CN102195459B - 有源缓冲电路和电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种有源缓冲电路和电源电路。本发明提供一种能容易获得电源元件的最佳的接通断开定时、变压器没有中间抽头、变压器结构不复杂的有源缓冲电路和电源电路。有源缓冲电路(70)用于开关电源，该开关电源构成为，主开关元件(20)重复接通状态和断开状态，使电流断续地流入到一次绕组，有源缓冲电路(70)具有：浪涌电压吸收用电容器(24)；副开关元件(25)；以及控制副开关元件的副控制电路(27)，浪涌电压吸收用电容器和副开关元件串联连接的电路与一次绕组并联连接，副控制电路(27)在主开关元件(20)刚断开后使副开关元件(25)处于预定时间的接通状态。

Description

有源缓冲电路和电源电路

技术领域

本发明涉及有源缓冲电路(active snubber circuit)和电源电路，特别涉及可吸收和减少在开关电源装置等中使用的开关元件的浪涌电压的有源缓冲电路和电源电路。

背景技术

以往，在回扫变换器(RCC)电源中，为了吸收并减少主开关元件的浪涌电压，在回扫变压器的一次绕组之间连接缓冲电路。缓冲电路有使用RCD缓冲器或电荷蓄积二极管的无源方式的缓冲电路、和使用电力半导体元件的有源箝位方式的缓冲电路(有源缓冲电路)。

图6是使用RCD缓冲电路的现有技术。该电路是使RCD缓冲电路101与被称为回扫变换器的电路100连接而成的电路。主开关元件102重复接通、断开，将在主开关元件102的接通时蓄积在变压器103内的励磁能量在主开关元件102的断开时释放，将直流电提供给负载。

在图6中，回扫变换器电路100具有MOSFET等的主开关元件102、二极管104、电容器106以及主控制电路109。并且，RCD缓冲电路101具有二极管105、电容器107以及电阻108。而且，变压器103具有绕组103a～103c。绕组103b的电压在二极管104和电容器106进行了整流平滑后的电压被输入到主控制电路109(23a)，由于该电压是与输出电压成正比的电压，因而对主开关元件102进行接通断开控制以使其值保持为恒定值。

对该现有技术的动作进行概述，在起动时，利用主控制电路109内的起动用的电阻(未图示)，从输入电源将起动时的能量提供给主控制电路109，开始主开关元件102的栅极驱动。首先，当主开关元件102接通时，伴随于此，输入电源的电压被施加给变压器103的绕组103a，主开关元件102处于接通状态，并且励磁能量被蓄积在绕组103a内。并且，当通过主控制电路109断开主开关元件102时，蓄积在绕组103a内的励磁能量经由绕组103c作为电能被释放，由二极管110和平滑用电容器111进行整流平滑而被提供给负载112。

当蓄积在绕组103a内的励磁能量经由绕组103c全部被释放时，在绕组103a产生由变压器的励磁电感以及变压器和半导体元件的杂散电容引起的进行了自由振动的电压波形。以后，重复该接通断开动作。这样，伴随主开关元件102的接通、断开动作，电能被提供给负载112。

伴随主开关元件102的断开，蓄积在变压器103的绕组103a的漏电感内的能量在RCD缓冲电路101的电容器107被吸收，在电阻108被消耗，因而抑制了施加给主开关元件102的浪涌电压。

另外，图7示意性示出向图6的现有技术中的主开关元件102的源极漏极之间施加的电压的波形。

如图7所示，在使用上述的RCD缓冲电路101的情况下，不能充分抑制浪涌电压，EMI(电磁干扰)增大。

并且，作为使用有源缓冲电路的现有的电源电路，有在专利文献1中所公开的电源电路。专利文献1的电源电路是利用电流谐振来进行电力传递的电源电路，具有连接在直流电源的两端的主开关元件和副开关元件的串联电路、以及在变压器和主副控制电路与主开关元件和副开关元件的相互连接点之间的电容器和电感的串联电路，通过各控制电路阶梯接通、断开主开关元件、副开关元件，对在二次绕组产生的电压进行整流平滑并提供给负载。变压器的一次侧绕组和主控制电路将一次辅助绕组的电压作为信号电压，接通断开主开关元件以使提供给负载的直流电压为恒定，当副开关元件的两端电压与基准电压相比下降时，副控制电路接通副开关元件。

