CN1066866C - 开关型电源 - Google Patents

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Abstract

具有周期接转施加到变压器初级绕组的电压的开关晶体管的开关型电源。开关晶体管(TP20)在接通期间经由高阻电阻器(RP05，RP06，RP07)，初级绕组(6，7)和电容器(CP24)被逐步导通。此后开关型电源经绕组(6，7)自激振荡并由控制级(TP24)控制。通过与控制级(TP34)并联的无源网络(DP37，DP38，RP37)开关晶体管(TP20)按规定方式在第一振荡集电极电压最小值导通。故开关晶体管的接通损失最小。备用方式下，开关型电源配备有让开关晶体管接通一规定时间的附加网络(CP38，RP38)。

Description

开关型电源
本发明涉及一种具有一个周期性地接转施加到变压器初级绕组的电压的开关晶体管的开关型电源，它含有一个转换级和一个用于操作开关晶体管的基极电流网络，和一个用于稳定次级电压的控制级。这样一种开关型电源按回扫变换器原理工作，其中开关晶体管在接通阶段被导通，因此在变压器中产生磁化，该开关晶体管在关断阶段被截止并经由变压器的耦合绕组再次被消磁。为了降低开关晶体管的接通损耗，开关型电源另外还具有一个振荡阶段，其中开关晶体管在集电极-发射极电压振荡的电压最小值被导通。
这种类型的开关型电源已在例如DE4431783中和1995年12月的期刊“电子世界和无线电世界”第1058-1063页中公开。它们都各自包含一个预先确定开关型电源的转换频率的振荡器。
本发明的目的是提出一种没有振荡器的开关型电源，它在一个宽的输入电压范围上稳定工作，而且开关晶体管的接通损耗是最小的。
用下述的本发明的技术方案来达到该目的。
一种开关型电源，包括：一个变压器和串联连接到所述变压器初级绕组并周期性地接转施加到所述初级绕组的输入电压的开关晶体管，一个转换级和一个用于操作所述开关晶体管的基极电流网络，所述基极电流网络连接到所述变压器的基极电流绕组，一个连接在所述变压器绕组与所述转换级之间用于稳定次级电压的控制级，开关晶体管在工作期间含有一接通阶段，一关断阶段和一所述关断阶段之后的振荡阶段，该开关型电源经由所述基极电流绕组并经由所述控制级自激振荡，所述开关型电源还包括：一个无源网络，该无源网络具有与至少一个正向二极管串联的电阻器，用于间接地确定开关晶体管的接通延迟，所述无源网络与所述控制级并联设置。
一种开关型电源，包括：一个变压器和串联连接到所述变压器初级绕组并周期性地接转施加到所述初级绕组的输入电压的开关晶体管，一个转换级和一个用于操作所述开关晶体管的基极电流网络，所述基极电流网络连接到所述变压器的基极电流绕组，一个连接在所述变压器绕组与所述转换级之间用于稳定次级电压的控制级，其中，与所述控制级并联地设置一个至少具有串联的一个电容器和一个电阻器的网络，以便以非常低的负载并在备用方式下产生开关晶体管的最小接通持续时间。
一种开关型电源，包括：一个变压器和串联连接到所述变压器初级绕组并周期性地接转施加到所述初级绕组的输入电压的开关晶体管，一个转换级和一个用于操作所述开关晶体管的基极电流网络，所述基极电流网络连接到所述变压器的基极电流绕组，一个连接在所述变压器绕组与所述转换级之间用于稳定次级电压的控制级，一个高阻电阻器，设置在所述基极电流网络与提供所述输入电压的整流器的输出端之间，所述高阻电阻器以与变压器无关的小电流为所述基极电流网络供电，其中，所述基极电流网络包含一个在开关型电源的接通阶段提供一个短电流脉冲的适当计算的电容器，以在该容性网络与一个用于为基极电流网络供电的基极电流绕组之间产生正反馈，由此在该绕组与该网络之间发生振荡，该振荡逐步地导通开关晶体管。
按照本发明的开关型电源的开关晶体管在接通期间经由一个高阻电阻器、一个初级绕组和一个电容器逐步地导通。此后，开关型电源经由变压器的另一初级绕组自激振荡，并由一个控制电路控制以便调节次级电压。为操作该开关型电源不需要任何附加自激振荡器。用非常高的阻抗设计启动电路，故而在正常工作期间仅消耗少量的功率。
