一种基于NCL30051芯片的恒压电源的制作方法

本实用新型涉及开关电源领域，尤其涉及一种基于NCL30051芯片的恒压电源。

背景技术：

目前，在一些电路拓补中包含PFC(功率因数校正)和HBR(谐振半桥)两个阶段，传统的控制方式是这两个阶段的反馈控制相互独立，即PFC阶段具有PFC阶段的反馈控制电路，谐振半桥控制器具有谐振半桥控制器的反馈控制电路。这样增加了电源电路的复杂度，而且增加了零件的成本，即使这种拓补的可靠性高也不适合于应用到低成本小体积的应用场合。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，确有必要提供一种基于NCL30051芯片的恒压电源，提供一种低成本、小体积、高可靠性的恒压源解决方案。

为了解决现有技术存在的技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种基于NCL30051芯片的恒压电源，包括整流滤波模块、功率因数校正模块、NCL30051控制模块、谐振半桥模块和恒压恒流反馈模块，其中，

所述整流滤波模块与交流市电输入相连接，用于将交流市电进行整流滤波后输出给所述功率因数校正模块；

所述功率因数校正模块与所述NCL30051控制模块和谐振半桥模块相连接，用于进行功率因数校正并输出直流高压信号至所述谐振半桥模块；

所述谐振半桥模块与所述NCL30051控制模块和恒压恒流反馈模块，用于通过LLC谐振输出恒定电压给负载提供供电电压；

所述恒压恒流反馈模块用于监测所述谐振半桥模块输出信号的电压的变化和电流的变化并反馈至所述NCL30051控制模块；

所述NCL30051控制模块用于根据所述恒压恒流反馈模块的反馈信号和所述功率因数校正模块的输出信号调节所述功率因数校正模块和所述谐振半桥模块的工作使所述谐振半桥模块的输出信号维持恒定电压。

优选地，所述NCL30051控制模块包括NCL30051芯片、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第一二极管D1，其中，所述NCL30051芯片的VREF引脚与第一电容C1的一端相连接，所述NCL30051芯片的PCT引脚与第二电容C2的一端相连接，所述NCL30051芯片的OSC引脚与第三电容C3的一端相连接，所述NCL30051芯片的HVS引脚与第四电容C4的一端相连接，所述第四电容C4的另一端与所述NCL30051芯片的HBoost引脚和所述第一二极管D1的负端相连接，所述第一二极管D1的正端与所述NCL30051芯片的VCC引脚和所述第五电容C5的一端相连接，所述第五电容C5的另一端与功率因数校正模块的辅助供电端相连接；所述NCL30051芯片的PCS引脚、PDRV引脚、PZCD引脚、HV引脚、PFB引脚与所述功率因数校正模块相连接，所述第一电容C1的另一端、所述第二电容C2的另一端、所述第三电容C3的另一端、所述NCL30051芯片的GND引脚、PGND引脚与地端相连接；所述NCL30051芯片的PControl引脚与所述恒压恒流反馈模块的输出端相连接；所述NCL30051芯片的HDRVh引脚、HVS引脚、HDRVlo引脚与所述谐振半桥模块相连接。

优选地，所述功率因数校正模块包括第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一变压器T1、第一MOS管Q1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，其中，所述第六电容C6并接在所述整流滤波模块的输出端，所述第六电容C6的一端与所述第一变压器T1的第一引脚、所述第一电阻R1的一端、所述第三二极管D3的正端相连接，所述第一电阻R1的另一端与所述NCL30051芯片的HV引脚相连接；所述第一变压器T1的第二引脚与所述第四二极管D4的正端、所述第一MOS管Q1的漏极相连接，所述第四二极管D4的负端与所述第三二极管D3的负端、所述第七电容C7的一端、所述第五电阻R5的一端相连接并作为PFC输出端与所述谐振半桥模块相连接，所述第五电阻R5的另一端与所述第六电阻R6的一端相连接并共同与所述NCL30051芯片的PFB引脚相连接；所述第一变压器T1的第四引脚与所述第二二极管D2的正端、所述第二电阻R2的一端相连接，所述第二电阻R2的另一端与所述NCL30051芯片的PZCD引脚相连接，所述第二二极管D2的负端作为辅助供电端；所述第一MOS管Q1的栅极与所述NCL30051芯片的PDRV引脚相连接；所述第一MOS管Q1的源极与所述第三电阻R3的一端、所述第四电阻R4的一端相连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第八电容C8的一端相连接共同与所述NCL30051芯片的PCS引脚相连接；所述第六电容C6的另一端、所述第四电阻R4的另一端、所述第六电阻R6的另一端、所述第七电容C7的另一端、所述第八电容C8的另一端以及所述第一变压器T1的第三引脚共同与地端相连接。

