CN1897431A - 具有有源负载检测功能的切换模式电源及其切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有有源负载检测功能的切换模式电源(SMPS)，用于向变压元件的初级线圈、然后向所述变压元件的次级线圈提供交流功率输入，然后整流和输出所述交流功率。所述SMPS包括控制单元，用于通过根据电流来改变切换单元的时间常数并且降低被提供到所述变压元件的所述初级线圈的功率量，来控制切换频率。可以在交叉条件下控制电阻器端子的电流，并且可以当在正常状态中时控制流向所述电阻器的电流，由此防止总是在电阻器中发生能量损耗。可以降低在待机状态期间的切换频率以降低切换损耗。

Description

具有有源负载检测功能的切换模式电源及其切换方法
技术领域
本发明涉及一种电源。更具体地说，本发明涉及一种用于诸如打印机之类的电子和电气设备的切换模式电源。
背景技术
改善在电源电路中的功率效率对于克服正在变得越来越严重的环境和能量问题是必要的。图1是传统的切换模式电源(SMPS)的一部分的电路图。
SMPS包括脉冲宽度调制(PWM)控制器100、电容器CT、电阻器RT、变压器110、输出二极管120、平滑电容器(planarizing capacitor)130和虚设电阻器(dummy resistor)140。
被提供到SMPS的输入端子的交流功率经由滤波器、桥式二极管整流器和电容器被转换为直流功率。所转换的直流功率经由切换控制器的端子的PWM控制器100和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)而被切换。所转换的直流功率经由变压器110而被提供到变压器110的次级线圈。由变压器110输出并被提供到所述次级线圈的功率被输出二极管120和平滑电容器130平滑，并且被输出到需要所述功率的位置。
虽然在图1中未示出，但是在图1中的输出功率被反馈(FB)到反馈控制器。如果所述输出电压大于基准值，则使用可编程分路(shunt)调节器和分压电阻器，所述反馈控制器向所述可编程分路调节器的端子提供电流，由此使得从光电耦合器的发光二极管(LED)发光。或者，不向所述可编程分路调节器的所述端子提供电流，由此停止或不引起光电耦合器的发光二极管(LED)发光。
PWM控制器100通过感测如上所述的基准电压来控制SMPS的切换操作，以便输出电压匹配基准电压。但是，传统的SMPS不能检测连接到输出端子VOUT的负载，因此PWM控制器100总是以相同的频率来执行切换操作，而不论负载如何。结果，发生由于切换损耗而引起的低效率。另外，因为电流流过输出虚设电阻器140而不论是否连接负载，因此总是发生功率损耗。而且，通过电阻器140的功率损耗在SMPS中产生热量，其继而使得在SMPS中发生另外的低效率。
发明内容
本发明提供一种具有有源负载检测功能的切换模式电源(SMPS)和SMPS的切换方法，所述SMPS可以通过当在输出端子没有负载时根本地降低流过虚设电阻器的电流来最小化能耗。
按照本发明的一个方面，提供了一种具有有源负载检测功能的切换模式电源，用于向变压元件的初级线圈、然后向所述变压元件的次级线圈提供交流功率输入，然后整流和输出所述功率。所述切换模式电源(SMPS)包括切换单元，用于以由预定时间常数而确定的频率来切换被输入到所述变压元件的初级线圈的交流功率，并且向所述变压元件的所述次级线圈提供所切换的交流功率。SMPS还包括分流单元，用于当从所述次级线圈输出的整流的电流或电压大于或小于预定值时，将从所述次级线圈输出的电流分流，并且向虚设电阻器提供所分流的电流。SMPS还包括：检测单元，用于检测流到所述虚设电阻器的所分流的电流；以及控制单元，用于通过根据所述检测单元所检测的所分流的电流来改变所述切换单元的时间常数并且降低被提供到所述变压元件的所述初级线圈的功率量，来控制切换频率。
