CN110994998A - 开关电源装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源装置及其控制方法，无需追加向一次侧的控制电路通知二次侧异常的光电耦合器，在检测出二次侧异常时能够使一次侧的开关控制停止。开关电源装置具备：一次侧控制用半导体装置、二次侧的输出电压检测电路、检测二次侧异常的异常检测电路、以及可切断绝缘型信号传送单元的电流的开关单元，一次侧控制用半导体装置具备：输入与来自输出电压检测电路的反馈信号对应的电压的外部端子；输入通过外设元件对辅助线圈感应出的电压进行分压后的电压的外部端子；以及过电压检测电路，其在两个外部端子的电压超过了阈值电压时，生成使驱动信号停止的信号，在异常检测电路检测出异常时切断绝缘型信号传送单元的电流。

Description

开关电源装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及具备开关电源用半导体装置的直流电源装置，例如涉及一种有效用于构成AC适配器那样的AC-DC变换器的开关电源装置及其控制方法的技术，上述开关电源用半导体装置用于控制与电压变换用变压器的一次侧线圈串联连接的开关元件。
背景技术
以往，作为开关电源装置之一具有如下的开关电源装置(绝缘型DC-DC变换器)：其具备作为用于使电流间歇性流过变压器的一次侧线圈的开关元件的MOS晶体管(绝缘栅场效应晶体管)以及对该元件进行接通、断开控制的控制电路(IC)，通过二极管对使电流流过一次侧线圈从而在二次侧线圈感应出的电流进行整流，并通过电容器进行平滑后输出。
此外，直流电源装置中具有对交流电源进行整流的二极管桥电路、以及将通过该电路整流后的直流电压通过上述开关电源装置(绝缘型DC-DC变换器)进行降压而变换为希望的电位的直流电压的AC适配器等绝缘型AC-DC变换器。
在以往的绝缘型AC-DC变换器中设有如下保护功能：在发生了因负载的短路等而流过过大的输出电流或者二次侧电路断线等异常时，向一次侧的控制电路通知二次侧的异常来停止一次侧控制电路的开关控制。
例如，在专利文献1中记载了经由光电耦合器向一次侧的控制电路通知二次侧的异常的开关电源装置。
在专利文献1记载的开关电源装置中，不向一次侧的控制电路传送与二次侧的输出电压对应的反馈电压，而是仅通过变压器的辅助线圈电压进行开关控制，因此不需要向一次侧传送反馈电压的光电耦合器，但是为了提高输出电压的控制性从而想要设置传送反馈电压的光电耦合器时，需要与用于向一次侧的控制电路通知二次侧的异常的光电耦合器相独立地进行设置。因此，存在部件数量增加从而导致成本、安装面积增大的问题。
此外，在专利文献2记载的电源装置中，为了检测辅助线圈的电压的增加率，使用了用于保持辅助线圈的电压或将该电压进行分压后的电压的采样保持电路和微分电路，因此存在一次侧控制IC的电路规模变大，导致芯片面积增大成本上升的问题。
另外，在具备用于输入辅助线圈的电压或将该电压进行分压后的电压的外部端子的一次侧控制IC中还考虑如下情况：通过设置用于检测该外部端子的过电压状态来停止开关控制的过电压保护功能，在二次侧发生了异常时启动过电压保护功能而使开关控制停止。但是，在该过电压保护功能的情况下，当调整为在通常动作时过电压保护功能不工作(具有余量)时，过电压保护动作时的二次侧输出电压与通常动作时的二次侧输出电压的差变大，因此存在二次侧电路需要使用尺寸大且价格高的高耐压部件的问题。
专利文献1：日本特开平11-98834号公报
发明内容
本发明是着眼于上述那样的课题而做出的，其目的在于提供一种开关电源装置以及控制方法，无需与传送反馈信号的光电耦合器相独立地设置用于向一次侧的控制电路通知二次侧的异常的光电耦合器，在检测出二次侧的异常时能够向一次侧通知异常而使开关控制停止，由此能够抑制部件数量的增加、安装面积的增大，能够谋取电源装置的小型化。
本发明的另一目的在于，提供一种能够抑制电路规模、芯片面积的增大从而谋求小型化，并且不需要在二次侧电路使用尺寸大且价格高的高耐压部件的开关电源装置以及控制方法。
为了实现上述目的，本发明的开关电源装置具备：具有辅助线圈的电压变换用变压器；一次侧控制用半导体装置，其生成对开关元件进行接通、断开控制的驱动信号，该开关元件与上述变压器的一次侧线圈串联连接；整流平滑电路，其与上述变压器的二次侧线圈连接；输出电压检测电路，其检测上述变压器的二次侧的输出电压，将与上述输出电压对应的反馈信号经由绝缘型信号传送单元发送给上述一次侧控制用半导体装置；异常检测电路，其检测上述变压器的二次侧的异常；以及开关单元，其能够切断上述绝缘型信号传送单元的电流，
上述一次侧控制用半导体装置具备：
第一外部端子，其被输入与从上述输出电压检测电路供给的上述反馈信号对应的电压；
第二外部端子，其被输入上述辅助线圈感应出的电压或将该感应出的电压进行分压后的电压；以及
过电压检测电路，其具有检测上述第一外部端子的电压高于预定的第一阈值电压的第一电压比较单元以及检测上述第二外部端子的电压高于预定的第二阈值电压的第二电压比较单元，在上述第一电压比较单元和上述第二电压比较单元判定为第一外部端子的电压和上述第二外部端子的电压分别超过了上述第一阈值电压和上述第二阈值电压的情况下，生成用于使上述驱动信号停止的信号，
在上述异常检测电路检测出异常的情况下，控制上述开关单元来切断上述绝缘型信号传送单元的电流。
根据上述那样构成的开关电源装置，当在二次侧发生了异常时，切断绝缘型信号传送单元(光电二极管)的电流由此反馈信号发生变化，一次侧的控制电路根据基于反馈信号的外部端子的电压和连接有辅助线圈的外部端子的电压判断为在二次侧发生了异常而停止开关元件的开关控制，因此在二次侧发生异常时能够确实地使一次侧的开关控制停止。此外，无需与传送反馈信号的绝缘型信号传送单元(光电耦合器)相独立地设置用于传送通知在二次侧发生异常的信号的单元(光电耦合器)，能够在检测出二次侧的异常时使一次侧的开关控制停止，由此能够抑制部件数量的增加和安装面积的增大，能够谋取电源装置的小型化并且能够抑制成本。
