CN105471285B - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源装置，其通过开关动作来进行输出电压控制，且具有集成电路，该集成电路包括开关元件、以及对所述开关元件进行导通截止控制的驱动电路，所述集成电路具有：输入端子，其与所述开关元件连接；电压检测电路，其检测所述输入端子的电压；时机控制电路，其控制所述电压检测电路对电压的检测时机；以及控制部，其进行与通过所述电压检测电路在所述检测时机检测出的电压对应的控制。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及通过开关动作进行输出电压控制的开关电源装置。
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导通截止控制以使其进行开关动作的开关控制电路，并且构成为使在变压器的二次绕组上产生的二次电动势整流平滑，并输出直流电压。
另外，在日本特开2008-211881号公报中记载了一种独立于开关元件而设置集成电路，并控制该开关元件的开关电源装置。
在开关电源装置中，包括开关元件和驱动该开关元件的驱动电路的控制电路构成为集成电路(IC)。该控制电路设置有用于实现各种功能的多个端子，然而最近还出现了减少了端子数的产品，要求提出一种能够通过较少端子数实现较多功能的控制电路。
日本特开2008-211881号公报中所述的开关电源装置未考虑到削减集成电路的端子数。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而完成的，其提供一种能够通过较少的端子数实现较多功能的开关电源装置。
本发明的开关电源装置，其通过开关元件的开关动作来进行输出电压控制，其具有集成电路，该集成电路包括所述开关元件、以及对所述开关元件进行导通截止控制的驱动电路，所述集成电路具有：输入端子，其与所述开关元件连接；电源端子，其用于输入电源电压；电压检测电路，其检测所述输入端子的电压；时机控制电路，其控制所述电压检测电路对电压的检测时机；以及控制部，其进行与通过所述电压检测电路检测到的电压对应的控制，所述时机控制电路在从被输入给所述电源端子的电源电压超过阈值起，到开始执行如下开关动作为止的期间内，使所述电压检测电路检测电压，其中，在该开关动作中，周期性地切换所述开关元件的导通截止。
根据本发明，可提供一种能够通过较少的端子数实现较多功能的开关电源装置。
附图说明
图1是表示本实施方式的开关电源装置的结构的图。
图2是表示图1所示的控制器IC1的电路结构例的图。
图3是用于说明通过从比较器COMP3输出的信号检测D/ST端子的电压时的动作的时序图。
图4是用于说明通过从时机检测电路17输出的信号检测D/ST端子的电压时的动作的时序图。
图5是用于说明通过从比较器COMP4输出的信号检测D/ST端子的电压时的动作的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
参照图1可知，本实施方式的开关电源装置具有整流电路DB、平滑电容器C1、C2、C3、变压器T、作为集成电路的控制器IC1、整流二极管D1、D2、空气放大器(E/A)2、构成光耦合器的发光二极管PC1和受光晶体管PC2、电流检测电阻Rocp、电阻R1、R2、电容器C4。
在桥接二极管而构成的整流电路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被输入的交流电压被全波整流后从整流电路DB被输出。
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，得到了通过整流电路DB和平滑电容器C1对从商用交流电源AC提供的交流电压整流平滑后的直流电压。
