CN101682261B - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能稳定地对二次侧的过电流发生实施判定的开关电源装置，该开关电源装置利用构成第1电流镜电路(14)的输入侧晶体管(Q4)和输出侧晶体管(Q3)，将由检测电阻(R7、R8)检测出的负载电流值所对应的采样电压和基准电压进行比较来判定过电流发生，并利用由晶体管(Q6、Q5)构成的第2电流镜电路(17)来对流过晶体管(Q3)的输出电路的电流进行温度补偿。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及一种开关电源装置，该开关电源装置对电压变换部的二次侧电压进行整流平滑并将其输出，并且根据检测出的负载电流控制上述电压变换部的一次侧的开关来进行过电流保护。
背景技术
电源装置中，为了防止电源或负载过载，具备用于限制负载电流的过电流保护(over current protection)电路。该过电流保护的方式一般大致有图8(a)(b)(c)所示的三种。
如图8(a)所示，在输出电流超过了上限设定值时降低输出电压并减小输出电流来进行保护的方式，因其输出电压和输出电流的相关特性的形状而被称为“フ”字特性(Fold back Type Drooping Characteristic：折叠型下垂特性)。
如图8(b)所示，在输出电流超过了上限设定值时立刻减小输出电流来进行保护的方式，因其输出电压和输出电流的相关特性的形状而被称为“下垂特性(pendent character：下垂特性)”。
如图8(c)所示，在输出电流超过了上限设定值时以恒定功率减小输出电流来进行保护的方式，因其输出电压和输出电流的相关特性的形状而被称为“へ”字特性。
若是仅在变压器的一次侧进行过电流保护的检测的开关电源装置，则输入电压的变动会导致过电流保护设定值产生偏差，因此精度差。
另外，过电流保护特性是如图8(c)的特性时，尽管对变压器的一次侧的开关晶体管进行了保护，但因变压器的二次侧的整流用二极管即使处于保护状态其电流也增大，因此就过电流保护而言并不理想(记载于专利文件1等)。
与此相比，如图6所示那样在变压器T1的二次侧检测出了负载电流的情况下，能够期待良好的过电流保护。
在图6中，通过作为串联控制元件的开关晶体管Q1向变压器T1的初级线圈11施加输入直流电压Vi，利用控制电路13控制施加到开关晶体管Q1的基极的脉冲信号Psw的频率。
利用二极管D2对变压器T1的次级线圈12的输出进行半波整流，并利用电容器C3使其平滑，从而得到输出电压Vo。负载电流i1由安装于二次侧电路中的检测电阻R7进行检测。
根据检测电阻R7的检测电压向控制电路13提供信息的误差放大器Z2采用以下的结构。
电流镜电路14由输入侧的晶体管Q4和输出侧的晶体管Q3构成，在基极和集电极相互连接的晶体管Q4的基极和基准电位G之间，通过电阻R6连接有电压源B1，晶体管Q4的发射极与检测电阻R7的基准电位G的一侧相连接。
晶体管Q3的基极与晶体管Q4的基极相连接，晶体管Q3的集电极通过电阻R4，与电阻R6和电压源B1的连接点相连接。
晶体管Q3的发射极通过电阻R3，与检测电阻R7和次级线圈12的连接点15相连接。
晶体管Q3的集电极和电阻R4的连接点16通过电阻R2与输出晶体管Q2的基极相连接。晶体管Q2的发射极-集电极间安装在一端与控制电路13相连接的电阻的另一端和基准电位G之间。
在采用上述结构的误差放大器Z2中，决定基准电压的电阻R4与晶体管Q3的集电极相连接，误差放大器Z2的放大率取决于电阻R3/电阻R4的电阻值之比。
若负载电流i1增大，则检测电阻R7两端的电压降变大，电阻R7和电阻R3的连接点16的电压下降，晶体管Q3的集电极电流增大，随之晶体管Q3的集电极的连接点15的电位下降，输出晶体管Q2的基极电流增大，在负载电流i1增大到设定值的时刻，与控制电路13相连接的电阻R1通过输出晶体管Q2与基准电位G相连接，控制一次侧的开关频率，从而实现图8(a)所示的“フ字特性(Fold back Type Drooping Characteristic：折叠型下垂特性)”的过电流保护。
