CN109391163A - 一种llc开关电源和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LLC开关电源及显示装置,所述LLC开关电源包括EMI电路、整流滤波电路、用于对脉动直流电进行电压转换后,输出至恒流电路的LLC变换器、恒流电路以及用对LLC变换器输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与驱动控制电路内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,以及用于对整流滤波电路输出的脉冲直流电进行电压采样得到第二采样电压,并根据第二采样电压调整驱动控制电路内部预设的电压的驱动控制电路。本发明实现了在无PFC场合下采用LLC变换结构的目的,而且通过检测AC输入电压补偿控制芯片过功率点检测值,解决无PFC电路的LLC变换器在不同输入电压下过功率点相差很大的问题,同时还解决了宽输入电压下LLC电压增益的问题。

Description

一种LLC开关电源和显示装置
技术领域
本发明涉及电源技术领域,特别涉及一种LLC开关电源和显示装置。
背景技术
在传统的无PFC电路电视用电源中,一般都采用反激变换器进行电压转换,请参阅图1,其为一种反激变换器的电路原理图,反激变换器具有电路简单,成本低的优点,较适合于100W以下场合。工作时,反激变换器在控制开关接通期间不向负载提供功率输出,仅在控制开关关断期间才把存储能量转化为反电动势向负载提供输出。在开关管导通时,先将能量存储在变压器的漏感中。MOS管关断时,变压器储存的能量经过输出二极管传递给负载。所以导致反激变压器需要储存能量,而且具有利用率低,体积大,效率低的缺点。同时还存在EMC差,多路输出存在交错调整率差等问题。因此,反激拓扑一般在100W以下小功率场合使用。
而LLC谐振变换器具有许多的优点,它能够在较宽的负载波动范围内调节输出,而且开关频率波动却较小。在所有正常负载条件下,初次级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件。而次级二极管可以采用零电流开关(ZCS)工作,反向恢复损耗小。但是在无PFC的场合中,LLC谐振转换器的输入电压变化剧烈(以电压150V~242V交流输入为例,经过整流滤波后电压约为212V~342V,纹波电压达到130V,该电压直接给LLC变换器),导致其输入电压不稳定,因为没有PFC升压后输出固定电压(约380V),交流整流后的电压直接给LLC电路供电,LLC电路需要在很宽的输入电压下能够正常工作,同时不同输入电压下,无PFC LLC架构存在过功率点不一致的问题,所以一般在无PFC场合中,传统都是采用反激架构。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处,本发明的目的在于提供一种LLC开关电源及显示装置,可在无FPC电路的场合使用LLC变换器进行电压转换,而且能解决不同输入电压下过功率点相差很大的问题和宽输入电压下LLC电压增益问题。
为了达到上述目的,本发明采取了以下技术方案:
一种LLC开关电源,包括:
EMI电路,用于对输入的AC电源进行前端滤波;
整流滤波电路,用于对EMI电路输出的电压进行整流和滤波处理,并输出脉动直流电;
LLC变换器,用于对脉动直流电进行电压转换后,输出至负载;
驱动控制电路,用于对LLC变换器输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与驱动控制电路内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,以及用于对整流滤波电路输出的脉冲直流电进行电压采样得到第二采样电压,并根据第二采样电压调整驱动控制电路内部预设的电压;
恒流电路,用于将LLC变换器输出的电压进行处理后给背光LED供电。
所述的LLC开关电源中,所述LLC变换器包括LLC变换单元和全波整流单元,所述LLC变换单元将所述整流滤波电路输出的脉动直流电进行电压转换后,再经全波整流单元进行整流处理后输出电源至恒流电路。
