專利名稱：具有電流和電壓限制的開關模式電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個開關模式電源，含有一個可控開關元件和一個感性元件的串聯裝置，被連接以接收一個輸入電壓，用于使可控開關元件在接通期間進行導通的裝置，以產生經過串聯裝置的電流，該電流在接通周期開始時從一個最小值升高到在接通周期結束時的最大值，并且使可控開關元件在關斷期間不導通。
這種開關模式電源公開在國際申請WO97/30574中。在所述已知的電源中，感性元件是變壓器的初級線圈并且可控開關元件是開關晶體管。該變壓器另外含有一個次級線圈，其提供到要充電的電池的輸出電流和/或經過整流二極管的另外的負載。此已知負載的問題是在要供電的負載出現短路時的輸出電流限制。短路電流能夠出現在負載或者要充電的電池出錯的情況下。在可重復充電的設備中，例如剃須刀、牙刷、真空凈化器、電話設備以及等等，其能夠放置在一個座上以對電池進行充電，短路的風險也是大的，因為電源的觸針能夠不注意地與一個導電物體相接觸。如果電源與主電壓匹配器或者提供到可重復充電裝置的充電電流的電源插座不匹配，這種情況也能夠方式。匹配器的輸出端也能夠不注意地被短路。
用在已知的電源上的常見的限制電流的方法是限制初級電流的最大值Ipmax。為此，測量初級電流并且一旦初級電流超過一個定值該開關晶體管關斷。然而在此情況下當開關模式電源開始工作在連續導通模式下時該平均的輸出電流仍然是高的，這意味著在輸出電流降到零之前該開關晶體管再一次導通。該初級電流再一次從在接通周期開始時的最小值Ipmin升高到在關斷周期結束時的最大值Ipmax。當要供電的負載短路時，平均輸出電流大約等于n*(Ipmax+Ipmin)/2，其中n是變比。因為輸出端被短路，輸出電流在關斷期間幾乎沒有下降。在此情況下在接通期間幾乎立即達到了最大值Ipmax，結果輸出電流升高到大約n*(Ipmax+Ipmin)/2。
本發明的任務是提供一個具有改進的短路性能的開關模式電源。為此，開頭所述類型的開關模式電源含有用于限制最小的電流值的裝置。通過限制最小的電流值Ipmin可以實現將平均輸出電流限制到小于n*Ipman的一個值。
為了限制初級電流的最小值，本發明的開關模式電源的一個實施例的特征在于限制裝置含有用于產生測量信號的裝置，該測量信號具有的幅值是在接通周期開始時的電流的最小值的測量結果，用于將測量信號與參考信號進行比較的裝置，和根據比較結果改變接通周期和關斷周期的比例的裝置。
在接通周期開始時，即當初級電流具有最小值Ipmin時，測量信號與參考信號進行比較。根據該比較結果改變接通周期和關斷周期直接的比例，例如通過延長關斷周期，以此方式最小值Ipmin沒有超過給定的最大值。結果當負載短路時輸出電流保持恒定。
最小值Ipmin的幅值能夠通過與可控開關元件和一個差分網絡相串聯的檢測晶體管進行測量，該網絡能夠差分檢測晶體管上的電壓。在接通周期開始時的差分信號中的超前邊沿的幅值是最小值Ipmin的幅值的測量結果。通過一個比較器此幅值能夠與一個參考信號進行比較并且能夠然后進行平均。所得到的平均比較信號例如影響了關斷周期以當平均比較信號上升時延長關斷周期。該開關模式電源然后工作以保持超前邊沿的幅值并且接下來使最小值Ipmin的幅值保持恒定。
該比較器也能夠限制開關模式電源的傳輸電壓。當輸出電壓太高時，該比較器能夠使關斷周期延長，結果是提供功率到該負載并且接下來下降。該輸出電壓能夠通過測量電壓的越變和將越變與差分信號進行相加來進行確定，該測量電壓越變是在關斷周期中發生在輔助線圈上或者直接發生在感性元件上的。因為感性元件在泄漏的自電感而疊加在電壓越變上的擾動電壓波動通過在接通周期結束時的差分信號的滯后的邊沿被壓縮。
