CN107251397B - 电源控制用半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于不增加外置元件或部件就能在拔出插头时将X电容器的残留电荷迅速放电。生成并输出对开关元件(SW)进行接通断开控制的驱动脉冲的电源控制电路(13)上设有：接通断开控制信号生成电路，其生成对开关元件(SW)进行接通断开控制的控制信号，该开关元件(SW)用于使电流间歇性地流向电压变换用变压器的一次侧绕组；高压输入启动端子(HV)，其输入整流前的交流电压；高压输入监视电路(40)，其对该高压输入启动端子的电压进行监视；以及放电单元(45)，其连接在高压输入启动端子与接地点之间，在高压输入监视电路检测出高压输入启动端子的电压不低于预定电压值的时间持续了预定时间的情况下，接通上述放电单元。

Description

电源控制用半导体装置
技术领域
本发明涉及电源控制用半导体装置，特别是涉及用于构成具有电压变化用变压器的绝缘型直流电源装置的控制用半导体装置的有效技术。
背景技术
直流电源装置有绝缘型AC-DC转换器，该绝缘型AC-DC转换器由对整流电源进行整流的二极管桥式电路、以及对该电路进行整流后的直流电压进行降压并变换为所希望的电位的直流电压的DC-DC转换器等构成。
在绝缘型AC-DC转换器中，一般为了衰减常态噪声(normal mode noise)而在AC端子间连接有X电容器，并且为了在从插座拔出了插头时将存留在X电容器中的电荷迅速放电，而与X电容器并联连接有放电用电阻。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-170289号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在并联连接X电容器和放电用电阻的结构的AC-DC转换器中，在AC电源连接时始终消耗电力，因此成为使无负载时或待机时的待机电力消耗增加的原因。
另外，为了降低待机时的消耗电力，提出了拔出插头时能够将X电容器的残留电荷迅速放电的发明(例如参照专利文献1)。
上述专利文献1所记载的发明中，设有检测插头的拔出的电路(滤波器)，并且作为放电单元(开关)使用晶闸管，使用各种分立的电子元件来构成放电电路。因此，存在构成放电电路的部件数量增加的课题。
本发明着眼于上述那样的课题，其目的是提供一种在构成绝缘型直流电源装置的控制用半导体装置中，不增加外置元件或部件就能在拔出插头时将X电容器的残留电荷迅速放电的技术。
本发明的其他目的是提供一种内置有不增加外部端子数量就能在拔出插头时将X电容器的残留电荷迅速放电的放电电路的电源控制用半导体装置。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的电源控制用半导体装置，其通过输入与流向变压器的一次侧绕组的电流成比例的电压、以及来自上述变压器的二次侧的输出电压检测信号，生成并输出对开关元件进行接通断开控制的驱动脉冲，该开关元件用于使电流间歇性地流向电压变换用的所述变压器的一次侧绕组，
该电源控制用半导体装置具备：
接通断开控制信号生成电路，其生成对上述开关元件进行接通断开控制的控制信号；
高压输入启动端子，其输入AC输入的交流电压或通过二极管桥整流后的电压；
高压输入监视电路，其与上述高压输入启动端子连接，监视该高压输入启动端子的电压；以及
放电单元，其连接在上述高压输入启动端子与接地点之间，
在上述高压输入监视电路检测出上述高压输入启动端子的电压不低于预定电压值的时间持续了预定时间的情况下，接通上述放电单元。
根据上述结构，不增加外置元件或部件就能在拔出插头时将X电容器的残留电荷迅速放电。此外，将放电单元以及生成使该放电单元工作的信号的电路形成于开关控制用半导体装置的芯片上，并且与高压端子连接，因此不需要用于输出对外置放电用开关进行接通断开控制的信号的新的外部端子，不增加外部端子数量，因此不使芯片尺寸大幅增加，就能在拔出插头时将X电容器的残留电荷迅速放电。
