CN100533935C - 具有双开关模式电源单元的电源 - Google Patents

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Abstract

一种电源具有第一和第二SMPS(I，II)，每一个SMPS都包含具有初级绕组和至少一个次级绕组的变压器。该电源还具有两个SMPS单元都工作的正常操作和第一SMPS被控制电压(Us)关断的待机操作。在这种情况中，控制电压(Us)同时用于例如通过连接(R4)减少第二驱动器级(IC2)的振荡频率，来减少待机操作中第二SMPS单元(II)的开关频率。在优选示范实施例中，第一驱动器级的输出(OUT1)还进一步通过串联电路连接到第二驱动器级(IC2)的振荡器输入(OSC2)，用于同步。

Description

具有双开关模式电源单元的电源
技术领域
本发明涉及一种具有双开关模式电源单元的电源。这种类型的电源用在消费类电子装置中，特别是在电视机、录像机和机顶盒中，用于产生多个稳定的供电电压。
背景技术
这种类型的装置常常使用根据回扫式变换器原理的开关模式电源，其中调节环用于调节输出电源之一。在这种情况下，开关模式电源包括：具有一个初级绕组和至少一个次级绕组的变压器、耦合到初级绕组的开关晶体管、用于控制开关晶体管的驱动器电路和调节电路。通过调节电路，开关晶体管的驱动器电路以这样的方式被驱动：借助于例如脉宽调制(PWM)或驱动器电路的控制信号的频率变化，使连接到调节环的输出电压保持恒定。作为上述的结果，开关模式电源单元的其他输出电压也被稳定。
如果一个装置需要许多供电电压，那么开关模式电源单元就必须具有相应多的次级绕组，用于产生这些供电电压。常常，电压调节器，特别是线性调节器也连接到次级绕组的下游，借此提供进一步的供电电压或能够获得改进的稳定性。
产生多个供电电压的进一步的可能方案是使用具有两个开关模式电源单元的电源。基于成本原因期望两个开关模式电源单元尽可能使用相同的元件，例如开关晶体管和驱动器电路中的集成电路。为了避免相互干扰，两个开关模式电源应准确地采用相同的开关频率工作。但是，元件的容差意味着两个开关模式电源单元的开关频率不是相同的。但是如果连个开关模式电源单元以略微不同的开关频率工作时，这会相反地影响两个开关模式电源单元的调节。因此，期望两个开关模式电源单元彼此同步。
US 5,369,564公开了一种具有彼此同步的两个开关模式电源单元的电源。在这种情况中，通过第一开关模式电源单元的驱动器级的输出，以两个驱动器级的PWM电压具有180°的相移的方式，第二开关模式电源单元的振荡器与第一开关模式电源单元的同步。US 5,130,561也公开了一种具有彼此同步的两个开关模式电源单元的电源。
根据现有技术的具有两个开关模式电源单元的电源以图1的简化实施例来说明。在输入侧，两个开关模式电源单元I和II具有公共输入部分10，其中输入部分提供滤波的DC电压Vdc。两个开关模式电源单元的每一个中分别包含变压器TR1和TR2，其每一个的初级绕组W1和W2都连接到电压Vdc。在输出侧，两个变压器TR1和TR2具有次级绕组W3和W4，其输出电压通过滤波器部分26和28来为相应的装置提供工作电压V01和V02。
两个开关模式电源单元I和II的每一个还分别包括开关元件T1和T2(例如开关晶体管或MOSFET)，以及用于分别控制开关元件T1和T2的驱动器级14和16。两个驱动器级14和16还分别具有到输入部分10的连接32和34，通过上述为两个驱动器级14和16提供工作电压。通过连接30，由开关模式电源单元I的驱动器级14使第二开关模式电源单元II同步。
为了调节开关模式电源单元，调节信号(图1未示出)反馈给驱动器电路，该调节信号是从次级侧的供电电压之一产生的，并通过光电耦合器或隔离变压器传送到开关模式电源单元的初级侧。例如，在US4,876,636中描述了基于回扫式变换器原理的、具有在次级侧的输出电压调节的开关模式电源单元，在此对其进行参考。
