CN102510222A - 一种具有功率因数校正功能的高压开关电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有功率因数校正功能的高压开关电源电路，外供电整流电路通过PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、高压整流滤波电路、高压反馈电路与PFC及PWM控制电路连接，PFC及PWM控制电路分别与PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、辅助供电电路、PFC输入电流取样电路、PWM输入电流取样电路、PFC开关输出过压保护电路连接；其有益效果是：在交流供电输入时，通过功率因数校正技术，一方面，保证了供电线路的电流和电压波形同相，提高了功率因数，达到节能的目的；另一方面，隔离了因电容充放电造成输入电网电流波形产生畸变的弊端。另外，这个电路的主控制芯片ML4824是集功率因数校正（PFC）和脉宽调制（PWM）于一体的集成控制器，使电源整机电路大为简化。
Description
技术领域
本发明涉及一种广泛应用于电子工业、科研、军工、医疗等领域测量仪器设备中的具有功率因数校正功能的高压开关电源电路。
背景技术
随着科技发展，市场需求的增加，高压电源作为一种用途广泛的特殊电源，用户对其各项性能指标的要求越来越高。除降低开关损耗、减小输出纹波、保证稳定性及可靠性外，对于交流供电输入时，交流电网电压在转换直流过程中，由于整流桥仅在输入电压绝对值大于输出电压时才导通，其输入电流呈尖峰状，因此功率因数较低。如何提高功率因数，减小或避免负载对供电线路电流波形的干扰，成为高压电源领域中急待解决的问题。
发明内容
鉴于市场实际需求情况及今后发展趋势，本发明提供了一种具有功率因数校正功能的高压开关电源电路。
本发明为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种具有功率因数校正功能的高压开关电源电路，该电源电路包括外供电整流电路、高压整流滤波电路，其特征在于：还包括PFC及PWM控制电路、PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、辅助供电电路、PFC输入电流取样电路、PWM输入电流取样电路、PFC开关输出过压保护电路、高压取样及反馈电路，所述外供电整流电路通过PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、高压整流滤波电路、高压反馈电路与PFC及PWM控制电路连接，所述PFC及PWM控制电路分别与PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、辅助供电电路、PFC输入电流取样电路、PWM输入电流取样电路、PFC开关输出过压保护电路连接；
所述PFC及PWM控制电路中，控制芯片U1的PFC电流误差放大器输出1脚分别接电阻R5和电容C1的一端，电阻R5的另一端接电容C2的一端，控制芯片U1的基准电压输出端14脚分别接电容C10、电阻R1、电阻R2的一端以及电容C1、电容C2的另一端，电阻R4和电容C7串联后与电容C8并联，电容C8的一端接控制芯片U1的PFC电压误差放大器输出16脚，电阻R3与电容C9并联，电阻R3的一端分别接控制芯片U1的PFC稳压控制输入端15脚、电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电阻R11的一端，电容C11的一端接控制芯片U1的芯片供电电压端13脚，电容C3的一端接控制芯片U1的软启动端5脚，控制芯片U1的接地端10脚接输入地G，电容C8的另一端分别与电阻R3、电容C10、电容C11、电容C3的另一端相连并接输入地G，电阻R1的另一端分别接控制芯片U1的内部振荡频率设定端7脚和电容C5的一端，电阻R2的另一端分别接控制芯片U1的PWM稳压控制输入端6脚和电容C4的一端，二极管D4的负极接控制芯片U1的PFC栅极驱动输出端12脚，二极管D3的负极接控制芯片U1的PWM栅极驱动输出端11脚，二极管D3和D4的正极分别与电容C4和C5的另一端相连并接输入地G，电容C6与电阻R10并联，控制芯片U1的PFC输入电压幅值取样端4脚分别接电阻R9和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接输入地G，电阻R9的另一端通过电阻R8接外供电整流电路中二极管D10的负极，控制芯片U1的PFC输入波形电压取样端2脚通过电阻R7和电阻R6接外供电整流电路中二极管D10的负极；
所述PFC功率开关电路中，电感L1的一端与二极管D7的正极相连并接外供电整流电路中二极管D10的负极，电感L1的另一端分别接二极管D8的正极和三极管T2的漏极，二极管D8的负极分别接二极管D7的负极、电容C15的正极、PFC及PWM控制电路中电阻R11的另一端，电容C15的负极与三极管T2的源极相连并接输入地G，三极管T2的栅极通过电阻R31接PFC及PWM控制电路中PFC栅极驱动输出端12脚；
