CN102611313A - 例如用于光源的电源设备 - Google Patents

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弗朗切斯科·安杰林
达尼埃莱·卢卡托
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Abstract

一种例如用于LED光源的电源设备(10)，包括：具有初级绕组(P)和次级绕组(S)的、以反激模式工作的变压器(T)，初级绕组耦接有主开关(QP)，主开关能够接通和断开以将变压器的初级绕组与电源(V)连接和断开，次级绕组耦接有用于馈电给负载(L)的主支路(DMAIN、CMAIN)和用于提供辅助电源(Aux supply)的至少一个辅助支路(DAUX、QAUX)。所述或每个辅助支路包括具有滞后的切换调节器，切换调节器具有相应的辅助开关(QAUX)，辅助开关对次级绕组上的电压和辅助电源的电压敏感。辅助开关被配置用于在次级绕组上的电压出现负转变的情况下闭合以从主支路向辅助电源引出电流，并且被配置用于在辅助电源上的电压达到给定的上电平(VREF)时断开。

Description

例如用于光源的电源设备
技术领域
本公开内容涉及一种电源设备。
在各种实施方式中，所作描述可能涉及隔离切换转换器领域，特别地涉及为反激式拓扑结构的隔离切换转换器领域。
在各种实施方式中，所作描述可能涉及从相同变压器绕组生成多个同步输出。
在各种实施方式中，所作描述可能涉及适于例如对光源如LED光源供电的方案。
背景技术
图1至图3示出了电源设备的各种方案，该电源设备适于借助于反激拓扑结构获得多个输出。
图1至图3的三个示图涉及以下方案：其中，变压器T被设置成具有初级绕组P，从电源V通过电子开关Qp(通常为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet))给该初级绕组P供电，该电子开关Qp能够通过调节器SW交替地接通和断开。
作为参考示例来回顾的这种基本布置仅作为非限制性示例被保持用于目前考虑的所有实施方式中的设备的初级侧。
在图1的示图中，变压器T设置有多个次级绕组，在目前所考虑的示例中，变压器T设置有两个绕组S1、S2。每个次级绕组S1、S2通过包括二极管D1、D2、...且包括电容器C1、C2、...的整流/滤波网络生成相应的输出Out1、Out2、...。
这种获得多个输出的方式具有几个缺点。
首先，本身是关键组件的变压器T趋于变得更庞大并且工作越来越不理想，从而成本更高。另外，连接管脚的数目增加，这又使绝缘性能恶化。
此外，各种输出电压之间的比在理想上是恒定的(这是由于各种输出电压之间的比依赖于各个次级绕组S1、S2等等的匝数)这个事实意味着：一方面在不变化其他输出电压的情况下调节一个输出电压是不可能的，而另一方面变压器的寄生效应和其他电路元件破坏了交叉调节，从而使输出电压比依赖于负载、频率、温度和其他操作参数。
反之，根据图2的方案具有一个单独的次级绕组S且通过切换类型的调节器从主输出Out1得到辅助输出(在当前考虑的示例中为输出Out2)，该调节器包括由有关的调节器SW′驱动的电子开关(再次通常为mosfet)Qs。
从能量利用的角度来看，该方案是节能的但需要大量另外的部件来在开关Qs断开时使电流回流并通常需要反馈网络FB来根据输出电压Out2驱动调节器SW′，所述另外的部件包括调节器SW′、在高位侧(high side)的真正有效的开关(即，Qs)、输出电感器L2和回流二极管D2。
因此，这是相当占用空间的昂贵方案，尤其是在考虑到其用于生成低功率辅助电源的用途时。
然而，图2中的方案能够以简化的设计来实现，如图3中所示意性地描绘的：在此情况下，虽然作为辅助电路的开关Qs，然而双极型导通晶体管或mosfet不再用作开关而是用作线性调节器，该线性调节器由误差放大器EA来驱动，该误差放大器EA根据参考电压Ref与由网络FB供应的反馈电压之间的差驱动晶体管Qs。
