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公開番号2021103931
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2019235114
出願日20191225
発明の名称共振電圧減衰検出回路およびスイッチング電源用半導体装置並びにスイッチング電源装置
出願人ミツミ電機株式会社
代理人個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】平均電力効率が高いとともに音鳴きをしない電源装置を実現可能なスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】補助巻線を備えた電圧変換用のトランスの一次巻線と直列に接続されたスイッチング素子をオン、オフ制御する駆動信号を生成するスイッチング電源用半導体装置において、トランスの補助巻線に誘起された電圧が入力され共振電圧の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路を備え、共振電圧減衰検出回路が出力する減衰検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成するターンオン制御回路と、スイッチング素子をオフさせるタイミング信号を生成するターンオフ制御回路とを有し、擬似共振モードで動作可能であるように構成した。
【選択図】図12
特許請求の範囲【請求項1】
トランスの巻線の共振電圧の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路であって、
前記巻線の電圧と所定の第1電圧とを比較する第1電圧比較回路と、該第1電圧比較回路の出力に応じて計時動作を行うタイムアウト回路とを備え、
前記タイムアウト回路は、前記巻線のピーク電圧が前記第1電圧から該第1電圧よりも低い所定の第2電圧まで減衰するのに要する時間より短くなるように予め設定された時間を計時すると減衰検出信号を出力するように構成されていることを特徴とする共振電圧減衰検出回路。
続きを表示(約 3,200 文字)【請求項2】
前記タイムアウト回路は、定電流源と、該定電流源の電流によって充電可能な容量素子と、前記容量素子の充電電荷を放電可能なスイッチと、前記容量素子の電圧と所定の電圧とを比較する第2電圧比較回路とを備え、
前記スイッチは前記第1電圧比較回路の出力によってオン・オフされ、
前記第2電圧比較回路の出力信号を前記減衰検出信号として出力することを特徴とする請求項1に記載の共振電圧減衰検出回路。
【請求項3】
補助巻線を備えた電圧変換用のトランスの一次巻線と直列に接続されたスイッチング素子をオン、オフ制御する駆動信号を生成するスイッチング電源用半導体装置であって、
前記補助巻線に誘起された電圧が入力され共振電圧の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路を備え、
前記共振電圧減衰検出回路が出力する減衰検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成するターンオン制御回路と、
前記スイッチング素子をオフさせるタイミング信号を生成するターンオフ制御回路と、を有し、擬似共振モードで動作可能であることを特徴とするスイッチング電源用半導体装置。
【請求項4】
前記共振電圧減衰検出回路は、
前記補助巻線の電圧と所定の第1電圧とを比較する電圧比較回路と、該電圧比較回路の出力に応じ計時動作を行うタイムアウト回路とを備え、
前記タイムアウト回路は、前記補助巻線のピーク電圧が前記第1電圧よりも低くなったことを前記電圧比較回路が検出した時点で計時動作を開始し、前記補助巻線の電圧が前記第1電圧から該第1電圧よりも低い所定の第2電圧まで低下するのに要する時間が前記共振電圧の周期よりも長くかつ前記所定の時間よりも短い場合に、減衰検出信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項5】
補助巻線を備えた電圧変換用のトランスの一次巻線と直列に接続されたスイッチング素子をオン、オフ制御する駆動信号を生成するスイッチング電源用半導体装置であって、
前記トランスの二次側から出力される電圧に応じたフィードバック電圧が入力される第1外部端子と、
前記補助巻線に誘起された電圧が入力される第2外部端子と、
前記第2外部端子の電圧に基づいて前記補助巻線の電圧の共振を検出する共振検出回路と、
前記第2外部端子の電圧に基づいて前記補助巻線の共振電圧の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路と、