消费类电子装置的电源通常具有正常操作和待机操作。在正常操作中，电源以高功率工作，并提供该装置的相应电压，从而用户可以使用该装置的所有功能。在待机操作中，该装置的尽可能多的电路组或组件被关断，以使该装置保持尽可能小的损耗，并且通常仅红外接收器和相应的电路逻辑，处于工作中，常常地，微处理器也处于工作中，使得用户可以通过遥控器将该装置从待机操作切换到正常操作。
在具有两个开关模式电源单元的情况中，在待机操作中，期望将两个开关模式电源单元之一关断，特别是具有较高功率的开关模式电源单元，并且在待机操作中，期望使在待机操作中处于激活的开关模式电源单元具有最低的可能功率损耗。例如在EP-A-0 803 966中公开了这种电源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有双开关模式电源单元的电源，该电源提供多个供电电压，并在待机操作中具有特别高的效率。
根据本发明的电源具有第一和第二开关模式电源单元，特别地在每一电源单元中，二者都包含变压器，其具有初级绕组和至少一个次级绕组，最好地该变压器根据回扫式变换器原理工作。该电源还具有正常操作和待机操作，在正常操作中，两个开关模式电源单元都处于工作状态，在待机操作中，第一开关模式电源单元被控制电压关断。在这种情况中，在待机操作中，控制电压同时用于减小第二开关模式电源单元的开关频率。
在优选示范实施例中，驱动第一开关模式电源单元的开关元件的第一驱动器级还通过串联电路连接到第二驱动器级的振荡器，从而由此产生简单的同步。同时，连接到串联电路的第二驱动器级的输出的开关级被用于保证高脉宽比率用于正常操作中的电源的高功率。
对于开关模式电源单元，期望使用更高的开关频率工作，因为这样能够(特别是)使用较小的变压器。但是，在待机操作中，高开关频率是不利的，因为在这种情况下，特别是开关晶体管的功率损耗增加。因此，根据本发明，例如，两个开关模式电源单元在正常操作中能够工作于32KHz的开关频率，而在待机操作中，第二开关模式电源单元能够工作于16KHz的工作频率。如果使用第一开关模式电源单元的驱动器级的合适输出，那么在待机操作中仅需要单个电阻器用于在开关频率之间切换。
该电源特别适合于需要多个供电电压的数字电视机、录像机以及机顶盒。
附图说明
下面借助于使用图2示意说明的示范实施例的例子来更详细地说明本发明，在附图中：
图1示出了现有技术中的具有两个开关模式电源单元的电源，并且
图2示出了根据本发明的具有两个开关模式电源单元的电源。
具体实施方式
图2说明了根据本发明的具有两个彼此同步的开关模式电源单元I和II的电源。对于两个开关模式电源单元来说，同步不是绝对必须的，但是由于开关晶体管的脉冲式操作使得具有大电流峰的电流增加，这能够干扰各个其他开关模式电源单元的调节，因此，在大输出功率的电源的情况下，特别推荐要同步。
在这种情况中，开关模式电源单元I和II的基本原理对应于图1的开关模式电源单元I和II，并且在输入端同样使用市电工作。因此，相同的元件用相同的附图标记指明。特别地，图2的两个开关模式电源单元I和II根据回扫式变换器原理工作。为了清楚起见，省略了诸如启动电路和吸收(snubber)网络的基本电路组。
开关模式电源单元I具有驱动器级，在该示范实施例中，为集成电路IC1，其输出OUT1驱动耦合到初级绕组W1的开关晶体管T1。集成电路IC1具有振荡器输入OSC1，其用于设置该集成电路的振荡器的频率。在这种情况中，振荡器的振荡频率确定晶体管T1的开关频率。根据回扫式变换器原理的开关模式电源单元常常使用恒定的开关频率；特别地在彼此同步的两个开关模式电源单元的情况中，这也是有利可选的。
