专利名称：开关电源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及将交流输入电压整流成直流电压，再利用平滑电容器使该直流电压平滑化，并利用开关元件接通·切断该直流电压，以此从变换变压器输出交流电压的形式的开关电源电路。
背景技术：
作为这种形式的开关电源电路的在先技术已知有日本特开2004-096863号公报揭示的开关电源电路。该在先技术揭示的开关电源电路在变换变压器的初级侧具有使与平滑电容器串联连接的限流电阻短路的短路用开关元件。限流电阻在交流输入电源接通时的保护期间限制流入平滑电容器的冲击电流以保护电路。而短路用开关元件利用与对交流输入电压进行整流的全波整流电路的输出部连接的硬件定时器，在保护期间结束，流入平滑用电容器的冲击电流流动结束后导通，以降低由于限流电阻造成的功耗。
特开2004-09686
发明内容但是在先技术揭示的开关电源电路中，硬件定时器用电阻和电容器构成，保护期间取决于上述电阻和电容的大小。但是，该保护期间又随着交流输入电压的大小、环境温度等外部条件的变动而变化。该保护期间在例如50(msec)至300(msec)的范围内变化。在交流输入电压大并环境温度高时，将保护期间缩短也足够，但是在交流输入电压小，而且环境温度低的最恶劣的外部条件下，为了确保充分的保护期间，也要将保护期间设得长些。
该保护期间中，由于限流电阻的功耗大，又因流过变换变压器初级线圈的电流也受限流电阻的限制，所以交流输出电压的大小也受限制。该保护期间设定得长的结果是，开关电源电路的功耗增大，而且交流输出电压受限制的期间也拖长。
本发明提出一种能改进上述问题的开关电源电路的方案。
本发明的开关电源电路，包括对交流输入电压进行整流，输出直流电压的整流电路、使所述直流电压平滑化的平滑电容器、限制对该平滑电容器的冲击电流的限流电阻、在所述冲击电流减少的状态下变成导通状态，并将所述限流电阻短路的短路用开关元件、接通·切断所述直流电压的开关元件、以及通过所述开关元件接受所述直流电压供应，产生交流输出电压的变换变压器，根据所述交流输出电压向负载供电，其特征在于，还具有通过对时钟信号进行计数设定保护期间的软件定时器，利用所述软件定时器，在从所述交流输入电压接通起经过所述保护期间后，使所述短路用开关元件导通。
本发明的开关电源电路中用的软件定时器通过对时钟信号进行计数设定保护期间。这种软件定时器设定的保护期间只要不改变设定，就与开关电源电路的交流输入电压、环境温度无关地在实质上保持一定。因而，通过适当设定这一保护期间，不仅能减少限流电阻上的功耗，还能缩短交流输出电压受限制的时间。
图1为表示本发明的开关电源电路的实施形态1的电路图。
符号说明ACI交流输入电路、V1交流输入电压、REC整流电路、2全波整流电路、1NV变换电路、3变换变压器、3a初级线圈、3b、3c次级线圈、DCC直流电路、SW开关元件、4平滑电容器、 5限流电阻、6短路用开关元件、TMC定时器电路、10驱动电路、11驱动用开关元件、20第一定时器电路、21光耦合器、28计算机、29软件定时器、CC时钟信号源、30第二定时器电路、31硬件定时器、CNT控制电路、51控制IC、OUT输出电路具体实施方式
以下参照
本发明的实施形态实施形态1图1为表示本发明开关电源电路实施形态1的电路图。实施形态1的开关电源电路包括交流输入电路ACI、整流电路REC、直流电路DCC、开关元件SW、定时器电路TMC、变换电路INV、输出电路OUT、控制电路CNT。
该开关电源电路利用整流电路REC对交流输入电路ACI来的交流输入电压V1进行整流，在直流电路DCC上产生直流电压V2，将该直流电压V2提供给变换电路INV的初级侧电路。利用开关元件SW周期性地接通·断开该变换电路INV初级侧电路的直流电压V2，从而在变换电路INV的次级侧输出电路OUT上产生交流输出电压V3、V4，依据该交流输出电压V3、V4对负载供电。
