專利名稱：自激式小功率開關電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種開關電源，特別涉及一種自激式小功率開關電源。
背景技術：
在小功率開關電源中，尤其是十瓦以下的充電器和適配器電源，在市場上很多是采用RCC (Ringing Choke Converter，振蕩線圈變換器)電路方案來實現(xiàn)的。由于這種電路結構簡單，性能穩(wěn)定，低成本，元器件采購方便，一直以來被廣泛采用。但在當前追求綠色環(huán)保的大環(huán)境下，隨著要求能效更高和待機功耗更低的國內國際電源行業(yè)標準的出臺，在新產(chǎn)品的開發(fā)中，傳統(tǒng)的RCC電路要么不能滿足待機功耗和能效要求(主要針對帶光耦在次邊調節(jié)電壓和電流的閉環(huán)電路結構)，要么就不能滿足電壓電流調整精度要求(主要針對不帶光耦而在初級調節(jié)輸出的開環(huán)電路結構)。RCC電路在新的電源標準下應用日趨受到限制。因而電源制造廠商在小功率電源產(chǎn)品設計上基本轉向運用IC (集成電路)控制方案。IC解決方案相對一般帶光耦反饋的RCC電路元件少，效率高，待機功耗可以做得較低(有的可以達到30mW)，噪音小，IC內部可集成多種保護功能，并且可通過選擇高操作頻率的IC讓產(chǎn)品做到體積更??；相對不帶光耦的RCC電路，它在電壓調整率和電流限制方面優(yōu)勢較明顯(一般電壓可做到士 5%的精度)。但應用IC方案也有它不利的一面，最突出的是IC方案成本普遍較高；市面上不同電源IC供應商的產(chǎn)品不能兼容，一用上，作為不可替代的物料將伴隨產(chǎn)品的整個生命周期，增加了品質風險，同時也減少了以后降低成本的空間；而且有的小功率電源控制IC還在推陳出新，有待完善。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種能適應當前對能效、待機功耗和輸出電壓電流調整率要求、較低成本的小功率開關電源。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種自激式小功率開關電源，其包括低頻交流整流電路、開關管電壓尖峰吸收電路、變壓器Tl、開關控制管Q1、功率開關管Q2、開關管起動和自激振蕩生成電路、輸出電壓調整電路、輸出電流調整電路和輸出整流濾波電路，開關管起動和自激振蕩生成電路包括二極管D8、電阻R13，輸出電壓調整電路包括穩(wěn)壓管Z2、Z21，電阻R21，輸出電流調整電路包括電阻RlO、二極管D7、電容C7，電容 C7與一電阻R6串聯(lián)后與開關控制管Ql的基極相連，二極管D8與電阻R13串聯(lián)后再與一電阻R5并聯(lián)，電阻RlO與一電阻R9串聯(lián)后再與二極管D7并聯(lián)在功率開關管Q2的發(fā)射極或源極和地之間，穩(wěn)壓管Z2連接在兩電阻R3、R4之間的節(jié)點與一電容C5之間，電阻R21和穩(wěn)壓管Z21串聯(lián)后并接在輸出端。本實用新型解決其技術問題所采用的另一技術方案是提供一種自激式小功率開關電源，包括低頻交流整流電路、開關管電壓尖峰吸收電路、變壓器Tl、開關控制管Q1、功率開關管Q2、開關管起動和自激振蕩生成電路、輸出電壓調整電路、輸出電流調整電路和輸出整流濾波電路，輸出電流調整電路包括電容C7、電阻RlO和二極管D7，電容C7與一電阻 R6串聯(lián)后連接到開關控制管Ql的基極，電阻RlO與一電阻R9串聯(lián)后再與二極管D7并聯(lián)在功率開關管Q2的發(fā)射極或源極與地之間。進一步地，自激式小功率開關電源還包括一輸出過壓保護電路，所述輸出過壓保護電路包括連接在變壓器Tl的W2與電容R7之間的穩(wěn)壓管Z1，以及連接在輸出端的穩(wěn)壓管 Z21。