专利名称：开关电源设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用作电子设备的直流电源的开关电源设备，更具体讲，涉及配备有对开关电源设备进行保护，以免出现过大输出电流的过电流保护电路的开关电源设备。
背景技术：
通常，开关电源设备配备有过电流保护电路，以防止，例如，当输出端被相互短路(short-circuited together)时，由过大的输出电流而导致的损坏。
利用过电流保护电路对过电流进行保护是按照以下方式实现的。按照称为停机法的第一种方法，当开关电源设备进入预定的过电流状态时，使开关操作停止，并且即使当消除了过电流状态时，开关操作也不会自动地重新起动，而只有当首先将开关电源设备断电，然后再通电，开关电源设备才能重新起动开关操作。按照称为自动恢复法的另一种方法，消除过电流状态会使开关电源设备自动重新起动开关操作。采用这些方法中的哪一种方法是在对开关电源设备进行设计时，根据由开关电源设备供电的电子设备的特性以及用户的选择确定的。
图10为采用自动恢复法的常规开关电源设备的电路图。在图10中，将商用交流电(commercially distributed alternating-current power)(没有示出)连接到交流电输入端1和2。在交流电输入端1和2之间，经过滤波器3，连接了桥式整流电路4。滤波器3包括电容器3a、线路滤波器线圈3b和电容器3c。桥式整流电路4包括二极管4a、4b、4c和4d。通过导线L1和L2将滤波器3和整流电路4相互连接，并且在导线L1和L2之间连接放电电阻31。
将桥式整流电路4的输出端分别连接到正电源线L3和负电源线L4，并且在导线L3和L4之间连接了电容器5、包括变压器6的初级线圈6a和FET(场效应晶体管)7的串联电路以及包括电阻器15和电容器17的串联电路。FET 7起这个开关电源设备的主开关器件的作用。变压器6的辅助线圈6c的一端通过二极管16连接到电阻15和电容器17之间的节点，辅助线圈6c的另一端连接到负电源线L4。
开关控制电路14具有一个连接到二极管16的阴极的正电源输入端，具有一个连接到负电源线L4的负电源输入端，具有一个连接到光电耦合器13的光敏晶体管13b的集电极的反馈输入端并且具有一个连接到FET 7的栅极的输出端。
变压器6的次级线圈6b的一端通过二极管8连接到正输出线L5，次级线圈6b的另一端连接到负输出线L6。在正和负输出线L5与L6之间，连接了电容器9、包括光电耦合器13的光电二极管13a、电阻12b和分路调节器12a的串联电路以及包括电阻12d和12c的串联电路。电阻12d和12c之间的节点连接到分路调节器12a的监控端。分路调节器12a与电阻12b、12c和12d一起构成了一个输出电压检测电路12。
正输出线L5连接到正输出端10，而负输出线L6通过输出电流检测电路18连接到负输出端11。输出电流检测电路18的控制端连接到光电二极管13a和电阻器12b之间的节点。可以在正输出线L5和正输出端10之间提供输出电流检测电路18。
下面将描述这种常规开关电源设备的运行。当将商用交流电(没有示出)输送到交流电输入端1和2时，通过滤波器3将交流电输送到桥式整流电路4并且在此进行整流。然后，由电容器5对经过整流的电压进行平滑并且由此转换为直流电压。将这个直流电压作为开关电源设备的主电路的工作电源输送到正电源线和负电源线L3和L4。
在正和负电源线L3和L4之间输送的直流电压使开关控制电路14工作，从而使FET 7进行开关操作。结果，在变压器6的次级线圈6b中感应一个高频电压，并且由二极管8和电容器9对这个高频电压进行整流和平滑，由此转换为直流电压。通过正输出端和负输出端10和11，将这个直流电压输送到作为负载的电子设备(没有示出)。
由串联连接的电阻12d和12c构成的分压电路对正和负输出线L5和L6之间的电压进行分压，并且将经过分压的电压作为监控电压送的分路调节器(shunt regulator)12a的监控端。分路调节器12a对送到其监控端的监控电压与预先在其中设置的参考电压进行比较，并且将与比较的结果成比例的电流提供给光电耦合器13的光电二极管13a，使光电二极管13a发光。
光电耦合器13的光敏晶体管13b接收来自光电二极管13a的光线，并且光敏晶体管13b将与前述的比较结果成比例的电压作为反馈信号提供给开关控制电路14的反馈输入端。按照提供给它的反馈信号，开关控制电路14控制FET 7的开关操作，从而使开关电源设备的输出电压稳定。
当开关电源设备开始起动时，由从电容器5的正端通过起动(start-up)电阻15提供的电流使开关控制电路14开始运行。相反，当开关电源设备正在稳态运行时，主要由通过二极管16和电容器17对在变压器6的辅助线圈6c中感应的电压进行整流和平滑而产生的直流电使开关控制电路14运行。
连接在负输出线L6与负输出端11之间的输出电流检测电路18将负输出线L6中的电流与在其中预先设置的参考电流进行比较。当负输出线L6中的电流大于参考电流时，输出电流检测电路18使光电耦合器13的光电二极管13a的阴极与负输出线L6相互短路。这样就增加了通过光电二极管13a的电流。在将输出电流检测电路18连接在正输出线L5与正输出端10之间的情况下，将正输出线L5中的电流与前述的参考电流相比较。
当以反馈信号的形式，将这个关于电流增加的信息通过光敏晶体管13b输送到开关控制电路14时，开关控制电路14识别出开关电源设备的输出电压已经显著增加，并且因此按照使开关电源设备的输出功率减小的方向对FET 7的开关操作进行控制。
图11A到11C为示出了起动时开关电源设备运行的电压波形图。以下将参照这些电压波形图，描述开关电源设备在起动时如何运行。
当在图11A到11C所示的时间点t0，将商用交流电连接到交流电输入端1和2之间时，通过起动电阻器15给电容器17提供来自电容器5的正端的起动电流，这使得电容器17的充电电压Vcc如图11A所示逐渐增加。当充电电压Vcc在时间点t1达到开关控制电路14的工作开始电压时，开关控制电路14开始给FET 7提供驱动信号。结果，开关电源设备开始起动，因此，如图11B所示，开关电源设备的输出电压Vo(即，输出端10和11之间的电压)开始增加。在时间点t3，输出电压Vo达到开关电源设备的目标输出电压。
如图11B所示，在时间点t1之后，在变压器6的辅助线圈6c中出现感应电压，并且这个感应电压的电压电平沿着正向与开关电源设备的输出电压成正比地增加，直到时间点t2，该电压变得与充电电压Vcc的电压电平相等。此时，利用二极管16对感应电压进行整流所产生的电流流入电容器17，由此，如图11A所示，充电电压开始增加。在时间点t3之后，即，一旦达到开关电源设备的目标输出电压，则充电电压Vcc稳定在一个与输出电压成正比的固定电压。
如图11A所示，在从时间点t0到时间点t1期间，由于通过起动电阻器15提供的电流使充电电压增加，这是由于在这段时间中，开关控制电路14不工作，并且因此只消耗一个很小的电流。但是，当开关控制电路14在时间点t1开始运行时，开关控制电路14所消耗的电流变得大于通过起动电阻器15提供的电流。这使得充电电压Vcc开始减小。然后，在时间点t2，充电电压开始再次增加。
因此，需要电容器17具有足够高的容量，以便在从时间点t1到时间点t3期间，防止电容器17的充电电压Vcc变得低于开关控制电路14的最小工作电压。
图12A到12C为示出了在开关电源设备中进行的过电流保护开关操作的电压波形图。以下将参照这些波形图，描述在开关电源设备中如何进行过电流保护开关操作。
例如，当开关电源设备正在稳态运行的时候，如果在图12A到12C所示的时间点t0，如果由于作为负载连接到开关电源设备的电子设备中的故障等，使输出端10和11互相短路，如图12B所示，开关电源设备的输出电压急剧下降，并且一个过大的电流流过正和负输出线L5和L6。
输出电流检测电路18检测到这个过大的电流，然后，使光电二极管13a的阴极与负输出线L6相互短路。这使得通过光电二极管13a的电流增加，并且以反馈信号的形式，将这个关于电流增加的信息通过光敏晶体管13b提供给开关控制电路14。
由此，开关控制电路14识别出开关电源设备的输出电压已经增加，并且因此按照使开关电源设备的输出功率减小的方向控制FET 7的开关操作。但是，直到时间点t1开关操作才完全停止，如将在后文中加以描述的。
具体来说，在从时间点t0到时间点t1期间，当正输出线L5与光电二极管13a的阳极之间的节点与在其上连接了输出电流检测电路18的负输出线L6上的点之间的电压减小时，流过光电二极管13a的电流和流过光敏晶体管13b的电流减小，因此，开关控制电路14按照使开关电源设备的输出功率与这些电流减小的量成比例地增加的方向对FET 7的开关操作进行控制。
