專利名稱：脈寬調(diào)制電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及脈寬調(diào)制電源，更具體涉及具有防止突變和其它線電壓過量情況影響的線路的脈寬調(diào)制電源。
標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制電源包括具有初、次級(jí)線圈的電源系統(tǒng)變壓器，初級(jí)線圈的一端與DC(直流)電壓源導(dǎo)線相連，另一端與一半導(dǎo)體開并相連。開關(guān)的重復(fù)開啟與關(guān)閉而在初級(jí)線圈兩端產(chǎn)生AC(交流)電壓。半波或全波整流橋與次級(jí)線圈的兩端相連，且為輸出電容充電而輸出DC電壓。
在啟動(dòng)過程中與正常工作情況下調(diào)整輸出電壓是利用如下先有技術(shù)。差分放大器的一個(gè)輸入端接收一固定基準(zhǔn)電壓，而另一輸入端接收輸出電壓的分壓。差分放大器的輸出稱為“誤差”電壓，且正比于輸出分壓與基準(zhǔn)電壓之差。差分放大器的輸出通過限流電阻和二極管為一基準(zhǔn)電容器充電。由于差分放大器中的反饋電容與并聯(lián)于基準(zhǔn)電容的大電阻使誤差電壓的變化很慢。誤差電壓加到一個(gè)比較器的一個(gè)輸入端。而定時(shí)電容兩端的電壓則加到該比較器的另一輸入端，來自另一個(gè)次級(jí)變壓器—感應(yīng)變壓器的經(jīng)整流的電流為該定時(shí)電容充電。當(dāng)定時(shí)電容兩端的電壓剛好超出誤差電壓時(shí)，該比較器重置觸發(fā)器，使開關(guān)切斷且停止向輸出電容提供電流(直到下一時(shí)鐘周期的到來為止)。另外，觸發(fā)器還導(dǎo)通一個(gè)晶體管，使其向定時(shí)電容放電。由于誤差電壓是隨著基準(zhǔn)電容充電而逐漸上升的，因此啟動(dòng)期間的輸出電流得到了限制。最后，基準(zhǔn)電容充電至更高的穩(wěn)態(tài)電平，以致使開關(guān)長時(shí)間保持導(dǎo)通，因此足以使電源變壓器向輸出電容提供足夠的充電電流，從而提供工作電流。
當(dāng)這種形式的脈寬調(diào)制電源受到輸入電源線上的大的正向瞬變電壓尖脈沖影響時(shí)，進(jìn)入電源變壓器的電流會(huì)明顯上升。定時(shí)電容的充電也將比在額定電壓下時(shí)更快，但與電源變壓器的功率增長不成比例。結(jié)果，超量的功率提供給電源變壓器，過電流流過開關(guān)，電源變壓器與開關(guān)可能遭到損害。在瞬變衰減之后還會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問題，由于瞬變期間的過電流和誤差電壓的大時(shí)間常數(shù)將使誤差電壓高于穩(wěn)態(tài)電平。另外，瞬間衰減后定時(shí)電容不再以增長的速率充電。于是開關(guān)的有荷占空度將超量，這將使開關(guān)與電源變壓器遭受損壞。
已經(jīng)有了在瞬變期間使電源變壓器截止，從而防止突變與線電壓超量情況的影響的先有技術(shù)。請(qǐng)參見US專利4,731,655。US專利4,063,307公開了一個(gè)限流電阻和一個(gè)正輸入端連接到NPN晶體管的基極的齊納二極管。該NPN晶體管的集電極與電源變壓器開關(guān)晶體管的基極相連。NPN晶體管的發(fā)射極接地，而其基極則提供有一個(gè)返回電阻。如果輸入端的瞬變電壓超過齊納二極管的額定值，NPN晶體管114將被偏置，使開關(guān)晶體管的基極電壓下拉，從而在瞬變期間使開關(guān)晶體管截止。雖然上述技術(shù)可提供瞬變期間所需要的保護(hù)，但脈寬調(diào)制電源的上述形式卻不能解決瞬變后的問題。
本發(fā)明的一般目的是提供一種脈寬調(diào)制電源，它可在突變及其它線電壓過量情況期間和之后，避免初級(jí)線圈的半導(dǎo)體開關(guān)延長開啟。
