CN103762859A - 一种无电解隔离型谐振开关电源 - Google Patents

一种无电解隔离型谐振开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明应用于工矿恶劣的需要直流供电的设备，主要包括大功率LED灯具以及机械设备，具体的说是涉及一种无电解隔离型谐振开关电源。该开关电源在本发明的电源中使用无极性高频电容取代电解电容，这种取代不是简单的更换，由于无极性高频电容在实际应用中都有体积上的限定，与电解电容同体积的无极性高频电容的容量只有电解电容的四十分之一，所以为满足灯具和设备的安装要求，电源的外形尺寸被限定，那么无极性高频电容的容量值远远低于传统电源的电解电容容量。

Description

一种无电解隔离型谐振开关电源
技术领域
    本发明应用于工矿恶劣的需要直流供电的设备，主要包括大功率LED灯具以及机械设备，具体的说是涉及一种无电解隔离型谐振开关电源。
背景技术
目前针对大功率LED灯具以及机械设备所用的直流驱动电源为灯具以及设备正常工作提供电能（直流电），它能将交流电的输入电压逆变成负载所需的直流电压或电流，当输入电压或负载发生变化时依然能够为负载提供稳定的电压和电流，从而保障负载的正常工作。在实现方法一般采用将交流电整流成直流电，通过直流逆变稳压技术实现稳定的直流输出。
    这类电源中都有一个必不可少的重要器件电解电容，电解电容起到储能和平抑低频纹波的作用，是电源能够输出符合负载工作要求的保证性器件，电解电容所含的电解质对于工作温度和存储时间都有限制条件，行业公认电解电容在标称温度下工作时限是8000-10000小时，电解质在工作过程中有趋于干涸的过程，这将致使电解电容的容量值的下降，从而使得电源输出的参数变坏，甚至使电源失效，由于电源的其他组成器件（变压器、电感、晶体管以及集成电路）在允许的工作温度和寿命上都远远大于电解电容的工作许可条件，所以在评估电源的性能和寿命上电解电容就是主要的短板，它主要限定了电源的寿命和参数的稳定性。
发明内容
针对上述技术中的不足，本发明提供了一种无电解隔离型谐振开关电源，该开关电源在本发明的电源中使用无极性高频电容取代电解电容，这种取代不是简单的更换，由于无极性高频电容在实际应用中都有体积上的限定，与电解电容同体积的无极性高频电容的容量只有电解电容的四十分之一，所以为满足灯具和设备的安装要求，电源的外形尺寸被限定，那么无极性高频电容的容量值远远低于传统电源的电解电容容量。
为解决上述技术问题，本发明通过以下方案来实现：一种无电解隔离型谐振开关电源，包括：
对输入的交流电整流成直流，同时采用差模电感LF1、共模电感LF2/LF3、滤波电容器件CY1/CY2/CY3/CX1/CX2对进入电源和电源内部反射到电网的传导噪声进行抑制的整流滤波模块；
采用有源功率因数校正电路保证电源具有高的功率因数校正模块；
将PFC输出的直流逆变成符合负载要求的电压或电流直流逆变模块；
采样电压或电流的变化量，将这个变化量反馈给逆变控制芯片来调节输出量，以期达到输出的稳定的反馈控制模块。
进一步的，无电解隔离型谐振开关电源还包括为功率因数校正模块、直流逆变模块、反馈控制模块、辅助电源芯片和电路供给相应电能的辅助电源模块。
进一步的，所述差模电感LF1、共模电感LF2/LF3串联在电路中，与滤波电容器件CY1/CY2/CY3/CX1/CX2滤除电网端的噪声，以及抑制电源向电网的传导噪声，避免电网噪声对电源工作的影响，满足电磁兼容的要求。
进一步的，在共模电感LF2/LF3后电性连接整流桥DB1, 该整流桥DB1整流获得直流，经PFC电感L1、整流二极管D1、开关管Q1、无极性电容C3以及PFC控制芯片共同作用下校正流经输入端的电压、电流的相位以及总谐波失真，实现功率因数校正的目的。
