JP2004048820A - Insulated power source unit and semiconductor integrated circuit for power source control - Google Patents

Insulated power source unit and semiconductor integrated circuit for power source control Download PDF

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Ryotaro Kudo
工藤 良太郎
Kenichi Onda
恩田 謙一
Kyoichi Hosokawa
細川 恭一
Shinichi Yoshida
吉田 信一
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable insulated DC-DC converter where there is no such fear that the control is stopped while a MOSFET for synchronous control is kept turned on and a secondary LC circuit causes a resonance, resulting in destruction of the MOSFET for synchronous control. <P>SOLUTION: In the insulated DC-DC converter which has a transformer (T1) for voltage conversion and controls transistors (M1-M4) for driving the primary coil of the transformer and transistors (M5 and M6) for synchronous control with a common circuit (20), the above-mentioned common control circuit is arranged on the secondary side of the transformer, and not primary grounding potential (GND1) but secondary grounding potential (GND2) is given to operate it, and the primary transistors are supplied with control signals via an insulated signal transmission means. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧変換用トランスを備えたスイッチング電源装置さらにはトランスの一次側と二次側の回路が電気的に絶縁された絶縁型DC−DCコンバータ(直流−直流変換型電源装置)に関し、特に2次側の共振電流の防止に利用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、DC−DCコンバータのひとつに絶縁型DC−DCコンバータと呼ばれるものがある。絶縁型DC−DCコンバータは一次側と二次側の絶縁耐圧が数1000V以上あることが要求されるため、一次側の回路と二次側の回路にそれぞれ互いに絶縁された別個の基準電位(接地電位)が用いられる。
【0003】
本発明者等は、負荷変動が比較的大きな電話交換機のようなシステムに好適なスイッチング電源装置を開発するに当たり、図5に示すような絶縁型DC−DCコンバータについて検討した。
図5の絶縁型DC−DCコンバータは、MOSFET M1〜M4からなるブリッジ型のスイッチング回路10でトランスT1の1次側コイルを交流駆動し、2次側コイルに誘起される交流電圧をダイオードとして作用する同期制御用MOSFET M5,M6で整流することで、1次側コイルと2次側コイルの巻線比に応じた所望の直流電圧を発生させるようにした電源回路である。本来ダイオードを用いればよい整流素子としてMOSFET M5,M6を使用しているのは、ダイオードの順方向電圧による電力損失を減らすことができるためである。ちなみに、MOSFETのオン抵抗によるソース・ドレイン間電圧降下はダイオードの順方向電圧よりも小さくすることが可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図6は、1次側コイルを交流駆動するスイッチMOSFET M1〜M4をオン,オフ制御する信号OUT−A〜OUT−Dと、同期制御用MOSFET M5,M6を制御する信号OUT−E,OUT−Fのタイミングを示す。図6に示すように、図5のような絶縁型DC−DCコンバータにおいては、1次側コイルに矢印Aの方向の電流を流すときには同期制御用MOSFET M5を、また1次側コイルに矢印Aと逆向きに電流を流すときには同期制御用MOSFET M6をオフさせないと、2次側コイルが短絡状態となって1次側コイルから2次側コイルへ電力が伝達されないのみならず、MOSFET M1,M4,M5,M6またはM2,M3,M5,M6に過電流が流れて素子が破壊されてしまうおそれがある。
【0005】
同期制御用MOSFET M5,M6をオフさせるタイミングは1次側コイルを駆動するMOSFET M1〜M4のオン/オフ・タイミングに合わせる必要があるので、同期制御用MOSFET M5,M6を制御する制御信号OUT−E,OUT−Fは駆動信号OUT−A〜OUT−Dを生成する制御回路20で生成するのが望ましい。
【0006】
しかしながら、一次側の基準電位と二次側の基準電位は絶縁されているため、制御回路20で生成された制御信号OUT−E,OUT−Fを同期制御用MOSFET M5,M6のゲート端子に伝達するためにはパルス・トランスT2が必要である。また、トランスを使用すると制御信号は交流波形として伝達されるため、パルス・トランスT2の2次側交流電圧で同期制御用MOSFET M5,M6のゲートを直接駆動することはできず、2次側コイルの電圧を一旦ブーストする必要がある。
そこで、図5の回路では、クランプ用ダイオードD1,D2とブースト用の容量C2,C3を有する回路と、ブーストされた信号のレベルを弁別する回路とを設けて、同期制御用MOSFET M5,M6を制御する構成を採用した。
【0007】
しかしながら、図5の回路においては、例えば1次側の入力電圧VINの遮断等により制御回路20が制御を停止した際に、図7(A),(B)のように制御信号OUT−E,OUT−Fの出力がロウレベルに落ちてもブースト用の容量C2,C3に電荷が残ってしまう。そして、図5の回路ではこの電荷を引き抜くパスがないため、図7(G),(H)のように同期制御用MOSFET M5,M6のゲート電圧VG5,VG6がハイレベルに維持されて、M5,M6がオンされっぱなしになる。
その結果、出力端子間の平滑容量CSとトランスT1の2次側コイルと直列のチョークコイルL1,L2からなるLC回路が共振を起こして、2次側の同期制御用MOSFET M5,M6が破壊されるおそれがあるとともに、共振動作で出力端子間に負の電圧が発生しこの負電圧が印加されることで負荷としての回路やICが破壊されるおそれがあることが分かった。
【0008】
また、図5の回路においては、例えば軽負荷時等に2次側の同期制御をオフすることで負荷に過大な電圧が印加されないようにする制御が考えられるが、かかる制御のため図7(A),(B)のように制御信号OUT−E,OUT−Fを途中でロウレベルに固定したとしても図5の回路ではブースト用の容量C2,C3に電荷が残ってしまう。そのため、2次側の同期制御用MOSFET M5,M6のゲート電圧VG5,VG6がハイレベルに維持されてM5,M6がオンされっぱなしになって、トランスT1の2次側コイルがショートされた状態で1次側コイルが駆動され続けて1次側の駆動用MOSFET M1〜M4の破壊、1次側コイルの焼損といった問題が発生するおそれがある。
【0009】
さらに、図5の回路においては、電源立上げ時に負荷となる回路やICに急激に大きな電圧が印加されて素子が破壊されるのを防止するため、1次側コイルから2次側コイルに伝達される電力を徐々に増大させるいわゆるソフトスタートと呼ばれる制御が行なわれることがある。このソフトスタート制御では、2次側の同期制御用MOSFET M5,M6はオフさせたまま1次側コイルの駆動を行なうことが考えられる。
【0010】
かかる方式を採用した電源システムにおいても、ユーザによる誤操作や落雷等の事故の発生で電源の遮断と再投入が短い時間に行なわれたとすると、電源遮断で制御信号OUT−E,OUT−Fの出力が停止してブースト用の容量C2,C3に電荷が残り同期制御用MOSFET M5,M6のゲート電圧がハイレベルに維持されてオンになっている状態で、電源が再投入されて制御回路がソフトスタートを開始すると、トランスT1の2次側コイルがショートされた状態で1次側コイルが駆動され続けて1次側の駆動用MOSFET M1〜M4の破壊、1次側コイルの焼損といった問題が発生するおそれがある。
【0011】
この発明の目的は、同期制御用トランジスタがオンされたまま制御が停止されて2次側のLC回路が共振を起こして同期制御用トランジスタが破壊されるのを回避できる信頼性の高い絶縁型DC−DCコンバータを提供することにある。
この発明の他の目的は、軽負荷時等に2次側の同期制御をオフすることで負荷に過大な電圧が印加されないようにする制御方式を採用した場合において、同期制御用MOSFETがオンされトランスT1の2次側コイルがショートされた状態で1次側コイルが駆動され続けて1次側の駆動用トランジスタが破壊されたり1次側コイルが焼損したりするのを回避できる信頼性の高い絶縁型DC−DCコンバータを提供することにある。
【0012】
この発明のさらに他の目的は、2次側の同期制御用トランジスタをオフさせたまま1次側コイルの駆動を行なうソフトスタート制御を採用した場合において、電源の瞬断あるいは電源の一時的な低下が発生しても、同期制御用トランジスタがオンされトランスT1の2次側コイルがショートされた状態で1次側コイルが駆動され続けて1次側の駆動用トランジスタが破壊されたり1次側コイルが焼損したりするのを回避できる信頼性の高い絶縁型DC−DCコンバータを提供することにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、本発明は、電圧変換用トランスを有し該トランスの1次側コイルを駆動するトランジスタおよび2次側の同期制御用トランジスタを共通の制御回路で制御する絶縁型DC−DCコンバータにおいて、上記共通制御回路をトランスの2次側に配置して、1次側基準電位(1次側接地電位)ではなく2次側基準電位(2次側接地電位)を与えて動作させるとともに、1次側駆動トランジスタには絶縁型信号伝達手段を介して制御信号を供給するように構成したものである。
