CN101981796A - 生成辅助电源电压的阻尼电容器 - Google Patents

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Abstract

形成脉冲宽度调制器的集成电路(IC)控制开关电源的输出级的开关操作。与输出级的变压器的初级绕组相耦合的阻尼电容器被用于产生电容性耦合充电电流。该电容性耦合充电电流被耦合到滤波或电荷存储第二电容器用以在第二电容器中产生第二电源电压的第一部分。在输出级的开关周期的一部分期间，该阻尼电容器被耦合到电感器以形成谐振电路。该谐振电路在第二电容器中产生第二电源电压的第二部分，用以对IC供电。该第二电源电压被用于对IC供电。

Description

生成辅助电源电压的阻尼电容器
技术领域
本发明涉及为电路供电的低功率电源。
背景技术
开关电源，例如，脉冲宽度调制电源可包括输出级，该输出级具有隔离变压器的初级绕组。变压器初级绕组以非隔离方式被耦合到市电电源电压。隔离电源电压产生自在隔离变压器的次级绕组中形成的电压。通常，阻尼电容器(snubber capacitor)被耦合到初级绕组用以减少在初级绕组处形成的电压的反激电压部分的变化率。
形成脉冲宽度调制器的集成电路(IC)控制输出级的开关操作。为了其操作，该IC需要被辅助的非隔离电源电压所供电。非隔离电源电压能够在需要提供相对低功率的电源中生成。希望能够从已经在变压器的初级绕组中生成的非隔离电压中生成非隔离电源电压。
在实施本发明的一方面的过程中，与初级绕组耦合的阻尼电容器被用于生成电容耦合的充电电流。电容耦合的充电电流被与滤波或电荷存储第二电容器耦合，用以在第二电容器中生成用于给IC供电的非隔离电源电压的第一部分。
在实施本发明的另一方面的过程中，在输出级的开关周期的一部分期间，阻尼电容器被耦合到电感器以形成谐振电路。该谐振电路在第二电容器中生成用以给IC供电的非隔离电源电压的第二部分。
在实施本发明的又一方面的过程中，开关分流晶体管通过有选择地中断电流(否则，该电流将对第二电容器充电)来对低电压电源电压进行稳压。
发明内容
包含创造性特征的一种电源包括输入电压源，该输入电压源与变压器的第一绕组相耦合。输出开关晶体管响应于第一开关控制信号并与第一绕组相耦合，用以在所述第一绕组中产生电流，该第一绕组被变压器耦合(transformer-coupled)到所述变压器的第二绕组，以生成对第一负载电路供电的第一输出电源电压。在第一开关控制信号的周期的第一部分期间，输出开关晶体管中断第一绕组电流，并且在所述第一绕组中生成反激电压；第一电容器被耦合到第一绕组和第二电容器以形成阻尼电容网络，该阻尼电容网络减少反激电压的变化率并在所述第一和第二电容器中的每一个中生成电容性电流。电容性电流在第一和第二电容器中的每一个中存储对应的电荷，该电荷在所述第二电容器中形成第二电源电压的第一部分。第二电源电压被耦合到第二负载电路。在周期的第二部分期间，电感器通过输出开关晶体管的操作被耦合到所述第一电容器，以与第一电容器一起形成谐振电路，该谐振电路用以从存储在第一电容器的电荷中生成谐振电流。该谐振电流耦合到第二电容器。谐振电流在第二电容器中存储电荷，用以形成第二电源电压的第二部分。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的电源100。
图2a、2b和2c示出了与图1中的电路100的操作相关联的波形；以及
图3a、3b和3c分别示出了与图2a、2b和2c相同的但在已扩展的时间量度中的波形。
具体实施方式
