CN101741268B - 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，所述斜坡电流驱动电路包括：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电流采样端口IS；
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基极驱动端口OB；
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基极驱动端口OB；
所述双极型晶体管Q13的基极接所述脉宽调制控制电路的发射极驱动端口OE；
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发射极驱动端口OE，所述功率NPN晶体管的基极接所述脉宽调制控制电路的基极驱动端口OB。
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发射极驱动端口OE，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电流采样端口IS，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基极驱动端口OB，该基极驱动端口OB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基极驱动端口OB；双极型晶体管Q13的基极接脉宽调制控制电路的发射极驱动端口OE；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发射极驱动端口OE，功率NPN晶体管30的基极接脉宽调制控制电路的基极驱动端口OB，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发射极驱动端口OE，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 (7)
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；
所述斜坡电流驱动电路包括：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，所述双极型晶体Q1的发射极接地，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电流采样端口IS；
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的发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基极驱动端口OB；
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。
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。
5.根据权利要求4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基极驱动端口OB；
所述双极型晶体管Q13的基极接所述脉宽调制控制电路的发射极驱动端口OE；
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的基极和所述电阻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。
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发射极驱动端口OE，所述功率NPN晶体管的基极接所述脉宽调制控制电路的基极驱动端口OB。
7.根据权利要求6所述的脉宽调制控制电路，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发射极驱动端口OE，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电流采样端口IS，所述电阻R6的另一端接地，所述电阻R5的一端接所述双极型晶体管Q9的基极和所述双极型晶体管Q8的集电极，所述电阻R5的另一端接地。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130424 Termination date: 20160203 |
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