專利名稱：具有有限輸出功率的逆向變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源，它包括具有初級繞組和至少一個輔助繞組的變壓器；與所述初級繞組串聯(lián)連接以便接收輸入電壓的可控開關(guān)；控制電路，其輸出端耦合到所述可控開關(guān)的控制輸入端以便向所述可控開關(guān)提供用于接通和斷開所述可控開關(guān)的控制信號，并且其輸入端用于接收向該控制電路供電的控制電壓并且用于控制該可控開關(guān)接通和斷開的時序；整流器和平滑電容器，它們串聯(lián)連接到所述輔助繞組，以便產(chǎn)生所述控制電壓。
從Power Integrations，Inc.銷售的型號為TOP210的轉(zhuǎn)換開關(guān)集成電路(IC)的說明書可以了解這種開關(guān)電源。在所述轉(zhuǎn)換開關(guān)IC中，所述可控開關(guān)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)晶體管。尤其是，所述控制電路包括用于改變開關(guān)晶體管的截止時間間隔和導(dǎo)通時間間隔之間的比例的脈寬控制器。由流入控制輸入端的電流量來確定脈寬的占空比。利用控制電路中的特殊裝置使所述控制輸入端上的電壓保持恒定。這種恒定電壓還作為控制電路的供電電壓。由于平滑電容器連接到控制輸入端，所以，在正常工作的情況下，平滑電容器上的電壓等于所述恒定電壓。因此，在所述輔助繞組兩端的交流電壓幅度和所述恒定電壓之間存在固定的關(guān)系。已知的開關(guān)電源的變壓器還具有次級繞組，后者連接到待經(jīng)由整流器供電的負(fù)載。輔助繞組和次級繞組之間的匝數(shù)比確定了次級繞組兩端的交流電壓的幅度，并且因此確定了負(fù)載兩端整流電壓的幅度。這樣，在待供電的負(fù)載兩端的直流電壓和轉(zhuǎn)換開關(guān)IC的控制電路的控制輸入端的恒定電壓之間存在固定的關(guān)系。這種已知的開關(guān)電源非常適合于以固定的電壓向負(fù)載供電。通過把開關(guān)晶體管兩端的電壓降與基準(zhǔn)電壓比較以及一旦該電壓降超過基準(zhǔn)電壓時立即迫使開關(guān)晶體管不導(dǎo)通來限制通過開關(guān)晶體管的峰值電流。這種峰值電流限制方法保護(hù)開關(guān)晶體管免于過載，并且限制了由電源提供的功率。但是，如果待供電的負(fù)載過大，例如，像短路那樣，或者，如果待供電的負(fù)載是仍然處在基本上耗盡的狀態(tài)下的可再充電電池，那么，次級繞組兩端的交流分量降低，并且，輔助繞組兩端的交流分量也因此而降低。于是，平滑電容器兩端的、同時形成控制電路的供電電壓的整流電壓降落到低于臨界極限值。在這種極限值以下，控制電路被置于所謂自動再啟動方式，在這種方式下，控制電路試圖以5％的占空比在待供電的負(fù)載兩端、因此也在平滑電容器的兩端建立足以最終返回到正常工作狀態(tài)的電壓。在這些條件下，已知的電源電路即使向待供電的負(fù)載提供一些功率，但這通常大大地低于所需要的功率。如果待供電的負(fù)載是基本上耗盡的再充電的電池，那么，在把電池電壓提高(如果事實上電池滿充電時電池電壓的確足夠高的話)到足以把已知的電源電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)并且隨后以令人滿意的速率把電池充電到滿充電狀態(tài)之前，要花費(fèi)很長時間。
本發(fā)明的目的是提供一種解決上述問題的方法。為此目的，開篇中所定義的那種類型的開關(guān)電源的特征在于該開關(guān)電源還包括電荷泵，它耦合到輔助繞組，用來將該輔助繞組兩端的交流電壓轉(zhuǎn)換成平滑電容器兩端的直流電壓。