进一步的，所述PFC电感L1输出的直流加载到由开关管Q2、开关管Q3、L3、隔离开关变压器T2、C15组成的半桥谐振电路，U3是开关管Q2、开关管Q3的驱动控制实现固定占空比的变频调制，其工作频率依据负载的大小进行相应的变化，同时U3通过光耦接收输出端的变量信号，其对该变量进行内部运算调节开关频率，稳定输出参数。
进一步的，所述开关管Q2、开关管Q3的驱动变压器是T3，L3、C15以及隔离开关变压器T2初级电感共同组成LLC谐振电路，使得隔离开关变压器T2的初级电流波形是准正弦波，因此次级的电流波形也和初级相同，这将有效降低开关管Q2、开关管Q3的开关损耗，降低温升提高电源的转换效率。
进一步的，所述隔离开关变压器T2实现输出端与输入端的绝缘隔离，提高电源的安全性；D4、D5是高频整流管，它们将T2次级输出的交变电转为直流，经无极性电容L2和无极性电容C8滤波到输出端，R15是采样电阻，其对回流到T2的电流进行采样，次采样电压经过运放U4的放大处理驱动光耦U5B的光电管，由于流过U5A的电流变化带来U5B的Vce变化，从而调节工作频率，稳定输出参数，这部分实现不论输入电压和负载的变化，确保流进负载的电流稳定在预期范围之内。
本发明的有益效果是：
1. 本发明的无电解隔离型谐振开关电源可以应用于50W-200W的大功率LED灯具，一些工作与环境 温度50℃-70℃的设备中，寿命大于50000小时，在寿命期间性能无明显下降或变坏。
2. 采用整流滤波模块，对输入的交流电整流成直流，同时采用共差模电感、滤波电容等器件对进入电源和电源内部反射到电网的传导噪声进行抑制，以期满足EMC的标准。
3. 采用有源功率因数校正电路保证电源具有高的功率因数。
4. 将PFC输出的直流逆变成符合负载要求的电压或电流。
5. 采用反馈控制模块，由于输入电压和负载的变化，将影响直流逆变的输出参数的稳定性，有了反馈控制采样电压或电流的变化量，将这个变化量反馈给逆变控制芯片来调节输出量，达到输出的稳定。
6. 为功率因数校正、直流逆变、反馈控制、辅助电源芯片和电路供给相应的电能。
7. 可以满足电磁兼容的要求。
8. 本发明无电解隔离型谐振开关电源可以稳定输出参数。
9. 降低温升提高电源的转换效率。
10.调节工作频率，稳定输出参数，实现不论输入电压和负载的变化，确保流进负载的电流稳定在预期范围之内。
11. 反馈控制电路VR1提供参考基准，所有采样数据与其比较调节U5A的电流；U4A跟踪电流变化，起到恒流控制作用；U4B跟踪输出电压变化，控制输出电压在允许范围内，保护负载安全。
12. 辅助电源由控制芯片U2与T1构成反激式开关电源，为功率因数校正、直流逆变、反馈控制、辅助电源芯片和电路供给相应的电能。
附图说明
图1为本发明无电解隔离型谐振开关电源内部主要模块连接框图。
图2为本发明无电解LED电源电路图。
图3为图2中的A部放大图。
图4为图2中的B部放大图。
图5为图2中的C部放大图。
图6为图2中的D部放大图。
图7为图2中的E部放大图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明。
在本发明的电源中使用无极性高频电容取代电解电容，这种取代不是简单的更换，由于无极性高频电容在实际应用中都有体积上的限定，与电解电容同体积的无极性高频电容的容量只有电解电容的四十分之一，所以为满足灯具和设备的安装要求，电源的外形尺寸被限定，那么无极性高频电容的容量值远远低于传统电源的电解电容容量，为保证电源的输出参数要求，在线路设计上必然与传统电源不同。
如图1、图2所示，一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于，包括：
对输入的交流电整流成直流，同时采用差模电感LF1、共模电感LF2/LF3、滤波电容器件CY1/CY2/CY3/CX1/CX2对进入电源和电源内部反射到电网的传导噪声进行抑制的整流滤波模块；
采用有源功率因数校正电路保证电源具有高的功率因数校正模块；
将PFC输出的直流逆变成符合负载要求的电压或电流直流逆变模块；
