CN217824731U - 一种单级llc开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种单级LLC开关电源电路,特点是包括EMI滤波模块、APFC升压模块、LLC谐振模块、输出模块、反馈模块、控制模块和负载,EMI滤波模块的第一输入端与外部交流电源的一端连接,EMI滤波模块的第二输入端与外部交流电源的另一端连接,APFC升压模块包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第一电容、第一NMOS管和第二NMOS管,LLC谐振模块包括第二电感、第二电容和变压器,变压器包括初级绕组、辅助绕组、第一次级绕组和第二次级绕组,输出模块包括第三二极管、第四二极管、第三电容和第三电感;优点是在完成升压储能的同时也让LLC谐振模块完成谐振过程,向次级线圈传递能量,简化了电路结构,降低成本。

Description

一种单级LLC开关电源电路
技术领域
本实用新型涉及一种开关电源电路,尤其是一种单级LLC开关电源电路。
背景技术
开关电源就是将高压交流电转换成低压直流电能的电路,开关电源主要由整流模块、控制电路、变压器、次级整流电路、滤波电路以及反馈电路组成等组成,开关电源的复杂设计使其拥有诸多指标,而功率因数就是大功率开关电源中的一个重要指标;功率因数指的是有效功率与视在功率之间的关系,也就是有效功率除以视在功率的比值,当功率因数值越大,代表其电力利用率越高,而高功率因数的实现常常是通过功率因数校正(PowerFactor Correction,简称PFC)电路来完成的,大多数PFC电路主要采用有源功率因数校正(Active Power Factor Correction,简称APFC)方式,其主要由PFC控制器、升压电感、升压二极管、输出电容以及功率管组成,PFC控制器在整个升压和储能的过程中调节输出电压和输出电流的相位,提高电路的功率因数。
目前市场上大多数开关电源产品采用的PFC电路与硬开关的开关电源相结合的两级式开关电源,这种两级式开关电源的缺点就是开关管、升压二极管和输出滤波电容形成的回路中存在一定的杂散电感,在一定的频率下,容易产生危险的过电压,对于处于硬开关状态的开关管的安全工作不利,另外这种结构本身复杂,电路元器件较多,增加了系统的电路设计成本的同时也造成了维修困难。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、功率因数高的单级LLC开关电源电路。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种单级LLC开关电源电路,包括EMI滤波模块、APFC升压模块、LLC谐振模块、输出模块、反馈模块、控制模块和负载,所述的EMI滤波模块的第一输入端与外部交流电源的一端连接,所述的EMI滤波模块的第二输入端与外部交流电源的另一端连接,所述的APFC升压模块包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第一电容、第一NMOS管和第二NMOS管,所述的LLC谐振模块包括第二电感、第二电容和变压器,所述的变压器包括初级绕组、辅助绕组、第一次级绕组和第二次级绕组,所述的输出模块包括第三二极管、第四二极管、第三电容和第三电感,所述的第一电感的一端与所述的EMI滤波模块的第一输出端连接,所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极及所述的第二二极管的负极连接,所述的第一二极管的负极、所述的第一电容的一端、所述的第一NMOS管的漏极及所述的控制模块的启动电压输入端连接,所述的第二二极管的正极与所述的第一电容的另一端连接,所述的EMI滤波模块的第二输出端、所述的第一NMOS管的源极、所述的第二NMOS管的漏极及所述的第二电感的一端连接,所述的第二电感的另一端与所述的初级绕组的一端连接,所述的初级绕组的另一端与所述的第二电容的一端连接,所述的第二NMOS管的源极、所述的第二电容的另一端及所述的辅助绕组的一端并接于初级地,所述的辅助绕组的另一端用于连接所述的控制模块的工作电压输入端,所述的第一次级绕组的一端与所述的第三二极管的负极连接,所述的第一次级绕组的另一端、所述的第二次级绕组的一端、所述的第三电容的一端、所述的第三电感的一端及所述的反馈模块的第一电压检测端连接,所述的第二次级绕组的另一端与所述的第四二极管的负极连接,所述的第三电感的另一端、所述的负载的一端及所述的反馈模块的第二电压检测端连接,所述的第三二极管的正极、所述的第四二极管的正极、所述的第三电容的另一端及所述的负载的另一端并接于次级地,所述的反馈模块用于通过第一电压检测端获取所述的第三电感的一端的电压并发送电压检测信号至所述的控制模块,所述的控制模块用于根据接收到的电压检测信号发送第一谐振控制信号至所述的第一NMOS管的栅极,同时发送第二谐振控制信号至所述的第二NMOS管的栅极。
