CN1294774A - 开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明的开关电源包括:用于提供规定输出电压、输出输出电压的开关电路;控制开关电路的脉宽控制电路;检测负载功率的电路;以及振荡频率可变振荡电路;变化开关频率,来抑制低负载时的效率降低。

Description

开关电源
技术领域
本发明涉及开关电源，其特征在于，能够抑制负载功率降低的情况下的效率降低、即低负载时的开关损耗。
背景技术
图4是现有这种开关电源的电路图。
在图4中，开关元件310开关直流输入电压，将其变换为交流，经输出变压器360在该变压器360的次级端输出稳定的输出电压。脉宽调制电路320根据检测输出电压得到的反馈量，控制开关元件310的开关。输出电压检测电路330检测输出状态，向变压器360的初级端反馈信号，使得在输出电压高于规定电压的情况下，降低输出电压，而在输出电压低的情况下，提高输出电压。
光耦合器340用于上述反馈，将从输出电压检测电路330得到的信号传至初级端的脉宽调制电路320。频率可变振荡电路350根据反馈电流来变化，如果负载功率在规定负载以下，则降低振荡频率，而如果在规定负载以上，则提高振荡频率。变压器360的初级端连接到电源370。另一方面，变压器360的次级端上连接有整流二极管380、整流电容390及负载400。
如上所述构成的现有开关电源通过根据输出电压高于、或低于规定电压而变化的反馈量来进行降低或提高开关频率的控制。该反馈量与由输出电压决定的晶体管310的导通时间有很大关系。开关电源的负载功率可以用下式来表示。这里，设晶体管310的导通时间为T1，输入电压为Vi’输出电压为Vo’输出变压器360的反电动势产生时间为T2’变压器电感为L，振荡频率为F，负载功率为P。
首先，在负载功率在临界电流以上的情况下，即在负载功率大的情况下，变压器中流过连续的电流，下式成立。
Vi×T1=Vo×T2    (1)
F=1／(T1+T2)     (2)
在该临界电流以上的负载功率的情况下，在振荡频率F一定时，脉宽T1和T2根据变压器的线圈的输出电压的峰值、和输入电压的峰值来变化。变压器的输出电压的峰值与输出电压相等，变压器的输入电压的峰值与输入电压相等。此外，在变压器的线圈上不产生直流电压。
所以，Vi×T1-Vo×T2=0、同样Vi×T1=Vo×T2在原理上成立。在脉宽不根据功率的变化而变化、频率一定时，脉宽T1和T2只与输入电压Vi和输出电压Vo有关系，而与负载功率P没关系。
因此，像图5A及图5B所示的临界电流以上的负载时的波形图那样，负载功率P和反馈量(T1，T2)之间完全没有关系。这里，图5A是负载大的情况，而图5B是负载小的情况，只有电流波形变化。
在负载功率在临界电流以下的情况下，即在负载电流小、变压器中未流过连续的电流的情况下，下式成立。
P=(1／2)×F×T2 2×Vo 2／L    (3)
P=(1／2)×F×T1 2×Vi 2／L    (4)
Vi×T1=T2×Vo               (5)
这里，(3)式是从输出端看来自变压器的输出电压的情况，(4)式是从输入端看至变压器的输入电压的情况，(5)式示出输入电压和输出电压与脉宽之间的关系。
这样，在振荡频率F和变压器的电感L一定、而且作为反馈量的晶体管的导通时间T1一定的情况下，根据(4)式，输出电压P与输入电压Vi的平方有关系。
这里，通过反馈量进行的频率控制是用预定的反馈量、即在晶体管310的导通时间T1一定时开始频率控制，所以在输入电压Vi低的情况下，用低的功率开始频率控制，而在输入电压Vi高的情况下，用高的功率开始频率控制。临界电流以下的负载的电压波形示于图6A及图6B。这里，图6A是在输入电压高的情况下T1一定时，用大的功率开始频率控制。图6B是在输入电压低的情况下用小的功率开始频率控制。
然而，上述现有开关电源有下述课题。
在现有开关电源中，负载功率P的检测通过检测反馈量来进行，但是在负载功率一定的情况下，即在(3)式的P一定的情况下，反馈量根据输出电压Vo和输入电压Vi来变化。进而在负载功率P和输出电压Vo一定的情况下，即在输出电压Vo和脉宽T2一定的情况下，根据输入电压Vi来变化。
