CN100505493C - 含待机功能的绿色开关电源及其ic - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能满足绿色环保要求的含待机功能的绿色开关电源，单片含待机功能的绿色开关电源IC或厚膜电路或模块电路设计，由待机电源、主电源、PFC(功率因数校正)装置、和辅助电路组成，采用遥控信号随主误差信号送主控制电路控制主电源开/关机；以及为更好实施本发明而开发的，一种单端混合式开关电源变换电路，一种防止开关电源电流过载和饱和的方法及其开关电源、IC，一种数字处理高品质PFC方法及其装置、IC，一种PC标准(如ATX、ATX12、SSI等)计算机开关电源。

Description

含待机功能的绿色开关电源及其IC

技术领域：

本发明属于开关电源设计技术领域，特别涉及一种能满足绿色环保要求的含待机功能的绿色开关电源(以下简称绿色开关电源)，由待机电源、(遥控开/关机)主电源、PFC(功率因数校正，以下指有源功率因数校正)装置、和辅助电路组成，采用单片绿色开关电源IC或厚膜电路或模块电路、遥控信号随主误差信号遥控主电源设计；以及为更好实施本发明而开发的，一种单端混合式开关电源变换电路，一种防止开关电源电流过载和饱和的方法及其开关电源、IC，一种数字处理高品质PFC方法及其装置、IC，一种PC标准(如ATX、ATX12、SSI等)计算机开关电源。

背景技术：

关于开关电源，有DC-DC(指一路直流电源变换为另一路或一路以上直流电源)或AC-DC(指交流电源变换为一路或一路以上直流电源)变换、隔离式或非隔离式变换电路、升压(Boost型)或降压(Buck型)变换电路、CCM(连续电流模式)或DCM(非连续电流模式)、等分类或定义；其隔离式变换电路有单端式(反激式、正激式)、双端式(推挽式、半桥式和全桥式)结构；变换技术有硬开关变换、软开关(或谐振开关、或零开关)变换；控制技术有PFM(脉冲频率调节)方式和PWM(脉冲宽度调节)方式、电压型和电流型；等等。不管上述公知技术如何分类和定义，如何使用各种变换电路和控制技术，各种开关电源电路均可简化为：变换电路，包括功率管、变压器或电感、一路或一路以上整流滤波输出电路，其中，功率管，单端式有一只功率管，双端式有多只功率管，采用软开关变换还有一只或一只以上辅助功率管，电感，用于简单的非隔离DC-DC变换，变换电路的确定意味着该开关电源采用电感或单端式或双端式、硬开关或软开关等；(电压或电流等)反馈电路，包括采样电路、误差放大器，有时还有反馈隔离电路，采样电路采样输出电路的电压或电流等信号送误差放大器比较和放大，误差放大器输出误差信号；控制电路，包括脉冲调制电路和驱动电路，脉冲调制电路有PFM方式(有PFM电路和脉冲宽度整形电路，不常用)、PWM方式(有PWM电路和振荡器，常用)和其它方式、并根据误差信号生成基本脉冲，采用双端式还有分频互补双脉冲生成电路，采用软开关变换还有软开关多脉冲生成电路，基本脉冲或双脉冲或多脉冲送驱动电路驱动功率管，一般地，误差信号越大，脉冲占空比越大，功率管峰值电流越高，变压器越容易饱和；辅助电路，在启动电路、保护电路、电压参考电路、EMC电路、交流整流滤波电路等辅助电路中根据需要选取，其中保护电路有低电压、高电压、上限电流等保护电路。在开关电源启动或过载时，变压器或电感易饱和、功率管易过电流；因此，公知技术是开关电源IC(如UCx842、TOP210等)采用上限电流保护电路，即在达上限电流时立即关断功率管，要求控制电路有快速反应能力、和功率管有快速关断能力，否则依然会存在损坏变压器或功率管等安全隐患。关于启动电路，公知技术有电阻启动电路、和可关断恒流源启动电路。

关于单端式变换电路，有单端反激式变换电路和单端正激式变换电路，其中单端正激式变换电路需磁复位电路、适用于功率较大的开关电源。

关于PFC(有源功率因数校正)，有单相PFC和三相PFC，CCM(连续电流模式)或DCM(非连续电流模式)，升压、升压+降压和反激式变换，与DCM相配套的有恒频控制、恒定导通时间控制和等面积控制等技术，与CCM相配套的有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制等技术，硬开关和软开关技术，等等。不管上述公知技术如何分类和定义，如何使用各种变换电路及控制技术，各种PFC装置均可简化为：变换电路，包括功率管、变压器或电感、输出电路，其中，采用软开关变换还有一只或一只以上辅助功率管及其软开关变换电路，反激式变换使用变压器；反馈电路，包括采样电路、误差放大器，采样电路采样输出电路的电压信号送误差放大器(其频带宽度一般取10-20Hz)输出误差信号；控制电路，包括脉冲调制电路和驱动电路，误差信号送脉冲调制电路，驱动电路驱动功率管，采用不同的变换电路和控制技术有不同的脉冲调制电路，但经常使用的有恒定导通时间控制电路(如UC3852，具体控制方法：当功率管导通时，电感电流上升，导通时间由误差放大器输出的误差信号确定；当功率管关断时，电感电流下降；当电感电流下降为零时，功率管再次导通，电路工作在DCM与CCM的临界点)、平均电流控制电路(如UC3854，有乘法器、电流误差放大器、PWM和振荡器)和反激式变换控制电路(与单端DC-DC变换控制电路相同)，如采用软开关变换还有软开关控制电路；辅助电路，在启动电路、保护电路、电压参考电路、EMC电路、交流整流电路等辅助电路中根据PFC装置的需要选取。为了防止PFC装置输出电压超过上限带来安全隐患，公知技术在设计反馈回路特性时，在选择输出电容的容量、功率因素、总谐波失真方面做了权衡或牺牲，这使得在重载时降低了功率因素、增加了总谐波失真；虽然如此，在输入电压超过设计值、或输出忽然由重载转为轻载时，由于电压误差反馈特性或输入电压滤波等原因，控制电路可能并不知道输出电压超过上限(如UCx852、UCx854、ML4803等参考设计)，存在安全隐患。

