CN1879288A - 无光耦合器的开关模式电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关模式电源(10，20)。本发明的基本思想是当变压器的电流从初级侧向次级侧转换时仍存在于供电变压器中的过剩磁能将被传送至辅助电压输出(Vaux)。该辅助电压输出受变压器初级侧的传感装置(18，28)控制。所述传感装置通过感测经变压器的辅助输出的电压调节该辅助输出电压。传感装置两端的电压直接与变压器的过剩磁能有关。这将给初级控制电路(14，24)发送信号以增加/减少第一晶体管(13，23)的导通时间并增加/减少所述辅助输出电压至所需的值。以此方式，来调节过剩能量，从而将主输出电压(Vout)调节至预定的电平。

Description

无光耦合器的开关模式电源

技术领域

本发明涉及一种开关模式电源，包括开关模式电源变压器，配置有初级绕组和次级绕组；第一晶体管，配置在电源的初级侧以通过该开关模式电源变压器的初级绕组控制电流的传导；初级控制电路，被配置成通过所述第一晶体管控制电流的传导；以及第二晶体管，连接至次级绕组，该第二晶体管被配置成给输出电容器充电，从而在所述电容器两端产生电源主输出电压。

背景技术

通常，在开关模式电源(SMPS)中，使用光耦合器来调节SMPS的输出到所需的值。

光耦合器典型地连接在从SMPS的次级侧到初级侧的反馈路径上，光学地将次级侧的反馈路径与初级侧隔离。所述反馈路径连接到用于控制与变压器的初级绕组串联配置连接的开关晶体管的初级侧控制电子器件。该开关晶体管通过初级绕组控制电流的传导。由于该反馈路径，开关晶体管开关的频率将随着SMPS输出电压达到预定电平而减少，从而控制SMPS输出。可替换的是，也可以使用诸如占空因数或峰值电流的其他参数来控制SMPS的输出。利用这类SMPS的一个主要缺陷在于光耦合器的成本。特别是当光耦合器要符合苛刻的需求时，该光耦合器的价格将显著增长。

使用两种可替换的方案来消除使用光耦合器。第一种，可以使用主传感，其中通过变压器上的传感绕组测量变压器初级侧的输出电压。利用这种方法的主要缺点在于输出电压的准确性差：输出电压将随变化的输入电压和负载条件大幅变化。如果连接至电源的设备不能处理这种变化，则使用另一种被称为后调节的方法。受初级侧控制的输出电压通过可控电阻器(例如晶体管)进行稳定，其中传送至电源次级侧的过剩能量被消除。从而，可以得到稳定性好的输出电压。利用这种方法的主要缺点在于效率较差，用于各种部件，可能包括散热片的附加成本，以及由于附加部件引起的设计尺寸，以及整体较高的功率消耗。

美国专利no.5781420公开了一种开关模式电源，包括具有电连接至初级开关和次级开关以及箝位(clamping)电容器的初级绕组的变压器。当初级开关关闭断时，该箝位电容器存储来自次级绕组的磁能，从而导致变压器芯在初级开关保持关闭断时的时间周期内重置复位。转换器可以使用MOSFETs作为初级开关和次级开关，从而在变压器次级绕组上的电压变化，由于初级开关的关断，而导致次级开关自动打开。

与美国专利no.5781420相关的问题在于，由于其不包含从SMPS次级侧到初级侧的反馈路径，输出电压控制的准确性将会较差。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题并提供一种高效准确的电源。

该目的通过根据权利要求1所述的开关模式电源实现。

本发明的优选实施例由附加权利要求限定。

根据本发明的一个方面，次级控制电路被配置成测量电源的主输出电压以控制通过第二晶体管的电流的传导，从而控制所述主输出电压。此外，所述电源具有辅助电压输出端，当所述电源的主输出电压已被控制到预定电平时，将向其传送过剩的变压器能量。此外，该开关模式电源变压器配置有传感装置，并且该传感装置两端的电压直接与变压器的过剩能量，以及因此与辅助输出电压有关。使用该传感装置两端的电压，利用初级控制电路控制通过所述第一晶体管的电流的传导以及因此控制辅助输出端的电压。从而，控制所述过剩的变压器能量。

本发明的基本思想在于，首先，切换变压器两端的电源的输入电压到电源的主输出，通过初级控制电路导通第一晶体管，从而初级变压器的电流上升到预定值。然后，关断第一晶体管，从而导致变压器的电流转换到次级侧，其中第二晶体管导通，并给输出电容器充电。在受次级控制电路控制的时间周期之后，关断第二晶体管，以便使主电源输出电压稳定在所需的预定值。然后将仍存在于变压器中的过剩磁能传送至在辅助输出电容器两端获得的辅助电压输出端。

