具有串聯電容的開關電源的製作方法
2023-12-03 19:45:21 1
專利名稱：具有串聯電容的開關電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於提供直流穩定電壓的開關電源。更加具體來說，本發明涉及一種開關電源，它在開關元件的導通周期中在變壓器的初級線圈和電容器中存儲能量，並且在開關元件的截止周期中把所存儲的能量從變壓器的次級線圈提供到一個負載。
在該開關電源設備中，一個輸入電源E、一個電感器L和第一開關電路S1串聯到變壓器T的初級線圈T1。另外，包括初級線圈T1和電感器L的串聯電路與包括電容器C和第二開關電路S2的串聯電路相併聯。第一驅動線圈T3產生基本上與初級線圈T1的電壓成比例的一個電壓。第一驅動線圈T3的電壓被輸入到一個控制電路11。類似地，第二驅動線圈T4產生基本上與初級線圈T1的電壓成比例的一個電壓。第二驅動線圈T4的電壓被輸入到一個控制電路12。控制電路11的電壓被輸入到第一開關電路S1的第一開關元件Q1的一個控制端。第二控制電路12的電壓被輸入到第二開關電路S2的第二開關元件Q2的一個控制端。第一開關電路S1由包括第一開關元件Q1、第一二極體D1以及第一電容器C1的並聯電路所形成。第二開關電路S2由包括第二開關元件Q2、第二二極體D2以及第二電容器C2的並聯電路所形成。
一個整流元件Ds與變壓器T的次級線圈T2相串聯。整流和平滑電路包括整流元件Ds和連接到整流元件Ds的一個輸出端的電容器Co。整流元件Ds與電容器(電容阻抗)Cs相併聯，檢測負載電壓的檢測電路14連接在整流和平滑電路的一個輸出端與該負載之間。檢測電路14的輸出反饋被發送到第一控制電路11。
另外，美國專利第3,596,165號中提供一種開關電源設備，其中兩個開關電路在變壓器的初級線圈側相連接，以形成分別激勵的振蕩，並且一個全波整流器連接到該次級線圈。
另外，在日本未審查專利申請公告5-328719和日本未審查專利申請公告11-136940中提供開關電源設備。在每種設備中，兩個開關電路在變壓器的初級線圈上相互連接，並且次級線圈由
圖1中所示的電路結構所形成。在這種情況下，電感器和電容器串聯到初級線圈。第二開關元件並聯到該串聯電路。
但是，在上述的每個開關電源設備中，存在如下問題(1)美國專利3,596,165該開關電源設備被稱為諧振型半橋式電路(ON-ON型)。在這種電路中，當每個開關元件導通時，能量被從初級線圈發送到次級線圈。每個開關元件的導通時間基本上固定，並且開關頻率被改變，以改變串聯在初級線圈上LC諧振電路的阻抗，以控制輸出功率。換句話說，當LC諧振頻率和開關頻率相互接近時，LC諧振電路的阻抗變得更小，從而大電流流過該變壓器，因此獲得大輸出功率。相反，當LC諧振頻率遠離開關頻率時，可以獲得小的輸出功率。在這種方案中，開關頻率根據輸出功率而明顯改變。當頻率大大改變時，輸出平滑電路和濾波器電路的尺寸也增加。結果，存在電子元件幹擾和控制電路功耗增加這樣的問題。
另外，由於開關電源設備是一種分離激勵振蕩型的設備，元件數目的增加有礙於該設備的小型化和成本的降低。另外，為了進行全波整流，在變壓器的次級側至少需要兩個二極體。(2)日本未審查專利申請公告5-328719和日本未審查專利公告11-136940在該公告中提供的每個開關電源設備是一個ON-OFF型開關電源設備，其中在開關元件的導通時間中，能量存儲在初級線圈內，並且在開關元件的截止時間中，所存儲能量被從次級線圈釋放。但是，每個設備不是自激勵振蕩型而是分離激勵振蕩型或同步振蕩型的。因此，由於該設備需要一個振蕩器、驅動電路等等，所以元件的數目增加，從而妨礙設備的小型化和成本的降低。在日本未審查專利申請公告5-328719中，由於使用同步振蕩電路，因此不需要振蕩器。但是，該電源設備需要包含具有高電壓擊穿特性的MOS-FET的集成電路來驅動高端開關元件、用於隔離的脈衝變換器和驅動器等等。結果，即使在該開關電源設備中，開關控制電路的尺寸和製造成本增加。
(3)日本專利申請9-352696在該公告中提供的開關電源設備是自激勵振蕩型的，它是一種ON-OFF型開關電源設備，在第一開關電路的導通時間中在初級線圈內存儲能量，並且在第一開關電路的截止時間中從次級線圈釋放所存儲的能量。如圖1中所示，由於等於輸入電壓Vin和電容器電壓Vc之和的電壓被施加到一個開關元件，該開關元件需要是一個具有高電壓擊穿特性的元件。另外，由於電源設備具有一種結構，其中輸入電壓Vin被直接施加到變壓器T的初級線圈T1，並且施加到初級線圈T1的電壓變高，這妨礙了該設備的小型化。
另外，僅僅存儲在變壓器的初級線圈中的激勵能量被輸出到該變壓器的次級側。電容器C的能量不被輸出到次級側。結果，初級線圈的電流峰值變大，從而增加傳導損耗。
