CN1319940A - 开关式电源单元 - Google Patents

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Abstract

在正常操作模式中,模式转换控制器8连续操作PWM控制电路6,以便以基本振荡频率操作切换元件5。在备用模式中,模式转换控制器8间断地操作PWM控制电路6,以便以给定重复间隔和在给定时间段内接通切换元件5。该重复间隔短于把来自整流和滤波电路20的输出电压减小到保证负载操作电压的时间,而长于进入声频带的时间。该时间段长于稳定来自整流和滤波电路20的输出的时间,并且长于进入声频带的时间。

Description

开关式电源单元
本发明涉及一种用于使用谐振的脉冲宽度调制(PWM)系统、频率控制或相位控制系统等的开关式电源单元。
按常规，广泛使用的开关式电源单元以诸如比如说100kHz之类的高频切换从整流和滤波工业交变电流产生的直流，并且使用一个变压器高效地把该电流转换到希望电压。
这种开关式电源使用输出电压控制系统，如根据输出电压变化控制切换脉冲的占空率的PWM控制系统、使用谐振的频率控制或相位控制系统及控制切换脉冲频率或相位的类似系统等。
当在其中没有电流加载的等待状态期间负载功率变得极小时，PWM控制的开关式电源单元提供控制以使接通率变窄以便稳定输出电压。为了保持恒定的振荡不可能使接通率为零。通过提供一个伪电阻器保证恒定的接通率。
因而，在PWM控制的开关式电源单元中，伪电阻器所需的功率防止使功率消耗最小化。
当不使用伪电阻器时，增大输出电压使接通率为零以停止用来稳定输出电压的振荡。当振荡停止并且输出电压重复减小时，间断振荡以5至10kHz发生。这种间断振荡把切换频率减小到声频带，并且可能以不一致的周期产生刺耳噪声。
当在其中没有电流加载的等待状态期间负载功率变得极小时，谐振控制开关式电源单元提供控制以增大用来稳定输出电压的振荡频率。然而，增大振荡频率也增大变压器和切换元件中的损失，因而防止使功率消耗最小化。
考虑到关于常规开关式电源单元的以上问题形成了本发明。因此本发明的一个目的在于，提供一种在等待状态期间使功率消耗最小而不产生刺耳噪声的开关式电源单元。
通过提供一种带有一个用来把来自交流电源的交流转换到直流的整流器电路、一个用来切换由该整流器电路整流的电流的切换元件、及一个用来供给由该切换元件切换的电流的初级线圈的开关式电源单元，实现以上目的，该开关式电源单元包括：
一个变压器，带有一个用来产生与供给到该初级线圈的电流相对应的功率的次级线圈；
一个直流输出装置，用来整流和滤波在该变压器的次级线圈处产生的功率，以输出次级直流功率；
切换控制装置，用来控制所述切换元件的切换操作，以便从该直流输出装置输出规定电压；及
控制装置，用来控制所述切换控制装置的操作，
其中所述控制装置在正常操作模式中连续地操作所述切换控制装置，以便以基本振荡频率操作所述切换元件，其中所述控制装置在备用模式中间断地操作所述切换控制装置，以便以给定重复间隔和在给定时间段期间接通所述切换元件，其中重复间隔短于由于在备用模式中负载和所述直流输出装置的功率消耗把来自所述直流输出装置的输出电压减小到保证的负载操作电压的时间，而长于进入声频带的时间，及其中该时间段长于稳定来自所述直流输出装置的输出的时间，并且长于进入声频带的时间。
根据本发明的开关式电源单元能使在等待状态期间的功率消耗最小而不产生刺耳噪声，方法是：通过在正常操作模式中连续地操作切换控制装置，以便以基本振荡频率操作所述切换元件；或者通过在备用模式中间断地操作切换控制装置，以便以给定重复间隔和在给定时间段期间接通所述切换元件，其中重复间隔短于由于在备用模式中负载和直流输出装置的功率消耗把来自所述直流输出装置的输出电压减小到保证的负载操作电压的时间，而长于进入声频带的时间，及其中该时间段长于稳定来自直流输出装置的输出的时间，并且长于进入声频带的时间。
图1是方块电路图，表示根据本发明的开关式电源单元的配置；
