CN1021095C - 电源电路 - Google Patents

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Abstract

一自激振荡电源电路由变压器的初级绕组N1、第一半导体开关T1主电流通路和电流测量电阻R1的串联电路组成。第二半导体开关受比较器CP控制激励下T1，R1上的电压加到CP同相输入端6，参考电压源RS的参考电压加到反相输入端5。T2输出端和CP的端5间接入电容C2，使正程结束时将T1在精确确定的初级绕组电流下迅速关断。市电压较高时，给CP加一低参考电压，负载L从变压器的次级绕组可获得与市电压无关的输出电流。

Description

本发明涉及一种以数值不同的输入电压对负载供电的电源电路，该电源电路包括由一个变压器的初级绕组和第一半导体开关的主电流通路所组成的第一串联电路;由该变压器的次级绕组和一整流二极管所组成的第二串联电路，此第二串联电路具有供连接负载用的端子;一个开关第一半导体开关的第二半导体开关;以及一个度量流经初级绕组电流的信号产生装置。
这样一个电路可以，例如，用来向可再充电式电池充电或向电子设备供电，使电子设备不需进行切换就可连接到数值不同的电压源，例如，不同国家的市电源上。更具体地说，这样的电源电路可用于可再充电式电动剃须刀，其中，该电路产生对电池充电或对电动机供电的电流。
在欧洲专利EP-B1-0030026中，公开了第一段中所述那种型式的电源电路。所述欧洲专利描述的一种电源电路中，在所谓正程阶段期间，流经初级绕组的电流随时间线性地增长，而此电流使能量存储于变压器中。在构成第一半导体开关的第一晶体管的发射极线路中有一电阻，在此电阻的两端上产生一个正比于初级电流的电压。第二晶体管的基极-发射极结与此电阻并联，此晶体管构成第二半导体开关。此电阻构成所述产生信号的装置，而该信号是初级电流的度量。 第二晶体管在一给定的初级电流值下导通，接着，第一晶体管变为不导通。这使正程阶段终了，而所谓回程阶段就开始了。在回程阶段，由于存储于变压器中的能量，所以，在次级绕组中有次级电流流动。此电流形成对电池的充电电流、或直接对有关设备供电。次级电流是随时间线性地减小的。在回程阶段终了时，第一晶体管再次被接通，开始了另一个正程阶段。
在先有技术的电源电路中，在正程阶段期间，把一个随时间线性增长的信号加到第二半导体开关的控制输入端上。由于此信号，在导通状态下，第二半导体开关被激励得相当慢。这意味着，第二半导体开关变为导通、并且接着第一半导体开关变为不导通的瞬间不是精确地限定的，以致初级电流的关断值也不是精确地限定的。
本发明的目的在于提供一种电源电路，在此电路中，第二半导体开关能迅速地接通。
因此，根据本发明的电源电路的特征在于：把产生度量流经初级绕组电流的信号的所述装置的输出端连结到一个比较器的第一同相输入端上，该比较器的第二反相输入端连接到提供一参考电压的装置的输出端上，该比较器的输出端连接到第二半导体开关的控制输入端上，其特征还在于：把这个比较器的反相输入端经一电容器耦合到第二半导体开关的输出端上。
直到度量初级电流的信号已达到由参考电压所确定的电平，比较器才提供一个控制信号，供助于此控制信号第二半导体开关被接通，并且接着第一半导体开关变为不导通。因此，在初级电流已达到所述电平以前，没有信号加到控制输入端上。因为在第二半导体开关的输出端与其控制输入端之间通过电容器和比较器建立起一个正反馈电 路，第二半导体开关迅速地变为导通，并且接着第一半导体开关迅速地变为不导通。由此精确地确定了初级电流的关断值。
