[发明专利]正反激拓扑的开关模式电源

说明书

开关模式电源(400)包括变压器(410)，该变压器(410)具有初级绕组(410‑1)、配置为存储在操作期间从初级绕组(410‑1)对其传输的能量的变压器铁芯(410‑3)、以及具有第一端子(T1)和第二端子(T2)的次级绕组(410‑2)。该开关模式电源还具有：初级侧电路(Q1、Q2、C1)，被布置为生成电压脉冲并且由此驱动变压器(410)的初级绕组(410‑1)；以及次级侧电路，其包括在第一和第二端子(T1、T2)处连接到次级绕组(410‑2)的整流电路。整流电路被布置为使得在初级绕组(410‑1)由初级侧电路驱动以对变压器铁芯(410‑3)进行磁化并在其中存储能量的开关电源的操作的正向阶段期间，由整流电路输出感生为在次级绕组(410‑2)中从第二端子(T2)流动到第一端子(T1)的电流。整流电路进一步被布置为使得在变压器铁芯(410‑3)的磁化被重置的开关模式电源的操作的反激阶段期间，由整流电路输出感生为在次级绕组中从次级绕组(410‑2)的第一端子(T1)流动到第二端子(T2)的电流，使得由整流电路输出在操作的正向阶段期间存储在变压器(410)中的能量。

技术领域

本发明一般地涉及开关模式电源(有时称为switch mode power supplies或switching mode power supplies)的领域，并且更具体地涉及正反激电路拓扑的开关模式电源。

背景技术

由于其小尺寸和重量以及高效率，开关模式电源(SMPS)是具有多种应用范围的公知类型的电源转换器，例如在个人计算机和诸如手机的便携式电子设备中。SMPS通过以高频率(通常几十到几百kHz)切换诸如功率MOSFET的一个或多个开关元件来实现这些优点，其中开关的频率和占空比使用反馈信号来调整以将输入电压转换成期望的输出电压。SMPS可以具有整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、频率转换器(AC/AC)或逆变器(DC/AC)的形式。

存在用于开关模式电源的许多不同的电路拓扑，并且每个都具有其益处和缺点。其中的一些被称为“反激”和“正向”拓扑，其广泛地用于许多不同的SMPS应用。反激式转换器是简单的低成本分离的转换器，其通常用于低输出功率应用。另一方面，正向式转换器通常在需要较高的效率和功率输出时使用。现在将参考图1A、图1B、图2A和图2B来说明典型的反激式和正向转换器电路的操作原理。

图1A图示了在初级侧具有有源箝位的典型反激式转换器。更具体地，该反激式转换器100包括具有初级绕组110-1和次级绕组110-2的反激式变压器110，初级绕组110-1和次级绕组110-2以匝数比N＝n_p/n_s缠绕变压器铁芯110-3，其中n_p和n_s分别是初级绕组110-1和次级绕组110-2的匝数。变压器铁芯110-3具有用于存储在操作期间由初级绕组110-1提供的磁化能量的间隙(例如，气隙)。

初级绕组110-1通过包括电容器C1以及有源控制的开关Q1和Q2的初级侧电路连接到输入电压源。如在本实施例中，Q1和Q2中的每一个可以以诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)的晶体管的形式来提供。反激式转换器100的次级侧电路包括二极管D2和电容器C2的形式的整流器，二极管D2和电容器C2如图1A中所示被连接，以对次级绕组电压进行整流和滤波。

如现在将解释的，反激式转换器100可以被理解为通过在操作的两个“阶段”或“模式”(涉及SMPS开关周期的对应部分)之间交替来进行操作。

在稳态操作的第一阶段期间，晶体管Q1被导通，并且晶体管Q2被截止(如图1B中的轨迹(a)和(b)所示)，使得电流从输入电压源通过Q1和初级绕组110-1(轨迹(c))流动以磁化反激式变压器110的铁芯110-3并且将能量存储在磁场中。在操作的第一阶段期间，虽然因为二极管D2被反向偏置而导致流经次级绕组110-2的电流被阻止，但是电流仍然通过电容器的(部分)放电而被供应到反激式转换器的负载，如图1B中的轨迹(d)所示。