CN106160466B - 开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电源装置。开关电源装置是二极管(D2)的降压转换器，其针对输入电压，串联连接有开关元件(Q1)、电抗器(L1)和电容器(C2)，并且与电抗器(L1)和电容器(C2)并联连接，该开关电源装置通过使开关元件(Q1)进行导通截止动作，从而输出电容器(C2)的输出电压(Vo)，其具有：输出软驱动指示信号的软起动电路(14)；以及检测过载状态并输出软驱动指示信号的过载检测电路(15)，还具有驱动电路(11)，该驱动电路(11)在被输入了软驱动指示信号时，通过使通过栅极阈值电压时的栅极电压的充电速度低于通常动作时的栅极电压的充电速度的软驱动动作来使开关元件(Q1)进行导通截止动作。

Description

开关电源装置

技术领域

本发明涉及通过开关动作而将从输入电源供给的输入电压输出为期望的输出电压的降压转换器。

背景技术

关于降压转换器提出了如下的技术，其根据输入电压与输出电压之间的差电压，限制驱动信号的最大导通时间，从而构成过电流保护电路(例如，参照专利文献1)。在专利文献1中，使用时间限制电路来检测输入电压和输出电压，根据输入电压与输出电压之间的差电压限制驱动信号为第1状态的时间。如专利文献1的实施例1所述，该技术在输入电压为8V～5V等变动范围较小的情况下是有效的。

专利文献1日本特开2005-312105号公报

然而，在对商用交流电源的交流电压进行整流平滑，通过PWM控制对整流平滑后的高电压进行开关动作，例如在输出12V等的低电压的情况下，在过渡状态(起动时、过载/负载短路时)时，需要进一步缩小导通宽度进行控制。然而，在将商用交流电源作为输入的情况下，输入输出间的差电压较大，而且商用交流电源的输入变动也较大，因此整流平滑后的电压也会发生变动，进而输入输出间的差电压的变动幅度变大。此外，由于输入输出间的电压差较大，因而额定动作时的导通宽度本身会成为较短时间的导通宽度。仅凭用于获得额定电力的导通宽度最大值的限制，在过载/负载短路时无法控制变得更短的导通宽度，开关电流会增至额定时的电流值的数倍大小。因此，需要使用可耐受过渡时的开关电流且电流电容较大的开关元件等的对策且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于，鉴于上述问题点解决现有技术的上述问题，提供一种能够抑制过渡时的开关电流的降压转换器的开关电源装置。

本发明的开关电源装置是一种降压转换器，其由直流电源和连接于直流电源的串联连接电路构成，该串联连接电路由开关元件、电抗器和电容器串联连接而成，进而，二极管与所述电抗器和所述电容器的串联连接电路并联连接，从所述电容器的两端子向负载供给电力，其特征在于，具有控制电路，该控制电路使所述开关元件进行导通/截止动作，从而将所述电容器的电压控制为规定的电压，所述控制电路具有：软起动电路；检测过载的过载检测电路；以及驱动所述开关元件的驱动电路，所述驱动电路在所述软起动电路的动作或过载检测电路的动作中，通过软驱动动作来使所述开关元件进行导通截止动作，其中，在该软驱动动作中，使通过所述栅极阈值电压时的栅极电压的充电速度低于通常动作时的栅极电压的充电速度。

根据本发明，可获得抑制过载/负载短路时的开关元件的峰值，能够使用额定电流较小的开关元件的效果。

附图说明

图1是表示本发明的开关电源装置的实施方式的电路结构的电路结构图。

图2是表示图1所示的控制器IC的实施方式的电路结构的电路结构图。

图3是表示图2所示的驱动电路的电路结构的电路结构图。

图4是表示图2所示的开关元件的通常动作与软驱动动作的栅极充电速度的图。

图5是说明由图2所示的软起动电路14设定的软驱动期间的说明图。

图6是表示在过载时进行通常驱动动作与进行软驱动动作的情况下的开关元件Q1的漏极电流的波形图。

标号说明

1：控制器IC；2：控制电路；11：驱动电路；12：OSC(内部振荡器)；13：调节器；14：软起动电路；15：过载检测电路；21：第1导通用开关元件；22：第2导通用开关元件；23：截止用开关元件；31：第1导通驱动电阻；32：第2导通驱动电阻；33：截止驱动电阻；40：延迟电路；41：切换开关；51、52、53：反相器；C1、C2：平滑电容器；C3、C4、C5：电容器；COMP1、COMP2、COMP3：比较器；D1、D2：整流二极管；DB：整流电路；FF1：触发器；OR1、OR2、OR3：或电路；OP1：误差放大器；R_ocp：电流检测电阻；R1、R2、R3：电阻；L1：电抗器；Q1：切换元件；V_R1、V_R2：可变电压；V_ref：基准电压。

