CN101814837A

CN101814837A - 超薄磁芯pcb板式开关电源

Info

Publication number: CN101814837A
Application number: CN201010153506A
Authority: CN
Inventors: 王建军; 高爱梅
Original assignee: WEIHAI KINGFULL ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: WEIHAI KINGFULL ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2010-08-25

Abstract

本发明涉及一种超薄磁芯PCB板式开关电源，属于电源领域。设有输入电路，其特征是输入电路连接EMI滤波电路，EMI滤波电路连接输入整流滤波电路，输入整流滤波电路分别与PWM控制电路、启动和电源关闭电路连接，PWM控制电路分别与超薄磁芯变压器、辅助电压电路、反馈控制电路及启动和关闭电路连接，超薄磁芯变压器连接输出滤波电路，输出滤波电路连接反馈控制电路。

Description

超薄磁芯PCB板式开关电源

技术领域

本发明涉及电源技术领域，详细地讲是一种超薄磁芯PCB板式开关电源。

背景技术

众所周知，电源是每种电子产品都要使用的部分，更小的体积与更大的功率是电源行业不断追求的目标。传统的磁芯PCB板式开关电源厚度较大、效率较低，不利于能源的节约。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超薄磁芯PCB板式开关电源，采用多层PCB板绕线技术代替传统的变压器制造工艺，PCB线路与变压器结合紧密，明显减小了电源板的整体厚度，解决了在一些特定场合和特定产品中对电源的体积及功率密度等的高要求问题，采用高频率的振荡芯片及谐振技术有效减小变压器磁芯的体积，提高了电源的能源密度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超薄磁芯PCB板式开关电源，设有输入电路，其特征是输入电路连接EMI滤波电路，EMI滤波电路连接输入整流滤波电路，输入整流滤波电路分别与PWM控制电路、启动和电源关闭电路连接，PWM控制电路分别与超薄磁芯变压器、辅助电压电路、反馈控制电路及启动和关闭电路连接，超薄磁芯变压器连接输出滤波电路，输出滤波电路连接反馈控制电路。

本发明还可通过如下措施来实现：超薄磁芯变压器由五层PCB板叠合而成，线圈部分是通过在PCB板上的镀多层铜箔实现，共线镀有四层线圈，第五层PCB板上镀有反馈线圈，反馈线圈的两端分别为8端及9端，第四层PCB板上镀有初级线圈B，初级线圈B的两端及中间节点分别为3端、5端及4端，第三层PCB板上镀有次级线圈，次级线圈的两端分别为6端及7端，第二层PCB板上镀有镀有初级线圈A，初级线圈A的两端分别为1端、2端，1端、2端、3端、4端、5端、6端、7端、8端及9端通过PCB板上通孔内的铜柱引到第一层PCB板，PCB板上嵌有高频磁芯。

输入整流滤波电路由二极管D25、电容C64、电容C63组成，二极管D25连接电容C64和电容C63的正极，然后连接到超薄磁芯变压器的初级，为超薄磁芯变压器提供恒定的直流电压。

PWM控制电路的二极管D18正极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的D脚，D脚通过电容C17和电阻R27连接到地，二极管D24的负极连接到光电耦合器U14-A的1脚，光电耦合器U14-A的2脚通过二极管D33连接到TOP261LN开关控制芯片U11的V脚，二极管D33的正极通过电阻R92和电容C60连接到地，二极管D24的负极连接到光电耦合器U7-A的1脚，光电耦合器U7-A的2脚连接到TOP261LN开关控制芯片U11的C脚，C脚通过电阻R74、电容C58和电容C56接地。

辅助电压电路由整流二极管D24、滤波电解电容C62、电阻R76、电容C57组成，整流二极管D24的负极连接滤波电解电容C62的正极，电容C62的负极连接输出地。

输出整流滤波电路由二极管D27、电容C52、电容C50、滤波电感L9、电容C49组成，超薄磁芯变压器的次级连接到二极管D27的正极，再连接电容C52、电容C50的正极和滤波电感L9的一端，滤波电感L9的另一端和电容C49的正极连接到直流电压输出端，电容C52、电容C50和电容C49的负极一起连接到输出地。

