专利名称：开关电源单元及使用该开关电源单元的电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源单元，以及包括该开关电源单元的电子装置。
背景技术：
对在例如打印机或传真机在待机模式时，或该设备未执行打印操作时降低能耗的需求在不断增加。在各种类型的需求中，当用于打印机或传真机的电源单元处在待机模式，或处在轻负载模式时需要降低功耗。
然而，一般的瞬变(ringing)用扼流圈式变换器(RCC)型开关电源单元具有随着负载的减小，开关频率增加，并由此增加开关损耗这样的特性。因此，很难在轻负载模式下降低能耗。
在例如日本待审查专利申请公开No.7-67335中公开了一种用于在轻负载模式下降低能耗的RCC型开关电源单元。日本待审查专利申请公开No.7-67335中公开的开关电源单元包括第一开关元件的控制端在轻负载模式下被强迫接地预定时间的电路。因此，延迟了第一开关元件的接通，以致将开关频率维持在低于预定水平。据此降低轻负载模式下的能耗。
然而，日本待审查专利申请公开No.7-67335中公开的开关电源单元存在一个问题。由于开关频率仅维持在低于预定水平，不能明显地降低轻负载模式下的开关频率。因此，不能明显地降低能耗。
另外，存在的另一个问题在于开关频率不能跟随突然的负载变化。例如，如果将轻负载模式下的开关频率设定成明显不同于重负载模式下的开关频率，开关频率则不能跟随从较轻的负载向较重的负载的突然变化。于是，可能造成电源的输出降低或暂停。因此，存在着在轻负载模式下不能明显地降低开关频率的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的优选实施例提供了一种通过能够在轻负载模式下明显降低开关频率来降低能耗的开关电源单元，以及包括该新开关电源单元的电子装置。
根据本发明的一个优选实施例，开关电源单元包括变压器，该变压器包括原边绕组，次边绕组，和反馈绕组；输入电源；第一开关元件；设置在反馈绕组的一端和第一开关元件的控制端之间的控制电路；连接到次边绕组的整流电路；和输出电压检测电路，用于检测从整流电路输出的输出电压和向控制电路发送反馈信号。输入电源和第一开关元件与原边绕组串联。控制电路包括接通周期控制电路，用于根据反馈信号，通过断开处在接通状态的第一开关元件来稳定输出电压。控制电路还包括断开周期控制电路，用于根据反馈信号，通过延迟第一开关元件的接通来稳定输出电压。
优选的是，在轻负载模式下，通过操作断开周期控制电路以控制断开周期来稳定输出电压。优选的是，在除轻负载模式之外的模式中，通过操作接通周期控制电路以控制接通周期来稳定输出电压。
反馈信号可以包括用于控制接通周期控制电路的第一反馈信号，和用于控制断开周期控制电路的第二反馈信号。输出电压检测电路可以根据负载功率专门输出第一反馈信号或第二反馈信号。
输出电压检测电路可以包括用于输出第一反馈信号的第一发光二极管，与第一发光二极管串联的并联调节器，和与第一发光二极管并联的第一串联电路。第一串联电路可以包括第二发光二极管和恒定电压源，可以以直到输出电压超过预定值为止，电流不流入第二发光二极管的方式设置该恒定电压源。接通周期控制电路可以包括设置在第一开关元件的控制端与输入侧的地电位之间的第二开关元件，连接到第二开关元件的控制端并起到接通第二开关元件的作用的时间常数电路。时间常数电路可以包括具有电阻器的第二串联电路和耦合到第一发光二极管的第一光电晶体管。优选的是，以即使是大于或等于预定值的电流流入第一发光二极管时，流入第一光电晶体管的电流也很难改变的方式确定第二串联电路中的电阻器的电阻值，从而使时间常数电路的时间常数不改变，接通周期控制电路不实际工作，以便稳定输出电压。
输出电压检测电路可以包括用于输出第一反馈信号的第一发光二极管，与第一发光二极管串联的开关，与包括第一发光二极管和该开关的串联电路串联的并联调节器，和与包括第一发光二极管和该开关的串联电路并联的第一串联电路。第一串联电路可以包括第二发光二极管和恒定电压源，以直到输出电压超过预定值为止，电流不流入第二发光二极管的方式设置该恒定电压源。接通周期控制电路可以包括设置在第一开关元件的控制端与输入侧的地电位之间的第二开关元件，连接到第二开关元件的控制端并起到接通第二开关元件作用的时间常数电路。时间常数电路可以包括具有电阻器的第二串联电路和耦合到第一发光二极管的第一光电晶体管。
断开周期控制电路可以包括串联在反馈绕组的一端和第一开关元件的控制端之间的第三开关元件。优选的是，根据从输出电压检测电路发送的第二反馈信号切换第三开关元件。
断开周期控制电路可以包括耦合到第二发光二极管的第二光电晶体管。优选的是，在第二光电晶体管的电阻是预定值或更小时，切换第三开关元件。
通过将第二光电晶体管的发射极连接到第二开关元件的控制端，可使第二光电晶体管的作为接通周期控制电路中的时间常数电路的一部分。
断开周期控制电路可以包括具有电容器和耦合到第二发光二极管的第二光电晶体管的第三串联电路。第三串联电路可以在第一开关元件的断开周期期间电流流动的方向与反馈绕组并列。优选的是，当因反馈绕组中产生的电压造成电容器的充电电压为预定值或更大时，将第三开关元件断开。
断开周期控制电路可以包括用于限制施加到第一开关元件的控制端的电压的限制电路。该限制电路可以包括第三开关元件。
开关电源单元可以进一步包括利用反馈绕组中产生的电压向断开周期控制电路提供驱动电压的DC电压源，和设置在输入电源和DC电压源的输出端之间的并具有防止反向电流的功能的恒定电压调节器。
