專利名稱：開關(guān)式電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于一種具有變壓器的開關(guān)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(lián)的開關(guān)晶體管、激勵級(driver stage)和用于控制開關(guān)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(guī)定開關(guān)晶體管導(dǎo)通和截止的頻率。這種類型的開關(guān)式電源用在例如電視機、錄像機和機頂盒中。
背景技術(shù)：
這種類型的裝置通常使用基于逆向(flyback)變換器原理的開關(guān)式電源，其在輸出側(cè)提供大量的穩(wěn)定電源電壓。在控制回路操作期間使用控制電路來控制輸出電壓之一。開關(guān)式電源的其他輸出電壓也以這種方式穩(wěn)定。這種情況下的控制電路通過控制信號控制開關(guān)晶體管，使得通過例如脈寬調(diào)制(PWM)或通過變化開關(guān)晶體管的控制信號的頻率來保持連接到控制回路的輸出電壓恒定。
集成電路(IC)常常用作控制電路，并且大大簡化了開關(guān)式電源的設(shè)計。這種類型的電路通常包括用于控制目的的電路、振蕩器、用于直接激勵開關(guān)晶體管的激勵級、用于生成內(nèi)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(jiān)控的開關(guān)晶體管的電流間接地工作。
如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)式電源具有集成電路IC1。開關(guān)式電源在輸入側(cè)使用橋式整流器BR，通過橋式整流器BR整流施加到系統(tǒng)端子NA的AC電壓。整流后的電壓U1被存儲電容器C1平滑，并且被施加到變壓器T1的初級線圈W1。變壓器T1使系統(tǒng)在初級側(cè)和次級側(cè)之間隔離，并且在初級側(cè)具有用于生成集成電路IC1的工作電壓VCC的輔助線圈W2，并且在次級線圈方具有用于生成穩(wěn)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處的整流后的電壓，該電壓然后被帶通濾波器LC1-LC3平滑。
開關(guān)晶體管Q1與初級線圈W1串聯(lián)(在本示范性實施例中是MOSFET)，其通過測量電阻器Rs連接在輸出端到地。開關(guān)晶體管Q1的控制輸入連接到用于控制開關(guān)晶體管Q1的集成電路IC1的激勵級DR。開關(guān)式電源是以逆向變換器的形式，結(jié)果，在開關(guān)晶體管Q1導(dǎo)通時的操作期間，能量存儲在線圈變壓器T1中，并且在隨后開關(guān)晶體管Q的截止狀態(tài)時轉(zhuǎn)移到線圈W2-W5。
開關(guān)式電源具有利用電源電壓VCC工作的初級側(cè)控制。輔助線圈W2、二極管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被施加用于操作開關(guān)晶體管Q1的電壓的結(jié)果，電源電壓被施加到集成電路IC1的端子7，并且通過集成電路IC產(chǎn)生內(nèi)部參考電壓和用于其電路工作的穩(wěn)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用于保持電源電壓VCC恒定。結(jié)果，由于線圈W2-W5相互連接，所以輸出電壓U3-U5也穩(wěn)定。
集成電路IC1還可以用于在次級側(cè)上控制的開關(guān)式電源。在例如US4876636中描述了具有次級側(cè)輸出電壓控制的、基于逆向變換器原理的開關(guān)式電源，這里對其進行引用。通過次級側(cè)控制實現(xiàn)改進的穩(wěn)壓。然而，控制回路為此需要變壓器(例如光耦合器)，通過它將控制信號從次級側(cè)發(fā)送到初級側(cè)。
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(shè)置。電容器Ct在這種情況下經(jīng)由電阻器Rt由參考電壓充電，該參考電壓被施加到端子9并且在集成電路IC1中生成。當(dāng)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(jié)果于是可以繼續(xù)新的充電周期。
振蕩器O規(guī)定激勵級DR的開關(guān)頻率，并且使用差錯(fault)放大器EA和下游的邏輯電路LO改變激勵級DR中生成的激勵信號的脈沖寬度，結(jié)果穩(wěn)定了開關(guān)式電源的輸出電壓。
開關(guān)式電源還具有啟動電路AS，一旦開關(guān)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(wǎng)絡(luò)SN1在輸入側(cè)連接到開關(guān)晶體管Q1，通過第一衰減網(wǎng)絡(luò)SN1將電壓峰值傳遞給存儲電容器C1以及與開關(guān)晶體管Q1并聯(lián)的第二衰減網(wǎng)絡(luò)SN2。
在本示范性實施例中參照圖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(shè)置開關(guān)式電源的開關(guān)頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(guān)式電源。
該目的通過權(quán)利要求1中說明的特征來實現(xiàn)。本發(fā)明的先進之處在子權(quán)利要求中說明。
根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)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(lián)的開關(guān)晶體管和用于控制開關(guān)式電源的輸出電壓的控制電路?？刂齐娐钒梢酝ㄟ^端子設(shè)置振蕩頻率的振蕩器，并且端子連接到變壓器的次級線圈。連接端子使得開關(guān)式電源一旦被連接上后以相對較低的振蕩頻率啟動，并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(guān)式電源的振蕩頻率增加。
該電路具有下述優(yōu)點在短路的情況下，由于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(jié)果，振蕩頻率和開關(guān)晶體管的開關(guān)頻率然后根據(jù)短路的類型而降低，直到達到為連接目的而規(guī)定的振蕩頻率為止。結(jié)果，開關(guān)式電源在短路的情況下以降低的開關(guān)頻率工作，從而部件不會過熱。如果短路僅僅持續(xù)較短的時間，則開關(guān)式電源返回到正常工作模式。
