CN1135681C - 电流谐振型开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电源，其通过交替地接通第一和第二MOS晶体管，使谐振电流流到变压器的原边绕组，并使交变电流传递给副边侧。对于副边侧上所产生的交变信号，可提供栅电压，使得第三MOS晶体管和第四MOS晶体管分别导通，同时交变信号的极性为正。整流电流将流到电容处，并进行全波整流操作。由于用于同步控制的控制信号由信号源通过变压器而提供，以便控制第一和第二开关元件，开关定时通过简单电路而使其与同步整流器件的通/断定时精确地一致。由此改善电流谐振型开关电源的效率。

Description

电流谐振型开关电源
本发明涉及一种开关电源电路，特别是，涉及一种开关电源，其在将电流谐振型开关电源中副边上所获得的输出电压用作同步整流方法时是有用的。
近来，与全球范围内的节能有关，需要高效低噪声的各种开关电源。
特别是，对于用于例如计算机、通信设备等的电源来说，就需要直流-直流变换器，其即使在低压输出时也可保持高效和低噪声。
然而，通常，如果输出低压的话，在相同耗电的情况下，输出电流将为大电流。在直流-直流变换器的情况下，由于在副边上整流二极管的电阻损耗将表示大的电源损耗。
因此，可以考虑通过使用电流谐振开关电源，其具有高效和相对低的噪声，以及由副边上低导通电阻，如MOS晶体管，而输出的整流器件，使DC输出电压可通过同步整流方法进行整流而获得。
图4表示使用该组合的开关电源电路的一实例。标号Q1和Q2分别表示开关元件，其包括串联连接的MOSFET。标号T表示隔离变压器，其用于将原边上的开关电源传递到副边上。
IC表示信号源，用以交替地在预定开关周期下接通/断开开关元件Q1和Q2，通常其可以如此构成，使得其能够改变开关元件的开关频率，同时通过电压检测装置(未示出)可将输出电压V0与基准电压进行比较，以便控制使得可将输出电压V0设置为恒定电压。
开关元件Q1和Q2的输出可提供给隔离变压器T的原边绕组L1和谐振电容器C1。如果开关元件Q1和Q2交替地接通/断开的话，变压器的原边绕组L1将由电流进行驱动，用以使谐振电容器C1充电/放电，以便与变压器T的漏电感相谐振。如图5所示，提供给原边绕组L1的电压V1将作为V2感应于副边绕组L2。在标称直流-直流变换器情况下，通过一对二极管进行整流，可实现全波整流。
然而，如果输出电压较低的话，整流二极管的损耗将明显地变大。因此，如图4所示，通过使用N沟道MOS晶体管Q3和Q4代替整流二极管，可以通过同步方法实现全波整流。由此构成一电路，其直流电压V0可通过滤波电容C0而输出。
在图4所示电路情况下，滤波电容C0可在低电阻下通过MOS晶体管Q3和Q4由全波整流电压进行充电。
“D”表示寄生二极管，其是由MOS晶体管Q3和MOS晶体管Q4制成。
在接通时，可设置电流谐振型开关电源，以便执行零电流开关，其中开关元件为半桥连接。由于设置电源使其在断开电源时谐振于电流，所以电源的特征在于，噪声实际上是小的，并且在副边上的输出电压V0通过改变开关频率而有较大变化。然而，为了保证宽的调整范围，在整个周期过程中，还会存在这样的情况，即电源具有整流电流连续形式，用以使电流传递到副边侧上，以及副边侧整流不连续形式，用以使电流不会提供到副边侧上。
然而，通常要检测隔离变压器的输出电压或电流，并且要建立逻辑电路，以便控制MOS晶体管Q3和Q4。例如，可提供控制电路，使得可检测在图4输出电路中“a”点和“b”点的电压，产生适当的接通/断开控制信号，并且使MOS晶体管Q3和Q4导通。
然而，如果提供该电路的话，将会产生下列问题。各部件的数量会增加。如图5所示，当整流器件接通/断开同时检测输出点的电压V2时，即实际检测的时间点C，电压会由隔离变压器的输出电压V2的产生时间点延迟。由于整流器件由时间点C进入导通状态，并且电流Id流动，使整流电流id将延迟控制，并且整流操作的效率较低。
控制电压检测延迟造成定时，使整流器件Q3和Q4二者断开，从而导致整流电流导通角变窄，相对于此，功率传送率会随着功率系数的减小而降低。
为了解决上述问题，按照本发明提供一种电流谐振型开关电源。
电流谐振型开关电源，其具有驱动电路，用以使开关元件交替地接通/断开，其各开关元件与DC电压半桥连接，其中交流电压可由开关元件的结点通过谐振电容器而提供给隔离变压器的原边侧，并且可使预定交流电压能够通过隔离变压器的副边绕组而获得。开关电源如此构成，使得一对整流器件可配备在副边线圈的输出侧上，其受到定时控制，以便于交替地接通，并且整流器件对的通/断控制信号可通过信号源而接通/断开开关元件。
由于整流器件的接通/断开控制是联动地进行开关元件的通/断控制的，例如，在接通一个开关元件的时候，一个整流器件必定导通，并且开关输出电压的持续时间和整流器件将会完全响应。
该控制电压可以很容易地通过驱动开关元件的信号源而输出，使得电路可以减小尺寸而不会增加部件的数量。
附图的简要描述。
图1是一电路图，其用以表示用于本发明电流谐振型开关电源的电源电路
实施例；
图2是一电路图，其用以表示在图1扼流输入方法情况下的实施例；
图3是一电路图，其表示本发明的另一实施例；
图4是一电路示意图，其表示在将同步整流方法用于电流谐振型开关电源时的电路；和
图5是在同步整流过程中出现控制电压的示意波形图。
优选实施例的详细说明。
图1表示按照本发明实施例的电流谐振型开关电源电路。如图4中所示，标号E表示供电电源，Q1和Q2表示开关元件，其形成半桥连接的开关电路。这些元件均由MOSFET晶体管构成。
输出端通过隔离变压器T的原边绕组L1和谐振电容器C1而连接于供电电源E的连接端上。
为了通过同步整流型的MOS晶体管Q3和Q4由隔离变压器T的副边绕组L2所感应的感应电压为滤波电容C0充电，而构成全波整流电路。
在开关电源情况下，可构成用以驱动MOS晶体管Q3和Q4的通/端控制信号，使得其可通过驱动变压器Ta和Tb由驱动开关元件Q1和Q2的信号源分别提供给MOS晶体管Q3和Q4栅极，包括整流器件。
与副边绕组的输出电压极性相一致，例如，导通的整流器件，其副边绕组的输出电压为正。
下面将简单地描述开关电源的操作。例如，当提供供电电源E时，驱动MOS晶体管，使得MOS晶体管Q1导通，而MOS晶体管Q2断开。此时，谐振电容器C1通过MOS晶体管Q1和变压器的原边绕组L1由电源E充电。
接着，与原边侧上的谐振周期相一致，驱动各MOS晶体管，使得MOS晶体管Q1断开，而MOS晶体管Q2导通。由此，使谐振电容器C1的谐振电流流到变压器T的原边绕组L1上，并且交流电源将传递到副边侧上。
关于在副边侧L2中所产生的交变电压，例如，与开关元件Q1和Q2的通/断时间一致地，可施加栅电压，使得MOS晶体管Q3和Q4分别导通一定的时间周期，其中其极性均为正。使整流电流id3和id4流到电容C0，由此进行全波整流。
在本发明实施例中，如上所述，隔离变压器T的输出极性与开关元件Q1和Q2的通/断时间一致地变化。因此，如图5所示，不会产生在输出电压与整流器件中流动的电流之间的相位延迟(t)。整流电流的导通角变宽，使得可有效地提供DC电压。
由于导通角不窄，使得功率因数保持较小。开关电源的效率也将增加，同时可有效地抑制噪声。
“IC”是IC电路，其用于在驱动开关元件Q1和Q2时的控制。IC电路通常可控制开关频率，以便使输出电压V0维持在一恒定电压下，并且可检测开关电源温度的异常增加，使得其具有保护功能，用以停止开关操作。
电阻r1和r2具有这样的功能，其可通过栅极电容的适当时间常数而设置导通时间。
按照本发明，整流器件的通/断控制可与开关元件的通/断控制同步地进行，使得整流电流的流动开始和输出电压的起始点相互完全一致。这改进了整流输出的效率。
当改变开关元件Q1和Q2的开关周期时，可进行同步整流，同时跟踪变化，从而不会产生相位延迟。因此，电压的调整得到改进。由于使用了信号源驱动脉冲用以开关转换，所以同步整流型的开关电源可通过少量的部件而构成。
整流器件不限于MOS晶体管，只要整流器件为有源元件，其能够实现另一电阻，就可使用该元件。
如图2实施例所示，对于整流电流来说，在通过电感Lc以整流电流为滤波电容充电的扼流输入方法下，可以消除在将模拟型开关元件用作整流器件时易于产生的随开关转换以相反方向流动的电流。
也就是说，当模式为间断整流模式时，在滤波电容的电压高于输出电压V2情况下产生的反向电流可通过电感的反电动势而阻止。这样可减少开关时产生的热量。
图3表示本发明的另一实施例。通过整流器件的通/断控制信号，可将来自信号源(IC)的驱动脉冲通过由发光二极管、光检测晶体管等组成的光电转换元件Pa和Pb以及适当的电压放大器(未示出)提供给整流器件的栅电极。
在这种情况下，用于驱动整流器件的控制信号可在原边侧与副边侧绝缘而不通过变压器传递的情况下提供。
如上所述，在按照本发明的电流谐振型开关电源中，特别是，在同步整流型的整流器件适用于半桥型电流谐振型开关电源时，可将开关电源的驱动信号提供给同步整流器件。因此，整流操作可有效地进行而不需要特定电路。
特别是，用于开关的非延迟整流控制电压使整流电压的循环角足够大，以便改善开关电源的功率因数。