所述的反馈模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、型号为TL431的可控精密稳压源和型号为PC817的光耦,所述的控制模块包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻,所述的第一电阻的一端与所述的第三电感的一端连接,所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端及所述的光耦的发送端的正极连接,所述的光耦的发送端的负极、所述的第二电阻的另一端及所述的可控精密稳压源的负极连接,所述的光耦的接收端用于发送电压检测信号至所述的控制模块,所述的第三电阻的一端与所述的第三电感的另一端连接,所述的第三电阻的另一端、所述的第四电阻的一端及所述的可控精密稳压源的控制端连接,所述的可控精密稳压源的正极与所述的第四电阻的另一端并接于次级地。
所述的控制模块包括型号为NCP1399的电源芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第四电容、第五二极管和稳压二极管,所述的第五电阻的一端与所述的第一电容的一端连接,所述的第五电阻的另一端与所述的电源芯片的HV引脚连接,所述的第六电阻的一端与所述的电源芯片的MODE引脚连接,所述的第六电阻的另一端、所述的第七电阻的一端及所述的电源芯片的BULK引脚连接,所述的第七电阻的另一端接初级地,所述的电源芯片的FB引脚与所述的光耦的接收端的正极连接,所述的光耦的接收端的负极接初级地,所述的电源芯片的MU引脚与所述的第九电阻的一端连接,所述的第九电阻的另一端与所述的第一NMOS管的栅极连接,所述的电源芯片的ML引脚与所述的第十电阻的一端连接,所述的第十电阻的另一端与所述的第二NMOS管的栅极连接,所述的电源芯片的VCC引脚、所述的第四电容的一端及所述的第五二极管的负极连接,所述的第四电容的另一端接初级地,所述的第五二极管的正极、所述的辅助绕组的另一端及所述的第八电阻的一端连接,所述的第八电阻的另一端、所述的稳压二极管的负极及所述的电源芯片的OVP引脚连接,所述的稳压二极管的正极接初级地。外部直流电压提供电源芯片启动电压,当电源芯片工作一段时间后断开外部直流电压,由辅助绕组的另一端提供持续工作电压。
所述的EMI滤波模块包括过流保护单元包括保险丝、压敏电阻、第一安规电容、第二安规电容和共模电感,所述的保险丝的一端与所述的外部交流电源的一端连接,所述的保险丝的另一端、所述的压敏电阻的一端、所述的第一安规电容的一端及所述的共模电感的第一输入端连接,所述的外部交流电源的另一端、所述的压敏电阻的另一端、所述的第一安规电容的另一端及所述的共模电感的第二输入端连接,所述的共模电感的第一输出端、所述的第二安规电容的一端及所述的第一电感的一端连接,所述的共模电感的第二输出端、所述的第二安规电容的另一端及所述的第二电感的一端连接。通过EMI滤波模块对交流电源进行滤波,从而去除电源供电时的杂波,同时也可以抑制LLC谐振模块产生的高频杂波传输到电网,不仅如此,在电流超过设定值时可以熔断保险丝,在电压过高时导通压敏电阻,起到保护后级模块的作用。
与现有技术相比,本实用新型的优点在于在电路结构中,利用LLC谐振模块的软开关特点,减小第一NMOS管及第二NMOS管的开通损耗,大大提高了电源系统的效率;输出模块通过反馈模块将输出到负载的电压检测信号反馈到控制模块,不仅可以根据负载大小调节谐振频率,还可以在一个周期内利用同一个第一NMOS管或第二NMOS管完成第一电感的储能和第一电容对LLC谐振模块释放电能,不仅实现了高功率因数,而且大大简化了电路结构;控制模块通过反馈模块的电压检测信号通过控制第一NMOS管或第二NMOS管的开关频率调节LLC谐振模块的谐振频率,当负载减小的时候,谐振频率增大,APFC升压模块的峰值电流减小,对应的LLC谐振模块的电流有效值也会减小;
整个开关电源电路利用系统正常运行的同一时刻内,使APFC升压模块和LLC谐振模块共用一个第一NMOS管或第二NMOS管,在完成升压储能的同时也让LLC谐振模块完成谐振过程,向次级线圈传递能量;采用这种有源功率因数升压拓扑结构,大大简化了功率因数校正电路,免去了一些在两级式开关电源中重复冗余的过压、过流保护结构,降低了电路的设计成本。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理框图;
