CN1066295C - 一种电源电路和包括该电源电路的电动剃须刀 - Google Patents

Abstract

在用来对电池(B)充电的自激振荡电源电路中，利用相反导电类型的第2开关晶体管(T2)使主开关晶体管(T1)截止，该第2开关晶体管(T2)是通过传感电阻(R8)与该主开关晶体管(T1)串联连接的。这种配置可使主开关晶体管(T1)快速开断和接通。该电源电路能够以简单方式(R7、T4)接通及切断。而且，可以方便地对变动着的市电电压提供补偿(R4)、以及提供辅助电压(D6、C4)，该辅助电压可用于对其它电路(R9、R10)供电，当电源电路被切断时，该辅助电路仍保持可用。

Description

一种电源电路和包括该电源电路的电动剃须刀

本发明涉及用来由输入电压对负载供电的电源电路，该电路包括：具有初级绕组及次级绕组的变压器；具有控制极、第1主电极及第2主电极的第1开关晶体管，该晶体管被耦合在初级绕组上以便周期性地把初级绕组连接到输入电压上；耦合到第1开关晶体管的第1主电极上的传感电阻；响应于传感电阻两端的电压降以便截止第1开关晶体管的装置，该装置包括第2开关晶体管；与被供电的负载串联连接、并连接到次级绕组上的整流二极管。

本发明进一步涉及一种包括这种电源电路的电动剃须刀。

而这种电源电路和电动剃须刀从第4684871号美国专利可以了解，详见图3，这种电源可用于对电池充电或用于对电气设备供电。这样的电源电路特别适用于包括可重新充电电池的电剃须刀，这时，该电源电路对电池提供充电电流，并对剃须刀电机提供供电电流。在已知的这种电源电路中，第1开关晶体管为双极晶体管。起动电阻把起动电流供给该开关晶体管的控制极或基极，从而使开关晶体管导通。这形成了通过变压器初级绕组的电流。这一初级电流在次级绕组中感应出电压，该电压通过包括电容及电阻的串联电路的反馈电路，以正反馈的形式加到第1开关晶体管的基极上。其结果是，使第1开关晶体管迅速饱和。在正程期间，初级电流线性地增大，一直到第1开关晶体管截止为止。初级电流流经配置在第1开关晶体管发射极引线上的传感电阻。第2晶体管的基-射结是连接到这一传感电阻的两端的，当传感电阻两端的电压超过给定值时就把第1开关晶体管的基极短路。第1开关晶体管短路的结果是使该晶体管截止。在接着开始的逆程期间，储存在变压器内的能量通过整流二极管传送到被供电的负载上，使得在次级绕组中流动的次级电流逐渐减小。在从正程向逆程过渡时，次级电压的符号被颠倒，通过反馈电路的正反馈又加速了开关晶体管的截止。在逆程周期结束时，整流二极管截止并开始等待周期(在等待期间，在反馈电路的第1电容器两端建立起来的电压差通过起动电阻得以补偿)，一直到第1开关晶体管基极上所获得的驱动电压再一次达到足以使该晶体管导通为止。这样，电源电路是自激振荡的。反馈电路也可以包括一个以适当方式驱动第1开关晶体管的第1控制级的分开的绕组以代替电阻及电容器的串联电路。

这种已知的电源电路能够利用从通过整流市电电压所获得的输入电压而工作。这造成一些问题。标称的市电电压可在100与240Vac之间变动。整流后的电压会在同一范围内变动，影响振荡周期的长短。因此，振荡频率取决于所加的市电电压。电源电路所提供的电流平均值本身又正比于该振荡频率。这样，平均输出电流看来是取决于所加的市电电压的。当要对电池充电时，这是不利的，因为为了避免过充电必须以已知的电流进行充电。