Claims (4)

1、一种电流谐振型开关电源，其具有驱动电路，用以交替地接通/断开开关元件(Q1，Q2)，其与DC电压半桥地连接，其中可由所述开关元件(Q1，Q2)的节点将交变电压通过谐振电容器(C1)而施加于隔离变压器(T)的初级侧(L1)上，由此可通过所述隔离变压器(T)的次级绕组(L2)而获得预定交变电压，其中：
配备在所述次级绕组(L2)的输出侧的可定时地控制的一对整流器件(Q3，Q4)，以便交替地接通，和
所述整流器件对(Q3，Q4)的通/断控制信号由信号源提供，用以接通/断开所述开关元件(Q1，Q2)，
其特征在于，将所述通/断控制信号经光电转换元件(Pa，Pb)和电阻器(r1，r2)供给整流器件(Q3，Q4)中的一个栅电极，所述电阻器通过栅极电容的适当时间常数而设置导通时间。
2、按照权利要求1的电流谐振型开关电源，其中所述开关元件(Q1，Q2)和所述整流元件(Q3，Q4)包含晶体管。
3、按照权利要求1或2的电流谐振型开关电源，其中滤波电容器(Co)可通过扼流线圈(Lc)由整流电流充电，以便使所述整流器件(Q3，Q4)导通。
4、按照权利要求1的电流谐振型开关电源，其中所述通/断控制信号可通过由所述信号源耦合的变压器而提供。
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Granted publication date: 20040121