CN1941586A - 节能开关电源设备及其节能方法 - Google Patents
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Abstract
一种节能开关电源设备及其节能方法。该节能开关电源设备包括：变电部分，含有第一和第二线圈，以便针对输入电压，利用第一和第二线圈的交感使电压感应到第二线圈；电力输出部分，用于当确定通过整流和平滑化感应到第二线圈的电压输出的第一DC电压大于等于参考电压电平时，输出感测信号；和开关控制部分，用于当接收到感测信号时，调整开关器件的开关频率，以中断流入变电部分的第一线圈的电流。于是，开关损耗得到控制，和降低了能量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及节能(energy effective)开关电源设备及其节能方法。更具体地说，本发明涉及通过提高用作电器中的开关电源设备的SMPS(开关型电源)的功效节约能源的节能开关电源设备及其节能方法。
背景技术
一般说来，SMPS(开关型电源)用作诸如打印机之类的成像设备中的开关电源设备。SMPS指的是整流外部输入的AC(交流电)电压和将整流电压供应给电器的每个部分的设备。
SMPS通过降低以开关方式工作的开关器件的功耗来降低功耗，和通过利用高频电源变压器使之小型化。SMPS被设计成同时输出具有不同幅度的DC电压(直流电)。例如，可以同时输出供应给打印机中主电源的3.3V或5V的DC电压、和供应给HVPS(高压电源)和打印引擎部分的24V的DC电压。
图1例示了传统开关电源设备。
参照图1，该开关电源设备包括外部电力输入部分10、整流部分20、开关控制部分30、变电部分40、第一电力输出部分50、第二电力输出部分60、和反馈电路部分70。
外部电力输入部分10接收来自外部电源(未示出)的AC电力作为输入。整流部分20利用桥接二极管(未示出)和电容器(未示出)整流输入的AC电力，和输出DC电力。将从整流部分20输出的DC电力供应给变电部分40的电源变压器的第一线圈，变电部分40利用第一线圈和第二线圈之间的交感使电压感应到第二线圈。
开关控制部分30中断流入变电部分40的第一线圈的电流和控制感应到变电部分40的第二线圈的电压。感应到变电部分40的第二线圈的电压分别由第一电力输出部分50和第二电力输出部分60整流和平滑化。第一电力输出部分50输出第一DC电压Va作为第一输出电压，和第二电力输出部分60输出第二DC电压Vb作为第二输出电压。
开关控制部分30含有PWM-IC(脉宽调制集成电路)35，PWM-IC 35通过晶体管TR1与变电部分40的第一线圈连接。PWM-IC 35的OUT端接通/断开晶体管TR1，中断流入第一线圈的电流和控制感应到变电部分40的第二线圈的电压。
二极管D1、电阻R1、和第一电容器C1整流和平滑化流入变电部分40的辅助线圈的电流，和将工作电力供应给PWM-IC 35的Vcc端。通过与PWM-IC 35的CT端连接的第二电容器C2的电容值，相对于到OUT端的晶体管TR1输出确定开关频率。
反馈电路部分70感测第二电力输出部分60的第二输出电压，和将反馈信号发送到PWM-IC 35的FB端。PWM-IC 35的工作根据发送的反馈信号来确定。也就是说，当第二电力输出部分60的第二输出电压高于参考电压时，反馈电路部分70发送命令PWM-IC 35停止工作的反馈信号。
同样，传统开关电源设备总是以均匀频率接通或断开晶体管TR1，分别与第一和第二输出电压Va和Vb的变化无关，于是，导致开关损耗和出现不必要的功耗。如果第一电力输出部分50的输出电流增大，第二电力输出部分60的第二输出电压就会因交叉调节而升高，和通过第二电力输出部分60供应给第二输出电压的设备可能因第二输出电压的升高而受到损害。
发明内容
本发明提供了调整PWM-IC(脉宽调制集成电路)的开关频率以防过电压引起的不必要功耗和损害的节能开关电源设备及其节能方法。
本发明的另外方面部分将在如下的描述中给出和部分可从该描述中明显看出，或可以通过本发明的实施获知。
