CN1063296C - 具有备用方式的开关型电源 - Google Patents

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Abstract

一种具有备用方式的开关型电源。就若干开关型电源而论，已知在备用方式下，供给有源的各级的功率是通过独立于所述开关型电源的第二小开关型电源利用第二变压器从初级传送至次级。就一个开关型电源而论，相应工作方式的控制变量和调节变量必须由次级传送至初级，为此还需要一个DC隔离器。本发明目的是降低在备用方式下传递功率、控制或调节变量的电路的复杂性。利用第二变压器(Tr2)在正向扫描时间(H)期间传送功率，在回扫时间(R)期间传送控制或调节变量。

Description

具有备用方式的开关型电源
本发明涉及一种具有备用方式的开关型电源。在所谓备用方式(也叫做备用状态)下，例如，处在该开关型电源次级侧的若干专用级(例如红外接收器和微处理器)必须是有源的，以便可以接收并评价由遥控发射器发出的红外信号。在这样一种电路的情况下，微处理器需要约750mW的功率。为了降低备用方式下的功率损失，已知在备用方式下除了有源红外接收器之外可以关闭微处理器，以便只使具有滤波特性的无源搜索电路保持运行。该搜索电路只能识别从遥控发射器接收的信号，而不能识别和评价包含在信号中的指令。当识别这样的脉冲时，搜索电路接通微处理器，而后微处理器可识别包含在红外信号中的指令并可以选择相应的设备功能。由于使用了这样的电路，可以将备用方式下的功率降至约0.1W。在中国专利94240310.X中公开了一种遥控彩电用开关电源电路装置。
由于开关晶体管接通的周期太短并且开关型电源的效率太低，所以这样的低功率不再能正确地传送。因此，已知与开关型电源分开设置了一个第二变压器，用于在备用方式下传送小功率。
此外，在开关型电源情况下，必须将信息从次级侧传送至初级侧。这包括例如用于转变为各种操作方式，如备用方式、搜索方式和常规方式的控制指令，因为在初级侧和次级侧之间必须保持直流(DC)隔离，所以为此还需要具备DC隔离性能的另外的传输器件，例如光耦合器或变压器。
本发明的目的是减少用于将功率在备用状态下由初级侧传送至次级侧并且将控制或调节变量从次级侧传送至初级侧的电路复杂性。
这一任务是借助于下述发明方案实现的。即提供一种具有备用方式的开关型电源，具有一个隔离变压器和一个在正向扫描时间中接通而在回扫时间中关断的开关晶体管，以及具有一个用于在备用方式期间传递功率的第二变压器，第二变压器用于在正向扫描时间期间将功率从开关型电源的初级侧传递至次级侧，而在回扫时间期间将控制或调节变量从开关型电源的次级侧传送至初级侧。
因此，根据本发明，第二变压器用于在正向扫描时间期间将功率由初级侧传输至次级侧，并且在回扫时间期间将控制或调节变量由次级侧传送至初级侧。
本发明基于以下知识：一个起正向转换器作用的隔离变压器在一个运行周期内有三个阶段。在第一阶段(即所谓正向扫描时间)，开关晶体管开通，将功率通过变压器和整流电路传递至次级侧的电荷贮存电容器。在第二阶段(即所谓回扫时间)，处在初级侧的开关晶体管和处在次级侧的整流电路被关闭。然而，从正向扫描时间开始必须减少变压器中的磁化电流。脉冲电压的幅值取决于消磁电流的幅值，也就是说，改变次级侧的消磁电流就能改变初级侧的脉冲电压。第三阶段，即所谓静寂时间，是变压器消磁后直至开关晶体管再次开通为止的时间。本发明此时利用了以下的事实，即因为作为变压器上脉冲响应的结果正向扫描时间和回扫时间总是单值地确定并可以彼此独立地加以控制和评估，所以可以利用这些时间传送不同的变量。这样，所述的第二个小变压器用于按照一种有利的方式在正向扫描时间期间在一个方向上按照备用方式传递功率，而在回归时间期间用于在另一个方向上传递控制或调节变量。这样，一方面为了从初级向次级传递功率而另一方面从次级向初级传递控制或调节变量就仅仅需要两个组成部分。取决于应用，根据本发明的电路可使得备用功率仅为0.1W或更小。尽管如此，第二变压器在满足所有的耐压要求的同时仍然可以具有例如5cm3的体积。
经由第二变压器传递的控制变量最好用于在该变压器的初级侧将电源在各种工作方式(例如备用方式、搜索方式和正常方式)之间进行转接。这是利用在回扫时间内具有不同幅值的脉冲电压完成的。按照正常方式，为了控制开关晶体管的开通周期，以便稳定在次级侧产生的工作电压，最好经由第二变压器传递调节变量。