第一半导体开关快速关断的好处是：这大大地降低了在此开关内的能量损耗。特别是对于小型设备，例如，剃须刀，这是一个很大的优点，因为它降低了设置冷却装置的必要性。
在根据本发明电源电路的一个实施例中，第一和第二半导体开关分别由第一和第二晶体管构成，此实施例的特征在于：比较器由第三晶体管构成，第三晶体管的电导率类型与第一和第二晶体管的相反，第三晶体管的基极构成反相输入端，其发射极构成同相输入端，而其集电极构成输出端。这样一种晶体管适用为比较器，且价廉。
最好，根据本发明电源电路的特征在于：提供参考电压的装置具有一接受度量输入电压的信号的控制输入端，其特征在于：这种装置设置成能提供一个参考电压，当输入电压较高时，参考电压就较低。因为所提供的参考电压按照所述方式取决于电源电路的输入电压，所以在适当选择这一电压关系的情况下，平均的输出电流强度在给定的允许范围内保持不变。
根据本发明电源电路的另一实施例的特征在于：提供参考电压的装置由第四晶体管所组成的电路而构成，第四晶体管的基极-发射极结与第一电阻接成并联，第四晶体管的基极-集电极结与第二电阻接成并联，第四晶体管的集电极与第二电阻的连结点构成提供参考电压装置的输出端，以及在第四晶体管基极与第一及第二电阻之间的连结点构成一控制输入端以接受控制信号。这样产生的参考电压的大小是由加到第四晶体管基极上的控制电压的大小来设定的。应该注意，在EP-A-0188839专利中，公开了这种型式的电源电路，其中，第二 半导体开关的控制输入端通过一般称为VBE倍率器的装置耦合到产生度量通过初级绕组电流的信号的装置上。然而，在这一已知电路中，第二半导体开关在导通状态下也中是被缓慢地激励，以致在此电路中初级电流的关断值也不是精确地确定的。
根据本发明电源电路的第三实施例的特征在于：提供参考电压的装置包括具有初级支路和次级支路的电流镜像电路，把该电流镜像电路连接成为：流经这两个支路中每一个支路的电流基本上正比于输入电压。通过对于次级支路以恒定电源电压来供电以及通过在次级支路中加入一个电阻、并且在该电阻两端产生正比于输入电压的电压，使得参考电压源产生随输入电压增大而线性减小的参考电压。
根据本发明电源电路的特征最好在于：设置有供连接负载用端子的、由次级绕组和整流二极管所构成的第二串联电路与第一半导体开关的主电流通路接成串联。在此优选的实施例中，与次级绕组并联的负载，不但在回程阶段期间由变压器供电，而且在正程阶段期间直接由来自所加输入电压的初级电流供电。根据本发明电源电路的进一步特征在于：产生度量流经初级绕组电流的信号的装置设置在第一半导体开关和第二串联电路之间。在此情况下，正程阶段的终止还取决于蓄电池电压，所以，当蓄电池的电压较高时，蓄电池的充电电流减小。
一种根据本发明的电源电路特别适用于在集成电路中集成，至少是部分地集成。一种用于根据本发明电源电路的集成电路，最好包括第二半导体开关，比较器和参考电压源。
现将参照附图、通过实例、更为详细地描述本发明，在这些附图中：
图1是根据本发明电源电路的第一种电路图;
图2是第二种电路图，其中，负载与第一半导体开关的主电流通路接成串联;
图3示出根据本发明电源电路的第一实施例;以及
图4示出根据本发明电源电路的第二实施例。
图1示出根据本发明的自激振荡电源电路的电路图。