按照本发明的另一个方面，提供了一种具有有源负载检测功能的切换模式电源，用于向变压元件的初级线圈、然后向所述变压元件的次级线圈提供交流功率输入，然后整流和输出所述功率。所述切换模式电源(SMPS)包括切换单元，用于以由预定时间常数而确定的频率切换被输入到所述变压元件的初级线圈的交流功率，并且向所述变压元件的所述次级线圈提供所切换的交流功率。SMPS还包括分流单元，用于当来自所述次级线圈的整流的电流或电压输出大于预定值时，将从所述次级线圈输出的电流分流，并且向虚设电阻器提供所分流的电流。SMPS还包括：检测单元，用于检测流到所述虚设电阻器的所分流的电流；以及控制单元，用于通过根据所述检测单元所检测的分流电流来改变所述切换单元的时间常数并且降低被提供到所述变压元件的所述初级线圈的功率量，来降低切换频率。
所述分流单元可以当从所述次级线圈输出的整流电压小于基准值时停止对流向所述虚设电阻器的电流分流。如果所述检测单元不能检测到流向所述虚设电阻器的电流，则所述控制单元可以控制所述切换单元以按照所述预定时间常数的频率来操作。
按照本发明的另一个方面，提供了一种切换切换模式电源的方法，所述切换模式电源用于在按照由预定时间常数所确定的频率切换功率后向变压元件提供交流功率，并且整流和输出来自所述变压元件的次级线圈的功率。所述切换方法包括：将整流的输出电压与基准值相比较，当整流的输出电压大于所述基准值时将所整流的输出电流分流，并且检测流向虚设电阻器的所述分流电流。所述方法还包括：改变所述预定时间常数以降低所述切换频率，以便降低被提供到所述变压元件的交流功率。
所述切换方法可以还包括：在将所整流的输出电流分流后，如果在分流和向所述虚设电阻器提供电流后所述整流输出电压小于所述基准值，则阻塞被提供到所述虚设电阻器的所述分流电流，并且将用于确定所述切换频率的时间常数保持为预定时间常数。
附图说明
通过参见附图详细说明本发明的特定示例性实施例，本发明的上述和其它示例性特征和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是传统切换模式电源(SMPS)的一部分的电路图；
图2是按照本发明的一个示例性实施例的具有有源模式检测功能的SMPS的一部分的方框图；
图3是按照本发明的一个示例性实施例的具有有源模式检测功能的SMPS的一部分的电路图；
图4是图解按照本发明的一个示例性实施例的具有有源模式检测功能的SMPS的切换方法的流程图；
图5是其中进行试验的、按照本发明的另一个示例性实施例的SMPS的电路图；
图6是图解使用图5中图解的电路的试验的结果的图。
在全部附图中，相同的附图标号应当被理解为指示相同的元件、特征和结构。
具体实施方式
在本说明中例示的事项被提供以帮助综合理解参见附图而公开的本发明的各个示例性实施例。因此，本领域内的普通技术人员可以认识到，可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下对在此所述的示例性实施例进行各种改变和修改。为了清楚和简洁，省略公知功能和结构的说明。
图2是按照本发明的一个示例性实施例的具有有源模式检测功能的切换模式电源(SMPS)的一部分的方框图。
按照一个示例性实施例的SMPS中，交流功率被输入到变压元件210的初级线圈、被提供到变压元件210的次级线圈、然后被整流和输出，所述SMPS可以包括下面的部件。切换单元200以由预定时间常数确定的频率来切换被输入到变压元件210的初级线圈的交流功率，并且向变压元件210的次级线圈提供交流功率。如果从次级线圈输出的整流电流或电压小于或大于预定值，则分流单元220将从所述次级线圈输出的整流电流分流，并且向虚设电阻器230提供所述分流电流。检测单元240检测分流电流向虚设电阻器230的流动。控制单元250通过控制切换速度而降低被发送到变压元件210的初级线圈的电流，通过根据检测单元240的检测结果而改变切换单元200的时间常数来控制所述切换速度。在图2中，未示出与整流和平滑从变压元件210输出的信号相关联的SMPS的部件。