為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，在此提供一種開關電源設備，其中包括由第一開關元件Q1、第一二極體D1和第一電容器C1的並聯電路所形成的第一開關電路，由第二開關元件Q2、第二二極體D2和第二電容器C2的並聯電路所形成的第二開關電路，該第一和第二開關電路形成一個串聯電路，一個連接到該串聯電路的輸入電源、包括初級線圈和次級線圈的變壓器T、該初級線圈、洩漏電感器L和電容器C形成一個串聯電路，該串聯電路的一端連接到第一開關電路和第二開關電路的連接點，並且另一端連接到輸入電源，一個整流和平滑電路包括整流元件Ds，該整流和平滑電路連接到變壓器T的次級線圈，在第一開關元件Q1的導通周期中在初級線圈和電容器C中累積能量，並且在第一開關元件Q1的截止周期中從次級線圈獲得一個輸出，第一開關元件Q1的導通時間被控制，使得輸出功率得到控制，第一驅動線圈包含在該變壓器T中，以產生基本上與初級線圈的電壓成比例的一個電壓，用於導通第一開關元件Q1，第二驅動線圈包含在該電壓器中，以產生基本上與初級線圈的電壓成比例的一個電壓，以導通第二開關元件Q2，在開關元件Q1和Q2都截止的時間段之前和之後，該開關控制電路使第一和第二開關元件Q1和Q2交替地導通和截止，在第二開關元件Q2和整流元件Ds都截止之後，使第一開關元件Q1導通，從而執行自激振蕩。
通過上述結構，獲得如下優點(1)由於施加到每個第一和第二開關元件Q1和Q2的電壓是輸入電壓，因此可以使用具有低額定電壓的半導體元件作為該開關元件Q1和Q2。例如，典型MOS-FET的導通電阻大約與擊穿耐壓的平方成比例地增加。但是，當使用具有低額定電壓的開關元件時，導通電阻變小，從而可以減小傳導損耗。另外，通常具有低額定電壓的元件比較便宜。因此，通過減少開關元件的發熱，整個開關電源設備可以具有高效率，並且可以低成本地製造該設備，並減少重量和尺寸。
(2)施加到變壓器T的初級線圈的電壓基本上為圖1中所示的常規開關電源設備中的電壓的一半。結果，可以減小初級線圈的匝數，從而可以減小鐵芯間距。另外，能夠容易地設計具有所需電壓擊穿特性的變壓器T，從而可以使變壓器小型化。
(3)由於第一和第二開關電路的開關元件Q1和Q2並聯到二極體和電容器，因此開關元件Q1和Q2在零電壓導通，並且開關元件Q2在零電流截止。結果，大大減小開關損耗並且避免發熱。
(4)次級側的整流元件Ds在零電流導通，並且電流波形在零電平相對陡峭地上升，並且到達一個峰值點，在此電流變化率為零。然後，電流波形再次落回零電平，在此整流元件Ds截止。當與常規的倒三角波形相比時，該波形類似於矩形，從而可以降低電流峰值。結果，可以減小有效電流值，並且可以降低導電損耗。
(5)不需要使用脈衝變換器或光耦合器來隔離。在該發明中，可以驅動具有不同地電平的兩個開關元件Q1和Q2。另外，由於開關元件Q1和Q2適合於自激振蕩結構，因此不需要使用具有另一個振蕩器的開關控制集成電路。相應地，由於該開關控制電路沒有複雜的結構，因此能夠以低成本製造整個設備。
在根據本發明的開關電源設備中，每個開關控制電路可以包括一個電阻器或者由電阻器和電容器組成的串聯電路所形成的一個延遲電路，該電阻器或延遲電路被分別置於第一驅動線圈和第一開關元件的控制端之間，以及在第二驅動線圈和第二開關元件的控制端之間。在該開關電源設備中，在每個第一和第二驅動線圈中產生導通每個第一和第二開關元件的基本上與初級線圈的電壓成比例的電壓之後，經過一段延遲時間，每個第一和第二開關元件被導通。
因此，在兩個開關元件Q1和Q2都截止之前和之後的時間內，開關元件Q1和Q2可以容易地交替導通和截止。通過這種結構，可以避免由於兩個開關元件Q1和Q2同時導通而增加損耗和損壞。
另外，在該開關電源設備中，其中一個開關控制電路可以包括用於截止第一開關元件的開關單元，以及用這樣一種方式來控制時間常數電路，使得在第一驅動線圈中產生導通該第一開關元件的基本上與初級線圈的電壓成比例的電壓之後經過預定的時間段，由該開關單元使第一開關元件截止。
通過用於使第一開關元件Q1截止的開關單元，可以增加開關元件Q1的開關速度，從而減小由開關元件Q1所造成的開關損耗。另外，通過由時間常數電路設置開關元件Q1的導通時間，可以任意地設置或控制開關元件Q1的導通時間，以穩定輸出電壓。
另外，在該開關電源設備中，其它的開關控制電路可以包括用於截止第二開關元件的開關單元，以及要這樣一種方式控制時間常數電路，使得在第二驅動線圈中產生基本上與初級線圈的電壓成比例並導通第二開關元件的電壓之後經過預定的時間段，由該開關單元截止第二開關元件。
與上述情況相類似，可以增加開關元件Q2的開關速度，從而可以減小開關元件Q2的開關損耗。另外，通過設置開關元件Q2的導通時間的時間常數電路，可以任意設置和控制開關元件Q2的導通時間，以穩定輸出電壓。
另外，在本發明的開關電源設備中，開關單元可以由連接到第一或第二開關元件的控制端的一個電晶體所形成，該電晶體的控制端可以連接到由第一阻抗電路和充電/放電電容器所構成的時間常數電路。
因此，不需要使用具有高的額定電壓的MOS-FET或者集成電路來驅動該高端開關元件Q2。通過簡化包含該電晶體和時間常數電路的結構，可以驅動開關元件Q2。因此，可以減小本發明的開關電源設備的尺寸和重量，並且能夠以低成本製造該設備。另外，由於不需要使用驅動每個開關元件Q1和Q2的振蕩器，因此可以實現進一步減小尺寸、重量和成本。
另外，在本發明的開關電源設備中，形成時間常數電路的第一阻抗電路的阻抗可以根據輸出功率或者響應一個外部信號而改變。
根據輸出功率或者響應來自外部的信號，改變形成時間常數電路的阻抗電路的阻抗值。通過這種結構，改變用於對包含在時間常數電路中的電容進行充電和放電的時間。結果，可以控制每個開關元件Q1和Q2的導通時間，以使得開關元件Q1和Q2在導通時間內更適當地根據輸出電壓而執行開關操作。
另外，該開關電源設備可以進一步包括包含一個電阻器的第二阻抗電路，該第二阻抗電路連接到電容器C的兩端或者連接到由電容器C和變壓器T的初級線圈所構成的串聯電路的兩端，以通過該第二阻抗電路把一個輸入電壓施加到第一開關電路。
