CN106787767A - 一种具有多级达林顿管的开关电源 - Google Patents

一种具有多级达林顿管的开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有多级达林顿管的开关电源，包括：变压器(1)、开关管(2)、控制器(3)、分压电路(4)，所述开关管(2)为至少两级NPN三极管构成的达林顿管，所述控制器(3)包括：采样单元(31)、第一比较器(32)、脉冲频率调制单元(33)、逻辑和驱动单元(34)、第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、电流源(35)。本发明提供的开关电源，通过使用多级达林顿管作为开关管，可以在基本不增大开关管面积和成本的前提下，极大地降低开关管的基极驱动电流，从而降低控制器的供电功耗，减少芯片温升，大幅度提高控制器的驱动功率上限；并可相应减小供电电容，节省系统成本。

Description

一种具有多级达林顿管的开关电源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种具有多级达林顿管的开关电源。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。
原本的开关管采用场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor，简称MOS)制备，但由于NPN三极管的成本优势，越来越多的开关电源采用NPN三极管代替MOS管来作为开关管使用，但是，在采用NPN三极管来作为开关管时，需要控制芯片为开关管提供较大的基极电流，容易引起的功率损耗很大，导致控制芯片发热严重的问题，而且，由于所需的基极电流过大，需要配置很大的供电电容，以维持控制芯片工作时的供电电压，这会影响起机速度，同时也增大了开关电源的制备成本。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种具有多级达林顿管的开关电源。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种具有多级达林顿管的开关电源，包括：变压器、开关管、控制器、分压电路，
所述变压器的输入绕组的一端通过整流桥与交流电源连接，其另一端与开关管连接，所述变压器的输出绕组两端经过整流二极管与负载连接，所述变压器的辅助绕组的一端与分压电路连接，且另一端接地；
所述开关管为至少两级NPN三极管构成的达林顿管；
所述控制器包括：采样单元、第一比较器、脉冲频率调制单元、逻辑和驱动单元、第一MOS管、第二MOS管、电流源，
采样单元，与分压电路连接，用于通过辅助绕组来采集变压器的输出电压信息；
第一比较器，其负相输入端与采样单元连接，其正相输入端接入预设的第一参考电压，其输出端与脉冲频率调制单元连接，用于将采集到的输出电压信息与第一参考电压进行比较，并将比较结果发送至脉冲频率调制单元；
脉冲频率调制单元，还与逻辑和驱动单元连接，用于根据接收到的比较结果向逻辑和驱动单元发送相应的脉冲频率调制信号；
逻辑和驱动单元，还分别与第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极连接，用于根据接收到的脉冲频率调制信号，驱动第一MOS管和第二MOS管的导通状态；
电流源的一端与控制器的供电引脚连接且另一端与第一MOS管的源极连接，第一MOS管的漏极分别与第二MOS管的漏极和开关管连接，第二MOS管的源极接地。
在本发明实施例上述的开关电源中，所述开关管包括：第一级NPN三极管和第二级NPN三极管，第一级NPN三极管的集电极与变压器的输入绕组连接，其基极与第一MOS管的漏极连接，其发射极与第二级NPN三极管的基极连接，第二级NPN三极管的集电极与变压器的输入绕组连接；
所述控制器还包括：第三MOS管，所述第三MOS管的栅极与第二MOS管的栅极连接，其漏极与第二级NPN三极管的基极连接，其源极接地。
在本发明实施例上述的开关电源中，还包括：电流检测电阻，所述电流检测电阻的一端与所述开关管连接，且其另一端接地；
所述控制器还包括：第二比较器，所述第二比较器的正相输入端分别与电流检测电阻和开关管连接，其负相输入端接入预设的第二参考电压，其输出端与逻辑和驱动单元连接。
在本发明实施例上述的开关电源中，所述分压电路包括：第一电阻和第二电阻，第一电阻的一端与变压器的辅助绕组的一端连接，其另一端分别与采样单元和第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地。
在本发明实施例上述的开关电源中，所述控制器还包括：低电压锁定单元，与与控制器的供电引脚连接，用于在控制器的工作电压低于预设电压时保护控制器。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过使用多级达林顿管作为开关管，可以在基本不增大开关管面积和成本的前提下，极大地降低开关管的基极驱动电流，从而降低控制器的供电功耗，减少芯片温升，大幅度提高控制器的驱动功率上限；并可相应减小供电电容，节省系统成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种具有多级达林顿管的开关电源的电路图；
