專利名稱：用于開關(guān)的保護電路及開關(guān)型電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于開關(guān)的保護電路，尤其是那些比如使用于開關(guān)型電源的保護電路，并涉及與此有關(guān)的開關(guān)型電源。
具有高阻抗控制輸入的開關(guān)，比如MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，被逐漸地使用于開關(guān)型電源。高阻抗的控制輸入是指開關(guān)型電源在故障時仍可能進入不明確的狀態(tài)，該狀態(tài)可能毀壞該開關(guān)。例如，開關(guān)型電源的輸出短路或開關(guān)型電源控制環(huán)中斷是可能的，導(dǎo)致閉環(huán)受控開關(guān)運轉(zhuǎn)中斷。然而，在此類情況下，就開關(guān)型電源而言，特別是由于它們的起動電路，在開關(guān)的控制輸入上仍然可能存在剩余電壓，所以該開關(guān)被部分地起動。如果該開關(guān)僅僅被部分地起動，當(dāng)仍然同時向它施加電壓時，大電流流過它，這樣使它的功率損耗過度，結(jié)果，它被毀壞。
DE 197 35 208 A1公開了一種自激(非同步)開關(guān)型電源，含有當(dāng)短路發(fā)生時可靠地關(guān)斷開關(guān)晶體管的保護電路。在一個示范實施例中，在開關(guān)晶體管輸入端的控制電壓通過一個晶體管級耗散，所以開關(guān)晶體管在短路時依然可靠地關(guān)斷。
本發(fā)明的目的是提出一種用于開關(guān)的保護電路和一種與此有關(guān)的開關(guān)型電源，在有故障時，該保護電路防止開關(guān)啟動，因此防止它毀壞。
本發(fā)明的保護電路包括一能量存儲裝置，它連接到開關(guān)控制輸入，并當(dāng)存在控制電壓時通過電阻被遲緩地充電，然后當(dāng)控制電壓不存在或低時通過切換裝置放電。由于一般說來此類型的開關(guān)由方波電壓起動，方波電壓例如是脈寬調(diào)制的或其頻率對于開關(guān)型電源的控制是可變的，在開關(guān)的接通信號期間能量存儲裝置用這種方式慢慢地充電，但是在關(guān)斷信號時再一次同樣地被放電。因此在通常開關(guān)操作過程中，在能量存儲裝置兩端不可能產(chǎn)生更高的電壓。
該保護電路還包括一個切換級，它連接到開關(guān)的電源電壓，當(dāng)在能量存儲裝置兩端有特定閾值電壓時接通，結(jié)果降低電源電壓。能量存儲裝置例如是一電容器，切換級是單個晶體管級或以閘流晶體管電路形式連接的一對晶體管。
當(dāng)在所述閾值電壓下接通切換級時，能量存儲裝置同時通過該切換級放電。在這種情況下從電源電壓耗散的一部分電荷至少部分地傳遞到能量存儲裝置，所以切換級接通的階段被延長。依靠一與能量存儲裝置并聯(lián)的二極管實現(xiàn)這一點。二極管同時防止能量存儲裝置的反向充電。
該保護電路特別能被使用于開關(guān)型電源，比如那些使用于電視接收機或錄像機的開關(guān)型電源。這類開關(guān)型電源通常具有從變壓器次級線圈提供的電源電壓，和一旦開關(guān)型電源接通就提供電源電壓的起動電路，直到開關(guān)型電源通過電源級為它本身供電。
一控制電壓施加到開關(guān)的控制輸入端，依靠它開關(guān)型電源通過安排在次級側(cè)或者初級側(cè)上的控制電路穩(wěn)定輸出電壓?？刂戚斎攵送ㄟ^一電阻器件從起動電路和電源級去耦。保護電路中的能量存儲裝置在這種情況下連接到開關(guān)晶體管的控制輸入端，切換級連接到起動電路和電源級。
