专利名称：行频率开关调整器的制作方法
相关专利申请的相互参考这是要求2002年4月4日提交的临时专利申请序号60/370,072的优先权的非临时申请。
背景技术：
本发明涉及用于通信设备的开关模式电源。
典型地，开关模式电源(SMPS)包括开关功率晶体管，具有由工作占空比调制信号控制的、可控的工作占空比。交流(AC)市电电源电压源被耦合到整流器，用于产生为SMPS供电的输入电源电压。典型地，在SMPS的输入端处耦合一个大的输入滤波电容器，用于从整流器中产生的整流后的输入电源电压中滤波出AC分量。通常希望消除大的输入滤波电容器。
典型的SMPS需要生成周期性开关信号，来建立工作占空比调制信号的时序。通常希望利用市电电源电压的周期性波形来建立工作占空比调制信号的时序。由此，可以得到SMPS运行，而不用与生成周期性开关信号有关的附加电路复杂性。
在体现本发明特征的SMPS中，市电电压源被耦合到用于产生输入电源电压的整流器。整流的输入电源电压被未滤波地耦合到SMPS的输入端。具有可控制的工作占空比的开关功率晶体管被工作占空比调制信号控制，用来从整流的输入电源电压产生调整的输出电源电压。市电电源电压的周期性波形被使用来建立工作占空比调制信号的时序。
在实现本发明性特征时，在每个周期，当晶体管已被充分接通和在它的主电流导通端之间形成的电压是低的或接近于零伏时，在晶体管中开始流电流。由此，功率消耗有利地是小的。当输出电源电压达到阈值电平时，晶体管被关断。
在实现另一个发明性特征时，提供滞后，以防止晶体管在它被关断后在同一个周期内被再次接通。由此，有利地，防止晶体管在同一个周期中，在它的主电流导通端之间形成的电压在接近于零伏时不再次接通。因此，有利地，防止增加的功率消耗。
发明概要体现本发明特征的开关模式电源包括周期性输入电源电压的源和滤波电容器。功率开关半导体被耦合到该源和电容器，用于在半导体中生成以与输入电源电压的频率有关的频率的、具有在第一方向的第一过渡状态和在相反方向的第二过渡状态的周期性整流的供电电流脉冲，以便在电容器中形成输出电源电压。第一开关控制信号的源被提供来调节半导体在第一过渡状态之前导通，以便在第一过渡状态期间在半导体中提供零电压切换。比较器根据表示输出电源电压的信号和参考电平的信号，用于生成第二开关控制信号，使得半导体按照输出电源电压与参考电平信号之间的差值产生被调制的电流脉冲的第二过渡状态。比较器具有正反馈信号路径，它提供相对于输出电源电压的滞后。
附图简述
图1显示从市电电源电压产生的未滤波的全波整流的正弦波波形，它对于解释图2的电路的运行是有用的；图2显示体现本发明特征的开关模式电源；以及图3a，3b，和3c显示对于解释图2的电源的运行有用的波形。
优选实施例描述图2示出包括体现本发明特征的开关模式调整器的开关模式电源。市电电源电压VM经由电力变压器T1加到桥式整流器101。在整流器101的端子102a或102b处形成的电压Vin被耦合到调整器的发射极，经由端子102a或102b串行传送到开关晶体管Q1。晶体管Q1与整流器或二极管D2串联耦合，形成开关半导体。晶体管Q1的集电极经由二极管D2耦合到滤波电容器C1，用于在电容器C1上产生调整后的输出电源电压Vout。
电压Vout经由包括电阻R7和电阻R6(例如，具有相等的数值)组成的分压器耦合到比较器的倒相输入端，或LM324型运算放大器U1的管脚2。参考电压Vref经由可调节的分压器电阻R10和电阻R5被耦合到放大器U1的非倒相输入端(管脚3)，以便在放大器U1的非倒相输入端(管脚3)处建立参考电压Vref1。放大器U1的输出端(管脚1)经由电阻R2和电阻R3形成的分压器耦合到开关晶体管Q2的基极。晶体管Q2的集电极经由限流电阻R1耦合到晶体管Q1的基极。
图1和3a-3c显示对于解释图2的开关调整器100的运行有用的波形。在图1，2和3a-3c上相同的符号和数字表示相同的项目或功能。
假设图2的桥式整流器101的端子102a与晶体管Q1的发射极端子102b分隔开，以字母“x”的形式的虚线表示。还假设，电阻性负荷(未示出)加到端子102a。在这种情形下，在图2的端子102a处输入电源电压Vin的波形是具有例如60Hz的行频率的市电电源电压VM的未滤波的全波整流的正弦波形。在以下的说明中，假设端子102a和102b互相连接，如图2所示，并处在相同的电位。