此外，通过二次侧的异常检测将绝缘型信号传送单元(光电二极管)的电流切断，从而向一次侧控制电路(电源控制用IC)的第一外部端子(FB)的反馈信号(VFB)发生变化，在一次侧的控制电路(电源控制用IC)的第二外部端子(DMG)的电压(VDMG)上升从而超过了第二阈值电压(参照电压VDMGLIM)的时间点迅速停止开关控制，因此过电压保护动作时的二次侧输出电压的上升小，与通常动作时的二次侧输出电压之间的差变小，因此不需要在二次侧电路使用高耐压的部件。
此外，根据上述结构，在一次侧控制电路中仅通过电压比较电路(比较器)就能够进行判断，因此不需要使用采样保持电路、微分电路这样的规模大的电路，能够避免芯片面积的增大。
并且，根据输入辅助线圈感应出的电压或将该电压进行分压后的电压的第二外部端子(DMG)的电压来停止一次侧的开关控制，因此在通过外设元件(电阻元件)进行分压的结构时，通过使用外设元件适当地设定分压比能够容易地调整使开关停止的电压。
在此，优选上述过电压检测电路具备进行预定时间的计时的计时电路，在使上述开关元件成为断开状态后上述计时电路进行了预定时间的计时时，在上述第一电压比较单元和上述第二电压比较单元判定为第一外部端子的电压和上述第二外部端子的电压分别超过了上述第一阈值电压和上述第二阈值电压时，生成使上述开关元件的驱动信号停止的信号。
根据该结构，避免在开关元件刚断开后产生的第二外部端子(DMG)的电压(VDMG)的振铃期间来判断是否超过了第二阈值电压(参照电压VDMGLIM)来停止一次侧的开关控制，因此能够防止由于误动作导致的停止。
并且，优选上述绝缘型信号传送单元为光电耦合器，
上述开关单元与构成上述光电耦合器的光电二极管串联连接，
上述异常检测电路在检测出异常的情况下将上述开关单元断开来切断流过上述光电二极管的电流。
根据该结构，当在二次侧检测出异常的情况下能够确实地切断流过光电二极管的电流，向一次侧的控制电路(电源控制用IC)通知二次侧发生了异常，从而停止开关元件的接通、断开控制。
此外，优选上述开关电源装置具备连接在上述整流平滑电路与二次侧的输出端子之间的开关单元，与流过上述绝缘型信号传送单元的电流的切断并行地，通过上述异常检测电路断开该开关单元。
根据该结构，当在二次侧发生了异常的情况下，能够将整流平滑电路与输出端子之间迅速地切断。
此外，优选上述整流平滑电路具备MOS晶体管来作为整流元件，在上述变压器的二次侧设有根据上述MOS晶体管的漏极电压以及源极电压对上述MOS晶体管进行接通、断开控制的同步整流控制电路，
上述异常检测电路是根据上述MOS晶体管的漏极电压和源极电压对上述MOS晶体管的漏极端子和/或栅极端子的开路状态进行检测的开路状态检测电路，在上述开路状态检测电路检测出上述开路状态的情况下，生成并输出用于切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流的信号。
根据该结构，在二次侧的整流平滑电路具备同步整流用MOS晶体管的情况下，能够检测漏极开路、栅极开路并向一次侧的控制电路(电源控制用IC)进行通知，停止开关元件的接通、断开控制。
此外，优选在上述变压器的二次侧设置温度检测元件，上述异常检测电路在根据上述温度检测元件的信号检测出温度为预先设定的值以上时，生成并输出用于切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流的信号。
根据该结构，当在二次侧的电路中存在异常的温度上升时，能够检测出该异常并向一次侧的控制电路(电源控制用IC)进行通知，停止开关元件的接通、断开控制。
此外，优选上述异常检测电路具备用于接收来自外部装置的用于通知异常发生的信号的端子，在接收到上述用于通知异常发生的信号的情况下，生成并输出用于切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流的信号。
根据该结构，负载装置具有异常检测功能并输出异常检测信号，在该情况下能够接收来自负载装置的异常检测信号并向一次侧的控制电路(电源控制用IC)进行控制，停止开关元件的接通、断开控制。
根据本发明，无需与传送反馈信号的光电耦合器相独立地设置用于向一次侧的控制电路通知二次侧的异常的光电耦合器，在检测出二次侧的异常时能够向一次侧通知异常而使一次侧的开关控制停止，由此能够抑制部件数量的增加、安装面积的增大，能够谋取电源装置的小型化。此外，具有能够实现以下的开关电源装置的效果，该开关电源装置能够抑制电路规模、芯片面积的增大从而谋求小型化，并且不需要在二次侧电路使用尺寸大且价格高的高耐压部件。
附图说明
图1是表示应用本发明的开关电源装置而作为有效的直流电源装置的DC-DC变换器的一实施方式的电路结构图。
图2是表示在图1的DC-DC变换器中在变压器的二次侧设置的异常检测电路的实施例的电路结构图。
图3是表示在图1的DC-DC变换器中在变压器的一次侧设置的开关电源用半导体装置的实施例的电路结构图。
图4是表示构成图3所示的开关电源用半导体装置的过电压检测电路的具体例的电路结构图。
图5是表示构成图3的开关电源用半导体装置的锁存电路的具体例的电路结构图。
图6是表示构成图3的开关电源用半导体装置的接通触发生成电路的具体例的电路结构图。
图7是表示构成图6的接通触发生成电路的逻辑电路的具体例的电路结构图。
图8是表示初期输出电压时的实施例的开关电源用半导体装置的各部的信号波形的时序图。
图9是表示初期输出电压高时的实施例的开关电源用半导体装置的各部的信号波形的时序图。
图10的(A)、(B)分别是表示二次侧电路的其他变形例的电路结构图。
图11是表示二次侧电路的另一实施例的电路结构图。
