一種晶體管開關(guān)電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型專利涉及一種晶體管開關(guān)電源，電源開關(guān)管由兩個晶體管串聯(lián)組成，晶體管1工作于共基極電路，晶體管2工作于共發(fā)射極電路，因此，晶體管1可以承受更高的工作電壓，并且晶體管1導通所需要的驅(qū)動信號是由變壓器次級線圈輸出電壓經(jīng)整流、濾波后提供，晶體管2需要脈沖控制電路提供輸出的電流和功率都比較小，開機的時候，僅需要用一個充了電的小電容器通過一個觸發(fā)二極管對晶體管2的基極與發(fā)射極進行放電，就可以使其導通，讓開關(guān)電源啟動。這種晶體管開關(guān)電源具有比場效應管開關(guān)電源更好的高溫性能，以及比晶體管自激式開關(guān)電源具有更高的工作效率，特別適用于高溫、高壓等環(huán)境下工作的電子產(chǎn)品，如熒光燈和LED燈等照明產(chǎn)品。
【專利說明】—種晶體管開關(guān)電源
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本實用新型涉及一種晶體管開關(guān)電源，這種晶體管開關(guān)電源具有比場效應管開關(guān)電源更好的高溫性能，以及比晶體管自激式開關(guān)電源具有更高的工作效率，可以比普通開關(guān)電源承受更高的工作電壓。這種晶體管開關(guān)電源特別適用于高溫、高壓等環(huán)境下工作的電子產(chǎn)品，如熒光燈和LED燈等照明產(chǎn)品。
【【背景技術(shù)】】
[0002]目前很多開關(guān)電源基本上都是采用場效應管作為電源開關(guān)管，這種采用場效應管作為電源開關(guān)管的開關(guān)電源，其優(yōu)點是驅(qū)動電路的工作電壓比較高，而工作電流卻很小，因此，需要驅(qū)動電路提供輸出脈沖的電流也很小。這樣，很容易通過一個降壓電阻，就可以把300伏以上的整流濾波輸出電壓降低到20多伏，以供驅(qū)動電路使用，電流在降壓電阻上的損耗的功率相對比較小。
[0003]但場效應管的溫度特性比較差，耐壓性能也比較差，場效應管雪崩擊穿能量的半功率點大約只有60°C (參看圖2)，當場效應管的結(jié)溫達到100°C時，其雪崩擊穿能量不到常溫的20% ;而晶體管耗散功率的半功率點大約為87.5°C (參看圖3)，當晶體管的結(jié)溫達到100°C時，其耗散功率仍可達到常溫的40%。在高溫的條件下，晶體管的耗散功率比場效應管的耗散功率大一倍多。由此可知，晶體管的高溫性能遠遠優(yōu)于場效應管。
[0004]晶體管屬于電流控制器件，其基極輸入電壓很低，但輸入電流卻很大。這樣就很難通過一一個降壓電阻，把300伏以上的整流濾波輸出電壓降低到只有幾伏，以供脈沖控制(驅(qū)動)電路使用，因為，脈沖控制電路的工作電流在降壓電阻上的損耗功率將很大，這勢必降低開關(guān)電源的工作效率，并且還會發(fā)熱，使工作溫度升高。
[0005]由于上述原因，目前使用的晶體`管開關(guān)電源大多數(shù)都屬于自激式開關(guān)電源。自激式開關(guān)電源不需要另加驅(qū)動電路，因此，自激式開關(guān)電源的電路比較簡單，但自激式開關(guān)電源的變壓器鐵芯一般都工作于磁飽和區(qū)，磁化曲線(磁滯回線)接近矩形，故變壓器鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗都很大。
[0006]變壓器鐵芯的磁滯損耗大小與磁滯回線的面積成正比，變壓器鐵芯的渦流損耗與磁感應強度的平方成正比。變壓器鐵芯的磁滯損耗Ph和變壓器鐵芯的渦流損耗Pe分別為:Ph = Khf (Bm) nV和巧=KJ2B2mV，其中:Kh和Ke分別為與變壓器鐵芯材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，Bm為變壓器鐵芯的最大磁感應強度，f為工作頻率，V為變壓器鐵芯的體積，指數(shù)η與變壓器鐵芯最大磁感應強度Bm值相關(guān)，即與磁滯回線的形狀有關(guān)，η約等于1.6~2。由此可知，當最大磁感應強度Bm降低I倍，變壓器的損耗就可以降低約4倍。
