CN100474748C - 开关模式电源及用于控制其输出电压的控制电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制电路，用于控制开关模式电源的同步整流器开关，该电路包括一个初级侧开关和一变压器，变压器有一初级绕组，一个次级绕组及一个次级侧辅助绕组。在次级绕组和辅助绕组之间设有电源分接点，该控制电路适于连接到辅助绕组的接头及所述电源分接点。该控制电路适于连接到开关的控制端，且输出电压适于对次级绕组被并联分接。该控制电路控制次级侧开关，用于使输出端和电压分接点之间的连接短路，且用于提供正和负控制脉冲的RC元件具有预定的时间常数。由于使用RC元件，能够以非常合理的价格提供控制电路。

Description

开关模式电源及用于控制其输出电压的控制电路和方法

技术领域

本发明涉及开关模式电源，并特别涉及用于控制一种开关的控制电路，其使得开关模式电源的次级二极管暂时短路并以这种方式降低功率损失。本发明特别涉及初级控制切换模式电源中的一种控制电路，该电路包括一个初级侧开关和一个变压器，该变压器带有初级绕组，次级绕组及一个次级侧辅助绕组。在次级绕组和辅助绕组之间提供一个电压分接点，该控制电路适于连接到辅助绕组的接头和到所述电压分接点。该控制电路适于连接到开关模式电源的输出端，且输出电压适于平行于次级绕组被分接。本发明还涉及用于产生输出电压的开关模式电源，所述开关模式电源使用该控制电路。

背景技术

开关模式电源是时标电源单元，其对整流的、滤波的市电电压进行斩波。这种开关模式电源对于许多使用情形现在比传统的带有变压器的电源组件更好，因为从一定的性能范畴来说，它们具有更好的效率，并特别是所需空间较小。

特别是电子开关的使用只引起开关损失，电压即被变换为高频交流电压，而不是市电电压。不是通常的市电频率50Hz或60Hz，而是高频交流电压，例如能够在从20kHz到200kHz的范围。

由于变压器必须的匝数与频率成反比降低，这样能够明显降低欧姆损失，且所需的变压器变小得多。控制的实现或者是通过在固定频率下改变脉冲占空比，或者在固定或可变脉冲占空比下改变频率。

可通过电子开关闭合的时钟比确定输出电压。由电子开关斩波的电压能够被变换为任何其他的电压并被整流。当为了控制开关模式电源所需的直流输出电压，在初级侧改变开关的脉冲占空比时，所述的开关模式电源称为初级时标开关模式电源。初级时标开关模式电源因为其较高的效率通常是被首选的。

为了进一步优化效率，特别知道初级时标开关模式电源，在由开关例如双极晶体管在高频变压器的初级侧产生的频率依照施加到电源组件的次级侧的负荷被控制的情形下，以避免高频变压器的饱和。这类控制所需的反馈是这样实现的，例如使用在辅助绕组处分接的电压作为基准电压。

例如在德国专利申请DE 100 18 229 A1中示出通过使用辅助绕组产生基准值。DE 100 18 229 A1中所描述并用于控制初级控制的开关模式电源的输出电流和/或输出电压的方法，包括使用基准值，以便使电流和电压的控制独立于输入电压，所述基准值在电路内形成并用来影响电压控制器。

这类开关模式电源常常操纵一个次级电路，该电路包括多个二极管，电容器和其他电子元件。为了把由开关模式电源产生的交流电压转换为直流电压，使用二极管。由于在电流流动期间这些二极管引起不可忽视的压降，这将引起不希望有的功率损失。为了降低这一功率损失，如果必要例如场效应晶体管这样的开关并联于二极管被切换。其作用是减少压降，并降低功率损失。

这样一种电路称为同步整流器。这种同步整流器在某些情形下需要在用于控制开关的电路技术的相当的投资；希望降低在电路技术中的这种投资，以便能够提供更小型化结构设计能够以更合理的价格生产的开关模式电源。

此外，从WO99/5777知道一种连续的模式逆向变换器，其中装有FET晶体管用于降低变压器次级侧压降。FET晶体管的使用使得变换器更适合低压应用，因为在变换器的次级侧比传统的变换器中产生较小的功率损失。变换器还具有DC-阻挡电容器，用于进一步降低次级侧功率损失。次级侧还包括一个PNP晶体管，其发射极连接到FET晶体管的栅极，其集电极连接到FET晶体管的源极，其基极连接到辅助绕组的第一端。

