CN102281008B

CN102281008B - Dc-dc变换器

Info

Publication number: CN102281008B
Application number: CN201110163040.4A
Authority: CN
Inventors: 饴井俊裕
Original assignee: SMK Corp
Current assignee: SMK Corp
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: JP5488230B2; JP2011259650A; CN102281008A

Abstract

本发明提供一种能够向连接在输出侧的负载传达连接了不合适的DC-DC变换器的情况的DC-DC变换器。与高压侧输出线和低压侧输出线中的某一个串联地设置分流电阻，向负载输出表示分流电阻两端的电位差的电压信号。

Description

DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及对直流输入电压进行变换，向在一对输出线之间连接的负载输出稳定的直流输出电压的DC-DC变换器，更详细地说，涉及从DC-DC变换器一侧输出在负载中流动的输出电流的电流值的DC-DC变换器。

背景技术

DC-DC变换器作为把不稳定的直流输入电压变换为稳定的预定输出电压的变换器，用于移动电话、便携音乐播放器等便携电子设备的充电器或AC适配器中。

图4表示现有的DC-DC变换器中的绝缘回扫型DC-DC变换器100的一例(专利文献1)，在图中，1a是直流电源的高压端子，1b是低压端子，2a是变压器2的一次线圈，2b是变压器2的二次输出线圈。

间歇振荡元件3对于变压器2的一次线圈2a和直流电源1串联地连接。通常，间歇振荡元件3按照一定的频率连续动作，以使一次线圈2a和低压端子1b之间断开接通，在正在对控制端子3a输入流过恒定的电流的停止控制信号的期间，在将一次线圈2a和低压端子1b之间切断的状态下停止。

39是与设置在后述的输出侧的光耦合发光元件35进行光耦合的光耦合受光元件，连接在间歇振荡元件3的控制端子3a和直流电源1的低压端子1b之间。

在变压器2的二次侧(输出侧)设置构成整流平滑电路的整流用二极管4和平滑电容器13，对二次输出线圈2b的输出进行整流平滑，在高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间输出。

在一对输出线20a、20b之间设置有输出监视电路，其由监视该输出电压和输出电流，在某一个超过了在预定值中设定的设定电压或设定电流时，使图中的光耦合发光元件35发光的电压监视电路和电流监视电路构成。

设定了断开接通动作的频率和值日(on duty)，以便在上述的间歇振荡元件3连续动作期间，在高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间发生的输出功率和输出电流缓缓地上升。在高压侧输出线20和低压侧输出线20b之间连接了负载的状态下，当上升的输出电压超过了设定电压时，在误差放大器33a的反相输入端子输入的分压电阻30、31的中间抽头32的电位也上升，反相放大与电压监视用基准电源34a的第一比较电压的电位差，成为超过光耦合发光元件35的发光阈值的电位。

此外，还在由于连接在高压侧输出线20和低压侧输出线20b之间的负载而输出电流超过设定电流而上升时，与低压侧输出线20b串联连接的电流检测用电阻43的输出电流引起的电压降增加，在误差放大器33b的反相输入端子输入的电压上升，反相放大与电流监视用基准电源34b的第二比较电压的电位差，成为超过光耦合发光元件35的发光阈值的电位。

结果，只有在输出电压或输出电流中的某一个超过设定电压或设定电流时，光耦合发光元件35持续发光，表示超过这些值的极限信号连续地输出给光耦合受光元件39。

在光耦合受光元件39接收来自光耦合发光元件35的极限信号的期间，因为从间歇振荡元件3的控制端子3a向直流电源1的低压端子1b流过恒定的电流，所以成为在控制端子3a连续地输入停止控制信号的状态。在该期间间歇振荡元件3的断开接通动作停止，在变压器3的一次线圈2a中流过的电流被切断，在变压器的二次输出线圈2b中积蓄的励磁能量被负载渐渐地消耗，所以超过设定电压或设定电流的输出电压或输出电流减小，成为设定电压或设定电流以下。

结果，光耦合发光元件35停止发光，光耦合受光元件39不接收极限信号，所以间歇振荡元件3再次连续重复断开接通动作，进行把输出电压和输出电流分别作为设定电压和设定电流的恒压控制和恒流控制。