另一方面，当正输出线L5与光电二极管13a的阳极之间的节点与在其上连接了输出电流检测电路18的负输出线L6上的点之间的电压减小时，流过光电二极管13a的电流和流过光敏晶体管13b的电流增加，因此，开关控制电路14按照使开关电源设备的输出功率与这些电流增加的量成比例地减小的方向对FET 7的开关操作进行控制。由此，开关电源设备输出使这些矛盾的因素实现了适当平衡的电平的功率。
此外，在从时间点t0到时间点t1期间，如上所述，由于在变压器6的辅助线圈6c中出现的感应电压的正向电压电平与开关电源设备的输出电压成正比，因此感应电压的正向电压电平较低，因而没有电流通过二极管16提供给电容器17。
因此，通过起动电阻15提供的起动电流小于开关控制电路14所消耗的电流，因此电容器17的充电电压Vcc逐渐减小，直到时间点t1，该电压与开关控制电路14的最小工作电压相等。此时，开关控制电路14停止工作，因此开关电源设备停止开关操作。
在后面的从时间点t1到时间点t2的时间里，开关控制电路14一直不工作，因此只消耗很小的电流。因此，如图12A所示，由于通过起动电阻15提供起动电流，使电容器17的充电电压Vcc逐渐增大，直到时间点t2，该电压变得与开关控制电路14的工作开始电压相等。此时，开关电源设备重新开始开关操作。
在这个从时间点t1到时间点t2的期间，如图12B和12C所示，由于开关电源设备不进行开关操作，开关电源设备的输出电压为零，因此，变压器6的辅助线圈6c中不出现感应电压。因此，没有电流通过二极管16提供给电容器17。
然后，从时间点t2到时间点t3期间，与从时间点t0到时间点t1期间相同，开关电源设备进行控制以便输出低但固定的功率。因此，在变压器6的辅助线圈6c中出现的感应电压的正向电压电平很低，因此，没有电流通过二极管16提供给电容器17。结果，通过起动电阻15提供的起动电流小于开关控制电路14所消耗的电流，并且因此电容器17的充电电压Vcc逐渐减小，直到时间点t3，该电压与开关控制电路14的最小工作电压相等。此时，开关控制电路14停止工作，因此，开关电源设备停止开关操作。
在时间点t3之后，只要正输出端和负输出端10和11被相互短路，就会重复上述的从时间点t1到时间点t3期间所执行的操作。
当正输出端和负输出端10和11停止短路时，输出电流检测电路18会消除光电耦合器13的光电二极管13a的阴极与负输出线L6之间的短路。因此，当开关操作时间(例如，从时间点t2到时间点t3期间，或者从时间点t4到时间点t5期间(图中没有示出时间点t5)，或者任何随后相似的开关操作期间)开始时，只有到输出电压控制电路12的分路调节器12a的电流流过光电二极管13a，并且由此使开关电源设备进入稳定状态，在这种状态下，开关电源设备的稳定输出电压的功能起作用。
像以上所描述的，引入了采用自动恢复法的过电流保护电路的并且包括高容量功率平滑电容器的常规开关电源设备具有这样的缺点，例如，当由于作为负载连接到正输出端和负输出端10和11的电子设备中的故障使正输出端和负输出端10和11相互短路时，开关电源设备输出一个大于预先在其中设置的过电流保护能力的电流。这会使开关电源设备损坏。
以下将对这个问题的原因加以说明。在这种常规的开关电源设备中，需要电容器17具有足够高的容量，以便在开关电源设备起动时，例如，在如图11A到11C所示的从时间点t1到时间点t2期间，充电电压Vcc不会变得低于开关控制电路14的最小工作电压。
另外，在变压器6的辅助线圈6c中感应的正向电压变得高于开关控制电路14的最小工作电压之前，也就是在从变压器6的辅助线圈6c通过二极管16提供的电流使开关控制电路14能够连续工作之前，电容器17的充电电压变得低于开关控制电路14的最小工作电压。即，在起动运行的中间，开关操作停止。
因此，在连接在负载侧设备(没有示出)的功率输入端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况下，开关电源设备给连接在负载侧设备的功率输入端之间的功率平滑电容器充电所需要的额外时间减慢了开关电源设备的输出电压增大的速率，并且，由于变压器6的辅助线圈6c中出现的正向感应电压与开关电源设备的输出电压成正比地增加，因此，也减慢了这个感应电压增加的速率。因此，在连接在负载侧设备(没有示出)的功率输入端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况下，需要电容器17具有更高的容量，以便使自电流从电容器17放电开始的开关控制电路14工作的时间延长。
另一方面，又要求使开关电源设备起动所需要的时间相对短，以使开关电源设备的用户在使用它时不会感到不便。由于电流通过起动电阻15馈送，因此，这个时间主要由电容器17的充电电压达到开关控制电路14的工作开始电压所需要的时间决定(即，从时间点T0到时间点T1的时间)。
因此，增加电容器17的容量不可避免地需要减小起动电阻器15的阻值，以使开关电源设备起动所需要的时间等于或短于预定的时间长度。
只要正输出端和负输出端10和11相互短路，图10中所示的常规开关电源设备就会在如图12A到12C所示的从时间点t1到时间点t2期间进行的操作和从时间点t2到时间点t3期间进行的操作之间交替重复。然而，从时间点t1到时间点t2期间不进行开关操作，因此开关电源设备几乎不消耗功率，而从时间点t2到时间点t3期间进行开关操作并且因此消耗很多功率以便输出在前面提到的相矛盾的因素，即增加输出电压的因素和减小输出电压的因素，之中实现适当平衡的电平的功率，这主要使二极管8和FET 7变热。
具体来说，正输出线L5与光电二极管13a的阳极之间的节点与其上连接了输出电流检测电路18的负输出线L6上的点之间的电压变得等于或高于光电二极管13a两边的正向电压降，并且等于该电压除以正和负输出线L5和L6电阻的电流流过正和负输出线L5和L6。这个电阻近似为零欧姆，并且因此产生短路状态。结果，过大的电流流过正输出线L5上的二极管8，使二极管8变得过热。
因此，为了减小开关电源设备消耗的功率并且为了防止当开关电源设备处在上述的短路状态时二极管8和其它元件出现热损坏，需要使从时间点t2到时间点t3的时间比从时间点t1到时间点t2的时间相对短。
如上所述，由于下述原因，减小起动电阻15的阻值以便增加通过电阻15提供的电流势必使从时间点t2到时间点t3的时间比从时间点t1到时间点t2的时间相对长。
这里，为了简化说明，假设从电容器5通过起动电阻15提供给电容器17的电流Ik保持不变，并且开关控制电路14在开关操作时间(在图12A到12C中，从时间点t2到时间点t3期间，或者从时间点t4到时间点t5(没有示出)期间)中消耗的电流为Is。此外，为了简化计算，假设在非开关操作时间中(在图12A到12C中，从时间点t1到时间点t2期间，或者从时间点t3到时间点t4期间)，开关控制电路14消耗零安培。
此外，还假设开关控制电路14的工作开始电压和最小工作电压分别为Eh和EL，电容器17的容量为C。那么，下面的公式(1)和(2)给出了开关操作时间Ton和非开关操作时间ToffTon＝(Eh-EL)/[C×(Is-Ik)](1)Toff＝(Eh-EL)/(C×Ik)(2)下面的公式(3)给出了开关操作时间Ton与非开关操作时间Toff之比Ton/Toff＝Ik/(Is-Ik) (3)这就证明了，由于通过起动电阻15提供给开关控制电路14的电流Ik增大，因此从时间点t2到时间点t3的时间变得比从时间点t1到时间点t2的时间相对更长。
在上述的短路状态中，开关电源设备功率消耗增大的问题以及功耗增大可能导致正输出线L5上的二极管8的热损坏问题正在严重地影响着为遍及全球的使用而设计的开关电源设备。典型的情况是，即使提供给这种类型的开关电源设备的商用交流电的电压例如在85V到264V的范围内变化，也要求这种类型的开关电源设备保证规定的性能和安全。
如上所述，需要适当地确定电容器17的容量，然后，假设商用交流电的电压为85V，确定起动电阻15的阻值，以使开关电源设备起动的时间短到电源的用户在使用它时不感到不便。但是，按照这些设置值，当商用交流电的电压为264V时，通过起动电阻15提供的电流的大约为商用交流电的电压为85V时的三倍。这导致了当负载短路时，开关操作时间与非开关操作时间的比值过高，因此，增加了开关电源设备的功耗以及二极管8和其它元件的热消散，使它们变热。
因此，在如上所述的引用了过电流保护电路的常规开关电源设备的情况下，当提供给它的商用交流电的电压较高时，如果负载长时间保持短路，虽然很不常见，但可能烧毁开关电源设备。
