CN1065372C - 具有电流型控制的调谐开关型电源 - Google Patents

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Abstract

在调谐开关型电源中，在晶体管开关的关断和导通转换期间在晶体管开关(Q3)上保持零电压。其在逐个电流脉冲控制的基础上以电流型控制方式工作。电源的调制器(31)包括一对晶体管(Q1，Q2)，形成产生晶体管开关的一部分控制信号(VG)的再生开关。变压器耦合的输入电源电压(V1)维持晶体管开关导通只要晶体管开关中的电流不超过再生开关的阈值。谐振脉冲(VD)从谐振电路耦合到再生开关上以关断该再生开关和在再生开关被关断后维持晶体管开关不导通。

Description

具有电流型控制的调谐开关型电源
本发明涉及一种开关型电源。
一种典型的调谐开关型电源(SMPS)包括由电感器和一个与用于接收输入电源电压的输入电源电压端连接的双向可控开关组成的串联电路。该开关是由晶体管和阻尼二极管的并联电路形成的。一个调谐电容器与电感器连接来形成一个谐振电路。一个驱动或控制电路提供开关脉冲用于驱动开关交替变为导通和关断状态，根据对在开关被关断时的周期期间产生的振荡进行整流所得到的输出电压可以控制开关的导通状态的持续时间。
在这种调谐SMPS中，实际上一大幅值的谐振脉冲电压的正弦振荡在电感器中产生。振荡频率由谐振电路的谐振频率来确定。在半个周期的谐振完成之后二极管导通和结束该半周期振荡。当二极管已经导通时晶体管导通。因此，在晶体管的跃迁时间间隔期间一零电压被维持在晶体管的两端上。因而，切换损失被减小。此外，谐振电路防止在晶体管被关断时在晶体管两端上产生的电压变为过量。在美国专利5，390，100中公开了一种自激振荡开关型电源。
在一些现有技术中的调谐SMPS的调整控制电路中的一个调制器响应在一个误差放大器中的误差信号，以便当双向开关导通时改变一个时间间隔的长度。从而控制电感器中电流的峰值。用这种方法，在双向开关关断时产生的谐振脉冲电压的幅值被控制以便提供输出电压的调整。
不利的是：在某些现有技术的调谐SMPS中，输入电源电压的变化以一种相对慢的方式被补偿。这种SMPS的控制电路的慢响应时间主要由反馈控制回路的瞬态响应来确定。
本发明的目的是加快调谐SMPS的响应时间。实现本发明特征的一个调谐SMPS根据逐电流脉冲的控制在一种电流型控制下进行工作。当电流达到由一个误差信号建立的一个阈值电平时在一个开关中流动的电流停止。误差信号实际上控制在一个与开关连接的电感器中的峰值电流。用这种方法，控制电路以正向馈电方式瞬时地对输入电压变化进行校正而不利用误差放大器的动态范围进行校正。用这种方法，电流型调整的优点和调谐SMPS的优点都能够被获得。
根据本发明的一个方面，一种调谐开关型电源装置包括一个供给输入电压的电源和一个调谐的谐振电路。该谐振电路包括一个电容器和一个与供给输入电压的电源连接的电感器。一个第一晶体管开关与电感器连接并且响应一个周期性的开关控制信号，用于在电感器中产生电流脉冲以便在谐振电路中产生谐振脉冲。谐振脉冲被提供给一个负载电路用于产生电源的一个输出。当第一晶体管开关正在被导通时，在第一晶体管开关的一对主电流导通端之间维持一个实际上为零的电压。一个第二信号源被用于根据第二信号来控制电源的输出。一个调制器响应一个给定电流脉冲和响应第二信号，用于产生开关控制信号。基于逐个电流脉冲的控制根据所述第二信号来电流型控制电源输出。
根据本发明的一个特征，调制器包括一对形成一个再生开关的晶体管，用于产生晶体管开关的一部分控制信号，这部分信号使晶体管开关关断。再生开关形成一个闭锁电路，该闭锁电路由代表在晶体管开关中的电流脉冲的一个信号来触发。其优点是：利用在闭锁电路中的正反馈使控制信号的跃迁被加快了。
