專利名稱：開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及回掃型開關(guān)電源，其用半導體開關(guān)的開關(guān)操作產(chǎn)生通過變壓器與第一直流電源絕緣的第二直流電壓，且具體地，本發(fā)明涉及使用輔助繞組(三次繞組)檢測變壓器二次側(cè)輸出電壓、并將該輸出電壓控制為恒定電壓的控制電路。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源被用作為負載提供恒定電壓的充電器電源或筆記本計算機AC適配器的電源。作為已知方法，存在通過其將使用用于絕緣和檢測輸出電壓Vo的光電耦合器的電壓檢測電路設(shè)置在圖13所示的開關(guān)電源的二次側(cè)，且將輸出電壓控制為恒定電壓的ー種方法。輸出電壓用此方法恒定監(jiān)測，意味著，即使當驟加負載變化發(fā)生和輸出電壓下降吋，也可快速檢測到輸出電壓的下降，且可能將輸出電壓控制為恒定電壓。然而，盡管可能通過直接檢測二次側(cè)電壓實現(xiàn)穩(wěn)定的控制，在使用光電耦合器的電壓檢測電路中一直發(fā)生功率損耗，這是節(jié)能和提高效率的障礙。同時，作為在不使用使用光電耦合器的電壓檢測器的情況下獲得輸出電壓信息的方法，存在通過等效地檢測來自一次側(cè)開關(guān)電壓波形的輸出電壓將輸出電壓控制為恒定電壓，而不用直接檢測二次側(cè)電壓的ー種方法。圖10示出如JP-A-7-170731和JP-A-2010-22121中所示的已知電路的示例，其檢測變壓器的三次繞組電壓，并將直流輸出電壓控制為恒定電壓。由于JP-A-2010-22121是JP-A-7-170731的改進版本，因此在電壓檢測器電路中存在區(qū)別。圖10中所示的電路的配置和操作如下。在整流電路I中，交流輸入被轉(zhuǎn)換為直流電壓，且獲得在電容器2中被平滑的直流電壓Vi。通過將直流電壓Vi作為輸入，變壓器6的一次繞組6-1由用作半導 體開關(guān)的M0SFEI7進行導通/截止控制。變壓器6的二次繞組6-2連接至ニ極管3，且在整流后，電壓在電容器5中被平滑，從而變成直流輸出Vo。電阻器4是假負載電阻，用于在沒有負載或輕負載時抑制電壓的上升。這是所謂回掃型開關(guān)電源電路，其中當M0SFEI7被導通時激勵能被累積在變壓器中，且當M0SFEI7被截止時，經(jīng)由ニ極管3激勵能從二次繞組6-2充電至電容器5。變壓器6的三次繞組6-3的電壓在ニ極管12和電容器11中被整流和平滑，從而變成控制電路13的電源。同樣，通過檢測三次繞組6-3的電壓Vt (其等效于變壓器6的二次繞組電壓)，進行輸出電壓Vo至恒定電壓的控制。使用圖11和12，將給出使用三次繞組的輸出電壓檢測的原理的描述。當M0SFEI7被導通吋，電流Ip流過變壓器6的一次繞組，井上升。接著，當M0SFEI7被截止吋，電流從二次繞組6-2流過ニ極管3，從而變成為電流Is，對電容器Co充電，并且電容器Co變成為具有輸出電壓Vo。當此時取二次繞組6-2的電壓極性為正時，則當M0SFEI7處于導通狀態(tài)時二次繞組6-2和三次繞組6-3的電壓均為負極性。當M0SFEI7處于截止狀態(tài)、且電流Is流過連接至二次繞組6-2的ニ極管3吋，二次繞組6-2的電壓Vs是輸出電壓Vo和ニ極管3的正向電壓降Vf之和。因此，三次繞組6-3的電壓Vt是與二次繞組6-2和三次繞組6-3的匝數(shù)比成比例的電壓，且等效于檢測二次繞組6-2的電壓Vs。通過檢測檢測到的輸出電壓Vt和流過一次側(cè)M0SFEI7的電流Ip，輸出電壓被控制為恒定的電壓。同樣，當存在輕負載或沒有負載時執(zhí)行開關(guān)控制，從而通過降低開關(guān)頻率抑制待機功率。如上所述，使用通過其從一次側(cè)開關(guān)電壓波形獲得輸出電壓信息的方法、使用通過其檢測變壓器的三次繞組電壓的方法等，而不使用通過使用光電耦合器直接檢測直流輸出電壓的輸出電壓檢測方法，不可能檢測到輸出電壓，除非半導體開關(guān)進行開關(guān)動作。