專利名稱：行頻率開關(guān)調(diào)整器的制作方法
行頻率開關(guān)調(diào)整器 相關(guān)專利申請的相互參考這是要求2002年4月4日提交的臨時專利申請序號60/370,072 的優(yōu)先權(quán)的非臨時申請。發(fā)明背景本發(fā)明涉及用于通信設(shè)備的開關(guān)模式電源。典型地，開關(guān)模式電源(SMPS)包括開關(guān)功率晶體管，具有由工 作占空比調(diào)制信號控制的、可控的工作占空比。交流(AC)市電電源 電壓源被耦合到整流器，用于產(chǎn)生為SMPS供電的輸入電源電壓。典型 地，在SMPS的輸入端處耦合一個大的輸入濾波電容器，用于/人整流器 中產(chǎn)生的整流后的輸入電源電壓中濾波出AC分量。通常希望消除大的 輸入濾波電容器。典型的SMPS需要生成周期性開關(guān)信號，來建立工作占空比調(diào)制信 號的時序。通常希望利用市電電源電壓的周期性波形來建立工作占空 比調(diào)制信號的時序。由此，可以得到SMPS運行，而不用與生成周期性 開關(guān)信號有關(guān)的附加電路復(fù)雜性。在體現(xiàn)本發(fā)明特征的SMPS中，市電電壓源被耦合到用于產(chǎn)生輸入 電源電壓的整流器。整流的輸入電源電壓被未濾波地耦合到SMPS的輸 入端。具有可控制的工作占空比的開關(guān)功率晶體管被工作占空比調(diào)制 信號控制，用來從整流的輸入電源電壓產(chǎn)生調(diào)整的輸出電源電壓。市 電電源電壓的周期性波形被使用來建立工作占空比調(diào)制信號的時序。在實現(xiàn)本發(fā)明性特征時，在每個周期，當晶體管已被充分接通和 在它的主電流導(dǎo)通端之間形成的電壓是低的或接近于零伏時，在晶體 管中開始流電流。由此，功率消耗有利地是小的。當輸出電源電壓達 到閾值電平時，晶體管^L關(guān)斷。在實現(xiàn)另一個發(fā)明性特征時，提供滯后，以防止晶體管在它被關(guān) 斷后在同一個周期內(nèi)凈皮再次接通。由此，有利地，防止晶體管在同一 個周期中，在它的主電流導(dǎo)通端之間形成的電壓在接近于零伏時不再 次接通。因此，有利地，防止增加的功率消耗。體現(xiàn)本發(fā)明特征的開關(guān)模式電源包括周期性輸入電源電壓的源和 濾波電容器。功率開關(guān)半導(dǎo)體被耦合到該源和電容器，用于在半導(dǎo)體 中生成以與輸入電源電壓的頻率有關(guān)的頻率的、具有在第一方向的第 一過渡狀態(tài)和在相反方向的第二過渡狀態(tài)的周期性整流的供電電流脈 沖，以便在電容器中形成輸出電源電壓。第一開關(guān)控制信號的源被提供來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體在第一過渡狀態(tài)之前導(dǎo)通，以便在第一過渡狀態(tài)期間 在半導(dǎo)體中提供零電壓切換。比較器根據(jù)表示輸出電源電壓的信號和參考電平的信號，用于生成第二開關(guān)控制信號，使得半導(dǎo)體按照輸出 電源電壓與參考電平信號之間的差值產(chǎn)生被調(diào)制的電流脈沖的第二過 渡狀態(tài)。比較器具有正反饋信號路徑，它提供相對于輸出電源電壓的 滯后。附圖簡述

圖1顯示/人市電電源電壓產(chǎn)生的未濾波的全波整流的正弦波波形，它對于解釋圖2的電路的運行是有用的；圖2顯示體現(xiàn)本發(fā)明特征的開關(guān)才莫式電源；以及 圖3a，3b，和3c顯示對于解釋圖2的電源的運行有用的波形。優(yōu)選實施例描述圖2示出包括體現(xiàn)本發(fā)明特征的開關(guān)模式調(diào)整器的開關(guān)模式電源。 市電電源電壓VM經(jīng)由電力變壓器Tl加到橋式整流器101。