開關型電源電路的製作方法
2023-05-25 03:11:36
專利名稱：開關型電源電路的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種將直流輸入電壓變換成直流輸出電壓的開關型電源電路，它包括一個由可控的電源開關和接在輸入電壓端子之間的電感元件組成的串聯裝置;使電源開關交替導通和不導通的控制裝置;與電感元件相耦合以便於獲得輸出電壓的一個整流器，該電感元件與一個電容相耦合用以在所說開關和整流器無電流時期內形成諧振電路，電壓振蕩就出現在該諧振電路中。
包括一個諧振電路的這種開關型電源電路是公知的。本申請人在荷蘭的專利申請8502339(PHN11.470)中描述了這種例子。儘管輸入電壓和/或與輸出電壓連接的負載可能會發生變化，但是輸出電壓可基本上保持為一個常數，例如，因為加到可控開關的控制信號頻率可作為該輸出電壓的一個函數來控制。該控制信號可以由一個振蕩器產生，或以一種不同的方法，自激電路產生。
按照本發明，上面所描述的那種電源電路其特徵在於它包括一個裝置，該裝置在該電感元件兩端的電壓或通過所說電容的電流基本為零時刻將該諧振電路中的振蕩中斷。
由於這一措施，振蕩在高信號電平時刻被中斷，也就是在流過電感的電流或者是電容兩端的電壓以及因此在相關元件中貯存的能量具有極限值的時刻中斷。在中斷期間，這些數值幾乎保持為它們的極限值，此後，從該值開始恢復振蕩。正如從進一步的描述中所看到的，這種中斷具有許多優點。例如，可以消除在其他情況下會出現的自由振蕩，因此該電路消耗的能量減少了。中斷振蕩的裝置可以是同步裝置，在時間軸上，周期性地連續出現中斷的最後時刻。用這種方法，電路總是工作在同一頻率上，這正是所期望的。在一個實施例中，電路因此可由這些裝置同步，而不會出現自由振蕩並且可按照所說專利申請所描述的方法來減小導通電源開關所消耗的能量。在另一個實施例中，該電路是一種工作在非連續模式的直流電壓回掃變換器，其中在振蕩出現期間，流過電感的電流變成零，因此按照本發明的中斷可以減小導通損耗，而該電路可用另一種公知方法同步。
如果將本發明用於圖象顯示設備，該電路的優越特性在於所說的一個接一個的時刻與行偏轉信號的頻率相同，或是該信號頻率的倍數，該信號在圖象顯示設備中是有效的。結果，由於切換電路中各種開關元件引起的幹擾相對於行偏轉是固定的，即使在顯示屏上能看見這些幹擾，也不會很令人討厭。
按照本發明的電路，其優越的特徵在於中斷振蕩的裝置構成了一個箝位電路，以便在電感元件兩端的電壓基本上變成零的時刻以及該時刻之後將該電壓基本上保持為零。該措施確保了電容兩端的電壓在中斷期間基本不變。最好，該箝位電路還可包括一個與第二開關串聯的單向導電元件，由此形成的串聯裝置再與電感元件並聯。這保證了中斷在正確的時刻開始，因為不會出現電壓跳變，這對電容是安全的。
在另一個實施例中，該電路的特徵在於中斷振蕩的裝置包括一個與電容串聯的第二可控開關，用於在流過電容的電流基本為零的時刻中斷該電容的電流通路。但是，這一實施例只能用於電感元件兩端的容量比諧振迴路中電容器的容量小的情況。
下面將通過例子，參照附圖對本發明進行詳細描述。
圖1示出本發明電路第一個實施例的電路圖。
圖2示出其中所出現的波形。
圖3示出本發明電路第二個實施例的電路圖。
圖4示出在第二個實施例中出現的波形。
圖5示出在輸入電壓和/或負載變化的情況下，出現在第一實施例電路中的波形。
圖6示出按照圖1原理電路的一個實施例的一張更詳細的電路圖。
圖7示出在圖6電路中出現的波形。
圖8示出本發明電路的第三個實施例的電路圖。