如果出故障，可能出現(xiàn)閉環(huán)受控開關(guān)操作中斷和在開關(guān)的控制輸入端例如由于起動電路而增大電壓的情形，此電壓至少可能部分地接通該開關(guān)。由保護電路識別這一點，并通過保護電路適當(dāng)?shù)亟档碗娫措妷汉烷_關(guān)控制輸入端的電壓，這樣該開關(guān)沒有危險。
一個低阻抗電流測量電阻器常常從開關(guān)輸出端下游側(cè)連接在開關(guān)型電源中，以為控制電路提供電流信息。然后保護電路的輸出端被有利地連接到開關(guān)晶體管輸出端的更高電位，而不是接地。
下文中利用作為實例的一個原理電路圖更詳細地解釋本發(fā)明

圖1表示一具有保護電路的開關(guān)型電源。
圖1中的開關(guān)型電源經(jīng)由一個市電電源接頭1連接到市電電源系統(tǒng)，市電電源系統(tǒng)的電源電壓在輸入級2給出，輸入級2特別包括濾波器，用于濾除不需要的高頻電壓。然后在電路3中將電源電壓整流，又通過一能量存儲電容器緩沖，以操作該開關(guān)型電源。
此電壓通過變壓器Tr的初級繞組施加到開關(guān)T1，在此示范實施例中為一個MOSFET。在操作過程中開關(guān)T1依靠一個方波控制電壓Ug被周期性的接通和關(guān)斷，以便發(fā)送功率到變壓器Tr的次級線圈W2并W3。在這種情況下繞組W3安排在初級側(cè)上并通過電源電路5用于提供操作該開關(guān)型電源的電源電壓VCC。
從安排在次級側(cè)上的繞組W2發(fā)出的電壓經(jīng)過一個二極管Da整流并由一電容器Ca穩(wěn)定以便為外部負載供電。通過分接并經(jīng)過一光耦合器6(或經(jīng)過其他的傳輸裝置，因為在此示范實施例中開關(guān)型電源提供市電電源隔離)發(fā)送輸出電壓到初級側(cè)上的一個控制電路7而穩(wěn)定輸出電壓?？刂齐娐?控制開關(guān)晶體管T1的控制輸入端G。僅僅示意性地表示出控制電路7，控制電路7尤其還可以安排在次級側(cè)。例如，它可包括具有振蕩器的集成電路，或也可以工作于同步頻率。此外，該開關(guān)型電源可以采用自激開關(guān)型電源的形式。
該開關(guān)型電源還包括一個電流測量電阻器Rs，通過它開關(guān)晶體管T1的輸出端連接到地M，而且它提供控制電路7的電流信息，有關(guān)流過開關(guān)晶體管T1的電流大小。
此外該開關(guān)型電源包括一個起動電路，含有一個電阻器或電阻排Rm，它提供起動電流Im，以便起動該開關(guān)型電源，直到開關(guān)型電源通過電源級5為它本身供電。此起動電路可連接在能量存儲電容器和電路3中整流器的上游或者下游側(cè)。此外，該開關(guān)型電源包括一個所謂的緩沖器網(wǎng)絡(luò)4，它與初級繞組W1并聯(lián)，當(dāng)開關(guān)晶體管T1關(guān)斷時衰減切換尖峰脈沖。
保護電路連接到開關(guān)晶體管T1的控制輸入端G，其控制電壓Ug被監(jiān)視。在開關(guān)晶體管T1接通階段，保護電路中的電容器C1經(jīng)過電阻器R1慢慢地充電。在開關(guān)晶體管關(guān)斷階段，電容器C1經(jīng)過二極管D1快速放電所以在正常操作過程中在電容器C1兩端產(chǎn)生增加的電壓是不可能的。在這種情況下二極管D1作為一個切換裝置操作，例如，一受控制的晶體管也可以用于作為一種替換。
