CN106786667A - 一种用于llc谐振电源的移相调频混合控制电路 - Google Patents

一种用于llc谐振电源的移相调频混合控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,包括电感Lr、电容Cr、变压器T1组成的LLC谐振变换器和移相全桥谐振控制开关管,其特征在于:还包括采集电路、返回PID调节电路、比例放大频率调节电路、软切换频率范围控制电路、移相全桥主控电路;所述返回PID调节电路输入端分别输入调节基准电压(ADJ1)和采集电路采集变压器T1输出回路的电压或电流值(back),返回PID调节电路输出控制电压Vc至移相全桥主控电路;所述比例放大频率调节电路分别输入控制电压Vc和调频调宽基准电压(ADJ2),其输出端连接移相全桥主控电路;所述软切换频率范围控制电路输入端输入软切换控制信号,其输出端输出频率范围控制信号至移相全桥主控电路。

Description

一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路
技术领域
本发明涉及谐振开关电源控制领域,特别涉及一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路。
背景技术
随着开关电源技术的不断更新和快速发展,以及大功率半导体期间的小型化与高频话、高可靠行化,高频开关电源已经渗透到各行各业,串联谐振式开关电源也因为其自身谐振过零特性,开关工作与过零软关断状态,同时因其具有很好的恒流特性,而被广泛用于充电电源中,但由于其工作电流处于不连续模式,相对需要较大开关管电流应力,很难适合用于输出电流较大的直流电源中,因而新型的LLC谐振变换器,越来越得到广泛运用,优其在当前提倡高效节能时代,LLC谐振电源将是绿色电源的发展趋势。
然而,单纯变频LLC谐振,对直流输入电源稳定性要求较高,且对于较宽的负载变化范围与较宽输入电压变化范围时,谐振电感与功率变压器将难于设计。在中大功率应用场合,定频移相全桥变换器因其开关管电压应力低,且容易实现零电压开关(ZVS ZeroVoltage Switching)等优点而得到广泛应用,然而其存在不足的是:输入电压变化范围较宽时,输出滤波电感较大;副边整流二极管不是软开关,变换器占空比变化范围宽,高压输入时变换器效率低;轻载时很难实现软开关,也就是轻载时开关损耗大、噪声大,电磁干扰明显。
发明内容
本发明的目的是针对上述缺陷,提供一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,以达到调高电源整机效率,方便电源中谐振电感和变压器的设计,既可以实现分段区域移相或调频,也可以两者同步调节,同时方便外部数字控制信号接入。
为了达到上述目的,本发明的技术方案为:一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,包括电感Lr、电容Cr、变压器T1组成的LLC谐振变换器和移相全桥谐振控制开关管,所述变压器T1的输出端连接负载,所述移相全桥谐振控制开关管与LLC谐振变换器的输入端连接,其特征在于:还包括采集电路、返回PID调节电路、比例放大频率调节电路、软切换频率范围控制电路、移相全桥主控电路;
所述返回PID调节电路输入端分别输入调节基准电压(ADJ1)和所述采集电路采集变压器T1输出回路的电压或电流值(back),所述返回PID调节电路输出控制电压Vc至移相全桥主控电路,以控制移相全桥控制电路输出开关驱动信号;所述比例放大频率调节电路分别输入控制电压Vc和调频调宽基准电压(ADJ2),其输出端连接移相全桥主控电路,以控制移相全桥主控电路输出开关驱动信号频率调节;所述软切换频率范围控制电路输入端输入软切换控制信号,其输出端输出频率范围控制信号至移相全桥主控电路。
所述移相全桥主控电路由移相全桥控制芯片及其外围电路形成。
