CN1366370A - 电源转换器的线路异常检测与保护装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种交换式电源转换器与方法,转换器包含变压器、开关元件、整流电路、正反馈电路、控制电路及稳压控制电路。变压器包含初级、次级及反馈绕组。开关元件包含主控制端。正反馈电路当开关元件导通时,向主控制端提供正反馈电压。控制电路包含第一控制元件以及延迟电路。延迟电路当开关元件导通后一预定时间,由反馈绕组获得第一电压及稳压控制电路当直流电压达到预定值时提供第二电压,均导通第一控制元件,关断开关元件。

Description

电源转换器的线路异常检测 与保护装置与方法

本发明有关于一种交换式电源转换器，特别是，本发明关于一种使用激振扼流转换(ringing choke converter，RCC)统的交换式电源转换器。

一般而言，一些小家电，譬如说磁带录像机(video tape recorder，VTR)或是传真机等需要一个稳定且功率不大的直流(DC)电源。而使用RCC统的交换式电源转换器具有相对的简单的结构以及高效率的特性，因此广为用作一般小家电的电源装置，用以将家用的AC电源转换成小家电内的电路所需的DC电源。

RCC统，或是说RCC结构，已经在许多的专利中已经描述过了。譬如说，美国专利第6,081,433号、第6,101,103号、以及第6,072,702号中。

图1为一个传统的RCC的简单示意图。AC表示外接的交流电源。经过一个二极管桥式整流器DB以及滤波电容C1后，产生了一个高电压的直流电源，作为整个RCC结构的主电源。

RCC结构含有一变压器T、一开关元件FET Q1、一启动电阻RS、一个正反馈电路40、一控制电路46、以及一输出整流器42。变压器T至少有三个绕组，分别是初级绕组N1、与N1反极性的次级绕组N2、以及与N1同极性的反馈绕组Nb。开关元件FET Q1与初级绕组N1的2端相串接。启动电阻RS连接在初级绕组N1的1端与开关元件FET Q1的栅极之间。正反馈电路40包含有一串接的电阻R4与电容C3，连接在反馈绕组Nb的3端与开关元件FET Q1的栅极之间。控制电路46连接到反馈绕组Nb的3端与开关元件FET Q1的栅极。输出整流器42包含有一串联二极管CR 51以及一并联电容C51。二极管CR 51的阳极连接于次级绕组N2的5端。

当高电压于初级绕组N1的1端出现时，流经RS的小电流会渐渐地对FET Q1的栅极充电。当FET Q1的栅极与FET Q1的源极的电压差到达一FETQ1的阈值电压Vt后，FETQ1便导通，并导致初级绕组N1的1端与2端之间开始有电流流动。1端与2端之间的电流变化会使反馈绕组Nb的4端与3端之间产生感应电压。此感应电压通过正反馈电路40的耦合作用，会提高FET Q1的栅极的电压，更加大了1端到2端的电流值。如此的正反馈会不断的提高1端到2端的电流值，使初级绕组N1储存足够的电流能量。

控制电路46中的电阻R5与电容C5构成了一个RC延迟电路。当电容C5被充电后到一定的电平，晶体管Q3便导通以将FET Q1的栅极电压降低，用以强迫关断FET Q1。此时，初级绕组N1所储存的电流能量便转换到次级绕组N2。次级绕组N2中的感应电流便对电容C51进行充电，并对外界的电路提供电源。当次级绕组N2电流能量放完后，反馈绕组Nb的3端处的电压会由负值反转变成正的预定值时，经过电容C3的耦合，FET Q1会再度地导通，而使初级绕组N1再度储存电流能量。如此反复进行相同动作而自激振荡下去，初级绕组N1可以持续的将电流能量移转至次级绕组N2。

只是，前段所述的PCC结构仅能进行振荡并不能保证Vo与GND之间的电压差维持一个定值。如果，次级绕组N2不断的对C51充电，则Vo与GND之间的电压差可能会过高而损害了后续连接至Vo与GND的电路。

