CN1194494A - 定电压箝位顺向开关电源 - Google Patents

Abstract

一种定电压箝位顺向开关电源,尤指一种可免除变压器饱和问题与可降低主晶体管端点电压的开关电源,其内部设置有一以电压取样电路、电压检测电路、同步脉宽发生器、定电压驱动电路以及能量回收电路所共同组成的定电压箝拉电路,而经变压器的副绕组所感应的电压,则经电压取样、检测的步骤,产生相应于主晶体管切换的同步脉宽信号,经电压驱动电路以使能量回收电路同步动作,以使变压器的激磁与反磁电流呈连续相接。

Description

定电压箝位顺向开关电源

本发明涉及一种定电压箝位顺向开关电源，主要是提供一种以定电压箝位型态的开关电源，以解决变压器磁饱和、主晶体管两端电压过高以及输入电压漂移的磁饱和问题以及具有增加工作周期以提高效率的优点。

现今开关电源(SWITCHING POWER)，由于无传统体积大且重量重的低频变压器的缺点，更由于是在高频操作下，而有着极佳的能源效率，故而普遍运用作为计算机的电源或作为不断电系统使用，然而由于其在高频操作下，则衍生数个的磁饱和、主晶体管耐压值需相当高，占空度(duty cycle)无法增大与易产生动作噪音等问题，以下即就现今已知的各种开关电源的特性来说明。

如图4所示，为一『被动返磁式』顺向开关电源，此构造即为一最基本的开关电源，其具有一次整流滤波电路93、变压器94、二次整流滤波电路95、取样反馈电路91、脉宽控制器92与主晶体管921所组成，而在变压器94的初级绕组上跨接有一二极管941及电阻943/电容942所构成的被动返磁电路，通过一次整流滤波电路93将送入的交流电予以整流及滤波，以供应内部所需的直流电力，而通过脉宽控制器92以使主晶体管921进行高频ON/OFF(通/断)切换动作，以使变压器94进行高频激磁，而使其次级绕组位置送出所需电压值的高频交流电压，其次再经二次整流滤波电路95进行整流滤波后，即送出所需的直流电力，而于该输出端位置亦通过取样反馈电路91回送一相应于输出电压的参考电压至脉宽控制器92，使脉宽控制器92可依照输出端呈现的电压高低数值而相应改变主晶体管921的ON/OFF切换的占空度(DUTY CYCLE)，以使输出电压可稳定在欲定的电压数值，而前述位于变压器94初级绕组上的被动返磁电路，则可吸收变压器94的返磁电流，虽然该结构有着电路简单与工作周期可大于50％的优点，但仍存在如下各项缺点：

(1)功率损失大。

(2)当负载变动时，由于此被动式返磁的设计无法达到动态补偿的缺陷，导致变压器产生严重的饱和电流，致使主晶体管两端点产生异常脉波，故主晶体管必须采用高耐压的元件方可。(如图7(B)的晶体管端电压波形所示，有着约电源电压(B+)2倍以上的峰值电压Vp存在)。

(3)由于变压器于负载变动时有着严重的饱和电流，相应使得主晶体管的峰值电流过大、对于动态负载响应差以及噪音过大的缺点。(如图7(B)的激磁电流(IEX)所示，有着超过电源饱和电流(B SAT)以上的峰值电流Ip存在)。

而如图5所示，则为一『箝位线圈式』顺向开关电源，此类电源与图4不同之处仅在于：该变压器94上更设置一副绕组944，并以此副绕组944串接一二极管945而跨接在变压器94初级绕组与地电源之间，而借此副绕组944产生一相反于变压器初级绕组的感应电流，达到抵消激磁电流的作用。

而此箝位线圈型式的开关电源，具有电路简单、返磁损失小、动态负载状态时变压器不致饱和与噪音小的优点，但仍有着如下缺点：

(1)主晶体管耐压方面，有高于2倍于输入电压的端点电压存在，故而主晶体管仍需使用高耐压元件方可。(如图7(C)的晶体管端点电压波形所示)。

(2)受该作为箝位线圈的变压器副绕组的匝数比而限制有效周期的因素下，此类开关电源的工作周期不适于超过50％的场合使用。

另如图6所示，则为一『动态箝位式』顺向开关电源，其不同之处是设置有一延迟电路96、一额外变压器97以及一与主变压器94初级绕组并联连接的箝位晶体管98，而可依照电源电压、脉宽控制器92的动作状态而使该箝位晶体管98适时导通与截止，以达到动态吸收返磁电流的效果。