【0014】
上記した手段によれば、制御回路が2次側に配置されているので、同期制御用トランジスタを制御するための制御信号を絶縁型信号伝達手段を介することなく制御回路から直接与えることができるようになるため、ブースト回路を用いることなく同期整流制御動作停止時に同期制御用トランジスタをオフさせることができ、これにより2次側の整流回路が電圧変換用トランスの2次側コイルと直列に接続されたチョークコイルを有する場合、同期制御用トランジスタがオンされたまま制御が停止されて2次側の整流回路を構成するチョークコイルと平滑容量とからなるLC回路が共振を起こし、同期制御用トランジスタが破壊されるのを防止することができる。
【0015】
また、軽負荷時等に2次側の同期制御をオフすることで負荷に過大な電圧が印加されないようにする制御方式を採用した電源装置や、2次側の同期制御用MOSFETをオフさせたまま1次側コイルの駆動を行なうソフトスタート制御を採用した電源装置で電源の瞬断あるいは電源の一時的な低下が発生した場合に、同期制御用トランジスタをオフしたいときに確実にオフさせることができるため、同期制御用MOSFETがオンされトランスの2次側コイルがショートされた状態で1次側コイルが駆動されるのを防止することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係る絶縁型DC−DCコンバータの第1の実施例を示す。図において、T1は電圧変換用のトランス、10はこのトランスT1の1次側コイルを交流駆動するスイッチング回路、20はこのスイッチング回路10を駆動制御するIC化された制御回路、30はトランスT1の2次側コイルに誘起される交流電圧を整流して直流電圧に変換する全波整流回路、50は変換された直流電圧の電圧レベルを検出し上記制御回路20にフィードバックする出力電圧検出回路、CBは整流回路30で整流された電圧を平滑する平滑容量、DRV5,DRV6は制御回路からの制御信号OUT−E,OUT−Fを受けて整流回路30を構成する同期制御用MOSFET M5,M6を駆動するゲート・ドライバ回路、60は48Vの入力直流電圧を受けて上記制御回路20等に必要な12Vのような直流電源電圧Vcc1,Vcc2を生成して供給するスイッチング・レギュレータからなる補助電源回路である。また、RLは負荷となる回路やICを等価抵抗として表わしたものである。
【0017】
なお、ゲート・ドライバ回路DRV5,DRV6を省略して制御回路20からの制御信号で同期制御用MOSFET M5,M6を直接駆動することもできる。また、同期制御用MOSFET M5,M6を制御回路20と同一の半導体チップ上に形成することも可能である。
【0018】
上記スイッチング回路10は、48Vのような直流電圧が印加される電圧入力端子VINと1次側基準電位(接地電位)GND1との間に直列に接続されたNチャネルMOSFET M1,M2およびM3,M4と、これらのスイッチMOSFET M1〜M4のゲート端子をそれぞれ駆動するIC化されたゲート・ドライバ回路DRV1〜DRV4とから構成されている。
【0019】
制御回路20は、2次側基準電位GND2が接地電位とされ、図2(A)〜(D)に示すようなタイミングの制御信号OUT−A〜OUTDを出力してスイッチMOSFET M1〜M4のうちM1とM4をオン、またはM2とM3をオンさせることでトランスT1の1次側コイルに順方向の電流と逆方向の電流を交互に流して交流駆動する。
【0020】
また、制御回路20は、図2に示されているように、トランスT1の1次側コイルの駆動MOSFET M1〜M4の制御信号OUT−A〜OUT−Dによるオン・オフ動作に合わせて制御信号OUT−E,OUT−Fをロウレベルに変化させて、2次側の同期制御用MOSFET M5,M6をオン、オフさせる同期整流制御を行なう。なお、この実施例のDC−DCコンバータでは、1次側コイルの駆動MOSFET
M1〜M4の1サイクル期間に対するオン期間の割合は最大50%である。
【0021】
また、この実施例では、トランスT1の1次側コイルと直列に電流センス用のトランスT2が接続され、この電流センス用トランスT2の2次側コイルの一端が制御回路20に、また他端が2次側基準電位GND2に接続され、制御回路20はトランスT2により電流−電圧変換された検出電圧を受けて、1次側コイルの駆動電流の値が所望の範囲に入るように制御信号OUT−A〜OUT−Dの立上り/立下りタイミングとパルス幅を調節する。さらに、制御回路20は、電流センス用トランスT2の2次側コイルの検出電圧に基づいて負荷が非常に軽くなったと判断した場合には、トランスT1の2次側の同期制御を停止して同期制御用MOSFET M5,M6をオフさせる制御も行なう。
【0022】
ゲート・ドライバ回路DRV1〜DRV4には、制御回路20から出力される制御信号OUT−A〜OUT−Dがパルス・トランスT3,T4を介して入力されている。より詳細には、パルス・トランスT3,T4は各々2次側コイルが2つずつ設けられており、制御信号OUT−A,OUT−Bがパルス・トランスT3の1次側コイルに印加され、制御信号OUT−C,OUT−Dがパルス・トランスT4の1次側コイルに印加されるとともに、パルス・トランスT3の2次側コイルTL1,TL2の一方の端子がゲート・ドライバ回路DRV1,DRV2の入力端子に接続され、パルス・トランスT4の2次側コイルTL3,TL4の他方の端子がゲート・ドライバ回路DRV3,DRV4の入力端子に接続されている。
【0023】
図1において、コイルTL1(TL3)とTL2(TL4)に付されている「・」の位置が異なるのは、コイルTL1(TL3)とTL2(TL4)とでは巻線の向きが逆であることを意味している。このように、2次側に巻線の向きが逆である2つのコイルTL1,TL2とTL3,TL4を設けることにより、同一の制御信号から互いに逆相の信号を生成することができ、これによってスイッチMOSFET M1とM2、またM3とM4がそれぞれ同時にオン状態またはオフ状態に制御される。
【0024】
また、上記のようにパルス・トランスT3,T4を介してスイッチMOSFET M1〜M4の制御信号を伝達することにより、スイッチング回路10の基準電位と制御回路20の基準電位が絶縁されていても正しい制御動作を行なわせることができる。さらに、この実施例では、上記パルス・トランスT3,T4の2次側コイルTL1〜TL4の他方の端子は、対応するスイッチMOSFET M1〜M4のソース端子に接続されている。そのため、スイッチMOSFET M1〜M4のゲート電圧のピーク値を、ソース電圧を基準にして設定することができ、各MOSFET M1〜M4のドレイン電流が同一になるように駆動することができる。
【0025】
一方、ゲート・ドライバ回路DRV1〜DRV4の接地端子は対応するスイッチMOSFET M1〜M4のソース端子に接続されるとともに、ゲート・ドライバ回路DRV1〜DRV4の電源電圧端子には補助電源回路60から出力される12Vの電圧がダイオードD0を介して供給され、電流の逆流が防止されるようにされている。さらに、ゲート・ドライバ回路DRV1〜DRV4の電源電圧端子と接地端子との間には容量C0が接続されており、MOSFET M1〜M4のソース電位が変動してもゲート・ドライバ回路DRV1〜DRV4の電源電圧端子−接地端子間電圧はほぼ一定に保たれ、逆バイアスの電圧が印加されるのが回避されるようになっている。
【0026】
また、上記制御回路20には、抵抗R11,R12からなる抵抗分割回路で分圧された電圧が入力される端子P1と、該端子の電圧が所定のレベル以上か以下かを検出する電圧比較回路21とが設けられており、入力電圧VINが所定のレベル以下に下がるとスイッチングMOSFET M1〜M4の駆動を停止する。なお、図示しないが、制御回路20には外部から入力される指令信号RMTでトランスT1の1次側の駆動と2次側の同期制御を停止するリモート制御端子P2が設けられている。
【0027】
さらに、この実施例の制御回路20には、電源の立上り時に1次側コイルの駆動電流を徐々に増加させて、負荷に急激に大きな電流が供給されるのを回避するソフトスタート回路22が設けられている。ソフトスタート回路22は、例えば定電流源とそれにより充電される容量素子とからなる積分回路のような出力電圧を徐々に増加させる回路を備え、電源投入後容量素子の充電電圧が所定のレベルに達するまではスイッチMOSFET M1〜M4のオン時間を徐々に長くさせる、つまりトランスT1の1次側コイルの電流が次第に増加するような制御を行なう。
【0028】
また、特に制限されるものでないが、この実施例では、ソフトスタート制御の際には2次側の同期制御用MOSFET M5,M6をオン、オフ制御する信号OUT−E,OUT−Fをロウレベルに固定させる。かかる制御は、例えばソフトスタートの際にソフトスタート回路22から出力される信号で制御信号OUT−E,OUT−Fを出力するバッファ回路を制御して、その出力をロウレベルに固定させるような構成をとることで実現できる。
【0029】
この実施例においては、全波整流回路30は、トランスT1の2次側コイルの両端子と一方の出力端子VOUT(+)との間にそれぞれ接続されたチョークコイルL1,L2と、トランスT1の2次側コイルの両端子と他方の出力端子VOUT(−)との間にそれぞれ接続された同期制御用MOSFET M5,M6とにより構成されている。
【0030】
この実施例の全波整流回路30は、1次側コイルの交流駆動で2次側コイルに誘起された交流電圧により、2次側コイルに図1の上から下へ向って電流が流れるときはチョークコイルL2を通して、また2次側コイルに下から上に向って電流が流れるときはチョークコイルL1を通してそれぞれ出力端子VOUT(+)へ電流が流されることにより整流が行なわれ、1次側コイルと2次側コイルの巻線比に応じた直流電圧を発生させる。
【0031】
チョークコイルL1,L2および同期制御用MOSFET M5,M6をダイオードに置き換えても全波整流回路として機能することができる。ダイオードの代わりに同期制御用MOSFET M5,M6を用いているのは、ダイオードの順方向電圧で損失が生じるのを減らすためである。本発明は、同期制御用MOSFET M5またはM6のいずれか一方が存在する場合に適用すると有効であり、例えばM5がMOSFETの場合にはM6およびL1,L2の代わりにダイオードを使用するようにしてもよい。
【0032】
出力電圧検出回路50は、出力端子VOUT(+),VOUT(−)間に直列に接続された抵抗R3,R4からなる抵抗分割回路により構成されており、抵抗R3,R4の抵抗比で出力電圧を分割した電圧が制御回路20に供給され、制御回路20は内部の電圧比較回路により参照電圧と比較することで所望のレベル以上の出力電圧が発生しているか知ることができるようになっている。
【0033】
