CN1179476C - 用于控制一个开关电源中的一个开关的开关电源和方法 - Google Patents

用于控制一个开关电源中的一个开关的开关电源和方法 Download PDF

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Abstract

具有一个开关的开关电源，这个开关在测量一个控制信号后，将电源电压施加到一个变压器的一个初级线圈，这个开关电源还具有一个脉冲宽度调制器，为了准备控制信号，一个依赖于输出电压的第一个调节信号和一个依赖于通过初级线圈的电流的第一个电流信号输出到这个脉冲宽度调制器，第二个调节信号输出到脉冲宽度调制器，这个信号依赖于通过初级线圈的电流变化。和控制一个开关电源中开关的方法。

Description

用于控制一个开关电源中 的一个开关的开关电源和方法
技术领域
本发明涉及一种开关电源，这种开关电源具有一个开关，在测量一个控制信号后，这个开关将一个电源电压施加到一个变压器的初级线圈上；这种开关电源具有脉冲宽度调制器，为了准备控制信号，依赖于输出电压的第一个控制信号和一个依赖于通过初级线圈的电流信号输出到这个脉冲宽度调制器。
背景技术
这种方式的开关电源用于向一个在次级侧连接到开关电源的输出端子上的负载提供直流电源。这个在输出侧的直流电源将不依赖于负载继续保持恒定。为了产生输出电压，在开关接通时，初级线圈通过电源接收能量，并且在开关断开后，这些能量通过变压器的次级线圈和一个整流装置输出到负载。在固定频率的开关电源中，在周期性的时间间隔内，测量控制信号后，闭合开关，其中，各个控制脉冲的持续时间的变化依赖于输出电压，并且随着输出电压下降或者负载上升时延长。在特别用于监视器和电视机种的开关电源中，为了在脉冲宽度调制器中产生控制脉冲，使用一个所谓的“电流模式调节”。这时，开关长时间保持闭合，直到在接通后，通过初级线圈的上升的电流或者依赖于这个电流的电流信号达到调节信号的电平。
如果在开关间隔期间，变压器没有向负载输出能量，那么在输出侧短路时会出现问题。在开关下一次接通时，电流几乎立刻上升到一个值，当这个值时，开关断开。因此在理想功能的开关电源中时，接通时间将很短。实际中，通过在脉冲宽度调制器中的信号处理确定从达到电路信号的断开值到开关断开的信号持续时间。在达到开关的开关门限和开关实际接通之间，初级电流继续升高。如果在开关接通的时间内，变压器接收更多的能量，比在开关间隔内向次级侧输出的能量更多，初级线圈的磁场上升，因此初级电流总是继续升高，直到损坏组件。在已经公开的这种方式的开关电源中，为了避免损坏，提供第二个开关门限，当第一次超过时，由电流信号断开开关电源。在一段等待时间后或者在这个开关电源从网络分开后，再次接通这个开关电源。
发明内容
本发明的目的在于提供产生控制信号的第二个调节信号，这个信号依赖于通过初级线圈的电流进行变化。第二个调节信号象第一个调节信号一样给出一个断开门限，在达到这个断开门限后，电流信号在测量控制信号后将断开开关。用于断开的测量结果在此是一个调节信号，电流信号首先达到这个调节信号的值。为了产生长的控制脉冲和保持输出电压，在短路情况下，依赖于输出电压的第一个调节信号采用一个最大值，但是为了得到较短的接通时间，第二个调节信号在这种情况下可以依赖于通过初级线圈的电流变小。如下设计第二个调节信号，在开关电源按规定工作时(没有短路)，第二个调节信号采用一个恒定值，这个值位于第一个调节信号的这个值之上，因此它不影响接通时间。
根据本发明的具有一个开关的开关电源，这个开关按照一个控制信号将电源电压施加到一个变压器的一个初级线圈上，这个开关电源具有一个脉冲宽度调制器，为了准备控制信号，一个依赖于输出电压的第一个调节信号和一个依赖于通过初级线圈的电流的第一个电流信号输出到脉冲宽度调制器，其特征在于，第二个调节信号输出到脉冲宽度调制器，这个信号依赖于通过初级线圈的电流而变化，其中控制信号的控制脉冲的持续时间依赖于第二个调节信号是否超过第一个调节信号，依赖于电流信号和第一个调节信号的比较，或者依赖于电流信号和第二个调节信号的比较。