图2是时间图，表示在用于开关式电源单元的等待模式中的切换操作；及
图3是流程图，表示在开关式电源单元中由模式转换控制器进行的模式控制过程。
参照附图将更详细地描述本发明的实施例。
例如，根据本发明的开关式电源单元配置成图1中所示。在图1中的开关式电源单元包括一个经交流输入滤波器2连接到工业电力输入终端1上的交流整流器3。交流整流器3经交流输入滤波器2供有来自工业电力输入终端1的交流功率。交流整流器3整流和滤波交流功率以把它转换成用于输出的直流功率。交流整流器3与启动电路4相连，并且经一个切换元件5与转换器变压器10的初级线圈10A相连。
转换器变压器10的次级线圈10B与包括一个二极管21和一个电容器22的整流和滤波电路20相连。整流和滤波电路20经一个电压检测电阻器23与一个次级电压控制器24相连。而且，整流和滤波电路20经一个电流检测电阻器25与一个模式转换控制信号发生器26和一个负载电路30相连。次级电压控制器24和模式转换控制信号发生器26的功率终端供有整流和滤波的输出，作为来自整流和滤波电路20的驱动功率。模式转换控制信号发生器26经一个备用信号输出终端27供有一个备用信号。次级电压控制器24和模式转换控制信号发生器26使用CMOS(互补金属氧化物半导体)IC以使功率消耗最小化到50μA之低。
该开关式电源单元基于脉冲宽度调制(PWM)。开关式电源单元使用一个PWM控制电路6，响应来自次级电压控制器24的控制输出而PWM控制切换元件5的切换操作。PWM控制电路6使用在备用模式中消耗8μA的CMOS IC芯片。
PWM控制电路6经二极管7a供有来自启动电路4的致动输出。来自转换器变压器10的第三线圈10C的第三输出经二极管7b供给到功率终端。PWM控制电路6经一个光电耦合器11供有来自次级电压控制器24的控制输出。
开关式电源单元包括一个经一个光电耦合器12供有来自模式转换控制信号发生器26的模式转换控制信号的模式转换控制器8。模式转换控制器8使用由Microchips，Inc制造的14位芯单片微型计算机PIC12C671。PIC12C671在睡眠模式中消耗7μA的电流。模式转换控制器8的功率终端经一个二极管7c供有来自转换器变压器10的第三线圈10C的第三输出。模式转换控制器8根据经光电耦合器12从模式转换控制信号发生器26供给的模式转换控制信号，控制启动电路4和PWM控制电路6的操作。在正常操作模式中，模式转换控制器8连续操作PWM控制电路6，以便以基本振荡频率操作切换元件5。在备用模式中，模式转换控制器8间断地操作PWM控制电路6，以便以给定重复间隔和在给定时间段内接通切换元件5。该重复间隔短于由于在备用模式中负载和整流与滤波电路20的功率消耗把来自整流与滤波电路20的输出电压减小到保证的负载操作电压的时间，而长于用来进入声频带的时间。该时间段长于用来稳定来自直流输出装置的输出的时间，并且长于用来进入声频带的时间。
光电耦合器11和12是用来把信号从次级侧返回初级侧的信号耦合器。这些耦合器是低功率消耗的，常闭光电耦合器使用光学MOS装置以便节省在备用时的电流。
在如此配置的开关式电源单元中，交流整流器3从工业电力输入终端1经交流输入滤波器2供有交流电流。交流整流器3通过整流和滤波供给的交流功率输出直流功率。这时，直流功率致动启动电路4以把致动信号供给到PWM控制电路6。PWM控制电路6开始在约100kHz的频率下振荡。从PWM控制电路6输出的振荡允许切换元件5进行切换操作。切换元件5切换从交流整流器3供给到转换器变压器10的初级线圈10A的直流电流。转换器变压器10分别在次级线圈10B和第三线圈10C处产生一个次级输出和一个第三输出。
在转换器变压器10的第三线圈10C处产生的第三输出用作用于PWM控制电路6和模式转换控制器8的驱动功率。
在转换器变压器10的次级线圈10B处产生的次级输出在整流和滤波电路20中被整流和滤波。该输出用作用于次级电压控制器24和模式转换控制信号发生器26的驱动功率。次级输出经电流检测电阻器25供给到负载电路30。