关于绿色开关电源，包括待机电源(或工频变压器整流待机电源，一般要求输出在几瓦到十几瓦以内，在无负载情况下功耗越低越好，目前的先进水平为220VAC小于0.2W)、主电源(一般地，正常状态下主电源能输出几十瓦以上，而待机状态下主电源关闭)、对于输出功率较大的绿色开关电源还需PFC(或无源PFC)装置、EMC电路等；目前的设计方案是把待机电源、主电源分离开来设计；同时，人们更多地关注待机电源设计和单一开关电源设计，而没有明显的动机使人们考虑绿色开关电源的特点、采取综合设计法、因而更有效地降低成本。关于待机电源，通常的设计方案是采用市电变压器线性稳压电源，但难以适应要求越来越高的绿色环保指标；或另一较好方案是采用独立的待机开关电源，如采用TOP系列IC开关电源设计，但成本高于线性稳压电源。关于主电源，目前没有专门的主电源IC(更没有专门的绿色开关电源IC)，而是采用单一开关电源IC设计。按照目前的可选器件(如TOP系列、TNY系列、TL494、UCx842、ML4803、MC44608、UCx854、UCx852等IC)和设计方案，所设计的绿色开关电源不是成本较高，就是不能满足绿色开关电源的设计指标(主要是待机功耗较大)。

发明内容：

本发明目的在于克服公知技术的不足之处，提出一种能满足绿色环保要求、更低成本或高品质的，由待机电源或单元、(遥控开/关机)主电源或单元、PFC装置或单元、和辅助电路组成的绿色开关电源及其IC；一种单端混合式开关电源变换电路；一种防止开关电源电流过载和饱和的方法及其开关电源、IC；一种数字处理高品质PFC方法及其装置、IC；一种PC标准(如ATX、ATX12、SSI等)计算机开关电源。

本发明提出的绿色开关电源，包括待机电源、(遥控开/关机)主电源和辅助电路，或包括PFC装置、待机电源、主电源和辅助电路，其中，有一遥控信号送主电源遥控主电源开/关机，待机电源至少为主电源开机提供工作电源，待机电源的直流输入端和主电源的直流输入端共地；所述待机电源，包括待机变换电路、待机反馈电路、待机控制电路和待机辅助电路，其中待机控制电路与待机电源直流输入端共地；或者所述待机电源采用RCC开关电源或工频变压器直流电源；所述主电源，包括主变换电路、主反馈电路、主控制电路和主辅助电路，其中主控制电路与主电源直流输入端共地；所述辅助电路，在上电启动电路、交流整流滤波电路、电压参考电路、EMC电路等电路中根据需要选取；所述PFC装置，包括PFC变换电路、PFC反馈电路、PFC控制电路和PFC辅助电路，或者采用无源PFC装置，如采用PFC装置则至少有一路输出作为主电源的直流输入端；

所述待机电源的，待机变换电路，至少包括待机功率管、待机变压器、一路或一路以上待机整流滤波输出电路(简称待机输出、待机输出电路)，为了降低成本，一般采用单端反激式变换电路、需较大功率时待机电源可采用单端正激式或单端混合式变换电路、由待机控制电路直接驱动待机功率管，而很少采用软开关和双端式的变换电路；待机反馈电路，采用待机隔离反馈电路或待机不隔离反馈电路；待机隔离反馈电路包括待机采样电路、待机误差放大器和待机隔离电路(一般采用光耦隔离，也可采用其它方式隔离)，待机采样电路采样待机输出的电压信号、送待机误差放大器、产生待机光耦电流经待机隔离电路输出待机误差信号，且待机光耦电流越小则待机误差信号越大；待机不隔离反馈电路包括待机采样电路、待机误差放大器，待机采样电路采样由待机变压器绕组整流滤波后可以作为待机控制电路的工作电源的与待机输出电压成比例的电压信号、送待机误差放大器输出待机误差信号，待机不隔离反馈电路适用于要求待机输出电压精度不高的场合、和有更低的成本；待机控制电路，至少包括待机脉冲调制电路和待机驱动电路，待机脉冲调制电路根据待机误差信号产生待机脉冲，采用单端式待机变换电路待机脉冲直接送待机驱动电路，待机驱动电路驱动待机功率管，待机脉冲调制电路有PFM方式、PWM方式或其它方式，采用PFM方式有待机脉冲频率调节电路和待机脉冲宽度整形电路，采用PWM方式有待机脉冲宽度调节电路和待机振荡器；待机辅助电路，在待机保护电路、待机电压监视电路等电路中根据需要选取；

所述主电源的，主变换电路，至少包括主功率管、主变压器、一路或一路以上主整流滤波输出电路(简称主输出、主输出电路)，为了降低成本，一般采用单端式主变换电路、由主控制电路直接驱动主功率管，在要求转换效率时可采用单端式软开关主变换电路；主反馈电路，采用主隔离反馈电路，至少包括主采样电路、主误差放大器、主隔离电路(一般采用光耦隔离，也可采用其它方式隔离)、遥控电路，主采样电路采样主输出的电压信号、送主误差放大器、产生主光耦电流经主隔离电路输出主误差信号，遥控电路采用光耦隔离(也可采用其它方式隔离)将遥控信号送主控制电路；主控制电路，至少包括主脉冲调制电路、主驱动电路和主电源禁止电路(如采用双端式和/或软开关变换电路还需其它电路)，如遥控信号为关则主电源禁止电路强制主驱动电路输出低电平使主功率管关断，否则主脉冲调制电路根据主误差信号产生主脉冲、采用单端式主变换电路主脉冲直接送主驱动电路、主驱动电路正常驱动主功率管(通常单端式采用直接驱动)，主脉冲调制电路有PFM方式、PWM方式或其它方式，采用PFM方式有主脉冲频率调节电路和主脉冲宽度整形电路，采用PWM方式有主脉冲宽度调节电路和主振荡器；主辅助电路，在主保护电路、主电压监视电路等电路中根据需要选取；