图1描绘了体现本发明的一方面的电源100。在市电滤波电容器C1中形成从未示出的市电电源电压生成的直流(DC)输入供电电压DCin，并将其施加到隔离变压器T1的初级绕组W1的输入端101和初级侧非隔离参考电势GND之间。绕组W1的第二端102被耦合到开关输出晶体管Q1的漏极端。晶体管Q1的源极端103被耦合到电流抽样电阻R1以生成电流抽样信号CS，该信号指示在晶体管Q1中流动的电流。电阻R1被耦合在端子103和初级侧参考电势GND之间。
信号CS被耦合到传统的占空比调制器集成电路(IC)U1。IC U1以传统的方式运行于电流模式控制中。IC U1产生占空比已调制控制信号Drv，该信号耦合到晶体管Q1的栅极端。晶体管Q1和变压器T1以传统方式从与绕组W1变压器耦合的电压生成第一输出电源电压Vout。电压Vout与初级侧参考电势GND相隔离，并参考隔离的次级侧参考电势GND-ISOLATED。输出电源电压Vout以传统方式根据占空比已调制控制信号Drv被控制。
形成于电容器C3中的反馈信号FB是参考初级侧参考电势GND的。信号FB以传统方式生成于光耦合器U2中。信号FB指示第一输出电源电压Vout的大小。反馈信号FB以传统负反馈方式生成占空比已调制控制信号Drv的占空比变化。电源电压DCin也经由启动电阻R3被耦合到IC U1从而以传统方式生成用以发起启动操作的启动电压HV。
图2a、2b和2c示出了与图1中的电路100的操作相关联的电流或电压波形。图3a、3b和3c示出了分别与图2a、2b和2c相同的电流或电压波形，但是其显示在已扩展的时间量度中。在图2a、2b和2c、图3a、3b和3c以及图1中的相似的符号和数字指示相似的项目或功能。
在实施创造性特征的过程中，图1中的阻尼电容器C4经由二极管D1被耦合到大得多的滤波供电电容器C2。当晶体管Q1被关断时，在图3a或3b的t2时刻，图1中的绕组W1的电流IW1的流动中断。因而，在图1的端子102处生成图1、3a和2a的漏极电压V102的具有图2a的周期T的周期性反激部分V102-FB，其导致图1、3c和2c的电流ID1流入图1的电容器C4、二极管D1和电容器C2。因此，相对于漏极电压V102，电容器C2和C4形成了电容分压器。电流ID1给电容器C2和C4中的每一个充电。由此，有优势地，电源电压Vcc的第一部分形成于电容器C2中。
在实施另一创造性特征的过程中，电容器C2和C4被包括在阻尼网络104中。串联耦合的电容器C2和C4的电容主要通过电容器C4的电容值来确定，而非电容器C2的电容值。当晶体管Q1关断时，阻尼网络104以传统的方式减小图3a的上坡(up-ramping)反激部分V102-FB的变化率。图1的阻尼网络104能够以传统方式包括由元件104a共同标识的其他组件。电感器L1被耦合在阻尼电容器C4和初级侧参考电势GND之间。
在图2a和3a的t0时刻，图1的晶体管Q1被接通并在绕组W1中生成上坡电流IW1。电流IW1线性上升，并在绕组W1的电感中存储磁能。同时，电感器L1以并联方式与电容器C4耦合以形成谐振电路。在电感器L1中的谐振电流IL1在电容器C4的端子102a处产生电压，该电压在图3b和3a的t1时刻超过了图1的输出电压Vcc。这导致二极管D1变得导通。在变得导通之后，二极管D1在图1中的电容器C2中产生图3c的电流ID1的下坡部分。有优势地，下坡部分ID1a在电容器C2中形成了电压Vcc的第二部分。当二极管D1导通时，其将电压Vcc施加到绕组L1两端以生成在图3b的电流IL1中的相对应的下坡部分IL1a。
有优势地，存储在阻尼电容器C4中的电荷或能量未被浪费，而是被用于生成电压Vcc的第二部分。另外，有优势地，电压Vcc无需在变压器T1中的额外绕组而被生成。
在实施额外的创造性特征的过程中，稳压开关晶体管Q3的一对主电流导通端子跨越电感器L1分别与端子102a和参考电势GND相耦合。电压Vcc经由电阻R3被耦合到齐纳二极管D3的阴极端110以生成电压比较器晶体管Q2的参考基极电压VB。齐纳二极管D3的另一端被耦合到初级侧参考电势GND。晶体管Q2的发射极端被耦合到从中形成电压Vcc的电容器C2。晶体管Q2的集电极被耦合到晶体管Q3的栅极端和负载电阻R4二者。