所述移相全桥主控电路输出PWM控制信号至移相全桥谐振控制开关管。
该控制电路还包括DSP控制模块,所述的DSP控制模块输入采集模块采集的数据并对数据进行分析处理得到频率软切换控制信号,频率软切换控制信号输入值软切换频率范围控制电路。
所述调节基准电压(ADJ1)和调频调宽基准电压(ADJ2)由DSP控制模块设定发出。
所述返回PID调节电路包括运放N1,所述采集电路采集变压器T1输出回路的电压或电流值(back)输入到运放N1的反相输入端,调节基准电压(ADJ1)输入到运放N1的同相输入端,所述运放N1的输出端与反相输入端之间连接电容C3,电容C4和电阻R5串联后并接在电容C3两端,所述运放N1输出端输出的控制电压Vc依次经过二极管V1的阴极、阳极后输入到移相全桥主控电路。
所述比例放大频率调节电路包括运放N2,所述运放N2的同相输入端输入调频调宽基准电压(ADJ2),其反相输入端输入控制电压Vc,所述运放的反相输入端与输出端通过电阻R7连接,所述运放N2输出端与三极管V3的基极连接,三极管V3的集电极与移相全桥主控电路的频率调节输入端连接,三极管V3的集电极和发射极之间连接有限压二极管V4,限压二极管V4的阳极和三极管V3的发射极均接地。
所述软切换频率范围控制电路包括隔离光耦U1、三极管V2,所述软切换控制信号经过隔离光耦U1输入至三极管V2的基极,三极管V2的发射极通过电阻接地,所述三极管V2集电极与移相全桥主控电路的频率调节端连接。
所述隔离光耦U1的输入端设置RC滤波电路。
本发明控制电路的优点为:在较宽的输入电压范围与全负载范围内都可以实现软开关,电源整机效率可达95%,同时方便了谐振电感与变压器的设计,整个变换器结构简单,稳定度和可靠性高。利用简单的元件实现移相调频混合控制,既可以实现分段区域移相或调频,也可以两者同步调节,同时方便外部数字控制信号接入。
附图说明
图1为本发明控制电路电路示意图
图2为本发明在开关电源中连接示意图
图3为本发明宽频调整时软切换频率数控程序流程示图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,包括电感Lr、电容Cr、变压器T1(其中包括激磁电感Lm)组成的LLC谐振变换器和由MOSFET模块V1、V2、V3、V4构成的移相全桥谐振控制开关管,变压器T1的输出端连接负载,移相全桥谐振控制开关管与LLC谐振变换器的输入端连接。还包括采集电路、返回PID调节电路、比例放大频率调节电路、软切换频率范围控制电路、移相全桥主控电路;返回PID调节电路输入端分别输入调节基准电压(ADJ1)和所述采集电路采集变压器T1输出回路的电压或电流值(back),所述返回PID调节电路输出控制电压Vc至移相全桥主控电路,以控制移相全桥控制电路输出开关驱动信号;比例放大频率调节电路分别输入控制电压Vc和调频调宽基准电压(ADJ2),其输出端连接移相全桥主控电路,以控制移相全桥主控电路输出开关驱动信号频率调节;软切换频率范围控制电路输入端输入软切换控制信号,其输出端输出频率范围控制信号至移相全桥主控电路。移相全桥主控电路通过驱动器驱动移相全桥控制开关管。
如图1所示,移相全桥主控电路由移相全桥主控芯片及其外围电路组成,移相全桥芯片型号可以为UCC2895N。移相全桥主控芯片根据输入信号输出PWM控制信号至驱动移相全桥谐振控制开关管的驱动器,已完成驱动控制开关管。DSP控制模块输入端输入采集模块采集的数据并对数据进行分析计算处理得到频率软切换控制信号,频率软切换控制信号输入至软切换频率范围控制电路。电路中的基准电压ADJ1和ADJ2由DSP控制模块设定发出。
下面对各模块具体实现电路做进一步说明。