传送至主输出的能量的量取决于第二晶体管的导通时间。这具有这样的效果，其中当已将足够的能量传送至主输出时通过次级控制电路将关断第二晶体管。仍然存在于变压器中的剩余能量必须传送到辅助输出端，其中为了调节的目的存在小的负载。所述负载可以包括辅助输出电容器中的泄漏电阻。与辅助输出端串联连接的二极管将开始导通，并且所述变压器磁能的剩余部分将被传送至该辅助输出端。辅助输出电压受变压器初级侧的传感装置控制，例如传感绕组的控制，并且可以用于向第二晶体管提供合适的驱动电压。

传感绕组通过感测经过变压器的辅助输出的电压来调节辅助输出电压。传感绕组两端的电压直接与辅助输出电压有关；如果辅助输出电压减少，传感电压也将减少。这将向初级控制电路发送信号以增加第一晶体管的开启导通时间，并增加辅助输出电压至所需的值。如果辅助输出电压增加过高，则传感绕组两端的电压也将增加，其向初级控制电路发送信号以减少第一晶体管的开启导通时间，从而辅助输出电压降至所需的值。以此方式，调节过剩的能量，从而将主输出电压调节至预定的电平。

本发明是有利的，因为在不使用光耦合器的情况下获得了与使用光耦合器时相同的稳定状态，并且初级侧与次级侧隔离。希望的是，电压输出的数量可以通过添加附加的绕组和电路来增加。如果需要，对于辅助输出也是相同的。根据本发明的电源避免了用于调解开关模式电源的输出电压的昂贵的、体积大的以及消耗性的电路。与本发明相关的一个主要的优点在于将过剩的能量传送至辅助输出端，其中可以有利地使用该过剩的能量来供给各种电子设备。

根据本发明的一个实施例，所述辅助输出端被配置使得从变压器的次级绕组释放辅助输出电压。因此可以使用该辅助输出电压供给次级侧电子设备，例如次级侧控制电子设备。

根据本发明的另一个实施例，所述辅助输出端被配置使得与辅助输出端连接的绕组也是所述变压器的传感绕组。因此可以使用辅助输出电压供给初级侧电子设备，例如第一晶体管，并且可以被用作控制第一晶体管的电压控制。

当研究所附的权利要求书及以下的说明时本发明进一步的特征及其优点将变得更为明显。那些本领域技术人员将会认识到可以结合本发明的不同特征产生除以下所描述的那些实施例以外的实施例。

附图说明

下面将参照附图对本发明的优选实施例进行说明，附图中：

附图1示出了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的示意图；

附图2是根据本发明的另一个实施例的开关模式电源的示意图。

具体实施方式

附图1说明了根据本发明的一个实施例的开关模式电源的原理。输入电压Vin被应用到电源10。该电压既可以是直流也可以是交流的，并且在其为交流电压的情况下，电源通常包括全波桥式整流器及用于对AC输入电压进行滤波和平滑的滤波器。然而，附图1仅仅是示意性的目的，因此没有给出AC相关的电路。所述电源的输入电压通过变压器切换，该变压器包括到电源主输出Vout的初级绕组11和次级绕组12。第一晶体管13，由于其功率容量，典型地选择MOSFET(金属氧化半导体场效应晶体管)，通过初级控制电路14操作在其导通模式下。从而初级变压器的电流上升到预定值。初级控制电路由非复杂电子元件构成，例如构成分压器的电阻器。

然后第一晶体管通过初级控制电路工作在非导通模式下，从而电流将停止流经初级绕组。因此，变压器的电流转换到次级侧，其中第二晶体管15工作在其导通模式下，并且给通过其获得主输出电压的输出电容器16充电。通过次级控制电路17测量主输出电压，该次级控制电路17也由与初级控制电路类似的非复杂元件构成。根据该主输出电压，次级控制电路控制通过第二晶体管的电流的传导，从而控制存储在电容器中的电压，即主输出电压。当主输出电压已稳定到预定的电压电平时，第二晶体管工作在非导通模式下。然后将仍存在于变压器中的过剩磁能传送至辅助电压输出端Vaux。

与辅助输出端串连连接的二极管19将开始导通，并且将变压器磁能的剩余部分，即仍然存在于变压器中的过剩磁能传送至该辅助输出端。该辅助输出电压通过传感绕组18控制。传感绕组通过感测变压器的磁通量来调节辅助输出电压。传感绕组两端的电压直接与辅助输出电压有关。如果辅助输出电压减少，传感电压将减少，反之亦然。最终传感绕组两端的AC电压由初级侧上的二极管整流，并且可能由电容器(未示出)滤波或采样以得到直流参考电压。使用该参考电压，以利用初级控制电路控制通过第一晶体管的电流的传导，从而控制辅助输出端的电压Vaux。该辅助输出电压例如可以被用作第二晶体管15或其他适合的次级侧电子设备的电源电压。