在正输入端1和负输入端2之间，变压器TR的初级绕组N1、晶体管T1的主电流通路和电流测量电阻R1接成串联。第一晶体管T1构成第一半导体开关。第一晶体管的基极通过构成第二半导体开关的第二晶体管T2的主电流通路耦合到负输入端2上。第二晶体管T2的基极连接到比较器CP的输出端上，比较器CP的第一反相输入端5连接到提供参考电压的装置的输出端上，例如，一个参考电压源RS的输出端上，而其第二同相输入端，即输入端6，连接到电流测量电阻R1与第一晶体管T1相连的那一端上。第一晶体管T1的基极还通过启动电阻R2耦合到正输入端1上。在端子3和4之间，变压器TR的次级绕组N2与整流二极管D1接成串联。负载L，例如，由两个可充电电池A1和A2串联成的负载，连接在两个端子3和4之间，电动机M可通过开关S与蓄电池A1和A2并联。次级绕组N2和整流二极管D1的连结点7通过由电阻R3和电容器C1的串联电路所形成的正反馈电路耦合到第一晶体管T1的基极上。第二晶体管T2的集电极和第一晶体管T1的基极通过电容器C2耦合到比较器CP的反相输入端上。最后，参考电压源的输入端8经电阻R4连接到正输入端1上。
在恒值的输入电压下，此电路的工作情况如下。在加上输入电压后，即把直流电压或交流电压经整流加到输入端1和2上以后，一个小 电流开始经启动电阻R2流入第一晶体管T1的基极。从而此晶体管部分导通，以致有一小的初级电流开始流过变压器TR的初级绕组N1。此初级电流在次级绕组N2两端感应出一个电压，此感应电压在由电阻R3和电容器C1所形成的正反馈电路中产生一个电流，此电流馈入晶体管T1的基极，使此晶体管导通的程度增加。由此，通过正反馈电路，第一晶体管迅速激励至完全导通状态。随后，一个随时间线性增长的初级电流流过初级绕组N1。与此初级电流一起，在电流测定电阻R1两端产生一个随着时间也线性增加的电压。此电压加到比较器CP的同相输入端6上。从参考电压源RS获得的参考电压加到比较器的反相输入端5上。一旦电流测量电阻R1两端的电压已达到一个由参考电压确定的数值，比较器则改变状态，并且比较器CP输出端产生一个可利用的信号，响应于此信号，第二晶体管T2导通。这引起第一晶体管T1的基极电压下降，以致使之截止，初级电流停止流通。这一循环阶段称为正程阶段。
因为第二晶体管T2的集电极通过电容器C2耦合到比较器的反相输入端上，所以此集电极上的电压降传送到比较器的这个输入端上。这使比较器两个输入端之间的电压差异增加，接着，由比较器提供经第二晶体管T2基极的控制电流增加。结果，第二晶体管更加导通，这使第二晶体管的集电极电压进一步下降。由于由电容器C2引起的正反馈，第二晶体管T2非常迅速地导通了，其结果是，第一晶体管T1也被非常迅速地激励至脱离导通状态。因而正程阶段结束时和初级电流值被非常精确地确定了。
在正程阶段期间，整流二极管D1处于不导通状态。在初级电流终止后，次级绕组N2两端的电压极性改变，以致整流二极管D1导 通。随后，存储了变压器内的能量以电流的形式传送给负载L，例如，对电池A1和A2充电。在称为回程阶段的这一期间，电流线性地减小到零，此后，通过由N2和C1组成的正反馈电路，晶体管T1再次被接通，下一个正程阶段就开始了。
在不同的较高值的输入电压下，在正程阶段期间，初级电流以不同的较快的速度增加。因为在固定负载下，平均的输出电流由循环周期和变压器能量的大小来确定，所以在高的输入电压下通过负载的平均输出电流由于频率的增加而增加。这种效应，即输出电流依赖于输入电压，是不希望的。为了抑制这种电压相关性，将一个正比于输入电压的电压通过电阻R4，加到参考电压源的输入端8上。参考电压源RS是这样安排的，即当输入端8上的电压较高时，所提供的参考电压就较低。响应于较低的参考电压，初级电流在较早的瞬间达到某一数值，在此数值下，通过第二晶体管T2，将第一晶体管T1关断。结果，正程阶段被缩短，因此，尽管在端子1和2之间加有较高的输入电压，仍能保持同样的平均输出电流。
