CN102570822B - 电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源装置，其具备：开关元件(13)，其连接在变压器(10)的一次线圈(12)上；检测电路(22)，其生成与变压器(10)的二次侧的输出电压(Vout)相应的电压电平的检测信号，并反馈给一次侧；控制电路(14)，其根据来自检测电路(22)的检测信号，使开关元件(13)进行开关动作以使输出电压(Vout)保持预定的电压电平；电压生成电路(16)，其将向变压器(10)的一次侧输入的输入电压(Vin)和检测信号的电压(Vs)中的较高的电压输出到控制电路(14)来作为向开关元件(13)的栅极端子(13A)施加的驱动信号(Ks)的电压源；以及切断电路(61)，其在输出电压(Vout)的电压电平超过预定的阈值的情况下，将输入电压(Vin)向电压生成电路(16)的输入切断。

Description

电源装置

技术领域

本发明涉及一种绝缘型开关电源装置的稳定化技术。

背景技术

以往，作为高效的电源装置，已知有开关电源装置。开关电源装置具备作为开关元件的晶体管和使该晶体管导通/截止的控制IC，使控制IC通过以与输入电压相应的占空比将晶体管导通/截止的PWM控制(PWM：Pulse Width Modulation(脉宽调制))来控制该晶体管的开关动作，由此高效地生成了预定的输出电压。

并且，这种开关电源装置中已知绝缘型开关电源装置，其通过对电压转换器例如使用变压器，来使一次侧和二次侧绝缘。绝缘型开关电源装置效率高且绝缘性好，还能够通过对变压器设置多个二次线圈来简单地构成多输出的电源装置，因此被很好地应用于将输入电压转换为多个输出电压的用途。

另外，在绝缘型开关电源装置中，有时由于负载变动、输入电压变动导致输出电压发生变动而变得不稳定。为了解决该问题，以往已知有如下一种技术(例如，参照专利文献1)：通过将输出电压的变动反馈给上述控制IC来进行PWM控制，由此使输出电压恒定。

专利文献1：日本特开2003-079146号公报

一般来说，控制IC使变压器的一次侧的输入电压作为电源电压进行动作，以该输入电压为电压源来生成晶体管的驱动信号。因此，驱动信号的电压成为与作为电源电压的输入电压相同的电压，该电压作为栅极电压而被施加到晶体管的栅极端子。

然而，在将电源装置用于如输入电压发生变动那样的用途的情况下，在输入电压变动到了高压侧时，有可能导致施加到晶体管的栅极电压超过栅极耐压，从而晶体管遭到损坏。

作为该对策，考虑在控制IC与晶体管的栅极端子之间插入对电压进行限制的齐纳二极管的结构。然而，在使用齐纳二极管的情况下，需要设置对流过该齐纳二极管的电流进行限制的电流限制电阻，由于该电流限制电阻直接变成栅极电阻，因此产生了晶体管的开关速度受限这样的问题。

因此，通过取为在二次侧生成栅极耐压以下的输出电压并将该输出电压用于生成控制IC的驱动信号的结构，能够防止超出栅极耐压。

具体地说，如图3所示，构成二次侧的输出电压Vout变为栅极耐压Vz以下的开关电源装置200，在该开关电源装置200中设置有检测电路210和IC电源电压生成电路220。检测电路210为了能够对二次侧的输出电压Vout进行反馈控制，而将与该输出电压Vout相应的电压电平的检测信号反馈给控制IC。IC电源电压生成电路220用于生成控制IC 230的电源电压，利用该电源电压规定晶体管电路240的栅极电压Vg。更详细地说，IC电源电压生成电路220将输入电压Vin和作为检测电路210的检测信号的电压的检测信号电压Vs通过二极管215A、215B进行二极管OR耦合，将较高的电压作为电源电压Va输出。