图2为本实用新型的部分电路结构图;
图3为本实用新型中控制模块的电路结构图;
图4为本实用新型中EMI滤波模块的电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
一种单级LLC开关电源电路,包括EMI滤波模块1、APFC升压模块2、LLC谐振模块3、输出模块4、反馈模块5、控制模块6和负载(图未显示),EMI滤波模块1的第一输入端与外部交流电源U的一端连接,EMI滤波模块1的第二输入端与外部交流电源U的另一端连接,APFC升压模块2包括第一电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2,LLC谐振模块3包括第二电感L2、第二电容C2和变压器T1,变压器T1包括初级绕组Lm1、辅助绕组Lm2、第一次级绕组Ln1和第二次级绕组Ln2,输出模块4包括第三二极管D3、第四二极管D4、第三电容C3和第三电感L3,第一电感L1的一端与EMI滤波模块1的第一输出端连接,第一电感L1的另一端、第一二极管D1的正极及第二二极管D2的负极连接,第一二极管D1的负极、第一电容C1的一端、第一NMOS管Q1的漏极及控制模块6的启动电压输入端连接,第二二极管D2的正极与第一电容C1的另一端连接,EMI滤波模块1的第二输出端、第一NMOS管Q1的源极、第二NMOS管Q2的漏极及第二电感L2的一端连接,第二电感L2的另一端与初级绕组Lm1的一端连接,初级绕组Lm1的另一端与第二电容C2的一端连接,第二NMOS管Q2的源极、第二电容C2的另一端及辅助绕组Lm2的一端并接于初级地,辅助绕组Lm2的另一端用于连接控制模块6的工作电压输入端,第一次级绕组Ln1的一端与第三二极管D3的负极连接,第一次级绕组Ln1的另一端、第二次级绕组Ln2的一端、第三电容C3的一端、第三电感L3的一端及反馈模块5的第一电压检测端连接,第二次级绕组Ln2的另一端与第四二极管D4的负极连接,第三电感L3的另一端、负载的一端及反馈模块5的第二电压检测端连接,第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极、第三电容C3的另一端及负载的另一端并接于次级地,反馈模块5用于通过第一电压检测端获取第三电感L3的一端的电压并发送电压检测信号至控制模块6,控制模块6用于根据接收到的电压检测信号发送第一谐振控制信号至第一NMOS管Q1的栅极,同时发送第二谐振控制信号至第二NMOS管Q2的栅极。
反馈模块5包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、型号为TL431的可控精密稳压源ZD1和型号为PC817的光耦PC1,控制模块6包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9,第一电阻R1的一端与第三电感L3的一端连接,第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端及光耦PC1的发送端的正极连接,光耦PC1的发送端的负极、第二电阻R2的另一端及可控精密稳压源ZD1的负极连接,光耦PC1的接收端用于发送电压检测信号至控制模块6,第三电阻R3的一端与第三电感L3的另一端连接,第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的一端及可控精密稳压源ZD1的控制端连接,可控精密稳压源ZD1的正极与第四电阻R4的另一端并接于次级地。
控制模块6包括型号为NCP1399的电源芯片U1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第四电容C4、第五二极管D5和稳压二极管ZD2,第五电阻R5的一端与第一电容C1的一端连接,第五电阻R5的另一端与电源芯片U1的HV引脚连接,第六电阻R6的一端与电源芯片U1的MODE引脚连接,第六电阻R6的另一端、第七电阻R7的一端及电源芯片U1的BULK引脚连接,第七电阻R7的另一端接初级地,电源芯片U1的FB引脚与光耦PC1的接收端的正极连接,光耦PC1的接收端的负极接初级地,电源芯片U1的MU引脚与第九电阻R9的一端连接,第九电阻R9的另一端与第一NMOS管Q1的栅极连接,电源芯片U1的ML引脚与第十电阻R10的一端连接,第十电阻R10的另一端与第二NMOS管Q2的栅极连接,电源芯片U1的VCC引脚、第四电容C4的一端及第五二极管D5的负极连接,第四电容C4的另一端接初级地,第五二极管D5的正极、辅助绕组Lm2的另一端及第八电阻R8的一端连接,第八电阻R8的另一端、稳压二极管ZD2的负极及电源芯片U1的OVP引脚连接,稳压二极管ZD2的正极接初级地。