应该注意，加到参考电压源上作为度量输入电压大小的信号可按不同的方式来获得，例如，从次级绕组N2和整流二极管D1的连结点7来获得，或者可以借助于一些附加的元件，例如一个辅助线圈来产生。在正程阶段期间，借助于匝数比，结点7上的电压正比于输入电压。
图2是根据本发明电源电路的第二电路图，但在图中负载L与第一半导体开关T1的主电通路接成串联。此电路图包括和图1的电路图相同的元件。这些元件给以相同的参考号。
此电路的工作方式基本上和前述电路的工作方式相同。在第一晶 体管T1通过启动电阻R2和由电阻R3与电容器C1所组成的正反馈回路变为导通后，强度随时间而线性增加的初级电流不但流过变压器TR的初级绕组N1、晶体管T1的主电流通路和电流测量电阻R1，而且还流过负载L。因而，在正程阶段期间，负载也得到供电。在所有其它方面，前面所描述的电路的工作情况与此电路相同，故不再作详细的描述。
图3示出根据本发明的电源电路的一个实施例。在此电路中，与前面电路图中相应的元件给以同样的参考号。
此电源电路通过桥式整流器G以及由线圈L1和电容器C3和C4所组成的平滑滤波器连接到市电压上。桥式整流器G的输入线之一接有电阻F，电阻F起保险丝的作用，在市电流过大的情况下，限制瞬间电流和阻断接通。
类似于前面所述的情况，此实施例基于由变压器TR的初级绕组N1第一半导体开关T1和电流测量电阻R1所组成的第一串联电路，以及与负载L接成并联的、由变压器TR的次级绕组N2和整流二极管D1所组成的第二串联电路。在电流测量电阻和电源电路的负输入端2之间，负载L与第一串联电路接成串联。一个由齐纳二级管D2和二极管D3组成的吸收器电路与初级绕组N1并联，以抑制关断流过变压器初级绕组的电流时所产生的电压尖峰。启动电阻R2没有直接连接到正输入端上，而是与第一半导体开关的第一晶体管T1的集电极一基极结接成并联。
和前面所述电路图的区别是，在次级绕组N2与整流二极管D1的连结点7和晶体管T1的基极之间的正反馈电路是由两个电阻R3和R5及***此二电阻间的电容器C1所组成的串联电路。齐纳二极管D4设 置在电阻R5与电容器C1的连结点和第一晶体管T1的发射极之间，其阳极对着晶体管的发射极。齐纳二极管D4限制能够加到第一晶体管T1基极上的最大电压。结果是，晶体管T1不会过分饱和，从而限制了时延，这种时延发生于第二晶体管T2已导通后第一晶体管T1关断之时。此齐纳二极管D4的效果与输入电压无关。
用以开关第一晶体管T1的第二半导体开关晶体管T2由比较器CP来激励。此比较器由PnP晶体管T4构成，晶体管T4的发射极是同相输入端6，而其基极是反相输入端5。在正程阶段开始时，PnP晶体管T4不导通。在正程阶段期间，在同相输入端6（即晶体管发射极）上的电压线性地增长，直到此电压与在反相输入端5（即晶体管基极）上和由参考电压源所确定和电压之差已经变成大到使PnP晶体管T4开始导通，并且在PnP晶体管的集电极（即比较器的输出端）上有一加到第二晶体管T2基极上的可利用的信号。由于PnP晶体管T4的非线性特性，加到晶体管T2基极上的信号迅速增长。这使晶体管T2导通，其结果是，第一晶体管T1截止，正程阶段结束。
第二电容器C2设置在PnP晶体管T4的基极和第一晶体管T1的基极之间。
当PnP晶体管T4已变成稍稍导电后，第二晶体管T2也导通到某种程度时，第二晶体管T2集电极的电压减小。这一电压的减小通过电容器C2传送到PnP晶体管T4的基极上。其结果是PnP晶体管T4的基极一发射极电压增加，使得此PnP晶体管导能的程度变得更大。然后，晶体管T4使晶体管T2变得更为导通。这样，第二晶体管T2迅速变为导通，使第一晶体管T1迅速截止。