該電路還使得開關(guān)式電源柔和地啟動，使開關(guān)式電源一旦連接上后以控制的方式逐步上升，從而某些部件(如開關(guān)晶體管)不會過載。在這種情況下，較低的開關(guān)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，由于得益于低開關(guān)頻率幾乎實現(xiàn)了去磁，連接到次級線圈的二極管的峰值電壓也相對較低。在短路的情況下得益于低的開關(guān)頻率，開關(guān)晶體管上的負載也尤其大大降低。
在一個示范性實施例中，振蕩器的端子通過帶通濾波器與次級線圈連接，帶通濾波器具有小于開關(guān)晶體管的開關(guān)頻率的周期的時間常數(shù)。結(jié)果帶通濾波器的電容器在一個周期內(nèi)再次大量放電。如果開關(guān)式電源處于備用工作模式(該模式中開關(guān)式電源發(fā)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(jié)果，帶通濾波器提供較小的電壓脈沖給控制電路的端子，結(jié)果開關(guān)式電源在備用工作模式中以較低的開關(guān)頻率運行，結(jié)果在該工作模式中更為有效。
因此根據(jù)本發(fā)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(guān)式電源的開關(guān)頻率。同時，這使得開關(guān)式電源具有定義的軟啟動(soft-start)特性，并且在備用工作模式中提高了開關(guān)式電源的效率。
本發(fā)明尤其適用于具有集成電路(如所謂的“電流模式控制器”)的、基于逆向變換器原理的開關(guān)式電源，其也可以用在由離散的部件構(gòu)成的開關(guān)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(fā)明，其中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有集成電路的開關(guān)式電源；圖2示出了用于根據(jù)圖1的開關(guān)式電源的、根據(jù)本發(fā)明的額外電路；和圖3示出了根據(jù)圖2的、處于備用模式的開關(guān)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(guān)式電源的細節(jié)。在沒有指定其他的情況下，集成電路IC1和變壓器以及開關(guān)式電源的另外電路，對應(yīng)于根據(jù)圖1的開關(guān)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。
第一二極管D4連接到次級線圈W2，該第一二極管D4通過另一二極管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(shè)置內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率。電容器Ct連接到端子4，電容器Ct經(jīng)由電阻器Rt由施加到端子9的參考電壓充電。當(dāng)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(jié)果，在工作期間，鋸齒形電壓被施加到端子4。
根據(jù)本發(fā)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(guī)定相對低的振蕩頻率，例如1kHz，以便完成一旦連接上開關(guān)式電源后在開關(guān)晶體管的每個開關(guān)周期中出現(xiàn)的變壓器的去磁。特別選擇這些值使得如果發(fā)生短路時振蕩頻率低于16kHz的頻率，該頻率被認為是開關(guān)式電源的最小開關(guān)頻率，這是由于在該頻率范圍內(nèi)開關(guān)式電源中產(chǎn)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所生成的整流后的電壓U2，結(jié)果，在開關(guān)式電源工作期間，電容器Ct也被充電，結(jié)果振蕩頻率增加。整流后的電壓U2在這種情況下在第一二極管D4后被分接。帶通濾波器(在本示范性實施例中是具有電阻器R1和電容器C4的RC濾波器)特別連接在二極管D4和二極管D5之間。在這種情況下選擇帶通濾波器的時間常數(shù)使得它小于開關(guān)晶體管的開關(guān)頻率的周期，結(jié)果在開關(guān)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)期間電容器C4通過電阻器R1再次大量放電。結(jié)果帶通濾波器生成的電壓U2是脈動(pulsating)DC電壓，其脈沖寬度是在正常工作模式期間確定的，尤其是在開關(guān)晶體管導(dǎo)通的時間段。
電壓U2因此可以用于經(jīng)過二極管D5生成工作電壓VCC。此外，它還還通過二極管D6施加、去耦到集成電路IC1的輸入4，結(jié)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(shè)置。在一個優(yōu)選實施例中，選擇圖2所示的電容器和電阻器的值使得當(dāng)電壓U2為0時(即，在連接上開關(guān)式電源后)，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(guān)式電源后，電容器C3被啟動電路AS充電，結(jié)果為IC1產(chǎn)生工作電壓VCC。在特定的電壓處，集成電路IC1開始工作，并且首先生成內(nèi)部邏輯的內(nèi)部工作電壓，以及生成端子9兩端的參考電壓用來使內(nèi)部振蕩器工作。在連接上開關(guān)式電源后，由于電壓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(dāng)振蕩器工作、集成電路IC1中的其他電路也工作時，用于操作開關(guān)晶體管Q1的內(nèi)部激勵級(見圖1)被激活。結(jié)果，在變壓器T1的次級線圈兩端積累電壓，并且具體地說，在次級線圈W2兩端產(chǎn)生了具有使集成電路IC1工作所需的電力的工作電壓VCC。由于二極管D6和電阻器R2兩端的電壓U2同時施加到電容器Ct，產(chǎn)生電容器Ct的額外充電電流，結(jié)果振蕩頻率增加。由于在連接上開關(guān)式電源之后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(dǎo)致了軟啟動特征，由此開關(guān)晶體管Q1的開關(guān)頻率在預(yù)定的時間段內(nèi)從3kHz增加到23kHz。