该开关型电源按负载的函数改变开关晶体管的转换频率。例如，正常工作时，它以大约50-100kHz的频率振荡，而在低损耗的备用方式下则以大约20kHz的频率振荡。由于在备用方式下开关晶体管仅接通非常短的时间(＞200kHz)，因此为开关型电源配备有一个附加网络，它使开关晶体管在一规定的时间内接通。
借助于一个与控制电路并联的无源网络，开关晶体管在集电极电压的第一振荡的最小值之前不久或在最小值以规定的方式导通。结果，开关晶体管的接通损耗是最小的。
该开关型电源仅需要很少数量的有源器件因此非常节省费用。即使对于不稳定输入电压和不稳定的负载它也具有高稳定性。由于开关晶体管的低转换损耗，可以将该电源的频率设计得比常规回扫变换器电源的情况下要高得多，以便使开关晶体管具有相同的总功率损耗。这一较高频率允许一较小尺寸的变压器用于同样传输功率。
此外，开关型电源包括一个所谓的软启动电路，该电路允许开关晶体管在启动阶段比在正常工作时有比较小的最大集电极电流。由于软启动电路是由一个回扫电压控制的，在次级电压(特别是系统电压)短路的情况下，在启动阶段仅有小的集电极电流仍是可能的，由此防止了开关晶体管过热。
本发明尤其可应用于电视机和录像机。
下面参照一个示意性电路图说明本发明的一个有益的示范实施例，附图中：
图1示出按照本发明设计的一个开关型电源的电路图。
图1的电路图示出了一个电网电压接头AC，其后连接的是一个桥式整流器，具有二极管TP01-TP04，用于对AC电压整流。这一经整流的电压被施加在变压器LP03上具有接线端9、1的第一初级绕组，开关晶体管TP20的集电极-发射极路径，以及用作电流检测的低阻电阻器RP20上。变压器LP03具有一个带接线端3、4、5的第二初级绕级和一个带接线端6、7、8的第三初级绕级，以及用于产生稳定的次级电压UB、±UA和UX的次级绕级11-17。在例如电视机中它们被用于为视频部分、音频部分及电子电路供电。
开关型电源按回扫变换器原理工作并具有一个接通阶段、一个关断阶段以及还有一个在关断阶段之后的振荡阶段。在接通阶段，在初级绕级9、1中产生电流并在变压器LP03中出现磁化现象。在某一磁化级已建立之后，开关晶体管被截止。在此时随后的截止阶段，变压器LP03的磁化被传输到次级11-17因此被耗散。在从开通阶段变换到截止阶段期间，第二初级绕级3、4、5上的电压和第三初级绕组6、7、8上的电压各自被反向。
阻尼电容器CP21与开关晶体管TP20的集电极和发射极并联连接。该电容器CP21用于避免在关断的同时出现的开关尖峰脉中，并在开关晶体管TP20被载止时被充电。如果变压器LP03的磁化落在关断阶段的特定值以下，则振荡发生在初级绕组1、9与电容器CP21之间。这表征跟随关断阶段的振荡阶段。在该振荡阶段期间，根据电网电压、匝数比和次级负载，开关晶体管TP20的集电极电压周期性地落到在振荡最小值处的0到150V的电压上。第一最小值是导通晶体管TP20的最佳时间，因为振荡是在此处的最大值上而未用于功率传输的振荡时间是最小的。
用一个基极电流网络驱动开关晶体管TP20的基极，该网络必须满足下列要求：一方面，为了开关晶体管TP20的良好饱和在接通阶段它必须提供足够高的正基极电流，另一方面，在开关晶体管TP20的关断阶段它必须供给用于快速截止的大的负基极电流和一个负的基极电压。接通阶段的基极电流是通过第三初级绕组6、7、8的正向绕组6、7经由一个二极管DP19和低阻电阻器RP19和RP21提供的。
借助于晶体管TP22和TP23经由一个转换级使开关晶体管TP20截止。这两个晶体管TP22和TP23通过电阻器RP26、RP28和RP29连接在一起构成一个达林顿电路，它产生非常快速的导通。如果在导通阶段开关晶体管TP20的集-发射极电流逐渐上升，电阻器RP20两端的电压同时上升。在电阻器RP20两端大约0.7V的电压以上晶体管TP22以致晶体管TP23被导通。当晶体管TP23导通时，开关晶体管TP20的发射极和基极被连接到电容器CP23的接线端，因此由于大的负基极电流的结果它的负电荷和电压使开关晶体管TP20非常快速的去饱和，从而非常快地使它完全截止。在每一导通阶段期间通过辅助初级绕组3、4、5和二极管DP12和DP23对电容器CP23再次充电。