前記共振検出回路の検出信号と前記共振電圧減衰検出回路の検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成するターンオン制御回路と、
前記第1外部端子の電圧と前記スイッチング素子に流れる電流に比例した電圧とに基づいて前記スイッチング素子をオフさせるタイミング信号を生成するターンオフ制御回路と、
前記ターンオン制御回路の出力信号および前記ターンオフ制御回路の出力信号に基づいて前記駆動信号の元となるパルス信号を生成する駆動用パルス生成回路と、を備え、前記ターンオン制御回路が前記補助巻線の電圧の共振のボトム近傍で前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成することによって擬似共振モードで動作可能であることを特徴とするスイッチング電源用半導体装置。
【請求項6】
前記第1外部端子の電圧に応じた時間を計時するタイマー回路を備え、
前記ターンオン制御回路は、前記共振検出回路の検出信号と前記共振電圧減衰検出回路の検出信号と前記タイマー回路の出力信号に基づいて前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成するように構成され、
前記共振電圧減衰検出回路が共振電圧の減衰を検出していないときは前記タイマー回路の出力が変化した後、前記共振検出回路の検出出力タイミングで前記パルス信号が立ち上がるように前記駆動用パルス生成回路を制御し、
前記共振電圧減衰検出回路が共振電圧の減衰を検出しているときは前記タイマー回路の出力の変化タイミングで前記パルス信号が立ち上がるように前記駆動用パルス生成回路を制御することを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項7】
前記共振検出回路は、前記第2外部端子の電圧と所定の第1電圧とを比較する第1電圧比較回路を備え、前記第2外部端子の電圧が前記第1電圧よりも低くなった場合に共振検出信号を出力し、
前記共振電圧減衰検出回路は、前記第2外部端子の電圧と前記第1電圧よりも高い所定の第2電圧とを比較する第2電圧比較回路と、前記タイマー回路の計時時間よりも短い所定の時間を計時可能な計時回路を備え、
前記計時回路は、前記第2外部端子のピーク電圧が前記第2電圧よりも低くなったことを前記第2電圧比較回路が検出した時点で計時動作を開始し、前記第2外部端子の電圧が前記第2電圧から前記第1電圧まで低下するのに要する時間が前記共振電圧の周期よりも長く、かつ予め想定した減衰に要する所定時間よりも短い場合に減衰検出信号を出力するように構成され、
前記ターンオン制御回路は、前記タイマー回路が所定の計時時間を計時する前に前記減衰検出信号が出力された場合には前記タイマー回路が所定の計時時間を計時したタイミングで前記パルス信号が立ち上がるように前記駆動用パルス生成回路を制御するように構成されていることを特徴とする請求項6に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項8】
前記共振電圧減衰検出回路は、前記駆動用パルス生成回路から出力される信号を遅延する遅延回路と、該遅延回路の出力信号に基づいて前記第2電圧比較回路から出力される検出信号が前記計時回路へ供給されるのを禁止する論理回路と、を備えることを特徴とする請求項7に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項9】
前記共振検出回路は、前記駆動用パルス生成回路から出力される信号を遅延する遅延回路と、該遅延回路の出力信号に基づいて前記第1電圧比較回路から検出信号が出力されるのを一時的に禁止する論理回路と、を備えることを特徴とする請求項7に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項10】
前記遅延回路は、前記駆動用パルス生成回路から出力される信号を反転した信号を遅延し、
前記共振電圧減衰検出回路は、前記第2電圧比較回路の立下りで前記遅延回路の出力信号を取り込むラッチ回路と、該ラッチ回路の出力信号と前記計時回路の出力信号との論理和をとる論理回路と、を備えることを特徴とする請求項8に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項11】
前記タイマー回路が計時する時間は、前記第1外部端子の電圧に応じて、前記第1外部端子の電圧が低いときは長くなり、前記第1外部端子の電圧が高いときは短くなるように設定されていることを特徴とする請求項6〜10のいずれかに記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項12】