顺便提及，序列号为H10-304658的公开的日本专利申请披露了这样设计的开关电源设备，即在不使用用于减小轻负载状态下的功耗的假电阻(dummyresistor)的情况下，使轻负载状态的输出电压稳定。但是，由于这种设计对当提供给开关电源设备的商用交流电的电压很高时，如果负载长时间保持短路可能引起的电路元件热损坏的情况不进行保护，因此没有解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种开关电源设备，当提供给开关电源设备的商用交流电的电压很高时，即使负载长时间保持短路，也不会烧毁开关电压。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，开关电源设备具有一个串联电路，该电路包括连接在正电源线和负电源线之间的变压器初级线圈和主开关器件，正电源线和负电源线连接到从商用交流电产生的直流电。开关电源设备输出通过对主开关器件进行开关操作而在变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电压。这里，开关电源设备还包括一个恒流电路，用于即使当商用交流电的交流电压变化时，也给控制主开关器件的开关控制电路提供一个恒定电流。
在这种开关电源设备中，即使当商用交流电的电压变化时，也给开关控制电路提供来自恒流电路的恒定电流。这使得在负载短路情况下，当来自商用交流电的输入电压很高时的功耗与输入电压较低时功耗接近。因此，当来自商用交流电的输入电压很高时，即使负载长时间保持短路，也可以防止热损坏。
按照本发明的另一个方面，开关电源设备具有一个串联电路，该电路包括连接在正电源线和负电源线之间的变压器初级线圈和主开关器件，正电源线和负电源线连接到从商用交流电产生的直流电。经由正输出端和负输出端，开关电源设备输出通过利用整流/平滑电路对由于主开关器件进行开关操作而在变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电压。这里，开关电源设备还包括一个输出电压检测电路，用于检测正输出端和负输出端之间的电压；一个开关控制电路，用于根据来自输出电压检测电路的检测信息，对主开关器件的开关操作进行控制；一个稳态工作电源电路，用于在稳态运行期间，给开关控制电路提供通过对在变压器的辅助线圈中感应的，基本上与正输出端和负输出端之间的输出电压成正比的电压进行整流和平滑而产生的工作电源；以及一个恒流电路，用于接收来自直流电源或者在起动时来自商用交流电的电流，以便给开关控制电路提供恒定的起动电流。
在这种开关电源设备中，例如，当连接在正输出端和负输出端之间的负载短路时，由输出电压检测电路对这个短路状态进行检测并且开关控制电路停止工作。在起动时，将来自直流电或者商用交流电的电流作为起动电流，通过恒流电路提供给开关控制电路。
因此，即使当商用交流电的电压变得很高时，也可以给开关控制电路提供来自恒流电路的恒定电流。这使得在负载短路的状态下，当来自商用交流电的输入电压很高时的功耗与输入电压很低时的功耗接近。因此，当来自商用交流电的输入电压很高时，即使负载长时间保持短路，也可以防止发生热损坏。
按照本发明的另一个方面，开关电源设备具有一个串联电路，该电路包括连接在正电源线和负电源线之间的变压器初级线圈和主开关器件，正电源线和负电源线连接到从商用交流电产生的直流电。经由正输出端和负输出端，开关电源设备输出通过利用整流/平滑电路对由于主开关器件进行开关操作而在变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电压。这里，开关电源设备还包括一个输出电压检测电路，用于检测正输出端和负输出端之间的电压；一个开关控制电路，用于根据来自输出电压检测电路的检测信息，对主开关器件的开关操作进行控制；一个电流检测电路，提供在正输出线或者负输出线上，用于当在正和负输出线中流过一个过电流时，将输出电压检测电路的两端相互短路；一个稳态工作电源电路，用于在稳态运行期间，给开关控制电路提供通过对在变压器的辅助线圈中感应的，基本上与正输出端和负输出端之间的输出电压成正比的电压进行整流和平滑而产生的工作电源；以及一个恒流电路，用于接收来自直流电或者在起动时来自商用交流电的电流，以便给开关控制电路提供恒定的起动电流。
在这种开关电源设备中，例如，当连接在正输出端和负输出端之间的负载短路时，电流检测电路将输出电压检测电路的两端相互短路。将这个关于短路的信息提供给开关控制电路，并且开关控制电路停止工作。在起动时，将来自直流电源或者商用交流电的电流作为起动电流，通过恒流电路提供给开关控制电路。
因此，即使当商用交流电的电压变得很高时，也可以给开关控制电路提供来自恒流电路的恒定电流。这使得在负载短路的状态下，当来自商用交流电的输入电压很高时的功耗与输入电压很低时的功耗接近。因此，当来自商用交流电的输入电压很高时，即使负载长时间保持短路，也可以防止发生热损坏。
最好，通过与正和负输出线之间的电压检测电路串联连接的光电耦合器的光电二极管并且通过与开关控制电路连接的光电耦合器的光敏晶体管，将来自电压检测电路的检测信息提供给开关控制电路。
按照这样的设计，由电压检测电路检测关于正和负输出线之间的电压的信息。以光的形式，将这个检测信息从光电耦合器的光电二极管传递到光敏晶体管，然后，以电压的形式，将这个信息从光敏晶体管提供给开关检测电路。这样做有助于简化接线，并且可以使电压检测电路和开关控制电路在相互之间没有电气影响的情况下工作，从而提高为了使输出电压稳定而进行的反馈控制的精度。
最好，恒流电路包括一个串联电路，连接在正电源线和负电源线之间，由一个电阻和一个齐纳二极管组成；以及一个电阻，与所述电阻与所述齐纳二极管之间的节点连接，通过该电阻将起动电流提供给开关控制电路。
按照这样的设计，可以实现具有简单电路结构的恒流电路并且由此将恒定的起动电流提供给开关控制电路。
最好，恒流电路包括一个串联电路，由一个一端与正电源线连接的偏置电阻和一个齐纳二极管组成；以及一个基极与偏置电阻与齐纳二极管之间的节点连接，集电极与正电源线连接，发射极通过发射极电阻与齐纳二极管的一端连接的晶体管，来自晶体管发射极的起动电流通过发射极电阻提供给开关控制电路。
按照这样的设计，可以减少恒流电路所消耗的电流。通过在开关电源设备中采用通过进行短脉冲切换(burst switching)实现了减少功耗的恒流电路，可以有效地使功耗减少。
最好，通过利用由桥式二极管组成的桥式整流电路对商用交流电进行全波整流产生直流电，从商用交流电的一端通过一个由恒流电路和反向电流防止二极管(reverse current prevention diode)组成的串联电路将起动电流提供给开关控制电路。
按照这样的设计，即使当商用交流电的电压变化时，开关控制电路也可以接收到来自由恒流电路和反向电流防止二极管组成的串联电路的恒定电流。
最好，通过利用由桥式二极管组成的桥式整流电路对商用交流电进行全波整流产生直流电，从商用交流电的一端通过一个由恒流电路和反向电流防止二极管组成的串联电路将起动电流提供给开关控制电路，并且开关电源设备还包括一个振荡频率改变电路，用于检测恒流电路与反向电流防止二极管之间的节点的电压，并且将这个电压用作驱动信号，改变开关控制电路的振荡频率。
按照这样的设计，即使当商用交流电的电压变化时，开关控制电路也可以接收到来自由恒流电路和反向电流防止二极管组成的串联电路的恒定电流。此外，可以检测恒流电路与反向电流防止二极管之间的节点的电压，并且将这个电压用作驱动信号，改变开关控制电路的振荡频率。此外，通过检测从恒流电路与反向电流防止二极管之间的节点提取的电压波形，可以与商用交流电的交变周期同步地对开关电源设备的运行进行控制。例如，通过与商用交流的交变周期同步地分级地改变开关频率，可以显著地减少开关电源设备产生的噪音。后面将对这里的“显著地”的含义进行说明。
最好，通过利用由桥式二极管组成的桥式整流电路对商用交流电进行全波整流产生直流电，通过由恒流电路与反向电流防止二极管组成的串联电路，从串联连接在商用交流电的两端之间的多个放电电阻之间的节点中的一个节点将起动电流提供给开关控制电路。
按照这样的设计，即使当商用交流电的电压变化时，开关控制电路也可以接收到来自由恒流电路和反向电流防止二极管组成的串联电路的恒定电流。
最好，通过利用由桥式二极管组成的桥式整流电路对商用交流电进行全波整流产生直流电，恒流电路包括一个串联电路，由一个齐纳二极管和多个电阻组成，连接在串联连接在商用交流电的两端之间的多个放电电阻之间的多个节点中的一个节点与负电源线之间；一个串联电路，由一个电阻和一个反向电流防止二极管组成，连接在电阻与所述齐纳二极管之间的节点和开关控制电路的工作电源之间，振荡频率改变电路将由连接在多个电阻之间的多个节点中的一个节点与负电源线之间的电容器产生的抛物波电压用作驱动信号，改变开关控制电路的振荡频率。
按照这样的设计，可以与商用交流电的交变周期同步地连续改变开关频率。这样有助于使噪音频谱分布更宽，从而更显著地减小开关电源设备产生的噪音。
