CN101488717B - 开关电源电路 - Google Patents

Abstract

提供便宜、小型的具有与现有直流电源电路相同特性的开关电源电路。在RCC方式的开关电源电路中，通过在回扫变压器(62)中设置与输出线圈(64)磁紧密结合的感应线圈(66)，经由齐纳二极管(56)将该感应线圈(66)连接到定时电容器(55)上，将从感应线圈(66)输出的交流电压整流滤波而作为二次侧直流电压检测的检测电压与齐纳二极管(56)的基准电压的差异提供到定时电容器(55)，使充放电时间改变，使第二开关元件(54)的开关时间改变，从而控制第一开关元件(60)的开关时间。

Description

开关电源电路

技术领域

本发明涉及一种输出在50W以下较低输出的且可以便宜地供应的开关电源电路。 

背景技术

图5示出被称为线性AC适配器的早期的直流电源电路。在该图5中，在AC输入端子10、11之间输入的商用交流电压Vi由变压器12变换为规定的电压，由全波等整流器13整流，由滤波电容器14滤波，从而直流电压Vo和直流电流Io通过直流输出端子15、16提供给负荷17。 

在该图5中示出的被称为线性AC适配器的简便、便宜的直流电源电路中，输入交流电压Vi或高或低时，如图6所示，与其高低相应地输出电压Vo不仅变化为V1、V2、V3，而且特别的问题是直流输出电流Io增加时输出电压Vo有逐步降低的倾向。由此，往往根据在已经出现的电子机器等的负荷17中直流输出电流Io增加时输出电压Vo逐步降低的特性而设计。 

最近，关于输出为50W以下较低输出的直流电源电路，代替图5所示的电路，可以使用如图7所示的RCC(Ringing Choke Convertor)方式的开关电源电路(非专利文献1)。 

在该图7中，在+侧端子18和-侧端子19之间，施加整流AC电压的直流电压时，通过启动电阻21将阈值电压以上的电压瞬时施加到由MOS·FET构成的第一开关元件22的栅极上。此时，在第一开关元件22中流过微小的漏极电流，由此，在回扫变压器24的励磁线圈25中产生电压，在此影响下在驱动线圈27中也产生电压。在该驱动线圈27中产生的电压通过电阻31、33和电容器34增加到第一开关元件22的栅极，由此形成正反馈环，第一开关元件22在图8(a)的t(1)时刻瞬时成为导通状态。此时，第一开关元件22的漏极·源极间电压Vds如图8(a)所示成为0。通过第一开关元件22成为导通状态，在回扫变压器24上施加与在+侧端子18和-侧端子19之间施加的直流电压大致相同 的电压，在驱动线圈27中产生由输出线圈26的匝数对励磁线圈25的匝数的匝数比决定的如图8(d)所示的电压Vd。 

通过在该驱动线圈27中产生的电压Vd，经电阻31、光耦合器32的受光元件46开始对电容器28充电。对电容器28充电的电压Vc构成如图8(e)所示的波形，并且当该电压Vc在t2时刻到达第二开关元件23的基极·发射极间的电压Vde时，在第二开关元件23中流入基极电流从而成为导通状态。由于第二开关元件23成为导通状态时，第一开关元件22的栅极·源极间电压大约成为0V，所以第一开关元件22瞬时成为关断状态。在第一开关元件22从导通到关断的期间t1～t2中，如图8(b)所示，在励磁线圈25中流入电流Id。 

第一开关元件22在t2时刻关断的同时，在二次侧的输出线圈26中产生与励磁线圈25侧正负反向的电压。该电压分别由整流二极管40、滤波电容器41整流、滤波并提供给负荷17。此时，在输出线圈26中流过的电流Io在图8(c)中示出。该电流Io急速上升，之后慢慢向0减小，并下降直到整流二极管40关断。在该整流二极管40关断的t3时刻的同时，通过输出线圈26内部的残留磁通量，在驱动线圈27中产生如图8(d)所示的反向电压Vd，第一开关元件22再次导通。此间，通过经由电阻29和齐纳二极管30反向的电压Vd对电容器28进行负充电。通过反复此振荡动作而得到输出电压。 