圖1所示的電源電路包括一個可控的電源開關，它由一個NPN電源開關晶型管Tr形成，其集電極連接到電感L，發射極接地。元件L的另一端連接到直流輸入電壓源Vi的正端，而該電壓源的負端也接地，該電壓源比如是一個交流整流器。整流器D的正極，二極體D1的正極和電容C也接到電晶體Tr的集電極上。第二可控開關S設在二極體D1負極和所說電壓源正端之間，另外一個平滑電容Co和一個由電阻R表示的負載設置在整流器D的負極和同一電壓正端之間。電容C未連接到所述集電極的那個端子接地。電晶體Tr的基極與公知的控制裝置(但未示出)連接，該控制裝置可使該電晶體在開和關兩種狀態交替變換。開關S的控制裝置也未示出。在工作時，直流電壓Vo出現在元件Co和R的並聯裝置的兩端，該電壓就是圖1電路的輸出電壓，元件D、Co和R的結點電壓是Vi+Vo。
圖2a表示電感L兩端電壓的變化，圖2b表示流過電感L的電流I的變化。電晶體Tr在t0時刻之前打開，其集電極電壓基本上為零，因此，電壓V基本上等於Vi，而此時電流I線性增加以使能量存貯在電感L之中。在t0時刻電晶體被關閉，因此其集電極電壓按正弦時間函數增加，而此時電壓V按相同的函數減少以及電流I按餘弦時間函數變化。這些函數是由電感L和電容C組成的諧振電路的調諧頻率確定的。在t1時刻，電壓V達到零值而電流I變為最大。在到達t1時刻之前，開關S的狀態，即導通或不導通是無關緊要的，因為二極體D1正極的電壓比Vi低。因此，無論開關S在t1時刻或在t1之前導通，直到該點過去之後，電流I都不會流過二極體D1和開關S。二極體D1和開關S構成了一個箝位電路，它使電晶體Tr集電極上的電壓基本上箝位在Vi值上，同時因為元件D1和S兩端的壓降非常低而電壓V基本上變成零，並且電流I基本上保持在t1時刻所具有的值上。結果，振蕩被中斷。只要開關S保持導通，該狀態將繼續下去。
在t2時刻，開關S關斷，振蕩過程恢復。電流I再流向電容C。其上的電壓增加並高於Vi，因此電壓V按照正弦函數變成負的，而電流I按照餘弦函數減少。電容C兩端的電壓繼續增加直到t3時刻達到電壓值Vi+Vo，該值使得整流器D導通。然後電壓V保持等於-Vo，而電流I線性減少並流向電容Co以對它再充電，確切地說，再充電直到t4時刻電流I達到零值為止。元件L不再具有任何能量。在t4時刻之後，整流器D沒有電流傳輸，因此電感L和電容C再次構成一個諧振電路。現在電容按照前述相同的餘弦函數向電感放電，電流I此時是負極性。電壓V按照與前面相同的正弦函數從-Vo值開始增加。在t5時刻電壓V越過零，在t6時刻電流I變成零而電壓V達到Vo值、電晶體Tr集電極上的電壓值恢復到Vi-Vo。這是該電壓可能的最低值。在t6時刻，比如按照本申請人在荷蘭的專利申請8502339(PHN 11.470)中所描述的方法，使電晶體Tr導通。此處可參考該申請的內容。電晶體的集電極電流流過電感L並且該電流按照時間的線性函數增加。這與t0時刻之前的情況相同。
從上面可以很清楚地看到在t1和t2之間使振蕩中斷的時間間隔取決於開關S被關斷的時刻t2的位置，該時刻是一個同步時刻，它響應於加到開關S的一個脈衝的後沿。該脈衝的前沿可出現在任何時刻，只要該時刻位於電晶體Tr集電極上的電壓開始低於Vi值的那個時刻或在其之後，該時刻也就是在圖2中早於t5時刻並等於或晚於t1時刻的一個時期。沒有周期性出現的同步脈衝時，t1至t2之間的間隔減少到零並且該電路具有一個自然的固定頻率，該頻率比如是由電晶體Tr的控制裝置中的一個振蕩器確定的。用另一種方法，圖1的電路可形成一個自振電路部分，它可在無同步脈衝的情況下自由工作。很明顯，在同步的情況下，位於圖2中t1時刻之後的時刻被延遲，這使得振蕩周期變長，因而振蕩頻率比自由振蕩的情況要低。
