CN104300791A - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

为了获得恒压输出，提供一种可修正包含误差的中间总线电压的检测结果的开关电源装置。开关电源装置(101)具备：通过开关元件(Q1)的接通断开将输入电压升压的升压转换器(10)；具有被绝缘的初级绕组(np)及次级绕组(ns)且将初级绕组(np)连接至升压转换器(10)的输出的变压器(T)；对开关元件(Q1)进行接通断开控制的微型控制器(20)；对向微型控制器(20)输入的输入电压进行检测的输入电压检测电路；以及对来自微型控制器(20)的中间总线电压进行检测的中间总线电压检测电路。输入电压检测电路及中间总线电压检测电路是由同一规格的元件构成的相同电路，微型控制器(20)基于根据由输入电压检测电路及中间总线电压检测电路检测出的电压值而算出的结果，对开关元件(Q1)进行接通断开控制。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及具备有升压转换器的开关电源装置。
背景技术
在为将商用电源作为输入的电力容量大的电源装置的情况下，为了消除高次谐波电流限制，搭载PFC(功率因数改善)用的升压转换器在事实上成为必须。再有，在为将太阳光等可再生能源作为输入的电源装置的情况下，由于输入电压的变动较大，因此为了补偿该变动，也有时构成在前级具备有升压转换器的电源装置。如此在构成具备有升压转换器的电源装置的情况下，升压转换器为了获得恒压的输出，检测输出电压并与基准电压进行比较，且控制为其误差变为零。其中，因布线中的电阻或基准电压的偏差等要因，输出电压会产生误差(偏离)。若进行相对于该误差而具备极限的部件选定或电路设计，则成为装置大型化、成本上升、效率下降等课题的要因，因此在获得更高精度的输出电压的情况下需要进行修正。因而，在专利文献1中公开了在恒压电源装置中可以抑制基准电压源的偏差或分压电阻的偏差所引起的输出电压的偏离的发明。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2009-240063号公报
然而，一般而言因为在电路中途并不具备用于从外部来测量电压的测量用端子，所以在为前级具备了升压转换器的电源装置的情况下，无法直接测量升压转换器的输出电压(中间总线电压)。为此，不能进行以下处理：对利用检测电路检测出的中间总线电压和直接测量出的中间总线电压进行比较，并对包含误差的中间总线电压的检测结果进行修正。其结果，存在无法将中间总线电压控制成给定值、且无法高精度地从升压转换器输出恒压的问题。该问题在专利文献1中无法解决。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可对包含误差的中间总线电压的检测结果进行修正的开关电源装置。
本发明涉及的开关电源装置的特征在于，具备：前级转换器，通过第1开关元件的接通断开将被输入至电压输入部的输入电压转换为给定电压；后级转换器，通过第2开关元件的接通断开将所述前级转换器的输出电压转换为给定电压；输入电压检测电路，对所述前级转换器的输入电压进行检测；中间总线电压检测电路，对作为所述前级转换器的输出电压的中间总线电压进行检测；和控制部，
该控制部具有：采样单元，将由所述输入电压检测电路及中间总线电压检测电路检测的检测信号与基准电压进行比较来进行采样；电压计算部，利用由所述输入电压检测电路及中间总线电压检测电路检测的检测信号并根据给定的计算式来计算所述输入电压及所述中间总线电压的测量值；存储单元，存储所述计算式的系数；以及通信单元，向外部装置发送所述电压测量值并从外部装置接收所述系数，
所述输入电压检测电路及所述中间总线电压检测电路是由同一规格的元件构成的相同电路，对由所述输入电压检测电路及中间总线电压检测电路检测的检测信号进行采样的采样单元的基准电压是相同的，计算所述输入电压测量值及所述中间总线电压测量值的所述给定的计算式以及所述计算式所利用的系数是相同的。