反馈控制电路的电阻R76连接到稳压二极管VR1的负极，稳压二极管VR1的正极通过电阻R92连接到二极管D33的正极，二极管D33的负极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的引脚V，电阻R58连接光电耦合器U7-B的阳极，光电耦合器U7-B的阴极连接TL431精密电压监视器U10的阴极，TL431精密电压监视器U10的阳极接输出地，输出电压连接电阻R59和电容C13，再同时连接到电阻R67和TL431精密电压监视器U10的参考点，电容C51和电阻R66连接在TL431精密电压监视器U10的阳极和参考点两端，整流二极管D24负极经跳线J5连接到光电耦合器U14-A的一端，光电耦合器U14-A的另一端通过跳线J4连接到二极管D33的阳极，二极管D33的阴极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的V脚，稳压二极管VR4的阳极经电阻R90连接光电耦合器U14-B的阳极，光电耦合器U14-B的阴极连接输出地，光电耦合器U7-A一端连接二极管D24的阴极，另一端通过滤波电感J9连接到TOP261LN开关控制芯片U11的C脚，光电耦合器U7-A的另一端同时通过电容C56和电阻R74、电容C58组成的滤波电路连接到输入地。

启动和关闭电路的差模滤波器L1的4脚连接到整流二极管D26，整流后再连接到滤波电容C70滤波给电阻R70、电阻R69、电阻R80后连接到三极管Q3的基极，整流二极管D26的负极通过滤波电容C70接地，电容C63、电容C64的正极通过电阻R65、电阻R68降压后连接到三极管Q1的集电极，TOP261LN开关控制芯片U11的C脚通过电阻R9连接到三极管Q1的基极和三极管Q3的集电极，电容C63、电容C64的正极通过电阻R83、电阻R84连接到TOP261LN开关控制芯片U11的X脚，TOP261LN开关控制芯片U11的X脚通过电阻R79连接到三极管Q2的集电极，电阻R69的一端通过电阻R81连接到三极管Q2的基极，通过电阻R78接地。

本发明的有益效果是，采用多层PCB板绕线技术代替传统的变压器制造工艺，PCB线路与变压器结合紧密，明显减小了电源板的整体厚度，解决了在一些特定场合和特定产品中对电源的体积及功率密度等的高要求问题，采用高频率的振荡芯片及谐振技术有效减小变压器磁芯的体积，提高电源的能源密度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的电路原理框图。

图2为本发明的电路原理图。

图3为本发明超薄磁芯变压器逻辑图。

图4为本发明超薄磁芯变压器界面图。

图5为本发明超薄磁芯变压器第一层PCB板走线图。

图6为本发明超薄磁芯变压器第二层PCB板走线图。

图7为本发明超薄磁芯变压器第三层PCB板走线图。

图8为本发明超薄磁芯变压器第四层PCB板走线图。

图9为本发明超薄磁芯变压器第五层PCB板走线图。

图中，1.输入电路，2.EMI滤波电路，3.输入整流滤波电路，4.PWM控制电路，5.超薄磁芯变压器，6.辅助电压电路，7.输出整流滤波电路，8.反馈控制电路，9.启动和关闭电路，

具体实施方式

图1所示，本发明设有输入电路1连接EMI滤波电路2，滤波电路2连接输入整流滤波电路3，输入整流滤波电路3分别连接PWM控制电路、启动和关闭电路9，PWM控制电路4分别连接超薄磁芯变压器5、辅助电压电路6、反馈控制电路8及启动和关闭电路9，超薄磁芯变压器5连接输出整流滤波电路7，输出整流滤波电路7连接反馈控制电路8。

市电由输入电路1进入电路板，经EMI滤波电路2和输入整流滤波电路3后得到稳定的直流电压，直接送给超薄磁芯变压器5在线路板上的初级绕组。在高频内置高耐压场效应管的PWM控制电路4的控制下，在变压器次级得到需要的交流电压，经输出整流电路6后得到适宜的直流电。变压器次级输出的直流电的误差由反馈控制电路8送到PWM控制电路4，PWM控制电路4调整其内置的场效应管的导通程度达到稳定输出电压的目的。启动和关闭电路9负责电路在正常输入电压范围内的启动及非正常输入电压条件下的PWM控制电路4的关闭，辅助电压电路6负责电路正常启动后给PWM控制电路4提供稳定的直流供电电压。

