專利名稱：電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源。
背景技術(shù)：
使用分立部件的開關(guān)電源通常由至少兩個(gè)晶體管構(gòu)成。一個(gè)晶體管用于開關(guān)與晶 體管的主電流路徑串聯(lián)耦合的變壓器的初級(jí)繞組中的電流。另一個(gè)晶體管用于提供第一晶 體管中的過電流保護(hù)。將功率開關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)用作有源元 件地形成開關(guān)電源，以便沒有任何附加有源元件地通過M0SEFT既提供自激振蕩又提供過 電流保護(hù)也許是人們所希望的。在實(shí)現(xiàn)一個(gè)發(fā)明特征時(shí)，包括在M0SFET的正反饋(positive feedback)路徑中的 變壓器具有帶抽頭自耦變壓器繞組。M0SFET的源極端經(jīng)由限流或電流取樣電阻器與帶抽頭 自耦變壓器繞組的第一和第二繞組之間的接合端耦合。第一繞組形成變壓器的初級(jí)繞組， 而第二繞組與M0SFET的柵極端耦合形成再生反饋(regenerative feedback)路徑。在實(shí)現(xiàn)另一個(gè)發(fā)明特征時(shí)，第二繞組與柵極端直流(DC)耦合，以避免在正反饋路 徑中需要任何分立電容器。從而，有利地簡(jiǎn)化了電源。

發(fā)明內(nèi)容
體現(xiàn)本發(fā)明一個(gè)方面的電源包括輸入供電電壓源。變壓器與負(fù)載耦合以便對(duì)所述 負(fù)載供電。開關(guān)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)具有與所述變壓器耦合的 源極端，并具有與所述輸入供電電壓源耦合的漏極端。產(chǎn)生將磁能儲(chǔ)存在所述變壓器中的 斜坡電流。所述斜坡電流在所述M0SFET的所述源極端上形成電壓。當(dāng)所述M0SFET導(dǎo)電 時(shí)，在所述M0SFET的轉(zhuǎn)換周期(switching cycle)的第一部分期間，以再生反饋方式，通過 自耦變壓行為(auto-transformer action)，經(jīng)由所述變壓器將所述源極端電壓耦合到所 述M0SFET的柵極端。電流取樣電阻器耦合在所述斜坡電流的電流路徑中，以便在所述電阻 器電壓中形成斜坡負(fù)反饋電壓(degenerative voltage)，以依照所述電阻器電壓降低所述 M0SFET的導(dǎo)電性，直到達(dá)到所述M0SFET的截止閾值電壓。當(dāng)達(dá)到所述M0SFET的所述截止 閾值電壓時(shí)，所述源極端電壓以負(fù)反饋(degenerative feedback)方式變化。所述源極端 電壓的變化一直持續(xù)到所述M0SFET在所述周期部分的結(jié)束時(shí)變成不導(dǎo)電。所述M0SFET保 持不導(dǎo)電，直到在所述轉(zhuǎn)換周期的隨后第二部分結(jié)束時(shí)，所述儲(chǔ)存磁能產(chǎn)生的振蕩諧振電 壓使所述M0SFET再次導(dǎo)電。