本發(fā)明在于一種脈寬調(diào)制電源的控制裝置，該脈寬調(diào)制電源控制裝置包括一個(gè)具有一初級(jí)線圈、一次級(jí)線圈的電源變壓器；以及與初級(jí)線圈相耦合的DC電源。一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)也與初級(jí)線圈相耦合，通過初級(jí)線圈來控制功率，整流器連接于次級(jí)線圈兩端，對(duì)次級(jí)線圈中的感應(yīng)電流進(jìn)行整流，整流器向輸出電容提供經(jīng)整流后的電流而產(chǎn)生DC輸出電壓。
本控制裝置控制開關(guān)的有荷占空比，使其能向輸出電容提供足夠的充電電流，從而滿足額定負(fù)荷，在線電壓超量期間和之后還可避免電源變壓器的磁飽和和開關(guān)過熱。本控制裝置包括一個(gè)與電源變壓器及開關(guān)串聯(lián)的感應(yīng)變壓器和一個(gè)與感應(yīng)變壓器次級(jí)線圈相連的整流器。本控制裝置還包括一個(gè)與整流器相耦合并從其接收充電電流的第一電容器。當(dāng)電源在額定情況時(shí)，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間是根據(jù)第一電容器兩端電壓與第一基準(zhǔn)電壓的比較。在大的電壓瞬變期間，第一基準(zhǔn)電壓上升到一個(gè)過電平，并在該瞬變衰減之后仍保持該過電平。因而本控制裝置還包括一個(gè)與電源相耦合且從其接收充電電流的第二電容器，在瞬變衰減之后，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間是根據(jù)第二電容器的電壓與逐漸上或的第二基準(zhǔn)電壓的比較。
下面結(jié)合附圖，以舉例形式說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的脈寬調(diào)制電源的電路圖。
圖2是圖1中電路在輸出額定電壓情況下額定電壓定時(shí)電容器、過電壓定時(shí)電容器及過載晶體管柵極之間所產(chǎn)生電壓的圖形。
圖3是圖1中電路在電壓瞬變衰減之后的過壓定時(shí)電容器和開關(guān)兩端所產(chǎn)生的電壓圖形。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的脈寬調(diào)制電源(其一般標(biāo)作10)的說明圖。電源10包括電源變壓器111、及一個(gè)串聯(lián)的電流感應(yīng)變壓器11。變壓器11有初級(jí)線圈12和次級(jí)線圈14，變壓器111具有初級(jí)線圈112和次級(jí)線圈114，變壓器111是電源系統(tǒng)116的一部分，變壓器11則是該電源系統(tǒng)的脈寬調(diào)制控制電路的一部分。電源16與串接的初級(jí)線圈112和12的一端相連。以舉例的方式，電源16可以是由AC信號(hào)(未示出)的全波整流(未示出)產(chǎn)生的；全波整流的結(jié)果包括充分的DC成份，例如，相對(duì)于380V峰值電壓的額定直流(DC)輸出是242V。晶體管開關(guān)20與初級(jí)線圈12的另一端相連，RS觸發(fā)器221控制開關(guān)20，從而調(diào)整向變壓器111和11提供的功率量，如下將作更詳細(xì)說明。
在電源系統(tǒng)中，整流器120和121，以及由串聯(lián)電感19和并聯(lián)輸出電容22組成的低通濾波器連接于次級(jí)線圈114的兩端。DC輸出電壓23根據(jù)開關(guān)20的有荷占空比從輸出電容器22兩端產(chǎn)生，如下所述。
在本控制電路中，全波整流橋21和與其并聯(lián)的定時(shí)電容器42連接于次級(jí)線圈14的兩端。觸發(fā)器221具有由時(shí)鐘43所提供的設(shè)定輸入，當(dāng)時(shí)鐘43輸出一正脈沖時(shí)，觸發(fā)器使開關(guān)20導(dǎo)通。這樣就向變壓器111和11提供了電流，且向輸出電容器22與定時(shí)電容42提供了充電電流。
