生成輔助電源電壓的阻尼電容器的製作方法

2023-06-21 19:42:36

專利名稱：生成輔助電源電壓的阻尼電容器的製作方法
技術領域：
本發明涉及為電路供電的低功率電源。
背景技術：
開關電源，例如，脈衝寬度調製電源可包括輸出級，該輸出級具有隔離變壓器的初 級繞組。變壓器初級繞組以非隔離方式被耦合到市電電源電壓。隔離電源電壓產生自在隔 離變壓器的次級繞組中形成的電壓。通常，阻尼電容器(snubber capacitor)被耦合到初 級繞組用以減少在初級繞組處形成的電壓的反激電壓部分的變化率。形成脈衝寬度調製器的集成電路(IC)控制輸出級的開關操作。為了其操作，該IC 需要被輔助的非隔離電源電壓所供電。非隔離電源電壓能夠在需要提供相對低功率的電源中 生成。希望能夠從已經在變壓器的初級繞組中生成的非隔離電壓中生成非隔離電源電壓。在實施本發明的一方面的過程中，與初級繞組耦合的阻尼電容器被用於生成電容 耦合的充電電流。電容耦合的充電電流被與濾波或電荷存儲第二電容器耦合，用以在第二 電容器中生成用於給IC供電的非隔離電源電壓的第一部分。在實施本發明的另一方面的過程中，在輸出級的開關周期的一部分期間，阻尼電 容器被耦合到電感器以形成諧振電路。該諧振電路在第二電容器中生成用以給IC供電的 非隔離電源電壓的第二部分。在實施本發明的又一方面的過程中，開關分流電晶體通過有選擇地中斷電流(否 則，該電流將對第二電容器充電)來對低電壓電源電壓進行穩壓。

發明內容
包含創造性特徵的一種電源包括輸入電壓源，該輸入電壓源與變壓器的第一繞組 相耦合。輸出開關電晶體響應於第一開關控制信號並與第一繞組相耦合，用以在所述第一 繞組中產生電流，該第一繞組被變壓器耦合(transformer-coupled)到所述變壓器的第二 繞組，以生成對第一負載電路供電的第一輸出電源電壓。在第一開關控制信號的周期的第 一部分期間，輸出開關電晶體中斷第一繞組電流，並且在所述第一繞組中生成反激電壓；第 一電容器被耦合到第一繞組和第二電容器以形成阻尼電容網絡，該阻尼電容網絡減少反激 電壓的變化率並在所述第一和第二電容器中的每一個中生成電容性電流。電容性電流在 第一和第二電容器中的每一個中存儲對應的電荷，該電荷在所述第二電容器中形成第二電 源電壓的第一部分。第二電源電壓被耦合到第二負載電路。在周期的第二部分期間，電感 器通過輸出開關電晶體的操作被耦合到所述第一電容器，以與第一電容器一起形成諧振電 路，該諧振電路用以從存儲在第一電容器的電荷中生成諧振電流。該諧振電流耦合到第二 電容器。諧振電流在第二電容器中存儲電荷，用以形成第二電源電壓的第二部分。


圖1示出了根據本發明的實施例的電源100。
圖2a、2b和2c示出了與圖1中的電路100的操作相關聯的波形；以及圖3a、3b和3c分別示出了與圖2a、2b和2c相同的但在已擴展的時間量度中的波形。
具體實施例方式圖1描繪了體現本發明的一方面的電源100。在市電濾波電容器Cl中形成從未示 出的市電電源電壓生成的直流(DC)輸入供電電壓DCin，並將其施加到隔離變壓器Tl的初 級繞組Wl的輸入端101和初級側非隔離參考電勢GND之間。繞組Wl的第二端102被耦合 到開關輸出電晶體Ql的漏極端。電晶體Ql的源極端103被耦合到電流抽樣電阻Rl以生 成電流抽樣信號CS，該信號指示在電晶體Ql中流動的電流。電阻Rl被耦合在端子103和 初級側參考電勢GND之間。信號CS被耦合到傳統的佔空比調製器集成電路(IC) Ul。IC Ul以傳統的方式運 行於電流模式控制中。IC Ul產生佔空比已調製控制信號Drv，該信號耦合到電晶體Ql的 柵極端。電晶體Ql和變壓器Tl以傳統方式從與繞組Wl變壓器耦合的電壓生成第一輸出 電源電壓Vout。