流电压传输给所述市电整流滤波电路。

9.根据权利要求8所述的AC-DC适配器，其特征在于，还包括保险管，所述市电上的火线通过所述保险管接入所述EMI滤波电路。

10.根据权利要求1所述的AC-DC适配器，其特征在于，所述驱动及开关电路还包括栅极放电吸收电路，连接于所述集成电路栅极驱动器和所述氮化镓晶体管的栅极之间。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电源适配器技术领域，尤其涉及一种AC-DC适配器。

背景技术

目前，平板电脑、手机、数码相机、摄像机和智能电视等终端设备逐渐普及，电源适配器被广泛应用于为这些终端设备提供直流电源。随着科技的不断进步，电源适配器未来发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

传统电源适配器包括电磁变压器(绕线变压器)，但电磁变压器的电磁干扰较大，效率较低，且体积较大导致电源适配器的体积大；另外，为避免使用额外的电源为电源适配器中的芯片供电，通常增加电磁变压器的副边，通过该副边为芯片供电，但这进一步增加了电磁变压器的体积。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种AC-DC适配器，以在不额外增加供电电源的情况下，缩小电源适配器的体积。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型实施例提供了一种AC-DC适配器，包括市电整流滤波电路、压电变压器、高频振荡及稳压保护电路、驱动及开关电路、次级整流滤波电路和电源电路；

所述高频振荡及稳压保护电路用于控制输出高频脉冲波给所述驱动及开关电路；

所述次级整流滤波电路的输入端与所述PT输出端电连接，用于对所述交流电进行整流滤波，输出直流负载电压；

可选的，所述电源电路包括降压电容。

可选的，所述周期方波的频率等于所述压电变压器的谐振频率。

可选的，还包括可调电阻，所述可调电阻的与所述氮化镓晶体管串联，用于调节所述周期方波的幅值。

可选的，所述市电整流滤波电路和所述次级整流滤波电路均包括全桥整流电路和滤波电容。

可选的，还包括负载电压反馈电路，所述负载电压反馈电路的输入端与所述次级整流滤波电路的输出端电连接，输出端与所述高频振荡及稳压保护电路电连接，用于将所述直流负载电压反馈至所述高频振荡及稳压保护电路，以使所述高频振荡及稳压保护电路调整所述高频脉冲波的占空比。

可选的，所述负载电压反馈电路包括光电耦合器。

可选的，还包括电磁干扰EMI滤波电路，连接于所述市电，用于滤除所述市电中的高频电磁噪声，将滤除噪声后的交流电压传输给所述市电整流滤波电路。

可选的，还包括保险管，所述市电上的火线通过所述保险管接入所述EMI滤波电路。

可选的，所述驱动及开关电路还包括栅极放电吸收电路，连接于所述集成电路栅极驱动器和所述氮化镓晶体管的栅极之间。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的AC-DC适配器，采用压电变压器实现了周期方波到交流电的降压变换，大大减小了AC-DC适配器的体积；且本实用新型仅通过一个氮化镓晶体管对市电整流滤波电路输出的直流电压进行斩波，使得压电变压器输入端的电压为周期方波，利用周期方波的基频分量实现压电变压器的电压变换，不必对压电变压器输入端的电压进行逆变，从而避免使用逆变电路，简化了电路设计；同时，由于压电变压器只有一个副边，为避免增加额外的供电电源，本实用新型采用电源电路直接将市电转换成电源电压，相对于现有的电磁变压器，可进一步缩小AC-DC适配器的体积；另外，将氮化镓高电子迁移率晶体管(氮化镓晶体管)作为AC-DC适配器的功率开关器件，并利用集成电路栅极驱动器，将高频振荡及稳压保护电路输出的高频脉冲波的幅值降至满足氮化镓晶体管的栅源驱动电压(恒5V幅值脉冲波)，以驱动氮化镓晶体管，使氮化镓晶体管工作在更高的开关频率下，且导通电阻小，导通速度快，进而减小了开关功耗，减少了散热量，可缩小散热器件的体积，实现了更高开关频率、低功耗、高效率以及小体积化的AC-DC适配器。

