在一個開關電源中控制脈寬調製器的電路裝置的製作方法
2023-06-12 12:41:21
專利名稱：在一個開關電源中控制脈寬調製器的電路裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在一個開關電源中控制脈寬調製器的電路裝置，該開關電源具有一個求差級，其用於從一個可以提供給第一輸入端子的調節信號和一個可以供給第二輸入端子的參考信號中形成差動信號，並用於通過放大該差動信號一個放大因數k產生一個可以在輸出端子上截取的控制信號。
脈寬調製器在開關電源中的任務是產生適合於一個同變壓器的初級線圈串聯的半導體功率開關的控制脈衝。控制脈衝的頻率和持續時間確定由初級線圈、並且因此由電源開關、吸收的功率，該功率再輸出給連接在處於變壓器上的次級線圈上的可變負載。在工作期間應當儘可能負載獨立地恆定保持經過負載下降的電壓。這要求減低功率消耗，並因此在降低負載和提高功率吸收的情況下降低控制脈衝的頻率和/或持續時間，並因此在提高負載的情況下降低控制脈衝的頻率和/或持續時間。
在脈寬調製器上由求差級提供的輸出信號用於調整由脈寬調製器提供的控制脈衝的持續時間和/或頻率。在固定提供時鐘脈衝的開關電源的情況下，例如藉助於一個鋸齒波發生器在脈寬調製器中實現控制脈衝的產生，如果鋸齒波信號的幅度超過由求差級提供的輸出信號的幅度，則對此以所產生的鋸齒波信號的上升沿開始並結束控制脈衝。
由於負載改變引起的輸出電壓波動通過依賴於輸出電壓的調節信號信號被反饋提供給求差級，在該求差級中調節信號與參考信號進行比較，並且在出現所希望的輸出電壓或者在調節信號和參考信號之間出現一個最小可能的差值之前一直校準控制信號。
用作調節器的求差級在已知的開關電源中在最簡單的情況下包括一個差值放大器，其用於在緊接著放大差動信號一個恆定放大係數的情況下從調節信號和參考信號中形成差動信號。通過附加的電路措施可以由本身具有正比例的調節性能的差值放大器形成一個具有積分的或成比例積分的調節性能的調節器。
不依賴此，即求差級是否形成為比例調節器、積分調節器或比例積分調節器，如果必須控制的負載和因此功率吸收是非常低的，比如在高保真設備或電視機中在備用運行中是這種情況，則已知的開關電源具有穩定性問題。理論上這裡短的觸發脈衝以相對大的時間間隔用於功率吸收是足夠的，以便在低負載上恆定保持電壓。另一方面在各個控制脈衝之間的間隔允許不超過50μs，或者控制脈衝的頻率允許不超過20kHz，因為這導致開關電源的可聽見的交流聲。在預先規定控制脈衝的頻率大於或等於20kHz的情況下，在非常小的負載的情況下控制脈衝當然是如此短，以至不再接合通常作為功率FET形成的半導體功率開關，而是轉變為有效範圍。在有效範圍內控制脈衝的持續時間的小的改變導致功率FET的漏極電壓大的改變，並因此導致流過功率FET的負載電流和通過開關電源吸收的功率的大的改變。這導致在通過求差級產生的控制信號的校準中的不穩定性。這將發生臨界震蕩，也就是說由於一個太短的控制信號功率FET根本不引起長久的時間，當然對於一定數目的相應較長的控制脈衝再完全接合功率FET；開關電源處於脈衝運行。這導致開關電源的不希望的聲學可聽見的噪聲。
迄今或者高耗費地並昂貴地通過圈繞部分的聲學衰減，或者通過規定最低負載解決這個問題，該最低負載必須做出吸收功率，在功率吸收中開關電源不轉變為脈衝運行。
因此本發明的任務是，提供一個在開關電源中控制脈寬調製器的電路裝置使用，由此在非常小的負載的情況下，比如在備用運行中，開關電源能夠穩定運行，以至不發生開關電源的幹擾的聲學可聽見的噪聲，並且特別地不得出上述缺點。
通過開始提到的電路裝置實現這個目的，在該電路裝置中放大係數k依賴於求差級的輸出信號和/或調節信號。
