CN1956309B - 开关模式电源以及在功率节省模式中操作电源的方法 - Google Patents

开关模式电源以及在功率节省模式中操作电源的方法 Download PDF

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Abstract

一种开关模式电源和在功率节省模式下操作此电源的方法。该开关模式电源包括：第一和第二PWM控制器，它们由不同的驱动电压驱动，控制要输出的第一和第二电压；第一变压器，其由第一PWM控制器控制以输出第一电压，并且具有初级线圈、用以感生第一电压的次级线圈和辅助绕组；整流器，其整流和平滑流过第一变压器的辅助绕组的电流、根据第一和第二PWM控制器的各个驱动电压来产生功率节省模式电压，并将此功率节省模式电压提供给第一和第二PWM控制器。因此，可以利用电压差来操作功率节省模式，而不需要额外的控制器。

Description

开关模式电源以及在功率节省模式中操作电源的方法
技术领域
本发明涉及一种开关模式电源以及在功率节省模式中操作电源的方法。更具体地说，本发明涉及一种至少输出两个电压和在施加最小负载时使用电压差来在功率节省模式中操作的开关模式电源，以及在功率节省模式中操作的方法。
背景技术
由于常规的开关模式电源(SMPS)在开关模式中操作开关元件，因此，它消耗较少的功率。此外，由于SMPS使用高频电源变压器，因此，它的结构紧凑并且重量轻。SMPS可能同时输出不同电平的直流(DC)电压。例如，如果打印机使用SMPS，就可能从主电源上为此打印机提供3.3V或5V的直流(DC)电压，并可从高压电源或打印机引擎上同时为其提供24V的直流(DC)电压。
在高压电源或使用高电压的打印机引擎处于空载的情况下，SMPS进入功率节省模式，以最大限度地减少功率消耗。
常规的SMPS至少有两个脉冲宽度调制(PWM)控制器和至少两个变压器，以便至少输出两个电压。常规的SMPS接收用以控制高电压输出的PWM开/关信号，以便关断第二PWM控制器，从而使得不在功率节省方式中输出高电压。
更具体地说，例如如果SMPS被设计成输出两个电压，则该SMPS就要包含两个PWM控制器和两个变压器。
假设第一PWM控制器控制低压输出，第二PWM控制器控制高压输出。
第一PWM控制器输出PWM信号，第一晶体管根据此PWM信号切换开/关，从而调整流过第一变压器的初级线圈的电流并由此控制在第一变压器的次级线圈上感生的电压。在第一变压器的次级线圈上感生的电压被整流、平滑，然后作为低电压输出到第一输出端子。第二PWM控制器和第二晶体管按照上述的相同方式产生电压，并将此电压作为高电压输出到第二输出端于。
常规的SMPS需要外部控制器来输出PWM开/关信号，以便控制来自第二PWM控制器的高压输出，从而在进入功率节省模式时开启/关断(即从开到关)。在从外部控制器上接收PWM开/关信号时，根据接收到的PWM开/关信号来关断第二PWM控制器。这就是说，第二PWM控制器在接收PWM开/关信号时停止输出高电压。
这就是说，为了在功率节省模式中操作，SMPS必须接收控制信号。因此，SMPS也需要外部控制器来输出控制信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在功率节省模式下操作的开关模式电源，以及在功率节省模式中操作此电源的方法，该电源使用内部产生的电压差而不需要用外部控制器来输出控制信号，以便在功率节省模式下操作。
在下面的说明中将要部分提出本发明的附加的某些方面，通过如下的说明或通过对本发明的实践，这些方面将会变得更加清楚。
本发明的上述和/或其它方面通过提供输出第一电压和第二电压的电源来实现，其中包括：第一脉冲宽度调制(PWM)控制器和第二PWM控制器，它们由不同的驱动电压驱动，以分别控制要输出的第一和第二电压；第一变压器，其由第一PWM控制器控制，以输出第一电压，所述第一变压器包括初级线圈、次级线圈和辅助绕组；以及整流器，其用来整流和平滑流过第一变压器的辅助绕组的电流，并根据第一和第二PWM控制器的各个驱动电压来产生功率节省模式电压，并将此功率节省模式电压提供给第一和第二PWM控制器。
由整流器产生的功率节省模式电压可以大于或等于第一PWM控制器的驱动电压，并且，该功率节省模式电压可以小于第二PWM控制器的驱动电压。
可用功率节省模式电压来关断第二PWM控制器。
在功率节省模式中，与第一变压器的次级线圈相连的输出端子可以有最小的负载，并且，整流器可以利用第一变压器的减小了的电流来产生功率节省模式电压。
