CN217063563U - 一种基于单级pfc的小功率充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单级PFC的小功率充电器。EMI整流滤波电路的输入端连接市电的输出端，EMI整流滤波电路的输出端连接单级PFC电路的输入端；单级PFC电路包括共用一套开关管和控制电路的前级PFC电路和后级DC‑DC电路；控制电路包括高压启动切换电路、PWM控制电路和光耦隔离控制电路。本实用新型以传统的两级式Boost PFC+Flyback结构为基础，通过将前级PFC电路和后级DC‑DC电路共用一套开关管和控制电路而构成组合式单级PFC变换器，具有使用元器件少，占用空间小，成本低；功率因数高；电流谐波少等优点，提高了充电器的可靠性，适用于笔记本电脑充电器等中小功率场合。

Description

一种基于单级PFC的小功率充电器

技术领域

本实用新型属于充电器技术领域，具体涉及一种基于单级PFC的小功率充电器。

背景技术

充电器是一种常见的电力电子装置，其通过交直流变换为笔记本，手机等设备供电，因为传统的不控整流技术带来电流谐波畸变和功率因数低等问题，难以提供高质量的供电支持。所以PFC技术被各路学者深入钻研并应用于产品中以优化充电器的性能参数。常见的使用两级PFC变换器拓扑的方案由于输入电能全部需要经过两级功率变换才能到达负载存在电路复杂、整机效率降低、使用元器件较多导致成本较高等特点。

针对此类问题，有方案通过使用集成功率解耦电路PFC AC/DC变换器，（如名为一种汽车车载充电器前级PFC AC/DC变换器，申请号：CN 202020003668.2），有效地抑制了输出电压二次纹波，提升系统控制性能及鲁棒性，实现系统的安全可靠运行。这类方案很好地解决了一定范围内系统输出参数不佳的问题，但是仅其DC/DC变换级就使用了5个功率开关管，导致结构复杂、占用空间大，过多的元器件增加了电路的复杂程度也增加了系统的成本，在笔记本电脑充电器这种小功率应用场合下的适用性较低，限制了产品的推广。

实用新型内容

为解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种基于单级PFC的小功率充电器，具有电路结构简单，占用空间小，适用于笔记本电脑充电器等小功率应用场合。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种小功率充电器，包括：EMI整流滤波电路和单级PFC电路；所述EMI整流滤波电路的输入端连接市电的输出端，所述EMI整流滤波电路的输出端连接单级PFC电路的输入端；所述单级PFC电路包括共用一套开关管和控制电路的前级PFC电路和后级DC-DC电路；所述控制电路包括高压启动切换电路、PWM控制电路和光耦隔离控制电路。

进一步地，所述EMI整流滤波电路包括：第一X电容CX1，所述第一X电容CX1的两端分别连接市电的输出端；第二X电容CX2，所述第二X电容CX2与所述第一X电容CX1分别并联在第一共模电感CMC1的两端；第一Y电容CY1和第二Y电容CY2串联后并联在所述第二X电容CX2的两端，所述第一Y电容CY1和第二Y电容CY2的公共端接地；所述第二X电容CX2的两端分别连接整流桥的输入端，所述整流桥的其中之一输出端与电感Lin的一端连接，所述电感Lin的另一端与电解电容Cin的一端连接，所述电解电容Cin的另一端与所述整流桥的其中之另一输出端连接。

进一步地，所述单级PFC电路包括：电感L1，所述电感L1的一端与所述电感Lin和电解电容Cin的公共端连接，所述电感L1的另一端与第一二极管D1的正极、第二二极管D2的正极连接，所述第一二极管D1的负极与开关管Q1的漏极连接，所述开关管Q1的源极与所述电解电容Cin和整流桥的公共端连接；反激变压器输入绕组N1的一端与第三二极管D3的负极连接，所述第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极、电解电容CB的一端连接，电解电容CB的另一端与所述开关管Q1的源极连接；反激变压器输入绕组N1的另一端与开关管Q1的漏极连接；反激变压器第二输出绕组N2和反激变压器第三输出绕组N3串联，反激变压器第二输出绕组N2和反激变压器第三输出绕组N3的公共端与第一输出二极管Do的正极连接；第一输出电容Co1一端与第一输出二极管Do的负极连接，另一端与反激变压器第二输出绕组N2的另一端连接；第二输出二极管Da的正极与反激变压器第三输出绕组N3的另一端连接，第一输出电感La一端与第二输出二极管Da的负极连接，另一端与第一输出二极管Do的负极连接。