如果功率FET處於有效範圍，藉此開關電源的穩定運行也是可能的。通過在用作調節器的求差級中降低增益補償功率FET在有效範圍內非常大的增益，該增益在低改變控制脈衝的持續時間的情況下由於較大改變功率吸收可以明顯看見。由求差級提供的控制信號，通過脈寬調製器產生的控制脈衝的持續時間依賴於該控制信號的幅度，用作在求差級中降低放大係數k的標度。在求差極的成比例的調節性能的情況下，此外存在這種可能，調節信號用於在求差級中降低放大係數k的標度。
本發明的有益改進是從屬權利要求的內容。
根據本發明的第一實施形式預先規定，求差級具有一個輸出端方面連接在輸出端子上的乘法器，其帶有一個第一輸入端子，一個已放大的差動信號可以供給該輸入端子，並且具有一個第二輸入端子，在該輸入端子上連接用於反饋輸出信號的反饋支路的輸出端子。
有利地通過一個微分器，其輸入端方面連接在求差級的輸入端子上，和一個接在微分器後面的第一放大器形成已放大的差動信號。
反饋支路主要具有一個第二放大器，該放大器具有向上和下限制的增益範圍。只要反饋的控制信號低於第一極限值，這個主要線性工作的第二放大器提供一個恆定的輸出值。對於在這個第一極限值之上的控制信號，這個第二放大器的輸出信號一直線性增加，直到輸出信號達到第二極限值，從該第二極限值起恆定保持輸出信號。由該第二放大器提供的輸出信號經過乘法器用於加權差值放大器的恆定放大係數。因此從第一放大器的恆定放大係數與第二放大器的依賴於控制信號的放大係數的乘法中得出求差級的放大係數k，其中，如果控制信號未超過第二極限值，並且依賴於控制信號的控制脈衝未超過一個確定的最低持續時間，則放大係數k下降。
根據本發明的一個另外的實施形式預先規定，代替線性放大器在反饋支路中預先規定一個比較器。如果輸出信號大於一個極限值，則該比較器提供用於與第一放大器的輸出信號相乘的第一個值；如果該輸出信號低於這個極限值，則該比較器提供一個第二輸出值。放大係數k因此依賴於控制信號僅僅採用二個不同的值。
微分器和第一放大器優選共同形成為第一差值放大器。
本發明的一個實施形式預先規定，在反饋支路中布置的第二放大器形成為第二差值放大器，具有一個第一輸入端子，在該端子上可以加上一個限定線性增益範圍的第二參考電壓，並且具有一個第二輸入端子，在該端子可以加上反饋的控制信號。此外，在這種情況下預先規定一個電流鏡像裝置，其依賴於在第二差值放大器的支路中流過的電流調節在第一差值放大器中流過的輸入電流。在這個實施形式中依賴於在第一差值放大器中流過的電流的第一差值放大器的增益是通過在第二差值放大器的一個支路中流過的電流調節的，其中後者依賴於控制信號。電流鏡像裝置和提供給第一差值放大器的輸入電流的電流源在這個實施形式中起乘法器的作用。
下面根據在圖中的實施例詳細闡述本發明的有益改進。圖示
圖1一個具有求差級、脈寬調製器和半導體功率開關的開關電源的原理描述；圖2求差級的根據本發明的實施；圖3和4求差級的另外的根據本發明的實施形式的電路圖；和圖5在圖2的電路裝置中放大器的輸出特性曲線。
只要沒有另外說明，在這些圖中，相同的參考記號表明具有同樣意義的相同部分。
圖1指出一個具有根據本發明電路裝置的應用的開關電源的原理描述，該電路裝置用於控制脈寬調製器PWM。在該開關電源的輸出端子AK1、AK2上連接一個可變的負載RL，其中應當恆定地保持經過該負載RL產生的輸出電壓UA。按照控制脈衝AI的持續時間和頻率確定由開關電源吸收的、並在負載RL上提供的功率，該控制脈衝由一個脈寬調製器PWM產生用於控制半導體功率開關T，其串聯於變壓器的初級線圈。在控制脈衝AI的持續時間期間通過該初級線圈接收能量，並接著經過次級線圈和一個整流器裝置D、C交給負載RL。在脈寬調製器PWM中按照一個處於脈寬調製器PWM的一個輸入端子上的、由求差級DBS形成的控制信號AS產生控制脈衝AI的頻率和/或持續時間。在固定提供時鐘脈衝的開關電源的情況下以恆定的時間間隔產生控制脈衝AI，其中各個控制脈衝AI的持續時間依賴於處在脈寬調製器PWM的輸入端上的控制信號AS。
