在一个开关电源中控制脉宽调制器的电路装置

摘要

本发明涉及在一个开关电源中控制脉宽调制器的电路装置,该开关电源具有一个求差级(DBS),其用于从一个可以提供给第一输入端子(EK1)的调节信号(RS)和一个可以供给第二输入端子(EK2)的参考信号(RF)中形成差动信号(DS),并用于通过放大该差动信号(DS)一个放大因数k产生一个可以在输出端子(AK)上截取的控制信号(AS)。所述的放大因数是建立在控制信号(AS)和/或调节信号(RS)的基础上。

说明书

本发明涉及在一个开关电源中控制脉宽调制器的电路装置，该开关电源具有一个求差级，其用于从一个可以提供给第一输入端子的调节信号和一个可以供给第二输入端子的参考信号中形成差动信号，并用于通过放大该差动信号一个放大因数k产生一个可以在输出端子上截取的控制信号。

脉宽调制器在开关电源中的任务是产生适合于一个同变压器的初级线圈串联的半导体功率开关的控制脉冲。控制脉冲的频率和持续时间确定由初级线圈、并且因此由电源开关、吸收的功率，该功率再输出给连接在处于变压器上的次级线圈上的可变负载。在工作期间应当尽可能负载独立地恒定保持经过负载下降的电压。这要求减低功率消耗，并因此在降低负载和提高功率吸收的情况下降低控制脉冲的频率和/或持续时间，并因此在提高负载的情况下降低控制脉冲的频率和/或持续时间。

在脉宽调制器上由求差级提供的输出信号用于调整由脉宽调制器提供的控制脉冲的持续时间和/或频率。在固定提供时钟脉冲的开关电源的情况下，例如借助于一个锯齿波发生器在脉宽调制器中实现控制脉冲的产生，如果锯齿波信号的幅度超过由求差级提供的输出信号的幅度，则对此以所产生的锯齿波信号的上升沿开始并结束控制脉冲。

由于负载改变引起的输出电压波动通过依赖于输出电压的调节信号信号被反馈提供给求差级，在该求差级中调节信号与参考信号进行比较，并且在出现所希望的输出电压或者在调节信号和参考信号之间出现一个最小可能的差值之前一直校准控制信号。

用作调节器的求差级在已知的开关电源中在最简单的情况下包括一个差值放大器，其用于在紧接着放大差动信号一个恒定放大系数的情况下从调节信号和参考信号中形成差动信号。通过附加的电路措施可以由本身具有正比例的调节性能的差值放大器形成一个具有积分的或成比例积分的调节性能的调节器。

不依赖此，即求差级是否形成为比例调节器、积分调节器或比例积分调节器，如果必须控制的负载和因此功率吸收是非常低的，比如在高保真设备或电视机中在备用运行中是这种情况，则已知的开关电源具有稳定性问题。理论上这里短的触发脉冲以相对大的时间间隔用于功率吸收是足够的，以便在低负载上恒定保持电压。另一方面在各个控制脉冲之间的间隔允许不超过50μs，或者控制脉冲的频率允许不超过20kHz，因为这导致开关电源的可听见的交流声。在预先规定控制脉冲的频率大于或等于20kHz的情况下，在非常小的负载的情况下控制脉冲当然是如此短，以至不再接合通常作为功率FET形成的半导体功率开关，而是转变为有效范围。在有效范围内控制脉冲的持续时间的小的改变导致功率FET的漏极电压大的改变，并因此导致流过功率FET的负载电流和通过开关电源吸收的功率的大的改变。这导致在通过求差级产生的控制信号的校准中的不稳定性。这将发生临界震荡，也就是说由于一个太短的控制信号功率FET根本不引起长久的时间，当然对于一定数目的相应较长的控制脉冲再完全接合功率FET；开关电源处于脉冲运行。这导致开关电源的不希望的声学可听见的噪声。

迄今或者高耗费地并昂贵地通过圈绕部分的声学衰减，或者通过规定最低负载解决这个问题，该最低负载必须做出吸收功率，在功率吸收中开关电源不转变为脉冲运行。

因此本发明的任务是，提供一个在开关电源中控制脉宽调制器的电路装置使用，由此在非常小的负载的情况下，比如在备用运行中，开关电源能够稳定运行，以至不发生开关电源的干扰的声学可听见的噪声，并且特别地不得出上述缺点。