而且，整流后的市电电压可能很高。当开关晶体管截止时，在该晶体管的两端将出现很大的直流电压。因此，由有限的开关次数所引起的开关晶体管内的开关损耗可能很显著。

本发明的目的是提供一种改进的电源电路和具有这种改进的单元电路的电动剃须刀。

为此，这种电源电路的特征在于，第1开关晶体管与第2开关晶体管串联连接，而且，第1开关晶体管的导电类型与第2开关晶体管的导电类型相反。

第2开关晶体管能够使第1开关晶体管迅速截止，从而减小其开关损耗。第2开关晶体管的相反导电类型使得电源电路能够以比较简单的方式接通或切断，并能以很简单的装置来补偿输入电压的变动。

鉴于这种补偿，根据本发明电源电路的一个实施例的特征在于，该电源电路进而包括一个补偿电阻，它被连接到第2开关晶体管的控制极和整流二极管与次级绕组之间的节点之间。在整流二极管与次极绕组之间的节点上的电压随输入电压而提高。当输入电压较高时，这一提高导致第1开关晶体管控制极上的偏压较高，其结果是，第1开关二极管在较小的初级电流下就被截止。

根据本发明电源电路的另一实施例的特征在于，用于截止的装置包括：分压器，该分压器包括相互连接的第1电阻及第2电阻其连接点成为一个抽头，该分压器与一个串联电路并联连接，该串联电路至少包括该传感电阻及第2开关晶体管的主电流通路；第3开关晶体管，其导电类型与第2开关晶体管相同，它的控制极连接到该分压器抽头上，第1主电极耦合到第1电阻上，第2主电极耦合到第2开关晶体管的控制极上；以及第3电阻，它被连接到第2开关晶体管的控制极与电压端子之间。

在这一实施例中，至少在双极晶体管的情况下，峰值电流取决于第3开关晶体管的基-射电压，还取决于第2开关晶体管的电流增益系数。这给初级电流提供了温度补偿。可以把分压器及第3晶体管与一个串联电路并联配置，该串联电路包括该传感器及第2开关晶体管的主电流通路。如果把第1开关晶体管的第一主电极与控制极的结点也包括到该串联电路中，则导致第1开关晶体管截止的初级电流的电平还会减小。

可以把第3电阻连接到适当的电压端子上，进而，可以把一个开关元件(例如，晶体管)与该第3晶体管串联。于是，电源电路可以借助于该开关元件来接通和切断。

当可重新充电电池的寿命结束时，经常会出现这种电池内部开路的情况。为了防止电源电路因变压器内的能量无法泄放而发生故障，可以把第3电阻通过一个晶体管连接到次级绕组与被供电负载之间的节点上，该晶体管的导电类型与第1开关晶体管相同，把这一晶体管的控制极连接到高于在负载两端所预期最高电压的偏压上，把这一晶体管的第1主电极连接到所述节点上。

通过把第3电阻连接到整流二极管与被供电负载之间的节点上，可以减小电池电压对初级峰值电流的影响。同样，借助于与第3电阻串联的晶体管，可以把电源电路接通及切断。为了防止当该电源电路切断时电池的泄放漏电，至少在双极晶体管的情况下，最好是使这一晶体管的导电类型与第1晶体管相同。

电源电路的再一个实施例的特征在于，该电源电路进而包括1个齐纳二极管，它被连接到第1开关晶体管控制极与一个电压端子之间。当第1开关晶体管截止时，该齐纳二极管吸收这一开关晶体管的驱动电流；当第1开关晶体管截止时，该齐纳二极管限制这一开关晶体管控制极上的电压。当第1开关晶体管截止时，该第1开关晶体管的第1主电极提供一个有效的缓冲电压，该电压特别是由齐纳二极管的齐纳电压所确定。这样就限制了第2开关晶体管两端的电压，使这一晶体管可以是常规的低压晶体管。