图2是本发明实施例一提供的多级达林顿管与单个NPN三极管的I-V特性对比曲线图；
图3是本发明实施例一提供的开关电源与现有技术的开关电源效率对比曲线图；
图4是本发明实施例一提供的开关电源与现有技术的开关电源效率对比曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种具有多级达林顿管的开关电源，参见图1，该开关电源可以包括：变压器1、开关管2、控制器3、分压电路4。
变压器1的输入绕组NP的一端通过整流桥与交流电源Vin连接，其另一端与开关管2连接，变压器1的输出绕组NS两端经过整流二极管与负载(例如：发光二极管)连接，变压器1的辅助绕组NA一端与分压电路4连接，其另一端接地，开关管2可以为至少两级NPN三极管构成的达林顿管。
控制器3可以包括：采样单元31、第一比较器32、脉冲频率调制单元33、逻辑和驱动单元34、第一MOS管M1、第二MOS管M2、电流源35。
采样单元31，与分压电路4连接，用于通过辅助绕组NA来采集变压器1的输出电压信息；
第一比较器32，其负相输入端与采样单元31连接，其正相输入端接入预设的第一参考电压VREF1，其输出端与脉冲频率调制单元33连接，用于将采集到的输出电压信息号与第一参考电压进行比较，并将比较结果发送至脉冲频率调制单元33；
脉冲频率调制单元33，还与逻辑和驱动单元34连接，用于根据接收到的比较结果向逻辑和驱动单元34发送相应的脉冲频率调制信号；
逻辑和驱动单元34，还分别与第一MOS管M1的栅极和第二MOS管M2的栅极连接，用于根据接收到的脉冲频率调制信号，驱动第一MOS管M1和第二MOS管M2的导通状态，进而来控制开关管2的占空比；
电流源35的一端与控制器的供电引脚VCC连接(即与控制器3的VCC引脚用于为控制器3供电)且另一端与第一MOS管M1的源极连接(电流源35用于为开关管2提供基极电流)，第一MOS管M1的漏极分别与第二MOS管M2的漏极和开关管2连接，第二MOS管M2的源极接地。
在本实施例中，使用多级达林顿管(即由多级NPN三极管构成的达林顿管)作为开关管2时，在基本不增大开关管2面积和成本的前提下，可以极大地降低了开关管2的基极驱动电流Ibase，从而降低控制器3的VCC(即供电电压)功耗，减少芯片温升，大幅度提高芯片的驱动功率上限；并可相应减小VCC电容，节省系统成本。
具体地，参见图1，该开关管2可以为二级达林顿管，包括：第一级NPN三极管21和第二级NPN三极管22，第一级NPN三极管21的集电极与变压器1的输入绕组NP连接，其基极与第一MOS管M1的漏极连接，其发射极与第二级NPN三极管22的基极连接，第二级NPN三极管22的集电极与变压器1的输入绕组NP连接；
控制器3还可以包括：第三MOS管M3，第三MOS管M3的栅极与第二MOS管M2的栅极连接，其漏极与第二级NPN三极管22的基极连接，其源极接地。
在本实施例中，控制器3中增加了一个下拉管即第三MOS管M3，在开关管2导通期间，电流源35提供的电流Ibase通过第一MOS管M1流进第一级NPN三极管21的基极，经过第一级NPN三极管21放大之后，第二级NPN三极管22的基极电流将为：
Ibase,QB＝β*Ibase
而在关闭开关管2的期间，第三MOS管M3对达林顿管的最后一级NPN三极管(即第二级NPN三极管22)的基极进行关断，以确保第二级NPN三极管22可以快速关断，从而减小关断过程的开关损耗。
具体地，参见图1，该开关电源还可以包括：电流检测电阻Rcs，电流检测电阻Rcs的一端与开关管2连接，且其另一端接地；
控制器3还包括：第二比较器36，第二比较器36的正相输入端分别与电流检测电阻Rcs和开关管2连接，其负相输入端接入预设的第二参考电压VREF，其输出端与逻辑和驱动单元34连接。
在本实施例中，控制器3通过采集电流检测电阻Rcs检测到的电流，来控制开关管2的导通或关闭，进一步保障开关电源供电的稳定性。
具体地，控制器3还包括：低电压锁定单元37，与与控制器3的供电引脚VCC连接，用于在控制器3的工作电压低于预设电压时保护控制器3。
下面结合实际的检测数据，来说明一下采用了多级达林顿管来作为开关管，与现有技术中采用单个NPN三极管来作为开关管时，开关电源的实际情况比较：
参见图2，为单级NPN三极管(型号为HW170)和多级达林顿管(型号为072+170)的典型I-V曲线对比，从图3中可以看出，相对于单级NPN三极管(HW170)，多级达林顿管(072+170)可以用更小的Ibase(电流源35为开关管2提供的基极电流)达到相似的Ice。以常用的适配器/充电器为例，5V-2.4A方案需要的Ice约为0.75A，对于单级NPN三极管(HW170)，其基极电流Ib需要达到60～70mA才能达到要求；而多级达林顿管(072+170)只需为其提供3.5mA的基极电流，这将极大地降低芯片的功耗。假设VCC＝10V(VCC为控制器3的工作电压)，则由于Ibase引起的VCC功率损耗为：