所述PWM功率驱动电路中，电阻R17与电容C17并联，电阻R18与二极管D14并联，三极管T3的栅极分别接电阻R17的一端、二极管D14的负极，三极管T3的源极分别接变压器TRF1初级绕组L13的异名端、变压器TRF2次级绕组L22的异名端、二极管D16的负极、二极管D14的正极，变压器TRF2次级绕组L22的同名端接电阻R17的另一端，变压器TRF1初级绕组L13的同名端分别接二极管D15的正极、三极管T1的漏极，二极管D15的负极与三极管T3的漏极相连并接PFC功率开关电路中电容C15的正极，变压器TRF2初级绕组L21的异名端与二极管D16的正极相连并接输入地G，电阻R15和二极管D13并联，变压器TRF2初级绕组L21的同名端通过电容C18和电阻R16分别接电阻R15的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PWM栅极驱动输出端11脚，电阻R15的另一端接三极管T1的栅极；
所述辅助供电电路中，变压器TRF1次级绕组L11的同名端接二极管D5的正极，变压器TRF1次级绕组L11的异名端接输入地G，二极管D5的负极分别接电阻R13的一端、电容C14的正极，电阻R13的另一端分别接二极管D6的负极、电容C13的正极、电阻R14的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的芯片供电电压端13脚，二极管D6的正极分别与电容C13、电容C14的负极相连并接输入地G，电阻R14的另一端接PFC功率开关电路中二极管D7的正极；
所述PFC输入电流取样电路中，二极管D1和二极管D2同向串联，电阻R0的一端分别接外供电整流电路中二极管D12的正极、二极管D1的负极、PFC及PWM控制电路中PFC输入电流取样端3脚，电阻R0的另一端与二极管D2的正极相连并接输入地G；
所述PWM输入电流取样电路中，电阻R19的一端分别接电阻R20的一端、PWM功率驱动电路中三极管T1的源极，电阻R20的另一端分别接电容C16的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PWM电流限制比较输入端9脚，电容C16的另一端接输入地G；
所述PFC开关输出过压保护电路中，电容C12的一端分别接电阻R30的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PFC斜波电压输入端8脚，电容C12的另一端接输入地G，电阻R30的另一端通过电阻R29接PFC功率开关电路中电容C15的正极；
所述高压取样及反馈电路中，变压器TRF1次级绕组L14的同名端接二极管D21的正极，电阻R22与电容C25并联，二极管D21的负极分别接电容C25的正极、电阻R23和电阻R24的一端，变压器TRF1次级绕组L14的异名端与电容C25的负极相连并接高压输出地HVGND，电阻R23的另一端接光电耦合器U2的输入发射管的正极1脚，电阻R24的另一端分别接光电耦合器U2的输入发射管的负极2脚、电容C26的一端、可调基准源U3的阴极K端，电容C26的另一端分别接电阻R25和电阻R28的一端、可调基准源U3的控制端R端，电阻R25的另一端与可调基准源U3的阳极A端相连并接高压输出地HVGND，电阻R28的另一端通过电阻R27和电阻R26接高压整流滤波电路中高压输出端+HV.Out端，光电耦合器U2输出接收管的集电极4脚接PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PFC斜波电压输入端6脚，光电耦合器U2输出接收管的发射极3脚接输入地G.。
本发明的有益效果是：在交流供电输入时，通过功率因数校正技术，一方面，保证了供电线路的电流和电压波形同相，提高了功率因数，达到节能的目的；另一方面，隔离了因电容充放电造成输入电网电流波形产生畸变的弊端。另外，这个电路的主控制芯片ML4824是集功率因数校正（PFC）和脉宽调制（PWM）于一体的集成控制器，使电源整机电路大为简化。
附图说明
图1为本发明的电路连接框图。
图2为本发明的电路原理图。
具体实施方式
如图1、2所示，具有功率因数校正功能的高压开关电源电路，包括外供电整流电路、高压整流滤波电路，还包括PFC及PWM控制电路、PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、辅助供电电路、PFC输入电流取样电路、PWM输入电流取样电路、PFC开关输出过压保护电路、高压取样及反馈电路，外供电整流电路通过PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、高压整流滤波电路、高压反馈电路与PFC及PWM控制电路连接，PFC及PWM控制电路分别与PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、辅助供电电路、PFC输入电流取样电路、PWM输入电流取样电路、PFC开关输出过压保护电路连接；