此外，还公知在由于一对输出线之间的输出电压由于某种原因超过设定电压使其动作停止时，向负载输出异常动作信号的DC-DC变换器(专利文献2)。

【专利文献1】日本特许第3391774号公报

【专利文献2】日本特开2005-323437号公报

发明内容

这种现有的DC-DC变换器作为充电器或AC适配器，与适合其输出额定的作为负载的电子设备连接来使用，但近年来的电子设备采用经由一般的USB(Universal Serial Bus通用串行总线)连接器与充电器或AC适配器连接的结构，所以有可能与不恰当的DC-DC变换器误连接。当与输出额定超过了负载的消耗功率的DC-DC变换器误连接时，从负载侧使DC-DC变换器的动作停止，或者因为没有控制其动作的单元，必须在负载的内部消耗剩余电力，产生异常发热导致的烧伤或发生火灾的危险。

无论是否预测这样的问题，在以专利文献1记载的DC-DC变换器为代表的现有的DC-DC变换器中，不具有在连接了不恰当的负载时向负载侧输出该误连接状态的输出单元，在专利文献2中记载的DC-DC变换器中也只是向负载侧输出自身的异常动作，而不具备在进行额定输出的正常动作的同时把可能产生上述危险的误连接传递到负载一侧的单元。

另一方面，考虑在负载一侧，在与DC-DC变换器的输出线连接的内部配线上串联连接了与图4的电流检测用电阻43相当的分流电阻，在由于该电压降DC-DC变换器的输出电流与额定电流不同时，向显示部显示DC-DC变换器的误连接，向使用者进行警告的方法。但是，一般在作为充电器把DC-DC变换器向负载连接时，输出电流(充电电流)增大1A左右，无法无视在负载内部连接的分流电阻的电压降，负载内部的电池等通过不足进行恒压输出控制的DC-DC变换器的输出电压的电压进行充电，产生充电电压不足的问题。特别是在锂离子电池时，需要严格地管理充电电压来进行充电，即使把DC-DC变换器侧的输出电压进行恒压控制为设定电压，由于输出电流的变化充电电压变动，所以在实用方面难以像上述那样，在负载侧监视输出电流并检测与不恰当的DC-DC变换器的连接。

此外，负载内部的各电路一般把接地电位(level)的DC-DC变换器的低压侧输出线20b的电位作为基准电位进行动作，所以因表示输出电流的图4的电流检测电阻43引起的电压降通过负极性进行表示，即使向负载侧输出也无法通过通常的负载侧比较电路检测。像通过正极性表示电流检测用电阻43引起的电压降那样，当把电流检测用电阻43与高压侧输出线20a串联连接时，针对输出电压表示输出电流的分流电阻的电压降小，所以受到输出电压变动的影响，存在无法高精度地检测输出电流的问题，结果，妨碍从DC-DC变换器一侧向负载传递输出电流的值。

本发明是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于提供一种DC-DC变换器，其能够向连接在输出侧的负载传达连接了不恰当的DC-DC变换器的情况。

此外，本发明的目的在于，通过简单的结构提供通过正极性向负载输出表示输出电流的电压信号，能够通过负载侧的比较电路进行检测的DC-DC变换器。

为了达成上述目的，权利要求1记载的DC-DC变换器，具备：开关元件，其与直流电源串联连接；电感器，其通过开关元件的断开接通动作使来自直流电源的电流断开和连接，把直流电源的输入电压变换为不同的直流输出电压并输出到与负载连接的一对高压侧输出线和低压侧输出线之间；以及恒压控制电路，其根据高压侧输出线与低压侧输出线之间的输出电压对开关元件进行断开接通控制，对输出电压进行恒压控制，该DC-DC变换器的特征在于，与高压侧输出线和低压侧输出线中的某一个串联地设置分流电阻，向负载输出表示分流电阻两端的电位差的电压信号。

向负载输出的电压信号表示在串联连接了分流电阻的高压侧输出线或低压侧输出线中流过的输出电流，在负载一侧使向内部负载的电压不变动，可以根据输入的电压信号检测DC-DC变换器的输出电流。

