CN1457546A - 开关电源的启动电路 - Google Patents

Abstract

一种开关电源配备有启动装置，为控制开关三极管切换的控制器供电。所述启动装置被旁路装置旁路。在电源启动期间，该旁路装置打开。启动成功后，旁路开关将闭合，从而消除启动装置中进一步的功耗，因此，提高了电源的总体能效。通过将启动装置连接到备用电源或一次电压，省去了用变压器上的辅助绕组为控制器供电。该电源具有电子过载保护，当发生过载情况时，停止并试图重新启动。

Description

开关电源的启动电路

本发明涉及一种包括启动装置的开关电源，该启动装置用于在启动阶段为控制器提供电能。此外，本发明还涉及启动这样的开关电源的方法、在这样的开关电源中使用的控制器启动装置、以及包括这样的开关电源的显示装置。

开关电源在电子设备中被广泛采用。这样的电子设备的例子包括：计算设备、电视和视频设备以及便携式远程通讯装置。开关电源将直流(DC)一次电压，如电池电压或经整流的交流(AC)电网电压等，转换成一个或多个二次电压。

US 5581453披露了一种用于开关电源的启动电路。该电源包括一个变压器，由一个开关晶体管切换，以便周期性连接到输入电压。驱动所述开关晶体管的周期脉冲是由一个电源控制电路提供的。为了能够启动这样的电源，该电源装备有一个启动电路，包括一个启动电阻和一个电容。该启动电路为电源控制电路提供初始电能。此外，所述电源控制电路还由变压器上的一个辅助绕组供电，该绕组上的电压被整流，然后提供给电源控制电路。在电源启动过程中，为电源控制电路的供电完全由启动电路承担。上述启动电阻将为电容充电，使得电源控制电路的电压上升。开始时，变压器上的电压较低，因此，变压器的辅助绕组上的电压不参与为电源控制电路供电。过了一段启动时间之后，电源的输出电压开始上升。于是，在变压器辅助绕组上可以获得的电压也开始上升。当辅助绕组上的电压足够高时，所述绕组将代替启动电路为电源控制电路供电。

一般，启动电阻的大小只要能够提供足以启动电源控制电路的电流即可。电源控制电路的正常工作电流很高。尽管在上述文献中没有公开，但是，该很高的工作电流使得装置本身要具备内置的过载保护。万一比如由于过载或短路使得电源输出电压降低，由变压器提供的电压将会显著降低，辅助绕组上的电压也会降低。这样会使得电源控制电路的电压下降，因为启动电阻的大小只被设计为提供很小的启动电流，该很小的启动电流在正常工作期间足够为电源控制电路供电。因此，切换将停止，电源将进入启动状态，尝试一次新的启动。

该电源的缺陷之一在于需要变压器中的一个辅助绕组。这样会使得变压器的设计变得复杂。一方面，该绕组需要与变压器的二次侧良好磁耦合，因此，需要将它绕在物理上靠近二次绕组的地方。另一方面，辅助绕组连接到变压器的一次侧。因此，辅助绕组需要完全隔离，以避免变压器一次绕组与二次绕组之间的绝缘安全问题。通常采用三重绝缘导线。这使得变压器比较昂贵、复杂，且不易制造。

另一缺陷在于启动时间较长。为了减小启动电阻中的功耗，启动电阻的阻值被选为尽可能大，但是这样会使启动变慢，因为高阻值使得只能获得很小的启动电流来为与其耦合的电容充电。

与上述缺陷相关的是另一缺陷，即在电源运行期间，启动电阻将继续消耗电能。因为在电源中，效率是优先考虑的要求，因此，该持续的耗电是无法接受的。为了使电源适合较宽的输入电压范围，必须选择低阻值的启动电阻，以便在启动过程中，在最小输入电压下都可以保证电源控制电路的足够的启动电流。但是，该低阻值将使得在高输入电压时，流过电阻的电流太高，从而引起电阻中的高能耗。如上所述，对电源快速启动的要求也需要减小启动电阻，从而也会增加能耗。

