专利名称：电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源装置，更特别地，涉及减少关断开关元件所耗费的时间段。
背景技术：
图7示出作为第一常规例子的常规的自激回扫电源(self-excitedflyback power supply)的电路图的例子。以下将描述自激回扫电源的操作。在图7中，从商用交流(AC) 电源700输入的交变电压经由滤波器电路701被整流电路702和平滑电容器703转换成直 流(DC)电压。变压器(transformer) 704的初级绕组(primary winding)Np和开关元件 706被串联连接。起动电阻器(start resistor) 705被连接在电容器703的正端子和开关 元件706的栅极之间。辅助绕组Nb围绕在变压器704的初级侧。电阻器710被设置在开 关元件706的栅极和源极之间。栅极电阻器709被设置在开关元件706的栅极侧。电流经 由电阻器707和电容器708从辅助绕组Nb流入电阻器709和710。当电流通过电容器703的DC电压而流过起动电阻器705使得开关元件706的栅 极电压上升时，漏极电流流动，并且电流流过初级绕组Np。结果，变压器704被激励，使得在 辅助绕组Nb中感应出电压。因此，开关元件706的栅极电压上升，使得开关元件706被接 通。另一方面，辅助绕组Nb的电压也被供给到包含电阻器711和电容器712的时间常数电 路。电容器712两端的电压也被施加在晶体管713的基极和发射极之间。当电容器712两端的电压上升使得晶体管713被接通时，电流经由电阻器709流 动。因此，开关元件706的栅极电压下降，使得开关元件706被关断。设置电阻器715和二 极管716用于将电容器712放电。当开关元件706被关断时，变压器704的次级绕组Ns的端子电压反转。因此，电 流经由次级整流二极管721流出次级绕组Ns。该电流对电容器722充电。在存储在变压器704中的能量被次级绕组Ns的电感限制的同时，通过该能量对电 容器722充电。在开关元件706被关断的时段中的开关元件706的漏极电压是通过将次级 绕组Ns的电压乘以初级绕组Np的匝数与次级绕组Ns的匝数的比值获得的电压、与对电容 器703充电的电压的和。当次级绕组Ns中的电流变为零时，在开关元件706的漏极处产生的电压开始以对 电容器703进行充电的电压为中心，以由次级绕组Ns的电感和电容器726确定的周期振动。初级绕组Np的电压被反映在辅助绕组Nb上。当开关元件706的漏极电压变得比 电容器703两端的电压低时，向绕组Nb施加电压，使得开关元件706的栅极电压高于其源 极的电压。当电压超过开关元件706的栅极阈值电压时，开关元件706被再次接通，以重复 上述的一系列操作。当电容器722两端的电压上升时，通过被电阻器723和724分割的电压操作分路 调节器725，并且，电流经由电阻器流过光电耦合器PC101。光电耦合器PClOl中的光电二 极管点亮，使得光电耦合器PClOl中的光电晶体管的阻抗降低。
结果，与经由电阻器711对电容器712充电时相比，时间常数电路中的电容器712 两端的电压更早地上升。因此，晶体管713被接通，并且，开关元件706被关断。开关电源 通过这种反馈操作输出预定的电压。图7还示出用于通过初级侧的电流检测来关断初级侧的开关元件706的电路的例 子。 电阻器717的两端分别与晶体管718的基极和电流检测电阻器720连接。开关元件 706被接通，使得漏极电流流过开关元件706。因此，电流检测电阻器720的电压上升。当 晶体管718的基极-发射极电压上升到约0. 6伏时，晶体管718中的基极电流迅速增大。作为晶体管718中的基极电流的Hfe倍的电流流过晶体管718的集电极，以将其 栅极处的电荷放电。因此，开关元件706的栅极电压下降，使得开关元件706被关断。当电源的电容小并且开关元件706的栅极与源极之间的电容以及开关元件706的 栅极与漏极之间的电容小时，可以没有任何问题地使用第一常规例子中的电源装置中的开 关元件706中的电流限制电路(电阻器720和晶体管718)。