この実施例のDC−DCコンバータにおいては、電源遮断や軽負荷時に制御信号OUT−E,OUT−Fが共にロウレベルに固定されると、ゲート・ドライバ回路DRV5,DRV6の出力が共にロウレベルにされて直ちに同期制御用MOSFET M5,M6がオフの状態にされる。その結果、整流回路のチョークコイルL1,L2と平滑容量CBが共振動作を起こすのを回避することができる。
【0034】
また、軽負荷時等に2次側の同期制御をオフすることで負荷に過大な電圧が印加されないようにする制御方式を採用した場合や2次側の同期制御用MOSFETをオフさせたまま1次側コイルの駆動を行なうソフトスタート制御を採用し電源の瞬断あるいは電源の一時的な低下が発生した場合に、制御信号OUT−E,OUT−Fがロウレベルに変化されると直ちに同期制御用MOSFET M5,M6がオフされるため、同期制御用MOSFETがオンされトランスT1の2次側コイルがショートされた状態で1次側コイルが駆動され続けて、1次側の駆動用MOSFETが破壊されたり1次側コイルが焼損したりするおそれがない。
【0035】
しかも、図5の回路と比較すると明らかなように、本実施例のDC−DCコンバータは制御信号OUT−E,OUT−Fを伝達するパルス・トランスや検波された信号のレベルを押し上げるブースト容量などが不用であるため、2次側の回路が簡単になる。また、出力レベルを検出する電圧比較回路や検出したレベルを制御回路20へフィードバックするためのフォトカプラも不用であるため、部品点数が減少しシステムを安価に構成することができるという利点がある。
【0036】
図3には、上記補助電源回路60の構成例が示されている。図3に示されているように、この実施例の補助電源回路60は、トランスT0と、該トランスT0の一次側コイルと直列に接続された同期制御用トランジスタQ0と、該トランジスタQ0をオン、オフ制御するパルス生成回路PLGとを有するスイッチング・レギュレータにより構成されている。
【0037】
通常のスイッチング・レギュレータとの違いは、トランスT0はコアを共通にする2個の2次側コイルTL11,TL12を備えており、コイルTL11の一端はダイオードD11を介して出力端子OUT1に、また他端は1次側の基準電圧GND1に接続され、コイルTL12の一端はダイオードD12を介して出力端子OUT2に、また他端は2次側の基準電圧GND2に接続されている点にある。このように、基準電圧が分離して設けられることにより、補助電源回路60内においても、1次側回路と2次側回路との電気的な絶縁が確保される。
【0038】
図4には、上記ゲート・ドライバ回路DRV5(DRV6)の電源系と、制御信号OUT−E,OUT−Fを出力する制御回路20側のバッファ回路BFFの電源系の構成例が示されている。図4に示されているように、制御回路20には、前記補助電源回路60から供給される12Vのような電圧Vcc2から内部論理回路23の動作に必要な5Vのような内部電源電圧Vcciを生成する内部電源回路24が設けられており、バッファ回路BFFはこの内部電源電圧Vcciにより動作する。なお、この内部電源電圧Vcciは参照電圧Vrefとしてチップ外部へ出力される。
【0039】
上記内部電源回路24は、12Vの外部電源電圧Vcc2が印加される端子と2次側の基準電圧GND2が印加される端子との間に直列に接続されたトランジスタQ1および抵抗R21,R22と、抵抗R21,R22の接続ノードの電位と2.5Vのような定電圧とを比較してトランジスタQ1のベース電圧を制御する差動アンプAMPとから構成されている。一方、外部のゲート・ドライバ回路DRV5(DRV6)は、基準電圧GND2を接地電位とし5Vのような定電圧VB1を電源電圧として動作するように構成される。
【0040】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば上記実施例では、制御回路20がソフトスタート回路22を有すると説明したが、ソフトスタート回路を備えていない場合にも本発明を適用することができる。また、スイッチング回路10を構成するゲート・ドライバ回路DRV1〜DRV4を省略して、パルス・トランスT3,T4の2次側コイルの誘起電圧で直接スイッチMOSFET M1〜M4を駆動するように構成しても良い。
【0041】
さらに、実施例では、1次側と2次側の絶縁を保ったままそれぞれの側の回路を制御するため信号の伝達にパルス・トランスを用いたが、パルス・トランスの代わりにフォトカプラを用いて1次側と2次側との間の信号の伝達を行なうようにして構成しても良い。
【0042】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、制御回路が2次側に配置されているので、同期制御用トランジスタを制御するための制御信号を絶縁型信号伝達手段を介することなく制御回路から直接与えることができるようになるため、ブースト回路を用いることなく同期整流制御動作停止時に同期制御用トランジスタをオフさせることができ、これにより2次側の整流回路が電圧変換用トランスの2次側コイルと直列に接続されたチョークコイルを有する場合、同期制御用トランジスタがオンされたまま制御が停止されて2次側の整流回路を構成するチョークコイルと平滑容量とからなるLC回路が共振を起こし、同期制御用トランジスタが破壊されるのを防止することができる信頼性の高い絶縁型DC−DCコンバータを実現することができる。
【0043】
また、本発明を適用すると、同期制御用トランジスタをオフしたいときに確実にオフさせることができるため、軽負荷時等に2次側の同期制御をオフすることで負荷に過大な電圧が印加されないようにする制御方式を採用した場合や2次側の同期制御用MOSFETをオフさせたまま1次側コイルの駆動を行なうソフトスタート制御を採用し電源の瞬断あるいは電源の一時的な低下が発生した場合に、同期制御用MOSFETがオンされトランスT1の2次側コイルがショートされた状態で1次側コイルが駆動され続けて、1次側の駆動用MOSFETが破壊されたり1次側コイルが焼損したりするおそれのない信頼性の高い絶縁型DC−DCコンバータおよび電源制御用ICを実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る絶縁型DC−DCコンバータの一実施例を示す概略構成図である。
【図2】実施例の絶縁型DC−DCコンバータにおける1次側コイルの駆動制御信号と2次側同期制御信号の電圧波形を示す波形図である。
【図3】実施例の絶縁型DC−DCコンバータに用いられる補助電源回路の構成例を示す概略構成図である。
【図4】実施例の絶縁型DC−DCコンバータを構成する制御回路の同期制御信号の出力回路とその電源回路およびゲート・ドライバ回路の電源系の構成を示す回路構成図である。
【図5】本発明に先立って検討した絶縁型DC−DCコンバータを示す回路構成図である。
【図6】図5の絶縁型DC−DCコンバータにおける1次側コイルの駆動制御信号と2次側同期制御信号および同期MOS駆動回路内の各部の電圧波形を示す波形図である。
【図7】図5の絶縁型DC−DCコンバータにおける同期制御信号が共にロウレベルに変化された場合のリセット回路と同期MOS駆動回路内の各部の電圧波形を示す波形図である。
【符号の説明】
10 スイッチング回路
20 制御回路(IC)
21 電源レベル検出回路
22 ソフトスタート回路
30 整流回路
50 出力レベル検出回路
T1 電圧変換用トランス
T2,T3 信号伝達用パルス・トランス
CB 平滑用コンデンサ
L1,L2 整流用チョークコイル
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply device having a voltage conversion transformer, and further relates to an insulation type DC-DC converter (DC-DC conversion type power supply device) in which the primary and secondary circuits of the transformer are electrically insulated. In particular, the present invention relates to a technique that is effective for preventing a resonance current on the secondary side.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is a so-called isolated DC-DC converter as one of the DC-DC converters. Since the insulation type DC-DC converter is required to have a withstand voltage of several thousand volts or more on the primary side and the secondary side, separate reference potentials (grounded) are insulated from the primary side circuit and the secondary side circuit, respectively. Potential) is used.
[0003]
The present inventors studied an isolated DC-DC converter as shown in FIG. 5 in developing a switching power supply device suitable for a system such as a telephone exchange having a relatively large load fluctuation.