在控制器IC1中内置有功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件和用于进行该开关元件的导通截止控制(开关控制)的驱动电路。
控制器IC1具有D/ST(MOSFET漏极/起动电流输入)端子、S/OCP(MOSFET源极/过电流保护)端子、Vcc(IC电源电压输入)端子、FB/OLP(反馈信号输入/过负载保护信号输入)端子、CND端子。
从一次侧(输入侧)向二次侧(负载侧)提供电力的变压器T通过一次绕组P、辅助绕组D和二次绕组S构成。整流电路DB的整流输出正极端子与变压器T的一次绕组P的一端部连接，变压器T的一次绕组P的另一端部与控制器IC1的D/ST端子连接。控制器IC1的S/OCP端子通过电阻Rocp与接地端子连接。
通过对控制器IC1所内置的开关元件进行导通截止控制，从而被赋予给变压器T的一次绕组P的电力传递至变压器T的二次绕组S，在变压器T的二次绕组S上产生电流。另外，电流检测电阻Rocp作为将在控制器IC1内置的开关元件中流过的电流(ID)检测作为电压信号Vocp的电阻而连接。
控制器IC具有过电流保护(OCP)功能，具体是在对应于在开关元件中流过的电流的电压信号Vocp大于等于预先设定的过电流阈值时，限制提供给二次侧的电力。
在变压器T的二次绕组S的两个端子间通过整流二极管D1而连接有平滑电容器C2。被变压器T的二次绕组S感应出的电压通过整流二极管D1和平滑电容器C2而被整流平滑，平滑电容器C2的端子间电压作为输出电压Vo而从输出端子被输出。此外，与平滑电容器C2的正极端子连接的线成为电源线，而连接着平滑电容器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线之间连接有空气放大器(E/A)2。空气放大器2连接于电源线与GND线之间，根据输出电压Vo与额定电压之差，控制光耦合器的发光二极管PC1中流过的电流。另外，控制器IC的FB/OLP端子通过并联连接的受光晶体管PC2和电容器C4而与接地端子连接。
由此，与输出电压对应的反馈(FB)信号从发光二极管PC1被发送至一次侧的受光晶体管PC2，并作为电压信号VFB而输入到控制器IC1的FB/OLP端子。
控制器IC1根据被输入到FB/OLP端子的电压信号VFB来控制开关元件的导通期间和截止期间的占空比，并控制提供给二次侧的电力量。
在变压器T的辅助绕组D的两个端子间通过整流二极管D2而连接有平滑电容器C3。整流二极管D2与平滑电容器C3的连接点与控制器IC1的Vcc端子连接。由此，产生于辅助绕组D的电压通过整流二极管D2和平滑电容器C3而被整流平滑，并作为IC用电源电压Vcc提供给控制器IC1的Vcc端子。
图2是表示图1所示的控制器IC1的电路结构例的图。
控制器IC1具有由N沟道型功率MOSFET等构成的开关元件Q1、驱动电路11、OSC(内部振荡器)12、调节器13、起动电路14、采样保持(S/H)电路15、输入判定电路16、时机检测电路17、控制部18、电压检测用的电阻R4、R5、开关SW1、可变电压VR1、VR2、基准电压Vrb、或电路OR1、OR2、触发电路FF1、比较器COMP1～COMP4、电阻R3。
在D/ST端子中，开关元件Q1的漏极端子、起动电路14、由用于检测D/ST端子的电压的电阻R4和R5构成的串联电路、该串联电路的与D/ST端子连接的端部的相反侧端部与接地端子连接。该串联电路构成检测D/ST端子的电压的电压检测电路。
起动电路14连接于D/ST端子和开关元件Q1的漏极的连接点与Vcc端子之间。起动电路14在D/ST端子被输入直流电压时，开始对连接于Vcc端子的平滑电容器C3的充电，并使被输入到Vcc端子的电源电压Vcc上升。
调节器13与Vcc端子连接，从Vcc端子接受电力的供给并进行动作，分别生成用于供控制器IC1的各部分进行动作的电源电压并提供给各部分。