通过开始提到的电路装置实现这个目的，在该电路装置中放大系数k依赖于求差级的输出信号和/或调节信号。

如果功率FET处于有效范围，借此开关电源的稳定运行也是可能的。通过在用作调节器的求差级中降低增益补偿功率FET在有效范围内非常大的增益，该增益在低改变控制脉冲的持续时间的情况下由于较大改变功率吸收可以明显看见。由求差级提供的控制信号，通过脉宽调制器产生的控制脉冲的持续时间依赖于该控制信号的幅度，用作在求差级中降低放大系数k的标度。在求差极的成比例的调节性能的情况下，此外存在这种可能，调节信号用于在求差级中降低放大系数k的标度。

本发明的有益改进是从属权利要求的内容。

根据本发明的第一实施形式预先规定，求差级具有一个输出端方面连接在输出端子上的乘法器，其带有一个第一输入端子，一个已放大的差动信号可以供给该输入端子，并且具有一个第二输入端子，在该输入端子上连接用于反馈输出信号的反馈支路的输出端子。

有利地通过一个微分器，其输入端方面连接在求差级的输入端子上，和一个接在微分器后面的第一放大器形成已放大的差动信号。

反馈支路主要具有一个第二放大器，该放大器具有向上和下限制的增益范围。只要反馈的控制信号低于第一极限值，这个主要线性工作的第二放大器提供一个恒定的输出值。对于在这个第一极限值之上的控制信号，这个第二放大器的输出信号一直线性增加，直到输出信号达到第二极限值，从该第二极限值起恒定保持输出信号。由该第二放大器提供的输出信号经过乘法器用于加权差值放大器的恒定放大系数。因此从第一放大器的恒定放大系数与第二放大器的依赖于控制信号的放大系数的乘法中得出求差级的放大系数k，其中，如果控制信号未超过第二极限值，并且依赖于控制信号的控制脉冲未超过一个确定的最低持续时间，则放大系数k下降。

根据本发明的一个另外的实施形式预先规定，代替线性放大器在反馈支路中预先规定一个比较器。如果输出信号大于一个极限值，则该比较器提供用于与第一放大器的输出信号相乘的第一个值；如果该输出信号低于这个极限值，则该比较器提供一个第二输出值。放大系数k因此依赖于控制信号仅仅采用二个不同的值。

微分器和第一放大器优选共同形成为第一差值放大器。

本发明的一个实施形式预先规定，在反馈支路中布置的第二放大器形成为第二差值放大器，具有一个第一输入端子，在该端子上可以加上一个限定线性增益范围的第二参考电压，并且具有一个第二输入端子，在该端子可以加上反馈的控制信号。此外，在这种情况下预先规定一个电流镜像装置，其依赖于在第二差值放大器的支路中流过的电流调节在第一差值放大器中流过的输入电流。在这个实施形式中依赖于在第一差值放大器中流过的电流的第一差值放大器的增益是通过在第二差值放大器的一个支路中流过的电流调节的，其中后者依赖于控制信号。电流镜像装置和提供给第一差值放大器的输入电流的电流源在这个实施形式中起乘法器的作用。

下面根据在图中的实施例详细阐述本发明的有益改进。图示：

图1一个具有求差级、脉宽调制器和半导体功率开关的开关电源的原理描述；

图2求差级的根据本发明的实施；

图3和4求差级的另外的根据本发明的实施形式的电路图；和

图5在图2的电路装置中放大器的输出特性曲线。

只要没有另外说明，在这些图中，相同的参考记号表明具有同样意义的相同部分。

图1指出一个具有根据本发明电路装置的应用的开关电源的原理描述，该电路装置用于控制脉宽调制器PWM。在该开关电源的输出端子AK1、AK2上连接一个可变的负载R_L，其中应当恒定地保持经过该负载R_L产生的输出电压U_A。按照控制脉冲AI的持续时间和频率确定由开关电源吸收的、并在负载R_L上提供的功率，该控制脉冲由一个脉宽调制器PWM产生用于控制半导体功率开关T，其串联于变压器的初级线圈。在控制脉冲AI的持续时间期间通过该初级线圈接收能量，并接着经过次级线圈和一个整流器装置D、C交给负载R_L。在脉宽调制器PWM中按照一个处于脉宽调制器PWM的一个输入端子上的、由求差级DBS形成的控制信号AS产生控制脉冲AI的频率和/或持续时间。在固定提供时钟脉冲的开关电源的情况下以恒定的时间间隔产生控制脉冲AI，其中各个控制脉冲AI的持续时间依赖于处在脉宽调制器PWM的输入端上的控制信号AS。