根据本发明优选实施例的电子装置包括根据上述优选实施例的这种新开关电源。
在根据本发明各种优选实施例的开关电源单元中，为了保持输出电压恒定，根据从输出电压检测电路发送的反馈信号，以额定负载模式或重负载模式执行第一开关元件的接通周期控制，以轻负载模式执行第一开关元件的断开周期控制。因此，降低了轻负载模式下的开关频率，从而实现了开关损耗的减小。另外，在额定负载或重负载模式下，相对提高开关频率或防止开关频率降低，由此防止传导损耗的增加。
另外，在根据本发明另一个优选实施例的电子装置中，利用根据本发明其它优选实施例的开关单元单元实现效率的改善。
从下面参考附图对优选实施例的详细描述将使本发明的其它特性，元件，特征和优点变得更清楚。
图1是根据本发明第一优选实施例的开关电源单元的电路图；图2是包括表示图1所示的开关电源单元的预定点中的负载状况与其电压波形之间的关系的特征示意图；图3是表示图1所示的开关电源单元的负载电流和开关频率之间的关系的特征示意图；图4是表示图1所示的开关电源单元的负载电流和开关电源单元的效率之间的关系的特征示意图；图5是根据本发明第二优选实施例的开关电源单元的电路图；图6是根据本发明第三优选实施例的开关电源单元的电路图；图7是根据本发明第四优选实施例的开关电源单元的电路图；图8是根据本发明第五优选实施例的开关电源单元的电路图的主要部分；图9是表示图8所示主要部分的开关电源单元的剩余部分的电路图；图10是根据本发明第六优选实施例的开关电源单元的电路图；和图11是根据本发明第七优选实施例的电子装置的透视图。
具体实施例方式
第一优选实施例图1是根据本发明第一实施例的开关电源单元1的电路图。参考图1，开关电源单元最好包括具有原边绕组N1，次边绕组N2，和反馈绕组N3的变压器T；作为输入电源的DC电源，DC电源Vcc的一端连接到原边绕组N1的一端；第一开关元件Q1，包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并连接在原边绕组N1的另一端与DC电源Vcc的另一端之间；连接在次边绕组N2与输出端Po之间的整流电路2；连接到输出端Po的电压检测电路3；和设置在反馈绕组N3的一端与第一开关元件Q1的作为控制端的栅极之间的控制电路4。在此，DC电源Vcc的另一端在输入侧接地。
整流电路2最好包括连接到次边绕组N2的一端的二极管D1和连接在二极管D1的阴极与次边绕组N2的另一端之间的平滑电容器C1。在此，次边绕组N2的另一端在输出侧接地。
输出电压检测电路3最好包括在输出端Po与输出侧的地电位之间相互串联的电阻器R1，第一发光二极管PD1，和并联调节器SR；在输出端Po与输出侧的地电位之间相互串联的电阻器R3和电阻器R4；电阻器R2；包括第二发光二极管PD2和齐纳二极管D2的第一串联电路7；电阻器R5；和电容器C2。第一串联电路7与电阻器R2串联，并与电阻器R1和第一发光二极管PD1并联。另外，电阻器R5与电容器C2串联。电阻器R5的一端连接到第一发光二极管PD1与并联调节器SR之间的节点，电阻器R5的另一端连接到电阻器R2与电阻器R3之间的节点。电阻器R2与电阻器R3之间的节点连接到并联调节器SR的控制端。电阻器R5和电容器C2作为并联调节器SR的负反馈电路。
控制电路4最好包括连接到第一开关元件Q1的栅极的接通周期控制电路5；在反馈绕组N3的一端与第一开关元件Q1的栅极之间相互串联电容器C3和断开周期控制电路6；和连接在DC电源Vcc的一端与电容器C3和断开周期控制电路6之间的节点之间的起动电阻器R6。
接通周期控制电路5优选包括作为NPN晶体管的第二开关元件Q2；电阻器R7；二极管D3；包括电阻器R8和第一光电晶体管PT1的第二串联电路8；电阻器R9；和电容器C4。第二开关元件Q2的集电极和发射极分别连接到第一开关元件Q1的栅极和源极。电阻器R7连接在反馈绕组N3的一端与第二开关元件Q2的作为控制端的基极之间。另外，二极管D3和第二串联电路8相互串联在反馈绕组N3的一端和第二开关元件Q2的基极之间。电阻器R9和电容器C4各连接在第二开关元件Q2的基极和发射极之间。第一光电晶体管PT1和第一发光二极管PD1作为光电耦合器。用第一反馈信号代表经包括第一光电晶体管PT1和第一发光二极管PD1的光电耦合器，从输出电压检测电路3发送到接通周期控制电路5的反馈信号。
断开周期控制电路6包括作为PNP晶体管的第三开关元件Q3；电容器C5；NPN晶体管Q4；电阻器R10；电阻器R11；电容器C6；第二光电晶体管PT2；二极管D10；电容器C9；和电阻器R21。第三开关元件Q3的发射极和集电极分别连接到电容器C3和第一开关元件Q1的栅极。第三开关元件Q3的基极通过电阻器R10连接到晶体管Q4的集电极。晶体管Q4的发射极连接到在输入侧的地。晶体管Q4的基极通过电阻器R11连接到晶体管Q3的发射极。晶体管Q4的基极还通过电容器C6和第二光电晶体管PT2连接到在输入侧的地。第二光电晶体管PT2和第二发光二极管PD2作为一个光电耦合器。用第二反馈信号代表经包括第二光电晶体管PT2和第二发光二极管PD2的光电耦合器，从输出电压检测电路3发送到断开周期控制电路6的反馈信号。另外，反馈绕组N3的一端通过二极管D10和电容器C9并按照该顺序连接到反馈绕组N3的另一端。二极管D10与电容器C9之间的节点通过电阻器R21连接到晶体管Q4的基极。
电阻器R12连接在第一开关元件Q1的栅极和漏极之间。电阻器R12降低第一开关元件Q1的栅极和漏极之间的阻抗，从而防止因浪涌或其它情况而接通第一开关元件Q1。
