專利名稱：Dc－dc變換器中用于減少備用功率和改善負(fù)載調(diào)節(jié)的開關(guān)脈沖串方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率變換器，更具體地涉及DC-DC變換器的用于減少備用功率和改善空載到滿載調(diào)節(jié)的電路和相應(yīng)的方法。
背景技術(shù)：
很多使用低功率變換器的電子設(shè)備典型地不具有通/斷開關(guān)，并經(jīng)常被永久地“插進(jìn)”墻上插座。例如，當(dāng)設(shè)備斷電并且電池被充滿時(shí)，低功率變換器的“備用”功率消耗使公共電力供應(yīng)承受相當(dāng)大的負(fù)載。這種關(guān)系已經(jīng)促成關(guān)于外部電源效率的歐洲委員會(huì)管理法規(guī)，例如，在2005年之前，承諾其簽署者達(dá)到300mW的最大空載功率消耗。因此，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上的考慮使得需要較大地降低低功率變換器的備用功率。除降低備用功率外，還需要保持功率變換器的良好的負(fù)載調(diào)節(jié)，使得在待機(jī)和滿載時(shí)的輸出電壓之間的差別達(dá)到最小。
設(shè)計(jì)用于開環(huán)運(yùn)行的常規(guī)的低功率變換器典型地顯示出不佳的輸出電壓調(diào)節(jié)和在空載時(shí)的相當(dāng)高的功率損耗。為了克服該缺點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)的變換器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了改善輸出電壓負(fù)載調(diào)節(jié)和降低備用功率消耗的集成電路。圖1示出了設(shè)計(jì)用于開環(huán)運(yùn)行的現(xiàn)有技術(shù)的功率變換器10。在輸入終端12和14上，來自外部AC電源(未示出)的輸入AC電壓典型地通過二極管電橋8被轉(zhuǎn)換成DC功率。如圖1所示，功率變換器10是DC-DC振鈴扼流變換器(下文中稱作RCC)。如本技術(shù)領(lǐng)域中公知的，在常規(guī)RCC中，主開關(guān)被連接到變壓器的初級(jí)繞組，輸出通過自激振蕩被提供給次級(jí)繞組。在額定負(fù)載上，主開關(guān)的導(dǎo)電時(shí)間被延長(zhǎng)，以提供固定的負(fù)載電流。在備用功率較低或空載條件下，需要的負(fù)載電流是最小的，所以按照慣例，增加主開關(guān)的頻率以相應(yīng)地縮短導(dǎo)電時(shí)間。但是，當(dāng)增加主開關(guān)的轉(zhuǎn)換頻率時(shí)，功率變換器的轉(zhuǎn)換損耗也增加。因此，常規(guī)功率變換器具有不合乎需要的高空載備用功率消耗。
如圖1所示，功率變換器10包括具有初級(jí)繞組66、次級(jí)繞組68、以及輔助繞組20的變壓器56。初級(jí)繞組66的一端被連接到輸入DC電壓所耦合的輸入終端12。初級(jí)繞組66的另一端連接到主開關(guān)46的集電極。主開關(guān)46典型地是NPN晶體管，如圖1中所示。可替代地，主開關(guān)46可以是MOSFET或其它適合的開關(guān)元件。主開關(guān)46的發(fā)射極通過電阻器44連接到負(fù)極輸入終端14。次級(jí)繞組68的輸出端通過包括以常規(guī)方法連接的二極管58和電容器60的整流/平滑電路連接到變換器10的輸出終端62和64。
在運(yùn)行中，在主開關(guān)46的通電期間，能量存儲(chǔ)在初級(jí)繞組66中。主開關(guān)46的通電時(shí)間由連接到主開關(guān)46基極，即它的控制輸入端，的信號(hào)控制。輔助繞組20具有與初級(jí)繞組66相同的極性。輔助繞組20的一端連接到負(fù)極輸入終端14。電阻器22在主開關(guān)46的基極與輔助繞組20的另一端之間與電容器24串連。
開關(guān)30連接在輸入終端14和主開關(guān)46的控制輸入端之間。開關(guān)30典型地是NPN晶體管，其發(fā)射極連接到輸入終端14。電容器32跨接在晶體管30的基極和發(fā)射極兩端。電阻器42串連在晶體管30的基極和電阻器44與主開關(guān)46發(fā)射極的聯(lián)接點(diǎn)之間。電容器36與電阻器38并聯(lián)在節(jié)點(diǎn)75和輸入終端14之間。電阻器26與二極管34串連在節(jié)點(diǎn)75和輔助繞組20的端子之間。二極管34的陽極連接到節(jié)點(diǎn)75，陰極連接到電阻器26。齊納二極管40的陽極連接到節(jié)點(diǎn)75，陰極連接到主開關(guān)46的基極。功率變換器10包括串連在輸入終端12和主開關(guān)46的控制輸入端之間的起動(dòng)電阻器18。
在運(yùn)行中，在變換器10起動(dòng)時(shí)，在輸入終端上提供的輸入DC電壓使電容器16充電，電流流過為主開關(guān)46的基極充電的起動(dòng)電阻器18。當(dāng)主開關(guān)46的基極和發(fā)射極之間的電壓差(Vbe)超過預(yù)定閾值時(shí)，典型是0.6V，主開關(guān)46被導(dǎo)通。因此，流過主開關(guān)46的電流連接到初級(jí)繞組66，并且能量被存儲(chǔ)在這里。
主開關(guān)46的導(dǎo)電狀態(tài)導(dǎo)致電壓發(fā)展到電阻器44兩端。電阻器兩端的電壓信號(hào)連接到開關(guān)30的基極。當(dāng)基極上有足夠的電荷時(shí)，開關(guān)30被轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電狀態(tài)。開關(guān)30的導(dǎo)電狀態(tài)導(dǎo)致開關(guān)46關(guān)斷。因此，能量從初級(jí)繞組66轉(zhuǎn)移到次級(jí)繞組68，并且輔助繞組20被充電。來自次級(jí)繞組68的能量通過由二極管58和電容器60形成的整流/平滑電路，連接到輸出終端62、64。當(dāng)來自次級(jí)繞組68的能量耗盡時(shí)，輔助繞組20兩端的電壓反向。通過輔助繞組20兩端建立的電勢(shì)，開關(guān)46被接通，使得該循環(huán)得以重復(fù)。
