CN1050241C - 用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路 - Google Patents

用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路 Download PDF

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Abstract

一种开关元件的驱动电路，包括：一交直流电源转换部件；一把直流电供给负载的开关元件；一根据输入的控制信号产生矩形波驱动信号的振荡器；一当该驱动信号被触发到高电平时产生第一控制信号的第一控制信号发生器；一当输入的控制信号被触发到低电平时产生第二控制信号的第二控制信号发生器；和一根据第一控制信号将开关元件导通，并根据第二控制信号将开关元件关断的驱动部件。能使开关元件准确转换，可减小变压器尺寸。

Description

用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路
本发明涉及一种开关型供电装置，特别涉及一种利用小型变压器来驱动开关元件的开关元件的驱动电路。
一种开关型供电装置一般包括：一个将输入的交流电转换为直流电的电源转换部件；一个进行开关操作，以便将电源转换部件的直流电提供给负载的开关元件；和一个根据由外部输入的第一控制信号和第二控制信号来控制开关元件的驱动电路。使用MOS场效应晶体管的开关元件具有小的开关损耗。
美国专利第5,424,932号和第3,938,023号中分别公开了一种开关型电源和电压监控电路。图1示出了一个驱动电路1，该驱动电路1在利用MOS场效应晶体管作为开关元件的开关型供电装置中完成MOS场效应晶体管2从导通状态到关断状态的开关操作或相反的操作。为了使MOS场效应晶体管2变为导通状态，向电阻器11的输入端提供输入为高电平的第一控制信号S1，第一晶体管12的基极端与电阻器11的输出端相连接，以便根据第一控制信号S1变为导通状态，第一晶体管12的集电极与变压器13的初级绕组的第一输出端OUT1相连接。此时，第一晶体管12的发射极与地相接，DC电压Vcc提供给变压器13的初级绕组的输入端。
利用变压器13的激励电压变为导通状态的MOS场效应晶体管2的控制极(gate)与变压器13的次级绕组相连接，电源转换部件与MOS场效应晶体管2的漏极(drain)相连接，而变压器13的次级绕组的输出端与MOS场效应晶体管2的源极(source)相连接。
稳压二极管14与MOS场效应晶体管2的控制极相连接以便防止在MOS场效应晶体管2的控制极和源极之间形成的电压VGS提供给变压器13的次级绕组的输入端，并且在同时一个稳压二极管15与MOS场效应晶体管2的控制极相连接，以便将在MOS场效应晶体管2的控制极和源极之间形成的电压VGS维持在某一恒定值。
同时，输入为高电平以便使MOS场效应晶体管2变为关断状态的第二控制信号S2提供给电阻器16的输入端，利用第二控制信号S2变为导通状态的第二晶体管17的基极与电阻器16的输出端相连接，并且第二晶体管17的集电极与变压器的初级绕组的第二输出端OUT2相连接。此时，第二晶体管17的发射极与地相连接。
下面参照图2来描述开关型供电装置的开关元件驱动电路的操作。
一旦第一控制信号S1被触发为高电平并且通过驱动电路1的电阻器11提供给第一晶体管12，如图2(A)所示，第一晶体管12就变为导通状态。因此，经过变压器13的初级绕组，电流从输入端流到一第一输出端OUT1，这样使变压器13的次级绕组被激励。
变压器13的激励电压通过稳压二极管14提供给MOS场效应晶体管2，以便使MOS场效应晶体管2变为导通状态。因此，从电源转换部件3输出的直流电被提供给MOS场效应晶体管2的源极。此时，在MOS场效应晶体管2的控制极和源极之间形成的电压VGS不应超过稳压二极管15的预定电压。
