CN102545575A

CN102545575A - 起动电路、开关电源用ic以及开关电源装置

Info

Publication number: CN102545575A
Application number: CN2011104322674A
Authority: CN
Inventors: 久保田英幸; 近藤启
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN102545575B; US20120163047A1; US8934271B2; CN103840651A; JP5589827B2; JP2012138387A; CN103840651B

Abstract

本发明提供能够降低为了实现构成起动电路的JFET的夹断维持而产生的电力损失的起动电路、开关电源用IC以及开关电源装置。起动电路具有：MOSFET，其连接在起动电源(电源电容器)与基于平滑电容器的辅助电源之间，在平滑电容器中流过基于起动电源的起动电流；JFET，其漏极端子与MOSFET的漏极端子连接，源极端子经由电阻与MOSFET的栅极端子连接；以及夹断电压控制部(可变电压源)，其在起动时将JFET的夹断电压控制成为第1基准电压值，在起动后将JFET的夹断电压控制成为小于第1基准电压值的值即第2基准电压值。

Description

起动电路、开关电源用IC以及开关电源装置

技术领域

本发明涉及起动开关电源装置的起动电路、使用该起动电路的开关电源用IC以及开关电源装置。

背景技术

以往，公开了充分赋予起动能力、能够扩大稳定动作范围的结型场效应晶体管、开关电源IC以及开关电源。针对一个漏区具有多个源区的JFET将其源电极分为多个组，从而能够与一个JFET等效地形成多个JFET。应用了该JFET的开关电源的起动电路使赋予起动用Nch-MOSFET的栅极信号的JFET和经由该起动用Nch-MOSFET对电容元件(平滑电容器)供给电流的JFET分担作用，由此，能够实现起动电流供给能力的增大，能够扩大开关电源的动作范围。

在专利文献1中记载了以充分赋予驱动能力、能够扩大稳定动作范围为目的的结型场效应晶体管、开关电源IC以及开关电源。图9是示出专利文献1所记载的现有的起动电路133和使用该起动电路133的开关电源装置100的结构的电路图。如图9所示，该开关电源装置100由交流电源101、保险丝102、整流器103、电源电容器104、变压器105、二极管107、输出电容器108、输出端子109、平滑电容器110、二极管112、开关电源用IC120以及nMOSFET121构成。

与电源电容器104和平滑电容器110连接的开关电源用IC120具有起动电路133和控制电路129。这里，起动电路133具有等效地具有多个JFET的JFET10(JFET124、125)以及MOSFET127。并且，控制电路129具有包含MOSFET134的电源部131以及控制部132。

从交流电源101通过保险丝102对整流器103施加交流电压，从整流器103对电源电容器104施加直流电压，电源电容器104成为直流电源。该电源电容器104对变压器105的一次绕组106施加直流电压。并且，电源用电容器104对开关电源用IC120的JFET10(JFET124、125)的漏极端子123施加直流电压。

JFET124、125的栅极端子接地，电位固定为接地GND。并且，JFET124的源极端子203A经由电阻126与nMOSFET127的栅极端子206和控制电路129连接。JFET125的源极端子203B与nMOSFET127的漏极端子连接。进而，nMOSFET127的源极端子与控制电路129和平滑电容器110连接。

电源部131用于对控制部132供给电源，具有在平滑电容器110被充电到规定电压时接通的nMOSFET134。这里，规定电压是能够使控制电路129稳定地起动的电压。并且，在电源部131设有未图示的恒流电路，该恒流电路与栅极端子206和nMOSFET127的源极端子连接，用于在JFET124、125中分别流过恒流。

从被充电后的电源电容器104对JFET10的漏极端子供给电流，在JFET124中流过恒流。栅极端子206的电压被设定为，在平滑电容器110被充电为规定电压为止的起动电路输出电压端子128的电压电平中，用于使nMOSFET127维持导通的阈值电压以上。由此，nMOSFET127导通，在JFET125和nMOSFET127中流过恒流(起动电流)，对平滑电容器110进行充电。

当平滑电容器110被充电为规定电压时，控制电路129起动，nMOSFET121开始动作。当nMOSFET121开始动作后，来自变压器105的二次绕组111b的电流经由二极管112对平滑电容器110进行充电，nMOSFET121继续动作。

