開關式電源的製作方法
2023-07-17 18:08:26 2
專利名稱：開關式電源的製作方法
技術領域：
本發明基於一種具有變壓器的開關式(switched mode)電源，該變壓器具有初級線圈和至少一個次級線圈、與初級線圈串聯的開關電晶體、激勵級(driver stage)和用於控制開關式電源的輸出電壓的控制電路。在這種情況下的控制電路具有振蕩器，其規定開關電晶體導通和截止的頻率。這種類型的開關式電源用在例如電視機、錄像機和機頂盒中。
背景技術：
這種類型的裝置通常使用基於逆向(flyback)變換器原理的開關式電源，其在輸出側提供大量的穩定電源電壓。在控制迴路操作期間使用控制電路來控制輸出電壓之一。開關式電源的其他輸出電壓也以這種方式穩定。這種情況下的控制電路通過控制信號控制開關電晶體，使得通過例如脈寬調製(PWM)或通過變化開關電晶體的控制信號的頻率來保持連接到控制迴路的輸出電壓恆定。
集成電路(IC)常常用作控制電路，並且大大簡化了開關式電源的設計。這種類型的電路通常包括用於控制目的的電路、振蕩器、用於直接激勵開關電晶體的激勵級、用於生成內部工作電壓的電路和保護電路。這種情況下的保護電路常常僅通過例如流過在測量電阻器的幫助下被監控的開關電晶體的電流間接地工作。
如圖1所示，根據現有技術的開關式電源具有集成電路IC1。開關式電源在輸入側使用橋式整流器BR，通過橋式整流器BR整流施加到系統端子NA的AC電壓。整流後的電壓U1被存儲電容器C1平滑，並且被施加到變壓器T1的初級線圈W1。變壓器T1使系統在初級側和次級側之間隔離，並且在初級側具有用於生成集成電路IC1的工作電壓VCC的輔助線圈W2，並且在次級線圈方具有用於生成穩定的輸出電壓U3-U5的線圈W3-W5。使用整流器件D1-D3來分接線圈W3-W5處的整流後的電壓，該電壓然後被帶通濾波器LC1-LC3平滑。
開關電晶體Q1與初級線圈W1串聯(在本示範性實施例中是MOSFET)，其通過測量電阻器Rs連接在輸出端到地。開關電晶體Q1的控制輸入連接到用於控制開關電晶體Q1的集成電路IC1的激勵級DR。開關式電源是以逆向變換器的形式，結果，在開關電晶體Q1導通時的操作期間，能量存儲在線圈變壓器T1中，並且在隨後開關電晶體Q的截止狀態時轉移到線圈W2-W5。
開關式電源具有利用電源電壓VCC工作的初級側控制。輔助線圈W2、二極體D4、D5和電容器C2、C3在工作期間生成電源電壓VCC。作為激勵級DR被施加用於操作開關電晶體Q1的電壓的結果，電源電壓被施加到集成電路IC1的端子7，並且通過集成電路IC產生內部參考電壓和用於其電路工作的穩定的電源電壓，電源電壓被施加到集成電路IC1的端子8。通過RC濾波器RC1和端子2，電源電壓VCC還被施加到集成電路IC1中的差錯放大器EA(fault amplifier)。差錯放大器EA用於保持電源電壓VCC恆定。結果，由於線圈W2-W5相互連接，所以輸出電壓U3-U5也穩定。
集成電路IC1還可以用於在次級側上控制的開關式電源。在例如US4876636中描述了具有次級側輸出電壓控制的、基於逆向變換器原理的開關式電源，這裡對其進行引用。通過次級側控制實現改進的穩壓。然而，控制迴路為此需要變壓器(例如光耦合器)，通過它將控制信號從次級側發送到初級側。
集成電路IC1具有振蕩器O，其頻率可以通過利用電阻器Rt和電容器Ct將它外連到端子4來設置。電容器Ct在這種情況下經由電阻器Rt由參考電壓充電，該參考電壓被施加到端子9並且在集成電路IC1中生成。當電容器Ct兩端的電壓達到特定的閾值時，所述電容器Ct通過集成電路IC1放電，結果於是可以繼續新的充電周期。
振蕩器O規定激勵級DR的開關頻率，並且使用差錯(fault)放大器EA和下遊的邏輯電路LO改變激勵級DR中生成的激勵信號的脈衝寬度，結果穩定了開關式電源的輸出電壓。