优选地，所述谐振半桥模块包括第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第七电阻R7、第一电感L1、第二电感L2和第二变压器T2，其中，所述第二MOS管Q2的栅极与所述NCL30051芯片的HDRVhi引脚相连接，所述第二MOS管Q2的漏极与所述第十电容C10的一端、第八二极管D8的负端相连接共同与所述功率因数校正模块的PFC输出端相连接，所述第十电容C10的另一端与所述第八二极管D8的正端、所述第一电感L1的一端所述第九电容C9的一端、所述第七二极管D7的负端相连接，所述第一电感L1的另一端与所述第二电感L2的一端、所述第二变压器T2的第一引脚相连接；所述第二MOS管Q2的源级与所述第三MOS管Q3的源级、所述第二电感L2的另一端、所述第二变压器T2的第二引脚相连接并共同与所述NCL30051芯片的HVS引脚相连接；所述第三MOS管Q3的栅极与所述NCL30051芯片的HDRVlo引脚相连接，所述第三MOS管Q3的漏极与所述第九电容C9的另一端、所述第七二极管D7的正端相连接并共同与地端相连接；所述第二变压器T2的第三引脚与所述第六二极管D6的正端相连接，所述第六二极管D6的负端与所述第五二极管D5的负端、所述第十一电容C11的一端相连接并作为输出正端与负载相连接；所述第二变压器T2的第五引脚与所述第五二极管D5的正端相连接；所述第二变压器T2的第四引脚与所述第七电阻R7的一端相连接，所述第七电阻R7的另一端作为输出地端与负载相连接，所述第十一电容C11的另一端与输出地端相连接。

优选地，所述恒压恒流反馈模块包括恒压反馈控制环和恒流反馈控制环，所述恒压反馈控制环用于监测所述谐振半桥模块输出信号的电压的变化并将其反馈至所述NCL30051芯片的PControl引脚，所述恒流反馈控制环用于监测所述谐振半桥模块输出信号的电流的变化并将其反馈至所述NCL30051芯片的PControl引脚。

与现有技术相比较，由于本实用新型的技术方案采用专用电源集成IC NCL30051芯片，仅需少量的外围器件就能实现高能效、高功率因数的电源，大大降低了恒压源电路的复杂度，缩小了恒压源的体积尺寸。

附图说明

图1为本实用新型基于NCL30051芯片的恒压电源的原理框图。

图2为本实用新型中NCL30051控制模块的电路原理图。

图3为本实用新型中功率因数校正模块的电路原理图。

图4为本实用新型中谐振半桥模块的电路原理图。

图5为本实用新型中恒压恒流反馈模块的原理示意图。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型提供的技术方案作进一步说明。

NCL30051是一款专用电源集成电路(IC)，能够为降压直流-直流(DC-DC)转换器/LED驱动器提供恒定电压。这器件集成了一个临界导电模式(CrM)PFC控制器及一个半桥谐振控制器，并内置600伏(V)驱动器，针对离线电源应用进行了优化，具备了所有实现高能效、小外形因数设计所需的特性。NCL30051的半桥段采用固定频率工作。这器件通过调节PFC段的输出电压来稳压，且集成了反馈环路开路保护，再加PFC过压和欠压检测机制，以及可以最高设定为75千赫兹(kHz)的可调节频率振荡器。正是由于NCL30051芯片集成了上述功能单元，能够以最少的所需外部元件简化电源电路设计，为空间受限且讲究高能效的电源应用提供极佳解决方案。

