CN101741268A - 交流/直流开关电源的脉宽调制控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种交流/直流开关电源的脉宽调制控制电路,包括:斜坡电流驱动电路、功率NPN晶体管和输出电流检测电路,其中所述斜坡电流驱动电路,用于采样所述功率NPN晶体管的输出电流,并根据所述功率NPN晶体管的输出电流产生所述功率NPN晶体管的基极驱动电流;所述功率NPN晶体管用于输出功率;所述输出电流检测电路,用于检测功率NPN晶体管的发射极电流,可防止其发射极电流过大,导致功率NPN晶体管损坏,并且还可有效提高驱动电流,提高响应速度。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路领域,尤其涉及一种交流/直流开关电源的脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)控制电路。
背景技术
在现有技术中,开关电源的功率开关管连接变压器,在开关关断时会出现较大的浪涌电压,如果功率开关器件选择不当,不仅转换效率较低,而且会出现击穿现象,造成电源失效。
开关电源中常用的有源功率器件主要有双极型晶体管(BJT)、金属氧化物功率场效应管(MOSFET)、隔离栅双极型晶体管(IBGT)和可控硅管(SCR)等,如果仅从成本以及耐压方面考虑多选BJT功率晶体管。但是BJT同时也存在一些缺点,BJT从饱和区向截止区转换时,由于基区存储效应使功率双极晶体管的关断速度较慢;其次BJT是电流驱动型,且在输出大电流时的放大倍数较小,需要较大的基极驱动电流,而当今使用的驱动电路大多固定驱动电流,造成输出功率变化时效率降低;同时,BJT存在二次击穿的可能,因此安全工作范围缩小。现在的AC/DC开关电源驱动器都采用较大启动电阻,启动电流在微安级,因此启动较慢。
因此,有必要采用一种新的结构来克服BJT功率晶体管的缺点。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的是提供一种交流/直流开关电源的脉宽调制控制电路,可以有效提高驱动电流和响应速度,同时可有效提高功率NPN晶体管的耐压。
为了达到上述目的,本发明提供一种交流/直流开关电源的脉宽调制控制电路,包括:斜坡电流驱动电路、用于输出功率的功率NPN晶体管和输出电流检测电路,其中
所述斜坡电流驱动电路,用于采样所述功率NPN晶体管的输出电流,并根据所述功率NPN晶体管的输出电流产生所述功率NPN晶体管的基极驱动电流;
所述输出电流检测电路,用于检测所述功率NPN晶体管的发射极电流。
优选的,所述脉宽调制控制电路还包括:启动电路,用于提供所述脉宽调制控制电路的启动电流。
优选的,所述斜坡电流驱动电路的输出电流与所述功率NPN晶体管的发射极电流成正比。
优选的,所述斜坡电流产生电路包括:双极型晶体管Q1、双极型晶体管Q2、双极型晶体管Q3、双极型晶体管Q4、双极型晶体管Q5、双极型晶体管Q6、双极型晶体管Q7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电流源I1和反相器INV1,其中
所述双极型晶体管Q1的集电极分别接所述双极型晶体管Q2的集电极、所述双极型晶体管Q2的基极和所述电流源I1的一端,所述电流源I1的另一端接电压源VCC;
所述双极型晶体管Q2的发射极接所述电阻R1的一端,所述电阻R1的另一端接所述脉宽调制控制电路的IS端口;
所述双极型晶体管Q3的发射极与所述电阻R2的一端连接,所述电阻R2的另一端接地;
所述双极型晶体管Q3的集电极分别接所述双极型晶体管Q4的集电极、所述双极型晶体管Q4的基极和所述双极型晶体管Q5的基极;所述双极型晶体管Q4的发射极和所述双极型晶体管Q5的发射极接所述电压源VCC;所述双极型晶体管Q5的集电极分别接所述电阻R3和所述双极型晶体管Q6的基极,所述电阻R3的另一端接地,所述双极型晶体管Q6的集电极接所述电压源VCC,所述双极型晶体管Q6的射极分别接所述双极型晶体管Q7的集电极和所述脉宽调制控制电路的OB端口;
所述双极型晶体管Q7的发射极接地,所述双极型晶体管Q7的基极接所述双极型晶体管Q1的基极和所述反相器INV1的输出,所述反相器INV1的输入接脉宽调制PWM信号。
优选的,所述功率NPN晶体管关断时,所述双极型晶体管Q7反抽所述功率NPN晶体管的基极电流。
