CN1424812A - 开关电源 - Google Patents

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Abstract

公开了一种开关电源，在发送停止操作的指令时该开关电源能够防止输出电压(Vout)波动或下冲。根据本发明的开关电源应用具有初级线圈和次级线圈的变压器、连接在变压器的输入端和初级线圈之间的开关电路、连接到变压器的次级线圈的整流器、位于整流器的随后级上并包括输出电容器的滤波电路、控制开关电路的控制电路和响应停止开关操作的指令至少使用存储在输出电容器中的能量给控制电路提供操作电压的操作电压产生电路。因此，本发明的开关电源基本线性地降低了输出电压(Vout)。

Description

开关电源
技术领域
本发明涉及一种开关电源，更具体地说，涉及一种在开关电源的操作停止时能够防止输出电压Vout下冲和波动的开关电源。
背景技术
开关电源广泛地用作电子和电器设备比如计算机的电源。
附图7所示为常规的开关电源的电路图。
如在附图7中所示，常规的开关电源由变压器T1、位于变压器T1的初级侧的开关电路和位于变压器T1的次级侧上的自驱动型整流器和滤波电路。开关电源降低在提供到位于初级侧上的开关电路上的电压Vin中的DC(直流)输入电压以产生DC输出电压Vout并将它提供给负载。在附图7中，负载表示为电阻部件RLoad、电容部件CLoad和电阻部件LLoad。
控制电路10基于输出电压Vout控制包括在初级侧的开关电路中的主开关Q1和Q2。具体地说，在输出电压Vout相对于所需的电压增加时控制电路10降低主开关Q1和Q2的占空系数以降低提供到负载的电功率，而在输出电压Vout相对于所需的电压降低时控制电路10升高主开关Q1和Q2的占空系数以增加提供到负载的电功率。因此，提供到负载的输出电压Vout可以总是稳定在所需的电压上。因为控制电路10属于初级侧，所以控制电路10不能直接接受输出电压Vout。因此，通过隔离电路20给控制电路10提供与输出电压Vout相关的电压Vout’。
通过运行由晶体管Tr1、电阻R1和齐纳二极管Z1组成的操作电压产生电路产生控制电路10的操作电压Vcc。电容器C3连接在控制电路10的电源端子之间以稳定操作电压Vcc。在操作开关S1处于接通状态时启动操作电压产生电路，而在操作开关S1处于切断状态时停止操作电压产生电路。从外部可以控制操作开关S1。在要开始在附图7中所示的开关电源的操作时，接通操作开关S1；在要开始终止在附图7中所示的开关电源的操作时，切断操作开关S1。
包括在次级整流器中的整流开关Q3和Q4通过变压器T1的次级电压自驱动。此外，电阻R2和R3分别插入在整流开关Q3和Q4的栅电极和源电极之间，以防止整流开关Q3和Q4的栅电极处于浮动状态。
接着，解释在附图7中所示的常规的开关电源的操作。
附图8所示为在附图7中的常规的开关电源的操作的时序图。
如附图8所示，在操作开关S1处于接通状态时，在控制电路10的控制下以预定的开关频率将主开关Q1和Q2的栅源电压VGS(Q1)和VGS(Q2)交替地激励到较高的电平。结果，变压器T1的初级电压VLP的极性交替地反向，因此初级侧电容器C1和C2交替地充电和放电。
与初级侧的操作同步地，在变压器T1的次级线圈Ls1和Ls2上出现的次级电压的极性也交替地反向，因此以预定的开关频率交替地使整流开关Q3和Q4处于接通状态。更具体地说，在由于栅源电压VGS(Q1)处于高电平使主开关Q1处于接通状态的同时，整流开关Q3的栅源电压VGS(Q3)上升到比它的阈值电压高在初级线圈Ls2上出现的电压(次级电压)的电压，由此整流开关Q3接通。在另一方面，在由于栅源电压VGS(Q2)处于高电平使主开关Q2处于接通状态的同时，整流开关Q4的栅源电压VGS(Q4)上升到比它的阈值电压高在初级线圈Ls1上出现的电压(次级电压)的电压，由此整流开关Q4接通。
结果，对交替反向的极性的次级电压进行了整流。通过滤波电路对经整流的电压进行滤波，该滤波电路由输出电抗器Lout和输出电容器Cout组成，因此产生了稳定的输出电压Vout。
在另一方面，在某一时间切断操作开关S1时，控制电路10的操作停止，因为晶体管Tr1切断，因此整流开关Q1和Q2处于切断状态。即停止了开关操作。
然而，因为在操作开关S1切断时停止了开关电路的操作，因此整流开关Q3和Q4中的一个或另一个开关处于接通状态，并且反向电流开始从输出电容器Cout和负载的电容部件CLoad流到输出电抗器Lout。
附图8所示为在整流开关Q3响应操作开关S1的切断首先保持在接通状态的情况。在这种情况下，因为停止了初级侧的开关电路，所以整流开关Q3的栅电极的电荷的放电通路实质仅仅为电阻R2。因此，由于流经电阻器R2的电流的作用，整流开关Q3的栅源电压VGS(Q3)渐渐下落。在这个期间，流到输出电抗器Lout的反向电流继续。
在另一方面，由于通过输出电容器Cout和负载的电容部件CLoad的放电和来自整流开关Q3的栅电极的电荷通过电阻R2的放电造成输出电压Vout和次级电压降低，在因为整流开关Q3的栅源电压VGS(Q3)下落到它的阈值电压以下造成整流开关Q3切断时，在变压器T1上的逆程电压上升。逆程电压通过变压器T1升高了在开关电路中的内部电压Vp，并升高了整流开关Q4的栅源电压VGS(Q4)。因此，整流开关Q4保持接通。