当电源的输出功率增大并且开 关元件706的电流增大时，栅极与源极之间的电容和栅极与漏极之间的电容较大。因此，难 以迅速将栅极电压设为栅极阈值电压或更小。更具体而言，使开关元件706关断所耗费的时间段(S卩，关断时间)较长，并且，开 关元件706在被完全关断之前限制电流，使得电流检测电阻器720的检测值减小。当电流 检测电阻器720的检测值减小时，晶体管718中的基极电流也减小。因此，晶体管718不流 动用于降低栅极电压的电流，并且，关断时间变长。为了解决该问题，日本专利No. 0370436提出通过以多个段连接晶体管来增大电 流增益的电路。作为第二常规例子，图8示出该电路。如图8所示，该电路具有连接两个段中的晶体管的Dar 1 ington配置。使通过以一 个增益放大晶体管815中的基极电流而获得的电流流出开关元件804的栅极，所述增益是 第一段中的晶体管815的Hfel与第二段中的晶体管817的Hfe2的乘积。这能够使得流 出开关元件804的栅极的栅极电流的量大于当晶体管的数量为一个时的流出开关元件804 的栅极的栅极电流的量，由此使得能够高速关断开关元件804。另外，电路具有变压器802、 起动电阻器803、电阻器805、806、807、810、812、814、816和823、电容器808和811、晶体管 813、二极管818,820,822和824，以及电解电容器801和821。但是，流出电路的栅极的电流即第二段中的晶体管817中的集电极电流Ic2满足 Ic2 = HfelXHfe2X (Vr-Vbe)/R，其取决于检测电压，这里，R是电阻器814的电阻值，Vr是 电流检测电阻器806两端的电压。Vr是开关元件804中的漏极电流Id和电阻器806的电 阻值的积。Vbe是晶体管815的基极-发射极电压。当电流检测电阻器806中的电流减小时，晶体管815中的基极电流减小，并且， 晶体管817中的集电极电流也减小。当开关元件804的栅极电容较大时，在日本专利 No. 0370436中讨论的方法中，关断开关元件804所耗费的时间段变长。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种电源装置包括变压器；开关单元，被配置为控制流 过变压器的初级绕组的电流；电流检测单元，被配置为检测流过初级绕组的电流；电压输 出单元，与变压器的次级绕组连接；接通时间控制单元，与变压器的辅助绕组连接，并且被配置为控制接通开关单元的时间段；以及电流限制单元，被配置为基于检测的电流来限制 流向开关单元的电流，其中，电流限制单元具有自保持单元，所述自保持单元被配置为自保 持其中流向开关单元的电流被限制的状态。参照附图阅读示例性实施例的以下的详细描述，本发明的其它特征和方面将变得清晰。
被包含于说明书中并构成说明书一部分的附图示出本发明的示例性实施例、特征 和方面，并与描述一起用于说明本发明的原理。图1是示出根据第一示例性实施例的配置的电路图。图2示出自保持电路。 图3示出第一示例性实施例中的各单元的波形。图4示出常规例子中的各单元的波形。图5是示出根据第二示例性实施例的配置的电路图。图6是示出根据第三示例性实施例的配置的电路图。图7是示出第一常规例子中的配置的电路图。图8是示出根据第二常规例子的配置的电路图。
具体实施例方式以下，将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。应当注意， 在这些实施例中阐述的部件的相对布置、数值表达式和数值不意图限制本发明的范围。通过采用自激振荡型的开关电源装置为例更加详细地描述用于实施本发明的示 例性实施例。首先，将描述根据第一示例性实施例的自激振荡型的开关电源装置。图1是根据本示例性实施例的自激振荡型的开关电源装置的电路图。在图1中， 开关电源装置包含商用AC电源100、滤波器电路101、二极管桥102、电解电容器103、开关 变压器104、变压器104的初级绕组Np、变压器104的次级绕组Ns、变压器104的偏压绕组 (反馈绕组或辅助绕组)Nb、起动电阻器105、开关元件(场效应晶体管(FET))106、电阻器 107,109和110、以及电容器108。