通過把包含該電阻器的阻抗電路連接到電容器C的兩端，或者連接到由電容器C和變壓器T的初級線圈所構成的串聯電路的兩端，通過該阻抗電路，可以把一個啟動電壓施加到第一開關電路。如果沒有該阻抗電路，由於輸入電壓被施加到電容器C，則即使當一個電壓被施加到開關元件Q1的控制端時，則很可能啟動一個振蕩。該阻抗電路可以連接到由電容器C和變壓器T的初級線圈所構成的串聯電路的兩端。但是，最好該阻抗電路連接到電容器C的兩端，由於該結構允許施加到阻抗電路的電壓變低，從而可以進一步減小損耗。
另外，開關電源設備可以進一步包括包含一個電阻器的第三阻抗電路，以對通過第二阻抗電路施加到開關電路的輸入電壓進行分壓，並且施加到第一開關元件的控制端，以啟動一個自激振蕩。
在這種情況下，施加到第一開關電路的電壓被包含該電阻器的第三阻抗電路所分壓，以施加到開關元件Q1的控制端，從而啟動一個自激振蕩。在這種狀態下，該分壓電阻不連接到輸入電源，而是連接到第一開關電路。結果，僅僅當一個電壓被施加到第一開關電路時，才能夠啟動振蕩。這導致避免啟動失敗。
另外，由於不需要配置一個用於啟動振蕩的單衝脈衝產生電路，因此可以簡化開關控制電路。從而，可以使整個設備小型化並且以低成本來製造該設備。
另外，該開關電源設備可以進一步包括與整流元件Ds相併聯的一個電容器Cs，因此以這樣一種方式設置電容器Cs的電容阻抗值，使得當第二開關元件Q2和整流元件Ds都截止時，電容器Cs與變壓器T的電感產生諧振，並且在電容器Cs兩端的電壓波形表示類似於一部分正弦波的波形，在零電壓處上升，或在零電壓下降。
在開關元件Q1的導通時間內，當整流元件Ds的導通開始時，在電容器(或者電容阻抗元件)Cs中累積的電荷可以被輸出，而不流過整流元件Ds。因此，可以減小整流元件Ds的傳導損耗。另外，當減小整流元件Ds的反向恢復損耗並且控制突然的電壓變化時，可以降低噪聲。另外，由於流過整流元件Ds的電流波形突然上升，並且該電流波形類似於一個矩形波，因此可以減小有效電流。
另外，在本發明中，整流元件Ds可以是用一個控制信號執行開關操作的開關元件。
在這種情況下，例如整流元件Ds不由一個普通二極體所形成而是由例如MOS-FET這樣具有小的導通阻抗的開關元件所形成。當這種開關元件用一個控制信號執行開關操作時，在開關元件導通時間內的導電損耗被減小，從而可以減小在次級側整流電路中造成的導電損耗。
另外，在本發明的開關電源設備中，該開關元件可以是一個場效應電晶體。
當第一和第二開關元件是一個例如MOS-FET這樣的場效應電晶體時，可以利用該寄生二極體和寄生電容。因此，當該寄生二極體被用作為第一或第二二極體D1或D2，以及該寄生電容被用作為第一或第二電容器C1或C2時，不需要該二極體D1或D2以及電容器C1或C2。相應地，可以減少元件數目。
另外，該開關電源設備可以包括洩漏電感器L和外部電感器L或與初級線圈串聯的變壓器T中的一個，其中電感器L在第一開關元件Q1的截止時間中與電容器C產生諧振，以使得通過初級線圈的電流波形為部分正弦波。
電感器L在第一開關元件Q1的截止時間中與電容器C發生諧振，從而流過初級線圈的電流波形變為部分正弦波。結果，開關元件Q2的電流峰值和流過整流元件Ds的電流峰值變小，從而可以實現開關元件Q2的零電流截止操作。另外，當變壓器T的洩漏電感器L被用作為該電感器L時，不需要外部電感器L。因此，可以減少元件的數目，另外，可以降低由於電壓器的洩漏電感所造成的能量損耗。
另外，在開關電源設備中，開關控制電路可以在第一和第二電容器上的電壓下降到零或接近於零之後導通第一或第二開關元件。
通過按照這樣一種方式設置延遲時間而執行零電壓開關操作，使得在第一或第二電容器上的電壓下降到零或接近於零之後，該開關控制電路導通開關元件Q1或Q2。通過這種結構，可以減小導通損耗並且可以避免開關噪聲。
另外，當流過第二開關元件Q2的電流為零或接近於零時，該開關控制電路可以截止第二開關元件Q2。
通過這種結構，開關元件Q2執行零電流截止操作，從而當開關元件被截止時可以減小開關損耗和開關電湧的出現。
另外，在本發明中，電容器C和電感器L的數值可以用這樣一種方式設置，使得在流過整流元件Ds的電流波形從零上升並且到達電流變化率為零的峰值點之後，該波形再次下降到零電流點，在此時整流元件Ds被截止。
由於流過整流元件Ds的電流的峰值降低，並且該波形類似於矩形波，因此有效電流下降，並且整流元件Ds的傳導損耗下降。另外，由於流過整流元件Ds的電流不突然改變，因此抑制了開關噪聲的出現，並且在零電流截止整流元件Ds，從而減小反向恢復損耗。
另外，可以用這樣一種方式來控制開關控制電路，使得在變壓器的一個反向方向上的激勵量與其正向方向上的激勵量的比率根據連接到整流和平滑電路的輸出端的負載大小而改變。
通過改變開關元件Q1的導通時間而控制該整流和平滑電路的輸出電壓，以把一個穩定輸出電壓提供給該負載。另外，例如當使開關元件Q2的導通時間基本上固定時，根據連接到整流和平滑電路的輸出端的負載大小，在反向方向上的激勵量與在正向方向上的激勵量的比例被改變。通過這種結構，可以抑制開關頻率的改變，從而可以避免電子裝置的幹擾以及可以減小控制電路中的損耗。
另外，該開關控制電路可以用這樣一種方式來控制，使得在變壓器的相反方向上的激勵量為零或基本上為一個預定的固定值，而與連接到整流和平滑電路的輸出端的負載大小無關。