在图1中图解的传统SMPS中的问题之一是电流连续地流过虚设电阻器140，而不论在输出端子VOUT是否有负载。在图2中的虚设电阻器230与在图1中图解的虚设电阻器140相关联。
传统SMPS的另一个问题是在另一个输出端子的最大负载或对应的输出端子的最小负载(这被称为交叉条件)期间发生交叉调节，从而增大对应的输出端子的电压。即，所述对应的输出端子是变压器110的输出端子，在其有最小负载或几乎没有负载。在这种情况下，必须包括虚设电阻器，以便对应端子产生最小负载。
分流单元220在所述交叉条件下检测在对应的输出端子的增大的电压或降低的电流，如果所检测的电压大于基准值或所检测的电流小于基准值，则将从变压元件210的次级线圈输出的电流分流，并且向虚设电阻器230提供所述分流电流。
分流单元220包括连接到虚设电阻器230的二极管。当整流电流在从变压元件210的次级线圈输出后改变时，分流单元220经由二极管按照电压变化来对所整流的电流分流，并且向虚设电阻器230提供所述分流电流。换句话说，虽然在传统的SMPS中电流总是被提供到虚设电阻器140而与是否存在负载无关，但是在本发明的SMPS中所述电流仅仅在如上所述的特定条件下被分流，并且仅仅当没有负载时流过虚设电阻器230。
检测单元240感测被提供到虚设电阻器230的电流，并且将此通知到控制单元250。检测单元240向控制单元250通知流过虚设电阻器230的电流，表示在SMPS的输出端子没有负载。
从SMPS的角度来看，在其输出端子没有负载，并且如果提供到变压元件210以及虚设电阻器230的功率降低，则可以节能。为了实现此目的，如果检测单元240检测到流向虚设电阻器230的电流，则控制单元250改变切换单元200的时间常数，并且控制切换单元200的操作频率。结果，改变切换单元200的切换频率，并且降低提供到变压元件210的初级线圈的功率。因此，当在SMPS的输出端子没有负载时可以控制SMPS的输出。
将说明在所述交叉条件下使用电压增大条件的本发明的示例性配置的细节。
在图2中，分流单元220的功能限于：如果从次级线圈输出的整流电压大于基准值，则划分从次级线圈输出的电流，并且向虚设电阻器230提供分流电流。控制单元250的功能限于按照检测单元240的检测结果来改变切换单元200的时间常数，并且降低切换频率，由此降低被提供到变压元件210的初级线圈的功率。
如果从次级线圈输出的整流电压小于基准值，则分流单元220停止分流被提供到虚设电阻器230的电流，并且阻塞流向虚设电阻器230的电流。如果检测单元240未检测到流向虚设电阻器230的电流，则控制单元250控制所述切换单元200在预定时间常数，即初始时间常数，的频率上操作。
分流单元220可以包括连接到虚设电阻器230的二极管设备，并且如果整流电压大于基准值则经由所述二极管设备来分流被输出到虚设电阻器230的整流电流。
检测单元240可以包括连接到虚设电阻器230的光电耦合器发光单元。当被提供到虚设电阻器230的分流电流通过所述光电耦合器发光单元时，检测单元240可以通过检测从光电耦合器发光单元发出的光，来检测流过虚设电阻器230的电流。控制单元250可以包括光电耦合器光接收单元和连接到所述光电耦合器光接收单元的控制电容器。所述光电耦合器光接收单元检测在检测单元240中包括的所述光电耦合器发光单元发出的光，并且提供电流。然后，当所提供的电流通过控制电容器时，根据控制电容器的容量来改变切换单元200的时间常数。因此，按照由所改变的时间常数确定的改变的频率来改变切换频率。
图3是按照本发明的一个示例性实施例的具有有源模式检测功能的SMPS的一部分的电路图。具有有源模式检测功能的SMPS包括在前一示例性实施例中所描述的所有部件。与在图1中图解的传统SMPS相比较，在图3中的SMPS包括近似于变压元件310的初级线圈的单元380和近似于变压元件310的次级线圈的单元390。