次级电压控制器24经电压检测电阻器23检测由整流和滤波电路20整流和滤波的直流输出电压。次级电压控制器24把该直流输出电压与基准电压相比较以得到误差电压。次级电压控制器24经光电耦合器11把与该误差电压相对应的一个控制输出返回到PWM控制电路6。
PWM控制电路6根据控制输出，即从次级电压控制器24返回的误差电压，通过改变振荡输出脉冲宽度，PWM控制切换元件5的切换操作。
通过PWM控制切换元件5的切换操作，有可能稳定从整流和滤波电路20供给到负载电路30的直流电流输出电压。
该开关式电源单元在正常操作模式中按上述那样操作。
在该开关式电源单元的正常操作模式中，模式转换控制信号发生器26经电流检测电阻器25检测至负载电路30的电流，即负载消耗电流，是否下降到规定值比如2mA以上。另外，模式转换控制信号发生器26经备用信号输入终端27供有备用信号。在这些情况下，模式转换控制信号发生器26经光电耦合器12向模式转换控制器8供给一个用来启动备用模式的模式转换控制信号。
当模式转换控制信号发生器26供给用来启动备用模式的模式转换控制信号时，模式转换控制器8进行用来从正常操作模式切换到备用模式的准备。当模式转换控制信号供给规定时间，比如说2秒时，模式转换控制器8控制以把正常操作模式变化到备用模式。
在备用模式中，模式转换控制器8向启动电路4和PWM控制电路6供给一个指示备用模式的备用信号，然后停止启动电路4以把PWM控制电路6置于备用状态。
在备用模式中，模式转换控制信号发生器26检查供给到负载电路30的电流，即负载消耗电流，是否增大。另外，模式转换控制信号发生器26检查是否释放经备用信号输入终端27供给的备用信号。模式转换控制信号发生器26通过电流检测电阻器25的插入进行这些检查。当变化发生时，模式转换控制信号发生器26经光电耦合器12把一个启动正常操作模式的模式转换控制信号供给到模式转换控制器8。
模式转换控制器8使用中断处理控制操作模式。即，当通过用来启动正常操作模式的模式转换控制信号接收到一个中断时，模式转换控制器8立即向启动电路4和PWM控制电路6供给一个用来启动正常操作模式的唤醒信号。模式转换控制器8然后把启动电路4和PWM控制电路6的操作恢复到正常操作模式。
如图2中所示，不活动状态可以持续规定的时间段，比如2.5秒或更长，以便不把中断施加到用来启动正常操作模式的模式转换控制信号上。在这种情况下，模式转换控制器8强制地向启动电路4和PWM控制电路6供给比如说0.2秒的唤醒信号，以操作用来稳定次级输出电压的这些电路。为了从备用状态唤醒，有可能使用各种信号，如增大的负载电流、来自设备的信号等。
在正常操作模式中，该开关式电源单元通过把在约100kHz下的基本振荡频率用作第一频率作为PWM控制开关式调节器工作。在备用模式中，开关式电源单元在固定到比第一频率长得多的周期上的第二频率下以固定接通率进行切换操作。这使备用模式中的功率消耗最小。
在该例子中的第二频率使用0.37Hz和7.5％的接通率。第二频率和接通率取决于在存储在初级电容器中的可用能量与使用该能量能够保持次级输出电压的时间。对于264V的交流输入，在备用模式中的功率消耗在操作期间是360mW×0.2秒=0.072WS，而在睡眠模式中是35mW×2.5秒=0.088WS。平均功率消耗是59mW。对于100V的低输入电压，在备用模式中的功率消耗成为264V的交流输入的约一半或更少。在备用模式中的切换频率极低，为0.37Hz。这在声频带之外，并且不会产生刺耳噪声。
在开关式电源单元的该实施例中，频率和接通率按如下确定，假定输入电容是47μF/400V；第二输出电容器大小是1,200μF/16V；及一个控制功率电容是1,000μF/35V。
假定用于电源的保证的操作电压是90V至400V直流，并且初级电容器大小是47μF，用于100V交流(141V直流)的可用能量是：
47μF×(1412-902)/2=0.277J
假定用来保证次级输出电压需要的功率是35mW，最大不活动时间是：
0.277J/35mW=7.9秒