首先，描述具有上述配置的开关电源单元1在除轻负载模式外的额定负载模式，重负载模式等下的操作。除非另有说明，术语“重负载模式”包括下面解释的额定负载模式。
在开关电源单元1中，当第一开关元件Q1接通时，由流入原边绕组N1的电流在变压器T中存储磁能，当第一开关元件Q1断开时，磁能使电流经整流电路2从次边绕组N2流到连接到输出端Po的负载。在输出电压检测电路3中，根据负载功率，随着负载的减小，较大的电流流入第一发光二极管PD1。在重负载模式，设定输出电压检测电路3，以使由该电流在电阻器R1和第一发光二极管PD1上产生的电压降不超过齐纳二极管D2的齐纳电压。因此，在重负载模式中，虽然电流流入第一发光二极管PD1，电流不流入第二发光二极管PD2。
如果电流不流入第二发光二极管PD2，则不输出第二反馈信号。因此，断开周期控制电路6中的第二光电晶体管PT2保持断开。从由二极管D10和电容器C9定义的整流电路经电阻器R21流动的电流对电容器C6充电。当反馈绕组N3的电压为负时，电容器C6通过电阻器R11和第二光电晶体管PT2放电。然而，由于第二光电晶体管PT2断开，仅从电容器C6释放很少量的电荷，只产生较小的电压降。于是，电容器C6总是处在充电状态。电容器C6的充电电压使晶体管Q4导通，第三开关元件Q3也因此导通。由于没有出现从次边绕组N2流动的电流而在反馈绕组N3中产生回扫电压。由于第三开关元件Q3接通，不能防止该回扫电压从反馈绕组N3施加到第一开关元件Q1的栅极。因此，当负载等于或比额定负载重时，断开周期控制电路6不操作。
相反，根据负载的大小，由于随着负载被减小，较大的电流流入第一发光二极管PD1，接通周期控制电路5中的第一光电晶体管PT1根据该第一反馈信号作为具有电阻值的电阻器，该电阻值随着负载被减小而降低，随着流入第一发光二极管PD1的电流而增加。
另外，在接通周期控制电路5中，第一开关元件Q1接通之后，由反馈绕组N3中产生的电压对电容器C4充电。当充电电压达到第二开关元件Q2的阈值电平时，第二开关元件Q2接通，并由此使第一开关元件Q1断开。换句话说，接通周期控制电路5起到控制第一开关元件Q1接通时的周期的作用。
由流经二极管D3和第二串联电路8(电阻器R8和第一光电晶体管PT1)的电流以及从反馈绕组N3流经电阻器R7的电流对电容器C4充电。如上所述，第一光电晶体管PT1根据第一反馈信号起到具有电阻值的电阻器的作用，该电阻值随着负载的减小而降低。因此，随着负载被减小，流入第一光电晶体管PT1的电流增加，电容器C4的充电速度也因此增加。所增加的电容器C4的充电速度使第二开关元件Q2在较短的时间内接通。于是，第一开关元件Q1迅速断开。其结果是，减小了第一开关元件Q1的接通周期。因此，在重负载模式下，随着负载被减小，接通周期控制电路5减小第一开关元件Q1的接通周期，以使输出电压保持恒定。
在第一开关元件Q1断开的同时，在反馈绕组N3中产生反向电压。于是，电容器C4中的电荷放电。因此，可重复上述操作。
在开关电源单元1中，如上所述，在重负载模式下，通过控制接通周期来稳定输出电压。这种情况下，由于断开周期控制电路6不操作，来自反馈绕组N3的回扫电压使第一开关元件Q1接通。于是，在开关电源单元1中，当第一开关元件Q1接通时，电流流入原边绕组N1。在第一开关元件Q1断开并且没有电流流入原边绕组N1的同时，电流从次边绕组N2流动。然后，在没有电流从次边绕组N2流动的同时，第一开关元件Q1接通，于是电流流入原边绕组N1。因此，上述操作以临界电流模式重复。
接下来，描述轻负载模式下开关电源单元1的操作。
在接通周期控制电路5中，第一光电晶体管PT1根据第一反馈信号起到电阻器的作用。然而，当第一光电晶体管PT1的电阻值明显低于与第一光电晶体管PT1串联的电阻器R8的电阻值时，第一光电晶体管PT1的电阻值的改变不影响接通周期控制电路5的操作。具体地说，虽然因较轻的负载使第一光电晶体管PT1的电阻值明显降低造成增加的电流流入第一发光二极管PD1，第二串联电路8的阻抗因电阻器R8的出现而不落到电阻器R8的电阻值以下。因此，由于不能进一步减小接通周期，接通周期控制电路5不再起到控制接通周期的电路的作用。这意味着尽管第一发光二极管PD1发光，不实际输出第一反馈信号。因此，电阻器R8的电阻值必须被设定成比未提供用于控制断开模式的电路的情况的电阻值高。
当尽管是轻负载，但接通周期控制电路5不工作时，由于不能进一步减小接通周期，开关电源单元1变得失去控制，输出电压突然增加。此时，向由输出电压检测电路3中的电阻器R1和第一发光二极管PD1定义的串联电路施加比齐纳二极管D2的齐纳电压高的电压。于是，更大的电流流入第一发光二极管PD1。另外，与该负载的大小对应的电流流入第二发光二极管PD2，并输出第二反馈信号。
在断开周期控制电路6，第二光电晶体管PT2由第二反馈信号接通并作为具有基于第二反馈信号的电阻值的电阻器。这种情况下，在第一开关元件Q1的断开周期期间，电容器C6中的电荷通过电阻器R11和第二光电晶体管PT2放电。充电电压落入晶体管Q4的阈值等级或更低，并且晶体管Q4被截止。于是，第三开关元件Q3也截止。作为该结果，虽然没有从次级绕组N2流动的电流在反馈绕组N3中产生反馈电压，阻止了反馈电压被施加到第一开关元件Q1的栅极。不向第一开关元件Q1的栅极施加反馈电压是指阻止第一开关元件Q1的导通，以便延长断开周期。