所述的LLC开关电源中,所述LLC变换单元包括第一MOS管、第二MOS管、谐振电容、谐振电感、变压器和励磁电感,所述第一MOS管的漏极连接整流滤波电路的输出端,所述第一MOS管的栅极连接驱动控制电路,所述谐振电感的一端连接第一MOS管的源极、第二MOS管的栅极和驱动控制电路,所述谐振电感的另一端连接励磁电感的一端和变压器的初级绕组的一端,所述第二MOS管的栅极连接驱动控制电路,所述第二MOS管的源极和谐振电容的一端均接地,所述谐振电容的另一端连接励磁电感的另一端和变压器的初级绕组的另一端,所述变压器的次级绕组第一端、第二端以及位于第一端和第二端中间的第三端均连接全波整流单元。
所述的LLC开关电源中,所述全波整流单元包括第一二极管、第二二极管和滤波电容,所述第一二极管的正极连接变压器的次级绕组的第一端,所述第一二极管的负极连接第二二极管的负极、滤波电容的一端、恒流电路和驱动控制电路,所述滤波电容的另一端连接变压器的次级绕组的第三端,所述第二二极管的正极连接变压器的次级绕组的第二端。
所述的LLC开关电源中,所述驱动控制电路包括控制芯片和电压检测单元,所述电压检测单元用于对脉动直流电进行电压采样得到第二采样电压,所述控制芯片根据第二采样电压调整控制芯片内部预设的电压,所述控制芯片还用于对LLC变换器输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与控制芯片内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,所述控制芯片的HO端连接第一MOS管的栅极,所述控制芯片的LO端连接第二MOS管的栅极,所述控制芯片的VS端连接谐振电感的一端,所述控制芯片的FB端连接第一二极管的负极。
所述的LLC开关电源中,所述电压检测单元包括检测电阻和第一电阻,所述检测电阻的一端连接第二MOS管的源极和第一电阻的一端,所述检测电阻的另一端接地,所述第一电阻的另一端连接控制芯片的CS端。
所述的LLC开关电源中,所述电压检测单元包括检测电容和第二电阻,所述检测电容的一端连接变压器的初级绕组的另一端,所述检测电容的另一端通过第二电阻连接控制芯片的IS端。
所述的LLC开关电源中,所述第一MOS管和第二MOS管均为NMOS管。
一种显示装置,包括如上所述的LLC开关电源。
相较于现有技术,本发明提供的LLC开关电源及显示装置中,所述LLC开关电源包括EMI电路、整流滤波电路、用于对脉动直流电进行电压转换后,输出至恒流电路的LLC变换器、恒流电路以及用于对LLC变换器输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与驱动控制电路内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,以及用于对整流滤波电路输出的脉冲直流电进行电压采样得到第二采样电压,并根据第二采样电压调整驱动控制电路内部预设的电压的驱动控制电路。本发明实现了在无PFC场合下采用LLC变换结构的目的,而且通过检测AC输入电压补偿控制芯片过功率点检测值,解决无PFC电路的LLC变换器在不同输入电压下过功率点相差很大的问题,同时还解决了宽输入电压下LLC电压增益的问题,具有软开关控制效率高、EMC好、输出稳定等优点。
附图说明
图1为现有的反激变换器的电路原理图。
图2为本发明提供的LLC开关电源的结构框图。
图3为本发明提供的LLC开关电源的第一实施例的原理图。
图4为本发明提供的LLC开关电源的第二实施例的原理图。
图5为本发明提供的LLC开关电源中,所述LLC变换器的等效原理图。
图6为LLC变换器的等效原理图中的输入输出电压特性图。
具体实施方式
本发明提供一种LLC开关电源和显示装置,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图2,本发明提供的一种LLC开关电源,包括EMI电路1、整流滤波电路2、LLC变换器3、恒流电路4和驱动控制电路5,所述EMI电路1通过所述整流滤波电路2与LLC变换器3连接,所述LLC变换器3还连接所述恒流电路4和驱动控制电路5,所述驱动控制电路5还连接所述整流滤波电路2,其中所述EMI电路1、整流滤波电路2和恒流电路4的具体电路原理均为现有技术,本发明在此不再对其进行详细描述。