所述PFC装置的，PFC变换电路，至少包括PFC功率管、PFC变压器或PFC电感、一路或一路以上PFC输出电路，其中，反激式变换使用PFC变压器；PFC反馈电路，包括PFC采样电路、PFC误差放大器，PFC采样电路采样PFC输出电路的电压信号、送PFC误差放大器输出PFC误差信号；PFC控制电路，至少包括PFC脉冲调制电路和PFC驱动电路，PFC误差信号送PFC脉冲调制电路，PFC驱动电路驱动PFC功率管；PFC辅助电路，在PFC启动电路、PFC保护电路、交流整流电路等电路中根据需要选取。

或所述主电源，采用遥控信号随主误差信号送主控制电路遥控主电源开或关；在主控制电路有工作电源、而主反馈电路无工作电源时主误差信号小于阈值(一般为最小值)；当遥控信号为关时强制主误差信号小于阈值(或最小值)，当遥控信号为开时对主误差信号无作用，如主误差信号小于阈值则认为遥控信号为关、和主控制电路关闭主电源；所述阈值为主误差信号最小值(通常为0)和最大值(通常为100％)之间任意值、一般为最大值的几分之一，当阈值为合适值时容易判定主电源开或关机、和有利于提高轻载时主电源的转换效率，如设阈值为25％、和主电源负载小于25％，则主电源将开/关机循环工作；因此上述主电源部分电路变为：遥控电路无需独立的隔离电路，在遥控信号为关时强制主误差信号小于阈值(如强制调整主输出的电压信号、或强制调整主光耦电流、或直接切断主反馈电路的工作电源等方法)，而遥控信号为开时遥控电路不起作用，主采样电路采样主输出的电压信号、送主误差放大器、产生主光耦电流经主隔离电路输出主误差信号；最好，当主输出的电压信号大于设定值时主光耦无电流、主误差信号最小，否则主输出的电压信号误差越大则主光耦电流越大、主误差信号也越大；主电源禁止电路，监视来自主反馈电路的主误差信号，如主误差信号小于阈值则认为遥控信号为关、强制主脉冲调制电路不输出脉冲和主驱动电路输出低电平、或其它强制关闭主电源的方法，否则主脉冲调制电路根据主误差信号产生主脉冲、主驱动电路正常驱动主功率管(通常单端式采用直接驱动)；为保证在主反馈电路无工作电源时主误差信号小于阈值、可在主控制电路中采用电阻或恒流源下拉输入主误差信号。

本发明所述绿色开关电源，其特征在于，采用一片绿色开关电源IC，该IC至少集成待机控制电路、主控制电路和辅助电路；所述辅助电路，包括基准电压源、启动电路、偏置电路等，基准电压源为内部电路提供基准电压，启动电路为内部电路建立初始工作条件，偏置电路为内部电路建立偏置；当待机脉冲调制电路和主脉冲调制电路都采用PWM方式和相同的工作频率时，待机脉冲调制电路和主脉冲调制电路共享PWM振荡器，有更低的成本；该IC还集成了PFC误差放大器和PFC控制电路；该IC还集成了采样该IC的工作电压的待机采样电路和待机误差放大器，通常采用该IC的绿色开关电源、由待机电源提供工作电源、所设内部待机反馈电路限制了该IC的最高工作电压、仍可采用待机隔离反馈电路与内部待机反馈电路并用、但内部待机反馈电路有限制待机输出电压的作用，该IC特别适用于对待机输出电压精度要求不高、无需待机隔离电路、更低成本的绿色开关电源。

本发明所述绿色开关电源，其特征在于，遥控信号随主误差信号送主控制电路，采用一片主电源IC，该IC至少集成主控制电路。

本发明所述绿色开关电源，其特征在于，采用一种绿色开关电源厚膜电路，该厚膜电路至少包括待机控制电路、主控制电路；该厚膜电路最好还包括待机反馈电路、主反馈电路；该厚膜电路还包括PFC反馈电路和PFC控制电路。

本发明所述绿色开关电源，其特征在于，采用一种绿色开关电源模块电路，该模块电路至少包括待机控制电路、待机反馈电路、主控制电路、主反馈电路；该模块电路最好还包括待机变换电路；该模块电路还有PFC反馈电路和PFC控制电路。

一种PC标准(如ATX、ATX12、SSI等)绿色计算机开关电源，采用本发明所述绿色开关电源，至少包括待机电源、主电源；所述待机电源的待机变换电路采用单端式变换电路；所述主电源的主变换电路采用单端混合式或单端正激式变换电路；所述绿色计算机开关电源还包括PFC装置。

本发明提出一种单端混合式开关电源变换电路，至少一路为单端正激式输出、和至少一路为单端反激式输出，任意一路单端正激式输出可以与某一路单端反激式输出同路；上述可理解为，单端正激式脉冲电流输出，励磁电流不返回到直流输入端(绕组磁复位)、而是通过次级绕组泄放到开关电源的输出端(泄放过程等同于单端反激式)；所述次级绕组是独立次级绕组或与其它正激输出绕组共享，由于励磁电流的能量可设计为远小于正激转换的能量，因此在需多路输出时可选一路功率输出较大的输出端泄放励磁电流；一般设计单端混合式变换电路时，其输入端等效磁复位电压小于最高允许直流输入电压、和输出端绕组匝数较少，因此，有利于降低开关功率管的耐压、适用于更宽的输入电压、和简化了开关变压器的制造。

