专利名称：具有一变压器并在其次级侧有一导通/关断开关的电源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源电路，该电源电路包括一个变压器，该变压器具有一个用于接收初级电压的初级绕组和一个用于产生次级电压的次级绕组；一个负载装置和一个整流二极管，该负载装置和整流二极管与次级绕组串联连接以便给负载装置提供电流；和一个导通/关断开关，用于中断由次级绕组提供给负载装置的电流。
这种电源电路用在便携式电源供电的设备中，该设备可以或不包括可充电电池。变压器提供了与电源的隔离，由于安全的原因需要这种隔离。尤其是在包括可充电电池的便携式设备中，为了提高效率，特别是为了减小电源的重量，利用开关型电源来代替常规的50/60Hz变压器具有增加的趋势。另一种发展趋势是使电源和具有电池的实际装置之间分开。有一种趋向于“电源插头”的趋势，该电源插头包括有开关型电源和变压器并且提供一个不危险的隔离低电压以便用于待与电源插头连接的装置中。如果存在，那么该装置容纳有包括可充电电池的其它电源部件。由于该装置本身与电源电压是隔离的，所以不严格或一点不强迫地执行这样的规定。如果在变压器的次级电路中已经包括导通/关断开关，那么它也适合于该装置的导通/关断开关，如在
图1中所示，图1表示一个已知的电路结构，在该电路结构中，在由负载装置和整流二极管构成次级电路中包括有一个导通/关断开关。该导通/关断开关可以是一种常规的手操作开关。此外，导通/关断开关可以是一种电子开关，如从DE 43 39 160 C1中可知，除了在电源插头中设置的控制装置之外或代替在电源插头中设置的控制装置，利用负载装置以这样一种频率和占空因数控制使该电子开关能够被导通和关断，即把平均电流设定为一个希望值，以便例如对电池充电。尤其是在具有可充电电池的装置中，电子系列开关应该能够操作大电流并且消耗功率。由于利用一个从负载装置来的控制信号使该电子开关导通，所以在放完电的电池和电子系列开关在电源插头与电源电压连接的时刻上不再导通的情况下，控制信号将是小的或不存在的。
根据本发明，为了解决上述的问题，在上述段中限定型式的电源电路的特征是导通/关断开关被布置与负载装置并联连接以便提供一个除了负载装置的电流通路之外的另一个电流通路，该电源电路还包括用于把次级电压与一个基准相比较的测量装置；和用于根据比较的结果把该电流的电流强度转换成一个预定的比较小的电流值的装置。与负载装置并联的导通/关断开关实际上使电源电路短路。该短路引起了次级电压的下降，利用测量装置来检测该电压下降。该测量装置把电源转换成一个预定的比较小的供电电流，该小电流持续流过导通/关断开关。该小的供电电流值和导通/关断开关的电阻值确定了在短路期间的次级电压，当导通/关断开关被断开时这个电压与负载装置的正常操作电压是完全不同的。由于该开关几乎不损耗功率，只要电源电路检测到一个次级侧的短路，通过导通/关断开关的小电流就被持续。通过永久地闭合导通/关断开关使供给负载装置的电源实际上被关断。利用手或在负载装置的控制下能够实现这种闭合。当由负载装置以一个给定的周期使导通/关断开关导通和关断时，能够获得一个占空因数控制，它使由电源电路提供的电流在预定的小值和额定的操作值之间变化。因此，例如能够控制负载装置上的操作电压和/或可充电电池的充电电流。负载装置借助于次级电压的短路与电源连通。
在短路条件下转换成预定小电流在电源方面类似折回，其中当过载即将来临时，输出电流被减小。然而，在折回的情况下，为了把电源转换成一个预定小输出电流，利用一个导通/关断开关故意地使电源短路，或周期地用于占空因数控制或是永久地使电源关断。
逆向变换器非常适合于根据本发明的电源电路。为此目的，一种电源电路的实施例的特征是变压器构成了一个逆向变换器的一部分，该逆向变换器包括一个开关晶体管，该开关晶体管具有一个与初级绕组串联连接的主电流通路和具有一个接收从一个控制电路来的控制脉冲的控制极，该控制电路具有一个接收用于转换电流强度的转换信号的控制输入端；该变压器还包括一个第三绕组，该第三绕组用于提供一个与次级电压成正比的测量电压；该电源电路还包括一个用于检测测量电压的幅值和用于提供一个幅值信号的检测器；一个用于提供基准的基准源；一个用于把幅值信号与基准进行比较和用于根据比较的结果产生转换信号的比较器。