同时，如果第二控制信号S2被触发为高电平，并且通过电阻器16提供给第二晶体管17，如图2(B)所示，那么第二晶体管18变为导通状态。因此，经过变压器13的初级绕组，电流从输入端流到第二输出端OUT2，这样使变压器13的次级绕组被激励。此时，变压器13的激励电压具有与当电流从变压器13的输入端流到第一输出端OUT1时的激励电压相反的电压。
变压器13的激励电压通过稳压二极管14提供给MOS场效应晶体管2，以便使MOS场效应晶体管2变为关断状态，于是，从电源转换部件3输出的DC电源没有提供给MOS场效应晶体管2的源极。
在开关无件的常规驱动电路中，存在变压器的尺寸较大导致很难制造轻便、小型和简单的供电装置的问题。这是因为：由于利用第一控制信号S1和第二控制信号S2来驱动变压器13，和利用变压器13的激励电压来切换MOS场效应晶体管2，所以在MOS场效应晶体管2的低开关周期的情况下，MOS场效应晶体管2的准确切换需要大尺寸的变压器。
因此，本发明的一个目的是提供一种开关元件的驱动电路，该驱动电路能够通过产生周期地驱动一个变压器的控制信号来减少变压器的尺寸。
利用根据本发明的原理得到的开关元件的驱动电路可以实现这个和其它的目的，该驱动电路包括：一个将外部输入的交流电转换成直流电的电源转换部件；一个执行开关操作的将电源转换部件的直流电提供给负载的开关元件；一个根据从外部输入的控制信号来产生具有预定周期的矩形脉冲波形的驱动信号的振荡器；一个当振荡器的驱动信号从低电平被触发到高电平时产生第一控制信号的第一控制信号发生器；一个当从外部输入的控制信号从高电平被触发到低电平时产生第二控制信号的第二控制信号发生器；和一个驱动部件，该驱动部件以这样的方式控制开关元件的变换，即：根据第一控制信号发生器的第一控制信号使开关元件变为导通状态，根据第二控制信号发生器的第二控制信号使开关元件变为关断状态。
本发明的一个优选实施例描述了一种开关元件的驱动电路，在该驱动电路中，当从外部输入的控制信号被触发到高电平时，在振荡器上周期地产生具有预定周期的驱动信号；当驱动信号从低电平触发到高电平时，在第一控制信号发生器上产生第一控制信号；当从外部输入的控制信号从高电平触发到低电平时，在第二控制信号发生器上产生第二控制信号。此外，在一个驱动部件上，根据第一控制信号，开关元件置为导通状态，由此将从电源转换部件输出的DC电源提供给负载，另一方面，根据第二控制信号，开关元件被置为关断状态，由此不将电源转换部件的直流电提供给负载。因此，由于周期地依次地产生第一控制信号，所以即使当开关元件的开关周期较低时，也能够减少用于开关元件准确切换的变压器的尺寸。
通过下面结合附图详细描述的本发明的优选实施例，将能更好的理解本发明的上述和其它的目的、方面和优点，其中：
图1是一种开关元件的传统驱动电路的方框图；
图2是表示图1的输出信号的波形图；
图3是根据本发明的原理构成的一种开关元件的驱动电路的方框图；
图4是图3所示开关元件的驱动电路的详细电路图；
图5是图4的输出信号的波形图。
下面将参照附图来描述本发明的优选实施例。
如图3和4所示，本发明的开关型电源装置包括：一个电源转换部件300，它将输入的AC电源转换成DC电源；一个开关元件200，它是一个MOS场效应晶体管，并且进行开关操作以便把电源转换部件300的直流电流提供给负载；和一个驱动电路100，它控制开关元件200来进行开关操作。
电源转换部件300和开关元件200以常规的方式进行操作，因此省略了对它们描述。开关元件的驱动电路100包括：一个振荡器110，它根据一个由外部输入的控制信号S，以具有一个预定周期的矩形脉冲形式来产生驱动信号OUT；一个第一控制信号发生器120，当振荡器110的驱动信号OUT从低电平触发到高电平时，信号发生器120产生一个第一控制信号S1；一个第二控制信号发生器130，当从外部输入的控制信号S从高电平触发到低电平时，信号发生器130产生第二控制信号S2；和一个驱动部件140，它根据第一控制信号发生器120的第一控制信号S1及第二控制信号发生器130的第二控制信号S2来控制MOS场效应晶体管200的开关。在此，当由一个微处理机(未示出)输出一个功率有效信号时，从外部输入的控制信号S是一个触发高电平的信号。