在整流器 101的端子102a或102b處形成的電壓Vin纟皮耦合到調(diào)整器的發(fā)射才及， 經(jīng)由端子102a或102b串行傳送到開關(guān)晶體管Ql。晶體管Ql與整流器 或二極管D2串聯(lián)耦合，形成開關(guān)半導(dǎo)體。晶體管Ql的集電極經(jīng)由二 極管D2耦合到濾波電容器Cl,用于在電容器Cl上產(chǎn)生調(diào)整后的輸出 電源電壓Vout。電壓Vout經(jīng)由包括電阻R7和電阻R6 (例如，具有相等的數(shù)值) 組成的分壓器耦合到比較器的倒相輸入端，或LM324型運算放大器Ul 的管腳2。參考電壓Vref經(jīng)由可調(diào)節(jié)的分壓器電阻R10和電阻R5 ;波耦 合到放大器Ul的非倒相輸入端(管腳3),以便在放大器Ul的非倒相輸 入端(管腳3)處建立參考電壓Vrefl 。放大器Ul的輸出端(管腳1)經(jīng)由 電阻R2和電阻R3形成的分壓器耦合到開關(guān)晶體管Q2的基極。晶體管 Q2的集電極經(jīng)由限流電阻Rl耦合到晶體管Ql的基極。圖1和3a-3c顯示對于解釋圖2的開關(guān)調(diào)整器100的運行有用的 波形。在圖1, 2和3a-3c上相同的符號和數(shù)字表示相同的項目或功能。假設(shè)圖2的橋式整流器101的端子102a與晶體管Ql的發(fā)射極端 子102b分隔開，以字母"x"的形式的虛線表示。還假設(shè)，電阻性負 荷(未示出)加到端子102a。在這種情形下，在圖2的端子10^處輸 入電源電壓Vin的波形是具有例如60Hz的4亍頻率的市電電源電壓VM 的未濾波的全波整流的正弦波形。在以下的說明中，假設(shè)端子10h和 102b互相連接，如圖2所示，并處在相同的電位。在圖3b的電壓Vin的每個周期9期間，只要圖3a的電壓Vout低 于圖2的放大器U1的非倒相輸入端(管腳3)上的電壓的兩倍，在管 腳1上的、放大器U1的輸出電壓是高電平，也就是基本上等于放大器 Ul的20伏電源電壓(未示出)。結(jié)果，晶體管Q2接通，造成晶體管 Ql接通處在飽和條件。因此，有利地，晶體管Ql在圖3c的電流Ieql 流入晶體管Ql之前纟皮調(diào)節(jié)為導(dǎo)通。當前電壓Vin成為足夠大而正向偏置二才及管D2時，正如電壓Vin 在圖1的虛線以上的一部分所表示的，圖2的晶體管Ql的集電極-發(fā) 射極電壓(未示出)改變極性。因此，圖3c的整流的供電電流Ieql 開始流過包括圖2的晶體管Ql、 二極管D2和濾波電容器Cl的電流路 徑，充電電容器Cl,以及產(chǎn)生電壓Vout。電壓Vout在圖3b的時間間 隔tl期間連同電壓Vin的瞬時值一起變化。圖3c示出當圖2的電壓 Vout ^皮耦合到例如11歐姆的負載(未示出)時在時間間隔tl期間在 圖2的晶體管Ql中的發(fā)射極電流Ieql的波形。在實現(xiàn)本發(fā)明特征時，當圖3b的電壓Vin大約等于圖3a的電壓 Vout或圖2的晶體管Ql的集電極-發(fā)射極電壓(未示出)的幅度^艮小 時，通過在圖2的晶體管Ql中開始圖3c的電流Ieql的流動，以功率 有效的方式調(diào)整圖3a的輸出電壓Vout。在晶體管Ql已被調(diào)節(jié)為導(dǎo)通 后，圖3c的電流Ieql開始流入圖2的晶體管Ql。所以，有利地，當 晶體管Q1接通時，提供零電壓切換。結(jié)果是，比起如果在圖3c的發(fā) 射極電流Ieql開始之前在圖2的晶體管Ql的發(fā)射極和集電極之間形 成很大的電壓差來說，在晶體管Ql中耗散更低的功率。當圖3a的電壓Vout達到等于圖2的放大器U1的非倒相輸入端(管 腳2)處的電壓的兩倍的閾值電平時，在管腳1處放大器Ul輸出達到低電平，造成晶體管Q2和Ql關(guān)斷。電壓Vout沒有增加到很大地大于 放大器U1的非倒相輸入端(管腳3)處的電壓的兩倍。所以，在過渡 間隔期間(未示出)，當晶體管Q1關(guān)斷時，晶體管Q1的功率消耗也是 有利地4艮小的。