因此，RCC结构常包含有一检测电路48，譬如图1中的发光二极管PD与稳压二极管ZD所示，连接至电容C51的两端。当电容C51上的电压差过高达到稳压二极管ZD的击穿电压时，发光二极管PD可以发光，控制电路46中的光电晶体管PT接收发光二极管PD的光线而导通，因而降低对电容C5充电达晶体管Q3导通的时间。如此，可以避免初级绕组储存过度的电流能量。以使Vo与GND之间的电压维持在一定的电平。

然而，如果AC的电压不足，也就是RCC结构的主电源的电压偏低时，在反馈绕组Nb的3端所产生的感应电压也会降低。如此，控制电路46将无法获得足够的电压使Q3导通，而无法将FET Q1关断。导致了FET Q1持续的导通，而使Vo与GND之间的电位差过高而损害了后续连接至Vo与GND的电路。

有鉴于此，本发明的主要目的，在于提供一种可以防止AC电压不足而导致Vo电压失去控制的问题的RCC统的交换式电源转换器。

本发明的另一目的，在于避免当输出负载过大时，可以降低不必要的功率输出。

本发明的再一目的，在于有效的避免输出过电压的问题。

本发明的再一目的，在于没有输出负载时，可以有效降低交换式电源转换器自身的功率消耗，以符合环保的要求。

根据上述的目的，本发明提出一种交换式电源转换器，包含有一变压器、一开关元件、一整流电路、一正反馈电路、一控制电路以及一稳压控制电路。该变压器至少包含有一初级绕组、一次级绕组以及一反馈绕组。该开关元件与该初级绕组相串联，包含有一主控制端。该整流电路连接于该次级绕组，用以输出一直流电压。该正反馈电路连接于该反馈绕组的第一端与该主控制端之间，当该开关元件导通时，用以提供该主控制端一正反馈电压。该控制电路提供于该反馈绕组与该主控制端之间，包含有第一控制元件以及一延迟电路。该第一控制元件连接至该控制端与第一接地点之间，具有第一控制端。该延迟电路连接于该第一端与该第一控制端之间，当该开关元件导通后一预定时间后，由该反馈绕组获得第一电压，以导通该第一控制元件，以此关断该开关元件。该稳压控制电路连接于该反馈绕组的第二端与该第一控制端之间，当该直流电压达到一预定值时，提供第二电压，以导通该第一控制元件，以此关断该开关元件。

本发明另提出一种控制一交换式电源转换器的方法，该交换式电源转换器包含有一变压器、一开关元件以及一整流电路。该方法包含有下列步骤：(1)当该开关元件导通时，从该反馈绕组的第一端提供该主控制端一正反馈电压；(2)当该开关元件导通后一预定时间，从该第一端提供第一电压给第一控制元件，以此关断该开关元件；以及(3)当该直流电压达到一预定值时，从该反馈绕组的第二端提供第二电压给该第一控制元件，以此关断该关断元件。

本发明的优点在于可以有效提供输入低电压的保护、输出过电压的保护以及过负载的保护)。而且，本发明可以使整个RCC结构，当没有负载时，有效的降低自身消耗的功率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1为一个传统的RCC的电路示意图；

图2为根据本发明，使用RCC统并以FET作为开关元件的交换式电源转换器的电路示意图；以及

图3为根据本发明，使用RCC统并以双极性结型晶体管作为开关元件的交换式电源转换器的电路示意图。符号说明：

10交换式电源转换器                12将AC变为DC的整流器

13、40正反馈电路                  14变压器

16、42输出整流器                  17启动电路

18、48检测电路                    20、46控制电路

22过电流保护电路                  24稳压控制电路

26RC延迟电路                      28检测电路

实施例：

请参阅图2，图2为本发明的使用RCC统的交换式电源转换器的电路示意图。

本发明的交换式电源转换器10包含有一将AC变为DC的整流器12、一启动电路17、一变压器14、一输出整流器16、一开关晶体管FET Q1、一正反馈电路13、一过电流保护电路22、一控制电路20以及一检测电路18。