具体实施方式

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、C4、电抗器L1、控制器IC1、整流二极管D1、D2、电流检测电阻R_ocp、电阻R1、R2。另外，电阻R3是泄漏电阻，可根据未图示的负载的最小电流值而附加或不附加。

在由二极管桥接而构成的整流电路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输入的交流电压经过全波整流后从整流电路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。此外，整流电路DB的整流输出负极端子连接于接地端子。由此，可获得通过整流电路DB和平滑电容器C1对商用交流电源AC整流平滑后的直流电源。

控制器IC1内置有功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)等的开关元件和用于进行该开关元件的开关控制的控制电路，其具有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(控制电路电源电压输入)端子、FB/OLP(反馈信号输入/过载保护信号输入)端子、GND端子。

输入侧的整流电路DB的整流输出正极端子连接于控制器IC1的D/ST端子，并且控制器IC1的S/OCP端子经由电阻R_ocp而连接于电抗器L1的一个端子和二极管D1的阴极，电抗器L1的另一端连接于输出端子的正极和平滑电容器C2的正极端子。二极管D1的阳极和平滑电容器C2的负极端子连接于接地端子。由此，通过对内置有控制器IC1的开关元件进行导通/截止控制，从而电流经由电抗器L1和二极管D1而流过电容器C2。此外，电流检测电阻R_ocp是作为如下的电阻连接的，其将在内置有控制器IC1的开关元件中流动的电流检测作为电压信号V_ocp。控制器IC1具有在对应于在开关元件中流动的电流的电压信号V_ocp大于等于预先设定的过电流阈值时，限制供给给电抗器的电力的过电流保护(OCP)功能。

在控制器IC1所内置的开关元件截止时，电抗器L1的蓄积电力经由整流二极管D1而流过平滑电容器C2，与此同时，在串联连接于电抗器L1两端的整流二极管D2和电容器C3中，电抗器L1的电压经由整流二极管D2被充电至电容器C3。这里，电抗器L1的电压是整流二极管D1的顺向电压和平滑电容器C2的电压，整流二极管D2的顺向电压如果是与整流二极管D1的顺向电压相同的电压，则关于电容器C3的电压可获得电容器C2的电压＝输出电压Vo。

在电容器C3的两端串联连接有电阻R1和电阻R2，它们的连接点与控制器IC1的FB端子连接。在控制器IC1的FB端子上连接有误差放大器的反转端子。在误差放大器的非反转端子上连接有基准电压，按照相当于输出电压Vo的电压信号V_FB与基准电压之差输出误电压差信号。此外，在控制器IC1的S/OCP端子上连接有开关元件的源极和电阻R_ocp，在电阻R_ocp流过开关元件Q1的开关电流。因此，在S/OCP端子上会产生相当于开关电流的电压，与上述误电压差信号进行比较，在S/OCP端子电压达到误电压差信号时使开关元件断开。

即，对应于输出电压的反馈(FB)信号作为电压信号V_FB被输入到控制器IC1的FB端子，根据输入到FB端子的电压信号V_FB控制流过开关元件的电流。由此，通过控制开关元件的导通/截止占空比，从而控制供给给输出的电力量。

此外，电容器C4连接于控制器IC1的Vcc端子与GND之间。

经由控制器IC1的D/ST端子，作为IC用电源电压Vcc被供给给控制器IC1的Vcc端子。

(实施方式)

接着，参照图2说明图1所示的控制器IC1的实施方式的电路结构。

参照图2，控制器IC1具有由N沟道型的电力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、软起动电路14、过载检测电路15、可变电压V_R1、基准电压V_ref、或电路OR1、OR2、触发器FF1、比较器COMP1、COMP2、COMP3、误差放大器OP1。

在D/ST端子上连接有开关元件Q1的漏极端子，并且在S/OCP端子上连接有开关元件Q1的源极端子，在开关元件Q1的栅极端子上连接有驱动电路11，该驱动电路11输出驱动开关元件Q1的驱动信号DRV并控制导通/截止。驱动电路11被输入或电路OR1的输出。

或电路OR1的输入端子被输入OSC12的输出和触发器FF1的反转输出端子Q^-的输出，在触发器FF1的S端子上连接有OSC12的输出，在触发器FF1的R端子上连接有或电路OR2的输出。

另外，从OSC12输出的时钟信号的脉冲宽度被设定为不足开关元件Q1的最低导通时间宽度。触发器FF1作为PWM锁存电路发挥功能。由此，在OSC12的输出信号为L电平(未输出时钟信号的状态)、且设置了触发器FF1而反转输出端子Q^-的输出信号为L电平的情况下，H电平的输出信号从或电路OR1被输入到驱动电路11，开关元件Q1被接通。