在該開關電源設備中，通過改變開關元件Q1的導通時間來控制整流和平滑電路的輸出電壓，可以把一個穩定的輸出電壓提供到該負載。另外，開關元件Q2的導通時間被控制，使得在變壓器的相反方向上的激勵量為零或者基本上為一個預定的固定數值，而與連接到該整流和平滑電路的輸出端的負載大小無關。通過這種結構，可以減小由於電流的重新產生而造成變壓器和開關電路中的導電損耗。
另外，其中一個開關控制電路可以把該開關元件的導通時間設置為一個最小值或者更大，以便於即使在連接到整流和平滑電路的輸出端的負載被短路的狀態下也可以執行開關操作。
在這種情況下，通過把開關元件的導通時間設置為一個最小值或更大，以便於即使在該負載被短路的狀態下也可以執行開關操作，則即使在短路狀態下也可以繼續開關操作。因此，當短路狀態被解除時，該輸出被自動地再次施加到該負載上。因此，可以形成能夠恢復輸出的一個自恢復型過電流保護電路。當把導通時間設置為等於或小於該最小值的一個數值時，在短路負載狀態下，把一個輸出電流施加到電容器C，並且停止振蕩，從而形成一個鎖存型過電流保護電路。
優選實施例詳述圖2為根據本發明的實施例的開關電源設備的電路圖。
本質上，該實施例的開關電源設備不同於圖1中所示的常規開關電源設備之處在於包括通過連接變壓器T的初級線圈T1、電感器L和電容器C所形成的一個串聯電路，該串聯電路的一端連接到第一開關電路和第二開關電路的連接點，並且其另一端連接到一個輸入電源。接著，下面將詳細描述該開關電源設備的電路結構。
第一開關電路S1由第一開關元件Q1、第一二極體D1以及第一電容器C1的並聯電路所形成。第二開關電路S2由第二開關元件Q2、第二二極體D2以及第二電容器C2的並聯電路所形成。第一和第二開關電路S1和S2相互串聯，並且該串聯電路與輸入電源E相併聯。用於本實施例中的第一和第二開關元件Q1和Q2是場效應電晶體(在下文中FET)。
變壓器T的初級線圈T1串聯到電感器L和電感器C。該串聯電路的一端連接到第一開關電路S1和第二開關電路S2的連接點，並且另一端連接到輸入電源E。
變壓器T的驅動線圈T3產生基本上與初級線圈T1的電壓成比例的電壓。在驅動線圈T3中產生的電壓被輸入到第一控制電路11。第一控制電路11包括通過串聯置於第一驅動線圈T3和第一開關元件Q1的控制端(柵極)之間的電阻器R3和電容器C3而形成的延遲電路、用於截止第一開關元件Q1的作為開關單元的電晶體Tr1、以及由電容器C4和作為接收來自檢測電路14的反饋信號的第一阻抗電路的光耦合器PC的時間常數電路。該時間常數電路連接到電晶體Tr1的控制端(基極)。在第一驅動線圈T3中產生電壓之後經過一段延遲，控制電路11導通第一開關元件Q1。然後，當在第一驅動線圈T3中產生電壓後經過由光耦合器PC的阻抗和電容器C4構成的時間常數電路所設置的時間之後，控制電路11還通過導通電晶體Tr1而快速地截止第一開關元件Q1。按照這種方式，控制電路11可以任意改變第一開關元件Q1的導通時間。
變壓器T包括第二驅動線圈T4。在第二驅動線圈T4中產生的電壓被施加到第二控制電路12。第二控制電路12包括通過串聯電阻器R5和電容器C5而形成的延遲電路，其串聯到第二驅動線圈T4、以及用於截止第二開關元件Q2的作為開關單元的電晶體Tr2、以及由充電/放電電容C6和電阻器R6所構成的時間常數電路作為第一阻抗電路。該時間常數電路連接到電晶體Tr2的控制端(基極)。包含在第二控制電路中的延遲電路、第一阻抗電路以及電晶體Tr2具有與上述第一控制電路相類似的結構。
在每個控制電路11和12中，按照這樣一種方式來設置延遲時間，使得在每個電容器C1和C2上的電壓下降到零或接近於零之後，每個開關元件Q1和Q2被導通。通過這種結構，執行零電壓開關操作。結果，可以減小導通損耗，並且可以避免開關噪聲的產生。另外，控制電路12控制第二開關元件Q2，使其在流過第二開關元件Q2的電流變為零或接近於零時截止。通過該控制，開關元件Q2執行零電流截止操作，從而減小當元件Q2被截止時出現的開關損耗和開關電湧。另外，當流過整流元件Ds的電流波形變為接近於矩形時，在整流元件Ds中的損耗變小。因此，為了獲得這種波形，通過由開關控制電路設置的第二開關元件Q2的導通時間確定電容器C和電感器L的數值。
檢測電路14包括分壓電阻R9和R10、旁路調節器IC1，其中電阻器R9和R10的連接點連接到參考電壓輸入端Vr、以及串聯到旁路調節器IC1的光電二極體PC。該旁路調節器IC1控制陰極和陽極之間的電流，以保持參考電壓輸入端Vr的電壓恆定。在電流中的改變被轉換為光電二極體PC的光強，並且輸入到連接變壓器T的第一驅動線圈T3的光電三極體PC。在該電路中，根據流過光電二極體PC的電流變化，通過光電電晶體PC控制電晶體Tr1的導通時間，這最終導致控制第一開關元件Q1的導通時間。更加具體來說，當輸出電壓變高並且光電二極體PC的電流增加時，第一開關元件Q1的導通時間變短以降低輸出電壓。相反，當輸出電壓變低並且光電二極體PC的電流減小時，第一開關元件Q1的導通時間變長，以升高輸出電壓。通過該操作，可以穩定輸出電壓。
作為第二阻抗電路的電阻器R1並聯到與變壓器T的初級線圈T1相串聯的電容器C。通過把電阻器R1與電容器C相併聯，當開啟電源時，可以把啟動電壓通過電阻器R1施加到第一開關電路S1。當不提供電阻器R1時，輸入電壓Vin被施加到電容器C。在這種情況下，即使一個電壓被施加到第一開關元件Q1的控制端(柵極)，電流不能流過該變壓器。因此，不能啟動振蕩。電阻器R1可以連接到包含電容器C、變壓器T的初級線圈T1以及電感器L的串聯電路的兩端。但是，如該實施例中所示，通過與電容器C相併聯的電阻器R1，施加到電阻器R1的電壓變低，從而減小損耗。
