专利名称：具有可变启动频率电路的开关型电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有控制装置的开关型电源(SMPS)，此控制装置包括产生脉宽调制信号的振荡器。
用在Thomson Chassis TX91(亚洲)中的一个公知的此类电路如
图1所示。市电电压源连接到全波桥式整流器DP1，产生整流电压V1，再经电容器C7平滑。开关型电源还包括变压器LP3，它具有初级绕组W1，反馈绕组W2及次级绕组W3和W4。电压V1串接到初级绕组W1和开关晶体管T1。
包括产生脉宽调制信号的振荡器OS的控制装置IP1在其输出端14提供驱动电压V2以驱动开关晶体管T1。振荡器OS的振荡频率能由电阻器R13和电容器C26调整。在1994年SGS-汤姆森微电子学目录第1/9至9/9页中所描述的集成电路，如TEA2261可用作控制装置IP1。
在接通市电电源后，为了安全启动，控制装置IP1提供软启动。这可由电阻器R5缓慢给电容器C14充电来实现，电容器C14具有大容量，它在15和16脚为集成电路IP1提供必需的功率。
此外，开关型电源以低振荡频率启动以避免在开关晶体管T1中的电流聚集。在一个新的传导周期开始前，当存贮在初级电感中的能量没有完全转移到次级侧时会出现电流聚集。这将导致以连续方式工作，因而，开关晶体管T1会离开其安全工作区。为了降低启动期间的振荡频率，开关型电源包括相串联的电阻器R51和二极管D9，它们连接电容器C26与电容器C12，电容器C12由反馈绕组W2充电。当SMPS接通时，电容器C12起初没有充电。因此，二极管D9将电容器C26与电容器C12断开。此时，工作频率由R13和C26固定，这是一个低频率(几kHz)。一段时间后，电容器C12被充电，D9将导通，附加电流将经R51给C26充电，因此，振荡频率增大到其正常工作频率(约22kHz)。这确保开关型电源以非连续方式安全启动，即在开始晶体管T1新的传导周期之前，存贮在初级电感中的能量总是被全部转移到了次级侧。
这个公知开关型电源的启动取决于电容器C14经电阻器R5的充电时间，因此，取决于交流市电输入电压的电压值。在低市电输入电压时，这将导致一个相当长的启动时间。
本发明的目的是提供一种如前所述的开关型电源，该开关型电源在一个宽输入电压范围内具有快启动时间。
根据本发明，开关型电源含有一网络，该网络在高输入电压情况下维持以仅用于启动时间的低振荡频率启动。启动之后，振荡频率变到正常振荡频率。在低输入电压时，该网络维持以基本正常振荡频率启动。对开关晶体管而言，这样做无安全风险，因为在这种情形中，其工作电压低。由于此低电压，即使在启动中出现轻微的电流聚集现象，开关晶体管仍处在安全工作区。因此，该网络包括仅在高市电输入电压时改变振荡频率的装置。在低市电输入电压时保证无软启动。振荡频率的频率控制可由频率控制装置有效地进行，此频率控制装置包括一个晶体管级，在高市电输入电压时，它改变决定振荡频率的振荡器网络的时间常数。
在一个具体实施例中，该网络含有一个以换接方式用作开关元件的晶体管。用这种电路配置，另一二极管就不需要了。这利用了此事实，即最大集基极击穿电压明显高于最大射基极击穿电压。本开关型电源特别适用于工作在90伏特到270伏特的市电输入电压范围的电视接收机。在电视接收机中，显像管的启动时间必须另加考虑。
以下通过对照附图和一个列表的优选实施例，解释本发明更多的细节和优点，其中图1是一种现有技术开关型电源的框图。
图2是根据本发明的一种开关型电源的框图。
图3是启动期间变更振荡频率的晶体管级的一种等效电路。
