CN203608102U

CN203608102U - 一种晶体管开关电源

Info

Publication number: CN203608102U
Application number: CN201320481233.9U
Authority: CN
Inventors: 陶显芳
Original assignee: SUZHOU LANTE LIGHTING TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Suzhou Lante Lighting Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2023-08-02

Abstract

本实用新型专利涉及一种晶体管开关电源，电源开关管由两个晶体管串联组成，晶体管1工作于共基极电路，晶体管2工作于共发射极电路，因此，晶体管1可以承受更高的工作电压，并且晶体管1导通所需要的驱动信号是由变压器次级线圈输出电压经整流、滤波后提供，晶体管2需要脉冲控制电路提供输出的电流和功率都比较小，开机的时候，仅需要用一个充了电的小电容器通过一个触发二极管对晶体管2的基极与发射极进行放电，就可以使其导通，让开关电源启动。这种晶体管开关电源具有比场效应管开关电源更好的高温性能，以及比晶体管自激式开关电源具有更高的工作效率，特别适用于高温、高压等环境下工作的电子产品，如荧光灯和LED灯等照明产品。

Description

一种晶体管开关电源

【技术领域】

本实用新型涉及一种晶体管开关电源，这种晶体管开关电源具有比场效应管开关电源更好的高温性能，以及比晶体管自激式开关电源具有更高的工作效率，可以比普通开关电源承受更高的工作电压。这种晶体管开关电源特别适用于高温、高压等环境下工作的电子产品，如荧光灯和LED灯等照明产品。

【背景技术】

目前很多开关电源基本上都是采用场效应管作为电源开关管，这种采用场效应管作为电源开关管的开关电源，其优点是驱动电路的工作电压比较高，而工作电流却很小，因此，需要驱动电路提供输出脉冲的电流也很小。这样，很容易通过一个降压电阻，就可以把300伏以上的整流滤波输出电压降低到20多伏，以供驱动电路使用，电流在降压电阻上的损耗的功率相对比较小。

但场效应管的温度特性比较差，耐压性能也比较差，场效应管雪崩击穿能量的半功率点大约只有60℃(参看图2)，当场效应管的结温达到100℃时，其雪崩击穿能量不到常温的20％；而晶体管耗散功率的半功率点大约为87.5℃(参看图3)，当晶体管的结温达到100℃时，其耗散功率仍可达到常温的40％。在高温的条件下，晶体管的耗散功率比场效应管的耗散功率大一倍多。由此可知，晶体管的高温性能远远优于场效应管。

晶体管属于电流控制器件，其基极输入电压很低，但输入电流却很大。这样就很难通过一一个降压电阻，把300伏以上的整流滤波输出电压降低到只有几伏，以供脉冲控制(驱动)电路使用，因为，脉冲控制电路的工作电流在降压电阻上的损耗功率将很大，这势必降低开关电源的工作效率，并且还会发热，使工作温度升高。

由于上述原因，目前使用的晶体管开关电源大多数都属于自激式开关电源。自激式开关电源不需要另加驱动电路，因此，自激式开关电源的电路比较简单，但自激式开关电源的变压器铁芯一般都工作于磁饱和区，磁化曲线(磁滞回线)接近矩形，故变压器铁芯的磁滞损耗和涡流损耗都很大。

变压器铁芯的磁滞损耗大小与磁滞回线的面积成正比，变压器铁芯的涡流损耗与磁感应强度的平方成正比。变压器铁芯的磁滞损耗P_h和变压器铁芯的涡流损耗P_e分别为：P_h＝K_hf(B_m)ⁿV和

其中：K_h和K_e分别为与变压器铁芯材料和结构相关的系数，Bm为变压器铁芯的最大磁感应强度，f为工作频率，V为变压器铁芯的体积，指数n与变压器铁芯最大磁感应强度Bm值相关，即与磁滞回线的形状有关，n约等于1.6～2。由此可知，当最大磁感应强度Bm降低1倍，变压器的损耗就可以降低约4倍。