控制電路使用DC輸出電壓23進(jìn)行如下調(diào)整。DC輸出電壓被電阻器27和29所分壓，并加到差分放大器30的一個(gè)輸入端上，齊納二極管31兩端產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓被加到差分放大器的另一個(gè)輸入端上。起初，由于輸出電容器22不能夠被立即充電，所以基準(zhǔn)電壓大于被分壓的DC輸出電壓。結(jié)果，差分放大器30輸出正“誤差”電壓(9圖7中“Ve”)，該“誤差”電壓通過電阻34和二極管33為電容器32充電。由于放大器30的反饋電容28和與電容器32并聯(lián)的電阻34都很大，誤差電壓的充電很慢。作為一個(gè)實(shí)例，放大器30的時(shí)間常數(shù)可以是5毫秒，并聯(lián)的電阻34與電容32的時(shí)間常數(shù)是20毫秒。
按指數(shù)上升的誤差電壓提供給比較器40的反相輸入端，給比較器40的非反相輸入端則由誤差電壓所提供。比較器40的輸出端與觸發(fā)器221的復(fù)位輸入端相連。定時(shí)電容42要比電容32小得多，具有比電容32要小的時(shí)間常數(shù)，并從整流橋21接收充電電流。電容器42的充電比電容器32的要快得多，且電容器42兩端的電壓會(huì)很快超過誤差電壓。當(dāng)電容器42兩端的電壓超過誤差電壓時(shí)，比較器40的輸出變高，使觸發(fā)器221復(fù)位，觸發(fā)器221使開關(guān)20斷開。這將防止啟動(dòng)時(shí)過電流流入開關(guān)使開關(guān)發(fā)熱。然而，此時(shí)輸出電容22已被充了一些電。當(dāng)開關(guān)20斷開時(shí)，N溝道晶體管45被觸發(fā)器221的Q非輸出端(Q)激活，使定時(shí)電容42放電，為下一個(gè)充電周期作準(zhǔn)備。
由于輸出電容22尺寸大，時(shí)間常數(shù)大，當(dāng)開關(guān)20在短時(shí)內(nèi)斷開時(shí)(正常負(fù)載下)，電容22基本保留了其所有電荷。直到時(shí)鐘43的下一個(gè)周期到來之前，開關(guān)20一直保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。此時(shí)，觸發(fā)器221重新設(shè)定，使開關(guān)20導(dǎo)通。這樣，附加的功率傳送到變壓器111和11，電流流向輸出電容22與定時(shí)電容42。由于經(jīng)電阻27和29分壓的DC輸出電壓仍舊小于基準(zhǔn)電壓，因此放大器30輸出正的DC電壓且向電容32提供附加電流。來自放大器30的新電流使誤差電壓上升。電容器42充電仍然比電容器32快得多，電容器42的電壓將很快超過誤差電壓。但是由于目前誤差電壓較高，因此本周期所需時(shí)間要大于第一個(gè)周期(但對(duì)開關(guān)20仍是安全的)。于是第二周期將比第一周期有更多的電流提供給輸出電容22。當(dāng)定時(shí)電容42兩端電壓超過誤差電壓時(shí)，比較器的輸出變高，并使觸發(fā)器221復(fù)位，斷開開關(guān)20、上述過程被重復(fù)多次，每周期都使向輸出電容22提供的功率量增加。但必須注意，由于電容42的時(shí)間常數(shù)短，開關(guān)20的有荷占空比仍短得足以在啟動(dòng)時(shí)防止過電流流入開關(guān)20使其發(fā)熱。重復(fù)若干次之后，例如額定情況下幾秒鐘之后，誤差電壓(二極管33和電容32兩端的電壓)達(dá)到穩(wěn)態(tài)電平，且開關(guān)20的導(dǎo)通時(shí)間基本恒定(假設(shè)負(fù)載穩(wěn)定的話)，如圖2中第一與第二個(gè)時(shí)序圖形所示。穩(wěn)態(tài)條件將為輸出是容22提供足夠的充電電流，以滿足額定負(fù)載，但又不足以使開關(guān)20過熱或使電源變壓器111飽和。(圖2還示出了電容202的充電情況。在瞬變前的穩(wěn)態(tài)情況下，電容202不會(huì)達(dá)到由5V電源210向電容204充電所建立的相應(yīng)的基準(zhǔn)電平，如下所述，且不起作用)。