EMI滤波模块1包括过流保护单元包括保险丝FUSE、压敏电阻ZNR、第一安规电容CS1、第二安规电容CS2和共模电感LD1,保险丝FUSE的一端与外部交流电源U的一端连接,保险丝FUSE的另一端、压敏电阻ZNR的一端、第一安规电容CS1的一端及共模电感LD1的第一输入端连接,外部交流电源U的另一端、压敏电阻ZNR的另一端、第一安规电容CS1的另一端及共模电感LD1的第二输入端连接,共模电感LD1的第一输出端、第二安规电容CS2的一端及第一电感L1的一端连接,共模电感LD1的第二输出端、第二安规电容CS2的另一端及第二电感L2的一端连接。
以上实施例的具体原理如下:在启动电源之后,交流电源U为第一电容C1进行充电,该阶段不仅为第一电容C1储能用于给控制模块6的电源芯片U1启动供电,还可以为第一电感L1进行一部分储能;在第一电容C1上的电压达到电源芯片U1的启动阈值时,控制模块6的电源芯片U1启动,输出脉冲,使第一NMOS管Q1开通,此刻系统中存在两个回路,一个是电感储能回路,一个是LLC谐振回路,电感储能回路从交流电源U到第一电感L1、第一二极管D1、第一NMOS管Q1再回到交流电源U,LLC谐振回路由第一电容C1向LLC谐振模块3放电,从第一电容C1、第二电感L2、初级绕组Lm1、第二电容C2再到初级地PGND,变压器T1的第一次级绕组Ln1和第二次级绕组Ln2作为LLC谐振模块3的输出,通过输出模块4的第三二极管D3为第三电容C3充电同时也为负载供电;
在变压器T1的初级绕组Lm1向两个次级绕组传递完能量之后,第一NMOS管Q1继续开通,第一电感L1继续储能,此时初级绕组Lm1的励磁电感上的励磁电流大小与第二电感L2的谐振电流大小相同,二者不存在差值,负载由第三电容C3供电;在第一NMOS管Q1开通时,一方面APFC升压模块2需要利用第一NMOS管Q1构成升压回路,为下一个周期的LLC谐振模块3储存能量,同时第一电容C1由于上一周期存储的能量向LLC谐振模块3释放,通过LLC谐振模块3的变压器T1将能量传递到输出模块4,在一个阶段内,第一NMOS管Q1既完成了升压同时也完成谐振;在初级绕组Lm1和第二电感L2同时参与谐振结束后,第一NMOS管Q1关断,LLC谐振模块3进入死区阶段,此阶段负载依旧由第三电容C3供电;
在死区时间结束后,第二NMOS管Q2开通,第一电感L1给第一电容C1充电,通过输出模块4的第四二极管D4为第三电容C3充电同时也为负载供电;在变压器T1的初级绕组Lm1向两个次级绕组传递完能量之后,第二NMOS管Q2依旧开通,第一电感L1继续给第一电容C1充电;此时初级绕组Lm1的励磁电感上的励磁电流大小与第二电感L2的谐振电流大小相同,二者不存在差值,负载由输出模块4的第三电容C3供电;该阶段过程利用APFC升压模块2与第二NMOS管Q2构成升压回路,为下一个周期的LLC谐振模块3储存能量;同时谐振模块的变压器T1的初级绕组Lm1与第二电容C2、第二电感L2构成下半周期的谐振回路,由初级绕组Lm1进行释放能量,通过变压器T1将能量传递到次级线圈,在一个阶段内,第二NMOS管Q2既完成了升压同时也完成了谐振功能;
在初级绕组Lm1和第二电感L2同时参与谐振结束后,第二NMOS管Q2关断,LLC谐振模块3进入死区阶段,此刻负载依旧由第三电容C3供电。

Claims (4)

1.一种单级LLC开关电源电路,其特征在于包括EMI滤波模块、APFC升压模块、LLC谐振模块、输出模块、反馈模块、控制模块和负载,所述的EMI滤波模块的第一输入端与外部交流电源的一端连接,所述的EMI滤波模块的第二输入端与外部交流电源的另一端连接,所述的APFC升压模块包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第一电容、第一NMOS管和第二NMOS管,所述的LLC谐振模块包括第二电感、第二电容和变压器,所述的变压器包括初级绕组、辅助绕组、第一次级绕组和第二次级绕组,所述的输出模块包括第三二极管、第四二极管、第三电容和第三电感,所述的第一电感的一端与所述的EMI滤波模块的第一输出端连接,所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极及所述的第二二极管的负极连接,所述的第一二极管的负极、所