自激式开关电源晶体管的开关损耗也比较大。因为，在晶体管开通瞬间会产生过激励，而在晶体管关断时，因晶体管处于深度饱和，关断时间比较长，因此晶体管的开通和关断损耗都比较大。另外，在开关电源中，作为开关器件的晶体管，要求耐压(BVceo)很高，而耐压越高的晶体管的电流放电倍数也越小，需要提供的驱动功率也比较大。因此，晶体管自激式开关电源的工作效率是比较低的，其工作效率一般只有70％～75％左右。

【发明内容】

针对场效应管开关电源高温性能差，以及晶体管自激式开关电源工作效率低的缺点，本实用新型的一种晶体管开关电源，不但克服了场效应管开关电源高温性能差，以及晶体管自激式开关电源工作效率低的缺点，而且作为开关器件的晶体管可以承受更高的输入电压。

本实用新型的一种晶体管开关电源，所述晶体管开关电源包括：第一晶体管、第二晶体管、第一电阻、用于第二晶体管工作的启动的第一电容器、触发二极管、第二电阻、用于第一晶体管工作的启动的第二电容器、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第三电容器、第三电阻、变压器和脉冲控制单元；

其中，第一晶体管和第二晶体管串联，第一晶体管工作于共基极电路，第二晶体管工作于共发射极电路，第一晶体管的集电极和发射极分别与变压器的初级线圈的异名端和第二二晶体管的集电极连接，第二晶体管的集电极和发射极分别与第一晶体管的发射极和热地连接；变压器的初级线圈的同名端接交流输入电压整流输出滤波电容的正端；

第一电阻的一端分别与第一晶体管的集电极和变压器初级线圈的异名端连接，第一电阻的另一端分别与第一电容器的一端以及触发二极管的一端和第一整流二极管的正极连接，第一整流二极管的负极又分别与第二电容器的一端和第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与第一晶体管的基极连接，第一电容器和第二电容器的另一端分别与热地连接，触发二极管的另一端分别与第二晶体管的基极和第三电阻的一端连接；

变压器次级线圈的同名端与第三整流二极管的正极连接，变压器次级线圈的异名端与热地连接，第三整流二极管的负极分别与第二整流二极管的正极、第三电容器的一端和脉冲控制单元的正电源输入端连接；第二整流二极管的负极分别与第一整流二极管的负极、第二电容器的一端和第二电阻的一端连接；第三电容器的另一端和热地连接；脉冲控制单元的脉冲信号输出端与第三电阻的另一端连接，脉冲控制单元的负电源输入端与热地连接。

本实用新型涉及的晶体管开关电源，采用第一晶体管、第二晶体管串联的主要目的就是为了解决一般晶体管耐压低，以及电流放大倍数小的问题。一般采用交流220V供电的开关电源，电源开关管都需要选用耐压很高的场效应管或晶体管，而晶体管的耐压越高，其电流放大倍数则越小。例如耐压BVceo为600V的2SD1545电源开关管，其电流放大倍数大约为20倍，而耐压BVceo为1500V的2SD1555电源开关管，其电流放大倍数大约只有8倍。

电源开关管的电流放大倍数越小，导通时需要驱动电流就越大，这是一般驱动电路无法提供的。本实用新型的开关电源采用两个晶体管串联作为电源开关管，第一晶体管工作于共基极电路，其耐压BVcbr约等于基极开路时，集电极与发射极耐压BVceo的两倍。而第二晶体管工作于共发射极电路，其工作电压相对比较低，我们可以选用耐压比较低，而电流放大倍数相对比较大的晶体管，这样，要求脉冲控制单元提供输出的电流和功率都比较小；开机的时候，用一个充满电的小电容器在第二晶体管的基极与发射极之间进行放电，就可以使其导通，让开关电源启动工作。因此，采用两个晶体管进行串联工作，可以更充分发挥晶体管的技术性能，使开关电源的技术性能大大提高。

