專利名稱：開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電源(switched-mode power supply)，它具有一個(gè)變壓器、一個(gè)與該變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)的開關(guān)晶體管、一個(gè)控制電路和一個(gè)次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)。這類開關(guān)電源適用于例如消費(fèi)電子產(chǎn)品。
為了能夠使用遙控器打開和關(guān)閉具有開關(guān)電源的設(shè)備，必須使它們一直處于備用模式以把它們打開。但是，這意味著開關(guān)電源要不斷地消耗能量。為了在備用操作中使開關(guān)電源的功耗盡可能地低，已經(jīng)開發(fā)了具有突發(fā)模式的開關(guān)電源，或者使用一種備用操作專用的單獨(dú)的電源。EP-A0 803966公開了一種電源單元，其中較大的開關(guān)電源只用于正常操作，而較小的開關(guān)電源則用于備用操作。在這種裝置中，兩個(gè)開關(guān)電源彼此連接，這樣在正常工作期間通過使用小開關(guān)電源調(diào)節(jié)較大的開關(guān)電源，并且小開關(guān)電源在備用操作期間使用專用的振蕩器振蕩。
本發(fā)明的目的是確定在導(dǎo)論中所述的具有非常低功耗的開關(guān)電源。
這個(gè)目的是通過權(quán)利要求1所規(guī)定的特征來實(shí)現(xiàn)的。從屬的權(quán)利要求規(guī)定了本發(fā)明的有益研究。
本發(fā)明的開關(guān)電源具有一個(gè)變壓器、一個(gè)與該變壓器的初級(jí)繞組串聯(lián)的開關(guān)晶體管、一個(gè)初級(jí)側(cè)控制電路和一個(gè)次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)。在這種裝置中，控制電路用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管。次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)電路用于驅(qū)動(dòng)耦合元件，它用于把調(diào)節(jié)信號(hào)從次級(jí)傳送到初級(jí)。第一開關(guān)位于開關(guān)晶體管的控制輸入和初級(jí)側(cè)工作電壓之間，并且第二開關(guān)位于調(diào)節(jié)級(jí)和次級(jí)側(cè)工作電壓之間，其中通過使用單一的控制信號(hào)，這兩個(gè)開關(guān)可以斷開這兩個(gè)工作電壓。在這種情況下，隔離元件既傳送用于初級(jí)側(cè)控制電路的調(diào)節(jié)信息，又傳送用于第一開關(guān)的關(guān)閉信號(hào)。
此時(shí)，用于關(guān)閉兩個(gè)開關(guān)的控制信號(hào)施加到第二開關(guān)的控制輸入端，并且 在這個(gè)開關(guān)斷開的時(shí)候，次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)同時(shí)斷開，并且第一開關(guān)通過耦合元件被斷開。該耦合元件最好是在次級(jí)側(cè)由次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)的晶體管級(jí)驅(qū)動(dòng)的光耦合器，其既提供要被調(diào)節(jié)的開關(guān)電源的輸出電壓又提供通過第二開關(guān)的控制信號(hào)信息。
如果控制信號(hào)斷開第二開關(guān)，則調(diào)節(jié)級(jí)和光耦合器完全不通電并且不再耗電。因此，光耦合器在初級(jí)側(cè)關(guān)閉，這意味著第一開關(guān)也斷開，這樣開關(guān)晶體管和控制電路均不通電。在這種情況下，除了起動(dòng)電路外，開關(guān)電源完全不通電，這樣，在這種狀態(tài)下的功耗低于0．2W。
下面參照一個(gè)示意電路圖將詳細(xì)描述本發(fā)明，其中該圖所示為根據(jù)本發(fā)明的具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電路的開關(guān)電源。