在圖3的實施例中，與圖1相同的元件用相同的符號表示，二極體D1的導電方向與圖1所示的相反。在這種情況下，當電晶體Tr集電極上的電壓變成低於Vi時，即在t5時刻，開關S的導通對中斷在電晶體Tr關斷期間出現的振蕩起作用。因此，同步脈衝的前沿可出現在位於t1時刻或其之後並位於t5時刻或其之前的任何時刻，而後沿出現在同步時刻。圖4a和4b所示的是圖3實施例中那些與圖2a和2b類似的波形變化。
這兩個實施例都有優缺點。從圖2b和4b可看出與圖3實施例相比較，圖1的實施例有這樣的缺點即在中斷期間的電流有較大的強度，結果是由於電感L、開關S和二極體D1中的電流變大導致消耗損失。另一方面，第一個實施例比較安全。如果開關有缺陷而永久地保持開啟，電路在哪種情況都不能同步，因此導致一個高的頻率，而不會再有其它結果出現。但是如果開關構成一個永久的短路電路，在所述第一種情況下，不會出現什麼不利影響。由於沒有補充的能量提供給電容Co，所以貯存在它身上的能量將很快消失。在第二種情況下，電晶體Tr永久地導通，這對電晶體可能是非常有害的。在圖1的實施例中，可增加一個安全裝置(未畫)以確保開關在比如出現過高的輸出電壓時保持接通。為這一目的，該電路包括公知的裝置用以將有關的量與預先限定的值進行比較並在超過該值時控制開關S。
在已描述的實施例中，藉助具有元件D1和S的位電路振蕩中斷是用於在高信號電平上對電源電路進行同步。我們將看到在圖3的實施例中，中斷可用於另一個目的。在按照圖3的一個電路中，在沒有元件D1和S的情況下，當整流器D變成無電流的時刻即圖4中相應於t4的時刻之後，振蕩將維持下去，更具體地說，此振蕩是按照與前面相同的正弦函數變化並且伴隨幅度的下降。然後，振蕩將在電晶體Tr藉助控制信號開啟時終止，該控制信號例如由上述專利申請中所述的、用於同步該電路的控制裝置產生。然而，這一般不會發生在電晶體Tr集電極上的電壓處於最小值的時刻即對應於例如圖4中的t6時刻，因此，會產生高的導通損耗。為了減小這些損耗，可用具有元件D1和S的箝位電路當集電極電壓最小時中斷振蕩，然後該電壓保持在確定的值Vi-Vo，而電流I保持為零，更具體地說，它們一直保持到由控制裝置將電晶體Tr接通的時刻。
圖5a表示了圖1的實施例中電晶體Tr的集電極-發射極電壓Vce的變化，而圖5b表示了同一實施例中磁化電流I的變化。實線用於標稱情況即輸入電壓Vi和負載R都具有設計時所計算出的值的情況。虛線用於大負載即電阻R的值較低但輸入電壓為標稱值的情況，而點劃線用於標稱負載但輸入電壓下降的情況。從這些曲線可看出大負載導致整流器D和電晶體Tr具有較長的導通時間並且電流I的幅度較大，在較低輸入情況下，電晶體Tr導通的周期較長，而電流I的幅度與標稱情況相同。在圖5a和5b中，參考符號Sy表示同步時刻。
圖6示出了按圖1原理的電源電路實際實施例的相關部分。在圖6中，電感L由變壓器T代替，其初級線圈L1與電晶體Tr串聯。所形成的串聯電路設置在電源Vi兩端，電容C設置成與電晶體Tr的集電極-發射極通道並聯。變壓器T的一個次級線圈L2一端接地、另一端接到與圖1相同的元件D1和D。線圈L1和L2的纏繞方向象通常一樣由園點代表，同整流器D的導電方向一致，以使得電流流過一個線圈而另一個線圈中不傳輸電流(「逆行」效果)。開關S由一個場效應電晶體形成，其柵極連接到驅動電路Dr的輸出端，其漏極連接到二極體D1的負極，其源極接地。