专利文献1：日本国专利特开2004-215394号公报
发明内容
然而，在图6的电路结构中，电阻R4的温度变化(温度特性)会引起误差放大器Z2的放大率变动，因此存在基准电压发生变动从而使得过电流保护的设定值产生偏差的问题。
若使流过晶体管Q3的电流大于流过晶体管Q4的电流，增大流过i1的电流，则检测电阻R7两端的电压差变大。若使负载电流i1增大，流过晶体管Q3的电流值和流过输入侧的晶体管Q4的电流值的电流差增大，则晶体管Q3和晶体管Q4产生温度差。即，在刚接通电源后的冷状态那样晶体管Q3和输入侧的晶体管Q4没有温度差的状态、和老化后晶体管Q3和晶体管Q4的温度差很大的情况下，存在过电流保护的设定值产生偏差的问题。
本发明的目的在于提供一种能稳定地对电压变换部二次侧的过电流发生实施判定的开关电源装置。
本发明的权利要求1所记载的开关电源装置，对电压变换部的二次侧电压进行整流平滑并输出，并且根据检测出的负载电流控制上述电压变换部的一次侧的开关来进行过电流保护，其特征在于，设置有：检测电阻，该检测电阻检测上述电压变换部的二次侧的负载电流；第1电流镜电路，该第1电流镜电路由输入侧的第1晶体管和输出侧的第2晶体管构成；以及第2电流镜电路，该第2电流镜电路由输入侧的第3晶体管和输出侧的第4晶体管构成，向第1晶体管的一端和第2晶体管的一端之间施加上述检测电阻的检测电压，将流过由第3晶体管所设定的电流的第4晶体管安装在第2晶体管和基准电位之间，根据第2晶体管和第4晶体管的连接点的电位控制上述电压变换部的一次侧的开关，从而进行过电流保护。
本发明的权利要求2所记载的开关电源装置的特征在于，在权利要求1中，对于第2晶体管和第4晶体管的连接点与第2晶体管的基极之间，用电阻进行连接。
本发明的权利要求3所记载的开关电源装置的特征在于，在权利要求1或2中，对上述电压变换部的二次侧电压进行整流平滑的电路是半波倍压整流电路，该电路将第1二极管的阳极与上述电压变换部的输出的一端相连接，将第1二极管的阴极与第2二极管的阳极相连接，将第1二极管和第2二极管的连接点通过电容器与上述电压变换部的输出的另一端相连接，对第2二极管的阴极和上述电压变换部的输出的上述一端的输出电压进行平滑并将其作为输出电压，检测上述电压变换部的二次侧的负载电流的检测电阻由第1检测电阻和第2检测电阻构成，上述第1检测电阻安装在上述电压变换部的输出的上述一端和第1二极管的阳极之间，上述第2检测电阻安装在第1检测电阻和第1二极管的阳极之间，将串联连接的第1检测电阻和第2检测电阻的两端电压施加到第1晶体管的一端和第2晶体管的一端之间。
根据本发明，通过设置第2电流镜电路能对第1电流镜电路进行温度补偿，能实现稳定的过电流保护动作。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的开关电源装置的结构图。
图2是本发明的实施方式2的开关电源装置的结构图。
图3是本发明的实施方式3的开关电源装置的结构图。
图4是本发明的实施方式4的开关电源装置的结构图。
图5是本发明的实施方式5的开关电源装置的结构图。
图6是已有开关电源装置的结构图。
图7是本发明的实施方式3和实施方式1中的主要部分的检测波形图。
图8是一般的过电流保护方式的说明图。
具体实施方式
下面，根据图1～图5说明本发明的各实施方式。
(实施方式1)
在图1的开关电源装置中，电压变换部20由变压器T1构成，利用二极管D 1和二极管D2及电容器C4对变压器T1的次级线圈12的输出电压进行半波倍压整流，若将该开关电源装置和图6的半端整流的开关电源装置相比，则不仅增加了二极管D1、检测电阻R8、及电容器C4，还设置了由晶体管Q6和晶体管Q5构成的电流镜电路17。
具体而言，通过作为串联控制元件的开关晶体管Q1向变压器T1的初级线圈11施加输入直流电压Vi，利用控制电路13来控制施加到开关晶体管Q1基极的脉冲信号Psw的频率。