优选的,所述启动电路包括:双极型晶体管Q11、双极型晶体管Q12、双极型晶体管Q13、电阻R7和电阻R8,其中
所述电阻R8的一端接交流整流后电源,所述电阻R8的另一端接所述双极型晶体管Q11的基极和所述脉宽调制控制电路的OB端口;
所述双极型晶体管Q13的基极接所述脉宽调制控制电路的OE端口;
所述双极型晶体管Q11和双极型晶体管Q13的发射极悬空,所述双极型晶体管Q13的集电极分别接所述双极型晶体管Q12和所述电阻R7;所述双极型晶体管Q12的集电极接所述双极型晶体管Q11的集电极,所述双极型晶体管Q12的发射极和所述电阻R7的另一端接所述电压源VCC。
优选的,所述功率NPN晶体管的集电极接变压器的原边绕组的一端,所述功率NPN晶体管的发射极接所述脉宽调制控制电路的OE端口,所述功率NPN晶体管的基极接所述脉宽调制控制电路的OB端口。
优选的,所述输出电流检测电路包括:电流源I2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、双极型晶体管Q8和双极型晶体管Q9,其中
所述电流源I2的一端接所述电阻R4和所述双极型晶体管Q8的基极,所述电阻R4的另一端接地;
所述双极型晶体管Q9的集电极接所述双极型晶体管Q8的发射极和所述脉宽调制控制电路的OE端口,所述双极型晶体管Q9的发射极和所述电阻R6的一端接所述脉宽调制控制电路的IS端口,所述电阻R6的另一端接地。
本发明实施例具有以下的有益效果:首先斜坡电流驱动电路采样功率NPN晶体管的输出电流,并根据功率NPN晶体管的输出电流的大小产生功率NPN晶体管的基极驱动电流,以减弱由于输出电流较大时放大倍数降低的影响;同时在功率NPN晶体管关断时产生反抽功率NPN功率管的基极的电流,以加快功率NPN晶体管的关断,减小功耗,有效防止变压器饱和;
另外,在功率NPN晶体管关断时,输出电流检测电路可将功率NPN晶体管的发射极箝位在1.5V,使功率NPN晶体管的基射极反相偏置,提高了功率NPN晶体管的集射极反向击穿电压;通过电阻进行输出电流采样,提高了环路的响应速度,并可防止过载和变压器饱和的发生。另外,此电源的脉宽调制控制电路启动采用电阻和功率晶体管启动,利用功率NPN晶体管的放大倍数加快了启动速度,同时为防止启动电流太大,内置了一启动电路,在启动电流较大时,减小功率晶体管的基极电流,以保护电源驱动器。
附图说明
图1为本发明的实施例中脉宽调制控制电路的电路原理图;
图2为本发明的实施例中反相器的电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明实施例做进一步详细地说明。在此,本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
参见图1,为本发明的实施例中脉宽调制控制电路的电路原理图,该脉宽调制控制电路包括:斜坡电流驱动电路10,启动电路20,功率NPN晶体管30以及输出电流检测电路40,其中
斜坡电流驱动电路10,用于采样功率NPN晶体管30的输出电流,并根据功率NPN晶体管30的输出电流产生功率NPN晶体管30的基极驱动电流;
启动电路20,分别与斜坡电流驱动电路10和功率NPN晶体管30连接,用于提供脉宽调制控制电路的启动电流。
功率NPN晶体管30,用于输出功率;以及
输出电流检测电路40,用于检测功率NPN晶体管30的发射极电流。
在本实施例中,斜坡电流驱动电路10的输出电流与功率NPN晶体管30的发射极电流成正比。
在本实施例中,斜坡电流驱动电路10包括:双极型晶体管Q1、双极型晶体管Q2、双极型晶体管Q3、双极型晶体管Q4、双极型晶体管Q5、双极型晶体管Q6、双极型晶体管Q7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电流源I1和反相器INV1,其中
双极型晶体管Q1的集电极分别接双极型晶体管Q2的集电极、双极型晶体管Q2的基极和电流源I1的一端,电流源I1的另一端接电压源VCC;双极型晶体管Q2的发射极接电阻R1的一端,电阻R1的另一端接脉宽调制控制电路的IS端口,该IS端口用于检测功率NPN晶体管的发射极电流;双极型晶体管Q3的发射极与电阻R2的一端连接,电阻R2的另一端接地;双极型晶体管Q3的集电极分别接双极型晶体管Q4的集电极、双极型晶体管Q4的基极和双极型晶体管Q5的基极;双极型晶体管Q4的发射极和双极型晶体管Q5的发射极接电压源VCC;双极型晶体管Q5的集电极分别接电阻R3和双极型晶体管Q6的基极,电阻R3的另一端接地,双极型晶体管Q6的集电极分别接电压源VCC,双极型晶体管Q6的射极分别接双极型晶体管Q7的集电极和脉宽调制控制电路的OB端口,该OB端口用于系统启动;