在求差级DBS的一个第一输入端子EK1上存在一个依赖于输出电压U_A的调节信号RS，并且在一个第二输入端子EK2上存在一个参考信号RF。通过在输出电压U_A并且因此调节信号RS波动的情况下求差级对控制信号进行再调整，直到对输出电压U_A或者调节信号RS调整为所希望的值，这样求差级DBS就当作调节器。例如可以经过一个在负载R_L上的分压器或经过一个与初级线圈感应耦合的具有后接整流器装置的电感产生调节信号RS。

图2指出了求差级DBS的一个根据本发明的实施形式，以这个求差级开关电源的一个稳定的、无噪声的运行也能够适合于非常小的负载R_L。求差级DBS拥有一个与输入端子EK1、EK2连接的微分器DIFF，该微分器用于从调节信号RS和参考信号RF中产生一个差动信号DS，具有一个接在微分器后面的、用于放大差动信号DS的第一放大器V。被放大的差动信号经过一个第一输入端子M1被供给一个乘法器MUL，该乘法其具有一个另外的输入端子M2，在该输入端子上连接一个用于反馈控制信号AS的反馈支路RZ。在反馈支路RZ中连接一个第二放大器AMP2，其提供一个依赖于控制信号AS的输出信号VS，该输出信号用于加权在乘法器MUL的输入端子M1上存在的已放大的差动信号。从第二放大器AMP2的输出信号VS和已放大的差动信号的乘法中得出控制信号AS，并且在乘法器MUL的输出端子AK上可以截取该控制信号，该输出端子与求差级DBS的输出端子AK连接。

图5指出了在实施例中线性工作的第二放大器AMP2的依赖于在第二放大器AMP2的一个输入端上存在的控制信号AS的输出特性曲线。如果控制信号AS采用在下极限值AS1和上极限值AS2之间的值，则该放大器AMP2引起控制信号AS的线性放大。放大器AMP2在这个极限值AS1之下提供一个第一恒定的输出信号VS1，在这个上极限值AS之上放大器AMP2提供一个第二恒定的输出信号VS2。如果接在微分器DIFF之后的第一放大器V引起差动信号DS放大一个系数k1，则对于AS＜AS1，求差级DBS的一个放大系数k结果是k1·VS1，对于AS＞AS2结果是k1·VS2，随着放大系数从k1·VS1到k1·VS2的线性增加，控制信号AS的值在AS1和AS2之间。

根据本发明的用于控制脉宽调制器PWM的电路装置对于控制信号AS的小的值引起整个放大系数k的降低。控制信号AS的小的值引起非常短的持续时间的控制脉冲AI，由此，不再完全接通主要形成为功率FET的半导体功率开关T，而是转变为有效范围。通过降低求差级DBS的放大系数k至少部分地补偿在有效范围内功率FET T的非常大的增益，由此开关电源稳定地运行，即使功率FET处于有效范围。

图3和4指出根据用于实现根据图2的求差级DBS的电路图的实施例。

第二放大器AMP2形成为差值放大器，并且错接在一个供电电位V+和参考电位M之间。差值放大器拥有一个接在供电电位V+上的电流源，其提供一个恒定的输入电流I_E2并且拥有一个接在该电流源之后的一个第一和第二晶体管T5、T6的并联电路，其中一个电阻R串联于第一晶体管T5的负载线路。晶体管T5、T6的基极端形成求差级的第一和第二输入端E1、E2，其中在晶体管T5的基极端上存在一个第二参考信号RF2，并且在第二晶体管T6的基极端上存在从输出端反馈的控制信号AS。

如果控制信号AS在本情况中是在一个输出电阻RA上存在的电压，大于RF2+I·R，则第一晶体管T5的集电级电流I_C5是最大的(等于I_E2)。对于控制信号AS，在这个极限值之下，连续地根据等式

I_C5=(AS-RF2)/R减少集电级电流I_C5。第一晶体管T5的集电级电流I_C5通过一个电流镜像装置T7、T8确定一个可以在输出端子上截取的第二差值放大器AMP2的输出电流I_A2其中输出电流I_A2通过二个形成镜像电流的晶体管T7、T8面积比与第一晶体管T5的集电级电流I_C5有关系。这个输出电流I_A2通过一个另外的镜像电流R3、T9、R4、T10确定一个第一差值放大器AMP1的输入电流I_E1，其中后者执行微分器DIFF和根据图2的第一放大器V的功能。差值放大器的第一和第二晶体管T1、T2基极端形成第一差值放大器的第一和第二输入端E3、E4，并且因此与第一和第二输入端子EK1、EK2连接。在第一和第二三机关T1、T2后面连接一个另外的电流镜像装置T3、R1、T4、R2作为负载。从在差值放大器的第二晶体管T2的集电级电流I_C2和接在第二晶体管T2后面的镜像电流晶体管T4的集电级电流I_C4之间的差中得出可以在输出端子A1上截取的第一差值放大器AMP1的输出电流I_A1。