本发明提出一种防止开关电源电流过载和饱和的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测变压器初级或电感或功率管电流是否超过上限电流；

2)若超过上限电流，则产生调整信号调整或间接调整误差信号，使得在下一个或几个脉冲调制周期内，占空比变小，变压器初级或电感或功率管峰值电流变小。所述误差信号为误差放大器的输出信号或脉冲调制电路的输入信号；所述调整误差信号为直接调整误差信号；所述间接调整误差信号为采用调整误差放大器的输入信号或调整采样电路的输出信号等间接调整方法，达到调整误差信号的目的。

上述的步骤2)具体方法可为；当检测到超上限电流时，将误差信号调整一次，调整量为一固定值。

上述的步骤2)具体方法还可为；当检测到超上限电流时，在当前及后面多个脉冲调制周期内将误差信号连续调整，调整量由大到零；在该连续调整的过程中，若又检测到超上限电流时，则调整过程重新开始，调整量重新由大到零。

所述的步骤2)具体方法，最好为调整误差信号，误差放大器输出最好为开路上拉输出并有一只负载电容，强制调整为泄放电容电荷。

本发明提出采用上述方法的一种开关电源，为防过载防饱和开关电源，包括：变换电路(包括功率管、变压器或电感、一路或一路以上整流滤波输出电路，有时还有软开关电路等，为公知的各类变换电路)、反馈电路(包括采样电路、误差放大器、有时还有反馈隔离电路)、控制电路(包括脉冲调制电路和驱动电路，脉冲调制电路有PFM方式和PWM方式或其它方式，采用PFM方式有脉冲频率调节电路和脉冲宽度整形电路，采用PWM方式有脉冲宽度调节电路和振荡器，采用双端式还有分频互补双脉冲生成电路，采用软开关技术还有软开关多脉冲生成电路)和辅助电路(在启动电路、保护电路、电压参考电路、EMC电路、交流整流滤波电路等辅助电路中根据开关电源的需要选取)；其特征在于，所述辅助电路的保护电路至少包括依次相连的变压器初级或电感或功率管的电流采样电路、变压器初级或电感或功率管的上限电流检测电路、和根据该检测电路的输出信号执行调整或间接调整误差信号的调整电路。所述调整电路可采用下降沿触发带高电平预置的D触发器，该D触发器的时钟信号为所述控制电路的脉冲调制电路根据来自反馈电路的误差信号生成的基本脉冲(基本脉冲为高电平时有所说的变换电路的唯一功率管或某只功率管开)，该D触发器的数据口输入低电平，该D触发器的预置输入口输入为所述检测电路的输出信号(检测电路检测到超上限电流时输出高电平)，D触发器高电平时开路输出执行调整或间接调整误差信号；因此，当检测到超上限电流时，该调整电路将误差信号调整一次，调整量为一固定值。

本发明所述开关电源，其变换电路采用单端式变换电路，所述功率管采用三极管，所述驱动电路至少有两路输出信号，其中一路与该三极管的基极相连，另一路与该三极管的发射极相连；该三极管的基极通过一个高阻值的电阻与高压电源相连。所述变换电路在相应的电路配合下，高阻值的电阻和三极管可以作为所说的辅助电路的上电启动电路的一部分，同时提高了三极管的耐压，在后面的叙述中将结合附图有进一步的描述。

本发明所述开关电源，采用一片开关电源IC，所述IC至少集成了部分控制电路和部分保护电路。

本发明提出的一种数字处理高品质有源功率因数校正方法，其特征在于：采用基准电路和PFC基准信号，代替公知技术的反馈电路和误差信号，所说的基准电路至少包括依次相连的输出电路的电压信号采样电路、电压信号检测或模数变换(A/D)电路、基准逻辑电路和基准输出电路；所说的基准逻辑电路对数字化后的电压信号进行数字逻辑处理产生数字化基准信号，并对基准信号在设定的每个周期结束点进行调整，而在设定的每个周期内尽量保持基准信号不变；所说的周期为市电半周期的整数倍，每个周期的结束点与市电半周期的边沿同步(需市电同步输入)；或所说的周期远大于市电的半周期(可采用内部计时周期)；或所说的周期既不与市电半周期的边沿同步又不远大于市电的半周期，但要求对基准信号一次调整量较小(可采用内部计时周期)，以满足IEC1000-3-2和IEC1000-3-4标准的各项指标。

本发明提出的一种采用所述功率因数校正方法的功率因数校正装置，包括：变换电路，包括功率管、变压器或电感、输出电路；基准电路；控制电路，包括脉冲调制电路和驱动电路，基准信号送脉冲调制电路控制脉冲生成；辅助电路，包括交流整流电路，和在启动电路、保护电路、电压参考电路、EMC电路等辅助电路中根据PFC装置的需要选取。

本发明所述的功率因数校正装置，其特征在于，所说的脉冲调制电路包括比例电流电路、定时电路、脉宽调制逻辑电路、电流放大器和振荡器，其连接关系为：比例电流电路的输入为PFC基准信号，其输出为两路比例电流送入该定时电路，定时电路的一对数字信号送该脉宽调制逻辑电路，脉宽调制逻辑电路返回一对数字信号到该定时电路，电流放大器的输出信号送定时电路，振荡器输出信号到脉宽调制逻辑电路，最后由脉宽调制逻辑电路输出脉冲信号。所说的脉冲调制电路各部分在后面的叙述中将结合附图做进一步的描述。