图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，超薄磁芯变压器5由五层PCB板叠合而成，线圈部分是通过在PCB板上的镀多层铜箔实现，共线镀有四层线圈，第五层PCB板上镀有反馈线圈，反馈线圈的两端分别为8端及9端，第四层PCB板上镀有初级线圈B，初级线圈B的两端及中间节点分别为3端、5端及4端，第三层PCB板上镀有次级线圈，次级线圈的两端分别为6端及7端，第二层PCB板上镀有镀有初级线圈A，初级线圈A的两端分别为1端、2端，1端、2端、3端、4端、5端、6端、7端、8端及9端通过PCB板上通孔内的铜柱引到第一层PCB板，PCB板上嵌有高频磁芯。

图1、图2所示，EMI滤波电路2由差模滤波器L1、共模滤波器L2、R63、R64、滤波电容C66组成，其中L1由L1-A和L1-B组成。220V输入与共模滤波器L2相连,共模滤波器L2与保险丝F1、滤波电容C66、电阻R63、电阻R64连接，再连接到差模滤波器L1。EMI滤波电路2降低了输入电路的共模和差模干扰信号。EMI滤波电路2的输出直接连到输入整流滤波电路。

输入整流滤波电路3由二极管D25、电容C64、电容C63组成。二极管D25连接电容C64和电容C63的正极，然后连接到超薄磁芯变压器T1的初级，为超薄磁芯变压器提供恒定的直流电压。输入整流电路与超薄磁芯变压器和PWM控制电路相连。

PWM控制电路4由TOP261LN开关控制芯片U11、电容C17、电阻R27等组成。二极管D18的正极连接到控制芯片U11的D脚，D脚通过电容C17和电阻R27连接到地。二极管D24的负极连接到光电耦合器U14-A的1脚，光电耦合器U14-A的2脚通过二极管D33连接到TOP261LN开关控制芯片U11的V脚，二极管D33的正极通过电阻R92和电容C60连接到地。二极管D24的负极连接到光电耦合器U7-A的1脚，光电耦合器U7-A的2脚连接到TOP261LN开关控制芯片U11的C脚，C脚通过电阻R74、电容C58和电容C56接地。

超薄磁芯变压器T1与输入整流电路、辅助电压电路和输出整流电路及PWM控制电路相连。此元件为该电源的核心部件，它与传统的变压器结构不一样。它的线圈部分是通过PCB板上的多层铜箔实现，磁芯是高品质的高频磁芯。此种结构能将整个电源的高度降低，实现了此产品的超薄性能。本电源采用反激式拓扑结构，电路中采用了电容C43、电阻R93、电阻R62、稳压二极管VR2、电阻R72、二极管D18组成浪涌吸收回路来保护在TOP261LN开关控制芯片U11内部的MOSFET。超薄磁芯变压器T1的1端与2端之间是初级线圈A，4端与5端之间是初级线圈B，在线路板上结合为一个初级线圈。6端与7端之间是次级线圈，8端与9端之间是反馈线圈。超薄磁芯变压器T1的3端连接到电容C63的正极，5端连接到超薄变压器的2端，1端连接到TOP261LN开关控制芯片U11的D脚，6端连接到输出地（电容C60的负极），7端连接二极管D27的正极，8端连接输出电源的地，9脚连接二极管D24的正极。

辅助电压电路6由二极管D24、电容C62、电阻R76、电容C57组成。二极管D24的负极连接电容C62的正极，电容C62的负极连接输出地，作用是给PWM控制芯片提供稳定的工作电压。二极管D24是整流二极管，电容C62是滤波电解电容。

输出整流滤波电路7由二极管D27、电容C52、电容C50、滤波电感L9、电容C49组成，是典型的PAI型滤波电路，有效减小输出电压的纹波。超薄磁芯变压器T1的次级连接到二极管D27的正极，再连接电容C52、电容C50的正极和滤波电感L9的一端。滤波电感L9的另一端和电容C49的正极连接到直流电压输出端。电容C52、电容C50和电容C49的负极一起连接到输出地。输出滤波电路通过反馈控制电路将输出电压的变化反馈到PWM控制电路，形成闭环的反馈网络。