采样电压或电流的变化量，将这个变化量反馈给逆变控制芯片来调节输出量，以期达到输出的稳定的反馈控制模块。
还包括为功率因数校正模块、直流逆变模块、反馈控制模块、辅助电源芯片和电路供给相应电能的辅助电源模块。
所述差模电感LF1、共模电感LF2/LF3串联在电路中，与滤波电容器件CY1/CY2/CY3/CX1/CX2滤除电网端的噪声，以及抑制电源向电网的传导噪声，避免电网噪声对电源工作的影响，满足电磁兼容的要求。
在共模电感LF2/LF3后电性连接整流桥DB1, 该整流桥DB1整流获得直流，经PFC电感L1、整流二极管D1、开关管Q1、无极性电容C3以及PFC控制芯片共同作用下校正流经输入端的电压、电流的相位以及总谐波失真，实现功率因数校正的目的。
所述PFC电感L1输出的直流加载到由开关管Q2、开关管Q3、L3、隔离开关变压器T2、C15组成的半桥谐振电路，U3是开关管Q2、开关管Q3的驱动控制实现固定占空比的变频调制，其工作频率依据负载的大小进行相应的变化，同时U3通过光耦接收输出端的变量信号，其对该变量进行内部运算调节开关频率，稳定输出参数。
所述开关管Q2、开关管Q3的驱动变压器是T3，L3、C15以及隔离开关变压器T2初级电感共同组成LLC谐振电路，使得隔离开关变压器T2的初级电流波形是准正弦波，因此次级的电流波形也和初级相同，这将有效降低开关管Q2、开关管Q3的开关损耗，降低温升提高电源的转换效率。
所述隔离开关变压器T2实现输出端与输入端的绝缘隔离，提高电源的安全性；D4、D5是高频整流管，它们将T2次级输出的交变电转为直流，经无极性电容L2和无极性电容C8滤波到输出端，R15是采样电阻，其对回流到T2的电流进行采样，次采样电压经过运放U4的放大处理驱动光耦U5B的光电管，由于流过U5A的电流变化带来U5B的Vce变化，从而调节工作频率，稳定输出参数，这部分实现不论输入电压和负载的变化，确保流进负载的电流稳定在预期范围之内。
以下作详细描述本发明无电解隔离型谐振开关电源工作原理：
1.如图3所示，交流电由AC1A-B输入，经过差模电感LF1和共模电感LF2/LF3以及滤波电容CY1/CY2/CY3/CX1/CX2滤除电网端的噪声以及抑制电源向电网的传导噪声，避免电网噪声对电源工作的影响，满足电磁兼容的要求。
2.如图3、图4所示，经整流桥DB1整流获得直流，经PFC电感L1、整流二极管D1、开关管Q1、C3(无极性电容）以及PFC控制芯片共同作用下校正流经输入端的电压、电流的相位以及总谐波失真，实现功率因数校正的目的。
3.如图6所示，PFC输出的直流加载到由Q2、Q3、L3、T2、C15组成的半桥谐振电路，U3是Q2、Q3的驱动控制实现固定占空比的变频调制，其工作频率依据负载的大小进行相应的变化，同时U3通过光耦接收输出端的变量信号，其对该变量进行内部运算调节开关频率，稳定输出参数。
4.如图6、图7所示，T3是开关管Q2、Q3的驱动变压器，L3、C15以及T2初级电感共同组成LLC谐振电路，使得T2的初级电流波形是准正弦波，因此次级的电流波形也和初级相同，这将有效降低开关管Q2、Q3的开关损耗，降低温升提高电源的转换效率，这也是这款电源高效率的关键所在。
5.如图5、图7所示，T2是隔离开关变压器，可以实现输出端与输入端的绝缘隔离，提高电源的安全性；D4、D5是高频整流管，它们将T2次级输出的交变电转为直流，经L2和C8（无极性电容）滤波到输出端，R15是采样电阻，其对回流到T2的电流进行采样，次采样电压经过运放U4的放大处理驱动光耦U5B的光电管，（如图6左下）由于流过U5A的电流变化带来U5B的Vce变化，从而调节工作频率，稳定输出参数，这部分实现不论输入电压和负载的变化，确保流进负载的电流稳定在预期范围之内；
6.如图7右下，反馈控制电路VR1提供参考基准，所有采样数据与其比较调节U5A的电流（如图6左下）；U4A跟踪电流变化（如图7），起到恒流控制作用；U4B（如图7）跟踪输出电压变化，控制输出电压在允许范围内，保护负载安全。