将AC变为DC的整流器12包含了一桥式整流器BD1以及一滤波电容C1，用以提供整个RCC结构的操作直流电源。

变压器14至少有三个绕组，分别是初级绕组N1、与N1反极性的次级绕组N2、以及与N1同极性的反馈绕组Nb。如图2所示，初级绕组N1的两端分别称为1端与2端，反馈绕组Nb的两端分别称为3端与4端，次级绕组N2的两端分别称为5端与6端。

启动电路17，包含有串接的电阻R1与R2，连接在初级绕组N1的1端开关元件FET Q1的栅极之间，用以提供电源导通时的起始动作所需的电流。开关晶体管FET Q1与初级绕组N1的2端相串接，用以控制初级绕组N1的电流流动。过电流保护电路22包含有电阻R12、R10以及电容C6，用以检测流经开关晶体管FET Q1的电流大小。正反馈电路13包含有一串接的电阻R4与电容C3，连接在反馈绕组Nb的3端与开关晶体管FET Q1的栅极之间。

控制电路20连接到反馈绕组Nb的3端与开关元件FET Q1的栅极。控制电路20包含有一双极性结型晶体管Q3、一RC延迟电路26、一稳压控制电路24以及一检测电路28。

RC延迟电路26包含了电阻R6以及电容C5。电阻R6连接于反馈绕组Nb的3端与双极性结型晶体管Q3的基极之间。电容C5连接于第一接地点与双极性结型晶体管Q3的基极之间。

稳压控制电路24包含了二极管D1、电阻R14、电容C4以及一光电晶体管PT。电阻R14与电容C4并联的接于反馈绕组Nb的4端与第一接地点之间，二极管D1接于第一接地点与反馈绕组Nb的3端，光电晶体管PT接于反馈绕组Nb的4端与双极性结型晶体管Q3的基极之间。

检测电路28包含了一稳压二极管ZD4以及一双极性结型晶体管Q4。双极性结型晶体管Q4串接于双极性结型晶体管Q3的基极与电阻R1跟R22的串接点之间。稳压二极管ZD4连接在双极性结型晶体管Q4的基极和反馈绕组Nb的4端之间。

输出整流器16连接至次级绕组N2，包含有一整流二极管CR 51、一稳压二极管ZD 51、以及一个滤波电容C51。整流二极管CR 51的阳极接至次级绕组N2的5端。稳压二极管ZD 51的阴极、整流二极管CR 51的阴极以及滤波电容C51的正端相接，作为直流电压源的正输出端。稳压二极管ZD51的阳极、滤波电容C51的负端以及次级绕组N2的6端相接到第二接地点，作为直流电压源的接地端。

检测电路18连接于直流电压源的正输出端与第二接地点之间，包含有电阻R52、一发光二极管PD、电阻R53以及一稳压二极管ZD 52。

以下描述了整个交换式电源转换器10的操作过程。

当AC电源尚未接上时，FET Q1为关断状态。当AC电源刚刚接上时，一微小的启动电流将会通过电阻R1与R22，对FET Q1的栅极充电。一旦FET Q1的栅极对源极的电压差大于FET Q1的阈值电压后，FET Q1便会导通，使电流由初级绕组N1的1端流向2端。

当FET Q1导通后，1端流向2端的电流开始增加，反馈绕组Nb因磁电感应产生了4端到3端的电流。3端处产生的感应电压通过电阻R4与电容C3的耦合效应，FET Q1的栅极电压会升高，进而更增加了1端流向2端的电流。如此，产生了一个正反馈的现象，持续的提升1端流向2端的电流。