通過電阻器R1施加到第一開關電路S1的電壓被作為連接到第一開關元件Q1的兩端的第三阻抗電路的由電阻器R2和R7所構成的串聯電路所分壓，並且施加到第一開關元件Q1的控制端(柵極)。通過這種結構，當施加輸入電壓Vin時，可以啟動一個自激振蕩。在該實施例中，電阻器R2不連接到輸入電源，而是連接到第一開關電路S1。通過該連接，僅僅當電壓被施加到第一開關電路S1時，該電壓可以輸入到開關元件Q1的控制端，以啟動振蕩。結果，可以避免啟動失敗。
接著，將給出對上述開關電源設備的操作的描述。
圖3示出圖1中所示的電路的波形。下面將參照圖2和3描述該電路操作。
在圖3中，Q1和Q2表示示出開關元件Q1和Q2的導通和截止時間的信號，Vds1、Vds2和Vds表示在電容器C1、C2和Cs上的電壓波形信號，並且id1、id2和is表示開關電路S1、S2和整流元件Ds的電流波形信號。
在電路啟動之後執行的開關操作在一個開關周期Ts中主要被分為從時間t1至t5的4個工作狀態。首先，將說明在啟動時間(當振蕩啟動時)的狀態，然後將描述其餘狀態。
啟動當施加輸入電壓Vin時，電壓被通過包含電阻器R1、電感器L和初級線圈T1的電路施加到第一開關元件(FET)Q1的漏極，該輸入電壓被電阻器R2和R7所分壓，以施加到FET Q1的柵極。當該電壓變得高於FET Q1的閾值電壓時，該FET Q1導通，並且輸入電壓被施加到電容器C和初級線圈T1。然後，在第一驅動線圈T3中產生一個電壓，並且所產生的電壓被通過電阻器R3和電容器C3施加到FET Q1的柵極。結果，FETQ1導通。
接著，將給出在FET Q1的導通狀態的最佳額定條件下，在一個開關周期Ts中從時間t1至t5的4個工作狀態的描述。
狀態1-t1至t2FET Q1處於導通狀態。通過從輸入電壓Vin中減去電容器C的電壓而獲得的電壓被施加到變壓器T的初級線圈T1。然後，流過初級線圈的電流線性增加，從而激勵能量被存儲在變壓器T中。另外，由於通過該電流使電容器C通電，因此電能存儲在電容器C中。
在該狀態中，通過光電電晶體PC對電容器C4充電。當電容器C4的電壓到達電晶體Tr1的閾值電壓(大約0.6V)時，在時間t2，電晶體Tr1導通並且FET Q1截止。然後，接著狀態2。
狀態2-t2至t3當FET Q1截止時，初級線圈T1和電感器L與電容器C1和C2發生諧振，從而電容器C1被充電並且電容器C2被放電。在次級線圈側，該次級線圈T2與電容器Cs發生諧振，從而電容器Cs被放電。在Vds1的上升沿和Vds2的下降沿處的曲線是由於電感器L、初級線圈T1與電容器C1和C2的諧振所產生的正弦波的一部分。
當電容器C2上的電壓Vds2下降為零時，二極體D2導通。在FET Q1截止之後略為延遲，在驅動線圈T4中產生的電壓被通過電容器C5和電阻器R5施加到開關元件Q2的柵極端，並且開關元件Q2導通。結果，執行零電壓開關，隨後接著狀態3。
在該狀態中，在次級側，電容器Cs上的電壓Vs下降為零，並且整流元件Ds導通，從而執行零電壓導通操作。在Vs的上升沿處的曲線是由電容器Cs和次級線圈T2之間的諧振所產生的正弦波。
狀態3-t3至t4在狀態3中，在初級側上，二極體D2或開關元件Q2導通，然後電感器L和電容器C開始相互諧振。在該周期中，電容器C被放電。在該狀態下，在次級側上，整流元件Ds導通以從次級線圈T2釋放存儲在變壓器T中的激勵能量以及存儲在電容器C中的電能，並且通過整流/平滑電路輸出。在該狀態中，流過整流元件Ds的電流波形「is」類似於一個波形，其表示通過從初級側上的電感器L和電容器C所產生的諧振電流id2的數值減去線性下降的激勵電流數值「im」而獲得的數值。因此，該波形在零電流處相對陡峭地上升，變為具有正弦曲線的波形。然後，在到達電流變化率為零的峰值點之後，該波形下降為零電流。當變壓器T的激勵電流im變為零時，整流元件Ds執行零電流截止操作，從而次級側的電流變為零。
在初級側，通過對電容器C放電，激勵電流「im」的方向被反向，並且在與狀態1中的方向相反的方向激勵變壓器T。用在第二驅動線圈D4中產生的電壓通過電阻器R6對電容器C6充電。當該電壓到達閾值電壓(大約0.6V)時，電晶體Tr2導通，並且FET Q2截止，在時間t4接近於零，從而執行零電流截止操作。當FET Q2截止時，反相電壓被施加到次級側的整流二極體，從而電容器Cs開始諧振。結果，變壓器的線圈電壓開始反相。
在這種狀態中，根據連接到輸出端的負載的大小，按照激勵電流「im」變為零的時間和FET Q2截止時間的次序發生改變。換句話說，當負載減小時，在激勵電流「im」變為零之後，FET Q2截止，然後反相電壓被施加到整流元件Ds。相反，在大負載下，在FET Q2截止之後，激勵電流「im」變為零，並且反相電壓被施加到整流元件Ds。在負載狀態中，在FET Q2和整流元件Ds都截止的時間t4時，反相電壓被施加到整流元件Ds，隨後接著狀態4。
狀態4-t4至t5在狀態4中，變壓器T的次級線圈T2與電容器Cs發生諧振，從而對電容器Cs充電。在初級側，初級線圈T1和電感器L與電容器C1和電容器C2發生諧振，從而電容器C1被放電，並且電容器C2被充電。