并且，当nMOSFET121开始动作后，来自变压器105的二次绕组111a的电流经由二极管107对输出电容器108进行充电，该输出电容器108通过输出端子109输出直流电压、直流电流。

进而，当控制电路129起动后，导通电源部131的nMOSFET134，使栅极端子206的电压电平低于nMOSFET127的阈值，所以，nMOSFET127被截止。通过使nMOSFET127截止，JFET125的源极端子的电压电平提高，JFET125的漂移区(沟道)被截断，漏极电流(恒流)被遮断。JFET124由于电阻126而产生电压降低，源极端子的电压电平提高，漏区(沟道)被夹断，漏极电流被遮断(几乎不流过)。

这样，在图9所示的开关电源装置100中，栅极端子206与nMOSFET127的漏极端子分离，所以，栅极端子206的电压电平与nMOSFET127的漏极端子的电压电平无关。由此，FET125的源极端子203B的电压电平能够降低到与nMOSFET127的源极端子的电压电平大致相同的程度，所以，在设平滑电容器110的充电电压的电平为规定充电电压电平的情况下，能够增大起动电流。进而，FET125的源极端子203B的电压电平能够降低到与nMOSFET127的源极端子的电压电平大致相同的程度，所以，在流过规定起动电流的情况下，能够提高起动电路输出端子128的电压电平。

【专利文献1】日本特开2007-258554号公报

如上所述，专利文献1所示的开关电源在起动后，将JFET124夹断在规定电压。此时，夹断电压被施加给电阻126，具有在电阻126中流过电流而产生电力损失的问题。

即，图9所示的起动电路133利用JFET124的夹断电压，使MOSFET127的栅极导通并起动。但是，需要在施加VCC(平滑电容器110的电压)时导通，所以，夹断电压Vp需要为追加了VCC+MOSFET127的阈值电压VTH以及在其之间连接的各元件的电压降低量而得到的电压以上的高值。

并且，在起动后，为了使MOSFET127截止，导通电源部131的nMOSFET134，使MOSFET127的栅极电压大致为GND电平，所以，夹断电压Vp被施加给电阻126，此时流过的电流I(＝Vp/R1，R1是电阻126的电阻值)成为无用的消耗电流。为了抑制消耗电力，当较低地设定夹断电压Vp时，在施加VCC时MOSFET127不导通，起动电路133无法起动。

发明内容

本发明的课题在于，解决上述现有技术的问题，提供能够降低为了实现构成起动电路的JFET的夹断维持而产生的电力损失的起动电路、开关电源用IC以及开关电源装置。

为了解决上述课题，本发明的起动电路的特征在于，该起动电路具有：MOSFET，其连接在起动电源与基于电容元件的辅助电源之间，在所述电容元件中流过基于所述起动电源的起动电流；JFET，其漏极端子与所述MOSFET的漏极端子连接，源极端子经由电阻与所述MOSFET的栅极端子连接；以及夹断电压控制部，其在起动时将所述JFET的夹断电压控制成为第1基准电压值，在起动后将所述JFET的夹断电压控制成为第2基准电压值，该第2基准电压值是小于所述第1基准电压值的值。

为了解决上述课题，本发明的开关电源用IC的特征在于，该开关电源用IC在同一半导体衬底内具有：第1～第3方面中的任意一项所述的起动电路；以及控制电路，其在所述电容元件的充电电压为规定值以上的情况下起动，对开关元件进行控制。

为了解决上述课题，本发明的开关电源装置的特征在于，该开关电源装置具有：开关元件；第1～第3方面中的任意一项所述的起动电路；以及控制电路，其在所述电容元件的充电电压为规定值以上的情况下起动，对所述开关元件进行控制。