通过二极管D1释放变压器T的能量后，反馈绕组N3的电压从负变到瞬变(ringing)。由于反馈绕组N3的电压不为负，电容器C6不通过电阻器R11放电。于是，起动电容器C6以便根据从电阻器R21，第二光电晶体管PT2，和电容器C6确定的时间常数再次充电。因此，电容器C6的充电电压的增加导致晶体管Q4导通，并由此使第三开关元件Q3接通。当第三开关元件Q3接通时，由电容器C3中存储的电荷增加第三开关元件Q3集电极电压，或第一开关元件Q1的栅极电压，并接通第一开关元件Q1。因此，断开周期控制电路6根据第二反馈信号来控制第一开关元件Q1的断开周期。
随着负载的减小，增加了流入第二发光二极管PD2的电流并减小了第二光电晶体管PT2的电阻值。于是需要更长的时间将电容器C6充电到使晶体管Q4导通的程度。其结果是，随着负载的减小，第一开关元件Q1的断开周期增加。通过断开周期控制电路6的这种功能，可使输出电压保持恒定。这种情况下，开关电源单元1以间断电流的模式工作。
由于如上所述进行断开周期控制，开关电源单元1在轻负载模式以间断电流的模式工作。通过进行断开周期控制，开关电源单元不可避免地以间断电流的模式工作。于是，如果断开周期控制电路6在没有接通周期控制电路5的重负载模式中工作，即使在重负载模式执行断开周期控制。如果执行断开周期控制，开关频率根据负载的增加而增加，与正常的RCC类型相反。在开关电源单元中，由于开关损耗在较轻的负载模式中相对增加，在较轻的负载模式中希望更低的开关频率。相反，由于导电损耗在较重的负载模式中相对增加，在较重的负载模式中希望更高的开关频率。断开周期控制满足这些要求。
然而，当控制断开周期时，开关电源单元总是以间断电流的模式工作。因此，存在着对增加开关频率的限制。此外，为了明显地降低轻负载模式中的开关频率，重负载模式中的开关频率变得比正常RCC类型更低。于是，可能增加导电损耗。在开关电源单元1中，仅在轻负载模式进行断开周期控制防止了该问题。
图2示出根据本发明的优选实施例的开关电源单元1中的第一开关元件Q1的漏极和源极之间的电压Vds，电容器C6两端的电压Vc6，和电容器C4两端的电压Vc4的时间变化波形的测量结果。部分(a)表示执行接通周期控制的额定负载模式。部分(b)表示由比额定负载轻的负载引起的刚好在从接通周期控制变到断开周期控制前的状态。部分(c)表示执行断开周期控制的轻负载模式。部分(d)表示更轻负载的几乎无负载的模式。
如图2的部分(a)和(b)所示，在接通周期的控制状态下，断开周期控制电路6中的电容器C6两端的电压Vc6近似恒定在使晶体管Q4导通的电平。这表明断开周期控制电路6不工作。另外，图2的部分(b)中的开关周期比图2的部分(a)中的开关周期短。这表明接通周期控制电路5正在工作。另外，图2的部分(a)和(b)表示当电容器C4的充电电压Vc4达到峰值时接通第二开关元件Q2(断开第一开关元件Q1)。通过部分(a)和(b)与部分(c)和(d)的比较可以清楚，由于电压Vds在部分(a)和(b)中不呈现瞬变，因此开关电源单元1正在以连续电流的模式工作。
如图2的部分(c)和(d)所示，断开周期控制电路6中的电容器C6两端的电压Vc6在轻负载模式下定期改变。这表示断开周期控制电路6正在工作。电容器C6两端的电压Vc6在没有电流从次边绕组N2流动，并且第一开关元件Q1之间的漏极和源极之间的电压Vds开始瞬变时的时刻(在反馈绕组N3中产生反馈电压时)呈现最小值。这表明晶体管Q4处在断开状态，并且第三开关元件Q3处在断开状态，从而防止了反馈电压施加到第一开关元件Q1的栅极。另外，通过该操作，开关电源单元1不可避免地以间断电流的模式工作。
图3和4分别示出通过与仅执行断开周期控制的情况相比，根据本发明优选实施例的开关电源单元1中负载电流与开关频率之间的关系以及负载电流与效率之间的关系。
如从图3和4清楚看到的，在具有小负载电流的轻负载模式中，相对于开关频率和效率而言，本发明的优选实施例与只进行断开周期控制的情况之间没有太大的差别。相反，对于比预定水平重或等于预定水平的负载，本发明的优选实施例中开关频率比只进行断开周期控制的情况高，因此，在本发明的优选实施例中获得了更好的效率。
如上所述，在根据本发明的优选实施例的开关电源单元1中，为了稳定输出电压，以额定负载或更重负载的模式进行接通周期控制，以较轻负载的模式进行断开周期控制。于是，在轻负载模式，明显减小了开关频率，以致降低了开关损耗。在额定负载模式或较重负载模式，防止了在断开周期控制的影响下开关频率的不必要的减小，从而防止了导电损耗的增加。
第二优选实施例图5是根据本发明第二优选实施例的开关电源单元10的电路图。在图5中，与图1中相同或相似的元件被标以相同的参考数字，并且不再重复对那些元件的描述。
图5所示的开关电源单元10与图1所示的开关电源单元1的区别仅在于断开周期控制电路6中的第二光电晶体管PT2的发射极连接到接通周期控制电路5中的第二开关元件Q2的基极，而不是连接到在输入侧的地电位。
在具有如上所述配置的开关电源单元10中，在重负载模式，由于没有电流流入第二发光二极管PD2，如同开关电源单元1中那样，断开周期控制电路6不工作，并执行接通周期控制。
在轻负载模式，在图1所示的开关电源单元1中，由于第一光电晶体管PT1的电阻值明显低于电阻器R8的电阻值，实际上不从第一发光二极管PD1输出第一反馈信号。电流流入第二发光二极管PD2，于是，操作断开周期控制电路6。
