CN107834855B - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

提供开关电源装置，在输出短路时与通常工作时同样使同步整流用副开关元件导通、断开而防止发热、破坏。具备：输出电路，经由同步整流用副开关元件连接于变压器的次级线圈；同步整流控制电路，根据施加于副开关元件的电压对副开关元件进行导通、断开控制。特别地，同步整流控制电路具备：电压检测电路，检测施加于副开关元件的电压值；开关驱动电路，根据电压检测电路的输出对副开关元件进行导通、断开驱动；辅助电源电路，从施加于副开关元件的电压生成辅助电源电压；电压下降检测电路，检测输出电路的直流输出电压值的下降；电源切换电路，在直流输出电压值下降时，将电压检测电路及开关驱动电路的驱动电源从直流输出电压切换为辅助电源电压。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及同步整流型的开关电源装置，该同步整流型的开关电源装置以同步整流用的副开关元件对在变压器的次级线圈感应的电压进行整流而供给于输出电路，生成直流输出电压，所述同步整流用的副开关元件例如包括MOS-FET。
背景技术
作为各种电子设备的驱动电源，例如使用图4所示的开关电源装置1。该开关电源装置1具备与变压器3的初级线圈3a串联地连接于直流输入电源2的主开关元件(例如功率MOS-FET)4。进一步地，开关电源装置1的同步整流用的副开关元件(MOS-FET)5串联地连接于变压器3的次级线圈3b，且开关电源装置1构成为具备输出电路6，该输出电路6从伴随着主开关元件4的导通、断开而在变压器3的次级线圈3b感应得到的电压生成直流输出电压Vout。
此外，直流输入电源2构成为具备：例如对商用交流电源AC进行整流的二极管桥电路DB；和对二极管桥电路DB的整流输出电压进行平滑化而生成直流输入电压Vin的输入电容器Cin。此外，主开关元件4由电源控制IC 7进行导通、断开控制而对流至变压器3的初级线圈3a的电流进行控制。附带说明，电源控制IC 7将通过整流平滑电路8对在变压器3的辅助线圈3c产生的交流电压进行整流、滤波而得到的直流输出电压作为驱动电源电压Vcc而工作，所述整流平滑电路8包括二极管D和电容器C。
这里，主开关元件4通过在其导通工作时使从直流输入电源2提供的电能蓄积于变压器3的初级线圈3a，且在之后的断开工作时使蓄积到变压器3的初级线圈3a的电能释放，来在该变压器3的次级线圈3b感应交流电压。
同步整流用的副开关元件(MOS-FET)5由同步整流控制电路9进行导通、断开，且同步整流用的副开关元件5在导通时对在变压器3的次级线圈3b感应的电压进行整流而供给于输出电路6。输出电路6通过输出电容器Cout对经由副开关元件(MOS-FET)5从变压器3的次级线圈3b供给的电压进行平滑化而生成直流输出电压Vout。
另外，输出电路6的直流输出电压Vout通过电阻Ra、Rb进行分压而被检测，作为输出电压值vout。误差电压检测电路E负责求出基准电压值与通过电阻Ra、Rb检测出的输出电压值vout之间的误差电压值，所述基准电压值是该误差电压检测电路E生成的用于规定直流输出电压Vout的电压值。并且，该误差电压值经由光耦合器PC反馈给所述电源控制IC 7。电源控制IC 7对主开关元件4的导通、断开进行控制，以使如上所述反馈的误差电压成为零(0)，由此生成恒定的直流输出电压Vout。
这里，以往一般的同步整流控制电路9例如如图5所示，具备检测副开关元件MOS-FET 5的源极-漏极间电压Vsd的VD检测电路(电压检测电路)9a。附带说明，MOS-FET 5的源极-漏极间电压Vsd成为将源极接地后的MOS-FET 5的漏极电压VD。VD检测电路9a通过检测该漏极电压VD的电压值，来检测在MOS-FET 5流动有漏极电流Id这一情况。此外，同步整流控制电路9具备接收VD检测电路9a的输出而控制副开关元件(MOS-FET)5的导通、断开的开关驱动电路9b。
进一步地，同步整流控制电路9具备电压下降检测电路9c，该电压下降检测电路9c检测与输出短路相伴的直流输出电压Vout的下降。该电压下降检测电路9c在检测到直流输出电压Vout(输出电压值vout)的电压下降时，通过其输出信号uvlo使开关驱动电路9b的工作停止而强制地使副开关元件(MOS-FET)5断开。