附图说明

图1是本实用新型提供的AC-DC适配器的结构框图；

图2是本实用新型提供的压电变压器的结构示意图；

图3是本实用新型提供的高频振荡及稳压保护电路的电路图；

图4是本实用新型提供的驱动及开关电路的电路图；

图5是本实用新型提供的电源电路的电路图；

图6是本实用新型提供的市电整流滤波电路的电路图；

图7是本实用新型提供的次级整流滤波电路的电路图；

图8是本实用新型提供的另一种AC-DC适配器的结构框图；

图9是本实用新型提供的负载电压反馈电路的电路图；

图10是本实用新型提供的EMI滤波电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

图1是本实用新型实施例提供的AC-DC适配器的结构框图。如图1所示，该AC-DC适配器包括市电整流滤波电路1、压电变压器2、高频振荡及稳压保护电路3、驱动及开关电路4、次级整流滤波电路5和电源电路6；

其中，市电整流滤波电路1用于对市电进行整流滤波，市电整流滤波电路1的输入端与市电连接，市电整流滤波电路1的输出端分别与压电变压器2的第一PT输入端和高频振荡及稳压保护电路3的高压引脚电连接；

压电变压器2包括驱动部分和发电部分，如图2所示，驱动部分21包括第一PT输入端211和第二PT输入端212，发电部分22包括PT输出端221，压电变压器2用于将第一PT输入端211和第二PT输入端212之间的周期方波转换成交流电，并通过PT输出端221输出交流电；

高频振荡及稳压保护电路3用于控制输出高频脉冲波给驱动及开关电路4；

驱动及开关电路4包括集成电路栅极驱动器和氮化镓晶体管，集成电路栅极驱动器用于将高频脉冲波降压为恒5V幅值脉冲波并通过驱动引脚输出至氮化镓晶体管的栅极，氮化镓晶体管的漏极与第二PT输入端电连接，源极接初级地，氮化镓晶体管用于对第一PT输入端和第二PT输入端之间的直流电压进行斩波，得到周期方波；

次级整流滤波电路5的输入端与PT输出端电连接，用于对交流电进行整流滤波，输出直流负载电压；

电源电路6的输入端连接市电，输出端分别与高频振荡及稳压保护电路3和集成电路栅极驱动器电连接，用于将市电转换成电源电压并为高频振荡及稳压保护电路3和集成电路栅极驱动器供电。

上述方案中，压电变压器2的驱动部分21利用逆压电效应将电能转换为机械能，相当于电磁变压器的原边，发电部分22利用正压电效应将机械能转换为电能，相当于电磁变压器的副边，从而实现电压的变换。

压电变压器具有滤波作用，只有当输入电压的频率接近压电变压器的谐振频率时，压电变压器的工作效率才会较高。而市电的工频只有50Hz，压电变压器的谐振频率一般为几十KHz，因此本实施例先采用市电整流滤波电路1将市电整流滤波为直流电压，再利用高频振荡及稳压保护电路3和驱动及开关电路4对直流电压进行斩波，形成的频率接近压电变压器谐振频率的周期方波作为压电变压器2的输入电压。本实施例中，压电变压器2的输入电压为周期方波，压电变压器2的特性类似于带通滤波器，与压电变压器2谐振频率相近的频率能够通过，否则将被滤除。根据傅里叶级数远离，周期方波可以分解为一系列的正弦谐波，当周期方波的频率与压电变压器2的谐振频率相近时，周期方波的基频分量能够通过压电变压器2，而直流分量和高次谐波会被压电变压器2滤除。可选的，周期方波的频率等于压电变压器的谐振频率，以提高压电变压器的工作效率。因此，本实用新型可将周期方波通过压电变压器2转换成交流电。

可选的，如图3所示，上述高频振荡及稳压保护电路3可包括集成电路控制芯片U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电容C3、第五电容C5和第四电解电容EC4。其中，U1可为集成电路控制芯片NCP1377B，市电整流滤波电路1的输出端通过串联的R1和R2与U1的8脚相连接，C5的一端接U1的3脚，另一端接U1的4脚和初级地，EC4的正极、C3的一端和U1的6脚连接，EC4和C3并联后接初级地。电源电路6为U1提供电源电压VCC，U1的5脚输出驱动电压Drv。