The insulated DC-DC converter of FIG. 5 drives the primary coil of the transformer T1 with an AC by a bridge-type switching circuit 10 composed of MOSFETs M1 to M4, and acts on the AC voltage induced in the secondary coil as a diode. This is a power supply circuit that generates a desired DC voltage according to the turns ratio between the primary side coil and the secondary side coil by rectifying the synchronous control MOSFETs M5 and M6. The reason why the MOSFETs M5 and M6 are used as the rectifying elements which should originally use a diode is that power loss due to the forward voltage of the diode can be reduced. Incidentally, the voltage drop between the source and the drain due to the ON resistance of the MOSFET can be made smaller than the forward voltage of the diode.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 6 shows signals OUT-A to OUT-D for controlling ON / OFF of the switch MOSFETs M1 to M4 for AC driving the primary coil, and signals OUT-E and OUT- for controlling the synchronous control MOSFETs M5 and M6. The timing of F is shown. As shown in FIG. 6, in the insulated DC-DC converter as shown in FIG. 5, when a current in the direction of arrow A flows through the primary coil, the synchronous control MOSFET M5 is used. When a current is passed in the opposite direction, the MOSFET M6 for synchronization control must be turned off, so that the secondary coil is short-circuited and power is not transmitted from the primary coil to the secondary coil. , M5, M6 or M2, M3, M5, M6 may be damaged by overcurrent.
[0005]
The timing for turning off the synchronous control MOSFETs M5 and M6 needs to be adjusted to the on / off timing of the MOSFETs M1 to M4 for driving the primary side coil. Therefore, the control signal OUT- for controlling the synchronous control MOSFETs M5 and M6. E and OUT-F are preferably generated by the control circuit 20 that generates the drive signals OUT-A to OUT-D.
[0006]
However, since the reference potential on the primary side and the reference potential on the secondary side are insulated, the control signals OUT-E and OUT-F generated by the control circuit 20 are transmitted to the gate terminals of the synchronous control MOSFETs M5 and M6. This requires a pulse transformer T2. When a transformer is used, the control signal is transmitted as an AC waveform. Therefore, it is not possible to directly drive the gates of the synchronous control MOSFETs M5 and M6 with the secondary AC voltage of the pulse transformer T2. Voltage needs to be boosted once.
Therefore, in the circuit of FIG. 5, a circuit having diodes D1 and D2 for clamping and capacitors C2 and C3 for boosting and a circuit for discriminating the level of the boosted signal are provided, and the MOSFETs M5 and M6 for synchronous control are provided. The control structure was adopted.
[0007]
However, in the circuit of FIG. 5, when the control circuit 20 stops the control due to, for example, interruption of the input voltage VIN on the primary side, the control signals OUT-E, OUT-E, as shown in FIGS. Even if the output of OUT-F falls to a low level, charges remain in the boost capacitors C2 and C3. Since there is no path for extracting the electric charge in the circuit of FIG. 5, the gate voltages VG5 and VG6 of the synchronous control MOSFETs M5 and M6 are maintained at a high level as shown in FIGS. , M6 are kept on.
As a result, the LC circuit including the smoothing capacitor CS between the output terminals and the choke coils L1 and L2 in series with the secondary coil of the transformer T1 causes resonance, and the secondary synchronous control MOSFETs M5 and M6 are destroyed. It was also found that a negative voltage was generated between the output terminals during the resonance operation, and a circuit or an IC as a load could be broken by the application of the negative voltage.
[0008]
In the circuit shown in FIG. 5, for example, a control may be considered to prevent the application of an excessive voltage to the load by turning off the synchronous control on the secondary side at a light load or the like. Even if the control signals OUT-E and OUT-F are fixed to a low level in the middle as shown in FIGS. 5A and 5B, electric charges remain in the boost capacitors C2 and C3 in the circuit of FIG. Therefore, the gate voltages VG5 and VG6 of the secondary-side synchronous control MOSFETs M5 and M6 are maintained at a high level, M5 and M6 are kept on, and the secondary coil of the transformer T1 is short-circuited. Therefore, there is a possibility that the primary coil continues to be driven, and that the primary drive MOSFETs M1 to M4 are destroyed and that the primary coil is burned.
[0009]
Further, in the circuit of FIG. 5, the power is transmitted from the primary side coil to the secondary side coil in order to prevent a suddenly large voltage from being applied to a circuit or an IC serving as a load when the power is turned on and to break the elements. Control called so-called soft start for gradually increasing the power to be performed may be performed. In this soft start control, it is conceivable that the primary side coil is driven while the secondary side synchronous control MOSFETs M5 and M6 are turned off.