本发明所述的功率因数校正装置，采用功率因数校正IC，该IC至少集成了部分基准电路；该IC还集成了部分控制电路。

本发明所述绿色开关电源最佳技术方案：单片绿色开关电源IC设计，待机电源采用单端反激式或单端混合式、PWM方式、待机驱动电路直接驱动待机功率管、防过载防饱和设计(在保证达到峰值5V@2.5A输出能力同时，无待机输出时待机功耗可小于0.2W或更低，这对于电视机等待机功耗可小于0.5W或更低，可支持更苛刻的绿色电源标准)；主电源采用单端反激式或单端混合式、PWM方式、与待机电源共享PWM振荡器、主驱动电路直接驱动主功率管、遥控信号随主误差信号控制主电源开/关机、防过载防饱和设计PFC装置采用数字处理高品质PFC设计。

有益效果：

采用单片绿色开关电源IC设计绿色开关电源，不仅能简化电路，而且能有效降低成本和提高品质；采用单片绿色开关电源厚膜电路或模块电路，具有性能可靠和易于维护的特点；采用遥控信号随主误差信号送主控制电路控制主电源开/关机，具有更低成本，和有防误动作的效果；采用单端混合式替代单端正激式，降低了功率管的耐压，更安全；采用防过载防饱和、数字处理高品质PFC，具有突出的技术优势和高品质；上述技术用于PC标准(如ATX、ATX12、SSI等)计算机开关电源，能有效降低成本和提高品质。

附图说明

下面结合本发明附图和非限定实施例做详细阐述。

图1为防过载防饱和、带启动电路的非限定PWM开关电源原理示意图。

图2为另一种防过载防饱和、带启动电路的非限定PWM开关电源原理示意图。

图3为优选、防过载防饱和非限定PWM主电源实施例原理示意图。

图4为优选、数字处理高品质的非限定PFC原理示意图。

图5为另一种优选、数字处理高品质的非限定PFC原理示意图。

图6为优选、简化数字处理高品质非限定PFC原理示意图。

图7为优选非限定绿色开关电源实施例示意图。

图8为优选非限定绿色开关电源实施例示意图。

图9为优选非限定绿色开关电源实施例示意图。

图10为非限定PC ATX标准绿色开关电源应用例示意图。

图11为另一种非限定PC ATX标准绿色开关电源应用例示意图。

图12为优选无PFC非限定PC ATX标准绿色开关电源应用例示意图。

图13为单端混合式开关电源结构原理示意图。

图14为单端混合式开关电源结构原理示意图。

上述所有附图标注的电压值和电阻值为非限定值，可根据设计目标和需求而设定为其它值M OS管或三极管一般可改变驱动与三极管或MOS管互换。

具体实施方式

图1和图2，可作为独立使用的开关电源(如充电器、绿色开关电源IC待机电源单元、或通用开关电源)，Q1为优选经济型功率三极管(如13003、BUX87等)；Qd为优选内置功率管、或外置功率管；虚线框内为IC部分，但Rb和Qa根据半导体工艺可集成于IC内或外置，Rb还可按一般较小输出功率的要求优化阻值集成于IC内，如需大于内置输出功率时可外置并联电阻来满足要求。图3可作为绿色开关电源IC的主电源，虚线框内为IC电路部分，大功率管Q2可外置或集成于IC内。Ia，Ib电流源。

S0，施密特比较器，IC电源电压监视电路(或启动电路的一部分)，如SO低电平则为启动状态，如SO高电平则为正常状态。图1，启动状态，Qa关断、PCL.QC高阻(或输出受控)，高压高阻值R1提供基极微电流使功率管Q1以较小集电极电流导通，经二极管Da给IC电源电容CO充电，构成启动电路，为了Q1的启动安全，可检测充电电流、控制PCL.QC输出、改变Q1基极电流，使Q1电流为安全值(如3mA等)；正常状态，PCL.QC、Qa为正常输出，R1失去作用；因此，考虑Q1的放大作用，与以电阻限流启动电路相比，正常状态时该启动电路保持的损耗至少小一个数量级。图2，启动状态，高压电流源开启为电容C0充电，构成PWMs启动电路；正常状态，PWMs恢复正常状态，高压电流源关闭。图3，由于主电源可与待机电源共享IC电源电压监视电路，因此可使SO对PWM2也有作用(图中未画出)，启动状态，PWM2关闭。

图1，正常状态时，PCL.QC和PCL.Q输出相同，如输出高电平，Q1和Qa导通，Rb检测Q1瞬时电流；如输出由高电平转为低电平，Qa截止，但由于存储效应的原因，Q1不会立即截止，二极管Da续流、或设计延时电路使Qa延时到Q1截止后关闭、或Qa使Q1发射极箝位约1.5V(此值既能提高Q1的耐压，又使IC有较低的功耗)，Q1基极电压0V因而反偏，因此提高了Q1的集电极耐压。图2，正常状态时，PCLs.Q如输出高电平，Qd导通，Rb检测Qd瞬时电流；如输出低电平，Qd截止。图3，正常状态时，PCL2.Q如输出高电平，Q2导通，R2检测Q2瞬时电流；如输出低电平，Q2截止。

S2，PWM比较器(或PWM电路，图示采用电流模式，也可采用电压模式)，原理是，振荡器Q的上升沿功率管开始导通，变压器初级电流增加，Rb或R2的压降也增加，当该压降等于或大于误差信号(反映在C1或C2上的电压UC1或UC2)时，S2输出低电平，功率管关闭；但振荡器决定最大占空比，原理是，S2仍输出高电平，振荡器Q变为低电平，则功率管关闭；S1，施密特比较器(或作为主电源禁止电路)，原理是，误差信号低于设定值(阈值)则功率管PWM周期强制关闭，如高于设定值则功率管PWM周期开启，因此提高了开关电源轻载时的转换效率。