在该构成中，当对前级转换器的输入电压及中间总线电压(输出电压)进行了检测的情况下，虽然在检测用电路的各元件的影响所引起的检测结果中包含误差，但却没有误差的偏差(小的误差偏差)。因而，可以针对输入电压及中间总线电压各自进行测量值的计算，以便同样地消除误差的影响。为了测量前级转换器的输入电压，只要直接测量开关电源装置的输入端子的电压即可。而且，按照该直接测量出的输入电压测量值和根据由输入电压检测电路检测出的输入电压而得到的测量值一致的方式，计算根据输入电压检测电路的检测信号计算测量值的计算式所利用的系数并进行存储，在根据中间总线电压检测电路的检测信号计算中间总线电压测量值的计算式中利用同样的系数，由此也可计算没有误差(小的误差)的中间总线电压的测量值。因此，无需设置直接测量中间总线电压的测量用端子，便能修正中间总线电压的测量值，可以构成小型且高效率的开关电源装置。
优选所述输入电压检测电路及所述中间总线电压检测电路是电阻分压电路。
在该构成中，能以简易的构成检测输入电压及中间总线电压。
优选所述电阻分压电路的各电阻元件的制造批次是相同的。
在该构成中，能进一步缩小检测电路的各元件的影响带来的检测结果的偏差。
优选所述电阻分压电路的各电阻元件是一个薄膜网络电阻的元件。
在该构成中，能进一步缩小检测电路的各元件所引起的误差。
本发明涉及的开关电源装置优选具备：第1缓冲器，被连接在输出所述输入电压检测电路的检测信号的输出侧；和第2缓冲器，被连接在输出所述中间总线电压检测电路的检测信号的输出侧。
在该构成中，可稳定地生成电阻分压电路的参照电压，可缩小电压检测结果的误差。
优选所述第1缓冲器及所述第2缓冲器是具备一个芯片内的运算放大器的电路。
在该构成中，可以消除缓冲器的影响带来的误差。
优选所述前级转换器还具备：基准电压源；检测中间总线电压的第2中间总线电压检测电路；将所述基准电压源与所述第2中间总线电压检测电路的检测信号的误差放大的误差放大器；以及基于所述误差放大器的输出来控制第1开关元件的接通断开的前级转换器控制部，基于已被修正的所述中间总线电压测量值来调整被输入至所述误差放大器的所述第2中间总线电压的检测信号、或基准电压，并将其调整值存储于所述存储单元。
发明效果
根据本发明，可修正包含误差的中间总线电压的检测结果。
附图说明
图1是实施方式1涉及的开关电源装置的电路图。
图2是表示控制器具有一个AD转换器的情况的图。
图3是表示控制器具有两个AD转换器的情况的图。
图4是实施方式2涉及的开关电源装置的电路图。
图5是作为实施方式2的变形例的开关电源装置的电路图。
图6是实施方式3涉及的开关电源装置的电路图。
图7是实施方式4涉及的开关电源装置的电路图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1是实施方式1涉及的开关电源装置的电路图。在开关电源装置101的电压输入部P11、P12连接直流电源Vin。再有，在开关电源装置101的电压输出部P21、P22连接未图示的负载。
开关电源装置101具备升压转换器10。在该升压转换器10中输入了从电压输入部P11、P12被输入的电压。升压转换器10具备电感器L1、开关元件Q1、二极管D1、及电容器C1、C2。开关元件Q1为n型MOS-FET，由后述的升压转换器控制部11施加栅极信号来进行开关控制。
在升压转换器10的输出连接着变压器T的初级绕组np。在该初级绕组np串联地连接着开关元件Q2。由处于未图示的初级侧的后级转换器控制部对该开关元件Q2进行开关控制，以对施加给变压器T的初级绕组np的电压进行开关切换。在变压器T的次级绕组ns与电压输出部P21、P22之间构成了由二极管D2及电容器Co组成的整流平滑电路。整流平滑电路对在变压器T的次级绕组ns产生的交流电压进行整流平滑。