[0010]
Even in a power supply system employing this method, if the power supply is cut off and turned on again in a short time due to an accident such as an erroneous operation by a user or a lightning strike, the output of the control signals OUT-E and OUT-F is performed by the power cutoff. Is stopped, the charge remains in the boost capacitors C2 and C3, and the gate voltages of the synchronous control MOSFETs M5 and M6 are maintained at a high level and are turned on. When the start is started, the primary coil continues to be driven in a state where the secondary coil of the transformer T1 is short-circuited, causing problems such as destruction of the primary-side driving MOSFETs M1 to M4 and burning of the primary coil. There is a possibility that.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a highly reliable insulated DC which can prevent the synchronous control transistor from being turned on and the control being stopped to prevent the secondary side LC circuit from resonating and destroying the synchronous control transistor. -To provide a DC converter.
Another object of the present invention is to provide a synchronous control MOSFET which is turned on in a case where a control method for turning off the secondary-side synchronous control during a light load or the like so that an excessive voltage is not applied to the load is adopted. The primary coil is continuously driven in a state in which the secondary coil of the transformer T1 is short-circuited, so that the primary-side driving transistor is prevented from being damaged or the primary coil is burnt. An object of the present invention is to provide an isolated DC-DC converter.
[0012]
Still another object of the present invention is to employ a soft start control for driving a primary coil while keeping a secondary synchronous control transistor turned off, in the case of a momentary interruption of power supply or a temporary decrease in power supply. Occurs, the primary-side coil continues to be driven in a state where the synchronous control transistor is turned on and the secondary-side coil of the transformer T1 is short-circuited, and the primary-side drive transistor is destroyed or the primary-side coil is damaged. It is an object of the present invention to provide a highly reliable isolated DC-DC converter capable of avoiding burnout of a DC / DC converter.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a representative invention among the inventions disclosed in the present application will be described as follows.
That is, the present invention relates to an insulation type DC-DC converter having a voltage conversion transformer, wherein a transistor for driving a primary coil of the transformer and a secondary synchronization control transistor are controlled by a common control circuit. A common control circuit is arranged on the secondary side of the transformer to operate by applying a secondary reference potential (secondary ground potential) instead of the primary reference potential (primary ground potential) and to operate the primary control circuit. The driving transistor is configured to supply a control signal via an insulating signal transmission unit.
[0014]
According to the above-described means, since the control circuit is disposed on the secondary side, a control signal for controlling the synchronous control transistor can be directly supplied from the control circuit without passing through the insulating signal transmission means. Therefore, the synchronous control transistor can be turned off when the synchronous rectification control operation is stopped without using the boost circuit, whereby the secondary rectifier circuit is connected in series with the secondary coil of the voltage conversion transformer. When the synchronous control transistor is turned on, the control is stopped while the synchronous control transistor is turned on, and the LC circuit including the choke coil and the smoothing capacitor forming the rectifier circuit on the secondary side causes resonance, and the synchronous control transistor is turned off. Destruction can be prevented.
[0015]
In addition, a power supply device adopting a control method for preventing an excessive voltage from being applied to the load by turning off the secondary side synchronous control at the time of light load or the like, and turning off the secondary side synchronous control MOSFET. In a power supply device that employs soft-start control that drives the primary coil as it is, it is possible to turn off the synchronous control transistor when it is desired to turn off the synchronous control transistor in the event of an instantaneous power interruption or a temporary drop in the power supply. Therefore, it is possible to prevent the primary coil from being driven when the synchronous control MOSFET is turned on and the secondary coil of the transformer is short-circuited.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of an isolated DC-DC converter according to the present invention. In the figure, T1 is a transformer for voltage conversion, 10 is a switching circuit for AC driving the primary coil of the transformer T1, 20 is an integrated control circuit for driving and controlling the switching circuit 10, and 30 is a transformer for the transformer T1. A full-wave rectifier circuit for rectifying the AC voltage induced in the secondary coil and converting it to a DC voltage; 50, an output voltage detection circuit for detecting the voltage level of the converted DC voltage and feeding it back to the control circuit 20; Is a smoothing capacitor for smoothing the voltage rectified by the rectifier circuit 30, and DRV5 and DRV6 drive the synchronous control MOSFETs M5 and M6 constituting the rectifier circuit 30 by receiving the control signals OUT-E and OUT-F from the control circuit. The gate driver circuit 60 receives the input DC voltage of 48 V and receives a DC power supply voltage V such as 12 V necessary for the control circuit 20 and the like. This is an auxiliary power supply circuit including a switching regulator that generates and supplies cc1 and Vcc2. RL represents a circuit or an IC serving as a load as an equivalent resistance.
[0017]
Note that the gate driver circuits DRV5 and DRV6 may be omitted, and the control signals from the control circuit 20 may be used to directly drive the synchronous control MOSFETs M5 and M6. Further, the synchronous control MOSFETs M5 and M6 can be formed on the same semiconductor chip as the control circuit 20.
[0018]
The switching circuit 10 includes N-channel MOSFETs M1, M2 and M3, M4 connected in series between a voltage input terminal VIN to which a DC voltage such as 48 V is applied and a primary-side reference potential (ground potential) GND1. And gate driver circuits DRV1 to DRV4 which are ICs for driving the gate terminals of these switch MOSFETs M1 to M4, respectively.
[0019]
The control circuit 20 sets the secondary-side reference potential GND2 to the ground potential, outputs control signals OUT-A to OUTD at timings shown in FIGS. 2A to 2D, and outputs the control signals OUT-A to OUTD of the switch MOSFETs M1 to M4. When M1 and M4 are turned on or M2 and M3 are turned on, a forward current and a reverse current are alternately supplied to the primary coil of the transformer T1 to perform AC driving.
[0020]
Further, as shown in FIG. 2, the control circuit 20 controls the control signals OUT-A to OUT-D of the drive MOSFETs M1 to M4 of the primary coil of the transformer T1 in accordance with ON / OFF operations. OUT-E and OUT-F are changed to low level to perform synchronous rectification control to turn on and off the secondary-side synchronous control MOSFETs M5 and M6. In the DC-DC converter of this embodiment, the drive MOSFET of the primary coil
The ratio of the ON period to one cycle period of M1 to M4 is 50% at the maximum.
[0021]
In this embodiment, a current sensing transformer T2 is connected in series with the primary coil of the transformer T1, and one end of the secondary coil of the current sensing transformer T2 is connected to the control circuit 20 and the other end is connected to the control circuit 20. Connected to the secondary-side reference potential GND2, the control circuit 20 receives the detection voltage obtained by current-voltage conversion by the transformer T2, and controls the control signal OUT- so that the value of the drive current of the primary coil falls within a desired range. The rise / fall timing and pulse width of A to OUT-D are adjusted. Further, when the control circuit 20 determines that the load has become very light based on the detection voltage of the secondary coil of the current sensing transformer T2, the control circuit 20 stops the secondary side synchronous control of the transformer T1 and performs synchronization. Control for turning off the control MOSFETs M5 and M6 is also performed.
[0022]
Control signals OUT-A to OUT-D output from the control circuit 20 are input to the gate driver circuits DRV1 to DRV4 via pulse transformers T3 and T4. More specifically, each of the pulse transformers T3 and T4 is provided with two secondary coils, and control signals OUT-A and OUT-B are applied to the primary coil of the pulse transformer T3 to control the coil. The signals OUT-C and OUT-D are applied to the primary coil of the pulse transformer T4, and one terminal of the secondary coils TL1 and TL2 of the pulse transformer T3 is connected to the input of the gate driver circuits DRV1 and DRV2. The other terminals of the secondary coils TL3 and TL4 of the pulse transformer T4 are connected to input terminals of the gate driver circuits DRV3 and DRV4.