此外，权利要求2记载的DC-DC变换器，与低压侧输出线串联设置分流电阻，在高压侧输出线与和分流电阻的输入侧连接的低压侧输出线之间，串联连接一方与高压侧输出线连接的缓冲电阻和产生比分流电阻的两端的电位差高的恒压的恒压电路元件，从恒压电路元件与缓冲电阻的串联连接点输出电压信号。

把与负载连接的低压侧输出线的电位作为基准电位，通过与在低压侧主力线中流过的输出电流成比例的负极性的电位表示分流电阻的输入侧的电位，经由恒压电路元件从恒压电路元件和缓冲电阻的串联连接点输出的电压信号通过正极性表示在负载中流过的输出电流。

恒压电路元件产生不依赖于输出电压的变动的恒压，根据该输出电压的变动缓冲电阻的电压变化。

此外，权利要求3的DC-DC变换器的特征为：恒压电路元件是分路调整器。

分路调整器与负载并联连接，产生不依赖于对负载输出的直流输出电压的变动的恒压，在数V的直流输出电压以下，能够容易地生成分流电阻的两端的电位差以上的恒压。

此外，权利要求4记载的DC-DC变换器的特征为：还具备恒流控制电路，基于根据分流电阻两端的电位差检测出的在低压侧输出线中流过的输出电流对开关元件进行断开接通控制，对所述输出电流进行恒流控制。

把为了输出正极性的电压信号而使用的分流电阻用于恒流控制电路的电流检测用电阻。

根据权利要求1的发明，可以使向负载的电池的充电电压不降低或者不变动地，检测在负载侧连接的DC-DC变换器的输出电流。

在负载侧可以根据DC-DC变换器的输出电流，检测与不同的额定输出的DC-DC变换器的误连接，通过唤起使用者的注意，能够提前防止负载的异常发热的危险。

根据权利要求2的发明，从DC-DC变换器输出的电压信号相对于低压侧输出线的基准电压，通过正极性表示在负载中流过的输出电流，所以通过以低压侧输出线的电位作为基准电位进行动作的负载侧的通常的比较电路，可以容易地检测从DC-DC变换器输出的输出电流。

分流电阻与低压侧输出线串联连接，所以表示把低压侧输出线的电位作为基准电位进行比较的输出电流的电位不对输出电压的变动产生影响地，可以高精度地检测输出电流。

根据权利要求3的发明，可以作为用于从输出电压为数V，输出电流为1A左右的额定的DC-DC变换器，输出正极性的电压信号的恒压电路元件使用。

根据权利要求4的发明，因为可以把恒流控制电路的电流检测用电阻作为分流电阻使用，所以仅通过连接恒压电路元件和缓冲电阻，便可以向负载连接表示输出电流的正极性的电压信号。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的DC-DC变换器10的概要的电路图。

图2是本发明的第二实施方式的DC-DC变换器50的电路图。

图3是把双极晶体管60作为恒压电路元件使用的DC-DC变换器70的电路图。

图4是表示现有的DC-DC变换器100的电路图。

符号说明

1直流电源；2a变压器的一次线圈(电感)；2b变压器的二次线圈(电感)；3间歇振荡元件(开关元件、恒压控制电路)；7分路调整器(恒压电路元件)；8缓冲电阻；10、50、70、DC-DC变换器；11分流电阻；20a高压侧输出线；20b低压侧输出线；60晶体管(恒压电路元件)

具体实施方式

以下参照图1说明本发明一个实施方式的DC-DC变换器10。本实施方式的DC-DC变换器10与图4所示的现有的回扫型的DC-DC变换器100的结构基本相同，在现有的DC-DC变换器100中设置了恒压电路元件7和缓冲电阻8。因此，对于与现有的DC-DC变换器100通用的电路以及电路元件赋予相同的编号，并省略其详细的说明。在DC-DC变换器10中还具备恒压控制电路的电压监视电路、交流负反馈元件，但是在图1中省略了它们的结构的图示。