在求差級DBS的一個第一輸入端子EK1上存在一個依賴於輸出電壓UA的調節信號RS，並且在一個第二輸入端子EK2上存在一個參考信號RF。通過在輸出電壓UA並且因此調節信號RS波動的情況下求差級對控制信號進行再調整，直到對輸出電壓UA或者調節信號RS調整為所希望的值，這樣求差級DBS就當作調節器。例如可以經過一個在負載RL上的分壓器或經過一個與初級線圈感應耦合的具有後接整流器裝置的電感產生調節信號RS。
圖2指出了求差級DBS的一個根據本發明的實施形式，以這個求差級開關電源的一個穩定的、無噪聲的運行也能夠適合於非常小的負載RL。求差級DBS擁有一個與輸入端子EK1、EK2連接的微分器DIFF，該微分器用於從調節信號RS和參考信號RF中產生一個差動信號DS，具有一個接在微分器後面的、用於放大差動信號DS的第一放大器V。被放大的差動信號經過一個第一輸入端子M1被供給一個乘法器MUL，該乘法其具有一個另外的輸入端子M2，在該輸入端子上連接一個用於反饋控制信號AS的反饋支路RZ。在反饋支路RZ中連接一個第二放大器AMP2，其提供一個依賴於控制信號AS的輸出信號VS，該輸出信號用於加權在乘法器MUL的輸入端子M1上存在的已放大的差動信號。從第二放大器AMP2的輸出信號VS和已放大的差動信號的乘法中得出控制信號AS，並且在乘法器MUL的輸出端子AK上可以截取該控制信號，該輸出端子與求差級DBS的輸出端子AK連接。
圖5指出了在實施例中線性工作的第二放大器AMP2的依賴於在第二放大器AMP2的一個輸入端上存在的控制信號AS的輸出特性曲線。如果控制信號AS採用在下極限值AS1和上極限值AS2之間的值，則該放大器AMP2引起控制信號AS的線性放大。放大器AMP2在這個極限值AS1之下提供一個第一恆定的輸出信號VS1，在這個上極限值AS之上放大器AMP2提供一個第二恆定的輸出信號VS2。如果接在微分器DIFF之後的第一放大器V引起差動信號DS放大一個係數k1，則對於AS＜AS1，求差級DBS的一個放大係數k結果是k1·VS1，對於AS＞AS2結果是k1·VS2，隨著放大係數從k1·VS1到k1·VS2的線性增加，控制信號AS的值在AS1和AS2之間。
根據本發明的用於控制脈寬調製器PWM的電路裝置對於控制信號AS的小的值引起整個放大係數k的降低。控制信號AS的小的值引起非常短的持續時間的控制脈衝AI，由此，不再完全接通主要形成為功率FET的半導體功率開關T，而是轉變為有效範圍。通過降低求差級DBS的放大係數k至少部分地補償在有效範圍內功率FET T的非常大的增益，由此開關電源穩定地運行，即使功率FET處於有效範圍。
圖3和4指出根據用於實現根據圖2的求差級DBS的電路圖的實施例。
第二放大器AMP2形成為差值放大器，並且錯接在一個供電電位V+和參考電位M之間。差值放大器擁有一個接在供電電位V+上的電流源，其提供一個恆定的輸入電流IE2並且擁有一個接在該電流源之後的一個第一和第二電晶體T5、T6的並聯電路，其中一個電阻R串聯於第一電晶體T5的負載線路。電晶體T5、T6的基極端形成求差級的第一和第二輸入端E1、E2，其中在電晶體T5的基極端上存在一個第二參考信號RF2，並且在第二電晶體T6的基極端上存在從輸出端反饋的控制信號AS。
如果控制信號AS在本情況中是在一個輸出電阻RA上存在的電壓，大於RF2+I·R，則第一電晶體T5的集電級電流IC5是最大的(等於IE2)。對於控制信號AS，在這個極限值之下，連續地根據等式IC5=(AS-RF2)/R減少集電級電流IC5。第一電晶體T5的集電級電流IC5通過一個電流鏡像裝置T7、T8確定一個可以在輸出端子上截取的第二差值放大器AMP2的輸出電流IA2其中輸出電流IA2通過二個形成鏡像電流的電晶體T7、T8面積比與第一電晶體T5的集電級電流IC5有關係。