如附图8所示，因为通过整流开关Q4流到输出电抗器Lout中电流的方向临时变成正向，因此在这个期间对输出电容器Cout和负载的电容部件CLoad进行充电，因此输出电压Vout增加。
然后，在流到输出电抗器Lout的电流的方向反向时，由于通过输出电容器Cout和负载的电容部件CLoad的放电和来自整流开关Q4的栅电极的电荷通过电阻R3的放电造成输出电压Vout和次级电压降低，整流开关Q4的栅源电压VGS(Q4)逐渐下落。然后，由于整流开关Q4的栅源电压VGS(Q4)下落到它的阈值电压之下，在整流开关Q4切断时，在变压器T1上的逆程电压再次上升，该逆程电压通过变压器T1升高了在开关电路中的内部电压Vp，并升高了整流开关Q3的栅源电压VGS(Q3)。因此，整流开关Q3保持接通。
这种操作周期性地进行直到输出电容器Cout和负载的电容部件CLoad被次级侧电路和负载的电阻部件RLoad所消耗。因此，输出电压Vout逐渐降低同时在比开关周期长得多的周期上产生波动，此外，在开关电路中的内部电压Vp逐渐增加。
如上文所描述，在常规的开关电源中，因为输出电压Vout并不是线性下降，而是逐渐下落，同时在比开关周期长得多的周期上产生波动，即使发出了停止操作开关电源的指令(开关S1切断)，在负载中仍然可能产生某些故障。例如，可以将负载设计成识别开关电源的操作何时已经停止并在输出电压Vout已经下落到预定电压之下时执行一定的操作。但是如果输出电压Vout逐渐降低同时波动，则识别开关电源是否已经停止变得较困难。
此外，在常规的开关电源中，因为在操作终止的过程中在开关电路中的内部电压Vp逐渐增加，所以可能损失了在初级侧使用的电部件。这增加了开关电源的成本。
此外，在常规的开关电源中，因为在操作终止的过程中较大的电流流经输出电抗器Lout、变压器T1的次级线圈Ls1和Ls2和整流开关Q3和Q4，并且因为输出电抗器Lout、变压器T1的次级线圈Ls1和Ls2和整流开关Q3和Q4释放了释放大量的热，所以可能降低开关电源的可靠性。
在负载的电阻部件RLoad变大时这些问题更加突出。因此，在轻负载的情况下在发出了终止操作的指令时，问题非常严重。此外，因为在负载的电容部件CLoad变大时这些问题更加突出，因此电功率提供给具有较大的电容部件CLoad的负载时这些问题也非常严重。
在另一方面，虽然在负载的电阻部件RLoad相当小(即负载较重)时这些问题并不严重，但是在这种情况下，在由于输出电压Vout的下冲(undershoot)的缘故在操作终止的过程中在负载中可能出现某些故障。例如，在输出电压Vout变为负时，在负载中使用的集成电路(IC)中的寄生二极管等可能接通。由于这造成了较大的电流流经IC，因此IC可能产生故障或被损坏。
附图9所示为在操作终止的过程中输出电压Vout的下冲的时序图。
如在附图9中所示，在通过切断操作开关S1来停止初级侧的开关电路的操作时，流经电阻部件RLoad的电流IRLoad从输出电压Vout的输出电流ILout改变到输出电容器Cout的放电电流ICout，并且在负载的电抗部件LLoad上的电压VLLoad上升，因此电流继续流动。结果，输出电压Vout变为负，即出现了下冲。然后，如果下冲电压达到整流开关Q3和Q4的体二极管的正向电压Vf，则这些体二极管接通。结果，电流开始流经由整流开关Q3(体二极管)、变压器T1的次级线圈Ls1、输出电抗器Lout和输出电容器Cout组成的LCR串联电路和由整流开关Q4(体二极管)、变压器T1的次级线圈Ls2、输出电抗器Lout和输出电容器Cout组成的另一LCR串联电路。因此，下冲电压的峰值钳位在-Vf的周围。
在此，在电阻部件RLoad、电抗部件LLoad和输出电容器Cout之间的关系满足公式(1)时，这些LCR串联电路振荡。结果出现下冲。 RLoad 2 < 4 &CenterDot; LLoad Cout . . . ( 1 )
从公式(1)中可以看出，在电阻部件RLoad较小时(在负载较重时)易于产生下冲。为了防止开关电源产生下冲，因为电阻部件RLoad和电抗部件LLoad都属于该负载，所以需要足够电容的附加的电容器Cex与输出电容器Cout并联。这就导致了不希望地增加部件的数量。通过公式(2)可以表示防止下冲附加的电容器Cex所需的电容。 Cex > 4 &CenterDot; LLoad RLoad 2 - Cout . . . ( 2 )
因为在电阻部件Road较小时这种问题较突出，因此在使用开关电源驱动要求较低的电压和较大的电流的负载比如服务器计算机时它变得较严重。
如上文所解释，常规的开关电源具有两个主要的问题：一个问题是在发出了停止开关电源的操作的指令时输出电压Vout逐渐降低同时在非常长的周期时间上波动；另一个问题是在发出了停止开关电源的操作的指令时在输出电压Vout中出现下冲。在电阻部件Rload较大时前一问题变得突出，而在电阻部件Rload较小时后一问题较突出。后一问题是否出现取决于整流器是否是自驱动型。
发明内容
因此本发明的一个发明目的是提供一种开关电源，在发出停止开关电源的操作的指令时该开关电源能够防止输出电压Vout下冲。