还可以把该有效缓冲电压用于其它用途。为此，一个实施例的特征在于，该电源电路包括连接到第1开关晶体管的第1主电极与供电端子之间的另一个整流二极管，以及包括耦合到电源端子上的一个滤波电容器。当开关晶体管导通时，该另一个整流二极管截止，防止该滤波电容器放电。当第1开关晶体管截止时，该另一个二极管导通，并且借助于该有效缓冲电压对该滤波电容器充电。滤波电容器上的电压可用于对另外的电子电路供电。在剃须刀中，这样的电路可以是例如控制单元、显示器及微处理器。即使当通过上述开关元件或与第3电阻串联的晶体管已把电源电路切断时，这一电压仍然可用。例如，可以把滤波电容器上的电压用作一个高于在负载或电池两端所预期最高电压的所述偏压源。

本发明的这些及其它方面将参考附图加以描述和阐明。

图1示出根据本发明的电源电路的一个实施例；

图2示出根据本发明的电源电路的一个实施例；

图3示出根据本发明的电源电路的一个实施例；

图4示出根据本发明的电源电路的一个实施例；

图5示出根据本发明的电源电路的一个实施例；以及

图6示出包括根据本发明的电源电路的一种电剃须刀。

在这些图中，相同的另件标以同一参考号。

图1示出根据本发明的电源电路的一个实施例的电路图。把交流市电电压或适当的直流电压加到输入端N4及N5上。借助于二极管桥D4对交流电压进行整流，借助于电容器C1和C2以及线圈L1进行平滑及滤波。与输入端N4或N5之一串联的任选电阻R1限制通过二极管桥D4的电流。把已整流输入电压的负端连接到地。把正端N7连接到变压器的初级绕组W1上。把齐纳二极管D1及二极管D2与初级绕组W1并联连接，当通过初级绕组W1的电流被截断时，这两个二极管限制初级绕组W1两端的电压。把由NPN双极晶体管构成的开关晶体管T1的主电流通路与初级绕组W1串联连接，该晶体管的第2主电极(或集电极)耦合到初级绕组W1上。开关晶体管T1的第1主电极(或发射极)通过电阻R8连接到PNP开关晶体管T2的发射极上，该开关晶体管T2的集电极连接到变压器次级绕组W2的第1端子N1上，该次级绕组则磁耦合到初级绕组W1上。次级绕组W2的第1端子N1则连接到被供电的负载上，例如可重新充电的电池B。电池B的正端连接到第1端子N1上。电池B的负端连接到端子N6上，端子N6通过整流二极管D3连接到次级绕组W2的第2端子N2上。端子N6例如连接到地。其结果是，不仅通过次级绕组的电流流经电池B，而且，通过初级绕组的电流也流经电池B。如果这并不合乎需要，就可以把第1端子N1而不是把端子N6连接到地。开关晶体管T1的控制极(或基极)通过电阻R2连接到正端子N3上，但是，也可以根据需要将其接到另一适当电压，该电压是相对于已整流的市电电压的一个经过稳压的电压。电容器C3与电阻R3的串联电路连接到开关晶体管T2的基极与次级绕组W2的第2端子N2之间。而且，开关晶体管T2的基极通过由齐纳二极管D5构成的门限元件连接到第1端子N1上。门限元件是指这样的元件：只要该元件两端的电压低于给定的门限电压，其阻抗就比较高；当该元件两端的电压超过该门限电压时，其阻抗就比较低。这类元件包括齐纳二极管、二端交流开关(diac)、及充气调压管。可根据需要，在电阻R3两端配置加速电容器，以便加速开关晶体管T1的导通。

第2开关晶体管T2的基极通过电阻R4连接到次级绕组W2的第2端子N2上，并且通过电阻R7连接到次级绕组W2的第1端子N1上。而且，这里提供了包括在抽头N7上互连的电阻R5及R6的分压器。该分压器是跨接在电阻R8及开关晶体管T2射-集通路的串联电路的两端的，电阻R5连接到电阻R8与开关晶体管T1发射极之间的节点上。PNP开关晶体管T3的基-射结与电阻R5并联连接，它的基极连接到抽头N7上，它的集电极连接到开关晶体管T2的基极上。可以利用开关SW把电机M连接到电池B上。电机M可以是例如剃须刀的电机。