[0007]自激式開關(guān)電源晶體管的開關(guān)損耗也比較大。因為，在晶體管開通瞬間會產(chǎn)生過激勵，而在晶體管關(guān)斷時，因晶體管處于深度飽和，關(guān)斷時間比較長，因此晶體管的開通和關(guān)斷損耗都比較大。另外，在開關(guān)電源中，作為開關(guān)器件的晶體管，要求耐壓(BVceo)很高，而耐壓越高的晶體管的電流放電倍數(shù)也越小，需要提供的驅(qū)動功率也比較大。因此，晶體管自激式開關(guān)電源的工作效率是比較低的，其工作效率一般只有70 %~75 %左右。【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008]針對場效應管開關(guān)電源高溫性能差，以及晶體管自激式開關(guān)電源工作效率低的缺點，本實用新型的一種晶體管開關(guān)電源，不但克服了場效應管開關(guān)電源高溫性能差，以及晶體管自激式開關(guān)電源工作效率低的缺點，而且作為開關(guān)器件的晶體管可以承受更高的輸入電壓。
[0009]本實用新型的一種晶體管開關(guān)電源，所述晶體管開關(guān)電源包括:第一晶體管、第二晶體管、第一電阻、用于第二晶體管工作的啟動的第一電容器、觸發(fā)二極管、第二電阻、用于第一晶體管工作的啟動的第二電容器、第一整流二極管、第二整流二極管、第三整流二極管、第三電容器、第三電阻、變壓器和脈沖控制單元；
[0010]其中，第一晶體管和第二晶體管串聯(lián)，第一晶體管工作于共基極電路，第二晶體管工作于共發(fā)射極電路，第一晶體管的集電極和發(fā)射極分別與變壓器的初級線圈的異名端和第二二晶體管的集電極連接，第二晶體管的集電極和發(fā)射極分別與第一晶體管的發(fā)射極和熱地連接；變壓器的初級線圈的同名端接交流輸入電壓整流輸出濾波電容的正端；
[0011]第一電阻的一端分別與第一晶體管的集電極和變壓器初級線圈的異名端連接，第一電阻的另一端分別與第一電容器的一端以及觸發(fā)二極管的一端和第一整流二極管的正極連接，第一整流二極管的負極又分別與第二電容器的一端和第二電阻的一端連接，第二電阻的另一端與第一晶體管的基極連接，第一電容器和第二電容器的另一端分別與熱地連接，觸發(fā)二極管的另一端分別與第二晶體管的基極和第三電阻的一端連接；
[0012]變壓器次級線圈的同名端與第三整流二極管的正極連接，變壓器次級線圈的異名端與熱地連接，第三整流二極管的負極分別與第二整流二極管的正極、第三電容器的一端和脈沖控制單元的正電源輸入端連接；第二整流二極管的負極分別與第一整流二極管的負極、第二電容器的一端和第二電阻的一端連接；第三電容器的另一端和熱地連接；脈沖控制單元的脈沖信號輸出端與第三電阻的另一端連接，脈沖控制單元的負電源輸入端與熱地連接。
[0013]本實用新型涉及的晶體管開關(guān)電源，采用第一晶體管、第二晶體管串聯(lián)的主要目的就是為了解決一般晶體管耐壓低，以及電流放大倍數(shù)小的問題。一般采用交流220V供電的開關(guān)電源，電源開關(guān)管都需要選用耐壓很高的場效應管或晶體管，而晶體管的耐壓越高，其電流放大倍數(shù)則越小。例如耐壓BVceo為600V的2SD1545電源開關(guān)管，其電流放大倍數(shù)大約為20倍，而耐壓BVceo為1500V的2SD1555電源開關(guān)管，其電流放大倍數(shù)大約只有8倍。
[0014]電源開關(guān)管的電流放大倍數(shù)越小，導通時需要驅(qū)動電流就越大，這是一般驅(qū)動電路無法提供的。本實用新型的開關(guān)電源采用兩個晶體管串聯(lián)作為電源開關(guān)管，第一晶體管工作于共基極電路，其耐壓BVcbr約等于基極開路時，集電極與發(fā)射極耐壓BVceo的兩倍。而第二晶體管工作于共發(fā)射極電路，其工作電壓相對比較低，我們可以選用耐壓比較低，而電流放大倍數(shù)相對比較大的晶體管，這樣，要求脈沖控制單元提供輸出的電流和功率都比較?。婚_機的時候，用一個充滿電的小電容器在第二晶體管的基極與發(fā)射極之間進行放電，就可以使其導通，讓開關(guān)電 源啟動工作。因此，采用兩個晶體管進行串聯(lián)工作，可以更充分發(fā)揮晶體管的技術(shù)性能，使開關(guān)電源的技術(shù)性能大大提高?！尽緦＠綀D】