根据本发明的控制在一个开关电源中一个和初级线圈串联的开关的方法，其中该方法包括产生一个控制信号，这个控制信号用于按照一个依赖于一个输出电压的第一个调节信号和一个依赖于通过初级线圈的电流的电流信号对开关进行控制，其特征在于，继续按照第二个调节对信号产生控制信号，所述调节信号可根据通过初级线圈的电流进行调节，其中，控制信号的控制脉冲持续时间依赖于第二个调节信号是否超过第一个调节信号，依赖于电流信号和第一个调节信号的比较，或者依赖于电流信号和第二个调节信号的比较。
根据本发明的实施形式，提供一个具有一个输出段子的信号产生装置，在这个输出端子上，可以得到第二个调节信号，这个信号产生装置具有一个输入端子，一个依赖于通过初级线圈的电流的电流信号可以输出到这个端子上。这是电流信号优选的是这样一个电流信号，这个信号输出到产生控制信号的脉冲宽度调制器上。
优选的信号产生装置具有一个电流源和一个电容的串联电路，这个电容位于一个电源电压电位和参考电位之间，其中作为电压可以在电容上取得第二个调节信号。为了改变第二个调节信号，提供和电容并联的第二个开关，在测量依赖于通过初级线圈的电流或者电流信号的第二个调节信号后，可以控制这个这个开关，以便于给电容放电，并且减小第二个调节信号。
为了准备第二个调节信号，并且为了控制开关，优选提供一个比较装置，这个装置将电流信号和一个参考信号比较，如果电流信号超过参考信号，并且这个装置关闭开关，以便于向电容放电。优选的如下构成开关：如果第二个控制信号大并且可逆，可以依赖于第二个控制信号设置负载段的电阻，以便于能够快速向电容放电。
根据实施形式提供：作为运算(Transkonduktanz)放大器构成比较装置，作为双极晶体管构成开关，在输入端子上，电流信号和参考信号可以输出到比较器。在运算放大器的输出上，可以得到一个电流，这个电流随着信号差的增长而升高。这个电流输出到双极晶体管的基极，因此这个电流传输得越好，输入信号的差越大，以便于能够使电容较快的放电，因此通过第二个调节信号提供的开关门限，它能较快的降低。
本发明的另一个实施形式提供：使用场效应管作为开关，一个差分放大器作为比较装置。差分放大器将输入上的信号差转换为输出电压，使用这个输出电压控制这个场效应管，传导得越好，差分放大器的输出电压越大。
本发明的内容是另外一个方法，这个方法控制一个开关电源中的一个和一个初级线圈串联连接的开关。这个方法提供：在测量一个依赖于输出电压的第一个调节信号、一个依赖于一个通过初级线圈的电流的第一个调节信号和第二个调节信号，产生开关的调节信号。这时可以依赖于通过初级线圈的电流设置第二个调节信号。
这时特别提供：如果通过初级线圈的电流或者一个依赖于这个电流的电流信号超过一个参考值，仅改变第二个调节信号，特别减小第二个调节信号。第二个电流信号可以特别和第一个电流信号一致。当第一个电流达到第一个或者第二个调节信号的值时，那么根据本发明，在一个固定的预先给定的时间间隔内，开始用于开关的调节信号，并且结束这个调节信号。特别如下设计第二个调节信号：在开关电源正常工作时，为了不影响控制脉冲信号的产生，这个调节信号大于第一个调节信号。如果在输出侧存在着短路，那么在闭合开关后，通过初级线圈的电流很快增长，并且当第二个电流信号超过参考信号的值时，那么减小第二个参考信号。如果第二个调节信号小于第一个调节信号，那么第二个调节信号确定控制脉冲的持续时间，这个时间缩短，因为以前达到开关门限。优选地如下设计第二个调节信号：当第二个电流信号比参考信号小时，那么这个值继续上升。
附图说明
下面以实施例的形式，相据附图，详细说明根据本发明的优选设计。图中：
图1根据第一个实施形式的根据本发明的开关电源；
图2根据第二个实施形式的根据本发明的开关电源；
在图中，只要没有另外说明，相同的参考符号表示相同的元件，相同的功能单元使用相同的表示。
具体实施方式