在此，由电阻48检测的输出电压Vo与齐纳二极管47的基准电压Vref进行比较，当输出电压Vo超过基准电压Vref时，其差分流入光耦合器32的发光元件45中。由此，由于光耦合器32的受光元件46的集电极·发射极之间的阻抗变化，所以由在第一开关元件22的导通期间对电容器28进行充电的路径中的电阻31、光耦合器32的受光元件46和电容器28确定的时间常数变化。此时，电容器电压Vc对应于输出电压Vo，即如果输出电压Vo高则相应地电容电压Vc较快地到达Vbe，相反地，如果输出电压Vo低则相应地电容电压Vc较慢地到达Vbe。当电容电压Vc到达Vbe时，第二开关元件23导通，第一开关元件22关断。通过该时间常数的变化，Vc到达Vbe的时间变化，第一开关元件22的导通周期被控制，并且输出电压Vo稳定。 

并且，在图7中，为了防止在开关电源中的切换过渡状态下产生的高峰值电压，与励磁线圈25并联地连接由二极管35、电容器36、电阻37构成的减震电路38。

非专利文献1户川治朗著“实用电源电路设计手册”CQ出版，1999年3月1日第17版发行，P140～147。 

发明内容

本发明解决的技术问题 

在图7中示出的开关电源电路与图5中示出的直流电源电路相比较，电路复杂，但是如图9所示的特性图，即使商用输入交流电压Vi或高或低时，输出电压Vo不仅大致恒定为V1、V2、V3，而且即使输出电流Io增加，输出电压Vo也几乎不变成为恒定。此外，由于发送频率极高，为几十～几百kHz，所以特别地变压器被极小型化，与之相随地整个结构被小型化。 

但是，在已经出现的负荷17中，多按照直流输出电流Io逐步降低的现有的直流电源电路的特性设计，由此，代替在图5中示出的现有的直流电源电路，使用在图7中示出的开关电源电路时，会担心负荷17不会正常动作。 

此外，由于在图7中示出的开关电源电路构成为在输出电压Vo超过基准电压Vref时，在光耦合器32的发光元件45中流过电流而发光，并且受光元件46接受此光，从而由滤波电容器13的受光元件46、电容器28导致的时间常数改变，所以特别地存在需要光耦合器32和输出电压Vo的检测电路等高价元件这样的问题。 

本发明的目的是提供便宜、小型的具有与现有直流电源电路相同特性的开关电源电路。 

解决问题的技术方案 

根据本发明的开关电源电路，包括在一次侧具有励磁线圈63和驱动线圈65、在二次侧具有输出线圈64的回扫变压器62，由从所述驱动线圈65施加电压而自激振荡且激励所述励磁线圈63的双极晶体管构成的第一开关元件60，由控制该第一开关元件60的开关时间的双极晶体管构成的第二开关元件54，连接在该第二开关元件54的基极·发射极之间、且经由阻抗电路提供来自所述驱动线圈65的电流的定时电容器55；将整流AC电压之后的直流电压提供到所述励磁线圈63，并且开关以从所述输出线圈64输出，其特征在于，通过在所述回扫变压器62中设置与所述输出线圈64磁紧密结合的感应线圈66，经由齐纳二极管56将该感应线圈66连接到所述定时电容器55，将从所述感应线圈66输出的交流电压整流而作为二次侧直流电压检测的检测电压与所述齐纳二极管56的基准电压的差异提供到所述定时电容器55，使充放电时间改变，使所述第二开关元件54的开关时间改变，从而控制所述第一开关元件60的开关时间。 