然而此项设计虽然具有返磁损失小及可令工作周期大于75％、增加磁通密度以及在重载时具有高效率的优点，然而其主晶体管亦需使用高耐压元件，主晶体管承受峰值电流亦相当大，且于负载变动时，亦有严重的饱和现象(如图7(D)的晶体管端点(V DS)波形及激磁电流(I EX)所示)，而该箝位晶体管98亦承受相同于主晶体管921的饱和峰值电流，并因饱和问题而有噪音大的缺点，更由于该箝位晶体管有着交流损失因素，于轻负载状态下，效率最为低落，无法符合全动态的电源供应效果。

由于前述无论是被动返磁式、箝位线圈式或动态箝位式顺向开关电源均分别有着必须使用高耐压元件、无法同时适用于轻、重负载使用、工作噪音大、变压器饱和与工作周期受限(工作周期无法再予延伸)的缺点，因此有再予改进的必要。

本发明的主要目的在于提供一种定电压箝位顺向开关电源，其具有良好的动态负载响应，可使用低耐压及较低电流的晶体管元件，无箝位晶体管交流损失，具较低工作噪音及较长工作周期。

本发明的技术方案在于提供一种定电压箝位顺向开关电源，是以一次/二次整流滤波电路、一取样反馈电路、一脉宽控制器、一主开关晶体管以及一主变压器构成顺向开关电源的基本电路，其特点在于：

在该一次整流滤波电路与主变压器的初级绕组之间更设置一定电压箝位电路，此定电压箝位电路包括：

一电压取样电路，由变压器的副绕组上取得感应电压，并可转换为正、负向峰值电压信号，

一同步脉宽调制电路，可依据送入的峰值电压的高低电平产生一相应的方波脉宽变化的输出信号，

一定电压驱动电路，是接收上述方波脉宽信号而转换为电流放大信号，并限制电流放大信号的最大值，

一能量回收电路，是串接于一次整流滤波电路与主变压器的初级绕组之间，可接收定电压驱动电路送入的电流放大信号，并依照此信号以开关方式吸收主变压器产生的返磁能量，且转换为供应能量，

本发明的设计特色是提供一种可同步感应顺向电源的激磁状态，而通过电压检测电路30，以检测输入电压的变化而改变同步脉宽发生器40可产生相应脉宽电流驱动信号，并利用定电压驱动电路50使能量回收电路60做动态性的能量回收，故不仅可达到迅速且确实地吸收返磁能量的效果，而使其无论在轻、重负载或输入电压变动的状况均可免除变压器磁饱和的问题，并通过其定电压箝位的设计，更确实地限制变压器初级绕组两端不致产生峰值过度变化与获得降低主开关晶体管端点电压与峰值电流的效果，故以本发明的定电压箝位设计，具有如下各项优点：

(1)具有良好的动态负载响应，于负载动态变化时，由于在每一周期的激磁电流均可通过定电压箝位电路予以弹性及确实地归零，纵使在输入电压变动的场合下，变压器均不会造成饱和现象。