次级电压UB、±UA和UX用初级侧的控制级加以稳定。为此目的，在截止阶段为晶体管TP34供电的正电压VCC经由二极管DP31和DP32从初级绕组7、8取得。该晶体管TP34为电容器CP22提供偏置电流，该电流取决于电压VCC。CP22上的电压是由该直流引起的电压与电流测量电阻器RP20两端的电压相加得到的。如以上已描述的，当电容器CP22上的电压近似达到0.7V时，晶体管TP22以致晶体管TP23导通，而开关晶体管TP20则截止。
为了精确确定开关晶体管TP20在振荡的第一最小值的接通时间，一个无源网络与控制级TP34并联连接，该无源网络具有二极管DP37、DP38和电阻器RP37，在关断阶段结束之后，通过绕组接线端8将正电流提供给晶体管TP22。
当变压器LP03的磁化在关断阶段衰减时，反向电压下降而所有的正向电压上升。这时在接线端6可获得正电压，从而在RP19上提供经过二极管DP19使开关晶体管TP20基极导通的正电流。一旦第三初级绕组6、7、8的接线端8的电压已落在0V以下，并且由于二极管DP37、DP38和电阻器RP37的原因在TP22中不再有任何电流流过，则由于TP22和23饱和它们仍保持接通。开关晶体管TP20未被导通直到晶体管TP22和TP23已关断后。如果该匹配是最佳的，这一导通发生在TP20集电极电压振荡的最小值。
为了接通开关型电源，在桥式整流器DP01-DP04的正接线端与电容器CP23的正接线端之间连接有一个电阻器链RP05、RP06和RP07。此外，电容器CP24也与电阻器RP19与二极管DP19并联连接。电阻器链RP05-RP07具有很高的阻值，以便即使在工作时也保持发生在这些电阻中的损耗为低值，因此在启动阶段它不足以导通晶体管TP20。因此，当开关型电源被接通时，用正反馈启动开关型电源，一个小电流流过电阻器链RP05-RP07经电容器CP23到开关晶体管TP20的基极，从而产生小的集电极电流。该电流流经第一初级绕组9、1，因此在第三初级绕组6、7中产生一小的感应电压，该电压导致此时再经由电容器CP24使开关晶体管TP20的基极导通的电流。以这种方式产生的集电极电流的增大致使变压器LP03的磁化进一步增大，这一正反馈使开关晶体管TP20逐步导通直到它完全开启。借助于一个较大的电容器(CP24)可使来自已整流(或未整流)电网电压(经由RP05-07)的启动电流大小减小。该启动电路不限于具有振荡阶段的开关型电源，也可应用于其它回扫变换器电源。
此外，开关型电源包含一个所谓的软启动电路，它含有与二级管DP25串联连接的电阻器RP25和RP27及连接在两个电阻器RP25和RP27与地之间的电容器CP25，该软启动电路将电容器CP22连接到绕组6。在电容器CP22两端产生的电压使与回扫电压成正比的最大允许集电极电流(RP20两端检测的)增大。在次级电压短路的情况下，这个电路产生一个软起动和一个最小集电集电流。
在备用方式下，开关型电源次级侧的功率输出很小，例如小于3W。则开关晶体管TP20的导通时间会非常短，例如近似200ns。这相应于很高的频率，在该频率下开关晶体管TP20被非常差地导通，因而具有大的功耗。为了优化备用方式下开关晶体管TP20的接通阶段，与控制级TP34并联地设置一个包含电阻器RP38和电容器CP38的无源网络。当开关晶体管TP20导通时，在一个匝8上的电压为负。电容器CP38此时从电容器CP22和晶体管TP22获取负电流。结果，晶体管TP22被暂时地完全关断，而开关晶体管TP20导通。通过使开关晶体管TP20的接通阶段加长到1μs以上而获得TP20的良好开关操作，或者另一方面必须在变压器LP03中存储比所需要能量更多的能量。这将转换频率减小到大约为20kHz。用于产生开关晶体管的最小接通持续时间的这种网络并不限于具有一个振荡阶段的开关型电源并也能够应用于其它回扫变换器电源。