當電容器C1上的電壓Vds1下降為零時，二極體D1導通。在這種狀態下，在初級驅動線圈T3中產生電壓經過小的延遲之後被通過電阻器R3和電容器C3施加到開關元件Q1的柵極。然後，FETQ1在時間t5導通，並且執行零電壓開關操作以結束狀態5。在次級側上，電容器Cs上的電壓Vs從零上升，並且被箝位在等於初級線圈電壓和輸出電壓之和的電壓。
將在每個開關周期中執行上述操作，以在一系列周期開關中重複執行。
通過上述操作，在第一開關元件Q1處於導通狀態的時間段中，激勵能量被存儲在變壓器T的初級線圈T1中，並且靜電能量被存儲在電容器C中。當開關元件Q1截止時，激勵能量和靜電能量被釋放。結果，當與圖1中所示的常規開關電源設備相比較時，該設備即僅僅在開關元件Q1的導通周期中存儲激勵能量並且在其截止周期中釋放激勵能量的設備，可以減小電流峰值，從而減小導電損耗。
在圖2中所示的開關電源設備中，在常規開關電源設備的情況下，開關元件Q1和Q2被在零電壓導通，並且開關元件Q2在接近於零電流處截止。從而，可以明顯地減小開關損耗和開關電湧。另外，在零電流時導通次級側整流元件Ds，並且電流波形從零電流處相對陡峭地上升。在該波形到達電流變化率為零的峰值點之後，該波形再次下降到零電流，從而整流元件Ds截止。因此，通過整流元件的電流波形變為矩形，從而使得電流峰值變小。結果，降低有效電流值，從而可以減小傳導損耗。
另外，由於沒有變壓器的洩漏電感L，因此抑制開關電湧。因此，可以使用具有低額定電壓的半導體元件。另外，由於流過開關元件的電流突然改變並且減小電壓，因此還可以減小開關噪聲。
現在，關於由控制電路所執行的開關元件Q1和Q2的導通/截止時間的控制，採用如下三種方法。
圖4A至4C示出由三種控制方法所獲得的「id1」波形。
在圖4A所示的方法中，該開關控制電路控制開關元件Q1和Q2的導通時間，並且通過把在變壓器T的相反方向上的激勵量設置為零或實現零電壓開關操作所需的最小值，而穩定輸出電壓。在該方法中，根據負載量，固定開關元件Q1的導通時間(Ton)和截止時間(Toff)之間的比例，從而改變開關頻率。因此，由於負載量基本上與開關頻率成反比，因此負載越小，則開關頻率越大。例如，可以在開關元件Q1的導通時間中執行輸出電壓Vo的控制。除了輸出電壓Vo之外，還可以檢測輸出電流Io，以把開關電路S2的導通時間設置為等於對變壓器T復位所需時間和預定的反向激勵時間之和。
在圖4B所示的方法中，在小負載下，在變壓器T的初級線圈中產生再生電流。符號Ton2表示產生再生電流的時間周期。在該方法中，控制開關控制電路，使得開關元件Q2的導通時間保持恆定，並且開關元件Q1的導通時間被調節為改變在變壓器T的正向方向的激勵量與在反向方向的激勵量之間的比例，使得輸出電壓穩定。在該方法中，無論負載量大小，保持開關頻率基本上固定。例如，在這種控制中，開關電路S2的導通時間被設置為等於最大變壓器復位數值和預定反向激勵時間之和。
另一方面，儘管該方法可以提供即使在小負載下也使得開關頻率基本上固定的優點，但是流過開關元件和變壓器的電流峰值較大，從而開關損耗和導電損耗增加，這時變壓器T的磁通量中存在最大變化。結果，存在嚴重的變壓器損耗。
圖4C中所示的方法等效於圖4A和4B的方法的結合。在小負載下，通過改變在變壓器T的正向方向上的激勵量和反向方向上的激勵量而使輸出電壓穩定，從而降低開關頻率。在大負載下，隨著負載變大，開關元件Q1的導通時間被設置為更長，以穩定輸出電壓。例如，開關電路S2的導通時間可以被設置為等於在額定負載下的變壓器復位時間與預定反向激勵時間之和。
在該方法中，當控制開關頻率的改變時，可以在小負載和大負載之間執行高效的控制。
在上述實施例中，第一和第二開關元件Q1和Q2包括場效應電晶體(FET)。另外，可以使用例如電晶體這樣的其它種類的半導體元件作為第一和第二開關元件。
圖5示出圖2中所示的開關電源設備的主要部分。在該圖中，包括電容器C和電感器L以及變壓器T的初級線圈T1的串聯電路的一端連接到開關元件Q1和Q2的連接點，並且該串聯電路的另一端連接到輸入電源的正極端。
圖6示出根據另一個實施例的開關電源設備的主要部分。在該實施例中，儘管沒有對包含電容器C1、電感器L和初級線圈T1的串聯電路作改動，但是連接電容位置和輸入電壓Vin的極性被改變。另外，類似地，串聯電路的一端連接到開關元件Q1和Q2的連接點，並且另一端連接到輸入電源。該主要部分的電路操作也與圖5中所示的電路的操作相類似。
圖7示出根據另一個實施例的開關電源設備的主要部分。在該結構中，電容器C包括電容器C1和C2。因此，圖7中所示的電路是這樣一個例子，其中電容器C被分為電容器C1和C2。由於電容器C1和電容器C2的合成電容等於電容器C的電容，該電路操作與圖2和3中所示的相類似。
在上述實施例中，輸入電源是一個直流電源。但是，本發明的輸入電源可以是對市用交流電源進行整流和平滑之後的電源。另外，電容器或者其它元件可以連接在變壓器T的初級線圈和次級線圈之間。除了變壓器之外，一個電感元件可以用於該電路中。即使在這種情況下，該電路的基本操作與上述電路操作相類似。
圖8為包含在根據另一個實施例的開關電源設備中的第一控制電路11的電路圖。
在該實施例中，電阻器Ra串聯到第一開關元件Q1的源極，並且電容器C4連接到該源極和電阻器Ra的連接點。包含電阻器R4、光電電晶體PC的阻抗和電容器C4的時間常數電路的一端連接到電晶體Tr1的基極。在時間常數電路中，電容器並連到電容器C4。在該控制電路中，在開關元件Q1導通之後，電流「id1」增加。隨著電流「id1」的增加，在電阻器Ra上的電壓也增加。在這種狀態中，時間常數電路的電容器C4連續充電。當等於電容器C4的充電電壓和電阻器Ra上的電壓之和的電壓到達電晶體Tr1的閾值電壓(大約0.6V)時，開關元件Q1截止。因此，本實施例的電路中，流過開關元件Q1的電流被電阻器Ra所檢測，以控制開關元件Q1的導通時間。
