CN1226103A - 具有阈值电路的开关型电源 - Google Patents

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Abstract

开关型电源具有开关晶体管(T50)和变压器(L50)。本发明的开关型电源包含一阈值电路,例如与电阻(R44)串联连接的齐纳二极管(D44),该电路在开关型电源接通后保持驱动电路(T42,T44)关断,直到驱动电路的工作电压(UT)超过一特定阈值。因此,能以低电流经过起动电路(R30)对充电电容器(C30)充电而不致让电流流走。阈值电路(D44,R44)以一端连接到次级绕组(W2)的端(5),其通过正反馈协助激活驱动级。本发明特别应用于电视机、录像机、卫星译码器和机顶盒。

Description

具有阈值电路的开关型电源
本发明涉及一种开关型电源，该电源具有开关晶体管、带有初级绕组以及至少一个次级绕组的变压器，该初级绕组与开关晶体管串联连接、该电源还有起动电路、用于驱动开关晶体管的驱动电路以及一个阈值电路。
这种类型的开关型电源要求有一个起动电路，在开关型电源接通以后，电流流动经过该电路提供给驱动级，否则开关型电源不开始振荡。这个电流还必须大到足够激活驱动级的晶体管，并且给开关晶体管提供一个足够大的控制电压或控制电流，以便激活所述晶体管。当激活开关晶体管时，第一电流流过变压器的初级绕组，结果在次级绕组两端产生一个用于提供驱动电路的电压。在其他操作期间，开关型电源经过这个绕组提供给自身足够大小的功率，因此不再要求起动电路。
然而，因为起动电路继续操作并且消耗大约一瓦或更多的功率，这在开关型电源具有备用模式或者被长期或永久连接的情况下是特别不希望的。
为了减少功率损耗，已知有各种设计的开关型电源，但是其中一些是复杂的，如DE 196 52 604中规定的，或者需要一个起动振荡器，如EP 0 701 318A1中描述的。用于减少备用功率损耗的其他设计，如EP 0 804 026 A2中描述的用于关断电视机的附加装置，例如，在某些情况下给用户带来不利，因为它们不对遥控信号有选择地起作用。
WO92/17934公开了一种用于开关型电源的起动电路，该起动电路具有一个带齐纳二极管的集成电路，经过该齐纳二极管完成集成电路的延迟接通。在延迟阶段期间，集成电路被初始化并且引导参数和元器件到规定状态。在初始化阶段结束时，集成电路转换到稳态正常的脉冲操作。
本发明的目的是提供引言部分中提到的那种开关型电源，其中起动电路的功率消耗可以尽可能保持得低一些。
该目的是借助于权利要求1中所给定的本发明来达到的。在从属权利要求中给出了本发明的有益改进。
本发明的开关型电源包含一个阈值电路，在接通操作以后，该电路关断驱动级，直到驱动级的工作电压已经超过预定的阈值。由此，起动电路可以保持在高阻抗，结果提供驱动电路的存储电容器可以被慢慢充电而不致让驱动电路的网络中的电流慢慢泄漏。如果存储电容器两端的电压足够大并且超过一个特定的电压值，则驱动电路开始工作并激活开关晶体管。阈值电路由另一个端子连接到带有AC电压的次级绕组的一端。
阈值电路连接到驱动电路的输入端，根据存储电容器的充电操作产生的电压出现在所述输入端。如果在这个端子的电压超过预定阈值，则激活驱动级。为了产生阈值，在最简单的实施例中，阈值电路可以包括一个齐纳二极管，该二极管与一个电阻串联连接并且经过次级绕组的一端连接到开关型电源的参考电位。阈值电路的一端有益地连接到次级绕组的一端，借助于正反馈，它协助激活驱动级。
特别地，阈值电路可以用于没有起动振荡器的自激开关型电源，该电源与其他开关型电源相比更关键地是在它的起动特性方面。特别是当npn晶体管用作开关晶体管时，为了激活它需要有足够的功率(电流和电压)。在这个示范实施例中，阈值电路连接到次级绕组的一端，在开关晶体管的接通阶段该端带有负电压，结果产生正反馈。为了进一步增加驱动晶体管的控制电流这里利用次级绕组两端的电压变化，结果可靠地激活开关晶体管。
