CN1848645A - 开关电源中的开关控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制可控开关电源输出电压的控制电路和相关的方法。该开关电源包括初级端开关和具有辅助绕组的变压器，打开初级端开关之后，辅助绕组中感应产生反映输出电压的辅助电压。感应的电压作为控制变量输入至控制电路。为了提供一种需要尽可能少的外部组件、能够以低成本制造并且需要尽可能少的空间的控制电路，控制电路的驱动器输出端连接至初级端开关的控制输入端，该控制电路的设计为依靠该辅助电压调整初级端开关的开关频率，其中选择开关频率与辅助电压之间的相关性常数因子，以使该开关电源的输出电流选取预设值，并且该驱动器输出端还连接至比较器的输入端，以确定经过该初级端开关的电流。

Description

开关电源中的开关控制电路

技术领域

本发明涉及控制可控开关电源输出电压的控制电路和相关的方法。该开关电源包括初级端开关和具有辅助绕组(winding)的变压器，在打开初级端开关之后辅助绕组中感应产生反映输出电压的辅助电压。辅助绕组中感应的电压作为控制变量提供至控制电路。本发明还涉及相关的开关电源。

背景技术

通常，已知的开关电源使用功率晶体管作为开关，以提供脉冲电流至电感性和电容性能量存储元件的网络，该网络将开关电流脉冲转换为受控的直流电压。根据开关电源的操作模式，开关电源可以提供大于、等于未受控的输入电压或极性与未受控的输入电压相反的输出电压。开关电源通常用于电源电路中。尤其需要这样一种开关电源，其接受85V交流电压至270V交流电压范围内的输入电压，从而可以在全世界不同的电力网之下工作，而不必作修改或切换。

通常利用反映输出电压的反馈信号控制这种开关电源的输出电压。该反馈信号用于控制开关功率晶体管的工作周期。有不同的提供适当反馈信号的方法。例如，可以设置辅助绕组，在初级端开关切断期间该辅助绕组产生反映输出电压的反馈信号。

例如，在德国专利申请DE 103 10 361、欧洲专利申请EP 03 016 065.9、美国专利说明书5,438,499或德国公开专利说明书DE 197 11 771 A1中公开了具有辅助绕组这种类型的开关电源。辅助绕组中产生的信号提供至反馈电路，反馈电路提供控制信号至控制电路。

在开关电源按照阻塞转换器(blocking converter)型工作的情况下，如欧洲专利申请EP 03 016 065.9所公开的那样，每个脉冲的传输能量相等并且脉冲之间的中断时间可调，利用初级辅助电压能够非常好地反映和控制输出申压。

在上述开关电源中，存在只能用非常费力的方式检测输出电流的问题。如德国专利申请DE 103 10 361所公开的那样，例如可以测定转换器的次级绕组的功率通量(power flow)时间。替代地，例如，如欧洲专利申请EP 1 146630 A2中所公开的那样，可以使用光耦合器。

为了以尽可能简单和成本有效的方式调整输出电压和输出电流，同时最小化实现上述目的所需的组件成本，德国专利申请DE 10 2004 016 927.6提出一种方法，其中根据辅助电压以如下方式调整初级端开关的开关频率：开关电源的输出电压和输出电流根据预定的输出特性取值。这是基于以下事实：在已知输出电压的情况下，预定输出电流所需的功率可以按照如下公式计算：

$P=\frac{U_{\mathrm{out}}\·I_{\mathrm{out}}}{\mathrm{\η}}---\left(1\right)$

其中，P指输出功率，U_out指输出电压，I_out指输出电流，η指效率。此外，以下公式2中表示的关系适用于待调整的开关频率：

$f=\frac{P}{W}---\left(2\right)$

并且， $W=\frac{L_{\mathrm{prim}}\·{I^2}_{\mathrm{prim},\max }}{2},$ 其中L_prim代表初级端感应率，I_prim，max代表最大初级端电流。