【附圖說明】】
[0015]圖1是一種晶體管開關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖2是大功率場效應管雪崩擊穿能量與結(jié)溫度的關(guān)系曲線圖；
[0017]圖3是大功率晶體管耗散功率與溫度的關(guān)系曲線圖；
[0018]圖4是一種晶體管開關(guān)電源【具體實施方式】的電原理圖。
【【具體實施方式】】
[0019]圖4是根據(jù)圖1的基本電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種晶體管開關(guān)電源【具體實施方式】的電原理圖。圖4中，晶體管V1、晶體管V2、電阻R2、電容器C6、觸發(fā)二二極管DP1、電阻R3、電容器C7、整流二極管D3、整流二極管D4、整流二極管D5、電容器C8、電阻R4、變壓器Tl、控制單元(集成電路555)U1，分別與圖1中的第一晶體管1、第二晶體管2、第一電阻3、用于第二晶體管2工作的啟動的第一電容器4、觸發(fā)二極管5、第二電阻6、用于第一晶體管I工作的啟動的第二電容器7、第一整流二極管8、第二整流二極管9、第三整流二極管10、第三電容器11、第三電阻12、變壓器Tl和脈沖控制單元1300對應；整流濾波電路RB1、C3分別與圖1中的RB1、Cl對應；反電動勢尖峰吸收電路中的Rl、C4、Dl分別與圖1中的Rl、C2、Dl對應。
[0020]圖4中，F(xiàn)l為保險絲，Cl、L1、C2為EMC濾波電路，RBK C3為整流濾波電路，RUC4、D1為反電動勢尖峰吸收電路。晶體管Vl與晶體管V2串聯(lián)為電源開關(guān)管，晶體管Vl工作于共基極電路，當晶體管V2截止時，相當于晶體管Vl的發(fā)射極開路，因此晶體管Vl的耐壓為BVcbo，其耐壓約等于基極開路路時集電極與發(fā)射極耐壓(BVceo)的兩倍，并且晶體管Vl基極的電位越高，其集電極可承受的電壓也越高。這樣不但可以提高開關(guān)電源的可靠性，同時還可以降低成本，用一個耐壓(BVceo)等于400V的晶體管與另一個耐壓相對較低的晶體管串聯(lián)，就可以達到一個耐壓(BVceo)為700~800V晶體管的效果。
`[0021]晶體管V2工作于共發(fā)射極電路，且其工作電壓相對比較低，電流放大倍數(shù)很大，因此，要求脈沖控制單元(集成電路555)U1提供輸出的電流和功率都比較?。婚_機的時候，只需用一個充滿電的小電容器在第二晶體管2的基極與發(fā)射極之間進行放電，就可以使其導通，并讓開關(guān)電源啟動而轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。
[0022]電阻R2為啟動電阻，當交流輸入電壓被接通之后，經(jīng)RBl整流和C3濾波，在濾波電容器C3的兩端就會產(chǎn)生一個直流電壓Vc，此電壓將通過變壓器Tl的初級線圈NI加到第一晶體管I的集電極及電阻R2的一端，在電阻R2中就有電流流過，并對電容器C6進行充電，與此同時，流過電阻R2的電流還通過整流二極管D3對電容器C7進行充電。
[0023]當電容器C6兩端的電壓達到觸發(fā)二極管DPl的擊穿電壓時，觸發(fā)二極管DPl開始被觸發(fā)導通，電容器C6存儲的電荷將通過觸發(fā)二極管DPl對晶體管V2的基極和發(fā)射極進行放電，使晶體管V2導通。與此同時，電容器C7存儲的電荷也將通過電阻R3以及正在導通的晶體管V2對晶體管Vl的基極和發(fā)射極進行放電，使晶體管Vl與V2同時導通。
[0024]當晶體管Vl與晶體管V2同時導通后，直流電壓Vc將通過晶體管Vl與晶體管V2加到變壓器Tl初級線圈NI的兩端，在變壓器Tl初級線圈NI中就會有電流流過，并在變壓器Tl次級線圈N2中產(chǎn)生感應電壓；此電壓通過整流二極管D5整流，然后對電容器C8進行充電，電容器C8兩端的電壓就是Ul的工作電壓Vs ;與此同時，Vs還通過整流二極管D4對電容器C7進行充電，電容器C7兩端的電壓就是開關(guān)電源正常工作時，晶體管Vl導通時的驅(qū)動電壓。