PFC及PWM控制电路中，控制芯片U1的PFC电流误差放大器输出1脚分别接电阻R5和电容C1的一端，电阻R5的另一端接电容C2的一端，控制芯片U1的基准电压输出端14脚分别接电容C10、电阻R1、电阻R2的一端以及电容C1、电容C2的另一端，电阻R4和电容C7串联后与电容C8并联，电容C8的一端接控制芯片U1的PFC电压误差放大器输出16脚，电阻R3与电容C9并联，电阻R3的一端分别接控制芯片U1的PFC稳压控制输入端15脚、电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电阻R11的一端，电容C11的一端接控制芯片U1的芯片供电电压端13脚，电容C3的一端接控制芯片U1的软启动端5脚，控制芯片U1的接地端10脚接输入地G，电容C8的另一端分别与电阻R3、电容C10、电容C11、电容C3的另一端相连并接输入地G，电阻R1的另一端分别接控制芯片U1的内部振荡频率设定端7脚和电容C5的一端，电阻R2的另一端分别接控制芯片U1的PWM稳压控制输入端6脚和电容C4的一端，二极管D4的负极接控制芯片U1的PFC栅极驱动输出端12脚，二极管D3的负极接控制芯片U1的PWM栅极驱动输出端11脚，二极管D3和D4的正极分别与电容C4和C5的另一端相连并接输入地G，电容C6与电阻R10并联，控制芯片U1的PFC输入电压幅值取样端4脚分别接电阻R9和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接输入地G，电阻R9的另一端通过电阻R8接外供电整流电路中二极管D10的负极，控制芯片U1的PFC输入波形电压取样端2脚通过电阻R7和电阻R6接外供电整流电路中二极管D10的负极；
PFC功率开关电路中，电感L1的一端与二极管D7的正极相连并接外供电整流电路中二极管D10的负极，电感L1的另一端分别接二极管D8的正极和三极管T2的漏极，二极管D8的负极分别接二极管D7的负极、电容C15的正极、PFC及PWM控制电路中电阻R11的另一端，电容C15的负极与三极管T2的源极相连并接输入地G，三极管T2的栅极通过电阻R31接PFC及PWM控制电路中PFC栅极驱动输出端12脚；
PWM功率驱动电路中，电阻R17与电容C17并联，电阻R18与二极管D14并联，三极管T3的栅极分别接电阻R17的一端、二极管D14的负极，三极管T3的源极分别接变压器TRF1初级绕组L13的异名端、变压器TRF2次级绕组L22的异名端、二极管D16的负极、二极管D14的正极，变压器TRF2次级绕组L22的同名端接电阻R17的另一端，变压器TRF1初级绕组L13的同名端分别接二极管D15的正极、三极管T1的漏极，二极管D15的负极与三极管T3的漏极相连并接PFC功率开关电路中电容C15的正极，变压器TRF2初级绕组L21的异名端与二极管D16的正极相连并接输入地G，电阻R15和二极管D13并联，变压器TRF2初级绕组L21的同名端通过电容C18和电阻R16分别接电阻R15的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PWM栅极驱动输出端11脚，电阻R15的另一端接三极管T1的栅极；
辅助供电电路中，变压器TRF1次级绕组L11的同名端接二极管D5的正极，变压器TRF1次级绕组L11的异名端接输入地G，二极管D5的负极分别接电阻R13的一端、电容C14的正极，电阻R13的另一端分别接二极管D6的负极、电容C13的正极、电阻R14的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的芯片供电电压端13脚，二极管D6的正极分别与电容C13、电容C14的负极相连并接输入地G，电阻R14的另一端接PFC功率开关电路中二极管D7的正极；
PFC输入电流取样电路中，二极管D1和二极管D2同向串联，电阻R0的一端分别接外供电整流电路中二极管D12的正极、二极管D1的负极、PFC及PWM控制电路中PFC输入电流取样端3脚，电阻R0的另一端与二极管D2的正极相连并接输入地G；
PWM输入电流取样电路中，电阻R19的一端分别接电阻R20的一端、PWM功率驱动电路中三极管T1的源极，电阻R20的另一端分别接电容C16的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PWM电流限制比较输入端9脚，电容C16的另一端接输入地G；
PFC开关输出过压保护电路中，电容C12的一端分别接电阻R30的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PFC斜波电压输入端8脚，电容C12的另一端接输入地G，电阻R30的另一端通过电阻R29接PFC功率开关电路中电容C15的正极；
