CN102891605A - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够减少由起动用电流供给电路引起的稳态时的消耗功率的开关电源装置。该开关电源装置具有：起动用电流供给电路，其在投入输入电源时，由从输入电源或开关元件的高压电极输入的高压电源，通过由耗尽型FET构成的开关元件(N1)，向开关控制电路供给动作电流；以及稳态时电流供给电路，其在开始开关动作之后的稳态时，使用由变压器的二次电动势引起的低压电源向开关控制电路供给动作电流，在开关元件(N1)断开的状态下，对从高压电源经由开关元件(N1)而流到接地端子的漏电流的路径上，通过电阻(R3)而使用来自端子(Vcc)的低压电源来供给阻止漏电流的偏置电压。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及通过开关动作来进行输出电压控制的开关电源装置，特别涉及具有起动电路的开关电源装置。
背景技术
通过开关动作进行输出电压控制的开关电源装置具有：与输入电源和变压器的一次绕组串联连接的开关元件；以及对该开关元件进行接通断开控制而进行开关动作的开关控制电路，该开关电源装置构成为对在变压器的二次绕组上产生的二次电动势进行整流平滑而输出直流电力。对开关控制电路的动作电流的供给，虽然一般通过使用在变压器的辅助绕组上产生的二次电动势的电流供给电路来进行，但是在起动时，由于不能使用二次电动势，因此设置了直接使用了输入电源的起动用电流供给电路(例如，参照专利文献1)。
图5是示出现有的开关电源装置的电路结构的电路结构图。
在二极管构成为桥结构的整流电路DB的交流输入端子ACin1、ACin2上连接有商用交流电源AC，从商用交流电源AC输入的交流电压被全波整流而从整流电路DB输出。在整流电路DB的整流输出正极端子与整流输出负极端子之间，连接有平滑电容器C1。另外，整流电路DB的整流输出负极端子与接地端子连接。由此，能够得到用整流电路DB和平滑电容器C1来对商用交流电源AC进行了整流平滑的直流电源。
从1次侧(输入侧)向2次侧(负载2侧)供给电力的变压器T，由一次绕组P1及辅助绕组P2和二次绕组S1构成。在整流电路DB的整流输出正极端子与接地端子之间，串联连接有变压器T的1次绕组P1和功率MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件Q1。开关元件Q1的栅极端子与开关控制电路1连接。由此，通过开关控制电路1来开关元件Q1被接通断开控制，施加到变压器T的一次绕组P1的电力传递到变压器T的二次绕组S1，在变压器T的二次绕组S1上产生脉动流。
在变压器T的2次侧绕组S1的两端子间，通过整流二极管D1连接有平滑电容器C2，在变压器T的2次侧绕组S1上诱发的二次电动势，通过整流二极管D1和平滑电容器C2而被整流平滑，作为直流电力来供给到负载(RL)2。另外，与平滑电容器C2的正极端子连接的线成为电源线，连接有平滑电容器C2的负极端子的线成为与接地端子连接的GND线。
在电源线与GND线之间，串联连接有光电耦合器的发光二极管PCD和误差放大器3。误差放大器3连接在电源线与GND线之间，根据输出电压与未图示的内部的基准电压之差，控制在光电耦合器的发光二极管PCD上流到的电流。另外，在开关控制电路1上连接有受光晶体管PCTR，与输出电压对应的反馈(FB)信号从2次侧的发光二极管PCD发送到1次侧的受光晶体管PCTR，输入到开关控制电路1。
在变压器T的辅助绕组P2的两端子间，通过整流二极管D2连接有平滑电容器C3，整流二极管D2与平滑电容器C3之间的连接点与开关控制电路1及起动时控制电路4连接。变压器T的辅助绕组P2、整流二极管D2及平滑电容器C3，作为向开关控制电路1供给动作电流的稳态时电流供给电路来发挥功能，在辅助绕组P2上产生的二次电动势，通过二极管D2及平滑电容器C3而被整流平滑，供给到开关控制电路1及起动时控制电路4。
在整流电路DB的整流输出正极端子与变压器T的1次绕组P1之间的连接点上，在连接有由耗尽型FET构成的开关元件N1的漏极端子的同时，在开关元件N1的栅极端子/源极端子间连接有偏置用的电阻R1。另外，开关元件N1的源极端子通过电阻R2连接在整流二极管D2与平滑电容器C3之间的连接点上，开关元件N1的栅极端子通过由npn双极型晶体管构成的开关元件N2与接地端子连接。