請求項5〜11のいずれかに記載のスイッチング電源用半導体装置と、補助巻線を備え交流電圧を整流して得られる電圧が一次巻線に印加されるトランスと、前記一次巻線に接続されたスイッチング素子とを備え、前記スイッチング電源用半導体装置を用いて前記スイッチング素子を制御することで二次巻線側に所定の電圧を出力し、外部からの信号に基づいて二次巻線側の出力電圧の大きさが切り替え可能に構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、間欠的に電流が流れる巻線に生じる共振の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路およびスイッチング電源用半導体装置(電源制御用IC)並びにスイッチング電源装置に関し、特に電圧変換用トランスを備えた直流電源装置の一次側のスイッチング素子を制御する電源制御用ICおよびそれに内蔵して有効な共振電圧減衰検出回路並びにその電源制御用ICを用いたスイッチング電源装置に関する。
続きを表示(約 12,000 文字)【背景技術】
【0002】
直流電源装置には、交流電源を整流するダイオード・ブリッジ回路と、該回路で整流された直流電圧を所望の電圧の直流電圧に変換するDC−DCコンバータなどで構成された絶縁型スイッチング電源装置がある。絶縁型のスイッチング電源装置としては、例えば電圧変換用トランスの一次巻線と直列に接続されたスイッチング素子を、PWM(パルス幅変調)制御方式や擬似共振制御方式等でオン、オフ駆動して一次巻線に流れる電流を制御し、二次巻線に誘起される電圧を制御するようにしたスイッチング電源装置が知られている。
【0003】
PWM制御方式を採用した従来のスイッチング電源装置には、PWM制御方式とPFM(パルス周波数変調)制御方式とを切り替えて実行するように構成されているものがある。一方、擬似共振制御方式を採用した従来のスイッチング電源装置に関する発明としては、例えば特許文献1や2に記載されているものがある。特許文献1や2に記載されているように、擬似共振制御方式を採用した従来のスイッチング電源装置は、擬似共振制御モードでのみ動作するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2014−124038号公報
米国特許第9601983号公報
特開2011−78240号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
PWM制御と擬似共振制御にはそれぞれ長所と短所がある。例えばPWM制御は、スイッチング損失やスイッチングノイズが大きく電力効率がやや悪いという短所があるものの、音鳴きが小さく、電流連続モードでも動作可能でトランスの電流ピークを抑えることができるため、トランスサイズも小さくできるという長所を有する。一方、擬似共振制御は、ボトムスキップによる音鳴きがあるとともに、電流不連続モードでのみ動作するため、トランスや出力コンデンサなどの部品サイズが大きくなるという短所があるものの、ターンオン時にゼロ電流共振電圧のボトムでターンオンするソフトスイッチング(ソフトターンオン)を行うため、スイッチング損失やスイッチングノイズが小さく電力効率が良いという長所がある。
【0006】
なお、電源起動時のソフトスタート期間中はPWM制御とし、ソフトスタート期間終了後は周波数制御方式の擬似共振制御に切り替えることで、可聴域発振周波数を無くすようにしたスイッチング電源装置に関する発明がある(特許文献3)。
しかしながら、電源起動後の通常動作中に、一次側の制御IC(半導体装置)がPWM制御と擬似共振制御を切り替えることで、両制御方式の長所を併せ持つようにしたスイッチング電源装置が望まれている。
そこで、本出願人は、補助巻線を有するトランスを用い、補助巻線に誘起される電圧(分圧した電圧を含む)を監視して、電源起動後の通常動作中にPWM制御と擬似共振制御を切り替えて動作することで、トランスなどの部品サイズを小さくして電源装置の小型化を図ることができるスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置の発明について出願をした(特願2018−188861号)。
【0007】
本発明者らは、その後上記先願発明のスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置について検討したところ、上記先願発明は出力電圧が変更されず一定である電源装置に適用した場合には所望の効果が得られる。しかし、例えばUSB−PD規格で規定されているような、出力電圧の切替え(例えば5Vと20V)が可能な機能を有する電源装置に適用すると、出力電圧を低い電圧(例えば5V)に切り替えた場合に、トランスの補助巻線に誘起される電圧が平均して低くなる。
【0008】
