CN1309458A - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

开关电源装置,包括可变频率振荡电路、驱动器、软启动电路、接收开关信号的开关元件、经变压器初级线圈连接在开关元件连接点的谐振电容器、设置在变压器次级线圈的整流电路、把整流电路的输出电压Vb与参考电压Vref比较的放大器、根据比较输出控制可变频率振荡电路的振荡元件阻抗的光电耦合器、和当可变频率振荡电路初始驱动时控制振荡频率的充电电压控制电路。当电源接通时频率控制信号相对于时间为非线性。

Description

开关电源装置

本发明涉及开关电源装置。更具体地说，涉及一种开关电源装置，其中，当电源被启动时，形成流入连接到负载侧的变压器的初级侧的整流电流用于提供非线性特性，从而防止过多电流流入变压器初级侧的开关晶体管或类似装置。

公知的开关电源装置基于电流谐振系统。图1示出了这种电流谐振系统的开关电源装置的一个普通例子，该装置具有一个SEPP(单端推挽)结构。

图1所示的开关电源装置10包括开关信号发生器12，开关信号发生器12包括一个可变频率振荡电路14和一个驱动电路16。振荡电路的振荡信号被提供到驱动电路，从而产生一对开关信号，例如，开关信号之间具有反相位关系。在开关信号发生器12由IC电路构成的情况下，一个确定振荡频率的振荡元件(电容器18和电阻器20)外设于IC电路的外部端子12a和12b。

一对开关信号Sp、Sp被提供到具有SEPP结构的一对开关元件22和24。一个MOS型电场效应晶体管或类似元件可以被用作开关元件22和24。一个调谐电容器28被连接到地并通过隔离变压器26的初级线圈26a连接到一对开关元件22和24之间的连接中性点P。

对应二极管30a和30b作为全波整流器整流流入隔离变压器26的一对次级线圈26b和26c的次级电流。全波整流的电流允许平滑电容器32被充电。因此，在平滑电容器32的两端34获得的电压Vb被提供到一个负载(未图示)作为输出电压。

输出电压被提供到作为电压比较器的放大器36，其中该电压与参考电压Vref比较。其比较输出被提供到构成电感控制装置37的光耦合器38，电感控制装置37用于隔离变压器26的初级侧和次级侧。光耦合器38包括一个光电二极管40和一个光电晶体管42，光电晶体管42用作一个可变电感元件。基于比较输出的电流流入该光电晶体管42。

光电晶体管42通过固定电阻器44连接到外部端子12b。因此，当光电晶体管42接通，该电阻器44和光电晶体管42造成的串联阻抗与电阻器20并联，电阻器20是一个振荡元件。

在该结构中，众所周知，由其初级线圈26a和电容器28形成的隔离变压器26初级侧上的谐振电路的谐振频率f和谐振阻抗Z之间的关系依上侧操作而定，如图2中的曲线Lo所示。

在该谐振电路中，当提供到一对开关元件22和24的开关信号Sp、Sp的开关频率增加时，谐振阻抗Z增加。当开关阻抗Z降低，谐振阻抗Z降低。谐振阻抗Z的这种变化导致流入初级线圈26a的谐振电流i1变化。因此，控制谐振电流i1能够控制在变压器26次级侧感应的输出电压Vb。

当在输出端34获得的输出电压Vb高于参考电压Vref时，光电晶体管42根据比较输出确定其阻抗。因此，外部端子12b的复合电阻比单一电阻器20的情况下小，从而振荡频率fsw增加。

当振荡频率fsw增加时，依据初级线圈26a和电容器28确定的谐振阻抗Z增加。因此，流入该初级线圈26a的电流被限制，电流值降低。随着电流降低，在次级线圈26b和26c感应的电流也降低。结果，电容器32的充电电压降低。即，在参考电压Vref的方向上控制输出电压Vb。

