專利名稱：具有延遲補(bǔ)償電流模式控制的開關(guān)模式電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過感應(yīng)元件給負(fù)載施加能量的開關(guān)模式電源。本發(fā)明尤其是涉及一種帶有電流模式控制的開關(guān)模式電源。這種電源在美國專利第4939632號(hào)中已知。能量在第一階段期間在感應(yīng)元件中累積，直到達(dá)到通過感應(yīng)元件的預(yù)定電流，其后感應(yīng)元件與電源斷開連接。為此，在電源和感應(yīng)元件之間布置一個(gè)可控制開關(guān)。插入到感應(yīng)元件的電流路徑中的電流傳感器產(chǎn)生一感測(cè)信號(hào)，該感測(cè)信號(hào)被傳送給一比較器并與一來自參考信號(hào)發(fā)生器的參考信號(hào)進(jìn)行比較以便確定是否達(dá)到了用于斷開感應(yīng)元件的預(yù)定電流。
當(dāng)達(dá)到通過感應(yīng)元件的預(yù)定電流時(shí)，感應(yīng)元件與電源斷開連接并且在第二階段，將存儲(chǔ)在感應(yīng)元件中的磁能傳遞給負(fù)載。
該已知的開關(guān)模式電源的缺點(diǎn)為通過感應(yīng)元件的電流被斷開的時(shí)刻與感測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)是相等的時(shí)刻不一致。由于在開關(guān)模式電源的電路中存在延遲，所以該斷開過程被延遲。結(jié)果，通過感應(yīng)元件的電流在該延遲期間能達(dá)到不期望的高值。為了適應(yīng)通過感應(yīng)元件的這種不希望的高值電流，需要使用大線圈或變壓器以使工作頻率保持低。感應(yīng)元件與電源斷開連接的實(shí)際值通常取決于不期望的方面，例如電源的電壓電平，感應(yīng)元件的電感，等等。該已知的開關(guān)模式電源具有一補(bǔ)償電路以補(bǔ)償斷開時(shí)刻對(duì)電源的電壓電平的依賴性。這通過將與電源電壓成比例的電壓加入到參考信號(hào)中來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的開關(guān)模式電源，其中上述的缺點(diǎn)至少被減輕和/或基本被解決。為此，根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源顯示出后附的權(quán)利要求1所定義的特征。
在根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源中，通過一校正信號(hào)可取消在斷開感應(yīng)元件過程中的時(shí)間延遲，所述校正信號(hào)與通過感應(yīng)元件的電流的梯度(di/dt)成比例。該校正信號(hào)可以校正所述電流檢測(cè)器的感測(cè)電流或者可以校正參考信號(hào)。
后附的從屬權(quán)利要求定義了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。權(quán)利要求2的實(shí)施例提供了一種簡單實(shí)用的解決方案以產(chǎn)生與所述參考信號(hào)串聯(lián)的梯度-比例校正信號(hào)。權(quán)利要求3的實(shí)施例以補(bǔ)償電阻器、電容器和電流增益的特定值提供了最佳的補(bǔ)償效果。權(quán)利要求4和5的實(shí)施例抑制了電容性開關(guān)瞬態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源優(yōu)選的適用于帶有可再充電電池的用戶設(shè)備，例如，剃須刀。
將參照附圖來說明和介紹本發(fā)明的這些和其他方面，其中

圖1為電流模式受控的開關(guān)模式電源的功能的示意表示；圖2為根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源的示意表示；圖3表示來自圖2所示的電流傳感器的感測(cè)信號(hào)的曲線圖；圖4更加詳細(xì)的示出根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源的結(jié)構(gòu)；圖5表示包括根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源電路的電動(dòng)剃須刀。