作為該短路性能的結果，該開關模式電源非常適合于使用可重復充電的裝置，尤其是具有壁安裝件或者座的裝置，其中設置有電源并且該電源具有接腳以使該裝置被放置到座上時使電源與該裝置進行接觸。該開關模式電源適合于使用在一個主電源和電源插座中，該主電源或者電源插座提供低電壓到具有或者不具有可重復充電的電池的電設備。
本發明的這些和其他的方面參考附圖進行描述。


圖1是本發明的開關模式電源的第一個實施例的方框圖，
圖2是表示當本發明的開關模式電源工作在斷續導通模式下的初級電流的變化的示意圖，圖3是表示當本發明的開關模式電源工作在連續導通模式下的初級電流的變化的示意圖，圖4是本發明的開關模式電源的第二個實施例的方框圖，圖5是本發明的開關模式電源的第三個實施例的方框圖，圖6是本發明的開關模式電源的第四個實施例的方框圖，圖7是本發明的開關模式電源的第五個實施例的方框圖，圖8示出了含有本發明的開關模式電源的電動剃須刀，圖9示出了含有本發明的開關模式電源的一個主電壓匹配器，圖10示出了具有一個可重復充電的電池的電動剃須刀和一個具有本發明的開關模式電源以對電池進行充電的座的組合，在附圖中具有相似功能或者目的的部分使用相同的參考符號。
圖1示出了本發明的開關模式電源的方框圖。目前是變壓器4的初級線圈2的一個感性元件與目前是開關晶體管6的可控開關元件和一個檢測電阻8串聯連接，它們連接在電源端子10和接地端子12之間以接收輸入電壓Vin，例如是從整流的主電壓導出的。變壓器4具有通過整流二極管16連接到負載的次級線圈14，該負載通過例子的形式被示出，例如作為可重復充電的電池B或者一個馬達M，其能夠通過開關SW與電池B進行并聯。該開關模式電源、電池B、開關SW以及電機M能夠形成電設備，例如剃須刀的一部分，該電設備具有能夠從主電壓進行充電的可重復充電的電池。該開關模式電源能夠容納在電設備本身中，在一個壁安裝件或者一個座中或者在主電壓匹配器中，也可以作為電源插座。在最后的兩個情況下，負載通過兩個觸點15和16連接到整流二極管16和次級線圈14，在兩個觸點之間設置有一個電容19。
開關晶體管6通過一個控制裝置18進行控制，其將開關晶體管6導通一個接通周期t1并且接下來將這個晶體管關斷一個關斷周期t2。在接通周期t1開始時該開關晶體管6導通，以此一個初級電流Ip開始流過初級線圈2、開關晶體管6和檢測晶體管8。如圖2所示，初級電流Ip上升到給定的最大值Ipmax。整流二極管16然后關斷。在檢測電阻8上的電壓Vs然后上升到一個最大值。電壓Vs被作用到控制裝置18的檢測輸入端20并且一旦電壓Vs超過最大值，該控制裝置18關斷該開關晶體管6。隨后是一個關斷周期t2，它的長度通過將電容22從一個電壓源24經過兩個串聯連接電阻26和28充電到一個給定的電壓所需要的時間進行確定。當電容22的電壓超過給定的闕值時，控制裝置18再一次將開關晶體管6導通并且電容22放電。作為初級電流Ip的中斷的結果，次級線圈14的電壓符號反向。整流二極管16導通并且降低了流過負載的次級電流，該電流作為變換到初級側的電流以點劃線示出在圖2中。在關斷周期t2期滿時開始一個新的周期。