进一步地，所述高压启动切换电路包括：第一电容C1，所述第一电容C1与第三电阻R3并联后与第四二极管D4串联；第四二极管D4的正极连接开关管Q1的漏极；第一电容C1与第三电阻R3的公共端连接电感L1与电感Lin的公共端；辅助供电绕组Na一端接地，另一端通过电阻R4连接第五二极管D5的正极，第五二极管D5的负极连接辅助电压输出端Vcc；第二电容C2与第三电容C3并联后，一端接地，另一端与第五二极管D5的负极连接；第一电阻R1与第二电阻R2并联后一端与第五二极管D5的负极连接，另一端与第一电容C1、第三电阻R3、电感L1的公共端连接。

进一步地，所述PWM控制电路包括：UC3842芯片，所述UC3842芯片的第七引脚连接辅助电压输出端Vcc、第六引脚连接第五电阻R5的一端、第三引脚连接第七电阻R7和第五电容C5的公共端、第二引脚接地、第一引脚连接光耦隔离控制电路，第五电容C5的另一端接地，第七电阻R7的另一端与开关管Q1的源极连接；检测电阻Rs一端接地，另一端与开关管Q1的源极连接；第五电阻R5的另一端与第六电阻R6、第七二极管D7的负极连接；第六电阻R6的另一端、第七二极管D7的正极与开关管Q1的栅极连接；第八电阻R8一端与开关管Q1的源极连接，另一端接地。

进一步地，所述光耦隔离控制电路包括：PC817光耦和TL431可调精密并联稳压器，所述PC817光耦与第十电阻R10并联后一端与第九电阻R9的一端连接，另一端与第六电容C6的一端、TL431可调精密并联稳压器的K端连接；第十二电阻R12一端与TL431可调精密并联稳压器的A端连接，另一端与TL431可调精密并联稳压器的R端、第六电容C6的另一端、第十一电阻R11的一端连接；第十一电阻R11的另一端、第九电阻R9的另一端分别与所述第一输出二极管Do的负极连接；PC817光耦的Comp引脚与UC3842芯片的第一引脚连接。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果：本实用新型以传统的两级式Boost PFC+ Flyback结构为基础，通过将前级PFC电路和后级DC-DC电路共用一套开关管和控制电路而构成组合式单级PFC变换器，具有电路结构简单，使用元器件少，占用空间小，成本低；功率因数高；电流谐波少等优点，大幅度提高了笔记本等设备充电器的可靠性，提升了产品的竞争力，特别适用于笔记本电脑充电器等中小功率场合。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种基于单级PFC的小功率充电器的总体架构示意图；

图2是本实用新型实施例中EMI整流滤波电路图；

图3是本实用新型实施例中Boost+Flyback式单级PFC电路；

图4是本实用新型实施例中高压启动及供电切换电路图；

图5是本实用新型实施例中基于UC3842的PWM控制电路图；

图6是本实用新型实施例中光耦隔离采样电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种基于单级PFC的小功率充电器，以传统的两级式Boost PFC+Flyback结构为基础，通过将前级PFC电路和后级DC-DC电路共用一套开关管和控制电路而构成组合式单级PFC变换器，包括EMI整流滤波电路和单级PFC电路；EMI整流滤波电路的输入端连接市电的输出端，EMI整流滤波电路的输出端连接单级PFC电路的输入端；单级PFC电路包括共用一套开关管和控制电路的前级PFC电路和后级DC-DC电路；控制电路包括高压启动切换电路、PWM控制电路和光耦隔离控制电路。

如图2所示，EMI整流滤波电路包括第一X电容CX1，所述第一X电容CX1的两端分别连接市电的输出端；第二X电容CX2，所述第二X电容CX2与所述第一X电容CX1分别并联在第一共模电感CMC1的两端；第一Y电容CY1和第二Y电容CY2串联后并联在所述第二X电容CX2的两端，所述第一Y电容CY1和第二Y电容CY2的公共端接地；所述第二X电容CX2的两端分别连接整流桥的输入端，所述整流桥的其中之一输出端与电感Lin的一端连接，所述电感Lin的另一端与电解电容Cin的一端连接，所述电解电容Cin另一端与所述整流桥的其中之另一输出端连接。F1是保险丝，会在电流异常升高到一定的高度时候，自身熔断以切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用；NTC是负温度系数热敏电阻，可以抑制电源启动时的浪涌电流。

EMI整流滤波电路采用电容和共模电感组成的EMI滤波器对产生杂讯电压以共模干扰为主的输入电源进行滤波。CX1和CX2为X电容，防止差模干扰。差模干扰大时，可增加其值进行抑制；CY1和CY2为Y电容，防止共模干扰。共模干扰大时，可增加其值进行抑制。一般只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量即可。