【专利文献1】日本特开2006-129548号公报

然而，在以无源方式构成缓冲电路的情况下，由于将浪涌电压变为热能来消耗，因而导致各部件的大型化和电源效率的下降。并且在以有源箝位方式构成缓冲电路的情况下，由于可电力回收浪涌电压，因而效率不会下降，然而难以获得电力元件的最佳接通断开定时。

在专利文献1中，检测副开关元件的两端电压，当与基准电压相比下降时接通副开关元件，因而因常时检测副开关元件的两端电压的电阻而产生损失，因此具有在无负载或轻负载等的等待时的消耗电力增加的问题。并且，在专利文献1中公开了一种向变压器追加信号用的绕组来获得副开关元件的接通断开定时信号的方法，然而由于变压器需要额外的抽头，因而需要各绕组间的空间距离，变压器的结构也复杂，必须增大变压器的外形。

发明内容

本发明的目的是鉴于上述课题，提供能容易获得副开关元件的最佳的接通断开定时、在变压器上不设置信号用绕组、变压器结构不复杂、且不增加电源等待时的消耗电力的有源缓冲电路和电源电路。

为了达到上述目的，本发明涉及的有源缓冲电路和电源电路构成如下。

第1有源缓冲电路(对应于权利要求1)，该有源缓冲电路用于开关电源，该开关电源构成为具有变压器和与变压器内的一次绕组串联连接的主开关元件，其中，该主开关元件重复接通状态和断开状态，使电流断续地流入到一次绕组，该有源缓冲电路的特征在于，有源缓冲电路具有：浪涌电压吸收用电容器；副开关元件；以及控制副开关元件的副控制电路，浪涌电压吸收用电容器和副开关元件串联连接的电路与一次绕组并联连接，副控制电路在主开关元件刚断开后使副开关元件处于预定时间的接通状态。

第2有源缓冲电路(对应于权利要求2)，其特征在于，在上述结构中，设置自举电路，来自自举电路的信号被输入到副控制电路。

第1电源电路(对应于权利要求3)，其特征在于，电源电路具有：在电力传递用的主开关动作中使用的主开关元件和电力传递用主变压器；以及与电力传递用主变压器的励磁用主绕组并联连接的副开关元件和与该副开关元件串联连接的电容器，电源电路设有：对施加给主开关元件的开关脉冲电压进行箝位的上述有源缓冲电路和用于获得副开关元件的接通断开信号的自举电路。

第2电源电路(对应于权利要求4)，其特征在于，在上述结构中，用于获得副开关元件的接通断开信号的自举电路经由二极管与副控制电路的电源用的自举电路共用。

根据本发明，可提供能容易获得副开关元件的最佳的接通断开定时、变压器不复杂、可减少浪涌电流和噪声的有源缓冲电路和电源电路。

附图说明

图1是示出使用本发明的本实施方式涉及的有源缓冲电路的开关电源电路的电路图。

图2是本发明的本实施方式涉及的有源缓冲电路的副控制电路的框图。

图3是示出本发明的本实施方式涉及的有源缓冲电路的各部的波形的图。

图4是示出主开关元件的源极漏极间电压的波形的图。

图5是示出变型例的电路图的一部分。

图6是使用RCD缓冲电路的现有技术的电路图。

图7是示出使用RCD缓冲电路时的浪涌电压的图。

标号说明

10：开关电源电路；11：输入电源；13：二极管整流桥；15：平滑用电容器；17：电力传递用主变压器；18：一次侧主绕组；20：主开关元件；21：电容器；23：主控制电路；24：电容器；25：副开关元件；26：寄生二极管；27：副控制电路；28：一次侧绕组；30：电阻；31：二极管；32：电容器；34：电容器；35：光耦合器；39：二极管；41：电容器；45：二极管；46：电阻；47：电容器；48：电阻；50：二次侧绕组；70：有源缓冲电路。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明的优选实施方式(实施例)。

图1是示出使用本发明的本实施方式涉及的有源缓冲电路的开关电源电路的电路图。在图1所示的开关电源电路10中，来自输入电源11的交流电压被提供给二极管整流桥13，整流后的电压在平滑用的电容器15被平滑，作为平滑直流电压被取出。然后，被提供平滑直流电压的线路16与电力传递用主变压器17的励磁用的一次侧主绕组18的一端18a连接。并且，该一次侧主绕组18的另一端18b与线路19连接。