[0023]
In FIG. 1, the difference between the positions of “•” attached to the coils TL1 (TL3) and TL2 (TL4) is that the coils TL1 (TL3) and TL2 (TL4) have opposite winding directions. Means Thus, by providing two coils TL1, TL2 and TL3, TL4 whose winding directions are opposite to each other on the secondary side, signals having phases opposite to each other can be generated from the same control signal. The switch MOSFETs M1 and M2 and M3 and M4 are simultaneously controlled to be on or off.
[0024]
Further, by transmitting the control signals of the switch MOSFETs M1 to M4 via the pulse transformers T3 and T4 as described above, correct control can be performed even if the reference potential of the switching circuit 10 and the reference potential of the control circuit 20 are insulated. Operation can be performed. Further, in this embodiment, the other terminals of the secondary coils TL1 to TL4 of the pulse transformers T3 and T4 are connected to the source terminals of the corresponding switch MOSFETs M1 to M4. Therefore, the peak values of the gate voltages of the switch MOSFETs M1 to M4 can be set with reference to the source voltage, and the MOSFETs M1 to M4 can be driven so that the drain currents thereof are the same.
[0025]
On the other hand, the ground terminals of the gate driver circuits DRV1 to DRV4 are connected to the source terminals of the corresponding switch MOSFETs M1 to M4, and output from the auxiliary power supply circuit 60 to the power supply voltage terminals of the gate driver circuits DRV1 to DRV4. A voltage of 12 V is supplied through the diode D0 so as to prevent a reverse current from flowing. Further, a capacitor C0 is connected between the power supply voltage terminals of the gate driver circuits DRV1 to DRV4 and the ground terminal, so that the power supply of the gate driver circuits DRV1 to DRV4 does not change even if the source potentials of the MOSFETs M1 to M4 fluctuate. The voltage between the voltage terminal and the ground terminal is kept substantially constant, so that application of a reverse bias voltage is avoided.
[0026]
The control circuit 20 includes a terminal P1 to which the voltage divided by the resistance dividing circuit including the resistors R11 and R12 is input, and a voltage comparison circuit for detecting whether the voltage of the terminal is equal to or higher than a predetermined level. When the input voltage VIN falls below a predetermined level, the driving of the switching MOSFETs M1 to M4 is stopped. Although not shown, the control circuit 20 is provided with a remote control terminal P2 for stopping the primary side drive and the secondary side synchronous control of the transformer T1 by a command signal RMT input from the outside.
[0027]
Further, the control circuit 20 of this embodiment is provided with a soft start circuit 22 for gradually increasing the drive current of the primary side coil at the time of rising of the power supply so as to avoid suddenly supplying a large current to the load. Has been. The soft start circuit 22 includes a circuit for gradually increasing the output voltage, such as an integration circuit including a constant current source and a capacitor charged by the soft current source. Until it reaches, the on-time of the switch MOSFETs M1 to M4 is gradually increased, that is, control is performed so that the current of the primary coil of the transformer T1 gradually increases.
[0028]
Although not particularly limited, in this embodiment, during the soft start control, the signals OUT-E and OUT-F for turning on and off the secondary-side synchronous control MOSFETs M5 and M6 are set to low level. Fix it. This control is performed, for example, by controlling a buffer circuit that outputs control signals OUT-E and OUT-F with a signal output from the soft start circuit 22 at the time of soft start, and fixing the output to a low level. It can be realized by taking.
[0029]
In this embodiment, the full-wave rectifier circuit 30 includes choke coils L1 and L2 connected between both terminals of the secondary coil of the transformer T1 and one output terminal VOUT (+), respectively. Synchronous control MOSFETs M5 and M6 connected between both terminals of the secondary coil and the other output terminal VOUT (-), respectively.
[0030]
The full-wave rectifier circuit 30 of this embodiment is configured such that when an AC voltage is induced in the secondary coil by the AC drive of the primary coil, a current flows through the secondary coil from top to bottom in FIG. When a current flows from the bottom to the top through the choke coil L2 and the secondary side coil, rectification is performed by flowing the current to the output terminal VOUT (+) through the choke coil L1, and the rectification is performed. A DC voltage corresponding to the winding ratio of the secondary coil is generated.
[0031]
Even if the choke coils L1 and L2 and the synchronous control MOSFETs M5 and M6 are replaced with diodes, they can function as a full-wave rectifier circuit. The reason why the synchronous control MOSFETs M5 and M6 are used instead of the diode is to reduce the occurrence of loss in the forward voltage of the diode. The present invention is effective when applied to the case where one of the synchronous control MOSFETs M5 and M6 is present. For example, when M5 is a MOSFET, a diode may be used instead of M6 and L1 and L2. Good.
[0032]
The output voltage detection circuit 50 is configured by a resistance dividing circuit including resistors R3 and R4 connected in series between output terminals VOUT (+) and VOUT (-), and the output voltage is determined by the resistance ratio of the resistors R3 and R4. Is supplied to the control circuit 20, and the control circuit 20 can determine whether an output voltage equal to or higher than a desired level is generated by comparing the reference voltage with an internal voltage comparison circuit. .
[0033]
In the DC-DC converter of this embodiment, when the control signals OUT-E and OUT-F are both fixed to low level during power cutoff or light load, the outputs of the gate driver circuits DRV5 and DRV6 are both set to low level. Immediately, the synchronous control MOSFETs M5 and M6 are turned off. As a result, it is possible to prevent the choke coils L1 and L2 of the rectifier circuit and the smoothing capacitor CB from performing a resonance operation.
[0034]
Further, when a control method for turning off the secondary-side synchronous control at the time of light load or the like to prevent an excessive voltage from being applied to the load is employed, or when the secondary-side synchronous control MOSFET is kept off, Soft start control for driving the next side coil is employed, and in the case where the power supply is momentarily cut off or the power supply temporarily drops, the synchronous control is performed immediately when the control signals OUT-E and OUT-F are changed to the low level. Since the MOSFETs M5 and M6 are turned off, the synchronous control MOSFET is turned on and the primary coil continues to be driven while the secondary coil of the transformer T1 is short-circuited, and the primary drive MOSFET is destroyed. Or the primary coil is not burned.
[0035]
Further, as is apparent from comparison with the circuit of FIG. 5, the DC-DC converter of this embodiment has a pulse transformer for transmitting the control signals OUT-E and OUT-F, a boost capacitance for boosting the level of the detected signal, and the like. Is unnecessary, the circuit on the secondary side is simplified. Further, since a voltage comparison circuit for detecting the output level and a photocoupler for feeding back the detected level to the control circuit 20 are not required, there is an advantage that the number of parts is reduced and the system can be configured at low cost.
[0036]
FIG. 3 shows a configuration example of the auxiliary power supply circuit 60. As shown in FIG. 3, the auxiliary power supply circuit 60 of this embodiment includes a transformer T0, a synchronization control transistor Q0 connected in series with a primary coil of the transformer T0, and a transistor Q0 turned on. And a switching regulator having a pulse generation circuit PLG that performs off control.
[0037]
The difference from a normal switching regulator is that the transformer T0 has two secondary coils TL11 and TL12 having a common core, and one end of the coil TL11 is connected to an output terminal OUT1 via a diode D11 and to another output terminal OUT1. The terminal is connected to the primary-side reference voltage GND1, one end of the coil TL12 is connected to the output terminal OUT2 via the diode D12, and the other end is connected to the secondary-side reference voltage GND2. By providing the reference voltages separately in this manner, electrical insulation between the primary side circuit and the secondary side circuit is ensured even in the auxiliary power supply circuit 60.
[0038]
FIG. 4 shows a configuration example of the power supply system of the gate driver circuits DRV5 (DRV6) and the power supply system of the buffer circuit BFF of the control circuit 20 that outputs the control signals OUT-E and OUT-F. . As shown in FIG. 4, the control circuit 20 receives an internal power supply voltage Vcci such as 5 V necessary for the operation of the internal logic circuit 23 from a voltage Vcc2 such as 12 V supplied from the auxiliary power supply circuit 60. An internal power supply circuit 24 for generating is provided, and the buffer circuit BFF operates with the internal power supply voltage Vcci. The internal power supply voltage Vcci is output to the outside of the chip as a reference voltage Vref.