在S/OCP端子上连接有开关元件Q1的源极端子。开关元件Q1的栅极端子连接有驱动电路11。驱动电路11被输入或电路OR1的输出信号。驱动电路11是根据或电路OR1的输出信号来输出开关元件Q1的驱动信号的驱动电路。
或电路OR1的输入端子被输入OSC12的输出信号和触发电路FF1的反转输出端子Q-的输出信号。触发电路FF1的S端子连接着OSC12的输出，而触发电路FF1的R端子连接着或电路OR2的输出。
从OSC12输出的时钟信号的脉冲宽度被设定为小于开关元件Q1的最低导通时间宽度。触发电路FF1作为PWM锁存电路而发挥功能。由此，在OSC12的输出信号为L电平(未输出时钟信号的状态)，触发电路FF1被设置而反转输出端子Q-的输出信号为低电平的情况下，从或电路OR1对驱动电路11输入高电平的输出信号，开关元件Q1被接通。
S/OCP端子与比较器COMP1的非反转端子和比较器COMP2的非反转端子分别连接。比较器COMP1是检测过电流的OCP比较器，反转端子连接有在通常动作时被设定为过电流阈值的可变电压VR1。
在通常动作时，在对应于在开关元件Q1中流过的漏极电流ID的S/OCP端子的电压信号Vocp大于等于过电流阈值(VR1)的情况下，从比较器COMP1输出高电平的输出信号。比较器COMP1的输出信号变为高电平，从而通过或电路OR2使得触发电路FF1被复位，或电路OR1的输出信号成为低电平，开关元件Q1截止。
比较器COMP2是用于进行根据作为电压信号VFB而被输入到FB/OLP端子的FB信号控制开关元件Q1的占空比的反馈控制的电流检测转换器。
比较器COMP2的反转输入端子与通过电阻R3而连接于基准电压Reg的FB/OLP端子连接。在比较器COMP2中比较电压信号Vocp与电压信号VFB，在电压信号Vocp大于等于电压信号VFB的情况下，从比较器COMP2输出H电平的输出信号。
比较器COMP2的输出信号为H电平，从而通过或电路OR2使得触发电路FF1被复位，或电路OR1的输出信号成为低电平，开关元件Q1截止。由此，执行根据FB信号控制开关元件Q1的占空比的反馈控制。
比较器COMP4是用于比较作为电压信号VFB而被输入到FB/OLP端子的FB信号电压与连接于非反转端子的基准电压Vrb，以使通常的开关动作进行突发振荡出的突发转换器。
基准电压Vrb被设定为轻负载时的FB信号电压值。比较器COMP4的反转输入端子与通过电阻R3而连接于基准电压Reg的FB/OLP端子连接。在比较器COMP4中比较电压信号Vrb与电压信号VFB，在电压信号Vrb大于等于电压信号VFB的情况下，从比较器COMP4输出高电平的输出信号。
比较器COMP4的输出信号为高电平，从而通过或电路OR2使得触发电路FF1被复位，或电路OR1的输出信号成为低电平，开关元件Q1截止。由此，执行根据FB信号使开关元件Q1在一定期间内处于截止状态的突发振荡控制。
通过这种突发振荡控制，开关电源装置能够基于间歇性进行对开关元件Q1进行导通截止控制以控制输出电压的开关动作，从而削减消耗电力的待机模式进行动作。
比较器COMP3是比较被输入给Vcc端子的电源电压Vcc与可变电压VR2的比较电路。比较器COMP3的非反转输入端子与Vcc端子连接，而反转输入端子与可变电压VR2连接。比较器COMP3在电源电压Vcc超过可变电压VR2的情况下将高电平的信号输出给S/H电路(采样/保持电路)15。在电源电压Vcc小于等于可变电压VR2的情况下，控制器IC1的动作停止。
可变电压VR2被设定为用于开始控制器IC1的动作的第1基准电压Von(例如15V)和用于停止控制器IC1的动作且低于第1基准电压Von的第2基准电压Voff(例如10V)中的任意一方。