相反，在开关电源单元10中，由于第二光电晶体管PT2的发射极连接到接通周期控制电路5中的第二开关元件Q2的基极，而不是连接到输入侧的地电位，流入第二光电晶体管PT2的电流也被用作接通控制电路5中的电容器C4的充电电流。更具体地说，第二光电晶体管PT2起到接通周期控制电路5中的时间常数电路的部分的作用。当负载减小并且流入第二发光二极管PD2的电流增加时，流入第二光电晶体管PT2的电流也根据流入第二发光二极管PD2的电流而增加。因此，减小了电容器C4的充电时间。其结果是，在更短的时间内接通第二开关元件Q2，并在更短的时间内断开第一开关元件Q1。换句话说，在轻负载模式，以辅助方式控制接通周期更短。这种情况下，在轻负载模式，开关电源单元10的开关频率比开关电源单元1的开关频率高。
在开关电源单元1中，由于在轻负载模式下仅进行断开周期控制，极轻的负载或无负载可能引起由于开关频率的极度降低造成的噪声。相反，在开关电源单元10中，在轻负载模式，以辅助方式进行接通周期的控制以及断开周期的控制。于是，可得到预定的开关频率或更大，并可因此而防止噪声。
第三优选实施例图6是根据本发明第三优选实施例的开关电源单元20的电路图。在图6中，与图1中相同或相似的元件被标以相同的参考数字，并且不再重复对那些元件的描述。
图6所示的开关电源单元20与图1所示的开关电源单元1的区别仅在于提供控制电路21来代替控制电路4。在控制电路21中，选择控制电路4中的起动电阻器R6，并提供断开周期控制电路22代替断开周期控制电路6。接通周期控制电路5没有变化。
断开周期控制电路22最好包括作为一个NPN晶体管的第三开关元件Q5；实际上起到起动电阻器作用的电阻器R12；齐纳二极管D4；NPN晶体管Q6；电阻器R13，R14，和R15；电容器C7；第二光电晶体管PT2；和二极管D5。第三开关元件Q5的集电极和发射极分别连接到电容器C3和第一开关元件Q1的栅极。第三开关元件Q5的基极通过电阻器R12连接到DC电源Vcc的一端，并且还通过齐纳二极管D4在输入侧接地。电阻器R13，二极管D5，第二光电晶体管PT2，和电容器C7相互串联，并与反馈绕组N3并联。第二光电晶体管PT2和电容器C7构成第三串联电路23。晶体管Q6的集电极连接到第三开关元件Q5的基极晶体管Q6的发射极连接到第二光电晶体管PT2和电容器C7之间的节点。电阻器R14连接在晶体管Q6的基极和发射极之间，电阻器R15连接在晶体管Q6的基极和输入侧的地电位之间。
如同开关电源单元1一样，第二光电晶体管PT2和第二发光二极管PD2起到光电耦合器的作用。在开关电源单元20中，由第二反馈信号代表从输出电压检测电路3经包括第二光电晶体管PT2和第二发光二极管PD2的光电耦合器反馈到断开周期控制电路22的信号。
首先，描述具有上述配置的开关电源单元20在重负载模式下的操作。
在开关电源单元20中，由于在重负载模式下没有电流流入第二发光二极管PD2，与图1所示的开关电源单元1中相同，断开周期控制电路22中的第二光电晶体管PT2保持断开。由于在第二光电晶体管PT2断开时没有电流流入晶体管Q6，晶体管Q6也截止。于是，第三开关元件Q5的基极电压等于齐纳二极管D4的齐纳电压，并且第三开关元件Q5接通。这种情况下，防止了回扫电压从反馈绕组N3施加到第一开关元件Q1的栅极。因此，断开周期控制电路22在重负载模式下不操作。
开关电源单元20中的接通周期控制电路5与图1所示的开关电源单元1中的相同。因此，在重负载模式下执行接通周期控制。
相反，在轻负载模式下，由于电流流入第二发光二极管PD2而产生第二反馈信号。因此，断开周期控制电路22工作。
当第一开关元件Q1断开并且电流从次边绕组N2经二极管D1流动时，反馈绕组N3的另一端的电压比其一端的电压高。在此，当流入第二发光二极管PD2的电流产生第二反馈信号时，第二光电晶体管PT2起到具有基于第二反馈信号的电阻值的电阻器的作用。于是，电流流入包括第三串联电路23，二极管D5，和电阻器R13的串联电路。因此，以在输入侧连接到地电位的一侧为正的方式对电容器C7充电。由于第二光电晶体管PT2的电阻根据负载的减小而减小，流入电容器C7的电流增加，并且电容器C7的充电电压因此而增加。与此同时，电容器C7的充电电压施加到电阻器R15和R14。于是，在电容器C7的充电电压达到预定等级或更大的时刻，晶体管Q6导通。其结果是，第三开关元件Q5的基极电压降低，第三开关元件Q5因此而断开。
当从次边绕组N2经二极管D1流动的电流达到零时，在反馈绕组N3中产生其符号与前一个状态相反的回扫电压。此时，由于电容器C7中的电荷通过电阻器R14和R15放电，晶体管Q6保持导通。于是，第三开关元件Q5保持断开。在第三开关元件Q5的断开状态期间，防止将回扫电压施加到第一开关元件Q1的栅极。不向第一开关元件Q1的栅极施加回扫电压是指防止第一开关元件Q1的接通，以便延长断开周期。
根据电容器C7放电时的周期确定晶体管Q6的接通周期，晶体管Q6的放电周期取决于电容器C7的充电电压。如上所述，由于电容器C7的充电电压根据负载的减小而增加，晶体管Q6的接通周期增加，并且第三开关元件Q5的断开周期，即第一开关元件Q1的断开周期根据负载的减小而增加。在此期间，回扫电压在振荡的同时衰减。
当晶体管Q6因电容器C7的电荷减少而截止时，第三开关元件Q5的基极电压增加，第三开关元件Q5因此而接通。第三开关元件Q5的接通允许由流经第三开关元件Q5的基极和发射极的电流增加第一开关元件Q1的栅极电压，因此而接通第一开关元件Q1。据此，断开周期控制电路22根据第二反馈信号控制第一开关元件Q1的断开周期。换句话说，在开关电源单元20中，输出电压在轻负载模式下由断开周期控制保持恒定。
