开关式电源设备 本发明涉及一种用于电子设备例如计算机的开关式电源设备。更具体地说,本发明涉及对电源设备的改进,这些电源设备能用二次侧产生的起动和停止信号,或用过电压保护电路对二次侧输出电压产生的指令来起动和停止一次侧开关元件。
在常规开关式电源设备中,使用几个隔离器来隔离下列三种信号:用来使输出电压稳定的反馈信号,由过电压保护电路对输出电压产生的信号,以及用一个安排在二次侧的外部开关使电源接通和断开的遥控信号。光电耦合器或变压器用作隔离器。例如,在公布的实用新型申请Hei No.1-79389(1989)中(由本申请人提出),公开了用单个隔离器来隔离遥控信号和过电压保护信号。
然而,由于分别地设置一个隔离器,用来隔离使输出电压稳定的反馈信号,所以对整个开关式电源设备使用不止一个隔离器,因此增加了元件的数目和成本。另外,如果一次侧与二次侧之间的隔离要求使用光电耦合器或变压器,则因为安全标准限制,要求有必要的规定蠕变距离和间隙,所以使印刷接线板的设计较为困难。
因此,在公布的专利申请Hei No.4-156270(1992)中,公开了一种用单个隔离器来隔离上述三种信号的例子。然而,由于过电压保护的闩锁电路安排在一次侧,使遥控信号不能释放闩锁并再起动电源。另外,必须断开公业用电源以释放闩锁,因此该例可能对有些电源应用不适用。本发明则解决了这些问题。本发明的目的是提供一种开关式电源设备,它通过在使输出电压稳定的反馈信号上叠加电源起动和停止信号,能保证用单个隔离器使一次侧与二次侧之间隔离。
实现上述目的的本发明涉及一种开关式电源设备,其包括下列部分:
主转换器10,其用主开关元件Q1接通和断开施加在主变压器T1一次绕组n1的DC电流,并且通过整流和平滑二次绕组n2中感应的电流,向二次侧输出主输出电压;
误差放大器20,其产生主输出电压与第一基准电压Vref1之间的误差电压;
脉冲宽度调制(PWM)控制电路30,其输出控制信号以接通或断开相应主开关元件,以便使本误差放大器输出的误差电压最小;以及
光电耦合器PC,其接收上述误差放大器输出的误差电压作为输入,并把这个误差电压输出到上述PWM控制电路。
该电源设备还设有下列部分:
过电压保护电路50,其在主输出电压超过第二基准电压Vref2时产生过电压保护信号;
通-断电路60,其根据确定是接通还是断开电源地遥控信号,或输出高电位或输出共电位;
关闭闩锁电路70,其在本过电压保护电路的过电压保护信号表示过电压状态时,从输出端输出关闭信号;以及
关闭实现电路80,其在来自本通-断电路的遥控控制信号规定断开电源时,或在关闭闩锁电路的关闭信号为有效时,使上述光电耦合器的输入电压保持在抑制光电耦合器的光电二极管发光的值。
按照本发明的上述结构,光电耦合器隔离二次侧向一次侧发送的误差电压信号。在或关闭信号或遥控信号规定断开电源时,关闭实现电路80利用光电耦合器向一次侧反馈的信号而向一次侧发送电源断开信号。在输出过电压保护信号时,关闭闩锁电路70保持电源断开状态。
图1是应用本发明的开关式电源设备的电路图。
图2是对遥控信号接通和断开操作两种情况,说明图1所示设备操作的波形图。
在下文将用附图说明本发明。图1是应用本发明的开关式电源设备的电路图。在该图中,主转换器10用主开关元件Q1接通或断开施加在主变压器T1一次绕组n1的DC电流,并且通过整流和平滑在二次绕组n2中感应的电流,向二次侧输出主输出电压Vo。由于工业用AC电源线用作输入电源,所以用二极管电桥DB整流该线电压,并用输入电容器C1平滑这个电桥的输出,得到DC输入电压Vidc。主开关元件Q1使用一个场效应晶体管,但是也可以使用一个pnp或npn晶体管。在二次整流和平滑电路中,二极管D1和D2的阳极端分别连接到二次绕组n2的各端,并且它们的阴极端相互连接,而且还通过电感L1连接到输出电容器C2。
误差放大器20产生主输出电压Vo与第一基准电压Vref1之间的误差电压,并且在本实施例中应用一个运算放大器U1。主输出电压Vo用分压电阻器R1和R2按适当比率分压,然后送到误差放大器20。PWM控制电路30输出一个接通或断开主开关元件的控制信号,以便使误差放大器20输出的误差电压最小,而且在这里应用PWM电路U2。辅助电源40用辅助开关元件Q2接通或断开施加在辅助变压器T2一次绕组n3的DC电流。在一次侧二次绕组n4中感应的电流通过二极管D4和电容器C4组成的整流和平滑电路,以辅助电压Vcc输出,用来操作PWM控制电路30。另外,在二次侧二次绕组n5中感应的电流通过二极管D3和电容器C3组成的整流和平滑电路,在二次侧以辅助电压Vcc2输出。