图1说明一个根据本发明开关电源的第一个实施例。开关电源具有一个在实施例中使用场效应管构成的半导体开关T，它的负载段和一个变压器的一个初级线圈L1串联，为了能够在开关T闭合时，在初级线圈L1上设置在开关电源的输入端子EK上的电压V。变压器的次级线圈L2串接一个具有一个二极管D1和一个电容C1的整流装置。和电容C1并联的，在输出端子AK上可以连接一个负载RL，这个负载在实施例中示例性的作为一个欧姆电阻构成。在负载RL上，这时至少近似的独立于负载的输出电压Ua是可用的。
如果半导体T闭合，那么初级线圈L1通过电源电压V接收能量，在开关T断开后，这些能量通过次级线圈L2和整流装置D1、C1输出到负载RL。接收到的能量和输出电压Ua依赖于半导体开关T的开关频率和接通持续时间。在测量一个脉冲宽度调制器PWM可用的控制信号AS1后，实现控制开关，这个开关包括控制脉冲的一个时间序列，期间半导体开关T闭合。在说明的开关电源中，在固定的预先给定的时间间隔内，测量一个在脉冲宽度调制器中产生的振荡器节拍后，开始控制脉冲。控制脉冲的持续时间依赖于第一个控制信号RS1、一个电流信号Vs和第二个调节信号RS2，这个脉冲输出到脉冲宽度调制器PWM。
如果在测量振荡器节拍后，半导体开关T闭合，那么在开关电源按规定工作时，通过初级线圈L1的电流开始近似于线性增长。通过初级线圈L1的电流IL被一个和初级线圈L1串联的电流检测装置检测，这个检测装置例如是作为一个欧姆电阻Rs来构成。一个依赖于电流IL的电压Vs作为电流测量信号输出到脉冲宽度调制器PWM，这个脉冲宽度调制器PWM在电阻Rs的一个端子上和一个连接端子连接。如果电流信号Vs如下某种程度的增长：这个信号达到第一个或者第二个调节信号RS1、RS2连接，那么控制脉冲和半导体开关的接通时间结束。
第一个调节信号RS1依赖于输出电压Ua，并且输出电压越小，这个调节信号越大。在最简单的情况下，在一个没有详细说明的方法中，通过从参考电压减去输出电压Ua构成第一个调节信号RS1。如果由于负载RL增大或者电源电压V减小，输出电压Ua降低，那么第一个调节信号RS1增大。如果用于产生控制脉冲的第一个调节信号RS1，除了电流信号Vs，是标准的，那么控制脉冲的持续时间变长，因此初级线圈L1接收更多的能量，并且输出到次级侧，以便于能够维持输出电压Ua。
根据本发明，在脉冲宽度调制器PWM中，提供产生控制信号的第二个调节信号RS2，这个调节信号RS2在一个输出端子上，对于信号产生装置SG是可用的，并且输出到脉冲宽度调制器。一个依赖于通过初级线圈L1的电流IL的电流信号输出到信号生成器的一个输入端子EK1，这个信号在这个实施例中和输出到脉冲宽度调制器的电流信号Vs一致。
信号产生装置SG具有一个由电流源和一个电容C构成的串联电路，这个电容C位于一个电源电压电位Vdd和一个参考电位M之间，其中第二个调节信号RS2作为电压可以在电容C上获得，并且输出端子AK1和电容C和电流源Iq的一个公共节点连接。与电容C并联的是一个作为双极晶体管T1构成开关，在测量第二个控制信号AS2后，可以控制这个开关。控制信号AS2在比较器OPV1一个端子上是可用的，电流信号Vs和一个参考信号Vref输出到这个装置的输入端子上。在这个实施例中，作为运算放大器构成的比较器OPV1，其中一个由第二个调节信号RS2构成的输出电流依赖于电流信号Vs和参考信号Vref的差。电流信号Vs超过参考信号Vref越多，变压器T传导越好，以便于能够时电容放电，并且能够减小第二个调节信号RS2。
使用第二个调节信号RS2用于改善根据本发明的开关电源的短路行为，象下面说明的。
如果在输出侧存在着短路，那么第一个调节信号RS1采用一个最大值，这根据以前提到的长的控制脉冲导出。另一方面，在这种情况下，初级线圈L1几乎没有向次级线圈输出能量，在这种情况下唯一的负载是二极管D1。在重新接通开关T后，初级电流IL短时间再次采用值，其中开关以前是断开的。相应的，快速达到通过电流Vs的第一个调节信号RS1的开关门限，并且半导体开关T断开。由于无法避免的信号持续时间，初级电流IL升高到达到开关门限和断开半导体开关T之间。如果在接通半导体开关T期间，初级线圈接收更多的能量，比在开关间隔期间，输出的能量多，那么初级电流IL总是进一步上高并且导致损坏部件，如果在测量第一个调节信号RS1和电流信号后，实现断开。通过第二个调节信号RS2避免了这种现象。