本发明的上述和/或其它方面可以通过提供包括如下的开关电源设备实现：变电部分，含有第一和第二线圈，以便针对在第一线圈上接收的输入电压，利用第一和第二线圈的交感使电压感应到第二线圈；电力输出部分，用于当确定通过整流和平滑化感应到第二线圈的电压输出的第一DC电压大于等于参考电压电平时，输出感测信号；和开关控制部分，用于当接收到感测信号时，调整开关器件的开关频率，以中断输入变电部分的第一线圈的电流。
当输出的第一DC电压大于等于参考电压电平时，电力输出部分可以通过使LED(发光二极管)工作来输出感测信号。
电容值可以通过由LED使其工作以用作光电耦合器的光电晶体管来改变，和开关控制部分可以根据改变的电容值调整开关器件的开关频率。
当第一DC电压大于等于参考电压电平时，通过光电可编程旁路二极管使电力输出部分的LED工作。
本发明的上述和/或其它方面也可以通过提供包括如下的电源设备实现：变压器，用于在第一线圈上接收输入电压和在至少一个第二线圈上输出至少一个输出电压；控制器，用于以两种或更多种工作频率接通和断开变压器，以便根据反馈信号调节至少一个输出电压；和至少一个电力输出部分，用于接收来自变压器的至少一个输出电压，输出至少一个输出DC电压，和将第一反馈信号提供给控制器，以便当至少一个输出DC电压大于参考电压电平时降低切换变压器的频率。
本发明的上述和/或其它方面也可以通过提供开关电源设备的节能方法实现，该方法包括：在包括第一线圈和第二线圈的变电部分的第一线圈上接收输入电压；针对输入电压，利用第一和第二线圈的交感使电压感应到第二线圈；当通过整流和平滑化感应到第二线圈的电压输出的DC电压被确定大于等于参考电压电平时，输出感测信号；和当接收到感测信号时，调整开关器件的开关频率，以中断流入第一线圈的电流。
感测信号的输出可以包括当DC电压大于等于参考电压电平时，通过使LED工作来输出感测信号。
开关器件的开关频率的调整可以包括通过用LED使光电晶体管工作以用作光电耦合器来改变电容值。
感测信号的输出可以包括当DC电压大于等于参考电压电平时，用光电可编程旁路二极管使LED工作。
本发明的上述和/或其它方面也可以通过提供开关电源的方法实现，该方法包括：变换在变压器的第一线圈上接收的输入电压，以便在第二线圈上感应至少一个输出电压；根据开关控制信号中断流过变压器的第一线圈的电流和第二线圈上至少一个输出电压的感应；将在第二线圈上感应的至少一个输出电压整流成至少一个DC输出电压；确定至少一个DC输出电压是否大于参考电压；和当确定至少一个DC输出电压大于参考电压时，使光电耦合器工作，以调整开关控制信号的频率。
附图说明
通过参照附图对本发明的某些实施例进行描述，本发明的上述方面将更加明显，在附图中：
图1例示了传统开关电源设备；
图2例示了根据本发明实施例的开关电源设备；
图3例示了根据本发明实施例的第二电力输出部分；和
图4是例示根据本发明实施例的开关电源设备的工作的流程图。
具体实施方式
现在详细介绍其例子显示在附图中的本发明实施例，其中，相同标号自始至终表示相同部件。下面参照附图描述本发明实施例以说明本发明。
图2例示了根据本发明实施例的开关电源设备。
参照图2，该开关电源设备包括外部电力输入部分100、整流部分110、开关控制部分130、变电(power transforming)部分150、第一电力输出部分160、第二电力输出部分170、和反馈电路部分190。
外部电力输入部分100接收来自外部电源(未示出)的AC(交流电)电力作为输入。
整流部分110利用，例如，桥接二极管(未示出)和电容器(未示出)整流输入的AC电力和输出DC(直流电)电力。将从整流部分110输出的DC电压供应给变电部分150的第一(或初级)线圈。
变电部分150利用第一线圈和第二线圈之间的交感使电压感应到第二(或次级)线圈和辅助线圈。辅助线圈连接到开关控制部分130。
开关控制部分130中断流过变电部分150的第一线圈的电流，从而控制感应到变电部分150的第二线圈和辅助线圈的电压。开关控制部分130包括PWM-IC(脉宽调制集成电路)135，晶体管TR1和TR2、电容器C1、C2和C3、二极管D1和D2、和电阻R1。