そのため、補助巻線に生じる共振の振幅が小さくなることがあり、それによって所定のしきい値電圧で共振の振幅を検出することができたりできなかったりするぎりぎりの条件で回路が動作することがある。そして、その場合、共振の振幅を検出して一次巻線側のスイッチング素子をターンオフする場合と、共振の振幅を検出できずにスイッチング素子をタイマーの周期でターンオフする場合とが混在してしまい、スイッチング周期が大きく変動して出力電圧のリップルが大きくなったり、音鳴きが発生してしまったりするという課題があることが明らかとなった。
【0009】
本発明の目的は、間欠的に電流が流れる巻線に生じる共振の減衰を検出可能な共振電圧減衰検出回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、スイッチング損失やスイッチングノイズが小さく電力効率が良いスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、出力電圧が切り替わることで、共振の振幅が小さくなって所定のしきい値電圧で共振の振幅を検出することができたりできなかったりするぎりぎりの条件が生じる場合においても、スイッチング周期が大きく変動することがなく、音鳴きを抑制できるスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、電源起動後の通常動作中に、PWM制御と擬似共振制御を切り替えることで、平均的な電力効率が高いとともに、トランスなどの部品サイズを小さくして電源装置の小型化を図ることができるスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するため、本出願に係る第1の発明は、
トランスの巻線の共振電圧の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路において、
前記巻線の電圧と所定の第1電圧とを比較する第1の電圧比較回路と、該第1の電圧比較回路の出力に応じて計時動作を行うタイムアウト回路とを備え、
前記タイムアウト回路は、前記巻線のピーク電圧が前記第1電圧から該第1電圧よりも低い所定の第2電圧まで減衰するのに要する時間より短くなるように予め設定された時間を計時すると減衰検出信号を出力するように構成したものである。
かかる構成の共振電圧減衰検出回路によれば、間欠的に電流が流れる巻線に生じる共振の減衰を確実に検出することができる。
【0011】
ここで、望ましくは、前記タイムアウト回路は、定電流源と、該定電流源の電流によって充電可能な容量素子と、前記容量素子の充電電荷を放電可能なスイッチと、前記容量素子の電圧と所定の電圧とを比較する第2の電圧比較回路とを備え、
前記スイッチは前記第1の電圧比較回路の出力によってオン・オフされ、
前記第2の電圧比較回路の出力信号を前記減衰検出信号として出力するようにする。
かかる構成によれば、定電流源の電流値と容量素子の容量値によって、タイムアウト回路の計時時間を任意に設定することができる。
【0012】
本出願に係る第2の発明は、
補助巻線を備えた電圧変換用のトランスの一次巻線と直列に接続されたスイッチング素子をオン、オフ制御する駆動信号を生成するスイッチング電源用半導体装置において、
前記補助巻線に誘起された電圧が入力され共振電圧の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路を備え、
前記共振電圧減衰検出回路が出力する減衰検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成するターンオン制御回路と、
前記スイッチング素子をオフさせるタイミング信号を生成するターンオフ制御回路と、を有し、擬似共振モードで動作可能であるように構成したものである。
かかる構成のスイッチング電源用半導体装置によれば、スイッチング損失やスイッチングノイズが小さく電力効率が良い直流電源装置を実現することができる。
【0013】
ここで、望ましくは、前記共振電圧減衰検出回路は、
前記補助巻線の電圧と所定の第1電圧とを比較する電圧比較回路と、該電圧比較回路の出力に応じ計時動作を行うタイムアウト回路とを備え、
前記タイムアウト回路は、前記補助巻線のピーク電圧が前記第1電圧よりも低くなったことを前記電圧比較回路が検出した時点で計時動作を開始し、前記補助巻線の電圧が前記第1電圧から該第1電圧よりも低い所定の第2電圧まで低下するのに要する時間が前記共振電圧の周期よりも長くかつ前記所定の時間よりも短い場合に、減衰検出信号を出力するように構成する。
かかる構成によれば、共振電圧減衰検出回路によって間欠的に電流が流れる巻線に生じる共振の減衰を確実に検出し、適切なタイミングでスイッチング素子をターンオンさせることができる。
【0014】
本出願に係る第3の発明は、
補助巻線を備えた電圧変換用のトランスの一次巻線と直列に接続されたスイッチング素子をオン、オフ制御する駆動信号を生成するスイッチング電源用半導体装置において、
