CN1021270C - 带限压保护装置的开关型电源 - Google Patents

Abstract

在发生故障的情况下，在电视接收机中的开关型电源的输出电压可以升高至这样的程度，即，超出显象管所能容许的超高压。这样，就会超过X射线极限值而造成危害。为了防止这种情况，建议在开关型电源上用一个耐雪崩MOS晶体管作为开关晶体管。开关型电源的规格是如此安排的，即，规定在开关型电源安全连续工作和MOS晶体管毁坏性极限之间的耐压余量为5%至20%。

Description

本发明涉及带限制输出电压保护装置的开关型电源，该电源具有用于控制开关晶体管的控制装置，可以借助开关晶体管把直流电压周期地加到变压器的初级绕组上。该变压器至少具有一个初级绕组，借助于该次级绕组侧的整流器可以获得所述输出电压。

这种电路装置在西德专利DE-AL-3341074号中已公开。为了防止在开关型电源的次级侧出现过高的电压，该装置中装有一个晶闸管，该晶闸管在初级侧通过太强的电流时能间歇地将开关晶体管断开。

用一个调整电路来稳定开关型电源的输出电压也是已知的技术。调整量或调整误差可以通过在开关型电源的变压器上的一个调整绕组来检测（参见西门子产品信息，“ICs    für    die    unterhaltungselektronik，SNTs”87年第8期）或者通过一个光电耦合器来检测。开关晶体管通过一个控制和监测装置根据测定的调整量或调整误差来加以操纵。

然而，如果在这已知的电路装置中调整电路遇到故障时，则开关型电源的输出电压可能会升高到超出允许的数值。在输出电压升高20%至40%时，控制和监测装置的信号处理级的功能作用仍够维持，这是因为其馈电电压通常又经过重新稳压的缘故。

特别成问题的是把这种开关型电源用作电视机的电源。 这是因为，当行偏转电路（H-偏转）的未稳压的馈电电压按这百分比上升时，电视机显象管的超高压也以同样的比例上升，例如，从25kV上升到35kv。对于观看者来说，电视图象显得稍微放大了一些，而且很清晰，以致通常会继续使用这种电视机。因此，这造成超出X射线极限值的危害。因而，在某些国家中有关X射线的一些规章规定了对X射线的安全保护电路，这些保护电路防止加在电视机显象管上超高压过高，在联邦德国，电视机允许的X射线极限值是30KV。

主要的问题在于，通常目前在开关型电源和行输出级的H偏转电路中应用的双极晶体管在耐强度方面都具有非常大的安全系数，例如，双极晶体管BU508在开关型电源中工作在大约700V，而在一个90°行输出级工作在大约950V。双极晶体管BU508的极限参数为1500V，而其毁坏性极限在1700至1800伏。这意味着，输出级几乎永不会由于过电压而损坏，但是，在调整电压不合规定的情况下，会出现电源的危险的高输出电压，并随之出现显象管上的太高的超高压以及危险的高强度X射线。

本发明的基本目的是一种用于开关型电源的电路装置，用这种电路装置可以可靠地避免输出电压升高超出允许的限度，而所耗代价也最低。

该目的是这样达到的：所述开关晶体管是一种耐雪崩MOS晶体管，同时，该开关型电源是这样设计的，即，规定在开关型电源安全连续工作和耐雪崩MOS晶体管毁坏性极限之间的耐压余量为5%至20%。

本发明的开关型电源的操作安全性高于具有100%耐压余量 的双极晶体管或具有40%耐压余量的MOS晶体管的情况，或至少与它们一样高。

由于外界的影响，例如显象管火花放电，由闪电引起的过电压或开关型电源中的同步故障，可能在开关型电源中出现单个很高的反向电压峰值。本发明充分利用了这个事实，即，这反向电压峰值对于耐雪崩的MOS-晶体管（西德专利P3718912.3中公开过）是无害的，并能如同功率齐纳二极管的情况那样被可靠地限幅。在这方面完全许可出现直至几个安培数量级的电流峰值。重要的是由限幅作用引起的损耗功率不会导致温度超过耐雪崩MOS的极限值。

