CN206962730U - 集成pfc高压半桥谐振同步整流ac/dc电源模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，主要由输入抗干扰与整流滤波电路、功率因数校正（PFC）与控制电路、LLC高压半桥谐振与控制电路、双重快速断开智能控制电路、电压检测系统重置IC电路、同步整流电路、滤波电路、稳压电路、辅助供电电路及保护电路集成一体化全新的模块化设计。具有体积小、集成度高、重量轻、可靠性高、效率高、适应范围广等特点。所述AC/DC电源模块通过多个先进电路的相互配合，在克服传统电路的缺陷、优化保护功能的同时，完美的实现了全新的模块化AC/DC、DC/DC的二次变换。

Description

集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块

技术领域

本实用新型涉及一种集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，属于AC/DC电源模块技术领域。

背景技术

通常情况下，标准的AC/DC电源有两种连接方式，一种是经过工频变压器变压，再经过整流滤波电路、稳压电路变成所需的电压，另一种是交流电压直接经过整流桥整流再经过滤波、DC/DC转换器变成所需要的电压，输出功率大时还要采取多个并联的方式来解决。但这些电路都存在着电路技术落后、体积大、外围元器件较多、转换效率低、电磁兼容性差，成本高等缺陷。

发明内容

本实用新型正是为了解决上述技术问题采用多种先进电路相结合而设计的一种集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，包括输入端、输出端，还包括输入抗干扰电路、整流滤波电路、功率因数校正与控制电路、LLC高压半桥谐振与控制电路、双重快速断开智能控制电路、电压检测系统重置IC电路、同步整流电路、滤波电路、稳压电路、辅助供电电路、反馈及保护电路，全部电路集成为一体化的模块。

进一步的，所述输入抗干扰电路为多级的LC和π型滤波电路，输入抗干扰电路与输入端的两个接线端之间各串联一个保险丝。

进一步的，所述功率因数校正与控制电路包括第一输入二极管、第二输入二极管、保护二极管、升压二极管、第一电感、第一开关管、第一电容、功率因数FPC控制器，所述第一输入二极管与第二输入二极管并联，第一输入二极管、第二输入二极管的正极均连接在输入抗干扰电路与整流滤波电路之间，第一输入二极管、第二输入二极管的负极均连接功率因数FPC控制器，第一电感与升压二极管串联后与保护二极管并联组成的电路一端连接整流滤波电路，另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接功率因数FPC控制器。

其中，所述功率因数校正与控制电路还包括消峰电路、主电压检测电路、掉电保护电路。

进一步的，所述LLC高压半桥谐振与控制电路包括高压半桥谐振控制器、高边开关、低边开关、串联谐振电感、变压器、串联谐振电容、第一控制开关管、第二控制开关管，高边开关与低边开关组成方波发生器，方波发生器连接高压半桥谐振控制器，串联谐振电感与串联谐振电容并联后一端连接连接变压器的初级，串联谐振电感的另一端连接在高边开关与低边开关之间，串联谐振电容的另一端连接低边开关，第一控制开关管、第二控制开关管与输出滤波电路共同组成整流滤波网络，第一控制开关管、第二控制开关管分别连接在变压器次级的两端。

其中，所述第一控制开关管、第二控制开关管均为MOS管。

其中，所述双重快速断开智能控制电路包括快速断开智能控制器，所述快速断开智能控制器用于驱动第一控制开关管、第二控制开关管同步高压半桥谐振控制器校正。

进一步的，所述电压检测系统重置IC电路包括外部电阻或外部电容中的一种，所述电压检测系统重置IC电路还包括电压检测重置控制器。

本实用新型的有益效果在于，本实用新型提供的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，与现有技术相比，具有以下优点：

集成一体化全新的模块化设计，完美的实现了全新的模块化AC/DC、DC/DC的二次变换。

功率因数校正（PFC）与控制电路具有连续电流操作模式、宽输入电压范围、无动态响应电流畸变、准确判断出保护阈值、快速输出动态响应、开关频率可调、开环保护、最大占空比为95%（典型值）等特性。

