专利名称：开关电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关电源(switched-mode power supply)，它具有一个变压器、一个与该变压器的初级绕组串联的开关晶体管、一个控制电路和一个次级侧调节级。这类开关电源适用于例如消费电子产品。
为了能够使用遥控器打开和关闭具有开关电源的设备，必须使它们一直处于备用模式以把它们打开。但是，这意味着开关电源要不断地消耗能量。为了在备用操作中使开关电源的功耗尽可能地低，已经开发了具有突发模式的开关电源，或者使用一种备用操作专用的单独的电源。EP-A0 803966公开了一种电源单元，其中较大的开关电源只用于正常操作，而较小的开关电源则用于备用操作。在这种装置中，两个开关电源彼此连接，这样在正常工作期间通过使用小开关电源调节较大的开关电源，并且小开关电源在备用操作期间使用专用的振荡器振荡。
本发明的目的是确定在导论中所述的具有非常低功耗的开关电源。
这个目的是通过权利要求1所规定的特征来实现的。从属的权利要求规定了本发明的有益研究。
本发明的开关电源具有一个变压器、一个与该变压器的初级绕组串联的开关晶体管、一个初级侧控制电路和一个次级侧调节级。在这种装置中，控制电路用于驱动开关晶体管。次级侧调节电路用于驱动耦合元件，它用于把调节信号从次级传送到初级。第一开关位于开关晶体管的控制输入和初级侧工作电压之间，并且第二开关位于调节级和次级侧工作电压之间，其中通过使用单一的控制信号，这两个开关可以断开这两个工作电压。在这种情况下，隔离元件既传送用于初级侧控制电路的调节信息，又传送用于第一开关的关闭信号。
此时，用于关闭两个开关的控制信号施加到第二开关的控制输入端，并且 在这个开关断开的时候，次级侧调节级同时断开，并且第一开关通过耦合元件被断开。该耦合元件最好是在次级侧由次级侧调节级的晶体管级驱动的光耦合器，其既提供要被调节的开关电源的输出电压又提供通过第二开关的控制信号信息。
如果控制信号断开第二开关，则调节级和光耦合器完全不通电并且不再耗电。因此，光耦合器在初级侧关闭，这意味着第一开关也断开，这样开关晶体管和控制电路均不通电。在这种情况下，除了起动电路外，开关电源完全不通电，这样，在这种状态下的功耗低于0．2W。
下面参照一个示意电路图将详细描述本发明，其中该图所示为根据本发明的具有初级侧和次级侧电路的开关电源。
该图表示出在初级侧上，开关晶体管T1与变压器的初级绕组W1串联。为了简化说明，图中未表示出该变压器；正如娱乐电子产品通常所使用的一样，它被设计为具有分离的电源，并且与包括一个或多个初级绕组以用于开关电源的操作的初级绕组W1分开，在次级侧，一个或多个绕组用于提供所要求的输出电压。
在这个说明的实施例中，晶体管T1是一个由控制电路DR控制的MOSFET。初级侧辅助绕组W2a用于提供一个工作电压VCC，它经二极管D2整流并且由电容器C1缓冲。起动电路A建立与电源整流器的连接或者建立与通过高值电阻链以一种已知的方式由电源产生的DC电压的连接，该起动电路A用于提供起动开关电源所必需的电流。与电容器C1并联的是齐纳二极管D3，它限制工作电压VCC。
在次级侧，该图示出了一个绕组W3，它经二极管D5和电容器C3产生一个将被稳压的输出电压UA。这个输出电压UA由次级侧调节级SR经过电阻器R7分接并且根据情况传送到初级侧。传输由一个耦合元件实现，在这个说明的实施例中，该耦合元件是一个光耦合器OK。诸如变压器的其它耦合元件也同样可以使用。在初级侧，由调节级SR经光耦合管OK传送的调节信号提供到了控制电路DR，它把这个信号转换成脉宽调制控制电压U2以用于驱动开关晶体管T1。控制电路DR也使用另一个电压U1以用于驱动，所述电压被施加到电阻器R3两端并且作为流过开关晶体管T1的电流的指示。
