CN202424559U - 一种高效率的高频开关电源 - Google Patents
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Abstract
一种高效率的高频开关电源，它包括PFC功率电路、DC/DC变换器和控制电路，所述控制电路包括CPU、输出电压采样电路、PFC输出电压采样电路和加法器，所述输出电压采样电路的输出端接CPU的输入端口，CPU输出的PFC调压信号接加法器的一个输入端，所述PFC输出电压采样电路的输出端经电压跟随器接加法器的另一输入端，所述加法器的输出端接PFC功率电路的控制端。本实用新型的控制电路可根据输出电压的变化来调节PFC功率电路的输出电压，保证DC/DC变换器始终处于最大脉宽，最大占空比的工作状态，大大提高了高频开关电源的转换效率。同时，此电路还具有成本低廉、使用方便、稳定性高等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种在全输出电压范围内均具有高效率的高频开关电源，属电源技术领域。
背景技术
高频开关电源一般由输入EMI电路、整流电路、功率因数校正（PFC）电路、DC/DC变换器和控制电路等组成。其工作原理是，市电经EMI电路滤波和桥式整流后得到随市电输入变化的直流电压，该直流电压经PFC电路得到稳定的400V直流电压，DC/DC变换器将400V直流电压变换为需要的直流电压为用电设备供电。控制电路的作用是采集电路中各部分的工作状态信号，并根据采样信号作出相应的控制，如告警、保护、调整输出电压、显示，等等。
在高频开关电源中，DC/DC变换器是主功率转换部分，高频开关电源的功率损耗主要来自这部分。DC/DC变换器的电路拓扑有很多，硬开关的有全桥变换器、半桥变换器、单端正激变换器、推挽变换器、单端反激变换器等。控制电路大多是脉宽调制控制芯片，其稳压原理是输出电压经采样网络送误差放大器的反向输入端，误差放大器的同相输入端接基准电压信号，误差放大器输出电压误差信号，该信号经放大后调节脉宽调制电路的控制脉冲宽度，从而控制DC/DC变换器的功率开关器件的导通与截止，达到稳定输出电压的目的。这种变换器的特点是当输入电压不变时，输出电压越高控制脉宽越宽，占空比越大，转换效率越高。当输出电压不变时，输入电压越低控制脉宽越宽，占空比越大，转换效率越高。
现有高频开关电源的DC/DC变换器的输入电压为功率因数校正电路输出的直流电压，该电压是非常稳定的，约为400V，当要求高频开关电源的输出电压在一定范围内可调时，只能保证输出电压为最高值时，脉宽调制电路输出最大脉冲宽度，达到最大占空比，此时DC/DC变换器的效率最大。而当输出电压向下调整时，脉宽调制电路的输出脉冲宽度会减小，占空比减小，DC/DC变换器的转换效率会相应降低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足、提供一种在输出高电压和低电压时均具有高效率的高频开关电源。
本实用新型所称问题是以下述技术方案实现的：
一种高效率的高频开关电源，构成中包括PFC功率电路、DC/DC变换器和控制电路，市电依次经PFC功率电路和DC/DC变换器为负载供电，所述控制电路包括CPU、输出电压采样电路、PFC输出电压采样电路和加法器，所述输出电压采样电路的输出端接CPU的输入端口和DC/DC变换器的脉宽调制芯片输入端，CPU输出的PFC调压信号经信号调整电路接加法器的一个输入信号，所述PFC输出电压采样电路的输出端经电压跟随器接加法器的另一输入信号，所述加法器的输出端接PFC功率电路的控制芯片输入端。
上述高效率的高频开关电源，所述PFC调压信号的信号调理电路由光电耦合器、两个运算放大器、电阻和电容组成，所述光电耦合器的发光二极管的阳极经第一电阻接电源，阴极接CPU的RF2端口，光电耦合器的光电管的发射极接地，集电极经第二电阻接第一运算放大器的反相输入端并经第三电阻接基准电压，第一运算放大器的同相输入端经第四电阻接地并经第五电阻接基准电压，输出端经第六电阻接第二运算放大器的同相输入端并经第七电阻接基准电压，第二运算放大器与电容接成积分器，其输出端接加法器的一个输入端。