当接受输入电压时，起动电流将从正端子N3通过电阻R2流入开关晶体管T1的基极，从而使开关晶体管T1导通。这时正程周期或正向阶段开始。这时，电流开始从正端子N3通过初级绕组W1、开关晶体管T1、电阻R8及电池B而流到端子N6。因为基极电流可以通过电阻R7流动，所以开关晶体管T2导通。初级绕组W1两端的电压差在次级绕组W2两端上感应出经过变压的电压差，于是，第2端子N2相对于第1端子N1变正。于是，二极管D3的阴极相对于二极管D3的阳极为正，其结果是，二极管D3截止。在次级绕组W2两端上正的电压差具有正反馈作用，它通过电容器C3驱动开关晶体管T1的基-射结，使之进一步进入导通，驱动电流受限于电阻R3。应该指出，这样的正反馈还可以用另一种方式来实现，例如，借助于以适当方式耦合到开关晶体管T1基极上的一个独立的绕组来实现。开关晶体管T1饱和(bottomed)，增长的电流开始通过初级绕组W1流动。这一增长的电流在电阻R8及开关晶体管T2集-射通路的两端产生增长的电压降。

开关晶体管T1保持在导电状态下，一直到电阻R5两端增长着的电压降驱动晶体管T3使之进入导通。其结果是，开关晶体管T2接受的基极电流变小因而截止，这使开关晶体管T2两端的集-射电压增大。增长的集-射电压本身又导致电阻R5两端的电压增大。所形成的正反馈使开关晶体管T1的发射极电流被非常迅速地截断。这时开关晶体管T1的基极电流通过齐纳二极管D5的低阻抗而泄放，其结果是开关晶体管T1因而被迅速截止，并把通过初级绕组W1的电流截断。这时就开始逆程周期或逆程阶段，其间变压器内储存的能量被转移到电池B。

初级绕组W1的电流的截断会使初级绕组W1两端的电压大为增高，这一电压的增高相对于正端子N3上的输入电压为正，这一电压的增高受到二极管D2及齐纳二极管D1的限制。电流中断的结果是，使初级绕组W1两端电压的符号、因而也就使次级绕组W2两端电压的符号颠倒。现在，次级绕组W2的第2端子N2相对于第1端子N1为负。这时二极管D3导通，次级电流在由次级绕组W2、二极管D3及电池B所形成的次级电路中流动，把变压器内的能量转移到电池B内。次级电流减小到零。只要二极管D3导通，次级绕组W2两端的负电压就等于二极管D3两端的电压与电池B的电压之和。次级绕组W2两端上的负电压瞬变出现在电容器C3两端，使开关晶体管T1的基极保持为负电压。现在，电容器C3通过齐纳二极管D5(这时齐纳二极管D5的极性为正向)及电阻R3放电。因为没有电流通过开关晶体管T2及电阻R8，所以，电阻R5两端的电压为零，其结果是，开关晶体管T3也截止。现在，开关晶体管T2将保持截止，一直到开关晶体管T1基极上再一次有足够的正电压从而使新的振荡周期开始为止。该电源电路因而是自激振荡的。

电阻R4起到补偿市电电压的作用，可根据需要将其省略。当正端子N3上整流后的市电电压较高时，通过电阻R4的电流能确保晶体管T2的基极接受更高的偏压，其结果是，在较小的初级电流时，晶体管T1就被截止。

开关晶体管T2及T3截止时的初级电流Tp由下式给出： $\mathrm{Ip}=\frac{{\mathrm{Vbe}}_{T3}\frac{R5}{R5+R6}-V\sec \frac{R7}{R4+R7}-V{\mathrm{be}}_{T2}}{R8-\frac{R4\·R7}{{\mathrm{HFE}}_{T2}(R4+R7)}}$ 此处，Vsec为在正程期间次级绕组W2两端的电压，V_beT2为开关二极管T2的基-射电压，V_beT3为开关二极管T3的基-射电压，HFE_T2为晶体管T2的增益系数，R4～R8为相应的电阻R4～R8的电阻值。次级绕组W2两端的次级电压Vsec基本正比于初级绕组W1两端的初级电压。电阻值R4的选择确定了市电电压与初级电流Ip之间的关系。从上列公式也可明显地看出，峰值电流Ip取决于晶体管T3的基-射电压，还取决于晶体管T2的增益系数HFE_T2。由于这个原因就获得了对初级峰值电流Ip的温度补偿。实际上，当温度升高时，基-射电压减小而增益系数增大。

