專利名稱：開關(guān)電源的啟動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括啟動(dòng)裝置的開關(guān)電源，該啟動(dòng)裝置用于在啟動(dòng)階段為控制器提供電能。此外，本發(fā)明還涉及啟動(dòng)這樣的開關(guān)電源的方法、在這樣的開關(guān)電源中使用的控制器啟動(dòng)裝置、以及包括這樣的開關(guān)電源的顯示裝置。
開關(guān)電源在電子設(shè)備中被廣泛采用。這樣的電子設(shè)備的例子包括計(jì)算設(shè)備、電視和視頻設(shè)備以及便攜式遠(yuǎn)程通訊裝置。開關(guān)電源將直流(DC)一次電壓，如電池電壓或經(jīng)整流的交流(AC)電網(wǎng)電壓等，轉(zhuǎn)換成一個(gè)或多個(gè)二次電壓。
US 5581453披露了一種用于開關(guān)電源的啟動(dòng)電路。該電源包括一個(gè)變壓器，由一個(gè)開關(guān)晶體管切換，以便周期性連接到輸入電壓。驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)晶體管的周期脈沖是由一個(gè)電源控制電路提供的。為了能夠啟動(dòng)這樣的電源，該電源裝備有一個(gè)啟動(dòng)電路，包括一個(gè)啟動(dòng)電阻和一個(gè)電容。該啟動(dòng)電路為電源控制電路提供初始電能。此外，所述電源控制電路還由變壓器上的一個(gè)輔助繞組供電，該繞組上的電壓被整流，然后提供給電源控制電路。在電源啟動(dòng)過程中，為電源控制電路的供電完全由啟動(dòng)電路承擔(dān)。上述啟動(dòng)電阻將為電容充電，使得電源控制電路的電壓上升。開始時(shí)，變壓器上的電壓較低，因此，變壓器的輔助繞組上的電壓不參與為電源控制電路供電。過了一段啟動(dòng)時(shí)間之后，電源的輸出電壓開始上升。于是，在變壓器輔助繞組上可以獲得的電壓也開始上升。當(dāng)輔助繞組上的電壓足夠高時(shí)，所述繞組將代替啟動(dòng)電路為電源控制電路供電。
一般，啟動(dòng)電阻的大小只要能夠提供足以啟動(dòng)電源控制電路的電流即可。電源控制電路的正常工作電流很高。盡管在上述文獻(xiàn)中沒有公開，但是，該很高的工作電流使得裝置本身要具備內(nèi)置的過載保護(hù)。萬一比如由于過載或短路使得電源輸出電壓降低，由變壓器提供的電壓將會(huì)顯著降低，輔助繞組上的電壓也會(huì)降低。這樣會(huì)使得電源控制電路的電壓下降，因?yàn)閱?dòng)電阻的大小只被設(shè)計(jì)為提供很小的啟動(dòng)電流，該很小的啟動(dòng)電流在正常工作期間足夠?yàn)殡娫纯刂齐娐饭╇?。因此，切換將停止，電源將進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，嘗試一次新的啟動(dòng)。
該電源的缺陷之一在于需要變壓器中的一個(gè)輔助繞組。這樣會(huì)使得變壓器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。一方面，該繞組需要與變壓器的二次側(cè)良好磁耦合，因此，需要將它繞在物理上靠近二次繞組的地方。另一方面，輔助繞組連接到變壓器的一次側(cè)。因此，輔助繞組需要完全隔離，以避免變壓器一次繞組與二次繞組之間的絕緣安全問題。通常采用三重絕緣導(dǎo)線。這使得變壓器比較昂貴、復(fù)雜，且不易制造。
另一缺陷在于啟動(dòng)時(shí)間較長。為了減小啟動(dòng)電阻中的功耗，啟動(dòng)電阻的阻值被選為盡可能大，但是這樣會(huì)使啟動(dòng)變慢，因?yàn)楦咦柚凳沟弥荒塬@得很小的啟動(dòng)電流來為與其耦合的電容充電。