图4是本发明的驱动电路的详细电路图。振荡器110的电阻111、112和电容器113串联连接到一个直流电流Vcc的输入端。电容器113的另一端与地相连。一个多谐振荡器114与电阻112的另一端连接，该多谐振荡器114输出一个具有对应电阻111、112和电容器113的时间常数的周期的矩形脉冲形式的驱动信号OUT。此外，直流电流Vcc通过多谐振荡器114的电源端IN1输入，并驱动多谐振荡器114。
由外部输入的控制信号S提供给振荡器110的电阻器115的输入端；根据控制信号S进行开关的晶体管116的基极端与电阻器115的输出端相连接；电阻器112的输出端与晶体管116的集电极端相连接；晶体管116的发射极与地相连接。
同时，根据多谐振荡器114的一个驱动信号OUT来产生第一控制信号S1使MOS场效应晶体管200变为导通状态的第一控制信号发生器120包括：一个对多谐振荡器114的驱动信号OUT充电/放电的电容器121，一个对电容器121的充电电压进行放电的电阻器122，和通过将电容器121的输出信号和驱动信号OUT进行“与”来产生第一控制信号S1的与门电路。
此外，根据由外部输入的控制信号S来产生第二控制信号S2，使MOS场效应晶体管200变为关断状态的第二控制信号发生器130包括：一个恢复控制信号S的反相器131、一个对反相器131的输出信号进行充电/放电的电容器132、一个对电容器132的充电电压放电的电阻器133、和通过将电容器132的输出信号和控制信号S进行“与”来产生第二控制信号S2的与门电路。
根据第一控制信号S1和第二控制信号S2来开关一个MOS场效应晶体管的驱动部件140与第一控制信号发生器120的输出端和第二控制信号发生器130的输出端相连接。驱动部件140的电阻器141的输出端上连接了第一晶体管142的基极端，第一晶体管根据电阻器141的输出电压进行开关，第一控制信号发生器120的第一控制信号S1经过该电阻器141；变压器143的初级绕组的第一输出端OUT1与第一晶体管142的集电极连接，当第一晶体管142处于导通状态时电流流过变压器143的初级绕组并且次级绕组被激励；和输入电源Vcc提供给变压器143的一个输入端。
用于防止将在MOS场效应晶体管200的控制极和源极之间形成电压VGS提供给变压器143的初级绕组的稳压二极管144的阳极与变压器143的次级绕组的输入端相连接；MOS场效应晶体管200的控制极与稳压二极管144的阴极连接。此外，一个将交流电变换成直流电的电源转换部件300的输出端与MOS场效应晶体管200的漏极相连接；变压器143的次级绕组的输出端与MOS场效应晶体管300的源极相连接。当MOS场效应晶体管200转换成导通状态时，直流电被提供给MOS场效应晶体管200的漏极，随后提供给变压器143的次级绕组的输出端。
一个稳压二极管145的阴极与MOS场效应晶体管200的控制极相连接，以便通过维持在MOS场效应晶体管200的控制极和源极之间形成的恒定电压VGS来保护MOS场效应晶体管200；稳压二极管145的阳极与MOS场效应晶体管200的源极相连接。此外，在稳压二极管145的阴极和阳极之间连接一个电阻器146，用于通过对在MOS场效应晶体管200的控制极和源极之间形成的电压VGS放电来保护MOS场效应晶体管200。
同时，第二晶体管148的基极端与驱动部件140的电阻器147的输出端相连接，其中第二控制信号发生器130的第二控制信号S2经过电阻器147，而第二晶体管148根据电阻器147的输出电压进行开关操作；变压器143的初级绕组的第二输出端OUT2与第二晶体管148的集电极相连接，当晶体管148变为导通状态时，电流流过变压器143的初级绕组并且其次级绕组被激励。此时，变压器143的次级绕组的激励电压具有与当第一晶体管142被导通时变压器143的次级绕组上的激励电压相反的电压。
图5是表示图4中各部件的输出信号的波形图。下面参照图5来描述根据本发明的MOS场效应晶体管的操作。图5(A)表示一个由外部输入的并且触发一个高电平的控制信号S。