前記トランスの二次側から出力される電圧に応じたフィードバック電圧が入力される第1外部端子と、
前記補助巻線に誘起された電圧が入力される第2外部端子と、
前記第2外部端子の電圧に基づいて前記補助巻線の電圧の共振を検出する共振検出回路と、
前記第2外部端子の電圧に基づいて前記補助巻線の共振電圧の減衰を検出する共振電圧減衰検出回路と、
前記共振検出回路の検出信号と前記共振電圧減衰検出回路の検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成するターンオン制御回路と、
前記第1外部端子の電圧と前記スイッチング素子に流れる電流に比例した電圧とに基づいて前記スイッチング素子をオフさせるタイミング信号を生成するターンオフ制御回路と、
前記ターンオン制御回路の出力信号および前記ターンオフ制御回路の出力信号に基づいて前記駆動信号の元となるパルス信号を生成する駆動用パルス生成回路と、を備え、前記ターンオン制御回路が前記補助巻線の電圧の共振のボトム近傍で前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成することによって擬似共振モードで動作可能であるように構成したものである。
かかる構成のスイッチング電源用半導体装置によれば、スイッチング損失やスイッチングノイズが小さく電力効率が良い直流電源装置を実現することができる。
【0015】
ここで、望ましくは、前記第1外部端子の電圧に応じた時間を計時するタイマー回路を備え、
前記ターンオン制御回路は、前記共振検出回路の検出信号と前記共振電圧減衰検出回路の検出信号と前記タイマー回路の出力信号に基づいて前記スイッチング素子をオンさせるタイミング信号を生成するように構成され、
前記共振電圧減衰検出回路が共振電圧の減衰を検出していないときは前記タイマー回路の出力が変化した後、前記共振検出回路の検出出力タイミングで前記パルス信号が立ち上がるように前記駆動用パルス生成回路を制御し、
前記共振電圧減衰検出回路が共振電圧の減衰を検出しているときは前記タイマー回路の出力の変化タイミングで前記パルス信号が立ち上がるように前記駆動用パルス生成回路を制御するように構成する。
【0016】
かかる構成によれば、共振電圧の減衰を検出していないときは疑似共振モードでスイッチング素子がターンオンし、共振電圧の減衰を検出しているときはPWMモードでスイッチング素子がターンオンするため、平均的な電力効率を高めることができるとともに、トランスなどの部品サイズを小さくして電源装置の小型化を図ることができる。
【0017】
また、望ましくは、前記共振検出回路は、前記第2外部端子の電圧と所定の第1電圧とを比較する第1電圧比較回路を備え、前記第2外部端子の電圧が前記第1電圧よりも低くなった場合に共振検出信号を出力し、
前記共振電圧減衰検出回路は、前記第2外部端子の電圧と前記第1電圧よりも高い所定の第2電圧とを比較する第2電圧比較回路と、前記タイマー回路の計時時間よりも短い所定の時間を計時可能な計時回路を備え、
前記計時回路は、前記第2外部端子のピーク電圧が前記第2電圧よりも低くなったことを前記第2電圧比較回路が検出した時点で計時動作を開始し、前記第2外部端子の電圧が前記第2電圧から前記第1電圧まで低下するのに要する時間が前記共振電圧の周期よりも長く、かつ予め想定した減衰に要する所定時間よりも短い場合に減衰検出信号を出力するように構成され、
前記ターンオン制御回路は、前記タイマー回路が所定の計時時間を計時する前に前記減衰検出信号が出力された場合には前記タイマー回路が所定の計時時間を計時したタイミングで前記パルス信号が立ち上がるように前記駆動用パルス生成回路を制御するように構成する。
かかる構成によれば、共振の振幅が小さくなって所定のしきい値電圧で共振の振幅を検出することができたりできなかったりするぎりぎりの条件が生じる場合においても、スイッチング周期が大きく変動することがなく、出力電圧のリップルが大きくなったり音鳴きが発生したりするのを防止することができる。また、ゼロ電流共振期間が相対的に長くなるような場合に、補助巻線の共振電圧の減衰を検出してスイッチング素子を適切なタイミングでターンオンさせることができる。
【0018】
さらに、望ましくは、前記共振電圧減衰検出回路は、前記駆動用パルス生成回路から出力される信号を遅延する遅延回路と、該遅延回路の出力信号に基づいて前記電圧比較回路から出力される検出信号が前記計時回路へ供給されるのを一時的に禁止する論理回路と、を備えるように構成する。
同様に、前記共振検出回路が、前記駆動用パルス生成回路から出力される信号を遅延する遅延回路と、該遅延回路の出力信号に基づいて前記第1電圧比較回路から検出信号が出力されるのを禁止する論理回路と、を備えるように構成しても良い。