開關式電源還具有啟動電路AS，一旦開關式電源被連接，通過該啟動電路為集成電路IC1施加電流。為了衰減電壓峰值的目的，第一衰減網絡SN1在輸入側連接到開關電晶體Q1，通過第一衰減網絡SN1將電壓峰值傳遞給存儲電容器C1以及與開關電晶體Q1並聯的第二衰減網絡SN2。
在本示範性實施例中參照圖1描述的集成電路IC1是常用的類型UC3844，它可以從On Semiconductor公司(http://onsemi.com)得到。諸如MC33260、FA13843和KA3843之類的其他控制器IC也外連到電容器，通過電容器可以設置開關式電源的開關頻率。
發明內容
本發明的目的是說明一種起初提到的類型的、具有可靠保護電路的開關式電源。
該目的通過權利要求1中說明的特徵來實現。本發明的先進之處在子權利要求中說明。
根據本發明的開關式電源具有包括初級線圈和至少一個次級線圈的變壓器、與初級線圈串聯的開關電晶體和用於控制開關式電源的輸出電壓的控制電路。控制電路包括可以通過端子設置振蕩頻率的振蕩器，並且端子連接到變壓器的次級線圈。連接端子使得開關式電源一旦被連接上後以相對較低的振蕩頻率啟動，並且在額外電壓通過次級線圈施加到端子時的工作期間，開關式電源的振蕩頻率增加。
該電路具有下述優點在短路的情況下，由於所有次級線圈相互連接，因此變壓器兩端電壓得到抑止(break down)。結果，振蕩頻率和開關電晶體的開關頻率然後根據短路的類型而降低，直到達到為連接目的而規定的振蕩頻率為止。結果，開關式電源在短路的情況下以降低的開關頻率工作，從而部件不會過熱。如果短路僅僅持續較短的時間，則開關式電源返回到正常工作模式。
該電路還使得開關式電源柔和地啟動，使開關式電源一旦連接上後以控制的方式逐步上升，從而某些部件(如開關電晶體)不會過載。在這種情況下，較低的開關頻率使得在啟動期間的每種情況中變壓器完全去磁。即使在短路的情況下變壓器沒有完全去磁時，由於得益於低開關頻率幾乎實現了去磁，連接到次級線圈的二極體的峰值電壓也相對較低。在短路的情況下得益於低的開關頻率，開關電晶體上的負載也尤其大大降低。
在一個示範性實施例中，振蕩器的端子通過帶通濾波器與次級線圈連接，帶通濾波器具有小於開關電晶體的開關頻率的周期的時間常數。結果帶通濾波器的電容器在一個周期內再次大量放電。如果開關式電源處於備用工作模式(該模式中開關式電源發出少量的電力)，帶通濾波器也從次級線圈獲得較少的電力。結果，帶通濾波器提供較小的電壓脈衝給控制電路的端子，結果開關式電源在備用工作模式中以較低的開關頻率運行，結果在該工作模式中更為有效。
因此根據本發明，在短路情況下可以通過僅使用很少的附加部件來大大降低開關式電源的開關頻率。同時，這使得開關式電源具有定義的軟啟動(soft-start)特性，並且在備用工作模式中提高了開關式電源的效率。
本發明尤其適用於具有集成電路(如所謂的「電流模式控制器」)的、基於逆向變換器原理的開關式電源，其也可以用在由離散的部件構成的開關式電源。
下面通過參照附圖以示例的方式更詳細地說明本發明，其中圖1示出了根據現有技術的具有集成電路的開關式電源；圖2示出了用於根據圖1的開關式電源的、根據本發明的額外電路；和圖3示出了根據圖2的、處於備用模式的開關式電源的電壓和電流特性。
具體實施例方式
圖2示出了具有集成電路IC1和包括次級線圈W2的變壓器的開關式電源的細節。在沒有指定其他的情況下，集成電路IC1和變壓器以及開關式電源的另外電路，對應於根據圖1的開關式電源。為了清晰起見，省略了另外電路。相同的附圖標記標識相同的元件。
第一二極體D4連接到次級線圈W2，該第一二極體D4通過另一二極體D5和電容器C3為集成電路IC1提供工作電壓VCC。啟動電路AS也連接到電容器C3。
集成電路IC具有端子9，在工作期間通過它提供參考電壓；以及端子4，通過它可以設置內部振蕩器的振蕩頻率。電容器Ct連接到端子4，電容器Ct經由電阻器Rt由施加到端子9的參考電壓充電。當電容器Ct兩端的電壓達到特定值時，通過集成電路IC1放電電容器Ct，結果，在工作期間，鋸齒形電壓被施加到端子4。
