专利名称：电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源。
背景技术：
使用分立部件的开关电源通常由至少两个晶体管构成。一个晶体管用于开关与晶 体管的主电流路径串联耦合的变压器的初级绕组中的电流。另一个晶体管用于提供第一晶 体管中的过电流保护。将功率开关金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)用作有源元 件地形成开关电源，以便没有任何附加有源元件地通过M0SEFT既提供自激振荡又提供过 电流保护也许是人们所希望的。在实现一个发明特征时，包括在M0SFET的正反馈(positive feedback)路径中的 变压器具有带抽头自耦变压器绕组。M0SFET的源极端经由限流或电流取样电阻器与带抽头 自耦变压器绕组的第一和第二绕组之间的接合端耦合。第一绕组形成变压器的初级绕组， 而第二绕组与M0SFET的栅极端耦合形成再生反馈(regenerative feedback)路径。在实现另一个发明特征时，第二绕组与栅极端直流(DC)耦合，以避免在正反馈路 径中需要任何分立电容器。从而，有利地简化了电源。
发明内容
体现本发明一个方面的电源包括输入供电电压源。变压器与负载耦合以便对所述 负载供电。开关、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)具有与所述变压器耦合的 源极端，并具有与所述输入供电电压源耦合的漏极端。产生将磁能储存在所述变压器中的 斜坡电流。所述斜坡电流在所述M0SFET的所述源极端上形成电压。当所述M0SFET导电 时，在所述M0SFET的转换周期(switching cycle)的第一部分期间，以再生反馈方式，通过 自耦变压行为(auto-transformer action)，经由所述变压器将所述源极端电压耦合到所 述M0SFET的栅极端。电流取样电阻器耦合在所述斜坡电流的电流路径中，以便在所述电阻 器电压中形成斜坡负反馈电压(degenerative voltage)，以依照所述电阻器电压降低所述 M0SFET的导电性，直到达到所述M0SFET的截止阈值电压。当达到所述M0SFET的所述截止 阈值电压时，所述源极端电压以负反馈(degenerative feedback)方式变化。所述源极端 电压的变化一直持续到所述M0SFET在所述周期部分的结束时变成不导电。所述M0SFET保 持不导电，直到在所述转换周期的随后第二部分结束时，所述储存磁能产生的振荡谐振电 压使所述M0SFET再次导电。
图1例示了本发明的第一实施例；图2a、2b、2c和2d提供了图1的布置中的相应波形；和图3例示了本发明的第二实施例。
具体实施例方式图1描绘了开关电源100。开关、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) Ql具有与输入供电电压Vin耦合的漏极端101。供电电压Vin被滤波电容器Cl滤波或解 耦。MOSFET Ql的源极端102经由限流或电流取样电阻器R2与耦接在变压器Trl的绕组nl 和绕组n2之间的变压器抽头或中间端103耦合。绕组nl和π2提供自耦变压行为。变压 器Trl由气隙为0. Imm(毫米)的铁芯Ε16型形成。绕组nl有130匝，并且具有190mH(毫 享)的电感。绕组π2有16阻，并且具有2. SmH的电感。变压器Trl的绕组η3有8匝，并 且具有0. 7mH的电感。漏极电流Il的主电流路径包括漏极端101、源极端102和限流电阻器R2。当 MOSFET Ql导电时，电流Il流过，以便将磁能储存在变压器Trl中。当MOSFET Ql导电时， 源极电压Vs经由电阻器R2耦合到端子103，以便通过绕组nl和n2的自耦变压行为，在绕 组η2中产生电压V (η2)。在实现一个发明特征时，源极端102经由绕组η2和齐纳二极管Dl与MOSFET Ql 的栅极端105直流(DC)耦合。齐纳二极管Dl以击穿方式工作，以提供DC电压电平移位。 从而，有利地，在端子102和105之间的信号路径中无需分立耦合电容器。