因此本发明的另一个发明目的是提供一种开关电源，在发出停止开关电源的操作的指令时该开关电源能够防止输出电压Vout波动。
因此本发明的另一个发明目的是提供一种开关电源，在发出停止开关电源的操作的指令时该开关电源能够防止开关电源的内部电压Vp逐渐增加。
因此本发明的另一个发明目的是提供一种开关电源，在发出停止开关电源的操作的指令时该开关电源能够防止大量的电流流经输出电抗器Lout、变压器T1的次级线圈Ls1和Ls2和整流开关Q3和Q4。
通过包括如下结构的开关电源可以实现本发明的上述目的和其它的目的：
具有初级线圈和次级线圈的变压器；
连接在变压器的输入端和初级线圈之间的开关电路；
连接到变压器的次级线圈的整流器；
控制开关电路的控制电路；以及
第一和第二操作电压产生电路，每个操作电压产生电路产生控制电路的操作电压；
由第一操作电压产生电路所产生的第一操作电压和由第二操作电压产生电路所产生的第二操作电压彼此具有不同的值。
在本发明的优选方面，第一操作电压产生电路包括确定第一操作电压的值的第一齐纳二极管，第二操作电压产生电路包括确定第二操作电压的值的第二齐纳二极管，第一齐纳二极管的齐纳电压和第二齐纳二极管的齐纳电压彼此具有不同的值。
在本发明的进一步优选方面，第一操作电压产生电路进一步包括与第一齐纳二极管并联的操作开关。
在本发明的进一步优选方面，开关电路包括在变压器的输入端和初级线圈之间串联的第一和第二变换器。
在本发明的进一步优选方面，控制电路包括控制第一变换器的第一变换器控制电路和控制第二变换器的第二变换器控制电路，第一操作电压产生电路给为第一和第二变换器控制电路所公用的电源线提供第一操作电压，而第二操作电压产生电路给该电源线提供第二操作电压。
在本发明的进一步优选方面，在第一操作电压产生电路处于有效状态时启动第一和第二第二变换器控制电路，在第二操作电压产生电路处于有效状态时停止第一和第二第二变换器控制电路。
在本发明的进一步优选方面，第一变换器控制电路的最小操作电压和第二变换器控制电路的最小操作电压彼此具有不同的值。
在本发明的进一步优选方面，该开关电源进一步包括使用在变压器的初级侧上的辅助线圈上出现的电压，将第三操作电压提供给电源线的辅助电源电路。
在本发明的进一步优选方面，第三操作电压高于第一和第二操作电压。
在本发明的进一步优选方面，第一变换器是从反向变换器和升压变换器中选择的，并且第一变换器是从半桥变换器、正向变换器、全桥变换器和推挽变换器中选择的。
在本发明的进一步优选方面，整流器是自驱动型的。
根据本发明的这些方面，因为由第一操作电压产生电路所产生的第一操作电压和由第二操作电压产生电路所产生的第二操作电压不同，因此控制电路可以在正常操作的过程中使用从一个操作电压产生电路提供的操作电压进行操作，并且在发送了停止开关电源的操作的指令之后使用从另一个操作电压产生电路提供的操作电压进行操作。即，在发送了该指令之后可以继续开关操作。因此，因为输出电压基本线性地降低并且没有波动或下冲，因此可以有效地避免负载的故障。
具体地说，在整流器是自驱动型的情况下，在发送了停止开关电源的操作的指令时防止在初级侧上的开关电路中的内部电压逐渐增加。因此可以有效地保护在初级侧上使用的电部件不受损坏。此外，因为不需要使用耐高压的部件，因此降低了开关电源的成本。此外，因为在发送指令时较大的电流不流经输出电抗器、变压器的次级线圈和整流器，因此可以提高开关电源的可靠性。
因此，本发明的开关电源适合于作为给具有较大电容部件CLoad的负载提供电功率的开关电源。此外，本发明的特别适合于作为给易于经常呈轻负载状态的负载提供电功率的开关电源。此外，本发明的开关电源还适合于给要求较低的电压和较大的电流的负载(比如服务器计算机)提供电功率的开关电源。即，根据本发明，即使在较重的负载状态或较轻的负载状态下发送了停止开关电源的操作的指令，该开关电源也能够基本线性地降低它的输出电压。
本发明的上述目的和其它目的还可以通过如下的开关电源实现，该开关电源包括：
具有初级线圈和次级线圈的变压器；
连接在变压器的输入端和初级线圈之间的开关电路；
连接到变压器的次级线圈的整流器；
位于整流器的随后级上并包括输出电容器的滤波电路；
控制开关电路的控制电路；以及
响应指令以停止开关操作，至少使用存储在输出电容器中的能量给控制电路提供操作电压的装置。
在本发明的优选方面，在正常操作的过程中从该装置中提供的操作电压低于提供给控制电路的操作电压。
在本发明的进一步优选方面，整流器是自驱动型的。
根据本发明这些方面，该开关电源能够基本线性地降低它的输出电压而不波动或下冲。因此能够有效地避免负载的故障。具体地说，在整流器是自驱动型的情况下，在发送了停止开关电源的操作的指令时能够防止在初级侧的开关电路中的内部电压逐渐增加。因此可以有效地保护在初级侧上使用的电部件不受损坏。此外，因为不需要使用耐高压的部件，因此降低了开关电源的成本。此外，因为在发送指令时较大的电流不流经输出电抗器、变压器的次级线圈和整流器，因此可以提高开关电源的可靠性。
本发明的上述目的和其它目的还可以通过如下的开关电源实现，该开关电源包括：
具有初级线圈和次级线圈的变压器；
串联连接在变压器的输入端和初级线圈之间的第一和第二变换器；
连接到变压器的次级线圈的整流器；
控制第一和第二变换器的控制电路；以及
响应指令以停止开关操作，从而第一和第二变换器的顺序停止第一和第二变换器的操作的装置。