根据该电路结构，由于在起动时接收到输入电压Vin的最初为Vin＞Vs(＝0V)，因此从IC电源电压生成电路220向控制IC 230输出与输入电压Vin相当的电压的电源电压Va，从而栅极电压Vg为电源电压Va的电压电平。之后，在二次侧生成输出电压Vout，在二次侧的输出电压Vout超过输入电压Vin时，将相当于该输出电压Vout的检测信号电压Vs作为电源电压Va而从IC电源电压生成电路220输出到控制IC 230，将栅极电压Vg维持为相当于检测信号电压Vs的电压电平。如上所述，由于输出电压Vout被抑制为栅极耐压Vz以下，因此栅极电压Vg被抑制为栅极耐压Vz以下。

另外，在IC电源电压生成电路220中设置有用于通过降低输入电压Vin来将输出该输入电压Vin时的电源电压Va始终抑制为栅极耐压Vz以下的电阻250。由此，即使在开关动作以后输入电压Vin发生变动而形成为Vin＞Vs，并由IC电源电压生成电路220将输入电压Vin作为电源电压Va输出，也能够将栅极电压Vg抑制为栅极耐压Vz以下。

然而，当由于输入电压Vin超过输出电压Vout而IC电源电压生成电路220将输入电压Vin切换为电源电压Va时，该电源电压Va大于检测信号电压Vs，因此栅极电压Vg也上升。这种栅极电压Vg的变动会破坏晶体管电路240的动作的稳定性。

另外，即使在起动时输入作为低电压的输入电压Vin，也需要驱动控制IC 230、晶体管电路240，因此电阻250的电阻值也是有限度的。因此也存在如下情况：在超过了电阻250中的电压下降量的过大的输入电压Vin被输入的情况下，最终会导致栅极电压Vg超过了栅极耐压Vz。

发明内容

本发明的实施例提供一种能够可靠地限制开关元件的驱动电压的电源装置。

根据本发明的实施例，电源装置也可以具备：开关元件13，其连接在变压器10的一次线圈12上；检测电路22，其生成与变压器10的二次侧的输出电压Vout相应的电压电平的检测信号，并反馈给一次侧；控制电路14，其根据来自检测电路22的检测信号，使开关元件13进行开关动作以使输出电压Vout保持预定的电压电平；电压生成电路16，其将输入到变压器10的一次侧的输入电压Vin和检测信号的电压Vs中的较高电压输出到控制电路14来作为施加到开关元件13的栅极端子13A的驱动信号Ks的电压源；以及切断电路61，其在输出电压Vout的电压电平超过预定的阈值的情况下，切断输入电压Vin向电压生成电路16的输入。

附图说明

图1是典型实施方式所涉及的绝缘型开关电源装置的电路图。

图2的(A)是表示输入电压为规定电压时的IC电源电压生成电路以及控制IC的动作的信号波形图。

图2的(B)是表示输入电压为规定电压与栅极耐压之间时的IC电源电压生成电路以及控制IC的动作的信号波形图。

图2的(C)是表示输入电压为栅极耐压时的IC电源电压生成电路以及控制IC的动作的信号波形图。

图3是以往的开关电源装置的电路图。

附图标记的说明

1开关电源装置(电源装置)

10回扫变压器(变压器)

11负载电路

12一次线圈

13晶体管电路(开关元件)

14控制IC(控制电路)

15平滑用电容器(电容器)

16CI电源电压生成电路(电压生成电路)

18二次线圈

21三次线圈

22检测电路

60选择电路

61切断电路

62输入开关电路

63切断开关电路

Ks驱动信号

V1电源电压

Vg栅极电压(驱动电压)

Vin输入电压

Vout输出电压

Vs检测信号电压

Vz栅极耐压

W耐压余裕

具体实施方式

以下、参照附图说明本发明的典型实施方式。此外，典型实施方式是发明的简单例示，并不是限定发明，典型实施方式所记载的所有特征或者特征的组合并不一定是发明的实质特征。

图1是典型实施方式所涉及的绝缘型开关电源装置1的电路图。

开关电源装置1如图1所示那样是他激式(回扫式)的开关电源(DC-DC转换器)，具有回扫变压器10，将输入到该回扫变压器10的一次侧的输入电压Vin变换为多个预定电压电平的输出电压Vout，分别提供给连接在二次侧的多个负载电路11。