如果将公式(1)代入公式(2)，则得到如下结果：

但是，这意味着在效率η为常数且已知的情况下，输出电压U_out与输出电流I_out的乘积与频率f线性相关。因此，对于预定的输出电流I_out，根据经由辅助电压反馈的输出电压U_out，可以直接确定所需的开关频率。德国专利申请DE 10 2004 016 927.6中公开的方案的优点是不再需要提供用于测定输出电流的费力且组件密集(component-intensive)的测量方法。但是，在此参考文献中公开的控制电路仍需要带有五个外部端子的组件和外部组件C_t和R_t。初级端开关需要额外的输入端(input)以检测电流。这增加了控制电路的成本、复杂性以及所需的空间。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于控制可控开关电源的输出电压的控制电路，该控制电路以尽可能少的组件工作，能够以低成本制造，并且需要尽可能少的空间。

上述目的是通过独立权利要求的保护主题实现。本发明的有利进展是从属权利要求的保护主题。

本发明基于以下的构思：一方面利用既有的内部信号，另一方面通过将以前的外部组件集成在ASIC(专用集成电路)内，将控制电路容纳在仅有三个端子的外壳(housing)内。上述构思的优点是外部组件的空间需求较小以及控制电路的外壳成本更有效。因此，与已知的方案相比，整个电路需要显著变小的空间。

根据本发明，合并驱动器输出端和电流测量信号输入端的端子，其在已知方案中为分离的。这是可行的，其原因如下：只要驱动器接通外部晶体管(即初级端开关)，外部晶体管的基极发射极路径的电压和电流测量电阻器的电压的总和就施加于控制输出。

在已知的方案中，在单独的输入端处检测电流测量电阻器的电压，以测量流经初级端开关的电流。但是，由于外部晶体管的基极发射极路径的电压基本为大约0.7V的恒定值，而在上述0.7V的偏置情况下，施加在驱动器输出端、用于测量电流的电压反映电流测量电阻器的电压，因此替代地也可以使用施加在驱动器输出端、用于测量电流的电压。

如果驱动器在达开关门限时，在转换初级端开关处进行高阻切换，并且还包含集成的基极-发射极电阻，则能有利地最小化由基极发-射极二极管产生的电压，从而减小测量公差，其中上述开关门限小于切断门限，例如为切断门限和基极发射极电压之和的80％。

根据本发明的有利进展，控制电路包括集成的充电电容器，该充电电容器依靠辅助电压充电。由于开关频率由充电电容器的充电时间确定，因此可以根据辅助电压线性调整开关频率。使用与辅助电压成比例的电流为充电电容器充电，直至预定电压门限。充电电容器的充电时间确定开关接通的时间。根据本发明，该充电电容器集成在控制电路中，从而不需要外部组件，并可进一步减少所需的外部端子数。

可以通过可控电流源提供与辅助电压成比例的充电电流，并使充电电流流入充电电容器。同样，以集成的方式在元件中设置该充电电流源。

此外，可以在充电电流源的第一和第二输入端子之间设置用于调整充电电流的电阻器，根据本发明所述电阻器集成在控制电路中。因此，节省了额外的端子，并且能够以较少的外部组件和成本更有效的外壳制造控制电路。

在设计充电电流源以使其在辅助电压达到预先明确设定的门限值时减小充电电流的情况下，通过本控制电路能够实现输出特性，对于低于12V的电压范围的电压，所述输出特性确保近似恒定的电流值。具体地，能够实现所谓的折回(fold-back)特性。

根据本发明的有利进展，监测充电电容器的电压降，并且如果充电电容器的电压降达到第一门限值，则控制比较器输出用于接通初级端开关的接通信号。为实现过压保护电路，可以设置为：如果充电电容器的电压降达到第二门限值则初级端开关切断。

根据本发明，通过开关频率的变化实现限流以及电压控制。因此，能够保持初级峰值电流恒定。由于在每个脉冲中由寄生元件引起的效应相同，因而可以通过简单的措施消除，从而在依据初级辅助电压控制的情况下能够改进电压控制。此外，使用与辅助电压成比例的电流为充电电容器充电，而该辅助电压与输出电压成比例。根据本发明的电容器充电非常快，因而放电几乎不对频率产生影响，这是有利的。因此，周期(即开关频率的倒数值)与输出电压成比例。