在此所提出的本发明是DE 4431783中所描述专利申请的一种进一步扩展。它在一个宽的输入电压范围和负载电压范围上具有显著改进的稳定性，另外它是用相当少的元件构成的。工作期间在开关型电源中出现的损耗同样非常低，而且减小了变压器尺寸。
图1开关型电源中重要元件的大小如下：
电阻   R/Ohm：           电容C：
RD05    120k             CP10    100μF
RD06    120k             CP21    470pF
RD07    120k             CP22    1.5nF
RD12    0.22             CP23    100μF
RD23    0.33             CP24    10nF
RD19    39               CP25    1μF
RD20    1                CP31    32μF
RD21    4.7              CP38    10pF
RD22    4k7
RD25    1k               DP33    ZPD24
RD26    1k               DP34    ZPD6U8
RD27    8k2
RD28    10
RD29    1k
RD32    1k
RD33    3k
RD34    1k
RD35    3k
RD36    3k9
RD37    15k
RD38    10k
RD44    0.33

Claims (4)

1．一种开关型电源，包括：
一个变压器和串联连接到所述变压器初级绕组并周期性地接转施加到所述初级绕组的输入电压的开关晶体管，
一个转换级和一个用于操作所述开关晶体管的基极电流网络，所述基极电流网络连接到所述变压器的基极电流绕组，
一个连接在所述变压器绕组与所述转换级之间用于稳定次级电压的控制级，
开关晶体管在工作期间含有一接通阶段，一关断阶段和一所述关断阶段之后的振荡阶段，
该开关型电源经由所述基极电流绕组并经由所述控制级自激振荡，其特征在于，所述开关型电源还包括：
一个无源网络，该无源网络具有与至少一个正向二极管串联的电阻器，用于间接地确定开关晶体管的接通延迟，所述无源网络与所述控制级并联设置。
2．如权利要求1所述的开关型电源，其特征在于：如此确定所述电阻器的大小使得接通延迟近似地发生于第一振荡周期的最小值或发生在该第一振荡周期的最小值之前不久。
3．一种开关型电源，包括：
一个变压器和串联连接到所述变压器初级绕组并周期性地接转施加到所述初级绕组的输入电压的开关晶体管，
一个转换级和一个用于操作所述开关晶体管的基极电流网络，所述基极电流网络连接到所述变压器的基极电流绕组，
一个连接在所述变压器绕组与所述转换级之间用于稳定次级电压的控制级，其特征在于：
与所述控制级并联地设置一个至少具有串联的一个电容器和一个电阻器的网络，以便以非常低的负载并在备用方式下产生开关晶体管的最小接通持续时间。
4．一种开关型电源，包括：
一个变压器和串联连接到所述变压器初级绕组并周期性地接转施加到所述初级绕组的输入电压的开关晶体管，
一个转换级和一个用于操作所述开关晶体管的基极电流网络，所述基极电流网络连接到所述变压器的基极电流绕组，
一个连接在所述变压器绕组与所述转换级之间用于稳定次级电压的控制级，
一个高阻电阻器，设置在所述基极电流网络与提供所述输入电压的整流器的输出端之间，所述高阻电阻器以与变压器无关的小电流为所述基极电流网络供电，
其特征在于：所述基极电流网络包含一个在开关型电源的接通阶段提供一个短电流脉冲的适当计算的电容器，以在该容性网络与一个用于为基极电流网络供电的基极电流绕组之间产生正反馈，由此在该绕组与该网络之间发生振荡，该振荡逐步地导通开关晶体管。
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