在本发明的优选方面，在发送指令时的时刻到停止第二变换器的操作的时刻的期间中，该停止装置应用从变压器的次级侧提供的能量使第二变换器的操作继续。
在本发明的进一步优选方面，整流器是自驱动型的。
根据本发明这些方面，该开关电源能够基本线性地降低它的输出电压而不波动或下冲。因此能够有效地避免负载的故障。具体地说，在整流器是自驱动型的情况下，在发送了停止开关电源的操作的指令时能够防止在第二变换器中的内部电压逐渐增加。因此能够有效地保护在初级侧上使用的电部件不受损坏。此外，因为不需要使用耐高压的部件，因此降低了开关电源的成本。此外，因为在发送指令时较大的电流不流经输出电抗器、变压器的次级线圈和整流器，因此可以提高开关电源的可靠性。
通过阅读下文参考附图的描述本发明的上述目的和其它目的和特征将会更加清楚。
附图说明
附图1所示为说明本发明的优选实施例的开关电源的电路图。
附图2所示为在负载的电阻部件RLoad相当大时在附图1中所示的开关电源的操作的时序图。
附图3所示为在附图2中所示的时序图的原理部分的放大时序图。
附图4所示为在负载的电阻部件RLoad相当小时在附图1中所示的开关电源的操作的时序图。
附图5所示为在附图1中所示的开关电源的变型实例的电路图。
附图6所示为作为本发明的另一优选实施例的开关电源的电路图。
附图7所示为说明常规的开关电源的电路图。
附图8所示为在附图7中所示的常规的开关电源的操作的时序图。
附图9所示为在发送了停止开关电源的操作的指令时输出电压Vout的下冲的时序图。
具体实施方式
参考附图详细地解释本发明的优选实施例。
附图1所示为作为本发明的优选实施例的开关电源的电路图。
如附图1所示，本实施例的开关电源可以降低提供到一对输入功率端子41和42中的DC(直流)输入电压Vin以在一对输出功率端子43和44之间产生直流输出电压Vout并将该DC输出电压Vout提供给负载。本实施例的开关电源由连接到输入功率端子41和42的反向变换器电路50、连接到反向变换器电路50以激励变压器T2的初级线圈Lp11的半桥变换器电路60、控制反向变换器电路50的反向变换器控制电路71、控制半桥变换器电路60的半桥变换器控制电路72、在正常操作的过程中为反向变换器控制电路71和半桥变换器控制电路72产生工作电压Vcc的辅助电源电路80、在操作的开始的过程中产生工作电压Vcc的第一操作电压产生电路90、在操作的终止的过程中产生工作电压Vcc的第二操作电压产生电路100、位于变压器T2的次级侧上的自驱动型整流器110和连接在整流器110和输出功率端子43和44之间的滤波电路120。
此外，在输入DC电源和输入功率端子41之间提供操作开关S11。为了启动开关电源，必需从外部将操作开关S11改变到接通状态。虽然操作开关S11并不是包括在开关电源中的部件，但是它可以是包括在开关电源中的部件。
反向变换器电路50包括主开关Q11和Q12和虑波电抗器Lb。如在附图1中所示，主开关Q11和虑波电抗器Lb串联连接在高压侧输入功率端子41和半桥变换器电路60之间。主开关Q12连接在低压侧输入功率端子42和主开关Q11和虑波电抗器Lb的节点之间。反向变换器电路50可以降低在输入功率端子41和42之间提供的输入电压Vin以在一对内部线45和46之间产生直流内部电压Vp。
半桥变换器电路60包括串联连接在该对内部线45和46之间的主开关Q13和主开关Q14和串联连接在该对内部线45和46之间的初级侧电容器C11和C12。如附图1所示，变压器T2的初级线圈Lp11连接在主开关Q13和主开关Q14的节点和初级侧电容器C11和C12的节点之间。
反向变换器控制电路71是这样的电路：它控制包括在反向变换器电路50中的主开关Q11和Q12的开关操作以便在反向变换器控制电路71的控制下以预定的停滞时间依次使主开关Q11和Q12进入接通状态。反向变换器控制电路71基于输出电压Vout的电平控制主开关Q12的占空系数。具体地说，在输出电压Vout相对于所需的电压增加时反向变换器控制电路71降低主开关Q12的占空系数以降低通过内部线45和46提供到半桥变换器电路60的电功率，而在输出电压Vout相对于所需的电压降低时升高主开关Q11的占空系数以增加通过内部线45和46提供到半桥变换器电路60的电功率。因此，给半桥变换器电路60提供了具有稳定的电平的内部电压Vp，该稳定的电平取决于直流输入电压Vin和主开关Q12的占空系数。
因为反向变换器控制电路71属于初级侧，所以反向变换器控制电路71不能直接接收输出电压Vout。因此通过隔离电路130给反向变换器控制电路71提供与输出电压Vout相关的电压Vout’。下文将解释反向变换器控制电路71的最小操作电压。
半桥变换器控制电路72是这样的一种电路：它控制包括在半桥变换器电路60中的主开关Q13和主开关Q14的开关操作以便主开关Q13和主开关Q14依次以固定的占空系数进入接通状态。因此，在该对输出功率端子43和44之间出现了具有稳定的电平的输出电压Vout，该稳定的电平取决于内部电压Vp和变压器T2的匝数比。下文将解释半桥变换器控制电路72的最小操作电压。