对于使用固定开关频率的驱动器级，有多种可用的集成电路，例如摩托罗拉公司的UC3854B类型。连接到集成电路IC1的振荡器输入OSC1的是具有电阻器R1和电容器C1的RC元件，其时间常数确定了振荡频率。连接到RC元件的是例如能够从集成电路IC1的另一个输出产生的恒定电压Vref。在该示范实施例中，第二开关模式电源单元II同样具有集成电路IC2以及连接到集成电路的振荡器输入OSC2的、具有电阻器R2和电容器C2的RC元件。
在次级侧，两个开关模式电源单元I和II具有相互独立的输出电压调节。例如在开关模式电源单元I的情况中，对次级绕组W3的恒定输出电压的调节产生作用，在开关模式电源单元II的情况中，对次级绕组W4的恒定输出电压的调节产生作用。在这种情况中，调节信号Ur1和Ur2被通过开关模式电源单元I的光电耦合器OK1和通过开关模式电源单元II的光电耦合器OK2发送到初级侧，并被施加到驱动器电路的相应输入VIN1和VIN2。通过调节电压Ur1和Ur2，驱动器电路IC1、IC2根据各个开关模式电源单元的负载改变两个开关晶体管T1和T2的脉宽比率。在正常操作中两个开关模式电源单元I和II都处于工作中，在待机操作中，开关模式电源单元I被关断。这是通过下述操作产生的：通过光电耦合器OK1发送的调节信号Ur1呈现在集成电路IC1的输入VIN1上，对该输入内部连接误差放大器。误差放大器比较调节电压Ur1和内部参考电压，并控制开关晶体管T1使得如果Ur1太低，开关模式电源单元I就发送较高的功率；并且如果Ur1高于内部参考电压，就不发送功率。使对开关模式电源单元I的输出电压的调节产生作用，由此在其期望值附近周期地波动。
因此，输入VIN1可以用作完全地关断开关模式电源单元I：在次级侧，控制电压Us被加到调节信号Ur1上，通过这个使输入VIN1的控制电压不变地高于内部参考电压。作为集成电路IC1完全关断的结果，这在开关模式电源单元I的输出上激励了过压。误差放大器的输出接着不变地位于零电平，结果是在集成电路IC1的输出OUT1上再没有输出脉冲输出。
在许多集成电路中，诸如UC3854B类型，例如误差放大器的输出通过一个端子(在这种情况中是COMP1)被旁路(pass out)。因此，在COMP1输出上，在待机操作中和在正操操作期间呈现不同的输出信号。这样的结果是，能够利用该输出来降低开关模式电源单元II的开关频率。因此在该示范实施例的集成电路IC2中，COMP1输出被连接到开关模式电源单元II的驱动器级的振荡器输入OSC2。在这个示范实施例中，该连接是通过电阻器R4实现的。由于在待机操作中，COMP1输出处于零电位，所以，连接到OSC2输入的电容器C2通过电阻器R4而加载。由此，在待机操作中，通过电阻器R2和电容器C2的值定义的充电周期被暂时地拉长。
通过电阻器R4的阻值的适当选择，在待机操作中的开关模式电源单元II的开关频率因此能够以期望的方式减小，例如从正常操作中的32KHz的开关频率减小到16KHz的频率。在这种情况下，从32KHz到16KHz的频率切换不是单独由电阻器R4引起的：因为开关模式电源单元II在正常操作中被开关模式电源单元I同步，开关模式电源单元II的初始振荡器频率被选择得略略低于正常操作中的设想的开关频率，从而开关模式电源单元II的开关频率在同步时略略增加。原因如下：必须避免这样的情形，即开关模式电源单元II的初始开关频率高于开关模式电源单元I的开关频率，因为略高的开关频率不能被同步到较低的开关频率。
为了同步，集成电路IC1的输出OUT1通过串联电路连接到集成电路IC2的OSC2端子。具体地，该串联电路具有整流装置和限流装置，在这种情况中为二极管D3、电阻器R3和电容器C3，其中输出OUT1的开关脉冲使经过电容器C2的电压升高到上阈值。这样通过OSC2输入开始电容器C2的放电。