连接到定时电容器55上的阻抗电路通过由电阻53构成的例子，由电阻53与电阻67和电容器68的并联电路串联连接构成的例子，以及由电阻53和电感器69的串联电路构成的例子等，可以返回表示输出电压和输出电流的关系的特性。 

发明的技术效果 

根据权利要求1所述的发明，由于通过在回扫变压器中设置与输出线圈磁紧密结合的感应线圈，经由齐纳二极管将该感应线圈连接到定时电容器，将从感应线圈输出的交流电压整流而作为二次侧直流电压检测的检测电压与齐纳二极管的基准电压的差异提供到定时电容器，使充放电时间改变，使第二开关元件的开关时间改变，从而控制第一开关元件的开关时间，所以，优选地已经上市的电子设备等负载作为按照在直流输出电流Io增加时输出电压Vo逐步降低的特性而设计的器件中使用的AC适配器。此外，由于在一次侧不需要由光耦合器和输出电压Vo的检测电路等进行反馈，而且，一次侧和二次侧之间的绝缘容易，进一步地不需要昂贵的元件，可以便宜地供应，同时发送频率极高为几十～几百kHz，所以，特别地，变压器可以极其地小型化，并且随之整体结构也可以小型化。 

连接到定时电容器上的阻抗电路通过采用电阻，采用电阻与电阻和电容器的并联电路串联连接的电路，以及电阻和电感器的串联电路构成的电路，可以任意地调整在直流输出电流Io增加时输出电压Vo逐步降低的特性。 

附图说明

图1是示出根据本发明的开关电源电路的一实施例的电气电路图。 

图2是在图1中的各部分的动作波形图。 

图3是示出根据本发明的开关电源电路的输出电压和输出电流的关系的特性图。 

图4(a)是示出与阻抗电路53不同的例子的电气电路图，图4(b)是表示由与阻抗电路53不同的例子导致的电流的时间的变化的特性图，图4(c)是示出由与阻抗电路53不同的例子导致的输出电压和输出电流的关系的特性图。 

图5是示出最简单的AC适配器的电气电路图。 

图6是示出由图5的电路导致的输出电压和输出电流的关系的特性图。 

图7是示出现有的RCC方式的开关电源电路的电气电路图。 

图8是在图7中的各部分的动作波形图。 

图9是示出由图7的开关电源电路导致的输出电压和输出电流的关系的特性图。 

符号说明 

10...AC输入端子，11...AC输入端子，12...变压器，13...整流器，14...滤波电容器，15...直流输出端子，16...直流输出端子，17...负荷，18...+侧端子，19...-侧端子，20...滤波电容器，21...启动电阻，22...第一开关元件，23...第二开关元件，24...回扫变压器，25...励磁线圈，26...输出线圈，27...驱动线圈，28...电容器，29...电阻，30...齐纳二极管，31...电阻，32...光耦合器，33...电阻，34...电容器，35...二极管，36...电容器，37...电阻，38...减震电路，40...整流二极管，41...滤波电容器，42...输出端子，43...输出端子，44...电阻，45...发光元件，46...受光元件，47...齐纳二极管，48...电阻，49...AC电源，50...启动用电阻，51...电容器，52...电阻，53...充电电阻，54...第二开关元件，55...定时电容器，56...齐纳二极管，57...电阻，58...滤波电容器，59...检波二极管，60...第一开关元件，61...二极管，62...回扫变压器，63...励磁线圈，64...输出线圈，65...驱动线圈，66...感应线圈，67...电阻，68...电容器，69...电感器 