第二个调节信号RS2最大采用一个值，这个值从电源电压电位Vdd和参考电位M之间的差中得到。在正常工作时，如果没有短路，那么第二个调节信号RS2升高到某个值，如下优选的选择这个值：这个值位于第一个调节信号RS1的最大值的上面，以便于在这种情况下不能影响控制半导体开关。如果当输出侧短路时，初级电流IL升高的很快，并且在半导体开关T闭合期间，电流信号Vs超过参考信号Vref的值，那么晶体管T1导通，以便于能够使电容放电并且因此减小第二个调节信号RS2。这时，晶体管T1保持长时间导通，直到半导体开关T断开，并且不再有初级电流IL流过。
由电流源Iq提供的电容充电电流和通过晶体管T1的放电电流，如下相互调整：第二个调节信号RS2降低到一个值，这个值在第一个调节信号RS1的下面。半导体开关T的断开时刻由电流信号Vs和第二个调节信号RS2提供，因为按照测量为了断开半导体开关T，或者控制脉冲的结束，是通过调节信号，电流信号Vs首先达到这个调节信号的值。因此半导体开关T的接通脉冲的持续时间缩短。
在半导体开关T断开后，没有初级电流IL流过，并且晶体管T再次断开，因此电容C通过电流源Iq被再次充电，并且再次上升到第二个调节信号RS2的值。如果在下一次接通时，电流信号Vs再次超过参考信号Vref的值，那么第二个控制信号RS2再次减小。使用这种方法，通过若干个周期，向电容放电，直到设置足够短的控制脉冲。根据本发明的开关电源，能够允许以上说明的短路，由负载突然下降。如果不再存在短路，或者在接通时间内，电流信号Vs不再超过参考信号Vref，那么第二个调节信号RS2再次上升到它的输出值，超过第一个调节信号的值，这个调节信号和电流信号Vs一起确定控制脉冲的结束。
在根据本发明的开关电源中，另外在由第二个调节信号RS2确定的接通电源单元时，接通脉冲的持续时间缓慢增长。在接通时，当还对电容C放电时，第二个调节信号RS2依赖于电容C的值和由电流源Iq提供的电流的值上升，并且确定，直到它超过第一个调节信号RS1，除了电流信号Vs，控制脉冲的持续时间。因此，在接通时，避免了高的初级电流IL，这可以通过以下得出：在启动开关电源时，同样不对整流装置的电容C充电，并且首先说明短路。
图2说明根据本发明开关电源的另外一个实施例，其中一个场效应管T2作为开关并联连接到电容C。为了控制场效应管T2，提供一个差分放大器OPV2，在输入端子上，电流信号和参考信号Vref输出到这个差分放大器。一个位于差分放大器OPV2的输出上的作为第二个控制信号AS2的电压越大，在电流信号Vs和参考信号Vref之间的差越大。通过场效应管T2，使用增长的第二个控制信号AS2对电容快速放电。
另外一个这里没作详细说明的实施形式提供：提供一个比较器作为比较装置。当电流信号超过参考信号时，那么因此总使用直流电流对电容放电。
根据本发明的开关电源能够根据本发明的方法控制半导体开关T，即在测量一个依赖于输出电压Ua的第一个调节信号RS1、一个电流信号Vs和第二个调节信号RS2后，这个调节信号可以依赖于电流信号Vs变化。为了改变电流信号，在说明的实施例中，电流信号Vs和一个参考信号Vref比较，并且如果电流信号Vs超过参考信号Vref，减小第二个调节信号RS2。
参考符号列表
AK    开关电源的输出端子
AK1   信号产生装置的输出端子
C，C1 电容
D1    二极管
EK    开关电源的输入端子
EK1   信号产生装置的输入端子
L1    初级线圈
L2    次级线圈
M     参考电位
PWM   脉冲宽度调制器
RL   负载
RS   电阻
RS1   第一个调节信号
RS2   第二个调节信号
SG    信号产生装置
T     半导体开关
T1    双极晶体管
T2    场效应管
V     电源电压
Vdd   电源电压电位