阈值电路可以同样有益地用于以场效应晶体管作为开关晶体管的开关型电源。在这种情况下，驱动电路以一个端子连接到次级绕组的一端，在场效应晶体管的关断阶段该端带有正电压。由此，开关型电源在初级一侧仅仅需要一个次级绕组作为驱动电路和阈值电路的电源电压。另外，在短路的情况下，在这个绕组一端的正电压下降，可靠地停止开关型电源的自激振荡。
阈值电路确保开关型电源甚至在起动电路具有低功率损耗时可靠地起动并且在正常工作期间也能稳定工作。本发明可以特别用于根据具有备用工作模式的逆向变换器原理的自激开关型电源，例如电视机、录像机、卫星接收机或机顶盒。
下面参照示意电路图，通过例子更详细地解释本发明，其中：
图1示出以npn晶体管作为开关晶体管的自激开关型电源。
图2示出以场效应晶体管作为开关晶体管的自激开关型电源。
图1说明的开关型电源包含一个桥式整流器BR和一个下游电容器C11，借助于它们可以得到整流的、平滑的电压U0。这个电压施加到隔离变压器L50的初级绕组W1，该初级绕组串联地与开关晶体管T50连接。设置在初级一侧的次级绕组W2用于提供开关晶体管T50的驱动电路。将开关型电源设计为逆向变换器并且在次级一侧还设置有带负载的次级绕组，图1中没有说明。
次级绕组W2具有三个端3、4、5，端4连接到参考电位，在这个示范实施例中连接到地，在开关晶体管T50的激活阶段端3带有正电压而端5带有负电压。在关断阶段端3和5出现的电压颠倒极性。端3经过二极管D30连接到存储电容器C30，因此，在开关操作期间给驱动电路提供整流的工作电压UT。
驱动电路包含两个晶体管级T42、T44和导线连接的线圈L44，经过该线圈激活和关断开关晶体管T50。线圈L44允许增大的控制电流以激活开关晶体管T50，并且同时实现为了关断开关晶体管的负电压，因此，在驱动电路中的损耗和开关晶体管的关断损耗保持为低。线圈L44的功能已经在EP-A-0 786866中说明，因此这里不做进一步的解释。
在开关晶体管T50的接通阶段，晶体管T42在关断状态而晶体管T44在接通状态，结果经过次级绕组W2的端3可以得到足够高的控制电流。
借助于电容器C33和晶体管T32实现开关晶体管T50的关断，该晶体管在所述电容器两端的特定电压上激活。在这种情况下，电容器C33在接通阶段由连接在开关晶体管T50的电流路径上的电阻R49和连接到绕组W2的端3并且基本上修正电压U0上的波动以及提供软起动信息的无源网络N1充电。如果这个电容器两端的电压超过晶体管T32的基极-发射极电压，则该晶体管被激活并且因此下拉在晶体管T42基极出现的电压到一个较低的值，结果激活该晶体管。因此，在晶体管T44的基极的电压SE升高，由此该晶体管关断，因此开关晶体管T50同样关断。
在开关晶体管T50关断阶段，存储在变压器L50的能量转换到次级绕组，以提供给负载。如果变压器L50中的磁能已经衰落，则借助于无源网络N2关断晶体管T32，该网络连接到绕组W2的端5。因此，晶体管T42也被关断，结果激活晶体管T44并且因此结束开关晶体管T50的关断阶段。
开关型电源包含具有一个或多个电阻R30的起动电路，该电阻提供1mA的小电流，例如，借助于它在开关型电源已经接通后对存储电容器C30充电。齐纳二极管D44经过电阻R44、经过绕组W2连接到在端4出现的地电位，该齐纳二极管保持晶体管T44在这个起动阶段关断。在这种情况下，晶体管T32同样在关断状态，因为在它的基极不存在任何电压，结果晶体管T42同样在关断状态。因此，连接到存储电容器C30的元器件都在关断状态或者在起动阶段完全去激励，结果所述电容器经过起动电路R30以很小的电流充电，而不致使这个电流慢慢向地泄漏。如果施加到晶体管T44发射极的工作电压UT超过由齐纳电压形成的阈值电压SE加上基极-发射极电压，则电流流过晶体管T44的发射极-基极结，结果该晶体管接通。