當(dāng)電源10受到輸入電源線16上的大的正向瞬變電壓尖脈沖影響時(shí)，進(jìn)入電源變壓器111中的瞬時(shí)功率和進(jìn)入開關(guān)20的電流明顯地上升，從整流器21向定時(shí)電容器42的充電速率也上升，但不與電源變壓器111中的功率和電流增長成比例。于是，若沒有下述保護(hù)電路的話，在瞬變情況下，電源變壓器111與開關(guān)20可能遭到破壞。若沒有下述保護(hù)電路的話，電源系統(tǒng)變壓器與開關(guān)在電壓瞬變衰減之后也會(huì)損壞，因?yàn)榇藭r(shí)，瞬變期間電容32與28的過充電以及時(shí)間常數(shù)很大，使誤差電壓過量。這樣的過量的誤差電壓使定時(shí)電容必須上升到更高的電平才能斷開開關(guān)。若沒有下述保護(hù)電路，定時(shí)電容則將仍以正常速率充電，結(jié)果開關(guān)20保持導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間會(huì)比正常時(shí)長得多。這將引起開關(guān)過熱和電源變壓器飽和。
于是，電源10包括如下電路來防止突變或其它線電壓過量情況引起的即時(shí)影響和后影響。例如，如上所述，輸入電源是由AC波形經(jīng)全波整流而產(chǎn)生的242V額定DC電壓和380V額定峰值電壓所形成的。若峰值輸入電壓大于額定峰值輸入電壓，但未達(dá)到極限值(例如，381-399V)，則下列控制將起作用，如上所述，輸入電源經(jīng)串聯(lián)電阻200向電容202充電。電容202兩端電壓上升，利用比較器203將該電壓與電空204上的5V電壓相比較。(電容204已被5V電源210經(jīng)大電阻260預(yù)先充電至5V)。輸入電壓越大，電容202兩端電壓就越快達(dá)到5V基準(zhǔn)電壓。當(dāng)電容器202兩端電壓超過5V基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器203使P溝道晶體管206導(dǎo)通。因此電源210通過晶體管206迅速對(duì)定時(shí)電容42充電，從而使觸發(fā)器221快速復(fù)位并使電源變壓器開關(guān)20斷開。這與無保護(hù)電路所發(fā)生情況相比，開關(guān)20的導(dǎo)通時(shí)間減小了，保證在381-399V峰值線電壓時(shí)開關(guān)20不會(huì)過熱、變壓器112不會(huì)飽和。觸發(fā)器221復(fù)位還使晶體管225導(dǎo)通，使電容器202放電，以便在下一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，被限定的功率仍可提供給電源變壓器112。輸入電壓的幅度影響電容202兩端電壓達(dá)到電容204兩端固定電壓所需的時(shí)間。
當(dāng)峰值輸入電壓超過齊納二極204的閾值電壓時(shí)(在前例中為400V)，將發(fā)生兩種情況來保護(hù)電源。第一種情況是，流過齊納二極管240的電流使晶體管290導(dǎo)通，晶體管290使誤差電壓(在比較器40的反相輸入端)減小至接近零伏。于是定時(shí)電容42將更快地達(dá)到斷開開關(guān)20所需的電平。第二種情況是，一個(gè)N溝道晶體管242導(dǎo)通并且電容204快速放電，使比較器203的非反相輸入端與地短接。于是，電容202兩端的電壓迅速超過該比較器的非反相輸入端的基準(zhǔn)電壓，因此比較器203立即導(dǎo)通P溝道晶體管206。這樣，使定時(shí)電容42被迅速充電以斷開開關(guān)20，這甚至要比峰值輸入電壓在381-399V范圍內(nèi)的情況下還快。因?yàn)檫@種情況電壓越高就越危險(xiǎn)，所以十分有益。這樣開關(guān)20表現(xiàn)出一個(gè)非常短的、甚至大體為零的有荷占空比，直到峰值輸入電壓下降到低于齊納二極管240的閾值電壓。