一旦輔助繞組兩端的電壓下降到低于這樣的幅度，即，在該幅度下平滑電容器兩端的整流電壓下降到低于所述恒定電壓、使所述控制電路轉(zhuǎn)換到自動再啟動方式，則所述電荷泵為平滑電容器提供額外的電荷，結(jié)果，可以使平滑電容器兩端的電壓長時間保持在所述恒定電壓，于是，所述控制電路不轉(zhuǎn)換到自動再啟動方式。當(dāng)待供電的負(fù)載兩端的降低到低于標(biāo)稱值時，只要所述輔助繞組兩端的交流電壓幅度仍然足夠大，那么，根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電源就相當(dāng)于一個恒定功率源。事實上，控制電路仍然有效，并且在開關(guān)晶體管的每一個開關(guān)周期在初級繞組中產(chǎn)生正比于開關(guān)頻率和通過初級繞組的峰值電流的平方的功率。由于開關(guān)頻率和峰值電流都是恒定的，所以，輸送到待供電的負(fù)載的是恒定的平均功率。雖然標(biāo)稱的供電電壓例如是12伏，但是，所述待供電的負(fù)載可以是例如僅僅2.5伏的可再充電電池。因此，根據(jù)本發(fā)明的電源電路既適合于利用12伏或者任何其它標(biāo)稱電壓向負(fù)載供電，又適合于利用比標(biāo)稱電壓低得多的電壓給電池快速充電。因此，所述電源電路適合通用于所有類型的使用可再充電電池的設(shè)備中，例如，電動剃刀，電牙刷，真空吸塵器電話機(jī)，音頻設(shè)備，視頻設(shè)備，計算機(jī)設(shè)備等等，因為，這些設(shè)備的電池被以恒定的功率充電，而在實際短路的情況下仍保持固有的安全特性，即，自動再啟動方式。
電荷泵最好包括包含以下部分的電荷泵串聯(lián)連接在輔助繞組兩端的另一個電容器和第一二極管；以及連接在平滑電容器和另一個電容器與第一二極管之間的節(jié)點(diǎn)之間的第二二極管。這樣，利用最少數(shù)目的元件獲得所需要的結(jié)果。通過把齊納二極管用作第一二極管而實現(xiàn)在正常工作狀態(tài)下所述電荷泵無效。齊納二極管限制另一個電容器和第一二極管之間節(jié)點(diǎn)上的交流電壓，于是避免當(dāng)平滑電容器兩端出現(xiàn)象征著控制電路正常工作的恒定電壓時第二二極管導(dǎo)通。
下面將參考附圖描述和解釋本發(fā)明的這些和其它方面，附圖中

圖1顯示與待供電的設(shè)備組合的已知的開關(guān)電源；圖2顯示與具有可再充電電池電動剃刀組合的根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電源；圖3顯示具有可再充電電池的電動剃刀；以及圖4顯示包含根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電源的、供圖3中所示電動剃刀用的電源電壓適配器。
在這些圖中，具有相同功能或目的的元件帶有相同的參考符號。
圖1顯示與可再充電電動剃刀RS組合已知的開關(guān)電源PS的方塊圖。交流電源電壓或者合適的直流電壓加到輸入端子2和4。如果需要的話，可以通過變壓器(未示出)施加交流電源電壓。通過二極管電橋6將所述交流電壓整流，并且通過電容器8和10以及線圈12將其平滑和濾波。還有可能利用單個二極管而不是二極管電橋。任選的電阻14限制流過二極管電橋6的電流。整流后的輸入電壓的負(fù)端子連接到地端子16。正端子18連接到變壓器22的初級繞組20。齊納二極管24和二極管26與初級繞組20并聯(lián)配置，并且在流過初級繞組20的電流中斷時限制初級繞組20兩端的電壓。例如，可以使用電容器和電阻串聯(lián)配置的交流電路來代替齊納二極管24和二極管26，以便限定初級繞組20兩端的電壓。
變壓器22還具有次級繞組28，其交流電壓由整流二極管整流并且由電容器32平滑。電容器32兩端的電壓為負(fù)載供電，作為例子，以具有用于給電動剃刀的可再充電電池B充電的下變換器(down-converter)CNV的可再充電電動剃刀RS的形式示出所述負(fù)載。開關(guān)電源PS可以容納在電氣設(shè)備本身中，容納在壁式支架或座中，或者容納在也稱為電源插頭的電源電壓適配器中。在最后所述的兩種情況下，負(fù)載經(jīng)由兩對接點(diǎn)34/36和38/40連接到電容器32。