具体实施方式

本发明的开关电源电路包括在一次侧具有励磁线圈63、驱动线圈65且在二次侧具有输出线圈64的回扫变压器62，由所述驱动线圈65施加电压而自励振荡且激励所述励磁线圈63的双极晶体管构成的第一开关元件60，由控制该第一开关元件60的开关时间的双极晶体管构成的第二开关元件54，和连接在该第二开关元件54的基极·发射极之间且经由阻抗电路提供来自所述驱动线圈65的电流的定时电容器55；并且通过采用在所述励磁线圈63中提供整流AC电压的直流电压且开关而从所述输出线圈64输出的RCC方式，在所述扫回变压器62中设置磁紧密地结合所述输出线圈64的感应线圈66，并且经由齐纳二极管56将该感应线圈66连接到所述定时电容器55，将从所述感应线圈66输出的交流电压整流而作为二次侧直流电压检测的检测电压与所述齐纳二极管56的基准电压之差提供给所述定时电容器55从而改变充放电时间以改变所述第二开关元件54的开关时刻，控制所述第一开关元件60的开关时刻。 

连接到定时电容器55的阻抗电路通过仅由电阻53构成的例子，由与电阻53、电阻67和电容器68的并联电路串联连接构成的例子以及由电阻53和感应器69的串联电路构成的例子等，在直流输出电流Io增加时，任意调整输出电压Vo逐步降低的特性。 

实施例1 

在示出根据本发明的开关电源电路的实施例1的图1中，将由整流器13整流商用AC电源49后的直流电源提供在+侧端子18和-侧端子19之间，并且在这些端子18、19之间，滤波电容器20、启动用电阻50和由双极晶体管构成的第二开关元件54的串联电路以及回扫变压器62的励磁线圈63和由双极晶体管构成的第一开关元件60的串联电路相互并联连接。所述第一开关元件60的基极连接到所述启动用电阻50和第二开关元件54的连接点、电容器51的一端和二极管61的阴极，该二极管61的阳极连接到第一开关元件60的发射极。所述电容器51的另一端经由电阻52、作为阻抗电路的充电电阻53、定时电容器55连接到-侧端子19上，充电电阻53和定时电容器55的连接点连接到所述第二开关元件54的基极和齐纳二极管56的阳极上。 

在所述回扫变压器62上，除了所述励磁线圈63以外，还设置有输出线圈64、驱动线圈65和感应线圈66。特别地，在本发明中，所述输出线圈64和感应线圈66磁紧密地结合，并且同极性地设置。所述驱动线圈65和感应线圈66的连接点连接到所述-侧端子19和滤波电容器58的一端，所述驱动线圈65的另一端连接到所述电阻52和充电电阻53的连接点，所述感应线圈66的另一端连接到检波二极管59的阳极，该检波二极管59的阴极连接到所述滤波电容器58的另一端，同时经由电阻57连接到所述齐纳二极管56的阴极。 

在所述回扫变压器62的输出线圈64的一端上经由整流二极管40连接到滤波电容器41的一端，同时经由输出端子42连接到负载17的一端，此外，所述输出线圈64的另一端连接到所述滤波电容器41的另一端，同时经由输出端子43连接到所述负荷17的另一端。 

为了防止在开关电源中的切换过渡状态下产生的高峰值电压，与所述励磁线圈25并联地连接由二极管35、电容器36和电阻37构成的减震电路38。 

并且，回扫变压器62的励磁线圈63、输出线圈64、驱动线圈65、感应线圈66中的黑点侧表示卷绕起点。 

基于图2说明上述结构的作用。 

在+侧端子18和-侧端子19之间施加直流电压时，电流通过启动用电阻50流入第一开关元件60的基极，并且开始振荡，第一开关元件60在图2的t1时刻瞬时成为导通状态。由于当该第一开关元件60成为导通状态时，该第一开关元件60的集电极·发射极间电压Vce如图2(a)所示大约为0V，所以在励磁线圈63上产生与+侧端子18的电压相等的电压Vi，此外，将励磁线圈63的匝数作为N1，将驱动线圈65的匝数作为N2时，在驱动线圈65上产生电压Vi×N2/N1倍的电压Vd。同时，虽然在输出线圈64和感应线圈66上产生如图2(f)所示的电压Vi×N3/N1＝Ve，但是输出线圈64的极性相反，并且在整流二极管40、检波二极管59上没有电流流过。 