这里，关于对同步整流用的副开关元件(MOS-FET)5进行导通、断开控制的同步整流控制电路9的作用，稍详细地进行说明。
在主开关元件4处于导通状态的情况下，在变压器3的次级线圈3b不感应电压，副开关元件(MOS-FET)5接收输出电容器Cout的充电电压而处于被反向偏置的状态。因此，在MOS-FET 5的漏极-源极间施加正的电压(漏极电压VD)，且如后所述同步整流控制电路9使MOS-FET 5的栅极电压VG成为低电平而将该MOS-FET 5保持为断开状态。
若从该状态将主开关元件4关断，则在变压器3的次级线圈3b感应有电压。并且，通过在次级线圈3b感应的电压，漏极电流Id开始流动于MOS-FET5。特别是，该漏极电流Id经由因MOS-FET 5的元件结构而来的该MOS-FET5的体二极管(寄生二极管)5a而开始流动。于是，通过经由体二极管(寄生二极管)5a流动的漏极电流Id，在源极接地了的MOS-FET 5的漏极-源极间产生负的漏极-源极间电压Vds。并且，因该负的漏极-源极间电压Vds，如图6所示，MOS-FET 5的漏极电压VD的电压值变为负。
VD检测电路9a将这样的负的漏极电压VD的值(漏极电压值)与第一电压阈值Vth1进行比较，在漏极电压VD的绝对值高于第一电压阈值Vth1的绝对值时，将之检测为在MOS-FET 5开始流动有漏极电流Id(时刻t1)。然后，开关驱动电路9b接收该VD检测电路9a的检测输出而将施加于MOS-FET 5的栅极电压VG的电压值设为高电平，对该MOS-FET 5进行导通驱动。其结果，通过在变压器3的次级线圈3b感应得到的电压，经由MOS-FET 5对输出电容器Cout充电使之平滑化。
另一方面，在MOS-FET 5导通的期间，同步整流控制电路9监视漏极电流Id。具体地，在VD检测电路9a中监视MOS-FET 5的漏极电压VD的值，在漏极电压VD的绝对值低于第二电压阈值Vth2的绝对值|Vth2|(<|Vth1|)时，将之检测为几乎没有流动经由MOS-FET 5的漏极电流Id(时刻t2)。
然后，开关驱动电路9b接收该VD检测电路9a的检测输出而将施加于MOS-FET 5的栅极电压VG设为低电平，使该MOS-FET 5关断。其结果，因在变压器3的次级线圈3b感应的电压而流动于MOS-FET 5的漏极电流Id再次经由MOS-FET 5的体二极管(寄生二极管)5a而流动。
此后，若主开关元件4接通，则MOS-FET 5再次被反向偏置，MOS-FET5的漏极电压VD的电压值再次变为正。VD检测电路9a将该状态检测为伴随着主开关元件4的导通工作而在MOS-FET 5未流动有漏极电流Id。其结果，开关驱动电路9b将MOS-FET 5的栅极电压VG保持为低电平，继续MOS-FET5的断开状态。
从而，根据如上所述构成的同步整流控制电路9，能够与主开关元件4的导通、断开同步，在MOS-FET 5流动有漏极电流Id的期间内使MOS-FET5导通、断开。特别是，能够在与主开关元件4的导通期间不同的时刻、即仅在向变压器3的次级线圈3b侧传递电能的期间中使MOS-FET 5导通。其结果，能够减轻MOS-FET 5的接通时及关断时的开关损耗，并且有效地对在次级线圈3b感应的电压进行整流。
关于这样构成的同步整流控制电路9，例如如非专利文献1中所详细介绍。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：DIODES公司ZXGD3104N8数据表2015年11月
发明内容
技术问题
但是，同步整流控制电路9中的VD检测电路9a及开关驱动电路9b如图5所示，将例如施加于同步整流控制电路9的直流输出电压Vout作为驱动电源电压Vcc而工作。此外，同步整流控制电路9如前所述具备电压下降检测电路9c，该电压下降检测电路9c用于保护开关电源装置1免受因未图示的负载侧的短路(输出短路)引起的过电流影响。该电压下降检测电路9c检测直流输出电压Vout的异常的下降而使所述开关驱动电路9b的工作停止，由此强制地使MOS-FET 5断开。
然而，若因输出短路而使同步整流控制电路9的驱动电源Vcc消失，则无论主开关元件4是导通还是断开，都会发生例如如图7所示栅极电压VG被保持在低电平而无法使MOS-FET 5导通的情形。于是，即使主开关元件4断开，且伴随于此在变压器3的次级线圈3b感应电压，漏极电流Id也经由MOS-FET 5的体二极管(寄生二极管)5a而持续流动。