最好，将来自电压检测电路的检测信息通过光电耦合器的与正和负输出线之间的电压检测电路串联的光电二极管并且通过光电耦合器的与开关控制电路连接的光敏晶体管提供给开关控制电路，并且当负载短路时，通过检测通过光敏晶体管的电流减少使主开关器件的开关操作停止。
按照这样的设计，当开关电源设备的负载被短路时，对通过光电耦合器的光电二极管和光敏晶体管的电流减少进行检测，由此使开关控制电路停止运行。这可以被有效地应用于如此结构的过电流保护系统，即当开关电源设备的负载被短路时，对通过光电耦合器的电流减少进行检测，以便在源于起动电流的充电电压变得低于最小工作电压之前，停止开关操作。
通过下面结合附图对本发明的优选实施例进行的描述，本发明的上述目的和特性将会变得更加清楚，其中图1是本发明的第一实施例的开关电源设备的电路图；图2是本发明的第二实施例的开关电源设备的电路图；图3是本发明的第三实施例的开关电源设备的电路图；图4是本发明的第四实施例的开关电源设备的电路图；图5是本发明的第五实施例的开关电源设备的电路图；图6是本发明的第六实施例的开关电源设备的电路图；图7A到7C是示出了本发明的第四实施例的开关电源设备运行的电压波形图；图8A到8E是示出了本发明的第五实施例的开关电源设备运行的电压波形图；图9A到9D是示出了在本发明的第六实施例的开关电源设备中，进行过电流保护操作的电压波形图；图10是常规开关电源设备的电路图；图11A到11C是示出了在常规开关电源设备中，在起动时进行的操作的电压波形图；并且图12A到12C是示出了在常规开关电源设备中，进行过电流保护操作的电压波形图。
具体实施例方式
以下将参照附图对本发明的实施例进行描述。
第一实施例图1是本发明的第一实施例的开关电源设备的电路图。这种开关电源设备采用了自动恢复法。在图1中，将商用交流电(没有示出)连接到交流电输入端1和2。在交流电输入端1和2之间，经由滤波器3，连接了桥式整流电路4。滤波器3由电容器3a、线路滤波器线圈3b和电容器3c组成。桥式整流电路4由二极管4a、4b、4c和4d组成。通过导线L1和L2使滤波器3和桥式整流电路4彼此连接，并且在导线L1和L2之间连接了放电电阻31。
桥式整流电路4的输出端分别连接到正电源线L3和负电源线L4，在线路L3与L4之间连接了电容器5、一个由变压器6的初级线圈6a和FET 7组成的串联电路以及一个由恒流电路21和电容器17组成的串联电路。FET 7起这个开关电源设备的主开关器件的作用。变压器6的辅助线圈6c的一端通过二极管16连接到恒流电路21与电容器17之间的节点，辅助线圈6c的另一端连接到负电源线L4。
开关控制电路14具有连接到二极管16的阴极的正电源输入端，具有连接到负电源线L4的负电源输入端，具有连接到光电耦合器13的光敏晶体管13b的集电极的反馈输入端并且具有连接到FET 7的栅极的输出端。
变压器6的次级线圈6b的一端通过二极管8连接到正输出线L5，次级线圈6b的另一端连接到负输出线L6。在正和负输出线L5与L6之间，连接了电容器9、一个由光电耦合器13的光电二极管13a、电阻12b和分路调节器12a组成的串联电路以及一个由电阻12d和12c组成的串联电路。电阻12d和12c之间的节点连接到分路调节器12a的监控端。分路调节器12a与电阻12b、12c和12d一起构成了输出电压检测电路12。
正输出线L5连接到正输出端10，负输出线L6通过输出电流检测电路18连接到负输出端11。输出电流检测电路18的控制端连接到光电二极管13a与电阻12b之间的节点。可以在正输出线L5与正输出端10之间提供输出电流检测电路18。
下面将对第一实施例的开关电源设备的工作进行描述。当将商用交流电(没有示出)输送到交流电输入端1和2时，通过滤波器3将交流电输送到桥式整流电路4并且在那里对其整流。电容器5对经过整流的电压进行平滑并且由此转换为直流电压。将这个直流电压作为开关电源设备的主电路的工作电源提供给正电源线和负电源线L3和L4。
在正电源线和负电源线L3和L4之间提供的直流电压使开关控制电路14工作，从而使FET 7执行开关操作。结果，在变压器6的次级线圈6b中感应出一个高频电压，由二极管8和电容器9对这个高频电压进行整流和平滑，并且由此转换为直流电压。通过正输出端和负输出端10和11，将这个直流电压提供给作为负载的电子设备(没有示出)。
由串联连接的电阻12d和12c构成的分压电路对正和负输出线L5与L6之间的电压进行分压，并且将经过分压的电压作为监控电压提供给分路调节器12a的监控端。分路调节器12a将提供给其监控端的监控电压与预先在其中设定的参考电压进行比较，并且将与比较的结果成比例的电流提供给光电耦合器13的光电二极管13a，使光电二极管13a发光。
光电耦合器13的光敏晶体管13b接收来自光电二极管13a的光线，将一个与前述的比较结果成比例的电压作为反馈信号提供给开关控制电路4的反馈输入端。根据如此提供给它的反馈信号，开关控制电路14对FET 7的开关操作进行控制，从而使开关电源设备的输出电压稳定。
当开关电源设备开始起动时，开关控制电路14根据从电容器15的正端通过恒流电路21提供的恒定电流开始运行。相反，当开关电源设备工作在稳定状态时，开关控制电路14的运行主要根据由二极管16和电容器17对变压器6的辅助线圈6c中感应的电压进行整流和平滑所产生的直流电工作。
连接在负输出线L6与负输出端11之间的输出电流检测电路18将负输出线L6中的电流与其中预先设定的参考电流进行比较。当负输出线L6中的电流大于参考电流时，输出电流检测电路18将光电耦合器13的光电二极管13a的阴极与负输出线L6相互短路。这使得通过光电二极管13a的电流增大。在将输出电流检测电路18连接在正输出线L5与正输出端10之间的情况下，将正输出线L5中的电流与上述的参考电流进行比较。
当以反馈信号的形式，通过光敏晶体管13b给开关控制电路14提供这个关于电流增加的信息时，开关控制电路14识别出开关电源设备的输出电压已经大大增加，并且因此沿着使开关电源设备的输出功率减小的方向对FET 7的开关操作进行控制。
在第一实施例的开关电源设备中，不论通过交流电输入端1和2提供的商用交流电的电压如何变化，即不论正电源线和负电源线L3与L4之间的电压如何变化，恒流电路21总是给电容器17提供一个恒定的起动电流，并且由此防止当正输出端和负输出端10和11被相互短路时(即，随着负载短路)，开关操作时间与非开关操作时间之比(见前面解释的公式(3))改变。结果，即使当商用交流电的电压很高，并且因此使正电源线和负电源线L3与L4之间的电压很高时，也决不会发生像常规开关电源设备所出现过的通过起动电阻15(见图10)提供的起动电流增加，使开关电源设备的功耗增加并且可能导致热损坏的情况。
前面所描述的开关电源设备具有这样的特性，即，当负载短路时，非开关操作时间受输入电压变化影响。具体地说，当输入的直流电电压很高时，开关电源设备的功耗增加，可能导致开关电源设备热损坏。相反，第一实施例的开关电源设备将输入的直流电电压很高时的功率消耗抑制得与该电压很低时的功率消耗近似相等。这样就减少了热损坏的风险。这个作用对连接在接收来自开关电源设备的功率的电子设备的功率接收端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况有很大影响。此外，当负载短路时，输出电流检测电路18如此工作，因而减小了开关电源设备的功耗。这样就进一步减少了热损坏的风险。
第二实施例图2是本发明的第二实施例的开关电源设备的电路图。在图2中，用相同的参考数字和符号对那些在图1中有它们的对应物的元件进行识别，并且将不对它们重复说明。
在图2中示出的恒流电路21a是在图1中示出的恒流电路21的实际结构方案。这个恒流电路21a包括一个由电阻22和齐纳二极管23组成的并且连接在正电源线和负电源线L3与L4之间的串联电路以及一个一端连接到电阻22与齐纳二极管23之间的节点的电阻24。电阻24的另一端连接到电容器17的一端、开关控制电路14的正电源输入端以及二极管16的阴极。
由电阻22和齐纳二极管23组成的串联电路构成了一个恒压电路，因此，不论正电源线和负电源线L3与L4之的电压如何，电阻22与齐纳二极管23之间的节点的电压总是稳定的。因此，不论正电源线和负电源线L3与L4之的电压如何，从电阻22与齐纳二极管23之间的节点通过电阻24给电容器17提供的起动电流是恒定的。
在第二实施例的开关电源设备中，不论通过交流电输入端1和2提供的商用交流电的电压如何变化，即不论正电源线和负电源线L3与L4之间的电压如何变化，恒流电路21a总是给电容器17提供一个恒定的起动电流，并且由此防止当正输出端和负输出端10和11被相互短路时(即，随着负载短路)，开关操作时间与非开关操作时间之比(见前面解释的公式(3))改变。结果，即使当商用交流电的电压很高，并且因此使正电源线和负电源线L3与L4之间的电压很高时，也决不会发生像常规开关电源设备所出现过的通过起动电阻15(见图10)提供的起动电流增加，使开关电源设备的功耗增加并且可能导致热损坏的情况。