在开关电源单元20中，与图1所示的开关电源单元1或图5所示的开关电源单元10中不同，如上所述，利用第一开关元件Q1断开时在反馈绕组N3中产生的电压维持第三开关元件Q5的断开状态。另外，第三开关元件Q5的基极电压在第一开关元件Q1的断开周期期间保持低于地电位。在开关电源单元1和开关电源单元10中，由于不存在维持第三开关元件Q3的断开状态的路径，第三开关元件Q3可因电路中的浪涌或其它事件而接通。然而，在开关电源单元20中，由于该电路配置，当第一开关元件Q1断开时，由反馈绕组N3中产生的电压确保第三开关元件Q5的断开。于是，可减少因电压浪涌或类似情况造成错误的或不希望的操作的可能性。
第四优选实施例图7是根据本发明第四优选实施例的开关电源单元30的电路图。在图7中，与图1中相同或相似的元件被标以相同的参考数字，并且不再重复对那些元件的描述。
图7所示的开关电源单元30与图1所示的开关电源单元1的区别仅在于提供控制电路31来代替控制电路4。在控制电路31中，去掉控制电路4中的起动电阻器R6，并提供断开周期控制电路32代替断开周期控制电路6。接通周期控制电路5没有变化。
断开周期控制电路32包括第三开关元件Q7，晶体管Q8，齐纳二极管D6，以及电阻器R16，R17和R18来代替图1所示的控制电路4中的第三开关元件Q3，电容器C5，和电阻器R10。在此，第三开关元件Q7是NPN晶体管，第三开关元件Q7的集电极和发射极分别连接到电容器C3和第一开关元件Q1的栅极。电阻器R16实际上起到起动电阻的作用，并且连接在第三开关元件Q7的基极与DC电源Vcc的一端之间。齐纳二极管D6连接在第三开关元件Q7的基极与在输入侧的地电位之间。晶体管Q8的集电极和发射极分别连接到第三开关元件Q7的基极和在输入侧的地电位。晶体管Q8的基极通过电阻器R18连接到在输入侧的地电位，并且还连接到晶体管Q4的集电极。此外，晶体管Q8的基极通过电阻器R17连接到二极管D10和电容器C9之间的节点。
首先，描述具有上述配置的开关电源单元30在除轻负载模式外的额定负载模式，重负载模式等下的操作。
在开关电源单元30中，由于在重负载模式下，没有电流流入第二发光二极管PD2，与图1所示的开关电源单元1中相同，断开周期控制电路32中的第二光电晶体管PT2保持断开。当第二光电晶体管PT2断开时，由于电容器C6的充电电压使晶体管Q4被导通，晶体管Q8因此而截止。于是，第三开关元件Q7的基极电压等于齐纳二极管D6的齐纳电压，并且第三开关元件Q7接通。这种情况下，防止了回扫电压从反馈绕组N3施加到第一开关元件Q1的栅极。因此，断开周期控制电路32在重负载模式下不操作。
由于接通周期控制电路5与图1所示的开关电源单元1中的相同。在重负载模式下执行接通周期控制。
相反，在轻负载模式下，由于电流流入第二发光二极管PD2而产生第二反馈信号。因此，断开周期控制电路32工作。下面描述断开周期控制电路32的操作。
与图1所示的开关电源单元中的断开周期控制电路6中相同，在第一开关元件Q1的断开周期期间，电容器C6中的电荷通过电阻器R11和第二光电晶体管PT2放电。当充电电压下降到晶体管Q4的阈值电平或更低时，晶体管Q4截止。于是，晶体管Q8导通，第三开关元件Q7因此而截止。其结果是，当缺乏从次边绕组N2流出的电流在反馈绕组N3中产生回扫电压时，防止回扫电压施加到第一开关元件Q1的栅极。
具体地说，在开关电源单元30中，断开控制电路32中的第三开关元件Q7是NPN晶体管，与图1中所示的断开周期控制电路6中第三开关元件Q3是PNP晶体管不同。开关电源单元30与图1所示的开关电源单元1的区别仅在于在晶体管Q4与第三开关元件Q7之间插入一个逻辑反转电路。因此，开关电源单元30的操作几乎与开关电源单元1的操作相同。
下面通过与图1所示的使用PNP晶体管作为第三开关元件Q3的开关电源单元1进行比较来说明开关电源单元30的操作效果。
在开关电源单元1中，起动条件表示如下vcc×ra/(r6+ra)＞Vth(Q1)
其中vcc表示DC电源Vcc的电压，ra表示电阻器R10和R12(设置在第一开关元件Q1的栅极和源极之间的电阻器)的并联电阻，r6表示电阻器R6的电阻值，Vth(Q1)表示第一开关元件Q1的阈值。在此，忽略第三开关元件Q3和晶体管Q4的电压降。
电阻器R10的电阻值影响第三开关元件Q3的开关速度。随着电阻器R10的电阻值的增加，减小第三开关元件Q3的基极电流。根据第三开关元件Q3的基极电流的减小，可减小提供给第一开关元件Q1的电流，并由此减小第一开关元件Q1的开关速度。由于第一开关元件Q1的开关速度的减小使开关损耗增加，电阻器R10的电阻值不能明显增加。如果不能明显增加电阻器R10的电阻值，在起动状态下则不能明显增加电阻器R6的电阻值。由于电阻器R6是起动电阻器，如果不能明显增加电阻器R6的电阻值，则不能降低电阻器R6的损耗。
相反，在使用NPN晶体管作为第三开关元件Q7的开关电源单元30中，起动条件表示如下Vcc×r12/(r6+r12)＞Vth(Q1)其中r16表示电阻器R16的电阻值。
只要开关电源单元1中的电阻器R12的电阻值等于开关电源单元30中的电阻器R1 2的电阻值，由于起动条件而使开关电源单元1中的电阻器R6的电阻值必须低于开关电源单元30中的电阻器R16的电阻值。因此，在开关电源单元30中，可减小与起动电阻器对应的电阻器R16的损耗。
因此，在开关电源单元30中，使用NPN晶体管作为第三开关元件Q7实现了减小起动电阻器中的损耗。
