CN1178039A - 具有同步预变换器的开关式电源 - Google Patents

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Abstract

电源(100)包括:整流器(10);与整流器(10)连接的功率预变换器(20);与功率预变换器(20)连接的开关式电源电路(30)以及使功率预变换器(20)与开关式电源电路(30)同步工作的相位控制电路(21、22)。一个储能装置(C1)可接至功率预变换器(20)和开关式电源电路(30)。一个预变换器开关(Q2)在开关式电源电路(30)中的功率开关(Q1)导通的每个时间间隔内导通,以便例如对储能装置(C1)充电。预变换器开关(Q2)仅在每个时间间隔开始之后才开始导通,并总是在每个时间间隔结束之前停止导通。在预变换器开关(Q2)停止导通之后的部分时间间隔内,电流可以不必例如对储能装置(C1)充电,而直接从功率预变换器(20)流到开关式电源电路(30)。

Description

具有同步预变换器的开关式电源
                        发明背景
本发明涉及开关式电源领域，具体来说，与采用预变换器电路以实现功率因数修正的开关式电源有关。
脱机开关式电源可由一个整流器电路与一个DC-DC变换器电路级联组成。整流器电路本身由整流器部分和滤波器部分组成。整流器部分使用半导体功率整流器，把供电电压变换成脉动的直流电压。然后由滤波器部分的电容将这个直流电压滤波，得到纹波电压相当小的直流电压。
在滤波器部分采用电容的一个后果是由此得到的输入电流波形由相应于供电电压峰值的电流脉冲组成。这是由于在供电电压大于滤波器电容上的电压之前，整流器二极管不导通。因此电源仅在供电电压的峰值才吸收功率，这使得电源输入端的功率因数变差。
改善电源输入端功率因数的一个方法是在整流器部分和滤波部分之间放置一小增压型DC-DC预变换器。该预变换器通过使输入整流器导通更快来实现功率因数修正，并规定输入电流为正弦波并与供电电压同相。具有增压型DC-DC预变换器的开关式电源的一个现有技术示于图8。供电电压经整流后加到预变换器。在预变换器中，功率因数控制器，例如西门子TDA 4815，控制预变换器开关Q2。在预变换器开关Q2“接通”期间，能量被储存在电感器L1中，在预变换器开关Q2“断开”期间，这个能量通过经由二极管D1的充电电流i充电，传送到储能电容器C1，并且在开关式电源的输入端最终提供输入电流i1。
现有技术存在的一个问题是，预变换器开关Q2与开关式电源的功率开关Q1切换不同步，这不同步切换就使通过二极管D1的充电电流i充电与至开关式电源的输入电流i1之间形成随机相位关系。
                    发明摘要
借助预变换器开关Q2和功率开关Q1同步转换，使充电电流i充电与输入电流i1之间建立最佳的相位关系，能减小通过储能电容器C1的总有效值电流，由于若干原因这是所希望的。同步预变器的使用放宽了储能电容器C1的指标，因而允许使用标准的低成本元件。给定的储能电容器C1的工作年限可以延长，或者可使用更低成本的电容器代替。储能电容器C1的标称电压也可以降低。供电电流i供电的谐波分量可以从现有水平进一步减小。开关式电源输出端的纹波电压可以减小。最后，当与电视机中的回扫拓扑(flyback-topology)开关式电源一起使用时，当电视机工作在“等待”方式时，同步预变换器转换为“断开”。
概括地说，按在此讲授的本发明的装置使流过电源滤液器部分的总有效值电流减小。开关式电源电路的工作是与预变换器电路的工作同步，因而在开关式电源电流吸收输入电流的每个时间间隔的部分时间内，输入电流直接从预变换器电路流向开关式电源电路。