附带说明，体二极管(寄生二极管)5a的电阻值远大于MOS-FET 5的导通电阻值(沟道电阻值)。从而，若在主开关元件4的断开时漏极电流Id经由体二极管(寄生二极管)5a而持续流动，则MOS-FET 5中的导通电阻会变大。其结果，存在下述问题：MOS-FET 5因经由体二极管(寄生二极管)5a而持续流动的漏极电流Id而发热，在最坏的情况下MOS-FET 5发生热破坏。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供在同步整流型的开关电源装置中，在因短路而使直流输出电压下降时，也能够与通常工作时同样地使同步整流用的副开关元件导通、断开且能够防止同步整流用的副开关元件的发热、破坏的开关电源装置。
技术方案
本发明的开关电源装置涉及同步整流型的开关电源装置，具备：主开关元件，其经由变压器的初级线圈连接于直流输入电源；输出电路，其经由同步整流用的副开关元件连接于所述变压器的次级线圈，并从伴随着所述主开关元件的导通、断开而在所述变压器的次级线圈感应得到的电压生成直流输出电压；以及同步整流控制电路，其根据在所述主开关元件断开时施加于所述副开关元件的电压值，对该副开关元件进行导通、断开控制。
特别地，为了达到上述目的，本发明的开关电源装置将所述同步整流控制电路构成为具备：
电压检测电路，其在施加于所述副开关元件的电压值超过了阈值电压时，输出电压检测信号；
开关驱动电路，其根据该电压检测信号对所述副开关元件进行导通、断开驱动；
辅助电源电路，其从施加于所述副开关元件的电压生成辅助电源电压；
电压下降检测电路，其检测所述输出电路所生成的直流输出电压值的下降而输出电压下降检测信号；以及
电源切换电路，其在该电压下降检测信号被输出时，将所述电压检测电路及所述开关驱动电路的驱动电源从所述直流输出电压切换为所述辅助电源电压。
优选地，所述辅助电源电路作为电流供给电路而实现，该电流供给电路例如在施加于所述副开关元件的电压值超过了预定的基准电压值时，通过施加于该副开关元件的电压对蓄电装置进行充电而生成辅助电源电压。此外，所述电源切换电路构成为具备电源切换开关，该电源切换开关例如接收电压下降检测信号而输出所述直流输出电压或所述辅助电源电压。
附带说明，所述副开关元件例如包括将源极接地的MOS-FET，所述同步整流控制电路构成为检测所述MOS-FET的源极-漏极间电压而控制所述MOS-FET的导通、断开。具体地，所述同步整流控制电路构成为，在所述MOS-FET的源极-漏极间电压值高于第一电压阈值时使所述MOS-FET导通，在所述MOS-FET的源极-漏极间电压值低于第二电压阈值时使所述MOS-FET断开，由此对在所述变压器的次级线圈感应得到的电压进行整流而供给于所述输出电路。
应予说明，所述第一电压阈值是用于检测在所述MOS-FET开始流动有漏极电流这一情形的阈值，所述第二电压阈值是用于检测流动于所述MOS-FET的漏极电流成为零(0)这一情形的阈值。
这里，所述直流输入电源包括对商用交流电源进行整流、平滑化而生成施加于所述变压器的初级线圈的直流输入电压的电源，所述主开关元件具有在导通时将从所述直流输入电源供给的电能蓄积于所述变压器的初级线圈之后，在断开时使蓄积于所述变压器的初级线圈的电能释放而在该变压器的次级线圈感应电压的作用。
技术效果
根据上述构成的开关电源装置，在因负载侧的输出短路而使直流输出电压下降了的情况下，构成同步整流控制电路的主体部的电压检测电路及开关驱动电路的驱动电源从所述直流输出电压切换为所述辅助电源电压。其结果，即使在基于直流输出电压的下降而检测到短路时，也能够与通常工作时同样地使同步整流控制电路工作而使副开关元件(MOS-FET)导通、断开。
从而，即使在直流输出电压因输出短路而下降了的情况下，也能够在主开关元件的断开期间使副开关元件(MOS-FET)可靠地导通、断开。因此，能够避免经由副开关元件(MOS-FET)的体二极管(寄生二极管)持续流动有漏极电流Id这样的情形。从而，可以可靠地防止副开关元件(MOS-FET)的非期望的导通损耗的增大。