具体来说,所述EMI电路1用于输入的AC电源进行前端滤波;所述整流滤波电路2用于对EMI电路输出的电压进行整流和滤波处理,并输出脉动直流电;所述LLC变换器3用于对脉动直流电进行电压转换后,输出至恒流电路;所述恒流电路4用于将LLC变换器3输出的电压进行处理后给背光LED供电;所述驱动控制电路5用于用于对LLC变换器3输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与驱动控制电路5内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,以及用于对整流滤波电路2输出的脉冲直流电进行电压采样得到第二采样电压,并根据第二采样电压调整驱动控制电路5内部预设的电压。
本发明实现了在无PFC场合下采用LLC变换结构的目的,而且通过检测AC输入电压补偿控制芯片过功率点检测值,解决无PFC电路的LLC变换器在不同输入电压下过功率点相差很大的问题,同时还解决了宽输入电压下LLC电压增益的问题,具有软开关控制效率高、EMC好、输出稳定等优点。
进一步来说,所述LLC变换器3包括LLC变换单元31和全波整流单元32,所述LLC变换单元31将所述整流滤波电路2输出的脉动直流电进行电压转换后,再经全波整流单元32进行整流处理后输出电源至恒流电路4。
具体的,请参阅图3,所述LLC变换单元31包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器T和励磁电感Lm,所述第一MOS管Q1的漏极连接整流滤波电路2的输出端,所述第一MOS管Q1的栅极连接驱动控制电路5,所述谐振电感Lr的一端连接第一MOS管Q1的源极、第二MOS管Q2的栅极和驱动控制电路5,所述谐振电感Lr的另一端连接励磁电感Lm的一端和变压器T的初级绕组的一端,所述第二MOS管Q2的栅极连接驱动控制电路5,所述第二MOS管Q2的源极和谐振电容Cr的一端均接地,所述谐振电容Cr的另一端连接励磁电感Lm的另一端和变压器T的初级绕组的另一端,所述变压器T的次级绕组第一端、第二端以及位于第一端和第二端中间的第三端均连接全波整流单元32。
本实施例中,两个MOS管(第一MOS管Q1和第二MOS管Q2)组成半桥结构,驱动信号以50%的占空比交替打开和关闭,以防止第一MOS管Q1和第二MOS管Q2直通导致信号带有一定的死区时间,所述第一MOS管和第二MOS管互补导通,产生方波信号作为谐振回路的输入,在经过谐振电感Lr、励磁电感Lm和变压器T组成的谐振网络处理后输出电压至后级电路。其中,所述LLC变换单元31采用变频控制,能量传输时通过改变第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的工作频率fs来调节电压的输出,所述第一MOS管Q1和第二MOS管Q2均为NMOS管。
请继续参阅图3,所述全波整流单元32包括第一二极管D1、第二二极管D2和滤波电容C1,所述第一二极管D1的正极连接变压器T的次级绕组的第一端,所述第一二极管D1的负极连接第二二极管D2的负极、滤波电容C1的一端、恒流电路4和驱动控制电路5,所述滤波电容C1的另一端连接变压器T的次级绕组的第三端,所述第二二极管D2的正极连接变压器T的次级绕组的第二端。
具体的,所述第一二极管D1和第二二极管D2组成带有中心抽头的全波整流电路,输出电压经过滤波电容C1进行滤波后再输出给恒流电路。
为了更好的理解本发明,以下结合图2至图6来对LLC转换器的原理进行详细说明:
请参阅图5,其为所述LLC转换器3的等效电路图,其中,整流滤波电路2输入的电压在图5中等效表示为Vs,输出电压表示为Vp0,转换至初级侧,为了方便描述,将LLC变换器3输出的电压加载在负载R0上,在图5中负载电阻R0表示为交流等效电阻Rac,所以根据等效电路公式,可知道交流等效电路Rac与负载电阻R0的计算关系,其中,n表示变压器的匝数比,其计算公式为,其中,Np为变压器T的初级绕组的绕组匝数,Ns为变压器T的次级绕组的绕组匝数,所以利用等效电路可从公式中,得到输入输出电压比(即电压增益),其中,,ω表示角频率,ω0表示谐振频率,fs表示第一MOS管和第二MOS管的开关频率,Q为电磁振荡程度的量,Lr表示谐振电感值,Lm表示励磁电感值,Cr表示谐振电容值,VIN为整流滤波电路2输入的电压,即AC电源整流后的电压。
