CN1016921B - 开关型电源电路 - Google Patents

Abstract

一种开关型电源电路，包含一个变压器和变压器初级侧的一个可控开关。第一部分具有回程直流换流器的形式，它包括变压器的第一次级绕组，用于通过对电路的直流输入电压和第一负载的变动进行控制而产生稳定的第一直流输出电压。第二部分包括变压器的第二次级绕组，构成一个正向直流换流器，它有一个第二可控开关，用于产生第二直流输出电压。第二开关导通时段对第一开关控制信的周期之比和这个信号的频率无关。

Description

本发明涉及一种开关型电源电路，它含有一个变压器，变压器有一个初级绕组，这个绕组和第一个可控开关串联连接，所形成的串联回路接到直流输入电压的两端，变压器有一个第一次级绕组，它连接一个整流器以形成一个可供使用的第一直流输出电压，变压器还有一个第二次级绕组，它接到第二个可控开关以形成一个可供使用的第二直流输出电压，该电路还包括第一控制装置，用来把一个周期控制信号加到第一个开关，以便使该开关根据第一输出电压而交替地导通或不导通，该电路还包括第二控制装置，它使第二个开关交替地导通或不导通，整流器在第一个开关被阻断时是导通的，且第二个开关的导通间隔处于第一个开关的导通间隔之中。

这种类型的电源电路可从德国专利申请第2，608，167号中得知。在这个已知电路中，第一输出电压基本上保持不变，尽管输入电压及/或连接到第一输出电压的负载可能会变动，这是因为第一可控开关的导通间隔是按第一输出电压的函数而控制的，而且第二输出电压也保持基本不变，因为第二可控开关的导通间隔是按照第二输出电压的函数而控制的。

本发明的目的是提供一个上述类型的电源电路，在此电路中，当第二个次级绕组两端的电压频率变化时，第二输出电压基本保持不变。为此，按照本发明的电路有这样的特点，即第二控制装置是根据第二开关的导通时段对第一个开关的控制信号的周期之比来实现控制的，这个周期之比与上述信号的频率是无关的。

本发明是根据这样的一个认识，即当第二个次级绕组两端的电压频率因回路的第一部分的变化而引起变化时，第二输出电压基本保持不变，更具体地说，是由于上述的这个比（即所谓占空比或工作循环）是与频率无关的。因此，第一输出电压的负载的变化对第二输出电压没有任何影响。

这个电路更可取的特点是：第二控制装置含有一个连接到第二次级绕组的积分器，这个积分器的一个输出端的信号是锯齿状的，其第一边在第二开关的导通阶段具有一个给定变化方向，而其第二边在第一开关被关断的阶段有相反的变化方向。这一措施是根据这样的认识，即由于积分，锯齿状的信号的第二边包含了开关信号的频率这一信息，其含义是，这个信号的周期变化引起了第二开关的阻断周期的相应变化。这种变化可以转换成占空比的变化。这是占空比按照第二次级绕组两端的电压的函数所进行的正向控制。

含有一个比较级的电路的特征可以方便地以一个用于在积分器的锯齿状信号上叠加一个控制信号的元件来表达，这个比较级的第一输入端连接到回路的一个输出端，它的第二输入端连接到一个参考值，输出则连接到积分器的输出，用来把第二输出电压和参考值相比较，并产生一个控制信号以保持第二输出电压不变。这是一种反向控制，它的控制信号是叠加在正向控制信号上的。

通过举例并参考附图对本发明作更加详细的说明，附图中：

图1是按照本发明的电路的基本电路图，

图2表明电路中发生的波形，以及

图3表明图2中波形随频率的变化。

图1的电源电路包含一个可控的电源开关S1，它形式上是一个nPn开关晶体管，其集电级连接到变压器T的初级绕组L1，它的发射极则接地。绕组L1的另一端接到直流输入电压Vi的正端，这个电压的负端则接地，这个电压源，举例来说，可以是一个主整流器。晶体管S1的基极设有控制装置St1，用于调节晶体管，使其交替地导通和断开。