驅動電路Dr的輸入連接到觸發器FF的輸出端Q。變壓器T的第二個次級線圈L3其纏繞方向與線圈L2相反。線圈L3一端接地，另一端接到由電阻R1和兩個二極體D2和D3組成的雙向限幅器。由變壓器T的分布引起的自由振蕩通過電容C1進行稍微的積分，而由此獲得的信號由放大器A進行放大，該放大器的輸出連接到觸發器FF的置位輸入端S。控制開關S的同步信號加到觸發器FF的復位輸入端R。電容Co和負載連接在整流器D的負極和地線之間，該地線通過變壓器T與輸入電壓Vi直流絕緣。
圖6的電路比如可用於電視接收機等圖象顯示設備中，以給許多接到電容Co兩端的直流電壓Vo上的電路供電。另外，可以在變壓器T的磁芯上設置一些圖6未示出的次級線圈以產生其它電源電壓。這些電壓中的一個是提供給圖象顯示管最後一個陽極的極高壓(EHT)。由圖6電路的開關電路的切換所引起的紋波電壓會出現在這些電壓上，特別是在極高壓之上。由此引起的幹擾將是固定的，因此，如果加到觸發器FF的同步信號由在圖象顯示設備中是有效的行偏轉信號產生，而且同步信號具有與該信號相同的頻率或是該頻率的倍數，那麼在顯象管的顯示屏幕上看見該幹擾也不會令人非常討厭。這一措施不能使用濾波器來減小EHT線上的切換型紋波。圖6電路的電壓Vo和其它可能的輸出電壓可用防止輸入電壓變化和/或各種負載變化這種公知的方法來穩定，例如控制電晶體Tr的導通時間來作為電壓Vo的函數。
圖6電路中的一些電壓變化被顯示它們是線圈L1兩端電壓的變化(圖7a)，觸發器FF輸入端S處的電壓變化(圖7b)、觸發器FF輸入端R處的電壓變化(圖7c)以及觸發器FF輸出端Q處的電壓變化(圖7d)。因此，很清楚看到在電晶體Tr截止期間，當圖7a的電壓越過零值的時刻，該觸發器被置位，在沒有二極體D1的情況這就導致電晶體S導通。這種情況一直保持到在電晶體Tr的後續導通時間內、線圈L2兩端電壓到達零交點，此後，一個電流流過二極體D1和電晶體S，它使在不同電感和電容構成的諧振電路中的振蕩中斷。圖7中的電壓脈衝在中斷開始時刻結束，但這並不影響圖7d中的電壓，因此電晶體S保持導通。在同步脈衝前沿出現時的Sy時刻，觸發器FF復位，因此圖7d中的電壓變成低電位，這就使電晶體S截止、振蕩恢復。
對圖1和圖3所示電路的改進也是可想像的。例如電容C可與圖1和圖3中的電感L並聯，或與圖6中的線圈L1或L2並聯。而且電容C不和整流器D連接的那個端子可連接到電壓Vi的負端，而不是它的正端。在這種情況下，電路作為一個「提升變換器」工作，其中由電晶體Tr在相應周期內的導通時間所決定的輸出電壓Vo等於或大於輸入電壓Vi，而不象圖1、3和6中的逆程變換器那樣電壓Vo等於或低於電壓Vi。
圖8顯示了另一種改進型。與圖1比較，開關S不是與電感L並聯而是與電容C串聯。這種改進型只能在電感L兩端的電容比電容C小的情況下實現。電晶體Tr截止期間的振蕩因為開關S被適當的控制裝置關斷而中斷，更具體地說，中斷時刻是在流過電感L和電容C的電流為零之時，而且不是在電晶體Tr集電極上的電壓為最大之時而是在它後來為最小之時。在該時刻之後，電流保持零，而所說電壓值保持為在該時刻設定的值Vi-Vo，電感L兩端的電壓值保持為Vo。這種情況一直保持到電晶體Tr再次導通。圖8給出了該集電極上的電壓變化。值得注意的是，在圖8的改進型中，導通電晶體所消耗的能量最小，並且要不然會在t6時刻之後出現的自由振蕩被消除了。與圖3電路情況一樣，在圖8實施例情況下，振蕩的中斷也可用於減小能量的消耗，而不是用於同步的目的。
權利要求