要关断FET Q1的方式，至少有两种。第一种方式是经过RC延迟电路26。3端处的电压增加，经过一电阻R6与C5所造成的RC延迟时间，双极性结型晶体管Q3的基极电压也会增加。一旦双极性结型晶体管Q3的基极对射极(collector)的电压差达到双极性结型晶体管Q3的导通电压，双极性结型晶体管Q3便导通，将FET Q1的栅极(gate)电压拉下至几乎为0，进而关断了FET Q1。第二种方式是经由过电流保护电路22。过电流保护电路22中的电阻R12上的电压正比于1端流向2端的电流值，当电阻R12上的电压高达一定电平时，通过电阻R10与电容C6的耦合，双极性结型晶体管Q3的基极(base)电压也会增加到导通双极性结型晶体管Q3的电平，进而关断了FET Q1。

当FET Q1关断时，1端流向2端的电流值瞬间变成0。因此，原本储存于初级绕组N1的电流能量便转换到次级绕组N2与反馈绕组Nb。次级绕组N2产生了6端往5端的电流，通过二极管CR 51，对电容C51充电，提高电容C51的正端的电压。反馈绕组Nb产生了3端往4端的充电电流，对电容C4充电，同时降低了3端处的电压值。

当次级绕组N2电流能量放完后，反馈绕组Nb的3端处的电压会由负值反转变成正值。当3端往4端的电流随着振荡改变了方向时，通过电容C3以及电阻R4的耦合，便开始提升FET Q1的栅极电压。一旦FET Q1的栅极与FET Q1的源极之间的电压差高过阈值电压(Vt)后，FET Q1便导通，初始绕组N1开始有电流流动。FET Q1的导通同时也开始了先前所述的正反馈现象，持续的增加1端至2端的电流。

由以上分析可知，FET Q1会持续的进行导通与关断的循环，使能量传输到次级绕组N2。所以可以作为一个直流的电源装置。

经过几次的导通与关断的循环后，由于二极管D1、电容C4以及电阻R14的组合，反馈绕组Nb的4端会形成一个高于第一接地点的电压。

检测电路18以及稳压控制电路24用以控制输出的直流电源的电压。当Vo的电压高于一预定电平时，稳压二极管ZD 52会击穿而导致发光二极管PD通电而发光。依照发光二极管DP的亮度，光电晶体管PT会决定反馈绕组Nb的4端与双极性结型晶体管Q3的基极的导通电平。而反馈绕组Nb的4端便可以成为双极性结型晶体管Q3的基极的电压源。一旦Vo处的电压高于一定电平，双极性结型晶体管Q3的基极处的电压便会将双极性结型晶体管Q3维持在导通的状态。FET Q1保持在关断的状态，进而使Vo与GND之间的电压维持在一定的电平。

本发明有一个主要特征，便是利用反馈绕组Nb的4端，产生一个电压源，作为光电晶体管PT以及检测电路28的电源。

本发明的交换式电源转换器10有下列几项优点：

1.提供良好的输入低电压时的保护：当输入的AC低电压时，因为反馈绕组Nb的3端电压也相对的降低，所以电阻R6与电容C5并无法提供一足够电压来导通双极性结型晶体管Q3，进而关断FET Q1。FET Q1的导通与关断的循环依然会经由过电流保护电路22而产生，并持续的拉高Vo处的电压值。由于次级绕组N2的5端与反馈绕组Nb的4端为同极性，所以反馈绕组Nb的4端的电压会大约正比于次级绕组N2的5端可以成为双极性结型晶体管Q3的基极的电压源。再加上发光二极管PD与光电晶体管PT的作用，双极性结型晶体管Q3会导通，而关断了FET Q1，使Vo处的电压值不致升高。