前面所描述的开关电源设备具有这样的特性，即，当负载短路时，非开关操作时间受输入电压变化影响。具体地说，当输入的直流电电压很高时，开关电源设备的功耗增加，可能导致开关电源设备热损坏。相反，第一实施例的开关电源设备将输入的直流电电压很高时的功率消耗抑制得与该电压很低时的功率消耗近似相等。这样就减少了热损坏的风险。
这个作用对连接在接收来自开关电源设备的功率的电子设备的功率接收端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况有很大影响。此外，当负载短路时，输出电流检测电路18如此工作，因而减小了开关电源设备的功耗。这样就进一步减少了热损坏的风险。此外，可以用由电阻22、24以及齐纳二极管23组成的简单电路结构来实现恒流电路21a。
第三实施例图3是本发明的第三实施例的开关电源设备的电路图。在图3中，用相同的参考数字和符号对那些在图1中有它们的对应物的元件进行识别，并且将不对它们重复说明。
在图3中示出的恒流电路21b是在图1中示出的恒流电路21的实际结构方案。这个恒流电路21b由晶体管25、发射极电阻26、偏置电阻27和齐纳二极管28组成。晶体管25的集电极连接的正电源线L3，晶体管25的发射极连接到发射极电阻26的一端。偏置电阻27的一端连接到正电源线L3，偏置电阻27的另一端连接到晶体管25的基极和齐纳二极管28的阴极。齐纳二极管28的阳极连接到发射极电阻26的另一端。齐纳二极管28的阳极和发射极电阻26的另一端连接到电容器17的一端、开关控制电路14的正电源输入端以及二极管16的阴极。
偏置电阻27、齐纳二极管18、晶体管25和发射极电阻26构成了一个恒压电路。因此，不论正电源线和负电源线L3与L4之的电压如何，发射极电阻26与电容器17之间的节点与晶体管25的基极之间的电压由齐纳二极管28的齐纳电压决定。
因此，通过将流过齐纳二极管28的电流设置为小于流过发射极电阻26的电流，不论正电源线和负电源线L3与L4之的电压如何，都可以使从正电源线L3通过恒流电路21b提供给电容器17的起动电流保持恒定。
在第三实施例中使用的恒流电路21b比在图2中所示的恒流电路21a更复杂，但是，电流消耗更少。例如，当在通过使主开关器件在轻负载状态下进行短脉冲切换实现了减小功耗的开关电源设备中采用这种结构时，减少功耗的作用非常显著。
在第三实施例的开关电源设备中，不论通过交流电输入端1和2提供的商用交流电的电压如何变化，即不论正电源线和负电源线L3与L4之间的电压如何变化，恒流电路21b总是给电容器17提供一个恒定的起动电流，并且由此防止当正输出端和负输出端10和11被相互短路时(即，随着负载短路)，开关操作时间与非开关操作时间之比(见前面解释的公式(3))改变。结果，即使当商用交流电的电压很高，并且因此使正电源线和负电源线L3与L4之间的电压很高时，也决不会发生像常规开关电源设备所出现过的通过起动电阻15(见图10)提供的起动电流增加，使开关电源设备的功耗增加并且可能导致热损坏的情况。
前面所描述的开关电源设备具有这样的特性，即，当负载短路时，非开关操作时间受输入电压变化影响。具体地说，当输入的直流电电压很高时，开关电源设备的功耗增加，可能导致开关电源设备热损坏。相反，第一实施例的开关电源设备将输入的直流电电压很高时的功率消耗抑制得与该电压很低时的功率消耗近似相等。这样就减少了热损坏的风险。
这个作用对连接在接收来自开关电源设备的功率的电子设备的功率接收端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况有很大影响。此外，当负载短路时，输出电流检测电路18如此工作，因而减小了开关电源设备的功耗。这样就进一步减少了热损坏的风险。
此外，恒流电路21b具有比图2所示的恒流电路21a稍微复杂一些的电路结构，但消耗的功率较少。由于恒流电路21b的功耗很小，对于在轻负载状态下进行短脉冲切换实现了功耗减小的开关电源设备来说，恒流电路21b可用于使功耗减到最小。
第四实施例图4是本发明的第四实施例的开关电源设备的电路图。在图4中，用相同的参考数字和符号对那些在图1中有它们的对应物的元件进行识别，并且将不对它们重复说明。
在这种开关电源设备中，从商用交流电电压的线路L1通过恒流电路21和反向电流防止二极管30将起动电流提供给电容器17。此外，在这种开关电源设备中，另外提供了一个振荡频率改变电路29，用于提取在恒流电路21与反向电流防止二极管30之间的节点处的电压，并且将这个电压用作驱动信号，改变在开关控制电路14里面提供的振荡电路的振荡频率。
图7A到7C是示出了这种开关电源设备运行的电压波形图。图7A示出了从商用交流电(没有示出)提供的，线路L1与L2之间的商用交流电压的波形，图7B示出了位于恒流电路21与反向电流防止二极管30之间的节点处的电压波形，图7C示出了FET 7的栅极电压的波形。
由于商用交流电压按照图7A所示变化，因此位于恒流电路21与反向电流防止二极管30之间的节点处的电压按照图7B所示变化。该电压的这种变化被用来对开关电源设备的运行进行控制。
在位于恒流电路21与线路L1连接的节点处的电压高于电容器17的充电电压Vcc期间，电流从线路L1通过恒流电路21和反向电流防止二极管30流到电容器17，因此，在恒流电路21与反向电流防止二极管30之间的节点处的电压保持近似与充电电压Vcc相等。相反，在线路L1上的电压为负期间，没有电流从线路L1通过恒流电路21和反向电流防止二极管30流到电容器17，因此，在恒流电路21与反向电流防止二极管30之间的节点处的电压为零伏。
振荡频率改变电路29接收在恒流电路21与反向电流防止二极管30之间的节点处的电压(图7B)，并且根据这个电压的电压电平，改变开关控制电路14的振荡频率。通过监视主开关器件的控制电压，可以观察到由此而引起的如图7C所示的振荡频率变化。具体地说，每半个商用交流电周期，振荡频率分级地变化一次。这使得从开关电源设备发出的噪音频谱能够随时间变化，因而有助于减小表象噪音等级。
这里，减小表象噪音是按照下述方式实现的。从开关电源设备发出的噪音主要来源于开关频率的高次谐波，通过改变开关频率，使噪音的频率也改变，导致在给定频段中测量的噪音等级的长时平均值减小。
在第四实施例的开关电源设备中，不论通过交流电输入端1和2提供的商用交流电的电压如何变化，即不论正电源线和负电源线L3与L4之间的电压如何变化，恒流电路21总是给电容器17提供一个恒定的起动电流，并且由此防止当正输出端和负输出端10和11被相互短路时(即，随着负载短路)，开关操作时间与非开关操作时间之比(见前面解释的公式(3))改变。结果，即使当商用交流电的电压很高，并且因此使正电源线和负电源线L3与L4之间的电压很高时，也决不会发生像常规开关电源设备所出现过的通过起动电阻15(见图10)提供的起动电流增加，使开关电源设备的功耗增加并且可能导致热损坏的情况。
前面所描述的常规的开关电源设备具有这样的特性，即，当负载短路时，非开关操作时间受输入电压变化影响。具体地说，当输入的直流电电压很高时，开关电源设备的功耗增加，可能导致开关电源设备热损坏。相反，第四实施例的开关电源设备将输入的直流电电压很高时的功率消耗抑制得与该电压很低时的功率消耗几乎相等。这样就减少了热损坏的风险。
这个作用对连接在接收来自开关电源设备的功率的电子设备的功率接收端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况有很大影响。此外，当负载短路时，输出电流检测电路18如此工作，因而减小了开关电源设备的功耗。这样就进一步减少了热损坏的风险。
此外，在第四实施例的开关电源设备中，从恒流电路21与反向电流防止二极管30之间的节点提取的电压按照商用交流电电压的变化而变化，因此可以利用这个电压与商用交流的交变周期同步地对开关电源设备的运行进行控制。此外，通过与商用交流电的交变周期同步地分级地改变开关频率，可以显著地减小由开关电源设备产生的噪音。
第五实施例图5是本发明的第五实施例的开关电源设备的电路图。在图5中，用相同的参考数字和符号对那些在图1中有它们的对应物的元件进行识别，并且将不对它们重复说明。
在这种开关电源设备中，另外提供了一个由放电电阻31a和31b组成的串联电路，连接在提供来自商用交流电(没有示出)的交流电压的线路L1与L2之间，将起动电流从放电电阻31a和31b之间的节点通过由恒流电路21c和反向电流防止二极管30组成的串联电路提供给开关控制电路14。