在图3b的电压Vin的每个周期9期间，只要图3a的电压Vout低于图2的放大器U1的非倒相输入端(管脚3)上的电压的两倍，在管脚1上的、放大器U1的输出电压是高电平，也就是基本上等于放大器U1的20伏电源电压(未示出)。结果，晶体管Q2接通，造成晶体管Q1接通处在饱和条件。因此，有利地，晶体管Q1在图3c的电流Ieq1流入晶体管Q1之前被调节为导通。
当前电压Vin成为足够大而正向偏置二极管D2时，正如电压Vin在图1的虚线以上的一部分所表示的，图2的晶体管Q1的集电极-发射极电压(未示出)改变极性。因此，图3c的整流的供电电流Ieq1开始流过包括图2的晶体管Q1、二极管D2和滤波电容器C1的电流路径，充电电容器C1，以及产生电压Vout。电压Vout在图3b的时间间隔t1期间连同电压Vin的瞬时值一起变化。图3c示出当图2的电压Vout被耦合到例如11欧姆的负载(未示出)时在时间间隔t1期间在图2的晶体管Q1中的发射极电流Ieq1的波形。
在实现本发明特征时，当图3b的电压Vin大约等于图3a的电压Vout或图2的晶体管Q1的集电极-发射极电压(未示出)的幅度很小时，通过在图2的晶体管Q1中开始图3c的电流Ieq1的流动，以功率有效的方式调整图3a的输出电压Vout。在晶体管Q1已被调节为导通后，图3c的电流Ieq1开始流入图2的晶体管Q1。所以，有利地，当晶体管Q1接通时，提供零电压切换。结果是，比起如果在图3c的发射极电流Ieq1开始之前在图2的晶体管Q1的发射极和集电极之间形成很大的电压差来说，在晶体管Q1中耗散更低的功率。
当图3a的电压Vout达到等于图2的放大器U1的非倒相输入端(管脚2)处的电压的两倍的阈值电平时，在管脚1处放大器U1输出达到低电平，造成晶体管Q2和Q1关断。电压Vout没有增加到很大地大于放大器U1的非倒相输入端(管脚3)处的电压的两倍。所以，在过渡间隔期间(未示出)，当晶体管Q1关断时，晶体管Q1的功率消耗也是有利地很小的。在图3b的电压Vin的每个周期T中重复进行再补充电容器C1上的电荷的过程，该电荷被负载电路(未示出)去除。
体现本发明特性的、图2的正反馈从放大器U1的输出端(管脚1)被耦合到放大器U1的非倒相输入端(管脚3)，以提供滞后。正反馈电阻R4使得在放大器U1的倒相输入端(管脚2)处的电压与非倒相输入端(管脚3)处的电压之间的电压差进一步增加。
由此，滞后防止放大器U1再次接通晶体管Q1，避免在电压Vin的斜坡下降部分Vindr期间多次出现图3c的电流Ieq1的脉冲。如果没有滞后，当在图2的晶体管Q1的发射极与集电极之间的电压差很大和大于零时，图2的放大器U1在图3的相同的周期T期间能够接通晶体管Q1，产生在晶体管Q1和二极管D2中的电流Ieq1的第二个脉冲。由此，滞后通过阻止零电压切换而阻止晶体管Q1中功率耗散增加。
实现本发明特征的下拉二极管D3被耦合在晶体管Q1的发射极与放大器U1的倒相输入端(管脚2)之间。下拉二极管D3把电压Vin耦合到放大器U1的倒相输入端管脚2。在图3b的电压Vin的斜坡下降部分Vindr期间减小电压Vin，使得放大器U1的输出端(管脚1)处的电压再次达到高电平。因此，有利地，晶体管Q1在准备到下一个周期时被调节成导通。
二极管D2在紧接在晶体管Q1被调节成导通后被反向偏置。所以，在导通的晶体管Q1中的电流被阻止，否则它会将电容器C1放电，直至图3c的下一个导通间隔t1a为止。仅仅当图3b的电压Vin再次达到大约等于图3a的电压Vout的电平时，二极管D2才开始再次导通图3c的电流Ieq，正如前面描述的。
电压Vout的电平，有利地，在图3b的每个周期T内保持为基本上相同的，而不管输入电压Vin的幅度变化。输出负载电流的变化可以改变图3a的峰峰起伏电压VRIPPLE。然而，DC输出电压Vout的平均值保持不变。正如熟知的起伏电压VRIPPLE可以通过适当地选择电容器C1相对于负载的数值而加以控制。因此，实现对输入电压变化和对负载变化的调整。