PWM-IC 135通过晶体管TR1与变电部分150的第一线圈的一端连接。晶体管TR1可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。PWM-IC 135的OUT端通过接通和断开晶体管TR1，从而中断第一线圈的电流，控制感应到变电部分150的第二线圈和辅助线圈的电压。
二极管D1、电阻R1、和电容器C1整流和平滑化流入变电部分150的辅助线圈的电流，和将工作电力供应给PWM-IC 135的Vcc端，以便使PWM-IC 135工作。
PWM-IC 135的CT端决定输出到PWM-IC 135的OUT端的开关频率，和开关频率由与CT端连接的电容器C2的电容值决定。晶体管TR2可以是光电晶体管。当在图2中光电晶体管TR2被断开时，开关频率由电容值C2决定。当光电晶体管TR2被接通时，开关频率由电容值C2和C3决定。由于PWM-IC 135的CT端上的电容值因电容器C2和C3的并联而增大，开关频率随之下降。
感应到变电部分150的第二线圈的电压分别由第一和第二电力输出部分160和170整流和平滑化。第一电力输出部分160输出第一DC电压Va作为第一输出电压，和第二电力输出部分170输出第二DC电压Vb作为第二输出电压。可替代地，该开关电源设备可以包括更多的电力输出部分。
第二电力输出部分170包括线圈L1和L2(即，电感器)、二极管D2到D5、电容器C4和C5、电阻R2到R6、和晶体管TR3。
线圈L2用于正向转换器，当将高压供应给变电部分150的第一线圈时，电流对线圈L2充电。当将低压供应给变电部分150的第一线圈时，在线圈L2上充电的电流流过电容器C5和二极管D4，和在线圈L2上充电的电流补充电流不足和输出第二DC电压Vb。
线圈L1可以是用于磁放大器的MAG-AMP线圈。磁放大器利用线圈的电抗随它的电流电平而改变的事实，通过输入电流的改变控制负载电流。也就是说，磁放大器防止第一电力输出部分160在第二电力输出部分170上引起交叉调节。
例如，如果第一电力输出部分160的电流增大和第二电力输出部分170的第二输出电压升高，代表在线圈L1上充电的电流的电流“i”流过二极管D3和晶体管TR3，和二极管D2被接通。当第二输出电压Vb大于等于第一参考电压时晶体管TR3被处在工作状态的二极管D5(例如，可编程旁路二极管或齐纳二极管)接通。
当第二输出电压Vb大于等于第一参考电压时，二极管D2被接通，和光电耦合器使第二电力输出部分170的二极管D2和开关控制部分130的晶体管TR2工作。于是，电容器C2和电容器C3并联接在PWM-IC 135的CT端上，和输出到OUT端的开关频率下降，从而降低了开关损耗。
反馈电路部分190感测第二电力输出部分170的第二输出电压Vb，和将反馈信号发送到PWM-IC 135的FB端。当第二电力输出部分170的第二输出电压大于等于第二参考电压时，反馈电路部分190发送停止反馈信号，以停止PWM-IC 135的工作。不同电平的电压可以分别用作反馈电路部分190的第二参考电压和由二极管D5决定的第一参考电压。尤其，第二参考电压可以大于第一参考电压。由于本领域的普通技术人员应该知道一般反馈电路，这里不再提供反馈电路部分190的详细描述。
图3例示了第二电力输出部分170′的另一个例子。
参照图2和图3，在开关电源设备的第二电力输出部分170′中，将晶体管TR2用作光电耦合器使二极管D6工作。
更具体地说，当第二电力输出部分170的第二输出电压Vb大于等于第一参考电压时，二极管D5处在工作状态，电流“i”流过和二极管D6被接通。于是，电容器C2和C3(参见图2)并联接在PWM-IC 135的CT端上。输出到OUT端的开关频率下降和开关损耗降低。
图4是例示根据本发明实施例的开关电源设备的工作的流程图。下面参照图2和3描述开关电源设备的工作。
参照图2和4，当输入外部电力时(操作S200)，输入的外部电力被整流和平滑化成DC电压。也就是说，整流部分110利用，例如，桥接二极管(未示出)和电容器(未示出)整流通过外部电力输入部分100输入的外部电力，和输出DC电压(操作S210)。
PWM-IC 135控制流入变电部分150的第一线圈的电流的中断和到第二线圈的电压的感应。换句话说，将从整流部分110输出的DC电压供应给变电部分150的第一线圈，和开关控制部分130中断流入变电部分150的第一线圈的电流，从而控制感应到第二线圈的电压(操作S220)。