次级侧最好包含有一个用于利用控制或调节变量在第二变压器上对回扫脉冲进行幅值调节的控制器或调节器。因此，初级侧含有一个估计第二变压器上的回扫脉冲幅度并由此产生所述控制或调节变量的电路。
第二变压器的次级侧最好含有一个辅助电源电路，该电源电路通过在正向扫描时间期间对在第二变压器的次级绕组上的脉冲进行整流产生遥控接收器的工作电压。次级侧包括一个频率选择搜索电路，该电路按备用方式工作并且根据对来自遥控发射器的脉冲的识别接通设置在次级侧的微处理器，而后判断包含在这种脉冲中的指令，启动适当的转换、控制或调谐功能。
次级侧最好包括一个受由第一开关型电源产生的工作电压控制的控制电路，如果该工作电压存在任何偏移，它通过所述调节器影响回扫脉冲的幅度，以稳定该工作电压。
第二变压器最好是第二开关型电源一个组成部分，这个电源要比第一开关型电源小。第二开关型电源包括一个在备用方式时自由振荡，而在正常方式时与第一开关型电源同步的振荡器。这种同步确保控制回路按稳定方式工作。第二开关型电源致使第一开关型电源在备用方式下关闭。
以下将参照附图对本发明加以说明。在这些附图中：
图1示出根据本发明设计的开关型电源的方框图；
图2示出在第二变压器上在正向扫描时间和回扫时间期间的电压和电流的波形；
图3示出第二变压器的一个等效电路；以及
图4示出根据图1的开关型电源的一个实际试验的典型的实施例。
在以下说明中和在附图中所使用的符号在下文中具有下列意义：H   正向扫描时间ii  在第二变压器的次级绕组中的电流N   从电力网中得到的并且由开关型电源传送的功率P   从遥控发射器发射出的脉冲R1  正常方式下的回扫时间R2  搜索方式下的回扫时间R3  备用方式下的回扫时间Ri  在第二变压器上的回扫脉冲T   第二变压器的运行周期T-H-R静寂时间U1  在正常方式下回扫脉冲RI1的幅值U2  在搜索方式下回扫脉冲RI2的幅值U3  在备用方式下回扫脉冲RI3的幅值Ui  第二变压器的次级绕组上的电压Us  用于调节第二变压器上回扫脉冲的幅值的控制变量UH  红外接收器的工作电压
图1示出电网电压UN、电网开关1和带有为第一开关型电源4提供电力的电荷贮存电容器3的第一电网整流器2，特别要强调的是第一开关型电源4包括第一变压器Tr1、开关晶体管T1和振荡器5。开关型电源4产生电视接收机底盘6的工作电压Vx，V音频(Vaudio)和V系统(Vsys)。还将电网电压UN经由用作限流的电容器7、8加到在电荷贮存电容器10上产生第二开关型电源11的工作电压的第二电网整流器9上，第二开关型电源11特别包括控制振荡器12、开关晶体管T2和变压器Tr2。在第二变压器Tr2的次级侧还设置了受遥控发射器13控制的红外接收器14、辅助电源电路15、搜索电路16、回扫调节器17和调节电压发生器18。
以下将说明所示出的各个级的任务和功能。
控制振荡器12确定第二开关型电源11的开关频率，这个频率大约为90kHz。振荡器12在备用方式下自由振荡。在正常方式下第一开关型电源4经由导线19使控制振荡器12同步，以便保证有一个稳定的控制回路。
在运行周期T中的正向扫描时间H(图2)期间，变压器Tr2将大约5mW等级的功率传送给次级侧作为红外接收器14的电源。在回扫时间R期间，变压器Tr2将控制和调节变量从次级侧传送至初级侧，如同以下将要更详细说明的那样。辅助电源电路15在正向扫描时间H通过在变压器Tr2的次级绕组31上对脉冲电压Ui整流产生工作电压UH，将该工作电压UH供给红外接收器14。红外接收器14接收来自遥控发射器13的控制指令，而后将脉冲P供给搜索电路16并且供给包括在电视接收机底盘6中的微处理器20。搜索电路16被设计成为一个被调谐至脉冲P的频率并且不需要工作电压的无源滤波器。该滤波器的作用抑制了来自遥控发射器13的噪声信号。搜索电路16记录脉冲P的出现，但不能识别出包含在其中的控制指令。一旦脉冲P被识别，微处理器20就被接通，而后判断包含在脉冲P中的控制指令，启动适当的控制功能。
发生器18评估由开关型电源4产生的工作电压Vsys并在它的输出端产生一个控制变量Us，该控制变量相关于工作电压Vsys与它的标准值的偏差。这一控制变量Us在回扫时间期间控制变压器Tr2上的脉冲Ui的幅值，使得开关晶体管T1的开通周期在初级侧受控制，以便稳定Vsys。