根据本发明的控制电路的有利性质对可控开关电源有特殊效果。

附图说明

图1示出根据本发明的可控开关电源的原理图；

图2示出应用环境中的根据本发明的控制电路的框图；

图3示出根据图1的充电电容器和驱动器输出端的电压的时序图；

图4示出用于解释过压保护的充电电容器和驱动器输出端的电压的时序图；

图5示出辅助电压与充电电容器的充电电流之间的关系的示意图；

图6示出根据本发明的开关电源的输出特性。

具体实施方式

下面通过附图所示的实施例更详细地说明本发明。相同和相应的组件在图中以相同的标号表示。

图1示意性示出具有控制电路106的开关电源100的框图。开关电源在其输入端偏置交流电压V_net。在欧洲，主电压在180V和264V的交流电压之间变化，在美国，主电压在90V和130V的交流电压之间变化。在模块(block)102中，放大并稳定化输入电压。从而确保开关电源中产生的干扰信号不会返回交流电压网。绝缘变压器108的初级端绕组110和初级端开关104构成串联电路，在本实例中初级端开关104为功率晶体管，该串联电路与已整流的输入电压相连。根据控制电路106的控制信号，初级端开关104中断流经初级端绕组110的电流。

通过模块116控制由控制电路106提供至初级端开关104的控制输入端的开关脉冲，在模块116中通过变压器108的辅助绕组114产生控制变量。两个信号路径120和122标明两个基本功能。一方面，信号路径120为控制电路106提供足够的能量，另一方面，信号路径122以如下方式控制控制电路106：开关周期的变化负面影响供应至变压器108的电功率。在根据本发明的开关电源中，控制电路106包括时间控制单元107，时间控制单元107确保初级端开关104打开的断开时间(或切断时间)的长度与所需的功率相符合。在初级端开关的每个接通期间提供至变压器108的能量保持相等。

如图1所示，变压器的次级端绕组112连接至模块118，模块118产生次级端电压U_OUT，并能够稳定化该电压。

控制电路106以一种方式控制初级端开关104，使得初级端开关104交替处于导通和非导通状态。由于模块102提供的电压，每当初级端开关104处于导通状态时就会有电流流入初级端绕组110。电流的变化为变压器108的磁场提供能量。如果初级端开关104截止(block)，则存储于磁场中的能量主要通过次级端绕组112排入模块118，模块118产生并稳定化次级电压。也有小部分能量排入辅助绕组114和模块116。模块116产生作为控制变量的辅助电压。能量周期性排放，而通过整流和滤波能够产生基本已整流的电压作为辅助电压。由于变压器的不同绕组之间的磁耦合为恒定的并且与电流值或电压值无关，因此辅助电压值与次级电压值成比例，从而与输出电压值成比例。

通过时间控制单元107能够调整初级端开关104的切断时间，以使提供至变压器的能量取决于输出电压。因此，可调整传输功率以产生输出电压U_OUT的理想值。

如德国专利申请DE 10 2004 016 927.6所提出的那样，控制输出电压U_OUT的值，以产生输出电流I_OUT的恒定且预设的值。

图2示出应用环境中的根据本发明的控制电路200，其用于控制可控开关电源的输出功率。这种控制电路可设计为例如专用集成电路(ASIC)。当然，也可以是专门设计的电路。利用控制电路200，通过控制电子开关104(在本实例中为功率双极晶体管)，能够以初级端方式控制开关电源100在次级绕组112输出的次级功率。作为控制变量，使用辅助绕组114的电压。