在變換器10的低負(fù)載或空載條件下，開關(guān)30對(duì)主開關(guān)46的轉(zhuǎn)換的控制減小。對(duì)于變換器10在空載條件下的運(yùn)行，能量變換是通過主開關(guān)46的轉(zhuǎn)換動(dòng)作完成的，主開關(guān)46是通過輔助繞組20兩端電壓電勢(shì)的消失和建立來驅(qū)動(dòng)的。根據(jù)下面公式大致地限制空載電平上的輸出電壓，Vo。
Vo＝(Ns/Nc)*(Vz40+Vbe)其中Ns是次級(jí)繞組68的匝數(shù)，Nc是輔助繞組20的匝數(shù)，Vz40是穩(wěn)壓二極管40兩端的電壓。齊納二極管40抽出輔助繞組20的一部分供電電流，以便于控制主開關(guān)46的基極電流，從而控制它的接通時(shí)間(Ton)，以便于更具體地根據(jù)下面的公式限制Vo，下面的公式將Vo表示為導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的函數(shù)Vo＝(Ns/Np)*Vin*(Ton/Toff)其中Vin是輸入DC電壓，Np是初級(jí)繞組66的匝數(shù)，Toff是主開關(guān)46的關(guān)斷時(shí)間。
當(dāng)齊納二極管40兩端的電壓和電容器36兩端的電壓之間的電壓差低于主開關(guān)46的合適的電平Vbe時(shí)，主開關(guān)46開始關(guān)斷。在空載條件下，由于dt＝Lp(di)/Vin中的(di)非常小；其中Lp是初級(jí)繞組66的感應(yīng)系數(shù)，所以開關(guān)進(jìn)行得較快。主開關(guān)46的開關(guān)頻率越高，功率變換器10的開關(guān)損耗就越高。因此，功率變換器10的空載備用功率消耗相當(dāng)高，高于上面參考的300mW的歐洲委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。另外，因?yàn)楣β首儞Q器10的主開關(guān)46的開關(guān)是不中斷的，輸出電壓Vo隨著負(fù)載減少持續(xù)上升，這是由于在輔助繞組20處減少的電壓峰值使得齊納二極管40將更準(zhǔn)確。因此，功率變換器10空載和滿載時(shí)的輸出電壓之間有很大差值。這樣，除備用或空載時(shí)的實(shí)際功率消耗外，功率變換器10顯示出不佳的電壓調(diào)節(jié)。
因此，需要一種用于為振鈴扼流變換器減少備用功率和改善空載到滿載調(diào)節(jié)的電路和相應(yīng)的方法。特別地，需要開環(huán)系統(tǒng)中的這種電路和方法。還需要用于通過使用簡(jiǎn)單的、低成本的分立組件來提供減少的備用功率和改善的調(diào)節(jié)的電路。

發(fā)明內(nèi)容
本文通過提供一種用于為振鈴扼流變換器減少備用功率和改善空載到滿載調(diào)節(jié)的電路和相應(yīng)的方法，來解決現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備中存在的問題。本發(fā)明的電路和相應(yīng)方法所具有的優(yōu)點(diǎn)是，通過在這些條件期間提供低開關(guān)頻率非突發(fā)式(non-bursting)操作或脈沖串模式(burstmode)操作，來充分降低空載和備用功率條件下的功率消耗，從而減少不期望的開關(guān)損耗。脈沖串模式(突發(fā)式(bursting))操作是開關(guān)模式中的操作，用于由不發(fā)生開關(guān)的較長(zhǎng)間隔所分隔的預(yù)定時(shí)間。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其通過保持在空載時(shí)具有較長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間的較短的占空因數(shù)并同時(shí)保持輸出電壓靠近滿載電平擺動(dòng)，使用開路反饋環(huán)系統(tǒng)，來提供改善的空載到滿載輸出電壓調(diào)節(jié)。本發(fā)明所提供的減少的占空因數(shù)防止輸出電壓相對(duì)于滿載電平向高擺動(dòng)，從而即使在開路反饋環(huán)系統(tǒng)中也能提供良好的空載和滿載輸出調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其通過使用齊納二極管驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷晶體管來增加主開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，提供非常低的空載開關(guān)頻率和占空因數(shù)，從而即使基極電流很小也能保持導(dǎo)通并且延長(zhǎng)了主開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間。
本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其通過使用較簡(jiǎn)單、低成本的分立組件，而不是成本較高的集成電路來提供上述優(yōu)點(diǎn)。
概括說來，本發(fā)明提供一種使用第一開關(guān)控制流過變壓器的初級(jí)繞組的電流，在開路反饋環(huán)系統(tǒng)中的功率變換器的低負(fù)載或空載條件下，提供空載到滿載調(diào)節(jié)和減少功率消耗的方法，包括以下步驟通過自激振蕩提供到變壓器的次級(jí)繞組的輸出；經(jīng)由齊納二極管驅(qū)動(dòng)的第二開關(guān)增加第一開關(guān)在空載時(shí)的關(guān)斷時(shí)間；通過由變壓器的輔助繞組充電的第一電容器保持齊納二極管導(dǎo)通；和使用很小的控制電流保持第二開關(guān)導(dǎo)通，以延長(zhǎng)第一開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，使得在空載時(shí)保持第一開關(guān)有較長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間的減小的占空因數(shù)，并充分減小在低負(fù)載或空載的輸出電壓和在滿載條件下的相應(yīng)的輸出電壓之間的差別。