变压器的第三绕组上的测量电压代表次级电压。次级电压的短路产生了测量电压的幅值变化，借助于检测器、基准源和比较器来检测该变化并且把该变化变换成一个转换信号，借助于该转换信号，例如，通过减小逆向变换器的频率，或通过减小流过逆向变换器的开关晶体管的电流，或利用其它的方法减小逆向变换器的有效电流。
短路可能对负载装置和/或电源电路的操作产生不利的影响。这种影响能够被消除，因为与另一个二极管串联的导通/关断开关跨接在次级绕组上。由于负载装置与短路的次级电压是隔离的，所以当导通/关断开关闭合时，整流二极管被断开。另一种方案是设置另一个二极管与整流二极管串联连接并且把导通/关断开关连接到位于两个二极管之间的节点上。特别是在一种逆向变换器的情况下，在正向时间间隔中，即当开关晶体管导通时为了防止次级绕组被短路，该二极管是很重要的。
下面根据参照附图描述的实施例来描述和说明本发明的其它方面。
图1是一个已知电源电路的原理图；图2A是表示一个已知电源电路的第一电流-电压特性图；图2B是表示一个已知电源电路的第二电流-电压的折回特性图；图3表示根据本发明的电源电路的电流-电压特性图；图4表示根据本发明的电源电路的第一实施例的原理图；图5表示根据本发明的电源电路的第二实施例的原理图；图6表示根据本发明的电源电路的一种实施例的电路图。
在这些图中具有相同功能的部分和元件具有相同的参照符号。
图1示出了一种用于便携式设备的常规电源系统，这种便携式设备例如是电池充电器、电动剃刀、便携式收音机、移动电话、私人音频设备、真空吸尘器、电动牙刷、电动刀、钻孔器等等。许多这些装置具有借助于一个电源电压适配器进行充电的可充电电池。一些装置利用一次电池操作和借助于电源电压适配器利用电源来操作。因为电源电压适配器不断减小的尺寸非常接近于常规电源插头的尺寸，所以也称为“电源插头”的电源电压适配器把一个不危险的低电压提供给待供电的装置。电源插头2能够与装置4连接以便对装置4的电池进行充电和/或连续地使装置4进行操作。装置4包括一个由电源插头2或由电池6供电的负载装置8。如果装置4没有一个可充电电池6和例如由电源插头2直接地供电，那么负载装置8包括一个取代电池6的平滑电容器。装置4具有一个导通/关断开关10，它用于把供给装置4的电源接通和关断。导通/关断开关10能够是一个手动操作的机械或电开关，该机械由装置4的使用者来驱动以便使装置4导通和关断，导通/关断开关10可以构成控制系统的一部分，在该控制系统中负载装置8产生一个用于导通/关断开关10的控制输入12的控制信号。该控制信号根据一个周期的波形使导通/关断开关进行导通和关断，以便控制负载装置8上的平均电压或控制通过负载装置8的平均电流或控制通过可充电电池6的平均电流以获得一个希望的值。图2A示出了一个例子，在该例子中，与导通/关断开关10结合在一起或不与导通/关断开关10结合在一起的电源插头2在负载装置8上产生一个实际上恒定的额定电压Unom，电流被限制到一个最大电流强度Imax。然而，也能够进行恒定电流控制，例如经常是用于对电池6进行充电的情况。图2B示出了具有电流-电压折回特性的另一个例子，其中输出电流随着负载的增加而减小。
电源插头2包括一个变压器14，该变压器14具有一个初级绕组16和一个次级绕组18，该变压器借助于一个整流二极管20给装置4提供整流电压。变压器14构成了一个开关型电源的一部分，它把电源电压22变换成一个低的无危险的直流电压以供给待供电的装置4。以前利用非常小型的变压器取代常规50/60Hz变压器，该小型变压器构成了具有高效率和小体积的开关型电源的一部分。虽然能够把电源电压适配器作为一个整体加入到便携式装置中，但是它的优点是把具有变压器的适配器与该装置分离，因为，一方面，减小该装置的重量和体积，另一方面，在该装置的电安全方面没有施加严格的要求或很少施加严格的要求。