以在圖1中沒有示出的方式，負載的電壓Vout通過變化接通周期t1和關斷周期t2之間的比例被保持恒定。當負載上升時需要更多的功率，以此關斷周期t2變為更短并且開關模式電源開始以連續導通的模式進行工作，其中如圖3所示，在次級電流下降到零之前初級電流Ip已經導通。在此情況下，當開關晶體管6導通時初級電流Ip的初始值不是零但是具有最小值Ipmin。在接通周期t1期間，初級電流Ip從最小值Ipmin上升到最大值Ipmax。在隨后的關斷周期t2期間，下降的次級電流流過該負載。
在負載短路的情況下或者過載的情況下，一定限制次級電流以阻止電源電路和/或負載被破壞。當電源以連續導通模式工作時，將初級電流Ip限制到值Ipmax不能夠阻止平均次級電流上升到一個高值。當負載短路時，平均次級電流大約等于n*(Ipmax+Ipmin)/2，其中n是初級線圈2和次級線圈14之間的比例。在短路的情況下，次級電流在關斷周期t2期間幾乎不能下降并且在隨后的接通周期t1中幾乎立即達到了最大值Ipmax。結果是平均次級電流上升到大約n*Ipmax。
根據本發明，不僅通過將初級電流Ip的最大值Ipmax保持恒定而且通過阻止初級電流Ip的最小值Ipmin超過一個給定的值，該次級電流被限制。以此在短路的情況下，最小值Ipmin不能夠上升到Ipmax并且平均次級電流被限制到一個安全值。以這種方式通過改變接通周期t1和關斷周期t2的比例來限制最小值Ipmin，即所得到的Ipmin沒有超過所希望的值。這能夠通過例如延長關斷周期t2來達到。
最小值Ipmin能夠通過含有相互連接在節點34上的的電容30和電阻32的差分網絡經過差分在檢測電阻8上的電壓進行測量。在圖1中信號Vs表示在連續導通模式下的在檢測電阻8上的電壓的變化，而信號Vsd表示在節點34上的差分信號。信號Vsd的超前邊沿的幅值是值Ipmin的測量值。通過比較器36，信號Vsd與由參考電壓源38提供的參考電壓Vref進行比較。比較器36的輸出信號通過電容40進行平均并且作用到在電阻26和28之間的節點。比較器36的輸出信號因此影響了電容22的充電時間以及因此的關斷周期t2的長度。該開關模式電源現在工作以保持在信號Vsd中的超前邊沿的恒定的幅值。該電源作為具有受限制平均次級電流的電流源起作用。
比較器36也能夠用于限制在負載上的輸出電壓Vout。在輸出電壓太高的情況下，比較器36能夠導致關斷周期延長，結果是功率被傳輸到負載，并且以此輸出電壓Vout下降。圖4示出了一個實施例，其中電壓Vout通過輔助線圈42進行測量。在關斷周期t2期間，是輸出電壓Vout的測量值的信號電壓Va出現在輔助線圈42上。信號電壓Va通過二極管44和電阻46被作用到節點34并且通過比較器36與參考電壓Vref進行比較。變壓器4的泄漏電感在信號Va中在開關晶體管6關斷時產生了大電壓的瞬變，但是此瞬變通過出現在節點34上的信號Vsd中的負的滯后邊沿進行抑制。該二極管44在接通周期t1期間將節點34與輔助線圈42相分離并且補償了在整流二極管16上的電壓降。
圖5示出了一個變型，其中電壓Vout被直接在初級線圈2上進行測量。在開關晶體管6和初級線圈2之間的節點通過電阻48被連接到PNP晶體管50的發射極，該晶體管的基極連接到在兩個電阻52和54之間的節點，該電阻串聯地設置在電源端子10和電壓源24之間，具有的集電極連接到節點34。晶體管50的發射極通過電阻49被連接到電壓源24。在關斷周期t2期間，在開關晶體管6和初級線圈2之間的節點上的電壓高于電壓Vin。含有電阻52和54的以及電阻48和49的該分壓器以此方式進行設計，即晶體管50的基極-發射極連接變為導通。該晶體管50的驅動依賴于輸入電壓Vin。現在一個電流流過晶體管50，它的幅值主要通過電阻48的值進行確定。這個電流也流過電阻32，在那產生了具有與圖4的信號Va相同波形的信號電壓。在此情況下，瞬變電壓再一次通過在電阻32上的信號Vsd中的負的滯后邊沿進行抑制。