根据本发明，能够提供能够降低为了实现构成起动电路的JFET的夹断维持而产生的电力损失的起动电路、开关电源用IC以及开关电源装置。

附图说明

图1是示出本发明的实施例1的方式的起动电路和使用该起动电路的开关电源装置的结构的电路图。

图2是示出本发明的实施例2的方式的起动电路和使用该起动电路的开关电源的结构的电路图。

图3是在本发明的实施例2的方式的起动电路中使用的JFET的平面图。

图4是在本发明的实施例2的方式的起动电路中使用的JFET的沿x1-x1线切断的剖面构造图。

图5是在本发明的实施例2的方式的起动电路中使用的JFET的沿y1-y1线切断的剖面构造图。

图6是示出现有的JFET的VD(漏极电压)-VJS(源极电压)特性的图。

图7是示出在本发明的实施例2的方式的起动电路中使用的JFET的VD(漏极电压)-VJS(源极电压)特性的图。

图8是示出本发明的实施例2的方式的起动电路和使用该起动电路的开关电源的另一结构例的电路图。

图9是示出现有的起动电路和使用该起动电路的开关电源装置的结构的电路图。

标号说明

10：JFET；20：可变电压源；100、100a、100b：开关电源装置；101：交流电源；102：保险丝；103：整流器；104：电源电容器；105：变压器；106：一次绕组；107：二极管；108：输出电容器；109：输出端子；110：平滑电容器；111a、111b：二次绕组；112：二极管；120：开关电源用IC；121：MOSFET；123：漏极端子；124a、124b、125：JFET；126：电阻；127：MOSFET；128：电源端子；129：控制电路；131、131a：电源部；132：控制部；133、133a、133b：起动电路；203A、203B：源极端子；206：栅极端子。

具体实施方式

下面，根据附图详细说明本发明的起动电路、开关电源用IC以及开关电源装置的实施方式。

【实施例1】

下面，参照附图说明本发明的实施例。首先，说明本实施方式的结构。图1是示出本发明的实施例1的起动电路133a、开关电源用IC120a以及使用该起动电路133a的开关电源装置100a的结构的电路图。本发明的开关电源装置100a至少具有开关元件(MOSFET121)、起动电路133a、控制电路129。与图9所示的现有的开关电源装置100的不同之处在于，新具有可变电压源20这点以及起动电路133a的内部结构。但是，本实施例的可变电压源20构成本发明的起动电路133a的一部分。

与电源电容器104和平滑电容器110连接的开关电源用IC120a在同一半导体衬底内具有起动电路133a和控制电路129。另外，控制电路129在平滑电容器110的充电电压为规定值以上的情况下起动，对开关元件(MOSFET121)进行控制。并且，起动电路133a具有JFET124a和MOSFET127。

图9所示的现有的起动电路133中的JFET124、125使栅电极(Gate Poly-Si或Field Poly或金属电极)接地，与此相对，本实施例的JFET124a的栅电极与可变电压源20连接，能够对栅极施加不同的电压。另外，现有装置中的JFET125不是本发明的本质，所以在图1中没有记载，但是也可以设置。

MOSFET127连接在起动电源与基于电容元件(平滑电容器110)的辅助电源之间，在电容元件(平滑电容器110)中流过基于起动电源的起动电流。本实施例的起动电源指电源电容器104。

JFET124a的漏极端子与MOSFET127的漏极端子连接，源极端子经由电阻126与MOSFET127的栅极端子连接。

可变电压源20对应于本发明的夹断电压控制部，在起动时将JFET124a的夹断电压控制成为第1基准电压值，在起动后将JFET的夹断电压控制成为小于第1基准电压值的值即第2基准电压值(第1基准电压值＞第2基准电压值)。

具体而言，可变电压源20在平滑电容器110的充电电压小于规定值的情况下(起动时)，对JFET124a的栅极端子施加第1栅极电压，从而将JFET124a的夹断电压控制成为第1基准电压值。并且，可变电压源20在平滑电容器110的充电电压为规定值以上的情况下(起动后)，对JFET124a的栅极端子施加小于第1栅极电压的第2栅极电压，从而将JFET124a的夹断电压控制成为第2基准电压值(第1栅极电压＞第2栅极电压)。

在本实施例中，通过控制电路129内的电源部131a，判断平滑电容器110的充电电压是小于规定值还是为规定值以上。例如，电源部131a在内部具有未图示的比较器，对起动电路输出电压端子128的电压与规定电压进行比较，使用该比较结果控制MOSFET134的导通/截止，并且控制可变电压源20的电压值。

