CN1256022A

CN1256022A - 具有有限输出功率的逆向变换器

Info

Publication number: CN1256022A
Application number: CN99800077A
Authority: CN
Inventors: R·H·范德瓦尔; W·G·M·伊特斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2000-06-07
Also published as: EP0974188A1; JP2002510460A; WO1999039427A1; US6044002A

Abstract

一种基于具有开关晶体管(54)的脉宽调制控制器(52)的转换开关IC(42)的逆向变换器(PS)。通过改变控制输入端(CTL)上的输入电流来控制脉宽。在正常工作条件下,控制输入端(CTL)上的电压保持在固定的电平,该电压还作为控制单元(52)的供电电压。当负载(B)使平滑电容器(50)两端的电压降低到所述固定电平以下时,电荷泵(CP)为控制输入端(CTL)上的平滑电容器(50)提供额外电荷,从而避免控制单元(52)进入转换开关IC(42)的自动再启动方式。这样,该逆向变换器可以作为一个恒定的功率源为可再充电电池充电,其工作电压低于该变换器的额定输出电压。

Description

具有有限输出功率的逆向变换器

本发明涉及开关电源，它包括：

具有初级绕组和至少一个辅助绕组的变压器；

与所述初级绕组串联连接以便接收输入电压的可控开关；

控制电路，其输出端耦合到所述可控开关的控制输入端以便向所述可控开关提供用于接通和断开所述可控开关的控制信号，并且其输入端用于接收向该控制电路供电的控制电压并且用于控制该可控开关接通和断开的时序；

整流器和平滑电容器，它们串联连接到所述辅助绕组，以便产生所述控制电压。

从Power Integrations，Inc.销售的型号为TOP210的转换开关集成电路(IC)的说明书可以了解这种开关电源。在所述转换开关IC中，所述可控开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关晶体管。尤其是，所述控制电路包括用于改变开关晶体管的截止时间间隔和导通时间间隔之间的比例的脉宽控制器。由流入控制输入端的电流量来确定脉宽的占空比。利用控制电路中的特殊装置使所述控制输入端上的电压保持恒定。这种恒定电压还作为控制电路的供电电压。由于平滑电容器连接到控制输入端，所以，在正常工作的情况下，平滑电容器上的电压等于所述恒定电压。因此，在所述辅助绕组两端的交流电压幅度和所述恒定电压之间存在固定的关系。已知的开关电源的变压器还具有次级绕组，后者连接到待经由整流器供电的负载。辅助绕组和次级绕组之间的匝数比确定了次级绕组两端的交流电压的幅度，并且因此确定了负载两端整流电压的幅度。这样，在待供电的负载两端的直流电压和转换开关IC的控制电路的控制输入端的恒定电压之间存在固定的关系。这种已知的开关电源非常适合于以固定的电压向负载供电。通过把开关晶体管两端的电压降与基准电压比较以及一旦该电压降超过基准电压时立即迫使开关晶体管不导通来限制通过开关晶体管的峰值电流。这种峰值电流限制方法保护开关晶体管免于过载，并且限制了由电源提供的功率。但是，如果待供电的负载过大，例如，像短路那样，或者，如果待供电的负载是仍然处在基本上耗尽的状态下的可再充电电池，那么，次级绕组两端的交流分量降低，并且，辅助绕组两端的交流分量也因此而降低。于是，平滑电容器两端的、同时形成控制电路的供电电压的整流电压降落到低于临界极限值。在这种极限值以下，控制电路被置于所谓自动再启动方式，在这种方式下，控制电路试图以5％的占空比在待供电的负载两端、因此也在平滑电容器的两端建立足以最终返回到正常工作状态的电压。在这些条件下，已知的电源电路即使向待供电的负载提供一些功率，但这通常大大地低于所需要的功率。如果待供电的负载是基本上耗尽的再充电的电池，那么，在把电池电压提高(如果事实上电池满充电时电池电压的确足够高的话)到足以把已知的电源电路恢复到正常工作状态并且随后以令人满意的速率把电池充电到满充电状态之前，要花费很长时间。