另外，虽然未图示，但在电压输出部P21、P22连接着对输出电压进行检测的检测电路，所检测出的输出电压的信息被传送给初级侧。而且，处于初级侧的后级转换器控制部按照输出电压保持既定值的方式确定开关元件Q2的接通时间，对开关元件Q2进行开关控制。
开关电源装置101具备输入侧电阻分压电路与输出侧电阻分压电路。输入侧电阻分压电路具备电阻R11、R12、R13，检测向升压转换器10输入的输入电压。输出侧电阻分压电路具备电阻R21、R22、R23，对来自升压转换器10的输出电压(以下称为中间总线电压。)进行检测。输入侧电阻分压电路、及输出侧电阻分压电路的输出经由缓冲器Bf1、Bf2而被连接至微型控制器20。缓冲器Bf1、Bf2是电压跟随器电路。通过将该缓冲器Bf1、Bf2连接至电阻分压电路的输出，从而可将稳定的电阻分压电路的参照信号向微型控制器20输出。
输入侧电阻分压电路及输出侧电阻分压电路是同样地连接了同一元件的电路。具体而言，电阻R11、R21是同一规格的元件，电阻R12、R22是同一规格的元件，电阻R13、R23是同一规格的元件。而且，电阻R11、R12、R13被串联连接，电阻R21、R22、R23也被串联连接。在此，同一规格的元件意味着：除了公称电阻值相同以外，还有耐压规格或误差容许范围或尺寸等产品规格相同的、所谓的件号相同。再有，希望制造批次是相同的。还有，期望电阻R11、R21是一个薄膜网络电阻元件。
这样，通过用同一规格的元件将输入侧电阻分压电路、及输出侧电阻分压电路做成同一构成的电路，从而各个电路检测电压而得的检测结果所包含的、元件的影响引起的误差是大体相同的(小的)。因此，在对包含误差的检测结果进行修正的情况下，能对输入侧电阻分压电路、及输出侧电阻分压电路各自进行利用了相同的修正值的修正。关于修正将在后面叙述。
开关电源装置101具备：由电阻R31、R32、R33构成的电阻分压电路；及通过基准电压Vref、误差放大器31、由电容器C3及电阻R4构成的相位补偿电路、以及、比较器32及三角波振荡器33而构成的升压转换器控制部11。由电阻R31、R32、R33构成的电阻分压电路被连接至升压转换器10的输出侧。
在误差放大器31的非反相输入端子(+)输入了基准电压Vref，在反相输入端子(-)连接电阻R32、R33的连接点。可以由微型控制器20来调整该基准电压Vref的值。再有，误差放大器31的输出通过由电容器C3及电阻R4构成的相位补偿电路后被反馈给反相输入端子(-)。该误差放大器31将被输入至各输入端子的电压的误差放大，然后向比较器32的非反相输入端子(+)输出。
在比较器32的反相输入端子(-)连接着三角波振荡器33。比较器32对来自误差放大器31的输出电压和来自三角波振荡器33的输出电压进行比较，生成与比较结果相应的占空比的PWM调制信号。基于比较器32生成的PWM调制信号的栅极信号被输入至栅极，从而驱动开关元件Q1。
微型控制器20根据控制器驱动电源VDD而动作，具备CPU21、AD转换器22、存储器23及DA转换器24。再有，微型控制器20也具备经由外部输入输出部P31、P32而与外部装置(未图示)进行数据通信的通信单元。另外，微型控制器20既可以直接与外部装置进行数据通信，也可以经由处于次级侧的微机而与外部装置进行数据通信。DA转换器24相当于采样单元。
微型控制器20通过AD转换器22对来自电阻分压电路的参照信号进行A-D转换，检测输入电压及中间总线电压。微型控制器20既可以具有一个AD转换器，也可以具有两个。图2是表示微型控制器20具有一个AD转换器的情况的图。图3是表示微型控制器20具有两个AD转换器的情况的图。
在图2的情况下，微型控制器20在AD转换器22的前级具有多路转换器20A，向AD转换器22输入来自输入侧电阻分压电路及输出侧电阻分压电路的参照信号的一方。在图3的情况下，微型控制器20具有以相同的基准电压进行驱动的两个AD转换器221、222，在AD转换器221、222分别连接着输入侧电阻分压电路及输出侧电阻分压电路的每一个。另外，在本实施例中，虽然将AD转换器的基准电压设为控制器驱动电源VDD，但也可以具备与此不同的参照电压而设为AD转换器221、222的基准电压。