并且，一次侧绕组18的另一端18b通过线路19与主开关元件20的漏极端子连接，在该主开关元件20的漏极端子和源极端子之间设有电容器21。主开关元件20由主控制电路23控制接通断开。然后，主开关元件20的源极端子经由过电流检测电阻38接地。

电容器24和副开关元件25串联连接在一次侧绕组18的一端18a和另一端18b之间。另外，二极管26是内置于副开关元件25中的寄生二极管。副开关元件25由副控制电路27控制接通断开。

并且，在电力传递用主变压器17设有一次侧绕组28。线路29与一次侧绕组28的端子28a连接，线路33与一次侧绕组28的端子28b连接。电阻30的一端与线路29连接，电阻30的另一端与二极管31的阳极端子连接。二极管31的阴极端子与线路36连接。主控制电路23的端子23a与线路36连接，电容器32连接在线路36和线路33之间。并且，开关22a的一端与线路36连接，电流源22b与开关22a的另一端连接。该开关22a在起动时接通，电流源22b的电流流入电容器32而被充电。在主开关元件的接通断开控制开始后，开关22a由主控制电路23断开。

电容器34的一端与线路33连接，电容器34的另一端与主控制电路23的端子23b连接。并且，光耦合器35的受光侧端子(光电晶体管的集电极端子和发射极端子)与电容器34并联连接。而且，主控制电路23的端子23c和电阻38的一端与线路33连接并接地。

并且，二极管39的阳极端子与线路36连接，二极管39的阴极端子与线路40连接。然后，线路40与副控制电路27的Vcc端子连接。并且，电容器41的一端与线路40连接，电容器41的另一端经由线路42和线路43与线路19连接。

并且，二极管45的阳极端子与线路36连接，二极管45的阴极端子与线路44连接。电阻46的一端与线路44连接，电阻46的另一端与副控制电路27的SD端子连接。电容器47连接在线路44和线路42之间。并且，电阻48的一端与线路42连接，电阻48的另一端与副控制电路27的ADJ端子连接。副控制电路27的Drive端子与副开关元件25的栅极端子25a连接，副开关元件25由副控制电路27控制接通断开。

整流用的二极管51的阳极端子与电力传递用主变压器17的二次侧绕组50的一端50a连接，二极管51的阴极端子与线路62连接。线路63与二次侧绕组50的另一端50b连接。平滑用的电容器52的一端与线路62连接，电容器52的另一端与线路63连接。线路62设有输出端子(正极侧)53，线路63设有输出端子(负极侧)54。并且，电阻55和光耦合器35的发光侧端子和误差放大器57的输出端子串联连接在线路62和线路63之间。而且，电容器60和电阻61串联连接在线路58和线路59之间。并且，电阻64、65串联连接在线路62、63之间，它们的连接点作为线路59与误差放大器57的输入端子连接。电阻66与光耦合器35并联连接。电阻66的端子间电压经由光耦合器35作为信号被提供给主控制电路23，形成根据该信号电压的值任意控制主开关元件20的接通断开的驱动信号。由此，进行被取出到输出端子53、54的输出电压的稳定。

即，在主控制电路23中，形成例如使主开关元件20的断开时间Toff固定且使动作振荡频率可变以使输出电压为恒定的驱动信号。然后，该驱动信号被提供给主开关元件20，由此交变电流流入电力传递用主变压器17的一次侧主绕组28进行励磁，电力被传递到二次侧绕组50，在二次侧绕组50形成与一次侧主绕组18和二次侧绕组50的匝数比对应的电压。然后控制驱动信号以使该输出电压稳定。

并且，在该开关电源电路10中，有源缓冲电路70由以下构成：电容器24；与该电容器24串联连接的副开关元件25；内置于该副开关元件25中的寄生二极管26；驱动副开关元件25的副控制电路27；从线路36经由二极管39、45被输入到副控制电路27的线路40、44；电容器41；电容器47；以及电阻46。

并且，由与线路36连接的二极管39、45、和电容器41、47构成自举电路。

然后，该有源缓冲电路70与绕组18并联连接。

如上所述，在该电路中使用自举电路，用于获得有源箝位用电源元件即副开关元件25的接通断开信号。将用于主开关元件20的接通断开控制的控制电源即电容器32的电压通过自举电路提供给副控制电路27，而且根据来自电容器32的电压的有无检测主开关元件20的接通断开定时。由此，不准备在变压器上准备信号用绕组的抽头，并且不检测副开关元件的两端电压，可简单获得副开关元件25的接通断开信号。