变压器T具有多个次级绕组。绕组之一L2的一端接地。整流器D1的阳极接到L2的另一端，而它的阴极则接到平滑电容器C1和用电阻R1表示的负载上。电容器C1和电阻R1没有接到整流器D1上的另一端则接地。绕组L1和L2的绕制极性按惯例用圆点表示，整流器D1的导通方向则这样来选择，使得在工作时，一个绕组有电流通过而另一个绕组没有电流。在负载电阻R1两端有直流输出电压Vo1。这个电压被反馈到晶体管S1的控制装置St1以控制这个晶体管的导通周期。按这种已知的方式，尽管电压Vi及/或负载R1可能有变化，但电压Vo1仍保持基本不变。因此，由装置St1加到晶体管S1的基极上的开关信号的频率就要变动，例如，由于晶体管的阻断周期不变，或者因为图1中的电路是自激振荡的。在后一种情况下，变压器T有一个正反馈绕组（未画出）用于控制晶体管S1的基极。这样一种正反馈的电源电路是已知的，例如，可从以本申请人名义申请的荷兰专利申请8502339号（PHN11.470）中得知。这个申请的文本被本文所引用以供参考。图1中的电路可以用于，例如，某种电视接收机的供电电源。变压器T具有多个次级绕组，它们的负载是由该电视接收机中多个电路的消耗所构成的，包括行偏转电路和音频电路，这将使图1中的R1，因而也使振荡频率可能有较大的变化。

变压器T的第二个次级绕组L3的一端接地，而另一端则接到二极管D2的阳极，D2的阴极则接到第二个可控开关S2的一个电极。在本实施例中，这个开关是用一个场效应晶体管形成的，上述的那个电极是它的漏极。晶体管S2的源极接到二极管D3的阴极，其阳极则接地，此源极还接到电感L4，电感L4的另一端则接到平滑电容器C2，这个电容器的另一端则接地。第二个负载R2也用电阻来表示，它和电容器C2并联连接。绕组L3的绕制极性和二极管D2的导通方向是这样选择的，使得在工作时，当电流流过晶体管S1和绕组L1时，电流可以在同一时间间隔内流经上述各元件，而绕组L2和二极管D1则没有电流通过。在负载R2两端有第二个直流输出电压Vo2。

用于控制晶体管S2的控制装置St2连接到这个晶体管S2的栅极。控制装置St2包括一个积分器和晶体管Tr1，积分器由电阻R3和电容器C3串联而成，这个积分器接于绕组L3和二极管D2的连接点与地之间。晶体管Tr1的基极接到电阻R3和电容器C3的连接点上，它的发射极则接地。电阻R4的一端接在晶体管Tr1的集电极上， 另一端则接在二极管D2的阴极和晶体管S2的漏极的连接点上。晶体管S2的栅极和晶体管Tr1的集电极连接在一起。电感L4形成一个变压器的初级，它的次级绕组L5有一端接到二极管D3和电感L4的连接点上。绕组L5的另一端则通过由一个限流电阻R7和一个隔离二极管D5组成的串联回路而接到晶体管S2的栅极。

图2a表示绕组L3两端的电压V1作为时间的函数的变化情况，图2b表示在元件S2、D3和L4的联接点上的电压V2的变化情况，图2c表示电容器C3两端的电压V3的变化情况，图2d则表示通过电感L4的电流I的变化情况。在t1瞬间，晶体管S1导通，电流通过绕组L1和这个晶体管本身。这时集电极的电压基本上为零。绕组L2中无电流通过，而绕组L3中通过一个电流，这个电流存在一条通过二极管D2和晶体管S2的通路。这个晶体管通过电阻R4而导通，并通过“取代绕组”L5而保持导通。绕组L4和L5的绕制极性以及二极管D5的导通方向是这样的，即电压V2的正极性部分被传送到上述的栅极。由于这一措施，场效应管的开关性能得到了改进，而且它的功耗也可降低。在瞬间t1后晶体管Tr1最初是被断开的。电压V1等于

Vi，这里n1和n3分别是绕组L1和L3的匝数。电压V1和V2的差值等于二极管D2和晶体管S2两端的电压降。充电电流通过电阻R3而流到电容器C3，使得电压V3（它是电压V1的积分）基本上按时间的函数而线性增长，其增长斜率大致正比于以前给出的电压V1的值。

在t2瞬间，电压V3达到晶体管Tr1的基极一发射极的阈电压值Vbe，从而使这个晶体管导通。这时有一个电流流经绕组L3通过电阻R3而到晶体管Tr1的基极，并使电流通过电阻R4而流到集电极。集电极的电压基本上变为零，使得晶体管S2断开。由于存储在电感L4中的能量，使得流过电感L4的电流I继续按原来方向流动，但这时电流流经二极管D3，这个电流原来是从瞬间t1开始随时间基本上按线性函数增加的，而这时却变成随时间基本上按线性函数减少。电压V2基本上为零。在t3瞬间晶体管S1断开。这时，一方面通过绕组L1的电流，另一方面通过绕组L3和二极管D2的电流都截止，而存储在变压器T中的能量产生一个流经绕组L2的电流，这个电流有一条流经整流器D1的通路。在这个整流管阳极上的电压，即绕组L2两端的方波电压的峰值，基本上等于Vo1。电压V1被翻转，它基本上等于- (n₃)/(n₂) Vo1，这里，n2是绕组L2的匝数。在瞬间t2和t3之间被箝位在Vbe值的电压V3，由于电容器C3的放电而减小。放电电流通过电阻R3及绕组L3。电压V3按这个电流的积分而变化，即基本上按时间的线性函数而减小，其斜率大致正比于以前给出的电压V1的值。

