[发明专利]AC-DC开关电源及其功率三极管

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源的电路结构，尤其涉及AC-DC开关电源中开关管的电路实现。

背景技术

随着社会的发展，电器和各类电子产品越来越智能化，更环保和省电，更安全。电子电器产品中需要各类不同电压的电源供给各类控制芯片和电路工作，电子产品电源的源头就是插座上的高压交流电源，而所有的控制电路几乎都需要低压的直流电源或电池供电工作，所以从电网提供的高压交流电到电子产品工作需求的各类不同的低电压电源及给电池充电都需要一个从交流电到低压直流输出的转换电路，既AC-DC电源，目前最常用的AC-DC电源是高频开关电源。

最基本的AC-DC开关电源是把交流电源直接整流，输出直流高压电源给变压器工作，变压器通过高频开关管的开和关的过程控制能量在变压器里的变化，从而控制输出低压直流电源供后续的各部分的控制电路工作。

在AC-DC开关电源中，电源管理电路，也就是控制芯片，负责对电源的输入和输出及温度等情况进行采样，误差放大，反馈控制，最后控制开关管的开关过程以实现系统要求的输出指标及控制系统的安全运行。其中电源系统的指标要求有输出电压大小，精度，输出电流大小及精度，输出电压纹波大小，转换效率，待机功耗，输出和输入的在电器连接上的可能需要的隔离要求等，以及能适应输入的电压的范围，EMI指标等。安全方面的控制包括输入及输出电压的过欠压保护，系统的过温保护，输出的短路保护等等。

在实际工作中，电源管理电路及其外围的系统协调工作是通过控制开关管的开通和关闭来控制电源能量的变换的。开关管是开关电源工作的执行者，而电源管理电路是控制者，外围的变压器及其他的磁性元件及容性元件等则构成能量转换的主体。所以电源管理电路和开关管在开关电源变换中是不可分割的部分：有些开关电源管理电路和开关管是做在一起的，有些是通过将相对独立的器件组合到一起工作。

开关管的性能对控制的难易和系统的最后性能有着直接的影响。在中小功率的开关电源中作为开关管的器件主要有MOS管和三极管。在大功率开关电源中用做开关管的器件主要为MOS管，IGBT，IPM模块等。

针对在中小功率的开关电源应用范围，MOS管和三极管是各有千秋。三极管的优点是耐压容易做高，这点对AC-DC开关电源工作的安全性非常重要。 随着生产的全球化，电器产品的工作电压要求越来越宽，要求适应全球的电网，其中有两个问题需要面对：一个是电网本身的规格不同，有AC110V，AC240V，甚至有要求到输入的电压范围从AC85V到AC380V均能正常工作的。另一个是电网质量问题，有些落后地区的电网质量相当差，供应的交流电源电压偏差比例可以达到标准值的2倍以上。因此，越来越多的产品要求有很宽的输入工作电压范围，从而对开关管的耐压指标要求就比较高。 与MOS管相比, 三极管的耐压更容易做高，加上三极管的成本比较低，在特别要求高压的应用场合，三极管有很大的优势。三极管的缺点主要包括：由于是电流驱动工作，工作时需要比较大的工作电流，启动困难，需要大的启动电流和更长的系统启动时间；因需要比较大的驱动电流而带来的比较大的损耗；驱动复杂，因三极管的放大倍数具有离散性，所以要控制合适的驱动电流比较困难，如果驱动太大，导通时会进入深饱和导通状态，而深饱和驱动需求更大的工作电流，同时会减小三极管的开关频率，会影响开关管的控制精度同时增加三极管的开关损耗，而如果驱动不够，系统可能会进入线性工作区，开关管导通不完全，会产生很大的功耗，并可能会烧毁开关管；不适用于大电流开关。

现有的AC-DC开关电源，为了满足上述各种情况下的要求，往往需要在电源管理电路配备两个设置两个以上的三极管来实现相应的开关控制，这不单增加元器件的数目，直接增加物料成本和PCB空间，还会由于各器件本身的差异性，使得系统风险增大。

可见，实有必要对现有的三极管型的开关管结构进行改进，在充分发挥三极管耐压容易做高的优点的情况下，可以克服三极管驱动电流大、驱动复杂等缺陷，并在一个晶圆上将两个或两个以上的三极管集成，以在控制成本的前提下，满足与电源管理电路搭配起来共同满足AC-DC开关电源的有关要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种AC-DC开关电源及其功率三极管结构，可在控制成本的前提下，确保开关电源的性能。