直流电Vcc一旦通过输入端IN1输入给振荡器110的多谐振荡器114，多谐振荡器114开始其操作并且输出具有如在图5(B)中所示的矩形脉冲波形的驱动信号OUT。根据电阻器111、112和电容器113的时间常数来确定驱动信号OUT的周期。多谐振荡器114的驱动信号OUT提供给第一控制信号发生器120，在该信号发生器120上产生用于使MOS场效应晶体管200变为导通状态的第一控制信号S1。例如，当驱动信号OUT由低电平被触发到高电平时，触发的高电平驱动信号OUT提供给电容器121，使该电容器121充电。当电容器121正在被充电时，电容器121的输出信号以高电平提供给与门电路123的一端。高电平驱动信号OUT提供给与门电路123的另一端。于是，与门电路123完成电容器121的充电信号和驱动信号的“与”，并且输出第一控制信号S1。
一旦对电容器121的充电完成，电容器121的充电电压就通过电阻器122放电，并且电容器121的输出信号以低电平提供给与门电路的一端，而高电平驱动信号OUT提供给与门电路的另一端，由此完成它的“与”操作，与门电路123的第一控制信号S1从高电平被触发到低电平。此时，通过电容器121和电阻器122的时间常数来确定从高电平触发到低电平的区域，如图5(B)所示。
此外，第一控制信号发生器120的第一控制信号S1被提供给驱动部件140，并使MOS场效应晶体管200变为导通状态。也就是：高电平第一控制信号S1通过电阻器141提供给第一晶体管142，并且随后将第一晶体管变为导通状态。
同时，高电平控制信号S被提供给第二控制信号发生器130，该信号发生器130输出用于使MOS场效应晶体管200变为导通状态的第二控制信号S2。换言之，高电平控制信号S被提供给第二控制信号发生器130的反相器131以便使控制信号S反相，而反相器131的输出信号提供给与门电路134的一端。此时，根据反相器131的输出信号，与门电路134输出低电平第二控制信号S2。低电平第二控制信号S2通过驱动部件140的电阻器147提供给第二晶体管148，并且将第二晶体管148变为导通状态。
因此，在变压器143上电流从初级绕组的输入端流到第一输出端OUT1，并且次级绕组被激励。此时，次级绕组的激励电压通过变压器143的初级绕组和次级绕组的匝数比来确定。
变压器143的次级绕组的激励电压通过稳压二极管144提供给MOS场效应晶体管200的控制极，随后MOS场效应晶体管200变为导通状态。也就是：当由电源转换部件300输出的直流电提供给MOS场效应晶体管200的源极时，与该源极连接的负载开始操作。此时，在MOS场效应晶体管的控制极和源极之间形成的电压VGS如图5(E)所示。
由于当驱动信号OUT从多谐振荡114中输出时重复这个过程，所以MOS场效应晶体管200维持其导通状态。
同时，图5(A)示出了控制信号S怎样被触发到低电平。
一个低电平控制信号S通过振荡器110的电阻器115提供给晶体管116以便使晶体管116变为导通状态，于是电阻器112的输出电压从晶体管116的集电极提供给发射极。此外，当电阻器111、112的输出电流通过晶体管116提供给地时，多谐振荡器114的驱动被停止，并且输出低电平驱动信号OUT，如图5(B)所示。
低电平驱动信号OUT提供给第一控制信号发生器120的与门电路123的一端，因此无论提供给与门电路123的另一端的电容器121的输出信号怎样，一个低电平第一控制信号S1被输出，如图5(C)所示。该低电平第一控制信号S1通过驱动部件140的电阻器141提供给第一晶体管142，并且将第一晶体管142变为关断状态。
同时，一个低电平控制信号S提供给第二控制信号发生器130，并且输出用于使MOS场效应晶体管200变为关断状态的第二控制信号S2。
换言之，一个低电平控制信号S提供给第二控制信号发生器130的反相器131并且被反相，而反相器131的输出信号提供给与门电路134的一端及电容器132。当电容器132被充电时，该电容器132的输出信号以高电平提供给与门电路134的另一端。于是，与门电路134对电容器132的输出信号和反相器131的输出信号进行“与”操作，并且输出第二控制信号S2。