如果變壓器Tr1生成的輸出電壓之一被短路，則由于線圈相互連接，因此次級線圈所生成的所有電壓都下降。結(jié)果，電壓U2也下降，結(jié)果集成電路IC1的振蕩頻率也下降。由于帶通濾波器R1、C4的時間常數(shù)小于開關(guān)晶體管的開關(guān)頻率的周期，因此振蕩頻率會盡可能快地切換，結(jié)果在短路的情況下開關(guān)式電源的部件沒有過載。
由于在短路情況下工作電壓VCC也下降，因此集成電路IC1相應(yīng)于電容器C3的電容，在幾個開關(guān)周期之后斷開。由于C3然后被再次充電(然而是通過啟動電路AS)，因此導(dǎo)致開關(guān)式電源的周期性連接。如果短路僅僅持續(xù)一小段時間，則開關(guān)式電源返回到正常工作狀態(tài)。
圖3示出了當(dāng)開關(guān)式電源處于備用工作模式時根據(jù)圖2的開關(guān)式電源的電壓和電流特性。這里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(nèi)部振蕩器的兩個振蕩周期作為開關(guān)晶體管Q1的一個開關(guān)周期，結(jié)果開關(guān)式電源的開關(guān)頻率是振蕩頻率的一半，這可以參照施加到開關(guān)晶體管Q1的電流輸入的電壓Ud看出。
開關(guān)晶體管Q1的導(dǎo)通狀態(tài)(在該期間內(nèi)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(guān)晶體管Q1截止，則Ud直線上升，并且不管起始的振蕩如何，保持在恒定的電壓值上，直到變壓器的磁化衰退為止。在這段時間內(nèi)，電壓U2也具有恒定的電壓值。
如果磁化已經(jīng)衰退，則變壓器TR不再提供任何輸出電壓，結(jié)果電壓U2對應(yīng)于RC元件R1、C4的時間常數(shù)下降。電壓Ud在到開關(guān)晶體管Q1再次導(dǎo)通的時刻的這段時間中振蕩。開關(guān)晶體管Q1的控制電流Id在開關(guān)晶體管Q1的導(dǎo)通狀態(tài)中具有上升分量。在開關(guān)晶體管Q1的截止狀態(tài)中，控制電流Id等于0。
用于圖2所示的開關(guān)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(fā)明還可以用于離散開關(guān)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(shè)置振蕩器的振蕩頻率。本發(fā)明的進一步修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。根據(jù)圖2的開關(guān)式電源可以特別用于電視機、錄像機和機頂盒。然而，它不限于該應(yīng)用領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種具有變壓器(T1)的開關(guān)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(guān)式電源具有與初級線圈(W1)串聯(lián)的開關(guān)晶體管(Q1)和用于控制輸出電壓(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(shè)置的振蕩器(O)，其特征在于，所述端子(4)連接到次級線圈(W2)。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)式電源，其特征在于，所述端子(4)連接到在初級側(cè)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(quán)利要求2所述的開關(guān)式電源，其特征在于，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(quán)利要求3所述的開關(guān)式電源，其特征在于，帶通濾波器(C2、R1)具有小于開關(guān)晶體管(Q1)的開關(guān)頻率的周期的時間常數(shù)。
5.如前面權(quán)利要求之一所述的開關(guān)式電源，其特征在于，控制電路(IC1)被安置在集成電路中，并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(shè)置。
6.如前面權(quán)利要求之一所述的開關(guān)式電源，其特征在于，一旦開關(guān)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(guān)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(quán)利要求6所述的開關(guān)式電源，其特征在于，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(jīng)整流的脈沖電壓(U2)，以及經(jīng)整流的脈沖電壓(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(quán)利要求2-7中任一權(quán)利要求所述的開關(guān)式電源，其特征在于，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(quán)利要求之一所述的開關(guān)式電源，其特征在于，控制電路集成在集成電路(IC1)中，其用作電流模式控制器，并且連接到與開關(guān)晶體管(Q1)串聯(lián)的測量晶體管(RS)。
全文摘要
開關(guān)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(guān)式電源具有與初級線圈串聯(lián)的開關(guān)晶體管和用于控制開關(guān)式電源的輸出電壓(U2)的控制電路(IC1)?？刂齐娐钒ㄕ袷庮l率可以通過端子(4)設(shè)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(guān)式電源一旦被連接上后以相對較低的振蕩頻率啟動，并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(guān)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(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)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