專利名稱：開關(guān)電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源裝置。更具體地說，涉及一種開關(guān)電源裝置，其中，當電源被啟動時，形成流入連接到負載側(cè)的變壓器的初級側(cè)的整流電流用于提供非線性特性，從而防止過多電流流入變壓器初級側(cè)的開關(guān)晶體管或類似裝置。
公知的開關(guān)電源裝置基于電流諧振系統(tǒng)。

圖1示出了這種電流諧振系統(tǒng)的開關(guān)電源裝置的一個普通例子，該裝置具有一個SEPP(單端推挽)結(jié)構(gòu)。
圖1所示的開關(guān)電源裝置10包括開關(guān)信號發(fā)生器12，開關(guān)信號發(fā)生器12包括一個可變頻率振蕩電路14和一個驅(qū)動電路16。振蕩電路的振蕩信號被提供到驅(qū)動電路，從而產(chǎn)生一對開關(guān)信號，例如，開關(guān)信號之間具有反相位關(guān)系。在開關(guān)信號發(fā)生器12由IC電路構(gòu)成的情況下，一個確定振蕩頻率的振蕩元件(電容器18和電阻器20)外設(shè)于IC電路的外部端子12a和12b。
一對開關(guān)信號Sp、Sp被提供到具有SEPP結(jié)構(gòu)的一對開關(guān)元件22和24。一個MOS型電場效應(yīng)晶體管或類似元件可以被用作開關(guān)元件22和24。一個調(diào)諧電容器28被連接到地并通過隔離變壓器26的初級線圈26a連接到一對開關(guān)元件22和24之間的連接中性點P。
對應(yīng)二極管30a和30b作為全波整流器整流流入隔離變壓器26的一對次級線圈26b和26c的次級電流。全波整流的電流允許平滑電容器32被充電。因此，在平滑電容器32的兩端34獲得的電壓Vb被提供到一個負載(未圖示)作為輸出電壓。
輸出電壓被提供到作為電壓比較器的放大器36，其中該電壓與參考電壓Vref比較。其比較輸出被提供到構(gòu)成電感控制裝置37的光耦合器38，電感控制裝置37用于隔離變壓器26的初級側(cè)和次級側(cè)。光耦合器38包括一個光電二極管40和一個光電晶體管42，光電晶體管42用作一個可變電感元件?；诒容^輸出的電流流入該光電晶體管42。
光電晶體管42通過固定電阻器44連接到外部端子12b。因此，當光電晶體管42接通，該電阻器44和光電晶體管42造成的串聯(lián)阻抗與電阻器20并聯(lián)，電阻器20是一個振蕩元件。
在該結(jié)構(gòu)中，眾所周知，由其初級線圈26a和電容器28形成的隔離變壓器26初級側(cè)上的諧振電路的諧振頻率f和諧振阻抗Z之間的關(guān)系依上側(cè)操作而定，如圖2中的曲線Lo所示。
在該諧振電路中，當提供到一對開關(guān)元件22和24的開關(guān)信號Sp、Sp的開關(guān)頻率增加時，諧振阻抗Z增加。當開關(guān)阻抗Z降低，諧振阻抗Z降低。諧振阻抗Z的這種變化導(dǎo)致流入初級線圈26a的諧振電流i1變化。因此，控制諧振電流i1能夠控制在變壓器26次級側(cè)感應(yīng)的輸出電壓Vb。
當在輸出端34獲得的輸出電壓Vb高于參考電壓Vref時，光電晶體管42根據(jù)比較輸出確定其阻抗。因此，外部端子12b的復(fù)合電阻比單一電阻器20的情況下小，從而振蕩頻率fsw增加。
當振蕩頻率fsw增加時，依據(jù)初級線圈26a和電容器28確定的諧振阻抗Z增加。因此，流入該初級線圈26a的電流被限制，電流值降低。隨著電流降低，在次級線圈26b和26c感應(yīng)的電流也降低。結(jié)果，電容器32的充電電壓降低。即，在參考電壓Vref的方向上控制輸出電壓Vb。