該圖表示出在初級(jí)側(cè)上，開關(guān)晶體管T1與變壓器的初級(jí)繞組W1串聯(lián)。為了簡(jiǎn)化說明，圖中未表示出該變壓器；正如娛樂電子產(chǎn)品通常所使用的一樣，它被設(shè)計(jì)為具有分離的電源，并且與包括一個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組以用于開關(guān)電源的操作的初級(jí)繞組W1分開，在次級(jí)側(cè)，一個(gè)或多個(gè)繞組用于提供所要求的輸出電壓。
在這個(gè)說明的實(shí)施例中，晶體管T1是一個(gè)由控制電路DR控制的MOSFET。初級(jí)側(cè)輔助繞組W2a用于提供一個(gè)工作電壓VCC，它經(jīng)二極管D2整流并且由電容器C1緩沖。起動(dòng)電路A建立與電源整流器的連接或者建立與通過高值電阻鏈以一種已知的方式由電源產(chǎn)生的DC電壓的連接，該起動(dòng)電路A用于提供起動(dòng)開關(guān)電源所必需的電流。與電容器C1并聯(lián)的是齊納二極管D3，它限制工作電壓VCC。
在次級(jí)側(cè)，該圖示出了一個(gè)繞組W3，它經(jīng)二極管D5和電容器C3產(chǎn)生一個(gè)將被穩(wěn)壓的輸出電壓UA。這個(gè)輸出電壓UA由次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)SR經(jīng)過電阻器R7分接并且根據(jù)情況傳送到初級(jí)側(cè)。傳輸由一個(gè)耦合元件實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)說明的實(shí)施例中，該耦合元件是一個(gè)光耦合器OK。諸如變壓器的其它耦合元件也同樣可以使用。在初級(jí)側(cè)，由調(diào)節(jié)級(jí)SR經(jīng)光耦合管OK傳送的調(diào)節(jié)信號(hào)提供到了控制電路DR，它把這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制控制電壓U2以用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管T1?？刂齐娐稤R也使用另一個(gè)電壓U1以用于驅(qū)動(dòng)，所述電壓被施加到電阻器R3兩端并且作為流過開關(guān)晶體管T1的電流的指示。
開關(guān)電源既可設(shè)計(jì)為根據(jù)負(fù)載改變其開關(guān)頻率的自激開關(guān)電源，又可設(shè)計(jì)為以固定開關(guān)頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制操作的開關(guān)電源。EP 0 808 015 A2中規(guī)定了這類開關(guān)電源。在這種情況下經(jīng)常調(diào)節(jié)次級(jí)側(cè)的輸出電壓，這是因?yàn)檫@樣可使輸出電壓更好地穩(wěn)壓。
在工作電壓VCC和開關(guān)晶體管T1的控制輸入端之間有一個(gè)電阻器R1，為的是使得控制電壓U2與控制電路DR和工作電壓VCC去耦。在這個(gè)開關(guān)晶體管T1和工作電壓VCC之間的連接中有第一開關(guān)T2，在這個(gè)說明的實(shí)施例中，它是一個(gè)可斷開工作電壓VCC的晶體管。這個(gè)開關(guān)的控制輸入端經(jīng)電阻器R5和R6連接于光耦合器OK，它可以用于從次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)T2。如果該光耦合器OK在初級(jí)側(cè)具有一個(gè)高阻抗，則工作電壓VCC經(jīng)電阻器R4施加到第一開關(guān)T2的控制輸入端，這樣就沒有電流流經(jīng)晶體管T2的發(fā)射極-基極結(jié)，這意味著后者被斷開。如果一個(gè)低電壓施加到開關(guān)T2的控制輸入端，則該聯(lián)被接通。同樣地，控制電路DR經(jīng)二極管D1和電阻器R6與光耦合器OK連接，使得所述光耦合器既傳送次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)信息又傳送第一開關(guān)T2的斷開信號(hào)。