选择齐纳二极管D44的齐纳电压使得晶体管T44例如在存储电容器C30两端的电压大约4.5V时接通。这样存储在这个电容器中的能量足以激活开关晶体管T50。因此，借助于变压器L50的感应在绕组W2的端3产生正电压并且保持开关晶体管T50的基极电流。同时，该电路的第二个重要的效果产生：开关晶体管T50的激活实现绕组W2的端5的负电压，因此齐纳二极管D44两端的电压SE被向下拉。产生的正反馈相当快地激活晶体管T44和开关晶体管T50。
在开关晶体管T50关断阶段期间，在绕组W2的端5的电压是正的并且电压SE是高的，结果晶体管T44在整个关断阶段可靠地保持关断。在关断阶段期间能够影响晶体管T32的开关特性的寄生振荡不起作用，因为阈值电路总是保持晶体管T44的基极电压是正的。
在起动阶段，开关晶体管T50的关断同样如上面已经描述的借助于晶体管T32实现。因此，开关型电源是自激的，并且在起动阶段和正常操作阶段，该电源由于具有齐纳二极管D44和电阻R44的阈值电路而可靠地工作。不需要起动振荡器。
当使用npn开关晶体管时，具有晶体管T42和T44的驱动电路在这种情况下连接到绕组W2的端3，当激活开关晶体管T50时端3提供一个正电压。由此，获得对电源电压UN的所需依赖关系：在高的电源电压UN，端3提供一个较高的电压并因此提供较高的开关晶体管T50的基极电流，结果，即使在电源电压UN波动或变化的情况下能够保持开关晶体管T50的所需基极电流/集电极电流比率。另外，电容器C30的值可以保持非常小，为10nF，因为由绕组W2提供开关晶体管T50的基极电流。
图2的开关型电源使用场效应晶体管T20作为开关晶体管，该晶体管用电压控制，因此驱动级不必提供高电流。在这种情况下，场效应晶体管T20的激活和关断同样借助于晶体管T32完成，该晶体管以类似于图1的方式用导线连接。在这种情况下，光耦合器OK也连接到电容器C33，借助于它完成次级侧输出电压的直接调节。
驱动电路包含两个晶体管T30、T31，借助于它们和晶体管T32一起控制场效应晶体管T20。在正常工作期间，在接通阶段，晶体管T32在关断状态，结果晶体管T32同样在关断状态。晶体管T31在接通状态，因为它的基极经过阈值电路齐纳二极管D32和电阻R35连接到绕组W2的端3，在接通阶段它带有负电压。在关断阶段，激活晶体管T32，因此晶体管T30接通并且实现晶体管T31的基极和发射极之间的短路，结果晶体管T31处在关断状态。因此场效应晶体管T20的栅极实际上经过二极管D33和激活的晶体管T32接地。
在这种情况下，具有一个或多个电阻R30的起动电路同样如图1那样用导线连接。在这种情况下开关型电源起动如下：在接通操作后，当电容器C30两端的电压是零时，晶体管T31的发射极-基极结两端的电压同样是零，结果晶体管T31在关断状态并且晶体管T30和T32也同样在关断状态。借助于具有齐纳二极管D32和电阻R35的阈值电路，在起动阶段晶体管T31基极的电压现在升高。只有当电压UT超过一个特定阈值，例如5.7V时，电流流过晶体管T31的发射极-基极结和齐纳二极管D32以及R35，结果激活晶体管T31并且因此激活场效应晶体管T20。
具有齐纳二极管D32和电阻R35的阈值电路连接在晶体管T31的基极和绕组W2的端3之间。在这种情况下，当激活场效应晶体管T20时因为在端3出现负电压，正反馈作用同样产生。因此，晶体管T31在起动阶段再接通，结果非常快地激活场效应晶体管T20。用4.7nF的电容器C32协助激活，该电容器在晶体管T31激活期间提供电流浪涌，并且，可以说在这个时刻桥接电阻R36。
当激活晶体管T32时场效应晶体管T20的激活阶段结束。由此，晶体管T30的基极电压在电阻R37两端下降到一个低值，结果激活所述晶体管并且实现晶体管T31的基极-发射极结两端的短路，结果晶体管T31关断。同时，通过晶体管T32使得在场效应晶体管T20栅极的电压在二极管D33两端下降，结果晶体管T32同样关断。在关断阶段，电容器C30经过二极管D30被重新充电，因为在绕组W2的端3出现正电压。由晶体管T32的关断实现场效应晶体管T20的关断，这已经参照图1做了解释。