與上述缺陷相關(guān)的是另一缺陷，即在電源運(yùn)行期間，啟動(dòng)電阻將繼續(xù)消耗電能。因?yàn)樵陔娫粗?，效率是?yōu)先考慮的要求，因此，該持續(xù)的耗電是無法接受的。為了使電源適合較寬的輸入電壓范圍，必須選擇低阻值的啟動(dòng)電阻，以便在啟動(dòng)過程中，在最小輸入電壓下都可以保證電源控制電路的足夠的啟動(dòng)電流。但是，該低阻值將使得在高輸入電壓時(shí)，流過電阻的電流太高，從而引起電阻中的高能耗。如上所述，對電源快速啟動(dòng)的要求也需要減小啟動(dòng)電阻，從而也會(huì)增加能耗。
為了克服與能耗有關(guān)的缺陷，US5581453披露了一種開關(guān)晶體管，使其集-射主電流路徑與啟動(dòng)電阻串聯(lián)。在電源啟動(dòng)期間，該開關(guān)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，使得所述電阻提供啟動(dòng)電流。在電源正常運(yùn)行期間，所述開關(guān)晶體管處于非導(dǎo)通狀態(tài)，防止了啟動(dòng)電阻中的能耗。該結(jié)構(gòu)的缺陷是很容易引起開關(guān)晶體管的退化，因?yàn)樵撻_關(guān)晶體管是通過將基-射結(jié)反偏來停止導(dǎo)通的。如所周知，在常規(guī)晶體管設(shè)計(jì)中，只要幾伏的基-射結(jié)反偏電壓就可以引起基-射結(jié)擊穿，從而導(dǎo)致晶體管的不可逆退化。例如，輸入電壓跌落或由于負(fù)載變化或變壓器制造過程中的制造公差等引起的輔助繞組電壓升高等很容易引起這種情況發(fā)生。還有一點(diǎn)很清楚，盡管該結(jié)構(gòu)是為了解決能耗問題，但是無法解決上述與變壓器中的第三繞組相關(guān)的問題。
本發(fā)明的一個(gè)目的是消除或至少減小與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問題。本發(fā)明的另一個(gè)目的是簡化開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明第一方面提供如權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)電源。本發(fā)明的第二方面提供如權(quán)利要求8所述的啟動(dòng)開關(guān)電源的方法。本發(fā)明的第三方面提供如權(quán)利要求11所述的控制器啟動(dòng)裝置。本發(fā)明的第四方面提供如權(quán)利要求12所述的包括這樣的開關(guān)電源的顯示裝置。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中定義。通過用旁路裝置將啟動(dòng)裝置旁路，可以區(qū)別兩種工作條件。當(dāng)旁路裝置打開時(shí)，控制器由啟動(dòng)裝置提供啟動(dòng)電流，使得切換裝置的切換可以開始。當(dāng)旁路裝置閉合時(shí)，由啟動(dòng)裝置產(chǎn)生的對電流的限制不復(fù)存在，使得控制器具有可獲得的最大驅(qū)動(dòng)功率來正?？刂魄袚Q裝置，從而使電源正常工作。同樣，當(dāng)旁路開關(guān)閉合時(shí)，啟動(dòng)裝置中的功耗被消除，這樣會(huì)提高電源的總效率。由于正常運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)裝置的能耗被消除，啟動(dòng)裝置的大小可以設(shè)計(jì)為獲得最優(yōu)啟動(dòng)時(shí)間，從而縮短啟動(dòng)時(shí)間。
在權(quán)利要求2所定義的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)檢測到二次電壓穩(wěn)定，開關(guān)電源進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，旁路開關(guān)閉合，以便將啟動(dòng)裝置旁路。通過例如將二次電壓與一個(gè)參考電壓比較，利用檢測裝置檢測電源裝置的輸出量，該輸出量指示電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)，有可能根據(jù)所述電源裝置的輸出量，例如二次電壓值或二次繞組中的電流或輸出功率，來操作旁路開關(guān)。
