專利名稱：開關(guān)型電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)周期性地接轉(zhuǎn)施加到變壓器初級(jí)繞組的電壓的開關(guān)晶體管的開關(guān)型電源，它含有一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè)用于操作開關(guān)晶體管的基極電流網(wǎng)絡(luò)，和一個(gè)用于穩(wěn)定次級(jí)電壓的控制級(jí)。這樣一種開關(guān)型電源按回掃變換器原理工作，其中開關(guān)晶體管在接通階段被導(dǎo)通，因此在變壓器中產(chǎn)生磁化，該開關(guān)晶體管在關(guān)斷階段被截止并經(jīng)由變壓器的耦合繞組再次被消磁。為了降低開關(guān)晶體管的接通損耗，開關(guān)型電源另外還具有一個(gè)振蕩階段，其中開關(guān)晶體管在集電極-發(fā)射極電壓振蕩的電壓最小值被導(dǎo)通。
這種類型的開關(guān)型電源已在例如DE44 31 783中和1995年12月的期刊“電子世界和無(wú)線電世界”第1058-1063頁(yè)中公開。它們都各自包含一個(gè)預(yù)先確定開關(guān)型電源的轉(zhuǎn)換頻率的振蕩器。
本發(fā)明的目的是提出一種沒有振蕩器的開關(guān)型電源，它在一個(gè)寬的輸入電壓范圍上穩(wěn)定工作，而且開關(guān)晶體管的接通損耗是最小的。
用下述的本發(fā)明達(dá)到該目的。
一種具有一個(gè)周期性地接轉(zhuǎn)施加到變壓器初級(jí)繞組的電壓的開關(guān)晶體管的開關(guān)型電源，它含有一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè)用于操作開關(guān)晶體管的基極電流網(wǎng)絡(luò)，以及一個(gè)用于穩(wěn)定次級(jí)電壓的控制級(jí)，開關(guān)晶體管在工作期間含有一個(gè)接通階段，一個(gè)關(guān)斷階段和一個(gè)振蕩階段，該開關(guān)型電源經(jīng)由一個(gè)用于為基極電流網(wǎng)絡(luò)供電的基極電流繞組并經(jīng)由控制級(jí)自激振蕩。
一種具有一個(gè)周期性地接轉(zhuǎn)施加到變壓器初級(jí)繞組的電壓的開關(guān)晶體管的開關(guān)型電源，它含有一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè)用于操作開關(guān)晶體管的基極電流網(wǎng)絡(luò)，以及一個(gè)用于穩(wěn)定次級(jí)電壓的控制級(jí)，與控制級(jí)并聯(lián)地設(shè)置一個(gè)具有至少一個(gè)電容器和至少一個(gè)電阻器的網(wǎng)絡(luò)，以便以非常低的負(fù)載并在備用方式下產(chǎn)生開關(guān)晶體管的最小接通持續(xù)時(shí)間。
一種具有一個(gè)周期性地接轉(zhuǎn)施加到變壓器初級(jí)繞組的電壓的開關(guān)晶體管的開關(guān)型電源，它含有一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè)用于操作開關(guān)晶體管的基極電流網(wǎng)絡(luò)，和一個(gè)用于穩(wěn)定次級(jí)電壓的控制級(jí)，其特征在于基極電流網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)在開關(guān)型電源的接通階段提供一個(gè)短電流脈沖的容性網(wǎng)絡(luò)，以在該容性網(wǎng)絡(luò)之間產(chǎn)生正反饋，以及一個(gè)用于為基極電流網(wǎng)絡(luò)供電的基極電流繞組，由此在該繞組與網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生振蕩，該振蕩逐步地導(dǎo)通開關(guān)晶體管。
按照本發(fā)明的開關(guān)型電源的開關(guān)晶體管在接通期間經(jīng)由一個(gè)高阻電阻器、一個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)電容器逐步地導(dǎo)通。此后，開關(guān)型電源經(jīng)由變壓器的另一初級(jí)繞組自激振蕩，并由一個(gè)控制電路控制以便調(diào)節(jié)次級(jí)電壓。為操作該開關(guān)型電源不需要任何附加自激振蕩器。用非常高的阻抗設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路，故而在正常工作期間僅消耗少量的功率。