因此，跨接耐雪崩MOS-晶体管电极间的单个电压峰值，即使在峰值功率处于千伏安范围时，根据本发明也是可以容许的。但是，如果耐雪崩MOS-晶体管的可容许的漏极-源极电压间歇地在每个脉冲期间被超过时，那么，该晶体管就会由于消耗功率而很快地过热和烧坏，对于这种耐雪崩MOS-晶体管，例如，耐雪崩的SIPMOS-晶体管，其毁坏性极限是处于“齐纳临界值”内的。这样，即便遇到调整电路发生故障，也能有效地阻止开关型电源的输出电压超过预定的5%至20%。

这就为开关型电源提供了一种安全的保护机制，而不需要任何额外的元件。

下面将结合四张附图对本发明的一个实施例进行更详细的描述：

图1表示在使用双极晶体管，MOS晶体管或根据本发明的耐雪崩MOS晶体管作为开关晶体管的情况下，在稳定状态下正常工作的开关型电源开关晶体管的负荷电路两端的电压变化曲线上所述 开关晶体管具有允许的反向电压，

图2表示根据本发明带有耐雪崩SIPMOS-晶体管的开关型电源的电路装置，

图3表示在周期性限幅下开关型电源的耐雪崩SIPMOS晶体管中的漏极-源极电压，

图4表示在完全限幅下开关型电源的耐雪崩SIPMOS晶体管的漏极-源极电压。

图1表示在稳定状态下正常工作的开关型电源开关晶体管的负荷电路两端的典型的电压变化曲线。如果用一个双极晶体管作为开关晶体管，标号4就代表这双极晶体管的集电极-发射极电压U_CE，或在一个MOS晶体管的情况下，则是它的漏极-源极电压U_DS。在开关晶体管断开后，就出现如图1中示出的大幅度摆动。U_N表示在正常工作状态下和开关型电源具有预定输入电压时，开关晶体管两端的反向峰值电压。例如，在开关型电源的输入端为220V交流电压的情况下，则U_N是500V。

如果应用双极晶体管作为开关晶体管，则必须规定50%至100%的耐压余量，这就是说，必须将可以允许的集电极-发射极电压U_CES选择为比在正常工作双极晶体管两端出现的电压高约50%至100%。这是必需的，因为，双极晶体管会由于超过可允许的集电极-发射极电压U_CES的单个峰值电压而遭到损坏。通常的MOS晶体管也会由于超过可允许的漏极-源极电压U_DSS的短暂的单个脉冲电压而立刻遭到损坏。

因此，在研制装有MOS晶体管的开关型电源时同样必须考虑高的耐压余量。通常的MOS晶体管的耐压余量大约是40%。

按照本发明的开关型电源应配有耐雪崩MOS晶体管，最好是耐雪崩SIPMOS晶体管。开关型电源，特别是回扫变换器型电源，其规格必须如此设计，即，从耐雪崩SIPMOS晶体管的毁坏性极限值考虑，耐压余量应规定为5%至20%。耐雪崩SIPMOS晶体管的齐纳电压在图1中以Uzavalanche表示。

图2表示根据本发明的回扫变换器型开关式电源的一个实施例。这种开关型电源已经在西门子产品信息“ICs for enter-tainment electronics，SNTs”87年第8期第57页上描述过。与其所用的普通的SIPMOS晶体管BUZ90不同，根据本发明的是一个耐雪崩的SIPMOS晶体管。这种耐雪崩的SIPMOS晶体管是以BUZ90^＊作为标志的。这种耐雪崩SIPMOS晶体管BUZ90^＊有600V的可允许的漏极-源极电压和大约630V的齐纳电压Uzavalanche，也就是说，如果持续地超过630V时，则耐雪崩SIPMOS晶体管就会遭受毁坏。开关型电源的输入电压预定为90至250V，并备有一个集成控制和监测装置集成电路（IC），例如，集成电路TDA4605，用于操纵耐雪崩SIPMOS晶体管TO。