根据本发明，控制电路200设计为总共仅有三个端子(VP、G、GND)引向外部。充电电容器C_t和电阻器R_t集成在控制电路200中。端子VP和GND保持不变，而在已知方案中外部设置且连接至初级端开关104的发射极端子的端子IP，在本实施例中内部连接至驱动器输出端G。这是可行的，其原因是如果驱动器206接通外部晶体管104，则晶体管104的基极发射极路径的电压和电流测量电阻器R_m的电压之和施加于端子G。电流测量电阻器的电压代表IP比较器205检测通过初级端开关104的电流所需的电压。但是，由于基极发射极路径的电压保持约为0.7V的恒定值，该电压可以认为是偏置电压，而不是电流测量电阻器的电压，从而能够检测驱动器输出端G的电压。

为降低公差，增加用于初级功率检测的参考电压是有效的，从而使外部晶体管104的基极发射极电压的影响足够小。

以下更详细地解释根据本发明的电路的功能，该功能基本对应于根据德国专利申请DE 10 2004 016 927.6的电路的功能。

如果端子VP的供应电压上升而达到所谓的启动电压，则控制电路200激活并开始通过充电电流源202为电容器C_t充电。图3中，曲线301指示电容器C_t的电压走势(course)与时间的关系，曲线302示出端子G的相关驱动器信号。电容器C_t的放电可以用放电时间T_CtDISCH来表征。例如，对100pF的电容量而言当前电压的放电时间为例如250ns至100ns。

如图3所示，电容器C_t放电，直至电压降达到第一门限值V_CtON。然后，驱动器接通。利用外部电阻器确定通过变压器(transmitter)的初级线圈的电流，在超过IP比较器205的门限V_IP之后，驱动器被再次切断。然后，电容器C_t放电。经过时间T_CtDISCH之后，电容器C_t再次充电。周期性重复上述过程，直至由于安全功能或从电力网分离而切断开关电源。

除上述正常操作功能之外，还提供可防止有害操作状态的安全电路。如果辅助绕组的电压过高，即电压高于门限V_CtOVP(参见图4)，则OVP比较器207切断驱动器并防止重新接通。

在所谓的启动之前，直接从主电压为控制电路供电。在工作中，由辅助绕组114为控制电路供电。

驱动器206具有以VP作为电源电压的推挽级，并为外部功率双极晶体管104提供控制功率。

图5示出根据本发明的充电电流I_CT与施加在端子VP的电压之间的关系随时间的变化。实际的控制是通过在截止期间将次级电压传输至辅助电压以及电容器C2在端子VP处的电压的集合(integration)而实现。通过次级绕组和辅助绕组之间的传输比确定次级输出电压。如上所述，控制中断时间以使端子VP的电压处于控制范围501内。如果电压低于控制范围501，则电流控制开始，此时电容器C_t的充电电流与端子VP的电压成比例。如果端子VP的电压达到控制范围501，则充电电流减小。

因此，通过根据本发明的开关电源能够实现如图6所示的输出特性。曲线601、602、603和604分别对应于90V、110V、230V和264V的交流输入电压。由图6可见，通过根据本发明的控制电路能够实现对于低于12伏特的电压范围的输出电压，确保近似常数的电流值I_OUT的输出特性。但是，对于由于初级端绕组114和次级端绕组112的匝数的各自改动而产生的相应需求，该电压范围也可以采取任何方式而与其相适应。

图6中线605代表最小允许输出电压值和输出电流值，而曲线606代表最大允许走势。

尽管上面举例说明了输出电压U_OUT与输出电流I_OUT之间的线性关系，但是本领域的技术人员可知也可以限定任何其它的输出特性。为此，必须相应地调整图5的曲线形式。

然而，根据德国专利申请DE 10 2004 016 927.6的控制电路总共需要六个端子和几个外部组件。而通过根据本发明的方案，通过IC实现控制电路，该控制电路可确保输出电流限制和输出电压限制并且确保过电压保护，该控制电路仅需要三个外接端子，并且所需要的外部组件的数目减少。本发明的优点是：一方面，外部组件所需的空间较小；一方面，控制电路的外壳成本更有效，而且整个电路所需的空间较小。

Claims (19)

1.一种用于控制可控开关电源输出电压的控制电路，其中开关电源(100)包括初级端开关(104)和具有辅助绕组(114)的变压器(108)，打开初级端开关(104)之后，辅助绕组(114)中感应产生辅助电压(VP)，