該開關(guān)型電源按負(fù)載的函數(shù)改變開關(guān)晶體管的轉(zhuǎn)換頻率。例如，正常工作時(shí)，它以大約50-100kHz的頻率振蕩，而在低損耗的備用方式下則以大約20kHz的頻率振蕩。由于在備用方式下開關(guān)晶體管僅接通非常短的時(shí)間(＞200kHz)，因此為開關(guān)型電源配備有一個(gè)附加網(wǎng)絡(luò)，它使開關(guān)晶體管在一規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接通。
借助于一個(gè)與控制電路并聯(lián)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)晶體管在集電極電壓的第一振蕩的最小值之前不久或在最小值以規(guī)定的方式導(dǎo)通。結(jié)果，開關(guān)晶體管的接通損耗是最小的。
該開關(guān)型電源僅需要很少數(shù)量的有源器件因此非常節(jié)省費(fèi)用。即使對(duì)于不穩(wěn)定輸入電壓和不穩(wěn)定的負(fù)載它也具有高穩(wěn)定性。由于開關(guān)晶體管的低轉(zhuǎn)換損耗，可以將該電源的頻率設(shè)計(jì)得比常規(guī)回掃變換器電源的情況下要高得多，以便使開關(guān)晶體管具有相同的總功率損耗。這一較高頻率允許一較小尺寸的變壓器用于同樣傳輸功率。
此外，開關(guān)型電源包括一個(gè)所謂的軟啟動(dòng)電路，該電路允許開關(guān)晶體管在啟動(dòng)階段比在正常工作時(shí)有比較小的最大集電極電流。由于軟啟動(dòng)電路是由一個(gè)回掃電壓控制的，在次級(jí)電壓(特別是系統(tǒng)電壓)短路的情況下，在啟動(dòng)階段僅有小的集電極電流仍是可能的，由此防止了開關(guān)晶體管過(guò)熱。
本發(fā)明尤其可應(yīng)用于電視機(jī)和錄像機(jī)。
下面參照一個(gè)示意性電路圖說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)有益的示范實(shí)施例，附圖中

圖1示出按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)開關(guān)型電源的電路圖。
圖1的電路圖示出了一個(gè)電網(wǎng)電壓接頭AC，其后連接的是一個(gè)橋式整流器，具有二極管TP01-TP04，用于對(duì)AC電壓整流。這一經(jīng)整流的電壓被施加在變壓器LP03上具有接線端9、1的第一初級(jí)繞組，開關(guān)晶體管TP20的集電極-發(fā)射極路徑，以及用作電流檢測(cè)的低阻電阻器RP20上。變壓器LP03具有一個(gè)帶接線端3、4、5的第二初級(jí)繞級(jí)和一個(gè)帶接線端6、7、8的第三初級(jí)繞級(jí)，以及用于產(chǎn)生穩(wěn)定的次級(jí)電壓UB、±UA和UX的次級(jí)繞級(jí)11-17。在例如電視機(jī)中它們被用于為視頻部分、音頻部分及電子電路供電。
開關(guān)型電源按回掃變換器原理工作并具有一個(gè)接通階段、一個(gè)關(guān)斷階段以及還有一個(gè)在關(guān)斷階段之后的振蕩階段。在接通階段，在初級(jí)繞級(jí)9、1中產(chǎn)生電流并在變壓器LP03中出現(xiàn)磁化現(xiàn)象。在某一磁化級(jí)已建立之后，開關(guān)晶體管被截止。在此時(shí)隨后的截止階段，變壓器LP03的磁化被傳輸?shù)酱渭?jí)11-17因此被耗散。在從開通階段變換到截止階段期間，第二初級(jí)繞級(jí)3、4、5上的電壓和第三初級(jí)繞組6、7、8上的電壓各自被反向。
阻尼電容器CP21與開關(guān)晶體管TP20的集電極和發(fā)射極并聯(lián)連接。該電容器CP21用于避免在關(guān)斷的同時(shí)出現(xiàn)的開關(guān)尖峰脈沖，并在開關(guān)晶體管TP20被載止時(shí)被充電。如果變壓器LP03的磁化落在關(guān)斷階段的特定值以下，則振蕩發(fā)生在初級(jí)繞組1、9與電容器CP21之間。這表征跟隨關(guān)斷階段的振蕩階段。在該振蕩階段期間，根據(jù)電網(wǎng)電壓、匝數(shù)比和次級(jí)負(fù)載，開關(guān)晶體管TP20的集電極電壓周期性地落到在振蕩最小值處的0到150V的電壓上。第一最小值是導(dǎo)通晶體管TP20的最佳時(shí)間，因?yàn)檎袷幨窃诖颂幍淖畲笾瞪隙从糜诠β蕚鬏數(shù)恼袷帟r(shí)間是最小的。
用一個(gè)基極電流網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管TP20的基極，該網(wǎng)絡(luò)必須滿足下列要求一方面，為了開關(guān)晶體管TP20的良好飽和在接通階段它必須提供足夠高的正基極電流，另一方面，在開關(guān)晶體管TP20的關(guān)斷階段它必須供給用于快速截止的大的負(fù)基極電流和一個(gè)負(fù)的基極電壓。接通階段的基極電流是通過(guò)第三初級(jí)繞組6、7、8的正向繞組6、7經(jīng)由一個(gè)二極管DP19和低阻電阻器RP19和RP21提供的。