回归调节器17根据供给它的控制或调节变量影响变压器Tr2的次级绕组31上的脉冲电压Ui中的回扫脉冲RI的幅度，并因此也影响初级绕组30上的脉冲电压Ui中的回扫脉冲RI的幅值。
在变压器Tr2的初级侧的工作方式检测器21估算变压器Tr2的初级绕组30上的回扫脉冲RI，也就是说RI1、RI2或RI3之一的幅值，并据此导致选择一种预先由回扫调节器17确定的指定的工作方式，或调节开关晶体管T1的开通周期。
以下将顺序地说明向电视接收机底盘6供电的开关型电源的各种工作方式。
关闭状态
断开电网开关1，开关型电源就完全与电网隔离。这样，就没有功率从电网送出并不产生工作电压。在这种状态，不能利用遥控发射器13开启电视接收机。
备用方式
现在闭合电网开关1。大约有0.1W功率经由电容器7、8传送给整流器9，该整流器产生第二开关型电源11(包括控制振荡器12)的工作电压。这时控制振荡器12正在以大约90kHz的频率自由振荡。变压器Tr2传送约5mV功率。在正向扫描时间H期间，由变压器Tr2的次级绕组31上的脉冲电压在辅助电源电路15中产生遥控接收器14的工作电压UH，以便使遥控接收器14这时准备好接收。遥控发射器13一直没有工作，使得遥控接收器14从一开始就不提供任何脉冲P。因此，搜索电路16同样没有接收到任何脉冲P，并且也不能接下去将变压器Tr2上的回归脉冲RI3的幅值调至值U3。这个值是在初级侧工作方式检测器21中检测的。工作方式检测器21向第一开关型电源4提供一个使开关晶体管T1保持关断并因此使第一开关型电源完全关闭的控制变量。从电网得到的全部功率损耗大约为0.1W，这对于有源级12、21、15、14基本上是准确的。
搜索方式
当遥控发射器13工作时，遥控接收器14向搜索电路16和微处理器20提供脉冲P。这时，搜索电路16识别脉冲P的出现，但不能识别出包含在脉冲P中的指令。搜索电路16通过回扫调节器17将变压器Tr2上的回扫脉冲RI2的幅值调节至电压值U2。工作方式检测器21检测出回归脉冲RI2的这个新电压值U2并提供给开关型电源4一个启动开关晶体管T1的开关操作的电压，接着打开开关型电源4，传送大约5W的功率。因此，微处理器20获得工作电压，可以判断包含在脉冲P中的指令，例如“将电视接收机转换为3频道”或“将VCR转换为播放”。而后，微处理器20使电视接收机完全接通或将录相机转换为由遥控发射器P3指定的工作方式，也就是说选择由遥控发射器13借助于脉冲P所限定的指令所指定的正常方式的功能。变压器Tr2在正向扫描时间H期间同时在次级侧产生工作电压UH的工作方式保持不变。
正常方式
作为由微处理器20所选择的正常方式的结果，开关型电源4此时以满负荷输电方式工作。此时第一开关型电源4经由导线19使控制振荡器12同步。在发生器18中由开关型电源4的输出电压Vsys得到控制变量US，该变量取决于Vsys的幅值。在调节器17中，Us将回扫脉冲RI1调节至值U1。于是Vsys的幅值的变化产生了电压U1的变化并在工作方式检测器21中被检测出。工作方式检测器21向第一开关型电源4提供了一个控制开关晶体管T1开通周期的控制变量，用于稳定开关型电源4的输出电压V。在这种情况下对开关晶体管T1的开通周期按照工作电压Vsys的量值的函数进行控制，以便稳定开关型电源4的输出电压，具体内容如下：
当电压Vsys下降时，由发生器18所提供的并且呈控制电流形式的控制变量Us变小。结果在变压器Tr2的次级绕组31上的回扫脉冲RI1变小，这就是说，根据图2的电压U1下降。从而变压器Tr2的初级绕组30上的回扫脉冲RI1变小。因此，工作方式检测器21的输出电压也变小。作为这种现象的结果，这一电压增加了开关晶体管T1的开通周期和开关晶体管T1的集电极电流的最终值。于是，经由开关晶体管Tr1传送的功率增加，因此，补偿了最初所设定的工作电压Vsys的减少。
这样，彼此不同的控制和调节信息项在回扫时间R经由变压器Tr2由次级侧传递至初级侧。最初这种信息包括用于选择备用方式的电压U3，而后是用于选择搜索方式的电压U2，再其次是用于调节开关型电源4以便稳定所产生的输出电压的电压U1。
图3示出第二变压器Tr2的等效电路。
图4示出根据图1的方框图的一个实际试验的电路。在这种情况下，图1中各个级每一个都用虚线表示出，每一部分都带有与图1相同的标号。为了稳定第二开关型电源11的工作电压使用了齐纳二极管25。根据图1的两个开关型电源4、11之间的电路连接用以下方式表示，即标记有①的功率电平彼此相连接。