如图4所示，上述驱动及开关电路4可以包括集成电路栅极驱动器U3、氮化镓晶体管Q1、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8。其中，U3可以为集成电路栅极驱动器UCC27611，C6的一端接VCC与U3的1脚，另一端接U3的2脚与初级地，U3的3脚接Drv，U3的5脚通过R12与U3的6脚相连接，U3的6脚与Q1的栅极相连接，C7的一端接U3的4脚，另一端与C3的另一端接初级地，C8的一端与Q1的漏极相连接，另一端与Q1的源极相连接，第十电阻R10的一端接Q1的源极、R9的一端和R11的一端，R10的另一端接初级地，R9的另一端接Q1的栅极，R11的另一端接U1的3脚。U3根据U1的驱动电压Drv输出恒5V幅值脉冲波，驱动氮化镓晶体管Q1，Q1对整流滤波后的直流电压进行斩波，在压电变压器的输入端得到周期方波。

优选的，该驱动及开关电路4还可以包括栅极放电吸收电路，连接于第一集成电路栅极驱动器U3和第一氮化镓晶体管Q1之间。具体的，参考图4，该栅极放电吸收电路可包括并联的第八电阻R8和第三二极管D3，D3的阳极与Q1的栅极相连接，D3的阴极接U3的6脚。

可选的，本实用新型的AC-DC适配器还可包括可调电阻，该可调电阻的与氮化镓晶体管串联，用于调节周期方波的幅值。示例性的，继续参考图4，AC-DC适配器还可包括可调电阻R3，其中R3的一端与压电变压器的第二PT输入端连接，另一端与Q1的漏极连接；或者R10为上述可调电阻。由此，通过调节可调电阻的电压来改变周期方波的幅值，进而调节压电变压器输出电压的幅值，以实现为不同的可充电产品充电。

另外，与电磁变压器不同，压电变压器只有一个副边，不能直接为高频振荡及稳压保护电路3和集成电路栅极驱动器供电，考虑到额外使用供电电源会增大AC-DC适配器的体积，因此，本实用新型采用电容降压方式来给高频振荡及稳压保护电路3和集成电路栅极驱动器供电。可选的，本实用新型中的电源电路包括降压电容。示例性的，如图5所示，该电源电路包括降压电容C2、泄流电阻R4、第一二极管D1、第二二极管D2、稳压二极管D4和滤波电容C4。其中，R4与C2并联，C2的一端接市电的一输出端，C2的另一端分别与D1的阴极及D2的阳极连接，D1的阳极、D4的阳极和C4的负极接市电的另一输出端，D2的阴极与D4的阴极及C4的正极连接，C4的两端为VCC的输出端。本方案利用电容具有交流阻抗的特性而实现降压，电容本身不消耗能量，且电路简单易用，U1和U3消耗的功率很小，使用电容降压即可满足要求。

可选的，上述方案中，市电整流滤波电路和次级整流滤波电路均包括全桥整流电路和滤波电容。

示例性的，参见图6，上述市电整流滤波电路可以包括桥式整流器BD1和第一电解电容EC1。其中，BD1的1脚和3脚接市电，BD1的4脚接初级地，该初级地与市电的零线相连接，BD1的2脚与EC1的正极相连接，EC1的负极接初级地。BD1对输入的市电进行整流后，经EC1滤波输出直流电压。

参见图7，上述次级整流滤波电路可以包括桥式整流器BD2和电容C9。其中，BD2的1脚和3脚接压电变压器的输出端，BD2的4脚接初级地，BD2的2脚与C9的正极相连接，C9的负极接初级地。BD2对压电变压器的输出电压进行整流后，经C9滤波输出直流负载电压。

另外，如图8所示，本实用新型的AC-DC适配器还包括负载电压反馈电路7，负载电压反馈电路7的输入端与次级整流滤波电路5的输出端电连接，输出端与高频振荡及稳压保护电路3电连接，用于将直流负载电压反馈至高频振荡及稳压保护电路3，以使高频振荡及稳压保护电路3调整高频脉冲波的占空比。由此，调节周期方波的占空比，达到稳压目的的同时可调节直流负载电压的幅值。

