CN1561570A - 振荡电路、具有这种振荡电路的变换器以及具有这种变换器的预调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于预调节器的振荡器，该振荡器包括整流器(1)，能接收输入电压(Uin)和提供输出电压(Uout)的变换器(2)以及影响峰值电流模式控制的控制单元(3)。根据公式(1)，振荡器的开关频率周期(Tper)取决于输入电压(Uin)和输出电压(Uout)。本发明的开关频率控制原理图使得有可能提供一种不连续模式运作的变换器，从而可以引出一种间歇成形的输入电流。

Description

振荡电路、具有这种振荡电路的变换器 以及具有这种变换器的预调节器

本发明涉及一种用于预调节器的振荡器，该振荡器包括整流器(1)，能接收输入电压(U_in)和提供输出电压(U_out)的变换器(2)以及为了控制峰值电流模式以维持输出电压不变的控制单元(3)。本发明还涉及一种具有这种振荡器的电压变换器，以及一种具有这种振荡器的预调节器。

把交流电源整流成直流电源的一种简单方法是利用二极管桥式整流器和电容器。但是，按照IEC1000-3-2的要求，当输入功率大于75W时，这种方法是不允许的。

作为选择，可以利用一种开关模式电源(SMPS)，它包括，例如，一种二极管桥式整流器和一种强化变换器(boost converter)以控制从电源引出的电流。尽管(例如，利用功率因子控制(PFC))能够从电源引出正弦形的电流，但是也可以利用间歇成形电流或梯形电流，至少在某个功率水平下是可以利用的。利用间歇成形输入电流的一个优点在于其峰值比在相同输出功率时的正弦形电流要低1.27倍。较低的峰值水平表示能够利用较小的电感元件(线圈)，从而可以降低成本以及对空间大小的要求。

在US 5615098中给出了一个与强化变换器结合在一起，能够引出梯形电流整流器的例子，其主要目标是要得到较简单的控制电子学。然而，这种变换器是以连续模式运行的。人们对于以不连续模式运行的强化变挟器的技术已经了解得很清楚了。对于这种变换器，在每个开关周期内，强化线圈中的电流达到某个最大值，并在结束时再次为零(三角形式)。与连续模式变换器相比，这种变换器的线圈小，在接通时零电流造成的开启损失和发射水平低，而且输出控制较简单。

本发明的一个目的是，改进对利用峰值电流模式控制以不连续模式运行的功率变换器的频率控制。

本发明的第二个目的是减小强化变换器中强化线圈的尺寸。

本发明的第三个目的是提供一种能够引出间歇成形或梯形输入电流的变换器。

按照本发明的第一个观点，这些目的以及其它的一些目的是通过一种振荡器来实现的，这种振荡器的型式已经在上面进行过介绍，其特点在独立权利要求1中进行过描述。

本发明的开关频率控制原理图使得有可能提供一种不连续模式运作的变换器，从而可以引出一种间歇成形的输入电流。本发明这个观点的重要细节是输入和输出电压两者都可以对开关频率产生影响。按照本发明，开关周期(T_per)的功能能够使供给变换器的输入电流得到更好地控制，特别是能够得到一种基本上不变的平均输入电流。

按照本发明的另一个观点，上述开关周期基本上是利用一种振荡器来实现的，这种振荡器的型式已经在上面进行过介绍，其输出信号取决于横跨在定时电容器上的电压，它包括一种在该输出信号低的时候使电容器连接到地的开关元件，从而能在放电时间内引起该电容器放电。该振荡器还包括一个齐纳二极管和一个晶体管，它们与输入电压的连接方式是这样的：当输入电压超过该齐纳二极管的齐纳电压时，电流流过这个晶体管，从而使放电电流减小，使放电时间增加。

这种振荡器中，根据输入电压比齐纳电压低还是高，放电电流分成两个区间。

实现这种电路的方法如下：把晶体管发射极通过电阻连接到输入电压，晶体管集电极连接到二极管的阳极，二极管的阴极连接到电容器，并把晶体管基极连接到齐纳二极管的阴极，齐纳二极管的阳极连接到地。