开关元件N2的接通断开是通过起动时控制电路4来控制的。在刚投入商用交流电源AC之后，开关元件N2通过起动时控制电路4而被控制为断开状态，开关元件N1的栅极-源极间电压成为0V，因此开关元件N1成为接通状态。由此，通过开关元件N1而对开关控制电路1及起动时控制电路4上供给动作电流。另外，电阻R2是用于限制在接通状态的开关元件N1上流到的电流的元件。开关元件N1、电阻R1、R2、开关元件N2及起动时控制电路4是作为起动用电流供给电路来发挥功能的。
当通过来自2次侧的FB信号检测到变压器T的二次电动势上升时，起动时控制电路4使开关元件N2接通，从而使开关元件N1成为断开状态。由此，在稳态时，在辅助绕组P2上产生的二次电动势通过二极管D2及平滑电容器C3而被整流平滑，作为开关控制电路1及起动时控制电路4的动作电流来供给。另外，电阻R1是在开关元件N1成为断开状态时，用于限制以开关元件N1、电阻R1、开关元件N2的路径流到的电流的元件，具有电阻R2的几100~1000倍左右的电阻值。
另外，在图5所示的开关电源装置中，如虚线所示，在对开关元件Q1和开关控制电路1进行了IC化时，设置有ST端子、D端子、GND端子、FB端子、Vcc端子。ST端子是连接有开关元件N1的漏极端子，并连接输入电源即平滑电容器C1的正极端子与变压器T的一次绕组P1的一端之间的连接点的端子。D端子是连接有开关元件Q1的漏极端子，并连接变压器T的一次绕组P1的另一端的端子。在GND端子上连接有接地端子，在FB端子上输入有来自2次侧的FB信号。另外，Vcc端子是施加有开关控制电路1及起动时控制电路4的动作电压Vcc的端子，连接有整流二极管D2与平滑电容器C3的正极端子之间的连接点。
此处，ST端子和D端子是输入高压的端子。如上所述，当存在2个输入高压的端子时，由于端子间的绝缘对策会变得非常重要，因此如图6所示，设置对D端子和ST端子进行了共同化的D/ST端子，使向开关元件Q1的漏极端子的输入、与向开关元件N1的漏极端子的输入共同化。此时，由于在动作中Vcc端子的电压有时变得比D/ST端子的电压高，因此在起动用电流供给电路上设置从Vcc端子向D/ST端子的逆流防止电路(二极管D3)。
【专利文献1】日本特开2000-23461号公报
但是，在图5所示的现有技术中，虽然由于在稳态时使开关元件N1成为断开状态，因此能够减少在稳态时产生的电力损失，但是由于开关元件N2接通，因此以开关元件N1、电阻R1、开关元件N2的路径流到50μA以下的漏电流。稳态时流到的漏电流，虽然是50μA以下、很低，但是由于开关元件N1的漏极电压高，因此存在消耗功率变大的问题。假设，当开关元件N2处于接通状态下的开关元件N1的栅极-源极间电压为-5V(开关元件N1的源极电压Vs为5V)、电阻R1为2.5MΩ时，漏电流(漏极电流)成为2μA，如果开关元件N1的漏极电压是380V，则开关元件N1的消耗功率成为0.78mW。
另外，在图6所示的现有技术中，存在如下所述的问题：开关元件N1的漏极电压通过变压器T而被升压，开关元件N1的消耗功率进一步变大。假设，当开关元件N2处于接通状态下的开关元件N1的栅极-源极间电压为-5V(开关元件N1的源极电压Vs为5V)、电阻R1为2.5MΩ时，漏电流成为2μA，如果开关元件N1的漏极电压为500V，则开关元件N1的消耗功率成为1mW。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，解决现有技术的上述问题，提供能够减少起动用电流供给电路的稳态时的消耗功率的开关电源装置。
本发明的开关电源装置，其具有与输入电源和变压器的一次绕组串联连接的开关元件；以及对该开关元件进行接通断开控制而进行开关动作的开关控制电路，该开关电源装置对在所述变压器上生成的二次电动势进行整流平滑而输出直流电力，该开关电源装置的特征在于具有：起动用电流供给电路，其在投入所述输入电源时，使用从所述输入电源或所述开关元件的高压电极输入的高压电源来向所述开关控制电路供给动作电流；稳态时电流供给电路，其在开始所述开关动作之后的稳态时，使用由所述变压器的二次电动势引起的低压电源来向所述开关控制电路供给动作电流；起动时控制电路，其在所述稳态时将所述起动用电流供给电路设定为断开状态；以及偏置电压供给电路，其在所述起动用电流供给电路断开的状态下，对从所述高压电源经由所述起动用电流供给电路而流到接地端子的漏电流的路径，使用所述低压电源来供给阻止或降低所述漏电流的偏置电压。