高压谐振控制器具有50%的占空比、变频控制谐振半桥、较高的工作频率、掉电保护、软启动、可在轻负载突发模式快速反应等特性。

双重快速断开智能控制电路具有低待机功耗、供电电压范围宽、快速断开总延迟时间短、反向电流保护、高工作频率切换、轻载静态电流小、支持CCM操作模式等特性。

电压检测系统重置IC电路具有小电容容量大延迟时间、低阈值工作电压、应用范围广等特性。

主变压器次级采用同步整流电路采用低导通电阻的功率MOS管来代替快恢复二极管，降低整流损耗，提高效率。

附图说明

图1标准的通过变压器变压构成的AC/DC电源转换。

图2标准的通过高压DC/DC模块构成的AC/DC电源转换。

图3为本实用新型AC/DC电源模块基本原理框图。

图4为本实用新型AC/DC电源模块外形图。

图5为图4的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型做进一步的说明，如图1所示，输入的交流电压经过变压器T1降压，再经过整流桥BR1整流、滤波电容C1、C2后连接三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端连接取样电路、输出滤波电路，最后得到我们所需要的直流电压，这种AC/DC电源的转换存在着压差损耗大、输出功率小、体积大、效率低、EMI特性差等缺陷。

为了解决图1存在的缺陷，现在标准的AC/DC电源都采用模块化的方式来解决，如图2所示，输入的交流电压经过滤波器后无需变压直接连接到整流滤波电路，把整流滤波后的直流高压连接到高压DC/DC模块的输入端，经过高压DC/DC模块隔离变换、再经过输出滤波后，得到我们所需要的电压，图2与图1相对比，节省了体积庞大的工频变压器，使体积缩小，EMI的性能变好，输出功率得到了提升，效率得到了提高，但是还是存在着一些不足，例如：高压DC/DC模块外部所需的分立元器件较多、当交流输入高低拉偏时，模块的效率还是比较低（90%以下）、电路技术不是很先进等。

如图3所示，本实用新型是采用集成一体化电源模块设计，把抗干扰与整流滤波电路、功率因数校正（PFC）与控制电路、LLC高压半桥谐振与控制电路、双重快速断开智能控制电路、电压检测系统重置IC电路、同步整流电路、滤波电路、稳压电路、辅助供电电路及保护电路集成一体化全新的模块化设计，相互配合完美的实现了全新的模块化AC/DC、DC/DC的二次变换。彻底解决了以上存在的问题。电源模块外形图见图4、图5，图4中引脚定义如下，引脚1对应功能-VIN，引脚2对应+VIN，引脚3对应ACL，引脚4对应ACN，引脚5、6、7对应+Vo，引脚8、9、10对应-Vo，引脚11对应-S，引脚12对应+S，引脚13对应TRM，引脚14对应NC，引脚15对应C-，引脚16对应C+。

采用集成一体化电源模块设计，把抗干扰与整流滤波电路、功率因数校正（PFC）与控制电路、LLC高压半桥谐振与控制电路、双重快速断开智能控制电路、电压检测系统重置IC电路、同步整流电路、滤波电路、稳压电路、辅助供电电路及保护电路集成一体化全新的模块化设计，相互配合完美的实现了全新的模块化AC/DC、DC/DC的二次变换，电源模块基本原理框图见图3，其中每个电路的形式都有自身的先进性与创新点，而且保护形式也非常的全面，下面对图3进行详细的解释说明。

如图3所示，模块的输入端，ACL和ACN都分别串联了保险丝，FS1和FS2连接抗干扰电路的输入端，起到了对整个模块的保护作用，输入抗干扰电路采用多级的LC和π型滤波电路，以应对不同频率的干扰和电磁干扰，再经过整流滤波电路后连接功率因数校正电路的输入端，功率因数校正电路采用升压型（Boost）电路设计，把整流电路和大滤波电容分割，通过控制PFC开关管Q1的导通使输入电流跟踪输入电压的变化，获得理想的的功率因数，减少电磁干扰EMI和稳定开关管的工作电压。工作过程如下：当开关管Q1导通时，电流IL1流过电感线圈L1，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时电容C2放电为负载提供能量；当Q1截止时，L1两端产生自感电动势VL1，以保持电流方向不变，这样VL1与电源VIN串联向电容和负载供电。这里重点说一下二极管D3的作用，二极管D3具有非常重要的作用：

1．减少浪涌电压对电容的冲击，在开机的瞬间限制PFC电感L1因浪涌电流产生巨大的自感电动势，从而造成电路故障。每次电源开关接通瞬间加到电感上的可以是交流正弦波的任意瞬时值，如果在电源开关接通的瞬间是在正弦波的最大值峰点附近，那么给电感所加的是一个突变的电压，会引起电感L1上产生极大的自感电动势，该电动势是所加电压的两倍以上，并形成较大的电流对后面的电容充电，轻则引起输入电路的保险丝熔断，重则引起滤波电容及开关管Q1击穿。设置保护二极管D3后在接通电源的瞬间，由D3导通并对C2充电，使流过PFC电感L1的电流大大减少，产生的自感电动势也要小得多，对滤波电容和开关管的危害及保险丝的熔断都要小的多。