反馈控制电路8由TL431精密电压监视器U10、光电耦合器U14、光电耦合器U7、稳压二极管VR1等组成，光电耦合器U14由光电耦合器U14-A和光电耦合器U14-B组成。反馈控制回路具体由过压控制、电压调整电路组成。电阻R76连接到稳压二极管VR1的负极，稳压二极管VR1的正极通过电阻R92连接到二极管D33的正极，二极管D33的负极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的引脚V。此回路为过压保护电路，能将输出电压控制在指定的范围之内。电阻R58连接光电耦合器U7（B）的阳极，光电耦合器U7（B）的阴极连接TL431精密电压监视器U10的阴极，TL431精密电压监视器U10的阳极接输出地，输出电压连接电阻R59和电容C13，再同时连接到电阻R67和TL431精密电压监视器U10的参考点。电容C51和电阻R66连接在TL431精密电压监视器U10的阳极和参考点两端。此回路为电压调整电路，微调控制输出电压的范围，整流二极管D24负极经跳线J5连接到光电耦合器U14-A的一端，光电耦合器U14-A的另一端通过跳线J4连接到二极管D33的阳极，二极管D33的阴极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的V脚。稳压二极管VR4的阳极经电阻R90连接光电耦合器U14-B的阳极，光电耦合器U14-B的阴极连接输出地，光电耦合器U7-A一端连接二极管D24的阴极，另一端通过滤波电感J9连接到TOP261LN开关控制芯片U11的C脚，光电耦合器U7-A的另一端同时通过电容C56和电阻R74、电容C58组成的滤波电路连接到输入地。

启动和关闭电路由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3等组成。差模滤波器L1的4脚连接到整流二极管D26，整流后再连接到滤波电容C70滤波给电阻R70、电阻R69、电阻R80后连接到三极管Q3的基极，整流二极管D26的负极通过滤波电容电容C70接地。以此电路的方式来监视输入的市电的电压大小。电容C63、电容C64的正极通过电阻R65、电阻R68降压后连接到三极管Q1的集电极，TOP261LN开关控制芯片U11的C脚通过R9连接到三极管Q1的基极和三极管Q3的集电极，电容C63、电容C64的正极通过电阻R83、电阻R84连接到TOP261LN开关控制芯片U11的X脚，TOP261LN开关控制芯片U11的X脚通过电阻R79连接到三极管Q2的集电极，电阻R69的一端通过电阻R81连接到三极管Q2的基极，通过电阻R78接地。

TOP261LN开关控制芯片U11通过监视C引脚的电流输出调整控制输出不同的占空比来控制TOP261LN开关控制芯片U11内部MOSFET的导通时间。输出电压通过监视器U2和光电耦器U7将反馈信号送给初级。电容C70、二极管D26检测输入电压的状态，由TOP261LN开关控制芯片U11来控制电源的启动、关闭和重启。如果电压输入电压在正常范围之内，三极管Q3导通，三极管Q1截止,整流后的直流电压通过电阻R65和电阻R68送给TOP261LN开关控制芯片U11的V引脚。TOP261LN开关控制芯片U11的V引脚的门限电流是25uA。输入整流后的直流电压小于100VDC时候，TOP261LN开关控制芯片U11开关打开。三极管Q2的作用是设定一个输入交流电压的下限值来限制TOP261LN开关控制芯片U11在欠压时候的启动。电阻R70、电阻R69、电阻R81和电阻R78控制三极管Q2的状态，当三极管Q2导通时候使能TOP261LN开关控制芯片U11，当三极管Q2关闭时候，TOP261LN开关控制芯片U11的V引脚悬空使TOP261LN开关控制芯片U11处于非工作模式。当输入电压达到100V以前，三极管Q2一直处于关闭状态，迫使TOP261LN开关控制芯片U11一直处于非工作状态。因为三极管Q2是截止的，所以TOP261LN开关控制芯片U11的X引脚通过电阻R79一直是悬空的。

本发明开关控制芯片U11采用了TOPSwitch的开关控制芯片TOP261LN，内部集成高电压MOSFET和PWM控制器，使用反激式拓扑结构。在有限的体积里集成了更多的功能电路，减少了PCB的其他硬件电路，缩减了此电源的体积。用此种PWM控制电路实现了电源的高效功能，加上高频超薄磁芯PCB板式变压器同时实现了本电源的超薄功能。

Claims

1.一种超薄磁芯PCB板式开关电源，设有输入电路，其特征是输入电路连接EMI滤波电路，EMI滤波电路连接输入整流滤波电路，输入整流滤波电路分别与PWM控制电路、启动和电源关闭电路连接，PWM控制电路分别与超薄磁芯变压器、辅助电压电路、反馈控制电路及启动和关闭电路连接，超薄磁芯变压器连接输出滤波电路，输出滤波电路连接反馈控制电路。