因此，按在此讲授的本发明装置的电源包括：整流装置；与整流装置连接的功率预变换装置；与功率预变换装置连接的开关式电源电路；和使功率预变换装置与开关式电源电路同步工作的设备。
按在此讲授的本发明装置的电源还包括：整流装置；与整流装置连接的功率预变换装置；与功率预变换装置连接的储能装置；与功率预变换装置和储能装置连接的开关式电源电路；以及，使功率预变换装置与开关式电源电路同步工作的设备。
按在此讲授的另一个发明电路的电源包括：整流装置；与整流装置连接的功率预变换装置；与功率预变换装置连接的储能装置；与功率预变换装置和储能装置连接的开关式电源电路；以及，在开关式电源电路吸收输入电流的每个时间间隔的部分时间内直接从功率预变换装置向开关式电源电路供给电流的设备。
开关式电源电路和功率预变换装置分别由第一个开关装置和第二个开关装置组成。功率预变换装置中的控制电路把斜升信号的幅度与下限和上限参考电压相比较，此斜升信号是开关式电源电路工作的关键。每当斜升信号处于下限参考电压与上限参考电压之间时，可使功率预变换装置中的第二个开关装置导通。功率预变换装置中的第二个开关装置可以在开关式电源电路中的第一个开关装置导通的每个时间间隔内导通，但仅在每个时间间隔开始之后才开始导通，并总是在每个时间间隔结束之前停止导通。在第二个开关装置已停止导通之后的部分时间间隔中，电流可以直接从功率预变换装置流到开关式电源电路。
从附图及以下说明，本发明的上述及其它特性和优点将变得更为明显。图中的参考数字标明相同的部件。
                  附图简要说明
图1是具有本发明电路的开关式电源的原理方块图。
图2是在具有本发明电路的开关式电源中使用的控制电路方块图。
图3是在具有本发明电路的开关式电源中使用的相位偏置电路方块图。
图4示出涉及具有本发明电路的开关式电源的具体电压和电流波形。
图5是具有本发明电路的开关式电源之优选实施例的原理图。
图6是具有本发明电路的开关式电源之优选实施例的供电电流图。
图7是具有本发明电路的开关式电源之优选实施例的供电电流的谐波含量图。
图8是开关式电源现有技术的原理方块图。
                优选实施例的详细说明
提供充电电流i充电与输入电流i1之间最佳相位关系的电源100示于图1、2和图3。电源100的电压和电流波形示于图4。
电源100包括一个开关式电源电路30，它经由一个预变换器20连接到全波整流器10上以便用于电视机中。开关式电源电路30的控制器IC31提供一个驱动信号V1，示于图4(a)，使功率开关Q1 “接通”和“断开”。功率开关Q1的“接通”时间由连接到开关式电源电路30输出端的负载决定。相位偏置电路22使用驱动信号V1使预变换器20的预变换器开关Q2与开关式电源电路30的功率开关Q1同步转换。通过预变换器开关Q2与功率开关Q1如此同步地转换，预变换器电路20加到储能电容C1的充电电流i充电随接至开关式电源电路30输出端的负载而被调制。
功率开关Q1的驱动信号V1决定斜升信号Vramp的周期。斜升信号Vramp示于图4(b)，它由斜升发生器25产生。而储能电容C1上的电压VC1决定斜升信号Vramp的斜率。斜升信号Vramp在窗口比较器电路23中与两个参考电压比较，一个是上限参考电压Vref2，一个是下限参考电压Vref1，两者在图4(b)均已示出。当斜升信号Vramp分别在上限参考电压Vref2和下限参考电压Vref1之间时，如图4(c)所示，预变换器开关Q2的驱动信号V2为“高”，因而预变换器开关Q2变为“接通”。
上限参考电压Vref2因二极管(未画出)的正向压降而小于斜升电压Vramp，从而实现预变换器开关Q2与功率开关Q1之间的相位偏置，也就是说，预变换器开关Q2在功率开关Q1“断开”前先“断开”。当功率开关Q1“接通”而预变换器开关Q2仍“断开”时，一部分充电电流i充电经由预变换器20的电感L1和二极管D1直接注入变压器T1，而不储存在储能电容C1中，这部分充电电流在图4(e)和4(f)中用阴影区域表示。