微型控制器20将利用给定的算式由CPU21根据检测出的输入电压信号而计算出的输入电压测量值的信息经由外部输入输出部P31、P32而向外部装置输出。CPU21相当于电压计算部。外部装置例如是在出厂时进行开关电源装置101的评价的评价设备，对开关电源装置101的微型控制器20计算电压测量值之际所利用的计算式的系数进行计算。外部装置例如在开关电源装置101的出厂前进行该系数的计算。以下对系数的修正进行说明。
前级升压转换器控制部11对开关元件Q1进行开关控制，以使中间总线电压成为规定值。例如，在从直流电源Vin输入了340～400V的直流电压的情况下，前级升压转换器控制部11对开关元件Q1进行开关控制，以使中间总线电压成为410V的恒定电压。由此，从开关电源装置101输出恒压。微型控制器20检测的中间总线电压的检测结果中包含输出侧电阻分压电路的电阻R21、R22、R23的各元件的影响引起的误差及AD转换器22的基准电压引起的误差。因而，开关电源装置101为了高精度地输出恒压，微型控制器20需要对计算中间总线电压测量值的式子的系数进行修正。
在对该系数进行计算的情况下，需要直接测量升压转换器10的中间总线电压，对该测量值和微型控制器20检测出的测量值进行比较。然而，一般在电路中途没有测量用的端子，无法直接测量升压转换器10的中间总线电压。因此，在本实施方式中，从电压输入部P11、P12测量升压转换器10的输入电压，对该测量值与微型控制器20测量出的测量值进行比较。然后，外部装置对计算升压转换器10的输入电压测量值的式子的系数进行计算。如上所述，输入侧电阻分压电路与输出侧电阻分压电路的各元件、及其电路构成及AD转换器22的基准电压是相同的。即，来自输入侧电阻分压电路的信号的检测结果和来自输出侧电阻分压电路的信号的检测结果中包含相同元件的影响所引起的误差。因此，针对输入侧电阻分压电路计算出的系数也可以利用于输出侧电阻分压电路。
在此，将微型控制器20检测出的输入电压的值设为x、将输入电压测量值设为y。若微型控制器20检测出输入电压，则利用y＝ax+b的式子来求取输入电压的测量值。基于电阻R11、R12、R13的电压的分压比、及AD转换器22的分辨率是已知的。再有，在外部装置中输入了通过高精度的测量装置而测量出的向升压转换器10输入的输入电压。外部装置对由测量装置测量出的输入电压和微型控制器20测量出的输入电压进行比较，根据该比较结果和已知的值来计算上式的系数a、b。外部装置将计算出的系数a、b向开关电源装置101的微型控制器20发送。
微型控制器20将修正值a、b存储于存储器23。若在开关电源装置101的驱动时对中间总线电压进行检测，则微型控制器20利用存储器23所存储的修正值a、b，将测量值向外部装置传送。外部装置向微型控制器20传送信号，以使修正了误差的中间总线电压测量值变为期望值。DA转换器24输出信号，对基准电压Vref的值进行调整。通过将此时的调整值预先存储于存储器23中，从而在出厂后也能对开关元件Q1进行开关控制以使中间总线电压变得恒定，能高精度地从升压转换器10输出稳定的输出电压。
如以上所说明的那样，本实施方式涉及的开关电源装置101可以将输入电压的误差的修正用作中间总线电压的误差的修正。因而，无需设置用于直接测量中间总线电压的测量端子。
另外，在本实施方式中，虽然设置有缓冲器Bf1、Bf2，但并不是必须的。其中，通过设置缓冲器Bf1、Bf2，从而输入阻抗变高，因此通过处于AD转换器22的前级的取样保持电路(未图示)的动作，可防止影响波及到电阻分压电路的参照信号，微型控制器20可以获得更高精度的检测结果。此外，在设置缓冲器Bf1、Bf2的情况下，为了消除缓冲器Bf1、Bf2的影响引起的误差的偏差，优选缓冲器Bf1、Bf2是一个IC内的运算放大器。