通过导通/关断开关10的平均电流能够是相当大的，特别是在电池6的充电期间。如果导通/关断开关10包括一个开关晶体管，那么该晶体管产生热并且导致了不需要的高损耗。如果电池已经被耗尽以致于导通/关断开关10的驱动不再起作用，那么当电源插头2被连接时电源系统将不能起动。该装置呈现出一个闭锁状态并且不能进行充电。通过不仅由负载装置8而且由在装置4中的附加电子电路来控制导通/关断开关10能够消除这种闭锁状态，该附加电子电路是在导通/关断开关10之前与电源插头2连接的。
在根据本发明的电源电路中不需要导通/关断开关10和附加电子电路用在消除闭锁的损耗。根据本发明，导通/关断开关10不作为一个串联开关被使用，而是作为一个使电源插头2短路的短路开关被使用。电源插头2以这样的方式被设计以致于当检测到一个短路时，电源插头2的输出电流被减小到一个预定的固定小值。当短路中止时，现有电流被恢复到它的原始较高值。图3示出了根据本发明的电源插头的电流-电压特性图。只要没有检测到短路，负载装置上的电压就等于一个额定操作电压Unom(电压控制)或通过负载装置的电流就等于一个额定电流Imax(电流控制)。然而，如果借助于导通/关断开关10故意地使电源插头短路，那么由电源插头2提供的电流下降到一个固定的小电流值IL。当短路时电压下降和当电压下降到低于一个阈值电压UL时电源插头2转换成小电流IL供电。该小电流IL流过导通/关断开关10的内部电阻，因此导通/关断开关10上电压降将小于或等于阈值电压UL。该阈值电压UL例如是额定电压Unom的30％。小电流IL的值能够是非常小的，以致于在导通/关断开关10中和在电源插头2中几乎没有损耗。因此，利用一个便宜的低功率FET能够实现导通/关断开关10，该FET在其导通状态中具有相当高的漏极-源极电阻。
图4示出了一个第一实施例。导通/关断开关10与负载装置8并联布置，并且为了防止电池6和负载装置8由导通/关断开关10短路，一个第二二极管24与整流二极管20串联布置以便把负载装置8和电池6与导通/关断开关10隔离。当导通/关断开关10闭合时，第二二极管24被关断。如果需要，导通/关断开关10也能够被容纳在电源插头2中，但是在电源插头2和装置4之间需要一个附加的连接线。如在前面所述的，利用手或利用具有占空因数控制的控制信号能够驱动导通/关断开关10。在短路的情况下，只有小电流IL流过导通/关断开关10并且第二二极管24是关断的。当导通/关断开关10被打开时，一个操作电流通过整流二极管20和第二二极管24提供给负载装置8和/或电池6。如果需要，负载装置8能够调制导通/关断开关10的占空因数，以便给操作电流或操作电压一个确定值来为负载装置8供电和/或对电池6进行充电。
图5示出了另一种结构，在该结构中整流二极管20被容纳在装置4中，并且与导通/关断开关10串联连接的第二二极管24直接地与次级绕组18连接。在电源插头2中的初级绕组借助于开关型电源的开关晶体管与整流的电源电压连接的时间间隔期间，该第二二极管24防止次级绕组18被短路。
当电池完全耗尽时，即电池至少具有低于阈值电压UL的电压时，虽然实际上希望一个大的充电电流，但是电源插头根据图3中的特性曲线与具有小电流IL的电压相对应。这种情况持续进行直到电池6已经积蓄了如此多的电荷，以致于超过了阈值电压UL。这种状态的持续时间取决于小电流值和串联连接电池单元的数量。