借助于晶體管TP22和TP23經(jīng)由一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)使開關(guān)晶體管TP20截止。這兩個(gè)晶體管TP22和TP23通過(guò)電阻器RP26、RP28和RP29連接在一起構(gòu)成一個(gè)達(dá)林頓電路，它產(chǎn)生非?？焖俚膶?dǎo)通。如果在導(dǎo)通階段開關(guān)晶體管TP20的集-發(fā)射極電流逐漸上升，電阻器RP20兩端的電壓同時(shí)上升。在電阻器RP20兩端大約0.7V的電壓以上晶體管TP22以致晶體管TP23被導(dǎo)通。當(dāng)晶體管TP23導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)晶體管TP20的發(fā)射極和基極被連接到電容器CP23的接線端，因此由于大的負(fù)基極電流的結(jié)果它的負(fù)電荷和電壓使開關(guān)晶體管TP20非?？焖俚娜ワ柡?，從而非?？斓厥顾耆刂?。在每一導(dǎo)通階段期間通過(guò)輔助初級(jí)繞組3、4、5和二極管DP12和DP23對(duì)電容器CP23再次充電。
次級(jí)電壓UB、±UA和UX用初級(jí)側(cè)的控制級(jí)加以穩(wěn)定。為此目的，在截止階段為晶體管TP34供電的正電壓VCC經(jīng)由二極管DP31和DP32從初級(jí)繞組7、8取得。該晶體管TP34為電容器CP22提供偏置電流，該電流取決于電壓VCC。CP22上的電壓是由該直流引起的電壓與電流測(cè)量電阻器RP20兩端的電壓相加得到的。如以上已描述的，當(dāng)電容器CP22上的電壓近似達(dá)到0.7V時(shí)，晶體管TP22以致晶體管TP23導(dǎo)通，而開關(guān)晶體管TP20則截止。
為了精確確定開關(guān)晶體管TP20在振蕩的第一最小值的接通時(shí)間，一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)與控制級(jí)TP34并聯(lián)連接，該無(wú)源網(wǎng)絡(luò)具有二極管DP37、DP38和電阻器RP37，在關(guān)斷階段結(jié)束之后，通過(guò)繞組接線端8將正電流提供給晶體管TP22。
當(dāng)變壓器LP03的磁化在關(guān)斷階段衰減時(shí)，反向電壓下降而所有的正向電壓上升。這時(shí)在接線端6可獲得正電壓，從而在RP19上提供經(jīng)過(guò)二極管DP19使開關(guān)晶體管TP20基極導(dǎo)通的正電流。一旦第三初級(jí)繞組6、7、8的接線端8的電壓已落在0V以下，并且由于二極管DP37、DP38和電阻器RP37的原因在TP22中不再有任何電流流過(guò)，則由于TP22和23飽和它們?nèi)员３纸油āｉ_關(guān)晶體管TP20未被導(dǎo)通直到晶體管TP22和TP23已關(guān)斷后。如果該匹配是最佳的，這一導(dǎo)通發(fā)生在TP20集電極電壓振蕩的最小值。
為了接通開關(guān)型電源，在橋式整流器DP01-DP04的正接線端與電容器CP23的正接線端之間連接有一個(gè)電阻器鏈RP05、RP06和RP07。此外，電容器CP24也與電阻器RP19與二極管DP19并聯(lián)連接。電阻器鏈RP05-RP07具有很高的阻值，以便即使在工作時(shí)也保持發(fā)生在這些電阻中的損耗為低值，因此在啟動(dòng)階段它不足以導(dǎo)通晶體管TP20。因此，當(dāng)開關(guān)型電源被接通時(shí)，用正反饋啟動(dòng)開關(guān)型電源，一個(gè)小電流流過(guò)電阻器鏈RP05-RP07經(jīng)電容器CP23到開關(guān)晶體管TP20的基極，從而產(chǎn)生小的集電極電流。該電流流經(jīng)第一初級(jí)繞組9、1，因此在第三初級(jí)繞組6、7中產(chǎn)生一小的感應(yīng)電壓，該電壓導(dǎo)致此時(shí)再經(jīng)由電容器CP24使開關(guān)晶體管TP20的基極導(dǎo)通的電流。以這種方式產(chǎn)生的集電極電流的增大致使變壓器LP03的磁化進(jìn)一步增大，這一正反饋使開關(guān)晶體管TP20逐步導(dǎo)通直到它完全開啟。借助于一個(gè)較大的電容器(CP24)可使來(lái)自已整流(或未整流)電網(wǎng)電壓(經(jīng)由RP05-07)的啟動(dòng)電流大小減小。該啟動(dòng)電路不限于具有振蕩階段的開關(guān)型電源，也可應(yīng)用于其它回掃變換器電源。