再有，在将反向连接保护的二极管连接至电压输入部P11的情况下，由电阻R11、R12、R13构成的输入侧电阻分压电路也可以设置在该反向连接保护的二极管的前级或后级的任一方。其中，将输入侧电阻分压电路设置于反向连接保护的二极管的前级的方案在可以消除二极管的正向下降电压引起的影响的方面是优选的。
(实施方式2)
以下，对实施方式2涉及的开关电源装置进行说明。实施方式2涉及的开关电源装置将实施方式1涉及的开关电源装置的升压转换器10用作PFC转换器。PFC转换器通过使开关元件被接通断开而进行控制，以使电感器中流动的电流成为与向PFC转换器输入的输入电压相同的正弦波状。以下，对与实施方式1的不同点进行说明。另外，PFC转换器的电路构成和实施方式1涉及的升压转换器是相同的，因此赋予相同符号并进行说明。
图4是实施方式2涉及的开关电源装置的电路图。在开关电源装置102A的电压输入部P11、P12连接着商用电源CP。开关电源装置102A具备二极管电桥DB，从电压输入部P11、P12被输入的交流电压由二极管电桥DB整流后向作为PFC转换器的升压转换器10输入。升压转换器控制部11按照升压转换器10被作为PFC转换器来控制的方式，追加输出电压误差放大器31、由R41、R42、R43构成的输入电压检测电路、乘法器34、电感器电流检测电路35、电流误差放大器36及由电容器C5及电阻R6构成的相位补偿电路。此外，开关电源装置102A的其他构成和实施方式1是同样的。
图5是作为实施方式2的变形例的开关电源装置102B的电路图。在本例中，开关电源装置102B利用二极管电桥DB对从电压输入部P11、P12被输入的交流电压进行整流后向作为PFC转换器的升压转换器10输入。再有，开关电源装置102B具备被连接至二极管电桥DB的连接点的二极管D3、D4，输入侧电阻分压电路被连接于其二极管D3、D4的阴极。即，在本例中，利用与向升压转换器10进行输入的信号线不同的线，对升压转换器10的输入电压进行检测。二极管D3、D4是低电流容量(信号用)的二极管，由于正向下降电压小且其偏差小，故可以提高输入电压的检测精度。
即便是该实施方式2的电路构成，也与实施方式1同样地可以将输入电压的误差的修正用作中间总线电压的误差的修正。因而，无需设置用于直接测量中间总线电压的测量端子。
(实施方式3)
以下，对实施方式3涉及的开关电源装置进行说明。实施方式3涉及的开关电源装置与实施方式1不同之处在于向实施方式1涉及的升压转换器10的开关元件Q1输出栅极信号的电路构成。
图6是实施方式3涉及的开关电源装置的电路图。在本例中，在开关电源装置103具备的误差放大器31的非反相输入端子(+)连接着恒定的基准电压Vref，在反相输入端子(-)经由电阻R7而连接着微型控制器20的DA转换器24。与实施方式1同样，误差放大器31由微型控制器20来修正输出。另外，开关电源装置103的其他构成与实施方式1同样。
即便是该实施方式3的电路构成，也与实施方式1同样地可以将输入电压的误差的修正用作中间总线电压的误差的修正。因而，无需设置用于直接测量中间总线电压的测量端子。
(实施方式4)
以下，对实施方式4涉及的开关电源装置进行说明。实施方式4涉及的开关电源装置在具备主控制器40这一点上与实施方式1相异，还在不具备DA转换器24这一点上与实施方式1相异。在实施方式4中，微型控制器20与处于开关电源装置外部的主控制器40连接。主控制器40为了向开关电源装置发出指令或进行状态监视而通过通信进行各种信息的发送接收。
图7是实施方式4涉及的开关电源装置的电路图。经由外部输入输出部P31、P32而连接着主控制器40。
中间总线电压与电容器C2所蓄积的能量相关，因此是用于计算瞬停保持时间的重要信息之一。
如实施方式1中所说明的那样，通过将输入电压的误差的修正用作中间总线电压的误差的修正，从而能够将精度高的中间总线电压信息发送至主控制器40。