光电耦合器PC在发光二极管上接收来自误差放大器20的一个误差电压,并且从光接收晶体管向PWM控制电路30输出一个输出信号。过电压保护电路50在主输出电压Vo超过第二基准电压Vref2时产生一个过电压保护信号。该电路使用运算放大器U3。由于主输出电压Vo通过齐纳二极管D5和电阻器R4的串联电路接地,所以把电阻器R4两端之间产生的电压输入运算放大器U3的正端。通-断电路60根据二次侧送来的遥控信号,或输出二次辅助电压Vcc2或输出共电位。在本实施例中,运算放大器U4在开关SW1侧上电阻器R5端接收电压作为其正端输入,并且接收第三基准电压Vref3作为其负端输入。运算放大器U4对应遥控信号的接通/断开输出高电平或低电平信号。开关SW1由接触开关或TTL电路组成,并且限定遥控信号的接通或断开状态。因此,如果遥控信号接通,则开关SW1闭合,并且运算放大器U4的输出变为L(低电平)。
关闭闩锁电路70在其设定端接收来自过电压保护电路50的过电压保护信号,还在其复位端接收通-断电路60的遥控信号,并且从其输出端输出一个关闭信号。这个闩锁电路应用RS触发电路U5。关闭实现电路80在或通-断电路60的遥控信号或关闭闩锁电路70的关闭信号指令断开电源时,使光电耦合器PC的输入电压保持在L电平。在本实施例中,将运算放大器U4的输出信号和关闭闩锁电路70的输出信号输入“或”元件U6,用“或”元件U6的输出信号来接通和断开开关SW2。在开关SW2接通时,光电耦合器PC的输入电压VPD保持在L电平。如果开关SW2断开,则上述输入电压VPD变为等于误差放大器20的输出电压E/A OUT。
以下叙述按这样方式构成的设备的操作。图2是根据遥控信号的接通/断开来说明图1所示设备的操作的波形图。在图2中,(A)表示遥控信号的通-断状态,(B)表示关闭闩锁电路70的输出,(C)表示光电耦合器的输入电压VPD和输出电压VFB,(D)表示通-断控制信号,以及(E)表示主输出电压Vo。在工业用AC电源线供电期间,辅助电源40总在运行而与遥控信号的接通或断开状态无关。假定辅助电源40已经通过接通工业用AC电源线而起动,并且以稳定方式供给PWM控制电路30的驱动电压Vcc和二次侧控制电路的驱动电压Vcc2。
首先,在瞬时T1,当遥控信号从断开(H)电平变为接通(L)电平时,通-断电路60中运算放大器U4的输出电压变为L电平。同时,开关SW2断开,并且属于误差放大器20的运算放大器U1的输出电压以光电耦合器的输入电压VPD供给光电耦合器。如果光电耦合器的输出电压VFB在预定阈值电压Vth以下,则PWM控制电路30不从OUT端输出脉冲。在输出电压VFB变为大于阈值电压Vth时,PWM电路30操作以便OUT端输出脉冲的功率比变大。因此,当误差放大器20的误差电压信号E/A OUT开始发送到光电耦合器PC时,光接收晶体管的发射极电压VFB开始从0V上升。当这个发射极电压VFB超过阈值电压Vth时,则从OUT端输出通-断控制信号。然后,主转换器10开始操作,并且主输出电压Vo上升。在图2中,光电耦合器的输入电压VPD和输出电压VFB及主输出电压Vo如所示按斜坡增加。这意味着考虑了对二次侧的所谓缓慢起动电路加载。通过提供一个缓慢起动电路,防止了所谓冲击电流,但是从另一方面来说,误差放大器20的误差电压信号E/A OUT引起起动的平缓上升。
其次,在瞬时T2,当遥控信号断开时,通-断电路60中运算放大器U4的输出电压变为H电平,开关SW2闭合,并且光电耦合器的输入电压VPD箝位在L电平。由于光电耦合器的输出电压VFB降低到预定阈值电压Vth以下,所以OUT端通-断控制信号的占空比变为零,因此主转换器10停止。
现在,假定在瞬时T3,在主输出电压Vo中产生过电压。过电压保护电路50检测该过电压,并且设定关闭闩锁电路70。于是,光电耦合器的输入电压VPD箝位在L电平,并且它使主转换器10停止,直到使关闭闩锁电路70复位为止。在主转换器10停止期间,完成工作以排除可能引起过电压的任何故障。
在瞬时T4,当遥控信号断开时,通-断电路60的运算放大器U4的输出电压变为H电平,并且使关闭闩锁电路60复位。其后,如果在瞬时T5接通遥控信号,则主转换器10再起动。
在上述实施例中,叙述了一种情况,即通-断电路60的运算放大器U4的输出端连接在关闭闩锁电路70的复位端。然而,如果相应应用不要求遥控信号来复位关闭闩锁电路70,那么最好使用一种结构,即通-断电路60的运算放大器U4的输出端不连接在关闭闩锁电路70的复位端。另外,辅助电源40不限于使用辅助变压器T2。简单地说,只要提供与主转换器10无关的DC电压Vcc2,可以使用任何电路。例如,可以使用DC电压源,例如电池。
本发明的优点在于只需用单个光电耦合器作为隔离器。这是因为在输出电压的反馈信号上叠加过电压保护信号和遥控信号,并且能得到高度可靠和成本低廉的开关式电源设备。
另外,设置辅助电源而与主转换器无关,那么即使主转换器不在操作,也能保证操作过电压保护电路50、通-断电路60、关闭闩锁电路70及关闭实现电路80的电源。因此,该电源设备能作为一个电源设备来平滑控制遥控信号和关闭信号。
此外,本发明有另一个优点,即该电源设备具有一种结构,其中关闭闩锁电路70由遥控信号来复位。当输出过电压信号时,关闭闩锁电路70的闩锁状态使电源保持为断开状态,这个闩锁状态即使在供给一次侧输入电压时,也可以按照二次侧发送来的遥控信号用通-断电路60来释放。因此,当过电压电路操作过时,能通过简单工作再起动电源。