辅助电源电路80是这样的一种电路：用于在正常操作的过程中产生用于反向变换器控制电路71和半桥变换器控制电路72的工作电压。辅助电源电路80由二极管桥路B、滤波电容器C13和C14、晶体管Tr11和电阻R11和R12构成。二极管桥路B是对在变压器T2的初级侧上的辅助线圈Lp12上出现的电压进行整流的电路。在二极管桥路B的输出节点之间出现的电压通过滤波电容器C13进行滤波以产生辅助功率电压Vsub。晶体管Tr11连接在二极管桥路B的高压侧输出节点和Vcc线之间。电阻R11连接在晶体管Tr11的基极和发射电极之间。二极管桥路B的低压侧输出节点直接连接到内部线46。在半桥变换器电路60开始开关操作时具有上述结构的辅助电源电路80使用在辅助线圈Lp12上出现的电压将具有预定的电平的操作电压提供给Vcc线。通过辅助电源电路80提供到Vcc线的操作电压称为“Vcc1”。
第一操作电压产生电路90是这样的一种电路：用于在操作开始的过程中产生用于反向变换器控制电路71和半桥变换器控制电路72的操作电压。第一操作电压产生电路90由晶体管Tr12、电阻R13、齐纳二极管Z11、二极管D11和操作开关S12构成。如附图1所示，晶体管Tr12和二极管D11串联连接在高压侧输入功率端子41和Vcc线之间。电阻R13和齐纳二极管Z11串联连接在高压侧输入功率端子41和低压侧输入功率端子42之间。电阻R13和齐纳二极管Z11的节点连接到晶体管Tr12的基电极以使齐纳二极管Z11的齐纳电压Vz11应用到晶体管Tr12的基电极。因此，在晶体管Tr12进入接通状态时提供到Vcc线的电压可以表示为：
VZ11-2Vth
(这里Vth表示在晶体管Tr12的基极和发射极电极之间的电压和二极管D11的正向电压两者)。通过第一操作电压产生电路90提供到Vcc线的操作电压称为“Vcc2”。
在本实施例中，选择齐纳二极管Z11，其齐纳电压VZ11表示如下：
Vcc1＞Vcc2
因此，仅在开关电源操作开始时启动第一操作电压产生电路90。在半桥变换器电路60开始开关操作之后，晶体管Tr12进入切断状态以使第一操作电压产生电路90不包括在开关电源的操作中。
包括在第一操作电压产生电路90中的操作开关S12连接在齐纳二极管Z11的相对端之间。为了启动开关电源，必需从外部切断操作开关S12。即，为了启动开关电源，操作开关S11必需接通而操作开关S12必需切断。可以通过切断操作开关S11或通过接通操作开关S12来终止开关电源的操作。
第二操作电压产生电路100是这样的电路：用于在操作终止的过程中产生用于反向变换器控制电路71和半桥变换器控制电路72的操作电压。第二操作电压产生电路100由晶体管Tr13和Tr14、齐纳二极管Z12和二极管D12构成。晶体管Tr13和二极管D12串联在连接内部线45和Vcc线之间。晶体管Tr14连接在内部线45和晶体管Tr13的基电极之间。齐纳二极管Z12连接在晶体管Tr13的基电极和内部线46之间。晶体管Tr14的栅电极和源电极短接以使晶体管Tr14作为恒流元件使用。可以使用电阻器替代晶体管Tr14。
将齐纳二极管Z12的齐纳电压VZ12设置成低于齐纳二极管Z11的齐纳电压VZ11。因此，在操作开关S11处于接通状态并且操作开关S12处于切断状态时，因为晶体管Tr12的基极电压低于晶体管Tr13的基极电压，所以在晶体管Tr13的基极电极和发射极电极之间施加一个比晶体管Tr13的阈值电压更低的电压，然后将晶体管Tr13保持在切断状态。在晶体管Tr11处于切断状态时，第二操作电压产生电路100并不包括在开关电源的操作中。
在晶体管Tr13进入接通状态时，施加到Vcc线的电压表示为：
VZ12-2Vth
(这里Vth表示在晶体管Tr13的基极和发射极电极之间的电压和二极管D12的正向电压两者)。通过第二操作电压产生电路100提供到Vcc线的操作电压称为“Vcc3”。
因为齐纳二极管Z12的齐纳电压VZ12低于如前文所指出的齐纳二极管Z11的齐纳电压VZ11，因此在Vcc2和Vcc3之间的关系可以表示为：
Vcc2＞Vcc3
因此，由于操作开关S11切断或者操作开关S12接通的缘故，仅在晶体管Tr12处于切断时启动第二操作电压产生电路100。
在本实施例的开关电源中，反向变换器控制电路71的最小的操作电压设置成低于Vcc2并且等于或大于Vcc3，而半桥变换器控制电路72的最小的操作电压设置成低于Vcc3。因此，在辅助电源电路80或第一操作电压产生电路90处于有效状态时反向变换器控制电路71可以驱动主开关Q11和Q12，而在第二操作电压产生电路100处于有效状态并且辅助电源电路80和第一操作电压产生电路90都不处于有效状态时反向变换器控制电路71不能驱动主开关Q11和Q12。在辅助电源电路80、第一操作电压产生电路90和第二操作电压产生电路100中任一个处于有效状态时半桥变换器控制电路72就能够驱动主开关Q13和Q14。
整流器110由整流开关Q15和Q16和电阻R14和R15构成。整流开关Q15连接在变压器T2的次级线圈Ls11和低压侧输出功率端子44之间。整流开关Q16连接在变压器T2的次级线圈Ls12和低压侧输出功率端子44之间。整流开关Q15的栅电极连接到次级线圈Ls12，而整流开关Q16的栅电极连接到次级线圈Ls11。即，整流器110是自驱动型的。此外，电阻R14和R15分别插入在整流开关Q15和Q16的栅电极和源电极之间，以防止它的栅电极处于浮动状态。