概括說來，本發(fā)明還提供具有第一和第二輸入終端和兩個(gè)輸出終端的DC-DC變換器，其中輸入DC電壓連接到兩個(gè)輸入終端上，輸出DC功率被提供到兩個(gè)輸出終端，該DC-DC變換器包括變壓器，其包括初級(jí)繞組、次級(jí)繞組、以及輔助繞組，每個(gè)繞組都具有第一和第二端，次級(jí)繞組連接到輸出終端；用于控制流過初級(jí)繞組的電流的第一開關(guān)，第一開關(guān)具有控制輸入端，并且一端連接到初級(jí)繞組，另一端連接到第二輸入終端，其中對(duì)次級(jí)繞組的輸出通過自激振蕩來提供，并且其中輔助繞組連接在第二輸入終端和控制輸入端之間；在第一開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間期間由輔助繞組充電直到變壓器能量耗盡的第一電容器；包括第二開關(guān)的控制電路，第二開關(guān)連接在第一開關(guān)的控制輸入端和第一開關(guān)的另一端之間，第二開關(guān)具有控制輸入端；以及連接在第一開關(guān)的控制輸入端和第二開關(guān)的控制輸入端之間的第二電容器；以及與第一電容器串聯(lián)在第二輸入終端和第二開關(guān)的控制輸入端之間的齊納二極管；其中第一電容器由輔助繞組充電，以保持齊納二極管處于導(dǎo)通，使得第二開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)，以便于延長(zhǎng)第一開關(guān)在低負(fù)載或空載條件下的關(guān)斷時(shí)間。


結(jié)合附圖，通過參考下面的詳細(xì)說明將更容易理解本發(fā)明的前述的實(shí)施方案和附帶優(yōu)點(diǎn)。
圖1是為開環(huán)操作設(shè)計(jì)的振鈴扼流變換器的現(xiàn)有技術(shù)的原理圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的電路的一個(gè)實(shí)施例的原理圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例電路在空載時(shí)主開關(guān)兩端的電壓波形；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例電路在額定負(fù)載時(shí)主開關(guān)兩端的電壓波形；圖5示出了圖1的示例電路和根據(jù)圖2中本發(fā)明的實(shí)施例的示例電路中的所選擇的AC線電壓的示例性的電壓對(duì)電流(V-I)波形；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的電路的可替代實(shí)施例，其包括緩沖電路；以及圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的電路的另一個(gè)可替代實(shí)施例，其具有代替齊納二極管和一個(gè)開關(guān)元件的集成電路調(diào)節(jié)器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通過極大地減小空載和備用功率消耗和改善空載到滿載調(diào)節(jié)，克服已知RCC電路和它們的操作方法的缺點(diǎn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，功率消耗的減小和改善的負(fù)載調(diào)節(jié)是通過在變換器電路中使用基本的、分立的組件來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提供開環(huán)操作中的改善的輸出負(fù)載調(diào)節(jié)?？商娲兀景l(fā)明的電路和方法可以用在閉環(huán)系統(tǒng)中，否則其在空載和備用功率條件下顯示出不期望的功率消耗。
本發(fā)明參照?qǐng)D2-7被示出。圖2是根據(jù)本發(fā)明的電路和相應(yīng)方法的優(yōu)選實(shí)施例的原理圖。對(duì)于圖2中的變換器100，來自外部AC電源(未示出)的輸入AC電壓優(yōu)選地通過二級(jí)管電橋6在輸入終端112和114上被轉(zhuǎn)換成DC功率。功率變換器100包括變壓器156，其具有初級(jí)繞組166、次級(jí)繞組168、以及輔助繞組120。初級(jí)繞組166的一端連接到DC電壓所連接的輸入終端112。
初級(jí)繞組166的另一端連接到主開關(guān)146的集電極。主開關(guān)146優(yōu)選的是NPN晶體管，如圖2所示?？商娲?，主開關(guān)146可以是MOSFET或其它適當(dāng)?shù)拈_關(guān)元件。主開關(guān)146的發(fā)射極通過電阻器144被連接到負(fù)輸入終端114。次級(jí)繞組168的輸出端通過整流/平滑電路連接到變換器100的輸出終端162和164，其中整流/平滑電路包括以常規(guī)方式連接的二極管158和電容器160。二極管158的陽極連接到次級(jí)繞組168的一端，其陰極連接到輸出終端162。次級(jí)繞組168的另一端連接到輸出終端164。電容器160跨接于輸出終端162、164兩端。
在主開關(guān)146接通期間，能量被存儲(chǔ)在初級(jí)繞組166中。主開關(guān)146的接通時(shí)間受到連接到節(jié)點(diǎn)171處的主開關(guān)146的基極，即，它的控制輸入端的信號(hào)控制。輔助繞組120與初級(jí)繞組166的極性相同。輔助繞阻120的一端被連接到負(fù)輸入終端114。電阻器122與電容器124串聯(lián)在節(jié)點(diǎn)171處的主開關(guān)146的基極和節(jié)點(diǎn)173處的輔助繞組120的另一端之間。
功率變換器100包括電阻器118，其串聯(lián)在輸入終端112和主開關(guān)146的控制輸入端之間。開關(guān)130連接在輸入終端114和主開關(guān)146的控制輸入端之間。開關(guān)130優(yōu)選的是NPN晶體管，其基極是其控制輸入端。開關(guān)130的發(fā)射極連接到輸入終端114，其集電極連接到開關(guān)146的控制輸入端。電容器132跨接于晶體管130的基極和發(fā)射極兩端。電阻器142串聯(lián)在晶體管130的基極和電阻器144與主開關(guān)146的發(fā)射極的連接點(diǎn)之間。
電容器136與電阻器138并聯(lián)在節(jié)點(diǎn)175和輸入終端114之間。