在所述驱动线圈65中产生的电压Vd经由电阻52和电容器51在第一开关元件60的基极中流入电流而保持导通状态。同时，通过充电电阻53给定时电容器55充电。在图2(b)中示出的定时电容器55的电压Vc达到第二开关元件54的Vbe时，第二开关元件54在t2时刻导通，连接到第二开关元件54集电极的第一开关元件60的基极经由第二开关元件54成为-侧端子19的-侧电位，成为关断状态。 

在此，第一开关元件60从导通到关断，第一开关元件60的集电极和励磁线圈63中流过的电流Id成为如图2(c)所示的锯齿状波形。 

在t2时刻第一开关元件60关断时，由于根据回扫原理，励磁线圈63、驱动线圈65、感应线圈66、输出线圈64的各电压的极性反向，所以在输出线圈64的输出侧上提供如图2(d)所示的电流Io。提供电流Io期间，在励磁线圈63中产生如图2(a)所示的电压。此外，在驱动线圈65中产生如图2(e)所示的电压Vd，并且在感应线圈66中产生如图2(f)所示的电压Ve。 

在t2时刻，根据回扫原理，在各电压的极性反向的瞬间，在第二开关元件54的基极·发射极之间连接的定时电容器55通过电压反向的驱动线圈65经由充电电阻53开始如图2(b)所示地反方向充电。该状态持续到驱动线圈65的电 压极性再次反向的t3时刻。 

如图2(c)所示，在t2时刻励磁线圈63的电流Id停止的瞬间，该励磁线圈63中积累的磁能量是(1/2)·L·Id·Id(L是励磁线圈63的感应系数)，该能量通过输出线圈64经由整流二极管40释放，如图2(d)的电流Io。由于在t3时刻释放结束的同时，输出线圈64的电流Io停止，所以根据回扫原理，瞬间全部线圈的极性反向。 

从驱动线圈65经由电阻52、电容器51向第一开关元件60流入基极电流，该第一开关元件60成为导通状态，并且在图2的t1时刻返回。将t1～t3作为一个周期，并且反复该周期，从而将输出侧的功率提供给负载17。 

接着，以图3的特性图说明控制输出电压的方法。 

输出电压Vo是由整流二极管40和滤波电容器41将在输出线圈64中产生的电压Ve进行整流、滤波后的电压，由图7所示的现有RCC方式的电路在输出侧直接检测该输出电压Vo，并且采用光耦合器32等在一次侧反馈，从而进行对输出电压Vo的控制。 

然而，在本发明中，设置与输出线圈64紧密地电磁结合的同极性感应线圈66，利用在感应线圈66中产生的电压Ve近似于在输出线圈64中产生的电压Ve，并且由检波二极管59和滤波电容器58整流、滤波在感应线圈66中产生的电压Ve从而得到直流的感应电压，间接地检测作为输出电压Vo，使用该电压控制输出电压Vo。 

例如，当输出电压Vo比设定值高时，如上所述，电压Ve也变高，由二极管59和电容器58整流·滤波的来自感应线圈66的直流电压经由电阻57、齐纳二极管56提供给定时电容器55，从而使充电电流以Ic增加，所以该定时电容器55的充电电压Vc达到第二开关元件54的Vbe间电压的时间变短为图2(b)的一点虚线所示的t41时刻。结果，由于第一开关元件60的导通周期变短，所以输出电压Vo变低。 

相反地，当输出电压Vo比设定值低时，由于齐纳二极管56关断，没有来自感应线圈66的充电电流，仅进行从充电电阻53侧的充电，所以定时电容器55的充电电压Vc达到第二开关元件54的Vbe间电压的时间变长为图2(b)的两点虚线所示的t42时刻。结果，由于第一开关元件60的导通周期变长，所以输出电压Vo变高。 