开关电源装置还包含电阻器111、115、117、120、123和124,NPN晶体管113和118 以及PNP晶体管119。晶体管118和晶体管119构成自保持电路。以下将描述自保持电路 的细节。开关电源装置还包含与输出电路对应的电容器112和126、二极管114和116、次 级整流器二极管121、电解电容器122、分路调节器125和光电耦合器PC101。在根据本示例性实施例的电路中，电阻器111和电容器112构成时间常数电路。时 间常数电路和光电耦合器PClOl的各操作与常规例子中的相应操作类似，因此，不重复对 它们的描述。当经由滤波器电路101从商用AC电源100向二极管桥102施加电压时，二极管桥 102对该电压进行全波整流，以对电解电容器103进行峰值充电。因此，在电解电容器103 两端产生DC电压。换句话说，二极管桥102和电解电容器103构成DC电源。在电解电容器103两端产生的DC电压被起动电阻器105、栅极电阻器109和电阻器110分压。在电阻器110中出 现的电压也被施加到开关元件106的栅极和源极之间。当该电压超过开关元件106的栅极 阈值时，开关元件106被接通。当开关元件106被接通时，电流从电解电容器103经由变压器104的初级绕组Np 的串联电路、开关元件106的漏极到源极、以及电阻器120流动。在变压器104的初级绕组 Np以外的绕组中的每一个绕组中，产生与施加到初级绕组Np的电压以及绕组的匝数与初 级绕组Np的匝数的比值对应的电压。在次级绕组Ns中，产生在次级绕组Ns的与二极管121的阳极连接的端子处较低 并且在相对的端子处较高的电压。因此，二极管121被施加反向偏压，使得其中仅流过泄漏 电流。在偏压绕组Nb中，偏压绕组Nb的与二极管116的阴极连接的端子处的电压变高。因 此，使电流经由电阻器107和电容器108流向电阻器109和110。因此，开关元件106的栅极-源极电压进一步上升，使得开关元件106的导通电阻 降低。当开关元件106被接通时，流过变压器104的电流随时间增大，并且，用作电流检测 元件的电流检测电阻器120的电压也上升。电流检测电阻器120的电压上升，使得基极电 流开始流过晶体管118。更具体而言，当由电流检测电阻器120检测的电流超过预定的值 时，基极电流流过晶体管118。
图2示出包含晶体管118和晶体管119的自保持电路。晶体管118试图使作为流过其基极的基极电流的Hfel倍的集电极电流流过其集 电极，其中，Hfel是晶体管118的电流增益。晶体管118中的集电极电流使基极电流流过晶 体管119的基极。晶体管119还使作为基极电流的Hfe2倍的集电极电流流动，其中，Hfe2 是晶体管119的电流增益。因此，电流从晶体管119的发射极流向其集电极，使得晶体管118中的基极电流上 升并且晶体管118中的集电极电流进一步上升。即使流过开关元件106的漏极的漏极电流 减小使得电流检测电阻器120的电压下降，晶体管118中的基极电流也由于由晶体管119 供给而不减小。因此，晶体管118和119持续被接通，而不被漏极电流影响。这种状态是其中电流 限制操作状态被自保持的状态。在通过晶体管被放电时，开关元件106的栅极电压试图下 降到晶体管118和119中的每一个的基极-发射极饱和电压。当开关元件106被关断时，在变压器704的每个绕组中产生电压，并且，电流经由 次级整流器二极管121从次级绕组Ns流动，以对电容器122充电。开关元件106被关断的 时段中的开关元件106的漏极电压是通过将次级绕组Ns的电压乘以初级绕组Np的匝数与 次级绕组Ns的匝数的比值获得的电压与对电解电容器103充电的电压的和。当次级绕组Ns中的电流变为零时，已在开关元件106的漏极处产生的电压开始以 对电解电容器103进行充电的电压为中心、以由初级绕组Np的电感和电容器126确定的周 期振动。绕组Ns的电压被反映在绕组Nb上。因此，在电容器122被充电的时段中，绕组Nb 的电阻器107侧的电压变得低于二极管114的阳极处的电压。因此，经由电阻器115和二 极管116将电容器112上的电荷放电。开关元件106的栅极电压下降到零伏。