上記のような構成によれば、補助巻線の電圧(スイッチング素子のドレイン電圧)の立ち上がり直後のリンギングの発生に伴う共振検出回路の誤検出など意図しない動作を防止することができる。
【0019】
さらに、望ましくは、前記遅延回路は前記駆動用パルス生成回路から出力される信号を反転した信号を遅延し、
前記共振電圧減衰検出回路は、前記第2電圧比較回路の立下りで前記遅延回路の出力信号を取り込むラッチ回路と、該ラッチ回路の出力信号と前記計時回路の出力信号との論理和をとる論理回路と、を備えるように構成する。
かかる構成によれば、電流連続モードによる動作が可能な条件が多くなるため、トランスサイズを小さくすることができ、部品の小型化および低コスト化が可能となる。
【0020】
また、望ましくは、前記タイマー回路が計時する時間は、前記第1外部端子の電圧に応じて、前記第1外部端子の電圧が低いときは長くなり、前記第1外部端子の電圧が高いときは短くなるように設定する。
かかる構成によれば、第1外部端子(FB)の電圧が高いときはタイマー回路が計時する時間が短くなり、また第1外部端子の電圧が低いときはタイマー回路が計時する時間が長くなるので、電源起動後の通常動作中に、PWM制御と擬似共振制御とが切り替わることができ、平均的な電力効率を高めることができるとともに、トランスなどの部品サイズを小さくして電源装置の小型化を図ることができる。
【0021】
本出願の第4の発明に係るスイッチング電源装置は、
上記のような構成を有するスイッチング電源用半導体装置と、補助巻線を備え交流電圧を整流して得られる電圧が一次巻線に印加されるトランスと、前記一次巻線に接続されたスイッチング素子とを備え、前記スイッチング電源用半導体装置を用いて前記スイッチング素子を制御することで二次巻線側に所定の電圧を出力し、外部からの信号に基づいて二次巻線側の出力電圧の大きさが切り替え可能にように構成したものである。
かかる構成によれば、出力電圧の大きさが切り替え可能なスイッチング電源装置において、出力電圧が切り替わることで、出力電圧のリップルが大きくなったり音鳴きが発生したりするのを防止できる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、間欠的に電流が流れる巻線に生じる共振の減衰を検出可能な共振電圧減衰検出回路を提供することができる。また、スイッチング損失やスイッチングノイズが小さく電力効率が良いスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置を提供することができる。
さらに、出力電圧が切り替わることで、共振の振幅が小さくなって所定のしきい値電圧で共振の振幅を検出することができたりできなかったりするぎりぎりの条件が生じる場合においても、スイッチング周期が大きく変動することがなく、出力電圧のリップルが大きくなったり音鳴きが発生したりするのを抑制できるスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置を実現することができる。
また、電源起動後の通常動作中に、PWM制御と擬似共振制御を切り替えることで、平均的な電力効率が高いとともに、トランスなどの部品サイズを小さくして電源装置の小型化を図ることができるスイッチング電源用半導体装置およびスイッチング電源装置を実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0023】
本発明に係るスイッチング電源用半導体装置を適用して有効な直流電源装置としてのDC−DCコンバータの一実施形態を示す回路構成図である。
図1のDC−DCコンバータにおいてトランスの一次側に設けられる本発明に係るスイッチング電源用半導体装置の第1実施例を示す機能ブロック図である。
スイッチング電源用半導体装置を構成する共振検出回路による好適な検出タイミングを説明するための波形図である。
スイッチング電源用半導体装置を構成するタイムアウト回路の具体例を示す回路構成図である。
スイッチング電源用半導体装置を構成するタイマー回路の具体例を示す回路構成図である。
(A), (B)はそれぞれ第1実施例と第2実施例のスイッチング電源用半導体装置を構成するターンオン制御回路の具体例を示す回路構成図である。
第1実施例と第2実施例のスイッチング電源用半導体装置を構成するターンオフトリガ生成回路の具体例を示す回路構成図である。
(A)は第1実施例のスイッチング電源用半導体装置におけるFB端子の電圧とタイマー回路の計時時間との関係を示すグラフ、(B)はFB端子の電圧とターンオフトリガ生成回路のVcsのスレッショルドとの関係を示すグラフである。
第1実施例のスイッチング電源用半導体装置がFB端子の電圧が充分に高く共振電圧の振幅も大きな状況で動作する際の各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