滤波电路120由连接在整流器110的整流端和高压侧输出功率端子43之间的输出电抗器Lout和连接在该对输出功率端子43和44之间的输出电容器Cout构成。
通过电阻部件RLoad、电容部件CLoad和电抗部件LLoad可以表示负载，该负载不是包括在开关电源中的元件，并且它连接在该对输出功率端子43和44之间。
接着，解释本实施例的开关电源的操作。
附图2所示为本实施例的开关电源的操作的时序图。
为了启动本实施例的开关电源，操作开关S11必需改变到接通状态，并且必需从外部将操作开关S12改变到切断状态。在操作开关S11改变到接通状态并且操作开关S12改变切断状态时，Vcc线的电平变为Vcc2，因为在第一操作电压产生电路90中的晶体管Tr12接通。
由于这个缘故，反向变换器控制电路71和半桥变换器控制电路72都启动。具体地说，反向变换器控制电路71基于电压Vout’以一定占空系数依次使主开关Q11和Q12进入接通状态，而半桥变换器控制电路72以固定的占空系数依次使主开关Q13和Q14进入接通状态。
由于这个缘故，因为变压器T2的初级电压VLP11的极性交替地反向，并且与初级侧的操作同步，因此在变压器T2的次级线圈Ls11和Ls12上出现的次级电压也交替地反向，因此整流开关Q15和Q16交替地依次进入接通状态。结果，对交替反向的极性的次级电压进行了整流，并且通过滤波电路120对所整流的电压进行滤波以产生稳定的输出电压Vout。
附图3所示为在附图2中所示的时序图的原理部分的放大时序图。
如附图3所示，在半桥变换器控制电路72的控制下在主开关Q13和Q14相互切换时，流经输出电抗器Lout的电流ILOUT的频率变成开关频率的两倍，而流经变压器T2的初级线圈Lp11的电流ILP11的频率变成与开关频率相同。在流经输出电抗器Lout的电流ILOUT的方向为正向的情况下，对输出电容器Cout进行充电；在流经输出电抗器Lout的电流ILOUT的方向为负向的情况下，输出电容器Cout放电。
在主开关Q13处于接通状态的周期中，在流经变压器T2的初级线圈Lp11的电流ILP11的方向为正向的同时初级侧电容器C11放电，而在流经变压器T2的初级线圈Lp11的电流ILP11的方向为负向的同时对初级侧电容器C11进行充电。虽然在附图3中没有示出，在主开关Q14处于接通状态的周期中，在流经变压器T2的初级线圈Lp11的电流ILP11的方向为正向的同时对初级侧电容器C12进行充电，而在流经变压器T2的初级线圈Lp11的电流ILP11的方向为负向的同时初级侧电容器C12放电。
在通过半桥变换器电路60的开关操作所产生的电压出现在变压器T2上的辅助线圈Lp12上时，辅助电源电路80将操作电压Vcc1提供给Vcc线的电平。然后，停止第一操作电压产生电路90。
在另一方面，在操作开关S12在所需的时间上充电到接通状态时，晶体管Tr12切断，因为它的基极电压降低了。在晶体管Tr12切断时，晶体管Tr11也切断，因为它的基极电压也降低了。
由于这个原因，Vcc的电平降低，然后晶体管Tr13接通，因为在它的基极和发射极电极之间的电压超过它的阈值电压。然后，Vcc线的电平变成Vcc3，因此反向变换器控制电路71的操作终止。即，主开关Q11和Q12都呈切断状态。在另一方面，因为将半桥变换器控制电路72的最小操作电压设定成低于Vcc3，因此主开关Q13和Q14继续开关操作。
因此，整流开关Q15和Q16也以正常的开关频率继续开关操作，并且整流开关Q15和Q16都不会象常规的开关电源那样保持在接通状态。
如前文所述，根据本实施例的开关电源，在通过接通操作开关S12发送停止开关电源的操作的指令之后，主开关Q13和Q14仍然继续开关操作，因此存储在负载的电容部件CLoad和输出电容器Cout中的能量逐渐被负载的电阻部件RLoad、主开关Q13和Q14、整流开关Q15和Q16等消耗掉，因此降低了输出电压Vout。在这个期间，由于主开关Q13和Q14继续以正常的开关频率进行开关操作，因此输出电压Vout并不会象常规开关电源那样降低而且波动，但输出电压Vout基本线性地降低。
此外，在本实施例的开关电源中，即使在操作开关S12改变到接通状态时主开关Q13和Q14仍然继续开关操作。因此，与常规的开关电源不同的是，不会产生逆程电压，因此在开关电路中的内部电压Vp不会增加。在开关电路中的内部电压Vp如附图2所示那样线性地降低。在另一方面，在Vcc线电平降低了半桥变换器控制电路72的最小操作电压时，所有的开关操作都终止。在这时，因为已经消耗了存储在输出电容器Cout和负载的电容部件CLoad中的大部分能量，因此输出电压Vout不会象常规的开关电源那样在非常长的时间周期上波动。
此外，因为在操作开关S12改变接通状态之后主开关Q13和Q14的开关操作与在正常的操作过程中的开关操作相同，因此流经输出电抗器Lout的电流与正常操作的电流相同，并且没有异常电流流动。
此外，在本实施例的开关电源中，因为在通过操作开关S12的接通发送停止开关电源的操作的指令之后，主开关Q13和Q14继续开关操作，所以在满足如下的公式(3)时由整流开关Q15(体二极管)、变压器T2的次级线圈Ls11、输出电抗器Lout和输出电容器Cout组成的LCR串联电路和由整流开关Q16(体二极管)、变压器T2的次级线圈Ls12、输出电抗器Lout和输出电容器Cout组成的另一LCR串联电路振荡： RLoad 2 < 4 &CenterDot; LLoad Cout + ( N 1 N 2 ) 2 &CenterDot; ( C 11 + C 12 ) . . . ( 3 )