第一和第二电力输出部分160和170(或170′)整流和平滑化感应到第二线圈的电压，和分别输出第一和第二输出电压Va和Vb(操作S230)。
当在操作S240中第二电力输出部分170(或170′)输出的第二输出电压大于等于第一参考电压时，电流“i”使光电耦合器工作。也就是说，如果第二输出电压Vb大于等于参考电压，对线圈L1充电的电流“i”接通二极管D2(参见图2)或二极管D6(参见图3)。当二极管D2或二极管D6被接通时，二极管D2或二极管D6使晶体管TR2工作，和光电耦合器被接通。
于是，电容器C2和电容器C3并联接在PWM-IC 135的CT端上，从而使输出到OUT端的开关频率下降和开关损耗降低。
交叉调节结束，当第二输出电压Vb保持小于等于第一参考电压时，电流“i”不流过，和二极管D2(参见图2)或二极管D6(参见图3)停止发光。最后，与PWM-IC 135的CT端连接的电容器正常化(即，返回到C2)和开关频率返回到原始状态。该方法可以进一步包括反馈电路部分190执行的反馈操作。例如，可以连续地、周期性地、或作为操作S240的一部分执行反馈操作。如上所述，当第二输出电压Vb大于等于第二参考电压时，反馈操作可以用于切断PWM-IC 135的工作。
如上所述，当感测的输出电压(即，第二输出电压Vb)大于等于某个电压电平(即，第一参考电压)时，主动地使线圈L1工作。随着第二输出电压Vb升高，PWM-IC 135的开关频率下降，使开关损耗降低，从而可以防止不必要的功耗和过电压引起的损害。
虽然已经图示和描述了本发明的少数实施例，但本领域的普通技术人员应该认识到，可以对这些实施例作各种各样的改变，而不偏离其范围由所附权利要求书及其等效物限定的本发明的原理和精神。
Claims (23)
1.一种开关电源设备，包含：
变电部分，含有第一和第二线圈，以便针对在第一线圈上接收的输入电压，利用第一和第二线圈的交感使电压感应到第二线圈；
电力输出部分，用于当确定通过整流和平滑化感应到第二线圈的电压输出的第一DC电压大于等于参考电压电平时，输出感测信号；和
开关控制部分，用于当接收到感测信号时，调整开关器件的开关频率，以中断流入变电部分的第一线圈的电流。
2.根据权利要求1所述的开关电源设备，其中，电力输出部分包含发光二极管(LED)，用于当输出的第一DC电压大于等于参考电压电平时，输出感测信号。
3.根据权利要求2所述的开关电源设备，其中，电容值通过由LED使其工作以用作光电耦合器的光电晶体管来改变，和开关控制部分根据改变的电容值调整开关器件的开关频率。
4.根据权利要求2所述的开关电源设备，其中，当第一DC电压大于等于参考电压电平时，通过光电可编程旁路二极管使电力输出部分的LED工作。
5.根据权利要求1所述的开关电源设备，其中，开关控制部分包含光电晶体管，用于接收感测信号，以调整开关频率。
6.根据权利要求1所述的开关电源设备，其中，开关控制部分包含脉宽调制集成电路(PWM-IC)，PWM-IC包括：
与可变电容连接的CT端，可变电容可在第一电容值和第二电容值之间变化，以便当接收到感测信号时，调整开关器件的开关频率；和
输出端，用于将开关频率输出到开关器件，以便控制流过变电部分的第一线圈的电流。
7.根据权利要求6所述的开关电源设备，其中，PWM-IC进一步包含：
反馈端，用于当第一DC电压太高时，接收来自反馈电路部分的停止信号，以停止开关器件的工作。
8.根据权利要求6所述的开关电源设备，其中，与PWM-IC的CT端连接的可变电容包含：
与CT端连接的第一电容器；
通过感测信号在ON状态和OFF状态之间操作的与第一电容器并联的三端开关器件；和
当在ON状态下操作三端开关器件时与第一电容器并联和当在OFF状态下操作三端开关器件时不与第一电容器并联的第二电容器。
9.根据权利要求1所述的开关电源设备，其中，电力输出部分包含：
第二电力输出部分，用于在变电部分的第二线圈的第二部分上接收通过第一线圈感应的第二AC电压，将第二AC电压整流成相应的第二DC电压，和输出相应第二DC电压；和