2．减少浪涌电压对升压二极管D4的冲击，该二极管分流一部分PFC电感L1和升压二极管D4支路的电流，因而能对升压二极管D4起保护作用。

R1、R2、C1组成开关管Q1消峰电路来吸收开关管的DS尖峰，R5、R6、C3组成主电压检测电路，当检测脚的电压低于0.5V时，功率因数校正（PFC）控制器就会进入开环保护状态而使输出断电，R7、R8、C4组成掉电保护电路，当检测脚的电压低于1V时，功率因数校正（PFC）控制器使其内部门驱动程序关闭进入掉电保护状态，C3、C4为噪声旁路电容，除此之外还具有过流和过压的保护功能，利用先进的功率因数校正（PFC）控制器使其工作在连续工作模式，保证了整个负载范围内的高效率和安全可靠的动行。

经过功率因数校正（PFC）电路后，在开关管Q2的漏极得到了一个更高更稳定的直流电压（实测DC385V左右），经过R9、R10分压后给高压半桥谐振控制器供电，C5为噪声旁路电容。高压半桥谐振控制器它是一个双端的控制器特定于串联谐振半桥拓扑，它提供了50%的互补占空比：高边开关Q2和低边开关Q3，180 度不同相的完全相同的时间，输出电压调节是通过调节其操作频率，实际工作时占空比是低于50%的，因为内部有一个固定的死驱时间插入一路关断MOS和一路启动MOS，这个死区时间对于转换器正常工作至关重要，它确保软开关，使其高频工作时效率高和低EMI排放。

传统提高功率密度最有效的方式就是提高开关频率，高频下的磁性元件体积会大幅度减小，但频率的提高会使开关管的开关损耗加大，对变换器的效率造成影响，采用高频工作将大大降低无源器件的尺寸如变压器和电感器等。但开关损耗对高频工作带来了不利影响，严重制约了开关频率的不断提高。为减少开关损耗和整流损耗，提高开关电源变换器的工作效率，因此采用LLC谐振软开关技术设计，其电路结构简单，能实现初级主开关管的零电压（ZVS）导通和次级整流管的零电流（ZCS）关断，设计相对简单，同时电流波形呈正弦化，开关损耗和噪声可大幅度减少，有效地减小了电磁辐射的干扰。

LLC谐振半桥变换器主电路由三个部分组成，Q2、Q3组成方波发生器、L2、T1、C6组成谐振网络、Q4、Q5采用MOS管替代传统二极管设计组成整流滤波网络，此电路它既吸收了串联谐振变换器谐振电容所起到的隔直作用和功率谐振回路电流随负载轻重而变化以及轻载时效率较高的优点，同时又兼具了并联谐振变换器可以工作在空载条件下，对滤波电容的电流脉动要求小的特点。

方波发生器每次切换都以50%占空比交替驱动开关管Q2和Q3，从而产生方波电压Ub。Ua由交流电压整流并经过功率因数校正获得，从而提供更高更稳定的直流电压，同时也减小了电流应力，降低了谐波污染。

谐振网络：包含串联谐振电感L2、并联谐振电感Lm（变压器T1的励磁电感）和串联谐振电容C6。当高边MOS管Q2导通，低边MOS管Q3关断时，电流经过谐振电感L2、Lm对谐振电容C6充电，充电的曲线呈正弦波上半周期的波形，然后Q2、Q3都关断，过了死区时间后谐振电容C6和谐振电感L2、Lm，通过Q3形成一个回路放电，产生正弦波。当低边MOS管Q3导通，高边MOS管Q2关断时，C6充电接近于Ua，谐振电感L2、Lm中的电流为零，然后C6开始放电，谐振电感的电流由零反向上升，C6的电压由左负右正达到零，然后由于谐振电感的作用反向充电到右负左正，如果没有损耗，C6的电压将充到左大于右Ua后充电停止，谐振电感的电流为零，然后低边MOS管Q3关断，高边MOS管Q2导通，由于次级有能量输出及其它损耗，C6的电压将不会反向充到Ua的程度。