在图7所示的开关电源单元30中，如上所述，齐纳二极管D6连接在第三开关元件Q7的基极和DC电源Vcc的另一端之间。齐纳二极管D6和第三开关元件Q7构成限制电路，从而限制第一开关元件Q1的栅极电压(控制电压)不超过预定范围。具体地说，第一开关元件Q1的最大栅极电压限制如下Vgs(Q1)＝Vz(D6)-Vbe(Q7)，其中Vgs(Q1)表示第一开关元件Q1的栅极和源极之间的电压，Vz(D6)表示齐纳二极管D6的齐纳电压，Vbe(Q7)表示第三开关元件Q7的基极和发射极之间的电压。因此，即使是可应用于可用于广泛的输入电压范围的全球输入范围的开关电源单元，可防止第一开关元件Q1的控制电压超过预定范围。
图6中所示的开关电源单元20中的起动电路的结构与开关电源单元30中的几乎相同，并且开关电源单元20也包括限制电路，虽然在上面的描述中已省略了该说明。因此，开关电源单元20中可减小该起动电阻器的损耗，并且与开关电源单元30相同，开关电源单元20可应用于广泛的输入电压范围。
第五优选实施例图8和9是根据本发明第五优选实施例的开关电源单元40的电路图。图9示出图8中未能示出的开关电源单元40的部分。在图8中，与图7相同或相似的元件被标以相同的参考数字，并且不再重复对那些元件的描述。
参考图8和9，除了图7所示的开关电源单元30的配置外，开关电源单元40包括恒定电压调节器41和DC电压源42。参考图8，点A表示DC电源Vcc的一端(原边绕组N1的一端)，点B表示反馈绕组N3的一端，点C表示DC电源Vcc的另一端(反馈绕组N3的另一端和在输入侧的地电位)，点D表示电阻器R11，R16，和R17之间的节点。在图7所示的开关电源单元30中，虽然与点D对应的点连接到与点A对应的点，但点D不连接到开关电源单元40中的点A。
恒定电压调节器41包括电阻器R19，电阻器R20，晶体管Q9，齐纳二极管D7，和二极管D8。晶体管Q9的集电极通过电阻器R19连接到点A，晶体管Q9的基极通过齐纳二极管D7连接到点C，晶体管Q9的发射极通过通过二极管D8连接到点D。晶体管Q9的基极还通过电阻器R20连接到点A。通过该结构，晶体管Q9的基极电压保持到齐纳二极管D7的齐纳电压的恒定值。其结果是，晶体管Q9的发射极保持恒定在比其基极电压低的近似0.6V的值。
DC电压源42是由二极管D9和电容器C8定义的整流电路。二极管D9的阴极电压是通过对反馈绕组N3中产生的电压进行整流而定义的电压。
恒定电压调节器41中的晶体管Q9的发射极通过二极管D8连接到点D和DC电压源42中的二极管D9的阴极。
在开关电源单元40中，当接通电源时，由于反馈绕组N3中不产生电压，因此DC电压源42不工作。于是，把由恒定电压调节器41保持在恒定的电压经二极管D8提供给点D。当反馈绕组N3中产生的电压使DC电压源42开始操作时，二极管D9的阴极电压变得比晶体管Q9的发射极电压高。于是，DC电压源42的输出电压提供给点D。阻断从恒定电压调节器41提供给点D的电流。换句话说，二极管D8起到防止DC电压源42向恒定电压调节器41回流的作用。
在具有上述结构的开关电源单元40中，在接通电源时，把由恒定电压调节器41保持在恒定的电压施加到起到起动电阻器作用的电阻器R16。在未接通电源时，从DC电压源42向电阻器R16施加比DC电源Vcc低的电压。因此，与从DC电源Vcc直接施加电压的情况相比，可减少电能消耗。
由于除了起动电路部分外，开关电源单元40与开关电源单元30相同，同开关电源单元30中一样，开关电源单元40在重负载模式和轻负载模式下作为开关电源。
由于使用恒定电压调节器和DC电压源的这种结构可应用于上述任何一个优选实施例。这种情况下，可实现与开关电源单元40相同的操作效果。
第六优选实施例图10是根据本发明第六优选实施例的开关电源单元50的电路图。在图10中，与图1相同或相似的元件被标以相同的参考数字，并且不再重复对那些元件的描述。
图10所示的开关电源单元50与图1所示的开关电源单元1的区别仅在于提供输出电压检测电路51来代替输出电压检测电路3。在输出电压检测电路51中，开关SW与第一发光二极管PD1串联设置，在开关电源单元1中，虽然构成接通周期控制电路5中的第二串联电路8的电阻器R8的电阻值被预设成比未提供断开周期电路的情况高，开关电源单元50中的电阻器R8的电阻值被设置为与未提供断开周期电路的情况相似的正常等级。
在具有该结构的开关电源单元50中，在重负载模式下接通开关SW。这种情况下，与图1所示的开关电源单元1在重负载模式下相同，电流不流入第二发光二极管PD2。因此，断开周期控制电路6不操作，并进行接通周期控制。
在轻负载模式下，由从装有开关电源单元50的诸如传真机之类的装置发送的待机信号(指示装置处在待机模式的信号)断开开关SW。这种情况下，由于电流不流入第一发光二极管PD1，因此不输出第一反馈信号。于是，电流必然要流入第二发光二极管PD2，并输出第二反馈信号。因此，断开周期控制电路6工作，并进行断开周期控制。
如上所述，在开关电源单元50中，由开关SW的接通和断开强制进行接通周期控制和断开周期控制之间的切换。接通周期控制和断开周期控制之间的切换不自动执行，在每个控制状态下，开关电源单元50的操作与图1所示的开关电源单元1的操作基本相同。因此可实现相似的操作效果。
在开关电源单元50中，虽然在与图1所示的开关电源单元1中的输出电压检测电路3对应的输出电压检测电路5 1中设置开关SW，很显然，可以以相似的方式构成根据上述任何一个优选实施例的开关电源单元。
第七优选实施例图11是根据本发明第七优选实施例的电子装置的透视图。参照图11，根据本发明优选实施例的开关电源单元1被用作作为电子装置的打印机100的电源电路的一部分。