按照一个优选的实施方案，第二个齐纳二极管与输入电压连接的方式要使得，当输入电压超过电压极限时，通过晶体管的电流增加，从而能进一步降低放电电流，增加放电时间，这里，该电压极限等于第一个齐纳二极管的齐纳电压与第二个齐纳二极管的齐纳电压作用值之和。

这样，放电电流分为三个区间，(1)低于第一个齐纳电压，(2)在齐纳电压和电压极限之间，(3)高于电压极限。

实现这种电路的方法如下：将第二个齐纳二极管的阴极通过电阻与输入电压相连按，第二个齐纳二极管的阳极与第一个齐纳二极管的阳极以及晶体管的基极相连接。

振荡器优选包括第二个开关元件，该元件在输出信号高的时候能将晶体管的集电极和地相连接。

本发明的其它观点包括含有这种振荡器的变换器和预调节器。

为使本发明的这些观点和其它观点明显起见，下面参考所附草图对于优选实施方案进行更加清楚的描述。

图1是按照本发明的一个实施方案的预调节器原理图。

图2表示通过图1电路中的线圈电流。

图3表示图1中振荡器的原理图。

图4表示图3中电容器充电和放电时间的变化曲线。

图5表示图1中振荡器电路布局的一个例子。

图6表示图1中振荡器的一种简化的电路布局。

图7表示图6中电容器充电和放电时间的变化曲线。

图8表示适合于图1中预调节器过电压保护的一个例子。

图1表示预调节器的原理图，该预调节器包括全波整流器1，强化变换器2以及控制单元3。整流器1为强化变换器2提供输入电压U_in，强化变换器的输出电压U_out提供给与滤波电容器5并联的负载4。强化变换器2包括强化线圈6，开关元件7和二极管8。控制单元3包括控制强化变换器输入电流峰值电流模式的脉冲宽度调制器(PWM)9，以及给PWM 9提供开关频率的振荡器电路。该振荡器电路相应配备有强化变换器输入电压U_in和输出电压U_out。

根据该预调节器的工作原理，控制单元3控制强化变换器的开关元件7，从而使强化线圈两端横跨一个正电压或负电压，以便控制线圈中的峰值电流I_peak。脉冲宽度调制器9的开关频率是由振荡器电路10提供的，而本发明正是涉及决定这个振荡频率的最好方法。

图2表示通过强化线圈6电流的变化曲线。如果I_peak为峰值电流，则线圈两端的正电压和通过线圈电流增加的时间可以用方程式给出：

$T_{\mathrm{positive}}=\frac{I_{\mathrm{peak}}{L}_1}{U_{\mathrm{in}}},---\left(1\right)$

这里，U_in是从整流器1的输入电压，L₁是强化线圈的电感。

同一个线圈两端的负电压和通过该线圈电流减少的时间可用方程式表示为：

$T_{\mathrm{negative}}=\frac{I_{\mathrm{peak}}{L}_1}{U_{\mathrm{out}}-U_{\mathrm{in}}},---\left(2\right)$

这里，U_out是从强化变换器的输出电压。

在T_positive和T_negative之后，通过强化线圈6的电流为零，并且当再次向线圈上施加正电压以及电流再次增加之前，在一定时间间隔，T_zero，之内，保持为零。这样，一个循环的总周期为

T_per＝T_positive+T_negative+T_zero

一个周期内的平均电流可表示如下：

$I_{\mathrm{ave},\mathrm{in}}=\frac{1}{T_{\mathrm{per}}}(\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{positive}}}{\∫}}\frac{I_{\mathrm{peak}}}{T_{\mathrm{positive}}}\mathrm{tdt}+\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{negative}}}{\∫}}(I_{\mathrm{peak}}-\frac{I_{\mathrm{peak}}}{T_{\mathrm{negative}}}t)\mathrm{dt})$