2.根据权利要求1所述超薄磁芯PCB板式开关电源，其特征在于所说的超薄磁芯变压器由五层PCB板叠合而成，线圈部分是通过在PCB板上的镀多层铜箔实现，共线镀有四层线圈，第五层PCB板上镀有反馈线圈，反馈线圈的两端分别为8端及9端，第四层PCB板上镀有初级线圈B，初级线圈B的两端及中间节点分别为3端、5端及4端，第三层PCB板上镀有次级线圈，次级线圈的两端分别为6端及7端，第二层PCB板上镀有镀有初级线圈A，初级线圈A的两端分别为1端、2端，1端、2端、3端、4端、5端、6端、7端、8端及9端通过PCB板上通孔内的铜柱引到第一层PCB板，PCB板上嵌有高频磁芯。

3.根据权利要求1所述超薄磁芯PCB板式开关电源，其特征在于所说的输入整流滤波电路由二极管D25、电容C64、电容C63组成，二极管D25连接电容C64和电容C63的正极，然后连接到超薄磁芯变压器的初级，为超薄磁芯变压器提供恒定的直流电压。

4.根据权利要求1所述超薄磁芯PCB板式开关电源，其特征在于所说的PWM控制电路的二极管D18正极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的D脚，D脚通过电容C17和电阻R27连接到地，二极管D24的负极连接到光电耦合器U14-A的1脚，光电耦合器U14-A的2脚通过二极管D33连接到TOP261LN开关控制芯片U11的V脚，二极管D33的正极通过电阻R92和电容C60连接到地，二极管D24的负极连接到光电耦合器U7-A的1脚，光电耦合器U7-A的2脚连接到TOP261LN开关控制芯片U11的C脚，C脚通过电阻R74、电容C58和电容C56接地。

5.辅助电压电路由整流二极管D24、滤波电解电容C62、电阻R76、电容C57组成，整流二极管D24的负极连接滤波电解电容C62的正极，电容C62的负极连接输出地。

6.根据权利要求1所述超薄磁芯PCB板式开关电源，其特征在于所说的输出整流滤波电路由二极管D27、电容C52、电容C50、滤波电感L9、电容C49组成，超薄磁芯变压器的次级连接到二极管D27的正极，再连接电容C52、电容C50的正极和滤波电感L9的一端，滤波电感L9的另一端和电容C49的正极连接到直流电压输出端，电容C52、电容C50和电容C49的负极一起连接到输出地。

7.根据权利要求1所述超薄磁芯PCB板式开关电源，其特征在于所说的反馈控制电路的电阻R76连接到稳压二极管VR1的负极，稳压二极管VR1的正极通过电阻R92连接到二极管D33的正极，二极管D33的负极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的引脚V，电阻R58连接光电耦合器U7-B的阳极，光电耦合器U7-B的阴极连接TL431精密电压监视器U10的阴极，TL431精密电压监视器U10的阳极接输出地，输出电压连接电阻R59和电容C13，再同时连接到电阻R67和TL431精密电压监视器U10的参考点，电容C51和电阻R66连接在TL431精密电压监视器U10的阳极和参考点两端，整流二极管D24负极经跳线J5连接到光电耦合器U14-A的一端，光电耦合器U14-A的另一端通过跳线J4连接到二极管D33的阳极，二极管D33的阴极连接到TOP261LN开关控制芯片U11的V脚，稳压二极管VR4的阳极经电阻R90连接光电耦合器U14-B的阳极，光电耦合器U14-B的阴极连接输出地，光电耦合器U7-A一端连接二极管D24的阴极，另一端通过滤波电感J9连接到TOP261LN开关控制芯片U11的C脚，光电耦合器U7-A的另一端同时通过电容C56和电阻R74、电容C58组成的滤波电路连接到输入地。

8.根据权利要求1所述超薄磁芯PCB板式开关电源，其特征在于所说的启动和关闭电路的差模滤波器L1的4脚连接到整流二极管D26，整流后再连接到滤波电容C70滤波给电阻R70、电阻R69、电阻R80后连接到三极管Q3的基极，整流二极管D26的负极通过滤波电容C70接地，电容C63、电容C64的正极通过电阻R65、电阻R68降压后连接到三极管Q1的集电极，TOP261LN开关控制芯片U11的C脚通过电阻R9连接到三极管Q1的基极和三极管Q3的集电极，电容C63、电容C64的正极通过电阻R83、电阻R84连接到TOP261LN开关控制芯片U11的X脚，TOP261LN开关控制芯片U11的X脚通过电阻R79连接到三极管Q2的集电极，电阻R69的一端通过电阻R81连接到三极管Q2的基极，通过电阻R78接地。