根據本發明在這種情況下這樣選擇電阻器Rt和電容器Ct的值，使得它們規定相對低的振蕩頻率，例如1kHz，以便完成一旦連接上開關式電源後在開關電晶體的每個開關周期中出現的變壓器的去磁。特別選擇這些值使得如果發生短路時振蕩頻率低於16kHz的頻率，該頻率被認為是開關式電源的最小開關頻率，這是由於在該頻率範圍內開關式電源中產生可清楚聽到的噪聲。
在正常工作模式期間連接到端子4的電容器Ct還連接到次級線圈W2所生成的整流後的電壓U2，結果，在開關式電源工作期間，電容器Ct也被充電，結果振蕩頻率增加。整流後的電壓U2在這種情況下在第一二極體D4後被分接。帶通濾波器(在本示範性實施例中是具有電阻器R1和電容器C4的RC濾波器)特別連接在二極體D4和二極體D5之間。在這種情況下選擇帶通濾波器的時間常數使得它小於開關電晶體的開關頻率的周期，結果在開關電晶體的導通狀態期間電容器C4通過電阻器R1再次大量放電。結果帶通濾波器生成的電壓U2是脈動(pulsating)DC電壓，其脈衝寬度是在正常工作模式期間確定的，尤其是在開關電晶體導通的時間段。
電壓U2因此可以用於經過二極體D5生成工作電壓VCC。此外，它還還通過二極體D6施加、去耦到集成電路IC1的輸入4，結果集成電路IC1的振蕩器的振蕩頻率增加。在這種情況下，電容器額外的充電電流可以通過電阻器R2設置。在一個優選實施例中，選擇圖2所示的電容器和電阻器的值使得當電壓U2為0時(即，在連接上開關式電源後)，振蕩頻率是3kHz，而在正常工作模式期間是23kHz。使用了下面的值R12.2kΩ，C447nF，R215kΩ，Rt100kΩ，Ct10nF。
電路工作如下在連接上開關式電源後，電容器C3被啟動電路AS充電，結果為IC1產生工作電壓VCC。在特定的電壓處，集成電路IC1開始工作，並且首先生成內部邏輯的內部工作電壓，以及生成端子9兩端的參考電壓用來使內部振蕩器工作。在連接上開關式電源後，由於電壓U2仍然為0，因此振蕩頻率僅僅由電阻器Rt和電容器Ct確定。
當振蕩器工作、集成電路IC1中的其他電路也工作時，用於操作開關電晶體Q1的內部激勵級(見圖1)被激活。結果，在變壓器T1的次級線圈兩端積累電壓，並且具體地說，在次級線圈W2兩端產生了具有使集成電路IC1工作所需的電力的工作電壓VCC。由於二極體D6和電阻器R2兩端的電壓U2同時施加到電容器Ct，產生電容器Ct的額外充電電流，結果振蕩頻率增加。由於在連接上開關式電源之後變壓器的次級線圈兩端的電壓只是遞增，連接到次級線圈的所有輸出電容器一定被充電，因此通過電阻器R2的脈動充電電流也只是遞增。這導致了軟啟動特徵，由此開關電晶體Q1的開關頻率在預定的時間段內從3kHz增加到23kHz。
如果變壓器Tr1生成的輸出電壓之一被短路，則由於線圈相互連接，因此次級線圈所生成的所有電壓都下降。結果，電壓U2也下降，結果集成電路IC1的振蕩頻率也下降。由於帶通濾波器R1、C4的時間常數小於開關電晶體的開關頻率的周期，因此振蕩頻率會儘可能快地切換，結果在短路的情況下開關式電源的部件沒有過載。
由於在短路情況下工作電壓VCC也下降，因此集成電路IC1相應於電容器C3的電容，在幾個開關周期之後斷開。由於C3然後被再次充電(然而是通過啟動電路AS)，因此導致開關式電源的周期性連接。如果短路僅僅持續一小段時間，則開關式電源返回到正常工作狀態。
圖3示出了當開關式電源處於備用工作模式時根據圖2的開關式電源的電壓和電流特性。這裡所示的是表示電容器C3的充電和放電周期的電壓U3。集成電路IC1使用內部振蕩器的兩個振蕩周期作為開關電晶體Q1的一個開關周期，結果開關式電源的開關頻率是振蕩頻率的一半，這可以參照施加到開關電晶體Q1的電流輸入的電壓Ud看出。
開關電晶體Q1的導通狀態(在該期間內電壓Ud近似為0伏)在備用工作模式中很短，這可以從Ud看出。如果開關電晶體Q1截止，則Ud直線上升，並且不管起始的振蕩如何，保持在恆定的電壓值上，直到變壓器的磁化衰退為止。在這段時間內，電壓U2也具有恆定的電壓值。