可选的，负载电压反馈电路可包括光电耦合器。示例性的，如图9所示，光电耦合器的1脚接C9的正极，光电耦合器的2脚通过第十四电阻R14接初级地，光电耦合器的4脚通过第十三电阻R13接VCC，且光电耦合器的4脚与U1的2脚连接，光电耦合器的5脚接初级地。

进一步的，上述方案中，AC-DC适配器还包括电磁干扰EMI滤波电路，连接于市电，用于滤除市电中的高频电磁噪声，将滤除噪声后的交流电压传输给市电整流滤波电路。优选的，还包括保险管，市电上的火线通过保险管接入EMI滤波电路，具有市电输入过流保护的作用。具体的，参见图10，该EMI滤波电路可以包括第一电容C1和共模电感LF1。其中，LF1的1脚与BD1的1脚相连接，LF1的3脚与BD1的3脚相连接，C1的一端与LF1的2脚相连接，C1的另一端与LF2的另一端相连接，C1的一端通过保险管与市电的火线相连接，C1的另一端与市电的零线相连接。

本实用新型中，氮化镓晶体管的损耗主要有导通损耗、驱动损耗和开关损耗，其公式分别为：

P(_{导通损耗<\/sub>)＝R_{DS<\/sub>*I*D；}}

P(_{驱动损耗<\/sub>)＝Q_{g<\/sub>*V_{g<\/sub>*F_SW<\/sub>；}}}

P(_{开关损耗<\/sub>)＝V_{DS<\/sub>*I*(T_{r<\/sub>+T_{f<\/sub>)*F_{SW<\/sub>\/2；}}}}}

其中R_{DS<\/sub>为晶休管导通电阻，I为晶体管通过电流，D为晶体管导通时间，Q_{g<\/sub>为晶体管栅极电荷，V_{g<\/sub>为晶体管栅极驱动电压，F_{sw<\/sub>为晶体管开关频率，C_{g<\/sub>为栅极电容，V_{DS<\/sub>为截止时晶体管漏源电压，T_{r<\/sub>为晶体管上升开启时间，T_{f<\/sub>为晶体管下降关断时间。}}}}}}}}

由于氮化镓晶体管具有极低的结电容、栅极电荷和导通电阻等，以及氮化镓晶体管二维电子气中没有少数载流子，故导通速度很快，在开关瞬间电流与电压交叉部分功率损耗会很小，结合以上公式得出，此氮化镓晶体管工作在高开关频率下时只有很小的功率损耗，进而产生的热量少，大大提高了适配器的工作效率，也可以缩小的散热器件的体积。

本实用新型提供的AC-DC适配器，采用压电变压器实现了周期方波到交流电的降压变换，大大减小了AC-DC适配器的体积；且本实用新型仅通过一个氮化镓晶体管对市电整流滤波电路输出的直流电压进行斩波，使得压电变压器输入端的电压为周期方波，利用周期方波的基频分量实现压电变压器的电压变换，不必对压电变压器输入端的电压进行逆变，从而避免使用逆变电路，简化了电路设计；同时，由于压电变压器只有一个副边，为避免增加额外的供电电源，本实用新型采用电源电路直接将市电转换成电源电压，相对于现有的电磁变压器，可进一步缩小AC-DC适配器的体积；另外，将氮化镓高电子迁移率晶体管(氮化镓晶体管)作为AC-DC适配器的功率开关器件，并利用集成电路栅极驱动器，将高频振荡及稳压保护电路输出的高频脉冲波的幅值降至满足氮化镓晶体管的栅源驱动电压(恒5V幅值脉冲波)，以驱动氮化镓晶体管，使氮化镓晶体管工作在更高的开关频率下，且导通电阻小，导通速度快，进而减小了开关功耗，减少了散热量，可缩小散热器件的体积，实现了更高开关频率、低功耗、高效率以及小体积化的AC-DC适配器。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

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一种AC-DC适配器论文和设计

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