此外，该电路装置的规格必须是这样的，即，从耐雪崩SIPMOS晶体管TO毁坏性极限值考虑，耐压余量规定为5%至20%。这是通过确定变压器的规格（匝数比，耦合系数）和接到回描电路装置的规格来实现的。

利用由二极管D3，电阻R7和电容器C7组成的阻尼组合，上面所说的在开关型电源中的电压大幅度摆动就能得到限制。

下面将举例图2中回扫变换器型开关电源的部件的最佳规格：

R1    220    Ohm    C1    3.9nF

R2    8.2    kOhm    C2    1μF

R3    270    kOhm    C3    1nF

R4    750    kOhm    C4    47μF/25    V

R5，R11    4.7    kOhm    C5    220    nF

R6    22    kOhm    C6    150    μF/83    V

R7，R9    10    kOhm    C7    33    nF

R8    100    kOhm    C8    270    pF

R10    100    Ohm    C9    2.2    nF

D1    1    N4148    C10    47μF/250    V

D2    1    N4148    C11    1000μF/25    V

D3，D4，BYW    76    C12    470μF/25    V

NTC    S231    D5，D6，BYW    72

IC    TDA    4605    D7-D10    1    N4007

TO BUZ 90^＊P 2.2 kOhm

变压器    TD    3202

保险丝F    0.8A

在正常工作时，在电容器C10和二极管D4的接点处，124V整流电压接至开关型电源的输出端子上，而在二极管D5和电容器C11的接点处是16V电压，二级管D6和电容器D12的接点处是9V的电压。

图3表示根据本发明的耐雪崩SIPMOS晶体管在输入电压升高时的漏极-源极电压5。标号4仍表示在正常工作时的漏极-源极电压。出现的高反向电压峰值在耐雪崩SIPMOS晶体管处就 象在功率齐纳二级管处一样受到限幅。在耐雪崩SIPMOS晶体管内产生高的功率损耗。如果高的反向电压峰值仅是短时间地出现（分钟范围），则耐雪崩SIPMOS晶体管不会遭受损坏。Uzavalanche表示耐雪崩SIPMOS晶体管的齐纳电压，这已经在结合图1时说明。

图4表示在受到完全限幅时，耐雪崩SIPMOS晶体管的漏极-源极电压6。耐雪崩SIPMOS晶体管出现非常高的功率损耗，于是它很快便遭受毁坏。这样，即便在开关型电源的调整电路发生故障时，输出电压也不可能在开关型电源中发展成超过所预定的5%至20%。由此，电视机中X射线也不可能超过其极限值。

还需要说明的是，根据本发明的开关型电源当然并不仅仅限于用在显示屏设备中，所介绍的电路概念可以用在其输出电压不允许超越的所有一切开关型电源中，例如也可用在计算机等设备中。

Claims (2)

1、一种带有限制输出电压保护装置的开关型电源，该电源包括：

一开关晶体管，用以选择性地导通一直流电夺压，该开关晶体管是耐雪崩的MOS晶体管；

一驱动装置，用以驱动的说开关晶体管，所说驱动装置选定得使能提供的耐压余量为在开关型电源安全连续工作和耐雪崩MOS晶体管毁坏性限之间的耐压余量的5%至20%；以及

一变压器，初级绕组连接到所说开关晶体管以接收一选择性地导通的直流电压，所说变压器具有一个供给输出电压的次级组，

其特征在于，所说耐雪崩的MOS晶体管的最大允许的齐纳电压约在开关型电源在正常工作时出现在所说耐雪崩晶体管的漏极一源极电压的5%到20%。

2、根据权利要求1的开关型电源，其特征在于，所说开关型电源用于显示屏装置。

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