(2)由于内部是采用定电压箝位的设计，变压器的线圈端以及主晶体管端点电压低，且无过大的峰-峰值电流产生，可使用低耐压及较低电流的晶体管元件。

(3)并无现有动态箝位式顺向开关电源的箝位晶体管所造成的交换损失，无论在轻负载或重负载的状态下，均有高效率的优点。

(4)由于变压器于轻、重负载及输入电压变动状况均无磁饱和问题，故在各种场合的操作噪音均较低。

(5)工作周期并无现有转换电路的限制，可在有效周期内做较大幅度的脉宽调整，而其工作周期可大于75％。

因此，本发明即以其定电压箝位型式的顺向开关电源的设计，确可有效地解决输入电压变动、轻/重负载变动场合所衍生的变压器饱和问题，更可使用较低额定电压的晶体管元件。

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构特征及目的。

图1是本发明的电路图。

图2是图1标示各端点及加入电流标示的示意图。

图3是图1各部位的电压、电流波形示意图。

图4是现有被动返磁式顺向开关电源的电路图。

图5是现有箝位线圈式顺向开关电源的电路图。

图6是现有动态箝位式顺向开关电源的电路图。

图7是动态负载下本发明与各种现有开关电源的电压、电流波形及磁饱和现象的比较图。

如图1所示，本发明的定电压箝位式顺向开关电源的构造上，亦同样具有一次/二次整流滤波电路10、11、变压器T1、取样反馈电路12、脉宽控制器13、以主开关晶体管Q5构成的切换开关电路14，以构成顺向开关电源的基本电路，而本发明不同之处是在：

具有一以电压取样电路20、一电压检测电路30及一同步脉宽发生器40所组成的同步脉宽调制电路、一定电压驱动电路50以及一能量回收电路60共同组成一定电压箝位电路，以使整个顺向开关电源具有不致使变压器饱和、降低晶体管Q5的耐压值与降低峰-峰值电流的效果，且无论在高、低负载状态或是外部输入电压变动的情况下，均有良好的工作效率，以下即依次就各项结构及作用加以分析。

该电压取样电路20，是以变压器T1的副绕组N3、两二极管D2、D4以及两电容C2、C5所组成，而可将该副绕组N3所形成的正、负峰值的电压分别储存于两电容C2、C5端点位置，借此达到产生相应于变压器T1工作状态下的负向或正向峰值电压状态，而此电压取样电路20所送出的电压数值高低，则可利用变压器T1的初级绕组N1与副绕组N3的匝数比予以调整，使其可符合实际需要。

该同步脉宽调制电路的电压检测电路30以一齐纳二极管ZD1、电阻R1、R2、R3以及晶体管Q1所组成，以形成一可检测电压取样电路20的电容C2、C5端点电压的变化量，而予以转换为电流变化量，并利用晶体管Q1控制后续的同步脉宽发生器40。

该同步脉宽调制电路的同步脉宽发生器40是以二极管D3、电阻R4、R5、电容C4以及一晶体管Q2组成，此同步脉宽发生器40是直接通过二极管D3与电压取样电路20的变压器T1副绕组N3连接，而该电容C4的一端与电压检测电路30的晶体管Q1集电极连接，此等结构可在副绕组N3产生感应电压时，其中感应电压正半周信号可经电阻R4对电容C4充电，而电压检测电路30的晶体管Q1则可依据送入的电压数值的高低变化对该电容C4进行定电流放电，此充放电动作，则可使图2该相对于电阻R4、电容C4的外端点E-C间的电压(V_E-C)(配合如图3中段的相应波形)呈现与变压器T1同步的切割波形效果，而该E-C点电压即经电阻R5而推动该晶体管Q2，以在此晶体管Q2的集电极产生一随取样电压变化的方波输出。

该定电压驱动电路50是由一齐纳二极管ZD2、二极管D5、电阻R7以及晶体管Q4所组成，该齐纳二极管ZD2是用以限制前述同步脉宽发生器40的晶体管Q2方波输出的最大电压值，以提供电压箝位效果，而该二极管D5是用以限制晶体管Q4的基、射极电压，而可随着前述晶体管Q2的方波信号而呈反相方式操作，并据以推动后续能量回收电路60的定电压驱动晶体管Q3。

该能量回收电路60是包括一定电压驱动晶体管Q3、一充磁线圈L1、两二极管D1、D6以及电容C6所共同组成，此电路的作用是可将变压器T1的激磁能量经二极管D6而储存于电容C6中，然后再由定电压驱动晶体管Q3受前述形成的定电压箝位电路的控制而呈同步ON(导通)/OFF(截止)动作时，则可将储存于电容C6的能量经定电压驱动晶体管Q3而转送至充磁线圈L1上，最后是通过此充磁线圈L1的返磁能量经二极管D1对图面左上方的一次整流滤波电路10的电容C1充电，以形成一种无损失的返磁作用，且此能量回收电路60亦限制该变压器T1的初级绕组N1两端的峰-峰值电压，如此，则可使得变压器T1无论在轻负载或重负载状况下，仍具有良好的返磁效果与不致造成磁饱和现象。(而本电路的各个工作点及各部位的电压、电流变化可配合图2及图3的标示有各端点及相关电流的电路图与波形图。)