而且，在本发明的开关电源装置中，其特征在于，所述起动用电流供给电路具有对向所述开关控制电路的动作电流的供给进行接通断开的耗尽型FET，所述偏置电压供给电路向所述耗尽型FET的源极端子供给阻止所述漏电流的所述偏置电压。
而且，在本发明的开关电源装置中，其特征在于，所述起动用电流供给电路具有：对向所述开关控制电路的动作电流的供给进行接通断开的增强型FET；以及使用所述高压电源来向所述增强型FET的栅极端子供给接通电压的结型FET，所述偏置电压供给电路，对从所述高压电源经由所述结型FET而流到接地端子的所述漏电流的路径，使用所述低压电源而供给降低所述漏电流的偏置电压。
而且，在本发明的开关电源装置中，其特征在于，所述起动用电流供给电路具有：对向所述开关控制电路的动作电流的供给进行接通断开的增强型FET；以及使用所述高压电源来向所述增强型FET的栅极端子供给接通电压的耗尽型FET，所述偏置电压供给电路，对从所述高压电源经由所述结型FET而流到接地端子的所述漏电流的路径，使用所述低压电源而供给阻止所述漏电流的偏置电压。
根据本发明，得到如下所述的效果：在使起动用电流供给电路成为断开状态时，通过使用低压电源，对从高压电源经由起动用电流供给电路而流到接地端子的漏电流的路径，供给阻止或降低漏电流的偏置电压，从而能够减少起动用电流供给电路的稳态时的消耗功率。
附图说明
图1是示出本发明的开关电源装置的第1实施方式的电路结构的电路结构图。
图2是示出本发明的开关电源装置的第2实施方式的起动用电流供给电路的电路结构的电路结构图。
图3是图2所示的起动用电流供给电路的等价电路图。
图4是示出本发明的开关电源装置的第3实施方式的起动用电流供给电路的电路结构的电路结构图。
图5是示出现有的开关电源装置的电路结构的电路结构图。
图6是示出使D端子和ST端子共同化的现有的开关电源装置的电路结构的电路结构图。
符号说明
1 开关控制电路
2 负载
3 误差放大器
4 起动时控制电路
5 JFET
AC 商用交流电源
C1~C3 平滑电容器
D1~D5 二极管
DB 整流电路
T 变压器
P1 一次绕组
P2 辅助绕组
S12 次绕组
PCD 发光二极管
PCTR 受光晶体管
PQ1 开关元件
Q1 开关元件
N1~N5 开关元件
R1~R7 电阻
具体实施方式
(第1实施方式)
参照图1，第1实施方式的开关电源装置在图6所示的现有的开关电源装置的起动用电流供给电路结构的基础上，设置与二极管D3并联连接的电阻R3，同时，作为用于防止流到电阻R2的电流变动的恒流电路设置有由P沟道的增强型FET构成的开关元件PQ1。开关元件PQ1的源极端子连接在开关元件N1的栅极端子与电阻R1之间的连接点上，开关元件PQ1的漏极端子与接地端子连接。另外，开关元件PQ1的栅极端子连接在二极管D3与电阻R2之间的连接点上。
在刚投入商用交流电源AC之后的开关元件N1接通状态(起动时)中，在并联连接的电阻R3及二极管D3上流到电流而对平滑电容器C3进行充电，当平滑电容器C3的充电电压达到规定的电压时，开关控制电路1接通而开始开关动作。同时，起动时控制电路4使开关元件N2成为接通状态而使开关元件N1断开。
当处于稳态时而开关元件N1处于断开状态时，开关元件N1的源极电压Vs成为通过电阻R3、电阻R2和电阻R1对稳态时的动作电压Vcc进行了分压的电压。因此，通过电阻R3的电阻值来确定开关元件N1的源极电压Vs。在第1实施方式中，以开关元件N1的源极电压Vs与开关元件N1的栅极电压(0V)之间的电位差、即开关元件N1的栅极-源极间电压成为夹断电压以下的方式，设定电阻R3的电阻值。电阻R3作为偏置电压供给电路来发挥功能。即、由此在电阻R2与电阻R1之间的连接点上，阻止从输入有高压电源的D/ST端子流到开关元件N1的漏电流(漏极电流)的偏置电压，从作为低压电源的动作电压Vcc通过电阻R3来供给。因此，在稳态时，不会在开关元件N1上流到漏电流，电流从比开关元件N1的漏极电压低的动作电压Vcc以电阻R3、电阻R2、电阻R1、开关元件N2的路径流到，从而能够减少消耗功率。