参见图1，所示为本实用新型基于NCL30051芯片的恒压电源的原理框图，包括整流滤波模块、功率因数校正模块、NCL30051控制模块、谐振半桥模块和恒压恒流反馈模块，其中，

整流滤波模块与交流市电输入相连接，用于将交流市电进行整流滤波后输出给功率因数校正模块；

功率因数校正模块与NCL30051控制模块和谐振半桥模块相连接，用于进行功率因数校正并输出直流高压信号至谐振半桥模块；

谐振半桥模块与NCL30051控制模块和恒压恒流反馈模块，用于通过LLC谐振输出恒定电压给负载提供供电电压；

恒压恒流反馈模块用于监测谐振半桥模块输出信号的电压的变化和电流的变化并反馈至NCL30051控制模块；

NCL30051控制模块用于根据恒压恒流反馈模块的反馈信号和功率因数校正模块的输出信号调节功率因数校正模块和谐振半桥模块的工作使谐振半桥模块的输出信号维持恒定电压。

采用上述技术方案，本实用新型中功率因数校正模块和谐振半桥模块共用一个反馈控制，这与传统的拓扑结构中两个阶段的反馈控制相互独立是完全不同的，同时，由于采用NCL30051，谐振半桥模块工作在固定频率，这就意味着，输出电压的调整依赖于功率因数校正模块输出电压的调整，功率因数校正模块的输出与谐振半桥模块的输出保持固定的比例不变，这种改进简化了控制的复杂性。谐振半桥模块工作在固定频率下，这又减轻了电源电磁干扰的问题，简化了EMI滤波器的设计。

参见图2，所示为本实用新型中NCL30051控制模块的电路原理图，NCL30051控制模块包括NCL30051芯片、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第一二极管D1，其中，NCL30051芯片的VREF引脚与第一电容C1的一端相连接，NCL30051芯片的PCT引脚与第二电容C2的一端相连接，NCL30051芯片的OSC引脚与第三电容C3的一端相连接，NCL30051芯片的HVS引脚与第四电容C4的一端相连接，第四电容C4的另一端与NCL30051芯片的HBoost引脚和第一二极管D1的负端相连接，第一二极管D1的正端与NCL30051芯片的VCC引脚和第五电容C5的一端相连接，第五电容C5的另一端与功率因数校正模块的辅助供电端相连接；NCL30051芯片的PCS引脚、PDRV引脚、PZCD引脚、HV引脚、PFB引脚与功率因数校正模块相连接，第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端、NCL30051芯片的GND引脚、PGND引脚与地端相连接；NCL30051芯片的PControl引脚与恒压恒流反馈模块的输出端相连接；NCL30051芯片的HDRVh引脚、HVS引脚、HDRVlo引脚与谐振半桥模块相连接。

由于NCL30051芯片集成了一个临界导电模式(CrM)PFC控制器及一个半桥谐振控制器，因此，其外围电路结构相对简单。

参见图3，所示为本实用新型中功率因数校正模块的电路原理图，功率因数校正模块包括第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一变压器T1、第一MOS管Q1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，其中，第六电容C6并接在整流滤波模块的输出端，第六电容C6的一端与第一变压器T1的第一引脚、第一电阻R1的一端、第三二极管D3的正端相连接，第一电阻R1的另一端与NCL30051芯片的HV引脚相连接；第一变压器T1的第二引脚与第四二极管D4的正端、第一MOS管Q1的漏极相连接，第四二极管D4的负端与第三二极管D3的负端、第七电容C7的一端、第五电阻R5的一端相连接并作为PFC输出端与谐振半桥模块相连接，第五电阻R5的另一端与第六电阻R6的一端相连接并共同与NCL30051芯片的PFB引脚相连接；第一变压器T1的第四引脚与第二二极管D2的正端、第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与NCL30051芯片的PZCD引脚相连接，第二二极管D2的负端作为辅助供电端；第一MOS管Q1的栅极与NCL30051芯片的PDRV引脚相连接；第一MOS管Q1的源极与第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端相连接，第三电阻R3的另一端与第八电容C8的一端相连接共同与NCL30051芯片的PCS引脚相连接；第六电容C6的另一端、第四电阻R4的另一端、第六电阻R6的另一端、第七电容C7的另一端、第八电容C8的另一端以及第一变压器T1的第三引脚共同与地端相连接。