一旦对电容器132的充电完成，电容器132的充电电压通过电阻器133放电，并且提供给与门电路134的另一端的电容器132的输出信号被触发到低电平。于是，与门电路132对电容器132的输出信号和反相器131的输出信号进行“与”操作，并且把高电平第二控制信号S2触发到低电平，如图5(D)所示。
此外，第二控制信号发生器130的第二控制信号S2提供给驱动部件140，以便使MOS场效应晶体管200变为导通状态。也就是，高电平第二控制信号S2通过电阻147提供给第二晶体管148，以便使第二晶体管148变为导通状态。
因此，在变压器143上电流从初级绕组的输入端流到第二输出端OUT2，由此使次级绕组被激励。此时，变压器143的次级绕组的激励电压与当电流流到初级绕组的输入端及第一输出端OUT1时次级绕组的电压相反。
由于变压器143的次级绕组的激励电压不通过稳压二极管144，所以MOS场效应晶体管200变为关断状态。于是，由电源转换部件300产生的直流电的输出没有通过MOS场效应晶体管。
通过利用本发明的开关元件的驱动电路，能够根据一个多谐振荡器连续产生的驱动信号来产生第一控制信号，并且由于利用第一控制信号能够维持MOS场效应晶体管的导通状态，所以能够减少为了维持MOS场效应晶体管的导通状态而为较大尺寸的变压器的尺寸。这样便能够制造出轻便、小型和简单的开关元件的驱动电路，由此实现了开关型供电装置的小型化。
虽然利用单一的优选实施例对本发明已经进行了描述，但是本领域的技术人员应该承认在本发明权利要求的精神和范围内能够对本发明进行各种变型。例如，可以建议将本发明的MOS场效应晶体管用于任何一般的开关元件。

Claims (10)

1、一种用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，包括：
一个电源转换部件，用于将交流电转换为直流电；
一个MOS场效应晶体管，用于把所述直流电提供给负载；
其特征在于，所述用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路还包括：
一个振荡器，用于根据由外部输入的一个控制信号来产生驱动信号，以便对所述MOS场效应晶体管进行开关操作；
一个控制信号发生器，用于根据所述振荡器的驱动信号和由外部输入的所述控制信号来产生第一控制信号和第二控制信号，以便使所述MOS场效应晶体管变为导通或关断状态；和
一个驱动部件，用于根据所述第一控制信号使所述MOS场效应晶体管变为导通状态，并用于使所述MOS场效应晶体管变为关断状态。
2、根据权利要求1所述的用于开关型供电装置的开关元件驱动电路，其中所述振荡器包括：
一个多谐振荡器，用于根据由外部输入的所述直流电来产生具有矩形脉冲波形的驱动信号；
用于确定由所述多谐振荡器输出的所述驱动信号的周期的装置；和
一个晶体管，用于根据由外部输入的所述控制信号来停止所述多谐振荡器的驱动。
3、根据权利要求2所述的用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，其中用于确定所述驱动信号周期的装置包括：
第一电阻器，用于把由外部输入的DC电压偏压；
第二电阻器，用于把所述第一电阻器的输出电压偏压；和
一个电容器，用于通过对所述第二电阻器的输出电流充电和随后对所述输出电流放电来确定所述驱动信号的周期。
4、根据权利要求1所述的用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，其中所述控制信号发生器包括：
第一控制信号发生器，用于根据所述振荡器的驱动信号来产生第一控制信号，以便使所述MOS场效应晶体管变为导通状态；和
第二控制信号发生器，用于根据由外部输入的所述控制信号来产生第二控制信号，以便使所述MOS场效应晶体管变为关断状态。
5、根据权利要求4所述的用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，其中所述第一控制信号发生器包括：