相反地，当输出电压Vb低于参考电压Vref时，光电晶体管42的阻抗增加，外部端子12b的复合电阻值增加。可变频率振荡电路14被控制，从而其振荡频率fsw可以降低。结果，与开关元件22和24相关，开关频率降低，变压器26的初级谐振阻抗Z因此降低。这导致谐振电流增加。当谐振电流增加时，次级电流也增加。因此，电容器32的充电电压Vb增加，执行闭环控制，从而接近参考电压Vref。

同时，在该开关电源装置10中，在从接通电源时到电容器32升高到其稳定状态下的电压时的时间内，有大量的谐振电流流动。因此，该电流可能破坏开关元件22和24。

为了减小这种破坏，按照惯例提供一个作为频率控制装置60的软启动电路50，用于限制启动期间的谐振电流。该软启动电路50设置在开关信号发生器12内。一个外部充电电容器52连接到设置在软启动电路50的外部端子12c，从而在接通电源的同时开始为电容器52充电。此时充电电压Va的变化导致振荡电容器18的充电电流变化，振荡电容器18是一个连接到外部端子12a要被充电的振荡元件。

当振荡电容器18的充电电流随经过的时间而变化时，振荡频率fsw也因此变化。将参考图3A到3E描述此现象。

图3A示出了当电源接通时和之后充电电压Va的变化，其中充电特性为线性，由直线La表示。通过与连接到振荡电路14的软启动电路50相关的电容器52的充电电压Va，可变频率振荡电路14改变其振荡频率fsw。振荡频率fsw近似线性变化，由图3B中的特性线Lb表示。当充电电压Va为零伏特时，在高频发生振荡，随着充电电压Va增加，振荡频率fsw降低。

另一方面，初级谐振阻抗Z的特征在于特征曲线Lo，当频率从谐振频率fo增加时，谐振阻抗Z增加，如图2所示。阻抗Z和时间之间关系如图3C所示。即，为非线性特性，谐振阻抗Z最初为高，然后，迅速降低；当充电电压Va接近完全充电时，阻抗平缓变化。

结果，出现非线性特性，即，虽然从接通电源时到预定时间，没有这么大的谐振电流i1流入该初级谐振电流系统，如图3D中的曲线Lc所示，经过特定一段时间后电流i1迅速增加。因此，建立了一个充电模式，在该模式中，虽然连接到输出端34的电容器32的输出电压(充电电压)Vb最初平缓充电，如图3E中的曲线Ld所示，然后执行快速充电。软启动模式终止时的时刻tb之前的瞬间，结果是平缓充电；在时刻tb及之后，该模式转变到闭环引起的电压控制模式。在该控制模式中，执行电压控制，获得的参考电压Vref如图3E中的曲线Le所示。

因此，由于初级阻抗Z变化造成的效应，快速电流i1流入初级谐振系统直到软启动模式终止前瞬间。该快速电流i1对一对开关元件22和24造成过应力，并因此，开关元件22和24或类似元件可能被破坏。

虽然电源接通时施加到负载的电压变化取决于软启动电路的充电特性，如果匹配这种负载的电压变化状态能够被自由地设置，能够实现最适合负载的电压施加状态。但是，由于软启动电路的充电特性仅仅是线性，上述现有技术的缺陷是不能进行灵活响应。

因此，本发明的一个目的是提供一种开关电源装置，其中，当电源接通时，连接到软启动电路的电容器的充电特性平缓，从而至少能够降低是对开关元件的破坏。

根据本发明，在包括一个频率控制装置的开关电源装置中实现该目的，频率控制装置用于在开关信号发生装置初始启动时控制振荡频率，频率控制装置优选为如软启动电路和充电电容器，开关信号发生装置优选为如可变频率振荡电路。频率控制装置的频率控制信号用于提供相对于时间的非线性特性。在一个优选的模式下实现本发明时，由于软启动电路的充电特性为非线性，当电源接通时，快速进行对连接到软启动电路的电容器的充电，然后，逐步进行充电。

由此，最初非线性变化的初级阻抗Z几乎线性变化。谐振阻抗Z确定初级电流i1，并因此，该初级电流i1的过电流被抑制。因此，没有过多电流流入开关元件，能够降低对这些开关元件的破坏。