S3，上限电流比较器(或上限电流检测电路)，如果变压器初级或功率管达上限电流，S3在启动防过载防饱和控制逻辑S5(调整电路)同时关闭功率管(可选，理由是关闭功率管由S2负责)。S5有许多解决方案，本发明认为最简易方案是，S5被启动一次，S4则导通一个振荡器周期；但须满足以下条件，S4在一个PWM(或振荡器)周期内平均电流(称为I4)大于电流源Ia(图1和图2)或主电压反馈电流减电流源Ib(图3，差值为Ic)；I4和Ia或Ic在一个PWM周期内对UC1或UC2共同贡献可选在2.8V^＊(-10％)以内，而此时的最大输出电流应在95％以上，如Ia对UC1贡献为2.8V^＊3.3％，则I4可选为Ia的3-4倍比较好；因此，误差信号降低(即强制调整误差信号)，下一个或几个PWM周期，占空比变小，变压器初级或功率管的峰值电流将减小；对于快速功率管、容量充足的变压器和响应较快的控制电路，过载时，误差信号在最大值附近；对于较慢功率管、或容量不足的变压器(变压器一旦饱和，其初级电流迅速上升，到达或超过上限电流)或响应较慢的控制电路，在过载时，误差信号将小于理论计算最大值，控制电路将超前关断功率管；虽然仍有功率管超上限电流或变压器饱和，但时间极短，可以保证功率管和变压器的安全，提高了可靠性。

S5的另一方案是，S5被启动一次，I4＝Ia(或Ic)^＊1.2；后继PWM周期S5如无被启动，I4＝Ia(或Ic)^＊0.8，然后停止S5；上述倍数1.2和0.8可以是其它大于1和小于1的值，但应考虑开关电源的瞬态响应；此方案可进一步提高对功率管和变压器保护，增大最大输出电流。S5还可采用数字处理逻辑方案，自适应收敛过载时的I4。为了便于在使用过程中的监视，S5最好输出过载监视信号(原理是S5被启动一次产生一次输出，可直接由LED指示，图中未画出)。

图1、图2及图3采用单端式连续电流模式，则应为PCL、PCLs、PCL2和S5设计延时电路，防止开启尖峰使功率管误关断或S5误启动。

上述防过载防饱和开关电源PWM控制技术也适用于推挽式、半桥式和全桥式等结构，如添加防过载防饱和保护电路检测到功率管或变压器初级超上限电流，则强制调整误差信号(如为TL494添加S3、S5，S5强制调整3脚或4脚电平)，使得在下一个或几个PWM周期内，占空比变小，功率管或变压器初级的峰值电流将减小，因此保护了功率管和变压器，提高了开关电源的安全性和可靠性。

上述对图1的论述可部分改述如下：一种采用单只经济型开关功率三极管、适用于单端式的PWM控制电路(或IC)，有两路输入输出分别接功率管的基极和发射极，功率管的基极有高压高阻值电阻接高压源或功率管的集电极(通过变压器初级接高压源)。启动状态时，接基极的一路高阻态(或输出受控)，高压高阻值电阻提供功率管基极微电流，功率管发射极小电流通过二极管给IC电源滤波电容充电(或限流充电)，完成启动。正常状态时，PWM正周期，一路使功率管基极正偏，一路下拉功率管发射极，功率管导通；PWM负周期，一路下拉功率管基极，由于存储效应的原因，功率管不会立即截止，可由二极管为功率管发射极续流、或下拉发射极延时到功率管截止时关闭、或功率管发射极箝位，但在功率管截止后，其基极反偏，因此提高了功率管的集电极耐压。

图4、图5、图6，可作为独立使用的PFC，虚线框内为IC电路。R3检测PFC电感Lp电流，PFC电流(即Lp电流)基准输出滤波电容Cir和大功率管Qp可外置或集成于IC内。UD，市电整流同步输入，RV，高压高阻限流电阻。Rh、RI，PFC输出电压信号采样电路，不滤波或滤去大于约数千Hz的高频噪声；A，电压信号检测，采用四电压比较器输出高高压Vhh、高压Vh、低压VI、低低压VII信号，或一个A/D(模/数)转换器。IR0，PFC电流基准输出累加器(根据溢出输出转换为电容Cir电压，为PFC电流提供基准，是一种D/A(数/模)转换；但电容Cir电压与IR1乘反比)；IR1，当前PFC电流基准输出寄存器；IR2，PFC电流基准输出寄存器IR3，大周期PFC平均电流基准输出寄存器；II，当前PFC电流基准输出寄存器(IR1)大周期累加器；CT，大周期计数器；IR0、IR1、IR2、IR3(根据精度需求)优选8位或9位，CT(大周期应大于市电周期，可在较宽范围内选取)优选12位，则II优选20位或21位。

图4，PFC电流基准产生逻辑(即数字处理单元，IR Logic)：应在上电复位后延时若干，PFC Logic置允许信号，完成PFC软启动特性，同时置IR2和IR3为其最大值的一半，II和CT复位；一个大周期完成，由II得大周期电流基准输出平均值装入IR3，启动新的大周期；电压检测0000(指Vhh＝0、Vh＝0、VI＝0、VII＝0，只有0000、0001、0011、0111、1111五种状态)，IR1置最大值(stf)，防止PFC输出电压跌落太多；电压检测1111，IR1置0(cIO)，PFC Logic置禁止信号，防止PFC输出电压超过上限，在电压检测恢复到0011后，PFC Logic置允许信号；电压检测非0000或非1111，而且PFC Logic为允许，IR2装入IR1；电压检测0000到0001或1111到0111，IR3装入IR2，使用大周期平均电流基准；电压检测0111到0011再到0111，IR2下调，搜索实际的IR2值；电压检测0011到0001再到0011，IR2上调，搜索实际的IR2值；对于较稳定的负载，IR2下调或上调，减一或加一即可；对于变化较大的负载，可采用一个调整当量寄存器，如果IR2为连续下调或连续上调，则调整当量寄存器增加，否则调整当量寄存器减少，因此，IR2下调或上调，为IR2减或加调整当量寄存器；可采取限制措施保证IR2大于指定值，使PFC工作在连续电流模式。