在上述电路中，由于NCL30051芯片内部集成了一个临界导电模式(CRM)PFC控制器，功率因数校正模块通过架构外围电路实现功率因数校正。在图3的电路设计要点如下：

(1)NCL30051芯片PFB脚和R5,R6组成的电阻分压网络来实现PFC过压告警保护功能。当最高PFC电压设置为430Vdc时，要求当PFC输出电压高于430V时就使PFC驱动信号关闭；

(2)PFC输出电压的大小由谐振半桥输出电压信号通过恒压恒流反馈模块反馈到Pcontrol脚来实现；

(3)PFC MOSFET(第一MOS管Q1)的设计主要考虑漏源极耐压大小，漏极负载电流大小，导通阻抗引起的散热问题等。PFC电压最大设置为430Vdc，因此所选MOSFET的耐压为600V或以上便可以满足要求，而额定电流主要考虑在MOSFET导通期间，PFC电感最大峰值电流的值，所选择的MOSFET的额定电流需要大于电感电流峰值即可。因为CRM PFC模式可以实现零电压开关，因此MOSFET的损耗主要是通态电阻和漏极电流引起的导通损耗。综合考虑后，选择650V，9A的MOSFET,IPA60R385CP,其导通阻抗为25度时为0.385Ω；

(4)CRM PFC模式的一个优点就是PFC二极管(第四二极管D4)工作在零电流关断模式，因此，对二极管D4的反向恢复现象没有严格的要求，一般超快恢复二极管就能满足要求。二极管的耐压与MOSFET的耐压要求一致，选择600V或以上耐压的二极管即可。为了改善效率，降低二极管的导通损耗，可以考虑选择额定电流稍高的二极管以降低二极管导通压降Vf。因此选择600V 3A的超快恢复二极管MURS360遍可以满足设计要求。

为了使PFC控制器工作在核实的频率范围，选择电感为650μH-700μH较为合理。因此，第一变压器T1的初级电感值设定为650μH-700μH。为了提供一路15Vdc-18Vdc之间的辅助电压，第一变压器T1的次级辅助线圈匝比选择10:1较为合适。为了维持整个设计选材尽量一致的原则，选择PQ-2020铁氧体磁芯作为PFC电感和谐振半桥隔离变压器的磁芯。基于0.83A输入RMS电流，选择三股AWG#30励磁线用于主绕组线圈以减小交流损耗。其线径为0.61mm。磁芯的骨架内部绕线宽度约为12mm。这表明每层绕制18圈，一共绕制4或5层的话，可以绕制75匝。

参见图4，所示为谐振半桥模块的原理框图，谐振半桥模块包括第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第七电阻R7、第一电感L1、第二电感L2和第二变压器T2，其中，第二MOS管Q2的栅极与NCL30051芯片的HDRVhi引脚相连接，第二MOS管Q2的漏极与第十电容C10的一端、第八二极管D8的负端相连接共同与功率因数校正模块的PFC输出端相连接，第十电容C10的另一端与第八二极管D8的正端、第一电感L1的一端第九电容C9的一端、第七二极管D7的负端相连接，第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端、第二变压器T2的第一引脚相连接；第二MOS管Q2的源级与第三MOS管Q3的源级、第二电感L2的另一端、第二变压器T2的第二引脚相连接并共同与NCL30051芯片的HVS引脚相连接；第三MOS管Q3的栅极与NCL30051芯片的HDRVlo引脚相连接，第三MOS管Q3的漏极与第九电容C9的另一端、第七二极管D7的正端相连接并共同与地端相连接；第二变压器T2的第三引脚与第六二极管D6的正端相连接，第六二极管D6的负端与第五二极管D5的负端、第十一电容C11的一端相连接并作为输出正端与负载相连接；第二变压器T2的第五引脚与第五二极管D5的正端相连接；第二变压器T2的第四引脚与第七电阻R7的一端相连接，第七电阻R7的另一端作为输出地端与负载相连接，第十一电容C11的另一端与输出地端相连接。