在這些附圖中，具有相同功能或含義的器件或元件由相同的標(biāo)記表示。
圖1表示具有電流控制的開關(guān)模式電源的方框圖。它包括一系列裝置一DC電源5，例如一整流的AC電源電壓，一可控制開關(guān)9和一感應(yīng)元件，在該情況下為變壓器6的初級(jí)線圈7。一個(gè)負(fù)載，例如一可再充電電池1通過二極管2連接到變壓器6的次級(jí)線圈3。一個(gè)DC馬達(dá)(4)可以通過一個(gè)開關(guān)36連接到可再充電電池。在第一階段期間，電流模式控制器8感測(cè)通過初級(jí)線圈7的電流值并當(dāng)所述電流達(dá)到某一閾值時(shí)打開控制開關(guān)9。在第二階段，當(dāng)控制開關(guān)被打開時(shí)，變壓器6的次級(jí)線圈3處的電壓換向并使二極管6導(dǎo)電。因此存儲(chǔ)在變壓器中的能量被傳送給負(fù)載。一段時(shí)間以后，電流模式控制器8重新進(jìn)入下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的第一階段。
電流模式控制器8在圖2中更加詳細(xì)的示出。它包括一個(gè)電流傳感器10，其用于感測(cè)通過初級(jí)線圈7的電流。所述電流模式控制器還包括一個(gè)參考信號(hào)發(fā)生器11，其產(chǎn)生一個(gè)與通過初級(jí)線圈7的電流的閾值對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)Vr。
電流傳感器10產(chǎn)生一感測(cè)信號(hào)Vs，其與通過初級(jí)線圈7的電流基本成比例。來自參考信號(hào)發(fā)生器11的參考信號(hào)Vr和感測(cè)信號(hào)Vs被提供到比較器12的輸入端。在圖2所示的實(shí)施例中，將感測(cè)信號(hào)Vs提供到比較器12的正輸入端，而將參考信號(hào)Vr提供到比較器12的負(fù)輸入端。比較器12驅(qū)動(dòng)開關(guān)控制13，該開關(guān)控制13響應(yīng)于參考信號(hào)Vr和感測(cè)信號(hào)Vs的比較結(jié)果來控制可控制開關(guān)9的開關(guān)操作。
在本實(shí)施例中，參考信號(hào)發(fā)生器11和電流傳感器10都提供一電壓信號(hào)給比較器12，但是任何其它種類的信號(hào)，例如電流域中的信號(hào)也是可行的。
圖3表示根據(jù)圖2的結(jié)構(gòu)中的作為時(shí)間t的函數(shù)的感測(cè)信號(hào)的電壓Vs。由電流傳感器輸出的電壓Vs從時(shí)刻t0線性增加，直到感測(cè)信號(hào)Vs與由參考信號(hào)發(fā)生器11提供的參考電壓信號(hào)Vr1相等的時(shí)刻t1為止。在時(shí)刻t1處，可控制開關(guān)9打開，初級(jí)線圈7與電源5斷開連接并且傳感器電壓Vs降為零。
然而，開關(guān)模式電源主要在傳播路徑中顯示了出電路延遲時(shí)間，所述傳播路徑包括電流傳感器10、比較器12、開關(guān)控制13和可控制開關(guān)9。如果不采取進(jìn)一步的步驟，則該傳播延遲將對(duì)可控制開關(guān)9的斷開操作產(chǎn)生不期望的延遲。結(jié)果，在開關(guān)9實(shí)際打開的時(shí)刻通過初級(jí)線圈7的電流在對(duì)應(yīng)于傳播延遲的時(shí)間周期內(nèi)也將增加超過所期望的最大電流閾值。
根據(jù)本發(fā)明，如圖2所示，提供補(bǔ)償電路14以補(bǔ)償該效應(yīng)。補(bǔ)償電路布置在參考信號(hào)發(fā)生器11和比較器12之間以便相對(duì)于上述電路延遲時(shí)間補(bǔ)償參考信號(hào)。注意，補(bǔ)償電路可等價(jià)的布置在傳感器和比較器之間以獲得相同的補(bǔ)償效果。