圖9示出控制包含在根據另一個實施例的開關電源設備中的開關元件Q2的第二控制電路的電路圖。
在該實施例中，作為一個開關單元的電晶體Tr2是一個pnp型電晶體。
另外，圖10示出包含在根據另一個實施例的開關電源設備中的第二控制電路的電路圖。
在該實施例中，光電電晶體PC2連接到電晶體Tr2的基極。通過輸出信號或者來自外部的信號輸入改變光電電晶體PC2的阻抗，從而開關元件Q2的導通時間改變。通過這種結構，通過控制開關元件Q2的導通時間，可以根據輸出功率以更加適當的導通時間來執行開關元件Q2的切換。
圖11示出包含在根據另一個實施例的開關電源設備中的啟動電路的電路圖。
在這種情況中，電阻器R1並聯到包含電容器C、電感器L和變壓器T的初級線圈T1的串聯電路。啟動開關元件Q1的啟動電阻R2的一端通過一個齊納二極體DZ連接到一個輸入電源。
在上述實施例中，二極體被用於該整流/平滑電路中，作為一個整流元件Ds。但是，例如除了使用二極體作為整流元件Ds之外，可以使用例如具有小的導通電阻的MOS-FET這樣的開關元件作為該元件Ds。當這種開關元件通過在次級線圈的電壓升高時產生的控制信號執行切換時，在導通時間中的導電損耗減小。結果，可以減小在次級側的整流電路的導電損耗。
當通過FET形成第一和第二開關元件Q1和Q2時，FET的寄生二極體可以用於取代第一和第二二極體D1和D2，並且FET的寄生電容可以取代第一和第二電容器C1和C2。在該結構中，由於不需要圖2中所示的第一和第二二極體和電容器，因此可以減少元件的數目。
類似地，可以僅僅通過變壓器T的洩漏電感形成電感器L。在這種情況下，不需要外部電感器L。從而，可以減少元件的數目。
因此，本發明的優點可以綜合如下。
本發明的開關電源設備包括在變壓器中驅動第一和第二開關元件的驅動線圈，在兩個開關元件被截止之前和之後的周期內，該開關控制電路交替地導通和截止開關元件，從而執行自激振蕩。通過這種結構，可以減少該設備的元件數目以及尺寸和重量。另外，通過允許開關元件執行零電壓開關操作，可以明顯減小開關損耗。另外，由於施加到開關元件Q1和Q2上的電壓是輸入電壓Vin，因此開關元件Q1和Q2可以由具有低額定電壓的半導體元件來形成。因此，本發明的開關電源設備可以具有高效率並且可以製造為一個緊湊和輕便的設備。
另外，由於電容器C串聯到變壓器的初級線圈，因此能量可以存儲在初級線圈和電容器C中。結果，通過減小峰值電流，還可以減小導電損耗。另外，施加到初級線圈上的電壓大約為圖1中所示的振鈴扼流圈轉換器(RCC)的電壓的一半。因此，可以減少初級線圈的匝數，並且可以採用具有較低額定電壓的低擊穿電壓變壓器，從而能夠使該變壓器小型化。
儘管上文已經描述本發明的實施例，但是本領域內的專業人員應當知道可以作出各種改變或變化而不脫離本發明的範圍和精神。
權利要求
1.一種開關電源設備，包括由第一開關元件、第一二極體和第一電容器的並聯電路所形成的第一開關電路；由第二開關元件、第二二極體和第二電容器的並聯電路所形成的第二開關電路，該第一和第二開關電路形成一個串聯電路；一個連接到該串聯電路的輸入電源；包括初級線圈和次級線圈的變壓器；該初級線圈、洩漏電感器和電容器形成一個串聯電路，該串聯電路的一端連接到第一開關電路和第二開關電路的連接點，並且另一端連接到輸入電源；一個整流和平滑電路包括整流元件，該整流和平滑電路連接到變壓器的次級線圈；在第一開關元件的導通周期中在初級線圈和電容器中累積能量，並且在第一開關元件的截止周期中從次級線圈獲得一個輸出，第一開關元件的導通時間被控制，使得輸出功率得到控制；第一驅動線圈包含在該變壓器中，以產生基本上與初級線圈的電壓成比例的一個電壓，用於導通第一開關元件；第二驅動線圈包含在該電壓器中，以產生基本上與初級線圈的電壓成比例的一個電壓，以導通第二開關元件；以及開關控制電路交替地導通和截止第一和第二開關元件，在開關元件都截止的時間段之後，該開關控制電路使第一和第二開關元件交替地導通，在開關元件都截止的時間段之前，開關控制電路交替地截止第一和第二開關元件，在第二開關元件和整流元件都截止之後，使第一開關元件導通，從而執行自激振蕩。
2.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，每個開關控制電路包括一個電阻器或者由電阻器和電容器組成的串聯電路所形成的一個延遲電路，該電阻器或延遲電路被分別置於第一驅動線圈和第一開關元件的控制端之間，以及在第二驅動線圈和第二開關元件的控制端之間；其中，在每個第一和第二驅動線圈中產生導通每個第一和第二開關元件的基本上與初級線圈的電壓成比例的電壓之後，經過一段延遲時間，每個第一和第二開關元件被導通。
3.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，第一個開關控制電路包括用於截止第一開關元件的第一開關單元，以及控制第一開關的時間常數電路，使得在第一驅動線圈中產生導通該第一開關元件的基本上與初級線圈的電壓成比例的電壓之後經過預定的時間段，由該第一開關使第一開關元件截止。