除去图1外，还对以下单元加以说明。单元22对初级侧进行调节，也就是说稳定开关型电源4的输出电压。这一单元并非绝对必要，因为已经通过开关型电源11以所述方式进行了这种调节。
单元23表示开关晶体管T1的详细驱动器电路以及该开关晶体管本身。开关晶体管T1的开关动作是由来自变压器Tr1的绕组W1的正反馈来维持的。频率是由控制-箝位效应来控制，这种效应对应于开关晶体管T1开通阶段磁化电流的增加。切断通过绕组W1的初级电流的幅值和存贮能量的量值受到控制，使得稳定了所产生的输出电压V。频率受在负载中或在所加工作电压中由于铁芯的磁特性偏差所导致的变化的影响。开关晶体管T1的基极电流流过电感器L3、晶体管T3、初级绕组W1和二级管D3。这一基极电流通过开通开关晶体管T4被切断。电感器L3产生开关晶体管T1的负的基极电流和电压。当晶体管T5饱和时晶体管T4开通。这个控制电路相当简单，按照规定的方式运行起来很可靠。在这种情况下开关晶体管T1的基极电流显示出用于以尽可能低的损耗开启开关晶体管T1的理想的曲线形状。在专利申请19602556中更为详细地描述了开关晶体管T1的这种驱动电路。导线32和电阻33、34形成了启动振荡器5的电源。
单元24示出了开关晶体管T1的一个集电极电流测量电路，该电路用于限制通过开关晶体管T1的电流，所述电流在正向扫描时间H按锯齿形上升。
迄今一直假定接通，也就是说从备用方式向正常方式转换，是借助于遥控发射器13完成的。这种接通同样可以由微处理器或通过经由端子25、26的SCART电缆来完成。

Claims (11)

1．一种具有备用方式的开关型电源，包括：
隔离变压器(Tr1)，
开关晶体管(T1)，它连接到变压器(Tr1)的初级绕组，在正向扫描时间(H)期间接通而在回扫时间(R)期间关断；
其特征在于还包括：
第二变压器(Tr2)，用于在正向扫描时间(H)期间将功率从开关型电源(4，11)的初级侧传递至次级侧，而在回扫时间(R)期间将控制或调节变量(U1-U3，Us)从开关型电源(4，11)的次级侧传送至初级侧。
2．根据权利要求1所述的电源，其特征在于控制变量(U1-U3)用于在初级侧将电源(4)在各种操作方式，例如备用方式、搜索方式和正常方式之间进行转换。
3．根据权利要求1所述的电源，其特征在于在正常方式下，传送调节变量(Us)以便控制开关晶体管(T1)接通的周期，以便稳定在次级侧产生的操作电压(V)。
4．根据权利要求1所述的电源，其特征在于所述次级侧包含一个被用来利用所述控制或调节变量在第二变压器(Tr2)对回扫脉冲(RI)进行幅值调节的调节器(17)。
5．根据权利要求4所述的电源，其特征在于所述初级侧包含一个在第二变压器(Tr2)估计回扫脉冲(RI)的幅值并利用这一幅值发生所述控制或调节信号的电路(21)。
6．根据权利要求1所述的电源，其特征在于所述次级侧包括一个通过在正向扫描时间(H)期间对第二变压器次级绕组(31)上的脉冲电压(Ui)整流产生用于遥控接收器(14)的操作电压(UH)的辅助电源电路(15)。
7．根据权利要求1所述的电源，其特征在于所述次级侧包含一个在备用状态有源并且根据对来自遥控传送器(13)的脉冲(P)的识别接通微处理器(20)的频率选择搜索电路(16)，所述微处理器被设置在次级侧，判断包含在脉冲(P)中的指令并启动适当的控制或调谐功能。
8．根据权利要求4所述的电源，其特征在于所述次级侧包含一个由利用第一开关型电源(4)产生的工作电压(Vsys)控制的控制电路(18)，如果这一工作电压(Vsys)有任何偏移就通过调节器(17)影响回扫脉冲(RI)的幅值，以便稳定所述初级侧上的工作电压(Vsys)。
9．根据权利要求1所述的电源，其特征在于第二变压器(Tr2)是第二开关型电源(11)的一个组成部分，第二开关型电源(11)要比第一开关型电源(4)小。
10．根据权利要求9所述的电源，其特征在于第二开关型电源(11)包含有一个在备用方式自由振荡而在正常方式与第一开关型电源(4)同步的振荡器(12)。
11．根据权利要求9所述的电源，其特征在于第二开关型电源(11)在备用方式使第一开关型电源(4)关闭。
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