图12是表示在图11的实施例中在二次侧设置的异常检测电路的具体例的电路结构图。
图13是表示二次侧电路的另一实施例的电路结构图。
图14是表示在图13的实施例中在二次侧设置的同步整流控制装置的具体例的电路结构图。
图15是表示构成图3的实施例的开关电源用半导体装置的过电压检测电路的变形例的电路结构图。
图16是表示过电压检测电路的另一变形例的电路结构图。
图17是表示构成图3的实施例的开关电源用半导体装置的接通触发生成电路的逻辑电路的变形例的电路结构图。
图18是表示逻辑电路的另一变形例的电路结构图。
图19是表示逻辑电路的另一变形例的电路结构图。
图20的(A)、(B)分别是表示断开触发生成电路的变形例的电路结构图。
图21是表示向构成图6的接通触发生成电路的计时电路中的外部端子FB输入的反馈电压VFB与计时时间Ta之间的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图1是表示作为本发明的开关电源装置的回扫型DC-DC变换器的一实施方式的电路结构图。
本实施方式的DC-DC变换器具有：一对电压输入端子11，其被输入直流电压；电压变换用变压器12，其具有一次侧线圈Np、二次侧线圈Ns和辅助线圈Nb；开关晶体管SW1，其与该变压器12的一次侧线圈Np串联连接；以及开关电源用半导体装置(以下，称为电源控制用IC)13，其对该开关晶体管SW1进行接通断开驱动。在构成AC-DC变换器的情况下，在输入端子11的前级连接对来自AC电源的交流电压进行整流的二极管桥电路和平滑电容器。
此外，虽然并未特别限定，但在本实施方式中，上述开关晶体管SW1通过N沟道MOSFET(绝缘栅场效应晶体管)构成为分离的部件。在电源控制用IC13设有输出端子GATE，该输出端子GATE输出用于驱动晶体管SW1的栅极端子的栅极驱动信号。
此外，在本实施方式的DC-DC变换器中，在变压器12的一次侧设有由整流用二极管D0和平滑用电容器C0构成的整流平滑电路，将通过该整流平滑电路进行整流、平滑后的电压施加给电源电压端子VDD，其中，整流用二极管D0与上述辅助线圈Nb串联连接，平滑用电容器C0连接在该二极管D0的阴极端子与接地点GND之间。此外，在电源控制用IC13设有外部端子DMG，该外部端子DMG被施加通过电阻R1、R2对辅助线圈Nb感应出的电压进行分压后的电压。
并且，在电源控制用IC13设有连接了光电晶体管PT的外部端子FB，该光电晶体管PT构成用于将二次侧的输出检测信号作为反馈电压VFB传送至一次侧的光耦合器。
此外，在电源控制用IC13设有作为电流检测端子的外部端子CS，该外部端子CS被输入通过连接在开关晶体管SW1的源极端子与接地点GND之间的电流检测用电阻Rs进行电流-电压变换后的电压Vcs。
在上述变压器12的二次侧设有与二次侧线圈Ns串联连接的整流用二极管D2、连接在该二极管D2的阴极端子与二次侧线圈Ns的另一端子之间的平滑用电容器C2、以及连接在二次侧线圈Ns与输出端子OUT2之间的输出电流检测用电阻Rs2，对于通过在一次侧线圈Np中间歇性地流过电流而在二次侧线圈Ns中感应出的交流电压进行整流、平滑，由此生成并输出直流电压Vou。
并且，在变压器12的二次侧设有构成用于对输出电压Vout进行检测的输出电压检测电路的恒压控制电路(并联调节器(shunt regulator))14、用于检测二次侧的异常的异常检测电路15、构成用于向一次侧传送与上述恒压控制电路14的检测电压对应的输出电压检测信号的光电耦合器的光电二极管PD、以及与该光电二极管PD串联连接的MOS晶体管S2。
在光电二极管PD中，通过恒压控制电路14流过与检测电压对应的电流，作为具有与检测电压对应的强度的光信号传送至一次侧，由此与光强度对应的电流流过光电晶体管PT，通过电源控制用IC13内部的上拉电阻(图2的Rp)等变换为电压VFB进行输入。
恒压控制电路14具备与光电二极管PD以及MOS晶体管S2串联连接的双极晶体管TR1、对二次侧的输出电压Vout进行分压的电阻R3和R4、将分压后的电压与基准电压Vref0进行比较输出与电位差对应的电压的误差放大器AMP0、以及相位补偿电路14a，该恒压控制电路14构成为将误差放大器AMP0的输出电压施加至上述晶体管TR1的基极端子，流过与输出电压Vout对应的电流。在本实施方式中，二次侧的输出电压Vout越高，流过光电二极管PD的电流和流过光电晶体管PT的电流越大，电源控制用IC13的外部端子FB的电压VFB越低。
异常检测电路15将输出电压Vout和上述输出电流检测用电阻Rs2的端子电压作为输入，并具有如下功能：当从输出电流检测用电阻Rs2的两端子的电压检测出流过预定值以上的过大的输出电流时，输出使MOS晶体管S2断开的信号OPT，切断流过光电二极管PD的电流。此外，异常检测电路15在根据VS端子的电压检测出施加了预定值以上的过大的输出电压Vout的情况下，也同样地断开MOS晶体管S2。
图2示出了上述异常检测电路15的具体的电路结构例。图2所示的异常检测电路15具备：比较器CMP1，其将用于输入输出电压Vout的端子VS的电压与预定的参照电压VVSLIM进行比较；以及比较器CMP2，其将用于输入输出电流检测用电阻Rs2的端子电压的端子CS2的电压与预定的参照电压VCSLIM(VCSLIM＜VVSLIM)进行比较。关于电阻Rs2，为了抑制由该电阻导致的损耗而使用电阻值较小的电阻。因此，输出电流流过电阻Rs2而产生的电压降小，因此通常将参照电压VCSLIM设定为比VVSLIM小的电压值。
上述比较器CMP1、CMP2中的CMP1作为用于检测输出电压Vout变得过大的过电压状态的单元而发挥功能，CMP2作为用于检测过大地流过输出电流的过电流状态的单元而发挥功能。
