CN1255771A - 开关式电源 - Google Patents

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Abstract

本发明打算改进开关式电源的可靠性,并且装有:一个主换流器;一个误差放大器,产生一个误差电压;一个过压保护电路,产生一个过压保护信号;一个PWM电路,控制用于主开关元件的驱动信号;及一个关闭执行电路,当产生以上过压保护信号时,停止以上主换流器操作;进一步包括一个装置,把过压保护信号叠加在次级中感应的主输出电压的误差信号上;及一个初级控制电路。

Description

开关式电源
本发明涉及一种用于诸如计算机之类的电子设备的电源的开关式电源。具体地说，本发明涉及一种通过来自次级的启动或停止信号或者来自用于次级输出电压的过压保护电路的命令能启动或停止初级开关元件的开关式电源。
在一般的开关式电源中，使用两个或三个隔离器
以隔离用于输出电压稳定的反馈信号，
以隔离用于输出电压的过压保护电路的信号，及
以隔离用来用次级外部开关接通或断开电力的遥控信号。
在这样的用途中，光电耦合器或变压器用于隔离器。例如，在由本申请人提出的未审查实用新型申请Hei No.1-79389中，仅使用一个隔离器来隔离遥控信号和过压保护信号。
然而，由于单独提供隔离用于输出电压稳定的反馈信号的隔离器，所以对于整个开关式电源使用两个或三个隔离器。这在增加零件和元件的数量和成本方面是一个问题。此外，也有这样一个问题，如果打算在初级与次级之间使用光电耦合器或变压器隔离，则使印刷布线板的结构复杂，因为必须考虑由安全标准中的限制造成的漏电距离或间隙。
因而，在未审查专利申请的公开Hei No.4-156270中，公开了一个仅使用单个隔离器隔离以上三种类型的信号的例子。然而，该例子具有这样一个问题，由于用于过压保护的锁存器电路包括在初级中，所以不可能使用遥控信号释放锁存器和重新启动电源。而且，有另一个问题：必须断开工业电源电压以释放锁存器，并因而这种断开不能应用于某些电源用途。为了解决这些问题，设计了具有图1中所示配置的开关式电源。
在图1中，主换流器10通过使用主开关元件Q1接通和断开施加到主变压器T1的初级绕组n1上的直流电流，把主输出电压Vo输出到次级，并且整流和滤波在次级绕组n2中感应的电流。由于工业交流电源在该电源中用作输入源，所以通过用二极管桥DB整流交流输入、和使用输入电容器C1滤波整流的输出，得到直流输入电压Vidc。尽管FET用于主开关元件Q1，但能使用PNP或NPN晶体管。作为次级整流和滤波电路，二极管D1和D2的阳极端子分别连接到次级绕组n2的每一端，而两个二极管的阴极端子短路，并且连接到输出电容器C2上。
误差放大器20产生在主输出电压Vo与第一基准电压Vref1之间的误差电压，并且在这种情况下，使用运算放大器U1。使用分压电阻器R1和R2以适当比率分压主输出电压Vo，以传送到误差放大器20。PWM电路30输出用于主开关元件的驱动信号，以使由误差放大器20输出的误差电压最小，并且在这种情况下使用PWM(脉冲宽度控制)电路U2。辅助换流器40使用辅助开关元件Q2接通或断开施加到辅助变压器T2的初级绕组n3上的直流电流。在初级的二级绕组n4中感应的电流，作为用于PWM电路30的辅助电压Vcc1，经由二极管D4和电容器D4组成的整流和滤波电路输出。在次级的二级绕组n5中感应的电流，作为次级辅助电压Vcc2经由二极管D3和电容器D3组成的整流和滤波电路输出。
光电耦合器PC接收从误差放大器20输出的误差电压，作为发光二极管侧的输入，并且把光电晶体管检测器的输出信号输出到PWM电路30。当主输出电压Vo超过第二基准电压Vref2时，过压保护电路50产生过压保护信号，并且在这种情况下使用运算放大器U3。由于主输出电压Vo经由齐纳二极管D5和电阻器R4组成的串联电路接地，所以跨过电阻器R4产生的电压输入到运算放大器U3正端子。