上述情况一直保持到在瞬间t4晶体管S1重新导通时为止。瞬间t4对应于t1，在这两个瞬间之间的时间段等于加到晶体管S1的开关信号的周期。一直到瞬间t4之前，电流I继续按上述方式流通。电感L4具有这样的电感值，即它使电流I不会变为零。在电容器C2两端的交流成分具有较小的幅值，使得有可能让大电流通过负载R2，并且电容器C2可以选用较小的电容量。

可以看出，上述由元件S1、L1、L2、D1和C1组成的回路构成了一个并联型直流换流器（“回程直流换流器”），它的输出电压Vo1是换流器输入电压Vi的给定的已知函数，而由元件L3、D2、S2、D3、L4和C2组成的回路构成了一个串联型直流换流器（“正向”或“下降”直流换流器），它的输出Vo2是换流器输入电压的平均值，这个输入电压就是在绕组L3两端所得到的方波电压V2。由于在电流流经绕组L3的那个时间段内同时也有电流流经绕组L1，所以送到电路的第二个输出的能量是不存储在绕组L1中的，这和能量送到第一个输出的情况正好相反。因此，变压器的尺寸以及它的损耗就可以保持在相对较小的数值上。例如，负载R2是由上述电视接收机中需要低压大电流供电的数字电路的消耗所构成的，由于对上述开关信号的频率的控制，晶体管S1的导通瞬间t1和关断瞬间t3是根据稳定电压Vo1的要求而决定的。晶体管S2的关断瞬间总是位于晶体管S1的关断瞬间之前或与此瞬间相重合，而它的导通瞬间则基本上和晶体管S1的导通瞬间相重合。因此，并联型换流器确定了晶体管S2的最大导通时段。

如果在第一种情况下假定电压Vi保持不变，则上述控制仅用于消除在电压值Vo1时的负载R1变动的影响，电压V3的两个斜率基本上是恒定的。在图3中这个电压被画成在两个不同的开关信 号频率f时的对时间的函数。所得到的两种图形在外形上是相同的。在这两个频率的较低值（图3中的右侧）处，因而也就是周期较长时，电压V3的幅值较大，且电压V3的最大负值也较高。晶体管S2处在导通状态的时间段的持续期和周期的长短有相同的比例。因此，晶体管S2的导通周期时段t2-t1和周期t4-t1之比（即所谓占空比），其值是相同的，也就是说，它们和周期长短无关，也就是和开关信号的频率无关。由于电压Vo2只取决于电压Vi和这个比值，电压Vo2是恒定的。

如果输入电压Vi变动，电压V3的下降沿的斜率并不变动，这是因为电压Vo1不变，但是上升沿的斜率确实是变动的，它使电压V3在某一瞬间达到Vbe，这个瞬间取决于电压Vi的值。在这样的情况下，晶体管S2的导通时间段不是常数而取决于电压Vi的值。例如，假定Vi增加，则电压Vo2以及图2C中左侧沿的斜率也增加，使得瞬间t2将来得更早些。这意味着较小的占空比，因而电压Vo2将有较低的值。这种控制是正向控制，因而具有补偿效应。这时占空比不再是常数，但仍和频率无关。