在动作电压Vcc为最低动作电压9V时，如图1所示，当电阻R1为2.5MΩ、电阻R3为0.5MΩ、电阻R2的电阻值与电阻R3的电阻值相比而言，因充分小而忽略时，开关元件N1的源极电压Vs成为7.5V。此处，如果-7.5V为开关元件N1的夹断电压以下，则在开关元件N1上不会流到漏电流，根据动作电压Vcc(9V)以电阻R3、电阻R2、电阻R1、开关元件N2的路径流到3μA的电流。因此，消耗功率成为9V×3μA=0.027mW，与现有技术相比，能够大幅减少消耗功率。
另外，在动作电压Vcc为最大动作电压的30V时，同样地，开关元件N1的源极电压Vs成为25V，根据动作电压Vcc(30V)以电阻R3、电阻R2、电阻R1、开关元件N2的路径流到10μA的电流。因此，消耗功率成为30V×10μA=0.3mW，这与现有技术相比较，也能够大幅减少消耗功率。
如上所述，根据第1实施方式，在开关元件N1断开的状态下，在从高压电源经由开关元件N1而流到接地端子的漏电流的路径上，通过经由电阻R3而使用来自端子Vcc的低压电源来供给阻止漏电流的偏置电压，从而得到能够减少稳态时的消耗功率的效果。
(第2实施方式)
在第2实施方式中，在芯片的结构上不能使用耗尽型FET时，组合增强型FET和结型FET(junction gate field-effect transistor)来构成起动用电流供给电路。
参照图2，在D/ST端子与Vcc端子之间串联连接有由N沟道MOSFET构成的开关元件N3、电阻R2、二极管D3。另外，在D/ST端子与接地端子之间串联连接有JFET5、电阻R4、R5、开关元件N2，同时，JFET5的栅极端子与接地端子连接，电阻R5与开关元件N2之间的连接点与开关元件N3的栅极端子连接。JFET5在开关元件N2断开的状态(起动时)下，使用从D/ST端子输入的高压电源来向开关元件N3的栅极端子供给接通电压。而且，在Vcc端子上连接有二极管D4的阳极，二极管D4的阴极连接在电阻R4与电阻R5之间的连接点上。
此处，设输入到D/ST端子的电压为500V、动作电压Vcc为9.6V、开关元件N2接通状态下的JFET5的源极电压为15V、电阻R4的电阻值为3MΩ、电阻R5的电阻值为1MΩ、二极管D4的顺向电压为0.6V，验证开关元件N2接通状态(稳态时)下的没有连接有二极管D4时的消耗功率、和如图2所示连接有二极管D4时的消耗功率。
在图2中，在没有连接有二极管D4时，在JFET5上流到3.75μA的漏电流，消耗功率成为500V×3.75μA=1.88mW。
相对于此，如图2所示，在连接有二极管D4时，如从图3所示的等价电路可知，电阻R4与电阻R5之间的连接点的电压成为9V，在JFET5上流到的漏电流减少到2μA。二极管D4作为偏置电压供给电路来发挥功能。即、在电阻R4与电阻R5之间的连接点上，使从输入有高压电源的D/ST端子流到JFET5的漏电流降低的偏置电压，从作为低压电源的动作电压Vcc通过二极管D4来供给。因此，输入到D/ST端子的电压500V的消耗功率成为500V×2μA=1mW，并且，动作电压Vcc(9.6V)的消耗功率成为(9.6V)2×1MΩ=0.09mW，能够使合计的消耗功率减少到1.09mW。
另外，在动作电压Vcc为12.6V时，电阻R4与电阻R5之间的连接点的电压成为12V，在JFET5上流到的漏电流减少到1μA。因此，输入到D/ST端子的电压500V的消耗功率成为500V×1μA=0.5mW，并且，动作电压Vcc为12.6V的消耗功率成为(12.6V)2×1MΩ=0.16mW，合计的消耗功率进一步减少到0.66mW。
如以上所述，根据第2实施方式，在开关元件N3的断开状态下，对从高压电源经由JFET5而流到接地端子的漏电流的路径上，使用来自端子Vcc的低压电源而通过二极管D4供给使漏电流降低的偏置电压，从而起到能够减少稳态时的消耗功率的效果。
(第3实施方式)
在第3实施方式中，组合耗尽型FET和增强型FET来构成起动用电流供给电路。
参照图4，在D/ST端子与Vcc端子之间串联连接有由增强型的MOS晶体管构成的开关元件N4、电阻R2、二极管D3。由耗尽型FET构成的开关元件N5的漏极端子与D/ST端子连接，开关元件N5的源极端子与开关元件N4的栅极端子连接。开关元件N5的栅极端子通过开关元件N2而与接地端子连接，在开关元件N5的栅极端子与源极端子之间连接有电阻R6。另外，在Vcc端子上连接有二极管D5的阳极，二极管D5的阴极通过电阻R7连接在开关元件N5的源极端子与开关元件N4的栅极端子之间的连接点上。开关元件N5，在开关元件N2断开的状态(起动时)下，使用从D/ST端子输入的高压电源来向开关元件N4的栅极端子供给接通电压。