如果辅助输出端被空载(unloaded)，则由变压器释放的过剩能量必须为零。这通过初级传感绕组18和初级控制电路14进行调节。如前面所述的，传感绕组两端的电压直接与辅助输出电压有关，并且如果该辅助输出电压降低或增加，传感电压也将分别降低或增加。这将降低或增加通过第一晶体管的电流的传导，最终完全将辅助输出电压调节至所需的预定电压电平。这样，当在辅助输出上没有负载时，从该辅助输出不会汲取任何能量，并且该辅助输出电压将保持在利用第一晶体管设置的电平。这将导致释放到辅助输出端的能量为零。为了调节，可以连接小的负载到该辅助输出端。

附图2说明了根据本发明另一实施例的开关模式电源的原理。相对于附图1，相同的参考标记指示相同或相似的元件。

将输入电压Vin应用到电源20，并且第一晶体管23通过初级控制电路24工作在导通模式下。因此，初级变压器的电流上升到预定值。然后通过初级控制电路将第一晶体管关断，并且没有任何电流流经电源变压器的初级绕组21。变压器的电流转换到变压器的次级绕组22，其中第二晶体管25导通，并且给通过其获得主输出电压Vout的输出电容器26充电。次级控制电路27测量该主输出电压，并且基于该主输出电压，次级控制电路控制通过第二晶体管的电流的传导，从而控制所述电压，即存储在电容器中的主输出电压。当主输出电压已稳定到预定电压电平时，第二晶体管被切断，然后将仍存在于变压器中的过剩磁能传送至辅助输出电压端Vaux。在该第二实施例中，辅助输出电压端位于电源的初级侧。

与辅助输出端串联连接的二极管29将开始导通，并且将变压器磁能的剩余部分传送至辅助输出。辅助输出电压利用传感绕组28控制。此外，传感绕组两端的电压直接与辅助输出电压有关。如果辅助输出电压降低/增加，该传感电压也将降低/增加。使用该传感电压以通过初级控制电路控制通过第一晶体管的电流的传导，从而控制辅助输出电压。该辅助输出电压例如可以被用作第一晶体管23或其他任何适合的初级侧电子设备的电源电压。

在本发明的该实施例中，如果辅助输出被空载，则由变压器释放的过剩能量必须也是零。这通过初级传感绕组28和初级控制电路24调节，如前面结合附图1所描述的。

即使已参照特定的示范实施例对本发明进行了说明，很明显那些本领域技术人员将会作出许多不同的变动、修改等。因此，所描述的实施例并不是要限制本发明的范围，而是如由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种开关模式电源(10，20)，包括：

开关模式电源变压器，配置有初级绕组(11，21)和次级绕组(12，22)；

第一晶体管(13，23)，配置在电源的初级侧，以控制通过该开关模式电源变压器的初级绕组的电流的传导；

初级控制电路(14，24)，被配置成控制通过所述第一晶体管的电流的传导；以及

第二晶体管(15，25)，连接至次级绕组，该第二晶体管被配置成给输出电容器(16，26)充电，从而在所述电容器的两端产生电源主输出电压(Vout)；所述开关模式电源其特征在于包括：

次级控制电路(17，27)，被配置成测量所述电源的主输出电压以控制通过所述第二晶体管的电流的传导，从而控制该主输出电压；

辅助电压输出(Vaux)，当电源的主输出电压已被控制到预定电平时将向其传送过剩变压器能量；以及

所述开关模式电源变压器上的传感装置(18，28)，该传感装置两端的电压直接与所述过剩变压器能量有关并且因此与辅助输出电压有关，其中使用传感装置两端的电压，以利用初级控制电路控制通过所述第一晶体管的电流的传导以及因此控制所述辅助输出端的电压，从而控制过剩的变压器能量。

2.根据权利要求1所述的开关模式电源(10)，其中所述辅助输出(Vaux)被配置使得从所述变压器的次级绕组(12)释放辅助输出电压。

3.根据权利要求2所述的开关模式电源(10)，其中辅助输出(Vaux)电压被配置成供给次级侧电子器件(15，17)。

4.根据权利要求1所述的开关模式电源(20)，其中所述辅助输出(Vaux)被配置使得从所述变压器的传感装置(28)释放辅助输出电压。

5.根据权利要求4所述的开关模式电源(20)，其中辅助输出(Vaux)电压被配置成供给初级侧电子器件(23，24)。

6.根据前述任何一项权利要求所述的开关模式电源(10，20)，还包括：

二极管(19，29)，与所述辅助电压输出(Vaux)串联连接，该二极管被配置使得当关断第二晶体管(17，27)时，所述二极管将开始导通，这导致所述能量被释放到辅助电压输出。

7.根据前述任何一项权利要求所述的开关模式电源(10，20)，其中所述传感装置(18，28)包括传感绕组。