此外，向负载施加的一个输出电压，尤其是当电源接通时的电压变化依据软启动电路的充电特性变化。该充电特性被作为适合于该负载的充电特性，从而能够实现电路更稳定地工作。

根据本发明，开关电源装置包括一对用于接收开关信号的开关元件；经变压器初级线圈连接到一对这种开关元件的连接点的谐振电容器；设置在变压器次级侧的整流电路；用于把在该整流电路获得的输出电压与参考电压进行比较的比较装置，优选为如放大器；和阻抗控制装置，优选为如光电耦合器，用于根据该比较输出控制可变频率振荡电路的振荡元件的阻抗。

根据本发明的开关电源装置非常适合应用于具有SEEP结构或类似结构的开关转换器。

本说明书的结束部分特别指出并清楚地要求本发明的主题。但是，通过结合附图阅读说明书其余部分，本领域技术人员能够很好地理解本发明的工作结构和方法，以及进一步的优点和目的，在附图中，相同的标号表示相同的元件。

图1是普通开关电源装置的连接图；

图2特性图，示出了表示初级谐振阻抗特性的振荡频率和阻抗之间的关系；

图3A到3E是波形图，用于描述开关电源装置的操作；

图4是连接图，示出了本发明使用的开关电源装置的基本部件；

图5是连接图，示出了在本发明开关电源装置中使用的软启动电路的一个例子；

图6是一个特性图，示出了充电电压控制电路的充电特性；以及

图7是一个连接图，示出了在本发明开关电源装置中使用的软启动电路的另一个例子。

现在，参考附图详细描述本发明的开关电源装置的实施例。

根据本发明，用作开关信号发生装置的软启动电路的充电特性从线性变化到非线性，从而隔离变压器的初级谐振阻抗特性的变化变得平缓，并且因此，能够减小对连接到隔离变压器初级侧的开关元件的破坏。

图4示出了使用软启动电路50时本发明的开关电源装置10。下面将参考图5描述软启动电路50的结构。

在软启动电路50中，以恒电流为电容器52充电的第一电流镜电路72的电流路径74连接到电容器52。第一电流镜电路72包括一个由一对晶体管75和76组成的恒电流部分77、一个连接到晶体管75的基极的第三晶体管78和用于防止回流的二极管(晶体管组成)79。与流入恒电流部分77的电流相同的电流经二极管79流入电容器52，同时电容器52被以恒电流充电。因此，电容器52的充电电压Va表示线性充电特性。

第二电流镜电路82经一对达林顿连接的晶体管80和81连接到电流路径74，达林顿连接的晶体管80和81可以确定流入第二恒电流部分85的恒电流值。第二电流镜电路82类似于第一电流镜电路72连接。该电路包括由一对晶体管83和84组成的恒电流部分85、一个连接到晶体管83的基极的第三晶体管86和用于防止回流的二极管(晶体管组成)87。与流入恒电流部分85的电流相同的电流经二极管87流入电容器18。因此电容器18的充电特性根据充电电压Va的特性被控制。结果，可变频率振荡电路14的振荡频率fsw如所述被控制，实现软启动模式。

根据本发明，还提供用于可变频率振荡电路14的频率控制装置。在所描述的实施例中，设置在软启动电路50的充电电容器52的充电特性被控制，从而获得控制振荡频率的控制信号。

在图4所示的实施例中，振荡频率控制电路包括软启动电路50、连接到软启动电路50的电容器52和连接到电容器52的充电电压控制电路90。电路90具有与电容器52相关的非线性充电电压特性。

电路90具有一对如图4所示串联连接的电阻器91和92，其连接中性点d被连接到外部端子12c。即，电阻器92与电容器52并联连接。一个开关晶体管94还通过电阻器93连接在连接中性点d和电源Vcc之间。一对电阻器95和96产生的分压电压被施加到晶体管94，作为晶体管94的基极电压。