该例子使用2.5秒具有余量。在操作中的有效功率是360mW。即使软启动电源，功率输出也近似在10ms内成为稳定的。此后，进行PWM控制以稳定次级输出电压。该操作时间可能正好是10ms或更大。
如用于该开关式电源单元的图3的流程图中所示，使用单片微型计算机的模式转换控制器8在操作启动时进行如下步骤：设置CPU环境(步骤S1)，设置监视计时器(WDT)(步骤S2)，设置中断(步骤S3)，设置一个输入/输出端口(步骤S4)，及拉高输入(步骤S5)。
当在步骤S2设置WDT时，一个首部文件用来把WDT设置到2.5秒。
然后，设置一个输出端口B0(步骤S6)。设置一个输入端口B1(步骤S7)。
端口B0输出然后接通(步骤S8)，以致动启动电路4和PWM控制电路6。
为了在备用模式中保持输出，模式转换控制器等待(步骤S9)，直到用来强制操作PWM控制电路6的时间(0.2秒)过去。
然后，端口B1防止输入振动(步骤S10)。当相同的输入条件在端口B1处持续2秒时，振动防止处理接收在端口B1处的该输入，作为有效输入(新STB)。有效输入可以由大部分决定。
假定最新结果(新STB)作为经受在步骤S10的振动防止的有效输入接收、次新结果(旧STB)作有效输入接受、及当前操作模式(datSTB)，如下条件有效。
dat STB=(新STB&旧STB)|(新STB&dat STB)|(dat STB&旧STB)
旧STB=新STB
基于这些条件，依据dat STB是否是1确定备用模式。即，模式转换控制器检查操作模式，当dat STB=1时它是备用模式，或者当dat STB=0时它是正常模式(步骤S11)。
当步骤S11结果是否时，正常操作模式有效。在这种情况下，接通端口B0(步骤S12)以重新启动WDT(步骤S13)。控制然后返回步骤S6，并且重复从步骤S6至S13的处理。
当步骤S11结果是是时，备用操作模式有效。在这种情况下，切断端口B0(步骤S14)以重新启动WDT(步骤S15)。模式转换控制器在睡眠模式中等待(步骤S16)。在2.5秒之后，控制返回步骤S6，并且重复从步骤S6至S16的处理。
该开关式电源单元使用基于可编程单片微型计算机的模式转换控制器8。通过改进程序软件，有可能自由地设置控制时间，并且提供一个通用的电源。如果程序不稳定地执行，则使用WDT进行软复位。开关式电源单元自动恢复。

Claims (3)

1．一种带有一个用来把来自交流电源的交流转换到直流的整流器电路、一个用来切换由该整流器电路整流的电流的切换元件、及一个用来供给由该切换元件切换的电流的初级线圈的开关式电源单元，包括：
一个变压器，带有一个用来产生与供给到该初级线圈的电流相对应的功率的次级线圈；
一个直流输出装置，用来整流和滤波在该变压器的次级线圈处产生的功率，以输出次级直流功率；
切换控制装置，用来控制所述切换元件的切换操作，以便从该直流输出装置输出规定的电压；及
控制装置，用来控制所述切换控制装置的操作，
其中所述控制装置在正常操作模式中连续地操作所述切换控制装置，以便以基本振荡频率操作所述切换元件，其中所述控制装置在备用模式中间断地操作所述切换控制装置，以便以给定重复间隔和在给定时间段期间接通所述切换元件，其中重复间隔短于由于在备用模式中负载和所述直流输出装置的功率消耗，把来自所述直流输出装置的输出电压减小到保证的负载操作电压的时间，而长于进入声频带的时间，及其中该时间段长于稳定来自所述直流输出装置的输出的时间，并且长于进入声频带的时间。
2．根据权利要求1所述的开关式电源单元，进一步包括用来检测负载电流变得低于一个规定值的电流检测装置，
其中当所述电流检测装置在正常操作模式中在规定时间段内检测到低于规定值的负载电流时，所述控制装置进行用于备用模式的控制操作。
3．根据权利要求1所述的开关式电源单元，其中所述控制装置包括所述微型计算机，并且使用程序软件，以便可变地设置诸如在所述备用模式中的重复间隔之类的控制时间。
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