2.提供良好的输出过电压时的保护：一旦检测电路因某种因素而失效时，致使发光二极管PD与光电晶体管PT失去作用，由第1项的分析可知，Vo处的电压值会拉高，反馈绕组Nb的4端的电压也同时拉高，当反馈绕组Nb的4端的电压值高于一预定的电平时，通过稳压二极管ZD4的击穿以及双极性结型二极管Q4的导通，双极性结型二极管Q3的基极会由电阻R1与电阻R22的连接点接收到一个电压而导通了双极性结型二极管Q3，进而关断了FET Q1，也因而中断了FET Q1的导通与关断的循环。一直等到Vo的电压值降低到一定电平及反馈绕组Nb的4端的电压经过了电阻R14或是其他的漏电路径的漏电低到一定电平，双极性结型晶体管Q3才会关断，FET Q1的导通与关断的循环才会再度开始。

3.提供良好的过负载的保护：当输出的过负载时，也就是Vo与GND之间接上了一个很低的等效电阻负载时，过电流保护电路22中的电阻R12上的电压正比于1端流向2端的电流值，当电阻R12上的电压高达一定电平时，通过电阻R10与电容C6的耦合，双极性结型晶体管Q3的基极(base)电压也会增加到导通双极性结型晶体管Q3的电平，进而关断了FET Q1。由于反馈绕组Nb的4端的电压值并未因输出电压Vo的降低而立即下降，而仍提供了一反向电流通过稳压二极管ZD4，再经双极性结型晶体管Q4的作用下，双极性结型晶体管Q4分流了经过电阻R1的电流。因此，FET Q1的栅极充电电流相对的降低，所以FET Q1的导通时间相对延后。一直等到反馈绕组Nb的4端的电压经过了电阻R14或是其他的漏电路径的漏电低到一定电平，双极性结型晶体管Q4才会关断，FET Q1才能再因足够的起动电流而再度导通。由于FET Q1导通时间的延后，使得电源装置的能量消耗也大大降低。

4.无负载时节省本身电源装置的能量消耗：当输出处的Vo与GND之间没有负载时，反馈绕组Nb的4端处的漏电流可以决定FET Q1的导通时间。另一个决定FET Q1的导通时间是启动电路17对FET Q1的栅极的充电电流的大小。如同第3项的优点的分析所描述的，双极性结型晶体管Q4分流了经过了电阻R1的电流。因此，FET Q1的栅极充电电流相对的降低，所以FET Q1的导通时间相对延后。也就是说，在没有负载时，FET Q1的导通与关断的循环开始时间会相对的延后，整体而言，整个交换式电源装置10的平均消耗功率便降低了。

本发明的RCC统的交换式电源装置中的FET Q1也可以用一个高功率的双极性结型晶体管取代，如图3所示。为了提供双极性结型晶体管Q1于正反馈时的一足够偏置电流，因此，正反馈电路13中必须加上一个二极管D4，连接方式如图3所示。

相较于公知的运用RCC统的交换式电源转换器，本发明的交换式电源转换器在反馈绕组Nb的4端形成了一个电压源，作为光电晶体管PT与检测电路28的电源。如此，可以同时解决了输入低电压、输出过电压以及过负载所可能产生的问题，同时，本发明的交换式电源转换器在没有负载时，也可以自行降低本身功率的损耗。

本发明虽以一较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围以后附的权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种交换式电源转换器，包含有：

一变压器，包含有一初级绕组、一次级绕组以及一反馈绕组；

一开关元件，与该初级绕组相串联，包含有一主控制端；

一整流电路，连接于该次级绕组，用以输出一直流电压；

一正反馈电路，连接于该反馈绕组的第一端与该主控制端之间，当该开关元件导通时，用以提供该主控制端一正反馈电压；

一控制电路，提供于该反馈绕组与该主控制端之间，包含有：

第一控制元件，连接至该控制端与第一接地点之间，具有第一控制端；

一延迟电路，连接于该第一端与该第一控制端之间，当该开关元件导通后一预定时间后，由该反馈绕组获得第一电压，以导通该第一控制元件，以此关断该开关元件；以及

一稳压控制电路，连接于该反馈绕组的第二端与该第一控制端之间，当该直流电压达到第一预定电压值时，提供第二电压，以导通该第一控制元件，以此关断该开关元件。

2.如权利要求1所述的交换式电源转换器，其中，该稳压控制电路包含有一并联的电阻与电容，连接于该第二端与该第一接地点之间，以及一二极管，用以使该第一接地点正向的连接至该第一端。