如图3所示，单级PFC电路包括电感L1，所述电感L1的一端与所述电感Lin和电解电容Cin的公共端连接，所述电感L1的另一端与第一二极管D1的正极、第二二极管D2的正极连接，所述第一二极管D1的负极与开关管Q1的漏极连接，所述开关管Q1的源极与所述电解电容CB（CB是Capacitor Bus的简称，电容CB的电压是V__B）和整流桥的公共端连接；反激变压器输入绕组N1的一端与第三二极管D3的负极连接，所述第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极、电解电容CB的一端连接，电解电容CB的另一端与所述开关管Q1的源极连接；反激变压器输入绕组N1的另一端与开关管Q1的漏极连接；反激变压器第二输出绕组N2和反激变压器第三输出绕组N3串联，反激变压器第二输出绕组N2和反激变压器第三输出绕组N3的公共端与第一输出二极管Do的正极连接；第一输出电容Co1一端与第一输出二极管Do的负极连接，另一端与反激变压器第二输出绕组N2的另一端连接；第二输出二极管Da的正极与反激变压器第三输出绕组N3的另一端连接，第一输出电感La一端与第二输出二极管Da的负极连接，另一端与第一输出二极管Do的负极连接。

Boost+Flyback式单级PFC电路：单级PFC电路基于传统的两级式DCM Boost 和CCMFlyback拓扑结构。通过加入第一二极管D1、第三二极管D3使得电流的流通路径改变进而形成单级结构。开关管Q1导通时，电感L1储能，电解电容CB放电至反激变压器输入绕组N1，反激变压器输入绕组N1同时储能；开关管关断时，电解电容CB储能，反激变压器输入绕组N1中的能量耦合到负载端，完成能量的传递。反激变压器第三输出绕组N3和第二输出二极管Da、第一输出电感La构成附加电路，可以增大电路的有效等效电感，通过抑制负载变化引起的输出电流斜率的变化来限制负电流反馈的影响，这有助于PWM控制电路的UC3842芯片更好地跟踪负载的变化，从而通过占空比降低母线电容电压VB的范围。同时，附加电路也减少了CCM Flyback电路运行时反激变换器的反向恢复相关损耗。

如图4所示，高压启动切换电路（即高压启动及供电切换电路）包括第一电容C1，所述第一电容C1与第三电阻R3并联后与第四二极管D4串联；第四二极管D4的正极连接开关管Q1的漏极、反激变压器输入绕组N1的一端；第一电容C1与第三电阻R3的公共端连接反激变压器输入绕组N1的另一端；辅助供电绕组Na一端接地，另一端通过电阻R4连接第五二极管D5的正极，第五二极管D5的负极连接辅助电压输出端Vcc；第二电容C2与第三电容C3并联后，一端接地，另一端与第五二极管D5的负极连接；第一电阻R1与第二电阻R2并联后一端与第五二极管D5的负极连接，另一端与第一电容C1和第三电阻R3、电感L1、电感Lin、电容Cin的公共端连接；电容Cin的另一端接地。

本实施例通过将启动电阻R1、R2（即第一电阻R1、第二电阻R2），启动电容C2、C3（即第二电容C2、第三电容C3）和辅助供电绕组Na相连接，组成了高压启动切换电路。上电瞬间由启动电阻R1、R2和启动电容C2、C3给芯片UC3842的Vcc脚供电；经过若干个周期，切换至辅助供电绕组Na给芯片UC3842的Vcc脚供电。

如图5所示，PWM控制电路包括UC3842芯片，所述UC3842芯片的第七引脚连接辅助电压输出端Vcc、第六引脚连接第五电阻R5的一端、第三引脚连接第七电阻R7和第五电容C5的公共端、第二引脚接地、第一引脚连接光耦隔离控制电路，第五电容C5的另一端接地，第七电阻R7的另一端与开关管Q1的源极连接；检测电阻Rs一端接地，另一端与开关管Q1的源极连接；第五电阻R5的另一端与第六电阻R6、第七二极管D7的负极连接；第六电阻R6的另一端、第七二极管D7的正极与开关管Q1的栅极连接；第八电阻R8一端与开关管Q1的源极连接，另一端接地。