该实施形态1的开关电源电路用于例如自动张力控制装置或手动张力控制装置。通过调整开关元件SW的通断周期中的导通时间比率即导通占空比，就能方便地调整变换电路INV的次级侧的输出电路OUT的交流输出电压V3、V4的大小。该开关电源电路可用作例如自动张力控制装置或手动张力控制装置的电源。在自动张力控制装置或手动张力控制装置中，通过调整交流输出电压V3、V4的大小，控制例如纸张、薄膜、电线等长尺寸的材料(卷材)的拉紧程度。又通过手动调整交流输出电压V3、V4，用手动控制卷材的张力。这些自动张力控制装置或手动张力控制装置中，作为控制设备使用张力控制装置，作为传感器使用张力传感器，作为卷材的驱动设备使用电磁粉末离合器(powderclutch)、电力制动器(power brake)、伺服电动机、或矢量电动机。
交流输入电路ACI包括交流输入端子L、N和线路滤波器1。在交流输入端子L、N之间提供交流输入电压V1。该交流输入电压V1由例如市电供给，其额定电压值为85～264(V)，频率为50或60(HZ)。该交流输入电压V1的额定电压值和频率与世界各国的市电额定值对应。但是，在根据某国的市电以某一额定电压或频率工作过程中，有时交流的输入电压V1的大小和频率也会变动。
整流电路REC包括全波整流电路2。该全波整流电路2具有一对交流输入端子2a、2b和一对直流输出端子2c、2d。交流输入端子2a、2b通过线路滤波器1连接交流输入端子L、N。直流输出端子2c是正侧的端子，直流输出端子2d是负侧的端子。直流电路DCC连接于直流输出端子2c、2d。
变换电路INV包括变换变压器3。该变换变压器3包括初级线圈3a、两个次级线圈3b、3c和控制电源线圈3d。初级线圈3a连接直流电路DCC，次级线圈3b、3c连接输出电路OUT，控制电源线圈3d连接控制电路CNT。
直流电路DCC包括开关元件SW、定时器电路TMC、平滑电容器4、限流电阻5、短路用开关元件6、以及保护电阻8。平滑电容器4是对直流电路DCC的直流电压V2进行平滑滤波用的电容器，使用例如电容量C390(μF)的电解电容器。限流电阻5在与交流输入电压V1接入的同时开始的保护期间TP中，限制流入平滑电容器4的冲击电流。该限流电阻5使用例如5W、15Ω的胶泥(cement)电阻，其电阻值R为15Ω。短路用开关元件6随着保护期间的终止将限流电阻5短路，减少限流电阻5上的功耗。使限流电阻5短路，以使通过开关元件SW流入初级线圈3a的电流增大，因此交流输出电压V3、V4也变大。定时器电路TMC与交流输入电压V1的接入同步地开始保护期间TP，并与该保护期间TP的结束同步地使短路用开关元件6导通。
全波整流电路2的直流输出端子2c直接连接于初级线圈3a的上侧端子。初级线圈3a的下侧端子通过开关元件SW、保护电阻8、限流电阻5连接于全波整流电路2的直流输出端子2d。
开关元件SW由功率开关元件7构成。该功率开关元件7为功率MOSFET，有漏极D、源极S、栅极G。该功率MOSFET7的漏极D直接连接于初级线圈3a的下侧端子，其源极S上直接连接保护电阻8。该保护电阻8和全波整流电2的直流输出端子2d之间连接限流电阻5。平滑电容器4的上侧端子直接连接于全波整流电路2的直流输出端子2c与初级线圈3a间的连接点CN1，其下侧端子连接保护电阻8与限流电阻5间的连接点CN2。
短路用开关元件6在其导通时，将限流电阻5短路。该短路用开关元件6也是功率MOSFET，有漏极D、源极S、栅极G。该短路用功率MOSFET6的漏极D连接于连接点CN2，其源极S连接于全波整流电路2的直流输出端子2d和限流电阻5间的连接点CN3。
定时器电路TMC包括对短路用开关元件6的驱动电路10、第一定时器电路20、以及第二定时器电路30。驱动电路10包括驱动用开关元件11和电阻12、13、14、15。驱动用开关元件11为功率MOSFET，有漏极D、源极S、栅极G。该驱动用功率MOSFET的漏极D直接连接于功率MOSFET的漏极D，驱动用功率MOSFET的源极S直接连接于短路用功率MOSFET6的栅极G。
电阻12、13、14、15在短路用功率MOSFET6的漏极D和源极S间相互串联连接。电阻12和13间的连接点CM4直接连接于驱动用MOSFET11的栅极G，电阻14、15间的连接点CN6直接连接于短路用MOSFT6的栅极G。
第一定时器电路20包括光耦合器21、电阻24、晶体管25、电容器26、电阻27、计算机(CPU)28、以及软件定时器29。光耦合器21具有输出晶体管22和发光元件23，利用发光元件23发出的光使输出晶体管22导通、截止。输出晶体管22具有集电极C和射极E，集电极C直接连接于电阻12与电阻13间的连接点CN4。而射极E直接连接于短路用功率MOSFET6的漏极D连接。