3.如权利要求1所述的交换式电源转换器，其中，该稳压控制电路包含有：

一检测装置，连接于该整流电路，用以检测该直流电压，当该直流电压达到该第一预定电压值时，发出一耦合信号；以及

一耦合控制装置，当接收到该耦合信号时，用以连接于该第二端与该第一控制端。

4.如权利要求3所述的交换式电源转换器，其中，该检测装置连接于该整流电路与第二接地点之间，包含有串联的一限流电阻、一正向的发光二极管以及一反向的稳压二极管；其中，该耦合控制装置包含有一光电晶体管，用以接收该发光二极管所发产生的光，以使该第二端与该第一控制端连接。

5.如权利要求1所述的交换式电源转换器，其中，该交换式电源转换器另包含有一检测装置，连接于该第二端与该第一控制端之间，当该第二端的电压值高于第二预定的电压值时，提供该第一控制端第三电压，以导通该第一控制元件，以此关断该开关元件。

6.如权利要求5所述的交换式电源转换器，其中，该交换式电源转换器另包含有一启动装置，连接于该初级绕组与该开关元件的该主控制端之间，用以提供该开关元件当一电源启动时的阈值电压。

7.如权利要求6所述的交换式电源转换器，其中，该启动装置包含有两个串联的第一电阻以及第二电阻。

8.如权利要求7所述的交换式电源转换器，其中，该第三电压由该第一电阻与该第二电阻之间的连接点所供应。

9.如权利要求8所述的交换式电源转换器，其中，该检测装置包含有第二控制元件，连接于该连接点与该第一控制端之间，具有第二控制端，以及一齐纳二极管，连接于该第二端与该第二控制端之间。

10.如权利要求1所述的交换式电源转换器，其中，该交换式电源转换器另包含有一过电流保护装置，当该开关元件有一驱动电流达到一预定电流值时，向该第一控制端提供第四电压，以导通该控制元件，以此关断该开关元件。

11.如权利要求10所述的交换式电源转换器，其中，该过电流保护装置包含有一电阻，连接于该开关元件与该第一接地点之间。

12.一种控制一交换式电源转换器的方法，该交换式电源转换器包含有：

一变压器，包含有一初级绕组、一次级绕组以及一反馈绕组；

一开关元件，与该初级绕组相串联，包含有一主控制端；以及

一整流电路，连接于该次级绕组，用以输出一直流电压；

该方法包含有下列步骤：

当该开关元件导通时，从该反馈绕组的第一端提供该主控制端一正反馈电压；

当该开关元件导通后一预定时间，从该第一端提供第一电压给第一控制元件，以此关断该开关元件；以及

当该直流电压达到第一预定电压值时，从该反馈绕组的第二端提供第二电压给该第一控制元件，以此关断该开关元件。

13.如权利要求12所述的控制方法，其中，该控制方法另包含有下列一步骤，当该第二端有一电压值达到第二预定电压值时，提供该第一控制端第三电压，以导通该第一控制元件，以此关断该开关元件。

14.如权利要求12所述的控制方法，其中，该控制方法另包含有下列一步骤，当一主电源开始供应该交换式电源转换器时，经由一启动装置提供一阈值电压给该主控制端，以导通该开关元件。

15.如权利要求14所述的控制方法，其中，该启动装置为一分压电路，包含有一分压点，且该第三电压由该分压点所产生。

16.如权利要求12所述的控制方法，其中，该控制方法另包含有一步骤，当该开关元件有一驱动电流达到一预定电流值时，提供第四电压给该第一控制端，导通该第一控制元件，以此关断该开关元件。

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