晶體管T2的控制輸入端連接到電容器C1，所以當(dāng)晶體管T2接通時，電源電壓VCC經(jīng)由晶體管T3降低到較低的電位。在這種情況下兩個晶體管T2和T3作為一閘流晶體管級連接，所以快速并有效地實現(xiàn)接通過程。當(dāng)開關(guān)型電源正常地操作時，晶體管T2總是關(guān)斷，因為正如在上面解釋的，在電容器C1兩端未建立使開關(guān)晶體管T2接通的足夠電壓。與它并聯(lián)連接的電容器C2和電阻器R3被連接到晶體管T3的控制輸入端，所以任何可能發(fā)生的干擾電壓無法引起晶體管T3接通，因此使開關(guān)型電源關(guān)斷。
在輸出側(cè)短路，或出現(xiàn)其它的故障、比如中斷控制環(huán)時，干擾了閉環(huán)控制切換操作。在例如短路時，控制電路7因此試圖盡可能長地接通開關(guān)晶體管T1，以用這種方式提高輸出電壓。這允許開關(guān)晶體管T1過載。
一種更危險的故障情形為控制級7以這樣的一種方式出現(xiàn)故障，它以及因此開關(guān)晶體管T1的輸入端G具有高阻抗。在這種情況下，由于起動電流Im，控制電壓Ug連續(xù)地上升。然而，結(jié)果，電容器C1兩端的電壓上升直到達到一特定的閾值電壓，在該閾值電壓晶體管T2接通。這導(dǎo)致電源電壓VCC降低或經(jīng)由晶體管T3耗散，因此電阻器Rg兩端的控制電壓Ug下降直到開關(guān)晶體管T1再一次關(guān)斷。
然而，在此示范實施例中，晶體管T3的輸出端不直接地連接到地，而是通過電阻器R2連接到開關(guān)晶體管T1的輸出端，開關(guān)晶體管T1經(jīng)由電阻器Rs連接到地M。當(dāng)晶體管T3接通時，R2兩端的電壓增大C1兩端的電壓，所以晶體管T2被起動一更長周期，電源電壓VCC實質(zhì)上降低。與電容器C1并聯(lián)的二極管D2在這種情況下防止電容器C1的極性被顛倒。同時，電容器C1通過晶體管T2和二極管D3完全放電。
結(jié)果，該保護電路實現(xiàn)復(fù)位操作，可以說是，所以開關(guān)晶體管T1能在某一時間之后恢復(fù)操作。然而，如果該故障情形仍然存在，那么保護電路再一次響應(yīng)。
控制電路7輸出端仍然具有高阻抗以致控制輸入G直流電壓增大的所有故障都構(gòu)成問題。開關(guān)型電源的振蕩停頓并且電源電壓VCC不再通過次級繞組W3提供這也是如此，因為起動電路繼續(xù)通過電阻器Rm保持有效。由于保護電路周期地響應(yīng)，一旦該故障已經(jīng)被糾正，開關(guān)型電源任何時候都能恢復(fù)操作。通過依靠電阻器R2提高電容器C1兩端的電壓，在這種情況下電容器C1總是在有故障時完全地放電。
在圖1示范實施例中，元件值如下R1＝100kC1＝10μFR2＝470RC2＝10μFR3＝10kRm＝560kRg＝100RRs＝4R7開關(guān)晶體管T1接通的電壓為5V。VCC等于14V。
閾值電壓大約為1.2伏特，并且取決于晶體管T2的基極-發(fā)射極電壓和二極管D3正偏的電壓。在正常操作時，二極管D1在大約0.6伏特的電壓變?yōu)檎?。如果電源電壓VCC下降到大約1.8伏特，那么T2和T3再一次被關(guān)斷。
圖1中的開關(guān)型電源為自激(非同步)開關(guān)型電源的形式。然而，該保護電路同樣地可以良好被用于其他的開關(guān)型電源，例如同步開關(guān)型電源。它不僅能被用于具有市電電源隔離的開關(guān)型電源，而且能用于那些沒有市電電源隔離的，例如DC/DC轉(zhuǎn)換器。
權(quán)利要求
1.一種用于開關(guān)(T1)的保護電路，其中保護電路具有能量存儲裝置(C1)，它連接到開關(guān)(T1)的控制輸入端(G)，當(dāng)控制電壓(Ug)存在時通過電阻器(R1)被遲緩地充電，當(dāng)控制電壓(Ug)低或不存在時，通過切換裝置(D2)放電，并且具有一切換級(T2，T3)，其連接到電源電壓(VCC)，在能量存儲裝置(C1)兩端的特定閾值電壓上接通，結(jié)果降低電源電壓(VCC)。