Vref  参考信号
Vs    电流信号

Claims (12)

1.具有一个开关(T)的开关电源，这个开关(T)按照一个控制信号(AS1)将电源电压(V)施加到一个变压器(L1，L2)的一个初级线圈(L1)上，这个开关电源具有一个脉冲宽度调制器(PWM)，为了准备控制信号(AS1)，一个依赖于输出电压(Ua)的第一个调节信号(RS1)和一个依赖于通过初级线圈的电流(IL)的第一个电流信号(VS)输出到脉冲宽度调制器，其特征在于，第二个调节信号输出到脉冲宽度调制器(PWM)，这个信号依赖于通过初级线圈(L1)的电流(IL)而变化，其中控制信号(AS1)的控制脉冲的持续时间依赖于第二个调节信号(RS2)是否超过第一个调节信号(RS1)，依赖于第一个电流信号(VS)和第一个调节信号(RS1)的比较，或者依赖于第一个电流信号(VS)和第二个调节信号(RS2)的比较。
2.根据权利要求1的开关电源，其特征在于，这个开关电源具有一个连接到脉冲宽度调制器(PWM)的信号产生装置(SG)，该信号产生装置具有一个输出端子，在这个输出端子上可以得到第二个调节信号(RS2)，该信号产生装置具有一个输入端子(EK1)，用于引导一个依赖于通过初级线圈(L1)的电流(IL)的第二个电流信号。
3.根据权利要求2的开关电源，其特征在于，第一个电流信号(VS)和第二个电流信号一致。
4.根据权利要求2的开关电源，其特征在于，信号产生装置(SG)具有一个位于电源电压电位(Vdd)和一个参考电位(M)之间的由一个电流源和一个电容(C)构成的串联电路，其中第二个调节信号(RS2)作为电压可以从电容(C)上得到。
5.根据权利要求4的开关电源，其特征在于，晶体管(T1；T2)和电容并联，所述晶体管可按照依赖于第一个电流信号(VS)的第二个控制信号(AS2)进行控制。
6.根据权利要求2至5中任一项的开关电源，其特征在于，信号产生装置(SG)具有一个比较装置(OPV1；OPV2)，用于通过比较第一个电流信号(VS)和一个参考信号(Vref)产生第二个控制信号(AS2)。
7.根据权利要求6的开关电源，其特征在于，比较装置(OPV1、OPV2)作为运算放大器(OPV1)构成，开关作为双极晶体管(T)构成。
8.根据权利要求6的开关电源，其特征在于，比较装置(OPV1、OPV2)作为差分放大器(OPV2)构成，开关作为场效应管(T)构成。
9.控制在一个开关电源中一个和初级线圈(L1)串联的开关(T)的方法，其中该方法包括产生一个控制信号(AS1)，这个控制信号用于按照一个依赖于一个输出电压(Ua)的第一个调节信号(RS1)和一个依赖于通过初级线圈(L1)的电流的电流信号对开关(T)进行控制，其特征在于，继续按照第二个调节信号(RS2)产生控制信号(AS2)，第二个调节信号可根据通过初级线圈(L1)的电流进行调节，其中，控制信号(AS1)的控制脉冲持续时间依赖于第二个调节信号(RS2)是否超过第一个调节信号(RS1)，依赖于电流信号(VS)和第一个调节信号(RS1)的比较，或者依赖于电流信号(VS)和第二个调节信号(RS2)的比较。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，设置第二个调节信号(RS2)包括下面的步骤：
-电流信号(VS)和一个参考信号(Vref)比较；
-如果电流信号(VS)超过参考信号(Vref)，那么减小第二个调节信号(RS2)。
11.根据权利要求9或者10中任一个的方法，其特征在于，第二个调节信号(RS2)依赖于电流信号(VS)和参考信号(Vref)之间的差进行减小。
12.根据权利要求9的方法，其特征在于，产生控制信号(AS1)包括如下方法步骤：产生控制脉冲的时间序列，在测量振荡器节拍后开始这个时间序列，并且在电流信号(VS)达到第一个或者第二个调节信号(RS1、RS2)的值时，结束这个时间序列。
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