因此，當在其中開關(guān)頻率降低、且功耗減少的狀態(tài)中發(fā)生驟加負載變化時、當存在輕負載或沒有負載時，即使當輸出電壓由于該驟加負載變化而降低時，直到下一次開關(guān)動作前不可能檢測到輸出電壓的降低。當存在輕負載或沒有負載時開關(guān)頻率較低之吋，開關(guān)動作之間的間隔變長，意味著存在這樣的問題:在驟加負載變化發(fā)生與下一次開關(guān)動作之間在輸出電壓中存在瞬時較大壓降。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供作為使用三次繞組采集輸出電壓信息并將輸出電壓控制為恒定電壓的回掃型開關(guān)電源的開關(guān)電源，該開關(guān)電源可抑制當在電路中存在輕負載或沒有負載時由于驟加負載變化引起的輸出電壓中的下降，其中功耗一般較低。為了解決上述為問題，在本發(fā)明的第一方面，開關(guān)電源包括具有一次繞組、二次繞組、和三次繞組的變壓器，通過開關(guān)操作對輸入至所述一次繞組的第一直流電壓進行導通/截止控制的半導體開關(guān)，通過該半導體開關(guān)的開關(guān)操作整流并平滑在所述二次繞組中產(chǎn)生的二次繞組電壓、從而產(chǎn)生第二直流電壓作為輸出電壓的輸出電壓生成単元，通過該半導體開關(guān)的開關(guān)操作整流并平滑在所述三次繞組中產(chǎn)生的三次繞組電壓、從而產(chǎn)生第三直流電壓的電源單元，產(chǎn)生控制該半導體開關(guān)的開關(guān)操作的控制信號的開關(guān)控制単元，基于該三次繞組的電壓信息檢測輸出電壓的輸出電壓檢測単元，以及檢測流過該半導體開關(guān)的電流的電流檢測單元。該開關(guān)電源設(shè)備通過根據(jù)由所述電流檢測單元檢測到的電流和由該輸出電壓檢測單元檢測到的電壓控制該半導體開關(guān)的導通和截止來向連接至所述輸出電壓生成単元的負載供應(yīng)恒定的輸出電壓，將驟加負載變化檢測電路包括在該輸出電壓生成單元中，該驟加負載變化檢測電路檢測由于驟加負載變化引起的輸出電壓中的下降，并且該開關(guān)電源設(shè)備響應(yīng)所檢測到的驟加負載變化檢測信號開始進行開關(guān)動作。在本發(fā)明的第二個方面，隨著在該驟加負載變化檢測電路中檢測到的驟加負載變化檢測信號產(chǎn)生該半導體開關(guān)的選通脈沖作為觸發(fā)信號，通過進行開關(guān)動作來檢測輸出電壓的下降，并抑制輸出電壓的下降。在本發(fā)明的第三個方面，開關(guān)頻率隨著根據(jù)在驟加負載變化檢測電路中檢測到的驟加負載變化檢測信號控制該開關(guān)頻率的電壓的變化而増加，通過進行開關(guān)動作來檢測由于驟加負載變化等引起的輸出電壓的下降，并抑制輸出電壓的下降。在本發(fā)明的第四個方面，根據(jù)本發(fā)明的第一個至第三個方面的該驟加負載變換檢測電路被配置為:通過在正常狀態(tài)不操作、而僅在由于驟加負載變化等引起所述輸出電壓下降時操作的驟加負載變化檢測電路來抑制正常狀態(tài)中的功率損耗。在本發(fā)明的第五個方面，根據(jù)本發(fā)明的第一個至第四個方面的該驟加負載變化檢測電路被配置為:電容器、光電耦合器一次側(cè)ニ極管、和電阻器的串聯(lián)電路被連接在該輸出電壓生成單元的正電極和負電極之間。
根據(jù)本發(fā)明，檢測三次繞組電壓并將輸出電壓控制為恒定電壓的回掃型開關(guān)電源使用一般不具有功耗、僅檢測直流輸出電壓的瞬時波動的微分電路檢測驟加負載變化，并在沒有負載或僅有較輕負載時、甚至當半導體開關(guān)處于截止狀態(tài)時啟動一次側(cè)半導體開關(guān)的開關(guān)動作，藉此實現(xiàn)三次繞組中直流輸出電壓的檢測并抑制該直流輸出電壓中的下降。因此，可降低功耗并在存在驟加負載變化時抑制直流輸出電壓中的下降。