可变电压源20接受电源部131a的判断结果，决定对JFET124a的栅极端子施加的电压值。

另外，在本实施例中，如上所述，与本发明的夹断电压控制部对应的可变电压源20根据平滑电容器110的充电电压值进行起动时/起动后的判断，改变对JFET124a的栅极端子施加的电压。但是，本发明的夹断电压控制部在起动时/起动后的判断时，不是必须利用平滑电容器110的充电电压值。

例如，本发明的夹断电压控制部也可以在起动时对JFET124a的栅极端子施加较高的第1栅极电压，在起动后经过一定时间时，施加较低的第2栅极电压(第1栅极电压＞第2栅极电压)。

其他结构与图9所示的现有的开关电源装置100相同，省略重复说明。

接着，说明如上构成的本实施方式的作用。首先，从交流电源101通过保险丝102对整流器103施加交流电压，从整流器103对电源电容器104施加直流电压，电源电容器104成为直流电源。该电源电容器104对变压器105的一次绕组106施加直流电压。并且，电源用电容器104作为本发明的起动电源，对开关电源用IC120a内的JFET124a的漏极端子123(也是MOSFET127的漏极端子)施加直流电压。

在该时点，平滑电容器110的充电电压小于规定值(起动时)，所以，可变电压源20对JFET124a的栅极端子施加第1栅极电压，从而将JFET124a的夹断电压控制成为第1基准电压值。并且，平滑电容器110未被充电到规定电压，所以，电源部131使内部的MOSFET134维持截止状态。

从被充电后的电源电容器104对JFET124a的漏极端子123供给电流，在JFET124a中流过恒流。栅极端子206的电压被设定为，在平滑电容器110被充电为规定电压为止的起动电路输出电压端子128的电压电平中，用于使MOSFET127维持导通的阈值电压以上。由此，MOSFET127导通，在MOSFET127中流过恒流(起动电流)，该起动电流对平滑电容器110进行充电。

当平滑电容器110被充电为规定电压时，控制电路129起动，通过控制电路129的控制，开关元件(MOSFET121)开始动作。当MOSFET121开始动作后，来自变压器105的二次绕组111b的电流经由二极管112对平滑电容器110进行充电，MOSFET121继续动作。

并且，当MOSFET121开始动作后，来自变压器105的二次绕组111a的电流经由二极管107对输出电容器108进行充电，该输出电容器108通过输出端子109输出直流电压、直流电流。

并且，当平滑电容器110的充电电压为规定值以上(起动后)时，可变电压源20对JFET124a的栅极端子施加小于第1栅极电压的第2栅极电压，从而将JFET124a的夹断电压控制成为第2基准电压值。即，JFET124a的夹断电压从第1基准电压值降低到第2基准电压值。

另一方面，当平滑电容器110的充电电压为规定值以上(起动后)时，导通电源部131a的MOSFET134，使栅极端子206的电压电平低于MOSFET127的阈值，所以，MOSFET127被截止。

JFET124a的夹断电压被施加给电阻126，但是，如上所述，由于被控制为较低的第2基准电压值，因此，流过电阻126的电流也较小，抑制了电阻126中的消耗电力。

如上所述，根据本发明的实施例1的方式的起动电路133a、开关电源用IC120a以及开关电源装置100a，能够降低为了实现构成起动电路133a的JFET124a的夹断维持而产生的电力损失。

即，本实施例的起动电路133a、开关电源用IC120a以及开关电源装置100a具有作为夹断电压控制部的可变电压源20，所以，通过控制对JFET124a的栅极端子施加的电压，在起动时将JFET124a的夹断电压控制成为较高的第1基准电压值，使MOSFET127导通，并且，在起动后将JFET的夹断电压控制成为较低的第2基准电压值，能够降低电阻126中的消耗电力。

但是，在起动后，由于MOSFET121的动作，经由二次绕组111b流过的电流不充分，有时平滑电容器110的充电电压低下。在本实施例中，在可变电压源20构成为根据平滑电容器110的充电电压来判断起动时/起动后的情况下，能够抑制上述充电电压的低下。因此，能够使开关电源用IC120a和开关电源装置100a的动作稳定，能够改善可靠性。