【附图说明】

图1是一种晶体管开关电源的基本电路结构图；

图2是大功率场效应管雪崩击穿能量与结温度的关系曲线图；

图3是大功率晶体管耗散功率与温度的关系曲线图；

图4是一种晶体管开关电源具体实施方式的电原理图。

【具体实施方式】

图4是根据图1的基本电路结构设计的一种晶体管开关电源具体实施方式的电原理图。图4中，晶体管V1、晶体管V2、电阻R2、电容器C6、触发二二极管DP1、电阻R3、电容器C7、整流二极管D3、整流二极管D4、整流二极管D5、电容器C8、电阻R4、变压器T1、控制单元(集成电路555)U1，分别与图1中的第一晶体管1、第二晶体管2、第一电阻3、用于第二晶体管2工作的启动的第一电容器4、触发二极管5、第二电阻6、用于第一晶体管1工作的启动的第二电容器7、第一整流二极管8、第二整流二极管9、第三整流二极管10、第三电容器11、第三电阻12、变压器T1和脉冲控制单元1300对应；整流滤波电路RB1、C3分别与图1中的RB1、C1对应；反电动势尖峰吸收电路中的R1、C4、D1分别与图1中的R1、C2、D1对应。

图4中，F1为保险丝，C1、L1、C2为EMC滤波电路，RB1、C3为整流滤波电路，R1、C4、D1为反电动势尖峰吸收电路。晶体管V1与晶体管V2串联为电源开关管，晶体管V1工作于共基极电路，当晶体管V2截止时，相当于晶体管V1的发射极开路，因此晶体管V1的耐压为BVcbo，其耐压约等于基极开路路时集电极与发射极耐压(BVceo)的两倍，并且晶体管V1基极的电位越高，其集电极可承受的电压也越高。这样不但可以提高开关电源的可靠性，同时还可以降低成本，用一个耐压(BVceo)等于400V的晶体管与另一个耐压相对较低的晶体管串联，就可以达到一个耐压(BVceo)为700～800V晶体管的效果。

晶体管V2工作于共发射极电路，且其工作电压相对比较低，电流放大倍数很大，因此，要求脉冲控制单元(集成电路555)U1提供输出的电流和功率都比较小；开机的时候，只需用一个充满电的小电容器在第二晶体管2的基极与发射极之间进行放电，就可以使其导通，并让开关电源启动而转入正常工作状态。

电阻R2为启动电阻，当交流输入电压被接通之后，经RB1整流和C3滤波，在滤波电容器C3的两端就会产生一个直流电压Vc，此电压将通过变压器T1的初级线圈N1加到第一晶体管1的集电极及电阻R2的一端，在电阻R2中就有电流流过，并对电容器C6进行充电，与此同时，流过电阻R2的电流还通过整流二极管D3对电容器C7进行充电。

当电容器C6两端的电压达到触发二极管DP1的击穿电压时，触发二极管DP1开始被触发导通，电容器C6存储的电荷将通过触发二极管DP1对晶体管V2的基极和发射极进行放电，使晶体管V2导通。与此同时，电容器C7存储的电荷也将通过电阻R3以及正在导通的晶体管V2对晶体管V1的基极和发射极进行放电，使晶体管V1与V2同时导通。

当晶体管V1与晶体管V2同时导通后，直流电压Vc将通过晶体管V1与晶体管V2加到变压器T1初级线圈N1的两端，在变压器T1初级线圈N1中就会有电流流过，并在变压器T1次级线圈N2中产生感应电压；此电压通过整流二极管D5整流，然后对电容器C8进行充电，电容器C8两端的电压就是U1的工作电压Vs；与此同时，Vs还通过整流二极管D4对电容器C7进行充电，电容器C7两端的电压就是开关电源正常工作时，晶体管V1导通时的驱动电压。