述的第一电容的一端、所述的第一NMOS管的漏极及所述的控制模块的启动电压输入端连接,所述的第二二极管的正极与所述的第一电容的另一端连接,所述的EMI滤波模块的第二输出端、所述的第一NMOS管的源极、所述的第二NMOS管的漏极及所述的第二电感的一端连接,所述的第二电感的另一端与所述的初级绕组的一端连接,所述的初级绕组的另一端与所述的第二电容的一端连接,所述的第二NMOS管的源极、所述的第二电容的另一端及所述的辅助绕组的一端并接于初级地,所述的辅助绕组的另一端用于连接所述的控制模块的工作电压输入端,所述的第一次级绕组的一端与所述的第三二极管的负极连接,所述的第一次级绕组的另一端、所述的第二次级绕组的一端、所述的第三电容的一端、所述的第三电感的一端及所述的反馈模块的第一电压检测端连接,所述的第二次级绕组的另一端与所述的第四二极管的负极连接,所述的第三电感的另一端、所述的负载的一端及所述的反馈模块的第二电压检测端连接,所述的第三二极管的正极、所述的第四二极管的正极、所述的第三电容的另一端及所述的负载的另一端并接于次级地,所述的反馈模块用于通过第一电压检测端获取所述的第三电感的一端的电压并发送电压检测信号至所述的控制模块,所述的控制模块用于根据接收到的电压检测信号发送第一谐振控制信号至所述的第一NMOS管的栅极,同时发送第二谐振控制信号至所述的第二NMOS管的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种单级LLC开关电源电路,其特征在于所述的反馈模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、型号为TL431的可控精密稳压源和型号为PC817的光耦,所述的控制模块包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻,所述的第一电阻的一端与所述的第三电感的一端连接,所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端及所述的光耦的发送端的正极连接,所述的光耦的发送端的负极、所述的第二电阻的另一端及所述的可控精密稳压源的负极连接,所述的光耦的接收端用于发送电压检测信号至所述的控制模块,所述的第三电阻的一端与所述的第三电感的另一端连接,所述的第三电阻的另一端、所述的第四电阻的一端及所述的可控精密稳压源的控制端连接,所述的可控精密稳压源的正极与所述的第四电阻的另一端并接于次级地。
3.根据权利要求2所述的一种单级LLC开关电源电路,其特征在于所述的控制模块包括型号为NCP1399的电源芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第四电容、第五二极管和稳压二极管,所述的第五电阻的一端与所述的第一电容的一端连接,所述的第五电阻的另一端与所述的电源芯片的HV引脚连接,所述的第六电阻的一端与所述的电源芯片的MODE引脚连接,所述的第六电阻的另一端、所述的第七电阻的一端及所述的电源芯片的BULK引脚连接,所述的第七电阻的另一端接初级地,所述的电源芯片的FB引脚与所述的光耦的接收端的正极连接,所述的光耦的接收端的负极接初级地,所述的电源芯片的MU引脚与所述的第九电阻的一端连接,所述的第九电阻的另一端与所述的第一NMOS管的栅极连接,所述的电源芯片的ML引脚与所述的第十电阻的一端连接,所述的第十电阻的另一端与所述的第二NMOS管的栅极连接,所述的电源芯片的VCC引脚、所述的第四电容的一端及所述的第五二极管的负极连接,所述的第四电容的另一端接初级地,所述的第五二极管的正极、所述的辅助绕组的另一端及所述的第八电阻的一端连接,所述的第八电阻的另一端、所述的稳压二极管的负极及所述的电源芯片的OVP引脚连接,所述的稳压二极管的正极接初级地。
4.根据权利要求1所述的一种单级LLC开关电源电路,其特征在于所述的EMI滤波模块包括过流保护单元包括保险丝、压敏电阻、第一安规电容、第二安规电容和共模电感,所述的保险丝的一端与所述的外部交流电源的一端连接,所述的保险丝的另一端、所述的压敏电阻的一端、所述的第一安规电容的一端及所述的共模电感的第一输入端连接,所述的外部交流电源的另一端、所述的压敏电阻的另一端、所述的第一安规电容的另一端及所述的共模电感的第二输入端连接,所述的共模电感的第一输出端、所述的第二安规电容的一端及所述的第一电感的一端连接,所述的共模电感的第二输出端、所述的第二安规电容的另一端及所述的第二电感的一端连接。
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