相反地，當輸出電壓Vb低于參考電壓Vref時，光電晶體管42的阻抗增加，外部端子12b的復(fù)合電阻值增加?？勺冾l率振蕩電路14被控制，從而其振蕩頻率fsw可以降低。結(jié)果，與開關(guān)元件22和24相關(guān)，開關(guān)頻率降低，變壓器26的初級諧振阻抗Z因此降低。這導(dǎo)致諧振電流增加。當諧振電流增加時，次級電流也增加。因此，電容器32的充電電壓Vb增加，執(zhí)行閉環(huán)控制，從而接近參考電壓Vref。
同時，在該開關(guān)電源裝置10中，在從接通電源時到電容器32升高到其穩(wěn)定狀態(tài)下的電壓時的時間內(nèi)，有大量的諧振電流流動。因此，該電流可能破壞開關(guān)元件22和24。
為了減小這種破壞，按照慣例提供一個作為頻率控制裝置60的軟啟動電路50，用于限制啟動期間的諧振電流。該軟啟動電路50設(shè)置在開關(guān)信號發(fā)生器12內(nèi)。一個外部充電電容器52連接到設(shè)置在軟啟動電路50的外部端子12c，從而在接通電源的同時開始為電容器52充電。此時充電電壓Va的變化導(dǎo)致振蕩電容器18的充電電流變化，振蕩電容器18是一個連接到外部端子12a要被充電的振蕩元件。
當振蕩電容器18的充電電流隨經(jīng)過的時間而變化時，振蕩頻率fsw也因此變化。將參考圖3A到3E描述此現(xiàn)象。
圖3A示出了當電源接通時和之后充電電壓Va的變化，其中充電特性為線性，由直線La表示。通過與連接到振蕩電路14的軟啟動電路50相關(guān)的電容器52的充電電壓Va，可變頻率振蕩電路14改變其振蕩頻率fsw。振蕩頻率fsw近似線性變化，由圖3B中的特性線Lb表示。當充電電壓Va為零伏特時，在高頻發(fā)生振蕩，隨著充電電壓Va增加，振蕩頻率fsw降低。
另一方面，初級諧振阻抗Z的特征在于特征曲線Lo，當頻率從諧振頻率fo增加時，諧振阻抗Z增加，如圖2所示。阻抗Z和時間之間關(guān)系如圖3C所示。即，為非線性特性，諧振阻抗Z最初為高，然后，迅速降低；當充電電壓Va接近完全充電時，阻抗平緩變化。
結(jié)果，出現(xiàn)非線性特性，即，雖然從接通電源時到預(yù)定時間，沒有這么大的諧振電流i1流入該初級諧振電流系統(tǒng)，如圖3D中的曲線Lc所示，經(jīng)過特定一段時間后電流i1迅速增加。因此，建立了一個充電模式，在該模式中，雖然連接到輸出端34的電容器32的輸出電壓(充電電壓)Vb最初平緩充電，如圖3E中的曲線Ld所示，然后執(zhí)行快速充電。軟啟動模式終止時的時刻tb之前的瞬間，結(jié)果是平緩充電；在時刻tb及之后，該模式轉(zhuǎn)變到閉環(huán)引起的電壓控制模式。在該控制模式中，執(zhí)行電壓控制，獲得的參考電壓Vref如圖3E中的曲線Le所示。
因此，由于初級阻抗Z變化造成的效應(yīng)，快速電流i1流入初級諧振系統(tǒng)直到軟啟動模式終止前瞬間。該快速電流i1對一對開關(guān)元件22和24造成過應(yīng)力，并因此，開關(guān)元件22和24或類似元件可能被破壞。
雖然電源接通時施加到負載的電壓變化取決于軟啟動電路的充電特性，如果匹配這種負載的電壓變化狀態(tài)能夠被自由地設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)最適合負載的電壓施加狀態(tài)。但是，由于軟啟動電路的充電特性僅僅是線性，上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷是不能進行靈活響應(yīng)。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種開關(guān)電源裝置，其中，當電源接通時，連接到軟啟動電路的電容器的充電特性平緩，從而至少能夠降低是對開關(guān)元件的破壞。