所以根据上述公式,可以得到输入输出电压特性图,请参阅图6,其中纵坐标为电压增益Vp0/Vs,横坐标为开关频率,图中不同的励磁电感Lm对应不同的增益曲线。因为没有无PFC电路,交流Vac整流后直接给到LLC电路供电,即Vs=Vac。因为电网的不稳定,Vac剧烈变化,以Vac在150V~242V变化为例,经过整流滤波后电压约为212V~342V,电压波动达到约130V。在低压输入时需要更大的电压增益,根据图6所示,无PFC电路的LLC变压器的励磁电感Lm相比较带PFC电路的LLC变压器小很多。由于传统的带PFC电路的LLC使用变压器,选用的K值一般为3~8为比较合理的值(K=,即励磁电感和谐振电感的比值),所以本发明设计的变压器,为了提供足够的增益,将K值(即励磁电感和谐振电感的比值)设计为2.4,即励磁电感为谐振电感2.4倍,从而能够保证解决宽输入电压下LLC电压增益的问题。
进一步来说,请继续参阅图3和图4,所述驱动控制电路5包括控制芯片U1和电压检测单元51,所述电压检测单元51用于对脉动直流电进行电压采样得到第二采样电压,所述控制芯片U1根据第二采样电压调整控制芯片U1内部预设的电压,所述控制芯片U1还用于对LLC变换器3输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与控制芯片内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,所述控制芯片U1的HO端连接第一MOS管Q1的栅极,所述控制芯片U1的LO端连接第二MOS管Q2的栅极,所述控制芯片U1的VS端连接谐振电感Lr的一端,所述控制芯片U1的FB端连接第一二极管D1的负极。
具体的,在带PFC电路的电源中,PFC电路会将交流整流滤波后的电压升压到380V,将相对稳定的380V电压给LLC变换器3供电,LLC变换器3再将电压转换成需要的电压。带PFC电路中,LLC的输入电压稳定,工作状态相对稳定。
在无PFC电源中,输入电压变化大,通过上述说明,通过合理设计变压器,使得在不同的电压输出下,变压器有很大的电压增益,保证电源输出稳定。但是在无PFC电路的 LLC开关电源中,同时存在不同输入电压下,过功率保护存在很大的差异的问题。以100W输出电源为例,在242V设计过功率点为200W。在150V电压输入时,过功率点可能为=123W,两者相差77W,这在电视电源中不可接受的。所以本发明通过检测谐振电流的大小,即通过第二采样电压来判断出谐振电流的大小后,再对控制芯片U1内部的设定值进行补偿,从而解决无PFC电路LLC变换器中,不同输入电压下过功率点相差很大的问题,优选的,所述控制芯片的型号为FA6A31N,当然,在其它的实施例中,所述控制芯片还可采用其它型号,本发明对此不作限定。
具体的,检测第二采样电压的方法有多种,故本发明提供两种电压检测单元的实施例。
请参阅图3,在电压检测单元的第一实施例中,所述电压检测单元51包括检测电阻Rcs和第一电阻R1,所述检测电阻Rcs的一端连接第二MOS管Q2的源极和第一电阻R1的一端,所述检测电阻Rcs的另一端接地,所述第一电阻R1的另一端连接控制芯片U1的CS端,即本实施例中,采用电阻检测的方式进行第二采样电压的采样,通过判断出检测电阻Rcs上的电压进一步判断出谐振腔电流的大小,从而使得控制芯片U1可以根据谐振腔电流大小来对应调整控制芯片U1内部的设定值。
请参阅图4,在电压检测单元的第二实施例中,所述电压检测单元51包括检测电容C2和第二电阻R2,所述检测电容C2的一端连接变压器T的初级绕组的另一端,所述检测电容C2的另一端通过第二电阻R2连接控制芯片U1的IS端,即本实施例中,通过在谐振电容Cr上连接旁路电容,通过电阻将电流转换为电压,然后再转换为谐振腔的电流,从而使得控制芯片U1可以根据谐振腔电流大小来对应调整控制芯片U1内部的设定值。
通过上述两个实施例中的其中一种,控制芯片U1可以知道谐振腔的电流,将采集到的电压通过和控制芯片U1内部的设定值比较,判断过功率点,然后对设定值进行补偿,AC电源输入电压越低则补偿后的值越大,比如在150V该设定值会比242V的值高,使得在低压时过功率点增大。使高低输入电压下过功率点一致。通过本发明,针对100W电源产品过功率点,在150V和242V输入下过功率点由原来的77W差异减小为20W以内。
基于上述LLC开关电源,本发明还相应的提供一种显示装置,其包括如上述任一实施例所述的LLC开关电源,由于上文已对LLC开关电源进行详细描述,在此不再赘述。