更详细地说，在回扫变压器10的一次侧设置有与回扫变压器10的一次线圈12相连接来将电流接通/切断的晶体管电路13、控制该晶体管电路13的开关动作的控制IC 14、以及将输入到一次侧的输入电压Vin平滑化的平滑用电容器15。晶体管电路13使用功率MOSFET，实现了开关速度的高速化以及例如200V以下的低电压区域的高转换效率化。另外，在晶体管电路13的集电极侧与输入电压Vin的输入线之间设置有将包含在输入电压Vin中的瞬态成分(浪涌成分)去除的浪涌吸收电路35，保护晶体管电路13免受输入电压Vin的浪涌成分影响。

控制IC 14将驱动信号从输出端子14A提供给晶体管电路13的栅极端子13A来使晶体管电路13进行开关动作，通过以与输入电压Vin相应的占空比将晶体管电路13导通/截止的PWM控制来控制该晶体管电路13的开关动作，在回扫变压器10的二次侧生成预定的输出电压Vout。对该控制IC 14的电源输入端子14B输入设置在一次侧的后述的IC电源电压生成电路16所输出的电源电压V1，控制IC 14以该电源电压V1为电源来进行动作。另外，构成为在电源输入端子14B上设置有随着电源电压V1的供给而被充电的备用电源用的电容器17，在输出电压Vout的生成停止时，控制IC14能够通过蓄积在该电容器17中的电力进行动作。

另外，控制IC 14以电源电压V1为电压源生成驱动信号Ks，并提供给晶体管电路13。即，控制IC 14将电源电压V1调制成矩形脉冲状来生成用于PWM控制的驱动信号Ks(参照图2)，并提供给晶体管电路13的栅极端子13A。由此，驱动信号Ks的电压电平的最大值维持为相当于(近似于)电源电压V1的电压电平，从而该电压电平的栅极电压Vg被施加到栅极端子13A。

在回扫变压器10的二次侧设置有用于实现多输出的多个二次线圈18。各二次线圈18上分别连接有二极管19和平滑用电容器20。并且，当伴随着晶体管电路13的开关动作而在一次线圈12中产生电流变化时，随着该电流变化，在二次线圈18的各个线圈中感应出电动势，通过上述二极管19和平滑用电容器20进行整流、平滑后生成规定的输出电压V out，该输出电压Vout被提供给负载电路11。

输出电压Vout的电压电平由一次线圈12和二次线圈的匝数比等进行规定，在本典型实施方式中，输出电压Vout的规定电压至少被设为在晶体管电路13的栅极耐压Vz以下且与晶体管电路13的导通阈值电压相比足够高的电压。

另外，该开关电源装置1具备用于对输出电压Vout进行反馈控制的结构。即，在回扫变压器10的一次侧设置有输出与输出电压Vout相应的电压电平的检测信号的检测电路22。检测电路22构成为具备根据二次线圈18的电流变化感应出与该二次线圈18的电力相当的电动势的三次线圈21、用于将该三次线圈21的电动势进行整流、平滑后形成直流的二极管23和平滑用电容器24、用于去除噪声的电容器25、以及负载电阻26，该检测电路22输出与输出电压Vout的电压电平相当的电压(下面称为“检测信号电压Vs”)的检测信号。

在开关电源装置1的一次侧设置有反馈调整电路30和错误电压调整电路31，对这两个电路分别输入检测电路22的检测信号。

反馈调整电路30根据检测信号计算PWM控制的占空比的调整值并输出到控制IC 14，以使得输出电压Vout保持恒定的电压电平。控制IC 14根据反馈调整电路30的调整值，动态地改变PWM控制的占空比，由此即使在一次侧产生输入电压Vin的变动、或在二次侧产生负载变动，输出电压Vout仍将保持恒定。

错误电压调整电路31检测输出电压Vout的电压电平是否收敛于预定的范围内，将检测结果输出到控制IC 14。在输出电压Vout的电压电平不处于预定范围的情况下，表示产生了某些异常，因此控制IC14迅速地停止晶体管电路13的开关动作。