2.如權(quán)利要求1所述的保護電路，其特征在于當(dāng)切換級(T2，T3)接通時從電源電壓(VCC)耗散的電荷至少部分地被傳遞到能量存儲裝置(C1)，所以切換級(T2，T3)接通的階段被延長。
3.如權(quán)利要求2所述的保護電路，其特征在于耗散的電荷通過二極管(D2)被傳遞到能量存儲裝置(C1)，二極管(D2)與能量存儲裝置(C1)并聯(lián)連接。
4如權(quán)利要求1，2或3所述的保護電路，其特征在于當(dāng)切換級(T2，T3)接通時，能量存儲裝置(C1)通過此切換級(T2)放電。
5.如權(quán)利要求4所述的保護電路，其特征在于切換級包括兩個晶體管(T2，T3)，其以閘流晶體管級的形式被連接。
6.如前述權(quán)利要求之一所述的保護電路，其特征在于能量存儲裝置具有電容器(C1)，當(dāng)控制電壓(Ug)存在時，其通過電阻器件(R1)由控制電壓(Ug)遲緩地充電，并且二極管(D1)作為切換裝置與電阻器件(R1)并聯(lián)連接，當(dāng)控制電壓(Ug)低或不存在時通過二極管(D1)電容器(C1)被快速放電。
7.如前述權(quán)利要求之一所述的保護電路，其特征在于能量存儲裝置(C1)和切換級(T3)經(jīng)由電阻器(R2)連接到低電位。
8.一種含有變壓器(Tr)的開關(guān)型電源，變壓器(Tr)具有一個初級繞組(W1)與至少一個次級繞組(W2，W3)，開關(guān)型電源具有一個開關(guān)(T1)，其與初級繞組(W1)串聯(lián)連接，具有一電源級(5)，其連接到次級繞組(W3)并提供操作開關(guān)(T1)的電源電壓(VCC)，以及具有一個起動電路(Rm)，其特征在于該開關(guān)型電源具有根據(jù)前述的權(quán)利要求之一的保護電路。
9.如權(quán)利要求8所述的開關(guān)型電源，其特征在于一個第二電阻器件(Rg)連接在開關(guān)(T1)的控制輸入端(G)與起動電路(Rm)加之電源電路(5)之間，保護電路中的能量存儲裝置(C1)連接到開關(guān)(T1)的控制輸入端(G)，以及切換級(T2，T3)連接到起動電路(Rm)和電源電路(5)。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的開關(guān)型電源，其特征在于電阻器(Rs)連接在開關(guān)(T1)的輸出端與地(M)之間，保護電路的較低電位連接到開關(guān)(T1)的輸出端。
全文摘要
一種用于開關(guān)(T1)的保護電路,具有能量存儲裝置(C1),它連接到開關(guān)(T1)的控制輸入端(G),當(dāng)控制電壓(Ug)存在時通過電阻器(R1)遲緩地充電,當(dāng)控制電壓(Ug)低或不存在時,通過切換裝置(D2)放電,并具有切換級(T2,T3),其連接到電源電壓(VCC),在能量存儲裝置(C1)兩端的特定閾值電壓接通,結(jié)果降低電源電壓。在一實施例中,當(dāng)切換級(T2,T3)接通時從電源電壓(VCC)耗散的電荷至少部分地被傳遞到能量存儲裝置(C1),所以切換級接通階段延長。本發(fā)明尤其適用于消費電子設(shè)備中采用的開關(guān)型電源。
文檔編號H02M3/24GK1273451SQ0010697
公開日2000年11月15日 申請日期2000年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月6日
發(fā)明者萊因哈德·凱格爾, 尤金·基茲曼, 讓－保羅·勞維爾 申請人:德國湯姆遜-布朗特公司