圖1還示出Power Integrations，Inc.銷售的型號為TOP210的轉(zhuǎn)換開關(guān)集成電路(IC)。轉(zhuǎn)換開關(guān)IC42具有初級繞組20連接其上的端子DRN(“漏極”)；地端子16連接其上的端子SRC(“源極”)；通過電阻44和二極管46連接到變壓器22的輔助繞組48的第一端子的端子CTL(“控制極”)，所述輔助繞組的另一個端子連接到轉(zhuǎn)換開關(guān)IC42的端子SRC。在輔助繞組28兩端出現(xiàn)與次級繞組28兩端的交流電壓成正比的交流電壓。這種電壓被二極管46整流，并且被存儲在連接于端子CTL和SRC之間的平滑電容器50中。轉(zhuǎn)換開關(guān)IC包括控制電路52，后者控制連接在端子SRC和DRN之間的開關(guān)晶體管54的占空比。響應(yīng)加到端子CTL的電流而控制所述占空比?？刂齐娐?2中的特殊裝置將控制輸入端CTL上的電壓保持不變，以便獲得也作為控制電路52的供電電壓的固定電壓。關(guān)于這方面的更多的細(xì)節(jié)，請參考所述轉(zhuǎn)換開關(guān)IC的數(shù)據(jù)表。由于平滑電容器50連接到控制輸入端CTL，所以，正常工作時平滑電容器50上的電壓等于所述固定電壓。結(jié)果，在輔助繞組48兩端的交流電壓固定電壓之間存在固定的關(guān)系。輔助繞組48和次級繞組28之間的匝數(shù)比確定了次級繞組28兩端的交流電壓的幅度，并且因此確定了負(fù)載兩端整流電壓的幅度。這樣，在待供電的負(fù)載兩端的直流電壓和轉(zhuǎn)換開關(guān)IC的控制電路的控制輸入端CTL上的恒定電壓之間存在固定的關(guān)系。這種已知的開關(guān)電源非常適合用作在電容器32的端子34和36上具有恒定輸出電壓、例如12伏的逆向變換器。可再充電電動剃刀RS中的下變換器把所述12伏轉(zhuǎn)換成用于電池B的充電電流。這種配置具有比較小的電流流過電源電路PS和可再充電電動剃刀RS之間的連接引線的優(yōu)點(diǎn)。此外，這樣實現(xiàn)了可以借助轉(zhuǎn)換開關(guān)IC對具有比較低的端電壓、例如2.5伏的電池充電?？稍俪潆姷?.5伏電池的直接連接使次級繞組28兩端的交流分量、并且因此也使輔助繞組48兩端的交流分量減小。于是，平滑電容器50兩端的、也形成控制電路52的供電電壓的整流電壓降落到低于臨界極限值，這時，控制電路52被置于所謂自動再啟動方式，在這種方式下，控制電路52試圖以5％的占空比在待供電的負(fù)載兩端、因此也在平滑電容器50的兩端建立足以最終返回到正常工作狀態(tài)的電壓。關(guān)于更多的細(xì)節(jié)，請再參考關(guān)于轉(zhuǎn)換開關(guān)IC的數(shù)據(jù)表。在這些條件下，已知的電源電路向待供電的負(fù)載提供一些功率，但是，這通常大大地低于把仍然耗盡的可再充電電池B充電到電池電壓提高到足以使轉(zhuǎn)換開關(guān)IC恢復(fù)到正常工作狀態(tài)所需要的功率。
為了能夠在沒有下變換器的情況下對具有低的端電壓的電池進(jìn)行充電，因此而降低成本，已經(jīng)像圖2中所示那樣修改了電源電路PS?？稍俪潆婋妱犹甑禦S，或者無論任何其它可再充電設(shè)備，具有可再充電電池B，后者直接連接到電源電路PS的電容器32。所述可再充電電動剃刀還包括電動剃刀馬達(dá)M，后者可以通過開關(guān)SW連接到電池B。電源電路PS包括電荷泵CP，后者將輔助繞組48兩端的交流電壓轉(zhuǎn)換成加到平滑電容器50的電荷。電荷泵CP避免了轉(zhuǎn)換開關(guān)IC42的再啟動。由于電池B的低的端電壓，所以，輔助繞組48兩端的交流電壓降低到這樣的幅度，即，在這樣的幅度下，平滑電容器50兩端的整流電壓降低到低于所述固定電壓。這會使控制電路52轉(zhuǎn)換到自動再啟動方式。但是，所述電荷泵為平滑電容器50提供額外的電荷，結(jié)果，可以把平滑電容器50兩端的電壓長時間保持在所述固定電壓，于是，控制電路52也不會轉(zhuǎn)換到自動再啟動方式。當(dāng)待供電的負(fù)載兩端的電壓降低到標(biāo)稱值以下時，只要輔助繞組48兩端交流電壓的幅度仍然足夠大，那么，所述開關(guān)電源就相當(dāng)于恒定功率源。事實上，控制電路52仍然有效，并且在開關(guān)晶體管54的每一個開關(guān)周期在初級繞組20中產(chǎn)生正比于開關(guān)頻率和通過初級繞組20的峰值電流的平方的功率。由于開關(guān)頻率和峰值電流都是恒定的，所以，輸送到待供電的負(fù)載的是恒定的平均功率。