如果磁化已經衰退，則變壓器TR不再提供任何輸出電壓，結果電壓U2對應於RC元件R1、C4的時間常數下降。電壓Ud在到開關電晶體Q1再次導通的時刻的這段時間中振蕩。開關電晶體Q1的控制電流Id在開關電晶體Q1的導通狀態中具有上升分量。在開關電晶體Q1的截止狀態中，控制電流Id等於0。
用於圖2所示的開關式電源的集成電路IC1可以尤其是集成電路UC3844。然而也可以使用其他IC，尤其是所謂的電流模式控制器。本發明還可以用於離散開關式電源，其具有包括輸入和端子的振蕩器，通過該端子可以設置振蕩器的振蕩頻率。本發明的進一步修改對於本領域技術人員來說是顯而易見的。根據圖2的開關式電源可以特別用於電視機、錄像機和機頂盒。然而，它不限於該應用領域。
權利要求
1.一種具有變壓器(T1)的開關式電源，所述變壓器(T1)具有初級線圈(W1)和至少一個次級線圈(W2-W5)，所述開關式電源具有與初級線圈(W1)串聯的開關電晶體(Q1)和用於控制輸出電壓(U3-U5)的控制電路(IC1)，所述控制電路(IC1)包括可以通過端子(4)設置的振蕩器(O)，其特徵在於，所述端子(4)連接到次級線圈(W2)。
2.如權利要求1所述的開關式電源，其特徵在於，所述端子(4)連接到在初級側由次級線圈(W2)通過第一整流器件(D4)提供的整流過的電壓(U2)。
3.如權利要求2所述的開關式電源，其特徵在於，所述端子(4)通過帶通濾波器(C2、R1)和第二整流器件(D6)連接到第一整流器件(D4)。
4.如權利要求3所述的開關式電源，其特徵在於，帶通濾波器(C2、R1)具有小於開關電晶體(Q1)的開關頻率的周期的時間常數。
5.如前面權利要求之一所述的開關式電源，其特徵在於，控制電路(IC1)被安置在集成電路中，並且集成電路具有振蕩器(O)，該振蕩器(O)的振蕩頻率可以使用外部電路(Rt、Ct)通過端子(4)設置。
6.如前面權利要求之一所述的開關式電源，其特徵在於，一旦開關式電源被連接則所述端子(4)連接到第一電容器(Ct)以確定振蕩器(O)的振蕩頻率，以及在開關式電源的正常工作模式期間，所述端子(4)通過電阻器(R2)連接到次級線圈(W2)以增加振蕩器(O)的振蕩頻率。
7.如權利要求6所述的開關式電源，其特徵在於，在正常工作模式中次級線圈(W2)通過第一整流器件(D4)連接到帶通濾波器(R1、C2)以生成經整流的脈衝電壓(U2)，以及經整流的脈衝電壓(U2)通過第二整流器件(D6)和電阻器(R2)連接到控制電路的端子(4)。
8.如權利要求2-7中任一權利要求所述的開關式電源，其特徵在於，第一整流器件(D4)通過第三整流器件(D5)連接到電容器(C3)，以生成控制電路(IC1)的工作電壓(VCC)。
9.如前面權利要求之一所述的開關式電源，其特徵在於，控制電路集成在集成電路(IC1)中，其用作電流模式控制器，並且連接到與開關電晶體(Q1)串聯的測量電晶體(RS)。
全文摘要
開關式電源包括變壓器，變壓器具有初級線圈和至少一個次級線圈(W2)，開關式電源具有與初級線圈串聯的開關電晶體和用於控制開關式電源的輸出電壓(U2)的控制電路(IC1)。控制電路包括振蕩頻率可以通過端子(4)設置的振蕩器，端子(4)連接到變壓器的次級線圈(W2)。連接端子(4)的布線使得開關式電源一旦被連接上後以相對較低的振蕩頻率啟動，並且在額外電壓通過次級線圈施加到輸入時的工作期間，開關式電源的振蕩頻率增加。端子(4)尤其通過帶通濾波器(C2、R1)連接到由次級線圈(W2)生成的電壓(U2)。
文檔編號H02M3/335GK1826719SQ200480018246
公開日2006年8月30日 申請日期2004年6月29日 優先權日2003年7月7日
發明者萊因哈德·凱格爾, 讓-保羅·洛維爾 申請人:湯姆森特許公司