电力通/断电路60依据从次级传送的遥控信号，输出次级辅助电压Vcc2或共用电位。在这种情况下，运算放大器U4接收在开关SW1侧的电阻器R5的端子处的电位，作为其正端子处的输入，并且也接收第三基准电压Vref3，作为在负端子处的输入。运算放大器U4输出与遥控信号的通或断相对应的高(H)或低(L)电平信号。开关SW1包括一个接触开关或一个TTL电路，并且限定遥控信号的通和断状态。如果遥控信号是通，则开关SW1闭合，并且作为结果，运算放大器U4的输出变到L。
关闭锁存器电路70在其置位端子处从过压保护电路50接收过压保护信号作为一个输入，并且在其复位端子处从电力通/断电路60接收遥控信号作为另一个输入。关闭锁存器电路70从其输出端子输出关闭信号，并且在这种情况下，使用RS触发器U5。当电力通/断电路60的遥控信号和关闭锁存器电路70的关闭信号的任一个指示断电时，关闭执行电路80把光电耦合器PC的输入电压保持为低电平(L)。
在关闭执行电路80中，运算放大器U4的输出信号和关闭锁存器电路70的输出信号，输入到或电路U6，并且或电路U6的输出信号接通或断开开关SW2。如果开关SW2接通，则光电耦合器PC的输入电压VPD保持为L，而如果开关SW2断开，则光电耦合器PC的输入电压VPD等于误差放大器20的输出电压E/AOUT。
其次将描述具有上述配置的装置的操作。图2是波形图，表明图1中所示装置对于遥控信号的通和断的操作。在图2中，(A)表示遥控信号的通和断，(B)表示关闭锁存器电路70的输出，(C)表示光电耦合器的输入电压VPD和输出电压VFB，(D)表示从PWM电路输出的开关元件Q1驱动信号，及(E)表示主输出电压Vo。只要工业电力交流电压输入，辅助换流器40就总在工作，而与遥控信号的通或断无关。这里，假定辅助换流器40总是通过接通工业电力交流电压启动，并且以稳定的方式供给PWM电路30的驱动电压Vcc1和用于次级控制电路的驱动电压Vec2。
首先在时间T1处，遥控信号从断状态(高电平H)变到通状态(低电平L)，然后在电力通/断电路60中的运算放大器U4的输出变到L，并且断开SW2。然后，误差放大器20的运算放大器U1的输出电压作为光电耦合器输入电压VPD供给。另一方面，如果光电耦合器的输出电压VFB等于或小于预定阈值电压Vth，则PWM电路30不会从OUT端子输出脉冲。当输出电压VFB成为比阈值电压Vth高时，PWM电路工作，从而其通和断状态的占空率变大。因而，如果误差放大器20的误差电压信号E/AOUT开始从光电耦合器PC传送，则光电晶体管检测器的发射极电压VFB从0V升高。如果VFB超过阈值电压Vth，则从PWM电路的OUT端子输出用于主开关元件Q1的驱动信号。然后，主换流器10开始工作，并且主输出电压Vo开始升高。
此外，在图2中，光电耦合器的输入电压VPD和输出电压VFB及主输出电压Vo分别以斜坡升高，然而，这是因为在次级中考虑到所谓慢启动电路的安装。就是说，尽管如果提供慢启动电路，则防止所谓的冲击电流，但误差放大器20的误差电压信号E/AOUT在启动时逐渐增大。
其次，当遥控信号在时间T2处断开时，电力通/断电路60的运算放大器U4的输出变到H，并且SW2闭合以把光电耦合器的输入电压VPD箝位到L。然后，由于光电耦合器的输出电压VFB下降到预定阈值电压Vth或更小，所以从PWM电路30的OUT端子输出的主开关元件Q1驱动信号的通状态的占空率成为零，以停止主换流器10。
其次，假定主输出电压Vo在时间T3处产生过电压。然后，过压保护电压50检测过电压，并且置位关闭锁存器电路70。这把光电耦合器的输入电压VPD箝位到L，并且停止主换流器10，直到关闭锁存器电路70复位。在停止主换流器10的同时，除去由过电压引起的缺陷。
如果遥控信号在时间T4处断开，则在电力通/断电路60中的运算放大器U4的输出变到H，并且关闭锁存器电路70复位。此后，如果遥控信号在时间T5处接通，则主换流器10重新启动。
如上所述，由于过压保护信号和遥控信号叠加在输出电压的反馈信号上，所以仅需要一个作为隔离器的光电耦合器。因而，在图1中所示的常规开关式电源具有能得到成本低、可靠性高的开关式电源的优点。