進一步地，輸出電壓調整電路包括一光耦ICl以及與光耦ICl相連的電壓調整器 IC2。本實用新型的有益效果是通過對現(xiàn)有RCC電路的改進，既保留了它固有的優(yōu)點 (成本低等)，又克服了它原有的一些不足。對于帶光耦的自激振蕩開關電源，同時滿足能效和限制輸出電流在標準范圍內的要求；對于不帶光耦的自激振蕩開關電源，同時滿足效率較好和輸出電壓電流調整率強的要求，以及避免了降低待機功耗與導致輸出紋波電壓上升的矛盾。

圖1為本實用新型采用的自激振蕩開關電源的電路原理圖。圖2為本實用新型采用的帶光耦的自激振蕩開關電源的電路原理圖。圖3為用圖1電路完成的5V/0. 6A充電器在印刷電路板上測試的在90Vac輸入時輸出電壓電流曲線圖。圖4為用圖1電路完成的5V/0. 6A充電器在印刷電路板上測試的在輸入時輸出電壓電流曲線圖。
具體實施方式
請參照附圖1，自激振蕩開關電源包括低頻交流整流電路，其包括保險電阻FR， 高壓整流二極管D1、D2、D3、D4，電解電容C1、C2，電感Ll ；開關管電壓尖峰吸收電路，其包括電阻R12、R11，電容C6，二極管D5 ；高頻開關元件變壓器Tl，開關控制管Ql，功率開關管Q2 (可為功率三極管或場效應管，本實用新型較佳實施例中僅以功率三極管為例，若采用場效應管替代功率三極管，則只需場效應管的源極替代功率三極管的發(fā)射極，場效應管的柵極替代功率三極管的基極，場效應管的漏極替代功率三極管的集電極即可)；開關管起動和自激振蕩生成電路，其包括電阻1 2、1 3、1 4、1 5、1 13，電容03丄5，二極管D6、D8，和高頻開關元件變壓器Tl的W2繞組；輸出電壓調整電路，其包括穩(wěn)壓管Z1、Z2、Z21，電阻R7、R21、R22 ； 輸出電流調整電路，其包括電容C4、C7，電阻R6、R8、R9、RlO，二極管D7 ；輸出整流濾波電路， 其包括肖特基管D21，電容C21、C22。電容C7與電阻R6串聯(lián)后與開關控制管Ql的基極相連，二極管D8與電阻R13串聯(lián)后再與電阻R5并聯(lián)，電阻RlO與電阻R9串聯(lián)后再與二極管D7并聯(lián)在功率開關管Q2的發(fā)射極和地之間，穩(wěn)壓管Z2連接在兩電阻R3、R4之間的節(jié)點與電容C5之間，電阻R21和穩(wěn)壓管Z21串聯(lián)后并接在輸出端。二極管D8、電阻R13的主要作用是使間歇振蕩的間歇時間減少，并使得出現(xiàn)間歇振蕩的負載點變小，因而達到降低紋波，噪音和提高效率的作用。穩(wěn)壓管Z2、Z21，電阻R21的作用是調整輕載電壓、待機功耗、紋波和在單一失效模式下起過壓保護作用。電阻R10、二極管D7、電容C7的作用是平衡高低壓過流保護點，縮小限流范圍。圖1電路通過結合變壓器的設計，運用在600mA手機充電器上可滿足下面性能要求1).待機功耗在150mW以內，并滿足當前能源之星的效率標準。2).輸出電壓的調整率在印刷電路板上測量達到士4%以內。3).最大輸出電流限制在1.5倍的額定電流范圍以內。4).輸出紋波電壓在200mVp_p以內。5).諧振操作方式，噪音低，電磁干擾容易處理。請參照附圖2，帶光耦的自激振蕩開關電源包括低頻交流整流電路，其包括保險電阻FR，高壓整流二極管Dl、D2、D3、D4，電解電容Cl、C2，電感Li、L2 ；開關管電壓尖峰吸收電路，其包括電阻R12、R11，電容C6，二極管D5 ；高頻開關元件變壓器Tl，開關控制管Q1， 功率開關管Q2 (可為功率三極管或場效應管)；開關管起動和自激振蕩生成電路，其包括電阻尺2、1 3、1 4、1 5，電容03、05，二極管06，和高頻開關元件變壓器11的W2繞組；輸出電壓調整電路，其包括光耦ICl，電壓調整器IC2，電容C23，電阻R7、電阻R21-R27 ；輸出電流調整電路，其包括電容C4、C7，電阻R6、R8、R9、R10，二極管D7 ；輸出整流濾波電路，其包括二極管D21，電容C21、C22 ；輸出過壓保護電路，其包括穩(wěn)壓管Zl、Z21。