[0025]當脈沖控制單元(集成電路555)U1的工作電壓Vs建立以后，Ul的控制脈沖輸出端口(3)就會有PWM脈沖輸出，當此脈沖通過電阻R4加到晶體管V2的基極時，晶體管V2就會導通，與此同時晶體管Vl也會導通，開關(guān)電源就會按PWI脈沖的占空比進行工作。在變壓器Tl的次級線圈N2、N3的兩端就會有脈沖電壓輸出，Tl次級線圈N2輸出的正激電壓經(jīng)整流二極管D5整流后主要用于對電容器C8充電，以提供集成電路控制單元Ul的工作電壓和晶體管Vl導通所需要的驅(qū)動電壓，次級線圈N3輸出的反激電壓經(jīng)整流二極管D2整流以及經(jīng)電容器C5濾波后，向負載電阻RL提供直流電壓輸出。
[0026]當電容器C6兩端的電壓通過觸發(fā)二極管DPl對晶體管V2的基極和發(fā)射極進行放電，使晶體管V2導通，以及電容器C7兩端的電壓也通過電阻3對晶體管Vl進行放電，使晶體管Vl導通之后，由于電容器C7通過電阻3放電的時間常數(shù)遠遠小于直流電壓Vc通過電阻R2對電容器6充電的時間常數(shù)，因此，一旦晶體管Vl與晶體管V2同時導通之后，雖然電容器C6 —直還處于充電狀態(tài)，但由于充電電流被D3、R3分流，電容器C6兩端電壓再也無法達到觸發(fā)二極管DPl的擊穿電壓，即觸發(fā)二極管DPl被擊穿一次之后，再也不會被二次擊穿，而后，開關(guān)電源進入正常工作狀態(tài)。
[0027]脈沖控制單元Ul采用555類集成電路(NE555、LM55)，在集成電路內(nèi)部有兩個電壓比較器，兩個電壓比較電壓器的外輸入端口為2、5、6腳；集成電路還設(shè)有多個外接端口:一個選通輸入(4腳)、一個為脈沖輸出(3腳)、一個放電控制開關(guān)(7腳)，通過對各個端口的外接電路，可實現(xiàn)很多功能。
[0028]把Ul中兩個電壓比較器的外輸入端口 2腳和6腳接在一起，再與電阻R8、R9、電容器C11、整流二極管D7組成的RC充、放電電路連接，就可構(gòu)成一個方波信號發(fā)生器。其工作頻率與輸出脈沖的占空比主要由電容器C11、電阻R8、R9元件的參數(shù)決定。
[0029]電容器C11充電時，通過電阻R8、整流二極管D7進行，充電時間與輸出脈沖的寬度對應；放電時則通過電阻R9及Ul內(nèi)部的控制開關(guān)(7腳)進行，放電時間與輸出脈沖的間歇時間對應。調(diào)節(jié)電阻R8、R9的比值，就可以調(diào)整輸出脈沖的占空比，調(diào)整電阻R8、R9與電容器Cll的充、放電時間常數(shù)，就可以改變輸出脈沖的工作頻率。
[0030]變壓器Tl次級線圈N2輸出的反激電壓為誤差信號，此電壓的幅度與線圈N3的反激輸出電壓對應(成正比)。變壓器Tl次級線圈N2輸出的反激電壓經(jīng)D6整流，再經(jīng)電容器C9濾波，電容器C9的兩端的電壓與穩(wěn)壓二極管DZl兩端的電壓(基準電壓)進行比較后輸出的電壓就是Ul的5腳輸入誤差信號。
[0031]當Ul的5腳輸入誤差信號為正時，即電容器C9兩端的電壓減小時，輸出脈沖的寬度將變寬(占空比變大)；當輸入誤差信號為負時，即電容器C9兩端的電壓增加時，輸出脈沖的寬度將變窄(占空比變小)。經(jīng)誤差信號進行調(diào)制的PWM脈沖從Ul的3腳輸出，再通過R4用于對電源開關(guān)管V2進行導通/關(guān)斷控制，就可以實現(xiàn)對開關(guān)電源輸出電壓的升高或降低進行自動控制。這是一個負反饋的過程，通過負反饋的作用，可使輸出電壓達到穩(wěn)定。
[0032]Ul的4腳用于對開關(guān)電源的過壓、過流保護。過壓、過流保護的取樣信號來自變壓器Tl次級線圈N2的正激輸出電壓，此電壓是一個幅度與輸入電壓(Vc)成正比的方波，同時也是一個幅度與變壓器Tl次級線圈N3的反激輸出電壓幅度成正比的方波，并且方波的寬度還與流過變壓器Tl初級線圈NI勵磁電流的大小成正比。