根据本发明的另一个特征，一个代表在电源的输出电压和一个基准电平之间的差别的误差信号被提供给一对晶体管中的一个晶体管来建立闭锁电路的触发阈值电平。利用这种方法的优点是：这对晶体管中的一个晶体管也被用作一个比较器。
根据本发明的又一个特征，电感器构成了一个变压器的一个第一线圈，用于当晶体管开关导通时以正反馈方式把输入电源电压变压器耦合到晶体管开关的一个控制端上。变压器耦合的输入电源电压维持晶体管开关导通只要在晶体管开关中的电流没有超过再生开关的阈值电平。谐振脉冲被变压器耦合到闭锁电路上以便使再生开关关断。谐振脉冲也以正反馈的方式被变压器耦合到晶体管开关的控制端并且使再生开关被旁路，以便在再生开关被关断之后维持晶体管开关不导通。
图1是说明使本发明的一个方面具体化的一个调谐SMPS的电路图；和
图2a、2b和2c是说明用于解释图1的调谐SMPS的波形图。
图1说明了一个调谐SMPS100，它使本发明的一个方面具体化。在图1中，作为一个晶体管开关操作的N-型金属氧化物半导体(MOS)功率晶体管Tr具有一个漏极，该漏极通过一个变压器T1的初级线圈L1与输入电源的20端连接，即与直流(DC)电压B+连接。在一个电路结构(未示出)中，变压器能够作为一个绝缘变压器。电压B+，例如，从与一个整流桥连接的一个滤波电容器上获得，该整流桥对主电源电压(未示出)进行整流。
晶体管Tr的源极供助于一个电流传感器或取样电阻器R12与地连接。作为一个开关的阻尼二极管D6与晶体管Tr并联连接并且与晶体管Tr一起被包括在相同的组件中以便形成一个双向开关22。电容器C6与二极管D6并联连接而与初级线圈L1串联连接，以便当开关22不导通时与初级线圈L1的电感形成一个谐振电路21。
变压器T1的次级线圈L2与一个幅值整流二极管D8的阳极连接并且接地，以便在一个与二极管D8的阴极连接的滤波电容器C10上产生一个输出电压VOUT。输出电压VOUT被提供给一个负载电路(未示出)。一个误差放大器23包括一个比较晶体管Q4，该晶体管Q4具有一个与由电阻器R15和电阻器R17形成的电压VOUT的分压器连接的基极，在分压器上产生一个电压VSENSE。电压VSENSE等于输出电压VOUT的相应部分，并因此与输出电压VOUT成正比。
晶体管Q4的发射极借助于一个增益确定电阻器R16与一个齐纳二极管D9连接，在该齐纳二极管D9上产生误差放器23的一个基准电压VREF。二极管D9供助于串联连接的电阻器R13和电阻器R14由输出电压VOUT来激励。一个光耦合器IC1包括一个发光二极管，该发光二极管被连接在晶体管Q4的集电极和电阻器R13与电阻器R14之间的节点之间。光耦合器IC1的晶体管的发射极借助于一个电阻器R4与一个负的DC电压V3连接。光耦合器IC1的晶体管的集电极与电容器C3连接。在一个未示出的电路结构中，光耦合器能够用于绝缘。光耦合器IC1的一个误差集电极电流Ie代表电压VSENSE大于基准电压VREF的一个量值，和代表它们之间的差值。
比较器晶体管Q2具有一个基极，该基极借助于一个电阻器R11与在晶体管Tr的源极和电流传感电阻器R12之间的一个节点连接。晶体管Q2把晶体管Q2的一个基极电压VBQ2与在晶体管Q2的发射极上产生的一个误差电压VEQ2相比较。电压VBQ2包括与在晶体管Tr中的一个源极-漏极电流ID成正比的一个第一部分。一个DC电压V2借助于一个电阻器R6与晶体管Q2的基极连接以便在电阻器R11上产生电压VBQ2的第二部分。
DC电压V2也借助于一个电阻器R5与由电容器C3形成的一个反馈环路滤波器连接以便形成一个对电容器C2进行充电的电流源。误差电流Ie流经电容器C3用于对电容器C3进行放电。一个二极管D5被连接在晶体管Q2的发射极和地之间。二极管D5把电压VEQ2限制到二极管D5的正向电压并且限制晶体管Tr中的最大电流。