而本发明亦可在输入电压变动的情况下，亦由于本发明采用定电压箝位的设计，而不会造成饱和的问题，而配合如图3的前段及后段位置的输入电压(VA-M)超过上、下限位置时，则可由图1该电压检测电路30的齐纳二极管ZD1呈现完全导通或完全截止的状态，以使同步脉宽发生器40内部的电容C4放电时间延长及缩短，而在输入电压过高时，为令电压检测电路30的晶体管Q1呈完全导通，而使得图2该相应于电阻R4两端点B、E的正、负脉宽为相同于变压器T1初级绕组N1的正、负脉宽，因此，定电压驱动晶体管Q3的开关周期即相等于主开关晶体管Q5的开关周期，如此使图2的变压器T1的激磁电流I6相等于返磁电流I5，且为相等于充磁线圈L1的充磁电流I4，若该充磁线圈L1的电感量设为相等于变压器T1初级绕组N1的电感量时，即令电容C6于关闭周期(OFFCYCLE)的能量恰与电容C1于开启周期(ONCYCLE)所获得的能量相同，如前所述，不仅可使变压器T1初级绕组N1端点呈现方波波形，而充磁线圈L1两端亦呈方波波形，且激磁电流与返磁电流恰好呈连续相接的状态，而充磁线圈L1的充磁及返磁电流亦为呈连续相接，故而可使变压器T1仍可保持在正常操作状况而无磁饱和问题存在。

Claims (9)

1.一种定电压箝位顺向开关电源，是以一次/二次整流滤波电路、一取样反馈电路、一脉宽控制器、一主开关晶体管以及一主变压器构成顺向开关电源的基本电路，其特征在于：

在该一次整流滤波电路与主变压器的初级绕组之间更设置一定电压箝位电路，此定电压箝位电路包括：

一电压取样电路，由变压器的副绕组上取得感应电压，并可转换为正、负向峰值电压信号，

一同步脉宽调制电路，可依据送入的峰值电压的高低电平产生一相应的方波脉宽变化的输出信号，

一定电压驱动电路，是接收上述方波脉宽信号而转换为电流放大信号，并限制电流放大信号的最大值，

一能量回收电路，是串接于一次整流滤波电路与主变压器的初级绕组之间，可接收定电压驱动电路送入的电流放大信号，并依照此信号以开关方式吸收主变压器产生的返磁能量，且转换为供应能量，

借此，在轻/重负载以及输入电压变动的场合，均能使变压器的激磁电流与返磁电流连续衔接与限制变压器初级绕组两端电压在额定范围。

2.根据权利要求1所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该电压取样电路包括正、负向峰值二极管及电容器。

3.根据权利要求1所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该同步脉宽调制电路包括一电源检测电路以及一同步脉宽发生器。

4.根据权利要求3所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该电源检测电路至少包括一齐纳二极管及一晶体管构成一定电流电路，以依照电压取样电路送入的峰值电压的高低变化而决定晶体管的导通度程度。

5.根据权利要求3或4所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该同步脉宽发生器至少包括一可利用峰值电压对之充电的电容器以及一与该峰值电压端点连接的电流放大晶体管，而该电容器的端点与电压检测电路的晶体管连接，可利用电压检测电路控制此电容器的充放电，并由电流放大晶体管送出方波信号。

6.根据权利要求5所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该同步脉宽发生器连接于正向峰值电压信号位置。

7.根据权利要求1所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该定电压驱动电路至少包括一电流放大晶体管。

8.根据权利要求7所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该定电压驱动电路更包括一齐纳二极管，可限制此驱动电路的输出电平。

9.根据权利要求1所述的定电压箝位顺向开关电源，其特征在于：该能量回收电路至少包括一组连接于变压器初级绕组之间的二极管与电容器、一定电压驱动晶体管、一充磁线圈，该定电压驱动晶体管于导通时，可将储存于电容器中的变压器返磁能量转送至充磁线圈上，并由充磁线圈对一次整流滤波电路充电。

Images