图2示出图1所示电路的扩展。开关晶体管T1的发射极通过二极管D6连接到供电端子N8上，还连接到滤波电容器C4的一个电极上，滤波电容器C4的另一个电极则连接到第1端子N1上，但是，应该指出，也可能将其连接到端子N6(地)上。晶体管T1每次截止时，晶体管T1的射极电压就提高。最初流过电阻R8的电流这时流过二极管D6，一直到晶体管T1截止。这样，滤波电容器C4以脉动电流重新充电到一最高电压，该电压等于齐纳二极管D5的齐纳电压减掉晶体管T1的基-射电压、再减掉二极管D6的二极管电压。可以把滤波电容器C4两端的电压用于对其它电子电路(例如运算放大器、比较器等)供电。图2作为一个例子，示出由滤波电容器C4两端的电压供电的比较器CMP。电阻R7连接到晶体管T2的基极与比较器CMP的输出端之间。如果比较器的输出为低(即其电平基本上相应于第1端子N1上的电压)，则电源电路像参考图1所描述的实施例中所说明的那样工作。如果比较器的输出为高(即其电平基本上相应于供电端子N8上的电压)，则电源电路被切断。这是因为晶体管T2这时不能通过电阻R7获得电流，其结果是，晶体管T1不能再对晶体管T2供给发射极电流，因而就不能振荡。然而，在这一状态下，晶体管T1就作为齐纳二极管D5的齐纳电压的缓冲级而工作，该齐纳二极管D5通过电阻R2保持为导通状态。这样，当电源电路不振荡并且加有市电电压时，滤波电容器C4上的电压得以保持。

图3示出把电阻R7通过NPN晶体管T4连接到第1端子N1上的一个实施例。晶体管T4的基极通过电阻R9连接到供电端子N8上，还通过电阻R10连接到端子N6上。以这样的方式来确定电阻R9及R10的大小，即，当电池B的电池电压超过一个最大值时，晶体管T4就停止导通。这样就使电池停止充电。当电池的寿命结束时，经常出现电池的这种内部开路。晶体管T4以及电阻R9及R10还防止电源电路因变压器内的能量无法泄放到电池内而发生故障。这时，电源电路也被切断。

图4示出把电阻R7通过NPN晶体管T5连接到端子N6上的一个实施例。在这一配置中，晶体管T1截止时的峰值电流取决于电池B两端的电压。于是，平均的充电电流取决于电池电压。为了防止在未加上市电电压时电池通过晶体管T2的集-基二极管及电阻R7泄放，晶体管T5采用了NPN型晶体管。于是，该集-基二极管是截止的。当这个电路用整流的市电电压对电池B充电时，也可以借助于晶体管T5把电源电路切断。

图6示出把分压器R5/R6的电阻R5及晶体管T3的发射极连接到晶体管T1的基极(而不是连接到晶体管T1的发射极)上的一个实施例。这样，可以使晶体管T1截止时的峰值电流小于图1所示的实施例。

可以用单极(MOS)晶体管代替这里所描述实施例中的双极晶体管，在MOS晶体管的情况下，第1主电极、第2主电极及控制极分别相应于单极晶体管的源极、漏极及栅极。

图6示出电剃须刀，它包括：外壳1，外壳1容纳标示为PS的电源电路；电池B；以及电机M。电机驱动剃须刀头2，并借助于开关SW来操作该电机。

Claims (12)