图2a、2b、2c和2d提供了可用于说明图1的电源100的相应波形。图2a、2b、2c、 2d和图1中的类似符号和数字表示类似项目或功能。在图2a_2d的转换周期时间T的时间Tl，在图1的栅极端105与变压器中间端103 之间形成的、显示在图2b中的谐振电压Vgt达到MOSFET Ql的接通阈值电平，以在MOSFET Ql中开始导电，如下所述。因此，在源极端102从电压Vin形成电压Vs。电压Vs经由绕 组nl，通过自耦变压行为，以再生反馈方式变压器耦合到绕组π2，以在绕组n2中产生电压 V(n2)。电压V(n2)提高了 MOSFET Ql的导电性，使MOSFET Ql完全导电。因此，在图2c的 周期时间T的间隔T1-T2期间，产生斜坡上升电流(ramp-up current) II。图1的电流取样电阻器R2使得在限流R2中形成相应斜坡上升、负反馈电压 V(R2)，它改变了在图1的栅极端105和源极端102之间形成的栅极-源极电容器Cgs中的 电压Vgs。在间隔T1-T2期间，随着图2c的电流Il进一步增大，电压V(R2)以渐进方式降 低MOSFET Ql的导电性。在图2b的时间T2，达到由电阻器R2和电流Il的值决定的、图1 的MOSFET Ql的导电阈值。因此，图2a中的电压Vs开始下降。在实现另一个发明特征时，电压Vs的下降以负反馈方式使图1的绕组π2中的电 压V(n2)以及电压Vgt相应地下降，直到MOSFET Ql在图2c的时间T3变成不导电。因此， 有利地，MOSFET Ql形成过电流保护信号路径中的唯一有源元件，既提供自激振荡又提供过 电流保护。将传统缓冲网络(snubber network) 110与端子103耦合，以便从图2a的时间 T2开始，执行缓冲网络功能。作为电流Il停止流入绕组nl中的结果，图1的变压器Trl中的储存磁能以接通整 流二极管D2和产生输出电流12的极性和幅度在变压器Trl的次级绕组n3中产生图1的 回扫电压V(n3)。图2d的电流12对图1的输出滤波电容器C2充电，形成针对电击危害通 过变压器Trl与绕组nl和π2隔离的输出供电电压Vout。电压Vout被施加以对负载104供电。在图2c的周期时间T的随后间隔T3-T3期间，MOSFET Ql保持不导电。在图2d的时间T4，图1的二极管D2变成不导电。因此，变压器Trl中的剩余储存能量在图2b的 电压Vgt中产生振荡谐振电压部分106。在图2b的时间T5，上升电压Vgt使栅极-源极电 压Vgs超过图1的MOSFET Q1的阈值，使MOSFET Q1在图2c的间隔T3-T5结束时导电，开 始下一轮周期。在启动时，与栅极端105耦合的图1的启动电阻器R1产生对寄生栅极电容器Cgs 充电的电流，直到MOSFET Q1接通。电阻器R1只有在启动的时候才需要，其值可以在兆欧范 围内。当电流II开始流入变压器Trl的绕组nl中时，在绕组n2中形成电压V(n2)。电压 V(n2)使电压Vgt升高，并且与上述的方式类似，以再生反馈方式支持MOSFET Q1的接通。包括电阻器R3、参考电压产生齐纳二极管D3、和与电压Vout耦合的光耦合器U1 的发光元件的串联布置提供次级侧调节。当电压Vout是大于6V(伏)的阈值电压时，二极 管D3开始导电。因此，光耦合器U1箝位电压Vgs，以便防止MOSFET Q1接通，直到电压Vout 降低到6V以下的电平。效率是60%，因此在输出功率为1W(瓦)或更小的其它电源的范围 之内。图3描绘了形成作为降压转换器的本发明第二实施例的电源100'。图3和图1 中的类似符号和数字指示类似项目或功能。续流或保护(catch) 二极管D4'与二极管D1' 的阳极连接。绕组n2'具有末端111'。末端111'形成与二极管D1'和D4'的接合端。 绕组nl'具有末端112'。末端112'形成电容器C2'和电阻器R3之间的接合端。单个 晶体管Q1'如针对图1所述自主地振荡。变压器Trl'由具有直圆柱棒的铁芯形成。绕组 nl'有70匝，并且具有50mH的电感。绕组n2'有15匝，并且具有2. 5mH的电感。