恒流电路21c由电阻22a、22b、24以及齐纳二极管23组成。电阻22a的一端连接到放电电阻31a和31b之间的节点，电阻22a的另一端连接到电阻22b的一端和电容器32的一端。电容器32的另一端连接到线路L4。电阻22b的另一端连接到齐纳二极管23的阴极和电阻24的一端。电阻24的另一端连接到反向电流防止二极管30的阳极。
如图8D所示，在位于放电电阻31a与31b之间的节点处的电压高于齐纳二极管23的齐纳电压期间，恒流电路21c的齐纳二极管23的阴极电压稳定地保持与齐纳电压相等；在位于放电电阻31a与31b之间的节点处的电压低于齐纳二极管23的齐纳电压期间，齐纳二极管23的阴极电压具有低于齐纳电压的电平。
通过将齐纳二极管23的齐纳电压设定得尽可能低但又高于开关控制电路14的工作开始电压，可以使齐纳二极管23的阴极电压低于齐纳二极管23的齐纳电压的时间短到可以忽略。这样就防止了通过电阻24和反向电流防止二极管30提供给电容器17的起动电流受商用交流电电压影响。
因此，还是在本实施例中，即使当商用交流电的电压很高，并且因此使正电源线和负电源线L3与L4之间的电压很高时，也决不会像常规开关电源设备中所出现的那样，发生通过起动电阻15(见图10)提供的起动电流增加，使开关电源设备消耗的功率增大并且可能导致其热损坏的情况。
图8A到图8E是示出了这个开关电源设备运行的电压波形图。图8A示出了商用交流电的电压波形，图8B示出了在放电电阻31a与31b之间的节点处的电压波形，图8C示出了在电阻22a与22b之间的节点处的电压波形，图8D示出了齐纳二极管23的阴极电压的波形，图8E示出了FET 7的栅极电压的波形。
电容器32对电阻22a与22b之间的节点处的电压进行一定程度的平滑，因而该电压具有如图8C所示的抛物线波形。振荡频率改变电路29接收这个具有如图8C所示的抛物线波形的电压，并且根据这个电压的电压电平，改变开关控制电路14的振荡频率。通过监视主开关器件的控制电压(在图5所示的电路中的FET 7的栅极电压)，可以观察到由此而引起的如图8E所示的振荡频率的变化。这里，与上述的第四实施例相反，振荡频率是连续变化的。
因此，本实施例的开关电源设备具有比上述第四实施例的开关电源设备稍微复杂一些的电路结构，但能够使从开关电源设备发出的噪音频谱随时间分布得更宽，因此有助于减小表象噪音等级。此外，从放电电阻31a与31b之间的节点提供起动电流有助于减少起动电流提供电路部分消耗的功率。
在第五实施例的开关电源设备中，不论通过交流电输入端1和2提供的商用交流电的电压如何变化，即不论正电源线和负电源线L3与L4之间的电压如何变化，恒流电路21c总是给电容器17提供一个恒定的起动电流，并且由此防止当正输出端和负输出端10和11被相互短路时(即，随着负载短路)，开关操作时间与非开关操作时间之比(见前面解释的公式(3))改变。结果，即使当商用交流电的电压很高，并且因此使正电源线和负电源线L3与L4之间的电压很高时，也决不会发生像常规开关电源设备所出现过的通过起动电阻15(见图10)提供的起动电流增加，使开关电源设备的功耗增加并且可能导致热损坏的情况。
前面所描述的开关电源设备具有这样的特性，即，当负载短路时，非开关操作时间受输入电压变化影响。具体地说，当输入的直流电电压很高时，开关电源设备的功耗增加，可能导致开关电源设备热损坏。相反，第一实施例的开关电源设备将输入的直流电电压很高时的功率消耗抑制得与该电压很低时的功率消耗近似相等。这样就减少了热损坏的风险。
这个作用对连接在接收来自开关电源设备的功率的电子设备的功率接收端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况有很大影响。此外，当负载短路时，输出电流检测电路18如此工作，因而减小了开关电源设备的功耗。这样就进一步减少了热损坏的风险。
此外，在第五实施例的开关电源设备中，从放电电阻31a与31b之间的节点给起动电路部分(给电容器17供电的电路部分)提供一个电流。这有助于减少起动电路部分中的功率损耗。此外，从电阻22a与22b之间的节点提取的电压按照商用交流电电压的变化而变化，因此可以利用这个电压与商用交流的交变周期同步地对开关电源设备的运行进行控制。此外，通过在与商用交流的交变周期同步的情况下使开关频率连续改变，可以使噪音频谱比第四实施例分布得更宽，因而更显著地减小了开关电源设备产生的噪音。
第六实施例图6是本发明的第六实施例的开关电源设备的电路图。在图6中，用相同的参考数字和符号对那些在图1中有它们的对应物的元件进行识别，并且将不对它们重复说明。
在第六实施例的开关电源设备中，在到目前为止已经描述过的实施例中使用的输出电流检测电路被省略，而使用了另一个替代系统，当负载短路时，该系统使开关电源设备的开关操作间断地停止。
开关控制电路14a具有一个连接到晶体管(PNP型晶体管)38的发射极和电阻34的一端的+5V端，以及一个连接到电阻39的一端和电容器40的一端的CT端。电阻34的另一端连接到晶体管38的基极和电阻35的一端。电阻39的另一端连接到晶体管38的集电极，电容器40的另一端连接到线路L4。电阻35的另一端通过电阻36和电容器41连接到线路L4，并且连接到光电耦合器13的光敏晶体管13b的集电极。光敏晶体管13b的发射极通过电阻37连接到线路L4，并且连接到开关控制电路14a的K端。开关控制电路14a的输出端连接到FET 7的栅极。
首先，将描述这种开关电源设备对其输出电压是如何进行控制的。当正输出端和负输出端10与11之间的电压增大时，输出电压检测电路12将从由电阻12c和12d组成的输出电压分压电路得到的电压与在分路调节器12a中预先设定的参考电压进行比较。结果，输出电压检测电路12使通过光电耦合器13的光电二极管13a和光敏晶体管13b的电流增加，并且由此使在光敏晶体管13b与电阻37之间的节点处的电压增大。
当开关控制电路14a在其K端接收到这个电压增大时，对FET 7，即主开关器件，的开关周期进行控制，以便使开关电源设备的输出功率减小，并且由此抑制开关电源设备的输出电压增大。
另一方面，当正输出端和负输出端10与11之间的电压减小时，作为与上述相似的比较操作的结果，输出电压检测电路12使通过光电耦合器13的光电二极管13a和光敏晶体管13b的电流减小，并且由此使位于光敏晶体管13b与电阻37之间的节点处的电压减小。
当开关控制电路14a在其K端接收到这个电压减小时，对FET 7的开关周期进行控制，以便使开关电源设备的输出功率增加，并且由此抑制开关电源设备的输出电压减小。此外，在进行控制操作的同时，开关控制电路14a通过其+5V端输出+5V电源，以便从+5V端通过电阻34和35给光敏晶体管13b提供电流。这样就使得上述的使输出电压稳定的运行成为可能。
此外，上面提到的+5V电源还被用于对开关控制电路14a的振荡频率进行控制。当通过光敏晶体管13b的电流从晶体管38的发射极流到基极，然后流过电阻35时，晶体管38导通，随后通过电阻39逐渐给电容器40充电。
通过开关控制电路14a的CT端对电容器40的充电电压进行检测。当这个充电电压达到预定的高电平时，由开关控制电路14a的内部电路对其进行吸收(放电)，直到吸收操作停止时，充电电压减小到预定的低电平。此后，通过晶体管38和电阻39提供的电流再次对电容器40逐渐充电，直到当如上所述的由开关控制电路14a的内部电路的操作使其放电时，充电电压达到了预定的高电平。这些操作重复进行，从而实现振荡。
如下面所描述的，由电阻36和电容器41组成的连接在光敏晶体管13b的基极与负电源线L4之间的串联电路起保证开关电源设备起动的作用。
具体地说，当开关电源设备起动时，从正电源线L3通过恒流电路21给电容器17提供一个电流。当电容器17的充电电压达到开关控制电路14a的工作开始电压时，开关控制电路14a开始运行。此时，开关控制电路14a通过其+5V端输出一个+5V电压，并且由此通过晶体管38的发射极和基极以及电阻35和36，逐渐给电容器41充电。
因此，使晶体管38导通，并且通过电阻39给电容器40提供一个电流，从而起振。根据由这个振荡而引起的振荡信号，开关控制电路14a产生一个开关控制信号，并且将这个信号提供给FET 7的栅极，因此，开关电源设备开始输出电压。
这里，当开关电源设备开始起动时，其输出电压为零伏或低电平。因此，输出电压检测电路12不给光电二极管13a提供电流，因而没有电流流过光敏晶体管13b。因此，如上所述，由电容器41的充电电流使晶体管38导通，从而使振荡继续。
此后，当开关电源设备的输出电压增加到预定的电压电平并且电流开始流过光敏晶体管13b时，晶体管38利用这个电流来维持开关控制电路14a振荡。因此，至少需要在开关电源设备的输出电压增加到预定的电压电平之前，保持晶体管38导通，因此，电容器41具有足够高的容量以实现这一点。