该电源还可以包括降压单元，它降低由整流器产生的功率节省模式电压，并将此降低了的电压提供给第二PWM控制器。
该降压单元可以包括与整流器相连的第一终端以及与第二PWM控制器相连的第二终端。
该降压单元可以是可变电阻或者是调节器(regulator)。
本发明的上述和/或其它的各个方面还能通过提供可以在功率节省模式和标准驱动模式之间切换的电源来实现。该电源包括：第一输出单元；第二输出单元；PWM控制器单元，用以控制第一输出单元在功率节省模式和在标准驱动模式中输出第一输出电压，并控制第二输出单元在标准驱动模式中输出第二输出电压以及当在功率节省模式中时不输出第二电压；以及感测单元，用以感测至少施加在第一和第二输出单元之一个上的负载，并根据感测到的负载来选择功率节省模式和标准驱动模式之一。
本发明的上述和/或其它的各个方面也能通过提供可与高电压电源(HVPS)和/或打印机引擎一起使用的开关模式电源来实现。该开关模式电源包括：第一和第二输出单元；第一和第二变压器，用以分别向第一和第二输出单元提供第一和第二电压；第一PWM控制器，用于驱动第一变压器；第二PWM控制器，用于驱动第二变压器；以及感测单元，其利用根据至少施加在第一和第二输出单元之一个上的负载所确定的驱动电压来驱动第一和第二PWM控制器。
本发明的上述和/或其它的各个方面还能通过提供开关模式电源来实现，该开关模式电源包括：至少两个输出单元，用于输出包括高电压在内的不同的电压电平；以及PWM开关单元，用以感测施加在输出单元上的负载，并在确定负载为第一负载时关断输出高电压的输出单元，在确定负载为第二负载时接通所述至少两个输出单元。
本发明的上述和/或其它的各个方面还能通过提供电源来实现，该电源包括：至少两个输出单元，以便输出包括高电压在内的不同的电压电平；至少两个PWM控制器，可由不同的电压驱动；以及感测单元，用以感测施加在输出单元上的负载，并在确定负载在第一负载状态中时关断用于驱动输出高电压的输出单元的PWM控制器，在确定负载在第二负载状态中时接通所述至少两个PWM控制器。
本发明的上述和/或其它的各个方面也能通过提供在功率节省模式中操作电源的方法来实现，此方法包括：第一变压器，其输出第一电压，并且具有初级线圈、在其上感生第一电压的次级线圈、以及辅助绕组；第二变压器，其输出第二电压；第一PWM控制器和第二PWM控制器，它们由不同的驱动电压驱动，并且分别控制第一和第二变压器的输出。该方法包括整流和平滑流过第一变压器的辅助绕组的电流，利用整流和平滑过的辅助绕组的电流并根据第一和第二PWM控制器的各个驱动电压来产生功率节省模式电压，并将所产生的功率节省模式电压提供给第一和第二PWM控制器。
功率节省模式电压可以大于或等于第一PWM控制器的驱动电压，功率节省模式电压可以小于第二PWM控制器的驱动电压。
该方法还可以包括利用可变电阻或调节器来降低功率节省模式电压，并将降低了的功率节省模式电压提供给第二PWM控制器。
本发明的上述和/或其它的各个方面还能通过提供在功率节省模式中操作电源的方法来实现，此方法包括利用在驱动电压之间的电压差来自动地选择电源模式，所述驱动电压用来驱动至少两个PWM控制器，这两个控制器控制电源以便输出至少两个电压。
附图说明
通过下面结合附图对具体实施例所进行的描述，本发明的上述的和其他的方面将会变得更加清楚，其中，
图1是一个电路示意图，该图示出了根据本发明的具体实施例的一个在功率节省模式中操作的SMPS；
图2是一个电路示意图，该图示出了根据本发明的另一个具体实施例的一个在功率节省模式中操作的SMPS。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细说明本发明的具体实施例，在附图中列举了具体实施例的例子，在所有的图中，用相同的标号表示相同的部件。
图1是一个电路示意图，该图示出了根据本发明的具体实施例的一个在功率节省模式中操作的SMPS。
在施加最小负载时，SMPS利用电压差来接通/关断输出电压，从而在功率节省模式中操作。
参见图1，SMPS包括第一整流器110、第一PWM控制器120、第一晶体管Q1、第一变压器130、第二整流器140、第三整流器150、第二PWM控制器160、第二晶体管Q2、第二变压器170、以及第四整流器180。
第一整流器110使用例如桥式二极管DM1和电容器C1来整流从交流(AC)电源输入的交流(AC)电压。