除此之外，还在开关电源装置1的一次侧设置有频率调整电路32、软启动电路33、以及起动电压调整电路34。

频率调整电路32生成进行PWM控制使用的驱动信号Ks的时钟信号，并且调整该时钟信号的脉冲频率后输出到控制IC 14。

软启动电路33是如下一种电路：为了防止起动时的冲击电流，而通过控制IC 14的反馈控制来控制控制IC 14以逐渐增大向晶体管电路13输入的驱动信号Ks的脉宽直到输出电压Vout变得稳定为止，从而使输出电压Vout呈大致直线状地倾斜上升(所谓的软启动)。

起动电压调整电路34是调整在将输入电压Vin输入时控制IC 14开始动作的起动电压的电路。即，作为晶体管电路13的驱动信号Ks的电压范围，存在虽然晶体管电路13能够进行动作但是导通电阻高、损失增大的电压范围。起动电压调整电路34在输入电压Vin处于上述电压范围的期间，调整起动电压以避免控制IC 14进行动作，抑制在该电压范围驱动晶体管电路13。

并且，如上所述，在开关电源装置1的一次侧设置有IC电源电压生成电路16，生成控制IC 14的电源电压V1。

具体地说，IC电源电压生成电路16具备选择电路60和切断电路61。

选择电路60从输入电压Vin和检测电路22的检测信号电压Vs中选择电压电平较高的电压作为电源电压V1进行输出，具备两个二极管40、41以及负载电阻42，是将二极管40、41进行二极管OR耦合而构成的OR电路。另外，在该选择电路60的输出级设置有用于去除噪声的电容器43。

在上述结构的选择电路60中，在刚刚起动之后输出电压Vout超过输入电压Vin之前的期间，将该输入电压Vin作为电源电压V1进行输出，此后，在输出电压Vout超过输入电压Vin的期间，将输出电压Vout作为电源电压V1进行输出。另外，在选择电路60的电容器43中蓄积在输出电压Vout超过输入电压Vin之前的期间控制IC 14进行动作所需的电荷。

切断电路61是在输出电压Vout的电压电平超过预定的阈值时切断输入电压Vin向选择电路60的输入的电路。具体地说，切断电路61具备输入开关电路62和切断开关电路63，该输入开关电路62切换输入电压Vin向选择电路60的输入的接通/断开，该切断开关电路63在输出电压Vout的电压电平超过预定的阈值时，将输入开关电路62断开来切断输入电压Vin向选择电路60的输入。

输入开关电路62具有设置在输入电压Vin向选择电路60的输入电压Vin的输入级上的开关元件45、以及构成该开关元件45的偏置电路的电阻49、50，该开关元件45的栅极端子连接在切断开关电路63上，由切断开关电路63控制接通/断开。

切断开关电路63具备构成分压器的分压电阻47、48以及栅极端子连接在该分压电阻47、48上的开关元件46，与上述输出电压Vout相当的电压电平的检测信号电压Vs被施加到分压电阻47、48。

因而，在起动时，在将二次侧的输出电压Vout以分压电阻47、48的分压比进行分压后的电压超过开关元件46的接通阈值时，该开关元件46接通，从而将输入开关电路62的开关元件45的栅极端子接地，而将该开关元件45断开。

在切断开关电路63接通的期间，由于输入电压Vin向选择电路60的输入被切断，因此从选择电路60输出与输出电压Vout相当的电压电平的检测信号电压Vs来作为电源电压V1。

在此，能够通过分压电阻47、48的分压比来调整切断电路61的切断开关电路63接通的电压(预定的阈值)。在本典型实施方式中，将晶体管电路13的导通阈值电压设定为该预定的阈值。即，在生成了超过晶体管电路13的导通阈值的电压的输出电压Vout时，迅速将切断开关电路63接通而将输入电压Vin向IC电源电压生成电路16的输入切断，此后，与输入电压Vin无关地，将检测信号电压Vs作为电源电压V 1输出到控制IC 14。

图2是表示IC电源电压生成电路16和控制IC 14的动作的信号波形图。

由于在开关电源装置1的一次侧的输入级设置有平滑用电容器15，因此在起动时，输入电压Vin被分配给平滑用电容器15充电。因此，即使在起动时输入了过大的输入电压Vin，也不会将过大的电压输入到IC电源电压生成电路16，一定是将从接地电位逐渐增加的电压作为输入电压Vin输入到IC电源电压生成电路16。IC电源电压生成电路16当开始被输入输入电压Vin时，还未在二次侧生成输出电压Vout，因此将该输入电压Vin作为电源电压V1输出到控制IC 14。