此時(shí)，誤差電壓仍大大高于瞬變前的值，且由于時(shí)間常數(shù)很大也不會(huì)很快消耗。然而開關(guān)20的導(dǎo)通時(shí)間取決于電容202的充電和與電容204兩端電壓的比較。應(yīng)該注意，電容204兩端的電壓在每個(gè)電涌的終止之后，通過電阻206逐漸上升至5V(晶體管242關(guān)斷)，如圖3所示。因此，隨著電容器204的電壓逐漸上升，開關(guān)20的導(dǎo)通時(shí)間也逐漸上升。例如，電阻260與電容204的RC時(shí)間常數(shù)可以是100微秒。在電容204的電壓上升期間，使晶體管206導(dǎo)通及開關(guān)20斷開的閾值電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最終的5V電平。這樣，就減小了開關(guān)20的導(dǎo)通時(shí)間和其過熱的危險(xiǎn)，以及電源變壓器111飽和的危險(xiǎn)，即使有多次連續(xù)的突變電涌相繼而至?xí)r也是如此。因此，在瞬變衰減之后，即使誤差電壓超量時(shí)開關(guān)20的導(dǎo)通時(shí)間也是安全的。這樣就滿足了本發(fā)明的另一個(gè)重要目的。
根據(jù)上述說明，公開了根據(jù)本發(fā)明的脈寬調(diào)制電源。然而在不偏離本發(fā)明范圍的前提下還可進(jìn)行多種修改和替代。因此，本發(fā)明是以舉例的方式來說明的，以上描述并非是一種限制，對(duì)于本發(fā)明范圍的確定應(yīng)當(dāng)參見后附的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種脈寬調(diào)制電源，包括變壓器，具有初級(jí)線圈、次級(jí)線圈的變壓器、和將初級(jí)線圈與電源相耦合的裝置；與所述初級(jí)線圈相串聯(lián)的用以控制通過初級(jí)線圈的功率的開關(guān)；與次級(jí)線圈相連的用以對(duì)次級(jí)線圈中感應(yīng)電流進(jìn)行整流的整流器；與整流器相耦合用以從其接收充電電流的第一電容器；與所述電源相耦合用以從其接收充電電流的第二電容器；以及當(dāng)所述電源表現(xiàn)當(dāng)額定電壓時(shí)，根據(jù)所述第一電容器兩端電壓與一第一基準(zhǔn)電壓的比較，以及當(dāng)所述電源超過高于所述額定電壓的一閾值電壓，并衰減到上述閾值電壓后，根據(jù)所述第二電容器兩端的電壓與一逐漸上升的第二基準(zhǔn)電壓的比較，來控制所述開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征為控制裝置包括用于當(dāng)所述電源表現(xiàn)為額定電壓時(shí)，按照一第一RC時(shí)間常數(shù)將所述第一電容器充電至所述第一基準(zhǔn)電壓的第一裝置；在所述電源超過所述額定電壓時(shí)，所述第一基準(zhǔn)電壓增大；在所述電源超過高于所述額定電壓的閾值電壓、以及衰減到所述閾值電壓之后，所述第一基準(zhǔn)電壓超出正常電平；以及用于當(dāng)所述電源超過所述額定電壓但小于所述閾值限電壓時(shí)，能使所述第一電容充電至所述增大了的第一基準(zhǔn)電壓的充電速率明顯地要比第一裝置要快的第二裝置，第二裝置由第二電容器的電壓上升到一基本恒定的第三基準(zhǔn)電壓所激發(fā)。
3.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征為控制裝置還包括用于當(dāng)所述電源表現(xiàn)為額定電壓時(shí)根據(jù)一第一RC時(shí)間常數(shù)將所述第一電容充電至所述第一基準(zhǔn)電壓的第一裝置；當(dāng)所述電源超過所述額定電壓時(shí)，所述第一基準(zhǔn)電壓增大，當(dāng)所述電源超過高于所述額定電壓的閾值電壓、以及衰減到所述閾值電壓后，所述第一基準(zhǔn)電壓超過正常電平；以及用于當(dāng)所述電源超過所述閾值電壓以及衰減到所述低于所述閾值電壓之后，能使所述第一電容充電至所述增大了的第一基準(zhǔn)電壓的速率明顯比上述第一裝置快的第三裝置，該第三裝置可由第二電容電壓達(dá)到所述第二基準(zhǔn)電壓而激發(fā)。