双极型晶体管Q7的发射极接地,双极型晶体管Q7的基极接双极型晶体管Q1的基极和反相器INV1的输出,反相器INV1的输入接脉宽调制PWM信号。当PWM为高电平时,双极型晶体管Q1和双极型晶体管Q7处于关断状态,双极型晶体管Q6输出功率NPN晶体管30的驱动电流,此电流与IS端口处的电压成正比,即IS端口处电压增高时,双极型晶体管Q6的射极电流也增大,用以补偿功率NPN晶体管输出电流较大时放大倍数降低的影响,提高了功率NPN晶体管的驱动能力;当PWM为低电平时,双极型晶体管Q6关断,双极型晶体管Q7打开,反抽功率NPN晶体管30的基极电流,可加快功率NPN晶体管的关断,有效防止变压器的饱和以及过载的发生。
在本实施例中,功率NPN晶体管30关断时,双极型晶体管Q7反抽功率NPN晶体管30的基极电流。
由图1可知,该启动电路20包括:双极型晶体管Q11、双极型晶体管Q12、双极型晶体管Q13、电阻R7和电阻R8,其中,电阻R8的一端接交流整流后电源,电阻R8的另一端接双极型晶体管Q11的基极和脉宽调制控制电路的OB端口;双极型晶体管Q13的基极接脉宽调制控制电路的OE端口;双极型晶体管Q11和双极型晶体管Q13的发射极悬空,双极型晶体管Q13的集电极分别接双极型晶体管Q12和电阻R7;双极型晶体管Q12的集电极接双极型晶体管Q11的集电极,双极型晶体管Q12的发射极和电阻R7的另一端接电压源VCC。在启动时电阻R8提供较小的电流,流入功率NPN晶体管30的基极,利用功率NPN晶体管30的放大作用在功率NPN晶体管的射极得到更大的电流,此电流经过双极型晶体管Q13、双极型晶体管Q12的BE结和电阻R7给电压源VCC上的电容充电,当电压源VCC电压大于10V时电源转换器启动;如果在启动过程中启动电流过大,则电阻R7上的电压降使双极型晶体管Q12、双极型晶体管Q11导通,反抽功率NPN晶体管30基极的电流,减弱了功率NPN晶体管30的导通,因此启动电流下降,保护AC/DC电源控制器。
双极型晶体管和双极型晶体管采用射极开路连接方式,利用其BVCBO(集电极-发射极反向击穿电压)较大的特点,保护AC/DC驱动器内部电路。这种启动方式加快了AC/DC电源控制器的启动速度,启动电阻R8的功耗较小,提高了AC/DC电源控制器的效率。
在本实施例中,功率NPN晶体管30的集电极接变压器的原边绕组的一端,功率NPN晶体管30的发射极接脉宽调制控制电路的OE端口,功率NPN晶体管30的基极接脉宽调制控制电路的OB端口,用于提供输出较大的功率和承受功率NPN晶体管30关断时变压器原边绕组产生的高压。
根据晶体管的原理,当在基射极反相偏置时,集电极的反相电流ICEO流入基区后,有一部分流出基极,因此在基区中积累的空穴量减少,发射极正向注入的电子流到达集电结的电流随之减小,因此要发生击穿需要的集电结雪崩倍增因子增大,同时需要的集电结反偏电压也增大,即提高了功率NPN晶体管30的集电极发射极的击穿电压,使功率NPN晶体管30的安全工作范围更大。
输出电流检测电路40包括:电流源I2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、双极型晶体管Q8和双极型晶体管Q9,其中电流源I2的一端接电阻R4和双极型晶体管Q8的基极,电阻R4的另一端接地;双极型晶体管Q9的集电极接双极型晶体管Q8的发射极和脉宽调制控制电路的OE端口,双极型晶体管Q9的发射极和电阻R6的一端接脉宽调制控制电路的IS端口,电阻R6的另一端接地。此电路用于检测功率NPN晶体管30的发射极电流,即采样功率NPN晶体管30的电流。因为根据变压器的原理,功率NPN晶体管30的输出电流决定了输出功率,故通过采样功率管的电流大小控制输出功率的大小,同时电流采样也加快了环路的响应时间,更好的防止过载或变压器饱和的发生;同时还用于在功率NPN晶体管30反偏时将功率NPN晶体管30的发射极箝位于1.5V,提高功率NPN晶体管30的集射极电压。
如图2所示,为图1中的反相器的结构示意图,电流源I3的一端接电源VCC,另一端接输出和功率NPN晶体管的集电极,功率NPN晶体管的基极接输入IN,功率NPN晶体管的发射极接地。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种交流/直流开关电源的脉宽调制控制电路,其特征在于,包括:斜坡电流驱动电路、用于输出功率的功率NPN晶体管和输出电流检测电路,其中