这里N1表示变压器T2的初级线圈Lp11的匝数，N2表示变压器T2的次级线圈Ls11和Ls12的匝数。
从公式(3)中可以看出，根据本实施例，因为将初级侧电容器C11和C12的电容加入到公式(1)中，所以LCR串联电路阻止了振荡。因此，通过应用初级侧电容器C11和C12的电容但不使用任何附加的电容器Cex可以防止输出电压Vout的下冲。
附图4所示为在附图1中的开关电源的操作的时序图，在该图中负载的电阻部件RLoad相当小。
如附图4所示，在初级侧电容器C11和C12的电容即使不满足公式(3)的情况下，即使在负载的电抗部件LLoad上的电压VLLoad上升，因为LCR串联电路不满足振荡条件，因此输出电压Vout也不会变为负。即，可以防止输出电压Vout的下冲。
如上文所解释，根据本实施例的开关电源，因为通过接通操作开关S12终止开关电源的操作而不产生在常规的开关电源中出现的各种问题，因此可以通过在接通状态下的操作开关S11启动和终止本实施例的开关电源的操作。因此，本实施例的开关电源特别适合于操作开关S11设置在开关电源之外的情况。
此外，在本实施例的开关电源中，因为在正常操作的过程中停止了第一操作电压产生电路90，同时通过辅助电源电路80给Vcc线提供操作电压，因此在正常操作的过程中在第一操作电压产生电路90中不会产生电损失。
此外，因为本实施例的开关电源通过两个串连变换器电路、反向变换器电路50和半桥变换器电路60执行输入电压Vin的压降，因此可以降低在每个变换器电路中产生的电损失，因此可以总体地提高转换效率。
虽然附图2和4所示为通过接通操作开关S12终止本实施例的开关电源的操作的情况，但是通过切断操作开关S11也可以终止它。还是在这种情况下，与接通操作开关S12的情况类似，可以终止开关电源的操作而不产生在常规的开关电源中出现的各种问题。
在本实施例的开关电源中，虽然包括在第二操作电压产生电路100中的晶体管Tr13的集电极电极和晶体管Tr14的漏极电极都连接到内部线45，但是它们也可以连接到包括在辅助电源电路80中的二极管桥路B的高压侧输出节点，如附图5所示。在附图5中所示的开关电源可以执行与在附图1中的开关电源的操作几乎相同的操作。
接着，解释本发明的另一优选的实施例。
附图6所示为本发明的另一优选实施例的开关电源的电路图。
如在附图6中所示，除了增加附加的电路140以外，本实施例的开关电源具有与在附图1中所示的开关电源相同的结构。
附加电路140由串联连接在内部线45和46之间的附加电容器Ca和附加电阻器Ra构成，它用于防止LCR串联电路振荡。在本实施例中，在满足公式(4)时，LCR串联电路振荡，由此产生下冲。 RLoad 2 < 4 &CenterDot; LLoad Cout + ( N 1 N 2 ) 2 &CenterDot; ( cl 1 + cl 2 ) + ( 2 &CenterDot; N 1 N 2 ) 2 &CenterDot; Ca . . . ( 4 )
从公式(4)中可以看出，根据本实施例，LCR串联电路仍然非常强地抑制了振荡，因为附加电容器Ca的电容加入到公式(3)中。因此，本实施例的开关电源适合于在仅仅通过利用初级侧电容器C11和C12的电容不能防止输出电压Vout的下冲的地方，即在满足公式(3)时。因为附加电容器Ca和附加电阻器Ra构成了时间恒定电路，在正常操作的过程中附加电路140并不影响开关电源的操作。
附加电路140可以加入到在附图5中所示的开关电源中。
因此参考具体的实施例已经示出并描述了本发明。然而，应该注意的是本发明并不限于所描述的详细结构，在不脱离所附加的权利要求的范围的前提下可以作出变型。
例如，在上述的实施例中，通过给齐纳二极管Z12设置低于齐纳二极管Z11的齐纳电压VZ11的齐纳电压VZ12可以实现所需的操作。然而，可以允许齐纳二极管Z11的齐纳电压VZ11和齐纳二极管Z12的齐纳电压VZ12具有相同的值或者齐纳二极管Z11的齐纳电压VZ11低于齐纳二极管Z12的齐纳电压VZ12，只要在操作开关S11处于接通状态同时操作开关S12处于切断状态时，晶体管Tr12的基极电压高于晶体管Tr13的基极电压。
此外，在上述的实施例中，通过将反向变换器控制电路71的最小操作电压设置成高于半桥变换器控制电路72的最小操作电压可以实现所需的操作。然而，可以允许这些最小操作电压具有相同的值或者反向变换器控制电路71的最小操作电压低于半桥变换器控制电路72的最小操作电压，只要在例如通过在反向变换器控制电路71的Vcc输入端和Vcc线之间增加一个或串联的多个二极管启动第二操作电压产生电路100时，在半桥变换器控制电路72保持在有效状态的同时，停止反向变换器控制电路71。
此外，在上述的实施例中，变压器T2的初级侧电路由串联连接的反向变换器电路50和半桥变换器电路60构成；然而，变压器T2的初级侧电路并不限于这种结构，也可以串联使用其它的变换器电路作为变压器T2的初级侧电路。例如，可以使用升压变换器电路等类似的电路替代反向变换器电路50，以及使用正向变换器电路、全桥变换器电路、推挽变换器电路等替代半桥变换器电路60。