PWM控制电路采用基于UC3842芯片的控制方案。UC3842芯片是一款经典的峰值电流控制模式的控制芯片，本方案中其2脚FB接地短路，利用1脚Comp接收来自光耦隔离控制电路的采样电压；3脚通过检测电阻Rs检测电感峰值电流并利用R7、C5（即第七电阻R7、第五电容C5）组成的RC低通滤波电路进行滤除尖峰杂波。采样到的电压电流信号在芯片内部经过逻辑运算后，通过6脚向开关管Q1发送PWM方波控制开关管的开通和关断。

如图6所示，光耦隔离控制电路包括PC817光耦和TL431可调精密并联稳压器，所述PC817光耦与第十电阻R10并联后一端与第九电阻R9的一端连接，另一端与第六电容C6的一端、TL431可调精密并联稳压器的K端连接；第十二电阻R12一端与TL431可调精密并联稳压器的A端连接，另一端与TL431可调精密并联稳压器的R端、第六电容C6的另一端、第十一电阻R11的一端连接；第十一电阻R11的另一端、第九电阻R9的另一端分别与所述第一输出二极管Do的负极连接；PC817光耦的Comp引脚与UC3842芯片的第一引脚连接。

光耦隔离控制电路采用基于PC817光耦和TL431可调精密并联稳压器组成的控制方案。TL431的R端含有2.5V的基准电压RRF，输出电压Vo1经过串联分压电阻R11和R12（即第十一电阻R11、第十二电阻R12）分压后与该2.5V基准电压REF进行比较，进而产生新的控制电压Vca，控制流过光耦原边的电流IF和流过光耦副边的电流IC 的大小。光耦副边相当于一个可变电阻，该可变电阻与电阻RFB串联分压，将一定比例的电压送进UC3842芯片的Comp脚，参与占空比的形成。

正常供电情况下，电源接入市电后，EMI整流滤波电路会滤除噪声和电磁干扰并进行交直转换，在如图3所示的高压启动及供电切换电路中，整流后的直流高电压经启动电阻R1，R2降压和启动电容C2、C3滤波后给控制芯片UC3842的Vcc引脚供电，经过若干个周期后切换至辅助供电绕组供电，电路开始进入暂态运行。当开关管Q1导通时，电流的流通路径分别为为L1-D1-Q1- L1和CB-D3-N1-Q1-CB，电感L1储能，电解电容CB放电至绕组N1，反激变压器绕组N1同时储能；当开关管Q1关断时，电流的流通路径为L1-CB-L1，电解电容CB储能，反激变压器输入绕组N1中的能量耦合到负载端，完成能量的传递。

上电初始，因为反激变压器第二输出绕组N2的输出电压Vo1低于期望输出电压，所以输出电压Vo1经过串联分压电阻R11和R12分压后的VFB低于TL431的2.5V基准电压REF。此时，在光耦和TL431的隔离控制电路中，流过光耦原边的电流为零，流过光耦副边的电流为零。光耦副边相当于一个可变电阻，此时等效阻值最大，所以控制芯片UC3842的Comp脚在此处的采样电压最大，在芯片UC3842内部经过逻辑运算后产生的占空比最大，输出电压Vo1开始快速增大。

当输出电压Vo1开始高于期望输出电压后， VFB也高于TL431的2.5V基准电压REF，此时导致TL431的阴极电压Vca降低，导致流过光耦原边的电流IF增大，进而导致流过光耦副边的电流IC增大。光耦副边的等效可变电阻最小，所以控制芯片UC3842的Comp脚在此处的采样电压最小，在经过逻辑运算后，UC3842的6脚向开关管Q1发送一个相对上一个周期变小的占空比。当输出电压Vo1开始回落并向期望输出电压靠近。

经过若干个周期后，输出电压稳定在期望输出值附近，向设备提供可靠的供电支持。

本充电器可以实现多路不同电压等级的直流输出；以传统的两级式Boost PFC+Flyback结构为基础，通过将前级PFC电路和后级DC-DC电路共用一套开关管和控制电路而构成组合式单级PFC变换器，极大地化简了电路结构，降低了电路的复杂程度，具有电路结构简单，使用元器件少，占用空间小，成本低；功率因数高；电流谐波少等优点，大幅度提高了笔记本等设备充电器的可靠性，提升了产品的竞争力，特别适用于笔记本电脑充电器等中小功率场合，能降低笔记本等设备充电器的成本和体积，后期的维修维护十分便利。

以上所述仅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技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于单级PFC的小功率充电器，其特征在于，包括：EMI整流滤波电路和单级PFC电路；