图2驱动电路的晶体管T30是可选择的，以便改进开关型电源的开关特性：不用晶体管T30，仅仅通过绕组W2的端3驱动晶体管T31的基极，由此得不到自激开关型电源的最佳时间控制。如上所述，借助于晶体管T30，则经过晶体管T32控制晶体管T31，由此获得更好的效率。这是由于借助于晶体管T32通过晶体管T30，在场效应晶体管T20的整个关断阶段期间晶体管T31保持在关断状态，因为晶体管T30在接通状态，因此晶体管T31处在关断状态。运使得有可能降低元器件R36和T32的功率值。
具有晶体管T30、T31的驱动电路在这种情况下连接到绕组W2的端3，端3在场效应晶体管T20的关断阶段带有正电压。因此，与具有双极型开关晶体管T50的电路相比，基于逆向变换器原理，电容器C30两端的电压以一种希望的方式独立于电源电压UN(也作为实现调节的开关型电源的输出电压)，这实际上是所需要的。因此电容器C30两端的电压可以保持在大约10伏的一个恒定值上，它足够用于驱动级和场效应晶体管的良好开关特性。
图1的开关型电源根据逆向变换器原理工作，就像图2的开关型电源。在两个图中相同的元器件具有相同的参考符号。参照图1和2描述的示范实施例描述了开关型电源，该开关型电源用电源电压UN工作并且包含与电源隔离的次级绕组。然而，本发明不限于这些实施例。本发明的其他应用、例如在没有电源隔离的情况下使用DC-DC转换器，对于开关型电源领域的技术人员来说是明显的。其他开关晶体管的利用对于本领域的技术人员来说同样是显而易见的。

Claims (7)

1．一种开关型电源，具有变压器(L50)，该变压器具有与开关晶体管(T20,T50)串联连接的初级绕组(W1)和至少一个次级绕组(W2)，该电源还具有起动电路(R30)、驱动电路(T42、T44；T30,T31)以及阈值电路(R44,D44；D32,R35)，该阈值电路在接通操作之后，将驱动电路(T42,T44；T30,T31)关断，直到驱动电路的工作电压(UT)已经超过一个预定阈值，其特征在于：阈值电路(R44,D44；D32,R35)的第一端耦合到次级绕组(W2)的一端(3；5)，第二端耦合到驱动电路(T42,T44；T30,T31)的控制输入端(SE)。
2．如权利要求1所述的开关型电源，其特征在于：控制输入端(SE)经过一个元器件连接到工作电压(UT)，结果在接通操作后，在控制输入端(SE)的电压作为工作电压(UT)的函数上升到由阈值电路(R44,D44；D32,R35)预定的电压值。
3．如权利要求2所述的开关型电源，其特征在于：阈值电路(R44,D44；D32,R35)包含齐纳二极管(D32,D44)，该二极管与电阻(R35,R44)串联连接，用于产生阈值。
4．如权利要求1、2或3所述的开关型电源，其特征在于：阈值电路(R44,D44；D32,R35)的第一端连接到次级绕组(W2)的一端(5；3)，借助于正反馈，它协助驱动电路(T42,D44；T30,T31)的激活。
5．如权利要求4所述的开关型电源，其特征在于：阈值电路(D44,R44；D32,R35)连接到次级绕组(W2)的一端(5,3)，在开关晶体管(T50)的接通阶段它带有负电压。
6．如权利要求4所述的开关型电源，其特征在于：开关晶体管是场效应晶体管(T20)，并且为了减少驱动级(T30,T31)的损耗，在场效应晶体管(T20)的关断阶段借助于另一个晶体管(T30)，给场效应晶体管(T20)提供控制电压的驱动级(T30,T31)的晶体管(T31)经过它的基极-发射极结被短路。
7．如前面权利要求1-6中一个所述的开关型电源，其特征在于：开关型电源根据逆向变换器原理被设计为一种没有振荡器的自激开关型电源。
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