此时，流过包含晶体管118和119的自保持电路中的晶体管119的发射极的发射极电流减小，并且，从电流检测电阻器120流入晶体 管118的基极的电流变为零。因此，自保持操作停止，使得晶体管118和119被关断。当开关元件106被接通时，为了执行电流限制操作，如上所述，包含晶体管118和 119的自保持电路执行自保持操作，以在关断开关元件106的同时将晶体管固定为ON状态。当开关元件106被关断时，开关元件106的栅极电压变为零伏，并且，自保持电路 中的电流变为零，使得自保持电路被关断。重复该操作，以使得能够对于开关元件106的各 开关执行电流检测操作。通过与第二常规例子中的图8所示的在电源装置中具有Darlington配置的电流 限制电路相比较，将描述使用根据本示例性实施例的自保持电路的电流限制电路。开关元件106中的漏极电流Id可由下式⑴表达，这里，gm是开关元件106的增 益，Vg是开关元件106的栅极电压，并且，Vgs是开关元件106的栅极阈值电压Id = gm(Vg-Vgs)... (1)如果式⑴被微分，那么获得下式(2)
…(2) 在图8中，开关元件804上的栅极电荷Qg由下式(3)表达，这里，Cg是开关元件 804的栅极电容，Vg是开关元件804的栅极电压Qg = CgXVg... (3)通过晶体管817中的集电极电流Ic817将栅极电荷Qg放电Qg = -Ic817 dt... (4)当式(4)被微分并且式(3)被代入式⑷中时，获得下式(5)
…(5) 如图8所示，Darlington配置由晶体管815和817构成。这里，Hfel和Hfe2分别 是晶体管815和817的电流增益，晶体管817中的集电极电流Ic817由下式(6)表达Ic817 = HfelXHfe2X (IdXR806-Vbe)/R814 ...(6)这里，R814是电阻器814的电阻值，R806是电阻器806的电阻值，Vbe是晶体管 815的基极-发射极电压。根据式⑵、(5)和(6)，可以由下式(7)表达开关元件804中的漏极电流Id的变 化率 漏极电流的变化率取决于漏极电流。当开关元件804开始被关断时，开关元件804 中的漏极电流Id减小。当漏极电流减小使得电阻器806两端的电压减小到更加接近晶体 管815的基极-发射极电压的值时，开关元件804中的漏极电流的变化率变为零，使得漏极 电流不减小。通过这种负反馈操作，关断开关元件804所耗费的时间变长。另一方面，将描述根据本示例性实施例的自保持电路。图2示出包含晶体管118 和119的自保持电路。图2也是闸流管的等效电路图。如图2所示，当被视为闸流管的包含晶体管118和119的自保持电路中的阳极电 流由Ia表达时，该阳极电流是晶体管119中的发射极电流，使得Ie2 = Ia0类似地，被视为闸流管的自保持电路中的阴极电流Ik是晶体管118中的发射极电流，使得Iel = Ik。当栅 极电流由Ig表达时，获得下式(8)、(9)、(10)和(11) 开关元件106中的漏极电流的变化率也取决于Id。但是，即使Id = 0，变化率也 不达到零。因此，开关元件106中的漏极电流持续减小。如上所述，在根据本示例性实施例的自保持电路中，可减小随着开关元件106中 的漏极电流的减小的负反馈的影响。这使得维持开关元件106的栅极电压的时间段缩短， 从而使得能够缩短关断开关元件106所耗费的时间段。图3示出根据本示例性实施例的电路的操作波形。图4示出图8所示的常规电路 的操作波形。图3示出开关元件106的漏极电压波形301、电解电容器103的电302、开关元件 106的漏极电流Id波形303、先前由电流检测电阻器120和晶体管118确定的电流限制值 304、开关元件106的栅极电压波形305、开关元件106的栅极阈值电压306、晶体管118的基 极电压307和接通晶体管118的基极-发射极电压308。开关元件106在时段309和311 中为0N，而在时段310中为OFF。图4示出开关元件804的漏极电压波形401、电容器801的电压402、开关元件804 的漏极电流Id波形403、先前由电流检测电阻器806和晶体管815确定的电流限制值404、 开关元件804的栅极电压波形405、开关元件804的栅极阈值电压406、晶体管815的基极 电压407和接通晶体管815的基极-发射极电压408。