当脉冲控制单元(集成电路555)U1的工作电压Vs建立以后，U1的控制脉冲输出端口(3)就会有PWM脉冲输出，当此脉冲通过电阻R4加到晶体管V2的基极时，晶体管V2就会导通，与此同时晶体管V1也会导通，开关电源就会按PWM脉冲的占空比进行工作。在变压器T1的次级线圈N2、N3的两端就会有脉冲电压输出，T1次级线圈N2输出的正激电压经整流二极管D5整流后主要用于对电容器C8充电，以提供集成电路控制单元U1的工作电压和晶体管V1导通所需要的驱动电压，次级线圈N3输出的反激电压经整流二极管D2整流以及经电容器C5滤波后，向负载电阻RL提供直流电压输出。

当电容器C6两端的电压通过触发二极管DP1对晶体管V2的基极和发射极进行放电，使晶体管V2导通，以及电容器C7两端的电压也通过电阻3对晶体管V1进行放电，使晶体管V1导通之后，由于电容器C7通过电阻3放电的时间常数远远小于直流电压Vc通过电阻R2对电容器6充电的时间常数，因此，一旦晶体管V1与晶体管V2同时导通之后，虽然电容器C6一直还处于充电状态，但由于充电电流被D3、R3分流，电容器C6两端电压再也无法达到触发二极管DP1的击穿电压，即触发二极管DP1被击穿一次之后，再也不会被二次击穿，而后，开关电源进入正常工作状态。

脉冲控制单元U1采用555类集成电路(NE555、LM55)，在集成电路内部有两个电压比较器，两个电压比较电压器的外输入端口为2、5、6脚；集成电路还设有多个外接端口：一个选通输入(4脚)、一个为脉冲输出(3脚)、一个放电控制开关(7脚)，通过对各个端口的外接电路，可实现很多功能。

把U1中两个电压比较器的外输入端口2脚和6脚接在一起，再与电阻R8、R9、电容器C11、整流二极管D7组成的RC充、放电电路连接，就可构成一个方波信号发生器。其工作频率与输出脉冲的占空比主要由电容器C11、电阻R8、R9元件的参数决定。

电容器C11充电时，通过电阻R8、整流二极管D7进行，充电时间与输出脉冲的宽度对应；放电时则通过电阻R9及U1内部的控制开关(7脚)进行，放电时间与输出脉冲的间歇时间对应。调节电阻R8、R9的比值，就可以调整输出脉冲的占空比，调整电阻R8、R9与电容器C11的充、放电时间常数，就可以改变输出脉冲的工作频率。

变压器T1次级线圈N2输出的反激电压为误差信号，此电压的幅度与线圈N3的反激输出电压对应(成正比)。变压器T1次级线圈N2输出的反激电压经D6整流，再经电容器C9滤波，电容器C9的两端的电压与稳压二极管DZ1两端的电压(基准电压)进行比较后输出的电压就是U1的5脚输入误差信号。

当U1的5脚输入误差信号为正时，即电容器C9两端的电压减小时，输出脉冲的宽度将变宽(占空比变大)；当输入误差信号为负时，即电容器C9两端的电压增加时，输出脉冲的宽度将变窄(占空比变小)。经误差信号进行调制的PWM脉冲从U1的3脚输出，再通过R4用于对电源开关管V2进行导通/关断控制，就可以实现对开关电源输出电压的升高或降低进行自动控制。这是一个负反馈的过程，通过负反馈的作用，可使输出电压达到稳定。

U1的4脚用于对开关电源的过压、过流保护。过压、过流保护的取样信号来自变压器T1次级线圈N2的正激输出电压，此电压是一个幅度与输入电压(Vc)成正比的方波，同时也是一个幅度与变压器T1次级线圈N3的反激输出电压幅度成正比的方波，并且方波的宽度还与流过变压器T1初级线圈N1励磁电流的大小成正比。