電容C7與電阻R6串聯(lián)后連接到開關控制管Ql的基極，電阻RlO與電阻R9串聯(lián)后再與二極管D7并聯(lián)在功率開關管Q2的發(fā)射極與地之間。穩(wěn)壓管Zl連接在變壓器Tl與電容C7之間的，穩(wěn)壓管Z21連接在輸出端。光耦ICl與電壓調整器IC2相連。電容C7、電阻RlO和二極管D7的作用是使輸出進入過流保護時，電壓下降幅度變陡，因而在額定輸出一定的情況下，可以減小最大輸出電流。電阻R21起補償輸出線上電壓降的作用。圖2電路結合變壓器設計，運用在600mA手機充電器上可滿足下面性能要求1).待機功耗在30mW以內，帶通常的直流線可滿足當前能源之星的效率標準。2).輸出電壓的調整率在直流線端口上測量達到士洲以內。3).最大輸出電流限制在1.5倍的額定電流范圍以內。4).輸出紋波電壓在150mVp_p以內。5).諧振操作方式，噪音低，電磁干擾容易處理。以下結合圖1、圖2來說明本實用新型自激振蕩開關電源的工作過程。外部交流電先經(jīng)過保險電阻FR，然后通過高壓整流二極管D1、D2、D3、D4整流和電解電容C1、C2，電感Ll (在圖2中另加電感L2)組成的π型濾波變成平滑的直流電。該直流電一條支路由變壓器Wl繞組到達功率開關管Q2的集電極，一條支路通過啟動電阻R2、 R3、R4到達功率開關管Q2的基極來驅動功率開關管Q2，圖1中旁路的穩(wěn)壓管Ζ2有給電容 C5預充電的作用。功率開關管Q2的基極和發(fā)射極導通后，變壓器Tl的Wl繞組開始有電流經(jīng)過功率開關管Q2的發(fā)射極，由于變壓器Tl的Wl繞組的電流突變，使得W2繞組產(chǎn)生感應電壓通過電阻R5、電容C3加在功率開關管Q2的基極上，從而加速了功率開關管Q2的導通，其集電極的電流更大，形成正反饋，功率開關管Q2迅速進入飽和導通，變壓器Tl存儲能量。肖特基管D21因變壓器Tl的W3繞組與Wl繞組反向而反偏不導通。這時電阻R9、RlO上的電壓開始線性增加(二極管D7只在低輸入電壓時起箝位作用，可分擔一部分電阻R8上的電流，不至于過早進入過流保護階段，使其與在高輸入電壓時的過流保護點比較接近)并通過電阻R8給電容C4充電，同時變壓器Tl的W2繞組電壓在功率開關管Q2導通階段也經(jīng)電阻R6、電容C7 (電容C7可以隔離和削弱電阻R6對開關控制管Ql的影響，增加電源的帶載能力)再給電容C4充電，當電容C4上的電壓達到開關控制管Ql的基極導通后，開關控制管Ql的Vce (集電極和發(fā)射極間電壓)變低，功率開關管Q2 開始退出飽和導通并轉向截至，這導致變壓器Tl的Wl繞組電流開始由最大變小，電磁勢再次翻轉。此時變壓器Tl的W2繞組電壓反向偏轉，電容C3和功率開關管Q2基極上的電荷通過電阻R5 (圖1中還增加了一個電容D8、電阻R12通道)經(jīng)W2繞組放掉從而加速了功率開關管Q2關斷，形成負反饋導致功率開關管Q2快速截止。(圖1中二極管D8和電阻R13的作用是加快電容C3的放電時間，并使功率開關管Q2導通和肖特基管D21導通時間相對穩(wěn)定。)在功率開關管Q2截止階段，變壓器Tl的W2繞組通過二極管D6開始給電容C5充電。 此時對于圖1電路在電容C5的電壓上升到一定值后，可使穩(wěn)壓管Zl導通，經(jīng)電阻R7來調整開關控制管Ql的導通時間，進而達到調整功率開關管Q2截止時間的作用。