圖1是示出本發(fā)明的各實施例的總體電路圖；圖2是圖1的開關(guān)控制單元的詳細電路圖；圖3是本發(fā)明的第一實施例；圖4是本發(fā)明的第一實施例的操作波形圖；圖5是本發(fā)明的第二實施例；圖6是本發(fā)明的第二實施例的操作波形圖；圖7是不出反饋電壓和開關(guān)頻率之間的關(guān)系的不圖；圖8是存在驟加負載變化時的已知操作示圖；圖9是存在驟加負載變化時的本發(fā)明的操作示圖；圖10是已知的三次繞組電壓反饋型的電路圖；圖11是用于說明回掃型開關(guān)電源的操作的電路圖；圖12是圖11的每一部分的操作波形圖；以及圖13是用于反饋直流輸出電壓的電路圖。
具體實施例方式本發(fā)明的要點在于檢測三次繞組電壓并將輸出電壓控制為恒定電壓的回掃型開關(guān)電源，其包括一般不具有功耗、且僅檢測直流輸出電壓的瞬時波動的驟加負載變化檢測電路，并在沒有負載或具有較輕負載時、甚至當半導體開關(guān)處于截止狀態(tài)時啟動一次側(cè)半導體開關(guān)的開關(guān)動作，由此實現(xiàn)三次繞組中直流輸出電壓的檢測并抑制該直流輸出電壓中的下降。第一實施例圖1示出本發(fā)明的各實施例的整體電路，圖2是開關(guān)控制單元9的詳細電路，圖3是本發(fā)明的第一實施例，且圖4是操作波形。圖1是本發(fā)明的開關(guān)電源的主電路配置的整體電路示例。在圖中，變壓器6具有向其輸入直流輸入電壓Vin的一次繞組6-1、用于輸出輸出電壓No的二次繞組6-2、以及用于在檢測到二次繞組6-2中產(chǎn)生的電壓的同時產(chǎn)生控制電路13的電源電壓Vcc的三次繞組6-3。由于一次繞組6-1和二次繞組6-2的極性互相相反，因此本發(fā)明的開關(guān)電源是回掃型的。ニ極管3、當存在輕負載或沒有負載時用于抑制輸出電壓的上升的由電容器5構(gòu)成的整流與平滑電路以及假負載電阻器4被連接至二次繞組6-2，且此整流與平滑電路形成本發(fā)明的開關(guān)電源的輸出電壓生成単元。該輸出電壓生成単元被配置為，其中在二次側(cè)上產(chǎn)生的回掃電壓被整流并平滑的輸出電壓Vo根據(jù)開關(guān)元件7的開關(guān)動作被提供至負載。以同樣的方式，ニ極管12和由電容器11構(gòu)成的整流與平滑電路連接至三次繞組6-3，且此整流與平滑電路的輸出形成控制電路13的電源電壓Vcc。作為用作半導體開關(guān)的MOSFET的開關(guān)元件7由三個端子-漏極端D、柵極端G、和源極端S構(gòu)成-且響應(yīng)于在柵極端G中接收到的控制信號使得開關(guān)導通與截止。進ー步地，通過此導通與截止控制進行在變壓器6的一次繞組6-1中流動的電流的開關(guān)。作為對該M0SFEI7進行導通/截止控制的電路的開關(guān)控制用控制電路13檢測輸出電壓檢測單元10中的三次繞組的電壓Vt，并在開關(guān)控制電路9中產(chǎn)生開關(guān)信號，藉此對該M0SFEI7進行導通/截止控制。開關(guān)控制単元9基于來自輸出電壓檢測單元10的反饋電壓Vfb和由變阻器8檢測到的變壓器6的一次繞組電流Is，來控制柵極信號導通寬度和開關(guān)頻率，并從OUT端子向M0SFEI7的柵極輸出導通/截止信號。三次繞組6_3與二次繞組6-2具有相同極性，通過將三次繞組6-3的電壓Vt作為輸入，根據(jù)輸出電壓Vo的反饋電壓Vfb在輸出電壓檢測單元10中產(chǎn)生，并被發(fā)送至開關(guān)控制単元9。開關(guān)控制単元9的電路配置在圖2中示出。開關(guān)控制単元9被配置為包括可變頻率振蕩器0SC、根據(jù)反饋信號的大小控制振蕩器的輸出信號的比較器CP1、比較反饋信號的大小和變壓器6的一次繞組電流Is并產(chǎn)生用于截止輸出脈沖的信號的比較器CP2、單觸發(fā)電路lshot、觸發(fā)器FFl等，且開關(guān)控制單元9基于一次繞組電流Is和反饋電壓Vfb向端子OUT輸出其頻率是可變的且寬度受控于負載的脈沖。此處，附圖標記BUF是用于阻抗轉(zhuǎn)換的緩沖門，且附圖標記Gl是放大器。由連接在輸出電壓生成単元的輸出端子Po和No之間的電容器14、電阻器15、和光電耦合器17的一次側(cè)ニ極管的串聯(lián)電路、和與光電耦合器17的一次側(cè)ニ極管反向并聯(lián)的ニ極管16構(gòu)成的電路是用于檢測直流輸出電壓中的驟加變化的驟加負載變化檢測電路。