$I_{\mathrm{ave},\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\frac{T_{\mathrm{ON}}}{T_{\mathrm{per}}}{I}_{\mathrm{peak}}+\frac{1}{2}\frac{T_{\mathrm{froewheal}}}{T_{\mathrm{per}}}{I}_{\mathrm{peak}}=\frac{1}{2}\frac{1}{T_{\mathrm{per}}}(\frac{I_{\mathrm{peak}}{L}_1}{U_{\mathrm{in}}}+\frac{I_{\mathrm{peak}}{L}_1}{U_{\mathrm{out}}-U_{\mathrm{in}}})I_{\mathrm{peak}}$

$I_{\mathrm{ave},\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\frac{1}{T_{\mathrm{per}}}(\frac{1}{U_{\mathrm{in}}}+\frac{1}{U_{\mathrm{out}}-U_{\mathrm{in}}})L_1{I}_{\mathrm{peak}}^2$

如果按照方程式(3)让T_per取决于U_in和U_out

$T_{\mathrm{per}}=\frac{1}{k_0}(\frac{1}{U_{\mathrm{in}}}+\frac{1}{U_{\mathrm{out}}-U_{\mathrm{in}}}),---\left(3\right)$

则上面I_ave，in的表示可简化为：

$I_{\mathrm{ave},\mathrm{in}}=\frac{1}{2}{k}_0{L}_1{I}_{\mathrm{peak}}^2.$

换句话说，利用对振荡器10开关频率的控制，并得到由上述式(3)表示的开关周期，只要I_peak保持不变，则平均电流将为常量。这就是本发明的基本思想。本文件下面将描述在振荡器电路中这种周期T_per如何得以实现。

周期T_per通常固定为振荡器10中定时电容器的充电和放电时间。选择该电容器的T_charge等于1/(k₀*U_in)，同一电容器的T_discharge等于1/(k₀*(U_iout-U_in))，则可以得到上述表示的总周期T_per。

控制充电和放电时间的一个办法包括控制通过电容器的电流。图3给出实施这个原理的电路原理图。

选取与输入电压有关的电流源I_charge，可以得到以下充电时间表示：

这里

R_T1是充电电阻，

C_T1是定时电容器的电容，

以及ΔU_c是横跨在电容器上的扫描电压(等于U_threshold-U_trigger)。

选取与U_in和U_out差值有关的电流源I_discharge，得到的放电时间可用下式表示：

这里

R_T2是放电电阻。

如果我们把T_charge和T_discharge合并，则可以得到：

$\⇒T_{\mathrm{per}}={\mathrm{\ΔU}}_C{C}_T{R}_T(\frac{1}{U_{\mathrm{out}}-U_{\mathrm{in}}}+\frac{1}{U_{\mathrm{in}}})$

根据上面方程式(3)，以及1/k₀＝ΔU_c C_T R_T，公式6即对应于所要求的函数。

图4表示T_per，T_charge和T_discharge随输入电压U_in的变化曲线。这些曲线是用下列参数值计算出来的：

C_T＝150pF；R_T＝1M8；ΔU_C＝2.5V；U_out＝400V

图5给出的电路图可以用来实施图3表示的原理。

为降低成本和易于生产，按照更为实际的第二个实施方案，可对图5进行简化。这样的电路如图6所示。

在图6的电路中，将输出电压U_out取为常量，因而可以显著简化电路。

系统块A₃包括两个比较器和一个闭锁器，闭锁器具有下列功能

条件	现输出A3	新输出A3
			Uct＞Uthreshold	高	低
Uct＜Utrigger	低	高
			Utrigger＜Uct＜Uthreshold	低	低
Utrigger＜Uct＜Uthreshold	高	高

当A₃的输出高的时候(即在充电时)，由于倒向器A₁开关X₃是断开的，并且电容器C_t通过电阻R₄和R₅与输入电压相连接。与此同时，开关X₂是关闭的，因此由Q₁集电极提供的电流到地是短路的，对充电时间不会有影响。