電荷泵CP包括串聯(lián)設(shè)置在輔助繞組48兩端的電容器56和齊納二極管58以及連接在平滑電容器50和電容器56與齊納二極管58之間的節(jié)點(diǎn)之間的二極管60。在電容器56和齊納二極管58之間設(shè)置任選的限流電阻62。這樣，利用最少數(shù)目的元件獲得所需要的結(jié)果。齊納二極管58使電荷泵CP在正常工作狀態(tài)下無效。齊納二極管58限制交流電壓，這避免當(dāng)平滑電容器50兩端出現(xiàn)象征著控制電路52正常工作的恒定電壓時二極管60導(dǎo)通。
根據(jù)本發(fā)明的電源電路適合于具有由電源電壓充電的例如NiCd或NiMH電池的可再充電電池的電氣設(shè)備。作為例子，圖3示出電動剃刀，它具有容納電源電路PS、可再充電電池B和馬達(dá)M的外殼H。所述馬達(dá)驅(qū)動剃刀架SH并且由開關(guān)SW啟動。圖4示出包含電源電路PS的電源電壓適配器或電力插頭PP。電力插頭PP具有可以連接到圖3的電動剃刀的連接引線，在這種情況下，所述電動剃刀不包含電源電路PS。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源，它包括具有初級繞組(20)和至少一個輔助繞組(48)的變壓器(20)；與所述初級繞組(20)串聯(lián)連接以便接收輸入電壓的可控開關(guān)(54)；控制電路(52)，其輸出端耦合到所述可控開關(guān)(54)以便向所述可控開關(guān)(54)提供用于接通和斷開所述可控開關(guān)(54)的控制信號，并且其輸入端(CTL)用于接收向所述控制電路(52)供電用的控制電壓并且用于控制所述可控開關(guān)(54)接通和斷開的時序；整流器(46)和平滑電容器(50)，它們串聯(lián)連接到所述輔助繞組(48)，以便產(chǎn)生所述控制電壓，其特征在于所述開關(guān)電源(PS)還包括電荷泵(CP)，它耦合到輔助繞組(48)，用來將所述輔助繞組(48)兩端的交流電壓轉(zhuǎn)換成所述平滑電容器(50)兩端的直流電壓。
2.權(quán)利要求1的開關(guān)電源，其特征在于所述電荷泵(CP)還包括串聯(lián)連接在所述輔助繞組(48)兩端的另一個電容器(56)和第一二極管(58)；以及連接在所述平滑電容器(50)和所述另一個電容器(56)與所述第一二極管(58)之間的節(jié)點(diǎn)之間的第二二極管(60)。
3.權(quán)利要求2的開關(guān)電源，其特征在于所述第一二極管(58)是齊納二極管。
4.一種電動剃刀系統(tǒng)，它包括(a)電動剃刀(H)，它包括可再充電電池(B)、電氣負(fù)載(M)、用于把所述馬達(dá)(M)連接到所述電池(B)；以及(b)如上述各權(quán)利要求中任何一個所述的、用于至少向所述電池(B)和/或所述負(fù)載(M)提供電力的開關(guān)電源(PS)。
全文摘要
一種基于具有開關(guān)晶體管(54)的脈寬調(diào)制控制器(52)的轉(zhuǎn)換開關(guān)IC(42)的逆向變換器(PS)。通過改變控制輸入端(CTL)上的輸入電流來控制脈寬。在正常工作條件下,控制輸入端(CTL)上的電壓保持在固定的電平,該電壓還作為控制單元(52)的供電電壓。當(dāng)負(fù)載(B)使平滑電容器(50)兩端的電壓降低到所述固定電平以下時,電荷泵(CP)為控制輸入端(CTL)上的平滑電容器(50)提供額外電荷,從而避免控制單元(52)進(jìn)入轉(zhuǎn)換開關(guān)IC(42)的自動再啟動方式。這樣,該逆向變換器可以作為一個恒定的功率源為可再充電電池充電,其工作電壓低于該變換器的額定輸出電壓。
文檔編號H02M3/07GK1256022SQ99800077
公開日2000年6月7日 申請日期1999年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月30日
發(fā)明者R·H·范德瓦爾, W·G·M·伊特斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司