根据如此构成的充电电压控制电路90，电容器52从电源接通时开始被充电，并开始软启动模式。

当电源接通时，晶体管94接通。此时，电容器52被来自电流路径74的充电电流和根据电阻器91、92和93的值(由图6中的直线Pa1表示)确定的充电电流充电。当充电到一特定程度时，晶体管94的发射极电压上升，从而晶体管94被切断。因此，接着，电容器52被来自电流路径74的充电电流和根据电阻器91、92的值(由图6中的直线Pa2表示)确定的充电电流充电。

结果，如图6所示，与电容器52相关的充电特性Pa在图6所示晶体管94切断时的点ta处的转变点y前后不同，同时转变点被解释为参考。即，获得直线Pa1直到晶体管94被切断，然后，晶体管被切断后获得坡度比直线Pa1平缓的直线Pa2。因此，直到晶体管94被切断(如果产生一个小电流)时的点ta执行较快速的充电。相反，晶体管94被切断后，执行平缓充电。即，这里是具有一个转变点的非线性充电特性。

下面将参考图3A到3E描述获得非线性充电特性时初级电流i1和输出电压Vb之间的关系。

图3A所示曲线Pa表示与电容器52相关的充电特性。在可变频率振荡电路14中，其振荡频率fsw根据与连接到振荡电路14的软启动电路50相关的电容器52的充电电压Va而变化。这里提供的特性其振荡频率fsw几乎非线性变化。当充电电压Va为零伏时，发生高频振荡，由图3B所示直线Pb表示，并且当充电电压Va增加时振荡频率fsw降低。但是在转变点y前后频率变化率不同。转变点y后的频率变化率小于转变点之前的频率改变率，当软启动模式结束时振荡频率fsw平缓变化。

隔离变压器26的初级谐振阻抗Z根据振荡频率fsw的变化而变化，如图3C所示。在该谐振阻抗Z中，提供非线性特性，从而在振荡频率(开关信号)fsw高的地方阻抗变化率较小，由图2所示曲线Lo表示，在振荡频率fsw较低的地方阻抗变化率大。但是，由于振荡频率变化率表示非线性特性，如图3B所示，阻抗Z相反地表示近似线性变化，如曲线Po所示。

结果，初级电流i1也是近似线性变化，如图3D中的曲线Pc所示。即，虽然电流变化率与另一个不同，在转变点y前后具有近似线性电流特性。这就防止了电流迅速流入初级线圈26a。

由于电流特性，发现与电容器52相关的充电电压Va即使在转变点y之前和之后也是线性充电，如图3E中的曲线Pd所示。

因此与电容器52相关的充电特性为非线性，可变频率振荡电路14的频率被控制，从而不会导致频率变化被部分加速，从而流入隔离变压器26的初级线圈26a的电流能够被线性地限制。以此方式，流入一对开关元件22和24的电流变得平缓，并大大降低了对开关元件22和24的破坏。

此外，上述输出电压Vb能够根据电容器52的充电特性变化。当考虑到转变点y的位置或转变点y前后充电特性的坡度进行设计时，电源接通时能够实现最适合于连接到输出端34的负载的电压变化状态。结果，能够实现适合于该负载的输出电压上升特性，能够获得更合适的电路操作。

软启动电路100也可按另一个实施例连接，如图图7所示。在该例子中，与电容器52相关的充电电压控制装置没有安装成一个外部电路，而是将该装置安装成直接集成在开关信号发生装置12内的IC电路。因此，在这种情况下，不再需要图1所示的充电电压控制电路90。

在图7所示的软启动电路50内，与DC电源104相关的电流路径101被连接到电容器52。开关晶体管102通过电阻器103和二极管(晶体管构成)105串联连接到该电流路径101，以防止回流。此外，第一电流镜电路106向电阻器103和二极管105之间连接的中性点s提供一个恒电流。

第一电流镜106包括一个作为恒电流源的MOS晶体管107和一个连接到MOS晶体管107的门极的MOS晶体管108。用于确定恒电流值的晶体管109经电阻器110连接到MOS晶体管107。在晶体管109，在多个电阻器Ra到Rd构成的分压电路111的连接的中性点r3获得的最小分压电压被提供到晶体管109的基极。分压电路111把在连接中性点r2获得的中间分压电压施加到与电流路径101连接的开关晶体管102。