在上述电路中晶体管Tr1的基极一发射极二极管是以带有参考电压的阈值检测器的方式而工作的，这个参考电压就是二极管的阈值电压，它能在电容器C3两端的锯齿形电压V3达到此参考值时就关断晶体管S2。很明显，阈值检测器也可以用别的不同方式形成。由于控制，负载R1的变化所引起的电压V1的频率变化对电压Vo2的影响基本上被消除。负载R2的变化所带来的影响也可基本上被消除，更确切地说是由第二控制所消除的。为此目的，电路包括一个PnP晶体管Tr2，它的基极接到两个电阻R5和R6的连接点，这两个电阻串联后连接到电压Vo2和地之间，并形成一个分压器。晶体管Tr2的发射极通过带有电压Vo2的齐纳二极管D4和晶体管Tr2的集电极而接到晶体管Tr1的基极。晶体管Tr2形成一个比较级，用来使电压Vo2和一个参考值相比较，并用来产生一个控制电流，也就是晶体管的集电极电流，它使电容器C3重新充电。因此，电压V3也和电压Vo2有关，其结果是，晶体管Tr1的导通瞬间以及晶体管S2的关断瞬间取决于电压Vo2。和电压Vo2有关的一个直流电压以不同的方式加到电压V3上。如果由于这种或那种原因而使电压Vo2增加，电压V3在任何一种情况下都会增加，使得晶体管S2的导通时间变短，这将抵消电压Vo2的增加。这第二种控制是反向控制，它的控制信号是叠加在正向控制之上的。

晶体管S2的控制装置St2包括一个nPn晶体管Tr3，它的集电极接到晶体管S2的栅极。两个电阻R8和R9串联连接，并接到晶体管Tr3的基极和绕组L2和整流器D1的连接点之间。电容器C4和箝位二极管D6的阴极接到这两个电阻的连接点上。二极管D6的阳极、电容器C4的另一端和晶体管Tr3的发射极接地。当绕组L2两端的电压变为正时，即在瞬间t3时，晶体管Tr3导通。由于晶体管S2在这一瞬间已关断，这对电路的工作情况并无影响。晶体管Tr3的基极引线的时间常数是这样选取的，使得这个晶体管能在短时间内关断，更具体地说，在t4瞬间后约0.5微秒内关断。由于这一措施，晶体管S2并不在晶体管S1的同一瞬间立即导通，而是在短时间之后，即在这个晶体管的集电极电压低的瞬间导通，这可以减少晶体管的导通损耗。

Claims (8)

1、一种开关型电源电路，它包括一个变压器，变压器有一个初级绕组，该绕组和第一可控开关串联连接，这样形成的串联电路被接到直流输入电压的两极间，变压器还有一个第一次级绕组，该绕组连接一个整流器，以形成一个可供使用的第一直流输出电压，变压器还有一个第二次级绕组，该绕组连接一个第二可控开关，以产生一个可供使用的第二直流输出电压，此电路还具有第一控制装置，用来对第一开关加上一个周期控制信号，使得该开关根据第一输出电压而交替地导通或不导通，此电路还有第二控制装置，使得第二开关交替地导通或不导通，整流器在第一开关被阻断时是导通的，第二开关的导通间隔位于第一开关的导通间隔之中，其特征在于：第二控制装置是按照第二开关导通时段对第一开关的控制信号的周期之比来完成控制的，这个比例与上述信号的频率无关。

2、一种如权利要求1中所提出的电路，其特征在于：第二控制装置含有一个连接到第二次级绕组的积分器，在积分器的一个输出端上的输出信号是锯齿形的，它的第一条边在第二开关导通时间段内有一个给定的变化方向，它的第二条边在第一开关被关断的时间段内有相反的变化方向。

3、一种如权利要求2中所提出的电路，其特征在于：第二控制装置含有一个阈值检测器，它一端接到积分器的输出端，另一端接到第二开关的控制极，以便在积分器产生的锯齿波信号达到预定的参考值时就把该开关关断。

4、一种如权利要求3中所提出的电路，其特征在于：阈值检测器是由一个晶体管所形成的，其基极接到积分器的输出端，而其集电极则接到第二开关的控制极，该晶体管在积分器所产生的锯齿形电压的第一边达到晶体管的基极一发射极的阈值电压时就导通，以关断第二开关。

5、一种如权利要求2中所提出的电路，它包括一个比较级，其第一输入端接到电路的一个输出端，其第二输入则接到参考值，它的输出接到积分器的输出，以便把第二输出电压和参考值相比较，并产生控制信号，使第二输出电压保持不变，其特征在于：有一个元件，用于把控制信号叠加到积分器的锯齿形信号上。

6、一种如权利要求5中提出的电路，其特征在于：积分器是一个双向工作的积分器，用来一方面把第二次级绕组两端的电压进行积分，另一方面把上述的控制信号积分。

7、一种如权利要求1中所提出的电路，其特征在于：第二控制装置包括一个延迟电路，用于在第一开关接通瞬间之后去接通第二开关。

8、一种如权利要求1中所提出的电路，其中的一个电感元件连接到第二开关和第二输出电压的一端之间，其特征在于：有一个取代绕组耦合到电感元件，这个绕组连接到第二开关的控制电极上。

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