而且，根据本发明，可产生下述效果：通过利用副开关元件(MOS-FET)的漏极电压能够容易地生成辅助电源电压，此外由于仅使用电源切换电路来切换直流输出电压和辅助电源电压，所以其结构简单等。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的同步整流型的开关电源装置的整体结构的图。
图2是表示图1所示的开关电源装置中的同步整流控制电路的结构例的图。
图3是表示图2所示的同步整流控制电路的工作的时序图。
图4是表示以往的同步整流型的开关电源装置的一例的概略结构图。
图5是表示图4所示的开关电源装置中的同步整流控制电路的结构例的图。
图6是表示图5所示的同步整流控制电路中的通常工作时的工作方式的时序图。
图7是表示图5所示的同步整流控制电路中的输出短路时的工作方式的时序图。
符号说明
1、10开关电源装置，2直流输入电源，3变压器，3a初级线圈，3b次级线圈，3c辅助线圈，4主开关元件(功率MOS-FET)，5副开关元件(MOS-FET)，6输出电路，7电源控制IC，8整流平滑电路，9同步整流控制电路，9a VD检测电路(电压检测电路)，9b开关驱动电路，9c电压下降检测电路，9d电流供给电路(辅助电源电路)，9e电源切换电路，11比较器，12电流开关(MOS-FET)，13、14电源开关(MOS-FET)，15反相电路。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的同步整流型的开关电源装置。
图1是表示本发明的一实施方式的开关电源装置10的整体结构的图，图2是表示图1所示的开关电源装置10中具有特征性的结构的同步整流控制电路9的结构例的图。应予说明，对于与图4所示的以往的开关电源装置1及图5所示的以往的同步整流控制电路9相同的构成部分标注同一符号，并省略其说明。
本发明的一实施方式的开关电源装置10的特征在于，如图2所例示，在同步整流控制电路9中，除了前述的VD检测电路9a、开关驱动电路9b及电压下降检测电路9c之外，还设置有作为辅助电源电路的电流供给电路9d、和电源切换电路9e。
电流供给电路9d具备比较器11，该比较器11将MOS-FET(副开关元件)5的漏极电压VD的电压值与预定的基准电压值Vref进行比较。并且，在漏极电压VD的值(漏极电压值)超过基准电压值Vref时，电流供给电路9d通过比较器11的输出使作为电流开关12的MOS-FET导通，由此使用漏极电压VD对设置于同步整流控制电路9外部的蓄电装置的电容器C1进行充电。作为辅助电源电路的电流供给电路9d生成辅助电源电压Vcc2作为电容器C1的充电电压。
另一方面，电源切换电路9e具备电源切换开关，该电源切换开关包括接收电压下降检测电路9c的输出(电压下降检测信号)并介由反相电路15互补地导通、断开的第一电源开关13及第二电源开关14。这些第一电源开关13及第二电源开关14例如包括MOS-FET。第一电源开关13在电压下降检测电路9c的输出电压为低电平时、即未检测到直流输出电压Vout(Vcc)的下降的通常工作时导通。由此，对VD检测电路9a及开关驱动电路9b提供直流输出电压Vout(Vcc)作为其驱动电源电压vdd。
相对于此，若直流输出电压Vout因输出短路而下降且与之相伴电压下降检测电路9c的输出电压变为高电平，则第二电源开关14替换第一电源开关13而导通。并且，对VD检测电路9a及开关驱动电路9b提供蓄积于电容器C1的辅助电源电压Vcc2，来代替直流输出电压Vout，从而作为VD检测电路9a及开关驱动电路9b的驱动电源电压vdd。
因此，在图3中若如作为时刻t3所示那样在MOS-FET 5的断开期间中直流输出电压Vout(Vcc)的电压值因输出短路而下降，则如时刻t4所示那样对VD检测电路9a及开关驱动电路9b提供辅助电源电压Vcc2来代替直流输出电压Vout。因此，VD检测电路9a及开关驱动电路9b接收辅助电源电压Vcc2而继续其工作。其结果，与通常工作时同样，在流动于MOS-FET 5的漏极电流Id的电流减少的时刻，MOS-FET 5断开。因此，即使在发生了输出短路的状态下主开关元件4导通，也不会如前所述经由MOS-FET 5的体二极管(寄生二极管)5a持续流动有漏极电流Id。
从而，可以有效地防止MOS-FET 5因经由MOS-FET 5的体二极管(寄生二极管)5a持续流动的漏极电流Id而发热，在最坏的情况下MOS-FET 5发生热破坏这样的不良状况。