在本实施方式中，说明DC-DC变换器10与100V的商用交流电源连接，并且将其内置在通过5V、1A的额定输出对作为负载的移动电话40进行充电的充电器中。因此，1是对100V的商用交流电源进行整流得到的电压可能变动的不稳定的直流电源，其高压端子1a与低压端子1b之间的直流输入电压成为141V。2a是变压器2的一次线圈，2b是变压器2的二次输出线圈，对于间隙振荡元件3和直流电源1串联连接了一次线圈2a。

间歇振荡元件3内置了振荡器以及控制该振荡器的振荡以及停止的控制元件、以及使变压器2的一次线圈2a的电流断开和连接的开关元件，控制元件通常进行动作以便按照从发送器输出的恒定的频率对开关元件进行断开接通控制，在对控制端子3a输入流过恒定电流的停止控制信号的期间，停止振荡器的振荡，对开关元件进行断开控制。

在间歇振荡元件3的控制端子3a与直流电源1的低压端子1b之间，连接了与在变压器2的二次侧设置的光耦合发光元件35进行光耦合的光耦合受光元件39，把从变压器2的二次侧向负载40输出的输出电压和输出电流的信号向绝缘的变压器2的一次侧反馈，控制间歇振荡元件3的间歇振荡动作。

变压器2的二次输出线圈2b的两端连接在与负载40连接的高压侧输出线20a和低压侧输出线20b，通过与高压侧输出线20a串联连接的整流用二极管4以及与二次输出线圈2b并联连接的平滑电容器13构成的整流平滑电路来对在二次输出线圈2b中产生的输出进行整流平滑，然后输出到高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间。14是用于针对负载40的负载变动，得到输出电压的稳定的电容器，但不是必需的。

在一对输出线20a、20b之间设置有输出监视电路，其由监视该输出电压和输出电流，在某一个超过了预定的设定电压或设定电流时，使图中的光耦合发光元件35发光的电压监视电路和电流监视电路构成，如上所述，省略了电压监视电路的图示和其说明。

电流监视电路在低压侧输出线20b上串联连接了分流电阻11，把分流电阻11的输出侧一端输入给误差放大器33b的反相输入端子，把输入侧另一端经由电流监视用基准电源34b输入给非反相输入端子。由此，在低压侧输出线20b中流过的输出电流由并联电阻11的两端的电位差表示，通过误差放大器33与电流监视用基准电源34b的第二比较电压进行比较，判定是否超过了预定的设定电流。

通过变更分流电阻11的电阻值或电流监视用基准电源34b的第二比较电压，可以把成为对输出电流进行恒流控制的目标值的设定电流设定为任意的值。另一方面，因为在分流电阻11中流过输出电流，所以在分流电阻11中使用小电阻值的电阻，在此，为了把输出电流恒流控制为1A，把设定电流设为1A，使用电阻值为0.3Ω的分流电阻11和0.3V的电流监视用基准电源34b。

在误差放大器33b的输出侧连接光耦合发光元件35，光耦合发光元件35经由电阻36与高压侧输出线20a连接，接受驱动电源的供给。因此，在低压侧输出线20b中流过的输出电流超过设定电流的期间，光耦合发光元件35连续发光，通过发光，把表示超过了设定电流的极限信号输出给光耦合受光元件39。

在分流电阻11的输入侧的低压侧输出线20b上连接有成为恒压电路元件的分路调整器7的低压侧，分路调整器7的另一侧的高压侧经由缓冲电阻8与高压侧输出线20a连接。分路调整器7是与流过的电流无关地、在其两端产生恒定电位差的电路元件，使用其电位差大于流过输出电流的分流电阻11的电位差、产生比进行恒压控制的输出电压小的恒定电位的恒压电路元件。在此，使用相对于低压侧高压侧的电位成为+1.25V的分路调整器，以便在输出电压为5V以下的状态下进行动作，至少在输出电流为4A以下的状况下，高压侧的电位成正极性的电位。

通过恒压控制电路对高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间的输出电压进行恒压控制，但是因为存在因负载的变动或输入电压的变化导致的临时的变动，所以在缓冲电阻8中流过的电流变化，其电压降伴随着输出电压的变动而变化，由此把串联连接的分路调节器7的电位差保持为恒定的电位差。

