专利名称：自由振荡开关式电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自由振荡开关式电源。仅对隔离变压器初级边有控制的开关式电源的优点是不需要用来将受控变量从隔离变压器的次级边传输到初级边的传输元件，但缺点是次级边需要被稳定的电压不能直接估量而至使对稳定次级电压的控制往往是不充分的。具有对次级到初级边控制的开关式电源的优点是可通过对要进行稳定的次级边电压的直接估量而达到对其有效的稳压，但其缺点是需要例如象隔离变压器或光耦合器这类的一种元件来传输从次级边到初级边的受控变量。
在电视接收机中，这类开关式电源转换到大约5-8瓦特的低传输功率作有源备用操作状态时，开关晶体管只须接通很短时间。其结果是可能对开关晶体管造成相当高的开关损耗和危险。因而都知道在低传输功率操作情形下只是以包状态(packet-like)或脉冲状态的方式以充分长的导通时间和充分高的电流来接通开关晶体管并在此之间相对长的完全没有功率传输的时间过程中使之处于闭锁状态。按照这种原理操作的开关式电源在设计上是相当复杂的并且一般需要特殊的集成电路。
本发明的目的在于提供一种自由振荡开关式电源，这种电源具有分立式元件而不需要特殊的集成电路，并可在满传输功率的情形下对于电压的稳定采用PWM(脉宽调制，下同)控制而在低传输功率情形之下采用包控制这样的自动操作，该电源是短路防护式的，尽管是纯初级控制，却提供了有效的稳定，而具有良好的效能。这一目的由后述的本发明而达到。
根据本发明的开关式电源主要有以下优点由于仅在初级边进行控制而无需将受控变量从次级边传输到初级边的诸如隔离变压器或光耦合器之类的元件。但是，次级边产生的操作电压的有效稳定是通过在高功率常规操作下从旁路电阻取得的截止电压的控制部分施加脉宽调制控制而达到的。由于两个电路具有不同的阀值，存有一种从常规操作的脉宽调制控制到低传输功率下的包控制的自动转换。在这种情形下，已如前述，对于接通与实现这两种不同的操作方式最好应用分立元件。初级边形成了一个振荡器，利用这一振荡器该开关式电源构成一种自由振荡的方式。而且此振荡器还有两个功能。在高传输功率常规操作之下，该振荡器以连续的脉宽调制控制来驱动开关三极管，但另一方面，在低传输功率情形下，该振荡器自动暂停对开关三极管的驱动以便获得上述的包操作。
按照本发明的发展，模拟了开关式电源的一种负内阻，该负内电阻补偿了现固有的正内电阻，从而使得一个开关式电源具有很低的内阻。按照本发明的另一种发展，一种电路测量可以大大改进开关晶体管在闭锁开始的关断性能。本发明特别适合应用于小型电视接收机以及类似的小型设备，诸如录象机和付款机显示器等。
以下参照三个典型的实施例并借助于附图对本发明进行说明，其中
图1表示了根据本发明的开关式电源的一个完整线路图，图2表示了根据图1而简化了的线路形式，以及图3表示根据图2进行了修改的电路。
图1表示了一个自由振荡开关式电源，它具有接通系统电压UN(统一电网，下同)的端子1，系统桥式整流器，充电电容器C1，隔离变压器Tr，开关三极管T1及并联电阻R1。隔离变压器Tr包括初级或称功率绕组W1，另一构成自由振荡方式中的电路并驱动开关三极管T1的初级绕组W2，以及调节绕组W3，该绕组在控制整流器4的输出端b影响控制电压Ur用以在高功率和低功率之间建立和转换操作。Tr还包含通过整流器5在端子6处产生第一操作电压U2的次级绕组W4，以及通过整流器7在端子8处产生另一操作电压U3的第二个次级绕组W5。连接在开关三极管T1的基极线上的是一个闭锁电压网络，包括二极管D1，D2及电容器C2，该网络产生一闭锁电压Uv。进而，在提供给开关式电源以操作电压U1的点a与开关三极管T1的基极线中的点C之间连接着带有电容器C3及电阻器R2的起动电路。该电路已如上述。
控制电压Ur由点b传到一个第一阀值电路，该电路包括稳压二极管Z1和三极管T2，T3。T3是连接于d点与关断三极管T4基极之间的分压器R3、R4的组成部分，T4的集电/发射结与二极管D5串接在开关三极管T1的基极线与地之间。