将由第一整流器110整流过的AC电压施加在第一变压器130和第二变压器170的初级线圈上。第一变压器130利用在初级线圈和次级线圈之间的相互作用在次级线圈上感生电压。第一PWM控制器120输出第一PWM信号以输出低电压，第一晶体管Q1根据第一PWM信号来进行开/关，从而调整(regulating)流过第一变压器130的初级线圈的电流。因此，可以根据第一PWM信号来控制在第一变压器130的次级线圈上感生的电压。
第一晶体管Q1根据从第一PWM控制器120上输出的第一PWM信号来进行开/关切换。
第二整流器140利用例如二极管D1和电容器C2来整流和平滑在第一变压器130的次级线圈上感生的电压，并将此整流和平滑过的电压输出到第一输出端子(输出1)上。该输出到第一输出端子(输出1)上的电压是低电压。
第三整流器150利用例如二极管D2和电容器C3来整流和平滑流过第一变压器130的辅助绕组的电流，并由此产生Vcc。第三整流器150将所产生的Vcc作为驱动电压Vcc提供给第一和第二PWM控制器120和160。
利用从第三整流器150提供的Vcc来驱动第一和第二PWM控制器120和160，第一和第二PWM控制器120和160分别产生第一PWM信号和第二PWM信号。
第二变压器170从第一整流器110上接收加在此变压器的初级线圈上的电压，以便利用在初级线圈和次级线圈之间的相互作用而在第二变压器170的次级线圈上感生电压。第二PWM控制器160输出第二PWM信号以便输出高电压，第二晶体管Q2根据第二PWM信号来进行开/关转换，从而调整(regulating)流过第二变压器170的初级线圈的电流。因此，能够根据第二PWM信号来控制在第二变压器170的次级线圈上感生的电压。
第二晶体管Q2根据从第二PWM控制器160输出的第二PWM信号来进行开/关切换。
第四整流器180利用例如二极管D3和电容器C4来整流和平滑在第二变压器170的次级线圈上感生的电压，并将此整流和平滑过的电压输出到第二输出端子(输出2)上。该输出到第二输出端子(输出2)上的电压是高电压。
第三整流器150产生标准驱动电压作为驱动电压Vcc，以便在标准驱动模式中驱动第一和第二PWM控制器120和160，该第三整流器150还产生功率节省模式电压作为驱动电压Vcc，以便进入功率节省模式。第一和第二PWM控制器120和160使用不同的驱动电压。由于第一PWM控制器120输出用以输出低电压的第一PWM信号，因此，第一PWM控制器120使用低电平驱动电压；与此同时，由于第二PWM控制器160输出用以输出高电压的第二PWM信号，因此，第二PWM控制器160使用高电平驱动电压。因此，在标准驱动模式中，都要驱动第一和第二PWM控制器120和160两者(即正常地驱动)，并且，在功率节省模式中，关断使用高电平驱动电压的第二PWM控制器160，只驱动第一PWM控制器120。
例如，第一PWM控制器120可以使用12V的驱动电压，第二PWM控制器160可以使用15V的驱动电压。还可以替换地使用其它的电压。在标准驱动模式中，第三整流器150最少可以产生15V的Vcc以便正常地驱动第一和第二PWM控制器120和160。用15V的电压来正常地驱动第一和第二PWM控制器120和160。
在功率节省模式中，第一和第二输出端子(输出1和输出2)具有加在其上的最小负载。因此，低电平电流流过与第一输出端子(输出1)相连的第一变压器130的辅助绕组，以使得第三整流器150最大产生12V的Vcc，这个值低于标准驱动模式中的15V。因此，关断要由15V的电压驱动的第二PWM控制器160，并使其进入功率节省模式。
换句话说，在第一输出端子(输出1)和/或第二输出端子(2)上施加了最小负载时，减少在第一变压器130的辅助绕组中感生的电流，以使得由第三整流器150所产生的驱动电压Vcc是功率节省模式电压(即12V)，该电压对于驱动第一PWM控制器120而言是足够高的，但是，对于驱动第二PWM控制器160而言就不足够高了。在第一变压器130的辅助绕组中感生的电流可以由第一变压器130的初级和/或次级线圈的相互作用而引起。更具体地说，流过第一变压器130的辅助绕组的电流，在第一变压器130的次级线圈一侧上，可以起到加在第一输出端子(输出1)上的负载的作用。例如，在第一变压器130的辅助绕组中感生的电流可以与加在第一输出端子(输出1)上的负载成比例。在高压电源处于空载(idle)的情况下，可以把最小负载加到第一输出端子(输出1)或第一和第二输出端子(输出1和输出2)上，在此，所述的高压电源使用由第二输出端子(输出2)或与第一输出端子(输出1)相连的打印机引擎输出的高压。这样，通过感测加到第一和第二输出端子(输出1和输出2)上的负载，第一变压器130的辅助绕组和第三整流器150就能自动地将SMPS切换到功率节省模式，而不需要由外部控制器产生的外部控制信号。换句话说，第一变压器130的辅助绕组可以作为感测单元来感测加到SMPS的输出上的负载，以便为第一和第二PWM控制器120和160产生适当的驱动电压Vcc。