分路调整器7与缓冲电阻8的串联连接点经由信号线D与负载40连接，把分路调整器7的高压侧的电位作为电压信号向负载40输出。

关于如此构成的DC-DC变换器10的动作，在高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间的输出电压以及在这些输出线中流过的输出电流没有超过预定的设定电压和设定电流的期间，间歇振荡元件3按照恒定的周期进行振荡，在二次输出线圈2b中产生的输出功率或输出电流上升。

通过在高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间连接的负载40，当在分流电阻11中流过的输出电流超过了设定电流时，在误差放大器33b的反相输入端子输入的电压超过电流监视用基准电源34b的第二比较电压，与第二比较电压的电位差被反相增大，成为超过了光耦合发光元件35的发光阈值的电位。

仅在输出电流超过了设定的设定电流时，光耦合发光元件35持续发光，连续地向光耦合受光元件39输出表示超过了这些值的极限信号。光耦合受光元件39在接收来自光耦合发光元件35的极限信号期间，从间歇振荡元件3的控制端子3a向直流电源1的低压端子1b流过恒定的电流，成为对控制端子3a输入了停止控制信号的状态。结果，间歇振荡元件3在光耦合受光元件39接收极限信号的期间，停止振荡器的振荡，内置的开关元件进行断开动作。

当间歇振荡元件3的开关元件进行断开动作时，在变压器3的一次线圈2a中流过的电流被切断，在变压器3的二次输出线圈2b中不产生输出电压，所以超过了设定电流的输出电流缓缓地成为设定电流以下。结果，光耦合发光元件35停止发光，光耦合受光元件39没有接收到极限信号，所以间歇振荡元件3再次重复振荡，得到与负载40的功率对应的稳定的输出，把输出电流进行恒流控制为设定电流。

在此，DC-DC变换器10的低压侧输出线20b连接的负载40内部的各电路一般把作为接地电位的低压侧输出线20b的电位设为基准电位来进行动作，所以对于基准电位，分流电阻11的输入侧，即分路调整器7的低压侧的电位成为与输出电流的电流值成比例的负极性的电位。例如，如果设在低压侧输出线20b中流过设定电流，则成为分流电阻11的电阻值0.3Ω乘以设定电流的1A得到的-0.3A的电位。

分路调整器7相对于低压侧在高压侧产生+1.25V的恒定电位差，此外，因为分流电阻11的电阻值为0.3Ω，所以如果输出电流在4.16A以下，则高压侧的电位，即作为电压信号向负载40输出的信号线D的电位相对于基准电位成为正极性，在低压侧输出线20b中流动的输出电流越是上升则该电位越是降低。例如，如果在低压侧输出线20b中流过1A的设定电流，则为+0.95V，如果流过设定电流以上的1.2A，则作为电压信号从信号线D向负载40输出+0.89V的电位。

在负载40一侧，因为信号线D的电位是正极性，所以能容易地将与基准电位进行比较的正极性的差电压判定为预定的电位差。在作为充电器使用输出额定1A的输出电流的DC-DC变换器10的负载40中，信号线D的电位相对于基准电位如果为+0.95V左右，则可以认为连接了合适的DC-DC变换器10。另一方面，在误连接了相对于负载40的充电时的消耗功率过大的额定输出的DC-DC变换器时，在分流电阻11中流过比DC-DC变换器10的设定电流大的输出电流，信号线D的电位低于+0.95V。此外，相反在误连接了额定输出小的DC-DC变换器时，输出电压上升，并且在分流电阻11中流过的输出电流小于设定电流，信号线D的电位将+1.25V作为上限，上升超过+0.95V。因此，可以根据信号线D的电位检测出在负载40上误连接了合适的DC-DC变换器10以外的DC-DC变换器，此时可以通过未图示的显示器等构成的警告单元向操作者传达错误地连接了“不同的DC-DC变换器”。

此外，在上述实施方式中，对于低压侧输出线20b的基准电位，为了把表示输出电流的信号线D的电位设定为正极性，使用了分路调整器7，但是在负载40中，如果通过负极性的电位表示输出电流也可以进行判断，则如图2所示，还可以是把信号线D直接连接在分流电阻11的输入侧、把相对于基准电位通过负极性的电位表示的电压信号向负载40输出的DC-DC变换器50。