電阻器126與二極管134串聯(lián)在節(jié)點(diǎn)175和輔助繞組120在節(jié)點(diǎn)173處的一端之間。二極管134的陽極連接到節(jié)點(diǎn)175，其陰極連接到電阻器126。齊納二極管140的陽極連接到節(jié)點(diǎn)175。
控制電路180連接在齊納二極管140的陰極和開關(guān)146的基極之間?？刂齐娐?80包括開關(guān)178和電容器176。如圖2所示，開關(guān)178優(yōu)選的是PNP晶體管，其基極是其控制輸入端。開關(guān)178連接在主開關(guān)146的基極和發(fā)射極之間。換句話說，開關(guān)178的發(fā)射極，在節(jié)點(diǎn)171處，連接到主開關(guān)146的基極，并且開關(guān)178的集電極連接到主開關(guān)146的發(fā)射極。電容器176跨接于開關(guān)178的基極和發(fā)射極兩端。
該電容器的一端被連接到齊納二極管140的陰極，其另一端在節(jié)點(diǎn)171處連接到主開關(guān)146的基極。齊納二極管140的陽極連接到節(jié)點(diǎn)175，其陰極連接到電容器176和開關(guān)178的基極。電容器176跨接于開關(guān)178的基極和發(fā)射極兩端。
現(xiàn)將對(duì)圖2中的功率變換器100的操作進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的描述。在低負(fù)載情況，當(dāng)VZ140+VC176-VC136變?yōu)榈陀诩s0.6V(主開關(guān)146的Vbe)時(shí)，或當(dāng)VC176近似為0.6(開關(guān)178的Vbe)時(shí)，主開關(guān)146開始關(guān)斷，其中VZ140是齊納二極管140兩端的電壓，VC176是電容器176兩端的電壓，VC136是電容器136兩端的電壓。為了確保脈沖串模式開關(guān)操作，或者最多，得到非常低的開關(guān)頻率的非突發(fā)式波形，并避免不期望的功率變換器100的開關(guān)損耗，電容器176的選擇必須使得它兩端的電壓，VC176，在VZ140+VC176-VC136降至低于Vbe電平的時(shí)間之前達(dá)到開關(guān)178的Vbe電平。
在低負(fù)載情況下，功率變換器200起到脈沖串模式轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用。主開關(guān)146的關(guān)斷出現(xiàn)在開關(guān)178由于電容器176兩端的電壓(Vc176)約為開關(guān)178的Vbe，0.6V，而導(dǎo)通的時(shí)候。在主開關(guān)146的關(guān)斷期間，電容136被輔助繞組120充電，直到變壓器156所保存的能量耗盡為止。由于當(dāng)主開關(guān)被關(guān)斷時(shí)，電容器136被充電一段時(shí)間，與電容器136串聯(lián)的齊納二極管140將經(jīng)由電容器136，從輔助繞組120中抽出電流，從而使電容器176充電，以便于保持開關(guān)178的導(dǎo)通狀態(tài)。
電容器136，在通過電阻器138放電的同時(shí)，維持齊納二極管140導(dǎo)通。只要電容器136具有足夠的電荷以克服齊納二極管140的擊穿電壓并維持開關(guān)178的導(dǎo)通狀態(tài)，齊納二極管140就繼續(xù)抽取電流。即使只有來自齊納二極管140的非常小的電流，開關(guān)178也繼續(xù)導(dǎo)通，保持開關(guān)146關(guān)斷。開關(guān)178僅需要最小的基極電流，以便于防止主開關(guān)146導(dǎo)通，從而確保在低負(fù)載情況的較長(zhǎng)的關(guān)斷。
如圖2所示的本發(fā)明的電路和相應(yīng)方法包括控制電路180，其連接在齊納二極管140和主開關(guān)146的基極之間，而不是如圖1的現(xiàn)有技術(shù)變換器100中所示的僅將齊納二極管連接到基極。如圖1所示，使用齊納二極管直接連接到主開關(guān)基極的缺點(diǎn)在于，當(dāng)流過齊納二極管的電流已經(jīng)隨著電容器136(圖1中的電容器36)電壓電平的下降而減小時(shí)，圖1中的齊納二極管40不再能夠防止主開關(guān)再次導(dǎo)通。相反，對(duì)于如圖2所示的帶有控制電路180的變換器100，主開關(guān)146的關(guān)斷時(shí)間被延長(zhǎng)，因?yàn)椋词褂蟹浅Ｐ〉碾娏髁鬟^齊納二極管140，開關(guān)178的導(dǎo)通狀態(tài)也能夠被維持，從而延長(zhǎng)主開關(guān)146的關(guān)斷時(shí)間。
當(dāng)電容器136的電位不再足以保持齊納二極管140導(dǎo)通并抽出電流時(shí)，電容器176通過開關(guān)178放電，直到開關(guān)178不再關(guān)斷主開關(guān)146為止，從而使得新的開關(guān)循環(huán)能夠開始。電容器136上的電位和輸出電壓Vo是以下面公式為依據(jù)的VC136＝VZ140+VC176-Vbe和Vo＝VC136*(Ns1/Nc1)其中Ns1是次級(jí)繞組168的匝數(shù)，Nc1是輔助繞組120的匝數(shù)。
為了進(jìn)一步示出在低負(fù)載下圖2中的優(yōu)選實(shí)施例的電路和相應(yīng)方法的開關(guān)循環(huán)，下面是更詳細(xì)的順序1)開關(guān)146接通。
2)電容器176經(jīng)由流經(jīng)齊納二極管140的電流充電。