所述EMI整流滤波电路的输入端连接市电的输出端，所述EMI整流滤波电路的输出端连接单级PFC电路的输入端；

所述单级PFC电路包括共用一套开关管和控制电路的前级PFC电路和后级DC-DC电路；

所述控制电路包括高压启动切换电路、PWM控制电路和光耦隔离控制电路。

2.根据权利要求1所述的基于单级PFC的小功率充电器，其特征在于，所述EMI整流滤波电路包括：

第一X电容CX1，所述第一X电容CX1的两端分别连接市电的输出端；

第二X电容CX2，所述第二X电容CX2与所述第一X电容CX1分别并联在第一共模电感CMC1的两端；

第一Y电容CY1和第二Y电容CY2串联后并联在所述第二X电容CX2的两端，所述第一Y电容CY1和第二Y电容CY2的公共端接地；

所述第二X电容CX2的两端分别连接整流桥的输入端，所述整流桥的其中之一输出端与电感Lin的一端连接，所述电感Lin的另一端与电解电容Cin的一端连接，所述电解电容Cin的另一端与所述整流桥的其中之另一输出端连接。

3.根据权利要求2所述的基于单级PFC的小功率充电器，其特征在于，所述单级PFC电路包括：

电感L1，所述电感L1的一端与所述电感Lin和电解电容Cin的公共端连接，所述电感L1的另一端与第一二极管D1的正极、第二二极管D2的正极连接，所述第一二极管D1的负极与开关管Q1的漏极连接，所述开关管Q1的源极与所述电解电容Cin和整流桥的公共端连接；

反激变压器输入绕组N1的一端与第三二极管D3的负极连接，所述第三二极管D3的正极与第二二极管D2的负极、电解电容CB的一端连接，电解电容CB的另一端与所述开关管Q1的源极连接；反激变压器输入绕组N1的另一端与开关管Q1的漏极连接；

反激变压器第二输出绕组N2和反激变压器第三输出绕组N3串联，反激变压器第二输出绕组N2和反激变压器第三输出绕组N3的公共端与第一输出二极管Do的正极连接；第一输出电容Co1一端与第一输出二极管Do的负极连接，另一端与反激变压器第二输出绕组N2的另一端连接；第二输出二极管Da的正极与反激变压器第三输出绕组N3的另一端连接，第一输出电感La一端与第二输出二极管Da的负极连接，另一端与第一输出二极管Do的负极连接。

4.根据权利要求3所述的基于单级PFC的小功率充电器，其特征在于，所述高压启动切换电路包括：

第一电容C1，所述第一电容C1与第三电阻R3并联后与第四二极管D4串联；第四二极管D4的正极连接开关管Q1的漏极；第一电容C1与第三电阻R3的公共端连接电感L1与电感Lin的公共端；

辅助供电绕组Na一端接地，另一端通过电阻R4连接第五二极管D5的正极，第五二极管D5的负极连接辅助电压输出端Vcc；第二电容C2与第三电容C3并联后，一端接地，另一端与第五二极管D5的负极连接；第一电阻R1与第二电阻R2并联后一端与第五二极管D5的负极连接，另一端与第一电容C1、第三电阻R3、电感L1的公共端连接。

5.根据权利要求4所述的基于单级PFC的小功率充电器，其特征在于，所述PWM控制电路包括：

UC3842芯片，所述UC3842芯片的第七引脚连接辅助电压输出端Vcc、第六引脚连接第五电阻R5的一端、第三引脚连接第七电阻R7和第五电容C5的公共端、第二引脚接地、第一引脚连接光耦隔离控制电路，第五电容C5的另一端接地，第七电阻R7的另一端与开关管Q1的源极连接；检测电阻Rs一端接地，另一端与开关管Q1的源极连接；第五电阻R5的另一端与第六电阻R6、第七二极管D7的负极连接；第六电阻R6的另一端、第七二极管D7的正极与开关管Q1的栅极连接；第八电阻R8一端与开关管Q1的源极连接，另一端接地。

6.根据权利要求5所述的基于单级PFC的小功率充电器，其特征在于，所述光耦隔离控制电路包括：

PC817光耦和TL431可调精密并联稳压器，所述PC817光耦与第十电阻R10并联后一端与第九电阻R9的一端连接，另一端与第六电容C6的一端、TL431可调精密并联稳压器的K端连接；第十二电阻R12一端与TL431可调精密并联稳压器的A端连接，另一端与TL431可调精密并联稳压器的R端、第六电容C6的另一端、第十一电阻R11的一端连接；第十一电阻R11的另一端、第九电阻R9的另一端分别与所述第一输出二极管Do的负极连接；PC817光耦的Comp引脚与UC3842芯片的第一引脚连接。

Images