PVCC,new＝1/2*VCC*Ibase＝0.018W
相应地，其温升仅仅为Trise＝Pvcc*150＝2.7℃，相比于现有技术，芯片损耗和温升大幅度降低了。
图3和图4提供了单级NPN三极管(HW170)和多级达林顿管(072+170)的效率曲线对比结果，在90Vac条件下，多级达林顿管方案在2.4A负载时效率比单级NPN三极管高1.4％；264Vac条件下，多级达林顿管方案在2.4A负载时效率比单级NPN三极管高1.2％。
本发明实施例提供的开关电源，通过使用多级达林顿管作为开关管，可以在基本不增大开关管面积和成本的前提下，极大地降低开关管的基极驱动电流，从而降低控制器的供电功耗，减少芯片温升，大幅度提高控制器的驱动功率上限；并可相应减小供电电容，节省系统成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有多级达林顿管的开关电源，其特征在于，包括：变压器(1)、开关管(2)、控制器(3)、分压电路(4)，
所述变压器(1)的输入绕组(NP)的一端通过整流桥与交流电源连接，其另一端与开关管(2)连接，所述变压器(1)的输出绕组(NS)两端经过整流二极管与负载连接，所述变压器(1)的辅助绕组(NA)的一端与分压电路(4)连接，且另一端接地；
所述开关管(2)为至少两级NPN三极管构成的达林顿管；
所述控制器(3)包括：采样单元(31)、第一比较器(32)、脉冲频率调制单元(33)、逻辑和驱动单元(34)、第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、电流源(35)，
采样单元(31)，与分压电路(4)连接，用于通过辅助绕组(NA)来采集变压器(1)的输出电压信息；
第一比较器(32)，其负相输入端与采样单元(31)连接，其正相输入端接入预设的第一参考电压，其输出端与脉冲频率调制单元(33)连接，用于将采集到的输出电压信息与第一参考电压进行比较，并将比较结果发送至脉冲频率调制单元(33)；
脉冲频率调制单元(33)，还与逻辑和驱动单元(34)连接，用于根据接收到的比较结果向逻辑和驱动单元(34)发送相应的脉冲频率调制信号；
逻辑和驱动单元(34)，还分别与第一MOS管(M1)的栅极和第二MOS管(M2)的栅极连接，用于根据接收到的脉冲频率调制信号，驱动第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的导通状态；
电流源(35)的一端与控制器(3)的供电引脚(VCC)连接且另一端与第一MOS管(M1)的源极连接，第一MOS管(M1)的漏极分别与第二MOS管(M2)的漏极和开关管(2)连接，第二MOS管(M2)的源极接地。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关管(2)包括：第一级NPN三极管(21)和第二级NPN三极管(22)，第一级NPN三极管(21)的集电极与变压器(1)的输入绕组(NP)连接，其基极与第一MOS管(M1)的漏极连接，其发射极与第二级NPN三极管(22)的基极连接，第二级NPN三极管(22)的集电极与变压器(1)的输入绕组(NP)连接；
所述控制器(3)还包括：第三MOS管(M3)，所述第三MOS管(M3)的栅极与第二MOS管(M2)的栅极连接，其漏极与第二级NPN三极管(22)的基极连接，其源极接地。
3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，还包括：电流检测电阻(Rcs)，所述电流检测电阻(Rcs)的一端与所述开关管(2)连接，且其另一端接地；
所述控制器(3)还包括：第二比较器(36)，所述第二比较器(36)的正相输入端分别与电流检测电阻(Rcs)和开关管(2)连接，其负相输入端接入预设的第二参考电压，其输出端与逻辑和驱动单元(34)连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的开关电源，其特征在于，所述分压电路(4)包括：第一电阻(Rfb1)和第二电阻(Rfb2)，第一电阻(Rfb1)的一端与变压器(1)的辅助绕组(NA)的一端连接，其另一端分别与采样单元(31)和第二电阻(Rfb2)的一端连接，第二电阻(Rfb2)的另一端接地。
5.根据权利要求1-3任一项所述的开关电源，其特征在于，所述控制器(3)还包括：低电压锁定单元(37)，与与控制器(3)的供电引脚(VCC)连接，用于在控制器(3)的工作电压低于预设电压时保护控制器(3)。
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