3)當(dāng)電容器176上的電壓達(dá)到～0.6V(Vbe電平)時(shí)，開關(guān)178接通4)開關(guān)146關(guān)斷5)電容器136通過二極管134被輔助繞組120充電，直到變壓器能量耗盡為止。一旦變壓器能量耗盡，電容器136就通過電阻器138放電。從基本的逆向變換器電壓關(guān)系，Vo＝Vin*(Ns1/Np1)*(Ton1/Toff1)，其中Np1是初級(jí)繞組166的匝數(shù)，Ton1是主開關(guān)146的導(dǎo)通時(shí)間，Toff1是主開關(guān)146的關(guān)斷時(shí)間。由于電阻器126兩端的電壓可以忽略，并且由二極管134和二極管158導(dǎo)致的電壓降互相抵消，所以VC136將等于Vo*(Nc1/Ns1)。因此，VC136電平的調(diào)節(jié)的結(jié)果是對(duì)Vo的控制。為了調(diào)節(jié)VC136，齊納二極管140、開關(guān)178、以及電容器176運(yùn)行以限制主開關(guān)146的導(dǎo)通狀態(tài)。一旦由齊納二極管140驅(qū)動(dòng)的開關(guān)178導(dǎo)通，主開關(guān)146就關(guān)斷。因此，根據(jù)公式VC136＝VZ140+VC176-Vbe限制電容器136的電壓，VC136，該公式近似為，VC136＝VZ140。較高的VC176電平將導(dǎo)致主開關(guān)146更短的導(dǎo)通時(shí)間和更長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間；從而提供調(diào)節(jié)。
6)電容器176繼續(xù)充電，直到VC136電平低于齊納二極管140的預(yù)定導(dǎo)通閾值為止，電容器176在預(yù)定導(dǎo)通閾值開始放電。VC176降到0.6V以下并且VZ140+VC176-Vc136＞0.6V，導(dǎo)致開關(guān)178關(guān)斷和開關(guān)146導(dǎo)通，從而導(dǎo)致從步驟1)開始重復(fù)該循環(huán)。在高輸入電壓下，電容器136上的單脈沖充電可能足以維持齊納二極管140和開關(guān)178為導(dǎo)通狀態(tài)很長(zhǎng)一段時(shí)間。這將大致消除突發(fā)的情況(bursting)并保持主開關(guān)146關(guān)斷更長(zhǎng)時(shí)間。Vc136將由周期性脈沖的非常低的開關(guān)頻率/占空因數(shù)來維持。
隨著上面的步驟1)-6)中描述的開關(guān)循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)主開關(guān)146關(guān)斷時(shí)，電容器136被充電。在一個(gè)或幾個(gè)開關(guān)循環(huán)之后，當(dāng)電容器136上的電壓升高到足以維持所需的VZ140和VC176電平時(shí)，開關(guān)178保持導(dǎo)通狀態(tài)，以便于使主開關(guān)146關(guān)斷更長(zhǎng)的時(shí)間。齊納二極管140將導(dǎo)通并且只要Vc136等于或高于齊納二極管140的擊穿電壓閾值就繼續(xù)導(dǎo)通。在該狀態(tài)下，主開關(guān)146將保持關(guān)斷，直到VZ140+VC176-Vc136電平降到低于0.6V的Vbe電平為止，并且當(dāng)電容器136向電阻器138放電時(shí)(在長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)斷時(shí)間的第一部分期間，變壓器電荷已經(jīng)耗盡)，VC176不再能夠維持開關(guān)178的Vbe電平。
開關(guān)178的關(guān)斷導(dǎo)致主開關(guān)146導(dǎo)通，從而導(dǎo)致從步驟1)開始重復(fù)該循環(huán)，并且主開關(guān)146導(dǎo)通。
從上面對(duì)開關(guān)循環(huán)的描述可以看出，功率變換器100提供對(duì)電容器136的電壓Vc136的調(diào)節(jié)，和減少開關(guān)動(dòng)作。由于如上所示，Vo是Vc136的函數(shù)，所以對(duì)Vc136的調(diào)節(jié)還提供對(duì)Vo的控制。
本發(fā)明提供的減少的開關(guān)動(dòng)作/頻率顯著地使高負(fù)載下的最大功率損耗達(dá)到最小，即，那些由主開關(guān)146和變壓器156上的損耗導(dǎo)致的損耗。因此，由于本發(fā)明提供的關(guān)斷時(shí)間大大高于現(xiàn)有技術(shù)，所以空載輸出電壓漂移減小，從而即使閉合反饋環(huán)，空載到滿載Vo的電平差(提供接近平調(diào)的Vo調(diào)節(jié)(flat Voregulation))也能達(dá)到最小。
變換器100的備用功率消耗已經(jīng)被測(cè)量為只達(dá)到50mW，其充分低于關(guān)于外部電源效率的歐洲委員會(huì)管理法規(guī)所要求的300mW的限制。變換器100的備用功率消耗也充分低于如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)變換器的功率消耗。
在加載條件下，輸出電壓(Vo)和電容器136上的電壓受到開關(guān)130的限制，開關(guān)130在該條件下對(duì)最大變換功率具有占優(yōu)勢(shì)的控制。在輸出負(fù)載增加的情況下，開關(guān)178對(duì)開關(guān)146狀態(tài)的控制變小，而開關(guān)130的影響增大。當(dāng)在輸出端上存在過載時(shí)，開關(guān)130也是功率變換器100所提供的過電流保護(hù)的一部分。次級(jí)繞組168上的峰值電壓反映在電阻器144上。電阻器144和142被選擇成使得開關(guān)130在過電流條件期間接通，從而關(guān)斷主開關(guān)146。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性的電路在空載時(shí)主開關(guān)兩端電壓的波形A。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例電路在額定負(fù)載時(shí)主開關(guān)兩端電壓波形A1。對(duì)于圖3-4，這些測(cè)量在輸入AC為230Vac取得。輸出電壓，Vo(未示出)在空載條件下測(cè)量為6.7V，在額定負(fù)載條件下測(cè)量為4.7伏特。示例性的額定負(fù)載是400mA。如圖3-4所示，由于根據(jù)本發(fā)明的主開關(guān)關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)，在空載時(shí)開關(guān)頻率已經(jīng)被顯著減小，從而減小了功率消耗。如圖3所示，對(duì)于示例性的空載條件，由于如圖所示的延長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間和減小的占空因數(shù)，開關(guān)頻率測(cè)量為約400Hz。相反，對(duì)于如圖4所示的額定負(fù)載條件，開關(guān)頻率被測(cè)量為約58KHz。這些測(cè)量也被認(rèn)為是對(duì)于10％負(fù)載(40mA)條件取得的(未示出)，其中，開關(guān)頻率被測(cè)量為400Hz(在每個(gè)開關(guān)脈沖串期間)，Vo為5.6V。