图2是一个电路示意图，该图示出了根据本发明的另一个实施例的在功率节省模式中操作的SMPS。
参见图2，该SMPS包括第一整流器210、第一PWM控制器220、第一晶体管Q1、第一变压器230、降压单元255、第二整流器240、第三整流器250、第二PWM控制器260、第二晶体管Q2、第二变压器270、第四整流器280。
由于第一整流器210、第一PWM控制器220、第一晶体管Q1、第一变压器230、第二整流器240、第三整流器250、第二PWM控制器260、第二晶体管Q2、第二变压器270、第四整流器280与在图1的具体实施例的SMPS中的相应的部件相似，因此不再对其进行详细的描述。
降压单元255安置在第三整流器250和第二PWM控制器260之间并使用两个驱动电压之间的电压差，这两个驱动电压就是作为Vcc加到第二PWM控制器260上的驱动电压和作为Vcc加到第一PWM控制器220上的驱动电压。更具体地说，降压单元255降低了从第三整流器250加到第二PWM控制器260上的驱动电压，以便在由第一PWM控制器220所加的驱动电压和由第二PWM控制器220所加的驱动电压之间产生更大的电压差。
与图1的第三整流器150相似，在功率节省模式中，第三整流器250产生比在标准驱动模式中更低的电平电压作为驱动电压Vcc。降压装置255进而降低输出的低电平电压，该低电平电压是作为驱动电压Vcc从第三整流器250提供给第二PWM控制器260的。因此，关断第二PWM控制器260，在此控制器上加有由降压单元255降低了的驱动电压Vcc，并使其进入功率节省模式。与图1的第一变压器130的辅助绕组相应，图2中的第一变压器230的辅助线圈可以按上述的类似方式操作。
例如，利用如像可变电阻器或调节器之类的附加电路可以实现降压装置255，以便降低由第三整流器250产生的驱动电压Vcc。
在本发明的实施例中，SMPS输出两个电压，并能在功率节省模式下操作以产生一个输出电压。然而，不应该认为这种配置仅限于本发明的范围。在功率节省模式中操作的方法可以用到输出两个以上的电压的SMPS中。
尽管在此展示和说明了本发明的几个具体的实施例，但是，本领域技术人员应当知道，在不偏离本发明的原则、精神和附后的权利要求及其等同物所规定的范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (26)

1.一种输出第一电压和第二电压的电源，包括：
由不同的驱动电压驱动的第一PWM控制器和第二PWM控制器，以便分别控制要输出的第一和第二电压；
第一变压器，其由第一PWM控制器控制以输出第一电压，该第一变压器包括初级线圈、次级线圈和辅助绕组；
第二变压器，其由第二PWM控制器控制以输出第二电压；以及
整流器，其整流并平滑流过第一变压器的辅助绕组的电流，根据第一和第二PWM控制器的各个驱动电压来产生功率节省模式电压，并将此功率节省模式电压提供给第一和第二PWM控制器，其中
由整流器产生的功率节省模式电压大于或等于第一PWM控制器的驱动电压，该功率节省模式电压小于第二PWM控制器的驱动电压。
2.根据权利要求1所述的电源，其中，通过功率节省模式电压来关断第二PWM控制器。
3.根据权利要求1所述的电源，其中，在功率节省模式中，与第一变压器的次级线圈相连的输出端子有最小的负载，整流器利用通过第一变压器的减小了的电流来产生功率节省模式电压。
4.根据权利要求1所述的电源，还包括：
降压单元，其降低由整流器产生的功率节省模式电压，并将此降低了的电压提供给第二PWM控制器。
5.根据权利要求4所述的电源，其中，降压单元包括与整流器相连的第一终端以及与第二PWM控制器相连的第二终端。
6.根据权利要求4所述的电源，其中，降压单元包括调节器。
7.根据权利要求6所述的电源，其中，所述调节器为可变电阻器。
8.根据权利要求1所述的电源，还包括：
第一和第二输出端子，用以分别输出来自第一和第二变压器的第一和第二电压。
9.根据权利要求8所述的电源，其中，第一变压器的辅助绕组根据至少被施加在第一输出端子上的负载来感生电流，以使得整流器产生与在辅助绕组中感生的电流相对应的驱动电压。