在圖3b的電壓Vin的每個周期T中重復(fù)進行再補充電 容器C1上的電荷的過程，該電荷被負載電路(未示出)去除。體現(xiàn)本發(fā)明特性的、圖2的正反饋從放大器Ul的輸出端(管腳1 ) 被耦合到放大器Ul的非倒相輸入端(管腳3),以提供滯后。正反饋電 阻R4使得在放大器Ul的倒相輸入端(管腳2 )處的電壓與非倒相輸入 端(管腳3)處的電壓之間的電壓差進一步增加。由此，滯后防止放大器Ul再次接通晶體管Ql,避免在電壓Vin的 斜坡下降部分Vindr期間多次出現(xiàn)圖3c的電流Ieql的月永沖。如果沒 有滯后，當在圖2的晶體管Ql的發(fā)射極與集電極之間的電壓差很大和 大于零時，圖2的放大器Ul在圖3的相同的周期T期間能夠接通晶體 管Ql,產(chǎn)生在晶體管Ql和二極管D2中的電流Ieql的第二個脈沖。由 此，滯后通過阻止零電壓切換而阻止晶體管Ql中功率耗散增加。實現(xiàn)本發(fā)明特征的下拉二極管D3被耦合在晶體管Ql的發(fā)射極與 放大器Ul的倒相輸入端(管腳2 )之間。下拉二極管D3把電壓Vin耦 合到放大器Ul的倒相輸入端管腳2。在圖3b的電壓Vin的斜坡下降部 分Vindr期間減小電壓Vin，使得放大器Ul的輸出端(管腳1 )處的電 壓再次達到高電平。因此，有利地，晶體管Ql在準備到下一個周期時 被調(diào)節(jié)成導(dǎo)通。二極管D2在緊接在晶體管Ql被調(diào)節(jié)成導(dǎo)通后被反向偏置。所以， 在導(dǎo)通的晶體管Ql中的電流纟皮阻止，否則它會將電容器Cl放電，直 至圖3c的下一個導(dǎo)通間隔tla為止。 <又4又當圖3b的電壓Vin再次達 到大約等于圖3a的電壓Vout的電平時，二才及管D2才開始再次導(dǎo)通圖 3c的電；充Ieq,正4d前面4笛述的。電壓Vout的電平，有利地，在圖3b的每個周期T內(nèi)保持為基本 上相同的，而不管輸入電壓Vin的幅度變化。輸出負載電流的變化可 以改變圖3a的峰峰起伏電壓VRIPPLE。然而，DC輸出電壓Vout的平 均值保持不變。正如熟知的起伏電壓VRIPPLE可以通過適當?shù)剡x擇電 容器Cl相對于負載的數(shù)值而加以控制。因此，實現(xiàn)對輸入電壓變化和 對負載變化的調(diào)整。圖2的二極管Dl,電容器C2,和電阻R8形成過渡狀態(tài)抑制器。 當晶體管Ql關(guān)斷時，變壓器Tl的泄漏電感使產(chǎn)生高電壓尖峰(未示 出)的電流流過，這會損壞晶體管Ql和/或在調(diào)整的輸出中產(chǎn)生噪聲。 二極管Dl和電容器C2導(dǎo)通這個尖峰，且電阻R8提供對于生成的電壓 的泄漏路徑。電阻R8、電容器C2和二極管Dl的陰極的連接端106也 被使用來提供輔助電源電壓，諸如對于供電給放大器Ul或其他電路所 需要的。在圖2的電路中，它被使用來產(chǎn)生參考電壓Vref。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)模式電源，包括周期性輸入電源電壓的源；濾波電容器；被耦合到所述源和所述電容器的功率開關(guān)半導(dǎo)體，用于在所述半導(dǎo)體中生成以與所述輸入電源電壓的頻率有關(guān)的頻率的、在第一方向具有第一過渡狀態(tài)和在相反方向具有第二過渡狀態(tài)的周期性整流的供電電流脈沖，以便在所述電容器中形成輸出電源電壓，該功率開關(guān)半導(dǎo)體包括與整流器串聯(lián)耦合的串行傳送晶體管，用于阻止所述電容器在所述整流的供電電流脈沖以外，經(jīng)由所述晶體管進行放電；第一開關(guān)控制信號源，用于設(shè)定使所述半導(dǎo)體在所述第一過渡狀態(tài)之前導(dǎo)通，以便在所述第一過渡狀態(tài)期間在所述半導(dǎo)體中提供零電壓切換；比較器，響應(yīng)于表示所述輸出電源電壓的信號和參考電平的信號，用于生成第二開關(guān)控制信號，使得所述半導(dǎo)體按照在所述輸出電源電壓與所述參考電平信號之間的差值產(chǎn)生被調(diào)制后的所述電流脈沖的所述第二過渡狀態(tài)，所述比較器具有正反饋信號路徑，它提供相對于所述輸出電源電壓的滯后。