【实施例2】

图2是示出本发明的实施例2的起动电路133b、开关电源用IC120b以及使用该起动电路133b的开关电源装置100b的结构的电路图。本发明的开关电源装置100b至少具有开关元件(MOSFET121)、起动电路133b、控制电路129。与图1所示的实施例1的开关电源装置100a的不同之处在于，不具有可变电压源20这点以及起动电路133b的内部结构。

具体而言，起动电路133b具有双栅的JFET124b和MOSFET127。即，JFET124b具有第1栅极端子(Gate Poly-Si)和第2栅极端子(P-SUB)作为栅极端子。这里，第1栅极端子与MOSFET127的栅极端子连接。并且，第2栅极端子接地。

第1栅极端子对应于本发明的夹断电压控制部，在起动时将JFET124a的夹断电压控制成为第1基准电压值，在起动后将JFET的夹断电压控制成为小于第1基准电压值的值即第2基准电压值(第1基准电压值＞第2基准电压值)。

图3是在本实施例的起动电路133b中使用的JFET124b的平面图。在图3中，D指漏区，JS指源区。并且，图4是沿x1-x1线切断图3所示的JFET124b的剖面构造图。进而，图5是沿y1-y1线切断图3所示的JFET124b的剖面构造图。图4、5中的G1指第1栅极端子，G2指第2栅极端子。

如图4、5所示，第1栅极端子利用隔着绝缘膜IL配置在JFET124b的漂移区上的Poly-Si(多晶硅)，特别地，不需要追加元件和追加面积等。并且，第2栅极端子成为P型衬底P-SUB和P型绝缘区。另外，第1栅极端子也可以由金属等导电膜构成。

JFET124b的夹断电压Vp由对N-EPI施加电压时(对漏极施加电压时)的在N-EPI与P-SUB之间扩大的耗尽层决定，但是，通过对N-EPI区上部的Poly-Si施加电压，能够抑制耗尽层的扩大，能够使夹断电压Vp上升。

通过使该Poly-Si(第1栅极端子)与MOSFET127的栅极连接，起动电路133b在起动时对Poly-Si施加JFET124b自身的夹断电压Vp(与MOSFET127的栅极电压相等)，由此，与以往那样将Poly-Si与GND连接的情况相比，能够通过JFET124b施加较高的夹断电压Vp。

因此，如果将对Poly-Si施加电压时的夹断电压Vp设定为在施加VCC(平滑电容器110的电压)时能够动作的值，则能够进一步减小截止时(MOSFET134导通时)的夹断电压Vp，能够抑制起动后的消耗电力。

其他结构与图1所示的实施例1的开关电源装置100a相同，省略重复说明。

接着，说明如上构成的本实施方式的作用。首先，从交流电源101通过保险丝102对整流器103施加交流电压，从整流器103对电源电容器104施加直流电压，电源电容器104成为直流电源。该电源电容器104对变压器105的一次绕组106施加直流电压。并且，电源用电容器104作为本发明的起动电源，对开关电源用IC120a内的JFET124b的漏极端子123(也是MOSFET127的漏极端子)施加直流电压。

在该起动时，平滑电容器110未被充电到规定电压，所以，电源部131使内部的MOSFET134维持截止状态。因此，如上所述，使JFET124b的Poly-Si(第1栅极端子)与MOSFET127的栅极连接，所以，起动电路133b在起动时使JFET124b自身的夹断电压Vp较高地上升。换言之，第1栅极端子具有上述结构，从而具有作为夹断电压控制部的功能，将JFET124b的夹断电压控制成为第1基准电压值。

从被充电后的电源电容器104对JFET124b的漏极端子123供给电流，在JFET124b中流过恒流。由此，MOSFET127导通，在MOSFET127中流过恒流(起动电流)，该起动电流对平滑电容器110进行充电。

并且，当nMOSFET121开始动作后，来自变压器105的二次绕组111b的电流经由二极管107对输出电容器108进行充电，该输出电容器108通过输出端子109输出直流电压、直流电流。

并且，当平滑电容器110的充电电压为规定值以上(起动后)时，MOSFET134导通，栅极端子206的电压低下，所以，JFET124b的第1栅极端子将JFET124b的夹断电压控制成为第2基准电压值。即，JFET124b的夹断电压从第1基准电压值降低到第2基准电压值。并且，MOSFET127被截止。