此方波通过电阻R6对电容器C10进行充电，在电容器C10的两端就会产生一个斜率与方波幅度成正比的锯齿波。当锯齿波的幅度达到稳压二极管DZ2的稳压值时，稳压二极管DZ2开始导通，致使晶体管V3同时导通、U1的4脚的电位降低，从而使U1的3脚的输出脉冲信号被关断、电源开关管即刻停止工作、实现对开关电源进行过压保护。

另外，电容器C10两端的锯齿波幅度还与方波的宽度成正比，当方波的宽度超过某个值时，对应锯齿波的幅度也会超过稳压二极管DZ2的稳压值，同样也使稳压二极管DZ2和晶体管V3导通，致使U1的4脚电位降低，使U1的3脚的输出脉冲信号被关断、电源开关管停止工作，使开关电源的输入电流和输出电压被限制在一定的工作范围。

由于此晶体管开关电源的脉冲控制单元工作电压、晶体管V2的驱动电压，以及过流、过压保护的取样电压和对输出电压进行稳定控制的误差信号，均来自变压器T1次级线圈N2的输出电压，因此电路相对很简单，并且瞬时控制特性特别好，输出电压的负载特性也非常好，不会因负载不稳出现输出电压抖动。

另外，此晶体管开关电源比普通开关电源省去一个光耦误差放大电路，使开关电源的高温稳定性能更优越，因为光耦误差放大电路在较高温度的工作条件下，很容易失效，使开关电源输出电压失控。

因此，本实用新型的晶体管开关电源比普通开关电源具有更好的高温、高压性能，特别适用于高温、高压等环境下工作的电子产品，如荧光灯和LED灯等照明产品。

Claims

1.一种晶体管开关电源，其特征在于：所述晶体管开关电源包括：第一晶体管(1)、第二晶体管(2)、第一电阻(3)、用于第二晶体管(2)工作的启动的第一电容器(4)、触发二极管(5)、第二电阻(6)、用于第一晶体管(1)工作的启动的第二电容器(7)、第一整流二极管(8)、第二整流二极管(9)、第三整流二极管(10)、第三电容器(11)、第三电阻(12)、变压器和脉冲控制单元(1300)；

其中，第一晶体管(1)和第二晶体管(2)串联，第一晶体管(1)工作于共基极电路，第二晶体管(2)工作于共发射极电路，第一晶体管(1)的集电极和发射极分别与变压器的初级线圈的异名端和第二晶体管(2)的集电极连接，第二晶体管(2)的集电极和发射极分别与第一晶体管(1)的发射极和热地连接；变压器的初级线圈的同名端接交流输入电压整流输出滤波电容(C1)的正端；

第一电阻(3)的一端分别与第一晶体管(1)的集电极和变压器初级线圈的异名端连接，第一电阻(3)的另一端分别与第一电容器(4)的一端以及触发二极管(5)的一端和第一整流二极管(8)的正极连接，第一整流二极管(8)的负极又分别与第二电容器(7)的一端和第二电阻(6)的一端连接，第二电阻(6)的另一端与第一晶体管(1)的基极连接，第一电容器(4)和第二电容器(7)的另一端分别与热地连接，触发二极管(5)的另一端分别与第二晶体管(2)的基极和第三电阻(12)的一端连接；

变压器次级线圈的同名端与第三整流二极管(10)的正极连接，变压器次级线圈的异名端与热地连接，第三整流二极管(10)的负极分别与第二整流二极管(9)的正极、第三电容器(11)的一端和脉冲控制单元(1300)的正电源输入端连接；第二整流二极管(9)的负极分别与第一整流二极管(8)的负极、第二电容器(7)的一端和第二电阻(6)的一端连接；第三电容器(11)的另一端和热地连接；脉冲控制单元(1300)的脉冲信号输出端与第三电阻(12)的另一端连接，脉冲控制单元(1300)的负电源输入端与热地连接。