圖5示出了對(duì)于圖1(軌跡線B和C)的示例性的現(xiàn)有技術(shù)電路和圖2(軌跡線D-G)中根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性的電路的選擇的AC線電壓的輸出電壓(Vo)對(duì)輸出電流(Io)(V-I)波形的示例性的波形。軌跡線B是圖1的示例性的現(xiàn)有技術(shù)電路的輸入AC電壓為120Vac的波形。軌跡線C是圖1的示例性的現(xiàn)有技術(shù)電路的輸入AC電壓為230Vac的波形。軌跡線D是圖2中根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性的電路的輸入AC電壓為90Vac的波形。軌跡線E是圖2的示例性的電路的輸入AC電壓為120Vac的波形。軌跡線F是圖2的示例性的電路的輸入AC電壓為230Vac的波形。軌跡線G示出了圖2的示例性的電路的輸入AC電壓為264Vac的波形。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的可替代實(shí)施例，其包括緩沖電路。功率變換器200將傳統(tǒng)緩沖電路添加到功率變換器100。如圖6所示，傳統(tǒng)緩沖電路包括電阻器154、并聯(lián)組合的電阻器152和電容器150，以及二極管148的串聯(lián)組合，其被連接在初級(jí)繞組166的兩端。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)可替代實(shí)施例，其具有集成電路(IC)調(diào)節(jié)器306，代替齊納二極管和一個(gè)開關(guān)元件。集成電路優(yōu)選地是TL431調(diào)節(jié)器。分壓器是由串聯(lián)在主開關(guān)146的控制輸入端和二極管134、電容器136、以及電阻器138在節(jié)點(diǎn)375處的連接點(diǎn)之間的電阻器302和304形成的。分壓器提供了基準(zhǔn)電壓。IC調(diào)節(jié)器306的一輸入端被連接到節(jié)點(diǎn)375。電阻器302和304的連接點(diǎn)的分壓被連接到IC調(diào)節(jié)器306的第二輸入端和電容器308的一端。電容器308的另一端被連接到主開關(guān)146的控制輸入端和ID調(diào)節(jié)器306的輸出端。但是，集成電路的列入，具有與圖2和6中所示的使用分立組件的實(shí)施例相比成本更高的缺點(diǎn)。
如上所述，本發(fā)明的電路和方法的優(yōu)點(diǎn)是，通過在非常低的開關(guān)/脈沖串頻率下在這些條件期間提供電路操作，來提供對(duì)空載的相當(dāng)?shù)偷墓β氏暮偷蛡溆霉β蕳l件，從而減小不需要的開關(guān)損耗。本發(fā)明的電路和方法，通過在空載時(shí)保持帶有較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間的較短的占空因數(shù)，在保持輸出電壓擺動(dòng)比較接近滿載電平的同時(shí)，提供了改善的空載到滿載輸出電壓調(diào)節(jié)。本發(fā)明提供的減小的占空因數(shù)防止輸出電壓相對(duì)于滿載電平擺動(dòng)太高，即使對(duì)于開路反饋環(huán)系統(tǒng)也可以保持良好的空載和滿載輸出調(diào)節(jié)。
提供前述的對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說明的目的是例證和說明。盡管在本文中參考附圖對(duì)本發(fā)明的示例性的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是要理解的是，本發(fā)明并不局限于公開的明確的實(shí)施例，根據(jù)上面的技術(shù)內(nèi)容，能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種在開路反饋環(huán)系統(tǒng)中提供空載到滿載調(diào)節(jié)和在功率變換器的低負(fù)載或空載條件下減小功率消耗的方法使用第一開關(guān)控制流過變壓器的初級(jí)繞組的電流，包括以下步驟通過自激振蕩向所述變壓器的次級(jí)繞組提供輸出；通過由齊納二極管驅(qū)動(dòng)的第二開關(guān)增加在空載時(shí)所述第一開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間；通過由所述變壓器的輔助繞組充電的第一電容器保持所述齊納二極管導(dǎo)通；以及使用非常小的控制電流保持所述第二開關(guān)導(dǎo)通，以延長(zhǎng)所述第一開關(guān)的所述關(guān)斷時(shí)間，使得在空載時(shí)保持所述第一開關(guān)的具有較長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間的減小的占空因數(shù)，并充分地減小在低負(fù)載或空載條件下所述輸出電壓和在滿載條件下所述相應(yīng)的輸出電壓之間的差。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述輸出電壓是所述第一電容器兩端電壓的函數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，當(dāng)所述第一電容器上的所述電壓不再足以將所述齊納二極管保持在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第二電容器通過所述第二開關(guān)放電，直到所述第二開關(guān)不再關(guān)斷所述第一開關(guān)為止，以使得新的開關(guān)循環(huán)能夠開始。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率變換器具有第三開關(guān)，其中，在加載條件期間，所述第一開關(guān)的狀態(tài)是所述第三開關(guān)的所述導(dǎo)通狀態(tài)的函數(shù)。