圖1例示了本發(fā)明的第一實(shí)施例；圖2a、2b、2c和2d提供了圖1的布置中的相應(yīng)波形；和圖3例示了本發(fā)明的第二實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖1描繪了開關(guān)電源100。開關(guān)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) Ql具有與輸入供電電壓Vin耦合的漏極端101。供電電壓Vin被濾波電容器Cl濾波或解 耦。MOSFET Ql的源極端102經(jīng)由限流或電流取樣電阻器R2與耦接在變壓器Trl的繞組nl 和繞組n2之間的變壓器抽頭或中間端103耦合。繞組nl和π2提供自耦變壓行為。變壓 器Trl由氣隙為0. Imm(毫米)的鐵芯Ε16型形成。繞組nl有130匝，并且具有190mH(毫 享)的電感。繞組π2有16阻，并且具有2. SmH的電感。變壓器Trl的繞組η3有8匝，并 且具有0. 7mH的電感。漏極電流Il的主電流路徑包括漏極端101、源極端102和限流電阻器R2。當(dāng) MOSFET Ql導(dǎo)電時(shí)，電流Il流過，以便將磁能儲(chǔ)存在變壓器Trl中。當(dāng)MOSFET Ql導(dǎo)電時(shí)， 源極電壓Vs經(jīng)由電阻器R2耦合到端子103，以便通過繞組nl和n2的自耦變壓行為，在繞 組η2中產(chǎn)生電壓V (η2)。在實(shí)現(xiàn)一個(gè)發(fā)明特征時(shí)，源極端102經(jīng)由繞組η2和齊納二極管Dl與MOSFET Ql 的柵極端105直流(DC)耦合。齊納二極管Dl以擊穿方式工作，以提供DC電壓電平移位。 從而，有利地，在端子102和105之間的信號(hào)路徑中無需分立耦合電容器。圖2a、2b、2c和2d提供了可用于說明圖1的電源100的相應(yīng)波形。圖2a、2b、2c、 2d和圖1中的類似符號(hào)和數(shù)字表示類似項(xiàng)目或功能。在圖2a_2d的轉(zhuǎn)換周期時(shí)間T的時(shí)間Tl，在圖1的柵極端105與變壓器中間端103 之間形成的、顯示在圖2b中的諧振電壓Vgt達(dá)到MOSFET Ql的接通閾值電平，以在MOSFET Ql中開始導(dǎo)電，如下所述。因此，在源極端102從電壓Vin形成電壓Vs。電壓Vs經(jīng)由繞 組nl，通過自耦變壓行為，以再生反饋方式變壓器耦合到繞組π2，以在繞組n2中產(chǎn)生電壓 V(n2)。電壓V(n2)提高了 MOSFET Ql的導(dǎo)電性，使MOSFET Ql完全導(dǎo)電。因此，在圖2c的 周期時(shí)間T的間隔T1-T2期間，產(chǎn)生斜坡上升電流(ramp-up current) II。圖1的電流取樣電阻器R2使得在限流R2中形成相應(yīng)斜坡上升、負(fù)反饋電壓 V(R2)，它改變了在圖1的柵極端105和源極端102之間形成的柵極-源極電容器Cgs中的 電壓Vgs。在間隔T1-T2期間，隨著圖2c的電流Il進(jìn)一步增大，電壓V(R2)以漸進(jìn)方式降 低MOSFET Ql的導(dǎo)電性。在圖2b的時(shí)間T2，達(dá)到由電阻器R2和電流Il的值決定的、圖1 的MOSFET Ql的導(dǎo)電閾值。因此，圖2a中的電壓Vs開始下降。在實(shí)現(xiàn)另一個(gè)發(fā)明特征時(shí)，電壓Vs的下降以負(fù)反饋方式使圖1的繞組π2中的電 壓V(n2)以及電壓Vgt相應(yīng)地下降，直到MOSFET Ql在圖2c的時(shí)間T3變成不導(dǎo)電。因此， 有利地，MOSFET Ql形成過電流保護(hù)信號(hào)路徑中的唯一有源元件，既提供自激振蕩又提供過 電流保護(hù)。將傳統(tǒng)緩沖網(wǎng)絡(luò)(snubber network) 110與端子103耦合，以便從圖2a的時(shí)間 T2開始，執(zhí)行緩沖網(wǎng)絡(luò)功能。作為電流Il停止流入繞組nl中的結(jié)果，圖1的變壓器Trl中的儲(chǔ)存磁能以接通整 流二極管D2和產(chǎn)生輸出電流12的極性和幅度在變壓器Trl的次級(jí)繞組n3中產(chǎn)生圖1的 回掃電壓V(n3)。