图2示出开关型电源的优选实施例，该开关型电源具有市电输入电压AC，桥式整流器DP1和平滑电容器C7，用来产生已整流电压V1。所述电压V1应用到变压器LP3的初级绕组W1、开关晶体管T1和低阻电阻器R20的串联上。驱动开关晶体管T1的脉宽调制信号V2(PWM)由集成电路IP1，例如SGS-汤姆森的TEA2261产生。此集成电路IP1包括一个稳定变压器LP3次级电压的误差放大器E，一个产生PWM信号振荡频率的振荡器OS，PWM输出信号的一个驱动器级D和监控电源电压VCC的一个电压监控器VM。振荡器OS的振荡频率可经由10和11脚确定。变压器LP3包括产生次级电压的次级绕组W3和W4及产生电源电压VCC和误差信号VE的反馈绕组W2。通过一个可调整次级输出电压的电位器P1，将上述误差信号VE加到集成电路IP1的误差放大器E上。
本开关型电源工作过程如下在正常方式，反馈绕组W2产生电源电压VCC，并经低值电阻器R10和集成电路IP1的15脚为驱动器级D产生所必需的电压。脉宽调制信号V2的占空比根据误差信号VE控制。在接通市电输入电压AC后的启动阶段，因为开关晶体管T1在开始时刻不工作以及电容器C14放电，故集成电路IP1需要一附加电源电压来启动。为了给电容器C14充电，在此电容器和市电输入电压AC之间用到另一电阻器R5。因为电容器C14需要相当大的值来保证所有工作条件下有很稳定的电源电压VCC，以及电阻器R5必须有相当大的阻值以维持功率消耗为一个合理的低值，所以必须仔细选取电容器C14和电阻器R5的值。因此电容器C14的充电过程决定集成电路IP1的启动时间，在90伏特的低市电输入电压时，这将导致相当长的启动时间。电容器C14的值可有效地减少到仍足以使集成电路IP1稳定工作的某一值。这一值对启动时间很不合适。
集成电路IP1启动后，根据其软启动操作，占空比(导通时间/切换周期)直线上升，随之晶体管T1开通和关断。由于占空比的固定直线上升，晶体管T1电流包络直线上升将取决于电压V1，而该电压又取决于市电输入电压(通过T1的电流＝V1×导通时间/W1的电感)。采用高切换频率，则在晶体管T1关断期间，绕组W1的能量的释放较短，如果此能量不能全部释放到绕组W3、W4、W2的负载上，它将在晶体管T1开通时回扫到绕组W1，并将引起晶体管T1的起始电流高，以及在开通期间，能量全部释放给晶体管T1。在高市电电压输入时，如果切换频率没有降下来，则回扫电流比预期的大很多，晶体管T1的回扫电流聚集效应太大，将超过其安全工作区。在低市电电压(＜150伏)时，电流包络较小(由于电压V1较小，对于相同的导通时间，通过晶体管T1的电流较小)，所以，能量释放到次级绕组W3、W4、W2更完全，晶体管T1导通时回扫到T1的能量更小，因而晶体管T1可以高频率切换，以便及时给电容器C14充电来防止C14电压下降和集成电路IP1停止工作。
在高于150伏特的较高市电输入电压时，启动期间振荡频率必须降低，但因电压较高仍将导致快启动时间。因此，本开关型电源有一网络，它依据市电输入电压AC来控制脉宽调制信号的振荡频率。该网络提供一个门限，在此门限以下，开关型电源基本上以正常工作频率启动。
已经描述过，集成电路IP1的振荡器OS的振荡频率可通过其10和11脚来确定。因此，包括晶体管T2和电阻器R52、R51和R24的晶体管级连接在电容器C12和电容器C26之间。电阻器R13和电容器C26提供正常方式时的高振荡频率。对高市电输入电压AC，晶体管T2经电阻器R24导通，电流经电阻器R52和晶体管T2从电容器C26流到电容器C12，以降低振荡频率，在启动阶段此电流持续时间与电容器C12的放电一样长。一段时间后，当电容器C12充电结束，该开关型电源的晶体管T2将截止。150伏特的门限由电阻器R24和R52确定。接通开关型电源后，晶体管T2的基极电压可立即由电阻器R24和R14得到。