5.一種具有第一和第二輸入終端和兩個(gè)輸出終端的DC-DC變換器，輸入DC電壓被連接到所述第一和第二輸入終端，在所述兩個(gè)輸出終端提供所述輸出DC功率，所述DC-DC變換器包括變壓器，其包括初級(jí)繞組、次級(jí)繞組、以及輔助繞組，每個(gè)繞組具有第一和第二端，所述次級(jí)繞組被連接到所述輸出終端；第一開關(guān)，其用于控制流過所述初級(jí)繞組的電流，所述第一開關(guān)具有控制輸入端，并且一端連接到所述初級(jí)繞組，另一端連接到所述第二輸入終端，其中，通過自激振蕩來提供對(duì)所述次級(jí)繞組的輸出，并且其中，所述輔助繞組被連接在所述第二輸入終端和所述控制輸入端之間；第一電容器，其在所述第一開關(guān)關(guān)斷期間由所述輔助繞組充電，直到所述變壓器的能量耗盡為止；控制電路，其包括第二開關(guān)，其被連接在所述第一開關(guān)的控制輸入端和所述第一開關(guān)的所述另一端之間，所述第二開關(guān)具有控制輸入端；以及第二電容器，其被連接在所述第一開關(guān)的所述控制輸入端和所述第二開關(guān)的所述控制輸入端之間；以及齊納二極管，其與所述第一電容器串聯(lián)在所述第二輸入終端和所述第二開關(guān)的所述控制輸入端之間；其中，所述第一電容器由所述輔助繞組充電，以保持所述齊納二極管導(dǎo)通，使得所述第二開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)，以便在低負(fù)載或空載條件期間延長(zhǎng)所述第一開關(guān)的所述關(guān)斷時(shí)間。
6.如權(quán)利要求5所述的變換器，其特征在于，所述輸出電壓是所述第一電容器兩端電壓的函數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的變換器，其特征在于，所述輔助繞組的所述第一端被連接到所述第二輸入終端，所述變換器進(jìn)一步包括連接在所述輔助繞組的所述第二端和所述第一開關(guān)的所述控制輸入端之間的串聯(lián)組合的第三電容器和電阻器。
8.如權(quán)利要求7所述的變換器，進(jìn)一步包括串聯(lián)組合的二極管和第一電阻器，所述串聯(lián)組合與跨接于所述輔助繞組兩端的所述第一電容器串聯(lián)。
9.如權(quán)利要求5所述的變換器，進(jìn)一步包括串聯(lián)在所述第二輸入終端和所述第一開關(guān)的所述控制輸入端之間的第三開關(guān)，串聯(lián)在所述第一開關(guān)的所述另一端和所述第二輸入終端之間的電阻，所述第三開關(guān)具有被控制為所述電阻器兩端電壓的函數(shù)的控制輸入端。
10.如權(quán)利要求5所述的變換器，進(jìn)一步包括串聯(lián)組合的二極管和電阻器，所述串聯(lián)組合與跨接于所述輔助繞組兩端的所述第一電容器串聯(lián)。
11.如權(quán)利要求5所述的變換器，其特征在于，所述齊納二極管具有陽極和陰極，并且其中，所述控制電路被連接在所述陰極和所述第一開關(guān)的所述控制輸入端之間。
12.如權(quán)利要求9所述的變換器，其特征在于，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)是NPN晶體管，并且所述第三開關(guān)是PNP晶體管。
13.如權(quán)利要求5所述的變換器，其特征在于，所述第一開關(guān)是MOSFET。
14.如權(quán)利要求5所述的變換器，其特征在于，所述輸入DC電壓是由從AC電源饋送的整流器所產(chǎn)生的未經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓。
15.如權(quán)利要求5所述的變換器，進(jìn)一步包括平滑電路，其包括二極管，所述二極管的陽極被連接到所述次級(jí)繞組的一端，其陰極被連接到一個(gè)輸出終端，所述次級(jí)繞組的所述另一端被連接到另一個(gè)輸出終端，并且第三電容器被跨接于兩個(gè)輸出終端兩端。
16.如權(quán)利要求5所述的變換器，進(jìn)一步包括緩沖電路，其包括第一電阻器、與第三電容器并聯(lián)的第二電阻器、以及二極管的串聯(lián)組合，所述串聯(lián)組合跨接于所述初級(jí)繞組兩端。
17.在具有第一和第二輸入終端和兩個(gè)輸出終端的DC-DC變換器中，其中輸入DC電壓被連接到所述第一和第二輸入終端，在所述兩個(gè)輸出終端設(shè)置有輸出DC功率，其具有包括初級(jí)繞組、次級(jí)繞組、以及輔助繞組的變壓器，每個(gè)繞組具有第一和第二端；所述次級(jí)繞組被連接到所述輸出終端，所述輔助繞組的第一端被連接到所述第二輸入終端，第一開關(guān)與第一電阻器和所述初級(jí)繞組串聯(lián)跨接于所述第一和第二輸入終端；所述第一開關(guān)具有控制輸入端，并且所述第一開關(guān)的一端連接到所述初級(jí)繞組，其另一端連接到所述第二輸入終端，其中，對(duì)所述變壓器的所述次級(jí)繞組的輸出是通過自激振蕩提供的；其中，所述輔助繞組被連接在所述第二輸入終端和所述控制輸入端之間，所述初級(jí)繞組的第一端被連接到所述第一輸入終端；第一電容器與第二電阻器串聯(lián)在所述輔助繞組的所述第二端和所述第一開關(guān)的所述控制輸入端之間，第三電阻器被串聯(lián)在所述第一輸入終端和所述第一開關(guān)的所述控制輸入端之間，第二開關(guān)具有基極、連接到所述第一開關(guān)的所述控制輸入端的集電極和連接到所述第二輸入終端的發(fā)射極終端，第二電容器被跨接于所述第二開關(guān)的所述基極和發(fā)射極兩端，第四電阻器被串聯(lián)在所述第二開關(guān)的所述基極和所述第一電阻器與所述第一開關(guān)的所述第二端的連接點(diǎn)之間，第三電容器與第五電阻器并聯(lián)在第一節(jié)點(diǎn)和所述第二輸入終端之間，第一二極管與第六電阻器串聯(lián)在所述第一節(jié)點(diǎn)和所述輔助繞組的所述第二端之間，所述第一二極管的陽極被連接到所述第一節(jié)點(diǎn)而其陰極被連接到所述第六電阻器，齊納二極管具有被連接到所述第一節(jié)點(diǎn)的陽極以及陰極，第四電容器被連接在所述輸入終端之間，所述控制電路包括第三開關(guān)，其被連接在所述第一開關(guān)的所述控制輸入端和所述第一開關(guān)的第二端之間；所述第三開關(guān)具有控制輸