在此，优选的是，该电源控制用半导体装置具备：
电源端子，其输入由上述变压器的辅助绕组感应出的电压；以及
开关单元，其设在上述高压输入启动端子与上述电源端子之间，
上述放电单元和上述开关单元在上述高压输入启动端子与接地点之间以串联方式连接，在上述高压输入监视电路检测出上述高压输入启动端子的电压不低于预定电压值的时间持续了预定时间的情况下，接通上述开关单元以及上述放电单元。
根据该结构，经由开关单元的电压被施加至放电单元，因此与不经由开关单元的情况相比，能够以耐压低的元件构成放电单元，因此能够抑制芯片尺寸大幅增大。
此外，优选的是，该电源控制用半导体装置具备：启动电路，其监视上述高压输入启动端子的电压，并对上述开关单元进行控制，
根据上述高压输入监视电路的输出与上述启动电路的输出的逻辑或，对上述开关单元进行接通断开控制。
由此，利用对设在高压电源端子与低压电源端子之间的开关单元(电源供给用开关)进行接通断开控制的结构(电路)，能够根据使放电用开关接通断开的控制信号使电源供给用开关接通断开，能够避免电路规模大幅增大，进行能够避免芯片尺寸大幅增大。
并且，优选的是，上述高压输入监视电路具备：
分压电路，其与上述高压输入启动端子连接，对该高压输入启动端子的电压进行分压；
峰值保持电路，其保持由上述分压电路分压后的电压的峰值电压；
电压比较电路，其比较由上述分压电路分压后的电压与将上述峰值保持电路保持的电压进行比例缩小后的电压；以及
计时电路，其根据上述电压比较电路的输出，对由上述分压电路分压后的电压不低于上述比例缩小后的电压的时间进行计时，
在上述计时电路计时了预先决定的预定时间的情况下，接通上述放电单元或上述放电单元和上述开关单元。
由此，能够对公知的电路技术进行组合来容易地构成生成使放电单元动作的信号的电路，即使在电源规格变更的情况下，也能够在短期间内设计可对应规格变更的电路。
发明效果
根据本发明，在构成绝缘型直流电源装置的控制用半导体装置中，不增加外置元件或部件就能在拔出插头时将X电容器的残留电荷迅速放电，其中，绝缘型直流电源装置具备电压变换用变压器，使流向一次侧绕组的电流接通断开来控制输出。此外，根据本发明具有如下的有益效果：能够提供内置有不增加外部端子数量就能在拔出插头时将X电容器的残留电荷迅速放电的放电电路的电源控制用半导体装置。
附图说明
图1是表示本发明的作为绝缘型直流电源装置的AC-DC转换器的一实施方式的电路结构图。
图2是表示图1的AC-DC转换器中的变压器的一次侧开关电源控制电路(电源控制用IC)的结构例的框图。
图3是表示实施例的电源控制用IC中各部的电压变化情况的波形图。
图4是表示实施例的电源控制用IC的开关频率与反馈电压VFB的关系的特性图。
图5是表示实施例的电源控制用IC中的放电电路的结构例的电路结构图。
图6是表示图5的放电电路进行放电时的动作时机的时序图。
图7是表示图5的放电电路的更具体的电路结构例的电路结构图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图1是表示应用了本发明的作为绝缘型直流电源装置的AC-DC转换器的一实施方式的电路结构图。
本实施方式的AC-DC转换器具有：X电容器Cx，其为了衰减常态噪声而被连接在AC输入端子间；噪声切断用线路滤波器11，其由共模绕组等构成；二极管桥式电路12，其对交流电压(AC)进行整流；平滑用电容器C1，其对整流后的电压进行平滑；电压变换用变压器T1，其具备一次侧绕组Np、二次侧绕组Ns和辅助绕组Nb；由N沟道MOSFET形成的开关晶体管SW，其与该变压器T1的一次侧绕组Np串联连接；以及电源控制电路13，其驱动该开关晶体管SW。在本实施方式中，电源控制电路13在单晶硅这样的1个半导体芯片上形成为半导体集成电路(以下，称作电源控制用IC)。