然而，以上常规开关式电源具有如下问题：
通过把过压保护信号叠加到遥控信号上得到的输出电压的反馈信号，仅通过一个光电耦合器传送到初级。因而，如果诸如由光电耦合器的失效造成的输出增大之类的异常状态出现，则不能停止以上开关式电源，并且从而过电压可能继续供给到负载。
本发明的目的在于实现一种高度可靠的开关式电源，该电源
能使用一个隔离元件由次级完成输出控制、启动和关闭、及保护操作，及
即使诸如该隔离器元件失效之类的元件失效出现，也能够安全地停止电源。
图1是配置图，表示常规开关式电源的一个例子。
图2表示图1中所示常规开关式电源的信号波形。
图3是配置图，表示本发明的开关式电源的一个实施例。
图4表明本发明的开关式电源的操作。
图5表明本发明的开关式电源的信号波形。
使用附图下面将详细地描述本发明。图3是配置图，表示本发明的开关式电源的一个实施例。在图3中，与图1中所示常规开关式电源的例子的不同之处在于，开关式电源的初级装有一个初级控制电路100。在图3中，与常规开关式电源的例子中所示的那些相同的块或元件标有相同的符号，并且省略他们的描述。
在图3中，经光电耦合器PC从次级传送到初级的反馈信号VFB由电阻器18转换成电压，并且输入到比较器19的负端子、比较器20的正端子、及PWM电路25。PWM电路25把由反馈信号VFB的值确定的开关式元件Q1的通/断信号OUT1输出到驱动器17，以控制开关元件Q1的开关时间。驱动器17是一个输出与以上通/断信号OUT1相对应的开关式元件Q1的驱动信号OUT2的驱动器。此外，当至复位端子的输入变到H时，PWM电路25停止以上通/断信号OUT1。此后，输入到该复位端子的信号称作操作停止信号。
辅助换流器40通过辅助开关元件Q2接通或断开施加到辅助变压器T2的初级绕组n3上的直流电流。在初级的二级绕组n4中感应的电流在通过一个由二极管D4和电容器C4组成的整流和滤波电路之后，作为用来操作初级控制电路100的辅助电压Vcc1输出。在次级的二级绕组n5中感应的电流在通过一个由二极管D3和电容器C3组成的整流和滤波电路之后，作为次级辅助电压Vcc2输出。
比较器19在其正端子处接收低阈值电压VFBthL作为一个输入，并且当以上反馈信号VFB变得比低阈值电压VFBthL低时，把控制停止信号STP变到H。
比较器20在其负端子处接收高阈值电压VFBoc作为一个输入，并且当以上反馈信号VFB超过高阈值电压VFBoc时，把异常停止信号OCP变到H。
当由比较器20产生的异常停止信号OCP变到H时，计时器锁存器电路21充电计时器电容器22，而当跨过计时器电容器22的电压超过一个规定值时，锁存初级关闭信号S/D、输出信号。此外，计时器锁存器电路21在其复位端子处接收以上控制停止信号STP作为输入，并且当该信号STP变到H时，释放锁存器并且把初级关闭信号S/D变到L。
限流电路24，当由检测电阻器26检测的至开关元件Q1的电流超过一个规定值时，把输出信号变到H。
或电路23接收以上异常停止信号OCP、初级关闭信号S/D、及输出信号CL作为输入。当这三个信号的任何一个变到H时，或电路23把输入到PWM电路25的复位端子的操作停止信号变到H，以停止开关式元件Q1的通/断信号OUT1。
下面将描述按以上所示配置的装置的操作。图4表明图3中所示装置对于以上控制停止信号STP和初级关闭信号S/D的操作。
在图4中，(A)表示对于以上反馈信号电压VFB设置的以上高阈值电压VFBoc，及(B)表示以上低阈值电压VFBthL。因而，上述反馈信号VFB能由以上高阈值电压VFBoc和低阈值电压VFBthL的两个阈值电平划分成三个区域。这些区域以电压从最低增大的顺序叫作“停止区(C)”、“正常操作区(D)”、及“异常操作区(E)”。