晶体管Q2的集电极与一个晶体管Q1的基极连接而晶体管Q1的集电极与晶体管Q2的基极连接以便形成一个再生开关31。晶体管Tr的控制电压VG在形成再生开关31的一个输出端的晶体管Q1的发射极上被产生并且借助于一个电阻器R10被提供给晶体管Tr的栅极。
变压器T1的一个次级线圈L3借助于一个电阻器R9被连接以便产生一个交流(AC)电压V1。电压V1借助于一个电容器C4和一个电阻器R8交流耦合到晶体管Q1的发射极来产生晶体管Tr的驱动电压VG。交流电压V1借助于一个集电极电阻器R7被提供给晶体管Q2的集电极和晶体管Q1的基极。电压V1也通过一个二极管D2被整流来产生电压V3和通过二极管D3被整流来产生电压V2。
连接在电压B+源和远离次级线圈L3的电容器C4的一端30之间的电阻器R3在电源接通或开始工作时对电容器C4进行充电。当在晶体管Tr的栅极上的电压VG超过MOS晶体管Tr的一个阈值电压时，晶体管Tr导通使晶体管Tr的一个漏极电压VD减小。其结果是，电压V1变为正电压并且增强了电压VG，以便以正反馈方式维持晶体管Tr完全导通。
图2a-2c是说明用于解释图1的调谐SMPS的波形图。在图1和2a-2c中类似的符号和数字表示类似的元件或功能。
在图2c中一个给定周期T的时间间隔t0-t1期间，图1中导通的晶体管Tr的电流ID沿着上升的斜线增加。因此，在初级线圈L1中电流IL1的一个相应的非谐振电流脉冲部分也正在沿着上升的斜线增加并且把磁场能量存储在与变压器T1的初级线圈L1相关的电感中。在图2c的时间t1上，图1中包含从电阻器R12上的电压导出的一个斜线上升部分在内的电压VBQ2超过一个由电压VBQ2确定的再生开关31的触发电平并且使晶体管Q2导通。电流流入晶体管Q1的基极和再生开关31把一个低阻抗施加到晶体管Tr的栅极上。因此，在图2a中的栅极电压VG被减小到0伏并且使晶体管Tr关断。当晶体管Tr被关断时，在图2b中的漏极电压VD增加并且使从次级线圈L3耦合来的电压V1减小。存储在栅-源电容CG中的电荷维持在闭锁方式工作直到图2a的时间t2为止。
根据本发明的一个特征，当电压VG变为比维持图1晶体管Q1充足的集电极电流所需要的电压更小时，在晶体管Q2的基极上正向导通停止并因此使在再生开关31中的闭锁工作方式失效。此后，继续减小的电压V1使图2a中电压VG负的部分40维持晶体管Tr被关断。
当晶体管Tr被关断时，漏极电压VD增加，如在图2b的时间间隔t1-t2期间所示的。图1的电容器C6限制电压VD的增加速率以致于在电压VD增加到接近大约零伏之前晶体管Tr完全不导通。因此，切换损耗和散热的切换噪声有利地被减小了。
当图1晶体管Tr被关断时，在图2b的时间间隔t1-t3期间包括电容器C6和初级线圈L1的谐振电路21振荡。电容器C6限制电压VD的峰值电平。因此，有利的是不需要缓冲二极管和电阻器，以致于效率被改进和开关噪声被减小。
在图2b中的时间t3之前电压VD的下降使图1电压V1变为一个正电压。在图2b中的时间t3上电压VD接近于零伏并且略微负一点，它使图1阻尼二极管D6导通和把图2b中的电压VD箝位到接近零伏。因此，图1中的谐振电路21呈现半个周期的振荡。在图2b中的时间t3之后，由于上述图1中电压V1极性的变化，所以图2a中的电压VG变得越来越正。
有利的是：利用由电阻器R8和栅极电容CG的时间常数确定的一个延迟时间使晶体管Tr的随后导通被延迟，直到在电压VD接近零伏时图2b中的时间t3之后为止。因此，导致了最小的导通损耗和开关噪声被减小。