又Ur通过稳压二极管Z1与由电阻器R5，R6组成的分压器加到三极管T5的基极之上，T5的集电极是通过二极管D5，D9连接到三极管T6的基极上的。其集电极连接到三极管T7的基极，T7的集电/发射结是与电阻R7相串而并连于耦合电容C4接到开关三极管T1的基极线上的。该电路的操作方式以下分别就高功率时的常规操作与低功率时的操作及T1的包控制进行说明。
在约40-100瓦特的高传输功率的常规操作之中，Ur由于变压器Tr的高负荷而首先变小。这时Ur通过导通的稳压二极管ZZ1而传到T2的基极，并通过T3，电阻器R4(多少作为一个分压电阻)而接入。锯齿形关断电压U5由于从T1到R1流相的锯齿形电流而产生，该电压或多或少分给T4一部分，而产生影响使得在T4在特定值时成为导通的，将C点接地，中断T1的基极驱动电压并从而关断T1。两种极端的情况现在加以进一步改革。在最大负载情形时，即Ur值最大时，T2被阻断，其结果是T3变为导通。Us这时以最大值由R3及R4分压。这即是说Us必须在d点呈现出更大的最终值以便接通T4。于是电流ia达到一个高的终值，而这对应着一个大的传输功率。在另一极端的情况，当端子6，8处的负载低时，Ur增加，于是T2成为导通而T3阻断。Us这时并不被R3与R4分压而以全值传给T4的基极。这即是说Us与ia已处于低值的情形而T4成为导通，T1关闭。这反过来又意味着更低的ia的终值以及更低的传输功率。在这两种极端情况之间的常规操作之中，U2与U3的稳定由脉冲宽度对T1导通持续时间的调制来执行例如，如果在6，8端的负载增加，则在变压器Tr所产生的所有的脉冲电压的幅度下降，于是控制正电压Ur也下降。结果是由稳压二极管Z1降低了的较低的正的控制电压Ur传送到T2的基极，则降低了T2的导通程度而增加了T3的导通。这时Us被R3，R4与T3更多地分压。这意味着T4直到稍后T1关闭才成为导通，这就是说Us与ia的最终值呈现较大的最终值，传输功率增加而且如开始所设象那样，电压U2，U3及U1中的减少得到补偿。T4这样影响驱动T1的脉冲宽度调制以使得T1的导通持续时间随着负载的增加而被T4增加。以这种方法，所产生的工作电压U2，U3保持了稳定。由于R5与R6分压，这种情况下T5仍然是闭锁状态，其结果是T6与T7导通。C4在此是接通的而在这一操作方式中实际上并未起作用。
如果在端子6，8处的负载明显减少，例如处于有源备用的操作情况，则变压器Tr处的脉冲电压的幅度以及由此电压Ur都增加。尽快由R5，R6分压器作了分压，三极管T5这时变成导通的，f点的电压更为负，其结果是T6以及从而T7闭锁。由于T7的闭锁，C4电容在T1的基极线中起了作用。这里C4是通过T1的基极/发射极二极管以所表示的极性充电，直至C4的电压最终达到由绕组W2所提供的电压的正电压成分并且开关三极管T1闭锁为止。由此包被中断。这时在T1的振荡中产生了影响开初所描述的包操作的中止。这时T1保持闭锁一定的时间。结果是在端子6，8处的电容器不再充电，从而Ur再次下降。在包操作中止的结尾，T5最后再次闭锁，T6，T7再次导通，而电容C4又再次接通，于是T1开关三极管再次由绕组W2提供基极电流，而振荡以T1的全饱和态再次产生。这样，上述的电路是自动地影响在高传输功率和脉宽调制控制驱动T1的常规操作以及T1的振荡在各种情形下只是在脉冲包过程中进行而在包之间的一般时间是不作振荡的这种包操作的。在包操作之中，T3点是闭锁的，于是Us不被分压而传给T4的基极，于是T1总是在ia的低电流值时关闭。
T5的集电极，即是说点f，仍连接到T1基极线的C点。于是得到以下的结果。在包操作过程中止的结尾，T5再次闭锁，如上所述这使得传经T1基极线C点的正脉冲出现在f点。由此得到第一驱动脉冲再次在包的过程中影响T1的全饱和。这种方式的优点在于中止之后再次导通不会以“软”的方式进行而造成T1对应的功率损失及危险，而是在某种程度上以“硬”的方式进行。