在图7所示的实施方式4中，不具备实施方式1所示的对升压转换器的基准电压Vref的电压进行修正的构成、或实施方式3所示的对电阻R32、R33的连接点的电压进行修正的构成。但是，若中间总线电压信息存在偏差，则瞬停时的保持时间的计算会产生误差。根据本发明，可以修正这种误差，因此可以高精度地实现开关电源装置的状态监视。
标号说明
10-升压转换器
11-升压转换器控制部
20-微型控制器
20A-多路转换器
21-CPU
22、221、222-AD转换器
23-存储器
24-DA转换器
31-误差放大器
32-比较器
33-三角波振荡器
40-主控制器
101、102A、102B、103-开关电源装置
L1-电感器
C1、C2-电容器
D1、D2、D3-二极管
DB-二极管电桥
Q1、Q2-开关元件
R11、R12、R13、R21、R22、R23、R31、R32、R33-电阻
Vin-直流电源
CP-商用电源
Bf1、Bf2-缓冲器
P11、P12-电压输入部
P21、P22-电压输出部
P31、P32-外部输入输出部
T-变压器
np-初级绕组
ns-次级绕组

Claims (7)

1.一种开关电源装置，具备：
前级转换器，通过第1开关元件的接通断开将被输入至电压输入部的输入电压转换为给定电压；
后级转换器，通过第2开关元件的接通断开将所述前级转换器的输出电压转换为给定电压；
输入电压检测电路，对所述前级转换器的输入电压进行检测；
中间总线电压检测电路，对作为所述前级转换器的输出电压的中间总线电压进行检测；和
控制部，
该控制部具有：
采样单元，将由所述输入电压检测电路及中间总线电压检测电路检测的检测信号与基准电压进行比较来进行采样；
电压计算部，利用由所述输入电压检测电路及中间总线电压检测电路检测的检测信号并根据给定的计算式来计算所述输入电压及所述中间总线电压的测量值；
存储单元，存储所述计算式的系数；以及
通信单元，向外部装置发送所述电压测量值并从外部装置接收所述系数，
所述输入电压检测电路及所述中间总线电压检测电路是由同一规格的元件构成的相同电路，
对由所述输入电压检测电路及中间总线电压检测电路检测的检测信号进行采样的采样单元的基准电压是相同的，
计算所述输入电压及所述中间总线电压的测量值的所述给定的计算式以及所述计算式所利用的系数是相同的。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其中，
所述输入电压检测电路及所述中间总线电压检测电路是电阻分压电路。
3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其中，
所述电阻分压电路的各电阻元件的制造批次是相同的。
4.根据权利要求2或3所述的开关电源装置，其中，
所述电阻分压电路的各电阻元件是一个薄膜网络电阻的元件。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的开关电源装置，其中，
所述开关电源装置具备：
第1缓冲器，被连接在输出所述输入电压检测电路的检测信号的输出侧；和
第2缓冲器，被连接在输出所述中间总线电压检测电路的检测信号的输出侧。
6.根据权利要求5所述的开关电源装置，其中，
所述第1缓冲器及所述第2缓冲器是具备一个芯片内的运算放大器的电路。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的开关电源装置，其中，
所述前级转换器还具备：基准电压源；检测中间总线电压的第2中间总线电压检测电路；将所述基准电压源与所述第2中间总线电压检测电路的检测信号的误差放大的误差放大器；以及基于所述误差放大器的输出来控制第1开关元件的接通断开的前级转换器控制部，
基于已被修正的所述中间总线电压测量值来调整被输入至所述误差放大器的所述第2中间总线电压检测电路的检测信号、或基准电压，并将其调整值存储于所述存储单元。
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