S/OCP端子分别连接于比较器COMP1的非反转端子和比较器COMP2的非反转端子。比较器COMP1是检测过电流的OCP比较器，反转端子上连接有在通常动作时被设定为过电流阈值的可变电压V_R1。在通常动作时，在对应于在开关元件Q1中流动的漏极电流ID的S/OCP端子的电压信号V_ocp在过电流阈值以上的情况下，从比较器COMP2输出H电平的输出信号。比较器COMP1的输出信号成为H电平时，触发器FF1通过或电路OR2被重置，或电路OR1的输出信号成为L电平，开关元件Q1截止。

比较器COMP2是比较作为相当于输出电压的信号V_FB而被输入给FB端子的FB信号与基准电压V_ref，并根据误差放大器OP1输出的误电压差，用于进行控制开关元件Q1的占空比的反馈控制的电流读出转换器。比较器COMP2的反转输入端子连接于电容器C5的一个端子和误差放大器OP1的输出端子，误差放大器OP1的非反转端子连接于FB端子，反转端子连接于基准电压V_ref的正极。此外，电容器C4的另一个端子和基准电压V_ref的负极连接于GND。

误差放大器OP1按照FB端子电压与基准电压V_ref之差输出误电压差信号。此外，电容器C5为误差放大器OP1的相位补偿常数。

在比较器COMP2中，对电压信号V_ocp和电压信号V_FB进行比较，在电压信号V_ocp在电压信号V_FB以上的情况下，从比较器COMP2输出H电平的输出信号。比较器COMP2的输出信号成为H电平时，触发器FF1通过或电路OR2被重置，而或电路OR1的输出信号成为L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COMP3是比较Vcc端子的IC用电源电压Vcc和可变电压V_R2的比较电路。比较器COMP3的非反转输入端子连接于Vcc端子，反转输入端子连接于可变电压V_R2。来自比较器COMP3的输出信号被输入可变电压V_R2，可变电压V_R2在来自UVLO电路COMP3的输出信号为Low电平的情况下，被设定为第1基准电压Von(例如15V)，在来自UVLO电路COMP3的输出信号为H电平的情况下，被设定为低于第1基准电压Von的第2基准电压Voff(例如10V)。由此，比较器COMP3的输出信号具有滞后特性，通过未图示的起动电路对图1所示的电容器C3充电，在IC用电源电压Vcc超过了第1基准电压Von时成为H电平，在IC用电源电压Vcc在第2基准电压Voff以下时成为L电平。

此外，比较器COMP3的输出端子连接于调节器13。调节器13从Vcc端子接受电力的供给，在比较器COMP3的输出信号为H电平的情况下动作，控制器IC1的各部分分别供给用于动作的电源电压。即，比较器COMP3的输出信号是控制控制器IC1的导通截止的信号，在控制器IC1的额定动作时(开关动作的导通时)，UVLO电路COMP1的输出信号为H电平。因此，可变电压VR的第1基准电压Von是控制器IC1的动作开始电压，可变电压VR的第2基准电压Voff是控制器IC1的动作停止电压。

比较器COMP3的输出端子连接于软起动电路14。软起动电路14在比较器COMP3的输出成为H电平的定时检测起动开始。而且，软起动电路14在从起动开始起的预先设定的期间Ta内进行将可变电压V_R1逐渐提升至过电流阈值的软起动控制。进而，软起动电路14在检测到起动开始时，在预先设定的期间Ta内对驱动电路11输出软驱动指示信号。

驱动电路11根据或电路OR1的输出信号输出开关元件Q1的驱动信号。参照图3，驱动电路11具有由P沟道型MOSFET构成的第1导通用开关元件21、由P沟道型MOSFET构成的第2导通用开关元件22、第1导通驱动电阻31、第2导通驱动电阻32、由N沟道型MOSFET构成的截止用开关元件23、截止驱动电阻33、延迟电路40、开关开关41、反相器51、52、53。

在图3所示的电源电压Reg与开关元件Q1的栅极之间并联连接有串联连接的第1导通用开关元件21和第1导通驱动电阻31、串联连接的第2导通用开关元件22和第2导通驱动电阻32。而且，在第1导通用开关元件21的栅极上经由反相器51连接有或电路OR1的输出端子，并且在第2导通用开关元件22的栅极上经由反相器52连接有开关开关41的输出端子。开关开关41的一个输入端子上直接连接有或电路OR1的输出端子，并且在另一个输入端子上经由延迟电路40直接连接有或电路OR1的输出端子。此外，在开关元件Q1的栅极与接地端子GND之间，连接有串联连接的截止驱动电阻33和截止用开关元件23。开关开关41在通常动作时，被开关至直接连接有或电路OR1的输出端子的一个输入端子侧，而在被输入了软驱动指示信号时，被开关至经由延迟电路40连接有或电路OR1的输出端子的另一个输入端子侧。