在次級(jí)側(cè)，光耦合器包括一個(gè)通過連接點(diǎn)3和4工作的發(fā)光二極管。這個(gè)二極管由具有晶體管T3的晶體管級(jí)驅(qū)動(dòng)，該晶體管控制經(jīng)過光耦合器發(fā)光二極管的電流，次級(jí)側(cè)工作電壓UB經(jīng)第二開關(guān)T4施加到光耦合器的連接點(diǎn)3。施加到晶體管T3的控制輸入的電壓是一個(gè)恒定電壓，它由包括一個(gè)電阻器R9和一個(gè)齊納二極管D6的分壓器形成，并且在工作期間工作電壓UB加在分壓器的兩端。通過電阻器R7和R8所形成的分壓器，晶體管T3的發(fā)射極的電壓是將被調(diào)節(jié)的輸出電壓UA，使得流經(jīng)光耦合器OK的發(fā)光二極管的電流通過晶體管T3的基極-發(fā)射極結(jié)，被控制作為輸出電壓UA的函數(shù)。除了這種具有晶體管T3的晶體管級(jí)，也可使用可變齊納二極管以用于傳輸調(diào)節(jié)信號(hào)。
第二開關(guān)T4經(jīng)具有電阻器R11、R12的晶體管級(jí)T5由來自數(shù)字電路的控制信號(hào)US被導(dǎo)通或斷開。如果控制信號(hào)US為“零”，那么晶體管T5斷開，這意味著晶體管T4也斷開，這是因?yàn)樗目刂戚斎攵嗽谶@種情況下經(jīng)電阻R10處于高電位。
如果開關(guān)T4斷開，則具有晶體管T3的晶體管級(jí)以及在光耦合器OK中的發(fā)光二極管均不通電。這意味著光耦合器OK的光敏電阻也高，這樣，如上所述第一開關(guān)T2同樣斷開。在這種情況下，控制電路DR也切換為斷開，這是因?yàn)闆]有電流流經(jīng)二極管D1。
調(diào)節(jié)傳輸通過光耦合器OK執(zhí)行，這樣當(dāng)輸入電壓UA太高的時(shí)候，光耦合器OK的輸出，即連接點(diǎn)1和2具有較高的阻抗，并且當(dāng)輸出電壓UA太低的時(shí)候，它具有較低的阻抗。作為開關(guān)晶體管使用的MOSFET在控制電壓U2約低于2V的時(shí)候斷開。同樣地，控制電路DR通過二極管D1與工作電壓VCC去耦。因此，如果控制信號(hào)US為零，則具有晶體管T3、T4和T5的次級(jí)側(cè)開關(guān)級(jí)和晶體管T1和T2以及初級(jí)側(cè)控制電路DR都不通電。當(dāng)開關(guān)電源處于斷開狀態(tài)時(shí)，這意味著只有起動(dòng)電路A在消耗非常少的能量。
光耦合器OK的連接點(diǎn)2經(jīng)二極管D4與負(fù)反饋繞組W2b連接，這樣開關(guān)電源在其被導(dǎo)通時(shí)起動(dòng)輕緩。在這類開關(guān)電源的起動(dòng)階段，繞組W2b提供的負(fù)電壓在開關(guān)晶體管T1斷開階段仍然較低，所以經(jīng)光耦合器OK傳輸?shù)恼{(diào)節(jié)信號(hào)被衰減。只有在正常操作時(shí)，當(dāng)在繞組W2b上已經(jīng)產(chǎn)生了負(fù)反饋電壓并且電容器C2充電至一個(gè)相應(yīng)負(fù)電壓的時(shí)候，控制電路DR的調(diào)節(jié)信號(hào)才成為滿強(qiáng)度的有源信號(hào)。
這種類型的開關(guān)電源特別適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品并且在備用操作時(shí)功耗非常低。在這些應(yīng)用中，主要使用反饋?zhàn)儞Q器作為電源單元，但本發(fā)明也可用于其它類型的開關(guān)電源。但是必須總是具有第二工作電壓UB，目的是為了打開開關(guān)電源。這個(gè)工作電壓可由第二電源單元提供，或者由電池或充電電池提供。
權(quán)利要求
1．具有一個(gè)變壓器、一個(gè)與該變壓器的初級(jí)繞組(W1)串聯(lián)的開關(guān)晶體管(T1)、一個(gè)初級(jí)側(cè)控制電路(DR)并且具有一個(gè)次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)(SR)的開關(guān)電源，其特征在于開關(guān)晶體管(T1)的控制輸入端與第一開關(guān)(T2)連接，并且在調(diào)節(jié)級(jí)(SR)和工作電壓(UB)之間存在一個(gè)第二開關(guān)(T4)，并且還在于關(guān)閉第二開關(guān)(T4)同時(shí)會(huì)使第一開關(guān)(T2)關(guān)閉。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其特征在于調(diào)節(jié)級(jí)(SR)經(jīng)耦合元件(OK)即與控制電路(DR)連接又與第一開關(guān)(T2)連接。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)電源，其特征在于調(diào)節(jié)級(jí)(SR)具有一個(gè)晶體管級(jí)(T3，R8，R9，D6)，它的連接端與開關(guān)電源(UA)的輸出電壓連接，并且與耦合元件(OK)和第二開關(guān)(T4)連接，以便既傳送調(diào)節(jié)信號(hào)又傳送控制信號(hào)(US)。