在上述电路中，副开关元件25的接通定时是在主开关元件20刚断开后使其接通一定时间。以往，通过在变压器一次绕组上设置抽头或辅助绕组、或者检测副开关元件25的两端电压，来获得副开关元件25的接通断开定时信号、或者栅极信号。与此相对，在本发明中，根据主开关元件20的从接通到断开的定时，使用对自举电路的电源供给的有无来生成副开关元件25的接通断开定时。

图2是示出副控制电路27的结构的详细框图。电流镜电路73的输入侧与ADJ端子连接，线路72与电流镜电路73的输出侧连接。电容器73、齐纳二极管74、晶体管75各自的一端与线路72连接，然后，线路72与比较器76的反转输入端子连接。并且，阈值电压Vth2用电源77与比较器76的非反转输入端子连接。比较器76的输出被输入到驱动电路78，来自驱动电路78的输出从Drive端子被输出。然后，由电流镜71、电容器73、齐纳二极管74、晶体管75形成计时器。

SD端子通过线路79被输入到比较器80的反转输入端子，并且，电压电流转换部81的输入侧端子与线路79连接，电流镜电路82的输入侧端子与电压电流转换部81的输出侧端子连接，电流镜电路82的输出侧端子与线路83连接。电流源84与线路83连接，电容器85、齐纳二极管86、晶体管87各自的一端与线路83连接，然后，线路83与比较器88的非反转输入端子连接。比较器88的反转输入端子与电源89连接。并且，比较器88的输出被输入到单稳电路(one shot)90，单稳电路90的输出被输入到晶体管75的栅极。并且，比较器80的非反转输入端子与电源91连接，其输出被输入到晶体管87的栅极。由电流源84、电容器85、齐纳二极管86、晶体管87形成计时器。

低电压保护部92的输入端子与Vcc端子连接，来自该低电压保护部92的输出端子与驱动电路78的控制端子连接。当从Vcc端子输入的电压是预定电压以上时，该低电压保护部92发送用于可使驱动电路进行动作的信号。当从Vcc端子输入的电压小于预定电压时，发送不使驱动电路78进行动作的信号。

下面，参照图3的动作时序图说明本发明的本实施方式涉及的有源缓冲电路70的动作。图3(a)示出主开关元件的两端间的电压VDS，图3(b)示出SD端子的电压波形，图3(c)示出被输入到由电容器85、齐纳二极管86、晶体管87构成的计时器的线路72的电压，图3(d)示出由电容器85、齐纳二极管86、晶体管87构成的计时器的超时输出(超时值tout例如被设定为3μs等的预定值)，图3(e)示出来自单稳电路的输出信号，图3(f)示出由电容器73、齐纳二极管74、晶体管75构成的计时器的信号f-2(线路72的信号)，图3(g)示出来自驱动电路78的输出信号。

首先，当主开关元件20接通时，主开关元件20的漏极源极间电压VDS为零(图3(a-1))。此时，副控制电路27的SD端子的电压VSD为高电平(图3(b-1))。然后，在图2所示的副控制电路27的电压电流转换部81被转换成电流，经由电流镜82给电容器85充电并成为高电平(图3(c-1))。并且，由电容器85、齐纳二极管86、晶体管87构成的计时器的输出电位(线路83的电位)为高电平(图3(d-1))。而且，线路72的电压也为高电平(图3(f-1))。

然后，当主开关元件20接通时，与副控制电路27的路径40的电位相比，端子29a、29b的电位升高。由此，经由二极管39给电容器41充电。然后，副控制电路27的Vcc的电位为高电平。由于Vcc的电位为高电平，因而低电压保护部92进行动作，将动作容许信号发送到驱动电路78，驱动电路78处于可动作状态。并且，当主开关元件20断开时，主开关元件20的漏极源极间电压VDS产生浪涌(图3(a-2))。此时，SD端子的电压VSD减少到零(图3(b-2))。比较器80，当为阈值电压91以下时，将接通晶体管87的信号提供给晶体管87的栅极。由此，电容器85的电荷被释放，线路83的电位下降到零(图3(c-2))。当反转输入端子的电压为阈值电压89以下时，比较器88将高电平信号输出到单稳电路90，单稳电路90将例如500nsec的脉冲信号输出到晶体管75的栅极(图3(e-1))。由此，电容器73放电，并且，该单触发脉冲信号消失，之后再次被充电(图3(f-2))。此时，当反转输入端子的电压是阈值电压(电源77的电压)以下时，比较器76将信号发送到驱动电路78。由此，驱动电路进行图3(g-1)所示的期间的动作，接通副开关元件25。这里，在主开关元件20断开期间，作为浪涌电压的VDS变动，当下降到预定值时，如A、B所示，SD端子的电压上升短时间。然而，该期间由于比作为超时所设定的tout短，因而可忽略，在(d)的波形中不表示。