[0033]此方波通過電阻R6對電容器ClO進行充電，在電容器ClO的兩端就會產(chǎn)生一個斜率與方波幅度成正比的鋸齒波。當鋸齒波的幅度達到穩(wěn)壓二極管DZ2的穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓二極管DZ2開始導通，致使晶體管V3同時導通、Ul的4腳的電位降低，從而使Ul的3腳的輸出脈沖信號被關(guān)斷、電源開關(guān)管即刻停止工作、實現(xiàn)對開關(guān)電源進行過壓保護。
[0034]另外，電容器ClO兩端的鋸齒波幅度還與方波的寬度成正比，當方波的寬度超過某個值時，對應鋸齒波的幅度也會超過穩(wěn)壓二極管DZ2的穩(wěn)壓值，同樣也使穩(wěn)壓二極管DZ2和晶體管V3導通，致使Ul的4腳電位降低，使Ul的3腳的輸出脈沖信號被關(guān)斷、電源開關(guān)管停止工作，使開關(guān)電源的輸入電流和輸出電壓被限制在一定的工作范圍。
[0035]由于此晶體管開關(guān)電源的脈沖控制單元工作電壓、晶體管V2的驅(qū)動電壓，以及過流、過壓保護的取樣電壓和對輸出電壓進行穩(wěn)定控制的誤差信號，均來自變壓器Tl次級線圈N2的輸出電壓，因此電路相對很簡單，并且瞬時控制特性特別好，輸出電壓的負載特性也非常好，不會因負載不穩(wěn)出現(xiàn)輸出電壓抖動。
[0036]另外，此晶體管開關(guān)電源比普通開關(guān)電源省去一個光耦誤差放大電路，使開關(guān)電源的高溫穩(wěn)定性能更優(yōu)越，因為光耦誤差放大電路在較高溫度的工作條件下，很容易失效，使開關(guān)電源輸出電壓失控。
[0037]因此，本實用新型的晶體管開關(guān)電源比普通開關(guān)電源具有更好的高溫、高壓性能，特別適用于高溫、高壓等環(huán)境下工作的電子產(chǎn)品，如熒光燈和LED燈等照明產(chǎn)品。
【權(quán)利要求】
1.一種晶體管開關(guān)電源，其特征在于:所述晶體管開關(guān)電源包括:第一晶體管(I)、第二晶體管(2)、第一電阻(3)、用于第二晶體管(2)工作的啟動的第一電容器(4)、觸發(fā)二極管(5)、第二電阻(6)、用于第一晶體管(I)工作的啟動的第二電容器(7)、第一整流二極管(8)、第二整流二極管(9)、第三整流二極管(10)、第三電容器(11)、第三電阻(12)、變壓器和脈沖控制單元(1300)； 其中，第一晶體管⑴和第二晶體管⑵串聯(lián)，第一晶體管⑴工作于共基極電路，第二晶體管(2)工作于共發(fā)射極電路，第一晶體管(I)的集電極和發(fā)射極分別與變壓器的初級線圈的異名端和第二晶體管(2)的集電極連接，第二晶體管(2)的集電極和發(fā)射極分別與第一晶體管(I)的發(fā)射極和熱地連接；變壓器的初級線圈的同名端接交流輸入電壓整流輸出濾波電容(Cl)的正端； 第一電阻(3)的一端分別與第一晶體管(I)的集電極和變壓器初級線圈的異名端連接，第一電阻(3)的另一端分別與第一電容器(4)的一端以及觸發(fā)二極管(5)的一端和第一整流二極管(8)的正極連接，第一整流二極管(8)的負極又分別與第二電容器(7)的一端和第二電阻(6)的一端連接，第二電阻(6)的另一端與第一晶體管(I)的基極連接，第一電容器⑷和第二電容器(7)的另一端分別與熱地連接，觸發(fā)二極管(5)的另一端分別與第二晶體管(2)的基極和第三電阻(12)的一端連接； 變壓器次級線圈的同名端與第三整流二極管(10)的正極連接，變壓器次級線圈的異名端與熱地連接，第三整流二極管(10)的負極分別與第二整流二極管(9)的正極、第三電容器(11)的一端和脈沖控制單元(1300)的正電源輸入端連接；第二整流二極管(9)的負極分別與第一整流二極管(8)的負極、第二電容器(7)的一端和第二電阻(6)的一端連接；第三電容器(11)的另一端和熱地連接；脈沖控制單元(1300)的脈沖信號輸出端與第三電阻(12)的另一端連接，脈沖控制單元(1300)的負電源輸入端與熱地連接。
【文檔編號】H02M7/217GK203608102SQ201320481233
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月2日
【發(fā)明者】陶顯芳 申請人:蘇州藍特照明科技有限公司, 陶顯芳