此方案简单且易于用很少的组件来实现，但是其具有晶体管Qs(其工作在线性操作区域中)的高耗散的缺点，从而限制了应用于以下情况的可能：在该情况中，在输出端处的电压降和电流具有低值。
发明内容
本发明的目的是提出对于在前概述的布置的缺点的解决方案。
根据本发明，通过具有后附的要求保护的技术方案中具体陈述的特征的设备来实现这样的目的。
本发明提出的技术方案包括一种电源设备，该电源设备包括：具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组耦接有主开关，所述主开关能够接通和断开以将所述初级绕组与电源连接和断开，所述次级绕组耦接有用于馈电给负载的主支路和用于提供辅助电源的至少一个辅助支路，其特征在于，所述至少一个辅助支路包括具有滞后的切换调节器，所述切换调节器具有相应的辅助开关，所述相应的辅助开关对所述次级绕组上的电压和所述辅助电源的电压敏感，所述辅助开关被配置用于在所述次级绕组上的电压出现负转变的情况下闭合以从所述主支路向所述辅助电源引出电流，并且被配置用于在所述辅助电源上的电压达到上参考电平时断开。
后附的要求保护的技术方案是本文中所提供的本发明的技术教导的组成部分。
在各种实施方式中，相同的次级绕组能够提供多个调压输出。
在各种实施方式中，能够分别独立地调节得到的输出。
在各种实施方式中，可以避免采取线性无源调节器。
在各种实施方式中，与完全降压型调节器相比，每个辅助调节器中的构件的数目能够非常小。
在各种实施方式中，通过在ZVS(零电压切换)情况下操作能够实现改善的效率。
在各种实施方式中，关于脉冲发生，上述或每个辅助调节器本质上与主开关同步，这与降压型转换器的情况(参见例如图2)不同。
在各种实施方式中，其中，提供多个辅助输出的生成，可以在多个调节器之间共享电路的几个部件，从而减少构件的总数目，这在传统的降压型实现中是不可能的。
附图说明
现在将参照附图仅通过非限制性示例对本发明进行描述，在附图中：
图1至图3已经在之前进行了描述，
图4是实施方式的框图，
图5是实施方式的框图，以及
图6是实施方式的实现图。
具体实施方式
在以下描述中，给出了许多具体细节以提供对实施方式的透彻理解。可以在没有一个或几个具体细节的情况下或在其他的方法、构件、材料等的情况下实践实施方式。在其他的实例中，没有示出或详细描述公知的结构、材料或操作以免使实施方式的方面模糊不清。
贯穿本详细说明书，参考“一个实施方式”或“实施方式”表示结合实施方式描述的具体特征、结构或特点包括在至少一个实施方式中。因此，贯穿本详细说明的各个位置处的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”的出现不一定都指的是相同的实施方式。此外，可以在一个或更多个实施方式中以任意适当的方式组合具体的特征、结构或特点。
本文中提供的标题仅为了方便而不解释实施方式的范围或含义。
在图4、图5和图6中，附图标记10总体上表示适于从输入电压V供电给负载L的电源设备，负载L例如包括光源，如发光二极管(LED)光源。在各种实施方式中，负载L可以包括所谓的LED串。
然而，将注意到，尽管在一些图中示出了负载L，但是负载L本身不属于设备10。
图4、图5和图6中的设备10与图1至图3中的之前描述的示图中的设备具有相同的总体设计。具体地，在图4至图6中通过示例而非限制提到的所有三个实施方式中，设备10的初级侧可以与参照图1至图3所描述的初级侧相同。为此，在图4至图6中，与参照图1至图3已描述的部件、元件和构件相同或等效的部件、元件或构件用相同的附图标记来表示，并且为简洁起见以下将不对这样的部件、元件和构件进行重复描述。
在图4、图5和图6的三个示图中，设备10的次级侧包括适于以输出电压Out1向负载L供电的主支路。
这根据本身已知的标准发生，因此以下不需要对该标准进行详细说明。为此，在图4、图5和图6中的所有示图中，所述主支路被简单示出为整流(二极管DMAIN)滤波(电容器CMAIN)网络，该整流滤波网络直接由变压器T的次级绕组S来供电，该整流滤波网络以反激模式工作。