在该示范实施例中，集成电路UC3845B用于开关模式电源单元I和II，其中该集成电路的脉宽比率最大被限止在50％。这种情况仅在每个第二振荡器周期的期间，由输出OUT1、OUT2上产生的开关脉冲在集成电路中产生。因此，对于32KHz的开关频率，64KHz的振荡器频率是必须的。因此对于一个开关周期，该振荡器提供两个振荡器周期，二者不同步，具有相同的长度，并且其中开关晶体管的导通相位仅发生在一个振荡周期期间，而在另一个振荡周期，开关晶体管保持关断。因此该集成电路特别适用于在回扫式变换器原理的开关模式电源单元中使用。
在这种情况中，集成电路IC2的振荡器功能如下：通过电阻器R2由恒定参考电压Vref对电容器C2充电。假定上阈值为3.2V，通过OSC2输入使电容器C2放电到下阈值1.6V。放电电流例如是8mA，使得电容器C2被快速地放电。接着是下一个振荡器周期。在每个第二振荡器周期中，当到达下阈值时，集成电路IC2产生输出脉冲，用于驱动开关晶体管T2。
由于集成电路IC1的开关脉冲通过该串联电路将电容器C2充电到上阈值，并且随后出现很快的放电，以及在集成电路IC2的下阈值上产生用于开关晶体管T2的开关脉冲，所以开关模式电源单元II以相对于开关模式电源单元I滞后的小相移工作。选择限流装置(本情况中为电容器C3和电阻器R3)使得该串联电路对输出OUT1的加载尽可能地小，但同时保证电容器C2快速充电到上阈值。
由于对于开关晶体管T2的一个开关周期，开关模式电源单元II具有两个振荡周期，所以开关模式电源单元I的同步脉冲可以落入确定晶体管T2的导通相位的振荡周期内，或者落入确定晶体管T2的截止相位的振荡周期内。如果在电容器C2的导通相位期间出现同步脉冲，那么通过该同步脉冲，振荡周期早早结束，并且结果使得开关晶体管T2的导通相位也早早结束。作为该结果，开关晶体管T2的脉宽比率因此是受限的。
如果在开关晶体管T2关断的振荡周期中出现同步脉冲，那么这是更有利的，因为导通相位的振荡周期接着跟随的是没有被干扰的周期，使得在该情况中，至少50％的脉宽比率是可能的。在这种情况中的同步缩短了振荡周期的关断相位，并因此总体上加长最大脉宽比率至大于50％。因此这将会更有利于同步，所以，尽管在电源已经接通后，同步可在第一振荡器周期或第二振荡器周期起作用。这不能由外部元件定义。
因此该电源还包含开关级，其将驱动器级IC2的输出OUT2连接到该串联电路，并且通过该开关级，第二开关模式电源单元II能够工作在更好的振荡周期上。在这个示范实施例中，开关级包括晶体管T5，其基极通过分压器连接到位于集成电路IC2的输出OUT2的电阻器R5、R6，从而如果输出OUT2的电压电平高时，晶体管T5导通，输出OUT2的电压电平低时，晶体管T5关断。
在这种情况中，集成电路IC2的输出OUT2通过开关级连接到该串联电路，或连接到振荡器输入OSC2，使得如果输出OUT2提供用于导通开关晶体管T2的高电压时，该开关级抑制集成电路IC1的同步脉冲。因此，在已经接通电源之后，所述同步脉冲被抑制，并且仅在该同步脉冲落入开关晶体管T2关断的振荡器周期内时，所述同步脉冲才被该串联电路传送，因为在这种情况中，晶体管T5是关断的，因此处于高阻抗状态。
作为结果，当在正常操作接通电源时，如果同步脉冲落入开关晶体管T2导通的振荡器周期内，则开关模式电源单元II不立即被同步。但是作为不同振荡频率的结果，直到该同步脉冲落入开关晶体管T2关断的振荡周期，才切换该同步脉冲的相位，使得对于在该点上及时启动开关模式电源单元II来说，同步是起作用的。这保证了开关模式电源单元II能够以至少50％的脉宽比率工作。
在本示范实施例中使用元件的值如下：C1＝2.2nF，R1＝15kohm，R2＝18kohm，C2＝2.2nF，R3＝100ohm，C3＝1nF，R4＝55kohm，R5＝R6＝1kohm。
图2的两个开关模式电源单元I和II最好根据回扫式变换器原理工作，但其他电路原理也同样是可能的。回扫式变换器最好被用于消费类电子装置，例如电视机和录像机。在回扫式变换器中，在开关晶体管的导通相位期间，能量被存储在变压器中，并且随后在开关晶体管的关断相位，能量被传送到次级侧的绕组。