还是在本实施例中，为了保证开关电源设备起动，电容器17需要满足以上条件，因此需要具有足够高的容量。
接着，将对开关电源设备在负载短路时进行的操作进行描述。
图9A到9D是示出了在本开关电源设备中进行过电流保护操作的电压波形图。图9A示出了电容器17的充电电压Vcc的波形，图9B示出了开关电源设备输出电压的波形，图9C示出了变压器6的辅助线圈6c上的电压波形。在图9D中，实线表示的是开关控制电路14a的+5V端的电压波形，虚线表示的是在电容器41与电阻36之间的节点处的电压波形(即，电容器41的充电电压的波形)。
如图9A到9D所示，在时间点X0之前，当开关电源设备稳态运行时，流过光敏晶体管13b的电流使位于电阻35与36之间的节点处的电压保持低于通过开关控制电路14a的+5V端输出的电压。因此，如图9D中的虚线所示，使电容器41充电到比通过+5V端输出的电压低的电压。
在时间点X0，当开关电源设备的正输出端和负输出端10和11被相互短路并且输出电压下降时，输出电压检测电路12进行控制，从而切断通过光敏晶体管13b的电流。因此，由于从开关控制电路14a的+5V端通过晶体管38的发射极和基极以及电阻35和36提供的电流，使电容器41的充电电压开始增加。
在时间点t1，当电容器41的充电电压达到通过开关控制电路14a的+5V端输出的电压的电平时，晶体管38的基极电流停止流动。这使得晶体管38截止并且因此停止给由电阻39和电容器40组成的串联电路提供电流。结果，振荡停止，开关电源设备停止开关操作。
然而，在前面所描述的所有实施例中，在电容器17的充电电压Vcc达到最小工作电压之前，开关操作继续，在本实施例中，在电容器17的充电电压Vcc达到最小工作电压之前，开关操作停止。如以下将要描述的，这有助于缩短负载短路时的开关操作时间Ton，并且因此有助于减少开关电源设备的功耗。
在时间点X0之后，如上所述，在变压器6的辅助线圈6c中出现的正向感应电压减小，因此，电容器17的充电电压Vcc开始减小。即使在时间点X1之后，开关控制电路14a仍然消耗工作电流，并且这个电流大于从恒流电路21提供的电流。因此，充电电压Vcc继续减小，直到时间点X2，当开关控制电路14a停止工作并且停止通过+5V端输出电压时，充电电压Vcc达到最小工作电压。
当开关控制电路14a不运行时，其+5V端具有很低的内阻抗，因此起到通过电阻36、35和34吸收电容器41的充电电压的作用。因此，在时间点X2之后，电容器41的充电电压开始减小(见图9D)。
如上所述，当开关控制电路14a停止运行时，它所消耗的电流减小。因此，由于从正电源线L3通过恒流电路21提供的电流，电容器17的充电电压Vcc开始增大，直到时间点X3，当开关控制电路14a开始工作并且由此使通过其+5V端输出的电压上升时，充电电压Vcc达到开关电源设备的工作开始电压。
因此，充电电流通过上述路径流过电容器41。这使得晶体管38导通，并且因此开始振荡。结果，开关控制电路14a消耗的功率增大，因此，电容器17的充电电流开始减小。
另一方面，如上所述，当负载短路时，没有电流流过光敏晶体管13b，因此使电容器41逐渐充电。在时间点X4，当它的充电电压达到通过开关控制电路14a的+5V端输出的电压的电平时，晶体管38的基极电流停止流动。这使得晶体管38截止，并且因此停止给由电阻39和电容器40组成的串联电路提供电流。结果，振荡停止，开关电源设备停止开关操作。
然而，在前面所描述的所有实施例中，在电容器17的充电电压Vcc达到最小工作电压之前，开关操作继续，在本实施例中，在电容器17的充电电压Vcc达到最小工作电压之前，开关操作停止。这有助于缩短负载短路时的开关操作时间Ton，并且因此有助于减少开关电源设备的功耗。
在时间点X4之后，如上所述，在变压器6的辅助线圈6c中出现的正向感应电压很低，因此电容器17的充电电压Vcc开始减小。即使在时间点X4之后，开关控制电路14a仍然消耗一个工作电流，并且这个电流大于从恒流电路21提供的电流。因此，充电电压Vcc继续减小，直到时间点X5，当开关控制电路14a停止工作并且停止通过+5V端输出电压时，充电电压Vcc达到最小工作电压。
当开关控制电路14a不运行时，其+5V端具有很低的内阻抗，因此起到通过电阻36、35和34吸收电容器41的充电电压的作用。此后，只要开关电源设备的负载保持短路，就会重复从时间点X2到时间点X5期间的上述的过程。
还是在本实施例中，与前面所描述的实施例相同，恒流电路21防止从时间点X2到时间点X3期间受到正电源线和负电源线L3与L4之间的电压变化的影响。这有助于使开关电源设备在提供给它的商用交流电电压很高时消耗的功率与商用交流电电压很低时消耗的功率近似相等，因而有助于减小开关电源设备损坏的风险。
在第六实施例的开关电源设备中，不论通过交流电输入端1和2提供的商用交流电的电压如何变化，即不论正电源线和负电源线L3与L4之间的电压如何变化，恒流电路21总是给电容器17提供一个恒定的起动电流，并且由此防止当正输出端和负输出端10和11被相互短路时(即，随着负载短路)，开关操作时间与非开关操作时间之比改变。结果，即使当商用交流电的电压很高，并且因此使正电源线和负电源线L3与L4之间的电压很高时，也决不会发生像常规开关电源设备所出现过的通过起动电阻15(见图10)提供的起动电流增加，使开关电源设备的功耗增加并且可能导致热损坏的情况。
前面所描述的开关电源设备具有这样的特性，即，当负载短路时，非开关操作时间受输入电压变化影响。具体地说，当输入的直流电电压很高时，开关电源设备的功耗增加，可能导致开关电源设备热损坏。相反，第一实施例的开关电源设备将输入的直流电电压很高时的功率消耗抑制得与该电压很低时的功率消耗近似相等。这样就减少了热损坏的风险。这个作用对连接在接收来自开关电源设备的功率的电子设备的功率接收端之间的功率平滑电容器的容量很高的情况有很大影响。
此外，可以将第六实施例的开关电源设备应用于如此构成的过电流保护系统，即当负载短路时，对通过光电耦合器13的电流的减小进行检测，以便在电容器17的充电电压Vcc减小到最小工作电压之前，使开关操作停止。
与那些采用了像其它实施例那样的电流检测电路的开关电源设备相比，第六实施例的开关电源设备具有更简单的电路结构并且生产成本更低。在如此构成的开关电源设备中，即，将用于对输出中的电压降进行检测的电阻连接在开关电源设备的输出线路上并且利用这个电阻对输出中的电压降进行检测，这个电阻产生功率损耗。相反，在第六实施例的开关电源设备中不产生这样的功率损耗。
如上所述，按照本发明的一个方面，开关电源设备具有一个串联电路，该电路包括连接在正电源线和负电源线之间的变压器初级线圈和主开关器件，正电源线和负电源线连接到从商用交流电产生的直流电。开关电源设备输出通过对主开关器件进行开关操作而在变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电压。这里，开关电源设备还包括一个恒流电路，用于即使当商用交流电的交流电压变化时，也给控制主开关器件的开关控制电路提供一个恒定电流。
在这种结构的情况下，即使当商用交流电的电压变化时，也给开关控制电路提供来自恒流电路的恒定电流。这使得在负载短路情况下，当来自商用交流电的输入电压很高时的功耗与输入电压较低时功耗接近。因此，当来自商用交流电的输入电压很高时，即使负载长时间保持短路，也可以防止热损坏。
按照本发明的另一个方面，开关电源设备具有一个串联电路，该电路包括连接在正电源线和负电源线之间的变压器初级线圈和主开关器件，正电源线和负电源线连接到从商用交流电产生的直流电。经由正输出端和负输出端，开关电源设备输出通过利用整流/平滑电路对由于主开关器件进行开关操作而在变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电压。这里，开关电源设备还包括一个输出电压检测电路，用于检测正输出端和负输出端之间的电压；一个开关控制电路，用于根据来自输出电压检测电路的检测信息，对主开关器件的开关操作进行控制；一个稳态工作电源电路，用于在稳态运行期间，给开关控制电路提供通过对在变压器的辅助线圈中感应的，基本上与正输出端和负输出端之间的输出电压成正比的电压进行整流和平滑而产生的工作电源；以及一个恒流电路，用于接收来自直流电或者在起动时来自商用交流电的电流，以便给开关控制电路提供恒定的起动电流。
在这种结构的情况下，例如，当连接在正输出端和负输出端之间的负载短路时，由输出电压检测电路对这个短路状态进行检测并且开关控制电路停止工作。在起动时，将来自直流电源或者商用交流电的电流作为起动电流，通过恒流电路提供给开关控制电路。
因此，即使当商用交流电的电压变得很高时，也可以给开关控制电路提供来自恒流电路的恒定电流。这使得在负载短路的状态下，当来自商用交流电的输入电压很高时的功耗与输入电压很低时的功耗接近。因此，当来自商用交流电的输入电压很高时，即使负载长时间保持短路，也可以防止发生热损坏。