10.根据权利要求9所述的电源，其中，当加在第一输出端子上的负载是最小负载时，在辅助绕组中感生的电流就对应于功率节省模式电压。
11.根据权利要求9所述的电源，其中，辅助绕组和第一变压器的次级线圈交互作用。
12.一种可以与高压电源和/或打印机引擎一起使用的开关模式电源，该开关模式电源包括：
第一和第二输出单元；
第一和第二变压器，用以向第一和第二输出单元分别提供第一和第二电压；
第一PWM控制器，用于驱动第一变压器；
第二PWM控制器，用于驱动第二变压器；
其中，第一变压器包括：
初级线圈，用于接收输入电压；
次级线圈，在其上感生第一电压；和
辅助线圈，其与次级线圈交互作用，以便在辅助线圈上感生与施加在第一输出单元上的负载成比例的电流，所述辅助线圈用作感测单元，用于感测被施加在第一和第二输出单元之一上的负载，
整流器，用于根据所述感生电流产生用来驱动第一和第二PWM控制器的驱动电压，其中
第一PWM控制器根据大于第一阈值的驱动电压来进行操作，第二PWM控制器根据大于第二阈值的驱动电压来进行操作，在此，第二阈值大于第一阈值。
13.根据权利要求12所述的电源，其中，第二电压高于第一电压。
14.根据权利要求12所述的电源，其中，第一和第二PWM控制器的每一个都有对应的操作阈值电压，并且，在所产生的驱动电压大于对应的操作阈值电压时，用所产生的驱动电压来操作第一和第二PWM控制器。
15.根据权利要求12所述的电源，还包括：
降压单元，用以降低所产生的驱动电压，并将降低了的驱动电压提供给第二PWM控制器。
16.根据权利要求12所述的电源，其中，第一输出单元包括：
二极管，用以从第一变压器的次级线圈的第一终端上接收第一电压；
电容器，其被耦合到二极管的输出和第一变压器的次级线圈的第二终端。
17.根据权利要求12所述的电源，还包括：
第一和第二开关元件，用以分别根据由第一和第二PWM控制器产生的第一和第二控制信号来接通或关断第一和第二变压器。
18.根据权利要求12所述的电源，其中，第一和第二PWM控制器具有不同的驱动电压。
19.一种电源，包括：
至少两个输出单元，用以输出包括高电压在内的不同的电压电平；
与输出单元数量相等的PWM控制器，它们可由不同电压来驱动；
感测单元，用以感测加在输出单元上的负载；以及
整流器，用以根据感测单元所感测的负载产生用于驱动PWM控制器的驱动电压，由此在确定负载是在第一负载状态中时，关断用于驱动输出高电压的输出单元的PWM控制器，以及在确定负载是在第二负载状态中时，接通所述PWM控制器。
20.根据权利要求19所述的电源，其中，第一负载状态对应于功率节省模式，第二负载状态对应于标准驱动模式。
21.一种在功率节省模式中操作电源的方法，该电源具有：第一变压器，用以输出第一电压，该变压器包括初级线圈、次级线圈和辅助绕组；第二变压器，用以输出第二电压；以及第一PWM控制器和第二PWM控制器，它们由不同的驱动电压驱动，并且分别控制第一和第二变压器的输出，此方法包括：
整流和平滑流过第一变压器的辅助绕组的电流；
利用整流并平滑了的辅助绕组的电流，并根据第一和第二PWM控制器的各个驱动电压，来产生功率节省模式电压；以及
将所产生的功率节省模式电压提供给第一和第二PWM控制器，其中
功率节省模式电压大于或等于第一PWM控制器的驱动电压，并且，该功率节省模式电压小于第二PWM控制器的驱动电压。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
利用调节器来降低功率节省模式电压，并将降低了的功率节省模式电压提供给第二PWM控制器。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述调节器为可变电阻器。
24.根据权利要求22所述的方法，还包括：
分别在第一和第二输出端子上输出来自第一和第二变压器的第一和第二电压。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：
根据至少被施加在第一输出端子上的负载来在第一变压器的辅助绕组上感生电流，以使得所述整流和平滑流过第一变压器的辅助绕组的电流包括产生与在辅助绕组中感生的电流相对应的驱动电压。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，当加到第一输出端子上的负载是最小负载时，在辅助绕组中感生的电流就对应于功率节省模式电压。
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