此外，在上述的实施例中，整流器110是自驱动型的。然而，因为不管整流器是否是自驱动型的，在操作终止的过程中输出电压Vout下冲的问题都会出现，因此也可以使用通过驱动电路控制的同步型整流器或使用二极管的普通型整流器替代自驱动型的整流器110。
此外，在上述的实施例中，虽然反向变换器控制电路71和半桥变换器控制电路72都属于变压器T2的初级侧，但是它们也可以属于变压器T2的次级侧。
如上文所述，根据本发明的开关电源，可以以如下的方式终止开关电源的操作：输出电压Vout基本线性地降低而不会有波动或下冲。因此可以有效地避免负载的故障。此外，根据本发明的开关电源，在发送了停止开关电源的操作的指令时防止在初级侧上的开关电路中的内部电压Vp逐渐增加。因此可以有效地保护在初级侧上使用的电部件不受损坏。此外，因为不需要使用耐高压的部件，因此降低了开关电源的成本。此外，因为在发送指令时较大的电流不流经输出电抗器Lout，因此可以提高开关电源的可靠性。
因此，本发明的开关电源适合于作为给具有较大电容部件CLoad的负载提供电功率的开关电源。此外，本发明的开关电源特别适合于作为给易于经常呈轻负载状态的负载提供电功率的开关电源。此外，本发明的开关电源还适合于给要求较低的电压和较大的电流的负载(比如服务器计算机)提供电功率的开关电源。即，根据本发明，即使在较重的负载状态或较轻的负载状态下发送了停止开关电源的操作的指令，该开关电源也能够基本线性地降低它的输出电压。

Claims (20)

1.一种开关电源，包括：
具有初级线圈和次级线圈的变压器；
连接在变压器的输入端和初级线圈之间的开关电路；
连接到变压器的次级线圈的整流器；
控制开关电路的控制电路；以及
第一和第二操作电压产生电路，每个操作电压产生电路产生控制电路的操作电压；
由第一操作电压产生电路所产生的第一操作电压和由第二操作电压产生电路所产生的第二操作电压彼此具有不同的值。
2.如权利要求1所述的开关电源，其中第一操作电压产生电路包括确定第一操作电压的值的第一齐纳二极管，第二操作电压产生电路包括确定第二操作电压的值的第二齐纳二极管，第一齐纳二极管的齐纳电压和第二齐纳二极管的齐纳电压彼此具有不同的值。
3.如权利要求2所述的开关电源，其中第一操作电压产生电路进一步包括与第一齐纳二极管并联的操作开关。
4.如权利要求1所述的开关电源，其中开关电路包括在变压器的输入端和初级线圈之间串联的第一和第二变换器。
5.如权利要求2所述的开关电源，其中开关电路包括在变压器的输入端和初级线圈之间串联的第一和第二变换器。
6.如权利要求5所述的开关电源，其中控制电路包括控制第一变换器的第一变换器控制电路和控制第二变换器的第二变换器控制电路，第一操作电压产生电路给第一和第二变换器控制电路所公用的电源线提供第一操作电压，而第二操作电压产生电路给该电源线提供第二操作电压。
7.如权利要求6所述的开关电源，其中在第一操作电压产生电路处于有效状态时启动第一和第二第二变换器控制电路，在第二操作电压产生电路处于有效状态时停止第一和第二第二变换器控制电路。
8.如权利要求6所述的开关电源，其中第一变换器控制电路的最小操作电压和第二变换器控制电路的最小操作电压彼此具有不同的值。
9.如权利要求6所述的开关电源，其中进一步包括使用在变压器的初级侧上的辅助线圈上出现的电压，将第三操作电压提供给电源线的辅助电源电路。
10.如权利要求9所述的开关电源，其中第三操作电压高于第一和第二操作电压。
11.如权利要求4所述的开关电源，其中第一变换器是从反向变换器和升压变换器中选择的，并且第一变换器是从半桥变换器、正向变换器、全桥变换器和推挽变换器中选择的。
12.如权利要求1所述的开关电源，其中整流器是自驱动型的。
13.一种开关电源，包括：
具有初级线圈和次级线圈的变压器；
连接在变压器的输入端和初级线圈之间的开关电路；
连接到变压器的次级线圈的整流器；
位于整流器的随后级上并包括输出电容器的滤波电路；
控制开关电路的控制电路；以及
响应指令以停止开关操作，至少使用存储在输出电容器中的能量给控制电路提供操作电压的装置。
14.如权利要求13所述的开关电源，其中在正常操作的过程中从该装置中提供的操作电压低于提供给控制电路的操作电压。
15.如权利要求13所述的开关电源，其中整流器是自驱动型的。
16.如权利要求14所述的开关电源，其中整流器是自驱动型的。
17.一种开关电源，包括：
具有初级线圈和次级线圈的变压器；
串联连接在变压器的输入端和初级线圈之间的第一和第二变换器；
连接到变压器的次级线圈的整流器；
控制第一和第二变换器的控制电路；以及
响应指令以停止开关操作，从而以第一和第二变换器的顺序停止第一和第二变换器的操作的装置。
18.如权利要求14所述的开关电源，其中，在发送指令时的时刻到停止第二变换器的操作的时刻的期间中，该停止装置应用从变压器的次级侧提供的能量使第二变换器的操作继续。
19.如权利要求17所述的开关电源，其中整流器是自驱动型的。
20.如权利要求18所述的开关电源，其中整流器是自驱动型的。
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