利用二极管D1、D2及电容器C4对变压器T1的次级线圈12的输出进行倍压整流，并用电容器C3进行平滑，从而输出了输出直流电压Vo。
利用与二极管D1串联连接的检测电阻R8来检测变压器T1的次级线圈12的输出电压E通过二极管D1对电容器C4进行充电的半周期电流i2。在下一个半周期中，晶体管T1的次级线圈12的输出电压E和电容器C4的端子电压通过二极管D2流过对电容器C3进行充电的电流负载电流i1，在电容器C3的两端产生2*E的输出直流电压Vo。负载电流i1由检测电阻R7检测。
电容器C3的一端与基准电位G相连接，变压器T1的次级线圈12的一端通过检测电阻R7而与基准电位G相连接。检测电阻R8的一端与二极管D1的阳极相连接，其另一端与检测电阻R7和次级线圈12的一端的连接点16相连接。
根据检测电阻R7、R8的检测电压向控制电路13提供信息的误差放大器Z1采用以下的结构。
由NPN晶体管Q4和NPN晶体管Q3构成第1电流镜电路14。晶体管Q4的基极和集电极相互连接，且通过电阻R6和电压源B1而与基准电位G相连接。晶体管Q4的发射极与基准电位相连接。
晶体管Q3的基极与晶体管Q4的基极相连接，晶体管Q3的集电极通过第2电流镜电路17而与电阻R6和电压源B1的连接点18相连接。
第2电流镜电路17由PNP晶体管Q6和PNP晶体管Q5构成。晶体管Q6的基极和集电极相互连接，且通过电阻R9而与基准电位G相连接。晶体管Q6的发射极通过恒定电压二极管D3而与电阻R6和电压源B1的连接点18相连接。晶体管Q5的基极与晶体管Q6的基极相连接，晶体管Q5的集电极与晶体管Q3的集电极相连接，晶体管Q5的发射极通过电阻R4而与电阻R6和电压源B1的连接点18相连接。
晶体管Q3的集电极和晶体管Q5的集电极的连接点15通过电阻R2而与输出晶体管Q2的基极相连接。晶体管Q2的发射极-集电极间安装在一端与控制电路13相连接的电阻R1的另一端和基准电位G之间。
晶体管Q3的发射极通过电阻R3而与二极管D1的阳极和检测电阻R8的连接点19相连接。
由于采用上述结构，因此，若设恒定电压二极管D3的齐纳电压为Vz，晶体管Q6的基极-发射极间的电压为“Q6Vbe”，晶体管Q5的基极-发射极间的电压为“Q5Vbe”，电阻R4的电阻值为“r4”，则晶体管Q5的集电极电流为，
(Vz+Q6Vbe-Q5Vbe)/r4
由此，能够生成不受温度变化影响的恒定电流，能够实现稳定的过电流保护的动作。
另外，因为不是单单将检测电阻R7作为误差放大器Z1的采样信号，而是将检测电阻R7和检测电阻R8的串联电路的端子电压作为误差放大器Z1的采样信号，所以不是单单实施单个周期的过电流检测，而是实施负载电流i1和负载电流i2这两个周期的过电流检测，从而能更正确地操控控制电路13。
图7示出了检测电阻为一个和两个的情况下的具体例子。此处示出了以24V的直流电压输入，以240V、2.5A的直流电压输出来运转时的情况。
图7(a)是如图3所示的检测电阻只有检测电阻R7的情况下的检测电压波形，是检测电阻R7和基准电压G的连接点31、与检测电阻R7和变压器T1的二次侧的连接点16之间的电压波形。
图7(b)是如图1所示的检测电阻有检测电阻R7和检测电阻R8这两个的情况下的检测电压波形，是检测电阻R7和基准电压G的连接点31、与检测电阻R8和二极管D1的连接点19之间的电压波形。
如上所述，在将检测电阻R7和检测电阻R8的串联电路的端子电压作为误差放大器Z1的采样信号的情况下，实施负载电流i1和负载电流i2这两个周期的过电流检测，与检测电阻只有检测电阻R7的情况相比，能更正确地操控控制电路13。
(实施方式2)
图2表示本发明的实施方式2。
在该图2中，与图1的不同之处仅在于，将晶体管Q3的基极通过电阻R5与晶体管Q5的集电极相连接。
即，误差放大器Z1的放大率取决于电阻R5和电阻R3。因为电阻R5的一侧为不受温度变化(温度特性)影响的恒定电流，所以与电阻R5的另一侧相连接的晶体管Q4及晶体管Q3的基极是相同的电位，因此，流过晶体管Q3的电流和流过晶体管Q4的电流几乎相等，从而能改善过电流保护的设定值的偏差。