1.一種將直流輸入電壓轉換成直流輸出電壓的開關型電源電路，包括一個連在輸入電壓端子之間的、由一個可控電源開關和一個電感元件組成的串聯裝置，用於使電源開關交替導通和不導通的控制裝置，以及一個耦合於電感元件用於獲得輸出電壓的整流器，該電感元件和一個與之相連的電容器相耦合併在開關和整流器無電流的時期內形成諧振電路的一部分，電壓振蕩就出現在該諧振電路中，其特徵在於，該電源電路包括中斷振蕩的裝置，用以在電感兩端的電壓或流過電容器的電流基本上為零時，中斷諧振電路中的振蕩。
2.按照權利要求1的電路，其特徵在於，中斷振蕩的裝置是同步裝置，而在時間軸上周期性地連續出現中斷的最後時刻。
3.按照權利要求2並用於圖象顯示設備中的電路，其特徵在於，所說的一個接一個的時刻具有與在圖象顯示設備中現存的行偏轉信號相同的頻率，或是該頻率的倍數。
4.按照權利要求1的電路，其特徵在於，中斷振蕩的裝置構成了一個箝位電路，用以在電感元件兩端電壓基本上變成零時和其後將該電壓基本保持為零。
5.按照權利要求4的電路，其特徵在於，該箝位電路包括一個與第二開關串聯的單向導電元件，所形成的串聯裝置與電感元件並聯。
6.按照權利要求4的電路，其特徵在於，箝位電路開始工作的時刻在電源開關導通時刻前一點。
7.按照權利要求5和6的電路，其特徵在於，加在第二可控開關用以使所說開關導通的脈衝，其前沿在電源開關截止時刻之後、且當電感元件兩端的電壓變成零的時刻(或該時刻之後)出現，但是不晚於所說電壓在功率開關下一個導通時刻前的零交點，而脈衝後沿的出現不早於剛剛提及的零交點。
8.按照權利要求4的電路，其特徵在於，箝位電路開始工作的時刻略晚於功率開關的截止時刻。
9.按照權利要求5或8的電路，其特徵在於，加在第二可控開關以使所說開關導通的脈衝，其前沿在電源開關導通前、電感元件兩端的電壓變成零的時刻(或該時刻之後)出現，但不晚於在電源開關下一個截止時刻之後的零交點，而且上述脈衝後沿的出現不早於剛剛提及的零交點。
10.按照權利要求9的電路，其特徵在於，一個雙穩態元件將控制脈衝加給第二可控開關，加給該雙穩態元件的置位脈衝的邊緣每次都出現在電感元件兩端電壓的零交點期間，而且加給該雙穩態元件的復位脈衝的前沿出現在中斷的最後時刻。
11.按照權利要求8的電路，其特徵在於，它還包括用於將該電路中出現的值與一預定的極限值進行比較並在該極限值被超過之時驅動位電路的裝置。
12.按照權利要求1的電路，其特徵在於，中斷振蕩的裝置包括一個與電容器串聯的第二可控開關，用於在流過電容器的電流基本上為零時中斷該電容器的電流通道。
13.按照權利要求12的電路，其特徵在於，第二可控開關在電源開關兩端的電壓基本上為最小值時被斷開。
14.按照權利要求1的電路，其特徵在於，電源開關的控制裝置在該開關兩端電壓基本上為最小值時使所說開關進入導通狀態。
全文摘要
一種將直流輸入電壓變換為直流輸出電壓的開關型電源電路包括一個連接在輸入電壓端子之間、由一個可控的電源開關和一個電感元件構成的串聯裝置，使電源開關交替通斷的控制裝置以及一個耦合於電感元件、以獲得輸出電壓的整流器，電感元件和一個電容相耦合在開關和整流器無電流期間形成電壓振蕩諧振電路的一部分。該電路還包括在電感元件兩端的電壓或流過電容器的電流基本上為零時中斷諧振電路中振蕩的裝置。該措施能確保減小電路中的消耗或電路的同步。
文檔編號H02M3/155GK1039685SQ89104350
公開日1990年2月14日 申請日期1989年6月27日 優先權日1988年6月30日
發明者安東尼厄斯·阿德裡安約斯·馬麗亞·馬林納斯 申請人:菲利浦光燈製造公司