在權(quán)利要求3所定義的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)檢測到二次電壓超出參考電壓時(shí)，旁路開關(guān)閉合以便將啟動(dòng)裝置旁路。開關(guān)電源具有連接電網(wǎng)的部分，包括一次繞組、切換裝置、控制器、以及連接電網(wǎng)輸入電壓的光耦三極管。開關(guān)電源還包括與電網(wǎng)隔離的部分，包括二次繞組和光耦二極管。檢測到二次電壓跨越參考電壓的信號(hào)通過光耦二極管和三極管從與電網(wǎng)隔離的部分被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)連接部分。光耦可以通過簡單的途徑實(shí)現(xiàn)良好的電流隔離。
因此，當(dāng)二次電壓低時(shí)，例如在電源啟動(dòng)期間，旁路開關(guān)打開，從而為控制器只提供啟動(dòng)電流。如果該啟動(dòng)電流能夠成功啟動(dòng)電源，二次電壓將升高，檢測裝置檢測指示電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)的輸出量。例如，如果二次電壓超過檢測裝置設(shè)定的限值，檢測裝置將通過控制電路使旁路開關(guān)閉合，以保持控制器的充分的工作電流，使得可以繼續(xù)正常運(yùn)行。
電源裝置的輸出量可以表示一個(gè)或多個(gè)二次電壓、電源裝置的一個(gè)或多個(gè)電流、任意二次電壓與輸出電流的任意組合、或能夠提供用于判斷電源裝置的運(yùn)行狀態(tài)或確定對電源裝置的控制的適當(dāng)手段的任意其它值，如在感性裝置的輔助繞組中產(chǎn)生的電壓等。
在權(quán)利要求6所定義的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光耦三極管的主電流路徑還耦合到控制器，用于控制切換裝置的切換。這樣，光耦三極管還提供控制裝置的輸入，用于控制切換裝置的切換。這樣，可以實(shí)現(xiàn)對組件的充分利用，從而減少總的組件成本。而且，通過對組件的組合應(yīng)用，可以改善啟動(dòng)性能，因?yàn)檫@些組件中的公差對旁路開關(guān)的性能和控制器開關(guān)的性能具有相似的影響。
在過載情況下，檢測裝置會(huì)檢測到二次電壓低，因此，檢測裝置將通過光耦打開旁路開關(guān)。這樣就會(huì)自動(dòng)將電源重新切換到啟動(dòng)狀態(tài)，電源將會(huì)試圖重新啟動(dòng)，從而提供了對過載的電子保護(hù)。
旁路開關(guān)最好包括一個(gè)三極管，以提供簡單、經(jīng)濟(jì)的切換。
由于啟動(dòng)裝置可以方便地耦合到一次電壓或備用電壓源，該兩種電壓都有合適的電壓值，這使得在感性裝置上不必使用輔助繞組，從而簡化了感性裝置的設(shè)計(jì)和制造。這樣還可以避免特別是在變壓器絕緣中發(fā)生的安全問題。輔助繞組及其相關(guān)的隔離要求不再需要。通過避免變壓器上的輔助繞組和將啟動(dòng)裝置耦合到良好的電壓源，如備用電源，電源的啟動(dòng)以及在過載情況下的重啟動(dòng)得以改善。啟動(dòng)不再依賴于在大部分情況下具有很大輸入電壓范圍的一次電壓。這使得電源的啟動(dòng)很容易被控制和預(yù)測，并且可以消除變壓器和輸入電壓范圍的公差的負(fù)面影響。
最好，啟動(dòng)裝置包括一個(gè)啟動(dòng)三極管，連接在啟動(dòng)裝置的輸入端子與輸出端子之間，提供控制器的啟動(dòng)電流；還包括一個(gè)電容，連接在啟動(dòng)裝置的輸出端子與公共端之間。電阻值可以選擇為使該電阻為控制器提供足夠的啟動(dòng)電流，電容值應(yīng)當(dāng)選擇為使得能夠獲得足夠的延時(shí)，以保證足夠長的啟動(dòng)時(shí)間。電阻與電容的組合應(yīng)當(dāng)選擇為能夠保證在過載情況下，對電源連續(xù)的兩次啟動(dòng)之間足夠的時(shí)間間隔，并能夠保證電源的可靠啟動(dòng)。