当电压Vcc过量时，电压Vcc和在端子110处形成的齐纳电压间的差值超过了在晶体管Q2的基极和发射极间的阈值转发电压。因此，晶体管Q2变为导通并导致晶体管Q3接通。通过此种方式，晶体管Q2选择性地禁止或极大地减少充电电流ID1。而且，电感器L1的电流IL1经由晶体管Q3被分流。其结果是，电压Vcc被有优势地稳压了。电压稳压的可替换实施例能够通过使用以并联方式经由导体与电感器C2相耦合的分流稳压器二极管D4来获得(如虚线所示)。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种电源，包括：
输入电压源，该输入电压源与变压器的第一绕组相耦合：
输出开关晶体管，该输出开关晶体管响应于第一开关控制信号并与所述第一绕组相耦合用以在所述第一绕组中产生电流，所述第一绕组被变压器耦合到所述变压器的第二绕组，以生成对第一负载电路供电的第一输出电源电压，在所述第一开关控制信号的周期的第一部分期间，所述输出开关晶体管中断所述第一绕组电流，并且在所述第一绕组中生成反激电压；
第一电容器，该第一电容器被耦合到所述第一绕组和第二电容器以形成阻尼电容网络，该阻尼电容网络减少所述反激电压的变化率并在所述第一电容器和第二电容器的每一个中生成电容性电流，所述电容性电流在所述第一电容器和第二电容器的每一个中存储对应的电荷，该电荷在所述第二电容器中形成第二电源电压的第一部分，所述第二电源电压被耦合到第二负载电路；以及
电感器，在所述周期的第二部分期间，该电感器被耦合到所述第一电容器，此时所述输出开关晶体管导通以形成所述电感器与所述第一电容器的谐振电路，用以从存储在所述第一电容器中的电荷生成与所述第二电容器相耦合的谐振电流，所述谐振电流在所述第二电容器中存储电荷，用以形成所述第二电源电压的第二部分。
2.如权利要求1所述的电源，还包括可控第二开关晶体管，其用于以对所述第二电源电压进行稳压的方式，选择性地中断在所述第二电容器中存储对应的电荷的电流中的至少一个电流。
3.如权利要求2所述的电源，还包括比较器，该比较器响应于所述第二电源电压并被耦合到所述可控第二开关晶体管的控制端子，用以当所述第二电源电压位于一值域之外时变更所述可控第二开关晶体管的导通状态。
4.如权利要求2所述的电源，其中，所述第二开关晶体管以并联方式与所述电感器相耦合。
5.如权利要求2所述的电源，其中，所述第二开关晶体管被耦合到所述电感器和所述第一电容器中每一个间的结点端子。
6.如权利要求1所述的电源，还包括整流器，该整流器被耦合在所述第一电容器和第二电容器之间用以使对所述第二电容器充电的对应的电流能在第一方向流动，并用以防止在所述第二电容器中的电流在相反的方向流动。
7.如权利要求1所述的电源，其中，所述第一输出电压产生于所述变压器的第二绕组，该变压器将所述第一输出电源电压与所述第二输出电源电压隔离。
8.如权利要求1所述的电源，其中，所述第一电容器和第二电容器以串联方式耦合。
9.如权利要求1所述的电源，其中，所述第二电容器比所述第一电容器大。
10.如权利要求1所述的电源，其中，所述输出开关晶体管将所述电感器以并联方式与所述第二电容器相耦合，以形成所述谐振电路。
11.如权利要求1所述的电源，还包括占空比调制器，用以生成所述第一开关控制信号，其中，所述第二电源电压被耦合到所述占空比调制器，用以对所述占空比调制器供电。
12.一种电源，包括：
输入电压源，该输入电压源与变压器的第一绕组相耦合：
输出开关晶体管，该输出开关晶体管响应于第一开关控制信号并与所述第一绕组相耦合用以在所述第一绕组中产生电流，所述第一绕组被变压器耦合到所述变压器的第二绕组，以生成对第一负载电路供电的第一输出电源电压，在所述第一开关控制信号的周期的第一部分期间，所述输出开关晶体管中断所述第一绕组电流，并且在所述第一绕组中生成反激电压；