在上述变压器T1的二次侧，设有与二次侧绕组Ns串联连接的整流用二极管D2、连接在该二极管D2的负极端子与二次侧绕组Ns的另一端子之间的平滑用电容器C2，通过在一次侧绕组Np间歇性地流过电流，对二次侧绕组Ns感应出的交流电压进行整流平滑，从而输出与一次侧绕组Np和二次侧绕组Ns的绕组比相对应的直流电压Vout。
并且，在变压器T1的二次侧，设有构成用于切断因一次侧的开关动作产生的开关纹波和噪声等的滤波器的绕组L3以及电容器C3，并且设有用于检测输出电压Vout的检测电路14、与该检测电路14连接并将与检测电压相对应的信号传递至电源控制用IC13的作为光耦合器的发光侧元件的光电二极管15a。并且，在一次侧设有作为受光侧元件的光电晶体管15b，该受光侧元件被连接在上述电源控制用IC13的反馈端子FB与接地点之间，并接收来自上述检测电路14的信号。
此外，在本实施方式的AC-DC转换器的一次侧设有整流平滑电路，将通过该整流平滑电路进行整流平滑后的电压施加至上述电源控制用IC13的电源电压端子VDD，其中，整流平滑电路是由与上述辅助绕组Nb串联连接的整流用二极管D0、以及连接在该二极管D0的负极端子与接地点GND之间的平滑用电容器C0构成的电路。
另一方面，在电源控制用IC13中设有高压输入启动端子HV，电源接通时(将插头插入到插座后)，能够以来自该高压输入启动端子HV的电压工作，该高压输入启动端子HV经由二极管D11、D12以及电阻R1被施加二极管桥式电路12整流前的电压。
并且，在本实施方式中，在开关晶体管SW的源极端子与接地点GND之间连接有电流检测用电阻Rs，并且在开关晶体管SW和电流检测用电阻Rs的节点N1与电源控制用IC13的电流检测端子CS之间连接有电阻R2。并且，在电源控制用IC13的电流检测端子CS与接地点之间连接有电容器C4，由电阻R2和电容器C4构成低通滤波器。
接着，使用图2对上述电源控制用IC13的具体结构例进行说明。
如图2所示，本实施例的电源控制用IC13具备：振荡电路31，其以与反馈端子FB的电压VFB对应的频率振荡；由单触发脉冲生成电路那样的电路构成的时钟生成电路32，其根据该振荡电路31生成的振荡信号φc，生成用于给出使一次侧开关晶体管SW接通的定时的时钟信号CK；RS触发器33，其由时钟信号CK置位；以及驱动器(驱动电路)34，其与该触发器33的输出对应地生成开关晶体管SW的驱动脉冲GATE。
此外，电源控制用IC13具备：放大器35，其对输入到电流检测端子CS的电压Vcs进行放大；作为电压比较电路的比较器36a，其比较由该放大器35放大后的电位Vcs’和用于监视过电流状态的比较电压(阈值保持电压)Vocp；波形生成电路37，其根据反馈端子FB的电压VFB生成图3的(A)所示那样的预定波形的电压RAMP；比较器36b，其比较由上述放大器35放大后的图3的(B)所示那样的波形的电位Vcs’和由波形生成电路37生成的波形RAMP；以及或门(OR gate)G1，其取比较器36a和36b的输出的逻辑或。在本实施例的电源控制用IC13中，图3的(A)的电压RAMP被生成为从反馈电压VFB以某一定斜率降低。
上述或门G1的输出RS(参照图3的(C))经由或门G2被输入到上述触发器33的复位端子，由此提供使开关晶体管SW断开的定时。另外，在反馈端子FB和内部电源电压端子间设有上拉电阻或恒流源，流向光电晶体管15b的电流通过该电阻被变换成电压。此外，设置波形生成电路37是为了应对次谐波振荡，也可以将电压VFB直接或进行电平转换后输入到比较器36b。并且，在反馈端子FB、电流检测端子CS中没有产生有意义的电压VFB、Vcs的电源通电时，也可以设置生成使该触发器33复位的信号的软启动电路，以使过大的电流不流向一次侧绕组而使一次侧电流缓缓增加。