根據(jù)本發(fā)明，在包括一個頻率控制裝置的開關(guān)電源裝置中實現(xiàn)該目的，頻率控制裝置用于在開關(guān)信號發(fā)生裝置初始啟動時控制振蕩頻率，頻率控制裝置優(yōu)選為如軟啟動電路和充電電容器，開關(guān)信號發(fā)生裝置優(yōu)選為如可變頻率振蕩電路。頻率控制裝置的頻率控制信號用于提供相對于時間的非線性特性。在一個優(yōu)選的模式下實現(xiàn)本發(fā)明時，由于軟啟動電路的充電特性為非線性，當電源接通時，快速進行對連接到軟啟動電路的電容器的充電，然后，逐步進行充電。
由此，最初非線性變化的初級阻抗Z幾乎線性變化。諧振阻抗Z確定初級電流i1，并因此，該初級電流i1的過電流被抑制。因此，沒有過多電流流入開關(guān)元件，能夠降低對這些開關(guān)元件的破壞。
此外，向負載施加的一個輸出電壓，尤其是當電源接通時的電壓變化依據(jù)軟啟動電路的充電特性變化。該充電特性被作為適合于該負載的充電特性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電路更穩(wěn)定地工作。
根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)電源裝置包括一對用于接收開關(guān)信號的開關(guān)元件；經(jīng)變壓器初級線圈連接到一對這種開關(guān)元件的連接點的諧振電容器；設(shè)置在變壓器次級側(cè)的整流電路；用于把在該整流電路獲得的輸出電壓與參考電壓進行比較的比較裝置，優(yōu)選為如放大器；和阻抗控制裝置，優(yōu)選為如光電耦合器，用于根據(jù)該比較輸出控制可變頻率振蕩電路的振蕩元件的阻抗。
根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電源裝置非常適合應(yīng)用于具有SEEP結(jié)構(gòu)或類似結(jié)構(gòu)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
本說明書的結(jié)束部分特別指出并清楚地要求本發(fā)明的主題。但是，通過結(jié)合附圖閱讀說明書其余部分，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠很好地理解本發(fā)明的工作結(jié)構(gòu)和方法，以及進一步的優(yōu)點和目的，在附圖中，相同的標號表示相同的元件。
圖1是普通開關(guān)電源裝置的連接圖；圖2特性圖，示出了表示初級諧振阻抗特性的振蕩頻率和阻抗之間的關(guān)系；圖3A到3E是波形圖，用于描述開關(guān)電源裝置的操作；圖4是連接圖，示出了本發(fā)明使用的開關(guān)電源裝置的基本部件；圖5是連接圖，示出了在本發(fā)明開關(guān)電源裝置中使用的軟啟動電路的一個例子；圖6是一個特性圖，示出了充電電壓控制電路的充電特性；以及圖7是一個連接圖，示出了在本發(fā)明開關(guān)電源裝置中使用的軟啟動電路的另一個例子。
現(xiàn)在，參考附圖詳細描述本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的實施例。
根據(jù)本發(fā)明，用作開關(guān)信號發(fā)生裝置的軟啟動電路的充電特性從線性變化到非線性，從而隔離變壓器的初級諧振阻抗特性的變化變得平緩，并且因此，能夠減小對連接到隔離變壓器初級側(cè)的開關(guān)元件的破壞。
圖4示出了使用軟啟動電路50時本發(fā)明的開關(guān)電源裝置10。下面將參考圖5描述軟啟動電路50的結(jié)構(gòu)。
在軟啟動電路50中，以恒電流為電容器52充電的第一電流鏡電路72的電流路徑74連接到電容器52。第一電流鏡電路72包括一個由一對晶體管75和76組成的恒電流部分77、一個連接到晶體管75的基極的第三晶體管78和用于防止回流的二極管(晶體管組成)79。與流入恒電流部分77的電流相同的電流經(jīng)二極管79流入電容器52，同時電容器52被以恒電流充電。因此，電容器52的充電電壓Va表示線性充電特性。