1．一种用来由输入电压对负载(B)供电的电源电路，该电路包括：具有初级绕组(W1)及次级绕组(W2)的变压器；具有控制极、第1主电极及第2主电极的第1开关晶体管(T1)，该晶体管被耦合在所述初级绕组(W1)上以便周期性地把所述初级绕组(W1)连接到所述输入电压上；耦合到所述第1开关晶体管(T1)的所述第1主电极上的传感电阻(R8)；响应于所述传感电阻(R8)两端的电压降而截止所述第1开关晶体管(T1)的装置，该装置包括第2开关晶体管(T2)，通过所述传感电阻(R8)把所述第2开关晶体管(T2)的第1主电极耦合到所述第1开关晶体管的所述第1主电极上；与被供电的所述负载(B)串联连接、并连接到所述次级绕组(W2)上的整流二极管(D3)；其特征在于，

所述第2开关晶体管(T2)是和所述第1开关晶体管(T1)串联连接的，而且，所述第2开关晶体管(T2)的导电类型与所述第1开关晶体管(T1)的导电类型相反。

2．根据权利要求1中所述的电源电路，其特征在于，

用于截止的装置包括：分压器(R5，R6)，该分压器包括相互连接的第1电阻(R5)及第2电阻(R6)，其连接点成为抽头(N7)，该分压器与一个串联电路并联连接，该串联电路至少包括所述传感电阻(R8)及所述第2开关晶体管(T2)的主电流通路；第3开关晶体管(T3)，其导电类型与所述第2开关晶体管(T2)相同，它的控制极连接到所述分压器(R5，R6)的抽头(N7)上，它的第1主电极耦合到所述第1电阻(R5)上，它的第2主电极耦合到所述第2开关晶体管(T2)的控制极上；以及第3电阻(R7)，它被连接到所述第2开关晶体管(T2)的控制极与电压端子(N1，N6)之间。

3．根据权利要求2中所述的电源电路，其特征在于，它包括与所述第3电阻(R7)串联的开关元件(T4，T5)。

4．根据权利要求3中所述的电源电路，其特征在于，所述开关元件包括另一个晶体管(T4，T5)，其导电类型与所述第1开关晶体管(T1)相同，其第1主电极耦合到所述电压端子(N1，N6)上，其第2主电极耦合到所述第3电阻(R7)上，并且其控制极连接成能接受偏压。

5．根据权利要求2、3或4中所述的电源电路，其特征在于，所述电压端子为所述次级绕组(W2)与被供电的负载(B)之间的节点(N1)。

6．根据权利要求2、3或4中所述的电源电路，其特征在于，所述电压端子为所述整流二极管(D3)与被供电的负载(B)之间的节点(N5)。

7．根据权利要求2、3、4、5或6中所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括连接在所述第2开关晶体管(T2)的控制极和所述整流二极管(D3)与所述次级绕组(W2)之间的节点(N2)之间的被偿电阻(R4)。

8．根据权利要求1、2、3、4、5、6或7中所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括连接在所述第1开关晶体管(T1)的控制极与电压端子(N1)之间的齐纳二极管(D5)。

9．根据权利要求8中所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路包括连接在所述第1开关晶体管(T1)的第1主电极与供电端子(N8)之间的另一个整流二极管(D6)；以及耦合到所述供电端子(N8)上的滤波电容器(C4)。

10．根据权利要求2、3、4、5、6、7、8或9中所述的电源电路，其特征在于，把所述分压器(R5，R6)的第1电阻(R5)连接到所述第1开关晶体管(T1)的控制极上。

11．根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9或10中所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括反馈电容器(C3)及反馈电阻(R3)，它们被串联连接到所述第1开关晶体管(T1)的控制极与所述整流二极管(D3)与所述次级绕组(W2)之间的节点(N2)之间。

12．一种电剃须刀，它包括：可重新充电的电池(B)，电机(M)，用来把所述电机(M)连接到所述电池(B)上的开关(SW)；以及用来对至少所述电池(B)和/或所述电机(M)供电的如上述权利要求任一项中所述的电源电路(PS)。

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