此外，本实施例的电源控制用IC13具备：频率控制电路38，其按照图4所示那样的特性，使上述振荡电路31的振荡频率即开关频率根据反馈端子FB的电压VFB而变化。将图4中的频率f1设定为例如22kHz那样的值，此外，将f2设定为例如66kHz～100kHz那样的范围内的任意值。频率控制电路38可以由电压跟随器(voltage follower)那样的缓冲器和钳位电路构成，该钳位电路在反馈端子FB的电压例如为1.8V以下时钳位为1.8V，此外，在2.1V以上时钳位为2.1V。虽未进行图示，但振荡电路31具备流过与来自频率控制电路38的电压对应的电流的电流源，该振荡电路31可以由振荡器构成，该振荡器的振荡频率根据该电流源流过的电流大小而变化。
并且，在本实施例的电源控制用IC13上设有占空比限制电路39，将从占空比限制电路39输出的最大占空比设置信号经由或门G2供给至上述该触发器33而脉冲达到了最大占空比的情况下，在该时间点复位，由此使开关晶体管SW立即断开，其中，所述占空比限制电路39根据从上述时钟生成电路32输出的时钟信号CK生成用于限制为驱动脉冲GATE的占空比(Ton/Tcycle)不超过预先规定的最大值(例如85％～90％)的最大占空比设置信号。
并且，在本实施例的电源控制用IC13中设有：启动电路(start circuit)50，其与高压输入启动端子HV连接而输入该端子的电压时，用于使连接在高压输入启动端子HV和电源电压端子VDD之间的开关S0(参照图5)断开而使IC启动；以及放电电路40，其监视高压输入启动端子HV的电压来检测是否从插座拔出了AC电源的插头，在判断为拔出的情况下用于使X电容器Cx放电。例如可以通过检测在固定时间(例如30毫秒)内AC输入电压是否低于预定值(例如峰值的30％)，来判断是否拔出了插头。
图5示出了图2的电源控制用IC中放电电路40的结构例。
如图5所示，放电电路40具备：分压电路41，其由在高压输入启动端子HV和接地点之间串联连接的电阻R3、R4构成；峰值保持电路42，其保持通过该分压电路41分压后的电压的峰值；电压比较电路43，其比较电阻R3、R4的连接节点N2的电位Vn2和将峰值保持电路42保持的电压Vp进行比例缩小而得的电压Vth来判断Vn2是否低于Vth；计时电路44，其对Vn2不低于Vth的时间进行计时；以及放电单元45，其在高压输入启动端子HV和接地点之间，由与开关S0串联连接电阻Rd和开关Sd构成。
在此，开关S0是连接在高压输入启动端子HV和电源电压端子VDD之间，并由启动电路50控制的开关，例如由高耐压的MOS晶体管构成。开关S0在向高压输入启动端子HV输入交流电压后接通，在VDD端子成为预定值(例如21V)以上的电压时断开，内部电路开始工作。这样，之后来自辅助绕组的电压被供给至电源电压端子VDD，在开关S0断开的状态下，内部电路通过来自电源电压端子VDD的电压动作。
电阻R3、R4的电阻值之比设定为：使高压输入启动端子HV的电压下降至构成放电电路40的元件的耐压以下的电压(例如6V)。
上述电压比较电路43比较连接节点N2的电位Vn2的峰值的30％的值和连接节点N2的电位Vn2，来检测是否降低。计时电路44对Vn2不低于Vp的时间进行计时，判定为计时时间例如超过了30毫秒时，输出使开关S0和放电用开关Sd接通的信号。电阻Rd的电阻值被设定为：将电流限制为例如放电速度为47V/秒。计时电路44在Vn2低于Vp时被复位，开始30毫秒的计时。
图6中示出了基于图5所示的放电电路40的动作定时。在图6中，(A)的实线示出了高压输入启动端子HV的电压VHV的波形，虚线表示峰值的30％的值。此外，图6的(B)示出了电压比较电路43的输出CP，图6的(C)示出了计时电路44的输出TMR。
如图6所示，在正常的期间T1中，在与高压输入启动端子HV的电压波形的周期对应的周期输出脉冲CP。在定时t2拔出了插头的情况下，不从电压比较电路43输出脉冲CP。然后，在从最后的脉冲的输出时间点t1起经过了30毫秒的时间点t3，计时电路44的输出TMR变化为高电平而放电用开关Sd接通，进行X电容器的放电，高压输入启动端子HV的电压VHV迅速下降。