在圖4和5中的電源電路都是電流受限制的并且電壓受限制。電壓Vout從沒有超過一個預定的值。另外次級電流的平均值以及提供到負載的電流受限制。這使該電源電路非常適合于作為一個電池充電器。
圖6示出了具有根據圖5的方框圈的電流和電壓限制的開關模式電源的詳細電路圖。該交流主電壓或者適合的直流電壓被作用到輸入端子60和62。如果需要，該交流主電壓可以通過一個變壓器(未示出)進行提供。該交流主電壓通過二極管橋64進行整流并且通過電容66和68以及一個線圈70進行平滑和濾波。也可以使用一個單一的整流二極管來代替二極管橋。一個優選的電阻72限制了二極管橋64的電流。該整流輸入電壓的負端子被連接到接地端子12。該正端子10被連接到變壓器4的初級線圈2。一個齊那二極管74和一個二極管76被與初級線圈2并聯地設置并且當流過初級線圈2的電流中斷時，限制初級線圈2上的電壓。代替在此所示的齊那二極管74和二極管76，一個替換的電路，例如電容和電阻的串聯裝置能夠被使用以限定在初級線圈2上的電壓的變化。
圖5的電壓源24通過在節點82和接地端子12之間的齊那二極管78和電容80實現。節點82通過電阻52和54被連接到正端子10。
該控制裝置18作為離散的單穩態多振蕩器構成，其在它的源極電極上驅動開關晶體管6。開關晶體管6的柵極通過一個電阻84被連接到節點82以抑制開關晶體管6的可能的關斷瞬變。該開關晶體管6的源極被連接到PNP晶體管86的發射極，該晶體管的集電極通過檢測電阻連接到接地端子12。檢測電阻被分成兩個電阻88和90，電阻88被連接到晶體管86的集電極，而電阻90被連接到接地端子12。電阻88和90在一個抽頭點被相互連接。一個NPN晶體管92的發射極被連接到此抽頭點并且它的集電極連接到晶體管86的基極。單穩態多振蕩器的計時是通過電阻26和28以及一個計時電容94進行確定。電阻26和28被串聯連接在節點82以及晶體管92的基極之間。該計時電容94被連接在晶體管92的基極和電阻88與晶體管86的集電極之間的節點之間。一個齊那二極管96被連接在晶體管92的基極以及接地端子12之間。如果晶體管92的基極上的電壓超過了一個給定的闕值則齊那二極管96擊穿，并且然后形成了到接地端子12的低阻抗電流路徑。一個電阻98與晶體管86的基極-發射極連接進行并聯連接。電阻88兩端的電容100抑制了寄生的振蕩。
圖5的比較器36含有一個NPN晶體管102，它的基極連接到節點34，它的發射極連接到接地端子12并且它的集電極連接到電阻26和28之間的節點，該節點也連接到平均晶體管102的輸出信號的電容40。晶體管102的基極-發射極連接電壓Vbe作為參考電壓Vref起作用。差分網絡的電容30被連接到電阻88和90之間的節點。
一旦計時電容94通過電阻26和28被正向充電到大約+0.6V，晶體管92導通。然后晶體管92使晶體管86和開關晶體管6導通。在開關晶體管6和晶體管86中的上升的電流在電阻88上產生了上升的電壓，該電壓通過計時電容94反饋到晶體管92的基極。該計時電容94提供了一個正反饋，其中通過計時電容94一個電流開始流到晶體管92的基極。結果是計時電容被反向充電。晶體管92被保持在接通狀態，直到電阻90的電壓等于齊那二極管96的齊那電壓。從此刻起，計時電容94的電流通過齊那二極管96代替地流到晶體管92的基極。晶體管92以及下面的晶體管86和開關晶體管6然后被關斷。當開關晶體管6被關斷時，電阻88和90上的電壓消失。因為計時電容94已經被反向充電，晶體管92和86以及下面的開關晶體管6保持不導通，直到電容94通過電阻26和28被正向重復充電。