首先，使用图5描述本发明的开关式电源在以上正常操作区(D)中的操作。在图5中，数字103代表遥控信号的通/断状态，数字104代表光电耦合器PC的输入电压VPD和输出电压VFB，及数字105代表从驱动器17输出的开关元件Q1的驱动信号OUT2。数字106代表计时器电容器22的充电电压，而数字107代表主输出电压Vo。只要工业电源101输入，辅助换流器输出102就总是工作，而不顾遥控信号的通或断状态。假定在这种情况下，在接通工业电源101之后，已经启动辅助换流器40，并且以稳定的方式供给PWM电路25的驱动电压Vcc1和次级控制电压Vcc2。
如果主换流器10正在正常地工作，则反馈信号VFB位于正常操作区(D)中。PWM电路25根据反馈信号VFB的值控制开关元件Q1的脉冲宽度，以保持输出电压恒定(在图5中的周期“a”)。
其次，使用图5描述本发明的开关式电源在以上停止区(C)中的操作。在这种情况下，如果断开以上遥控信号或过压保护电路50工作，则在以上关闭执行电路80中的开关SW2接通，并且光电耦合器PC的输入电压变到L。然后，由于反馈信号VFB减小到以上低阈值电压VFBthL以下，所以以上比较器19的输出STP变到H，并且从PWM电路25输出的开关元件Q1的驱动信号OUT1复位。这停止驱动器17的输出OUT2，并因而停止主换流器10(在图5中的周期“b”)。此后，如果反馈信号VFB再次返回高于以上低阈值电压VFBthL的值，则主换流器10重新启动操作(在图5中的周期“c”)。此外，如果反馈电压VFB由于光电耦合器PC等的失效偏移低得超过停止区，则主换流器10也能由类似于以上的动作停止(在图5中的周期“d”)。
另外，使用图5描述本发明的开关式电源在异常操作区(E)中的操作。如果反馈电压VFB由于光电耦合器PC等的失效偏移高得进入异常操作区，就是说，当该反馈信号VFB超过高阈值电压VFBoc时，则以上比较器20的输出OCP变到H，并且计时器锁存器电路21开始充电计时器电容器22。如果跨过计时器电容器22的电压超过一个规定值，则以上初级关闭信号S/D作为锁存器信号输出，并且把PWM电路25保持在停止状态(在图5中的周期“e”)。因而，能防止由过电压造成的负载电路的损坏。
此外，如果这与限流电路24相结合，则该功能作为用于输出短路或过电流的保护电路也是有效的。限流电路24借助于检测电阻器26检测在主换流器10中流动的电流，并且如果以上电流进入过流状态，则把限流信号(CL)输出到PWM电路25。该信号使从PWM电路25输出的用于开关元件Q1的通/断信号OUT1的脉冲宽度变窄，并且主换流器10的输出电压逐渐下降(在图5中的周期“f”)。如果该状态继续，则次级误差放大器20的输出在类似于以上的操作后偏移到较高侧，计时器锁存器电路21操作，及然后主换流器10关闭(在图5中的周期“e”)。
在本发明的电路中，有可能通过断开电力通/断电路60中的开关SW1，使反馈信号VFB下降到以上低阈值电压VFBthL以下，比较器19的输出STP变到H，并且计时器锁存器电路21复位。因此，变得有可能在排除过流原因之后，再次通过接通以上开关SW1重新启动主换流器10。
电容器22起稳定计时器的作用，使得有可能以稳定方式供电而不关闭开关式电源，即使反馈信号VFB在开关式电源的瞬态响应、启动等的极短时段内偏移到较高侧也是如此。
以上指示的描述仅是说明性的，以便表示本发明的具体最佳实施例。因此，本发明不限于以上实施例，并且在不脱离其精神或基本特征的范围内能进一步包括多种变更和修改。
如在以上描述中明白的那样，图3中所示的实施例能实现来自次级的主输出电压的控制、主换流器的启动和关闭、及过流保护性操作，并且其释放仅使用单个隔离元件。况且，由于即使隔离元件失效，开关式电源也能迅速停止，所以有可能实现使用较少元件制造的高度可靠的、紧凑开关式电源。
此外，一度关闭的开关式电源能借助于供给的初级输入电压重新启动。这是因为开关式电源具有这样一种配置，其中由初级控制电路锁存的以上操作停止信号能由次级控制电路中的遥控信号复位。
另外，在本发明的开关式电源中，由于以上初级控制电路由通用元件组成，所以有可能容易地获得元件，以及以低成本制造电路。而且，有可能通过使用ASIC生产以上初级控制电路和次级电路，进一步降低成本和空间。