提供参考电压的装置RS是以晶体管T3为基础的。第一电阻R8与 此晶体管的基极-发射极结接成并联，而第二电阻R9与基极-集电极结接成并联。晶体管T3的发射极连接到电流测量电阻R1远离第一晶体管T1的那一端上。RS的输出端是由晶体管T3的集电极和第二电阻R9的连结点来构成。此连结点连接到PNP晶体管T4的基极上。
装置RS的工作情况如下。在正程阶段开始期间，晶体管T3是不导通的。其输出端连接到一个等于与电流测量电阻R1面向第一晶体管一端的电压上，此电压是经比较器传送过来的。结果，等于电阻R1两端电压的电压出现在装置RS的两端。当初级电流增加时，第一电阻R8两端的电压，并且接着还使晶体管T3基极-发射极电压与初级电流成正比例地增加，直到晶体管T3开始导通时为止。伴随着通过晶体管T3电流的增加，电阻R1两端电压的进一步增加，而晶体管T3集电极-发射极两端之间的电压保持不变。结果，比较器的反相输入端上的电压不再进一步增加，所以，在正程阶段剩下部分期间，获得了一个恒值的参考电压。一旦在比较器输入端5和6之间的电压差增加到这样高的值，以致PnP晶体管T4开始导通时，正程阶段就结束了。于是，初级电流停止流通。电阻R1两端的电压消失，响应于此，装置RS两端的电压减小到零。晶体管T3再次改变成截止状态。
上面的描述是基于这样一种情况，即在晶体管T3的基极和第一电阻R8和第二电阻R9的连结点上连接有一个外电压源。但是，当存在着加电压于此连结点的外电压源时，将有一个偏置电压加在第一电阻R8的两端，并从而加到T3的基极-发射极结两端，这导致在电流测量电阻R1两端有一较小的电压时，就能使晶体管T3开始导通。从而，装置RS输出端上的最大电压也较小，正程阶段在一较小的初级电流值下就终止了。
在图3所示的实施例中，此外电压是由变压器的次级绕组N2来提供的。通过匝数比，次级电压正比于连接到电源电路上的输入电压，所以，当输入电压增加时，加到参考电压源上的外电压就较高。电阻R8两端的偏压受到由第一电阻R8和限流电阻R4所组成的分压器的影响。
图4示出根据本发明的电源电路的第二实施例。在此电路中，参考电压源由一个电流像镜电路所组成。在所有其它方面，此电路与前面所描述的电路相同，给以同样参考号的元件在此不再作更详细的描述。
在此实施例中，提供参考电压的装置由参考电压源RS所构成，参考电压源RS由在电源电路两个输入端1和2之间的两个串联电路所组成。一个串联电路由电阻R10与第五晶体管T5的集电极-发射极通路组成。晶体管T5的基极和集电极互连在一起，使此晶体管接成一个二极管。第二串联电路包括与第六晶体管T6的集电极-发射极通路接成串联的两个电阻R11和R12。齐纳二极管D5与电阻R12和晶体管T6的主电流通路接成并联，它的阳极连接到两电阻R11和R12的连结点上，而它的阴极连结到晶体管T6的发射极上。晶体管T6的基极连接到晶体管T5的基极上。
当输入端1和2两端加上电压后，电流开始流过由电阻R10和晶体管T5组成的初级支路。在第五晶体管T5的基极-发射极结的两端将产生一个与电流强度相应的基极-发射极电压VBE。接着，同样的基极-发射极电压VBE出现在第六晶体管T6的基极-发射极结两端，从而，在此电流镜的次级支路中，将有强度和初级支路中相同的电流流过。由于齐纳二极管D5，所以两个电阻R11和R12的连结点具有一个等 于齐纳二极管击穿电压的恒定电压。因此，在电阻R12与第六晶体管T6集电极连结点上的电压等于齐纳电压与电阻R12两端的电压之差。从电流镜像作用的观点出发，电阻R12两端的电压等于R12的电阻值与流过电流镜像初级支路电流的乘积。因为流过初级支路的电流正比于输入端1和2两端的输入电压，所以当输入电压值较高时，第六晶体管T6集电极上的电压就较低。把晶体管T6集电极上的电压作为参考电压加到比较器CP的反相输入端5上。