下面说明在图3中图解的电路图的操作。
在图3中图解的切换单元300是在传统SMPS中通常使用的设备。在传统技术中仅仅通过单个电容器353来确定切换单元300的时间常数，但是在本发明的示例性实施例中，使用单元380来根据在SMPS的输出端子是否有负载而有效地改变时间常数。
当在SMPS的输出端子VOUT有负载时，换句话说，当SMPS不处于交叉条件中时，由于诸如二极管的设备而导致电流不流向虚设电阻器330，特别是齐纳二极管321、MOSFET 323阻塞电流。因此，在图3中的SMPS与在图1中图解的传统SMPS不同，在传统SMPS中，即使当在SMPS的输出端子VOUT有负载时，仍有少量的电流被提供到虚设电阻器140。
当在图3中在输出端子VOUT没有负载时，电压由于如上所述的交叉条件而增大，并且电流流过齐纳二极管321。如果流过齐纳二极管321的电流超过预定值，则MOSFET 323向虚设电阻器330提供电流。如果齐纳二极管321的特性被改变，则如果输出电压VOUT大于预定值，电流则可以通过齐纳二极管321。
当电流流过虚设电阻器330时，按照虚设电阻器330的电阻来保持特定的负载，由此防止由交叉条件引起的增大的电压。在这种情况下，齐纳二极管321和MOSFET 323被包括在分流单元220中，并且电阻器322防止在地(GND)和信号线(VOUT)之间发生短路。
当电流流过虚设电阻器330时，从光电耦合器发光单元340发光以指示电流流过虚设电阻器330。通过在光电耦合器351中包括的光电耦合器光接收单元(未示出)来感测所发出的光。所述光电耦合器光接收单元向光电耦合器351施加电流。
变压元件310的初级线圈和次级线圈应当电分离。因此，可以使用诸如光电耦合器发光单元340和在光电耦合器351中的接收单元之类的光发射和接收设备来发送和接收在初级线圈和次级线圈检测的结果。
在传统的SMPS中，通过电容器353来确定用于确定切换单元300的切换频率的时间常数。但是，在本发明的所述示例性实施例中，通过由控制电容器352确定的电容来确定所述时间常数。所述控制电容器和电容器353并联。按照对应于所确定的时间常数的频率，功率被切换单元300切换，并且被提供到变压元件310。
按照并联的电容器352和353来增大整体电容，并且因为所增大的电容而相应降低切换频率。结果，降低了被提供到变压元件310的功率。换句话说，通过当在输出端子VOUT没有负载时降低被提供到变压元件310的功率，来降低能耗。
如果连接到输出端子VOUT的系统需要功率，即如果存在负载，则去除了交叉条件。因此，降低了电压，并且电流不流过分流单元220(见图2)的齐纳二极管321，MOSFET 323被导通，因此，电流不流至虚设电阻器330。因此，从光电耦合器单元340不发光，并且光电耦合器351中的光电耦合器光接收单元不接收任何光。结果，控制电容器352被打开，并且以由按照电容器353的时间常数确定的初始频率，由切换单元300将功率切换到变压元件310。
如上所述，本发明的示例性实施例的SMPS当存在负载时完全地阻塞了流向虚设电阻器330的电流，并且仅仅当没有负载时允许电流流向虚设电阻器330。因此，SMPS通过最小化被提供到变压元件310的功率量，来降低由于切换损耗而导致的能耗。
参见图2，在检测单元240中包括光电耦合器发光单元340，并且在控制单元250中包括光电耦合器光接收单元351和控制电容器352。
图4是图解按照本发明的一个示例性实施例的具有有源模式检测功能的SMPS的切换方法的流程图。