发光元件23为发光二极管，有阳极A和阴极K。晶体管25为NPN型双极晶体管，有集电极C、射极E、基极B。计算机(CPU)28例如为微机，输出端子28a、28b之间连接内装的直流电源，输出端子28a、28b之间产生例如5V的直流电源电压Vcc。
发光二极管23的阳极A通过电阻24直接连接计算机(CPU)28的输出端子28a。发光二极管23的阴极K直接连接晶体管25的集电极C，晶体管25的射极E直接连接计算机(CPU)28的输出端子28b。晶体管25的基极B通过电阻27连接于软件定时器29的输出端子29a。电容器26直接连接于晶体管25的基极B和射极E之间。
计算机(CPU)28在应用实施形态1的张力控制装置中，使用于检测能利用开关元件SW调整大小的交流输出电压V3、V4，将其加以显示。有时也显示交流输出电压V3、V4整流后的直流输出电压。计算机(CPU)28用模拟值表示该交流输出电压V3、V4或其整流后的直流输出电压。另外，计算机(CPU)28用百分比表示能利用开关元件SW调整大小的直流输出电压的调整比例。
计算机(CPU)内装软件定时器29，该软件定时器29是对装在计算机28内的时钟信号源CC来的时钟信号对规定的计数值N进行计数的计数器，并且设定保护期间TP。该保护期间TP从交流输入电压V1的接入时刻开始，设定为从该交流输入电压V1的接入时刻开始起70(msec)～320(msec)的期间。该软件定时器29与交流输入电压V1的接入时刻同步开始保护期间TP，开始对时钟信号进行计数。软件定时器29在对时钟信号的计数达到预设的规定计数值N的时刻，使保护期间TP结束，停止对时钟信号的计数。该软件定时器29与保护期间TP的结束时刻同步，在定时器输出端子29a上产生上升到高电平的定时器输出。
时钟信号源CC用石英振荡器构成，该石英振荡器利用内装于计算机(CPU)28的5V直流电源以固定的频率振荡。装于计算机(CPU)28内装的5V直流电源具有即使对计算机(CPU)28供电的交流电源电压发生变化也能始终产生5V的直流电压的结构，所以即使对计算机(CPU)28供电的交流电源电压有变化，来自时钟信号源CC的时钟信号振荡频率实际上始终保持恒定。另外，构成时钟信号源CC的石英振荡器尽管环境温度发生变化其振荡频率实际上保持不变。因此，软件定时器29决定的保护期间TP即使对计算机(CPU)28供电的交流电源电压有变化，或环境温度有变化只要规定的计数值N不变，仍能保持为设定好的规定值，并不发生变化。
软件定时器29的定时输出端子29a的定时输出一旦上升，晶体管25就导通，发光元件23发光，输出晶体管22导通。由于该输出晶体管22的导通，电阻12短路，因此驱动用功率MOSFET11的栅极G的电压降低，该驱动用功率MOSFET11截止。由于该驱动用功率MOSFET11截止，短路用功率MOSFET6的栅极G的电压上升，短路用MOSFET6导通，限流电阻5短路。
第二定时器电路30包括硬件定时器31、电阻35、齐纳二极管36。硬件定时器31包括晶体管32、电阻33、电容器34。晶体管31为NPN型双极晶体管，有集电极C、射极E、基极B。齐纳二极管35有阳极A、阴极K。在阳极A和阴极K之间产生规定的电压。
晶体管32的集电极C直接连接于连接点CN4，其射极E直接连接于连接点CN2。电容器34直接连接于晶体管31的基极B与射极E之间。晶体管32的基极B通过电阻33连接于齐纳二极管35的阴极K。齐纳二极管35的阳极A直接连接于连接点CN2，其阴极K通过电阻35直接连接于连接点CN1，同时也直接连接于电阻13与电阻14的连接点CN5。
硬件定时器31设定与交流输入电压V1的接入时刻同步开始的定时器时间TT。该定时器时间TT的结束时间由取决于电阻33和电容34的时间常数决定。根据该时间常数，从交流输入电压V1的接入时刻开始，电容器34两端的电压逐渐增大，在该电容器34的两端电压超过晶体管32的基极B与射极E之间的阈值电压时，定时器时间TT结束，晶体管32转为导通，电阻12被短路，驱动用功率MOSFET11的栅极G电压降低，该驱动用功率MOSFET11截止。随着该驱动用功率MOSFEET的截止，短路用功率MOSFET6的栅极电压G上升，该短路用功率MOSFET6转成导通，将限流电阻5短路。