Claims (7)

1.一种开关式电源，装有
一个主换流器(10)，借助于一个主开关元件(Q1)接通和断开施加到主变压器(T1)的初级绕组(n1)上的直流电流，并且通过整流和滤波在次级绕组(n2)中感应的电流把主电力电压输出到次级；
一个误差放大器(20)，在该主电力电压与第一基准电压(Vref1)之间产生一个误差电压；
一个PWM电路(25)，输出用于有关主开关元件的驱动信号，以便减小通过该误差放大器的误差电压；
一个光电耦合器(PC)，接收从所述误差放大器输出的误差电压作为一个输入，并且把它输出到所述PWM电路(25)；
一个过压保护电路(50)，当所述主输出电压超过第二基准电压(Vref2)时，产生一个过压保护信号；
一个电力通/断电路(60)，依据规定电力通/断的遥控信号，输出一个高电平电位或公共电位；
一个关闭锁存器电路(70)，当过压保护电路的过压保护信号代表过压状态时，从关闭锁存器电路的输出端子输出一个关闭信号；及
一个关闭执行电路(80)，如果所述电力通/断电路的遥控信号规定断电、或关闭锁存器电路的关闭信号有效，则把所述光电耦合器的输入电压保持为一个用来抑制光电耦合器发光的电压；
进一步包括一个初级控制电路，该电路
在当通过把所述光电耦合器(PC)的输出转换成电压而得到的反馈信号(VFB)低于低阈值电压(VFBthL)时的周期期间，通过把一个操作停止信号输出到所述PWM电路(25)停止所述主换流器(10)，并且此后当反馈信号(VFB)再次变得大于所述低阈值电压(VFBthL)时，通过复位所述操作停止信号操作主换流器(10)，以及
如果所述反馈信号(VFB)变得大于高阈值电压(VFBoc)时，则通过锁存所述操作停止信号关闭主换流器(10)，并且这种状态继续一定的时间。
2.根据权利要求1所述的开关式电源，其中由所述初级控制电路锁存的所述操作停止信号配置成通过切断所述遥控信号复位。
3.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述初级控制电路装有一个比较器(19)，该比较器在其正端子处接收所述低阈值电压(VFBthL)作为一个输入，
在其负端子处接收所述反馈电压信号(VFB)作为另一个输入，及
从其输出端子处输出控制停止信号(STP)。
4.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述初级控制电路装有一个比较器(20)，该比较器在其负端子处接收所述高阈值电压(VFBoc)作为一个输入，
在其正端子处接收所述反馈电压信号(VFB)作为另一个输入，及
从其输出端子处输出异常停止信号(OCP)。
5.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述初级控制电路装有一个计时器锁存器电路(21)，该计时器锁存器电路，
在其置位端子处接收所述异常停止信号(OCP)作为一个输入，
从其复位端子处接收所述控制停止信号(STP)作为另一个输入，
如果所述异常停止信号(OCP)继续输入一定的时间，则从其输出端子处输出和锁存初级关闭信号(S/D)，及
如果输入所述控制停止信号(STP)，则复位所述初级关闭信号(S/D)。
6.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述初级控制电路装有一个限流电路(24)，该限流电路，
检测施加到所述主变压器(T1)的初级绕组(n1)上的直流电流，及
如果该直流电流超过一个预定值，则输出一个限流信号(CL)。
7.根据权利要求1所述的开关式电源，其中所述初级控制电路，
装有一个接收所述控制停止信号(STP)、所述初级关闭信号(S/D)、及所述限流信号(CL)作为输入的或电路(23)，及
如此配置，从而该或电路(23)的输出输入到所述PWM电路(25)作为一个操作停止信号。
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