S/H电路15与由电阻R4和R5构成的电压检测电路的输出端子(电阻R4与电阻R5的连接点)连接。在电阻R4与电阻R5之间连接着开关SW1。S/H电路15控制开关SW1的导通截止，在使开关SW1导通时，构成为将通过电阻R4和电阻R5检测的电压保持于内部的电容器。
S/H电路15控制使开关SW1导通的时机，从而作为控制电压检测电路检测D/ST端子的电压的时机的时机控制电路发挥功能。
S/H电路15分别被输入从比较器COMP3输出的信号、从时机检测电路17输出的信号、从比较器COMP4输出的信号。S/H电路15在所输入的各信号成为高电平时使开关SW1导通，并保持通过电压检测电路检测出的D/ST端子的电压。
图3是用于说明S/H电路15通过从比较器COMP3输出的信号保持D/ST端子的电压时的动作的时序图。在图3中，“Vcc”表示被输入到Vcc端子的电源电压。“DRV”表示从驱动电路11输出的驱动信号。“复位信号”表示比较器COMP3的输出信号。“电压保持信号”表示开关SW1的驱动信号。“VDS”表示开关元件Q1的漏极源极间电压。
如图3所示，在开关电源装置起动，被输入到Vcc端子的输入电压上升时，在该输入电压达到可变电压VR2(例如15V)的时机对S/H电路15输入高电平的复位信号。S/H电路15在被输入了高电平的复位信号的时机使开关SW1导通，并保持通过由电阻R4和电阻R5构成的串联电路检测的D/ST端子的电压。
在电源电压Vcc刚刚开始上升后，开关元件Q1的开关动作尚未开始。因此，在电源电压Vcc上升，在比较器COMP3输出了电源接通复位的复位信号后，直到开关元件Q1的开关动作开始为止的期间内，检测并保持D/ST端子的电压，从而能够正确判定被输入到D/ST端子的输入电压的大小。
图2所示的时机检测电路17被输入或电路OR1的输出信号。时机检测电路17根据或电路OR1的输出信号，检测驱动电路11将开关元件Q1从导通切换为截止的时机。
然后，时机检测电路17在从所检测的时机起经过了规定时间以后的时机将高电平信号输出给S/H电路15，在除此之外的时机将低电平信号输出给S/H电路15。
该规定时间例如是通过在开关元件Q1从导通变为截止的瞬间的D/ST端子的电压，使得变压器T的二次绕组S的电力传递完成为止所需的时间。其中，该时间为消除峰值电压的时间。
图4是用于说明S/H电路15通过从时机检测电路17输出的信号保持D/ST端子的电压时的动作的时序图。在图4中，“VDS”表示开关元件Q1的漏极源极间电压。“ID”表示对应于在开关元件Q1中流过的漏极电流ID的S/OCP端子的电压信号Vocp。“电压保持信号”表示时机检测电路17的输出信号。
如图4所示，在执行周期性地切换开关元件Q1的导通截止的开关动作的期间内，在开关元件Q1导通时漏极电流ID会增加，而且开关元件Q1的漏极源极间电压会成为较小的值。
另一方面，在开关元件Q1截止时，漏极电流ID几乎为零，而且开关元件Q1的漏极源极间电压上升并在规定时间后稳定，此后逐渐衰减。在该漏极源极间电压稳定的期间内，电压保持信号以在多个期间(图4的例子中为2个期间)发生1次的比例，成为高电平。
这样，S/H电路15每隔一定期间保持在从开关元件Q1断开起经过规定时间以后的漏极源极间电压，从而能够判定通常动作时被输入到D/ST端子的输入电压的大小。
此外，时机检测电路17在开关元件Q1变为截止的各期间内，可以构成为在从该期间开始起经过了规定时间以后输出高电平信号。如图4所示，通过将使电压保持信号为高电平的周期长于开关周期，从而能够实现消耗电力的削减。
图5是用于说明S/H电路15通过从比较器COMP4输出的信号而保持D/ST端子的电压时的动作的时序图。在图5中，“FB”表示作为电压信号VFB而被输入到FB/OLP端子的FB信号电压。“VDS”表示开关元件Q1的漏极源极间电压。“电压保持信号”表示比较器COMP4的输出信号。