由此，控制IC 14开始进行动作，将电源电压V 1调制成脉冲状来生成驱动信号Ks，并提供给晶体管电路13，由此使其开始进行开关动作。此时，由于电源电压V1是在输入电压Vin的电压电平逐渐增加的过程中生成的，因此不会超过栅极耐压Vz，从而栅极电压Vg被抑制为栅极耐压Vz以下。

然后，随着晶体管电路13的开关动作开始，在二次侧生成输出电压Vout，当与该输出电压Vout相当的电压电平的检测信号电压Vs超过输入电压Vin的规定电压(在本典型实施方式中是6V)时，IC电源电压生成电路16将输入电压Vin的输入屏蔽而将检测信号电压Vs作为电源电压V1输出到控制IC 14。即，在起动开始后，伴随着二次侧的输出电压Vout的生成，迅速屏蔽输入电压Vin的输入，而将检测信号电压Vs作为电源电压V1输出到控制IC 14，因此即使输入电压Vin的电压电平过多地变动到了高电位侧，也能够与该变动无关地始终将电源电压V1的电压电平维持为检测信号电压Vs。

特别是在起动后输出电压Vout已稳定时，由于该输出电压Vout被维持为规定电压(本典型实施方式中是大约16V)，因此在该输出电压Vout的规定电压附近，检测信号电压Vs也被维持恒定。并且，通过将该检测信号电压Vs作为电源电压V1输出到控制IC 14，由此如图2的(A)所示那样驱动信号Ks的栅极电压Vg以接近电源电压V1的电压电平维持恒定。

另外，如图2的(B)所示，输入电压Vin从规定电压(＝6V)开始增大，另外，如图2的(C)所示，即使输入电压Vin超过栅极耐压Vz，IC电源电压生成电路16输出的电源电压V1也不会发生变动，而是使栅极电压Vg维持在接近该电源电压V1的电压电平。换言之，即使输入了过大的输入电压Vin，作为栅极电压Vg与栅极耐压Vz之差的耐压余裕W也不会变小，从而能够可靠地防止晶体管电路13损坏。

另外，由于栅极电压Vg不发生变动、即栅极电压Vg不会由于输入电压Vin的变动而发生变动，因此不存在起动后栅极电压Vg低于晶体管电路13的导通阈值等这样的情形，从而晶体管电路13能够进行稳定的开关动作，能够提高开关电源装置1的可靠性。

这样，根据典型实施方式，在二次侧的输出电压Vout的电压电平超过预定的阈值时，输入电压Vin向IC电源电压生成电路16的输入被切断，因此无论输入电压Vin如何变动，该IC电源电压生成电路16输出到控制IC 14的电源电压V1都被维持为相当于输出电压Vout的电压电平的电压。由此，能够将施加到晶体管电路13的栅极端子13A的栅极电压Vg维持相当于输出电压Vout的电压电平，即使输入电压Vin变动到了高电压侧，也能够可靠地防止过大的电压施加到栅极端子13A。

另外，根据典型实施方式，设为如下结构：作为切断电路61将输入电压Vin向IC电源电压生成电路16的输入切断的触发的、输出电压Vout的电压电平的阈值设定为晶体管电路13的导通阈值。

根据该结构，在二次侧生成了使晶体管电路13进行开关动作所需的电压电平的输出电压Vout时，能够迅速地将输入电压Vin向IC电源电压生成电路16的输入切断，并将该IC电源电压生成电路16输出的电源电压V1切换为相当于二次侧的输出电压Vout的电压电平。

特别地，根据典型实施方式，由于在一次侧的输入级具备作为在将输入电压Vin输入时被充电的电容器的平滑用电容器15，因此即使在将输入电压Vin输入时(即，起动时)输入了过大的输入电压Vin，也能够抑制输入到IC电源电压生成电路16的输入电压Vin的电压电平，从而能够对电源电压V1进行限制。由此，即使在起动时输入了过大的输入电压Vin，也能够可靠地防止向晶体管电路13的栅极端子13A施加过大的栅极电压Vg。