第一电力输出部分，用于在变电部分的第二线圈的第一部分上接收通过第一线圈感应的第一AC电压，将第一AC电压整流成相应的第一DC电压，输出第一DC电压，和当确定第一DC电压大于等于参考电压电平时，输出感测信号。
10.根据权利要求9所述的开关电源设备，其中，第一电力输出部分包含：
磁放大器电感线圈，用于从第二变电部分的第二线圈的第二部分接收感应电流，和调节流入第一电力输出部分的电流；
正向转换器电感线圈，用于接收从磁放大器电感线圈流入的电流，和输出第一DC电压；和
感测信号输出部分，用于当流过正向转换器电感线圈的电流大于预定电流时，输出感测信号。
11.根据权利要求10所述的开关电源设备，其中，磁放大器电感线圈防止在第一和第二输出部分之间发生交叉调节。
12.根据权利要求10所述的开关电源设备，其中，开关控制部分包含可变电容，可变电容可在第一电容值和第二电容值之间变化，以便当接收到感测信号时，调整开关器件的开关频率。
13.根据权利要求11所述的开关电源设备，其中，感测信号输出部分包含光电二极管，和可变电容通过可由光电二极管使其工作的光电晶体管在第一电容值和第二电容值之间改变。
14.一种电源设备，包含：
变压器，用于在第一线圈上接收输入电压和在至少一个第二线圈上输出至少一个输出电压；
控制器，用于以两种或更多种工作频率接通和断开变压器，以便根据反馈信号调节至少一个输出电压；和
至少一个电力输出部分，用于接收来自变压器的至少一个输出电压，输出至少一个输出DC电压，和将第一反馈信号提供给控制器，以便当至少一个输出DC电压大于参考电压电平时降低切换变压器的频率。
15.根据权利要求14所述的电源设备，其中，至少一个电力输出部分将第二反馈信号提供给控制器，以便当至少一个输出DC电压下降到参考电压电平以下时降低切换变压器的频率。
16.根据权利要求14所述的电源设备，其中，控制器包含：
与变压器的第一线圈连接的晶体管；和
开关控制单元，含有使晶体管工作以便根据两种或更多种工作频率开关的输出端、和使可变电容与之连接的控制端，可变电容可在第一电容值和第二电容值之间变化，以便当接收到反馈信号时，调整变压器的开关频率。
17.根据权利要求16所述的电源设备，其中，与控制端连接的可变电容包含：
与开关控制单元的控制端连接的第一电容器；
通过反馈信号在ON状态和OFF状态之间操作的与第一电容器并联的三端开关器件；和
当在ON状态下操作三端开关器件时与第一电容器并联和当在OFF状态下操作三端开关器件时不与第一电容器并联的第二电容器。
18.根据权利要求17所述的电源设备，其中：
至少一个电力输出部分包含当至少一个输出DC电压大于参考电压电平时输出光信号的光电二极管；和
三端开关器件包含当受从光电二极管接收的光信号激发时在ON状态下工作的光电晶体管。
19.一种开关电源设备的节能方法，该方法包含：
在包括第一线圈和第二线圈的变电部分的第一线圈上接收输入电压；
针对输入电压，利用第一和第二线圈的交感使电压感应到第二线圈；
当通过整流和平滑化感应到第二线圈的电压输出的DC电压被确定大于等于参考电压电平时，输出感测信号；和
当接收到感测信号时，调整开关器件的开关频率，以中断流入变电部分的第一线圈的电流。
20.根据权利要求19所述的开关电源设备的节能方法，其中，感测信号的输出包含当DC电压大于等于参考电压电平时，通过使LED工作来输出感测信号。
21.根据权利要求20所述的开关电源设备的节能方法，其中，开关器件的开关频率的调整包含通过用LED使光电晶体管工作以用作光电耦合器来改变电容值。
22.根据权利要求20所述的开关电源设备的节能方法，其中，感测信号的输出包含当DC电压大于等于参考电压电平时，用光电可编程旁路二极管使LED工作。
23.一种开关电源的方法，该方法包括：
将在变压器的第一线圈上接收的输入电压变换成第二线圈上的至少一个输出电压；
根据开关控制信号中断流过变压器的第一线圈的电流和第二线圈上至少一个输出电压的感应；
将在第二线圈上感应的至少一个输出电压整流成至少一个DC输出电压；
确定至少一个DC输出电压是否大于参考电压；和
当确定至少一个DC输出电压大于参考电压时，使光电耦合器工作，以调整开关控制信号的频率。
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