如果節點34上的輔助電壓高于晶體管102的Vbe，晶體管102導通并且將電容40上的電壓降到一個較小的值，以此計時電容94需要更長的時間進行正向充電。因此當開關晶體管6導通時如果初級電流Ip超過一個給定的闕值，該關斷周期變長。
晶體管98用于較好地確定晶體管86的導通瞬間。晶體管92的集電極電流在晶體管86導通之前首先構成在電阻98上的闕值電壓。如果需要，晶體管50、86、92和102能夠作為MOS晶體管交替地構成。
圖7示出了基于開關IC型號TOP210的實施例，其可以商業上從功率積分有限公司得到。開關IC104具有一個初級線圈2連接到此的端子DRN(“漏極”)，一個端子SRC(“源極”)，其通過檢測電阻8連接到接地端子12，和一個端子CTL(“控制端”)，其通過電阻106和一個二極管108連接到變壓器4的輔助線圈110的第一個端子，該輔助線圈的另一端連接到開關IC104的端子SRC。開關IC以與圖4相似的方式控制輸出電壓。可以與圖4的信號電壓Va相比較的電壓出現在輔助線圈110上。此電壓存儲在連接在端子CTL和SRC之間的電容112內。該開關IC104根據施加到端子CTL上的電流控制周期。另外為了控制輸出電壓，還提供了一個電流限制控制。初級電流的差分通過檢測電阻8和與圖4相似的網絡進行影響。以圖6中相同的方式，具有積分電容的比較器含有一個晶體管102和電容40。電容114和二極管116的串聯裝置與輔助線圈110并聯地設置。電容114和二極管116之間的節點通過二極管118和晶體管120的發射極-集電極連接連接到端子CTL。晶體管120的基極通過電阻122連接到電容40。電容114和二極管116和118構成了可以通過晶體管102和120導通的充電轉換裝置。當晶體管120導通時，額外的電流施加在端子CTL，結果是傳輸電流受到限制。
本發明的電源電路適合于具有可重復充電的電池，例如NiCd或者NiMH電池的電設備，該電池由主電壓進行充電。圖8以實施例的形式示出了具有外殼H的電動剃須刀，該外殼容納了以PS參考的電源電路、可重復充電的電池B和馬達M。馬達驅動該剃須頭SH并且通過開關SW進行啟動。
圖9示出了含有電源電路PS的主電壓匹配器或者電源插頭PP。該電源插頭PP被適配以與圖8中的剃須刀共同進行工作，在這種情況下，該剃須刀含有可重復充電的電池B但是不含有電源電路PS。
圖10示出了剃須刀的組合，該剃須刀的外殼H被設置在座ST的容器CM內。該座容納了通過容器CM中的觸點(未示出)對電池B進行充電的電源電路PS，該電池設置在剃須刀的外殼H中。
明顯的是該電源電路還適合于其他的具有或者不具有可重復充電的電池的電設備，例如電動牙刷、穿孔機、真空清潔器以及相似的裝置。
權利要求
1.一個開關模式電源，含有一個可控開關元件(6)和一個感性元件(2)的串聯裝置，被連接以接收一個輸入電壓(Vin)，裝置(18)，用于使可控開關元件(6)在接通周期期間導通，以產生經過串聯裝置的電流(Ip)，該電流在接通周期開始時從一個最小值上升到在接通周期結束時的最大值，并且用于使可控開關元件(6)在關斷周期期間不導通，其特征在于，該開關模式電源另外含有用于限制電流的最小值的裝置(8，30，32，36)。