在FB信号电压大于等于电压信号Vrb的情况下，从比较器COMP4输出低电平的电压保持信号。另外，在这种情况下，触发电路FF1的复位端子被输入低电平的信号，因此触发电路FF1未被复位，而是根据OSC12的振荡频率，对开关元件Q1进行导通截止控制。
在FB信号电压小于电压信号Vrb的情况下，从比较器COMP4输出高电平的电压保持信号，在S/H电路15中保持D/ST端子的电压。另外，这种情况下，触发电路FF1的复位端子被输入高电平的信号，因此触发电路FF1被复位，开关元件Q1被维持在截止状态。
这样，在不执行开关元件Q1的开关动作的待机期间的开关截止状态时，S/H电路15检测D/ST端子的电压。通过这种结构，如图4所示，相比在开关动作期间中以一定周期检测并保持D/ST端子的电压的情况而言，能够减少电压检测带来的电路损耗。
此外，S/H电路15在不执行开关元件Q1的开关动作的待机期间的开关截止状态时，可以并非常时检测D/ST端子的电压，而是间歇检测电压。另外，在这种状态下也可以构成为仅进行1次电压检测。
图2所示的输入判定电路16生成与被S/H电路15保持的电压对应的信号，并将所生成的信号输出给控制部18。
例如，输入判定电路16在被S/H电路15保持的电压小于等于阈值TH1的情况下输出第1信号，而在被S/H电路15保持的电压小于等于比阈值TH1大的阈值TH2(＞阈值TH1)的情况下输出第2信号，并在被S/H电路15保持的电压大于阈值TH2的情况下输出第3信号。
作为阈值TH1，例如可以设定用于判断作为商用交流电源AC是100V系电压和200V系电压中的任意一方的值(例如100V)。作为阈值TH2可以根据开关元件Q1的耐压而设定为能够判断需要开关元件Q1的保护的值。
控制部18控制OSC12和驱动电路11。控制部18根据从输入判定电路16输入的信号，变更包括驱动电路11对开关元件Q1的控制内容在内的集成电路内的各种控制内容。
例如，控制部18在被输入第1信号时和被输入第2信号时，变更开关频率的控制内容(OSC12的振荡频率、频率降低功能的动作点的切换时机等)以及用于驱动电路11的软开关的导通截止切换时机等。
另外，控制部18在被输入了第3信号时，使驱动电路11处于截止驱动状态。由此，开关元件Q1截止。因此，在超过耐压的过电压被输入到D/ST端子的情况下，能够保护开关元件Q1。
此外，控制部18在被输入第1信号(表示电源为100V的信号)或第2信号(表示电源为200V的信号)时设定控制内容，而仅在被输入了第3信号(表示被输入了过输入电压的信号)的情况下，进行用于保护开关元件Q1不被过电压影响的控制。
以下，说明图1所示的开关电源装置的动作。
在搭载了图1所示的开关电源装置的电子设备连接于商用交流电源AC时，D/ST端子被输入直流电压。通过被输入该直流电压，从而起动电路14使Vcc端子的电压上升，在比较器COMP3的输出为高电平时，在S/H电路15中，保持被电阻R4、R5检测的D/ST端子的电压。
被S/H电路15保持的电压被输入到输入判定电路16，输入判定电路16比较所输入的电压与阈值TH1、TH2，并将与比较结果对应的信号输出给控制部18。控制部18根据所输入的信号设定控制内容。
此后，在根据通过控制部18设定的控制内容，开始了驱动电路11对开关元件Q1的开关动作时，每当开关元件Q1从截止起经过了规定时间后的时机，通过电阻R4、R5检测的D/ST端子的电压都被保持于S/H电路15。
通过S/H电路15保持的电压被输入到输入判定电路16，输入判定电路16比较所输入的电压与阈值TH1、TH2，并将与比较结果对应的信号输出给控制部18。控制部18在被输入了第3信号时，实施用于保护开关元件的控制。
另外，在比较器COMP4的输出信号成为高电平的时机，被电阻R4、R5检测出的D/ST端子的电压被保持于S/H电路15。通过S/H电路15保持的电压被输入到输入判定电路16，输入判定电路16比较所输入的电压与阈值TH1、TH2，并将与比较结果对应的信号输出给控制部18。控制部18在被输入了第3信号时，实施用于保护开关元件Q1的控制。