为了克服与能耗有关的缺陷，US5581453披露了一种开关晶体管，使其集-射主电流路径与启动电阻串联。在电源启动期间，该开关晶体管处于导通状态，使得所述电阻提供启动电流。在电源正常运行期间，所述开关晶体管处于非导通状态，防止了启动电阻中的能耗。该结构的缺陷是很容易引起开关晶体管的退化，因为该开关晶体管是通过将基-射结反偏来停止导通的。如所周知，在常规晶体管设计中，只要几伏的基-射结反偏电压就可以引起基-射结击穿，从而导致晶体管的不可逆退化。例如，输入电压跌落或由于负载变化或变压器制造过程中的制造公差等引起的辅助绕组电压升高等很容易引起这种情况发生。还有一点很清楚，尽管该结构是为了解决能耗问题，但是无法解决上述与变压器中的第三绕组相关的问题。

本发明的一个目的是消除或至少减小与现有技术相关的问题。本发明的另一个目的是简化开关电源的设计。

本发明第一方面提供如权利要求1所述的一种开关电源。本发明的第二方面提供如权利要求8所述的启动开关电源的方法。本发明的第三方面提供如权利要求11所述的控制器启动装置。本发明的第四方面提供如权利要求12所述的包括这样的开关电源的显示装置。本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。通过用旁路装置将启动装置旁路，可以区别两种工作条件。当旁路装置打开时，控制器由启动装置提供启动电流，使得切换装置的切换可以开始。当旁路装置闭合时，由启动装置产生的对电流的限制不复存在，使得控制器具有可获得的最大驱动功率来正常控制切换装置，从而使电源正常工作。同样，当旁路开关闭合时，启动装置中的功耗被消除，这样会提高电源的总效率。由于正常运行时启动装置的能耗被消除，启动装置的大小可以设计为获得最优启动时间，从而缩短启动时间。

在权利要求2所定义的本发明的一个实施例中，当检测到二次电压稳定，开关电源进入正常运行状态时，旁路开关闭合，以便将启动装置旁路。通过例如将二次电压与一个参考电压比较，利用检测装置检测电源装置的输出量，该输出量指示电源处于正常运行状态，有可能根据所述电源装置的输出量，例如二次电压值或二次绕组中的电流或输出功率，来操作旁路开关。

在权利要求3所定义的本发明的一个实施例中，当检测到二次电压超出参考电压时，旁路开关闭合以便将启动装置旁路。开关电源具有连接电网的部分，包括一次绕组、切换装置、控制器、以及连接电网输入电压的光耦三极管。开关电源还包括与电网隔离的部分，包括二次绕组和光耦二极管。检测到二次电压跨越参考电压的信号通过光耦二极管和三极管从与电网隔离的部分被传输到电网连接部分。光耦可以通过简单的途径实现良好的电流隔离。

因此，当二次电压低时，例如在电源启动期间，旁路开关打开，从而为控制器只提供启动电流。如果该启动电流能够成功启动电源，二次电压将升高，检测装置检测指示电源处于正常运行状态的输出量。例如，如果二次电压超过检测装置设定的限值，检测装置将通过控制电路使旁路开关闭合，以保持控制器的充分的工作电流，使得可以继续正常运行。

电源装置的输出量可以表示一个或多个二次电压、电源装置的一个或多个电流、任意二次电压与输出电流的任意组合、或能够提供用于判断电源装置的运行状态或确定对电源装置的控制的适当手段的任意其它值，如在感性装置的辅助绕组中产生的电压等。

在权利要求6所定义的本发明的一个实施例中，光耦三极管的主电流路径还耦合到控制器，用于控制切换装置的切换。这样，光耦三极管还提供控制装置的输入，用于控制切换装置的切换。这样，可以实现对组件的充分利用，从而减少总的组件成本。而且，通过对组件的组合应用，可以改善启动性能，因为这些组件中的公差对旁路开关的性能和控制器开关的性能具有相似的影响。

在过载情况下，检测装置会检测到二次电压低，因此，检测装置将通过光耦打开旁路开关。这样就会自动将电源重新切换到启动状态，电源将会试图重新启动，从而提供了对过载的电子保护。