如图1中,返回PID调节电路由电容C1、C2、C3、C4,电阻R1、R2、R3、R4、R5和运放N1构成,其中电压或电流返回信号BACK分别经过旁路电容C1接地、电阻R1接地,返回信号BACK经电阻R4接运放N1的反相输入端,设定的调节基准电压ADJ1经过旁路电容C2接地电阻R2后由R3接入运放N1的同相输入端,再运放N1的反相输入端和输出端之间串接一个积分电容C3,同时在N1反相输入端与N1输出端之间并联接一个由C4与R5串联电路,整个连接构成差动PID调节电路,由N1输出端输出相应调节控制信号Vc,调节控制信号Vc输入到移相全桥主控电路的芯片20脚。
比例放大频率调节电路包括电阻R6、R7、R8、R15、R17,运放N2,三极管V3和限压二极管V4,调节控制信号Vc经二极管V1分别输入到移相全桥主控新票的20脚和电阻R6,电阻R6的另一端输入到运放N2的反相输入端,运放N2的同相输入端仅限流电阻输入调频调宽基准电压ADJ2,方向输入端和输出端通过电阻R7连接,形成差动放大电路,运放N2输出端输出调节信号Fc,调节信号Fc经电阻R15输入到三极管V3的基极,三极管V3的基极和发射极之间连接有限压二极管V4,V三极管V3的集电极接入移相全桥主控芯片N4的8脚(频率调节端),三极管V3的发射极经限流电阻接地,从而整个电路构成比例放大频率调节电路。
软件切频率范围控制电路包括电容C5、C6、C7、C8、电阻R11、R12、R13、R14、R16、隔离光耦U1、三极管V2构成,其中切换控制信号ADJ3+经过R11C6组成的滤波电路后由电阻R12接入隔离光耦U1输入端正极(第1脚),同时在C6上并联接入旁路容C5,C6的负极以及隔离光耦U1输入端负极(第2脚)集中与切换控制信号ADJ3-相接,隔离光耦U1输出端经过旁路电容C7后由R14接入三极管V2的基极,同时U1输出端由电阻上接到电源VCC,V2的集电极接入移相全桥主控芯片N8的第8脚(频率调节端),V2的发射极经过限流电阻R16接入地,整个连接构成软切换式频率范围控制电路。
移相全桥主控电路由移相全桥主控芯片N4及其外围电路构成,其中调节控制信号Vc接入V1负极由V1正极接入N4第20脚,同时该脚由电阻R9上拉至VREF,由电阻R10下拉到GND,形成移相调节,N4的第9、第10脚分到由电阻R19、R20下拉至GND形成全桥中上下管驱动延时控制,N4第7脚与第3脚短接同时由C9接入GND,形成调频斜波控制,N4第8脚另外经过电阻R18接入GND,形成最小频率设定,N4第19脚接C12正极,C12负极接入GND,同时在C12上并联接入C11,形成软启动控制,N4第4脚接入C10正极,C10负极接入GND,以输出基准电压VREF,N4第15脚经过滤波电容C13、旁路电容C14后接入VCC,整个连接构成移相全桥主控电路;由N4第18脚、第17脚、第14脚、第13脚输出OUTA、OUTB、OUTC、OUTD四路具有移相调频混合控制功能全桥驱动信号。
如图2所示,为本控制电路在开关电源中应用连接示意图,由采集模块采集的电压或电流返回信号BACK也输入到DSP控制模块,DSP控制模块对数字进行处理计算分析,得到频率软切换的控制信号即ADJ3+和ADJ3-,输入到软切换式频率范围控制电路的输入端。同时DSP控制模块的输出端输出调节基准电压(ADJ1)和调频调宽基准电压(ADJ2),其输出可以由人为调整或程序设定。DSP控制模块计算频率调节的流程示意图如图3,DSP控制模块CPU启动软切换频率子程序,软切换子程序根据返回电流电压值BACK计算负载大小,并根据设定的频率范围数值对应的负载大小判断该负载大小是否需要切换频率范围,若需要切换,发出控制信号,若没需要切换,则返回结束。
本发明利用移相全桥控制芯片,在实现移相全桥变换器基础上,充分利用其改变频率设定引脚上电阻,以改变频率设定电容上电流大小,达到更改频率设定的关系,增加相应调频控制电路,以实现移相调频混合控制式LLC谐振开关电源,充分把移相变换器与调频LLC谐振变换器优点结合到一起,使得变换器在较宽的输入电压范围与全负载范围内都可以实现软开关,电源整机效率可达95%以上,同时方便了谐振电感与变压器的设计。本控制电路应用在谐振电源中,本发明用于直流开关电源中时,使得电源效率达92%以上,相对于采用纯移相全桥直流电源的85%效率,效率提高了7%以上。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,包括电感Lr、电容Cr、变压器T1组成的LLC谐振变换器和移相全桥谐振控制开关管,所述变压器T1的输出端连接负载,所述移相全桥谐振控制开关管与LLC谐振变换器的输入端连接,其特征在于:还包括采集电路、返回PID调节电路、比例放大频率调节电路、软切换频率范围控制电路、移相全桥主控电路;