上述高效率的高频开关电源，所述输出电压采样电路由第八电阻和第九电阻组成，它们串联连接后接高频开关电源的输出电压，二者的串接点接CPU的RB1端口和DC/DC变换器的脉宽调制芯片输入端。
上述高效率的高频开关电源，所述PFC输出电压采样电路由第十电阻和第十一电阻组成，它们串联连接后接PFC功率电路的输出电压，二者串接点输出的电压信号经电压跟随器接加法器的输入端。
上述高效率的高频开关电源，所述电压跟随器由第三运算放大器构成，所述加法器由第四运算放大器和三个电阻构成，第三运算放大器的反相输入端与输出端短接，同相输入端接第十电阻和第十一电阻的串接点；第四运算放大器的反相输入端与输出端短接，同相输入端经第十二电阻接第三运算放大器的输出端并经第十三电阻接第二运算放大器的输出端，输出端经第十四电阻接PFC功率电路的控制芯片输入端。
上述高效率的高频开关电源，所述PFC功率电路的输入端设置有滤波电路。
本实用新型的控制电路可根据输出电压的变化来调节PFC功率电路的输出电压，使二者同时降低，同时升高，保证DC/DC变换器始终处于最大脉宽，最大占空比的工作状态，大大提高了高频开关电源的转换效率。同时，此电路还具有成本低廉、使用方便、稳定性高等特点。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步详述
图1为本实用新型的电原理图。
图中各标号为：LB、滤波电路；CPU、微处理器；U1～U4、运算放大器；U5、光电耦合器； PFC、功率电路；DC/DC、直流变换器；PFCPWM、PFC功率电路的控制芯片；DC/DCPWM、DC/DC变换器的脉宽调制芯片；R1～R14、电阻；C、电容。
具体实施方式
参看图1，功能块说明：
滤波电路LB包括输入共模和差模抑制电路，抑制电磁干扰。
PFC功率电路是不隔离升压变换器拓扑，包括功率开关器件（如ST公司的W45NM60、IXYS公司的IXF34N80等）、功率升压电感等。
PFCPWM为PFC功率电路的控制芯片（如：UC3854BN、UCC28019、UCC28070等），该芯片内部集成电压误差放大器、乘法器、振荡器等。输出PFC脉宽调制信号，控制PFC功率电路的功率开关器件。
DC/DC变换器的拓扑形式很多，有全桥变换器、半桥变换器，双管正激变换器、推挽变换器等等。经DC/DC变换器得到所需的直流输出电压。
DC/DCPWM 为DC/DC变换器的脉宽调制芯片（如SG3525、UC3846等），该芯片内部集成电压误差放大器、振荡器等。输出DC/DC脉宽调制信号，控制DC/DC功率电路的功率开关器件。
图1中R8、R9组成输出电压采样电路，R10、R11组成PFC输出电压采样电路，U5是CPU送出的PFC调压脉宽调制信号的光电耦合器，U1构成PFC调压脉宽调制信号的整形比较器， U2与电容C构成积分器。U3构成电压跟随器，U4构成加法器。
图中标号说明：
VOUT 输出电压；
GND 输出地；
VCC 辅助电源，与输出共地；
PFCGND PFC功率电路地；
VREF 基准电压源，与PFC功率电路共地。
电路原理说明：交流输入电压经输入滤波电路LB进PFC功率电路，PFC功率电路在PFC PWM电路的控制下输出稳定的380V直流电压，该直流电压作为DC/DC变换器的输入电压，DC/DC变换器在DC/DCPWM电路控制下输出稳定的额定直流输出电压。在功率参数设计时将此状态设计为DC/DC变换器脉宽调制信号为最大值，占空比最大，效率最高。当输出电压向低调整时，输出电压经输出电压采样电路送DC/DCPWM电路，DC/DCPWM电路输出脉宽调制信号的脉宽宽度减小，占空比减小，DC/DC变换器的转换效率降低。此时输出电压采样信号同时送CPU，CPU检测到输出电压降低，调整PFC脉宽调制调压信号的脉宽加大，PFC脉宽调制调压信号经光电耦合器U5隔离传输、整形比较器整形、积分器积分后，与经PFC输出电压采样电路处理后的PFC输出电压信号在加法器中相加，加法器的输出信号送PFCPWM电路中的误差放大器的反向输入端，由于PFC脉宽调制调压信号的脉宽加大，误差放大器的反向输入端电压将上升，使PFC PWM电路的输出脉宽调制信号的脉宽减小，PFC功率电路的输出电压降低，这样使得DC/DC变换器的输入电压降低，DC/DC PWM电路的输出脉宽调制信号脉宽增大，占空比增大，转换效率上升。输出电压向上调整时原理相同。