如将在以下更好地理解的，图5中的示图突出了可以在各种实施方式中具有基本上以相同方式实现的多个输出，尽管这些输出可能具有彼此不同的特征(例如关于电压)。
在该情况下，主支路的构件未用下标MAIN来识别而简单地用附图标记1来识别，从而提供整流(二极管D1)/滤波(电容器C1A)网络的存在。
图4中的示图涉及输出包括主输出Out1和单个辅助电源输出(Auxsupply)的实施方式。
各种实施方式可以在电路10的次级侧具有次级或辅助整流器DAUX，该次级或辅助整流器DAUX的阳极连接至主整流器DMAIN的阳极，从而，该次级或辅助整流器DAUX具有从去往主输出Out1的输入线路分流(根据以下更好地说明的标准)电流的能力。
次级整流器DAUX下游设置有由驱动器D驱动的电子开关QAUX(通常是mosfet，如n型mosfet)。
由辅助整流器DAUX和辅助开关QAUX分流的电流被发送给电容器CSMOUTH，电压Aux supply存在于该电容器CSMOUTH上。
在各种实施方式中，电压Aux supply可以是低通滤波器LC的输出，该低通滤波器LC可选地布置成与电容器CSMOUTH以级联方式连接，该低通滤波器LC具有抗噪声滤波器的功能，这样的滤波器包括电感器LFILTER和电容器CFILTER。
在各种实施方式中，可以在二极管DAUX下游和开关QAUX上游设置电容器CX，尽管该电容器CX消除了零电压开关(ZVS)情况，但该电容器CX适于通过降低开关QAUX的断开电流来改善电路效率，该电容器CX具有减少电磁干扰(EMI)问题的另外的效果。
在仅通过示例示出的本实施方式中，附图标记12表示比较器，该比较器的非反相输入端接地，而反相输入端通过比例型或微分型网络N1连接至变压器T的次级绕组S。
包括比较器12和网络N1的单元适于感测：变压器T的次级绕组S上的电压经历了下行转变(例如该电压变为负)。
而附图标记14表示另外的比较器，该比较器适于将通过电阻分压器RA和RB被缩减大小的辅助输出电压Aux supply(例如电容器CSMOUTH上的电压)与参考电压VREF进行比较。
附图标记RC表示电阻器，该电阻器以使得能够在比较器14本身中引入滞后行为的方式连接在比较器14的非反相输入端与输出端之间。
最后，附图标记16表示闩锁电路，该闩锁电路适于基于比较器12和14二者的输出信号来驱动(通过驱动器D)辅助开关QAUX。
所描述的电路实现滞后型切换调节器，其中，当次级线圈S上的电压是负的或经历突然的下行转变时，辅助开关QAUX被闭合(即，被导通)。此后，当输出电压变得高于用值VREF(和/或用分压器RA、RB的分压比)表示的预置值时，开关QAUX再次被断开。
如已经陈述的，图5示出了将图4中示出的方案扩展到生成总数为n个输出信号Out1、Out2、...的可能性，这些输出信号中的第一个输出信号(或任何其他的选定输出)可以构成适于供电给负载L的主输出。
在图5的示图中，每个辅助支路中设置有相应的闩锁电路16，辅助开关的驱动器D与该闩锁电路16相关联，在该情况下，辅助开关用Q2、Q3、...、Qn来表示，而对应的辅助整流器用附图标记D2、D3、...、Dn来表示。
图5示出了：在这样的“多重”方案的实现中，可以使适于生成输出电压Out2、Out3、...、Outn的所有辅助支路共享同一比较器12和同一网络N1。
平滑电容器(图4中的CSMOUTH)在图5的示图中被表示为C2A、C3A、...、CnA。
相似地，输出滤波器(如果存在)的构件LC被表示为L2、L3、...、Ln和C2B、C3B、...、CnB。
根据图5的同一示图，清楚的是，辅助支路还可以根据在比较器14中进行的与从输出端(图4的分压器RA、RB，其在图5中总体表示为FN2、FN3、...、FNn)引出的电压的比较操作来共享同一参考电压VREF。
为了突出与辅助支路的总体对称，在图5中，主支路的整流器DMAIN用D1表示，而电容器CMAIN和输出滤波器的构件LC分别用C1A、L1和C1B表示。同理，参照主支路在图5中用FN1表示感测输出电压的网络。