图5，PFC电流基准产生逻辑(IR1Logic)：与上述IR Logic原理基本相似，所不同的是，IR2的变更(下调或上调或装入)，与UD的上升沿或下降沿同步(以下简称UD同步，即市电半周期同步)；电压检测0000到0001或1111到0111，UD同步IR3装入IR2；电压检测0111，UD同步IR2下调；电压检测0001，UD同步IR2上调；电压检测0011不动作，因此可将Vh、VI合并为一个信号，仅有0000、0001、0111、1111四种状态，但不合并IR2将减少变更频率；因此，在市电的半周期内PFC电流基准恒定。

图6，PFC电流基准产生逻辑(IR2Logic)：应在上电复位后延时若干，置PFC Logic允许信号，完成PFC软启动特性；电压检测1111，PFC Logic置禁止信号；UD同步电压检测0111，PFC电流基准置Ri1；UD同步电压检测0011，PFC Logic置允许信号，PFC电流基准置Ri2；UD同步电压检测0001，PFC电流基准置Ri3；UD同步电压检测0000，PFC电流基准置Ri4；Ri1、Ri2、Ri3、Ri4电流基准(由小到大排列，方案1：25％，50％，75％，100％；方案2：40％，60％，80％，100％；不同方案，VA需做相应调整)，可视为D/A变换，因此，可设计为4位D/A变换，IR2Logic则设计为更复杂的逻辑，根据电压检测计算出更精确的PFC电流基准，但应保证PFC电流基准的变更与UD同步。

上述图4、图5、图6PFC电流基准产生逻辑单元，可直接替代UC3854(或类似IC)的误差放大器，构成新的更安全、更可靠、高品质的连续电流模式控制IC；或直接替代UC3852(或类似IC)的误差放大器，构成新的更安全、更可靠、高品质的非连续电流模式恒导通时间控制IC。

图4、图5、图6PFC可以是平均电流模式，工作在CCM或DCM(但对DCM，R3检测PFC电流须滤波后送-4放大器)；-4为PFC电流放大器，PFC电流放大器输出送定时电路；Imk为比例电流电路，由三只三极管或MOS管组成，一只电流基准输入，二只比例电流输出；定时电路，由两只比例电容(图中为30PF和15PF，IC内或外置，以下简称Ct2和Ct1)、为比例电容放电的二只三极管或MOS管(Ta、Tb)、两个监视比例电容电压的放大器(Aa、Ab)组成，一对数字信号输入分别控制Ta、Tb开/关，Aa、Ab输出一对数字信号；PFC基准输出电路通过Cir、Ri(或直接)输出电流基准，由Imk产生相等的稳流为两只容量比为2∶1的电容稳流充电；PFC Logic(脉宽调制逻辑电路)原理是：与振荡器同步工作，但受PFC Logic允许信号控制；振荡器上升沿，PFC进入关断周期，即PFC功率管Qp关闭、PFC电感Lp电流下降，Ct2放电管Ta关闭并稳流充电，Ct1放电管Tb保持开启并Ct1电压保持为0；当Ct2的电压所表示的电流等于PFC电感电流时，即比较器Aa上升沿，Ct1放电管Tb关闭并稳流充电；当Ct1电压赶上Ct2的电压时，即比较器Ab上升沿，进入PFC开启周期，PFC功率管Qp开启、PFC电感Lp电流增加，Ct2放电管Ta和Ct1放电管Tb开启、Ct2和Ct1被放电为0电压，直到下一个振荡器上升沿结束、开始新的PFC周期；可以证明，此控制原理在连续电流模式和R3检测无需滤波的情况下，PFC为理想的平均电流模式，而且在Aa上升沿时Lp电流为平均电流。

图4、图5、图6所示VA电压信号检测，也可采用不为四个的检测输出信号，或A/D转换器(如一比特A/D等)输出电压值，因此可理解VA为A/D变换、PFC电流基准最终产生为D/A变换器(或基准输出电路)，但PFC电流基准产生逻辑(或基准逻辑电路)应符合下述原则：VA输入不滤波或滤去高频噪声；最好有Vhh逻辑，当PFC处于Vhh＝1时，PFC禁止，防止PFC输出电压超过上限；最好有VII逻辑，当PFC处于VII＝0时，PFC置较大或最大电流基准，防止PFC输出电压跌落太多，为了便于使用过程中的监视，最好输出VII监视信号(原理是在VII＝0时输出监视信号，图中未画出)；虽然Vhh和VII可选，但有Vhh和VIIPFC将更安全更合理；非Vhh＝1或非VII＝0时，PFC在较大周期内保持PFC电流基准恒定，即在较大周期开始或结束时调整一次电流基准，而且，较大周期最好与市电的半周期整数倍的边沿同步，或远大于市电的半周期，或PFC电流基准调整较小；根据VA输2入A/D和PFC电流基准产生D/A变换的复杂性，可采用更精确的PFC电流基准产生逻辑。因此，上述PFC技术的电流基准产生逻辑可用单片机等有数字处理能力的IC实施。