上述电路设计中，为了开发高效率和高开关频率的开关电源，以实现较高的功率密度和较小的体积，采用LLC谐振软开关技术实现了开关电源高频高效高功率密度的要求。本实用新型的谐振半桥模块的功能是将PFC输出电压转换为38.5Vdc的恒定直流电压。其关键器件的设计与选型如下：

(1)半桥谐振变压器(第二变压器T2)的功率为60W，工作频率为35KHz，磁芯类型为铁氧体PQ-2020,材料为PC40,原边感量最小6mH,原边漏感：90μH-100μH,骨架类型为PQ-2020 14脚PC材质；原边组线圈为2,5脚，96匝，2股AWG#28励磁线并饶3层，每层32匝；副边绕组线圈为7-10,11-14脚，带中心抽头，19匝，两股AWG#26线绕制两层。绕制好的电感需要抽真空，浸凡立水工艺，并且需要进行3000Vdc以上的安全耐压测试；

(2)谐振半桥功率开关(第二MOS管Q2和第三MOS管Q3)的选取。用于谐振半桥功率MOSFET的选取，主要考虑谐振半桥输入电压的大小以及半桥谐振拓补结构中功率MOSFET所承受的电压应力和电流应力大小以及MOSFET导通阻抗的大小。谐振半桥中的功率MOSFET所承受的电压应力等于输入电压，即385到430Vdc，因此选用耐压600Vdc及以上的功率MOSFFET可以满足耐压要求。而输入电流峰值远小于1A，选择额定电流为3A及以上的功率MOSFET可以满足电流应力的要求。而对于导通阻抗的选取，主要考量其造成的导通损耗大小。在满足耐压和额定电流的前提下，导通阻抗越小越好。根据上面的分析，本实用新型中选用的600V N沟道功率MOSFETNDD04N60Z,其额定电流为4.1A，其最大导通阻抗为2Ω。这一选择比较合理的满足了设计的要求；

(3)谐振半桥模块输出整流二极管(第五二极管D5和第六二极管D6)工作在带中心抽头输出的半波整流模式，因为没有输出电感，每一个整流二极管承受两倍的输出电压的应力，考虑一定的裕量的情况下，选择150V耐压的肖特基整流二极管能满足设计的需要。同时，肖特基二极管具有很低的正向导通压降，这降低了导通损耗，而肖特基二极管的另外一个优点是，它没有反向恢复现象。这都有助于效率的提升。而输出整流二极管额定电流的大小必须大于输出电流，同时考虑一定的设计裕量。本实用新型中第五二极管D5和第六二极管D6选择耐压150V，额定电流为10A的肖特基整流二极管MBRF10H150。

参见图5，所示为恒压恒流反馈模块的原理示意图，恒压恒流反馈模块包括恒压反馈控制环和恒流反馈控制环，恒压反馈控制环用于监测谐振半桥模块输出信号的电压的变化并将其反馈至NCL30051芯片的PControl引脚，恒流反馈控制环用于监测谐振半桥模块输出信号的电流的变化并将其反馈至NCL30051芯片的PControl引脚。反馈信号是通过光耦反馈到NCL30051芯片的PControl引脚。

在上述电路中的恒压和恒流两部分在同一时刻只有一部分器作用，当负载电流小于最大容许的负载电流Ioutmax时，恒压反馈控制环器作用，确保输出电压恒定在正常输出电压容许的波动范围之内。当输出负载电流达到设定的最大负载电流Ioutmax时，电压反馈控制环路被恒流反馈控制环路取代，此时输出将保持恒定的电流大小。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。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原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。