此外，图2所示的异常检测电路15具备：延迟电路(计时电路)DLY1、DLY2，其用于确认上述比较器CMP1和CMP2的输出是否分别持续了预定时间来确定检测输出；将这些延迟电路DLY1、DLY2的输出信号作为输入的或门G0；以及将或门G0的输出信号输入到置位端子的RS触发器FF0，将RS触发器FF0的输出Q作为信号OPT提供给上述MOS晶体管S2的栅极端子从而对S2进行接通、断开控制。
通过如上那样设置延迟电路DLY1、DLY2，在比较器CMP1、CMP2的输出没有持续预定时间的情况下不进行异常检测。由此，例如能够避免将输出电流急剧变化时的过冲、电源接通时(输入电压Vin上升时)等的临时的电压变动误判断为异常(过电压、过电流)而切断流过光电二极管PD的电流的情况。
接着，使用图3对本实施方式的上述电源控制用IC13的具体电路结构例及其功能进行说明。
如图3所示，本实施方式的电源控制用IC13具备：接通触发生成电路31，其将外部端子DMG的电压和外部端子FB的电压作为输入电压，生成使开关元件SW1接通的定时信号；断开触发生成电路32，其将外部端子FB的电压VFB和外部端子CS的电压Vcs作为输入电压，生成使SW1断开的定时信号；锁存电路33，其由将接通触发生成电路31的输出和断开触发生成电路32的输出作为输入的RS触发器等构成；驱动电路34，其根据锁存电路33的输出生成驱动上述开关元件SW1的栅极驱动信号，并从外部端子GATE输出；以及过电压检测电路35，其监视外部端子DMG的电压和外部端子FB的电压来检测过电压状态。此外，将锁存电路33的输出用作使接通触发生成电路31复位的信号LAT。
构成为当过电压检测电路35检测出过电压状态时，其输出ERR变化为高电平而使锁存电路33复位从而将输出固定为低电平，由此使从驱动电路34输出的栅极驱动信号GATE变化为低电平而强制地使开关元件SW1断开。
此外，当过电压检测电路35检测出过电压状态，输出ERR变化为高电平时，即使之后将来自接通触发生成电路31的接通触发信号输入到锁存电路33，栅极驱动信号GATE也不会变化为高电平，开关元件SW1维持断开。
断开触发生成电路32可由比较器(电压比较电路)CMP1构成，该比较器CMP1由将外部端子CS的电压Vcs和外部端子FB的电压VFB作为输入的差动放大器构成。以下，对各功能模块的具体例以及动作进行说明。
图4示出了过电压检测电路35的具体的电路结构例。
如图4所示，过电压检测电路35具备：比较器CMP3，其将外部端子DMG的电压(与辅助线圈的感应电压成比例的电压)VDMG与预定的参照电压VDMGLIM进行比较；比较器CMP4，其将外部端子FB的电压VFB与预定的参照电压VFBLIM进行比较；与门G1，其将比较器CMP3、CMP4的输出作为输入；D型触发器FF1，其取入该与门G1的输出；以及反相器INV1，其使锁存电路33的输出LAT反相。
此外，为了避免外部端子DMG的反射电压的振铃(ringing)，过电压检测电路35具备计时电路TMR，上述触发器FF1将该计时电路TMR的输出信号作为时钟信号来取入与门G1的输出，上述计时电路TMR输出相对于LAT信号的下降，例如延迟2μ秒这样的时间而上升的TRIG信号。并且，将触发器FF1的输出作为开关停止信号ERR提供给锁存电路33。
根据本实施例的过电压检测电路35，通过适当地设定在外部端子DMG外置的电阻R1、R2的分压比，能够容易地设定使开关控制停止的辅助线圈电压(与输出电压成比例)。
图5示出了锁存电路33的具体的电路结构例。如图5所示，锁存电路33例如由以下构成：使过电压检测电路35的输出ERR反相的反相器INV2、将该反相器INV2的输出以及接通触发生成电路31的输出作为输入的与门G11、将反相器INV2的输出以及断开触发生成电路32的输出作为输入的或门G12、以及将与门G11的输出以及或门G12的输出作为输入的RS触发器FF2。
在该锁存电路33中，当过电压检测电路35的输出ERR变化为高电平时，经由或门G12将RS触发器FF2复位从而输出变化为低电平，从后级的驱动电路34输出的栅极驱动信号GATE变化为低电平而使开关元件SW1成为断开状态。此外，当过电压检测电路35的输出ERR变化为高电平时，与门G11的输出被固定为低电平，即使接通触发生成电路31的输出SET上升，RS触发器FF2也不会被置位，也就是说开关元件SW1不会被接通。
图6示出了接通触发生成电路31的具体的电路结构例。如图6所示，接通触发生成电路31具备：底部检测电路311，其检测端子DMG的最低电压点；计时电路312，其将外部端子FB的电压VFB作为输入进行预定时间的计时；以及逻辑电路313，其将底部检测电路311的输出BTM、计时电路312的输出TIM、上述锁存电路33的输出LAT作为输入。
其中，底部检测电路311可由比较器(CMP0)构成，该比较器将外部端子DMG的电压(与辅助线圈感应电压成比例的电压)VDMG与参照电压VDMGREF(≈0V)进行比较，在辅助线圈的零电流共振特性的相位进行反相动作。
此外，计时电路312构成为以上述锁存电路33的输出LAT为触发信号而进行动作，执行与外部端子FB的电压VFB对应的时间Ta的计时。逻辑电路313以锁存电路33的输出LAT为电路的清零信号而进行动作。即，计时电路312在锁存电路33的输出LAT变化为高电平时开始进行与外部端子FB的电压VFB对应的时间Ta的计时动作，在锁存电路33的输出LAT变化为高电平时，逻辑电路313的输出SET变化为低电平。另外，计时电路312也可以构成为如点划线所示，不是将锁存电路33的输出LAT作为触发信号，而是将逻辑电路33的输出SET作为触发信号而进行动作。
图7示出了逻辑电路313的具体的电路结构例。如图7所示，逻辑电路313具备将计时电路312的输出信号TIM输入给时钟端子的D型触发器FF3、将底部检测电路311的输出BTM作为时钟信号对上述触发器FF3的输出进行锁存的D型触发器FF4、使锁存电路33的输出LAT反相的反相器INV3，将该反相器INV3的输出作为上述触发器FF3、FF4的复位信号而输入给触发器FF3、FF4。