然而这一电路有这样的问题，通过装设所述PNP晶体管，该电路仍然太复杂并昂贵，并且可靠性仍有待改进。

发明内容

因而本发明的目的是要设计一种控制电路及相应的方法，用于控制同步整流器中的开关，使得能够以最小的电路技术投资实现。

本发明基于这样的发现，即简单的RC元件能够用来控制同步整流器中的次级侧开关，以及同时能够明显降低在次级侧电路技术中的投资。根据本发明，提供了用于控制同步整流器的一种控制电路，这种情形下，开关模式电源包括一初级侧开关以及一个变压器，变压器带有一初级绕组，一个次级绕组以及一个次级侧辅助绕组。电压分接点设在次级绕组与辅助绕组之间。控制电路适于连接到辅助绕组的接头以及到所述电压分接点，所述控制电路可连接到开关模式电源的输出端，以及输出电压适于并联于次级绕组被分接。该控制电路包括一个次级侧开关，用于使输出端与电压分接点之间的整流器二极管短路。该控制电路还包括一RC元件，用于提供具有预定时间常数的正的及负的控制脉冲，所述RC元件并联到辅助绕组。这里获得的优点在于，整流器二极管两端的压降在开关模式电源的输出电压中没有表现。在电流流过整流器二极管期间，在所述整流器二极管两端降落的电压被暂时短路所述二极管降低，从而降低了功率损失。此外的优点是，能够使用数目大大减少了的标准电子元件来控制开关。

根据进一步的实施例，次级侧开关是一个场效应晶体管，控制电路包括一电阻器，用于确定场效应晶体管开关电压。电阻器连接到电压分接点及场效应晶体管的控制输入。这一实施例目前是先进的，因为场效应晶体管的使用允许精确控制开关模式电源的输出电压。此外的优点是，场效应晶体管有市售并且是廉价的元件，这允许控制电路以合理的价格生产。这种场效应晶体管能够几乎被控制在零功率，从而满足了节能的要求。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制开关模式电源的输出电压的控制电路，其中开关模式电源包括一初级侧开关以及一个变压器，变压器带有一个初级绕组、一个次级绕组以及一个次级侧辅助绕组。在次级绕组与辅助绕组的第一端之间设有电压分接点。控制电路适于连接到辅助绕组的第二端以及连接到所述电压分接点，控制电路适于连接到开关模式电源的输出端，并且开关模式电源的输出电压适于并联于次级绕组，并且控制电路包括一个次级侧开关，用于使所述输出端与所述电压分接点之间的整流器二极管短路。提供一RC元件，用于提供具有预定时间常数的正的和负的控制脉冲。RC元件串联连接在辅助绕组的第二端和次级侧开关的一个控制输入之间，使得次级侧开关直接受RC元件和辅助绕组的串联连接处的电压降控制，而无需在RC元件的各组成元件之间向所述电压分接点提供反馈。

根据本发明的另一方面，提供了一种开关模式电源，用于在输出端产生受控的输出电压。开关模式电源包括：一个初级侧开关，用于对被提供给开关模式电源的输入电压采样；一个变压器，具有一个初级绕组、一个次级绕组、及一个适于产生辅助电压的次级辅助绕组；以及一个控制电路，用于使功率损失最小化。控制电路包括一个次级侧开关，用于使所述输出端与电压分接点之间的整流器二极管短路，其中电压分接点设置在辅助绕组的第一端与次级绕组之间。提供一个RC元件，用于提供具有预定时间常数的正的和负的控制脉冲，并且所述RC元件串联连接在辅助绕组的第二端和次级侧开关的一个控制输入之间，使得次级侧开关直接受RC元件和辅助绕组的串联连接处的电压降控制，而无需在RC元件的各组成元件之间向电压分接点提供反馈。

根据本发明的再一方面，提供了一种用于控制开关模式电源的输出电压的方法。开关模式电源包括一个初级侧开关；具有一个初级绕组、一个次级绕组和一个适于产生辅助电压的次级辅助绕组的变压器；以及用于控制所述输出电压的一个控制电路。次级绕组和辅助绕组在它们之间设有电压分接点，其中电压分接点设置在辅助绕组的第一端与次级绕组之间，控制电路连接到辅助绕组的第二端以及连接到电压分接点。所述方法包括以下步骤：由初级侧开关进行对被提供给开关模式电源的输入电压的初级侧采样；产生开关模式电源的输出电压；通过RC元件产生正的和负的控制脉冲，所述控制脉冲对应于一预定的时间常数；向包含一并联二极管的次级侧开关输出所述正的和负的控制脉冲；通过次级侧开关，依据正和负控制脉冲，使并联二极管临时短路，用于使开关模式电源的功率损失最小化。RC元件串联连接在辅助绕组的第二端和次级侧开关的一个控制输入之间，使得次级侧开关直接受RC元件和辅助绕组的串联连接处的电压降控制。