上限参考电压Vref2和下限参考电压Vref1随线路和负载的状态而被调制，如图4(b)中所示。为了使不储存在储能电容C1而直接流入变压器T1的那部分充电电流i充电最大，上限参考电压Vref2被调制使得正比于斜升电压Vramp的峰值，以使上限参考电压Vref2因二极管(未画出)的正向压降而小于斜升电压Vramp。这样，斜升信号Vramp的斜率被储能电容器电压VC1调制，因而当储能电容器电压VC1增加时，预变换器开关Q2更快地“断开”，而当储能电容器电压VC1减小时，处于“接通”的时间更长。因此，由于预变换器开关Q2的“接通”时间随线路和负载状态改变而变化，所以图4(g)中所示的储能电容器电流iC1的有效值被减小，功率因数和储能电容器电压VC1变得更与负载无关。
下限参考电压Vref1被调制使得正比于所整流的供电电压Vrec，以使预变换器开关Q2“接通”的时间随所整流的供电电压Vrec的增加而减小。这是通过从所整流的供电电压Vrec导出下限参考电压Vref1来延迟预变换器开关Q2“接通”的时间来进行，同时可以对在储能电容器电压VC1与所希望的功率因数之间折衷。
如果因为电路故障或因为电视机正工作在“等待”方式，致使储能电容器电压VC1增大到预定限度之上，那么过压保护电路24把下限参考电压Vref1拉到超过上限参考电压Vref2，因而使预变换器20“断开”。
在电视机中使用的与开关式电源电路30结合在一起的同步预变换器20的更详尽电路示于图5。开关式电源电路30包含一个脉冲宽度调制器U2，在图5中以西门子TDA 4605-2表示，该调制器连接至功率开关Q1和变压器T1，变压器T1由初级绕组和许多的次级绕组构成。变压器T1的初级绕组与功率开关Q1串接，变压器T1的许多的次级绕组的每个与二极管D3、D9、D10、D11、D12中的一个或与电阻R3串接。
脉冲宽度调制器U2提供功率开关驱动信号V1，经由电阻R2加至功率开关Q1的栅端。当功率开关驱动信号V1变“高”时，功率开关Q1“接通”，输入电流i1开始经由变压器T1的初级绕组和经由功率开关Q1流至一个参考电位。当输入电流i1经由变压器T1的初级绕组流动时，能量被储存在其中。
当功率开关驱动信号V1变“低”时，功率开关Q1“断开”因而经由变压器T1的初级绕组的输入电流i1的流动被切断。在功率开关Q1“接通”期间变压器T1初级绕组中建立的磁场现在消失了，因而初级绕组的极性颠倒了。在初级绕组中储存的所有能量现在传送到变压器T1的多个次级绕组。二极管D3、D9、D10、D11、D12中的每一个现在都变成正向偏置，次级绕组把能量经由二极管D3、D9、D10、D11、D12和经由电阻R3传送到它们相应的负载。
开关式电源电路30经由相位偏置电路22接至预变换器20，相位偏置电路包括比较器U1a，电阻R12、R13、R14，二极管D5和电容C8、C9。比较器U1a可以是集成电路U1中存在的许多比较器中的一个比较器，例如图5所示的国家标准半导体LM339。使用储能电容器电压VC1和功率开关驱动电压V1，相位偏置电路22决定斜升信号Vramp的形状，因而决定预变换器开关Q2与功率开关Q1之间的相位偏置。
当开关式电源电路30的功率开关驱动信号V1变“高”时，比较器U1a的输出变“高”，使储能电容器电压VC1经由电阻R14向电容C8充电，因而形成斜升信号Vramp的正斜率部分。二极管D5限制电容C8上的电压，也即限制斜升信号Vramp的峰值电压至+12伏。当比较器U1a的输出变“低”时，电容C8经由比较器U1a的开路集电极输出端放电。
相位偏置电路22还包括一个峰值检波电路26，该检波电路由二极管D6、电容C9和电阻R15组成。峰值检波电路26限制斜升信号Vramp，并产生上限参考电压Vref2。二极管D6的正向压降将上限参考电压Vref2的电平设置为比斜升信号Vramp的峰值低0.7伏。