4.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，第二開關控制電路包括用於截止第二開關元件的第二開關單元，以及控制第二開關的時間常數電路，使得在第二驅動線圈中產生導通該第二開關元件的基本上與初級線圈的電壓成比例的電壓之後經過預定的時間段，由該第二開關使第二開關元件截止。
5.根據權利要求3所述的開關電源設備，其特徵在於，第一開關單元包括連接到第一開關元件的控制端的一個電晶體，該電晶體的控制端連接到由第一阻抗電路和充電/放電電容器所構成的時間常數電路。
6.根據權利要求4所述的開關電源設備，其特徵在於，第二開關單元包括連接到第二開關元件的控制端的一個電晶體，該電晶體的控制端連接到由第二阻抗電路和充電/放電電容器所構成的時間常數電路。
7.根據權利要求5所述的開關電源設備，其特徵在於，構成每個時間常數電路的第一阻抗電路的阻抗可以根據次級線圈的輸出功率之一或者響應一個外部信號而改變。
8.根據權利要求6所述的開關電源設備，其特徵在於，構成每個時間常數電路的第一阻抗電路的阻抗可以根據次級線圈的輸出功率之一或者響應一個外部信號而改變。
9.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，進一步包括包含一個電阻器的第二阻抗電路，該第二阻抗電路至少連接到該串聯電路的串聯電容器的兩端或者連接到該串聯電路的兩端之一，以通過該第二阻抗電路把一個輸入電壓施加到第一開關電路。
10.根據權利要求9所述的開關電源設備，其中進一步包括包含一個電阻器的第三阻抗電路，以對通過第二阻抗電路施加到第一開關電路的輸入電壓進行分壓，並且把分壓後的電壓施加到第一開關元件的控制端，以啟動一個自激振蕩。
11.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，進一步包括與整流元件相併聯的一個輸出側電容器，選擇該輸出側的電容器的電容阻抗值，使得當第二開關元件和整流元件都截止時，輸出側電容器與變壓器的洩漏電感產生諧振，並且在輸出側電容器兩端的電壓波形具有基本上類似於一部分正弦波的波形，從零電壓處上升，或下降到零電壓。
12.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，整流元件是用一個控制信號控制開關操作的開關元件。
13.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，該開關元件是場效應電晶體。
14.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，該電感包括至少變壓器的洩漏電感和與初級線圈串聯的外部電感中的一個，其中該電感在第一開關元件的截止時間中與串聯電容器產生諧振，以使得通過初級線圈的電流波形具有基本上類似於部分正弦波的波形。
15.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，第一開關控制電路在第一電容器上的電壓下降到零或接近於零之後導通第一開關元件。
16.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，第二開關控制電路在第二電容器上的電壓下降到零或接近於零之後導通第二開關元件。
17.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，在流過第第二開關元件的電流基本上為零時，第二開關控制電路截止第二開關元件。
18.根據權利要求1所述的開關電源設備，其特徵在於，選擇串聯電容器和電感器的數值，使得在流過整流元件的電流波形從零上升並且到達電流變化率為零的峰值點之後，該波形再次下降到基本上零電流點，在此時整流元件被截止。
19.根據權利要求1所述的開關單元設備，其特徵在於，控制該開關控制電路，使得在變壓器的一個反向方向上的激勵量與其正向方向上的激勵量的比率根據連接到整流和平滑電路的輸出端的負載大小而改變。
20.根據權利要求1所述的開關單元設備，其特徵在於，控制該開關控制電路，使得在變壓器的相反方向上的激勵量為零或基本上為一個預定的固定值，而與連接到整流和平滑電路的輸出端的負載大小無關。
21.根據權利要求1所述的開關單元設備，其特徵在於，一個開關控制電路可以把該開關元件的導通時間設置為一個最小值，以便於即使在連接到整流和平滑電路的輸出端的負載被短路的狀態下也可以執行開關操作。
全文摘要
一種開關電源設備可以減小開關損耗以獲得高效率。另外,通過把變壓器製得緊湊和輕便,可以減少控制電路的部件數目以及開關元件的成本。在該開關電源設備中,由變壓器的初級線圈、電感器和電容器所形成的串聯電路的一端連接到第一開關電路和第二開關電路的連接點。該串聯電路的另一端連接到一個輸入電源。該變壓器的次級線圈連接到包括整流元件的整流和平滑電路。另外,為了執行自激振蕩,設置第一和第二控制電路。該第一控制電路控制從該變壓器的第一驅動線圈中產生電壓之後到第一開關電路導通的時間段,以及到第一開關電路截止的時間段。類似地,該第二控制電路控制從該變壓器的第二驅動線圈中產生電壓之後到第二開關電路導通的時間段,以及到第二開關電路截止的時間段。
文檔編號H02M3/335GK1347190SQ0114142
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月24日 優先權日2000年9月27日
發明者細谷達也, 竹村博, 岡本康司 申請人:株式會社村田製作所