接着，使用图8和图9的时序图对上述那样构成的DC-DC变换器的动作进行说明。其中，图8表示二次侧的初期输出电压低的状态下产生了过电流时的DC-DC变换器各部的信号波形，图9表示二次侧的初期输出电压高的状态下产生了过电流时的各部的信号波形。如后述那样，本实施方式的电源控制用IC13能够在PWM模式或准共振模式下动作，但在图8和图9中的任何一种情况下开关电源用半导体装置在准共振模式下动作。顺便说一下，准共振模式下的动作主要通过上述的接通触发生成电路31的功能来实现。
在图8中，当设为在定时t1例如在二次侧的负载中产生了短路从而输出电流增大时，由于输出电流的增大电流感测电阻Rs2的电压降变大，异常检测电路15的输入端子CS2的电压上升。于是，经过延迟电路DLY2(参照图2)的延迟时间TDLYCS后比较器CMP2的输出从低电平向高电平变化，异常检测电路15的输出
Figure BDA0002225122300000121
向高电平变化(定时t2)。由此，电流开关S2被断开从而光电二极管PD的电流被切断，电源控制用IC13的外部端子FB的电压VFB上升，过电压检测电路35的比较器CMP4的输出FBOV向高电平变化。
此外，由于外部端子FB的电压VFB的上升一次侧线圈的电流增加，输出电压Vout上升，因此电源控制用IC13的外部端子DMG的电压VDMG的峰值电压变高而超过参照电压VDMGLIM，过电压检测电路35的比较器CMP3的输出DMGOV1向高电平变化(定时t3、t4)。然后，在锁存电路33的输出LAT(栅极驱动信号GATE)变化为低电平后经过了预定的延迟时间(2μS)的时间点，过电压检测电路35的计时电路TMR1的输出TRIG上升，此时当DMGOV1为高电平时，过电压检测电路35的输出ERR变化为高电平(定时t5)。
于是，锁存电路33的输出Q(LAT)变化为低电平，从驱动电路34输出的栅极驱动信号GATE变化为低电平，开关元件SW1被断开。此外，当锁存电路33的输出Q(LAT)变化为低电平时，计时电路312的计时动作停止。过电压检测电路35的计时电路TMR进行计时的时间(2μS)用于避免端子DMG的电压VDMG振铃的期间，只要能够消除该期间则并不限于2μS，能够在电压VDMG下降前的时间Tb的范围内自由地设定。
另一方面，如图9所示，当设为二次侧的初期输出电压高的状态下产生了过电流时，在产生过电流的时间点(t11)外部端子DMG的电压VDMG的峰值电压已经超过了参照电压VDMGLIM(但是，开关元件SW1的源极-漏极间电压VDS未超过限制，因此开关动作还在继续)。因此，在经过二次侧的异常检测电路15的延迟电路DLY2的延迟时间TDLYCS后，比较器CMP2的输出从低电平向高电平变化(定时t12)，光电二极管PD的电流被切断，电源控制用IC13的外部端子FB的电压VFB上升，过电压检测电路35的比较器CMP4的输出FBOV向高电平变化。
之后，在电源控制用IC13的外部端子DMG的电压VDMG超过了参照电压VDMGLIM的时间点，过电压检测电路35的比较器CMP3的输出DMGOV1向高电平变化(定时t13)，在经过了计时电路TMR计时的时间(2μS)的时间点，过电压检测电路35的计时电路TMR的输出TRIG上升，此时DMGOV1为高电平，因此过电压检测电路35的输出ERR变化为高电平(定时t14)。于是，锁存电路33的输出Q(LAT)变化为低电平，从驱动电路34输出的栅极驱动信号GATE变化为低电平，开关元件SW1被断开，过电压保护功能发挥作用。
并且，在该实施例中，在光电二极管PD的电流被切断从而电源控制用IC13的反馈电压VFB上升后，在外部端子DMG的电压VDMG最初超过了参照电压VDMGLIM的时间点，迅速停止开关控制，因此具有过电压保护动作时的二次侧输出电压的上升小，也就是说与通常动作时的二次侧输出电压的差变小，在二次侧电路中不需要使用尺寸大且价格高的高耐压部件的优点。此外，当光电二极管PD的电流被切断时，反馈电压VFB上升，但此时，大多情况下基于开关控制的向二次侧的供给电力比输出电力大，因此输出电压Vout上升，同时IC13的端子DMG的电压VDMG也上升。也就是说，在本实施例中，有意识地引起端子DMG的电压VDMG的上升。
根据以上的说明可知在上述实施方式的DC-DC变换器中，当在二次侧产生了过电流时，光电二极管PD的电流被切断，在一次侧开关元件SW1被断开，维持该断开状态的保护功能启动。此外，当在二次侧发生了过电压状态时，在经过二次侧的异常检测电路15的延迟电路DLY1的延迟时间TDLYVS后比较器CMP1的输出从低电平向高电平变化，光电二极管PD的电流被切断，因此通过与上述动作同样的动作使得一次侧的电源控制用IC13内的过电压检测电路35检测出二次侧发生异常，从驱动电路34输出的栅极驱动信号GATE变化为低电平，开关元件SW1被断开，维持该断开状态的保护功能启动。
(变形例)
接着，对上述实施方式的DC-DC变换器的变形例进行说明。
图10～图14示出了二次侧电路的变形例。其中，在图10的(A)中，在二次侧的整流电路/平滑电路(D2、C2)与输出端子OUT1之间设置由P沟道MOS晶体管构成的负载开关S3，并且在异常检测电路15设有用于输出对负载开关S3进行接通、断开控制的信号的端子
Figure BDA0002225122300000141
从端子
Figure BDA0002225122300000142
输出的信号是与信号
Figure BDA0002225122300000143
相同的信号，该信号
Figure BDA0002225122300000144
用于对与光电二极管PD串联设置的电流开关S2(P沟道MOS晶体管)进行接通、断开控制，与通过断开S2来切断光电二极管PD的电流同步地将负载开关S3断开。