本发明不限制于这里说明的电源的具体实施例。因此，该电源还可以具有彼此同步的多于两个的开关模式电源单元，第一开关模式电源同步其他的开关模式电源单元。在本领域技术人员的技术能力范围内，可获得本发明的进一步的结构。

Claims (8)

1.一种电源，具有第一和第二开关模式电源单元(I，II)，该电源具有正常操作模式和待机操作模式，在正常操作模式中，两个开关模式电源单元(I，II)都工作，在待机操作模式中，第一开关模式电源单元(I)被控制电压(Us)关断，第一和第二开关模式电源单元(I，II)各自具有变压器(TR1，TR2)，所述变压器(TR1，TR2)各自具有初级绕组(W1，W2)，并各自具有至少一个次级绕组(W3、W4)，其特征在于：
第一开关模式电源单元(I)包括光电耦合器(OK1)，用于通过该光电耦合器(OK1)将控制电压(Us)以及第一开关模式电源单元(I)的调节电压(Ur1)一起从该电源的次级侧发送到该电源的初级侧，其中，在次级侧，该控制电压(Us)被加到调节电压(Ur1)，
所述第一开关模式电源单元(I)包括使用集成电路的第一驱动器级(IC1)，所述第一驱动器级(IC1)具有第一输出端(COMP1)，第一输出端(COMP1)的电压在正常操作模式中比在待机操作模式中高，并且，
所述第一输出端(COMP1)被连接到第二开关模式电源单元(II)的振荡器输入端(OSC2)，用于减少待机操作模式中第二开关模式电源单元(II)的开关频率。
2.如权利要求1所述的电源，其特征在于：所述第一驱动器级(IC1)的所述第一输出端(COMP1)是集成电路(IC1)的误差放大器的输出端，并且在于：所述第一输出端(COMP1)通过电阻器(R4)连接到所述振荡器输入端(OSC2)以及电容器(C2)，用于减少所述振荡器的振荡频率，其中，该电容器(C2)与另一电阻器(R2)组成RC元件，并且，所述振荡器输入端(OSC2)位于第二开关模式电源单元(II)内的第二驱动器级(IC2)。
3.如权利要求1所述的电源，其特征在于：第一驱动器级(IC1)的第二输出端(OUT1)驱动第一开关模式电源单元(I)的开关元件(T1)，并且，第一驱动器级(IC1)的第二输出端(OUT1)被串联电路耦合到所述振荡器输入端(OSC2)，用于使第二开关模式电源单元(II)与第一开关模式电源单元(I)同步，其中所述串联电路包括限流装置(C3，R3)和整流装置(D3)，并且，所述振荡器输入端(OSC2)位于第二开关模式电源单元(II)内的第二驱动器级(IC2)。
4.如权利要求3所述的电源，其特征在于：所述第二输出端(OUT1)被串联电路(C3，R3，D3)连接到第二开关模式电源单元(II)的振荡器输入端(OSC2)以及电容器(C2)，其中，该电容器(C2)与电阻器(R2)组成RC元件。
5.如权利要求3或4所述的电源，其特征在于：第二驱动器级(IC2)的输出端(OUT2)驱动第二开关模式电源单元(II)的开关元件(T2)，并且，第二驱动器级(IC2)的输出端(OUT2)被开关级(T5，R5，R6)连接至所述串联电路(C3，R3，D3)，用于增加第二开关模式电源单元(II)的脉宽比率。
6.如权利要求5所述的电源，其特征在于：所述开关级(T5，R5，R6)具有开关，如果第二驱动器级(IC2)的输出端(OUT2)的电压关断连接到下游电路的开关晶体管(T2)，则该开关关断；并且如果第二驱动器级(IC2)的输出电压为高，则该开关在输出侧处于低阻抗。
7.如权利要求5所述的电源，其特征在于：如果第二驱动器级(IC2)的输出端(OUT2)的电压为高，则开关级(T5，R5，R6)阻挡所述串联电路(C3，R3，D3)的信号。
8.如权利要求1所述的电源，其特征在于：所述两个开关模式电源单元(I，II)根据回扫式变换器原理工作。
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