此外，開關(guān)型電源包含一個(gè)所謂的軟啟動(dòng)電路，它含有與二級(jí)管DP25串聯(lián)連接的電阻器RP25和RP27及連接在兩個(gè)電阻器RP25和RP27與地之間的電容器CP25，該軟啟動(dòng)電路將電容器CP22連接到繞組6。在電容器CP22兩端產(chǎn)生的電壓使與回掃電壓成正比的最大允許集電極電流(RP20兩端檢測(cè)的)增大。在次級(jí)電壓短路的情況下，這個(gè)電路產(chǎn)生一個(gè)軟起動(dòng)和一個(gè)最小集電集電流。
在備用方式下，開關(guān)型電源次級(jí)側(cè)的功率輸出很小，例如小于3W。則開關(guān)晶體管TP20的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)非常短，例如近似200ns。這相應(yīng)于很高的頻率，在該頻率下開關(guān)晶體管TP20被非常差地導(dǎo)通，因而具有大的功耗。為了優(yōu)化備用方式下開關(guān)晶體管TP20的接通階段，與控制級(jí)TP34并聯(lián)地設(shè)置一個(gè)包含電阻器RP38和電容器CP38的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)開關(guān)晶體管TP20導(dǎo)通時(shí)，在一個(gè)匝8上的電壓為負(fù)。電容器CP38此時(shí)從電容器CP22和晶體管TP22獲取負(fù)電流。結(jié)果，晶體管TP22被暫時(shí)地完全關(guān)斷，而開關(guān)晶體管TP20導(dǎo)通。通過(guò)使開關(guān)晶體管TP20的接通階段加長(zhǎng)到1μs以上而獲得TP20的良好開關(guān)操作，或者另一方面必須在變壓器LP03中存儲(chǔ)比所需要能量更多的能量。這將轉(zhuǎn)換頻率減小到大約為20kHz。用于產(chǎn)生開關(guān)晶體管的最小接通持續(xù)時(shí)間的這種網(wǎng)絡(luò)并不限于具有一個(gè)振蕩階段的開關(guān)型電源并也能夠應(yīng)用于其它回掃變換器電源。
在此所提出的本發(fā)明是DE 4431783中所描述專利申請(qǐng)的一種進(jìn)一步擴(kuò)展。它在一個(gè)寬的輸入電壓范圍和負(fù)載電壓范圍上具有顯著改進(jìn)的穩(wěn)定性。另外它是用相當(dāng)少的元件構(gòu)成的。工作期間在開關(guān)型電源中出現(xiàn)的損耗同樣非常低，而且減小了變壓器尺寸。
圖1開關(guān)型電源中重要元件的大小如下電阻R/Ohm電容 CRD05120k CP10 100μFRD06120k CP21 470 pFRD07120kCP221.5nFRD120.22CP23100μFRD230.33CP2410nFRD1939 CP251μFRD201 CP3132μFRD214.7 CP3810pFRD224k7RD251k DP33ZPD24RD261k DP34ZPD6U8RD278k2RD2810RD291kRD321kRD333kRD341kRD353kRD363k9D37 15kRD3810kRD440.3權(quán)利要求
1.一種具有一個(gè)周期性地接轉(zhuǎn)施加到變壓器(LP03)初級(jí)繞組(9，2，1)的電壓的開關(guān)晶體管(TP20)的開關(guān)型電源，它含有一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)(TP22，TP23)和一個(gè)用于操作開關(guān)晶體管(TP20)的基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP23，CP24)，并含有一個(gè)用于穩(wěn)定次級(jí)電壓(UB，UA，UX)的控制級(jí)(TP34)，開關(guān)晶體管(TP20)在工作期間含有一接通階段，一關(guān)斷階段和一振蕩階段，其特征在于該開關(guān)型電源經(jīng)由一個(gè)用于為基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP23，CP34)供電的基極電流繞組(6，7)并經(jīng)由控制級(jí)(TP34)自激振蕩。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)型電源，其特征在于與控制級(jí)(TP34)并聯(lián)地設(shè)置一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，該無(wú)源網(wǎng)絡(luò)具有至少一個(gè)正向二極管(DP37，DP38)并具有用于間接地確定(TP22，TP23)開關(guān)晶體管(TP20)的接通延遲的電阻器(RP37)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)型電源，其特征在于該無(wú)源網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)與至少一個(gè)二極管(DP37，DP38)串聯(lián)的電阻器(RP37)，并且如此確定電阻器(RP37)的大小使得接通延遲近似地發(fā)生于第一振蕩周期的最小值。