第二電流鏡電路82經(jīng)一對達林頓連接的晶體管80和81連接到電流路徑74，達林頓連接的晶體管80和81可以確定流入第二恒電流部分85的恒電流值。第二電流鏡電路82類似于第一電流鏡電路72連接。該電路包括由一對晶體管83和84組成的恒電流部分85、一個連接到晶體管83的基極的第三晶體管86和用于防止回流的二極管(晶體管組成)87。與流入恒電流部分85的電流相同的電流經(jīng)二極管87流入電容器18。因此電容器18的充電特性根據(jù)充電電壓Va的特性被控制。結(jié)果，可變頻率振蕩電路14的振蕩頻率fsw如所述被控制，實現(xiàn)軟啟動模式。
根據(jù)本發(fā)明，還提供用于可變頻率振蕩電路14的頻率控制裝置。在所描述的實施例中，設(shè)置在軟啟動電路50的充電電容器52的充電特性被控制，從而獲得控制振蕩頻率的控制信號。
在圖4所示的實施例中，振蕩頻率控制電路包括軟啟動電路50、連接到軟啟動電路50的電容器52和連接到電容器52的充電電壓控制電路90。電路90具有與電容器52相關(guān)的非線性充電電壓特性。
電路90具有一對如圖4所示串聯(lián)連接的電阻器91和92，其連接中性點d被連接到外部端子12c。即，電阻器92與電容器52并聯(lián)連接。一個開關(guān)晶體管94還通過電阻器93連接在連接中性點d和電源Vcc之間。一對電阻器95和96產(chǎn)生的分壓電壓被施加到晶體管94，作為晶體管94的基極電壓。
根據(jù)如此構(gòu)成的充電電壓控制電路90，電容器52從電源接通時開始被充電，并開始軟啟動模式。
當電源接通時，晶體管94接通。此時，電容器52被來自電流路徑74的充電電流和根據(jù)電阻器91、92和93的值(由圖6中的直線Pa1表示)確定的充電電流充電。當充電到一特定程度時，晶體管94的發(fā)射極電壓上升，從而晶體管94被切斷。因此，接著，電容器52被來自電流路徑74的充電電流和根據(jù)電阻器91、92的值(由圖6中的直線Pa2表示)確定的充電電流充電。
結(jié)果，如圖6所示，與電容器52相關(guān)的充電特性Pa在圖6所示晶體管94切斷時的點ta處的轉(zhuǎn)變點y前后不同，同時轉(zhuǎn)變點被解釋為參考。即，獲得直線Pa1直到晶體管94被切斷，然后，晶體管被切斷后獲得坡度比直線Pa1平緩的直線Pa2。因此，直到晶體管94被切斷(如果產(chǎn)生一個小電流)時的點ta執(zhí)行較快速的充電。相反，晶體管94被切斷后，執(zhí)行平緩充電。即，這里是具有一個轉(zhuǎn)變點的非線性充電特性。
下面將參考圖3A到3E描述獲得非線性充電特性時初級電流i1和輸出電壓Vb之間的關(guān)系。
圖3A所示曲線Pa表示與電容器52相關(guān)的充電特性。在可變頻率振蕩電路14中，其振蕩頻率fsw根據(jù)與連接到振蕩電路14的軟啟動電路50相關(guān)的電容器52的充電電壓Va而變化。這里提供的特性其振蕩頻率fsw幾乎非線性變化。當充電電壓Va為零伏時，發(fā)生高頻振蕩，由圖3B所示直線Pb表示，并且當充電電壓Va增加時振蕩頻率fsw降低。但是在轉(zhuǎn)變點y前后頻率變化率不同。轉(zhuǎn)變點y后的頻率變化率小于轉(zhuǎn)變點之前的頻率改變率，當軟啟動模式結(jié)束時振蕩頻率fsw平緩變化。
隔離變壓器26的初級諧振阻抗Z根據(jù)振蕩頻率fsw的變化而變化，如圖3C所示。在該諧振阻抗Z中，提供非線性特性，從而在振蕩頻率(開關(guān)信號)fsw高的地方阻抗變化率較小，由圖2所示曲線Lo表示，在振蕩頻率fsw較低的地方阻抗變化率大。但是，由于振蕩頻率變化率表示非線性特性，如圖3B所示，阻抗Z相反地表示近似線性變化，如曲線Po所示。
結(jié)果，初級電流i1也是近似線性變化，如圖3D中的曲線Pc所示。即，雖然電流變化率與另一個不同，在轉(zhuǎn)變點y前后具有近似線性電流特性。這就防止了電流迅速流入初級線圈26a。