这样，在设有图5所示的放电电路40的电源控制用IC中，从图6可知，在AC输入被切断的情况下，能够使X电容器的残留电荷迅速放电，并且，在通常动作状态下，通过启动电路50断开电源供给用开关S0，因此能够消除由放电用电阻Rd引起的电力损失。另外，在分压电路41中始终产生电力损失，而放电用电阻Rd为规定放电速度所需要的电阻值，但是构成分压电路41的电阻R3、R4可被设定为比放电用电阻Rd足够高的电阻值，因此与以往相比能够降低作为放电电路40整体的电力损失。
图7中示出了构成本实施方式的电源控制用IC13的图5的放电电路40的具体的电路结构例。
如图7所示，放电电路40由分压电路41、峰值保持电路42、电压比较电路43、计时电路44、放电单元45构成，其中，峰值保持电路42由如下部件构成：正极端子与连接节点N2连接的二极管D4、连接在该二极管D4的负极端子和接地点之间的电容元件C4、由输入端子与二极管D4和电容元件C4的连接节点N3连接的电压跟随器而构成的缓冲器BFF4。
电压比较电路43由串联连接在上述BFF4的输出端子和接地点间的分压用电阻R5、R6、比较被该电阻R5、R6分压后的电压(连接节点N3的电位Vn3)与被上述分压电路41分压后的电压(连接节点N2的电位Vn2)的比较器CMP1构成。将电阻R5、R6的电阻值之比设定为2:1，在连接节点N3出现由电容元件C4保持的峰值电压的1/3大小的电压。由此，比较器CMP1能够检测出连接节点N2的电位Vn2是否低于该峰值的大致30％的值。
计时电路44由减法计数器CNT构成，当计数了相当于30毫秒的时钟数时输出变化为高电平，该减法计数器CNT根据来自振荡电路31的振荡信号或来自时钟生成电路32的时钟信号CK进行计数动作。此外，上述时钟信号CK的输出被输入到减法计数器CNT的复位端子，每当被输入比较器CMP1的输出脉冲时，减法计数器CNT重启30毫秒的计时动作。
通常，经过30毫秒前被输入来自比较器CMP1的脉冲CP，因此输出不发生变化，但拔出插头而不被输入来自比较器CMP1的复位脉冲CP时，在计时了30毫秒的时间点减法计数器CNT的输出变化为高电平，因该输出放电用开关Sd接通。
并且，在本实施例中，放电用开关Sd由中耐压的增强型MOS晶体管构成，而电源供给用开关S0由高耐压的耗尽型MOS晶体管构成。此外，与此对应地，如图7所示，在作为电源供给用开关S0的控制端子的栅极端子上连接有开关控制电路52，该开关控制电路52由串联连接在开关S0的漏极端子和接地点间的电阻R7、R8以及增强型MOS晶体管Q1、设置成与该晶体管Q1并联的钳位用齐纳二极管D3构成，通过接通晶体管Q1来向耗尽型MOS晶体管即开关S0的栅极端子施加相对于源极电压为负的电压，而能够使通道成为非导通状态(不流过漏电流的状态)。此外，当晶体管Q1断开时开关S0成为接通状态。
然后，向上述MOS晶体管Q1的栅极端子施加取信号ST和信号TMR的逻辑或的或非门G3的输出信号，接通放电用开关Sd时Q1断开，作为电源供给用开关S0的MOS晶体管接通，其中，信号ST是来自启动控制电路53的信号，信号TMR是来自上述放电电路40的计时电路44的信号。启动控制电路53内置有电压比较器，并按如下方式动作：若电源电压端子VDD的电压例如为6.5V以下时使开关S0接通，若VDD的电压例如为21V以上时使开关S0断开。在本说明书中，合并了开关控制电路52和启动控制电路53的电路相当于启动电路50。
另外，如图7中的虚线所示，在减法计数器CNT的复位端子的前段设有或门G4等逻辑电路，将取比较器CMP1的输出和减法计数器CNT的输出的逻辑或而得的信号输入至减法计数器CNT的复位端子，若减法计数器CNT的输出变化为高电平，则减法计数器CNT停止计时动作。
此外，也可以将放电用电阻Rd置换为恒流电路。此外，放电用电阻Rd或恒流电路与放电用开关Sd的连接顺序也可以是相反的。
并且，在上述实施例中，将放电用电阻Rd和放电用开关Sd设成在高压输入启动端子HV和接地点之间与电源供给用开关S0串联，但放电用电阻Rd和放电用开关Sd原理上也可以设在高压输入启动端子HV和接地点之间。但是，若进行这样的连接，就需要使用高耐压的MOS晶体管作为构成放电用开关Sd的MOS晶体管，而如上述实施例那样通过设成与电源用开关S0串联，能够用耐压低的MOS晶体管构成，能够降低芯片尺寸。