本发明的目的是提供一种解决上述问题的方法。为此目的，开篇中所定义的那种类型的开关电源的特征在于该开关电源还包括：

电荷泵，它耦合到辅助绕组，用来将该辅助绕组两端的交流电压转换成平滑电容器两端的直流电压。

一旦辅助绕组两端的电压下降到低于这样的幅度，即，在该幅度下平滑电容器两端的整流电压下降到低于所述恒定电压、使所述控制电路转换到自动再启动方式，则所述电荷泵为平滑电容器提供额外的电荷，结果，可以使平滑电容器两端的电压长时间保持在所述恒定电压，于是，所述控制电路不转换到自动再启动方式。当待供电的负载两端的降低到低于标称值时，只要所述辅助绕组两端的交流电压幅度仍然足够大，那么，根据本发明的开关电源就相当于一个恒定功率源。事实上，控制电路仍然有效，并且在开关晶体管的每一个开关周期在初级绕组中产生正比于开关频率和通过初级绕组的峰值电流的平方的功率。由于开关频率和峰值电流都是恒定的，所以，输送到待供电的负载的是恒定的平均功率。虽然标称的供电电压例如是12伏，但是，所述待供电的负载可以是例如仅仅2.5伏的可再充电电池。因此，根据本发明的电源电路既适合于利用12伏或者任何其它标称电压向负载供电，又适合于利用比标称电压低得多的电压给电池快速充电。因此，所述电源电路适合通用于所有类型的使用可再充电电池的设备中，例如，电动剃刀，电牙刷，真空吸尘器电话机，音频设备，视频设备，计算机设备等等，因为，这些设备的电池被以恒定的功率充电，而在实际短路的情况下仍保持固有的安全特性，即，自动再启动方式。

电荷泵最好包括包含以下部分的电荷泵：串联连接在辅助绕组两端的另一个电容器和第一二极管；以及连接在平滑电容器和另一个电容器与第一二极管之间的节点之间的第二二极管。这样，利用最少数目的元件获得所需要的结果。通过把齐纳二极管用作第一二极管而实现在正常工作状态下所述电荷泵无效。齐纳二极管限制另一个电容器和第一二极管之间节点上的交流电压，于是避免当平滑电容器两端出现象征着控制电路正常工作的恒定电压时第二二极管导通。

下面将参考附图描述和解释本发明的这些和其它方面，附图中：

图1显示与待供电的设备组合的已知的开关电源；

图2显示与具有可再充电电池电动剃刀组合的根据本发明的开关电源；

图3显示具有可再充电电池的电动剃刀；以及

图4显示包含根据本发明的开关电源的、供图3中所示电动剃刀用的电源电压适配器。

在这些图中，具有相同功能或目的的元件带有相同的参考符号。

图1显示与可再充电电动剃刀RS组合已知的开关电源PS的方块图。交流电源电压或者合适的直流电压加到输入端子2和4。如果需要的话，可以通过变压器(未示出)施加交流电源电压。通过二极管电桥6将所述交流电压整流，并且通过电容器8和10以及线圈12将其平滑和滤波。还有可能利用单个二极管而不是二极管电桥。任选的电阻14限制流过二极管电桥6的电流。整流后的输入电压的负端子连接到地端子16。正端子18连接到变压器22的初级绕组20。齐纳二极管24和二极管26与初级绕组20并联配置，并且在流过初级绕组20的电流中断时限制初级绕组20两端的电压。例如，可以使用电容器和电阻串联配置的交流电路来代替齐纳二极管24和二极管26，以便限定初级绕组20两端的电压。

变压器22还具有次级绕组28，其交流电压由整流二极管整流并且由电容器32平滑。电容器32两端的电压为负载供电，作为例子，以具有用于给电动剃刀的可再充电电池B充电的下变换器(down-converter)CNV的可再充电电动剃刀RS的形式示出所述负载。开关电源PS可以容纳在电气设备本身中，容纳在壁式支架或座中，或者容纳在也称为电源插头的电源电压适配器中。在最后所述的两种情况下，负载经由两对接点34/36和38/40连接到电容器32。

图1还示出Power Integrations，Inc.销售的型号为TOP210的转换开关集成电路(IC)。转换开关IC42具有：初级绕组20连接其上的端子DRN(“漏极”)；地端子16连接其上的端子SRC(“源极”)；通过电阻44和二极管46连接到变压器22的辅助绕组48的第一端子的端子CTL(“控制极”)，所述辅助绕组的另一个端子连接到转换开关IC42的端子SRC。在辅助绕组28两端出现与次级绕组28两端的交流电压成正比的交流电压。这种电压被二极管46整流，并且被存储在连接于端子CTL和SRC之间的平滑电容器50中。转换开关IC包括控制电路52，后者控制连接在端子SRC和DRN之间的开关晶体管54的占空比。响应加到端子CTL的电流而控制所述占空比。控制电路52中的特殊装置将控制输入端CTL上的电压保持不变，以便获得也作为控制电路52的供电电压的固定电压。关于这方面的更多的细节，请参考所述转换开关IC的数据表。由于平滑电容器50连接到控制输入端CTL，所以，正常工作时平滑电容器50上的电压等于所述固定电压。结果，在辅助绕组48两端的交流电压固定电压之间存在固定的关系。辅助绕组48和次级绕组28之间的匝数比确定了次级绕组28两端的交流电压的幅度，并且因此确定了负载两端整流电压的幅度。这样，在待供电的负载两端的直流电压和转换开关IC的控制电路的控制输入端CTL上的恒定电压之间存在固定的关系。这种已知的开关电源非常适合用作在电容器32的端子34和36上具有恒定输出电压、例如12伏的逆向变换器。可再充电电动剃刀RS中的下变换器把所述12伏转换成用于电池B的充电电流。这种配置具有比较小的电流流过电源电路PS和可再充电电动剃刀RS之间的连接引线的优点。此外，这样实现了可以借助转换开关IC对具有比较低的端电压、例如2.5伏的电池充电。可再充电的2.5伏电池的直接连接使次级绕组28两端的交流分量、并且因此也使辅助绕组48两端的交流分量减小。于是，平滑电容器50两端的、也形成控制电路52的供电电压的整流电压降落到低于临界极限值，这时，控制电路52被置于所谓自动再启动方式，在这种方式下，控制电路52试图以5％的占空比在待供电的负载两端、因此也在平滑电容器50的两端建立足以最终返回到正常工作状态的电压。关于更多的细节，请再参考关于转换开关IC的数据表。在这些条件下，已知的电源电路向待供电的负载提供一些功率，但是，这通常大大地低于把仍然耗尽的可再充电电池B充电到电池电压提高到足以使转换开关IC恢复到正常工作状态所需要的功率。