在未被输入软驱动指示信号的通常动作时，如果或电路OR1的输出信号成为H电平，则第1导通用开关元件21和第2导通用开关元件22都会导通，开关元件Q1的栅极如图4的(a)所示，经由并联连接的第1导通驱动电阻31和第2导通驱动电阻32而被充电。与此相对，在被输入软驱动指示信号的软驱动时，如果或电路OR1的输出信号成为H电平，则如图4的(b)所示，开关元件Q1的栅极首先仅经由第1导通驱动电阻31被充电，在经过了对延迟电路40设定的延迟时间Td之后，经由并联连接的第1导通驱动电阻31和第2导通驱动电阻32被充电。作为对延迟电路40设定的延迟时间Td，如图4的(b)所示，被设定为仅经由第1导通驱动电阻31而被充电的开关元件Q1的栅极电压V_G超过栅极阈值电压V_th的时间。因此，相比通常动作时而言，在软驱动时，在直到栅极电压V_G超过栅极阈值电压V_th为止的期间内，导通驱动电阻的电阻值都被开关为较大的值，超过栅极阈值电压V_th时的栅极电压V_G的充电速度较慢，驱动(源极侧的)速度变慢。

如图5所示，软起动电路14输出软驱动指示信号的软驱动期间Ta包括起动时的过渡状态，且被设定为从起动开始起直到输出电压Vo即将升至额定电压之前为止的期间。

在软起动控制结束后，输出电压Vo到达额定电压为止的期间内，过载检测电路15对驱动电路11输出软驱动指示信号。

其中，参照图2，在过载检测电路15的输入端子上连接有误差放大器OP1的误电压差信号。过载检测电路15将误差放大器OP1的误电压差与预先设定的过载阈电压比较，从而检测过载/负载短路状态。而且，过载检测电路15在检测到过载/负载短路状态时对驱动电路11输出软驱动指示信号。由此，开关元件Q1接通时的di/dt、即漏极电流Id的电流倾斜被抑制得较低，能够通过比较器COMP2的响应延迟时间抑制漏极电流增加量。图6示出过载状态下的通常驱动动作与软驱动动作时的开关元件Q1的漏极电流的比较波形。在通常驱动动作的情况下，漏极电流Id的值从过电流阈值起逐渐增加，而在软驱动动作时则成为略大于所设定的过电流阈值的漏极电流Id的值，在此以上则不再增加而变得稳定。

此外，在起动时的软起动时也能获得同样的效果。

如上所述，根据本实施方式，提供一种开关电源，其由降压转换器构成，该降压转换器由直流电源、连接于直流电源的开关元件Q1和电抗器L1和电容器C2的串联连接电路构成，二极管D1并联连接于电抗器L1与电容器C2的串联连接电路，从电容器C2的两端子向负载供给电力，该开关电源的特征在于，具有通过使开关元件Q1进行导通/截止动作，从而将电容器C2的电压控制为规定的电压的控制电路2，控制电路2具有软起动电路14、检测过载的过载检测电路15、驱动开关元件Q1的驱动电路11、以及驱动电路11，该驱动电路11在软起动电路14的动作或过载检测电路15的动作中，通过使通过栅极阈值电压时的栅极电压的充电速度低于通常动作时的栅极电压的充电速度的软驱动动作来使所述开关元件进行导通截止动作。

通过这种结构，能够通过软驱动动作抑制起动时的软起动时和过载状态下的开关元件Q1的漏极电流Id的值并使其稳定。因此，关于开关元件Q1的电流额定值，能够使用与通常动作时同等程度的电流额定值，能够提供一种价格低廉的开关电源装置。

以上，通过具体实施方式说明了本发明，然而上述实施方式仅为一例，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行变更并实施，这是毋庸多言的。

Claims (2)

1.一种开关电源装置，其是降压转换器，且由直流电源和连接于直流电源的串联连接电路构成，该串联连接电路由开关元件、电抗器和电容器串联连接而成，进而，

二极管与所述电抗器和所述电容器的串联连接电路并联连接，

从所述电容器的两个端子向负载供给电力，

该开关电源装置的特征在于，

该开关电源装置具有控制电路，该控制电路使所述开关元件进行导通/截止动作，从而将所述电容器的电压控制为规定的电压，

所述控制电路具有：

软起动电路；

检测过载的过载检测电路；以及

驱动所述开关元件的驱动电路，

所述驱动电路在所述软起动电路的动作或过载检测电路的动作中，通过软驱动动作来使所述开关元件进行导通截止动作，其中，在该软驱动动作中，使超过栅极阈值电压时的栅极电压的充电速度低于通常动作时的栅极电压的充电速度，

所述驱动电路在所述栅极电压超过所述栅极阈值电压后，将所述栅极电压的充电速度恢复为通常动作时的充电速度。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，

所述软起动电路在从起动时起预先设定的期间内，输出软驱动指示信号。