充电电流的大小取决于输入电压U_in与横跨在定时电容器C_t上的电压U_ct之间的差值以及电阻R₄和R₅：

$I_{\mathrm{ch}\arg e}=\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{\mathrm{Ct}}}{R_4+R_5}---\left(7\right)$

该充电电流产生的充电时间为

$T_{\mathrm{ch}\arg e}=\frac{(R_4+R_5)C_t}{U_{\mathrm{in}}-U_{\mathrm{Ct}}}=-(R_4+R_5)C\ln \left(\frac{U_{\mathrm{Threshold}}-U_{\mathrm{in}}}{U_{\mathrm{Trigger}}-U_{\mathrm{in}}}\right)---\left(8\right)$

因为U_ct一般比U_in小很多，所以方程式(8)几乎就与理想情况下的方程式(4)同等。

当A₃的输出低的时候(即在放电时)，由于倒向器A₁开关X₃是关闭的，从而电容器C_t通过电阻R₅与地相连接，引起电容器放电。与此同时，开关X₂是断开的。

如果电路中不出现Q₁，则放电时间T_discharge在整个输入电压范围内将为常数：

$I_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{U_{\mathrm{Ct}}}{R_5}---\left(9\right)$

$T_{\mathrm{disch}\arg e}=-R_5{C}_t\ln \left(\frac{U_{\mathrm{trigger}}}{U_{\mathrm{Threshold}}}\right)---\left(10\right)$

把晶体管Q₁引入电路，这就不再正确了，这时放电电流I_discharge分为三个区间，近似为方程式(5)所表示的放电电流函数。

1.当输入电压U_in不比二极管D₃的齐纳电压U_z1高的时候，晶体管Q₁不导电，而且按照上面方程式(10)放电时间是常量。

2.当输入电压U_in比齐纳电压U_z1高，但不高于

U_limit＝(R₁+R₂)U_z2/R₂+U_z1，

(这里U_z2是二极管D₄的齐纳电压)的时候，放电电流减少为

$I_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{U_{\mathrm{Ct}}}{R_5}-\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{z1}}{R_1+R_2},---\left(11\right)$

造成的放电时间为：

$T_{\mathrm{disch}\arg e}=-R_5{C}_t\ln \left(\frac{U_{\mathrm{trlgger}}-\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{z1}}{R_1+R_2}{R}_5}{U_{\mathrm{threshold}}-\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{z1}}{R_1+R_2}{R}_5}\right)---\left(12\right)$

3.当输入电压U_in高于U_limit＝(R₁+R₂)U_z2/R₂+U_z1的时候，放电电流进一步减少，等于

$I_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{U_{\mathrm{Ct}}}{R_5}-\frac{\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{z1}}{R_1}+\frac{U_{z2}}{R_3}}{1+\frac{R_2}{R_1}+\frac{R_2}{R_3}}---\left(13\right)$

放电时间等于

$T_{\mathrm{disch}\arg e}=-R_5{C}_t\ln \left(\frac{U_{\mathrm{trlgger}}-\frac{\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{z1}}{R_1}+\frac{U_{z2}}{R_3}}{1+\frac{R_2}{R_1}+\frac{R_2}{R_3}}{R}_5}{U_{\mathrm{threchold}}-\frac{\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{z1}}{R_1}+\frac{U_{z2}}{R_3}}{1+\frac{R_2}{R_1}+\frac{R_2}{R_3}}{R}_5}\right)---\left(14\right)$

图7表示按照图6的电路，放电时间(曲线A)作为输入电压U_in的函数关系。图7还表示了按照上面方程式5作出的，象图4一样的理论函数关系(曲线B)。

在这种方法中，还可以很方便地实施过电压保护(OVP)，办法是注入使放电时间延长的第三股放电电流。图8给出了这样的一个例子，其中U_out为保护电压。

要注意上面描述的实施方案仅仅是本发明实施方案的几个范例而已，本发明总的目的是要改进振荡器的开关方式，以便应用于对电压变换器的峰值电流模式的控制。一个熟练的技术人员当然可以在不偏离本权利要求的范围内，对上面给出的电路范例进行改进。