开关元件804在时段409和411中 为0N，而在时段410为OFF。在常规的电路中，当通过电流检测即在从时段409到时段410的转变时关断开关 元件804时，电流不上升，使得检测电阻器的电压不上升。因此，晶体管815不处于饱和状 态，使得保持开关元件804的栅极电压。因此发现，关断开关元件804所耗费的时间段变长。同时，开关元件804中的漏极 电流403不上升，使得开关元件804的漏极电压开始上升。开关元件804在漏极电压为高 的状态下被关断。另一方面，在根据本示例性实施例的电路中，通过包含晶体管118和119的自保持 电路将开关元件106的栅极电压放电。当栅极电压开始下降一次时，用于栅极电压的放电 电流不由于漏极电流的减小而减小。发现，关断开关元件106所耗费的时间段不变长。自保 持电路可由闸流管元件构成。如上所述，根据本示例性实施例，能够缩短关断开关元件106 所耗费的时间段以减少其开关损失。将描述根据第二示例性实施例的自激振荡型的开关电源装置。第二示例性实施例 是被配置为即使当时间常数电路将开关元件关断时也执行自保持操作的电路的例子。
图5是根据本示例性实施例的自激振荡型的开关电源装置的电路图。在图5中，开 关电源装置包含商用AC电源500、滤波器电路501、二极管桥502、初级电解电容器503、开 关变压器504、变压器504的初级绕组Np、变压器504的次级绕组Ns、变压器504的偏压绕 组(反馈绕组)Nb、起动电阻器505、开关元件506、电阻器507、509和510以及电容器508。 开关电源装置还包含电阻器511、515、517、520、523和524、NPN晶体管513和518、PNP晶体 管519、电容器512和526、二极管514和516、次级整流器二极管521和电解电容器522、分 路调节器525。将仅描述与第一示例性实施例的单元不同的单元，因此省略重复的描述。根据第 一示例性实施例的电路中的晶体管113变为晶体管513。晶体管513经由二极管527与晶 体管519的基极连接。如在第一示例性实施例中那样，电流检测电阻器520的电压上升，并 且晶体管518被操作。当时间常数电路中的电容器512的电压上升、并且基极电流流过晶体管513的基 极而使得集电极电流流过晶体管513的集电极时，基极电流经由二极管527流过晶体管519 的基极，并且集电极电流流过晶体管519的集电极。即使通过光电耦合器PClOl中的光电晶体管中的集电极电流操作晶体管513，晶体管519中的基极电流也经由二极管527流动，并且集电极电流流过晶体管519。由于晶 体管519中的集电极电流被供给到晶体管518的基极，因此晶体管518使作为基极电流的 Hfe2倍的集电极电流流动。晶体管518的集电极与晶体管519的基极连接。因此，晶体管 519中的基极电流增大。如上所述，晶体管518和519通过晶体管513的操作执行自保持操作，以将开关元 件516的栅极上的电荷放电。不仅在电流检测电阻器520的电压上升时，而且在正常反馈 操作中的OFF操作中，也可以执行自保持操作。在第一示例性实施例中，由于时间常数电路中的电容器112和电阻器111的原因 关断开关元件106所耗费的时间段取决于电阻器111中的电流、光电耦合器PClOl中的光 电晶体管中的集电极电流和晶体管113的电流增益Hfe。随着开关元件106被关断，变压器104的绕组Nb的电压下降。因此，电阻器111 和光电耦合器PClOl中的光电晶体管PClOl中的集电极电路中的电流也减小。结果，晶体 管113的基极电流减小，因此，其集电极电流减小，即，时间常数电路受负反馈影响。另一方面，在第二示例性实施例中，时间常数电路通过被施加到包含晶体管518 和519的自保持电路上而不容易受负反馈影响。因此，可使得关断开关元件506所耗费的 时间段更短。因此，根据第二示例性实施例，能够缩短关断开关元件506所耗费的时间段，以减 少其开关损失。自保持电路可包含闸流管元件。将描述根据第三示例性实施例的自激振荡型的开关电源装置。