如上所述，由于存在旁路開關(guān)，不再需要設(shè)計(jì)電阻值以獲得最小的功耗，從而擴(kuò)大了設(shè)計(jì)啟動(dòng)裝置時(shí)的自由度。這使得可以選擇低電阻值以保證較短的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)避免了與這樣低的電阻值相關(guān)的持續(xù)高能耗，因?yàn)橐坏﹩?dòng)完成，電阻就被旁路。
由于感性裝置可以包括一個(gè)變壓器或電感，本發(fā)明可以用于各種開關(guān)電源，如所謂的回掃變換器、升壓變流器、前饋?zhàn)儞Q器、或諧振變換器，這些變換器可以或可以不與電網(wǎng)隔離。
通過下面的附圖，可以更清楚了解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖用于說明本發(fā)明的實(shí)施例，但本發(fā)明不限于所述實(shí)施例。其中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電源的一種實(shí)施例的簡化電路圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電源的另一實(shí)施例的簡化電路圖。
在不同的圖中，用相同的標(biāo)號(hào)表示相同或近似的組件。
圖1中，開關(guān)電源將在端子1施加的輸入電壓轉(zhuǎn)換為端子2處的輸出電壓。端子1、2耦合到具有一次繞組3a和二次繞組3b的變壓器3?？刂破?可以包括集成電路裝置，控制切換裝置的切換，在本例中，切換裝置是場效應(yīng)晶體管(FET)型開關(guān)三極管5。在變壓器的二次繞組3b，電脈沖被整流二極管6和電容7整流并濾波。通過啟動(dòng)裝置8為控制器4供電，啟動(dòng)裝置包括電阻8a和電容8b。啟動(dòng)裝置8為控制器4提供啟動(dòng)電流，為此目的，啟動(dòng)裝置的輸出端口8d連接到控制器4的電源端子4a。啟動(dòng)裝置8的輸入端口8c在端子10處連接備用電壓源。啟動(dòng)裝置8可以被旁路裝置11旁路，本例中，旁路裝置是開關(guān)三極管，其主電流路徑連接在啟動(dòng)裝置8的輸入端8c和輸出端口8d之間。旁路裝置11的切換由控制裝置CC和檢測裝置DD控制，檢測裝置DD包括電壓基準(zhǔn)12和兩個(gè)電阻?？刂蒲b置CC包括光耦13a、13b、以及三個(gè)電阻。光耦13a、13b還連接控制器4，根據(jù)端子2處的二次電壓控制開關(guān)三極管5的切換。光耦包括光耦二極管13a，與光耦三極管13b通過光耦合。
啟動(dòng)電源時(shí)，通過啟動(dòng)裝置8將從備用電壓源通過端子10獲得的電能提供給控制器4?？刂破?通過提供驅(qū)動(dòng)脈沖給開關(guān)三極管5來啟動(dòng)開關(guān)三極管5的周期切換。開關(guān)三極管5的切換將使得在變壓器3的二次繞組3b上出現(xiàn)脈沖。為了能夠驅(qū)動(dòng)開關(guān)三極管5，控制器4所需的電能比啟動(dòng)裝置8提供給控制器4的電能多。因此，電容器8b上的電壓，即控制器4的電源端子4a上的電壓將下降，因?yàn)殡娔軓碾娙?b中輸出。
如果在啟動(dòng)過程中電源能夠建立起足夠高的二次電壓，電壓基準(zhǔn)12將開始導(dǎo)通，使得光耦13a、13b導(dǎo)通。結(jié)果，由三極管11構(gòu)成的旁路開關(guān)開始導(dǎo)通。這樣，旁路開關(guān)11將把啟動(dòng)電阻8a旁路，從而使啟動(dòng)裝置8的輸出端口8d處的電壓升高，保證提供使得控制器4能夠正?？刂齐娫吹淖銐虻碾娔?。