由于此電路使得電容器14 一直處于充滿狀態(tài)，且功耗是由該電容器的漏電流引起的微量，幾乎沒有任何損耗產(chǎn)生。當由于負載中的驟加變化等引起直流輸出電壓下降吋，電容器14的電荷沿著從電容器14通過負載、光電耦合器17的一次側(cè)ニ極管、和電阻器15到電容器14的路徑通過負載被消耗，且電流流過電流耦合器17 —次側(cè)ニ極管。由于此電流具有微分波形，且其損耗也是微量的。由于ニ極管16用于在檢測到負載中的驟加變化后對電容器14進行充電,在下一次電壓降前ニ極管16對電容器14充電是足夠的,意味著ニ極管16也可被高阻抗電阻器替代。驟加負載變化檢測電路是用作輸出電壓微分電路的電路，且當輸出電壓恒定時并不在正常狀態(tài)中操作。因此，當輸出電壓恒定時可抑制損耗。當存在輕負載或沒有負載吋，當發(fā)生驟加負載變化時電流流過光電ニ極管的發(fā)光二極管部分，且在其中頻率被下降從而抑制待機功率的狀態(tài)中輸出電壓下降，且驟加負載變化檢測信號被傳送至一次側(cè)。圖3示出其中檢測來自驟加負載變化檢測電路的信號、并啟動M0SFEI7的開關(guān)動作的實施例。光電耦合器17的光電晶體管和電阻器18的串聯(lián)電路連接至控制電源電壓Vcc，且當輸出電壓下降時，電流流過光電耦合器17的發(fā)光二極管部分，光電晶體管導通，這由比較器CP3檢測到，觸發(fā)信號由觸發(fā)器FF2輸出，且經(jīng)由邏輯和門OR發(fā)送M0SFEI7柵極驅(qū)動信號。操作波形在圖4中示出。當直流輸出電壓Vo中發(fā)生下降時，微分電流流過驟加負載變化檢測電路的光電耦合器17的光電晶體管，在觸發(fā)器FF2的輸出中產(chǎn)生觸發(fā)電壓trig，且半導體開關(guān)7被導通和截止。因此，如圖11和12中所示，可檢測三次繞組6-3中二次繞組的電壓，意味著可用正常的輸出電壓控制抑制輸出電壓的下降。
第二實施例圖5示出本發(fā)明的第二實施例，并且圖6示出其操作波形。本發(fā)明的第一實施例的配置為，半導體開關(guān)的觸發(fā)信號由來自驟加負載變化檢測電路的信號編譯，不過本發(fā)明的第二實施例的配置為，由光電晶體管和電阻器18的串聯(lián)電路檢測到的驟加負載變化信號作為反饋信號被輸入至開關(guān)控制単元9，藉此增加半導體開關(guān)7的柵極信號的開關(guān)頻率。反饋電壓Vfb和開關(guān)頻率Fsw之間的關(guān)系在圖7中示出?？梢钥闯?，當反饋電壓Vfb增加吋，開關(guān)頻率Fsw増加。由于存在輕負載或沒有負載時頻率較低，因此當開關(guān)頻率增加時立刻啟動開關(guān)動作，即使半導體開關(guān)7處于截止狀態(tài)也是如此。因此，如圖11和12中所示，可檢測三次繞組6-3中二次繞組的電壓，意味著可用正常的輸出電壓控制抑制輸出電壓的下降。圖8示出使用已知控制的輸出電壓和開關(guān)操作之間的關(guān)系，且圖9示出在應(yīng)用本發(fā)明(第一實施例和第二實施例)時輸出電壓和開關(guān)操作之間的關(guān)系。通過已知的控制，當發(fā)生驟加負載變化時，在下一個導通/截止信號被提供至半導體開關(guān)后才執(zhí)行輸出電壓控制，但是可以看到，當應(yīng)用本發(fā)明時，一旦驟加負載變化檢測電路檢測到驟加負載變化半導體開關(guān)就立刻啟動導通和截止，意味著輸出電壓的下降被保持為較小。在上述實施例中，硬開關(guān)回掃型電路被示為開關(guān)電路，不過該開關(guān)電路也可被實現(xiàn)為偽諧振型開關(guān)電路，其中諧振電容器與半導體開關(guān)并聯(lián)連接。同樣，該開關(guān)電路還可以與使用其中MOSFET與連接至二次繞組的ニ極管反向并聯(lián)的同步整流型整流電路時ー樣的方式實現(xiàn)。本發(fā)明作為當檢測到三次繞組中直流輸出電壓的反饋并將輸出電壓控制為恒定電壓時抑制由驟加負載變化等造成的直流輸出電壓的瞬時下降的控制技術(shù)，可被應(yīng)用于AC適配器、充電器、各種儀器的控制電源等。