达林顿连接的一对晶体管120和121放大流入电流路径101的电流。放大的电流被用作流入第二电流镜电路122的恒电流源125的电流。因此，该电流路径经晶体管123和电阻器124连接到恒电流源125，恒电流源125构成第二电流镜电路122。在晶体管123，在分压电路111的连接中性点r1获得的最大分压电压被提供到晶体管123的基极

在该实施例中，在所提供的电路连接中用于确定上述振荡频率的电容器18被流入第二电流镜12的其他晶体管126的电流充电。

通过这种电路结构，从连接到电流路径101的开关晶体管102到第一电流镜电路106的电路结构用作充电电压控制装置。因此，当电源接通时，电容器52被电流充电，该充电电流包括流入晶体管108的恒电流和流入晶体管102的电流。由于充电，电容器52的端电压Va上升，连接中性点S的电势上升，然后该电势变得高于晶体管102的基极电势。因此，晶体管102被切断。结果，电容器52仅被来自第一电流镜106的恒电流充电。

因此，晶体管102被切断前充电电压的电压变化率与晶体管102被切断后的不同。即，晶体管102切断后的电压变化率小于切断前的，并获得类似于图6所示的充电特性。

由于与该充电特性相同的充电电流的变化也被传输到第二电流镜电路122，与确定振荡频率的电容器18相关的充电特性也是具有转变点y的非线性特性，如图6所示。因此，能够实现类似于图3A到3E的情况的非线性特性。

可以通过别的方式而不是上述方法提供涉及软启动电路50的非线性特性。此外，在上述实施例中，通过单个转变点表示电压变化率的非线性特性。但是，能够通过纯粹曲线实现非线性特性，并能够提供具有多个转变点的非线性特性。

在所示实施例中，虽然本发明应用于具有SEPP结构的开关电源装置，也能够应用于推挽式开关电源装置或半桥结构的开关电源装置。

Claims (5)

1．开关电源装置，包括：

具有可变频率振荡电路的开关信号发生装置；

用于从开关信号发生装置接收开关信号的一对开关元件；

经变压器初级线圈连接到一对这种开关元件的连接点的谐振电容器；

设置在所述变压器次级侧的整流电路；

用于把在整流电路获得的输出电压与参考电压比较的比较装置；

阻抗控制装置，用于根据所述比较装置的比较输出控制所述可变频率振荡电路的一个振荡元件的阻抗；和

频率控制装置，当所述可变频率振荡电路被初始驱动时用于控制振荡频率，

其中，形成所述频率控制装置的频率控制信号，以提供与时间有关的非线性特性。

2．根据权利要求1的开关电源装置，其中所述频率控制装置包括启动期间的软启动电路、充电电容器和连接到该充电电容器两端的充电电压控制装置，

其中非线性充电特性允许从所述软启动电路输出的频率控制信号为非线性特性。

3．根据权利要求2的开关电源装置，其中所述充电电压控制装置拥有的充电特性具有至少一个与所述可变频率振荡电路的启动时间有关的转变点，和

其中经过所述转变点后的充电特性在坡度上比所述转变点之前的充电特性平缓。

4．根据权利要求2的开关电源装置，其中所述充电电压控制装置包括串联连接在电源和地之间的第一和第二电阻器、和经开关晶体管与第一电阻器并联的第三电阻器，和

其中所述充电电容器被连接到第一和第二电阻器之间的中性点。

5．如权利要求1所述的开关电源装置，其中所述充电电压控制装置包括启动期间的一个软启动电路和连接到软启动电路的所述充电电容器；

其中恒电流源与所述充电电容器连接，由第一参考电压操作的开关晶体管被连接到所述充电电容器的充电路径内；和

其中接通或断开开关晶体管时允许所述充电电容器的充电特性为非线性特性。

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