所述斜坡电流驱动电路,用于采样所述功率NPN晶体管的输出电流,并根据所述功率NPN晶体管的输出电流产生所述功率NPN晶体管的基极驱动电流;
所述输出电流检测电路,用于检测所述功率NPN晶体管的发射极电流。
2.根据权利要求1所述的脉宽调制控制电路,其特征在于,所述脉宽调制控制电路还包括:启动电路,用于提供所述脉宽调制控制电路的启动电流。
3.根据权利要求2所述的脉宽调制控制电路,其特征在于,所述斜坡电流驱动电路的输出电流与所述功率NPN晶体管的发射极电流成正比。
4.根据权利要求3所述的脉宽调制控制电路,其特征在于,所述斜坡电流产生电路包括:双极型晶体管Q1、双极型晶体管Q2、双极型晶体管Q3、双极型晶体管Q4、双极型晶体管Q5、双极型晶体管Q6、双极型晶体管Q7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电流源I1和反相器INV1,其中
所述双极型晶体管Q1的集电极分别接所述双极型晶体管Q2的集电极、所述双极型晶体管Q2的基极和所述电流源I1的一端,所述电流源I1的另一端接电压源VCC;
所述双极型晶体管Q2的发射极接所述电阻R1的一端,所述电阻R1的另一端接所述脉宽调制控制电路的IS端口;
所述双极型晶体管Q3的发射极与所述电阻R2的一端连接,所述电阻R2的另一端接地;
所述双极型晶体管Q3的集电极分别接所述双极型晶体管Q4的集电极、所述双极型晶体管Q4的基极和所述双极型晶体管Q5的基极;所述双极型晶体管Q4的发射极和所述双极型晶体管Q5的发射极接所述电压源VCC;所述双极型晶体管Q5的集电极分别接所述电阻R3和所述双极型晶体管Q6的基极,所述电阻R3的另一端接地,所述双极型晶体管Q6的集电极接所述电压源VCC,所述双极型晶体管Q6的射极分别接所述双极型晶体管Q7的集电极和所述脉宽调制控制电路的OB端口;
所述双极型晶体管Q7的发射极接地,所述双极型晶体管Q7的基极接所述双极型晶体管Q1的基极和所述反相器INV1的输出,所述反相器INV1的输入接脉宽调制PWM信号。
5.根据权利要求4所述的脉宽调制电路,其特征在于,所述功率NPN晶体管关断时,所述双极型晶体管Q7反抽所述功率NPN晶体管的基极电流。
6.根据权利要求5所述的脉宽调制控制电路,其特征在于,所述启动电路包括:双极型晶体管Q11、双极型晶体管Q12、双极型晶体管Q13、电阻R7和电阻R8,其中
所述电阻R8的一端接交流整流后电源,所述电阻R8的另一端接所述双极型晶体管Q11的基极和所述脉宽调制控制电路的OB端口;
所述双极型晶体管Q13的基极接所述脉宽调制控制电路的OE端口;
所述双极型晶体管Q11和双极型晶体管Q13的发射极悬空,所述双极型晶体管Q13的集电极分别接所述双极型晶体管Q12和所述电阻R7;所述双极型晶体管Q12的集电极接所述双极型晶体管Q11的集电极,所述双极型晶体管Q12的发射极和所述电阻R7的另一端接所述电压源VCC。
7.根据权利要求6所述的脉宽调制电路,其特征在于,所述功率NPN晶体管的集电极接变压器的原边绕组的一端,所述功率NPN晶体管的发射极接所述脉宽调制控制电路的OE端口,所述功率NPN晶体管的基极接所述脉宽调制控制电路的OB端口。
8.根据权利要求7所述的脉宽调制电路,其特征在于,所述输出电流检测电路包括:电流源I2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、双极型晶体管Q8和双极型晶体管Q9,其中
所述电流源I2的一端接所述电阻R4和所述双极型晶体管Q8的基极,所述电阻R4的另一端接地;
所述双极型晶体管Q9的集电极接所述双极型晶体管Q8的发射极和所述脉宽调制控制电路的OE端口,所述双极型晶体管Q9的发射极和所述电阻R6的一端接所述脉宽调制控制电路的IS端口,所述电阻R6的另一端接地。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Granted publication date: 20130424 Termination date: 20160203 |
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