權(quán)利要求
1.ー種開關(guān)電源設(shè)備，包括: 具有一次繞組、二次繞組、和三次繞組的變壓器； 半導體開關(guān)，所述半導體開關(guān)通過開關(guān)操作對輸入所述一次繞組的第一直流電壓進行導通/截止控制； 輸出電壓生成単元，所述輸出電壓生成単元通過所述半導體開關(guān)的所述開關(guān)操作整流并平滑在所述二次繞組中產(chǎn)生的二次繞組電壓，從而產(chǎn)生第二直流電壓作為輸出電壓； 電源單元，所述電源単元通過所述半導體開關(guān)的所述開關(guān)操作整流并平滑在所述三次繞組中產(chǎn)生的三次繞組電壓，從而產(chǎn)生第三直流電壓； 開關(guān)控制単元，所述開關(guān)控制單元產(chǎn)生控制所述半導體開關(guān)的開關(guān)操作的控制信號； 輸出電壓檢測單元，所述輸出電壓檢測單元基于所述三次繞組的電壓信息檢測輸出電壓；以及 電流檢測單元，所述電流檢測單元檢測流過所述半導體開關(guān)的電流，其中 所述開關(guān)電源設(shè)備通過根據(jù)由所述電流檢測單元檢測到的電流和由所述輸出電壓檢測單元檢測到的電壓控制所述半導體開關(guān)的導通和截止來向連接至所述輸出電壓生成單元的負載供應(yīng)恒定的輸出電壓，將驟加負載變化檢測電路包括在所述輸出電壓生成単元中，所述驟加負載變化檢測電路檢測由于驟加負載變化引起的輸出電壓中的下降，并且所述開關(guān)電源設(shè)備響應(yīng)所檢測到的驟加負載變化檢測信號開始進行開關(guān)動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源設(shè)備，其特征在于 隨著在所述驟加負載變化檢測電路中檢測到的驟加負載變化檢測信號產(chǎn)生所述半導體開關(guān)的選通脈沖作為觸發(fā)信號，通過進行開關(guān)動作來檢測所述輸出電壓的下降，并抑制所述輸出電壓的下降。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源設(shè)備，其特征在于 開關(guān)頻率隨著根據(jù)在所述驟加負載變化檢測電路中檢測到的驟加負載變化檢測信號控制該開關(guān)頻率的電壓的變化而増加，通過進行開關(guān)動作來檢測由于驟加負載變化等引起的所述輸出電壓的下降，并抑制所述輸出電壓的下降。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的開關(guān)電源設(shè)備，其特征在干， 所述驟加負載變換檢測電路被配置為:通過在正常狀態(tài)不操作、而僅在由于驟加負載變換等引起所述輸出電壓下降時操作的所述驟加負載變化檢測電路來抑制正常狀態(tài)中的功率損耗。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的開關(guān)電源設(shè)備，其特征在干， 所述驟加負載變化檢測電路被配置為:電容器、光電耦合器一次側(cè)ニ極管、和電阻器的串聯(lián)電路被連接在所述輸出電壓生成単元的正電極和負電極之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種開關(guān)電源。一種回掃型開關(guān)電源包括在直流輸出的P和N之間的驟加負載變化檢測電路，該驟加負載變化檢測電路一般沒有功耗且僅檢測直流輸出電壓的瞬時波動，并且該回掃型開關(guān)電源在沒有負載或較輕負載時、甚至當半導體開關(guān)處于截止狀態(tài)時啟動一次側(cè)半導體開關(guān)的開關(guān)動作，藉此實現(xiàn)三次繞組中的直流輸出電壓的檢測，并抑制該直流輸出電壓的下降。
文檔編號H02M3/335GK103138587SQ20121050668
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者櫻井賢彥, 西川幸廣 申請人:富士電機株式會社