但是，如果在在啟動(dòng)過程中電源不能建立起足夠高的二次電壓，電壓基準(zhǔn)12和光耦13將不會(huì)導(dǎo)通。結(jié)果，電容8b上的電壓將繼續(xù)下降，因?yàn)閱?dòng)裝置8a提供的電能比控制器4消耗的電能少。在某一時(shí)刻，電容8b上的電壓低到使得控制器4停止工作并停止控制開關(guān)三極管5的值。這樣，電源將停止。
圖1所示的電源提供了過載保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)可能由過載或短路引起的二次電壓2過低時(shí)，旁路開關(guān)11將不會(huì)閉合，結(jié)果，控制器4就會(huì)停止控制開關(guān)三極管5。
同樣，圖1所示電源還提供自動(dòng)重啟動(dòng)功能。如上所述，當(dāng)啟動(dòng)電源失敗時(shí)，電容8b將會(huì)被電阻8a再次充電，使得控制器4的電源端子4a處的電壓升高。在某一時(shí)刻，該電壓將足夠高，使得控制器4再次啟動(dòng)，同時(shí)開關(guān)三極管5開始切換，從而再次試圖啟動(dòng)電源。結(jié)果，當(dāng)電源處于過載狀態(tài)時(shí)，它將周期性低試圖重啟動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的電源的啟動(dòng)和重啟動(dòng)很容易控制，因?yàn)樗艽蟪潭壬弦蕾囉跇?gòu)成啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的電阻8a和電容8b各自的值。
本發(fā)明還可以用于其它類型的開關(guān)電源。例如，圖2示出另一種開關(guān)電源，該電源采用單個(gè)電感3代替圖1所示電源中的變壓器，所以稍微有些簡化。結(jié)果，該電源中沒有輸入電壓1與輸出電壓2之間的隔離。此外，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的電源的所有特征和優(yōu)點(diǎn)都可以應(yīng)用。此外，電容8a可以用電流源代替?，F(xiàn)在，檢測裝置DD包括由電阻15和16構(gòu)成的分壓器、具有內(nèi)置基準(zhǔn)電壓Vref的比較器12，用于比較抽頭輸出電壓和基準(zhǔn)電壓Vref。當(dāng)抽頭電壓超過基準(zhǔn)電壓Vref時(shí)，比較器產(chǎn)生通過光耦二極管13a中的電流。供給光耦二極管的電壓可以是由電源產(chǎn)生的任意合適的直流電壓。
這樣，本發(fā)明提供了一種開關(guān)電源，具有快速啟動(dòng)和在正常運(yùn)行期間啟動(dòng)裝置中能耗低的優(yōu)點(diǎn)，使得變壓器的設(shè)計(jì)和制造簡化，同時(shí)可以保證可靠的啟動(dòng)和在過載情況下可靠的重啟動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源，用于將一個(gè)輸入電壓轉(zhuǎn)換為至少一個(gè)輸出電壓，包括將所述輸入電壓變換為所述至少一個(gè)輸出電壓的感性裝置；周期性地將所述感性裝置耦合到所述輸入電壓的開關(guān)裝置；控制所述開關(guān)裝置切換的控制器；以及在啟動(dòng)階段為所述控制器供電的啟動(dòng)裝置；其特征在于所述開關(guān)電源還包括一個(gè)旁路裝置，用于在所述開關(guān)電源正常工作期間將所述啟動(dòng)裝置旁路。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其特征在于所述開關(guān)電源還包括用于檢測所述開關(guān)電源的輸出量是否指示所述開關(guān)電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)的檢測裝置；和用于當(dāng)檢測到所述開關(guān)電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，控制所述旁路裝置閉合的控制電路。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其特征在于所述感性裝置包括一個(gè)變壓器，該變壓器包括一次繞組和二次繞組，所述一次繞組耦合到開關(guān)裝置，所述二次繞組耦合為提供二次電壓，特征還在于所述控制電路包括一個(gè)光耦二極管；一個(gè)比較電路，用于比較所述至少一個(gè)輸出電壓與基準(zhǔn)電壓，當(dāng)所述輸出電壓超過所述基準(zhǔn)電壓時(shí)，為所述光耦二極管提供電流；以及與所述光耦二極管通過光耦合的光耦三極管，該三極管的主電流路徑耦合為控制所述旁路裝置的輸入。