所以如果用一定的反馈量来控制频率，则如(4)式所示，负载功率P与输入电压Vi的平方成比例，所以应该一定的频率控制的开始负载功率与输入电压Vi的平方成比例而变化，不能用理想的频率控制开始功率的规定负载功率进行频率控制。在临界电流以下在T2一定时输入电压Vi不同的情况下的电压波形示于图7A及图7B。有下述问题：如图7A所示，在输入电压Vi高时，用大的负载功率开始频率控制，而如图7B所示，在输入电压Vi低时，用小的负载功率开始频率控制。
发明概述
为了解决上述课题，本发明通过检测输出变压器的脉冲电压波形，在低于规定负载功率的状态下，将开关频率降低到预定频率，在上述降低到预定频率的情况下，进行脉宽控制。
如(4)式所示，低负载时的负载功率与输出变压器的脉宽有密切的关系。因此，通过根据变压器的线圈电压的脉冲波形检测脉宽，来检测负载功率，在规定负载以下时，进行控制以降低开关频率，从而抑制低负载时效率的降低。
如上所述，本发明对于输入电压的变化，能够稳定地检测规定负载功率，能够稳定地提高规定负载功率下电源的效率。此外，在规定功率以上时，能够用本来的电源操作来稳定地提供输出。
附图的简单说明
图1是本发明第1实施例的开关电源的电路图；
图2是该电源的负载功率栓测电路的电路图；
图3是本发明第2实施例的开关电源的电路图；
图4是现有开关电源的电路图；
图5A及图5B是说明该电源操作的波形图；
图6A及图6B是说明该电源操作的波形图；
图7A及图7B是使用该电源操作的波形图。
实施发明的最好形式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。
(第1实施例)
图1是第1实施例的开关电源的电路图。
在图1中，一个端子接地的直流电源1的另一个端子连接到输出变压器2的辅助线圈16的一个端子。辅助线圈16的另一个端子连接到开关元件3的一个输出端子。开关元件3的另一个输出端子经变压器2的初级线圈15、整流二极管10及整流电容11接地。一个端子接地的振荡电容17的另一个端子连接到频率可变振荡电路8。一个端子接地的最低频率决定电阻13的另一个端子连接到频率可变振荡电路8。频率可变振荡电路8的输出端连接到脉宽调制电路9。脉宽调制电路9的输出端连接到开关元件3的输入端子。在频率可变振荡电路8及脉宽调制电路9的连接点、和电源1的另一个端子之间连接有启动电阻12。
辅助线圈16的另一个端子经整流二极管4及整流电容5连接到电源1的另一个端子。整流二极管4的阴极经负载电阻18连接到电源1的另一个端子。由稳压二极管构成的输出电压检测电路6的一个端子连接到负载电阻18的一个端子即电源1的另一个端子。负载电阻18的另一个端子经反馈光耦合器7的光电二极管连接到输出电压检测电路6的另一个端子。光耦合器7的光电三极管的发射极接地，集电极连接到脉宽调制电路9。整流二极管10的阳极连接到一端接地的负载功率检测电路19。在频率可变振荡电路8和负载功率检测电路9之间连接有频率控制电阻14。
如上所述构成的第1实施例的开关电源是在输出变压器2的线圈、即初级线圈15及辅助线圈16上设置脉宽检测电路而构成的，将该脉宽检测电路的输出端连接到频率可变振荡电路8。如果输出变压器2的反电动势产生时间在规定时间以下，则降低该振荡电路8的振荡频率。根据这种结构，不需要图4所示的现有结构中所需的变压器的初级端、次级端的绝缘，可以简化结构。
接着，说明其操作。
在图1中，直流电源1提供输入功率。输出变压器2将输出电压从初级线圈15端变换到辅助线圈16端。开关元件3将输入的直流变换为交流。整流二极管4将交流变换为直流。整流电容5对由整流二极管变换为脉动电流的直流进行平滑，变换为稳定的直流。输出电压检测电路6检测输出电压。光耦合器7将由输出电压检测电路6检测到的误差信号反馈到初级端。频率可变振荡电路8可以根据外部信号来改变振荡频率。脉宽调制电路9用反馈量来控制脉宽。最低频率决定电阻13限制频率过低。频率控制电阻14控制频率，并且限制最高频率。负载功率检测电路19根据辅助线圈16的波形用反电动势时间T2来检测负载功率。辅助线圈16输出与初级线圈15相似的波形。负载功率检测电路19根据初级线圈15的脉冲波形来检测反电动势产生时间T2。如果反电动势产生时间T2在一定时间宽度以下，则根据其负载条件来控制频率可变振荡电路8的频率，使得振荡频率从最高频率降低到最低频率。