窗口比较器电路23由比较器U1b、V1c、电阻R17、R18、R24、R25、R26和闸门放电晶体管Q3组成。由电阻R17、R18组成的分压器把所整流的供电电压Vrec分压，以提供下限参考电压Vref1加至比较器U1b的反相输入端。上限参考电压Vref2从峰值检波电路26接至比较器U1c的同相输出端。由相位偏置电路22提供的斜升信号Vramp同时加至比较器U1b的同相输入端和比较器U1c的反相输入端。比较器U1b、V1c的输出互相连接在一起。
如果斜升信号Vramp处于下限参考电压Vref1与上限参考电压Vref2之间，则窗口比较器输出电压V4被电阻R25拉“高”。电容C11抑制窗口比较器输出电压V4中的小尖峰信号。当窗口比较器输出电压V4为“高”时，闸门放电晶体管Q3“截止”，+12伏经电阻R26加至预变换器开关Q2的栅极端，因而使预变换器开关Q2“接通”。当斜升信号Vramp低于下限参考电压Vref1或高于上限参考电压Vref2时，窗口比较器输出电压V4变“低”，使闸门放电晶体管Q3“导通”，因此预变换器开关Q2的栅极端放电，然后“断开”。使用闸门放电晶体管Q3打开预变换器开关Q2可使预变换器开关Q2的断开时间加快。
过压保护电路24包括比较器U1d和电阻R19、R20、R21、R22、R23。由电阻R20、R21形成的分压器在比较器U1d反相输入端提供一个过压门限电压。储能电容器电压VC1被电阻R22、R23形成的分压器分压，分压得到的电压加至比较器U1d的同相输入端。如果储能电容器电压VC1超过在比较器U1d反相输入端上过压门限电压规定的过压限度，比较器U1d输出端变“高”，电阻R19经由二极管D8向上拉下限参考电压Vref1。窗口比较器输出电压V4则变“低”，因此使闸门放电晶体管Q3“导通”，预变换器开关Q2的栅极端放电，从而打开预变换器开关Q2，并“断开”预变换器20。

Claims (21)

1.电源(100)，包括：
整流装置(10)；以及，
开关式电源电路(30)；
其特征在于：
功率预变换装置(20)把所说的整流装置(10)接至所说的开关式电源电路(30)；以及，
装置(21、22)使所说的功率预变换装置(20)与所说的开关式电源电路(30)同步工作。
2.权利要求1的电源(100)，其特征在于所说的开关式电源电路(30)与所说的功率预变换装置(20)分别有第一个开关装置(Q1)和第二个开关装置(Q2)，所说的同步装置(21、22)控制在所说的功率预变换装置(20)中所说的第二个开关装置(Q2)相对于在所说的开关式电源电路(30)中所说的第一个开关装置(Q1)的相位关系。
3.权利要求1的电源(100)，其特征在于所说的功率预变换装置(20)在所说的开关式电源电路(30)吸取输入电流(i1)的每个时间间隔的部分时间内，直接给所说的开关式电源电路(30)供给一个电流。
4.权利要求1的电源(100)，其中所说的同步装置(21、22)其特征在于：
用于产生一个斜升信号(Vramp)的装置；以及，
用于产生其值低于所说的斜升信号(Vramp)的峰值幅度的上限参考电压(Vref2)的装置。
5.按权利要求4的电源(100)，其中所说的同步装置(21、22)其特征还在于：
用于产生一个下限参考电压(Vref1)的装置；以及，
其输入端接至所说的下限参考电压(Vref1)和上限参考电压(Vref2)的一个比较器电路。
6.  按权利要求5的电源(100)，其特征在于产生所说的下限参考电压(Vref1)的所说的装置被接至所说的整流装置(10)。
7.按权利要求6的电源(100)，其特征在于所说的比较器电路能使预变换器开关(Q2)在所说的斜升信号(Vramp)处于所说的下限参考电压(Vref1)与上限参考电压(Vref2)之间时导通。