通过改变在滤波电容器C3中的电压VEQ2能够实现电压VOUT的负反馈调整。当与电压VOUT成正比的电压VSENSE大于基准电压VREF时，电流Ie对电容器C3放电和减小电压VEQ2。因此，比较器晶体管Q2的阈值电平被减小。因而，在晶体管Tr中的源极-漏极电流ID的峰值和传送给一个负载电路(未示出)的功率被减小。另一方面，当电压VSENSE小于基准电压VREF时，电流Ie是零和在电阻器R5中的电流使电压VEQ2增加。因而，在晶体管Tr中的源极-漏极电流ID的峰值和传送给一个负载电路(未示出)的功率被增加。
根据本发明的另一个特征，根据逐个电流脉冲的控制调谐SMPS100工作在一种电流控制方式。在图2c中的时间间隔t0-t1期间，在图1的晶体管Tr中流动的电流ID的电流脉冲在它达到图1晶体管Q2的阈值电平时的时间t1上终止，所述的阈值是由电压VEQ2确定和由形成一个误差信号的误差电流Ie产生的。该误差信号实际上控制在初级线圈L1的电感中流动的电流ID的电流脉冲的峰值。有利的是：控制电路利用一个正向馈电方式瞬时地对电压B+的输入电压变化进行校正而不是利用误差放大器23的动态范围。利用这种方式，电流型调整的优点和调谐SMPS的优点都能够被获得。
如前所述，DC电压V2经电阻器R6连接到晶体管Q2的基极以产生电阻器R11两端电压VBQ2的第二部分。在图2c的时间间隔t0-t1期间，图1电压V2等于用变压器T1的绕组L3和L1的匝数比倍乘的电压B+。
按照本发明的又一个特征，晶体管Q2的阈值随电压V2变化，因此也随电压B+而改变。于是，电流ID的峰值也随电压B+变化。有益的是，该特征趋于维持SMPS100的恒定功率传递能力，因此不会以大的AC主电源电压(未示出)传递过量的功率。
根据本发明的另一个特征，利用一个二极管D4来阻止在异常的低输入电压B+上的启动，该二极管D4具有一个与晶体管Q1的基极连接的阳极和一个与分压器36的一个节点35连接的阴极。分压器36被连接在电压B+和地电位之间并且包括一个由电阻器R1、齐纳二极管D1和电阻器R2组成的串联电路，以致于节点35被连接在齐纳二极管D1和电阻器R2之间。在低输入电压B+时，齐纳二极管D1被关断和在节点35上的一个电压V4使二极管D4导通，在一定程度上使晶体管Q1导通而使晶体管Tr关断。另一方面，在电压B+的正常电平时，二极管D1是导通的和二极管D4被反向偏置并且对电路工作没有影响。

Claims (19)

1、一种调谐开关型电源装置，包括：
一个供给输入电压(RAWB+)的电源；
一个调谐的谐振电路，该谐振电路包括一个电容器(C6)和一个与所述供给输入电压(RAWB+)的电源连接的电感器(L1)；
一个第一晶体管开关(Q3)，该晶体管开关与所述电感器连接并且响应一个周期性的开关控制信号(V6)，用于在所述电感中产生电流脉冲以便在与一个负载电路连接的所述谐振电路中产生谐振脉冲(VD)，该负载电路用于产生所述电源的一个输出(VOUT)，以致于当所述第一晶体管开关正在被导通时，在所述第一晶体管开关的一对主电流导通端(集电极-发射极)之间维持一个实际上为零的电压；
一个第二信号(VEQ2)源，用于根据所述第二信号控制所述电源的所述输出；和其特征是：
一个响应给定电流脉中(IL1)和响应所述第二信号的开关控制信号发生器，用于产生所述开关控制信号，以致于在逐个电流脉冲控制的基础上根据所述第二信号所述电源输出被作电流型控制。
2、根据权利要求1的装置，其特征在于：在所述第一晶体开关(Q3)的给定周期内，所述谐振脉中(VD)在所述谐振电路(21)中形成半个周期的振荡。
3、根据权利要求1的装置，其特征在于：还包括一个与所述晶体管开关(Q3)连接的第二开关(D6)，用于当所述第一晶体管开关正在被导通时在所述主电流导通端之间提供一个低阻抗，以便在所述第一晶体管开关的所述主电流导通端之间维持一个实际上为零的电压。
4、根据权利要求3的装置，其特征在于：所述第二开关(D6)包括一个与所述第一晶体管开关(Q3)并联连接的阻尼二极管。