圖2d的電流12對(duì)圖1的輸出濾波電容器C2充電，形成針對(duì)電擊危害通 過變壓器Trl與繞組nl和π2隔離的輸出供電電壓Vout。電壓Vout被施加以對(duì)負(fù)載104供電。在圖2c的周期時(shí)間T的隨后間隔T3-T3期間，MOSFET Ql保持不導(dǎo)電。在圖2d的時(shí)間T4，圖1的二極管D2變成不導(dǎo)電。因此，變壓器Trl中的剩余儲(chǔ)存能量在圖2b的 電壓Vgt中產(chǎn)生振蕩諧振電壓部分106。在圖2b的時(shí)間T5，上升電壓Vgt使柵極-源極電 壓Vgs超過圖1的MOSFET Q1的閾值，使MOSFET Q1在圖2c的間隔T3-T5結(jié)束時(shí)導(dǎo)電，開 始下一輪周期。在啟動(dòng)時(shí)，與柵極端105耦合的圖1的啟動(dòng)電阻器R1產(chǎn)生對(duì)寄生柵極電容器Cgs 充電的電流，直到MOSFET Q1接通。電阻器R1只有在啟動(dòng)的時(shí)候才需要，其值可以在兆歐范 圍內(nèi)。當(dāng)電流II開始流入變壓器Trl的繞組nl中時(shí)，在繞組n2中形成電壓V(n2)。電壓 V(n2)使電壓Vgt升高，并且與上述的方式類似，以再生反饋方式支持MOSFET Q1的接通。包括電阻器R3、參考電壓產(chǎn)生齊納二極管D3、和與電壓Vout耦合的光耦合器U1 的發(fā)光元件的串聯(lián)布置提供次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)。當(dāng)電壓Vout是大于6V(伏)的閾值電壓時(shí)，二極 管D3開始導(dǎo)電。因此，光耦合器U1箝位電壓Vgs，以便防止MOSFET Q1接通，直到電壓Vout 降低到6V以下的電平。效率是60%，因此在輸出功率為1W(瓦)或更小的其它電源的范圍 之內(nèi)。圖3描繪了形成作為降壓轉(zhuǎn)換器的本發(fā)明第二實(shí)施例的電源100'。圖3和圖1 中的類似符號(hào)和數(shù)字指示類似項(xiàng)目或功能。續(xù)流或保護(hù)(catch) 二極管D4'與二極管D1' 的陽(yáng)極連接。繞組n2'具有末端111'。末端111'形成與二極管D1'和D4'的接合端。 繞組nl'具有末端112'。末端112'形成電容器C2'和電阻器R3之間的接合端。單個(gè) 晶體管Q1'如針對(duì)圖1所述自主地振蕩。變壓器Trl'由具有直圓柱棒的鐵芯形成。繞組 nl'有70匝，并且具有50mH的電感。繞組n2'有15匝，并且具有2. 5mH的電感。
權(quán)利要求
一種電源，包含輸入供電電壓源；與負(fù)載耦合以便對(duì)所述負(fù)載供電的變壓器；開關(guān)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，具有與所述變壓器耦合的源極端；并具有與所述輸入供電電壓源耦合的漏極端，用于產(chǎn)生將磁能儲(chǔ)存在所述變壓器中的斜坡電流，以及用于在所述MOSFET的所述源極端上形成電壓，當(dāng)所述MOSFET導(dǎo)電時(shí)，在所述MOSFET的轉(zhuǎn)換周期的第一部分期間，以再生反饋方式，通過自耦變壓行為，經(jīng)由所述變壓器將所述源極端的電壓耦合到所述MOSFET的柵極端；和電流取樣電阻器，耦合在所述斜坡電流的電流路徑中，用于在所述電阻器中形成斜坡負(fù)反饋電壓，依照所述電阻器電壓降低所述MOSFET的導(dǎo)電性，直到達(dá)到所述MOSFET的截止閾值電壓，以便當(dāng)達(dá)到所述MOSFET的所述截止閾值電壓時(shí)，所述源極端電壓以負(fù)反饋方式變化，直到所述MOSFET在所述周期的第一部分結(jié)束時(shí)變成不導(dǎo)電，所述MOSFET保持不導(dǎo)電，直到在所述轉(zhuǎn)換周期的隨后第二部分結(jié)束時(shí)，所述儲(chǔ)存磁能產(chǎn)生的振蕩諧振電壓使所述MOSFET再次導(dǎo)電。