8.电源(100)，包括：
整流装置(10)，以及，
开关式电源电路(30)；
其特征在于：
功率预变换装置(20)把所说的整流装置(10)接至所说的开关式电源电路(30)；
储能装置(C1)接至所说的功率预变换装置(20)；以及，
装置(21、22)使所说的功率预变换装置(20)与所说的开关式电源电路(30)同步工作。
9.权利要求8的电源(100)，其特征在于从所说的功率预变换装置(20)加至所说的储能装置(C1)的充电电流(i充电)对接至所说的开关式电源电路(30)输出端的负载起反应。
10.权利要求8的电源(100)，其特征在于所说的开关式电源电路(30)和所说的功率预变换装置(20)分别有第一个开关装置(Q1)和第二个开关装置(Q2)，所说的同步装置(21、22)控制在所说的功率预变换装置(20)中的所说的第二个开关装置(Q2)相对于在所说的开关式电源电路(30)中的所说的第一个开关装置(Q1)的相位关系。
11.权利要求10的电源(100)，其特征在于在所说的功率预变换装置(20)中的所说的第二个开关装置(Q2)在所说的开关式电源电路(30)中的所说的第一个开关装置(Q1)导通的每个时间间隔内导通。
12.权利要求11的电源(100)，其特征在于在所说的功率预变换装置(20)中的所说的第二个开关装置(Q2)导通的时间比所说的时间间隔短。
13.权利要求12的电源(100)，其特征在于在所说的功率预变换装置(20)中的所说的第二个开关装置(Q2)，仅在所说的时间间隔开始之后才开始导通，并总是在所说的时间间隔结束之前停止导通。
14.按权利要求8的电源(100)，其中所说的同步装置(21、22)，其特征在于：
用于产生一个斜升信号(Vramp)的装置；
用于产生其值低于所说的斜升信号(Vramp)的峰值幅度的上限参考电压(Vref2)的装置。
15.按权利要求14的电源(100)，其中所说的同步装置(21、22)，其特征还在于：
用于产生一个下限参考电压(Vref1)的装置；以及，
其输入端接至所说的下限参考电压(Vref1)和上限参考电压(Vref2)的一个比较器电路。
16.按权利要求15的电源(100)，其特征在于为产生所说的下限参考电压(Vref1)的所说的装置被接至所说的整流装置(10)。
17.按权利要求16的电源(100)，其特征在于所说的比较器电路使预变换器开关(Q2)在所说的斜升信号(Vramp)处于所说的下限参考电压(Vref1)与上限参考电压(Vref2)之间时导通。
18.电源(100)，包括：
整流装置(10)；以及，
开关式电源电路(30)；
其特征在于：
功率预变换装置(20)把所说的整流装置(10)接至所说的开关式电源电路(30)；
储能装置(C1)接至所说的功率预变换装置(20)；以及，
在所说的开关式电源电路(30)吸取输入电流(i1)的每个时间间隔的部分时间内，从所说的功率预变换装置(20)直接对所说的开关式电源电路(30)供给电流的装置。
19.权利要求18的电源(100)，其特征在于所说的开关式电源电路(30)和所说的功率预变换装置(20)分别有第一个开关装置(Q1)和第二个开关装置(Q2)。
20.权利要求19的电源(100)，其特征在于在所说的功率预变换装置(20)中的所说的第二个开关装置(Q2)，仅在所说的时间间隔开始之后才开始导通，并总是在所说的时间间隔结束之前停止导通。
21.权利要求20的电源(100)，其特征在于所说时间间隔的所说的部分时间包括在所说的功率预变换装置(20)中的所说的第二个开关装置(Q2)停止导通之后所说的时间间隔的剩余部分。
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