为了能够在没有下变换器的情况下对具有低的端电压的电池进行充电，因此而降低成本，已经像图2中所示那样修改了电源电路PS。可再充电电动剃刀RS，或者无论任何其它可再充电设备，具有可再充电电池B，后者直接连接到电源电路PS的电容器32。所述可再充电电动剃刀还包括电动剃刀马达M，后者可以通过开关SW连接到电池B。电源电路PS包括电荷泵CP，后者将辅助绕组48两端的交流电压转换成加到平滑电容器50的电荷。电荷泵CP避免了转换开关IC42的再启动。由于电池B的低的端电压，所以，辅助绕组48两端的交流电压降低到这样的幅度，即，在这样的幅度下，平滑电容器50两端的整流电压降低到低于所述固定电压。这会使控制电路52转换到自动再启动方式。但是，所述电荷泵为平滑电容器50提供额外的电荷，结果，可以把平滑电容器50两端的电压长时间保持在所述固定电压，于是，控制电路52也不会转换到自动再启动方式。当待供电的负载两端的电压降低到标称值以下时，只要辅助绕组48两端交流电压的幅度仍然足够大，那么，所述开关电源就相当于恒定功率源。事实上，控制电路52仍然有效，并且在开关晶体管54的每一个开关周期在初级绕组20中产生正比于开关频率和通过初级绕组20的峰值电流的平方的功率。由于开关频率和峰值电流都是恒定的，所以，输送到待供电的负载的是恒定的平均功率。

电荷泵CP包括串联设置在辅助绕组48两端的电容器56和齐纳二极管58以及连接在平滑电容器50和电容器56与齐纳二极管58之间的节点之间的二极管60。在电容器56和齐纳二极管58之间设置任选的限流电阻62。这样，利用最少数目的元件获得所需要的结果。齐纳二极管58使电荷泵CP在正常工作状态下无效。齐纳二极管58限制交流电压，这避免当平滑电容器50两端出现象征着控制电路52正常工作的恒定电压时二极管60导通。

根据本发明的电源电路适合于具有由电源电压充电的例如NiCd或NiMH电池的可再充电电池的电气设备。作为例子，图3示出电动剃刀，它具有容纳电源电路PS、可再充电电池B和马达M的外壳H。所述马达驱动剃刀架SH并且由开关SW启动。图4示出包含电源电路PS的电源电压适配器或电力插头PP。电力插头PP具有可以连接到图3的电动剃刀的连接引线，在这种情况下，所述电动剃刀不包含电源电路PS。

Claims

1.一种开关电源，它包括：

具有初级绕组(20)和至少一个辅助绕组(48)的变压器(20)；

与所述初级绕组(20)串联连接以便接收输入电压的可控开关(54)；

控制电路(52)，其输出端耦合到所述可控开关(54)以便向所述可控开关(54)提供用于接通和断开所述可控开关(54)的控制信号，并且其输入端(CTL)用于接收向所述控制电路(52)供电用的控制电压并且用于控制所述可控开关(54)接通和断开的时序；

整流器(46)和平滑电容器(50)，它们串联连接到所述辅助绕组(48)，以便产生所述控制电压，

其特征在于所述开关电源(PS)还包括：

电荷泵(CP)，它耦合到辅助绕组(48)，用来将所述辅助绕组(48)两端的交流电压转换成所述平滑电容器(50)两端的直流电压。

2.权利要求1的开关电源，其特征在于所述电荷泵(CP)还包括：

串联连接在所述辅助绕组(48)两端的另一个电容器(56)和第一二极管(58)；以及连接在所述平滑电容器(50)和所述另一个电容器(56)与所述第一二极管(58)之间的节点之间的第二二极管(60)。

3.权利要求2的开关电源，其特征在于：所述第一二极管(58)是齐纳二极管。

4.一种电动剃刀系统，它包括：

(a)电动剃刀(H)，它包括可再充电电池(B)、电气负载(M)、用于把所述马达(M)连接到所述电池(B)；以及(b)如上述各权利要求中任何一个所述的、用于至少向所述电池(B)和/或所述负载(M)提供电力的开关电源(PS)。