4．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的開關(guān)電源，其特征在于控制信號(hào)(US)可用于斷開第二開關(guān)(T4)，使得用于調(diào)節(jié)級(jí)(SR)的電源電壓(UB)被斷開，并且這樣通過耦合元件(OK)關(guān)閉了第一開關(guān)(T2)。
5．根據(jù)前面各權(quán)利要求之一的所述的開關(guān)電源，其特征在于第一開關(guān)(T2)位于開關(guān)晶體管(T1)的控制輸入端和初級(jí)側(cè)工作電壓(VCC)之間。
6．根據(jù)前面各權(quán)利要求之一的所述的開關(guān)電源，其特征在于，在初級(jí)側(cè)，耦合元件(OK)的一個(gè)連接點(diǎn)(2)與變壓器的輔助繞組(W2b)連接，并且該耦合元件(OK)的另一個(gè)連接點(diǎn)(1)既與第一開關(guān)(T2)連接又與控制電路(DR)連接。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)電源，其特征在于二極管(D1)置于控制電路(DR)和耦合元件(OK)之間，和還在控制電路(OR)與第一開關(guān)(T2)之間。
8．根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的開關(guān)電源，其特征在于第一開關(guān)(T2)的控制輸入端經(jīng)電阻器(R4)與初級(jí)側(cè)工作電壓(VCC)連接，從而在這個(gè)控制輸入端產(chǎn)生一個(gè)高壓，以便當(dāng)耦合元件(OK)具有一個(gè)高阻抗時(shí)斷開該開關(guān)(T2)。
9．根據(jù)前面權(quán)利要求2-8之一所述的開關(guān)電源，其特征在于該耦合元件(OK)是一個(gè)光耦合器，其在初級(jí)側(cè)的發(fā)射極連接點(diǎn)(2)與一個(gè)負(fù)反饋繞組(W2b)連接，這樣，該開關(guān)電源在其被打開時(shí)可以輕緩地起動(dòng)。
10．根據(jù)前面各權(quán)利要求之一的所述的開關(guān)電源，其特征在于次級(jí)側(cè)工作電壓(UB)由另一個(gè)電源單元產(chǎn)生，并還在于該開關(guān)電源作為可通過控制信號(hào)(US)完全斷開或重新連接的其它電源單元使用。
全文摘要
所述開關(guān)電源具有變壓器、與該變壓器的初級(jí)繞組(W1)串聯(lián)的開關(guān)晶體管(T1)、初級(jí)側(cè)控制電路(DR)和次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)級(jí)(SR)?？刂齐娐?DR)用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管(T1)。次級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)電路(SR)用于驅(qū)動(dòng)耦合元件(OK),該耦合元件用于把調(diào)節(jié)信號(hào)從次級(jí)傳送到初級(jí)、第一開關(guān)(T2)位于開關(guān)晶體管(T1)的控制輸入和初級(jí)側(cè)工作電壓(VCC)之間,并且第二開關(guān)(T4)位于調(diào)節(jié)級(jí)(SR)和次級(jí)側(cè)工作電壓(UB)之間,其中通過使用一個(gè)單個(gè)的控制信號(hào)(US)可以斷開這兩個(gè)工作電壓(VCC,UB)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK1281287SQ0012022
公開日2001年1月24日 申請(qǐng)日期2000年7月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月16日
發(fā)明者萊因哈德·凱格爾, 阿奇姆·埃爾格特 申請(qǐng)人:德國湯姆遜-布朗特公司