[0039]
The internal power supply circuit 24 includes a transistor Q1 and resistors R21 and R22 connected in series between a terminal to which a 12V external power supply voltage Vcc2 is applied and a terminal to which a secondary-side reference voltage GND2 is applied; The differential amplifier AMP controls the base voltage of the transistor Q1 by comparing the potential of the connection node between R21 and R22 with a constant voltage such as 2.5V. On the other hand, the external gate driver circuit DRV5 (DRV6) is configured to operate using the reference voltage GND2 as the ground potential and the constant voltage VB1 such as 5V as the power supply voltage.
[0040]
Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the spirit of the invention. Nor. For example, in the above embodiment, the control circuit 20 has been described as including the soft start circuit 22, but the present invention can be applied to a case where the control circuit 20 does not include the soft start circuit. Further, the gate driver circuits DRV1 to DRV4 constituting the switching circuit 10 may be omitted, and the switch MOSFETs M1 to M4 may be directly driven by the induced voltages of the secondary coils of the pulse transformers T3 and T4. good.
[0041]
Furthermore, in the embodiment, a pulse transformer was used for signal transmission to control the circuits on each side while maintaining insulation between the primary side and the secondary side, but a photocoupler was used instead of the pulse transformer. The signal may be transmitted between the primary side and the secondary side.
[0042]
【The invention's effect】
The following is a brief description of an effect obtained by a representative one of the inventions disclosed in the present application.
That is, according to the present invention, since the control circuit is arranged on the secondary side, a control signal for controlling the synchronous control transistor can be directly supplied from the control circuit without passing through the insulating signal transmission means. Therefore, the synchronous control transistor can be turned off when the synchronous rectification control operation is stopped without using the boost circuit, whereby the secondary rectifier circuit is connected in series with the secondary coil of the voltage conversion transformer. When the synchronous control transistor is turned on, the control is stopped while the synchronous control transistor is turned on, and the LC circuit including the choke coil and the smoothing capacitor forming the rectifier circuit on the secondary side causes resonance, and the synchronous control transistor is turned off. A highly reliable isolated DC-DC converter that can be prevented from being broken can be realized.
[0043]
In addition, when the present invention is applied, since the synchronous control transistor can be reliably turned off when it is desired to turn off, an excessive voltage is not applied to the load by turning off the secondary-side synchronous control at a light load or the like. When the control method is adopted, the soft start control that drives the primary coil while the secondary synchronous control MOSFET is turned off is adopted, and instantaneous interruption of power supply or temporary decrease of power supply occurs. In this case, the primary control coil continues to be driven in a state where the synchronous control MOSFET is turned on and the secondary coil of the transformer T1 is short-circuited, and the primary drive MOSFET is destroyed or the primary coil is disconnected. It is possible to realize a highly reliable isolated DC-DC converter and a power supply control IC that are not likely to be burned.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of an insulation type DC-DC converter according to the present invention.
FIG. 2 is a waveform chart showing voltage waveforms of a drive control signal of a primary coil and a secondary synchronization control signal in the insulated DC-DC converter of the embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration example of an auxiliary power supply circuit used in the insulated DC-DC converter according to the embodiment;
FIG. 4 is a circuit configuration diagram showing a configuration of an output circuit of a synchronous control signal of a control circuit constituting the isolated DC-DC converter of the embodiment, a power supply circuit thereof, and a power supply system of a gate driver circuit.
FIG. 5 is a circuit diagram showing an insulation type DC-DC converter studied prior to the present invention.
6 is a waveform diagram showing a drive control signal of a primary coil, a secondary synchronization control signal, and a voltage waveform of each part in a synchronous MOS drive circuit in the isolated DC-DC converter of FIG. 5;
FIG. 7 is a waveform diagram showing voltage waveforms of various parts in the reset circuit and the synchronous MOS drive circuit when both the synchronous control signals in the insulated DC-DC converter of FIG. 5 are changed to low level.
[Explanation of symbols]
10 Switching circuit 20 Control circuit (IC)
Reference Signs List 21 power supply level detection circuit 22 soft start circuit 30 rectification circuit 50 output level detection circuit T1 voltage conversion transformer T2, T3 signal transmission pulse transformer CB smoothing capacitors L1, L2 rectification choke coil

Claims (13)

電圧変換用トランスと、
該トランスの1次側コイルに流れる電流をスイッチングして交流駆動するスイッチング回路と、
前記トランスの2次側コイルの一方の端子と基準電位端子との間に接続され前記スイッチング回路のスイッチング動作と同期してオン、オフ制御される同期制御用トランジスタを含み、該同期制御用トランジスタのオン期間の割合が50%以上となるように制御されて2次側コイルに流れる電流を整流して直流電圧を出力する整流回路と、
該整流回路で整流された電圧を平滑する容量素子と、
前記スイッチング回路を制御する第1制御信号および前記同期制御用トランジスタをオン、オフ制御する第2制御信号を生成する制御回路と、
を備え、前記制御回路で生成された前記第1制御信号が絶縁型信号伝達手段を介して前記スイッチング回路へ供給されるように構成され、前記電圧変換用トランスの1次側の回路の基準電位と2次側の回路の基準電位とが絶縁され、前記制御回路は2次側の基準電位を動作基準として動作するようにされてなることを特徴とする絶縁型電源装置。
Transformer for voltage conversion,
A switching circuit that switches an electric current that flows through a primary coil of the transformer to perform AC driving;
A synchronous control transistor connected between one terminal of a secondary coil of the transformer and a reference potential terminal and controlled to be turned on and off in synchronization with a switching operation of the switching circuit; A rectifier circuit that rectifies a current flowing through the secondary coil and outputs a DC voltage by controlling the ratio of the ON period to be 50% or more;
A capacitor for smoothing the voltage rectified by the rectifier circuit;
A control circuit for generating a first control signal for controlling the switching circuit and a second control signal for controlling on / off of the synchronous control transistor;
Wherein the first control signal generated by the control circuit is supplied to the switching circuit via an insulation type signal transmission means, and a reference potential of a circuit on a primary side of the voltage conversion transformer is provided. And a reference potential of a secondary-side circuit is insulated, and the control circuit operates using the secondary-side reference potential as an operation reference.
電圧変換用トランスと、
該トランスの1次側コイルに流れる電流をスイッチングして交流駆動するスイッチング回路と、
前記トランスの2次側コイルと直列に接続されたチョークコイルおよび2次側コイルの一方の端子と基準電位端子との間に接続され前記スイッチング回路のスイッチング動作と同期してオン、オフ制御される同期制御用トランジスタを含み2次側コイルに流れる電流を整流して直流電圧を出力する全波整流回路と、
該全波整流回路で整流された電圧を平滑する容量素子と、
前記スイッチング回路を制御する第1制御信号および前記同期制御用トランジスタをオン、オフ制御する第2制御信号を生成する制御回路と、
を備え、前記制御回路で生成された前記第1制御信号が絶縁型信号伝達手段を介して前記スイッチング回路へ供給されるように構成され、前記電圧変換用トランスの1次側の回路の基準電位と2次側の回路の基準電位とが絶縁され、前記制御回路は2次側の基準電位を動作基準として動作するようにされてなることを特徴とする絶縁型電源装置。
Transformer for voltage conversion,
A switching circuit that switches an electric current that flows through a primary coil of the transformer to perform AC driving;
A choke coil connected in series with the secondary coil of the transformer and connected between one terminal of the secondary coil and a reference potential terminal are turned on and off in synchronization with the switching operation of the switching circuit. A full-wave rectifier circuit including a synchronous control transistor and rectifying a current flowing through the secondary coil to output a DC voltage;
A capacitive element for smoothing the voltage rectified by the full-wave rectifier circuit;
A control circuit for generating a first control signal for controlling the switching circuit and a second control signal for controlling on / off of the synchronous control transistor;
Wherein the first control signal generated by the control circuit is supplied to the switching circuit via an insulation type signal transmission means, and a reference potential of a circuit on a primary side of the voltage conversion transformer is provided. And a reference potential of a secondary-side circuit is insulated, and the control circuit operates using the secondary-side reference potential as an operation reference.