在打印机100的与打印操作有关的部分中，虽然在打印操作中消耗电能，在不进行打印操作的待机模式中几乎不消耗任何电能。使用根据本发明优选实施例的开关电源单元1减小了待机状态下的电能损耗，从而实现了效率的提高。
虽然在图11所示的打印机100中使用图1所示的开关电源单元1，也可使用图5，6，7，8，9或10中所示的开关电源单元10，20，30，40，或50。这种情况下，可获得类似的操作效果。
根据本发明优选实施例的电子装置不限于打印机。也包括需要具有稳定电压的DC电源的各种电子装置，例如笔记本计算机和便携式信息设备。
本发明不限于上述每个优选实施例，在权利要求描述的范围内可进行各种改变。通过适当地组合每个不同的优选实施例中公开的技术手段获得的实施例也包括在本发明的技术范围内。
权利要求
1.一种开关电源单元，包括变压器，包括原边绕组，次边绕组，和反馈绕组；输入电源；第一开关元件；设置在反馈绕组的一端和第一开关元件的控制端之间的控制电路；连接到次边绕组的整流电路；和输出电压检测电路，用于检测从整流电路输出的输出电压和向控制电路发送反馈信号；其中输入电源和第一开关元件与原边绕组串联，控制电路包括接通周期控制电路，用于根据反馈信号，通过断开处在接通状态的第一开关元件来稳定输出电压，和断开周期控制电路，用于根据反馈信号，通过延迟第一开关元件的接通来稳定输出电压。
2.根据权利要求1所述的开关电源单元，其中在轻负载模式，通过操作断开周期控制电路以便控制断开周期来稳定输出电压，在除轻负载模式外的其它模式，通过操作接通周期控制电路以便控制接通周期来稳定输出电压。
3.根据权利要求2所述的开关电源单元，其中反馈信号包括用于控制接通周期控制电路的第一反馈信号，和用于控制断开周期控制电路的第二反馈信号，输出电压检测电路根据负载功率排它地输出第一反馈信号或第二反馈信号。
4.根据权利要求3所述的开关电源单元，其中输出电压检测电路包括用于输出第一反馈信号的第一发光二极管，与第一发光二极管串联的并联调节器，和与第一发光二极管并联的第一串联电路；第一串联电路包括第二发光二极管和恒定电压源，以直到输出电压超过预定值为止电流不流入第二发光二极管的方式安排该第一串联电路；接通周期控制电路包括设置在第一开关元件的控制端和输入侧的地电位之间的第二开关元件，和连接到第二开关元件的控制端并起到接通第二开关元件的作用的时间常数电路；时间常数电路包括第二串联电路，该第二串联电路具有电阻器和耦合到第一发光二极管的第一光电晶体管；和第二串联电路中的电阻器的电阻值即使在大于或等于预定值的电流流入第一发光二极管时，也使流入第一光电晶体管的电流几乎不改变，从而不改变时间常数电路的时间常数，并且接通周期控制电路实际上不操作，以便稳定输出电压。
5.根据权利要求3所述的开关电源单元，其中输出电压检测电路包括用于输出第一反馈信号的第一发光二极管，与第一发光二极管串联的开关，与包括第一发光二极管和开关的串联电路串联的并联调节器，和与包括第一发光二极管和开关的该串联电路并联的第一串联电路；第一串联电路包括第二发光二极管和恒定电压源，安排该第一串联电路直到输出电压超过预定值为止电流不流入第二发光二极管；接通周期控制电路包括设置在第一开关元件的控制端和输入侧的地电位之间的第二开关元件，和连接到第二开关元件的控制端并起到接通第二开关元件的作用的时间常数电路；时间常数电路包括第二串联电路，该第二串联电路具有电阻器和耦合到第一发光二极管的第一光电晶体管。
6.根据权利要求4所述的开关电源单元，其中断开周期控制电路包括串联在反馈绕组的一端和第一开关元件的控制端之间的第三开关元件，根据从输出电压检测电路发送的第二反馈信号来开关该第三开关元件。
7.根据权利要求6所述的开关电源单元，其中断开周期控制电路包括耦合到第二发光二极管的第二光电晶体管，当第二光电晶体管的电阻值是预定值或更低时开关该第三开关元件。
8.根据权利要求7所述的开关电源单元，其中通过把第二光电晶体管的发射极连接到第二开关元件的控制端使第二光电晶体管作为接通周期控制电路中的时间常数电路的一部分。
9.根据权利要求6所述的开关电源单元，其中断开周期控制电路包括具有电容器和耦合到第二发光二极管的第二光电晶体管的第三串联电路，第三串联电路在第一开关元件的断开周期期间电流流动的方向与反馈绕组并联，当电容器的充电电压因反馈绕组中产生的电压而成为预定值或更大时，第三开关元件断开。
10.根据权利要求7所述的开关电源单元，其中断开周期控制电路包括用于限制施加到第一开关元件的控制端的电压的限制电路，该限制电路包括第三开关元件。
11.根据权利要求1所述的开关电源单元，进一步包括直流电压源，用于利用反馈绕组中产生的电压向断开周期控制电路提供驱动电压；和恒定电压调节器，设置在输入电源和DC电压源的输出端之间，并具有防止反向电流的功能。
12.一种电子装置，包括如权利要求1所述的开关电源单元。
全文摘要
一种开关电源单元，包括具有原边绕组，次边绕组，和反馈绕组的变压器；与原边绕组串联的输入电源和第一开关元件；设置在反馈绕组的一端和第一开关元件的控制端之间的控制电路；连接到次边绕组的整流电路；和输出电压检测电路，用于检测从整流电路输出的输出电压和向控制电路发送反馈信号。控制电路包括接通周期控制电路，用于根据反馈信号，通过断开处在接通状态的第一开关元件来稳定输出电压。控制电路还包括断开周期控制电路，用于根据反馈信号，通过延迟第一开关元件的接通来稳定输出电压。
文档编号H02M3/28GK1485972SQ0315484
公开日2004年3月31日 申请日期2003年8月20日 优先权日2002年8月20日
发明者西田映雄, 竹村博 申请人:株式会社村田制作所