入端；以及第五電容器，其被連接在所述第一開關(guān)的所述控制輸入端和所述第三開關(guān)的所述控制輸入端之間，所述第五電容器的一端被連接到所述齊納二極管的陰極而另一端被連接到所述第一開關(guān)的所述控制輸入端；以及其中，所述第三電容器由所述輔助繞組充電，以保持所述齊納二極管導(dǎo)通，使得所述第三開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)，以延長(zhǎng)所述第一開關(guān)在空載條件期間的關(guān)斷時(shí)間；以及其中，當(dāng)所述第三電容器上的電壓不再足以使齊納二極管保持導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述第五電容器通過所述第三開關(guān)放電，直到所述第三開關(guān)不再關(guān)斷所述第一開關(guān)為止，以使得新的開關(guān)循環(huán)能夠開始。
18.如權(quán)利要求17所述的控制電路，其特征在于，所述變換器進(jìn)一步包括緩沖電路，所述緩沖電路包括第七電阻器、并聯(lián)組合的第八電阻器和第七電容器、以及第三二極管的串聯(lián)組合，所述串聯(lián)組合跨接在所述初級(jí)繞組兩端；其中，所述第七電阻器的一端被連接到所述第一輸入終端和所述初級(jí)繞組的所述第一端的連接點(diǎn)，并且所述第三二極管的陽極被連接到所述初級(jí)繞組的所述第二端。
19.如權(quán)利要求17所述的控制電路，其特征在于，所述第一開關(guān)是NPN晶體管，其具有基極、集電極和發(fā)射極終端，其中，所述第一開關(guān)的所述集電極終端被連接到所述第一開關(guān)的所述第二端，并且所述發(fā)射極終端被連接到所述第一電阻器的一端，并且其中，所述第三開關(guān)是具有基極、集電極和發(fā)射極終端的PNP晶體管，其中，所述第三開關(guān)的所述發(fā)射極終端被連接到所述第一開關(guān)的所述控制輸入端，并且其中，所述第三開關(guān)是具有基極、集電極和發(fā)射極終端的PNP晶體管，其中，所述第三開關(guān)的所述發(fā)射極終端被連接到所述第一開關(guān)的所述基極終端，而所述第三開關(guān)的所述集電極終端被連接到所述第一開關(guān)的發(fā)射極終端。
20.一種具有第一和第二輸入終端和兩個(gè)輸出終端的DC-DC變換器，輸入DC電壓被連接到所述第一和第二輸入終端，在所述兩個(gè)輸出終端提供輸出DC功率，所述DC-DC變換器包括變壓器，其包括初級(jí)繞組、次級(jí)繞組、以及輔助繞組，每個(gè)繞組具有第一和第二端，所述次級(jí)繞組被連接到所述輸出終端；第一開關(guān)，其用于控制流過所述初級(jí)繞組的電流，所述第一開關(guān)具有控制輸入端，并且一端被連接到所述初級(jí)繞組，另一端被連接到所述第二輸入終端，其中，通過自激振蕩來提供向所述次級(jí)繞組的輸出，并且其中，所述輔助繞組被連接在所述第二輸入終端和所述控制輸入端之間；第一電容器，其在所述第一開關(guān)關(guān)斷期間由所述輔助繞組充電，直到所述變壓器的能量耗盡為止；控制電路，其包括由串聯(lián)在所述第一開關(guān)的控制輸入端和所述第一節(jié)點(diǎn)之間的第一和第二電阻器形成的分壓器，并產(chǎn)生分壓；集成電路調(diào)節(jié)器，其第一輸入端被連接到所述第一節(jié)點(diǎn)，所述分壓施加于第二輸入端，并且輸出端被連接到所述第一開關(guān)的所述控制輸入端；第二電容器，其被連接在所述第一開關(guān)的所述控制輸入端和所述集成電路調(diào)節(jié)器的所述第二輸入端之間；其中，所述第一電容器由所述輔助繞組充電，以將電壓提供給所述第一輸入端，響應(yīng)于所述第一和第二輸入端的所述集成電路調(diào)節(jié)器，以延長(zhǎng)在低負(fù)載或空載條件期間所述第一開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間。
21.如權(quán)利要求20所述的變換器，其中，在加載條件期間，所述第一開關(guān)的所述狀態(tài)是第三開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)的函數(shù)。
22.如權(quán)利要求20所述的變換器，其中，所述集成電路調(diào)節(jié)器是TL431調(diào)節(jié)器。
23.如權(quán)利要求21所述的變換器，進(jìn)一步包括被連接到在所述次級(jí)繞組和所述輸出終端之間的，用于平滑所述輸出電壓的平滑電路，和跨接在所述初級(jí)繞組兩端的緩沖電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于通過在空載時(shí)用較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間保持減小的占空因數(shù)，同時(shí)保持輸出電壓擺動(dòng)接近于滿載電平，來為振鈴扼流變換器減小備用功率和改善空載到滿載調(diào)節(jié)的電路和相應(yīng)方法。該減小的占空因數(shù)防止來自相對(duì)于滿載電平更高的擺動(dòng)的輸出電壓，從而提供開路反饋環(huán)系統(tǒng)中的良好的空載和滿載輸出調(diào)節(jié)。該電路和方法通過使用由齊納二極管驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷晶體管來增加主開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，從而甚至用非常小的控制電流也能保持導(dǎo)通和延長(zhǎng)主開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，以提供低空載開關(guān)頻率和占空因數(shù)。該電路和方法優(yōu)選地僅使用成本較低的基本分立變換器組件而不是成本更高的集成電路來實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK1871762SQ200480021985
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者S·馬班塔, D·雷耶斯, M·蓬斯 申請(qǐng)人:雅達(dá)電子國(guó)際有限公司