由于電流特性，發(fā)現(xiàn)與電容器52相關(guān)的充電電壓Va即使在轉(zhuǎn)變點y之前和之后也是線性充電，如圖3E中的曲線Pd所示。
因此與電容器52相關(guān)的充電特性為非線性，可變頻率振蕩電路14的頻率被控制，從而不會導(dǎo)致頻率變化被部分加速，從而流入隔離變壓器26的初級線圈26a的電流能夠被線性地限制。以此方式，流入一對開關(guān)元件22和24的電流變得平緩，并大大降低了對開關(guān)元件22和24的破壞。
此外，上述輸出電壓Vb能夠根據(jù)電容器52的充電特性變化。當考慮到轉(zhuǎn)變點y的位置或轉(zhuǎn)變點y前后充電特性的坡度進行設(shè)計時，電源接通時能夠?qū)崿F(xiàn)最適合于連接到輸出端34的負載的電壓變化狀態(tài)。結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)適合于該負載的輸出電壓上升特性，能夠獲得更合適的電路操作。
軟啟動電路100也可按另一個實施例連接，如7所示。在該例子中，與電容器52相關(guān)的充電電壓控制裝置沒有安裝成一個外部電路，而是將該裝置安裝成直接集成在開關(guān)信號發(fā)生裝置12內(nèi)的IC電路。因此，在這種情況下，不再需要圖1所示的充電電壓控制電路90。
在圖7所示的軟啟動電路50內(nèi)，與DC電源104相關(guān)的電流路徑101被連接到電容器52。開關(guān)晶體管102通過電阻器103和二極管(晶體管構(gòu)成)105串聯(lián)連接到該電流路徑101，以防止回流。此外，第一電流鏡電路106向電阻器103和二極管105之間連接的中性點s提供一個恒電流。
第一電流鏡106包括一個作為恒電流源的MOS晶體管107和一個連接到MOS晶體管107的門極的MOS晶體管108。用于確定恒電流值的晶體管109經(jīng)電阻器110連接到MOS晶體管107。在晶體管109，在多個電阻器Ra到Rd構(gòu)成的分壓電路111的連接的中性點r3獲得的最小分壓電壓被提供到晶體管109的基極。分壓電路111把在連接中性點r2獲得的中間分壓電壓施加到與電流路徑101連接的開關(guān)晶體管102。
達林頓連接的一對晶體管120和121放大流入電流路徑101的電流。放大的電流被用作流入第二電流鏡電路122的恒電流源125的電流。因此，該電流路徑經(jīng)晶體管123和電阻器124連接到恒電流源125，恒電流源125構(gòu)成第二電流鏡電路122。在晶體管123，在分壓電路111的連接中性點r1獲得的最大分壓電壓被提供到晶體管123的基極在該實施例中，在所提供的電路連接中用于確定上述振蕩頻率的電容器18被流入第二電流鏡12的其他晶體管126的電流充電。
通過這種電路結(jié)構(gòu)，從連接到電流路徑101的開關(guān)晶體管102到第一電流鏡電路106的電路結(jié)構(gòu)用作充電電壓控制裝置。因此，當電源接通時，電容器52被電流充電，該充電電流包括流入晶體管108的恒電流和流入晶體管102的電流。由于充電，電容器52的端電壓Va上升，連接中性點S的電勢上升，然后該電勢變得高于晶體管102的基極電勢。因此，晶體管102被切斷。結(jié)果，電容器52僅被來自第一電流鏡106的恒電流充電。
因此，晶體管102被切斷前充電電壓的電壓變化率與晶體管102被切斷后的不同。即，晶體管102切斷后的電壓變化率小于切斷前的，并獲得類似于圖6所示的充電特性。
由于與該充電特性相同的充電電流的變化也被傳輸?shù)降诙娏麋R電路122，與確定振蕩頻率的電容器18相關(guān)的充電特性也是具有轉(zhuǎn)變點y的非線性特性，如圖6所示。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)類似于圖3A到3E的情況的非線性特性。