4.如權(quán)利要求3所述的開關(guān)型電源，其特征在于接通延遲發(fā)生在第一周期的最小值之前不久。
5.一種具有一個(gè)周期性地接轉(zhuǎn)施加到變壓器(LP03)初級(jí)繞組(9，2，1)的電壓的開關(guān)晶體管(TP20)的開關(guān)型電源，它含有一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)(TP22，TP23)和一個(gè)用于操作開關(guān)晶體管(TP20)的基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP24)，并含有一個(gè)用于穩(wěn)定次級(jí)電壓(UB，UA，UX)的控制級(jí)(TP34)，其特征在于與控制級(jí)(TP34)并聯(lián)地設(shè)置一個(gè)具有至少一個(gè)電容器(CP38)和至少一個(gè)電阻器(RP38)的網(wǎng)絡(luò)，以便以非常低的負(fù)載并在備用方式下產(chǎn)生開關(guān)晶體管(TP20)的最小接通持續(xù)時(shí)間。
6.一種具有一個(gè)周期性地接轉(zhuǎn)施加到變壓器(LP03)初級(jí)繞組(9，2，1)的電壓的開關(guān)晶體管(TP20)的開關(guān)型電源，它含有一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)(TP22，TP23)和一個(gè)用于操作開關(guān)晶體管(TP20)的基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP23，CP24)，并含有一個(gè)用于穩(wěn)定次級(jí)電壓(UB，UA，UX)的控制級(jí)(TP34)，其特征在于基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP23，CP24)包含一個(gè)在開關(guān)型電源的接通階段提供一個(gè)短電流脈沖的容性網(wǎng)絡(luò)(CP24)，以在該容性網(wǎng)絡(luò)(CP24)與一個(gè)用于為基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP23，CP24)供電的基極電流繞組(6，7)之間產(chǎn)生正反饋，由此在該繞組(6，7)與網(wǎng)絡(luò)(CP24)之間發(fā)生振蕩，該振蕩逐步地導(dǎo)通開關(guān)晶體管(TP20)。
7.如權(quán)利要求6所述的開關(guān)型電源，其特征在于一個(gè)高阻電阻器設(shè)置在基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP23，CP24)與輸入側(cè)上整流器的輸出端之間，并以與變壓器(LP03)無(wú)關(guān)的小電流為基極電流網(wǎng)絡(luò)(RP19，DP19，RP21，CP24)供電。
8.如權(quán)利要求6或7所述的開關(guān)型電源，其特征在于容性網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)適當(dāng)確定了尺寸的電容器(CP24)。
全文摘要
具有周期接轉(zhuǎn)施加到變壓器初級(jí)繞組的電壓的開關(guān)晶體管的開關(guān)型電源。開關(guān)晶體管(TP20)在接通期間經(jīng)由高阻電阻器(RP05，RP06，RP07)，初級(jí)繞組(6，7)和電容器(CP24)被逐步導(dǎo)通。此后開關(guān)型電源經(jīng)繞組(6，7)自激振蕩并由控制級(jí)(TP24)控制。通過(guò)與控制級(jí)(TP34)并聯(lián)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)(DP37，DP38，RP37)開關(guān)晶體管(TP20)按規(guī)定方式在第一振蕩集電極電壓最小值導(dǎo)通。故開關(guān)晶體管的接通損失最小。備用方式下，開關(guān)型電源配備有讓開關(guān)晶體管接通一規(guī)定時(shí)間的附加網(wǎng)絡(luò)(CP38，RP38)。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1166081SQ9710971
公開日1997年11月26日 申請(qǐng)日期1997年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月15日
發(fā)明者斯蒂芬·洛勒, 讓-保羅·盧弗爾, 彼得·沙里克 申請(qǐng)人:德國(guó)湯姆遜-布朗特公司