第1実施例のスイッチング電源用半導体装置がFB端子の電圧が低い状況で動作する際の各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
第1実施例のスイッチング電源用半導体装置がFB端子の電圧が高く共振電圧の振幅が小さな状況で動作する際の各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
図1のDC−DCコンバータにおいてトランスの一次側に設けられる本発明に係るスイッチング電源用半導体装置の第2実施例を示す回路構成図である。
(A)は第2実施例のスイッチング電源用半導体装置を構成する共振電圧の減衰検出回路の具体例を示す回路構成図、(B)は実施例の減衰検出回路における共振電圧と参照電圧との関係を示す波形図である。
第2実施例のスイッチング電源用半導体装置において、ゼロ電流共振電圧の減衰前にタイマー回路が計時を開始する状況における各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
ゼロ電流共振電圧の減衰後にタイマー回路が計時を開始する状況における各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
二次巻線の消磁期間中においてDMG端子の電圧が低い状態(低出力電圧)でタイマー回路が計時を開始する状況における各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
二次巻線の消磁期間中においてDMG端子の電圧が充分に高い状態(高出力電圧)でタイマー回路が計時を開始する状況における各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
図12の第2実施例に係るスイッチング電源用半導体装置の変形例を示す機能ブロック図である。
図18の変形例のスイッチング電源用半導体装置を構成する共振電圧の減衰検出回路の具体例を示す回路構成図である。
図18の変形例のスイッチング電源用半導体装置において、二次巻線の消磁期間中においてDMG端子の電圧が充分に高い状態(高出力電圧)でタイマー回路が計時を開始する状況における各部の信号の変化を示すタイミングチャートである。
(A)は第2実施例と変形例のスイッチング電源用半導体装置における負荷電流に対するオン電流ピーク(一次巻線に流れる電流のピーク)の特性を示すグラフ、(B)は第2実施例と変形例のスイッチング電源用半導体装置における負荷へ出力される負荷電流に対するスイッチング周波数特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係るスイッチング電源用半導体装置を適用した直流電源装置としてのDC−DCコンバータの一実施形態を示す回路構成図である。
本実施形態のDC−DCコンバータは、直流電圧が入力される一対の電圧入力端子11と、一次巻線Npと二次巻線Nsおよび補助巻線Nbとを有する電圧変換用のトランス12と、このトランス12の一次巻線Npと直列に接続されたスイッチングトランジスタSW1と、該スイッチングトランジスタSW1をオン、オフ駆動するスイッチング電源用半導体装置(以下、電源制御用ICと称する)13を有する。スイッチング電源装置を構成する場合には、入力端子11の前段にAC電源からの交流電圧を整流するダイオード・ブリッジ回路と平滑コンデンサが接続される。
【0025】
本実施形態では、上記スイッチングトランジスタSW1は、NチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)により、ディスクリートの部品として構成されている。電源制御用IC13には、トランジスタSW1のゲートを駆動するゲート駆動信号の出力端子GATEが設けられている。
また、本実施形態のDC−DCコンバータでは、トランス12の一次側に、上記補助巻線Nbと直列に接続された整流用ダイオードD1と、このダイオードD1のカソード端子と接地点GNDとの間に接続された平滑用コンデンサC1とからなる整流平滑回路が設けられ、該整流平滑回路で整流、平滑された電圧が電源制御用IC13の電源電圧端子VDDに印加されている。また、電源制御用IC13には、補助巻線Nbに誘起された電圧を抵抗R1,R2で分圧した電圧VDMGが印加される外部端子DMGが設けられている。
【0026】
さらに、電源制御用IC13には、二次側の出力検出信号をフィードバック電圧VFBとして一次側へ伝達するためのフォトカプラを構成するフォトトランジスタ(受光素子)PTが接続される外部端子FBが設けられている。