在图10的(B)的变形例中，设置负载开关S3，并且与光电二极管PD并联地连接电流开关S2。在该变形例中，对负载开关S3进行接通、断开控制的信号与对电流开关S2(N沟道MOS晶体管)进行接通、断开控制的信号
Figure BDA0002225122300000145
大致相同(同相)，通常使电流开关S2为断开状态而使电流流过光电二极管PD，另一方面在检测出异常时使电流开关S2为接通状态来切断光电二极管PD的电流，并且与其同步地使负载开关S3为断开状态。另外，例如设置驱动电路，该驱动电路用于生成与构成图2的异常检测电路15的触发器FF0的输出Q同相的信号，通过设置该驱动电路能够输出对负载开关S3进行接通、断开的信号
Figure BDA0002225122300000146
相对于图10的(A)的变形例，在图11的变形例中设置了用于检测二次侧电路(尤其是负载开关附近)的温度的温度传感器(热敏器)TS，并且在异常检测电路15设置了与温度传感器TS连接的端子TH以及监视该端子TH的电压来判定温度异常的电路。并且，在用于将负载设备20连接至二次侧的输出端子OUT1、OUT2的电缆17的途中设置了加热检测器18，并且在负载设备20的内部设置了设备异常检测电路22，在该情况下设有用于将来自该设备异常检测电路22的错误信号与上述加热检测器18的检测信号进行合成的多路复用器19，在异常检测电路15设有用于接收该多路复用器19的输出信号的端子DATA。
图12示出了图11的变形例中的异常检测电路15的结构例。该变形例中的异常检测电路15除了具备构成图2的异常检测电路15的电路(CMP1、CMP2、DLY1、DLY2、G0、FF0)外，还具备用于接收向DATA端子输入的信号的数据接收电路51、与连接温度传感器TS的端子TH相连接的恒流源52、将端子TH的电压与预定的参照电压VTHLIM进行比较的比较器53、使该比较器53的输出延迟的延迟电路54、生成并输出与触发器FF0的输出Q同相的信号
Figure BDA0002225122300000151
的驱动电路55。
在图13的变形例中，作为二次侧的整流单元，代替二极管D2而设置由MOS晶体管构成的同步整流用开关S1，此外，代替异常检测电路15而设置同步整流控制装置(IC)16，并且设有用于检测二次侧电路(尤其是同步整流用开关附近)的温度的温度传感器(热敏器)TS，使同步整流控制装置16具有异常检测功能。
图14示出了同步整流控制装置16的结构例。如图14所示，同步整流控制装置16具备端子VD、VG、VSO，其与同步整流用开关S1的漏极端子、栅极端子、源极端子连接；同步整流控制电路61，其根据端子VD和端子VSO的电位检测使同步整流用开关S1接通或断开的定时来生成栅极电压并输入给端子VG；栅极开路检测电路62，其根据端子VG的电位检测栅极开路(断线)；以及漏极开路检测电路63，其根据端子VD的电位检测漏极开路(断线)。
此外，同步整流控制装置16具备：连接温度传感器TS的端子TH；与该端子TH连接的恒流源64；将端子TH的电压与预定的参照电压VTHLIM进行比较的比较器65；将该比较器65的输出、上述栅极开路检测电路62和漏极开路检测电路63的输出作为输入的或门66；以及对或门66的输出进行锁存的锁存电路67。将锁存电路67的输出作为对与光电二极管PD串联设置的电流开关S2进行接通、断开控制的信号
Figure BDA0002225122300000161
进行输出。
可以构成为在上述同步整流控制装置16设置端子(图11的DATA)，该端子接收来自外部装置的用于通知异常发生的信号，在接收到用于通知异常发生的信号的情况下，生成并输出用于切断流过光电二极管PD的电流的信号
Figure BDA0002225122300000162
此外，还能够在图13的变形例的电路中设置负载开关S3，并且使同步整流控制装置16具有用于生成对负载开关S3进行接通、断开控制的信号的功能。
图15、图16示出了在电源控制用IC13内设置的过电压检测电路35的其他结构例。
其中，图15的过电压检测电路35对于图4的电压检测电路35追加了以下各部：比较器CMP5，其将外部端子DMG的电压VDMG与预定的参照电压VDMGLIM2(＞VDMGLIM1)进行比较；或门G11，其将该比较器CMP5的输出和与门G1的输出作为输入；延迟电路DLY3，其使比较器CMP4的输出延迟10ms～500ms左右；延迟电路DLY4或计数电路，该延迟电路DLY4使D型触发器FF1的输出延迟10μs～200μs左右，计数电路对计时电路TMR的输出TRIG进行计数；以及或门G12，其将延迟电路DLY3、DLY4的输出OLP、OVP作为输入而输出异常信号ERR。
此外，构成为将计时电路TMR的输出TRIG作为时钟信号，将或门G11的输出取入到D型触发器FF1。另外，为了与FB端子的电压VFB无关地发挥功能的DMG过电压保护功能而搭载了比较器CMP5。此外，通过比较器CMP4、延迟电路DLY3以及或门G12，作为与端子DMG的电压VDMG无关地发挥功能的过负载保护功能而起作用。
图16的过电压检测电路35不是像图15的过电压检测电路35那样追加比较器CMP5和或门G11，而是设有用于向比较器CMP3的反相输入端子择一地供给参照电压VDMGLIM2或VDMGLIM1的MOS晶体管S5、S6，通过比较器CMP4的输出使S5和S6中的某一方接通使另一方断开。电路的动作以及功能与图15的过电压检测电路35相同。
图17示出了接通触发生成电路31内的逻辑电路313的其他结构例，此外，图18、图19示出了其变形例。
其中，图17的逻辑电路313具备：D型触发器FF3，其将计时电路312的输出信号TIM输入至时钟端子；反相器INV3，其使锁存电路33的输出LAT反相；反相器INV4，其使底部检测电路311的输出BTM反相；单触发脉冲生成电路OPG，其检测BTM的上升来生成脉冲信号；以及RS触发器FF4，其将该单触发脉冲生成电路OPG的输出作为置位信号，将锁存电路33的输出LAT作为复位信号。