在圖3中，雙箭頭A和B表示電路延遲時(shí)間的效應(yīng)。雙箭頭A對(duì)應(yīng)于被定義為在時(shí)刻t3和t1之間變化的時(shí)間周期的電路延遲時(shí)間，其中在時(shí)刻t3通過初級(jí)線圈7的電流通過期望的預(yù)定閾值Vr2，在時(shí)刻t1可控制開關(guān)9被實(shí)際打開。實(shí)際斷開電流超過所期望的斷開電流一個(gè)電流值，該電流值由雙箭頭B表示。
通過將可控制開關(guān)9的打開時(shí)刻提前一個(gè)時(shí)間周期A而可以補(bǔ)償所述延遲。通過將參考信號(hào)Vr1降低一個(gè)由雙箭頭B表示的值而能夠獲得相同的效果。
根據(jù)本發(fā)明，該降低與通過初級(jí)線圈7的電流的梯度(di/dt)成比例以便預(yù)測(cè)電路延遲時(shí)間。
圖4更加詳細(xì)的示出根據(jù)圖2的一般結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。電流傳感器為與可控制開關(guān)9串聯(lián)以形成第一節(jié)點(diǎn)N1的感測(cè)電阻器17。在第一節(jié)點(diǎn)N1處的感測(cè)電阻器17兩端的電壓Vs是提供給比較器12的正輸入端的感測(cè)信號(hào)Vs。參考信號(hào)發(fā)生器11是將一參考電壓Vr提供給比較器12的負(fù)輸入端的參考電壓源18。
補(bǔ)償電路包括一補(bǔ)償電阻器15、一電容器16和一電流反射鏡19。補(bǔ)償電阻器15被插入到參考電壓源18和第二節(jié)點(diǎn)N2之間，第二節(jié)點(diǎn)N2連接到比較器12的負(fù)輸入端。電容器16連接到第一節(jié)點(diǎn)N1和電流反射鏡19的電流輸入端20之間。電流反射鏡19的一電流輸出端21連接到第二節(jié)點(diǎn)N2。一可選電阻器23可與電容器16串聯(lián)連接并且一可選電容器22可與補(bǔ)償電阻器15并聯(lián)連接。
電阻器17具有一較低的電阻值并且作為一電壓源工作，但如果由電容器16引起的電容性負(fù)載特別高，則節(jié)點(diǎn)N1處的電壓可以被緩沖。
下面的等式將應(yīng)用于包括一電源5、初級(jí)線圈7、可控制開關(guān)9和感測(cè)電阻器17的電路Vp＝R17*i+L*di/dt (1)在該等式中，Vp為由電源5提供的電壓，R17為感測(cè)電阻器17的電阻，i為通過初級(jí)線圈7、可控制開關(guān)9和電阻器17的電流，而L為初級(jí)線圈7的感應(yīng)系數(shù)。實(shí)際上，相對(duì)于電壓Vp可忽略電壓降R17*i并且該等式簡化為Vp＝L*di/dt (2)因此，電流I的梯度恒定并且等于Vp/L。線性增加的電流i在感測(cè)電阻器17兩端產(chǎn)生一同樣線性增加的電壓Vs。通過電容器16的電流Ic(忽略電阻器23)等于Ic＝C16*dVs/dt。由于Vs＝i*R17，所以該等式可重寫為Ic＝C16*R17*di/dt＝C16*R17*Vp/L (2A)換言之，當(dāng)可控制開關(guān)9閉合時(shí)，流入電流反射鏡19的電流輸入端20的電流Ic為與通過初級(jí)線圈7的電流i的梯度成比例的DC電流。假定電流反射鏡19具有電流增益G＝1(在圖4中表示為1∶1)，流過電流輸出端21的電流也等于Ic。該電流Ic在補(bǔ)償電阻器15的兩端產(chǎn)生一電壓降Ic*R15。這樣，比較器12在其負(fù)輸入端接收一補(bǔ)償參考電壓Vrcomp，其等于Vrcomp＝Vr-Ic*R15＝Vr-(C16*R17*di/dt)*R15＝Vr-(C16*R15)*(R17*di/dt)