此外，注意，在图5的示图中，电压VREF与网络FN1的输出电压之间的比较的结果在主支路中被比较器20使用，该比较器20例如通过光隔离器22对设置在设备的初级侧的调节器SW执行反馈功能。这种反馈调节操作的性能标准在现有技术中是公知的，因此不需要在以下进行详细的描述。
图4或图5的实施方式的操作可以如下地通过参照稳态(即，非暂态)电压电平情况下的连续操作来描述。此外，应当注意，在任何情况下，在辅助输出Aux supply或Out2、Out3、...、Outn上引出的电压低于(或至多近乎等于)主输出Out1的电压。
当次级绕组S上的电压由于初级绕组侧的开关QP已闭合或由于初级电路处于自由自激振荡阶段而变为负(或大体上经历负方向上的迅速转变)时，比较器12经历对闩锁电路16进行控制以闭合辅助开关QAUX(或图5的情况下的Q2、Q3、...、Qn)的转变。
在这一点上，没有流向电容器CSMOUTH(图5的示图中的C2A、C3A、...、CnA)的电流。这是由于二极管DAUX(图5的示图中的D2、D3、...、Dn)保持断开的事实。因此，闭合辅助开关发生在零电压和零电流的情况下。
然而，当主开关QP断开时，次级绕组上的电压变化极性且二极管DAUX(图5的实施方式的情况下的D2、D3、...、Dn)开始导电，使得来自次级绕组S的电流开始通过晶体管QAUX(图5的示图中的Q2、Q3、...、Qn)对电容器CSMOUTH(图5的示图中的C2A、C3A、...、CnA)充电。
基于使得能够用于此辅助输出的电压纹波来选择电容值，据此，根据被充入到电容器中的电流导出对应的dv/dt值。
主整流器DMAIN(或图5的示图中的D1)保持断开，这是由于主输出端上的电压高于CSMOUTH(C2A、C3A、...、CnA)上的电压。因此，次级绕组S作为电流发生器来工作，该电流发生器的电压实际上通过CSMOUTH(图5的示图中的C2A、C3A、...、CnA)来钳制。
当输出电压(Aux supply或Out2、Out3、...、Outn——即，实际上，电容器CSMOUTH、C2A、C3A、...、CnA上的电压)超出比较器14上的设置阈值时，该比较器作用于闩锁电路16，该闩锁电路16关断即断开开关QAUX、Q2、Q3、...、Qn。
现在，次级绕组S上的电压上升，直到主二极管DMAIN或D1开始导电为止，使得绕组的电流流向输出电容器(C或C1A)并流向负载L。同时，电容器CSMOUTH、C2A、C3A、...、CnA开始放电，从而将电流供应给相应的辅助输出端。
如果电容器CSMOUTH(C2A、C3A、...、CnA)上的电压在单个切换周期中未达到期望的阈值，那么开关QAUX、Q2、Q3、...、Qn在几个周期内保持闭合，直到达到阈值为止。
如果固定滞后被用于比较器14并且如果闩锁电路16是复位主导类型，那么内部辅助开关QAUX、Q2、Q3、...、Qn能够在几个周期内保持断开，直到达到较低的阈值电平。
反之，通过确定部件的大小使得在任何情况下确保辅助开关QAUX也以主开关QP的每个闭合周期来闭合，则获得当QP断开时将次级绕组S处的电压降低到值OutAUX的效果：以此方式，在初级P中反映的电压也被降低，从而减少了在断开时由于变压器T的分散电感所引起的额外电压的问题。
图6的示图(其中，与之前已描述的部件、元件和构件相同或等效的部件、元件或构件用相同的附图标记来表示，并且将不再对其进行描述)示出了光隔离器22的结构，该光隔离器22包括耦接至负载L的“发射”部件22a和作用于调节器SW的“接收”部件22b。
对于这一点，突出通过采取实现图4中示出的各种逻辑功能的一个单独的比较器124来实现之前具体参照比较器12和14并具体参照闩锁电路16描述的电路功能的可能性。
通过连接至变压器T的次级绕组S的微分网络N1并通过比较器124附近的滞后网络NC来实现逻辑闩锁的功能。由于电平位移BJT电压跟随器D才实现了驱动辅助开关QAUX的功能，该电平位移BJT电压跟随器D具有来自主输出端的启动电阻器RSU。应当理解，图6的整个电路能够被供以所引出的辅助电压Aux supply本身。