SMPS的切换方法，在所述SMPS中交流功率在以按照预定时间常数而确定的频率而被切换后被提供到变压元件310，然后在被整流后被从变压元件的次级线圈输出，所述方法包括：将整流输出的电压与基准值相比较(步骤400)；当所述输出电压大于基准值时，将整流的输出电流分流，并且向虚设电阻器330提供所述电流(步骤410)；以及通过检测流向虚设电阻器330的电流并且改变预定时间常数和降低切换频率，来降低被提供到变压元件310的交流功率量(步骤420)。
如果当在电流被分流并提供到虚设电阻器330后再次施加负载时整流输出的电压小于基准值(步骤430)，则阻塞被分流和提供到虚设电阻器330的电流，并且用于所述切换频率的时间常数恢复到预定初始值(步骤440)。
如果在步骤400输出电压小于基准值，则不连接虚设电阻器(步骤450)，并且SMPS以初始频率切换(步骤460)。
SMPS的切换方法与在图2和3中图解的SMPS的操作相同，因此在此不再说明。
图5是其中进行试验的、按照本发明的另一个示例性实施例的SMPS的电路图，图6是图解使用图5中图解的电路的试验结果的图。
在图5中，D1图解了齐纳二极管321(见图3)，M2图解了MOSFET 323(见图3)，y1表示被施加到虚设电阻器330的电压(见图3)，并且y2表示齐纳二极管D 1的电压输出。在图6中，y4表示来自SMPS的输出端子VOUT(见图3)的电压输出。图6图解了电压y1、y2和y4。
可以从在图6中的试验结果看出，如果从输出端子输出的电压大于预定电压，则电流开始通过齐纳二极管321，并且MOSFET 323通过齐纳二极管321的操作而导通。结果，电流被分流，并且流向虚设电阻器，所述虚设电阻器控制电流。
按照本发明的示例性实施例，具有有源负载检测功能的SMPS向变压元件的初级线圈、然后向所述变压元件的次级线圈提供输入功率，然后整流和输出功率。SMPS包括切换单元，它以由预定时间常数确定的频率来切换被输入到变压元件的初级线圈的交流功率，并且向所述变压元件的次级线圈提供所切换的交流功率。SMPS还包括分流单元，它当从次级线圈输出的整流电流或电压大于或小于预定值时对从次级线圈输出的电流分流，并且向虚设电阻器提供所述分流电流。SMPS还包括：检测单元，用于检测流向虚设电阻器的分流电流；以及控制单元，通过根据所述检测单元所检测的分流电流来改变所述切换单元的时间常数，并且降低被提供到所述变压元件的所述初级线圈的功率量，来控制切换频率。在所述SMPS中，可以在交叉条件下控制虚设电阻器的端子的电流，当在正常状态中时控制流向虚设电阻器的电流，从而防止在虚设电阻器中总是发生的能量损耗，并且可以降低在待机状态期间的切换频率以降低切换损耗。结果，可以降低用于切换交流功率的切换MOSFET中消耗的热能。
虽然已经参照本发明的特定示例性实施例具体示出和说明了本发明，本领域的普通技术人员会明白，在不脱离所附的权利要求及其等同内容所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。所述示例性实施例应当仅仅在说明性含义上被考虑，而不是用于限定。因此，并非通过示例性实施例的详细说明、而是通过所附的权利要求来限定本发明的范围，并且在所述范围内的所有差别将被解释为被包括在本发明中。而且，本领域内的普通技术人员可以明白，可以使用一般的编程方法以作为软件或硬件的各种方式来实现本发明。
本申请要求2006年6月16日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2005-0052037号根据35U.S.C.119§(e)的权益，其全部内容包含在此作为引用。

Claims (13)

1.一种具有有源负载检测功能的切换模式电源，所述切换模式电源包括：
切换单元，用于以由时间常数确定的频率来切换输入到变压元件的初级线圈的交流功率，并且向所述变压元件的次级线圈提供所切换的交流功率；
分流单元，用于当从所述次级线圈输出的整流的电流或电压大于或小于基准值时，对从所述次级线圈输出的电流分流，并且向虚设电阻器提供分流电流；