晶体管T2以换接晶体管来工作，换接晶体管意思是集电极当作发射极使用，反之亦然。这样是可行的，因为一个晶体管可理解为二个互补极管所构成。晶体管中电流以逆向流动是一种常见现象，只要晶体管中产生的功率维持比较小则无危险。晶体管的逆向电流增益比正向方式增益小很多的不足在本应用中没有关系，因为晶体管T2仅当作一个开关使用。使用换接晶体管方式的优点是，晶体管T2和电容器C12之间的另一二极管能省掉。这是因为最大集基极电压VCBO明显高于最大射基极电压VEBO。同样，也没有必要用一个二极管来保护晶体管T2。
图3给出了启动期间晶体管级T2的等效电路。因为在接通本开关型电源后电容器C12上无电荷，故T2的集电极实际上是与地相连。在集成电路IP1的10脚上提供2.5伏特直流电压。分压器R24和R51用这种方法仔细调整，即仅对150伏特交流及其以上的市电输入电压才使晶体管T2导通。
市电输入电压AC为90伏特到265伏特时，开关晶体管T2的所得电压、基极电压VB和发射极电压VE如表1所示。启动后正常方式的振荡频率是22kHz。此外，还给出了对应的启动频率。150伏特和其以上的电压的启动频率被大大减小。
表1列出了描述开关型电源启动状态的典型值。
表1
本发明不限制在这一实施例，还可被用于在宽市电输入电压范围内需要快启动时间的所有开关型电源。
图2中所示开关型电源的相关元件值为R527K/36W C7220μR656 C124μ7R74K75 C14470μR81K C25100μR1018/3W C26680PR11100KT1BUL310X1R1382K T2BC548BR14220KIP1TEA2261R15220KR192K2R200.15R222M2R242M权利要求
1.一种开关型电源(SMPS)，含有包括用于产生脉宽调制信号(V2)的振荡器(OS)的控制装置(IP1)，其特征在于SMPS包含一网络(T2，R51，R52，R24)，该网络保证在高市电输入电压(AC)时以低振荡频率启动，经一定时间后，该低振荡频率变为正常振荡频率；在低市电输入电压(AC)时实际上以正常振荡频率启动。
2.根据权利要求1的开关型电源，其特征在于该网络含有频率控制装置(R51，R52，R24，T2)，它在高市电输入电压(AC)的情况下改变振荡器网络(R13，C26)的时间常数，该振荡器网络决定振荡频率。
3.根据权利要求2的开关型电源，其特征在于频率控制装置(R51，R52，R24，T2)含有一个开关(T2)，在一确定的市电电压值(AC)之上时，它经过电容器(C12)给振荡器网络(R13，C26)加载。
4.根据权利要求3的开关型电源，其特征在于振荡器网络(R13，C26)含有一个约150伏的门限，并且在市电电源电压高于所述门限时提供软启动，而在低于所述门限时实质上避免软启动。
5.根据权利要求3或4的开关型电源，其特征在于开关(T2)是一个以换接方式使用的晶体管(T2)。
6.根据上述任一权利要求的开关型电源，其特征在于该网络包括附加装置(R5，C14)，在低输入电压情况下为了快启动，该装置含有一个低电容值(C14)。
全文摘要
一种含有控制装置(IP1)的开关型电源,该控制装置包括产生脉宽调制信号(V2)的振荡器(OS)。其目的是在宽市电输入电压范围(AC)内提供快启动时间。按本发明,开关型电源含有一网络(T2,R52,R51,R24),在高输入电压时提供低振荡频率的软启动;在低输入电压时基本上以正常振荡频率启动。在市电输入电压为90至265伏的宽范围上,本发明提供快启动时间。该网络有一换接使用的晶体管(T2),作为开关元件提供约150伏的门限值。本电源可有利地作为电视机部件使用。
文档编号H02M3/24GK1183667SQ97122908
公开日1998年6月3日 申请日期1997年11月25日 优先权日1996年10月7日
发明者吴俊兴, 许建明 申请人:汤姆森多媒体公司