因變壓器Tl 的W2繞組對電容C5充電和W3繞組對電容C21、C22充電的相位相同，因而電容C5和電容 C21、C22的電壓可成比例關系，與穩(wěn)壓管Zl電壓值和繞組W2、W3的圈比有關，所以輸出電壓可由穩(wěn)壓管Zl和變壓器Tl來確定。功率開關管Q2 —截止，變壓器Tl的W3繞組電壓也同時反向使肖特基管D21導通，給濾波電容C21、C22充電進而給負載供電釋放變壓器Tl中的儲能。此時對于圖2電路當輸出電壓在電壓調整器IC2參考點的分壓超過它的基準時， 它的陰極呈低阻狀態(tài)，使得光耦ICl的初次邊有電流流過，這時開關控制管Ql的基極電壓上升，開關控制管Ql導通時間延長(也即功率開關管Q2截止時間變長)，直到輸出電壓下降到設定值，進入到動態(tài)平衡。其過程為控制開關控制管Ql的基極導通時間，來控制功率開關管Q2的導通占空比達到控制和穩(wěn)定輸出電壓的作用。當變壓器的儲能基本放完后，肖特基管D21流過的電流減小到零，此時變壓器Tl 進入一定時間的諧振狀態(tài)后進入下一輪新的工作周期。在諧振和功率開關管Q2導通階段靠輸出電容C21、C22的電量給負載供電，維持輸出電壓穩(wěn)定。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種自激式小功率開關電源，包括低頻交流整流電路、開關管電壓尖峰吸收電路、 變壓器Tl、開關控制管Q1、功率開關管Q2、開關管起動和自激振蕩生成電路、輸出電壓調整電路、輸出電流調整電路和輸出整流濾波電路，其特征在于開關管起動和自激振蕩生成電路包括二極管D8、電阻R13，輸出電壓調整電路包括穩(wěn)壓管Z2、Z21，電阻R21，輸出電流調整電路包括電阻R10、二極管D7、電容C7，電容C7與一電阻R6串聯(lián)后與開關控制管Ql的基極相連，二極管D8與電阻R13串聯(lián)后再與一電阻R5并聯(lián)，電阻RlO與一電阻R9串聯(lián)后再與二極管D7并聯(lián)在功率開關管Q2的發(fā)射極或源極和地之間，穩(wěn)壓管Z2連接在兩電阻R3、 R4之間的節(jié)點與一電容C5之間，電阻R21和穩(wěn)壓管Z21串聯(lián)后并接在輸出端。
2.一種自激式小功率開關電源，包括低頻交流整流電路、開關管電壓尖峰吸收電路、 變壓器Tl、開關控制管Q1、功率開關管Q2、開關管起動和自激振蕩生成電路、輸出電壓調整電路、輸出電流調整電路和輸出整流濾波電路，其特征在于輸出電流調整電路包括電容 C7、電阻RlO和二極管D7，電容C7與一電阻R6串聯(lián)后連接到開關控制管Ql的基極，電阻 RlO與一電阻R9串聯(lián)后再與二極管D7并聯(lián)在功率開關管Q2的發(fā)射極與地之間。
3.如權利要求2所述的自激式小功率開關電源，還包括一輸出過壓保護電路，所述輸出過壓保護電路包括連接在變壓器Tl與電容C7之間的穩(wěn)壓管Z1，以及連接在輸出端的穩(wěn)壓管Z21。
4.如權利要求2所述的自激式小功率開關電源，其特征在于，所述輸出電壓調整電路包括一光耦ICl以及與光耦ICl相連的電壓調整器IC2。
專利摘要本實用新型提供一種自激式小功率開關電源，其包括低頻交流整流電路、開關管電壓尖峰吸收電路、變壓器、開關控制管、功率開關管、開關管起動和自激振蕩生成電路、輸出電壓調整電路、輸出電流調整電路和輸出整流濾波電路。對于帶光耦的自激振蕩開關電源，同時滿足能效和限制輸出電流在標準范圍內的要求；對于不帶光耦的自激振蕩開關電源，同時滿足效率較好和輸出電壓電流調整率強的要求，以及避免了降低待機功耗與導致輸出紋波電壓上升的矛盾。
文檔編號H02M3/338GK202121508SQ20112024879
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權日2011年7月14日
發(fā)明者萬友根 申請人:李美華