第三示例性实施例 是其中使用自保持电路中的晶体管作为接通时间控制电路的例子。图6是根据本示例性实 施例的自激振荡型的开关电源装置的电路图。将仅描述根据本示例性实施例的单元，因此 省略重复的描述。在图6中，开关电源装置包含商用AC电源600、滤波器电路601、二极管桥602、初 级电解电容器603、开关变压器604、变压器604的初级绕组Np、变压器604的次级绕组Ns、变压器604的偏压绕组(辅助绕组)Nb、起动电阻器605、开关元件606、电阻器607、609和 610、电容器608。开关电源装置还包含电阻器611、615、620、623和624、NPN晶体管613、 PNP晶体管617、电容器612和626、以及二极管614和616、次级整流器二极管621、以及电 解电容器622、分路调节器625。晶体管613和617构成自保持电路。当流过开关元件606的漏极的电流增大并且电阻器620的电压上升时，晶体管613 的发射极电压相对于其基极电压下降。经由电阻器611从绕组Nb向时间常数电路中的电 容器612供给电流。因此，晶体管613的基极-发射极电压上升，使得基极电流开始流过晶 体管613的基极。晶体管613使作为基极电流的Hfel倍的集电极电流流动。集电极电流变为晶体 管617中的基极电流。另一方面，晶体管617的集电极向晶体管613的基极供给电流。因 此，晶体管613使更多的电流流过晶体管613的集电极即晶体管617的基极。上述的操作使得当电流检测电阻器620的检测电压达到限定的值一次时晶体管613和617能够不管电流检测电阻器620的电压如何都维持在ON状态，以将开关元件606 的栅极电压放电。晶体管613的基极-发射极电压为电流检测电阻器620的电压与时间常数电路中 的电容器612的电压的和。因此，不仅可以在检测过量电流时而且可在正常关断操作时操 作该电路。更具体而言，可通过数量比第二示例性实施例中的数量少的部件构成电路，并 且，可以使用电阻值较低的电流检测电阻器620。这使得能够限制由于电阻导致的损失，由 此使得能够提高效率。如上所述，在本示例性实施例中，通过将一个晶体管用作用于电流检测的晶体管 118和接通时间控制晶体管113 二者，即使在电流检测操作以外的操作中，也可在执行自保 持操作的同时减少部件的数量。因此，自保持电路可包含闸流管元件。虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性 实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这些变更方式和等同的结 构和功能。
权利要求
一种电源装置，包括变压器；开关单元，被配置为控制流过变压器的初级绕组的电流；电流检测单元，被配置为检测所述电流；电压输出单元，与变压器的次级绕组连接；接通时间控制单元，与变压器的辅助绕组连接，并且被配置为控制接通开关单元的时间段；以及电流限制单元，被配置为基于检测的电流来限制流向开关单元的电流，其中，电流限制单元具有自保持单元，所述自保持单元被配置为自保持其中流向开关单元的电流被限制的状态。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其中，接通时间控制单元包含时间常数电路，并且，时间常数电路控制所述时间段。
3.根据权利要求1所述的电源装置，其中，当检测的电流超过预定的值时，电流限制单 元限制流向开关单元的电流。
4.根据权利要求1所述的电源装置，其中，当接通时间控制单元关断开关单元时，自保 持单元执行自保持操作。
5.根据权利要求1所述的电源装置，其中，自保持单元包含闸流管元件。
全文摘要
本发明涉及电源装置。在所述电源装置中，被配置为检测流过变压器的初级绕组的电流以限制流向开关单元的电流的电流限制单元具有自保持单元，所述自保持单元被配置为自保持其中流向开关单元的电流被限制的状态。
文档编号H02M5/458GK101841246SQ20101013537
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年3月13日
发明者林崎实 申请人:佳能株式会社