4.如權(quán)利要求3所述的電源，其特征為控制裝置還包括用于一但所述電源超過所述閾值電壓時(shí)，就實(shí)際禁止所述開關(guān)的裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征為控制裝置還包括用于一但所述電源超過所述閾值電壓時(shí)，就實(shí)際禁止所述開關(guān)的裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的電源，其特征為禁止裝置包括，用于當(dāng)所述電源超過所述閾值電壓時(shí)充分地減小所述第一基準(zhǔn)電壓的裝置。
7.如權(quán)利要求5所述的電源，其特征為禁止裝置包括一個(gè)跨接于所述第一基準(zhǔn)電壓的電源兩端的晶體管，以及一個(gè)連接于所述電源和所述晶全管控制端之間的齊納二極管。
8.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征為，它還包括與所述第一變壓器串聯(lián)的第二變壓器，與所述第二變壓器的次級(jí)線圈相耦合的第二整流器，以及一個(gè)與所述第二整流器相耦合用以產(chǎn)生直流輸出電壓的輸出電容。
9.如權(quán)利要求8所述的電源，其特征為，它還包括一個(gè)第三電容器和一個(gè)耦合的差分放大器，用以接收以所述直流輸出電壓和一個(gè)固定基準(zhǔn)電壓為基礎(chǔ)的電壓，并向所述第三電容器輸出電流以產(chǎn)生所述第一基準(zhǔn)電壓。
10.權(quán)利要求1所述的電源，其特征為，它還包括產(chǎn)生所述第一基準(zhǔn)電壓的第三電容和與之串聯(lián)二極管。
11.權(quán)利要求1所述的電源，其特征為所述控制裝置包括時(shí)鐘裝置，它在所述開關(guān)斷開后使所述第一電容放電，并在下一個(gè)時(shí)鐘周期在額定電壓下開始時(shí)開始向所述第一電容充電；在所述開關(guān)斷開后使所述第二電容放電，當(dāng)電壓大于額定電壓且小于所述閾值電壓時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)，開始向所述第二電容充電。
12.權(quán)利要求1中所述的電源，其特征為所述開關(guān)包括一個(gè)晶體管。
13.權(quán)利要求2中所述的電源，其特征為當(dāng)所述電源超過額定電壓但小于所述閾值電壓時(shí)，控制裝置部分地根據(jù)所述電源電壓去控制所述有荷占空比。
14.如權(quán)利要求1所述電源，其特征為控制裝置還包括連接于所述第二電容器與所述電源之間的電阻。
全文摘要
用于脈寬調(diào)制電源的控制裝置控制有荷占空比，從而向輸出電容提供足夠的充電電流而滿足額定負(fù)載，而在線電壓超量情況發(fā)生后能避免電源變壓器飽和及開關(guān)過熱，其中一整流器與感應(yīng)變壓器的次級(jí)線圈相連；與整流器耦合而從其接收充電電流的第一電容器，用于在瞬變衰減之后仍保持過電平；與源耦合而從其接收充電電流的第二電容器；瞬變衰減后開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間是根據(jù)第二電容器的端電壓與逐漸上升的第二基準(zhǔn)電壓的比較結(jié)果。
文檔編號(hào)H02M1/40GK1112696SQ9510098
公開日1995年11月29日 申請(qǐng)日期1995年3月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月21日
發(fā)明者蘭海勒·辛·馬利克 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司