第一差值放大器AMP1的输出电流I_A1依赖于调节信号RS同参考信号RF的差，其中输出电流I_A1最大为输入电流I_E1，其又与第二差值放大器AMP2的输出电流I_A2成比例。因此通过第二差值放大器AMP2的输出电流I_A2依赖于控制信号AS调节差值放大器AMP1的增益，其中例如第二差值放大器AMP2的输出电流I_A2的加倍引起差值放大器AMP1的增益的加倍。在第一差值放大器AMP1的输入电流I_E1上反映第二差值放大器的输出电流I_A2的镜像电流R3、T9、R4、T10在此承担乘法器MUL的功能。

在第一差级放大器AMP1的第二晶体管T2集电极和参考电位M之间连接一个输出电阻R_A，在该电阻上存在输出信号AS。在使用输出电阻R_A的情况下求差级拥有一个成比例的调节作用；通过用一个电容代替输出电阻R_A可以实现积分的调节作用。

图4指出了根据本发明的求差级DBS的一个另外的实施形式，在该求差级中差值放大器AMP1附加具有一个连接在输出端上的作为镜像电流T11、T12、R7、R8错接的电流源，其在一个输出端A1上提供一个依赖于第二差值放大器AMP2的输出电流R_A2的电流。该电流源T11、T12、R7、R8此外经过一个晶体管T13和一个电阻R6连接在处于差值放大器AMP2和差值放大器AMP1之间的电流镜像装置R3、T9、R4、T10上。差值放大器AMP1的第二晶体管T2的集电级在这个实施形式中直接连接在参考电位M上。这引起，用作差值放大器负载的镜像电流T3、T4、R1、R2在输出端上不提供电流，而是仅仅可以吸收依赖于输入电流I_E和调节信号RS同参考信号RF的差值的电流。从由电流源T11、T12、R7、R8提供的电流同由镜像电流T3、T4、R1、R2吸收的电流的差值中得出输出电流I_A2。差值放大器AMP1在这个实施形式中在输出端上以电流偏移表明一个放大器的性能。

第一和第二差值放大器AMP1、AMP2在所描述的实施例中起被控制电流源的作用，其中用作第二被控制电流源的第二差值放大器AMP2的输出电流I_A2确定最大输入电流I_E1并且因此确定用作第一被控制电流源的第一差值放大器AMP1的最大输出电流I_A1。如果有条件地由于下降的控制电流AS降低输出电流I_A2，则在调节信号RS同参考信号RF不变的比例的情况下第二差值放大器的输出电流IA1也降低，在较小形成的控制信号的情况下降低第一差值放大器AMP1的增益，并且因此降低求差级DBS的放大系数k。通过一个电流镜像装置T9、R3、T10、R4；T9、R3、T10、R4、T13、R6耦合二个被控制的电流源。在本实施例中从通过在一个电阻RA上的输出电流IA1引起的电压降中得出控制信号AS，该电阻连接在第一差值放大器AMP1的输出端A1上。

在图4和5中参考记号T1、T2、T5、T6、T9、T10和T13表明pnp双极性晶体管，参考记号T3、T4、T7、T8、T11、T12表明npn双极性晶体管。参考记号R1至R8表明电阻。

参考记号表

AI               控制脉冲

A1、A2           输出端

AK               输出端子

AK1、AK2          输出端子

AMP1              差值放大器

AMP2              差值放大器

AS                控制信号

C                 电容

D                 二极管

DBS               求差级

DIFF              微分器

E1、E3            第一输入端子

E2、E4            第二输入端子

EK1               第一输入端子

EK2               第二输入端子

I_C5、I_C2、I_C4  集电极电流

M                 参考电位

M1                第一输入端子

M2                第二输入端子

MUL               乘法器

PWM               脉宽调制器

R1-R8             电阻

RA                输出电阻

RF                参考信号

RF2               第二参考信号

R_L               负载

RS                调节信号

RZ                反馈支路

T                 功率FET

T1-T13            晶体管

                变压器

V                 放大器

V+                供电电位

VS                输出信号