所述返回PID调节电路输入端分别输入调节基准电压(ADJ1)和所述采集电路采集变压器T1输出回路的电压或电流值(back),所述返回PID调节电路输出控制电压Vc至移相全桥主控电路,以控制移相全桥控制电路输出开关驱动信号;
所述比例放大频率调节电路分别输入控制电压Vc和调频调宽基准电压(ADJ2),其输出端连接移相全桥主控电路,以控制移相全桥主控电路输出开关驱动信号频率调节;
所述软切换频率范围控制电路输入端输入软切换控制信号,其输出端输出频率范围控制信号至移相全桥主控电路。
2.如权利要求1所述的一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,其特征在于:所述移相全桥主控电路由移相全桥控制芯片及其外围电路形成。
3.如权利要求2所述的一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,其特征在于:所述移相全桥主控电路输出PWM控制信号至移相全桥谐振控制开关管。
4.如权利要求1所述的一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,其特征在于:还包括DSP控制模块,所述的DSP控制模块输入采集模块采集的数据并对数据进行分析处理得到频率软切换控制信号,频率软切换控制信号输入至软切换频率范围控制电路。
5.如权利要求4所述的一种用于LLC谐振电源的一项调频混合控制电路,其特征在于:所述调节基准电压(ADJ1)和调频调宽基准电压(ADJ2)由DSP控制模块设定发出。
6.如权利要求1所述的一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,其特征在于:所述返回PID调节电路包括运放N1,所述采集电路采集变压器T1输出回路的电压或电流值(back)输入到运放N1的反相输入端,调节基准电压(ADJ1)输入到运放N1的同相输入端,所述运放N1的输出端与反相输入端之间连接电容C3,电容C4和电阻R5串联后并接在电容C3两端,所述运放N1输出端输出的控制电压Vc依次经过二极管V1的阴极、阳极后输入到移相全桥主控电路。
7.如权利要求1所述的一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,其特征在于:所述比例放大频率调节电路包括运放N2,所述运放N2的同相输入端输入调频调宽基准电压(ADJ2),其反相输入端输入控制电压Vc,所述运放的反相输入端与输出端通过电阻R7连接,所述运放N2输出端与三极管V3的基极连接,三极管V3的集电极与移相全桥主控电路的频率调节输入端连接,三极管V3的集电极和发射极之间连接有限压二极管V4,限压二极管V4的阳极和三极管V3的发射极均接地。
8.如权利要求1所述的一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,其特征在于:所述软切换频率范围控制电路包括隔离光耦U1、三极管V2,所述软切换控制信号经过隔离光耦U1输入至三极管V2的基极,三极管V2的发射极通过电阻接地,所述三极管V2集电极与移相全桥主控电路的频率调节端连接。
9.如权利要求8所述的一种用于LLC谐振电源的移相调频混合控制电路,其特征在于:所述隔离光耦U1的输入端设置RC滤波电路。
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