2. 按照權(quán)利要求1的電源，其中當所述輸入電源電壓與所述輸 出電源電壓的瞬時電平之間第 一差值達到時出現(xiàn)所述第 一過渡狀態(tài)。
3. 按照權(quán)利要求1的電源，其中所述滯后阻止所述半導(dǎo)體在所 述輸入電源電壓的給定的周期內(nèi)生成多個電流脈沖，以便保持零電壓 切換。
4. 按照權(quán)利要求1的電源，其中當在所述晶體管的一對主電流 導(dǎo)通端子之間行成的電壓改變極性時出現(xiàn)所述第一過度狀態(tài)。
5. 按照權(quán)利要求1的電源，其中所述輸入電源電壓經(jīng)由旁路所 述晶體管中的主電流導(dǎo)通路徑的信號路徑被耦合到所述晶體管的控制 端，以在所述晶體管的所述控制端處生成所述第一開關(guān)控制信號。
6. 按照權(quán)利要求l的電源，還包括整流器，用于整流市電電源電 壓，產(chǎn)生具有正弦波整流的波形的所述輸入電源電壓。
7. —種開關(guān)模式電源，包括 周期性輸入電源電壓的源；濾波電容器；被耦合到所述源和所述電容器的功率開關(guān)晶體管，用于在所述晶 體管中生成以與所述輸入電源電壓的頻率有關(guān)的頻率的、在第一方向 具有第 一 過渡狀態(tài)和在相反方向具有第二過渡狀態(tài)的周期性整流的供 電電流脈沖，以便在所述電容器中形成輸出電源電壓，該功率開關(guān)半 導(dǎo)體包括與整流器串聯(lián)耦合的串行傳送晶體管，用于阻止所述電容器在所述整流的供電電流脈沖以外，經(jīng)由所述晶體管進4亍;改電；所述輸 入電源電壓經(jīng)由旁路所述晶體管中的主電流導(dǎo)通路徑的信號路徑被耦 合到所述晶體管的控制端，在所述晶體管的所述控制端處生成第一開 關(guān)控制信號，用于設(shè)定使所述晶體管在所述第一過渡狀態(tài)之前導(dǎo)通， 以便在所述第 一 過渡狀態(tài)期間在所述晶體管中提供零電壓切換；以及 比較器，其響應(yīng)于表示所述輸出電源電壓的信號和參考電平的信號， 用于生成第二開關(guān)控制信號，使得所述半導(dǎo)體按照在所述輸出電源電 壓與所述參考電平信號之間的差值產(chǎn)生被調(diào)制后的所述電流脈沖的所 述第二過渡狀態(tài)。
8. 按照權(quán)利要求7的電源，其中旁路所述主電流導(dǎo)通路徑的所述 信號路徑包括所述比較器。
9. 按照權(quán)利要求7的電源，其中當在所述晶體管的一對主電流導(dǎo) 通端子之間形成的電壓改變極性時出現(xiàn)所述第 一過渡狀態(tài)。
全文摘要
在開關(guān)模式電源(SMPS)中，市電電壓源被耦合到用于產(chǎn)生輸入電源電壓的整流器。整流的輸入電源電壓被未濾波地耦合到SMPS的輸入端。具有可控制的工作占空比的開關(guān)功率晶體管被工作占空比調(diào)制信號控制，用來從整流的輸入電源電壓產(chǎn)生調(diào)整的輸出電源電壓。市電電源電壓的周期性波形被使用來建立工作占空比調(diào)制信號的時序。在每個周期，當晶體管已被充分地接通和在它的主電流導(dǎo)通端之間形成的電壓是低的或接近于零伏時，在晶體管中開始電流流動。由此，功率消耗有利地是小的。當輸出電源電壓達到需要的電平時，晶體管被關(guān)斷。提供滯后來防止晶體管在它被關(guān)斷后在同一個周期內(nèi)被再次接通。
文檔編號H02M1/14GK101330254SQ20081012889
公開日2008年12月24日 申請日期2003年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月4日
發(fā)明者M·W·穆特爾斯保 申請人:湯姆森許可公司