Claims (9)

1.一种用于预调节器的振荡器，包括整流器(1)，接收输入电压(U_in)和提供输出电压(U_out)的变换器(2)以及为了控制峰值电流模式的控制单元(3)，该振荡器的特征在于：其开关频率具有的周期(T_per)取决于输入电压(U_in)和输出电压(U_out)，服从关系式：

$T_{\mathrm{per}}=\frac{1}{k_0}(\frac{1}{U_{\mathrm{in}}}+\frac{1}{U_{\mathrm{out}}-U_{\mathrm{in}}})\·$

2.一种用于预调节器的振荡器，包括整流器(1)，接收输入电压(U_in)和提供输出电压(U_out)的变换器(2)以及影响峰值电流模式控制的控制单元(3)，该振荡器的输出信号取决于横跨在定时电容器(Ct)上的电压，并包括在输出信号低的时候把电容器(C_t)连接到地的开关元件(X₃)，从而引起该电容器在放电时间(T_discharge)内放电，该振荡器的特征在于：还进一步包括一个齐纳二极管(D₃)和一个与输入电压(U_in)连接的晶体管(Q₁)，其连接方式为，当输入电压(U_in)超过齐纳二极管(D₃)的齐纳电压(U_z1)时，电流通过晶体管(Q₁)，从而使放电电流减少，放电时间(T_discharge)增加。

3.按照权利要求2的振荡器，其中晶体管(Q₁)的发射极通过电阻(R₁，R₂)与输入电压(U_in)连接，集电极与二极管(D₂)的阳极连接，该二极管的阴极与电容器(C_t)连接，基极与齐纳二极管(D₃)的阴极连接，该二极管的阳极与地连接。

4.按照权利要求3的振荡器，其中，当输入电压(U_in)比齐纳电压(U_z1)低的时候，放电电流为

$I_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{U_{\mathrm{Ct}}}{R_5},$

这里R₅是把电容器(C_t)连接到地的电阻，U_ct是电容器(C_t)的电压，并且

当输入电压(U_in)比齐纳电压(U_z1)高的时候，放电电流为

$I_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{U_{\mathrm{Ct}}}{R_5}-\frac{U_{\mathrm{in}}-U_{z1}}{R_1+R_2},$

这里R₁+R₂是把晶体管(Q₁)的发射极与输入电压(U_in)连接的电阻。

5.按照权利要求2或者权利要求3的振荡器，还进一步包括与输入电压连接的第二个齐纳二极管(D₄)，其连接方式为，当输入电压超过电压极限(U_limit)时，通过晶体管(Q₁)的电流增加，从而进一步使放电电流减少，放电时间(T_discharge)增加，这里，电压极限(U_limit)等于齐纳二极管(D₃)的齐纳电压(U_z1)和第二个齐纳二极管(D₄)的齐纳电压(U_z2)的作用之和。

6.按照权利要求5的振荡器，其中第二个齐纳二极管(D₄)的阴极通过电阻(R₁，R₃)与输入电压(U_in)连接，而第二个齐纳二极管(D₄)的阳极与齐纳二极管(D₃)的阴极以及晶体管(Q₁)的基极连接。

7.按照权利要求2-6之一的振荡器，还进一步包括第二个开关元件(X₂)，它在输出信号高的时候将晶体管(Q₁)的集电极连接到地。

8.电压变换器(2)，包括线圈(6)和开关元件(7)，该变换器的输入电压(U_in)由整流器(1)提供，而把其输出电压(U_out)提供给负载(4)，该开关元件(7)被运行于峰值电流模式(6)的控制单元(3)所控制，其特征在于：该控制单元(3)包括按照前面任意一项权利要求的振荡电路(10)。

9.一种预调节器，所述预调节器包括按照前面任意一项权利要求的振荡器。

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