图6作为一个例子示出了根据本发明的电源电路的原理图。该电路是一个逆向变换器，它包括设置有一个测量电路26的变压器14，该测量电路26用于检测由导通/关断开关10产生的次级绕组电压的短路，在当前的情况下设置有一个NMOS晶体管28，它的栅极由负载装置8来控制。变压器14的初级绕组16借助于一个NMOS开关晶体管30被连接到一个直流电压上，该直流电压是借助于一个桥式整流器32和一个平滑电容器34从电源电压22获得的。开关晶体管30具有与一个控制电路36连接的源极和栅极，该控制电路36为开关晶体管30提供控制脉冲。利用在控制电路36中的一个电子电路来确定控制脉冲的持续时间和重复频率，该电子电路本身对于在逆向变换器的技术领域里的技术人员来说是公知的。在控制电路36中利用公知的方法也能够控制和改变通过NMOS开关晶体管30的峰值电流，以便满足负载装置8和/或电池6的脉动电流或脉动电压的要求。控制电路36具有一个输入端38，一个转换信号被提供给该输入端38，利用该转换信号来改变开关晶体管30的控制，以便把流过开关晶体管30的平均电流减小到与在初级电路中的小电流IL对应的一个值。例如，通过利用一个给定的因数来减小用于开关晶体管30的栅极的控制脉冲的开关频率并且同时通过固定流过开关晶体管30的峰值电流能够实现上述的控制。
测量电路26包括一个第三绕组40，该第三绕组40提供一个与次级绕组18上的电压成正比的测量电压。利用一个检测器42来测量该测量电压的幅值，该检测器的时间常数小得足以跟踪由于短路所产生幅值变化。一个比较器44把检测的测量电压值与由一个基准电压源46来的基准电压UR比较。比较器44的输出信号提供给触发器48的数据输入端D，比较器44的输出信号指示该值是否大于或小于基准电压UR。当通过负载装置8和/或电池6的电流变为零时在测量电压的符号改变的时刻上钟控输入比较器44的输出信号值。为此目的，从第三绕组40来的测量电压借助于一个比较器50提供给触发器48的时钟输入端CL。触发器48的Q-非输出端(QN)与控制电路36的输入端38连接，当接收到比较高的转换信号时，该Q-非输出端(QN)被转换以提供比较小的电流。
当次级绕组18没有由NMOS晶体管28短路时，逆向变换器以正常方式操作，在该操作方式中通过初级绕组16的电流脉冲的幅值和/或频率以这样的方式被选择一个比较大的平均电流适合用于负载装置8和/或电池6。在第三绕组40上的测量电压的幅值比基准电压UR更高而触发器48的Q-非输出端(QN)是低电压。
如果电池6仍然是放空电的或如果具有一个仍然放空电的平滑电容器的负载装置8被接通，那么NMOS晶体管28没有被导通，这种情况实际上是相同的。然而，测量电压的幅值比基准电压UR更小而触发器48的Q-非输出端(QN)是高电压。电源将给负载装置8和/或电池6提供比较小的平均电流的电流脉冲直到超过基准电压UR为止。
在由NMOS晶体管28短路的情况下，通过次级电路的电流脉冲将在二极管20和24中间分流，即如果NMOS晶体管28上的电压降为足够高。然而，当电流脉冲下降到零时将存在这样一个时刻，在该时刻上NMOS晶体管28上的电压降小于负载装置8和/或电池6上的电压。然后二极管20被关断并且次级电压主要由通过NMOS晶体管28的减小的次级电流与NMOS晶体管28的电阻的乘积来确定。检测器42的时间常数用这样的方式来选择，即在产生时钟脉冲的时刻上，即当电流已经变为零时，该检测器的输出电压小于基准电压。Q-非输出端(QN)电压然后升高且控制电路36转换成小电流直到短路已经中止为止。这样允许使用具有一个相当高内阻的简单和便宜的晶体管28。当晶体管28的电阻下降时更接近如上面所述的具有一个低电池电压和/或具有仍然放空电的平滑电容器的情况。
因此，提供给负载装置8和/或电池6的电源能够永久地被导通和关断。显然，也能够选择一个常规的手操作开关来代替晶体管或与晶体管并联。
除了由逆向变换器的现有控制之外或代替由逆向变换器的现有控制，如果需要，根据一种取决于需要的转换形式借助于NMOS晶体管28，负载装置8可以连续地在供给大电流和供给小电流之间转换。
逆向变换器和实现控制电路36功能的电路本身是公知的。一种用于这个目的的装置特别是Philips半导体的IC TEA 1101，该装置具有一个用于转换电路值的输入端。
权利要求