此处，设输入到D/ST端子的电压为500V、动作电压Vcc为9V、开关元件N2接通状态下的开关元件N5的源极电压为5V、电阻R6的电阻值为2.5MΩ、电阻R7的电阻值为0.5MΩ、二极管D4的顺向电压为0.6V，验证开关元件N2接通状态(稳态时)下的没有连接有二极管D5时的消耗功率、和如图4所示连接有二极管D5时的消耗功率。
在图4中，在没有连接有二极管D5时，在开关元件N5上流到2μA的漏电流，消耗功率成为500V×2μA=1mW。
相对于此，如图4所示，在连接有二极管D5时，电阻R6与电阻R7之间的连接点的电压成为7V。二极管D5及电阻R7作为偏置电压供给电路来发挥功能。即、在电阻R6与电阻R7之间的连接点上，从作为低压电源的动作电压Vcc通过二极管D5及电阻R7供给阻止从输入有高压电源的D/ST端子流到开关元件N5的漏电流的偏置电压。另外，电阻R7是为了使动作电压Vcc下降到比开关元件N2接通状态下的开关元件N5的源极电压高、且比开关元件N4的夹断电压低的电压而设置的。由于电阻R6与电阻R7之间的连接点的电压比5V高，因此在开关元件N5上不会流到漏电流，根据动作电压Vcc(9V)以电阻R7、电阻R6、开关元件N2的路径流到3μA的电流。因此，消耗功率成为9V×3μA=0.027mW，能够大幅减少消耗功率。
如上所述，根据第3实施方式，在开关元件N4断开的状态下，对从高压电源经由开关元件N5而流到接地端子的漏电流的路径上，通过经由二极管D5及电阻R7而使用来自端子Vcc的低压电源来供给阻止漏电流的偏置电压，从而起到能够减少稳态时的消耗功率的效果。
以上，虽然以具体的实施方式来说明了本发明，但是上述实施方式为一例，当然能够在不脱离本发明的要旨的范围内进行变更来实施。

Claims (4)

1.一种开关电源装置，其具有：与输入电源和变压器的一次绕组串联连接的开关元件；以及对该开关元件进行接通断开控制而使该开关元件进行开关动作的开关控制电路，该开关电源装置对在所述变压器上生成的二次电动势进行整流平滑而输出直流电力，
该开关电源装置的特征在于具有：
起动用电流供给电路，其在投入所述输入电源时，使用从所述输入电源或所述开关元件的高压电极输入的高压电源来向所述开关控制电路供给动作电流；
稳态时电流供给电路，其在所述开关动作开始之后的稳态时，使用基于所述变压器的二次电动势的低压电源来向所述开关控制电路供给动作电流；
起动时控制电路，其在所述稳态时，将所述起动用电流供给电路设定为断开状态；以及
偏置电压供给电路，其在所述起动用电流供给电路断开的状态下，对从所述高压电源经由所述起动用电流供给电路而流到接地端子的漏电流的路径，使用所述低压电源来供给阻止或降低所述漏电流的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述起动用电流供给电路具有耗尽型场效应管，该耗尽型场效应管对向所述开关控制电路的动作电流的供给进行接通断开，
所述偏置电压供给电路向所述耗尽型场效应管的源极端子供给阻止所述漏电流的所述偏置电压。
3.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述起动用电流供给电路具有：
增强型场效应管，其对向所述开关控制电路的动作电流的供给进行接通断开；以及
结型场效应管，其使用所述高压电源来向所述增强型场效应管的栅极端子供给接通电压，
所述偏置电压供给电路对从所述高压电源经由所述结型场效应管而流到接地端子的所述漏电流的路径，使用所述低压电源来供给降低所述漏电流的偏置电压。
4.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述起动用电流供给电路具有：
增强型场效应管，其对向所述开关控制电路的动作电流的供给进行接通断开；以及
耗尽型场效应管，其使用所述高压电源来向所述增强型场效应管的栅极端子供给接通电压，
所述偏置电压供给电路对从所述高压电源经由所述结型场效应管而流到接地端子的所述漏电流的路径，使用所述低压电源来供给阻止所述漏电流的偏置电压。
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