最后应注意，前述和图示的提供参考电压的装置具有与电源电路输入电压线性相关的输出电压。当然有可能采用具有非线性相关的装置。在那种情况下，有可能将输入电压-输出电流特性曲线改造成所希望的情况。此外，本发明并不局限于一种特定的比较器。除所述比较器外，也可改用熟悉本技术领域的人所已知的其它比较器，例如，推挽放大器。

Claims (8)

1、一种以数值不同的输入电压对负载(L)供电的电源电路，所述电源电路包括：由一个变压器(TR)的初级绕组(N1)和第一半导体开关(T1)的主电流通路所组成的第一串联电路；由该变压器的次绕组(N2)和一整流二极管(D1)所组成的第二串联电路，此第二串联电路具有供连接负载(L)用的端子(3，4)；一个开关所述第一半导体开关的第二半导体开关(T2)；以及产生一个度量流经所述初级绕组电流的信号的装置(R1)；所述电源电路的特征在于：把所述装置(R1)的输出端连接到比较器(CP)的第一同相输入端(6)上，所述比较器(CP)的第二反相输入端(5)连接到提供参考电压的装置(RS)的输出端上，所述比较器(CP)的输出端连接到所述第二半导体开关(T2)的控制输入端上，其特征还在于：把所述比较器(CP)的所述反相输入端经一电容器耦合到所述第二半导体开关(T2)的输出端上。
2、一种如权利要求1中所述的电源电路，所述第一和第二半导体开关分别由第一和第二晶体管构成，其特征在于：所述比较器（CP）由第三晶体管（T4）构成，第三晶体管（T4）的电导率类型与所述第一和第二晶体管（T1、T2）相反，所述第三晶体管（T4）的基极构成所述反相输入端（5），发射极构成所述同相输入端（6），而其集电极构成所述输出端。
3、一种如权利要求1或2中所述的电源电路，其特征在于：所述提供参考电压的装置（RS）具有一接受度量输入电压的信号的控制输入端，其特征还在于：所述这种装置（RS）设置成能提供一个参考电压，当所述输入电压较高时，所述参考电压就较低。
4、一种如权利要求1、2或3中所述的电源电路，其特征在于：所述提供参考电压的装置（RS）由第四晶体管（T3）所组成的电路而构成，所述第四晶体管（T3）的基极-发射极结与第一电阻（R8）接成并联、第四晶体管的基极-集电极结与第二电阻（R9）接成并联，所述第四晶体管的集电极与所述第二电阻的连结点构成所述提供参考电压的装置（RS）的输出端，以及在所述第四晶体管基极与所述第一及第二电阻之间的连结点构成一控制输入端以接受控制信号。
5、一种如权利要求1、2或3中所述的电源电路，其特征在于：所述提供参考电压的装置（RS）包括一个具有初级支路和次级支路的电流镜像电路，把所述电流镜像电路连接成为：流经所述这两个支路（R10、T5;R12、T6）中每一个支路的电流基本上正比于所述输入电压。
6、一种如前述权利要求中任一项所述的电源电路，其特征在于：具有供连接所述负载（L）用端子（3、4）的由所述次级绕组（N2）和所述整流二极管（D1）所构成的所述第二串联电路被设置成与所述第一半导体开关（T1）的主电流通路接成串联。
7、一种如权利要求6中所述的电源电路，其特征在于：所述产生度量流经初级绕组电流的信号的装置（R1）设置在所述第一半导体开关（T1）和所述第二串联电路（N2、D1）之间。
8、一种设置有如权利要求1到7的任一项中所述的电源电路的剃须刀。
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