電壓Vout與初級側參考電勢GND相隔離，並參考隔離的次級側參考電勢 GND-ISOLATEdo輸出電源電壓Vout以傳統方式根據佔空比已調製控制信號Drv被控制。形成於電容器C3中的反饋信號FB是參考初級側參考電勢GND的。信號FB以傳 統方式生成於光耦合器U2中。信號FB指示第一輸出電源電壓Vout的大小。反饋信號FB 以傳統負反饋方式生成佔空比已調製控制信號Drv的佔空比變化。電源電壓DCin也經由 啟動電阻R3被耦合到IC Ul從而以傳統方式生成用以發起啟動操作的啟動電壓HV。圖2a、2b和2c示出了與圖1中的電路100的操作相關聯的電流或電壓波形。圖 3a、3b和3c示出了分別與圖2a、2b和2c相同的電流或電壓波形，但是其顯示在已擴展的時 間量度中。在圖2a、2b和2c、圖3a、3b和3c以及圖1中的相似的符號和數字指示相似的項 目或功能。在實施創造性特徵的過程中，圖1中的阻尼電容器C4經由二極體Dl被耦合到大 得多的濾波供電電容器C2。當電晶體Ql被關斷時，在圖3a或3b的t2時刻，圖1中的繞組 Wl的電流IWl的流動中斷。因而，在圖1的端子102處生成圖l、3a和2a的漏極電壓V102 的具有圖2a的周期T的周期性反激部分V102-FB，其導致圖l、3c和2c的電流IDl流入圖1 的電容器C4、二極體Dl和電容器C2。因此，相對於漏極電壓V102，電容器C2和C4形成了 電容分壓器。電流IDl給電容器C2和C4中的每一個充電。由此，有優勢地，電源電壓Vcc 的第一部分形成於電容器C2中。在實施另一創造性特徵的過程中，電容器C2和C4被包括在阻尼網絡104中。串 聯耦合的電容器C2和C4的電容主要通過電容器C4的電容值來確定，而非電容器C2的電 容值。當電晶體Ql關斷時，阻尼網絡104以傳統的方式減小圖3a的上坡(up-ramping)反 激部分V102-FB的變化率。圖1的阻尼網絡104能夠以傳統方式包括由元件104a共同標 識的其他組件。電感器Ll被耦合在阻尼電容器C4和初級側參考電勢GND之間。在圖2a和3a的t0時刻，圖1的電晶體Ql被接通並在繞組Wl中生成上坡電流 Ifflo電流IWl線性上升，並在繞組Wl的電感中存儲磁能。同時，電感器Ll以並聯方式與 電容器C4耦合以形成諧振電路。在電感器Ll中的諧振電流ILl在電容器C4的端子102a處產生電壓，該電壓在圖3b和3a的tl時刻超過了圖1的輸出電壓Vcc。這導致二極體Dl 變得導通。在變得導通之後，二極體Dl在圖1中的電容器C2中產生圖3c的電流IDl的下 坡部分。有優勢地，下坡部分IDla在電容器C2中形成了電壓Vcc的第二部分。當二極體 Dl導通時，其將電壓Vcc施加到繞組Ll兩端以生成在圖3b的電流ILl中的相對應的下坡 部分ILla。有優勢地，存儲在阻尼電容器C4中的電荷或能量未被浪費，而是被用於生成電壓 Vcc的第二部分。另外，有優勢地，電壓Vcc無需在變壓器Tl中的額外繞組而被生成。在實施額外的創造性特徵的過程中，穩壓開關電晶體Q3的一對主電流導通端子 跨越電感器Ll分別與端子102a和參考電勢GND相耦合。電壓Vcc經由電阻R3被耦合到 齊納二極體D3的陰極端110以生成電壓比較器電晶體Q2的參考基極電壓VB。齊納二極體 D3的另一端被耦合到初級側參考電勢GND。電晶體Q2的發射極端被耦合到從中形成電壓 Vcc的電容器C2。電晶體Q2的集電極被耦合到電晶體Q3的柵極端和負載電阻R4 二者。當電壓Vcc過量時，電壓Vcc和在端子110處形成的齊納電壓間的差值超過了在 電晶體Q2的基極和發射極間的閾值轉發電壓。因此，電晶體Q2變為導通並導致電晶體Q3 接通。通過此種方式，電晶體Q2選擇性地禁止或極大地減少充電電流ID1。而且，電感器Ll 的電流ILl經由電晶體Q3被分流。其結果是，電壓Vcc被有優勢地穩壓了。電壓穩壓的可 替換實施例能夠通過使用以並聯方式經由導體與電感器C2相耦合的分流穩壓器二極體D4 來獲得(如虛線所示)。