2.按照權(quán)利要求1所述的電源，其中，所述源極端經(jīng)由所述變壓器的第一繞組與所述 柵極端耦合，形成直流(DC)信號(hào)路徑。
3.按照權(quán)利要求2所述的電源，其中，所述第一繞組經(jīng)由DC電平移位器與所述柵極端華禹合。
4.按照權(quán)利要求3所述的電源，其中，所述電平移位器包含齊納二極管。
5.按照權(quán)利要求1所述的電源，其中，所述變壓器包括與所述柵極端耦合的第一變壓 器繞組、和經(jīng)由接合端與所述第一繞組耦合以提供自耦變壓行為的第二變壓器繞組，和其 中，所述電阻器耦合在所述源極端與所述接合端之間。
6.按照權(quán)利要求1所述的電源，其中，所述電阻器提供所述MOSFET中的過電流的保護(hù)。
7.按照權(quán)利要求1所述的電源，其中，所述MOSFET形成信號(hào)路徑中既提供自激振蕩又 提供過電流保護(hù)的唯一有源元件。
8.按照權(quán)利要求1所述的電源，進(jìn)一步包含與所述MOSFET耦合以便調(diào)節(jié)所述電源的輸 出的第二晶體管。
9.一種電源，包含輸入供電電壓源；與負(fù)載耦合以便對(duì)所述負(fù)載供電的變壓器，所述變壓器具有第一變壓器繞組和第二變 壓器繞組以提供自耦變壓行為；和開關(guān)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，具有與所述第一和第二繞組之 間的接合端耦合的源極端；與所述輸入供電電壓源耦合的漏極端；和與所述第一繞組的、 遠(yuǎn)離所述接合端的那一端耦合以形成再生反饋方式的柵極端，所述再生反饋方式產(chǎn)生自激 振蕩，以便所述源極端通過自耦變壓行為與所述柵極端耦合，經(jīng)由所述第一繞組在所述源 極端與所述柵極端之間形成直流(DC)信號(hào)路徑，所述MOSFET形成信號(hào)路徑中提供自激振 蕩的唯一有源元件。
10.按照權(quán)利要求9所述的電源，進(jìn)一步包含耦合在所述源極端與所述接合端之間的 電流取樣電阻器。
11.按照權(quán)利要求9所述的電源，其中，所述第一繞組經(jīng)由DC電平移位器與所述柵極端華禹合。
12.按照權(quán)利要求11所述的電源，其中，所述電平移位器是齊納二極管。
全文摘要
開關(guān)電源(100)包括沒有任何附加晶體管地既提供自激振蕩又提供過電流保護(hù)的單個(gè)功率開關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)(Q1)。包括在MOSFET的正反饋路徑中的變壓器(Tr1)具有帶抽頭(中間端103)自耦變壓器繞組。MOSFET的源極端(102)經(jīng)由限流電阻器(R2)與帶抽頭自耦變壓器(Tr1)的第一(n1)和第二(n2)繞組之間的接合端耦合。第一繞組形成變壓器的初級(jí)繞組，而第二繞組與MOSFET的柵極端耦合形成再生反饋路徑。第二繞組與柵極端直流(DC)耦合，以避免在正反饋路徑中需要任何分立電容器。
文檔編號(hào)H02M3/00GK101878585SQ200780101726
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者安頓·W·凱勒 申請(qǐng)人:湯姆森特許公司