這個輸出電流IA2通過一個另外的鏡像電流R3、T9、R4、T10確定一個第一差值放大器AMP1的輸入電流IE1，其中後者執行微分器DIFF和根據圖2的第一放大器V的功能。差值放大器的第一和第二電晶體T1、T2基極端形成第一差值放大器的第一和第二輸入端E3、E4，並且因此與第一和第二輸入端子EK1、EK2連接。在第一和第二三機關T1、T2後面連接一個另外的電流鏡像裝置T3、R1、T4、R2作為負載。從在差值放大器的第二電晶體T2的集電級電流IC2和接在第二電晶體T2後面的鏡像電流電晶體T4的集電級電流IC4之間的差中得出可以在輸出端子A1上截取的第一差值放大器AMP1的輸出電流IA1。
第一差值放大器AMP1的輸出電流IA1依賴於調節信號RS同參考信號RF的差，其中輸出電流IA1最大為輸入電流IE1，其又與第二差值放大器AMP2的輸出電流IA2成比例。因此通過第二差值放大器AMP2的輸出電流IA2依賴於控制信號AS調節差值放大器AMP1的增益，其中例如第二差值放大器AMP2的輸出電流IA2的加倍引起差值放大器AMP1的增益的加倍。在第一差值放大器AMP1的輸入電流IE1上反映第二差值放大器的輸出電流IA2的鏡像電流R3、T9、R4、T10在此承擔乘法器MUL的功能。
在第一差級放大器AMP1的第二電晶體T2集電極和參考電位M之間連接一個輸出電阻RA，在該電阻上存在輸出信號AS。在使用輸出電阻RA的情況下求差級擁有一個成比例的調節作用；通過用一個電容代替輸出電阻RA可以實現積分的調節作用。
圖4指出了根據本發明的求差級DBS的一個另外的實施形式，在該求差級中差值放大器AMP1附加具有一個連接在輸出端上的作為鏡像電流T11、T12、R7、R8錯接的電流源，其在一個輸出端A1上提供一個依賴於第二差值放大器AMP2的輸出電流RA2的電流。該電流源T11、T12、R7、R8此外經過一個電晶體T13和一個電阻R6連接在處於差值放大器AMP2和差值放大器AMP1之間的電流鏡像裝置R3、T9、R4、T10上。差值放大器AMP1的第二電晶體T2的集電級在這個實施形式中直接連接在參考電位M上。這引起，用作差值放大器負載的鏡像電流T3、T4、R1、R2在輸出端上不提供電流，而是僅僅可以吸收依賴於輸入電流IE和調節信號RS同參考信號RF的差值的電流。從由電流源T11、T12、R7、R8提供的電流同由鏡像電流T3、T4、R1、R2吸收的電流的差值中得出輸出電流IA2。差值放大器AMP1在這個實施形式中在輸出端上以電流偏移表明一個放大器的性能。
第一和第二差值放大器AMP1、AMP2在所描述的實施例中起被控制電流源的作用，其中用作第二被控制電流源的第二差值放大器AMP2的輸出電流IA2確定最大輸入電流IE1並且因此確定用作第一被控制電流源的第一差值放大器AMP1的最大輸出電流IA1。如果有條件地由於下降的控制電流AS降低輸出電流IA2，則在調節信號RS同參考信號RF不變的比例的情況下第二差值放大器的輸出電流IA1也降低，在較小形成的控制信號的情況下降低第一差值放大器AMP1的增益，並且因此降低求差級DBS的放大係數k。通過一個電流鏡像裝置T9、R3、T10、R4；T9、R3、T10、R4、T13、R6耦合二個被控制的電流源。在本實施例中從通過在一個電阻RA上的輸出電流IA1引起的電壓降中得出控制信號AS，該電阻連接在第一差值放大器AMP1的輸出端A1上。
在圖4和5中參考記號T1、T2、T5、T6、T9、T10和T13表明pnp雙極性電晶體，參考記號T3、T4、T7、T8、T11、T12表明npn雙極性電晶體。參考記號R1至R8表明電阻。
參考記號表AI 控制脈衝A1、A2 輸出端AK 輸出端子