图2的二极管D1，电容器C2，和电阻R8形成过渡状态抑制器。当晶体管Q1关断时，变压器T1的泄漏电感使产生高电压尖峰(未示出)的电流流过，这会损坏晶体管Q1和/或在调整的输出中产生噪声。二极管D1和电容器C2导通这个尖峰，且电阻R8提供对于生成的电压的泄漏路径。电阻R8、电容器C2和二极管D1的阴极的连接端106也被使用来提供辅助电源电压，诸如对于供电给放大器U1或其他电路所需要的。在图2的电路中，它被使用来产生参考电压Vref。
权利要求
1.一种开关模式电源，包括周期性输入电源电压的源；滤波电容器；被耦合到所述源和所述电容器的功率开关半导体，用于在所述半导体中生成以与所述输入电源电压的频率有关的频率的、在第一方向具有第一过渡状态和在相反方向具有第二过渡状态的周期性整流的供电电流脉冲，以便在所述电容器中形成输出电源电压；第一开关控制信号源，用于设定使所述半导体在所述第一过渡状态之前导通，以便在所述第一过渡状态期间在所述半导体中提供零电压切换；比较器，根据表示所述输出电源电压的信号和参考电平的信号，用于生成第二开关控制信号，使得所述半导体按照在所述输出电源电压与所述参考电平信号之间的差值产生被调整后的所述电流脉冲的所述第二过渡状态，所述比较器具有正反馈信号路径，它提供相对于所述输出电源电压的滞后。
2.按照权利要求1的电源，其中当所述输入电源电压与所述输出电源电压的瞬时电平之间达到第一差值时出现所述第一过渡状态。
3.按照权利要求1的电源，其中所述滞后阻止所述半导体在所述输入电源电压的给定的周期内生成多个电流脉冲，以便保持零电压切换。
4.按照权利要求1的电源，其中所述开关半导体包括串行传送晶体管。
5.按照权利要求4的电源，其中所述串行传送晶体管与整流器串联连接，用于阻止所述电容器在所述整流的供电电流脉冲以外，经由所述晶体管进行放电。
6.按照权利要求4的电源，其中当在所述晶体管的一对主电流导通端子之间形成的电压改变极性时出现所述第一过渡状态。
7.按照权利要求4的电源，其中所述输入电源电压经由旁路所述晶体管中主电流导通路径的信号路径被耦合到所述晶体管的控制端，在所述晶体管的所述控制端处生成所述第一开关控制信号。
8.按照权利要求1的电源，还包括整流器，用于整流市电电源电压，产生具有正弦波整流的波形的所述输入电源电压。
9.一种开关模式电源，包括周期性输入电源电压的源；滤波电容器；被耦合到所述源和所述电容器的功率开关晶体管，用于在所述晶体管中生成以与所述输入电源电压的频率有关的频率的、在第一方向具有第一过渡状态和在相反方向具有第二过渡状态的周期性整流的供电电流脉冲，以便在所述电容器中形成输出电源电压；所述输入电源电压经由旁路所述晶体管中主电流导通路径的信号路径被耦合到所述晶体管的控制端，在所述晶体管的所述控制端处生成所述第一开关控制信号，用于设定使所述晶体管在所述第一过渡状态之前导通，以便在所述第一过渡状态期间在所述晶体管中提供零电压切换；以及比较器，根据表示所述输出电源电压的信号和参考电平的信号，用于生成第二开关控制信号，使得所述半导体按照在所述输出电源电压与所述参考电平信号之间的差值产生被调整后的所述电流脉冲的所述第二过渡状态。
10.按照权利要求9的电源，其中所述晶体管包括串行传送晶体管。
11.按照权利要求10的电源，其中所述串行传送晶体管与整流器串联连接，用于阻止所述电容器在所述整流的供电电流脉冲以外，经由所述晶体管进行放电。
12.按照权利要求9的电源，其中旁路所述主电流导通路径的所述信号路径包括所述比较器。
13.按照权利要求9的电源，其中当在所述晶体管的一对主电流导通端子之间形成的电压改变极性时出现所述第一过渡状态。
全文摘要
在开关模式电源(SMPS)中，市电电压源被耦合到用于产生输入电源电压的整流器。整流的输入电源电压被未滤波地耦合到SMPS的输入端。具有可控制的工作占空比的开关功率晶体管被工作占空比调制信号控制，用来从整流的输入电源电压产生调整的输出电源电压。市电电源电压的周期性波形被使用来建立工作占空比调制信号的时序。在每个周期，当晶体管已被充分地接通和在它的主电流导通端之间形成的电压是低的或接近于零伏时，在晶体管中开始电流流动。由此，功率消耗有利地是小的。当输出电源电压达到需要的电平时，晶体管被关断。提供滞后来防止晶体管在它被关断后在同一个周期内被再次接通。
文档编号H02M1/08GK1643468SQ03807323
公开日2005年7月20日 申请日期2003年4月2日 优先权日2002年4月4日
发明者M·W·穆特尔斯保 申请人:汤姆森许可公司