此外，作为恒压电路元件使用了分路调整器7，但如果是在两端产生大于流过输出电流的分流电阻11的电位差、并且小于进行恒压控制的输出电压的恒定电位的恒压电路元件，则可以使用把从高压侧输出线20a向低压侧输出线20b的方向作为正向的二极管来代替分路调整器7。二极管的正向电压降Vf为大约0.6V的恒定电位，所以如果使用二极管来代替图1的分路调整器7，则能够串联连接相对于负载40的内部电阻足够高的例如4.7KΩ的缓冲电阻8，在流过1A的设定电流时，从信号线D输出表示输出电流的正极性的+0.3V的电位的电压信号。

并且，作为恒压电路元件，还能够使用双极晶体管60。图3是使用NPN型晶体管60来代替分路调整器7的DC-DC变换器70的电路图，在基极-集电极之间以及基极-发射极之间分别连接了1kΩ的偏压电阻61、62，此外，缓冲电阻8的电阻值成为相对于负载40的内部电阻足够高的3.8kΩ，以便不会经由NPN型晶体管流过大的电流。

在高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间产生5V的输出电压，当使NPN型晶体管处于切断状态时，通过在偏压电阻62中产生的分电压，基极电压V_BE超过0.6V的动作电压，晶体管60转移到能动状态。此时在偏压电阻62中流过的电流，由于基极电压V_BE为0.6V几乎没有变化，所以为0.6mA不变化，另一方面，经由偏压电阻61流过基极的基极电流小，与集电极电流相比可以忽视，所以在偏压电阻61和偏压电阻62中流过的电流几乎相等，集电极-基极间的电压V_CB也成为0.6V的恒压。结果，集电极-发射极间的电压V_CE为1.2V稳定，相对于分流电阻11的输入侧的负极性的电位，信号线D连接的电位为+1.2V上升，可以通过正极性的电位表示输出电流。

通过绝缘回扫型的DC-DC变换器说明了以上的实施方式，但还可以是绝缘前馈型或阻塞变换器(choke converter)等其他的DC-DC变换器。

使检测输出电流的分流电阻与用于输出电流的恒流控制的电流检测用电阻为同一电阻，但是也可以分别设置。

此外，在使用恒压电路元件时，如果是得到不会由于输出电压发生变动的恒压的加法电压的元件，可以使用阻抗低的齐纳二极管等上述以外的元件。

本发明用于对难以通过内部电路对从充电器输出的充电电流进行检测的被充电设备进行充电的充电器。

Claims

1.一种DC-DC变换器，具备：

开关元件，其与直流电源串联连接；

电感器，通过开关元件的断开接通动作使来自直流电源的电流断开和连接，把直流电源的输入电压变换为不同的直流输出电压并输出到与负载连接的一对高压侧输出线和低压侧输出线之间；以及

恒压控制电路，其根据高压侧输出线与低压侧输出线之间的输出电压对开关元件进行断开接通控制，对输出电压进行恒压控制，

该DC-DC变换器的特征在于，

与高压侧输出线和低压侧输出线中的某一个串联地设置分流电阻，

分流电阻的一端连接于低压侧输出线与负载的连接点的同电位处，分流电阻的另一端连接于用于将电压信号向负载输出的信号线，向负载输出表示分流电阻两端的电位差的电压信号。

2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，

在高压侧输出线和与分流电阻的输入侧连接的低压侧输出线之间，串联连接一方与高压侧输出线连接的缓冲电阻和产生比分流电阻的两端的电位差高的恒压的恒压电路元件，

从恒压电路元件与缓冲电阻的串联连接点输出电压信号。

3.根据权利要求2所述的DC-DC变换器，其特征在于，

恒压电路元件是分路调整器。

4.根据权利要求2或3所述的DC-DC变换器，其特征在于，进一步具备：

恒流控制电路，其基于根据分流电阻两端的电位差检测出的在低压侧输出线中流过的输出电流，对开关元件进行断开接通控制，对所述输出电流进行恒流控制。