一个电容器，用于对所述多谐振荡器的驱动信号充电/放电；
一个电阻器，用于对所述电容器的充电电压放电；和
与门电路，用于通过对所述电容器的输出信号和驱动信号进行“与”操作来输出第一控制信号。
6、根据权利要求4所述的用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，其中所述第二控制信号发生器包括：
一个反相器，用于使由外部输入的所述控制信号反相；
一个电容器，用于对所述反相器的输出信号充电/放电；
一个电阻器，用于对所述电容器的充电电压放电；和
与门电路，用于通过对所述电容器的输出信号和控制信号进行“与”操作来输出第二控制信号。
7、根据权利要求1所述的用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，其中所述驱动部件包括：
第一晶体管，用于根据由所述第一控制信号发生器输出的第一控制信号来使所述MOS场效应晶体管变为导通状态
Figure C9610149200031
一个变压器，用于根据所述第一晶体管的开关状态，利用在初级绕组上流过电流，将在次级绕组上激励的电压提供给所述MOS场效应晶体管，以使所述MOS场效应晶体管变为导通状态；
一个第一稳压二极管，用于阻止将在所述MOS场效应晶体管的控制极和源极之间形成的电压提供给所述变压器；和
第二晶体管，用于根据由所述第二控制信号发生器输出的第二控制信号将在所述变压器的次级绕组上激励的电压反相，并且通过在次级绕组上激励的所述电压使所述MOS场效应晶体管变为关断状态。
8、根据权利要求7所述的用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，进一步包括：
第二稳压二极管，用于将在所述MOS场效应晶体管的控制极和源极之间形成的电压保持在恒定值；和
第二电阻器，用于通过对在所述MOS场效应晶体管的控制极和源极之间形成的电压放电来保护所述MOS场效应晶体管。
9、一种用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，包括：
一个电源转换部件，用于将交流电转换为直流电；
一个MOS场效应晶体管，用于把所述直流电提供给负载；
其特征在于，所述用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路还包括：
一个多谐振荡器，用于根据由外部输入的所述直流电来产生具有矩形脉冲波形的驱动信号；
用于确定由所述多谐振荡器输出的驱动信号周期的装置；
一个晶体管，用于根据由外部输入的所述控制信号来停止所述多谐振荡器的驱动；
一个控制信号发生器，用于根据所述振荡器的驱动信号和由外部输入的所述控制信号来产生第一控制信号和第二控制信号，以便使所述MOS场效应晶体管变换为导通或关断状态；
一个驱动部件，用于根据所述第一控制信号使所述MOS场效应晶体管变为导通状态，  并用于使所述MOS场效应晶体管变为关断状态。
10、一种用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路，包括：
一个电源转换部件，用于将交流电转换为直流电；
一个MOS场效应晶体管，用于把所述直流电提供给负载；
其特征在于，所述用于开关型供电装置的开关元件的驱动电路还包括：
一个振荡器，用于根据由外部输入的一个控制信号来产生驱动信号，以便对所述MOS场效应晶体管进行开关操作；
一个第一控制信号发生器，用于根据所述振荡器的驱动信号来产生第一控制信号，以便使所述MOS场效应晶体管变为导通状态；
一个第二控制信号发生器，用于根据由外部输入的所述控制信号来产生第二控制信号，以便使所述MOS场效应晶体管变为关断状态；
一个驱动部件，用于根据所述第一控制信号使所述MOS场效应晶体管变为导通状态，并用于使所述MOS场效应晶体管变为关断状态。
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