附图说明

附图结合到说明书中并形成其一部分，目的是解释本发明的原理。这些附图不应被解释为，限制本发明仅为所示和描述的本发明可如何制造和使用的例子。从以下进一步的特征和优点将显而易见，且本发明更具体的描述在伴随的附图中展示，其中：

图1示出初级控制开关模式电源的简化电路图，包括根据本发明的一控制电路；

图2示出初级控制开关模式电源的简化电路图，包括根据进一步的实施例的一控制电路；以及

图3示出初级控制开关模式电源的简化电路图，包括根据第三实施例的一控制电路。

具体实施方式

将参照附图描述本发明展示的实施例，其中相同的元件和结构由相同的标号指示。

现在参照附图且特别是图1，用于控制初级控制开关模式电源的输出电压Uout的控制电路在其应用环境中示出。控制电路100包括一个次级侧开关S2和RC元件R1，C1。在图1中所示变压器的辅助绕组WH中，电压脉冲由初级侧采样过程感应，串联的RC元件通过施加预定的时间常数进一步修改电压脉冲。RC元件连接到次级侧开关S2的控制输入，并提供有施加的预定时间常数的控制信号。

次级侧开关S2连接到电压分接点P，该点设在次级绕组WS与次级辅助绕组WH之间，并暂时短路向外传导输出电压Uout的二极管，输出电压Uout适于在平滑电容器处被分接。

次级侧开关S2通过RC元件R1，C1接收带有施加的预定时间常数的控制电压正和负的脉冲。通过预定的时间常数调节正和负的控制脉冲，使得开关S2在所述控制脉冲各个过零前夕把输出端与电压分接点P之间的连接分开。

暂时短路二极管的效果是，在电流流过期间明显降低了功率损失。

当通过适当选择电阻和电容值使RC元件的时间常数与二极管中电流流过的时期匹配时，开关S2将在绕组WS处的电压极性反向的前夕短暂地被阻塞，从而将防止通过开关的逆向电流；否则这些逆向电流将引起高的功率损失。

图2示出根据本发明的控制电路的另一实施例，所述控制电路包括一电阻器R2，用于限定次级侧开关S2的开关电压。电阻器R2连接到电压分接点P，并连接到次级侧开关S2的控制输入。

图3示出本发明在使用场效应晶体管T1替代开关S2的情形下另一先进的改进。次级侧场效应晶体管T1具有通过RC元件R1，C1，按先前所述的方式向其提供的控制电压，所述控制电压以模拟方式控制次级侧场效应晶体管T1，使得场效应晶体管T1在二极管中电流时期最大可能部分期间接通，但在绕组WS处的电压极性反向之前充分早地被阻塞。

此外，使用场效应晶体管作为次级侧开关以有利的方式提供了使用商业上可得到的廉价的元件的可能性，这使得控制电路的价格降低和合理。

由于所需非常小数目的元件，能够以先进的方式降低该控制电路的生产成本。

应当提及的是这样的事实，即价格合理的控制电路特别适合于逆向变换器，特别对于例如德国专利申请DE 100 18 229 A1中所示类型的开关模式电源。然而该控制电路也可用于其他的初级控制开关模式电源。

使用本发明上述的实施例，能够提供改进的开关模式电源，用于产生输出电压Uout。借助于初级侧开关S1，实现输入电压Uin的初级侧采样；这时能够通过选择适当的采样频率产生所需的输出电压Uout。RC元件产生正和负的控制脉冲，所示控制脉冲对应于预定的时间常数。例如预定的时间常数可对应于初级侧开关S1的采样频率，正和负的控制脉冲引起次级侧开关S2建立电压分接点与开关模式电源的输出端之间的连接，使得整流器元件(二极管与同步整流器)的功率损失最小化。

借助于此前所述本发明这一实施例及所有其他实施例，能够以非常合理的价格实现用于同步整流器的控制电路。特别是不需要其他元件，诸如PNP晶体管等。

此外，根据本发明的方法的优点在于，改进了开关断开，因为其与时间相关在电流结束前夕进行。这样，可明显降低开关断开的功率损失。

虽然对本发明已参照根据其构成的物理实施例进行了描述，但对于业内专业人员明显的是，按照以上所述并在所附权利要求范围内，在不背离本发明的精神和范围之下，可作出本发明的各种修改，变形和改进。