第一电容器，该第一电容器被耦合到所述第一绕组并通过二极管直接耦合到第二电容器以形成阻尼电容网络，该阻尼电容网络减少所述反激电压的变化率并在所述第一电容器和第二电容器的每一个中生成电容性电流，所述电容性电流在所述第一电容器和第二电容器的每一个中存储对应的电荷，该电荷在所述第二电容器中形成第二电源电压的第一部分，所述第二电源电压被耦合到第二负载电路；以及
电感器，在所述周期的第二部分期间，该电感器通过所述输出开关晶体管的操作被耦合到所述第一电容器，以与所述第一电容器一起形成谐振电路，用以从存储在所述第一电容器中的电荷生成与所述第二电容器相耦合的谐振电流，所述谐振电流在所述第二电容器中存储电荷，用以形成所述第二电源电压的第二部分。

Claims (11)

1.一种电源，包括：
输入电压源，该输入电压源与变压器的第一绕组相耦合：
输出开关晶体管，该输出开关晶体管响应于第一开关控制信号并与所述第一绕组相耦合用以在所述第一绕组中产生电流，所述第一绕组被变压器耦合到所述变压器的第二绕组，以生成对第一负载电路供电的第一输出电源电压，在所述第一开关控制信号的周期的第一部分期间，所述输出开关晶体管中断所述第一绕组电流，并且在所述第一绕组中生成反激电压；
第一电容器，该第一电容器被耦合到所述第一绕组和第二电容器以形成阻尼电容网络，该阻尼电容网络减少所述反激电压的变化率并在所述第一电容器和第二电容器的每一个中生成电容性电流，所述电容性电流在所述第一电容器和第二电容器的每一个中存储对应的电荷，该电荷在所述第二电容器中形成第二电源电压的第一部分，所述第二电源电压被耦合到第二负载电路；以及
电感器，在所述周期的第二部分期间，该电感器通过所述输出开关晶体管的操作被耦合到所述第一电容器，以与所述第一电容器一起形成谐振电路，该谐振电路用以从存储在所述第一电容器的电荷中生成与所述第二电容器相耦合的谐振电流，所述谐振电流在所述第二电容器中存储电荷，用以形成所述第二电源电压的第二部分。
2.如权利要求1所述的电源，还包括可控第二开关晶体管，其用于以对所述第二电源电压进行稳压的方式，选择性地中断在所述第二电容器中存储对应的电荷的电流中的至少一个电流。
3.如权利要求2所述的电源，还包括比较器，该比较器响应于所述第二电源电压并被耦合到所述可控第二开关晶体管的控制端子，用以当所述第二电源电压位于一值域之外时变更所述可控第二开关晶体管的导通状态。
4.如权利要求2所述的电源，其中，所述第二开关晶体管以并联方式与所述电感器相耦合。
5.如权利要求2所述的电源，其中，所述第二开关晶体管被耦合到所述电感器和所述第一电容器中每一个间的结点端子。
6.如权利要求1所述的电源，还包括整流器，该整流器被耦合在所述第一电容器和第二电容器之间用以使对所述第二电容器充电的对应的电流能在第一方向流动，并用以防止在所述第二电容器中的电流在相反的方向流动。
7.如权利要求1所述的电源，其中，所述第一输出电压产生于所述变压器的第二绕组，该变压器将所述第一输出电源电压与所述第二输出电源电压隔离。
8.如权利要求1所述的电源，其中，所述第一电容器和第二电容器以串联方式耦合。
9.如权利要求1所述的电源，其中，所述第二电容器比所述第一电容器大。
10.如权利要求1所述的电源，其中，所述输出开关晶体管将所述电感器以并联方式与所述第二电容器相耦合，以形成所述谐振电路
11.如权利要求1所述的电源，还包括占空比调制器，用以生成所述第一开关控制信号，其中，所述第二电源电压被耦合到所述占空比调制器，用以对所述占空比调制器供电。
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