下面对谐振频率做进一步的说明：LLC谐振半桥变换器有两个不同的谐振频率，当变压器的励磁电感Lm不参与电路谐振时，变换器的谐振频率定义为Fr，当变压器的励磁电感Lm参与电路谐振时，变换器的谐振频率定义为Fm，当工作频率Fs＜Fm时，谐振变换器初级的开关管既不能实现零电压导通，次级MOS管也不能实现零电流关断，所以要避免电源工作在这个区域；当工作频率Fr＜Fs 时，谐振变换器初级的开关管可以实现零电压开通，但是次级的MOS管电流连续，无法实现零电流关断；当工作频率Fm＜Fs＜Fr时，谐振变换器在全负载范围内，谐振电路的开关管可以实现零电压导通，MOS管可以实现零电流关断。因此开关管的工作频率尽量控制在这个区间。

整流滤波网络是由Q4、Q5和输出滤波电路构成，Q4、Q5采用内阻极低的专用功率MOS管来取代整流二极管以降低整流损耗，这样不仅大大提高变换器的效率，而且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。

快速断开智能控制器是驱动两个功率MOS管Q4和Q5同步LLC谐振转换器校正，它具有待机损耗小、过热保护、供电电压范围宽、快速断开时间短（总延迟20ns）、轻载状态工作时只有600uA静态电流损耗、控制器内部具有反向电流保护（RCP）功能，确保MOS管在高频率（最大300KHZ切换频率）CCM状态下安全运行。

电压检测、系统重置控制器，可以通过添加外部电阻设置检测电压，也可以添加外部电容通过内置的延时电路来设置所需要的延迟时间。

输出稳压电路采用高精度基准TL431来设计，其具有基准电压温漂小、基准电压精度高、输出噪声电压低、稳压范围宽、负载电流范围大等技术特点。

反馈及保护电路的输出端与功率因数（PFC）校正器、高压半桥谐振控制器、电压检测、系统重置控制器的输入端相连，通过光耦隔离控制，来达到调整和保护模块的目的。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，包括输入端、输出端，其特征在于，所述同步整流AC/DC电源模块还包括输入抗干扰电路、整流滤波电路、功率因数校正与控制电路、LLC高压半桥谐振与控制电路、双重快速断开智能控制电路、电压检测系统重置IC电路、同步整流电路、滤波电路、稳压电路、辅助供电电路、反馈及保护电路，全部电路集成为一体化的模块。

2.如权利要求1所述的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，其特征在于，所述输入抗干扰电路为多级的LC和π型滤波电路，输入抗干扰电路与输入端的两个接线端之间各串联一个保险丝。

3.如权利要求1所述的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，其特征在于，所述功率因数校正与控制电路包括第一输入二极管、第二输入二极管、保护二极管、升压二极管、第一电感、第一开关管、第一电容、功率因数FPC控制器，所述第一输入二极管与第二输入二极管并联，第一输入二极管、第二输入二极管的正极均连接在输入抗干扰电路与整流滤波电路之间，第一输入二极管、第二输入二极管的负极均连接功率因数FPC控制器，第一电感与升压二极管串联后与保护二极管并联组成的电路一端连接整流滤波电路，另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接功率因数FPC控制器。

4.如权利要求3所述的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，其特征在于，所述功率因数校正与控制电路还包括消峰电路、主电压检测电路、掉电保护电路。

5.如权利要求1所述的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，其特征在于，所述LLC高压半桥谐振与控制电路包括高压半桥谐振控制器、高边开关、低边开关、串联谐振电感、变压器、串联谐振电容、第一控制开关管、第二控制开关管，高边开关与低边开关组成方波发生器，方波发生器连接高压半桥谐振控制器，串联谐振电感与串联谐振电容并联后一端连接连接变压器的初级，串联谐振电感的另一端连接在高边开关与低边开关之间，串联谐振电容的另一端连接低边开关，第一控制开关管、第二控制开关管与输出滤波电路共同组成整流滤波网络，第一控制开关管、第二控制开关管分别连接在变压器次级的两端。

6.如权利要求5所述的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，其特征在于，所述第一控制开关管、第二控制开关管均为MOS管。

7.如权利要求5所述的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，其特征在于，所述双重快速断开智能控制电路包括快速断开智能控制器，所述快速断开智能控制器用于驱动第一控制开关管、第二控制开关管同步高压半桥谐振控制器校正。

8.如权利要求1所述的集成PFC高压半桥谐振同步整流AC/DC电源模块，其特征在于，所述电压检测系统重置IC电路包括外部电阻或外部电容中的一种，所述电压检测系统重置IC电路还包括电压检测重置控制器。