而且，上述的同步整流控制电路9是下述简单的结构：使用电流供给电路9d生成辅助电源电压Vcc2，并且具备在直流输出电压Vout的电压下降时将VD检测电路9a及开关驱动电路9b的驱动电压vdd从直流输出电压Vout(Vcc)切换为辅助电源电压Vcc2的电源切换电路9e。并且，通过该结构，即使在检测到输出短路时，主开关元件4已导通的状态下，也能够继续使MOS-FET 5导通、断开。
从而，能够可靠地防止在输出短路时经由MOS-FET 5的体二极管(寄生二极管)5a持续流动有漏极电流Id这样的不良状况。因此，可以将MOS-FET5因流动于体二极管(寄生二极管)5a的漏极电流Id而发热、甚至热破坏的可能性防患于未然，其实用上的优点极大。
应予说明，本发明不限于上述的实施方式。例如作为生成辅助电源电压Vcc2的辅助电源电路，也可以代替前述的电流供给电路9d，而装有电池。此外，关于对主开关元件4进行导通、断开驱动的电源控制IC，可以适当采用以往以来提出的各种控制方式的电源控制IC，作为主开关元件4，当然也可以使用IGBT。此外，本发明可以在不脱离其主旨的范围进行各种变形而实施。

Claims (7)

1.一种开关电源装置，其特征在于，具备：
主开关元件，其经由变压器的初级线圈连接于直流输入电源；
输出电路，其经由副开关元件连接于所述变压器的次级线圈，并从伴随着所述主开关元件的导通、断开而在所述变压器的次级线圈感应得到的电压生成直流输出电压；以及
同步整流控制电路，其根据在所述主开关元件断开时施加于所述副开关元件的电压值，对该副开关元件进行导通、断开控制，
所述同步整流控制电路具备：
电压检测电路，其在施加于所述副开关元件的电压值超过了阈值电压时，输出电压检测信号；
开关驱动电路，其根据该电压检测信号对所述副开关元件进行导通、断开驱动；
辅助电源电路，其从施加于所述副开关元件的电压生成辅助电源电压；
电压下降检测电路，其检测所述输出电路所生成的直流输出电压值的下降而输出电压下降检测信号；以及
电源切换电路，其在该电压下降检测信号被输出时，将所述电压检测电路及所述开关驱动电路的驱动电源从所述直流输出电压切换为所述辅助电源电压。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述辅助电源电路具有蓄电装置，
所述辅助电源电路包括电流供给电路，该电流供给电路在施加于所述副开关元件的电压值超过了预定的基准电压值时，通过施加于该副开关元件的电压对所述蓄电装置进行充电而生成辅助电源电压。
3.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述电源切换电路具备电源切换开关，该电源切换开关接收所述电压下降检测信号而输出所述直流输出电压或所述辅助电源电压。
4.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述副开关元件包括将源极接地的MOS-FET，
所述同步整流控制电路检测所述MOS-FET的源极-漏极间电压而控制所述MOS-FET的导通、断开。
5.根据权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于，
所述同步整流控制电路在所述MOS-FET的源极-漏极间电压值高于第一电压阈值时使所述MOS-FET导通，在所述MOS-FET的源极-漏极间电压值低于第二电压阈值时使所述MOS-FET断开，来对在所述变压器的次级线圈感应得到的电压进行整流。
6.根据权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，
所述第一电压阈值是用于检测在所述MOS-FET开始流动有漏极电流这一情形的阈值，
所述第二电压阈值是用于检测流动于所述MOS-FET的漏极电流成为零这一情形的阈值。
7.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述直流输入电源是对商用交流电源进行整流、平滑化而生成施加于所述变压器的初级线圈的直流输入电压的电源，
所述主开关元件在导通时将从所述直流输入电源供给的电能蓄积于所述变压器的初级线圈之后，在断开时使蓄积于所述变压器的初级线圈的电能释放而在该变压器的次级线圈感应产生电压。
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