可以通過別的方式而不是上述方法提供涉及軟啟動電路50的非線性特性。此外，在上述實施例中，通過單個轉(zhuǎn)變點表示電壓變化率的非線性特性。但是，能夠通過純粹曲線實現(xiàn)非線性特性，并能夠提供具有多個轉(zhuǎn)變點的非線性特性。
在所示實施例中，雖然本發(fā)明應(yīng)用于具有SEPP結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源裝置，也能夠應(yīng)用于推挽式開關(guān)電源裝置或半橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源裝置。
權(quán)利要求
1．開關(guān)電源裝置，包括具有可變頻率振蕩電路的開關(guān)信號發(fā)生裝置；用于從開關(guān)信號發(fā)生裝置接收開關(guān)信號的一對開關(guān)元件；經(jīng)變壓器初級線圈連接到一對這種開關(guān)元件的連接點的諧振電容器；設(shè)置在所述變壓器次級側(cè)的整流電路；用于把在整流電路獲得的輸出電壓與參考電壓比較的比較裝置；阻抗控制裝置，用于根據(jù)所述比較裝置的比較輸出控制所述可變頻率振蕩電路的一個振蕩元件的阻抗；和頻率控制裝置，當所述可變頻率振蕩電路被初始驅(qū)動時用于控制振蕩頻率，其中，形成所述頻率控制裝置的頻率控制信號，以提供與時間有關(guān)的非線性特性。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的開關(guān)電源裝置，其中所述頻率控制裝置包括啟動期間的軟啟動電路、充電電容器和連接到該充電電容器兩端的充電電壓控制裝置，其中非線性充電特性允許從所述軟啟動電路輸出的頻率控制信號為非線性特性。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)電源裝置，其中所述充電電壓控制裝置擁有的充電特性具有至少一個與所述可變頻率振蕩電路的啟動時間有關(guān)的轉(zhuǎn)變點，和其中經(jīng)過所述轉(zhuǎn)變點后的充電特性在坡度上比所述轉(zhuǎn)變點之前的充電特性平緩。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)電源裝置，其中所述充電電壓控制裝置包括串聯(lián)連接在電源和地之間的第一和第二電阻器、和經(jīng)開關(guān)晶體管與第一電阻器并聯(lián)的第三電阻器，和其中所述充電電容器被連接到第一和第二電阻器之間的中性點。
5．如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，其中所述充電電壓控制裝置包括啟動期間的一個軟啟動電路和連接到軟啟動電路的所述充電電容器；其中恒電流源與所述充電電容器連接，由第一參考電壓操作的開關(guān)晶體管被連接到所述充電電容器的充電路徑內(nèi)；和其中接通或斷開開關(guān)晶體管時允許所述充電電容器的充電特性為非線性特性。
全文摘要
開關(guān)電源裝置,包括可變頻率振蕩電路、驅(qū)動器、軟啟動電路、接收開關(guān)信號的開關(guān)元件、經(jīng)變壓器初級線圈連接在開關(guān)元件連接點的諧振電容器、設(shè)置在變壓器次級線圈的整流電路、把整流電路的輸出電壓Vb與參考電壓Vref比較的放大器、根據(jù)比較輸出控制可變頻率振蕩電路的振蕩元件阻抗的光電耦合器、和當可變頻率振蕩電路初始驅(qū)動時控制振蕩頻率的充電電壓控制電路。當電源接通時頻率控制信號相對于時間為非線性。
文檔編號H02M3/24GK1309458SQ0013756
公開日2001年8月22日 申請日期2000年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月28日
發(fā)明者永原清和 申請人:索尼株式會社