1.一种电源电路，包括一个变压器(14)，该变压器(14)具有一用于接收初级电压的初级绕组(16)和一用于产生次级电压的次级绕组(18)；一个负载装置(8)和一个整流二极管(20)，该负载装置(8)和整流二极管(20)与次级绕组(18)串联连接以便给负载装置(8)提供电流；和一个导通/关断开关(10)，用于中断由次级绕组(18)提供给负载装置(8)的电流，其特征在于导通/关断开关(10)被布置与负载装置(8)并联连接以便提供一个除了负载装置(8)的电流通路之外的另一个电流通路，该电源电路还包括用于把次级电压与一个基准(UR)相比较的测量装置(26)；和用于根据比较的结果把该电流的电流强度转换成一个预定的比较小的电流值的装置(36、38、44、48、50)。
2.根据权利要求1的电源电路，其特征在于变压器(14)构成了一个逆向变换器的一部分，该逆向变换器包括一个开关晶体管(30)，该开关晶体管具有一个与初级绕组(16)串联连接的主电流通路和具有一个接收从一个控制电路(36)来的控制脉冲的控制极，该控制电路具有一个接收用于转换电流强度的转换信号的控制输入端(38)；该变压器(14)还包括一个第三绕组(40)，该第三绕组用于提供一个与次级电压成正比的测量电压；并且该电源电路还包括一个用于检测测量电压的幅值和用于提供一个幅值信号的检测器(42)；一个用于提供基准(UL)的基准源(46)；一个用于把幅值信号与基准进行比较和用于根据比较的结果产生转换信号的比较器(44)。
3.根据权利要求2的电源电路，其特征在于电源电路还包括触发器，该触发器具有一个用于提供一个转换信号的逻辑输出端(QN)，一个用于接收从比较器(44)来的输出信号的数据输入端(D)，和一个用于接收代表测量电压的符号的量值的二进制信号的时钟输入端。
4.根据权利要求1、2或3的电源电路，其特征在于导通/关断开关(10)与另一个二极管(24)串联连接，然后这个串联电路跨接在次级绕组上。
5.根据权利要求1、2或3的电源电路，其特征在于另一个二极管与整流二极管(20)串联连接，并且导通/关断开关(10)与位于该另一个二极管(24)和整流二极管(20)之间的节点连接。
6.根据权利要求1、2、3、4或5的电源电路，其特征在于该负载装置(8)包括一个可充电电池(6)。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6的电源电路，其特征在于该负载装置(8)适合于把负载装置(8)上的电压与一个基准进行比较并且根据比较结果使导通/关断开关(10)导通和断开。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或6的电源电路，其特征在于负载装置(8)适合于把流过负载装置(8)的电流与一个基准比较并且根据比较结果使导通/关断开关(10)导通和断开。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8的电源电路，其特征在于导通/关断开关(10)包括一个开关晶体管(28)。
全文摘要
一种电源电路，特别是一种逆向变换器，包括一个变压器(14)，该变压器(14)的次级绕组(18)借助于一个整流二极管(20)为一个负载装置(8)和一个可充电电池(6)供电。负载装置(8)利用一个与二极管(24)串联连接的开关(28)使次级绕组(18)短路。利用一个测量电路(26)来检测该短路，该测量电路包括一个测量绕组(40)和一个比较器(44)，该比较器(44)把测量绕组(40)上电压的幅值变化与一个阈值(46)比较。当一个短路被检测时，用于控制逆向变换器的开关晶体管(30)的控制电路(36)被转换成一种方式，在该方式中提供一个给定的小电流，该小电流几乎只流过开关(28)。短路一中止，逆向变换器就恢复到它的正常操作方式，如果需要，通过使开关(28)导通和关断负载装置(8)能够把用于给负载装置(8)供电和为电池(6)充电的电流和电压控制到希望的电流和/或电压。
文档编号H02M3/28GK1168200SQ96191460
公开日1997年12月17日 申请日期1996年9月12日 优先权日1995年9月25日
发明者A·L·梅尔斯 申请人:菲利浦电子有限公司