AK1、AK2 輸出端子AMP1 差值放大器AMP2 差值放大器AS控制信號C 電容D 二極體DBS 求差級DIFF 微分器E1、E3第一輸入端子E2、E4第二輸入端子EK1 第一輸入端子EK2 第二輸入端子IC5、IC2、IC4集電極電流M 參考電位M1第一輸入端子M2第二輸入端子MUL 乘法器PWM 脈寬調製器R1-R8 電阻RA輸出電阻RF參考信號RF2 第二參考信號RL負載RS調節信號RZ反饋支路T 功率FETT1-T13電晶體變壓器V 放大器V+供電電位VS輸出信號
權利要求
1．在一個開關電源中控制脈寬調製器(PWM)的電路裝置，該開關電源具有一個求差級(DBS)，其用於從一個可以提供給第一輸入端子(EK1)的調節信號(RS)和一個可以供給第二輸入端子(EK2)的參考信號(RF)中形成差動信號(DS)，並用於通過放大該差動信號(DS)一個放大因數k以產生一個可以在輸出端子(AK)上截取的控制信號(AS)，其特徵在於，放大係數k依賴於控制信號(AS)和/或調節信號(RS)。
2．按照權利要求1的電路裝置，其特徵在於，求差級(DBS)具有一個輸出端方面連接在輸出端子上的乘法器(MUL)，該乘法器帶有一個第一輸入端子(M1)，可以供給該第一輸入端子一個已放大的差動信號，並且帶有一個第二輸入端子(M2)，在該輸入端子上連接用於反饋控制信號(AS)的反饋支路(RZ)的輸出端子。
3．按照權利要求2的電路裝置，其特徵在於，乘法器的第一輸入端子(M1)以附加連接的第一放大器(V)串聯一個輸入端方面連接在輸入端子(EK1、EK2)上的微分器(DIFF)，其用於形成差動信號(DS)。
4．按照權利要求2或3的電路裝置，其特徵在於，反饋支路(RZ)具有一個第二放大器(AMP2)，其帶有向上和下限制的放大範圍。
5．按照權利要求2或3的電路裝置，其特徵在於，反饋支路(RZ)具有一個比較器。
6．按照權利要求3至5之一的電路裝置，其特徵在於，微分器(DIFF)和放大器(V)形成為第一差值放大器(AMP1)。
7．按照上述權利要求之一的電路裝置，其特徵在於，反饋支路(RZ)的放大器作為第二差值放大器(AMP2)形成，具有一個輸出端子(A2)，在該輸出端子上可以截取一個依賴於在一個第一輸入端子(E1)上存在的控制信號(AS)和一個在第二輸入端子(E2)上存在的第二參考信號(RF2)的第二輸出電流(IA2)，並且含有一個電流鏡像裝置(T9、R3、T10、R4；T9、R3、T10、R4、T13、R6、R5)，其依賴於第二差值放大器(AMP2)的輸出電流(IA2)調節第一差值放大器(AMP1)的輸入電流(IE1)。
8．按照權利要求1的電路裝置，其特徵在於，求差級具有如下特徵-一個第二被控制的電流源(AMP2)，其在一個輸出端(A2)上提供一個依賴於在一個第一輸入端(E1)上存在的控制信號(AS)的第二輸出電流(IA2)；-一個與第二被控制的電流源(AMP2)的輸出端(A2)耦合的第一被控制的電流源(AMP1)，其在一個輸出端(A1)上提供一個第一輸出電流(IA1)，該電流依賴於第二輸出電流(IA2)，在第一輸入端(E3)上存在的參考信號(RF)和在一個第二輸入端(E4)上存在的調節信號(RS)。
9．按照權利要求8的電路裝置，其特徵在於，藉助於一個電流鏡像裝置(T9、R3、T10、R4；T9、R3、T10、R4、T13、T6、R5)耦合第一和第二被控制的電流源AMP1、AMP2。
全文摘要
本發明涉及在一個開關電源中控制脈寬調製器的電路裝置,該開關電源具有一個求差級(DBS),其用於從一個可以提供給第一輸入端子(EK1)的調節信號(RS)和一個可以供給第二輸入端子(EK2)的參考信號(RF)中形成差動信號(DS),並用於通過放大該差動信號(DS)一個放大因數k產生一個可以在輸出端子(AK)上截取的控制信號(AS)。所述的放大因數是建立在控制信號(AS)和/或調節信號(RS)的基礎上。
文檔編號H03K7/00GK1301429SQ99806289
公開日2001年6月27日 申請日期1999年2月19日 優先權日1998年3月17日
發明者H·尼德雷特爾 申請人:因芬尼昂技術股份公司