频率可变振荡电路8能够设定到规定工作频率。该工作频率由连接到频率可变振荡电路8的振荡电容17、最低频率决定电阻13、以及频率控制电阻14来决定。
在负载功率低的情况下，用负载功率检测电路19检测到的信号来降低频率。用流过频率控制电阻14的电流来决定工作频率。此外，限制不要达到由频率控制电阻14决定的频率以上。此外，即使频率降低很多，频率可变振荡电路8也不要降低到规定频率以下。即，即使负载功率检测电路19工作，频率控制电阻14的电流降低成为零状态，也用最低频率决定电阻13来限制最低频率。
再者，频率可变振荡电路8能够在下述情况下通过脉宽控制来限制输出脉冲，稳定地控制输出电压：即使由负载功率检测电路19控制、使得振荡频率降低到规定频率，或者负载功率降低并通过频率控制来抑制输出电压，负载功率也降低到使输出电压提高的程度。
图2示出负载功率检测电路19的详细例子。
在图2中，一个端子接地的电源28的另一个端子经负载电阻21连接到晶体管22的集电极。一个端子接地的电容27的另一个端子连接到该集电极。上述晶体管22的发射极接地，基极经积分电阻25连接到变压器的辅助线圈26的一个端子。辅助线圈26的另一个端子接地。二极管24的阴极及积分电容23的一个端子分别连接到上述晶体管22的基极。二极管24的阳极及积分电容23的另一个端子分别接地。
接着说明具有上述结构的负载功率检测电路的操作。
在图2的电路中，辅助线圈26的电压由积分电阻25和积分电容23积分，成为三角波。将晶体管22的基极-发射极间电压VBE作为阈值，对该信号进行脉宽检测。在输出功率大、辅助线圈26的反电动势大的情况下，反电动势产生时间T2宽，三角波的峰值也增加，所以晶体管22导通，负载电阻21中流过电流。反电动势越大，则晶体管22的导通越强。
如果负载功率变小，则反电动势产生时间T2变窄，三角波的峰值也减小，所以晶体管22切断，负载电流停止。通过这些操作，能够用规定的值来检测负载功率。
本第1实施例是检测Vo×T2的电路，在该电路的情况下，通过使Vo一定，也可以作为检测T2的电路。在变压器的线圈相位相反的情况下，也能够检测T1×Vi，所以根据(5)式，不管用于输出功率检测的辅助线圈输出的相位如何，都能够同样进行规定的负载功率检测。
由此，与初级线圈、次级线圈无关系，不管是哪个线圈，也不管是哪个相位，都能够同样进行功率检测。即使是只有初级线圈的开关电源，也能够进行负载功率检测。
(第2实施例)
图3是第2实施例的开关电源的电路图。
本第2实施例进一步节省第1实施例的功率。
在图3中，对与图1相同的部件附以相同的标号，并且省略其说明。对图1追加的构成要素是起动电阻51、起动检测电路52及作为开关元件的晶体管53。即，晶体管53的集电极经启动电阻51连接到电源1，并且连接到起动检测电路52。晶体管53的发射极连接到频率可变振荡电路8及脉宽调制电路9的连接点，并且连接到二极管10和电容11的连接点。起动检测电路52连接到负载功率检测电路19。
接着说明具有上述结构的开关电源的操作。
在启动电源1时，晶体管53经起动电阻51接通。于是，经启动电阻12从电源1提供电源电压。起动后，能够从二极管10和电容11的连接点提供电压，继续电路操作，所以断开晶体管53。此时，起动检测电路52检测输出脉冲，降低晶体管53的基极电压以使其断开。起动检测电路52也可以是与负载功率检测电路19相同的电路结构。如上所述，本第2实施例能够在起动后切断流过启动电阻12的电流，防止功率损耗，能够比第1实施例进一步节省功率。
产业上的可利用性
本发明的开关电源包括：用于提供规定输出电压、输出输出电压的开关电路；控制开关电路的脉宽控制电路；检测负载功率的电路；以及振荡频率可变振荡电路；变化开关频率，来抑制低负载时的效率降低。

Claims (2)

1、一种开关电源，通过检测输出变压器的脉冲电压波形，在低于规定负载功率的状态下，将开关频率降低到预定频率，在上述降低到预定频率的情况下，进行脉宽控制。
2、如权利要求1所述的开关电源，其中与输出变压器线圈的相位无关系地检测负载功率。
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