4.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其特征在于所述旁路裝置是可控半導(dǎo)體開關(guān)，且當(dāng)所述至少一個(gè)輸出電壓超出預(yù)定值時(shí)，該旁路開關(guān)閉合。
5.如權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源，其特征在于所述光耦三極管的主電流路徑還耦合到所述控制器，控制所述開關(guān)裝置的切換。
6.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其特征在于所述啟動(dòng)裝置耦合到一個(gè)備用電壓源或一次電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其特征在于所述控制器被調(diào)節(jié)為當(dāng)所述檢測裝置檢測到所述輸出電壓降低到預(yù)定值以下時(shí)，將所述旁路裝置打開。
8.一種啟動(dòng)開關(guān)電源的方法，所述開關(guān)電源用于將一個(gè)輸入電壓轉(zhuǎn)換為至少一個(gè)輸出電壓，所述開關(guān)電源包括將所述輸入電壓變換為所述至少一個(gè)輸出電壓的感性裝置；周期性地將所述一次繞組耦合到所述輸入電壓的開關(guān)裝置；控制所述開關(guān)裝置切換的控制器；以及在啟動(dòng)階段為所述控制器供電的啟動(dòng)裝置；其特征在于所述方法還包括在所述開關(guān)電源正常運(yùn)行期間，將所述啟動(dòng)裝置旁路。
9.如權(quán)利要求8所述的啟動(dòng)開關(guān)電源的方法，其特征在于當(dāng)所述至少一個(gè)輸出電壓超過預(yù)定值時(shí)啟動(dòng)所述旁路。
10.如權(quán)利要求8所述的啟動(dòng)開關(guān)電源的方法，其特征在于當(dāng)所述輸出電壓變?yōu)樾∮陬A(yù)定值時(shí)停止所述旁路。
11.一種在開關(guān)電源裝置中使用的控制器啟動(dòng)裝置，該控制器啟動(dòng)裝置包括一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口；以及耦合所述輸入端口和輸出端口的啟動(dòng)裝置；其特征在于所述控制器啟動(dòng)裝置包括連接所述輸入端口和輸出端口的旁路開關(guān)。
12.一種包括如權(quán)利要求1所述開關(guān)電源的顯示裝置。
全文摘要
一種開關(guān)電源配備有啟動(dòng)裝置，為控制開關(guān)三極管切換的控制器供電。所述啟動(dòng)裝置被旁路裝置旁路。在電源啟動(dòng)期間，該旁路裝置打開。啟動(dòng)成功后，旁路開關(guān)將閉合，從而消除啟動(dòng)裝置中進(jìn)一步的功耗，因此，提高了電源的總體能效。通過將啟動(dòng)裝置連接到備用電源或一次電壓，省去了用變壓器上的輔助繞組為控制器供電。該電源具有電子過載保護(hù)，當(dāng)發(fā)生過載情況時(shí)，停止并試圖重新啟動(dòng)。
文檔編號(hào)H02M1/36GK1457546SQ02800530
公開日2003年11月19日 申請日期2002年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月6日
發(fā)明者H·C·米爾曼斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司