其中，控制电路(200)的驱动器(206)的驱动器输出端(G)连接至初级端开关(104)的控制输入端，该控制电路的设计为依靠该辅助电压调整初级端开关(104)的开关频率，其中选择开光频率与辅助电压之间的相关性常数因子，以使该开关电源的输出电流(I_OUT)选取预设值，

其中，该驱动器输出端(G)还连接至比较器(205)的输入端，以确定经过该初级端开关的电流。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中驱动器(206)包括集成基极-发射极电阻器，在达到小于切断门限的开关门限时该驱动器能够进行高阻切换。

3.如权利要求2所述的控制电路，其中该开关门限为该切断门限与初级端开关的基极发射极电压之和的80％。

4.如权利要求1-3中的任一权利要求所述的控制电路，还包括能够依靠该辅助电压充电的集成充电电容器(C_t)，其中该充电电容器(C_t)与初级端开关(104)相连接，使充电电容器(C_t)的电压(V_CT)降控制初级端开关(104)的开关频率。

5.如权利要求4所述的控制电路，还包括集成的充电电流源(202)，其具有充电电流(I_Ct)，用以依靠该辅助电压为充电电容器(C_t)充电。

6.如权利要求5所述的控制电路，其中在充电电流源(202)的第一和第二输入端子之间设置用于调整充电电流的电阻器(R_t)，其中该电阻器集成在该控制电路中。

7.如权利要求1-6中的任一权利要求所述的控制电路，其中该充电电流源(202)的构成为如果辅助电压(VP)达到预设极限值，则减小充电电流(I_Ct)。

8.如权利要求5-7中的任一权利要求所述的控制电路，其中该控制电路还包括控制比较器(204)，用于比较充电电容器(C_t)的电压(VC_t)降与第一门限值(VC_ton)，调整该控制比较器(204)使其在该充电电容器的电压降达到第一门限值时产生输入初级端开关(104)的输入信号。

9.如权利要求1-8中的任一权利要求所述的控制电路，其中过压保护电路(207)设有第二门限值，用于比较充电电容器(C_t)的电压降，该过压保护电路在该充电电容器的电压降达到第二门限值(VC_tOVP)时产生用于切断初级端开关(104)的切断信号。

10.一种开关电源，包括根据权利要求1-9中的至少一项权利要求的控制电路。

11.一种可控开关电源输出电压的控制方法，其中该开关电源包括初级端开关和具有辅助绕组的变压器，打开该初级端开关之后，辅助绕组中感应产生反映输出电压的辅助电压，

其中，通过将控制信号输入至该初级端开关，依靠该辅助电压调整该初级端开关的开关频率，使该开关电源的输出电压和输出电流根据预设的输出特性选取不同的值，

其中，进一步检测该控制信号，以确定经过该初级端开关的电流。

12.如权利要求11所述的控制方法，其中产生该控制信号的驱动器在达到小于切断门限的开关门限时进行高阻切换。

13.如权利要求12所述的控制方法，其中该开关门限为该切断门限与初级端开关的基极发射极电压之和的80％。

14.如权利要求11-13中的任一权利要求所述的控制方法，其中至少对于部分辅助电压值，以辅助电压线性相关性的方式调整该初级端开关的开关频率，其中选择该线性相关性的常数因子以使该输出电流选取预设的恒定值。

15.如权利要求14所述的控制方法，其中充电电容器的充电时间确定该初级端开关的开关频率，该充电电容器依靠该辅助电压充电。

16.如权利要求15所述的控制方法，其中由电流源为该充电电容器充电，该电流源的充电电流通过该辅助电压调整。

17.如权利要求16所述的控制方法，其中在该辅助电压达到预设极限值时该充电电流减小。

18.如权利要求15-17中的任一权利要求所述的控制方法，其特征在于当该充电电容器的电压降达到第一预设门限值时该初级端开关接通。

19.如权利要求15-18中的任一权利要求所述的控制方法，其特征在于当该充电电容器的电压降达到第二门限值时该初级端开关切断。

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