＝Vr-(tRC)*(R17*di/dt)＝Vr-(tRC)*dVs/dt (2B)其中tRC＝R15*C16當(dāng)可控制開關(guān)9被切換時(shí)通過初級(jí)線圈7的電流的期望值被指定為Isw時(shí)，該期望值Isw將滿足下面等式Isw＝Vsw/R17(3)Vsw是可控制開關(guān)9切換時(shí)感測(cè)電阻器17兩端的感測(cè)電壓Vs的值。然而，作為電路延遲時(shí)間的結(jié)果，通過初級(jí)線圈7的電流的真實(shí)切換值可重寫為Isw＝Vsw/R17+td1*di/dt (4)在該等式中，td1為電路延遲時(shí)間。將等式(2)帶入等式(4)則給出下面等式Isw＝Vsw/R17+td1*Vp/L (5)通過等式5注意到可控制開關(guān)9切換時(shí)的實(shí)際電流Isw偏離于等式3中定義的期望的開關(guān)電流。偏移量等于td1*Vp/L，其中Vp為電源5的電壓。這意味著實(shí)際斷開電流不但由于延遲時(shí)間而偏離于期望的斷開電流，而且還依賴于初級(jí)線圈7的感應(yīng)系數(shù)L和由電源5提供的電壓Vp。這是非常不期望的。
由于補(bǔ)償電路，感測(cè)電阻器17兩端的實(shí)際電壓與補(bǔ)償?shù)膮⒖夹盘?hào)Vrcomp進(jìn)行比較。使用等式(2B)的結(jié)果，等式(4)可重寫為Isw＝(Vr-(tRC)*(R17*di/dt))/R17+td1*di/dt＝Vr/R17-tRC*di/dt+td1*di/dt＝Vr/R17+(td1-tRC)*di/dt (6)電路延遲td1通過一個(gè)量tRC補(bǔ)償。通過使時(shí)間常數(shù)tRC＝R15*C16等于電路延遲td1，斷開電流Isw變得等于期望的Isw＝Vr/R17并且電源5的電壓Vp和初級(jí)線圈7的感應(yīng)系數(shù)L在電流斷開的時(shí)刻不再具有作用。從而對(duì)電源電壓的波動(dòng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。如果電流反射鏡19的電流增益G不等于1，則補(bǔ)償電阻器15兩端的電壓降等于Ic*G*R15。那么補(bǔ)償電阻器15的效果是放大G倍。
因此通過適當(dāng)選擇電阻R15、電容C16和增益G，則可降低或者甚至是消除電路延遲時(shí)間的影響。這使得切換頻率更高和磁性元件的更好的被小型化。本發(fā)明提供的解決方案是簡單的并且容易應(yīng)用。
可選電阻器23和電容器22抑制電容性開關(guān)瞬態(tài)。為了找出最佳補(bǔ)償，值R15*C16可連續(xù)的或逐步的增加，例如，通過使用手動(dòng)操作的電位計(jì)或DC控制的電位計(jì)來改變補(bǔ)償電阻器15的電阻R15。
注意本發(fā)明并不局限于帶有變壓器的開關(guān)模式電源。所述原理還可應(yīng)用于帶有簡單感應(yīng)元件(降壓和升壓變換器的開關(guān)模式電源。補(bǔ)償信號(hào)可選擇的加入到電流感測(cè)信號(hào)中而不是參考信號(hào)中。
所述開關(guān)模式電源適用于，例如帶有可再充電電池的電子設(shè)備，所述可再充電電池是通過電源電壓充電的。圖5表示一帶有殼體32的電子剃須刀30，所述殼體32容納有一根據(jù)本發(fā)明的用于給可再充電電池1充電的開關(guān)模式電源34，和一個(gè)利用如圖1所示的開關(guān)36連接到電池1的馬達(dá)4。馬達(dá)4驅(qū)動(dòng)剃須刀頭38并且開關(guān)36利用按鈕40啟動(dòng)。該開關(guān)模式電源可包括一個(gè)整流器，用于對(duì)通過入口42接收的AC電源電壓進(jìn)行整流，但還可以首先對(duì)分離的AC電源適配器中的AC電源電壓進(jìn)行整流。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)模式電源，包括一可控制開關(guān)(9)，用于響應(yīng)于一控制信號(hào)將一感應(yīng)元件(7)跟電源(5)連接和斷開；一電流傳感器(10)，用于感測(cè)通過感應(yīng)元件(7)的電流并產(chǎn)生和該電流相對(duì)應(yīng)的一感測(cè)信號(hào)；一參考信號(hào)發(fā)生器(11)，用于產(chǎn)生一參考信號(hào)；一比較器(12)，用于將感測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較并產(chǎn)生所述控制信號(hào)；和一個(gè)對(duì)參考信號(hào)發(fā)生器(11)或電流傳感器(10)起作用的補(bǔ)償電路(14)，用于調(diào)節(jié)所述參考信號(hào)或感測(cè)信號(hào)以補(bǔ)償通過可控制開關(guān)(9)由于電路延遲時(shí)間引起的感應(yīng)元件(7)的延遲斷開，其中所述補(bǔ)償電路包括用于利用與通過感應(yīng)元件(7)的電流的梯度成比例的校正信號(hào)來校正所述參考信號(hào)或感測(cè)信號(hào)的裝置(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源，其中所述電流傳感器包括一與感應(yīng)元件(7)串聯(lián)連接的感測(cè)電阻器(17)，所述感測(cè)信號(hào)為感測(cè)電阻器(17)兩端的電壓，其中所述參考信號(hào)發(fā)生器包括一參考電壓源(18)，該參考電壓源的電壓是參考信號(hào)，并且其中所述補(bǔ)償電路包括一電流反射鏡(19)，其具有一電流輸入端(20)和一電流輸出端(21)，一電容器(16)，用于將感測(cè)電阻器(17)兩端的電壓耦合到電流輸入端(20)，一與參考電壓源(18)串聯(lián)連接的補(bǔ)償電阻器(15)，所述電流輸出端(21)連接到補(bǔ)償電阻器(15)，用于使電流流過補(bǔ)償電阻器(15)以便形成所述校正信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的開關(guān)模式電源，其中所述補(bǔ)償電阻器(15)具有值R15，所述電容器(16)具有值C16，而所述電流反射鏡(19)具有電流增益G，從而得到一時(shí)間常數(shù)R15*C16*G，該時(shí)間常數(shù)至少近似等于電路延遲時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的開關(guān)模式電源，還包括另一個(gè)與所述補(bǔ)償電阻器(15)并聯(lián)連接的電容器(22)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的開關(guān)模式電源，還包括另一個(gè)與電容器(16)串聯(lián)連接的電阻器(23)。
6.一種電動(dòng)剃須刀(30)，包括一可再充電電池(1)、一電動(dòng)馬達(dá)(4)、一用于將馬達(dá)(4)連接到可再充電電池(1)的開關(guān)(36)，以及一如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的用于給電池(1)充電和/或給馬達(dá)(4)提供能量的電源電路(34)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有電流模式控制的開關(guān)模式電源，其中一感應(yīng)元件(7)利用一可控制開關(guān)(9)連接至一電源(5)。在開關(guān)(9)閉合期間，通過感應(yīng)元件(7)增加的電流通過一電流傳感器(17)感測(cè)并且與一參考信號(hào)(18)進(jìn)行比較。當(dāng)來自電流傳感器的信號(hào)等于參考信號(hào)時(shí)，開關(guān)(9)打開。由于電路延遲，開關(guān)(9)的斷開發(fā)生在比電流傳感器(17)感測(cè)的電流高的電流等級(jí)處。為了補(bǔ)償該效應(yīng)，開關(guān)模式電源具有用于產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)(Ic＊R15)的裝置(16、19、15)，所述補(bǔ)償信號(hào)與通過感應(yīng)元件(7)的電流i的梯度(di/dt)成比例。通過選擇適當(dāng)?shù)脑?15、19、16)的值可以補(bǔ)償電路延遲。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1714495SQ02824226
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月7日
發(fā)明者J·R·德博爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司