开关电源既可设计为根据负载改变其开关频率的自激开关电源，又可设计为以固定开关频率进行脉宽调制操作的开关电源。EP 0 808 015 A2中规定了这类开关电源。在这种情况下经常调节次级侧的输出电压，这是因为这样可使输出电压更好地稳压。
在工作电压VCC和开关晶体管T1的控制输入端之间有一个电阻器R1，为的是使得控制电压U2与控制电路DR和工作电压VCC去耦。在这个开关晶体管T1和工作电压VCC之间的连接中有第一开关T2，在这个说明的实施例中，它是一个可断开工作电压VCC的晶体管。这个开关的控制输入端经电阻器R5和R6连接于光耦合器OK，它可以用于从次级侧驱动开关T2。如果该光耦合器OK在初级侧具有一个高阻抗，则工作电压VCC经电阻器R4施加到第一开关T2的控制输入端，这样就没有电流流经晶体管T2的发射极-基极结，这意味着后者被断开。如果一个低电压施加到开关T2的控制输入端，则该联被接通。同样地，控制电路DR经二极管D1和电阻器R6与光耦合器OK连接，使得所述光耦合器既传送次级侧调节信息又传送第一开关T2的断开信号。
在次级侧，光耦合器包括一个通过连接点3和4工作的发光二极管。这个二极管由具有晶体管T3的晶体管级驱动，该晶体管控制经过光耦合器发光二极管的电流，次级侧工作电压UB经第二开关T4施加到光耦合器的连接点3。施加到晶体管T3的控制输入的电压是一个恒定电压，它由包括一个电阻器R9和一个齐纳二极管D6的分压器形成，并且在工作期间工作电压UB加在分压器的两端。通过电阻器R7和R8所形成的分压器，晶体管T3的发射极的电压是将被调节的输出电压UA，使得流经光耦合器OK的发光二极管的电流通过晶体管T3的基极-发射极结，被控制作为输出电压UA的函数。除了这种具有晶体管T3的晶体管级，也可使用可变齐纳二极管以用于传输调节信号。
第二开关T4经具有电阻器R11、R12的晶体管级T5由来自数字电路的控制信号US被导通或断开。如果控制信号US为“零”，那么晶体管T5断开，这意味着晶体管T4也断开，这是因为它的控制输入端在这种情况下经电阻R10处于高电位。
如果开关T4断开，则具有晶体管T3的晶体管级以及在光耦合器OK中的发光二极管均不通电。这意味着光耦合器OK的光敏电阻也高，这样，如上所述第一开关T2同样断开。在这种情况下，控制电路DR也切换为断开，这是因为没有电流流经二极管D1。
调节传输通过光耦合器OK执行，这样当输入电压UA太高的时候，光耦合器OK的输出，即连接点1和2具有较高的阻抗，并且当输出电压UA太低的时候，它具有较低的阻抗。作为开关晶体管使用的MOSFET在控制电压U2约低于2V的时候断开。同样地，控制电路DR通过二极管D1与工作电压VCC去耦。因此，如果控制信号US为零，则具有晶体管T3、T4和T5的次级侧开关级和晶体管T1和T2以及初级侧控制电路DR都不通电。当开关电源处于断开状态时，这意味着只有起动电路A在消耗非常少的能量。
光耦合器OK的连接点2经二极管D4与负反馈绕组W2b连接，这样开关电源在其被导通时起动轻缓。在这类开关电源的起动阶段，绕组W2b提供的负电压在开关晶体管T1断开阶段仍然较低，所以经光耦合器OK传输的调节信号被衰减。只有在正常操作时，当在绕组W2b上已经产生了负反馈电压并且电容器C2充电至一个相应负电压的时候，控制电路DR的调节信号才成为满强度的有源信号。