这一定时器时间TT设定为比第一定时电路20的保护期间TP大。即TT＞TP。例如保护期间TP设定为在70～320msec范围内的规定值，因此定时器时间TT设定为例如330msec以上的值。该定时器时间TT在交流输入电压V1大而且环境温度高时变短，但即使在该TT时间变得最短时，也将电阻33与电容器34决定的时间常数设定为能满足TT＞TP的关系。该第二定时电路30的定时器时间TT在第一定时电路20的软件定时器29发生故障，软件定时器29的保护动作不进行时开始生效。软件定时器29的保护动作正常进行，保护期间TP正常设定的情况下，根据TT＞TP的关系，通常软件定时器29决定的保护期间TP先行结束，短路用功率MOSFET6导通，因此硬件定时器31进行的保护不起作用。
输出电路OUT有两个输出电路41、42。输出电路41将变换变压器3的次级线圈3b作为电源，输出电路42将变换变压器3的次级线圈3c作为电源。上述输出电路41、42在次级线圈3b、3c上产生交流输出电压V3、V4，利用上述交流输出电压V3、V4，从各输出电路41、42对各负载供电。输出电路41、42分别包括二极管43、44及电容器45、46，次级线圈3b、3c上产生的交流输出电压V3、V4在整流后变换成直流电压，又在利用电容器45、46平滑滤波后被提供给负载。
控制电路CNT将变换变压器3的控制电源线圈3d上产生的交流输出电压V5作为电源进行工作。该控制电路CNT上通过二极管52连接控制IC51，该控制IC的输出端子51a连接于构成开关元件SW的功率MOSFET7的栅极G。
控制IC51通过以规定的周期使功率MOSFET7导通·截止，并使初级线圈3a的电流导通·截止，在次级线圈3a、3b及控制电源线圈3d上产生交流输出电压V3、V4、V5。这些交流输出电压V3、V4、V5的大小可以通过调整由控制IC决定的功率MOSFET7的占空比简便地进行调整。
在实施形态1中，利用软件定时器29设定的保护期间TP，即使是交流输入电压V1在动作中有变动，只要规定的计数值N不变，就能保持为与规定的计数值对应的规定值。该保护期间TP例如在70～320(msec)的范围内与交流输入电压V1的额定电压值相对应，通过改变规定计数值N的设定就能够设定。这一保护期间TP可与利用限流电阻5将流入平滑电容器4的冲击电流衰减至所要的值为止所需要的时间相对应设定为规定值。在这一保护期间TP过长时，限流电阻5上的功耗变大，又有交流输出电压V3、V4的大小受限流电阻5限制的问题，相反，在保护期间TP过短时，又有冲击电流增大，电路受损的问题。所以保护期间TP要设定为不会产生上述问题的合适的规定值。
该保护期间TP的设定可参照交流输入电压V1的额定值、平滑电容器4的电容值C、和限流电阻5的电阻值R，设定为与交流输入电压V1的额定值、平滑电容器4的电容值C、限流电阻5的电阻值R相称的合适的保护期间TP。实施形态1中，平滑电容器4和限流电阻5不能调换，电容值C及电阻值R不能调整，所以实际上与交流输入电压V1的额定值相对应设定合适的保护期间TP。
在现有的利用硬件定时器设定保护期间TP的方法中，与交流输入电压V1额定值较宽的变化范围相对应，即使对于额定值低的交流输入电压V1，由于设定了过大的保护期间TP，以使冲击电流充分衰减，限流电阻5上的功耗就不必要地增大，而且还存在的交流输出电压V3、V4受到限流电阻5不必要的限制的问题。与此相反，实施形态1中，利用软件定时器29能与交流输入电压V1的额定值相称、适当地设定保护期间TP，从而消除现有的存在问题。
实施形态1中，平滑电容器4的电容值C、限流电阻5的电阻值R没有调整。因此，软件定时器29决定的保护期间TP与交流输入电压V1的额定值对应地调整其设定值，在其额定值大时，使保护期间TP缩短，而在交流输入电压V1的额定值小时，使保护期间TP延长。在对时钟信号源CC来的时钟信号仅计规定计数值N的软件定时器29中，通过改变这一规定计数值N的设定，就能执行上述设定值调整。
实施形态1中短路用开关元件6用功率MOSFET构成。在用闸流晶体管(thylister)构成的这种短路用开关元件6时，交流输入电压V1切断后，如在1秒钟以内再度接通，则由于平滑电容器4不能放电而残留的剩余电压，保持电流继续在闸流晶体管上流动，因此，交流输入电压V1再次接通时闸流晶体管继续导通，限流电阻5继续保持短路状态，存在者由于流入平滑电容器4的冲击电流损坏电路的问题。在实施形态1中，由于将功率MOSFET用作短路用开关元件6，所以在切断交流输入电压V1的同时，因为短路用开关元件6截止，所以不再会有这样的问题。