此外，在待机状态下，可以停止时机检测电路17。由此，在待机模式时的开关动作中，不再通过电阻R4、R5检测D/ST端子的电压，能够削减消耗电力。
如上所述，根据图1的开关电源装置，在集成电路内具有检测被输入到D/ST端子的电压的电压检测电路(电阻R4、R5)，因此不必在集成电路设置用于检测输入电压且将所检测的电压输入到集成电路的专用端子，就能实现对应于输入电压的变动的各种控制。其结果，能够将用于输入电压检测的端子分配给具备其他功能的端子等，能够通过较少的端子数实现更多功能。
另外，根据图1的开关电源装置，并非常时检测D/ST端子的电压，而是通过S/H电路15控制其检测时机，因此相比常时检测被输入到集成电路的电压的结构而言，能够减少电路损耗。
在图1的开关电源装置中，可以构成为从商用交流电源AC被提供交流电压，控制部18控制为在从对D/ST端子输入了直流电压起的一定期间内不进行开关控制。通过这种结构，能够充分确保用于检测D/ST端子的电压的时间。
以上，使用具体实施方式说明了本发明，然而上述实施方式仅为一例，当然可以在不脱离本发明主旨的范围内变更并实施。
如上所述，本说明书中公开了如下事项。
所公开的开关电源装置通过开关元件的开关动作来进行输出电压控制，其具有集成电路，该集成电路包括所述开关元件、以及对所述开关元件进行导通截止控制的驱动电路，所述集成电路具有：输入端子，其与所述开关元件连接；电压检测电路，其检测所述输入端子的电压；时机控制电路，其控制所述电压检测电路对电压的检测时机；以及控制部，其进行与通过所述电压检测电路检测的电压对应的控制。
所公开的开关电源装置中，所述集成电路还具有用于输入电源电压的电源端子，所述时机控制电路在从被输入给所述电源端子的电源电压超过阈值起，到开始执行周期性地切换所述开关元件的导通截止的开关动作为止的期间内，使所述电压检测电路检测电压。
所公开的开关电源装置中，所述时机控制电路在周期性地切换所述开关元件的导通截止的开关动作中的所述开关元件处于截止的期间内设定的周期性时机，使所述电压检测电路检测电压。
所公开的开关电源装置中，所述时机控制电路在间歇性地进行周期性地切换所述开关元件的导通截止的开关动作的期间内所述开关动作停止的期间，使所述电压检测电路检测电压。

Claims (3)

1.一种开关电源装置，其通过开关元件的开关动作来进行输出电压控制，
该开关电源装置具有集成电路，该集成电路包括所述开关元件以及对所述开关元件进行导通截止控制的驱动电路，
所述集成电路具有：
输入端子，其与所述开关元件连接；
电源端子，其用于输入电源电压；
电压检测电路，其检测所述输入端子的电压；
时机控制电路，其控制所述电压检测电路对电压的检测时机；以及
控制部，其进行与通过所述电压检测电路检测到的电压对应的控制，
所述时机控制电路在从被输入给所述电源端子的电源电压超过阈值起，到开始执行如下开关动作为止的期间内，使所述电压检测电路检测电压，其中，在该开关动作中，周期性地切换所述开关元件的导通截止。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其中，
所述时机控制电路在如下开关动作中的所述开关元件处于截止的期间内设定的周期性时机，使所述电压检测电路检测电压，其中，在该开关动作中，周期性地切换所述开关元件的导通截止。
3.根据权利要求1所述的开关电源装置，其中，
所述时机控制电路在间歇性地进行如下开关动作的期间内的所述开关动作停止的期间内，使所述电压检测电路检测电压，其中，在该开关动作中，周期性地切换所述开关元件的导通截止。
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