2.如權利要求1的開關模式電源，其特征在于，用于限制的裝置含有用于產生具有一個幅值的測量信號的裝置(8)，該幅值是在接通周期開始時的電流的最小值的測量值，用于將測量信號與參考信號進行比較的裝置(36)，和根據比較用于改變接通周期和關斷周期之間的比例的裝置(26，28，22，18)。
3.如權利要求2的開關模式電源，其特征在于，用于產生測量信號的裝置含有一個與可控開關元件(6)進行串聯的檢測電阻(8)和通過差分檢測電阻(8)上的信號電壓來提供測量信號的差分網絡(30，32)。
4.如權利要求2或者3的開關模式電源，其特征在于，用于比較的裝置含有一個比較器(36)，其具有的輸入端用于接收參考信號和測量信號以及輸出端用于提供一個比較信號，和用于平均該比較信號的和用于提供平均的比較信號的裝置(40)。
5.如權利要求4的開關模式電源，其特征在于，用于改變(26，28，22，18)的裝置根據平均的比較信號延長了關斷周期。
6.如權利要求3、4或者5的開關模式電源，其特征在于，該開關模式電源另外含有用于產生一個另外的測量信號的裝置(42)，該信號是要供電的負載兩端電壓的測量值，和用于將該另外的測量信號與第一個注明的測量信號相加的裝置(44，46)。
7.如權利要求6的開關模式電源，其特征在于，用于產生一個另外的測量信號的裝置含有一個磁耦合到該感性元件(2)的輔助線圈(42)，和用于相加的裝置含有一個二極管(44)，以在關斷周期期間將輔助線圈(42)的電壓耦合到第一個注明的測量信號。
8.如權利要求6的開關模式電源，其特征在于，用于產生一個另外的測量信號的裝置含有該感性元件(2)，并且用于相加的裝置含有一個第一個分壓器(48，49)，其連接在一個參考端子(24)和一個在感性元件(2)和可控開關元件(6)之間的節點之間，一個第二個分壓器(52，54)，其連接在一個用于接收輸入電壓的端子(10)和參考端子(24)之間，一個晶體管(50)，它的第一個主電極連接到第一個分壓器(48，49)的一個抽頭點，它的第二個主電極耦合到差分網絡的一個輸出端(34)，并且它的控制電極連接到第二個分壓器(52，54)的一個抽頭點。
9.一個電動剃須刀(H)，含有一個可重復充電的電池(B)，一個電負載(M)，一個用于將負載(M)連接到電池(B)的開關(SW)，和一個如上述任何一個權利要求所述的開關模式電源(PS)，其用于提供功率到至少該電池(B)和/或該負載(M)。
10.一個電動剃須系統，含有一個剃須刀，其含有一個可重復充電電池(B)，一個電負載(M)，一個用于將負載(M)連接到電池(B)的開關(SW)，和一個座(ST)，該座含有如上述任何一個權利要求所述的一個開關模式電源(PS)，以用于提供功率到至少該電池(B)和/或該負載(M)。
全文摘要
一個開關模式電源使用用于開關晶體管(6)的周期控制(18)。經過次級線圈(2)的初級電流通過與開關晶體管(6)進行串聯的一個檢測電阻(8)進行檢測。檢測電阻(8)上的電壓與一個參考(38)和積分(40)信號進行差分(30,32)、比較(36)。該積分信號延長了開關晶體管(6)的關斷周期,以此限制了在開關晶體管(6)的接通周期開始時的初級電流的幅值。在接通周期開始時的初級電流的幅值通過檢測(20)檢測電阻(8)兩端的電壓進行限制。初級電流的組合限制保證了該開關模式電源的輸出電流以非常好的方式進行限制。
文檔編號H02H7/122GK1246985SQ98802437
公開日2000年3月8日 申請日期1998年11月30日 優先權日1997年12月10日
發明者S·赫林加 申請人:皇家菲利浦電子有限公司