按照本发明的另一个方面，开关电源设备具有一个串联电路，该电路包括连接在正电源线和负电源线之间的变压器初级线圈和主开关器件，正电源线和负电源线连接到从商用交流电产生的直流电。经由正输出端和负输出端，开关电源设备输出通过利用整流/平滑电路对由于主开关器件进行开关操作而在变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电压。这里，开关电源设备还包括一个输出电压检测电路，用于检测正输出端和负输出端之间的电压；一个开关控制电路，用于根据来自输出电压检测电路的检测信息，对主开关器件的开关操作进行控制；一个电流检测电路，提供在正输出线或者负输出线上，用于当在正和负输出线中流过一个过电流时，将输出电压检测电路的两端相互短路；一个稳态工作电源电路，用于在稳态运行期间，给开关控制电路提供通过对在变压器的辅助线圈中感应的，基本上与正输出端和负输出端之间的输出电压成正比的电压进行整流和平滑而产生的工作电源；以及一个恒流电路，用于接收来自直流电或者在起动时来自商用交流电的电流，以便给开关控制电路提供恒定的起动电流。
在这种结构的情况下，例如，当连接在正输出端和负输出端之间的负载短路时，电流检测电路将输出电压检测电路的两端相互短路。将这个关于短路的信息提供给开关控制电路，并且开关控制电路停止工作。在起动时，将来自直流电源或者商用交流电的电流作为起动电流，通过恒流电路提供给开关控制电路。
因此，即使当商用交流电的电压变得很高时，也可以给开关控制电路提供来自恒流电路的恒定电流。这使得在负载短路的状态下，当来自商用交流电的输入电压很高时的功耗与输入电压很低时的功耗接近。因此，当来自商用交流电的输入电压很高时，即使负载长时间保持短路，也可以防止发生热损坏。
权利要求
1.一种开关电源设备，该开关电源设备具有包括一个变压器的初级线圈和一个主开关器件的串联电路，该串联电路连接在与从商用交流电产生的直流电连接的一个正电源线和一个负电源线之间，该开关电源设备输出通过对由所述主开关器件进行开关操作而在所述变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电，其中，所述开关电源设备还包括一个恒流电路，用于即使当所述商用交流电的交流电压变化时，也能够给对所述主开关器件进行控制的一个开关控制电路提供一个恒定电流。
2.一种开关电源设备，该开关电源设备具有包括一个变压器的初级线圈和一个主开关器件的串联电路，该串联电路连接在与从商用交流电产生的直流电连接的一个正电源线和一个负电源线之间，该开关电源设备通过一正输出端和一负输出端来输出通过对由所述主开关器件进行开关操作而在所述变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电，其中，所述开关电源设备还包括一个输出电压检测电路，用于检测所述正输出端和负输出端之间的电压；一个开关控制电路，用于根据来自所述输出电压检测电路的检测信息，对所述主开关器件的开关操作进行控制；一个稳态运行电源电路，用于在稳态运行期间，给所述开关控制电路提供通过对在所述变压器的辅助线圈中感应的电压进行整流和平滑而产生的工作电源，该工作电源基本上与所述正输出端和负输出端之间的输出电压成正比；以及一个恒流电路，用于在起动时接收来自直流电或者来自商用交流电的电流，从而给所述开关控制电路提供一个恒定的起动电流。
3.一种开关电源设备，该开关电源设备具有包括一个变压器的初级线圈和一个主开关器件的串联电路，该串联电路连接在与从商用交流电产生的直流电连接的一个正电源线和一个负电源线之间，该开关电源设备通过一正输出端和一负输出端来输出通过对由所述主开关器件进行开关操作而在所述变压器的次级线圈中感应的高频电压进行整流和平滑而得到的直流电，其中，所述开关电源设备还包括一个输出电压检测电路，用于检测所述正输出端和负输出端之间的电压；一个开关控制电路，用于根据来自所述输出电压检测电路的检测信息，对所述主开关器件的开关操作进行控制；一个电流检测电路，提供于所述正输出线路或负输出线路中，用于当在所述正输出线路和负输出线路中流过一个过电流时，将所述输出电压检测电路的两端相互短路；一个稳态运行电源电路，用于在稳态运行期间，给所述开关控制电路提供通过对在所述变压器的辅助线圈中感应的电压进行整流和平滑而产生的工作电源，该工作电压基本上与所述正输出端和负输出端之间的电压成正比；以及一个恒流电路，用于在起动时接收来自直流电或者来自商用交流电的电流，从而给所述开关控制电路提供一个恒定的起动电流。
4.如权利要求2或3所述的开关电源设备，其中，通过一个与所述电压检测电路串联连接在所述正输出线路和负输出线路之间的光电耦合器的光电二极管，并且通过与所述开关控制电路连接的该光电耦合器的光敏晶体管，将来自所述电压检测电路的检测信息提供给所述开关控制电路。
5.如权利要求2或3所述的开关电源设备，其中，所述恒流电路包括一个串联电路，由一个电阻和一个齐纳二极管组成，连接在所述正电源线和负电源线之间；以及一个电阻，与所述电阻和所述齐纳二极管之间的节点连接，通过该电阻向所述开关控制电路提供起动电流。
6.如权利要求2或3所述的开关电源设备，其中，所述恒流电路包括一个串联电路，由一个一端与所述正电源线连接的偏置电阻和一个齐纳二极管组成；以及一个晶体管，该晶体管的基极与所述偏置电阻和所述齐纳二极管之间的节点连接，该晶体管的集电极与所述正电源线连接，该晶体管的发射极通过一个发射极电阻与所述齐纳二极管的一端连接，从该晶体管的发射极通过所述发射极电阻将起动电流提供给所述开关控制电路。
7.如权利要求2或3所述的开关电源设备，其中，所述直流电是通过由桥式二极管组成的桥式整流电路对所述商用交流电进行全波整流产生的，从所述商用交流电的一端通过由所述恒流电路和一个反向电流防止二极管组成的串联电路，将起动电流提供给所述开关控制电路。
8.如权利要求2或3所述的开关电源设备，其中，所述直流电是通过由桥式二极管组成的桥式整流电路对所述商用交流电进行全波整流而产生的，从所述商用交流电的一端通过由所述恒流电路和一个反向电流防止二极管组成的串联电路，将起动电流提供给所述开关控制电路，所述开关电源设备还包括一个振荡频率改变电路，用于对所述恒流电路与所述反向电流防止二极管之间的节点的电压进行检测，并且将这个电压用作驱动信号，改变所述开关控制电路的振荡频率。
9.如权利要求2或3所述的开关电源设备，其中，所述直流电是通过由桥式二极管组成的桥式整流电路对所述商用交流电进行全波整流而产生的，从串联连接在所述商用交流电两端的多个放电电阻之间的多个节点中的一个节点，通过由所述恒流电路和一个反向电流防止二极管组成的串联电路，将起动电流提供给所述开关控制电路。
10.如权利要求8所述的开关电源设备，其中，所述直流电是通过由桥式二极管组成的桥式整流电路对所述商用交流电进行全波整流而产生的，所述恒流电路包括一个由一个齐纳二极管和多个电阻组成的串联电路，连接在所述负电源线与串联连接在所述商用交流电两端之间的多个放电电阻之间的多个节点中的一个节点之间；一个由一个电阻和一个反向电流防止二极管组成的串联电路，被连接在所述电阻与所述齐纳二极管之间的所述节点和所述开关控制电路的工作电源之间，所述振荡频率改变电路将由连接在所述多个电阻之间的多个节点中的一个节点与所述负电源线之间的一个电容器产生的抛物波电压用作驱动信号，使所述开关控制电路的振荡频率改变。
11.如权利要求2所述的开关电源设备，其中，通过与所述电压检测电路串联连接在所述正输出线路和负输出线路之间的一个光电耦合器的一个光电二极管，并且通过与所述开关控制电路连接的所述光电耦合器的一个光敏晶体管，将来自所述电压检测电路的检测信息提供给所述开关控制电路，当负载短路时，所述开关控制电路通过对通过所述光敏晶体管的电流的减小进行检测，使所述主开关器件的开关操作停止。
全文摘要
提供了一种开关电源，当提供给该开关电源的商用交流电的电压很高时，即使负载长时间保持短路，也不会使该开关电源热损坏。当连接在正输出线(10)与负输出线(11)之间的负载短路时，由输出电压检测电路(12)对短路状态进行检测并且开关控制电路停止工作。在起动时，将来自桥式整流电路(4)的电流作为起动电流，通过恒流电路(21)提供给开关控制电路(14)。因此，即使当商用交流电的电压很高时，流过开关控制电路(14)的也是一个恒定电流。这使得在负载短路的情况下，来自商用交流电的输入电压很高时的功耗与输入电压很低时的功耗接近。
文档编号H02M3/338GK1499704SQ200310102968
公开日2004年5月26日 申请日期2003年10月31日 优先权日2002年11月1日
发明者北野三郎 申请人:夏普株式会社