检测单元，用于检测流到所述虚设电阻器的所述分流电流；以及
控制单元，用于通过根据所述检测单元所检测的分流电流来改变所述切换单元的时间常数，并且降低提供到所述变压元件的所述初级线圈的功率量，来控制切换频率。
2.按照权利要求1的切换模式电源，其中，所述分流单元包括连接到虚设电阻器的二极管，并且当从所述次级线圈输出的整流电流改变时所述分流单元按照电压的改变而经由所述二极管来向所述虚设电阻器提供整流电流。
3.按照权利要求1的切换模式电源，其中，所述检测单元包括连接到所述虚设电阻器的光电耦合器发光单元，提供到所述虚设电阻器的所述分流电流当电流通过光电耦合器时从光电耦合器发光单元发光，并且检测流过所述虚设电阻器的电流。
4.按照权利要求1的切换模式电源，其中，所述切换模式电源被配置来向变压元件的初级线圈、然后向所述变压元件的次级线圈提供交流功率输入，然后整流和输出所述功率。
5.一种具有有源负载检测功能的切换模式电源，所述切换模式电源包括：
切换单元，用于以由时间常数确定的频率来切换输入到变压元件的初级线圈的交流功率，并且向所述变压元件的次级线圈提供所切换的交流功率；
分流单元，用于当从所述次级线圈输出的整流的电压大于基准值时，对从所述次级线圈输出的电流分流，并且向虚设电阻器提供分流电流；
检测单元，用于检测流到所述虚设电阻器的所述分流电流；以及
控制单元，用于通过根据所述检测单元所检测的分流电流来改变所述切换单元的时间常数，并且降低提供到所述变压元件的所述初级线圈的功率量，来降低切换频率。
6.按照权利要求5的切换模式电源，其中，当从所述次级线圈输出的整流电压小于基准值时所述分流单元停止对流向所述虚设电阻器的电流分流，以及
如果所述检测单元不能够检测到流向所述虚设电阻器的电流，则所述控制单元控制所述切换单元以按照所述时间常数的频率来操作。
7.按照权利要求5的切换模式电源，其中，所述分流单元包括连接到所述虚设电阻器的二极管设备，并且所述分流单元被配置为如果所述整流电压大于基准电压，则经由二极管设备向所述虚设电阻器提供整流电流。
8.按照权利要求5的切换模式电源，其中，所述检测单元包括连接到所述虚设电阻器的光电耦合器发光单元，当分流电流通过光电耦合器时提供到所述虚设电阻器的所述分流电流从光电耦合器发光单元发光，并且检测流过所述虚设电阻器的电流。
9.按照权利要求8的切换模式电源，其中，所述控制单元包括：
光电耦合器光接收单元；以及
控制电容器，连接到所述光电耦合器光接收单元，
其中，如果所述光电耦合器发光单元发光，则所述光电耦合器光接收单元被配置为检测所发出的光并提供电流，当电流通过所述控制电容器时所提供的电流按照控制电容器的电容来改变所述切换单元的时间常数，并且按照由所改变的时间常数确定的所改变的频率来改变所述切换频率。
10.按照权利要求5的切换模式电源，其中，所述切换模式电源被配置为向变压元件的初级线圈、然后向所述变压元件的次级线圈提供交流功率输入，然后整流和输出所述功率。
11.一种切换切换模式电源的方法，所述方法包括：
将整流的输出电压与基准值相比较；
当整流的输出电压大于所述基准值时对所整流的输出电流分流；以及
检测流向虚设电阻器的分流电流，并且改变时间常数以降低切换频率，来降低提供到所述变压元件的交流功率。
12.按照权利要求11的切换方法，还包括：在对所整流的输出电流分流后，如果在分流和向所述虚设电阻器提供电流后所述整流输出电压小于所述基准值，则阻塞提供到所述虚设电阻器的所述分流电流，并且把用于确定所述切换频率的时间常数保持为时间常数。
13.按照权利要求11的切换方法，其中，所述切换模式电源被配置为按照由时间常数确定的频率在切换功率后向所述变压元件提供交流功率，并且整流和输出从所述变压元件的次级线圈输出的功率。
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