JFET124b的夹断电压被施加给电阻126，但是，如上所述，由于被控制为较低的第2基准电压值，因此，流过电阻126的电流也较小，抑制了电阻126中的消耗电力。

图6是示出现有的JFET的VD(漏极电压)-VJS(源极电压)特性的图。并且，图7是示出在本实施例的起动电路133b中使用的双栅JFET124b的VD(漏极电压)-VJS(源极电压)特性的图。

如图7所示，在双栅JFET124b中，在对JFET124b的漂移区上的Poly-Si施加的电压(即对第1栅极端子施加的电压)Vpo为0V的情况下(相当于起动后)，夹断电压Vp为17V。另一方面，在对第1栅极端子施加的电压Vpo为25V的情况下(相当于起动时)，夹断电压Vp为32V。即，本实施例的起动电路133b能够使起动后的消耗电力为现有类型的大约一半。

另外，在图7中，记载了对第1栅极端子施加的电压Vpo为0V的情况，但是，也可以施加负电压。该情况下，起动电路133b能够进一步降低夹断电压Vp，能够进一步降低电阻126消耗的电力。

如上所述，根据本发明的实施例2的方式的起动电路133b、开关电源用IC120b以及开关电源装置100b，与实施例1同样，能够降低为了实现构成起动电路133b的JFET124b的夹断维持而产生的电力损失。

特别地，不需要如实施例1那样针对可变电压源20或JEFT的追加元件、追加面积等，所以，能够以低成本实现，能够期待与实施例1相同的消耗电力降低效果。

另外，本发明的本质在于，在起动时对JFET施加较高的栅极偏置，在起动后施加较低的栅极偏置，所以，也可以使用能够实现该本质的其他结构。例如，如图8所示，代替实施例1的起动电路133a中的JFET124a，也可以应用实施例2的起动电路133b中的JFET124b。该情况下，JFET124b的第1栅极端子与可变电压源20连接，第2栅极端子接地。根据这样构成的起动电路、开关电源用IC1以及开关电源装置，能够得到与实施例1、2相同的效果。并且，第2栅极端子也可以与负电压源连接。

【产业上的可利用性】

本发明的起动电路、开关电源用IC1以及开关电源装置能够利用于在电气设备等中使用的开关电源等。

Claims

1.一种起动电路，其特征在于具有：

MOSFET，其连接在起动电源与基于电容元件的辅助电源之间，在所述电容元件中流过基于所述起动电源的起动电流；

JFET，其漏极端子与所述MOSFET的漏极端子连接，源极端子经由电阻与所述MOSFET的栅极端子连接；以及

夹断电压控制部，其在起动时将所述JFET的夹断电压控制成为第1基准电压值，在起动后将所述JFET的夹断电压控制成为第2基准电压值，该第2基准电压值是小于所述第1基准电压值的值，

所述JFET具有第1栅极端子和接地的第2栅极端子作为栅极端子，

所述夹断电压控制部由与所述MOSFET的栅极端子连接的所述第1栅极端子构成。

2.根据权利要求1所述的起动电路，其特征在于，

所述夹断电压控制部由如下的可变电压源构成：在所述电容元件的充电电压小于规定值的情况下，对所述第1栅极端子施加第1栅极电压，从而将所述JFET的夹断电压控制成为第1基准电压值，并且，在所述电容元件的充电电压为规定值以上的情况下，对所述第1栅极端子施加小于第1栅极电压的第2栅极电压，从而将所述JFET的夹断电压控制成为第2基准电压值。

3.根据权利要求1或2所述的起动电路，其特征在于，

所述第1栅极端子是隔着绝缘膜配置在半导体衬底上的导电膜，所述第2栅极端子是所述半导体衬底。

4.一种开关电源用IC，其特征在于，该开关电源用IC在同一半导体衬底内具有：

权利要求1～3中的任意一项所述的起动电路；以及

控制电路，其在所述电容元件的充电电压为规定值以上的情况下起动，对开关元件进行控制。

5.一种开关电源装置，其特征在于具有：

开关元件；

权利要求1～3中的任意一项所述的起动电路；以及

控制电路，其在所述电容元件的充电电压为规定值以上的情况下起动，对所述开关元件进行控制。