以上，根据实施方式具体地说明了由本发明人进行的发明，但本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，将在变压器的一次侧绕组中间歇性地流过电流的开关晶体管SW设为独立于电源控制用IC13的元件，但也可以将开关晶体管SW装入到电源控制用IC13中构成为1个半导体集成电路。
工业上的可利用性
在上述实施方式中，对于将本发明应用于构成反激式(fly-back)的AC-DC转换器的电源控制用IC的情况进行了说明，但是本发明也能够应用于构成正激式(forward)或准谐振式的AC-DC转换器的、进一步来说只通过在一次侧取得的信息就能进行二次侧的输出电压控制的所谓初级侧调节(Primary Side Regulation，以下称为PSR)方式的AC-DC转换器的电源控制用IC中。
符号说明
11 线路滤波器
12 二极管桥式电路(整流电路)
13 电源控制电路(电源控制用IC)
14 二次侧检测电路(检测用IC)
15a 光耦合器的发光侧二极管
15b 光耦合器的受光侧晶体管
31 振荡电路
32 时钟生成电路
34 驱动器(驱动电路)
35 放大器(非反相放大电路)
36a 过电流检测用比较器(过电流检测电路)
36b 电压/电流控制用比较器(电压/电流控制电路)
37 波形生成电路
38 频率控制电路
39 占空比限制电路
40 放电电路
41 分压电路
42 峰值保持电路(高压输入监视电路)
43 电压比较电路(高压输入监视电路)
44 计时电路(高压输入监视电路)
45 放电单元
50 启动电路
HV 高压输入启动端子
VDD 电源电压端子(电源端子)。

Claims (3)

1.一种电源控制用半导体装置，其通过输入与流向变压器的一次侧绕组的电流成比例的电压、以及来自上述变压器的二次侧的输出电压检测信号，生成并输出对开关元件进行接通断开控制的驱动脉冲，该开关元件用于使电流间歇性地流向电压变换用的所述变压器的一次侧绕组，其特征在于，
该电源控制用半导体装置具备：
接通断开控制信号生成电路，其生成对上述开关元件进行接通断开控制的控制信号；
高压输入启动端子，其输入AC输入的交流电压或通过二极管桥整流后的电压；
高压输入监视电路，其与上述高压输入启动端子连接，监视该高压输入启动端子的电压；
放电单元，其连接在上述高压输入启动端子与接地点之间；
电源端子，其输入由上述变压器的辅助绕组感应出的电压；以及
开关单元，其设在上述高压输入启动端子与上述电源端子之间，
上述放电单元和上述开关单元在上述高压输入启动端子与接地点之间以串联方式连接，在上述高压输入监视电路检测出上述高压输入启动端子的电压不低于预定电压值的时间持续了预定时间的情况下，接通上述开关单元以及上述放电单元。
2.根据权利要求1所述的电源控制用半导体装置，其特征在于，
该电源控制用半导体装置具备：启动电路，其监视上述高压输入启动端子的电压，并对上述开关单元进行控制，
根据上述高压输入监视电路的输出与上述启动电路的输出的逻辑或，对上述开关单元进行接通断开控制。
3.根据权利要求1或2所述的电源控制用半导体装置，其特征在于，
上述高压输入监视电路具备：
分压电路，其与上述高压输入启动端子连接，对该高压输入启动端子的电压进行分压；
峰值保持电路，其保持由上述分压电路分压后的电压的峰值电压；
电压比较电路，其比较由上述分压电路分压后的电压与将上述峰值保持电路保持的电压进行比例缩小后的电压；以及
计时电路，其根据上述电压比较电路的输出，对由上述分压电路分压后的电压不低于上述比例缩小后的电压的时间进行计时，
在上述计时电路计时了预先决定的预定时间的情况下，接通上述放电单元或上述放电单元和上述开关单元。
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