高压取样及反馈电路中，变压器TRF1次级绕组L14的同名端接二极管D21的正极，电阻R22与电容C25并联，二极管D21的负极分别接电容C25的正极、电阻R23和电阻R24的一端，变压器TRF1次级绕组L14的异名端与电容C25的负极相连并接高压输出地HVGND，电阻R23的另一端接光电耦合器U2的输入发射管的正极1脚，电阻R24的另一端分别接光电耦合器U2的输入发射管的负极2脚、电容C26的一端、可调基准源U3的阴极K端，电容C26的另一端分别接电阻R25和电阻R28的一端、可调基准源U3的控制端R端，电阻R25的另一端与可调基准源U3的阳极A端相连并接高压输出地HVGND，电阻R28的另一端通过电阻R27和电阻R26接高压整流滤波电路中高压输出端+HV.Out端，光电耦合器U2输出接收管的集电极4脚接PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PFC斜波电压输入端6脚，光电耦合器U2输出接收管的发射极3脚接输入地G；
主控制芯片U1采用ML4824，它是集功率因数校正（PFC）和脉宽调制（PWM）于一体的复合集成控制器，采用一个时钟信号，一套控制电路，同时控制两级电路。用它来完成PFC和PWM的振荡、控制和激励工作。PFC和PWM级分别采用了上升沿和下降沿的控制方式，减小了PFC输出电容，降低了输出电压的纹波。
除具有功率因数校正功能外，主控制芯片U1（ML4824）还具有软启动、过压保护、峰值电流限制、欠压锁定、占空比限制等功能。
输入、输出完全隔离，通过隔离反馈控制输出高压。
工作原理
接通交流供电电源，主控制芯片U1的供电电压端13脚加电后，其内部振荡器开始工作，通过电阻R1和电容C5的给定值，确定振荡器的振荡频率。该引脚电压通过内部的稳压器稳压后，作为基准电压从控制芯片U1的14脚输出，它一方面作为振荡器定时元件的基准电压，另一方面为其它保护电路提供基准电压。
对于PFC输入电流取样电路部分来说，振荡器输出的信号，受PFC输入波形电压取样端2脚和PFC输入电压幅值取样端4脚信息的控制，控制其相位和占空比，经处理后由PFC栅极驱动输出端12脚输出，去激励PFC功率开关电路中三极管T2的工作。三极管T2导通时，电网供电整流后电压经过电感L1，把电能转化为磁能存储在电感L1上；三极管T2断开时，存储在电感L1上的磁能又转化为电能，经二极管D8整流输出，作为后面高压电源的工作电压。
对于PWM功率驱动电路部分来说，PFC功率开关电路工作后，为PWM功率开关管T1和T3提供了工作电压。高压输出的采样控制信号，通过光电耦合器U2，反馈到主控制芯片U1的PWM稳压控制输入端6脚。经处理后，由控制芯片U1的PWM栅极驱动输出端11脚输出PWM的激励信号，它同时控制三极管T1和T3的工作状态。再通过功率输出变压器TRF1，将电能输送至高压整流滤波电路。
二极管D7的作用是在开机的瞬间，限制电感L1因浪涌电流产生的巨大自感电动势，避免形成较大的电流对后面电容充电，而造成电路故障。
Claims (1)
1.一种具有功率因数校正功能的高压开关电源电路，包括外供电整流电路、高压整流滤波电路，其特征在于：还包括PFC及PWM控制电路、PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、辅助供电电路、PFC输入电流取样电路、PWM输入电流取样电路、PFC开关输出过压保护电路、高压取样及反馈电路，所述外供电整流电路通过PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、高压整流滤波电路、高压反馈电路与PFC及PWM控制电路连接，所述PFC及PWM控制电路分别与PFC功率开关电路、PWM功率驱动电路、辅助供电电路、PFC输入电流取样电路、PWM输入电流取样电路、PFC开关输出过压保护电路连接；
所述PFC及PWM控制电路中，控制芯片U1的PFC电流误差放大器输出1脚分别接电阻R5和电容C1的一端，电阻R5的另一端接电容C2的一端，控制芯片U1的基准电压输出端14脚分别接电容C10、电阻R1、电阻R2的一端以及电容C1、电容C2的另一端，电阻R4和电容C7串联后与电容C8并联，电容C8的一端接控制芯片U1的PFC电压误差放大器输出16脚，电阻R3与电容C9并联，电阻R3的一端分别接控制芯片U1的PFC稳压控制输入端15脚、电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电阻R11的一端，电容C11的一端接控制芯片U1的芯片供电电压端13脚，电容C3的一端接控制芯片U1的软启动端5脚，控制芯片U1的接地端10脚接输入地G，电容C8的另一端分别与电阻R3、电容C10、电容C11、电容C3的另一端相连并接输入