进而在T1的集电极与C点之间装有由电容器C5，二极管D6电阻器R9，二极管D7，电阻器R10，三极管T8与二极管D8组成的电路。这一补助电路用于改进开关三极管T1在导通相结尾处的闭锁性能，即ia断流时刻的性能，其操作如下T1的导通时间原本是由T4的导通而T4切断T1的基极电流而结束。此后由于出现在三极管T1中的载流子饱和充电而使得T1在没有基极电流的情形下维持一段时间的导通状态。T1在无基极电流情形下经过几微秒之后离开饱和状态之后，其集电极一定程度上变为对地为正电位。该正电位的上升经衰减元件C5，D6与R9而传送到T8的基极。从而T8成为导通的并将C点与地短路相接。同时，电容器C2以所标出的极向再次充电到电压Uv，即为D1与D2正向电压之和。导通的T8于是将C2的正极接地。结果是全电压Uv以其负极作用于T1的基极而起作用，于是T1的关断在一个可接收的短时间内达到。D7的作用是保护T8避免过高负电压加在基极。T4与T8快速导通T1这一事实的全部结果即是在T1上引起的功率损失特别小。T8的集电极与地之间的二极管D8具有下述功能。T8与二极管D1，D2，D3，D4以及T1的基极线中的R一起是用来稳定绕组W2供给T1基极负电压的。由绕组W2所提供的负电压在未加控制的原本情况下是很高的，并可以认为是T1的基极/发射极结所不允许的高数值。D4，D3，D1，D2与D8这些元件是用来限制T1的基极/发射极结的这一负电压(例如)不大于5伏特。而且T8的一种不希望有的逆向操作得以避免。这时加到T1基极上的负电压就都受到了限制，特别地C2的负电压由D1与D2所限制，来自绕组W2的负电压由D4，D3，D1，D2与D8所限制。通过这一线路得到了对T1防止过高的基极/发射极电压的附助保护。
C5，D6，R9网络的附助作用在于所谓的压制器作用，用以限制在T1闭锁相开始时在T1集电结处的正电压峰值。于是该网络具有双重的功能，即改进了T1在闭锁相开始时闭锁过程，而且还附带限制了T1集电极处正电压的峰值。这一功能的得到是当原本要接地的D6/R9并连线路的右端不直接接地而是接到辅助开关三极管T8的基极。
在点d与b之间设置了由三极管T9，电容器C6与电阻器R11，R12，R13组成的辅助电路9。这一电路辅助减少开关式电源输出内阻之用并以下述的受控电流吸收器的方式操作随着负载的增加由于脉宽的控制而在d点电流ia及电压Us也增加。其结果是T9经R13变得更为导通。由于C6的滤波作用，增加的直流负载虽进一步减少了Ur的值但这时在b点起作用。结果是控制电压通路被模拟Ur的附加减少量，而Ur的减少值的影响于是被增加以增加Us与ia的最大值。由电路9所形成的负内阻于是能够补偿开关式电源原本所固有的正内电阻，于是能够在高传输功率常规操作情况下保证开关式电源有很低的内阻。
图2表示基于图1一个简化了的线路。图2的线路不包含形成负内阻的线路9也不包含按上述方式短路耦合电容C4的三极管T7。替代三极管T7的是给耦合电容C4提供了由二极管D10及电阻R15组成的电流通路。在包操作的情形下，此方案中T1的基极电流在包过程的每种情形下变化的影响是使得基极电流向包结尾方向减小。由于不存在用于减小内阻的电路9，于是可通过例如将变压器设计成箱式绕组变压器来改进变压器的耦合而能够达到低内阻。在包过程中由于耦合电容C4未被短路而至使T1的基极电流稍有增加这一特点，考虑到该电路是一简化的，还是可以接受的。而且，由此可得到50赫兹左右较低的包频率。在有源备用操作中那样低的包频率是重要的，因为这是听不到的，因而在有源备用操作中不可能出现该装置可听到的声响振动。
图1与图2中的与二极管D11并连的电容器C6对于启动操作是特别重要的，这即是说在每一情形中当接收机接通时，由这时起二极管D11首先闭锁。在低系统电压情形下为保证这时T1的饱和以及为避免由于欠饱和对T1造成的危险，电容器C6具有特别的重要性。
图3表示了根据图2(其操作类似，没有图1的电路9并且没有接耦合电容C4的三极管T7)的一种修改形式。图3线路的操作方式与图2线路的操作方式是类似的。
在一个实测线路中，本发明各主要元件有以下数值R1: 4.7欧姆 R13100 欧姆R2 22欧姆 C622 微法R3 220欧姆 C20.68 微法R4 22欧姆 C34.7 微法R5 100千欧姆 C447 微法R6100″″″ C5470 微微法R710欧姆
R9220 欧姆R10470 欧姆R11100 欧姆R1210 欧姆(起动电容)(包电容)(滤波电容)C3∶ C4∶ C(点b) =4.7微法47微法470微法1∶10∶100
权利要求