综上所述,本发明提供的LLC开关电源及显示装置中,所述LLC开关电源包括EMI电路、整流滤波电路、用于对脉动直流电进行电压转换后,输出至恒流电路的LLC变换器、恒流电路以及用于对LLC变换器输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与驱动控制电路内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,以及用于对整流滤波电路输出的脉冲直流电进行电压采样得到第二采样电压,并根据第二采样电压调整驱动控制电路内部预设的电压的驱动控制电路。本发明实现了在无PFC场合下采用LLC变换结构的目的,而且通过检测AC输入电压补偿控制芯片过功率点检测值,解决无PFC电路的LLC变换器在不同输入电压下过功率点相差很大的问题,同时还解决了宽输入电压下LLC电压增益的问题,具有软开关控制效率高、EMC好、输出稳定等优点。
可以理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种LLC开关电源,其特征在于,包括:
EMI电路,用于对输入的AC电源进行前端滤波;
整流滤波电路,用于对EMI电路输出的电压进行整流和滤波处理,并输出脉动直流电;
LLC变换器,用于对脉动直流电进行电压转换后,输出至恒流电路;
驱动控制电路,用于对LLC变换器输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与驱动控制电路内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,以及用于对整流滤波电路输出的脉冲直流电进行电压采样得到第二采样电压,并根据第二采样电压调整驱动控制电路内部预设的电压;
恒流电路,用于将LLC变换器输出的电压进行处理后给背光LED供电。
2.根据权利要求1所述的LLC开关电源,其特征在于,所述LLC变换器包括LLC变换单元和全波整流单元,所述LLC变换单元将所述整流滤波电路输出的脉动直流电进行电压转换后,再经全波整流单元进行整流处理后输出电源至恒流电路。
3.根据权利要求2所述的LLC开关电源,其特征在于,所述LLC变换单元包括第一MOS管、第二MOS管、谐振电容、谐振电感、变压器和励磁电感,所述第一MOS管的漏极连接整流滤波电路的输出端,所述第一MOS管的栅极连接驱动控制电路,所述谐振电感的一端连接第一MOS管的源极、第二MOS管的栅极和驱动控制电路,所述谐振电感的另一端连接励磁电感的一端和变压器的初级绕组的一端,所述第二MOS管的栅极连接驱动控制电路,所述第二MOS管的源极和谐振电容的一端均接地,所述谐振电容的另一端连接励磁电感的另一端和变压器的初级绕组的另一端,所述变压器的次级绕组第一端、第二端以及位于第一端和第二端中间的第三端均连接全波整流单元。
4.根据权利要求3所述的LLC开关电源,其特征在于,所述全波整流单元包括第一二极管、第二二极管和滤波电容,所述第一二极管的正极连接变压器的次级绕组的第一端,所述第一二极管的负极连接第二二极管的负极、滤波电容的一端、恒流电路和驱动控制电路,所述滤波电容的另一端连接变压器的次级绕组的第三端,所述第二二极管的正极连接变压器的次级绕组的第二端。
5.根据权利要求4所述的LLC开关电源,其特征在于,所述驱动控制电路包括控制芯片和电压检测单元,所述电压检测单元用于对脉动直流电进行电压采样得到第二采样电压,所述控制芯片根据第二采样电压调整控制芯片内部预设的电压,所述控制芯片还用于对LLC变换器输出的电压进行采样得到第一采样电压,并通过与控制芯片内部预设的电压进行比较调整输出的驱动信号,所述控制芯片的HO端连接第一MOS管的栅极,所述控制芯片的LO端连接第二MOS管的栅极,所述控制芯片的VS端连接谐振电感的一端,所述控制芯片的FB端连接第一二极管的负极。
6.根据权利要求5所述的LLC开关电源,其特征在于,所述电压检测单元包括检测电阻和第一电阻,所述检测电阻的一端连接第二MOS管的源极和第一电阻的一端,所述检测电阻的另一端接地,所述第一电阻的另一端连接控制芯片的CS端。
7.根据权利要求5所述的LLC开关电源,其特征在于,所述电压检测单元包括检测电容和第二电阻,所述检测电容的一端连接变压器的初级绕组的另一端,所述检测电容的另一端通过第二电阻连接控制芯片的IS端。
8.根据权利要求5所述的LLC开关电源,其特征在于,所述第一MOS管和第二MOS管均为NMOS管。
9.一种显示装置,其特征在于,所述显示装置包括如权利要求1-8任意一项所述的LLC开关电源。
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