(实施方式3)
图3表示本发明的实施方式3。
在该图3中，开关电源装置的整流方式是与表示实施方式1的图1相同的半波倍压整流，与图1的不同之处仅在于，将检测电阻R7的端子电压作为误差放大器Z1的采样信号。在这种情况下，由于只进行单个周期的过电流检测来操控控制电路13，因此，虽然伴随负载变动的过电流保护的性能比实施方式1的差，但能实现不受温度变化影响的、稳定的过电流保护的动作，这一点优于已有例。此外，在表示实施方式2的图2中也能进行相同的实施。
(实施方式4)
图4表示本发明的实施方式4。
该图4中，开关电源装置的整流方式是半波整流，与表示实施方式2的图2的不同之处仅在于，将检测电阻R7的端子电压作为误差放大器Z1的采样信号。
(实施方式5)
图5表示本发明的实施方式5。
该图5中，与表示实施方式1的图1的不同之处仅在于采用了以下结构：即，电压变换部20由MOS晶体管21、22、和基于电感23、电容器24的DC-DC转换器构成，对控制电路13施加到MOS晶体管21、22的栅极的脉冲信号Psw1、Psw2进行操控来控制一次侧的开关，从而进行电压转换并进行过电流保护。在实施方式2～实施方式4中也可进行相同的实施。
在上述各实施方式中，第1电流镜电路14由作为第1导电型的NPN型晶体管Q3、Q4构成，第2电流镜电路17由作为第2导电型的PNP型晶体管Q5、Q6构成，但是也能以PNP型晶体管Q3、Q4构成第1电流镜电路14，以NPN型晶体管Q5、Q6构成第2电流镜电路17。
工业上的实用性
本发明作为负载电流大至数十安培、并且重视过电流保护设定精度的设备所使用的电源特别有用，具体而言，通过被组装为逆变器或电动机驱动设备等的电源装置，能消除由温度引起的过电流发生的判定误差，有助于提高组装后设备的动作的可靠性和安全性。

Claims (3)

1.一种开关电源装置，
对电压变换部的二次侧电压进行整流平滑并输出，并且根据检测出的负载电流控制所述电压变换部的一次侧的开关来进行过电流保护，其特征在于，包括：
检测电阻，该检测电阻检测所述电压变换部的二次侧的负载电流；
第1电流镜电路，该第1电流镜电路由输入侧的第1晶体管和输出侧的第2晶体管构成；以及
第2电流镜电路，该第2电流镜电路由输入侧的第3晶体管和输出侧的第4晶体管构成，
向第1晶体管的一端和第2晶体管的一端之间施加所述检测电阻的检测电压，
将流过由第3晶体管所设定的电流的第4晶体管安装在第2晶体管和基准电位之间，
根据第2晶体管和第4晶体管的连接点的电位控制所述电压变换部的一次侧的开关以进行过电流保护。
2.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
对于第2晶体管和第4晶体管的连接点与第2晶体管的基极之间，用电阻进行连接。
3.如权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
对所述电压变换部的二次侧电压进行整流平滑的电路是半波倍压整流电路，
该电路
将第1二极管的阳极与所述电压变换部的输出的一端相连接；
将第1二极管的阴极与第2二极管的阳极相连接，将第1二极管和第2二极管的连接点通过电容器与所述电压变换部的输出的另一端相连接；
对第2二极管的阴极和所述电压变换部的输出的所述一端之间的输出电压进行平滑并将其作为输出电压， 
检测所述电压变换部的二次侧的负载电流的检测电阻由第1检测电阻和第2检测电阻构成，所述第1检测电阻安装在所述电压变换部的输出的所述一端和第1二极管的阳极之间，所述第2检测电阻安装在所述电压变换部的输出的所述一端与所述第1检测电阻的连接点和所述基准电位之间，
将串联连接的第1检测电阻和第2检测电阻的两端电压施加到第1晶体管的一端和第2晶体管的一端之间。 
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