1.自由振荡开关式电源，具有开关三极管(T1)和带有功率绕组(W1)，供给开关电压的驱动绕组(W2)，以及调节绕组(W3)，后者通过一个测量整流器(4)提供一个用于改变开关三极管电流流通持续时间的控制电压(Ur)，通过一并连分流电阻(R1)接到开关三极管(T1)的一个截止电压(Us)，该电压通过一个开关(T4)截止开关三极管T1的基极驱动电压，其特征如下测量整流器(4)的输出(b)通过具有第一阈值的第一电路(Z1，T2，T3)对截止电压(Us)进行分压而且通过带有第二阈值的第二电路(Z1，T5-T7)接通在开关三极管(T1)基极线中的耦合电容器C4。
2.基于权利要求1的开关式电源，其特征在于测量整流器(4)的输出(b)是通过一个稳压二极管(Z1)供给形成了截止电压(Us)第一分压器(R3，R4)的组成部分的三极管(T2T3)线路的控制电极。
3.基于权利要求2的电路，其特征在于第一分压器(R3，R4)的输出是连接到一个关断三极关(T4)的基极，该三极管的集电极/发射极结是连接于该开关三极管(T1)的基极线与地之间的。
4.基于权利要求1的电路，其特征在于其测量整流器(4)的输出(b)是经由一个阈值电路连接到一个三极管放大器(T5-T7)的控制输入，该放大器的输出则是与耦合电容器(C4)并连地连接到开关三极管(T1)的基极线之中的。
5.基于权利要求2和4的电路，其特征在于接入了两电路公用的一个稳压二极管，该二极管一方面与测量整流器(4)的输出(b)连接，另一方面直接接到三极管电路(T2，T3)的控制输入并且通过一个分压器(R5，R6)接到开关放大器(T5-T7)的控制输入。
6.基于权利要求5的电路，其特征在于分压器(R5，R6)的输出接到第一三极管(T5)的基极，而该三极管(T5)的集电极接到第二三极管的(T6)的基极，而该第二三极管的集电极又接到第三个三极管(T7)的基极，该等三个三极管的集电极/发射极结是与耦合电容C4并接的。
7.基于权利要求6的电路，其特征在于该第一三极管(T5)的集电极又接到开关三极管(T1)的基极线路中的点(C)处。
8.基于权利要求1的电路，其特征在于在调节绕组(W2)与开关三极管(T1)的基极之间接有一个二极管电路(D3，D4)，该二极管电路的极向放置使得当开关三极管(T1)关断时，另一闭锁电压从调节绕组(W2)传到开关三极管(T1)。
9.基于权利要求1的电路，其特征在于其截止电压(Us)的峰值用于控制与测量整流器(4)的输出(b)并连的负载(9)。
10.基于权利要求9的电路，其特征在于截止电压(Us)用到一个三极管(T9)的基极，该三极管的集电极经一电容器(C6)接地并经一电阻器(R11)连接到测量整流器(4)的输出(b)，又该三极管的发射极经一电阻器(R12)接地。
11.基于权利要求1的电路，其特征在于开关三极管(T1)的集电极经由响应闭锁相起始处的正脉冲的振幅选择电路连接到一个辅助关断三极管(T8)的基极，该三极管的集电极/发射极结连接到开关三极管(T1)的基极线路中的点(C)与地之间。
12.基于权利要求11的电路，其特征在于辅助的关断三极管(T8)集电极连接到从开关三极管(T1)的基极接过来的电容器(C2)的电极上，该电容器连接于开关三极管(T1)的基极线路之中并存储着闭锁电压(Us)。
13.基于权利要求11的电路，其特征在于振幅选择电路包含一个由电容器C5的串联电路和一个电阻器(R9)及二极管D6的并联电路组成的缓冲网络。
14.基于权利要求11的电路，其特征在于连接在辅助关断三极管(T8)集电极和地之间的是一个二极管(D8)，该二极管与在开关二极管(T1)的基极线路之中的二极管(D1-D4)共同限制了开关二极管(T1)基极上的负电压。
全文摘要
如所周知，当开关式电源在有源备用操作情形下转向低传输功率而仅借助于脉冲包接通开关三极管时，在包之间是有相当长的间歇时间的。本发明的目的在于提供一种通过纯初级边控制而进行操作的这样一种包控制开关式电源，这种电源的包控制无须特别的集成电路，利用脉冲宽调制能自动地在常规操作与包操作之间转换，具有高的效率。
文档编号H02M3/28GK1077573SQ93104450
公开日1993年10月20日 申请日期1993年4月14日 优先权日1992年4月14日
发明者贾奥米尔·帕拉塔 申请人:德国索姆森-布兰特有限公司