此外，上述典型实施方式严格来说只是表示本发明的一个方式，能够在不脱离本发明宗旨的范围内任意地进行变形以及应用。

例如，在上述典型实施方式中，作为电源装置，例示了回扫式的开关电源装置1，但是不限于此，例如也可以是自激式(正激式)等其它方式的开关电源。

另外，典型实施例所涉及的电源装置很好地应用于输入电压有很大变动的用途，例如能够用作从驱动混合动力车辆、电动汽车、自动二轮车等车辆的驱动用电池输入输入电压来进行DC-DC变换的电源装置。

另外，在太阳能发电系统中，也能够用作如下一种电源装置(所谓的电力调节器)，该电源装置用于将太阳能电池产生的电力转换成能够由家庭等利用的电力。

根据上述典型实施方式，电源装置也可以具备：开关元件13，其连接在变压器10的一次线圈12上；检测电路22，其生成与变压器10的二次侧的输出电压Vout相应的电压电平的检测信号，并反馈给一次侧；控制电路14，其根据来自检测电路22的检测信号，使开关元件13进行开关动作以使输出电压Vout保持预定的电压电平；电压生成电路16，其将向变压器10的一次侧输入的输入电压Vin和检测信号的电压Vs中的较高的电压作为向开关元件13的栅极端子13A施加的驱动信号Ks的电压源输出到控制电路14；以及切断电路61，其在输出电压Vout的电压电平超过预定的阈值的情况下，将输入电压Vin向电压生成电路16的输入切断。

根据该结构，在二次侧的输出电压的电压电平超过预定的阈值时，切断输入电压向电压生成电路的输入，因此无论以后输入电压如何变动，该电压生成电路输出的电压都维持相当于二次侧的输出电压的电压电平。由此，即使输入电压变动到了高电位侧，向开关元件的栅极端子施加的驱动电压的电压电平也维持相当于输出电压的电压电平，因此能够可靠地防止由于向栅极端子施加过大的电压而引起的损坏。

在上述结构中，也可以将预定的阈值设定为开关元件13的接通阈值。

根据该结构，在二次侧生成了使开关元件进行开关动作所需的电压电平的输出电压时，迅速切断输入电压向电压生成电路的输入，能够将该电压生成电路输出的电压切换为相当于二次侧的输出电压的电压电平。

在上述结构中，也可以在一次侧的输入级具备将输入电压输入时被充电的电容器15。

根据该结构，即使在将输入电压输入时(即，起动时)输入了过大的输入电压，也能够抑制向电压生成电路输入的输入电压的电压电平，因此也将该电压生成电路输出的电压进行了限制。由此，即使在起动时输入了过大的输入电压，也能够可靠地防止向栅极端子施加过大的驱动电压。

Claims (3)

1.一种电源装置，其具备：

开关元件(13)，其连接在变压器(10)的一次线圈(12)上；

检测电路(22)，其生成与上述变压器(10)的二次侧的输出电压(Vout)相应的电压电平的检测信号，并反馈给一次侧；

控制电路(14)，其根据来自上述检测电路(22)的检测信号，使上述开关元件(13)进行开关动作以使上述输出电压(Vout)保持预定的电压电平；

电压生成电路(16)，其将向上述变压器(10)的一次侧输入的输入电压(Vin)和上述检测信号的电压(Vs)中较高的电压输出到上述控制电路(14)来作为向上述开关元件(13)的栅极端子(13A)施加的驱动信号(Ks)的电压源，

上述电压生成电路(16)具备切断电路(61)，该切断电路(61)在上述输出电压(Vout)的电压电平超过预定的阈值的情况下，将输入电压(Vin)向上述电压生成电路(16)的输入切断，从而上述电压生成电路(16)仅将上述检测信号的电压(Vs)作为上述控制电路(14)的电压源输出到上述控制电路(14)，来使与上述变压器(10)的上述一次线圈(12)连接的上述开关元件(13)进行开关动作。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，

上述预定的阈值被设定为上述开关元件(13)的接通阈值。

3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，

在一次侧的输入级具备在输入电压的输入时被充电的电容器(15)。