辅助电源模块由控制芯片U2与T1构成反激式开关电源，为功率因数校正、直流逆变、反馈控制、辅助电源芯片和电路供给相应的电能。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于，包括：
对输入的交流电整流成直流，同时采用差模电感LF1、共模电感LF2/LF3、滤波电容器件CY1/CY2/CY3/CX1/CX2对进入电源和电源内部反射到电网的传导噪声进行抑制的整流滤波模块；
采用有源功率因数校正电路保证电源具有高的功率因数校正模块；
将PFC输出的直流逆变成符合负载要求的电压或电流直流逆变模块；
采样电压或电流的变化量，将这个变化量反馈给逆变控制芯片来调节输出量，以期达到输出的稳定的反馈控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于：还包括为功率因数校正模块、直流逆变模块、反馈控制模块、辅助电源芯片和电路供给相应电能的辅助电源模块。
3.根据权利要求1所述的一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于：所述差模电感LF1、共模电感LF2/LF3串联在电路中，与滤波电容器件CY1/CY2/CY3/CX1/CX2滤除电网端的噪声，以及抑制电源向电网的传导噪声，避免电网噪声对电源工作的影响，满足电磁兼容的要求。
4.根据权利要求1所述的一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于：在共模电感LF2/LF3后电性连接整流桥DB1, 该整流桥DB1整流获得直流，经PFC电感L1、整流二极管D1、开关管Q1、无极性电容C3以及PFC控制芯片共同作用下校正流经输入端的电压、电流的相位以及总谐波失真，实现功率因数校正的目的。
5.根据权利要求4所述的一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于：所述PFC电感L1输出的直流加载到由开关管Q2、开关管Q3、L3、隔离开关变压器T2、C15组成的半桥谐振电路，U3是开关管Q2、开关管Q3的驱动控制实现固定占空比的变频调制，其工作频率依据负载的大小进行相应的变化，同时U3通过光耦接收输出端的变量信号，其对该变量进行内部运算调节开关频率，稳定输出参数。
6.根据权利要求5所述的一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于：所述开关管Q2、开关管Q3的驱动变压器是T3，L3、C15以及隔离开关变压器T2初级电感共同组成LLC谐振电路，使得隔离开关变压器T2的初级电流波形是准正弦波，因此次级的电流波形也和初级相同，这将有效降低开关管Q2、开关管Q3的开关损耗，降低温升提高电源的转换效率。
7.根据权利要求5所述的一种无电解隔离型谐振开关电源，其特征在于：所述隔离开关变压器T2实现输出端与输入端的绝缘隔离，提高电源的安全性；D4、D5是高频整流管，它们将T2次级输出的交变电转为直流，经无极性电容L2和无极性电容C8滤波到输出端，R15是采样电阻，其对回流到T2的电流进行采样，次采样电压经过运放U4的放大处理驱动光耦U5B的光电管，由于流过U5A的电流变化带来U5B的Vce变化，从而调节工作频率，稳定输出参数，这部分实现不论输入电压和负载的变化，确保流进负载的电流稳定在预期范围之内。
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Addressee: Yang Huaxin

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Application publication date: 20140430