權利要求
一種電源，包括輸入電壓源，該輸入電壓源與變壓器的第一繞組相耦合輸出開關電晶體，該輸出開關電晶體響應於第一開關控制信號並與所述第一繞組相耦合用以在所述第一繞組中產生電流，所述第一繞組被變壓器耦合到所述變壓器的第二繞組，以生成對第一負載電路供電的第一輸出電源電壓，在所述第一開關控制信號的周期的第一部分期間，所述輸出開關電晶體中斷所述第一繞組電流，並且在所述第一繞組中生成反激電壓；第一電容器，該第一電容器被耦合到所述第一繞組和第二電容器以形成阻尼電容網絡，該阻尼電容網絡減少所述反激電壓的變化率並在所述第一電容器和第二電容器的每一個中生成電容性電流，所述電容性電流在所述第一電容器和第二電容器的每一個中存儲對應的電荷，該電荷在所述第二電容器中形成第二電源電壓的第一部分，所述第二電源電壓被耦合到第二負載電路；以及電感器，在所述周期的第二部分期間，該電感器通過所述輸出開關電晶體的操作被耦合到所述第一電容器，以與所述第一電容器一起形成諧振電路，該諧振電路用以從存儲在所述第一電容器的電荷中生成與所述第二電容器相耦合的諧振電流，所述諧振電流在所述第二電容器中存儲電荷，用以形成所述第二電源電壓的第二部分。
2.如權利要求1所述的電源，還包括可控第二開關電晶體，其用於以對所述第二電源 電壓進行穩壓的方式，選擇性地中斷在所述第二電容器中存儲對應的電荷的電流中的至少 一個電流。
3.如權利要求2所述的電源，還包括比較器，該比較器響應於所述第二電源電壓並被 耦合到所述可控第二開關電晶體的控制端子，用以當所述第二電源電壓位於一值域之外時 變更所述可控第二開關電晶體的導通狀態。
4.如權利要求2所述的電源，其中，所述第二開關電晶體以並聯方式與所述電感器相華禹合。
5.如權利要求2所述的電源，其中，所述第二開關電晶體被耦合到所述電感器和所述 第一電容器中每一個間的結點端子。
6.如權利要求1所述的電源，還包括整流器，該整流器被耦合在所述第一電容器和第 二電容器之間用以使對所述第二電容器充電的對應的電流能在第一方向流動，並用以防止 在所述第二電容器中的電流在相反的方向流動。
7.如權利要求1所述的電源，其中，所述第一輸出電壓產生於所述變壓器的第二繞組， 該變壓器將所述第一輸出電源電壓與所述第二輸出電源電壓隔離。
8.如權利要求1所述的電源，其中，所述第一電容器和第二電容器以串聯方式耦合。
9.如權利要求1所述的電源，其中，所述第二電容器比所述第一電容器大。
10.如權利要求1所述的電源，其中，所述輸出開關電晶體將所述電感器以並聯方式與 所述第二電容器相耦合，以形成所述諧振電路
11.如權利要求1所述的電源，還包括佔空比調製器，用以生成所述第一開關控制信 號，其中，所述第二電源電壓被耦合到所述佔空比調製器，用以對所述佔空比調製器供電。
全文摘要
形成脈衝寬度調製器的集成電路(IC)控制開關電源的輸出級的開關操作。與輸出級的變壓器的初級繞組相耦合的阻尼電容器被用於產生電容性耦合充電電流。該電容性耦合充電電流被耦合到濾波或電荷存儲第二電容器用以在第二電容器中產生第二電源電壓的第一部分。在輸出級的開關周期的一部分期間，該阻尼電容器被耦合到電感器以形成諧振電路。該諧振電路在第二電容器中產生第二電源電壓的第二部分，用以對IC供電。該第二電源電壓被用於對IC供電。
文檔編號H02M3/335GK101981796SQ200880128264
公開日2011年2月23日 申請日期2008年3月25日 優先權日2008年3月25日
發明者安東·沃納·科勒 申請人:湯姆遜許可證公司