また、電源制御用IC13は、スイッチングトランジスタSW1のソース端子と接地点GNDとの間に接続された電流検出用の抵抗Rsにより電流−電圧変換された電圧Vcsが入力される電流検出端子としての外部端子CSが設けられている。
【0027】
一方、上記トランス12の二次側には、二次巻線Nsと直列に接続された整流用ダイオードD2と、このダイオードD2のカソード端子と二次巻線Nsの他方の端子との間に接続された平滑用コンデンサC2とが設けられ、一次巻線Npに間歇的に電流を流すことで二次巻線Nsに誘起される交流電圧を整流し平滑することによって直流電圧Voutを生成し出力する。
さらに、トランス12の二次側には、出力電圧Voutを検出する出力電圧検出回路を構成する定電圧制御回路(シャントレギュレータ)14と、該定電圧制御回路14の検出電圧に応じた出力電圧検出信号を一次側へ伝達するためのフォトカプラを構成するフォトダイオード(発光素子)PDが設けられている。
フォトダイオードPDには、定電圧制御回路14によって検出電圧に応じた電流が流され、検出電圧に応じた強度を有する光信号として一次側へ伝達されることで、光強度に応じた電流がフォトトランジスタPTに流れて電源制御用IC13内部のプルアップ抵抗(図2のRp)等で電圧VFBに変換されて入力される。
【0028】
定電圧制御回路14は、フォトダイオードPDと直列に接続されたバイポーラ・トランジスタTR1と、二次側の出力電圧Voutを分圧する抵抗R3,R4と、分圧された電圧と基準電圧Vref0とを比較して電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプAMP0と、位相補償回路14aとを備え、誤差アンプAMP0の出力電圧が上記トランジスタTR1のベース端子に印加され、出力電圧Voutに応じた電流が流れるように構成されている。本実施例では、二次側の出力電圧Voutが高いほどフォトダイオードPDに流れる電流とフォトトランジスタPTに流れる電流が多くなり、電源制御用IC13の外部端子FBの電圧VFBが低くなるように構成されている。
さらに、本実施例においては、特に限定されるものでないが、負荷装置側からの出力電圧切替え信号VCに応じて定電圧制御回路14へ切替え信号を供給する出力電圧切替え回路15が設けられており、出力電圧切替え回路15からの切替え信号によって例えば基準電圧Vref0を切り替えることで、出力電圧Voutを例えば5Vまたは20Vに切り替えて出力できるように構成されている。ここで、二次側回路の構成は、整流用ダイオードD2をスイッチに置き換えた同期整流方式でも良い。
【0029】
(第1実施例)
次に、図1の電源装置における一次側の電源制御用IC13の第1実施例の機能ブロック構成および各ブロックの機能について、図2〜図11を用いて説明する。
図2に示すように、本実施例の電源制御用IC13は、外部端子DMGの電圧VDMGを監視して共振していることを検出するためのコンパレータ(電圧比較回路)を有する共振検出回路31と、共振の検出により計時を開始して所定時間T2を計時すると出力信号を立ち上げるタイムアウト回路32と、外部端子FBの電圧VFBと所定の参照電圧VFBREFとを比較してVFBがVFBREF以下になっているか判定するFBコンパレータ33と、外部端子FBの電圧VFBに応じた時間を計時することでスイッチング素子SW1のスイッチング周期を生成するタイマー回路34を備える。タイムアウト回路32は、タイマー回路34が所定時間T1を計時する前に共振検出回路31が共振を検出しなくなった場合に、所定の時間T2を計時したらスイッチング素子SW1を強制的にターンオンさせるために設けられた回路である。
【0030】
また、電源制御用IC13は、上記共振検出回路31とタイムアウト回路32とFBコンパレータ33およびタイマー回路34の出力信号を入力としスイッチング素子SW1をターンオンさせるタイミング信号を生成するターンオン制御回路35と、外部端子FBの電圧VFBと外部端子CSの電圧Vcsとを入力電圧としSW1をターンオフさせるタイミング信号を生成するターンオフトリガ生成回路36と、ターンオン制御回路35の出力とターンオフトリガ生成回路36の出力を入力とするRSフリップフロップなどからなるラッチ回路37と、ラッチ回路37の出力ENに応じて前記スイッチング素子SW1を駆動するゲート駆動信号を生成して外部端子GATEより出力するドライバ回路38を備えている。
また、上記ラッチ回路37の出力ENは、タイマー回路34を有効化させる信号としてタイマー回路34に入力されるとともに、ターンオン制御回路35をリセットさせる信号としてターンオン制御回路35に入力されている。以下、上記各機能ブロックの具体例および動作について説明する。
(【0031】以降は省略されています)

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