这种类型的开关电源特别适用于消费电子产品并且在备用操作时功耗非常低。在这些应用中，主要使用反馈变换器作为电源单元，但本发明也可用于其它类型的开关电源。但是必须总是具有第二工作电压UB，目的是为了打开开关电源。这个工作电压可由第二电源单元提供，或者由电池或充电电池提供。
权利要求
1．具有一个变压器、一个与该变压器的初级绕组(W1)串联的开关晶体管(T1)、一个初级侧控制电路(DR)并且具有一个次级侧调节级(SR)的开关电源，其特征在于开关晶体管(T1)的控制输入端与第一开关(T2)连接，并且在调节级(SR)和工作电压(UB)之间存在一个第二开关(T4)，并且还在于关闭第二开关(T4)同时会使第一开关(T2)关闭。
2．根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于调节级(SR)经耦合元件(OK)即与控制电路(DR)连接又与第一开关(T2)连接。
3．根据权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于调节级(SR)具有一个晶体管级(T3，R8，R9，D6)，它的连接端与开关电源(UA)的输出电压连接，并且与耦合元件(OK)和第二开关(T4)连接，以便既传送调节信号又传送控制信号(US)。
4．根据权利要求2或3所述的开关电源，其特征在于控制信号(US)可用于断开第二开关(T4)，使得用于调节级(SR)的电源电压(UB)被断开，并且这样通过耦合元件(OK)关闭了第一开关(T2)。
5．根据前面各权利要求之一的所述的开关电源，其特征在于第一开关(T2)位于开关晶体管(T1)的控制输入端和初级侧工作电压(VCC)之间。
6．根据前面各权利要求之一的所述的开关电源，其特征在于，在初级侧，耦合元件(OK)的一个连接点(2)与变压器的辅助绕组(W2b)连接，并且该耦合元件(OK)的另一个连接点(1)既与第一开关(T2)连接又与控制电路(DR)连接。
7．根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于二极管(D1)置于控制电路(DR)和耦合元件(OK)之间，和还在控制电路(OR)与第一开关(T2)之间。
8．根据权利要求5、6或7所述的开关电源，其特征在于第一开关(T2)的控制输入端经电阻器(R4)与初级侧工作电压(VCC)连接，从而在这个控制输入端产生一个高压，以便当耦合元件(OK)具有一个高阻抗时断开该开关(T2)。
9．根据前面权利要求2-8之一所述的开关电源，其特征在于该耦合元件(OK)是一个光耦合器，其在初级侧的发射极连接点(2)与一个负反馈绕组(W2b)连接，这样，该开关电源在其被打开时可以轻缓地起动。
10．根据前面各权利要求之一的所述的开关电源，其特征在于次级侧工作电压(UB)由另一个电源单元产生，并还在于该开关电源作为可通过控制信号(US)完全断开或重新连接的其它电源单元使用。
全文摘要
所述开关电源具有变压器、与该变压器的初级绕组(W1)串联的开关晶体管(T1)、初级侧控制电路(DR)和次级侧调节级(SR)。控制电路(DR)用于驱动开关晶体管(T1)。次级侧调节电路(SR)用于驱动耦合元件(OK),该耦合元件用于把调节信号从次级传送到初级、第一开关(T2)位于开关晶体管(T1)的控制输入和初级侧工作电压(VCC)之间,并且第二开关(T4)位于调节级(SR)和次级侧工作电压(UB)之间,其中通过使用一个单个的控制信号(US)可以断开这两个工作电压(VCC,UB)。
文档编号H02M3/335GK1281287SQ0012022
公开日2001年1月24日 申请日期2000年7月13日 优先权日1999年7月16日
发明者莱因哈德·凯格尔, 阿奇姆·埃尔格特 申请人:德国汤姆逊-布朗特公司