此外，图17的逻辑电路313具备：与门G2，其将上述反相器INV4的输出和RS触发器FF4的反相输出
Figure BDA0002225122300000171
作为输入；或门G3，其将锁存电路33的输出LAT和RS触发器FF4的输出Q作为输入；RS触发器FF5，其将与门G2的输出作为置位信号，将或门G3的输出作为复位信号；与门G4，其将上述D型触发器FF3的输出Q(PWMEN)和RS触发器FF5的反相输出
Figure BDA0002225122300000172
作为输入；以及D型触发器FF6，其将底部检测电路311的输出BTM输入至时钟端子，取入与门G4的输出。
并且，图17的逻辑电路313具备将上述D型触发器FF3的输出Q和RS触发器FF5的输出Q作为输入的与门G5、以及将该与门G5的输出和上述D型触发器FF5的输出Q作为输入的或门G6，将该或门G6的输出作为用于使开关元件SW1接通的触发信号SET而供给至上述锁存电路33，对该锁存电路33进行置位。并且，D型触发器FF6通过使锁存电路33的输出LAT反相的上述反相器INV3的输出被复位。
向逻辑电路313输入的计时电路312的输出信号TIM是在进行了与外部端子FB的电压VFB对应的时间Ta的计时的时间点进行变化的定时信号，以如下方式进行动作：在底部检测电路311的输出BTM先上升的情况下，紧接着计时电路312的输出信号TIM上升，之后在底部检测电路311的输出BTM再次上升的定时，接通触发信号SET进行变化。另一方面，当在底部检测电路311的输出BTM进入前经过了时间Ta时，在计时电路312进行了时间Ta的计时从而输出信号TIM进行了变化的定时，接通触发信号SET进行变化。
在此，如图21所示，当设计为计时电路312计时的时间Ta与电压VFB成反比时(相对于VFB，Ta的倒数1/Ta成为一次函数或恒定)，外部端子FB的电压VFB越低也就是说二次侧的输出电流越小，时间Ta变得越长，SW1的开关频率越低。结果，当在计时电路312的输出信号TIM变化前底部检测电路311的输出BTM进行了变化的情况下，计时电路312的输出信号TIM进行变化，在这之后下一次的外部端子DMG的电位的底部将开关元件SW1接通。此时，在开关元件SW1的电压(在为MOS晶体管的情况下为漏极-源极间电压)接近零伏特的定时接通，即进行所谓的软开关，从而得到高的功率效率。即，电源控制用IC13在得到高的功率效率的所谓的准共振模式下进行开关控制。并且，此时开关周期比计时电路312计时的时间Ta长。
另一方面，外部端子FB的电压VFB越高也就是说二次侧的输出电流越大则时间Ta越短，计时电路312的输出信号TIM在底部检测电路311的输出BTM变化之前进行变化，与时间Ta的计时同时地将开关元件SW1接通。因此，开关周期仅由时间Ta来决定，在PWM模式下进行动作。另外，如图21所示，可以将上述计时时间Ta钳位为在VFB比较低的区域和比较高的区域分别恒定。
根据以上的动作说明可知，逻辑电路313作为PWM模式与准共振模式的切换单元发挥功能。并且，在本实施方式的电源控制用IC13中，通过适当地设计计时电路312进行计时的时间Ta等，能够在输出电流成为额定负载电流的100％附近的区域以PWM模式进行动作，在未达到额定负载电流的100％附近的区域以准共振模式进行动作。在使用本实施方式的电源控制用IC13的电源装置中，与准共振模式相比，PWM模式的功率效率差，因此电源装置在额定负载电流的100％附近进行动作时的效率不好，但是例如在75％、50％、25％这样的位置，以功率效率良好的准共振模式进行动作，因此与在全部的区域通过PWM模式进行动作的电源装置相比具有能够提高平均的功率效率的优点。此外，在额定负载电流下以PWM模式进行动作时，与以准共振模式进行动作的电源装置相比，变压器的一次侧线圈的电流峰值变小，变压器难以饱和，因此具有能够使变压器小型化的优点。
图18是省略了图17所示的逻辑电路313中的反相器INV4、RS触发器FF5、与门G2、或门G3的图。
此外，图19省略了图17所示的逻辑电路313中的反相器INV4、单触发脉冲生成电路OPG、与门G2、或门G3，并且D型触发器FF6不经由与门G4直接对D型触发器FF3的输出进行锁存，并且代替RS触发器FF5而使用D型触发器FF5’。
图20的(A)、(B)示出了断开触发生成电路32的其他结构例。
在其中的图20的(A)中构成为设置对外部端子FB的电压VFB进行分压的分压电阻R5、R6，将对电压VFB进行分压后的电压和外部端子CS的电压Vcs输入到比较器CMP1来进行比较。也可以构成为设置对外部端子CS的电压Vcs进行分压的分压电阻，将对电压Vcs进行分压后的电压与外部端子FB的电压VFB输入到比较器CMP1来进行比较。
在图20的(B)中构成为在比较器CMP1的前级设置对外部端子CS的电压Vcs进行放大的运算放大器AMP4，将对电压Vcs进行放大后的电压和外部端子FB的电压VFB输入到比较器CMP1来进行比较。在运算放大器AMP4的输出端子与接地点之间设有分压电阻R7、R8，运算放大器AMP4输出通过虚拟接地动作使分压电阻R7、R8的连接节点的电位与非反相输入端子的电压Vcs一致而放大的电压。
以上，根据实施方式具体地说明了本发明人做出的发明，但本发明并不限定于上述实施方式。此外，在上述实施方式中，将开关晶体管SW1和电流感测电阻Rs1设为与电源控制用IC13不同的元件，但也可以构成为将开关晶体管SW1取入到电源控制用IC13内而构成为一个半导体集成电路(电流感测电阻Rs1为外设元件)。此外，也可以根据内部的开关晶体管SW1的漏极电压检测漏极电流的大小，从而取代设置电流感测电阻Rs1。