在实施形态1中，第一定时器电流20采用光耦合器21。该光耦合器21在使驱动电路10、计算机(CPU)28之间保持电绝缘上是有效的。利用该光耦合器21的电绝缘，能防止来自交流输入电路ACI及直流电路DCC的噪声窜入计算机(CPU)28，防止由于该噪声引起的计算机(CPU)28及软件定时器29的误动作。
尽管如此，万一软件定时器29发生故障，在第一定时器电路20决定的保护期间TP不起作用时，第二定时器电路30的硬件定时器31决定的定时器时间TT起作用，该第二定时器电路30使短路用开关元件6导通，能够解除限流电阻5的限流动作。
工业上的实用性本发明的开关电源电路将交流输入电压变换成直流电压，利用开关元件接通·切断这一直流电压，能产生大小能调整的交流输出电压，所以能广泛应用于采用大小能调整的交流输出电压的各种电路，例如用作控制卷材(web)的张力的张力控制装置的电源。
权利要求
1.一种开关电源电路，包括对交流输入电压进行整流，输出直流电压的整流电路、使所述直流电压平滑化的平滑电容器、限制对该平滑电容器的冲击电流的限流电阻、在所述冲击电流减少的状态下变成导通状态，并将所述限流电阻短路的短路用开关元件、接通·切断所述直流电压的开关元件、以及通过所述开关元件接受所述直流电压供应，产生交流输出电压的变换变压器，根据所述交流输出电压向负载供电，其特征在于，还具有通过对时钟信号进行计数设定保护期间的软件定时器，利用所述软件定时器，在从所述交流输入电压接通起经过所述保护期间后，使所述短路用开关元件导通。
2.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述软件定时器包括对所述时钟信号进行计数的计数器，该计数器中设定预定的计数值，该计数器在所述时钟信号的计数值达到所述预定计数值时使所述保护期间结束。
3.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，在该开关电源电路的动作中，即使所述交流输入电压在动作过程中发生变化，在不改变所述规定计数值的状态下，所述保护期间实际上仍能保持一定。
4.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，根据所述交流输入电压的额定值的变化相应改变所述规定计数值，改变所述保护期间。
5.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，在该开关电源电路的动作中，即使是环境温度发生变化，在所述规定计数值不改变的状态下，所述保护期间实际上保持一定。
6.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述短路用开关元件采用功率MOSFET构成。
7.如权利要求6所述的开关电源电路，其特征在于，还设置驱动所述短路用开关元件的驱动用开关元件，该驱动用开关元件也采用MOSFET构成。
8.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述软件定时器和所述短路用开关元件间设置光耦合器，所述软件定时器通过所述光耦合器使所述短路用开关元件导通。
9.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，还具有根据所述平滑电容器两端的电压使所述短路用开关元件导通的硬件定时器，在所述软件定时器不动作时，利用所述硬件定时器使所述短路用开关元件导通。
全文摘要
本发明涉及一种开关电源电路，该电路即使交流输入电压有变化，也给出设定的规定保护期间，在该保护期间利用限流电阻限制对平滑电容器的冲击电流。该电路利用软件定时器将保护期间设定为规定值。该软件定时器通过对时钟信号进行计数，设定保护期间。该保护期间与交流输入电压的额定值相对应设定为规定值。在交流输入电压的额定值变更时，能与其相应改变保护期间的设定。
文档编号H02M3/24GK1691485SQ20041007851
公开日2005年11月2日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年4月23日
发明者白井成昭, 寺田要, 安田悌司 申请人:三菱电机株式会社