旁路开关最好包括一个三极管，以提供简单、经济的切换。

由于启动装置可以方便地耦合到一次电压或备用电压源，该两种电压都有合适的电压值，这使得在感性装置上不必使用辅助绕组，从而简化了感性装置的设计和制造。这样还可以避免特别是在变压器绝缘中发生的安全问题。辅助绕组及其相关的隔离要求不再需要。通过避免变压器上的辅助绕组和将启动装置耦合到良好的电压源，如备用电源，电源的启动以及在过载情况下的重启动得以改善。启动不再依赖于在大部分情况下具有很大输入电压范围的一次电压。这使得电源的启动很容易被控制和预测，并且可以消除变压器和输入电压范围的公差的负面影响。

最好，启动装置包括一个启动三极管，连接在启动装置的输入端子与输出端子之间，提供控制器的启动电流；还包括一个电容，连接在启动装置的输出端子与公共端之间。电阻值可以选择为使该电阻为控制器提供足够的启动电流，电容值应当选择为使得能够获得足够的延时，以保证足够长的启动时间。电阻与电容的组合应当选择为能够保证在过载情况下，对电源连续的两次启动之间足够的时间间隔，并能够保证电源的可靠启动。

如上所述，由于存在旁路开关，不再需要设计电阻值以获得最小的功耗，从而扩大了设计启动装置时的自由度。这使得可以选择低电阻值以保证较短的启动时间，同时避免了与这样低的电阻值相关的持续高能耗，因为一旦启动完成，电阻就被旁路。

由于感性装置可以包括一个变压器或电感，本发明可以用于各种开关电源，如所谓的回扫变换器、升压变流器、前馈变换器、或谐振变换器，这些变换器可以或可以不与电网隔离。

通过下面的附图，可以更清楚了解本发明的其它特征和优点，附图用于说明本发明的实施例，但本发明不限于所述实施例。其中：

图1示出根据本发明的开关电源的一种实施例的简化电路图；

图2示出根据本发明的开关电源的另一实施例的简化电路图。

在不同的图中，用相同的标号表示相同或近似的组件。

图1中，开关电源将在端子1施加的输入电压转换为端子2处的输出电压。端子1、2耦合到具有一次绕组3a和二次绕组3b的变压器3。控制器4可以包括集成电路装置，控制切换装置的切换，在本例中，切换装置是场效应晶体管(FET)型开关三极管5。在变压器的二次绕组3b，电脉冲被整流二极管6和电容7整流并滤波。通过启动装置8为控制器4供电，启动装置包括电阻8a和电容8b。启动装置8为控制器4提供启动电流，为此目的，启动装置的输出端口8d连接到控制器4的电源端子4a。启动装置8的输入端口8c在端子10处连接备用电压源。启动装置8可以被旁路装置11旁路，本例中，旁路装置是开关三极管，其主电流路径连接在启动装置8的输入端8c和输出端口8d之间。旁路装置11的切换由控制装置CC和检测装置DD控制，检测装置DD包括电压基准12和两个电阻。控制装置CC包括光耦13a、13b、以及三个电阻。光耦13a、13b还连接控制器4，根据端子2处的二次电压控制开关三极管5的切换。光耦包括光耦二极管13a，与光耦三极管13b通过光耦合。

启动电源时，通过启动装置8将从备用电压源通过端子10获得的电能提供给控制器4。控制器4通过提供驱动脉冲给开关三极管5来启动开关三极管5的周期切换。开关三极管5的切换将使得在变压器3的二次绕组3b上出现脉冲。为了能够驱动开关三极管5，控制器4所需的电能比启动装置8提供给控制器4的电能多。因此，电容器8b上的电压，即控制器4的电源端子4a上的电压将下降，因为电能从电容8b中输出。

如果在启动过程中电源能够建立起足够高的二次电压，电压基准12将开始导通，使得光耦13a、13b导通。结果，由三极管11构成的旁路开关开始导通。这样，旁路开关11将把启动电阻8a旁路，从而使启动装置8的输出端口8d处的电压升高，保证提供使得控制器4能够正常控制电源的足够的电能。

但是，如果在在启动过程中电源不能建立起足够高的二次电压，电压基准12和光耦13将不会导通。结果，电容8b上的电压将继续下降，因为启动装置8a提供的电能比控制器4消耗的电能少。在某一时刻，电容8b上的电压低到使得控制器4停止工作并停止控制开关三极管5的值。这样，电源将停止。