并且，在上述实施方式中，说明了将本发明应用于DC-DC变换器的情况，但本发明也可以应用于AC-DC变换器那样的具有变压器的开关电源装置。
符号说明
12…变压器、13…开关电源用半导体装置(电源控制用IC)、14…恒压控制电路、15…异常检测电路、16…同步整流控制装置、31…接通触发生成电路、32…断开触发生成电路、33…锁存电路、34…驱动电路、35…过电压检测电路、311…底部检测电路、312…计时电路、313…逻辑电路。

Claims (9)

1.一种开关电源装置，其具备：
具有辅助线圈的电压变换用变压器；
一次侧控制用半导体装置，其生成对开关元件进行接通、断开控制的驱动信号，该开关元件与上述变压器的一次侧线圈串联连接；
整流平滑电路，其与上述变压器的二次侧线圈连接；
输出电压检测电路，其检测上述变压器的二次侧的输出电压，将与上述输出电压对应的反馈信号经由绝缘型信号传送单元发送给上述一次侧控制用半导体装置；
异常检测电路，其检测上述变压器的二次侧的异常；以及
开关单元，其能够切断上述绝缘型信号传送单元的电流，
其特征在于，
上述一次侧控制用半导体装置具备：
第一外部端子，其被输入与从上述输出电压检测电路供给的上述反馈信号对应的电压；
第二外部端子，其被输入上述辅助线圈感应出的电压或将该电压进行分压后的电压；以及
过电压检测电路，其具有检测上述第一外部端子的电压高于预定的第一阈值电压的第一电压比较单元以及检测上述第二外部端子的电压高于预定的第二阈值电压的第二电压比较单元，在上述第一电压比较单元和上述第二电压比较单元判定为第一外部端子的电压和上述第二外部端子的电压分别超过了上述第一阈值电压和上述第二阈值电压的情况下，生成用于使上述驱动信号停止的信号，
在上述异常检测电路检测出异常的情况下，控制上述开关单元来切断上述绝缘型信号传送单元的电流。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
上述过电压检测电路具备进行预定时间的计时的计时电路，在使上述开关元件成为断开状态后上述计时电路进行了预定时间的计时时，在上述第一电压比较单元和上述第二电压比较单元判定为第一外部端子的电压和上述第二外部端子的电压分别超过了上述第一阈值电压和上述第二阈值电压时，生成使上述开关元件的驱动信号停止的信号。
3.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
上述绝缘型信号传送单元为光电耦合器，
上述开关单元与构成上述光电耦合器的光电二极管串联连接，
上述异常检测电路在检测出异常的情况下将上述开关单元断开来切断流过上述光电二极管的电流。
4.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
上述开关电源装置具备连接在上述整流平滑电路与二次侧的输出端子之间的开关单元，与切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流并行地通过上述异常检测电路断开该开关单元。
5.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
上述整流平滑电路具备MOS晶体管来作为整流元件，在上述变压器的二次侧设有根据上述MOS晶体管的漏极电压以及源极电压对上述MOS晶体管进行接通、断开控制的同步整流控制电路，
上述异常检测电路是根据上述MOS晶体管的漏极电压和源极电压来检测上述MOS晶体管的漏极端子和/或栅极端子的开路状态的开路状态检测电路，在上述开路状态检测电路检测出上述开路状态的情况下，生成并输出用于切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流的信号。
6.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
在上述变压器的二次侧设置温度检测元件，上述异常检测电路在根据上述温度检测元件的信号检测出温度为预先设定的值以上时，生成并输出用于切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流的信号。
7.根据权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于，
上述异常检测电路具备用于接收来自外部装置的用于通知异常发生的信号的端子，在接收到上述用于通知异常发生的信号的情况下，生成并输出用于切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流的信号。
8.一种开关电源装置的控制方法，
上述开关电源装置具备：
具有辅助线圈的电压变换用变压器；
一次侧控制用半导体装置，其对与上述变压器的一次侧线圈串联连接的开关元件进行接通、断开控制；
整流平滑电路，其与上述变压器的二次侧线圈连接；以及
异常检测电路，其检测上述变压器的二次侧的异常，
其特征在于，
在通过上述异常检测电路检测出二次侧的异常的情况下，不经由专用的传送单元地向上述一次侧控制用半导体装置通知二次侧的异常发生，切断从二次侧输出的电流。
9.根据权利要求8所述的开关电源装置的控制方法，其特征在于，
上述开关电源装置具备输出电压检测电路，该输出电压检测电路检测上述变压器的二次侧的输出电压，将与上述输出电压对应的反馈信号经由绝缘型信号传送单元发送给上述一次侧控制用半导体装置，
在通过上述异常检测电路检测出二次侧的异常的情况下，上述输出电压检测电路切断流过上述绝缘型信号传送单元的电流，
上述一次侧控制用半导体装置检测出流过上述绝缘型信号传送单元的电流被切断从而停止上述开关元件的接通、断开控制，由此切断从二次侧输出的电流。
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