当然，在不违背本发明的基本原理并且不偏离如所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，相对于仅借助于示例已经描述的内容，可以对细节和实施方式进行变化甚至明显地变化。

Claims (10)

1.一种电源设备(10)，包括：具有初级绕组(P)和次级绕组(S)的变压器(T)，所述初级绕组(P)耦接有主开关(QP)，所述主开关(QP)能够接通和断开以将所述初级绕组(P)与电源(V)连接和断开，所述次级绕组(S)耦接有用于馈电给负载(L)的主支路(DMAIN、CMAIN)和用于提供辅助电源(Aux supply)的至少一个辅助支路(DAUX、QAUX)，
其特征在于，所述至少一个辅助支路(DAUX、QAUX)包括具有滞后的切换调节器(QAUX)，所述切换调节器(QAUX)具有相应的辅助开关(QAUX)，所述相应的辅助开关(QAUX)对所述次级绕组(S)上的电压和所述辅助电源(Aux supply)的电压敏感，所述辅助开关(QAUX)被配置用于在所述次级绕组(S)上的电压出现负转变的情况下闭合以从所述主支路(DMAIN、CMAIN)向所述辅助电源(Aux supply)引出电流，并且被配置用于在所述辅助电源(Aux supply)上的电压达到上参考电平(VREF)时断开。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述次级绕组(S)与所述至少一个辅助支路的所述辅助开关(QAUX)之间存在比例型或微分型网络(N1)和转变比较器(12)，以检测所述变压器(T)的所述次级绕组(S)上的电压的所述负转变。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，在所述至少一个辅助支路中的所述辅助电源(Aux supply)与所述辅助开关(QAUX)之间存在具有滞后(RC)的比较器(14)，所述比较器(14)对所述辅助电源(Aux supply)上的电压敏感。
4.根据权利要求2和3所述的设备，其中，所述转变比较器(12)在一侧与所述滞后比较器(14)之间以及在另一侧与所述辅助开关(QAUX)之间存在闩锁电路(16)。
5.根据权利要求2和3所述的设备，包括用作所述转变比较器和所述滞后比较器二者的单个比较器(124)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，在所述辅助次级绕组(S)与所述辅助开关(QAUX)之间存在二极管(DAUX)，所述二极管(DAUX)在所述初级开关(QP)断开时变为导电，从而产生所述次级绕组(S)上的电压的极性反转。
7.根据权利要求2所述的设备，包括多个辅助支路(D2、Q2；D3、Q3；...；Dn、Qn)，每个所述辅助支路(D2、Q2；D3、Q3；...；Dn、Qn)用于提供相应的辅助电源(Out2、Out3、...、Outn)，其中，设置有共用于所述多个辅助支路中的所有辅助支路的单个所述转变比较器(12)。
8.根据权利要求2或7所述的设备，包括多个辅助支路(D2、Q2；D3、Q3；...；Dn、Qn)，每个所述辅助支路(D2、Q2；D3、Q3；...；Dn、Qn)用于提供相应的辅助电源(Out2、Out3、...、Outn)，其中，每个所述辅助支路包括相应的滞后比较器(14)，所述滞后比较器(14)与共用于所述多个辅助支路中的所有辅助支路的具有所述上参考电平(VREF)的单个电源协作。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述主开关(QP)和所述辅助开关(QAUX)是电子开关，如金属氧化物半导体场效应晶体管。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述负载(L)是光源，如发光二极管光源。
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