这样，通过控制定时电容器55的充电时间，而控制第一开关元件60的导 通时间，并且将输出电压Vo保持恒定。 

该开关电源电路的输出电压Vo、输出电流Io的特性如图3所示，随着输出电流Io的增加，输出电压Vo降低。其原因是在感应线圈66中产生的电压Ve与在输出线圈64中产生的电压Ve和将其整流·滤波后的电压Vo必定准确地一致，当流入负载17侧的电流Io增加时，由输出线的阻抗导致的电压下降成分不可控制。本发明巧妙地利用了此特性。 

为了将该输出电压Vo、输出电压Io的特性任意地补正为如图3所示的随着输出电流Io的增加而输出电压Vo降低的特性Vo1和Vo2，可以通过将充电电阻53置换为阻抗电路网，并且改变定时电容器55的充电曲线而实现。基于图4(a)、(b)、(c)说明此详细情况。 

·在图4(a)中，阻抗电路网分别在(a1)中示出仅为充电电阻53的情况，在(a2)中示出在电阻53上串联地增加电阻67和电容器68的并联电路的情况，在(a3)中示出在电阻53上串联地增加电感器69的情况。 

·图4(b)以横轴为时间、以纵轴为电流示出了通过上述三种电路网对定时电容器55充电时的充电电流特性，在该图4(b)中，实线(Ia1)与上述(a1)对应，虚线(Ia2)与上述(a2)对应，一点虚线(Ia3)与上述(a3)对应。 

·图4(c)示出根据本发明的开关电源电路的输出电压电流特性，在该图4(c)中，实线(Va1)与上述(a1)对应，虚线(Va2)与上述(a2)对应，一点虚线(Va3)与上述(a3)对应。 

更详细地说明图4(a)、(b)、(c)。 

在图4(b)中，在虚线特性(Ia2)的情况下，与实线特性(Ia1)进行比较时，由于充电电流Ic达到规定电流值i的时间缩短为Δt1，定时电容器55的充电电压Vc达到第二开关元件54的Vbe的时间变短，并且第一开关元件60的导通时间也变短，所以输出电压Vo降低。该状态为图4(c)的虚线特性Va2。 

同样地，在图4(b)中，在一点虚线特性(Ia3)的情况下，与实线特性(Ia1)进行比较时，由于充电电流Ic达到规定电流值i的时间增长为Δt2，定时电容器55的充电电压Vc达到第二开关元件54的Vbe的时间变长，并且第一开关元件60的导通时间也变长，所以输出电压Vo上升。该状态为图4(c)的一点虚线特性Va3。 

这样，就可以任意地调整电源的输出电压电流特性。

Claims (4)

1.一种开关电源电路，包括：在一次侧具有励磁线圈和驱动线圈并且在二次侧具有输出线圈的回扫变压器；由从上述驱动线圈施加电压而自激振荡且激励上述励磁线圈的双极晶体管构成的第一开关元件；由控制该第一开关元件的开关时间的双极晶体管构成的第二开关元件；连接在该第二开关元件的基极和发射极之间、且经由阻抗电路而被提供来自上述驱动线圈的电流的定时电容器，其中，将整流AC电压之后的直流电压提供到上述励磁线圈，并且对上述第一、第二开关元件进行开关以从上述输出线圈输出直流电压，该开关电源电路的特征在于：

通过在上述回扫变压器中设置与上述输出线圈磁紧密结合的感应线圈，经由齐纳二极管将该感应线圈连接到上述定时电容器，将从上述感应线圈输出的交流电压整流而作为二次侧直流电压检测的检测电压与上述齐纳二极管的基准电压的差异提供到上述定时电容器，使上述定时电容器的充放电时间改变，使上述第二开关元件的开关时间改变，从而控制上述第一开关元件的开关时间。

2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，连接到定时电容器上的阻抗电路由电阻构成。

3.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，连接到定时电容器上的阻抗电路由电阻与其它电阻和电容器的并联电路串联连接构成。

4.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，连接到定时电容器上的阻抗电路由电阻和电感器的串联电路构成。

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