因此，本发明数字处理PFC控制电路，具有理想的功率因素(可等于1)，和理想的总谐波失真(可等于0)，是高品质的PFC控制电路。

图7、图8、图9采用防过载防饱和、数字处理高品质PFC设计的绿色开关电源，单片绿色开关电源IC设计，待机误差放大器、主误差放大器采用TL431，有待机隔离电路和主隔离电路，-Pm遥控信号随主误差信号送主控制电路，遥控电路采用三极管为开关直接控制主反馈电路的工作电源，其虚线框内为三款优选的绿色开关电源IC(需引用图1到图6虚线框内电路)，为了便于在使用过程中的监视，最好分别输出待机电源过载监视信号、主电源过载监视信号、PFC VII监视信号、或合并为一个监视信号(图中均未画出)；如不需包括PFC，则构成另外两款优选的无PFC功能的绿色开关电源IC。上述IC，主电源、待机电源和PFC装置可共享同一个全集成或外置定时元件的振荡器，各所需频率可变换取到。

图10、图11、图12采用防过载防饱和、数字处理高品质PFC设计的一种PC标准(如ATX、ATX12、SSI等)绿色计算机开关电源，单片绿色开关电源IC设计，待机误差放大器、主误差放大器采用TL431，有待机隔离电路和主隔离电路，-PS-on遥控信号随主误差信号送主控制电路，遥控电路采用三极管为开关直接控制主反馈电路的工作电源；待机电源采用单端式；主电源采用单端混合式，励磁电流通过二极管Dfb泄放给主输出5V(或12V或3.3V或它们的组合)。

图13和14所示，为单端混合式，其中Uo2输出功率应大于Uo1。

Claims (8)

1、一种含待机功能的绿色开关电源，其至少包括待机电源、主电源；所述待机电源，至少包括待机变换电路、待机反馈电路、待机控制电路；所述主电源，至少包括主变换电路、主反馈电路、主控制电路；待机电源直流输入端、待机控制电路、主电源直流输入端、主控制电路共地；其特征在于：1)采用单片含待机功能的绿色开关电源IC，至少集成待机控制电路、主控制电路和辅助电路，由唯一的上电启动电路完成所述IC的启动，由待机电源为所述IC提供工作电源；2)所述主反馈电路由主采样电路、主误差放大器、主隔离电路、遥控电路构成；所述主控制电路由主脉冲调制电路、主驱动电路和主电源禁止电路构成；采用遥控信号隔离送主控制电路控制主电源开/关机，在主反馈电路中，主采样电路采样主输出的电压信号、送主误差放大器、经主隔离电路输出主误差信号，遥控电路将遥控信号隔离送主控制电路，在主控制电路中，如遥控信号为关则主电源禁止电路强制主驱动电路输出低电平使主功率管关断，否则主脉冲调制电路根据主误差信号产生主脉冲、主驱动电路正常输出。

2、一种如权利要求1所述的含待机功能的绿色开关电源，其特征在于，所述绿色开关电源至少集成了待机控制电路、主控制电路和辅助电路；1)所述待机控制电路由待机脉冲调制电路和待机驱动电路构成，待机脉冲调制电路根据待机误差信号产生待机脉冲；2)所述主控制电路由主脉冲调制电路、主驱动电路和主电源禁止电路构成；采用遥控信号送主电源禁止电路，如遥控信号为关则主电源禁止电路强制主驱动电路输出低电平，否则主脉冲调制电路根据主误差信号产生主脉冲、主驱动电路正常输出；3)所述辅助电路至少包括基准电压源、启动电路、偏置电路。

3、如权利要求2所述的含待机功能的绿色开关电源，其特征在于，所述待机脉冲调制电路和所述主脉冲调制电路采用PWM电路、相同的工作频率和共享振荡器。

4、如权利要求2所述的含待机功能的绿色开关电源，其特征在于，该绿色开关电源还集成了PFC误差放大器和PFC控制电路；所述PFC控制电路，至少包括PFC脉冲调制电路和PFC驱动电路。

5、一种主电源IC，其特征在于，该IC至少集成主脉冲调制电路、主驱动电路和主电源禁止电路；遥控信号随主误差信号送该IC；主电源禁止电路监视主误差信号，如主误差信号小于阈值则认为遥控信号为关、主电源禁止电路强制主驱动电路输出低电平，否则主脉冲调制电路根据主误差信号产生主脉冲、主驱动电路正常输出。

6、一种含待机功能的绿色开关电源，至少包括待机电源、主电源和辅助电路，其中主电源至少包括主变换电路、主反馈电路和主控制电路，主控制电路与主电源直流输入端共地；其特征在于，有一遥控信号随主误差信号送主控制电路遥控主电源开/关机；待机电源至少为主电源开机提供工作电源；所述主反馈电路，包括主采样电路、主误差放大器、主隔离电路、遥控电路，如遥控信号为关时则遥控电路强制主误差信号小于阈值，而遥控信号为开时则遥控电路失去作用，主采样电路采样主输出的电压信号、送主误差放大器、产生主光耦电流经主隔离电路输出主误差信号；所述主控制电路，至少包括主脉冲调制电路、主驱动电路和主电源禁止电路，主电源禁止电路监视主误差信号，如主误差信号小于阈值则认为遥控信号为关、主电源禁止电路强制主驱动电路输出低电平，否则主脉冲调制电路根据主误差信号产生主脉冲、主驱动电路正常输出。

7、如权利要求6所述的一种含待机功能的绿色开关电源，其特征在于，在所述主反馈电路中，当主输出的电压信号大于设定值时主光耦无电流、主误差信号最小，否则主输出的电压信号误差越大则主光耦电流越大、主误差信号也越大；所述主控制电路，采用电阻或恒流源下拉输入主误差信号。

8、一种PCATX标准绿色计算机开关电源，其特征在于，采用如权利要求1所述的含待机功能的绿色开关电源；其中，所述待机变换电路采用单端式变换电路；所述主变换电路采用单端混合式或单端正激式变换电路。

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