下面结构原理图对本实用新型做进一步的详述。
当输出电压发生变化时，VOUT经R8、R9电阻网络分压，产生输出电压采样信号，CPU接收输出电压采样信号后调整输出PFC调压信号，使PFC调压信号的脉宽宽度随输出电压变化。该脉宽信号经光电耦合器U5隔离传输,在光电耦合器U5的集电极产生一个频率、脉宽不变，幅度为VREF的脉宽信号，该信号经U1整形比较器输出频率、脉宽、幅度不变的脉宽信号，再经U2构成的积分器转换为PFC调压直流电压信号。PFC输出电压经R10、R11电阻网络分压和U3构成的电压跟随器输出PFC输出电压采样信号，该信号与PFC调压直流电压信号经由U4构成的加法器相加后送至PFCPWM电路的误差放大器反向输入端，达到调节PFC输出电压的目的。
本实用新型可采用的cpu型号为DSPIC30F2010、DSPIC30F3010或ATMEL128，等等。
Claims (6)
1.一种高效率的高频开关电源，它包括PFC功率电路、DC/DC变换器和控制电路，市电依次经PFC功率电路和DC/DC变换器后接负载供电端，其特征在于，所述控制电路包括CPU、输出电压采样电路、PFC输出电压采样电路和加法器，所述输出电压采样电路的输出端接CPU的输入端口和DC/DC变换器的脉宽调制芯片（DC/DCPWM）输入端，CPU输出的PFC调压信号经信号调理电路接加法器的一个输入端，所述PFC输出电压采样电路的输出端经电压跟随器接加法器的另一输入端，所述加法器的输出端接PFC功率电路的控制芯片（PFCPWM）输入端。
2.根据权利要求1所述高效率的高频开关电源，其特征在于，所述PFC调压信号的信号调理电路由光电耦合器（U5）、两个运算放大器、电阻和电容（C）组成，所述光电耦合器（U5）的发光二极管的阳极经第一电阻（R1）接电源，阴极接CPU的RF2端口，光电耦合器（U5）的光电管的发射极接地，集电极经第二电阻（R2）接第一运算放大器（U1）的反相输入端并经第三电阻（R3）接基准电压，第一运算放大器（U1）的同相输入端经第四电阻（R4）接地并经第五电阻（R5）接基准电压，输出端经第六电阻（R6）接第二运算放大器（U2）的同相输入端并经第七电阻（R7）接基准电压，第二运算放大器（U2）与电容（C）接成积分器，其输出端接加法器的一个输入端。
3.根据权利要求1或2所述高效率的高频开关电源，其特征在于，所述输出电压采样电路由第八电阻（R8）和第九电阻（R9）组成，它们串联连接后接高频开关电源的输出电压，二者的串接点接CPU的RB1端口和DC/DC变换器的脉宽调制芯片（DC/DCPWM）输入端。
4.根据权利要求3所述高效率的高频开关电源，其特征在于，所述PFC输出电压采样电路由第十电阻（R10）和第十一电阻（R11）组成，它们串联连接后接PFC功率电路的输出电压，二者串接点输出的电压信号经电压跟随器接加法器的输入端。
5.根据权利要求4所述高效率的高频开关电源，其特征在于，所述电压跟随器由第三运算放大器（U3）构成，所述加法器由第四运算放大器（U4）和三个电阻构成，第三运算放大器（U3）的反相输入端与输出端短接，同相输入端接第十电阻（R10）和第十一电阻（R11）的串接点；第四运算放大器（U4）的反相输入端与输出端短接，同相输入端经第十二电阻（R12）接第三运算放大器（U3）的输出端并经第十三电阻（R13）接第二运算放大器（U2）的输出端，输出端经第十四电阻（R14）接PFC功率电路的控制芯片（PFCPWM）输入端。
6.根据权利要求5所述高效率的高频开关电源，其特征在于，所述PFC功率电路的输入端设置有滤波电路（LB）。
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|---|---|---|---|---|
| CN103595398A (zh) * | 2013-11-01 | 2014-02-19 | 天津大学 | 基于时间比率pwm调制的模拟量光电隔离转换电路 |
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