图1所示的电源提供了过载保护。当出现可能由过载或短路引起的二次电压2过低时，旁路开关11将不会闭合，结果，控制器4就会停止控制开关三极管5。

同样，图1所示电源还提供自动重启动功能。如上所述，当启动电源失败时，电容8b将会被电阻8a再次充电，使得控制器4的电源端子4a处的电压升高。在某一时刻，该电压将足够高，使得控制器4再次启动，同时开关三极管5开始切换，从而再次试图启动电源。结果，当电源处于过载状态时，它将周期性低试图重启动。

根据本发明的电源的启动和重启动很容易控制，因为它很大程度上依赖于构成启动网络的电阻8a和电容8b各自的值。

本发明还可以用于其它类型的开关电源。例如，图2示出另一种开关电源，该电源采用单个电感3代替图1所示电源中的变压器，所以稍微有些简化。结果，该电源中没有输入电压1与输出电压2之间的隔离。此外，如图1所示，根据本发明的电源的所有特征和优点都可以应用。此外，电容8a可以用电流源代替。现在，检测装置DD包括由电阻15和16构成的分压器、具有内置基准电压Vref的比较器12，用于比较抽头输出电压和基准电压Vref。当抽头电压超过基准电压Vref时，比较器产生通过光耦二极管13a中的电流。供给光耦二极管的电压可以是由电源产生的任意合适的直流电压。

这样，本发明提供了一种开关电源，具有快速启动和在正常运行期间启动装置中能耗低的优点，使得变压器的设计和制造简化，同时可以保证可靠的启动和在过载情况下可靠的重启动。

Claims (12)

1.一种开关电源，用于将一个输入电压转换为至少一个输出电压，包括：

将所述输入电压变换为所述至少一个输出电压的感性装置；

周期性地将所述感性装置耦合到所述输入电压的开关装置；

控制所述开关装置切换的控制器；以及

在启动阶段为所述控制器供电的启动装置；

其特征在于所述开关电源还包括一个旁路装置，用于在所述开关电源正常工作期间将所述启动装置旁路。

2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于所述开关电源还包括：

用于检测所述开关电源的输出量是否指示所述开关电源处于正常运行状态的检测装置；和

用于当检测到所述开关电源处于正常运行状态时，控制所述旁路装置闭合的控制电路。

3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于所述感性装置包括一个变压器，该变压器包括一次绕组和二次绕组，所述一次绕组耦合到开关装置，所述二次绕组耦合为提供二次电压，特征还在于所述控制电路包括：

一个光耦二极管；

一个比较电路，用于比较所述至少一个输出电压与基准电压，当所述输出电压超过所述基准电压时，为所述光耦二极管提供电流；以及

与所述光耦二极管通过光耦合的光耦三极管，该三极管的主电流路径耦合为控制所述旁路装置的输入。

4.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于所述旁路装置是可控半导体开关，且当所述至少一个输出电压超出预定值时，该旁路开关闭合。

5.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于所述光耦三极管的主电流路径还耦合到所述控制器，控制所述开关装置的切换。

6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于所述启动装置耦合到一个备用电压源或一次电压。

7.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于所述控制器被调节为当所述检测装置检测到所述输出电压降低到预定值以下时，将所述旁路装置打开。

8.一种启动开关电源的方法，所述开关电源用于将一个输入电压转换为至少一个输出电压，所述开关电源包括：

将所述输入电压变换为所述至少一个输出电压的感性装置；

周期性地将所述一次绕组耦合到所述输入电压的开关装置；

控制所述开关装置切换的控制器；以及

在启动阶段为所述控制器供电的启动装置；

其特征在于所述方法还包括：

在所述开关电源正常运行期间，将所述启动装置旁路。

9.如权利要求8所述的启动开关电源的方法，其特征在于当所述至少一个输出电压超过预定值时启动所述旁路。

10.如权利要求8所述的启动开关电源的方法，其特征在于当所述输出电压变为小于预定值时停止所述旁路。

11.一种在开关电源装置中使用的控制器启动装置，该控制器启动装置包括：

一个输入端口和一个输出端口；以及

耦合所述输入端口和输出端口的启动装置；

其特征在于所述控制器启动装置包括连接所述输入端口和输出端口的旁路开关。

12.一种包括如权利要求1所述开关电源的显示装置。

Images