权利要求
一种电源，包含输入供电电压源；与负载耦合以便对所述负载供电的变压器；开关、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，具有与所述变压器耦合的源极端；并具有与所述输入供电电压源耦合的漏极端，用于产生将磁能储存在所述变压器中的斜坡电流，以及用于在所述MOSFET的所述源极端上形成电压，当所述MOSFET导电时，在所述MOSFET的转换周期的第一部分期间，以再生反馈方式，通过自耦变压行为，经由所述变压器将所述源极端的电压耦合到所述MOSFET的栅极端；和电流取样电阻器，耦合在所述斜坡电流的电流路径中，用于在所述电阻器中形成斜坡负反馈电压，依照所述电阻器电压降低所述MOSFET的导电性，直到达到所述MOSFET的截止阈值电压，以便当达到所述MOSFET的所述截止阈值电压时，所述源极端电压以负反馈方式变化，直到所述MOSFET在所述周期的第一部分结束时变成不导电，所述MOSFET保持不导电，直到在所述转换周期的随后第二部分结束时，所述储存磁能产生的振荡谐振电压使所述MOSFET再次导电。
2.按照权利要求1所述的电源，其中，所述源极端经由所述变压器的第一绕组与所述 栅极端耦合，形成直流(DC)信号路径。
3.按照权利要求2所述的电源，其中，所述第一绕组经由DC电平移位器与所述栅极端華禹合。
4.按照权利要求3所述的电源，其中，所述电平移位器包含齐纳二极管。
5.按照权利要求1所述的电源，其中，所述变压器包括与所述栅极端耦合的第一变压 器绕组、和经由接合端与所述第一绕组耦合以提供自耦变压行为的第二变压器绕组，和其 中，所述电阻器耦合在所述源极端与所述接合端之间。
6.按照权利要求1所述的电源，其中，所述电阻器提供所述MOSFET中的过电流的保护。
7.按照权利要求1所述的电源，其中，所述MOSFET形成信号路径中既提供自激振荡又 提供过电流保护的唯一有源元件。
8.按照权利要求1所述的电源，进一步包含与所述MOSFET耦合以便调节所述电源的输 出的第二晶体管。
9.一种电源，包含输入供电电压源；与负载耦合以便对所述负载供电的变压器，所述变压器具有第一变压器绕组和第二变 压器绕组以提供自耦变压行为；和开关、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，具有与所述第一和第二绕组之 间的接合端耦合的源极端；与所述输入供电电压源耦合的漏极端；和与所述第一绕组的、 远离所述接合端的那一端耦合以形成再生反馈方式的栅极端，所述再生反馈方式产生自激 振荡，以便所述源极端通过自耦变压行为与所述栅极端耦合，经由所述第一绕组在所述源 极端与所述栅极端之间形成直流(DC)信号路径，所述MOSFET形成信号路径中提供自激振 荡的唯一有源元件。
10.按照权利要求9所述的电源，进一步包含耦合在所述源极端与所述接合端之间的 电流取样电阻器。
11.按照权利要求9所述的电源，其中，所述第一绕组经由DC电平移位器与所述栅极端華禹合。
12.按照权利要求11所述的电源，其中，所述电平移位器是齐纳二极管。
全文摘要
开关电源(100)包括没有任何附加晶体管地既提供自激振荡又提供过电流保护的单个功率开关金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(Q1)。包括在MOSFET的正反馈路径中的变压器(Tr1)具有带抽头(中间端103)自耦变压器绕组。MOSFET的源极端(102)经由限流电阻器(R2)与带抽头自耦变压器(Tr1)的第一(n1)和第二(n2)绕组之间的接合端耦合。第一绕组形成变压器的初级绕组，而第二绕组与MOSFET的栅极端耦合形成再生反馈路径。第二绕组与栅极端直流(DC)耦合，以避免在正反馈路径中需要任何分立电容器。
文档编号H02M3/00GK101878585SQ200780101726
公开日2010年11月3日 申请日期2007年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者安顿·W·凯勒 申请人:汤姆森特许公司