地G，电阻R1的另一端分别接控制芯片U1的内部振荡频率设定端7脚和电容C5的一端，电阻R2的另一端分别接控制芯片U1的PWM稳压控制输入端6脚和电容C4的一端，二极管D4的负极接控制芯片U1的PFC栅极驱动输出端12脚，二极管D3的负极接控制芯片U1的PWM栅极驱动输出端11脚，二极管D3和D4的正极分别与电容C4和C5的另一端相连并接输入地G，电容C6与电阻R10并联，控制芯片U1的PFC输入电压幅值取样端4脚分别接电阻R9和电阻R10的一端，电阻R10的另一端接输入地G，电阻R9的另一端通过电阻R8接外供电整流电路中二极管D10的负极，控制芯片U1的PFC输入波形电压取样端2脚通过电阻R7和电阻R6接外供电整流电路中二极管D10的负极；
所述PFC功率开关电路中，电感L1的一端与二极管D7的正极相连并接外供电整流电路中二极管D10的负极，电感L1的另一端分别接二极管D8的正极和三极管T2的漏极，二极管D8的负极分别接二极管D7的负极、电容C15的正极、PFC及PWM控制电路中电阻R11的另一端，电容C15的负极与三极管T2的源极相连并接输入地G，三极管T2的栅极通过电阻R31接PFC及PWM控制电路中PFC栅极驱动输出端12脚；
所述PWM功率驱动电路中，电阻R17与电容C17并联，电阻R18与二极管D14并联，三极管T3的栅极分别接电阻R17的一端、二极管D14的负极，三极管T3的源极分别接变压器TRF1初级绕组L13的异名端、变压器TRF2次级绕组L22的异名端、二极管D16的负极、二极管D14的正极，变压器TRF2次级绕组L22的同名端接电阻R17的另一端，变压器TRF1初级绕组L13的同名端分别接二极管D15的正极、三极管T1的漏极，二极管D15的负极与三极管T3的漏极相连并接PFC功率开关电路中电容C15的正极，变压器TRF2初级绕组L21的异名端与二极管D16的正极相连并接输入地G，电阻R15和二极管D13并联，变压器TRF2初级绕组L21的同名端通过电容C18和电阻R16分别接电阻R15的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PWM栅极驱动输出端11脚，电阻R15的另一端接三极管T1的栅极；
所述辅助供电电路中，变压器TRF1次级绕组L11的同名端接二极管D5的正极，变压器TRF1次级绕组L11的异名端接输入地G，二极管D5的负极分别接电阻R13的一端、电容C14的正极，电阻R13的另一端分别接二极管D6的负极、电容C13的正极、电阻R14的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的芯片供电电压端13脚，二极管D6的正极分别与电容C13、电容C14的负极相连并接输入地G，电阻R14的另一端接PFC功率开关电路中二极管D7的正极；
所述PFC输入电流取样电路中，二极管D1和二极管D2同向串联，电阻R0的一端分别接外供电整流电路中二极管D12的正极、二极管D1的负极、PFC及PWM控制电路中PFC输入电流取样端3脚，电阻R0的另一端与二极管D2的正极相连并接输入地G；
所述PWM输入电流取样电路中，电阻R19的一端分别接电阻R20的一端、PWM功率驱动电路中三极管T1的源极，电阻R20的另一端分别接电容C16的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PWM电流限制比较输入端9脚，电容C16的另一端接输入地G；
所述PFC开关输出过压保护电路中，电容C12的一端分别接电阻R30的一端、PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PFC斜波电压输入端8脚，电容C12的另一端接输入地G，电阻R30的另一端通过电阻R29接PFC功率开关电路中电容C15的正极；
所述高压取样及反馈电路中，变压器TRF1次级绕组L14的同名端接二极管D21的正极，电阻R22与电容C25并联，二极管D21的负极分别接电容C25的正极、电阻R23和电阻R24的一端，变压器TRF1次级绕组L14的异名端与电容C25的负极相连并接高压输出地HVGND，电阻R23的另一端接光电耦合器U2的输入发射管的正极1脚，电阻R24的另一端分别接光电耦合器U2的输入发射管的负极2脚、电容C26的一端、可调基准源U3的阴极K端，电容C26的另一端分别接电阻R25和电阻R28的一端、可调基准源U3的控制端R端，电阻R25的另一端与可调基准源U3的阳极A端相连并接高压输出地HVGND，电阻R28的另一端通过电阻R27和电阻R26接高压整流滤波电路中高压输出端+HV.Out端，光电耦合器U2输出接收管的集电极4脚接PFC及PWM控制电路中控制芯片U1的PFC斜波电压输入端6脚，光电耦合器U2输出接收管的发射极3脚接输入地G。
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