此外，为了不使本发明不必要地变得模糊不清，相信业内一般专业人员所熟悉的那些区域没有在这里描述。因而应当理解，本发明并不是由具体所示的实施例，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (12)

1.一种用于控制开关模式电源的输出电压的控制电路，其中所述开关模式电源包括一初级侧开关以及一个变压器，变压器带有一个初级绕组、一个次级绕组以及一个次级侧辅助绕组，其中在辅助绕组的第一端与次级绕组之间设有电压分接点，其中控制电路适于连接到辅助绕组的第二端以及连接到所述电压分接点，所述控制电路适于连接到开关模式电源的输出端，并且开关模式电源的输出电压适于并联于次级绕组，并且其中所述控制电路包括：

一个次级侧开关，用于使所述输出端与所述电压分接点之间的整流器二极管短路，

其中提供一RC元件，用于提供具有预定时间常数的正的和负的控制脉冲，和

其中所述RC元件串联连接在所述辅助绕组的第二端和所述次级侧开关的一个控制输入之间，使得所述次级侧开关直接受所述RC元件和所述辅助绕组的串联连接处的电压降控制，而无需在所述RC元件的各组成元件之间向所述电压分接点提供反馈。

2.根据权利要求1的控制电路，包括一电阻器，用于规定次级侧开关的开关电压，其中所述电阻器连接到电压分接点和连接到所述次级侧开关的控制输入。

3.根据权利要求2的控制电路，其中所述电阻器的电阻值适合于RC元件的电容的预定放电。

4.根据权利要求1的控制电路，其中次级侧开关由场效应晶体管构成，并且所述整流器二极管被集成在所述场效应晶体管中。

5.根据权利要求1的控制电路，其中RC元件被实现为使得时间常数对应于电流流过整流器二极管的时期。

6.一种开关模式电源，用于在输出端产生受控的输出电压，所述开关模式电源包括：

一个初级侧开关，用于对被提供给所述开关模式电源的输入电压采样，

一个变压器，具有一个初级绕组、一个次级绕组、及一个适于产生辅助电压的次级辅助绕组，以及

一个控制电路，用于使功率损失最小化，所述控制电路包括：

一个次级侧开关，用于使所述输出端与电压分接点之间的整流器二极管短路，其中所述电压分接点设置在辅助绕组的第一端与次级绕组之间，

其中提供一个RC元件，用于提供具有预定时间常数的正的和负的控制脉冲，并且

其中所述RC元件串联连接在所述辅助绕组的第二端和所述次级侧开关的一个控制输入之间，使得所述次级侧开关直接受所述RC元件和所述辅助绕组的串联连接处的电压降控制，而无需在所述RC元件的各组成元件之间向所述电压分接点提供反馈。

7.根据权利要求6的开关模式电源，包括一个电阻器，用于限定次级侧开关的开关电压，其中所述电阻器连接到电压分接点及所述次级侧开关的控制输入。

8.根据权利要求7的开关模式电源，其中所述电阻器的电阻值适合于RC元件的电容的预定放电。

9.根据权利要求6的开关模式电源，其中次级侧开关由场效应晶体管构成，并且所述整流器二极管被集成在所述场效应晶体管中。

10.根据权利要求6的开关模式电源，其中RC元件被实现为使得时间常数对应于电流流过整流器二极管的时期。

11.一种用于控制开关模式电源的输出电压的方法，所述开关模式电源包括一个初级侧开关和一个变压器以及用于控制所述输出电压的一个控制电路，其中变压器具有一个初级绕组、一个次级绕组和一个适于产生辅助电压的次级辅助绕组，所述次级绕组和所述辅助绕组在它们之间设有电压分接点，其中所述电压分接点设置在辅助绕组的第一端与次级绕组之间，其中控制电路连接到辅助绕组的第二端以及连接到所述电压分接点，且所述方法包括以下步骤：

由初级侧开关进行对被提供给所述开关模式电源的输入电压的初级侧采样，

产生开关模式电源的输出电压，

通过RC元件产生正的和负的控制脉冲，所述控制脉冲对应于一预定的时间常数，

向包含一并联二极管的次级侧开关输出所述正的和负的控制脉冲，

通过次级侧开关，依据正和负控制脉冲，使并联二极管临时短路，用于使开关模式电源的功率损失最小化，

其中所述RC元件串联连接在所述辅助绕组的第二端和所述次级侧开关的一个控制输入之间，使得所述次级侧开关直接受所述RC元件和所述辅助绕组的串联连接处的电压降控制。

12.根据权利要求11的方法，其中预定的时间常数对应于电流流过并联二极管的时期。

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