5、根据权利要求1的装置，其特征在于：还包括一个与所述第一晶体管开关串联连接的电阻器(R12)，用于产生一个代表所述电流脉冲的一个斜波部分的斜波电压(VR12)，以致于在所述给定电流脉冲超过一个由所述第二信号(VEQ2)确定的电平时，在所述给定电流脉冲的所述斜波部分期间所述开关控制信号(V6)使所述第一晶体管开关的状态改变。
6、根据权利要求1的装置，其特征在于：在所述第二信号(VEQ2)中的一个变化使在相邻谐振脉冲之间的间隔长度明显地变长而使所述谐振脉冲的脉冲宽度明显地变小。
7、根据权利要求1的装置，其特征在于：所述调制器(31，R12)包括一个比较器、一个第二晶体管(Q2)，该晶体管具有一个响应所述电流脉冲的控制端(基极)、一个第一主电流传导端(发射极)，该端响应所述电源的输出(VOUT)和一个第二主电流传导端(集电极)，该端以正反馈方式与一个第三晶体管(Q1)连接以便形成一个再生开关(31)，该再生开关与所述第一晶体管开关(Q3)的一个控制端(基极)连接。
8、根据权利要求7的装置，其特征在于：所述电流脉冲(IL1)以一种斜波方式变化并且当所述电流脉冲超过一个由所述第二信号(VEQ2)确定的阈值电平时在所述再生开关(31)中产生开关转换，以便以一种闭锁操作方式使所述再生开关工作，其中所述谐振脉冲(VD)被提供给所述再生开关，用于在所述再生开关中产生相反状态的变化。
9、根据权利要求8的装置，其特征在于：所述谐振脉冲(VD)被提供给所述再生开关以便使闭锁操作失效。
10、根据权利要求1的装置，其特征在于：所述第二信号(VEQ2)源包括一个响应所述电源的输出(VOUT)和响应一个基准电平(VREF)信号的比较器，该比较器用于产生一个误差信号(Ie)，该误差信号(Ie)借助于一个反馈回路滤波器被提供给所述调制器(31，R12)以便在所述滤波器上产生所述第二信号。
11、根据权利要求1的装置，其特征在于：一个与所述第一晶体管开关(Q3)的一个所述主电流传导端(集电极)连接的电容器(C6)明显地使当所述第一晶体管开关正在被关断时在所述两个主电流传导端之间的所述电压(集电极-发射极)的变化率减小。
12、根据权利要求1的装置，其特征在于：还包括一个响应所述电流脉冲(IL1)并且与所述第一晶体管开关(Q3)的一个控制端(基极)连接的再生开关(31)，其中当所述电流脉冲超过所述再生开关的一个阈值电平(VEQ2)时，起闭锁作用的所述再生开关被触发，并且其中所述谐振脉冲(VD)被提供给所述再生开关(借助于R9)以便禁止在所述再生开关中的闭锁操作，所述谐振脉冲(VD)以旁路所述再生开关(借助于R10)的方式也被提供给所述第一晶体管开关的所述控制端(基极)，以便在闭锁操作被禁止时维持所述第一晶体管开关不导通持续一段时间。
13、根据权利要求12的装置，其特征在于：所述谐振脉冲(VD)维持所述第一晶体管开关(Q3)不导通只要所述谐振脉冲的幅值位于一个值的范围之内，并且当所述谐振脉冲的幅值位于所述值的范围(＞RAWB+)之外时产生一个开关转换。
14、根据权利要求1的装置，其特征在于：还包括一个具有第二线圈(L1)的变压器的的第一线圈(L3)，其中第二线圈(L1)与所述第一晶体管开关(Q3)的一个所述主电流传导端(集电极)和所述输入电压(RAWB+)源连接，用于借助于所述第一线圈以一个正反馈方式把所述输入电源电压作变压器耦合到所述第一晶体管开关的控制端(基极)上，以便在一个周期的第一部分期间产生在第一状态(高电平)上的所述控制信号(VG)，其中在所述周期的第二部分期间所述谐振脉冲借助于所述第一线圈以正反馈的方式被提供给所述第一晶体管开关的所述控制端，以便产生在第二状态(低电平)上控制信号。