如上所述，在SD端子的电压VDS从0V上升到阈值电压77之前的期间，副开关元件27接通。这意味着，在产生浪涌电压的时刻副开关元件27接通，此时，由电容器24吸收在一次侧主绕组18产生的浪涌能量。即，当主开关元件20从导通状态变为开放状态时，蓄积在电力传递用变压器的绕组18的漏电感内的能量作为通过电容器24和副开关元件25的电流流动，进一步抑制了浪涌电压。图4示意性示出向本实施方式中的主开关元件20的源极漏极之间施加的电压的波形。从图4可以看出，利用本实施方式的有源缓冲电路，可减少浪涌电流和噪声。

如以上所示，可提供能容易获得开关元件的最佳的接通断开定时、变压器不复杂、可减少浪涌电流和噪声的有源缓冲电路。

另外，在本实施方式中，使二极管39与端子29a连接，使二极管45与端子29b连接，然而如图5所示，可以使2个二极管45、39a与端子29a串联连接，从端子45b设置线路45c，与端子44a连接。这样，二极管39a可使用耐压低的二极管。并且，在本实施方式中，将有源缓冲电路应用于回扫变换器电源作了说明，然而不限于此，还可应用于一般的电源。

关于在以上的实施方式中所说明的结构、形状、大小以及配置关系，只不过概略地示出到可理解和实施本发明的程度，并且关于数值和各结构的组成(材质)等，只不过是例示。因此，本发明不限定于所说明的实施方式，只要不背离权利要求书所示的技术思想的范围，就能变更为各种方式。

本发明涉及的有源缓冲电路和电源电路可用作开关电源用的缓冲电路和电源电路。

Claims (4)

1.一种有源缓冲电路，其用于开关电源，该开关电源构成为具有：变压器、与该变压器内的一次侧主绕组串联连接的主开关元件以及用于该主开关元件的接通断开控制的控制电源，其中，所述主开关元件重复接通状态和断开状态，使电流断续地流入到所述一次侧主绕组，

该有源缓冲电路的特征在于，

所述有源缓冲电路具有：

浪涌电压吸收用电容器；

副开关元件；

控制所述副开关元件的副控制电路；以及

自举电路，其向所述副控制电路提供所述控制电源的电压，

将所述浪涌电压吸收用电容器和所述副开关元件串联连接而成的电路与所述一次侧主绕组并联连接，

所述副控制电路根据从所述自举电路提供的所述控制电源的电压的有无检测所述主开关元件的接通断开定时，在所述主开关元件刚断开后使所述副开关元件处于预定时间的接通状态。

2.根据权利要求1所述的有源缓冲电路，其特征在于，所述自举电路经由二极管与所述副控制电路的电源用的自举电路共用。

3.一种电源电路，其开关电源，该开关电源构成为具有：变压器、与该变压器内的一次侧主绕组串联连接的主开关元件以及用于该主开关元件的接通断开控制的控制电源，其中，所述主开关元件重复接通状态和断开状态，使电流断续地流入到所述一次侧主绕组，

该电源电路的特征在于，

该电源电路具有：

浪涌电压吸收用电容器；

副开关元件；

控制所述副开关元件的副控制电路；以及

自举电路，其向所述副控制电路提供所述控制电源的电压，

将所述浪涌电压吸收用电容器和所述副开关元件串联连接而成的电路与所述一次侧主绕组并联连接，

所述副控制电路根据从所述自举电路提供的所述控制电源的电压的有无检测所述主开关元件的接通断开定时，在所述主开关元件刚断开后使所述副开关元件处于预定时间的接通状态。

4.根据权利要求3所述的电源电路，其特征在于，所述自举电路经由二极管与所述副控制电路的电源用的自举电路共用。

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