前記スイッチング回路は、電源電圧端子と前記トランスの一次側コイルの第1端子との間に接続された第1MOSトランジスタと、前記トランスの一次側コイルの第1端子と基準電位端子との間に接続された第2MOSトランジスタと、前記電源電圧端子と前記トランスの一次側コイルの第2端子との間に接続された第3MOSトランジスタと、前記トランスの一次側コイルの第2端子と基準電位端子との間に接続された第4MOSトランジスタとからなり、前記第1MOSトランジスタと第4MOSトランジスタは同時にオンする期間があり、前記第2MOSトランジスタと第3MOSトランジスタは同時にオンする期間があり、前記基準電位端子には1次側基準電位が印加されていることを特徴とする請求項1または2に記載の絶縁型電源装置。A first MOS transistor connected between a power supply voltage terminal and a first terminal of a primary coil of the transformer; and a switching circuit connected between a first terminal of the primary coil of the transformer and a reference potential terminal. A second MOS transistor, a third MOS transistor connected between the power supply voltage terminal and a second terminal of the primary coil of the transformer, and a second terminal of the primary coil of the transformer and a reference potential terminal. A fourth MOS transistor connected between the first MOS transistor and the fourth MOS transistor; a period during which the first MOS transistor and the fourth MOS transistor are simultaneously turned on; a period during which the second and third MOS transistors are simultaneously turned on; 3. The insulated electrode according to claim 1, wherein a primary-side reference potential is applied. Apparatus. 前記第1〜第4MOSトランジスタのゲート端子には、前記制御回路から出力される制御信号を受けて対応するトランジスタをオン、オフ駆動するドライバ回路がそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項3に記載の絶縁型電源装置。4. A driver circuit that receives a control signal output from the control circuit and turns on and off the corresponding transistor in response to a gate terminal of the first to fourth MOS transistors, respectively. 4. The insulated power supply device according to claim 1. 前記電源電圧端子に印加された電圧に基づいて前記制御回路および前記ドライバ回路の動作に必要な電源電圧を生成する補助電源回路を備え、該補助電源回路は、前記ドライバ回路の動作に必要な電源電圧を生成する第1電圧変換回路と、前記制御回路の動作に必要な電源電圧を生成する第2電圧変換回路とを有し、前記第1電圧変換回路は1次側基準電位を基準に動作し、前記第2電圧変換回路は2次側基準電位を基準に動作することを特徴とする請求項4に記載の絶縁型電源装置。An auxiliary power supply circuit that generates a power supply voltage required for the operation of the control circuit and the driver circuit based on a voltage applied to the power supply voltage terminal, wherein the auxiliary power supply circuit includes a power supply required for an operation of the driver circuit. A first voltage conversion circuit that generates a voltage; and a second voltage conversion circuit that generates a power supply voltage required for operation of the control circuit, wherein the first voltage conversion circuit operates based on a primary-side reference potential. 5. The insulated power supply device according to claim 4, wherein the second voltage conversion circuit operates based on a secondary-side reference potential. 前記第2制御信号を受けて前記同期制御用トランジスタをオン、オフ駆動するドライバ回路を備え、該ドライバ回路は1次側基準電位を基準に動作するように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の絶縁型電源装置。A driver circuit for turning on and off the synchronous control transistor in response to the second control signal, the driver circuit being configured to operate based on a primary-side reference potential. Item 6. The insulated power supply device according to any one of Items 1 to 5. 前記絶縁型信号伝達手段は、パルス・トランスであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の絶縁型電源装置。7. The insulated power supply device according to claim 1, wherein said insulated signal transmission means is a pulse transformer. 前記制御回路は、前記トランスの1次側コイルに流れる電流の大きさに基づいて軽負荷状態を判定し、該軽負荷状態では前記同期制御用トランジスタを制御する制御信号の出力を停止したまま前記スイッチング回路を制御する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1〜7のいずれかに記載の絶縁型電源装置。The control circuit determines a light load state based on a magnitude of a current flowing through a primary coil of the transformer, and in the light load state, stops outputting a control signal for controlling the synchronous control transistor. The insulated power supply device according to any one of claims 1 to 7, configured to output a signal for controlling a switching circuit. 前記制御回路は、前記同期制御用トランジスタを制御する制御信号の出力を停止したまま電源投入時に前記トランスの1次側コイルに流れる電流を徐々に増加させるように前記スイッチング回路を制御する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1〜8のいずれかに記載の絶縁型電源装置。The control circuit outputs a signal for controlling the switching circuit so as to gradually increase the current flowing through the primary coil of the transformer when the power is turned on while stopping the output of the control signal for controlling the synchronization control transistor. The insulated power supply device according to any one of claims 1 to 8, wherein the insulated power supply device is configured to perform the following operations. 前記整流回路は、前記トランスの2次側コイルと直列に接続されたチョークコイルを有することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の絶縁型電源装置。The insulated power supply device according to any one of claims 1 to 9, wherein the rectifier circuit includes a choke coil connected in series with a secondary coil of the transformer. 電圧変換用トランスと、
該トランスの1次側コイルに流れる電流をスイッチングして交流駆動するスイッチング回路と、
前記トランスの2次側コイルと直列に接続されたチョークコイルおよび2次側コイルの一方の端子と基準電位端子との間に接続され前記スイッチング回路のスイッチング動作と同期してオン、オフ制御される同期制御用トランジスタを含み2次側コイルに流れる電流を整流して直流電圧を出力する全波整流回路と、
該全波整流回路で整流された電圧を平滑する容量素子と、
を含む電源装置に用いられる半導体集積回路であって、
前記スイッチング回路を制御する第1制御信号および前記同期制御用トランジスタをオン、オフ制御する第2制御信号を生成する制御回路と、前記同期制御用トランジスタとが同一チップ上に形成されてなることを特徴とする電源制御用半導体集積回路。
Transformer for voltage conversion,
A switching circuit that switches an electric current that flows through a primary coil of the transformer to perform AC driving;
A choke coil connected in series with the secondary coil of the transformer and connected between one terminal of the secondary coil and a reference potential terminal are turned on and off in synchronization with the switching operation of the switching circuit. A full-wave rectifier circuit including a synchronous control transistor and rectifying a current flowing through the secondary coil to output a DC voltage;
A capacitive element for smoothing the voltage rectified by the full-wave rectifier circuit;
A semiconductor integrated circuit used for a power supply device including:
A control circuit for generating a first control signal for controlling the switching circuit and a second control signal for controlling ON / OFF of the synchronous control transistor, and the synchronous control transistor are formed on the same chip. Characteristic semiconductor integrated circuit for power supply control.
前記トランスの2次側コイルの一方の端子と基準電位端子との間と、前記2次側コイルの他方の端子と基準電位端子との間にそれぞれ同期制御用トランジスタが設けられ、これらの同期制御用トランジスタは前記制御回路からの制御信号によって交互にオフ状態されるように構成されていることを特徴とする請求項11に記載の電源制御用半導体集積回路。Synchronous control transistors are provided between one terminal of a secondary coil of the transformer and a reference potential terminal and between the other terminal of the secondary coil and a reference potential terminal, respectively. The power supply control semiconductor integrated circuit according to claim 11, wherein the power transistors are alternately turned off by a control signal from the control circuit. 前記同期制御用トランジスタは、そのオン期間の1サイクル期間に占める割合が50%以上となるように制御されることを特徴とする請求項11または12に記載の電源制御用半導体集積回路。13. The semiconductor integrated circuit for power control according to claim 11, wherein the synchronization control transistor is controlled so that a ratio of an ON period to one cycle period is 50% or more.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114280437A (en) * 2021-12-27 2022-04-05 阳光电源股份有限公司 Generator insulation detection device and method and wind power generation system

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