15、根据权利要求14的装置，其特征在于：还包括一个响应所述电流脉冲(IL1)并且与所述第一晶体管开关(Q3)的一个控制端(基极)连接的再生开关(31)，其中在所述周期的所述第一部分期间，当所述电流脉冲超过所述再生开关的一个阈值电平时，起闭锁作用的所述再生开关以第一方向(被导通)被触发，并且其中所述谐振冲(VD)被提供给所述再生开关以便禁止闭锁操作，所述谐振脉冲(VD)也被提供给所述控制端，以便在闭锁操作被禁止时维持所述开关不导通持续一段时间。
16、一种开关型电源装置，包括：
一个供给输入电压(RAWB+)的电源；
一个谐振电路(21)，该谐振电路包括一个电容器(C6)和一个与所述供给输入电压(RAMB+)的电源连接的电感器(L1)；
一个第一晶体管开关(Q3)，该晶体管开关与所述电感器连接并且响应一个周期性的开关控制信号(VG)，用于在所述电感(IL1)中产生电流脉冲以便在与一个负载电路连接的所述谐振电路中产生谐振脉冲，该负载电路用于产生所述电源的一个输出(VOUT)；
一个与所述晶体管开关连接的第二开关(D6)，用于当所述第一晶体管开关正在被导通时，在一个开关转换间隔期间在所述第一晶体管开关的一对主电流传导端(集电极-发射极)之间维持一个实际上为零的电压；
一个第二信号(VEQ2)源，用于根据所述第二信号控制所述电源的输出幅值；和其特征是：
一个响应一个周期性的第三信号(VBQ2)和响应所述第二信号并且与所述第一晶体管开关的一个控制端(基极)连接的再生开关(31)，当在所述第三和第二信号之间产生一个第一差值时所述再生开关作为被触发的闭锁电路来工作，所述再生开关响应所述谐振脉冲以便当所述谐振脉冲被产生时使闭锁操作禁止，以致于在闭锁操作被禁止之后所述谐振脉冲被提供给所述控制端用于维持所述第一晶体管开关的一个状态(不导通)不变。
17、根据权利要求16的装置，其特征在于：还包括一个变压器的第一线圈(L3)，用于借助于所述第一线圈把所述输入电源电压作变压器耦合到所述第一晶体管开关的控制端(基极)上，以便在一部分所述谐振脉冲之后在所述控制信号(V6)中产生状态(导通)变化。
18、一种开关型电源装置，包括：
一个供给输入电压(RAWB+)的电源；
一个谐振电路(21)，该谐振电路包括一个电容器(C6)和一个与所述供给输入电压的电源连接的电感器(L1)；
一个晶体管开关(Q3)，该晶体管开关与所述电感器连接并且响应一个周期性的开关控制信号(VG)，用于在所述电感器(IL1)中产生电流脉冲以便在与一个负载电路连接的所述谐振电路中产生谐振脉冲，该负载电路用于产生所述电源的一个输出(VOUT)；
一个与所述晶体管连接并且响应所述谐振脉冲的阻尼二极管(D6)，用于当所述晶体管正在被导通时，在所述晶体管开关的一对主电流传导端(集电极-发射极)之间维持一个实际上为零的电压；
一个第二信号(VEQ2)源，用于根据所述第二信号的变化控制所述电源的输出；和其特征是包括：
一个比较器、一个第二晶体管(Q2)，该晶体管响应一个周期性的第三信号(VBQ2)和响应所述第二信号并且与一个第三晶体管(Q1)连接，以便与它们一起形成一个再生开关(31)，该再生开关(31)与所述第一晶体管开关的一个控制端(基极)连接以便产生所述控制信号，当在所述周期性的第三信号和所述第二信号之间产生一个第一差值时所述再生开关作为在一个第一方向被触发的闭锁电路来工作，所述闭锁电路响应所述谐振脉冲以便当所述谐振脉冲被产生时使闭锁操作禁止。
19、根据权利要求18的装置，其特征在于：还包括一个变压器的第一线圈(L3)，用于把所述输入电源电压(RAWB+)作变压器耦合到所述晶体管开关的控制端(基极)上，以便在所述闭锁电路被触发之前把所述晶体管开关(Q3)维持在一个第一状态(导通)，并且用于在所述闭锁电路被禁止之后将所述谐振脉冲(VD)变压器耦合到所述控制端以把所述晶体管开关(Q3)维持在一个第二状态(不导通)。
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