CN111726004A

CN111726004A - 电源控制装置以及开关电源

Info

Publication number: CN111726004A
Application number: CN202010194729.2A
Authority: CN
Inventors: 井上胜己; 青木贯司
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: JP7215268B2; US20200304031A1; JP2020156256A; CN111726004B; US11183919B2

Abstract

本发明涉及电源控制装置以及开关电源。电源控制装置包含：起动电路，其通过接通而使输入到第1节点的全波整流电压充入到与第2节点连接的电容器中；第1检测电路，其检测第1节点是否小于第1电压；第2检测电路，其检测第2节点是否小于第2电压、以及检测第2节点是否成为比第2电压高的第3电压以上；放电电路，其通过接通而使第1节点所蓄积的电荷释放；控制电路，其在第1节点的电压小于第1电压时使起动电路接通，在第2节点小于第2电压时使放电电路接通，在第2节点的电压成为第3电压以上时使放电电路断开。

Description

电源控制装置以及开关电源

技术领域

本发明例如涉及电源控制装置以及开关电源。

背景技术

一直以来，已知有如下开关电源：利用开关元件使对交流电源的交流电压进行整流而获得的直流电压接通/断开，供给到变压器的初级绕组，并对在该变压器的次级绕组中感应出的电压进行整流以及平滑化，由此生成输出电压。这里，开关元件的接通/断开通常通过集成在半导体中的电源控制装置来控制。

这样的电源控制装置的电源使用通过开关元件的接通/断开而在上述变压器的辅助绕组中感应出的电压。具体而言，电源控制装置的电源使用对在辅助绕组中感应出的电压进行整流并充入到电容器中的电压。

这里，公开了如下技术：在电容器的充电电压由于某种理由而不足的情况下，使设置在电源控制装置的内部的起动电路接通，使上述交流电源的交流电压的全波整流电压充入到电容器中(例如，参照专利文献1)。

在该技术中，当在全波整流电压较高的状态下使起动电路接通时，损耗增大，因此在输入全波整流电压的节点的电压小于阈值时使起动电路接通。

专利文献1：日本特开2011-244602号公报

但是，在上述技术中，当使起动电路断开时，输入全波整流电压的节点的负载减轻，在全波整流下降时，该节点的追随性由于该节点的寄生电容而变差，该节点的电压有时不会小于阈值。该情况下，由于无法对电容器进行充电，因此存在以该充电电压为电源的电源控制装置有可能无法进行动作这样的课题。

发明内容

为了解决上述课题，一个方式的电源控制装置包含：起动电路，其通过接通而使输入到第1节点的全波整流电压充入到与第2节点连接的电容器中；第1检测电路，其检测所述第1节点的电压是否小于第1电压；第2检测电路，其检测所述第2节点的电压是否下降并小于第2电压、以及检测所述第2节点的电压是否上升并成为比所述第2电压高的第3电压以上；放电电路，其通过接通而使所述第1节点所蓄积的电荷释放；以及控制电路，在从所述第2检测电路检测出所述第2节点的电压下降并小于所述第2电压起到检测出所述第2节点的电压上升并达到所述第3电压为止的期间中，当所述第1检测电路检测出所述第1节点的电压小于所述第1电压时，该控制电路使所述起动电路接通，在所述期间的一部分中或者在整个所述期间中，使所述放电电路接通。

附图说明

图1是示出包含第1实施方式的电源控制装置的开关电源的图。

图2是示出第1实施方式的电源控制装置的图。

图3是示出电源控制装置中的降压电路等的图。

图4是示出输入到电源控制装置中的节点VH的电压波形的图。

图5是示出针对节点VH、Vcc的电压的充电动作的图。

图6是示出节点VH的电压波形的图。

图7是示出针对节点VH的电压的充电动作的图。

图8是示出针对节点VH、Vcc的电压的充电动作和放电动作的图。

图9是示出第2实施方式的电源控制装置的图。

图10是示出针对节点VH、Vcc的电压的充电动作和放电动作的图。

图11是示出针对节点VH、Vcc的电压的充电动作和放电动作的图。

图12是示出比较例的电源控制装置的图。

标号说明

1：开关电源；40：变压器；100：电源控制装置；102、104：比较器；110：控制电路；120：降压电路；130：起动电路；140：放电电路；Q11、122、134、144：晶体管；d11、d12、d13、d14：二极管；C11、C12、C14：电容器。

具体实施方式

以下，参照附图，对实施方式的驱动控制装置进行说明。另外，在各图中，使各部件的尺寸和比例尺与实际情况适当不同。此外，以下叙述的实施方式是本发明的优选具体例，因此在技术上附加了优选的各种限定，但是在以下的说明中，只要没有特别限定本发明的主旨的记载，则本发明的范围不限于这些方式。

图1是示出包含第1实施方式的电源控制装置100的开关电源1的图。如该图所示，开关电源1是所谓的反激方式。具体而言，开关电源1构成为通过晶体管Q11的导通向变压器40的初级绕组P中流通电流并蓄积能量，通过晶体管Q11的截止而从变压器40的次级绕组S经由二极管d14输出所蓄积的能量，并通过电容器C14进行平滑化，从而生成直流(DC)的电压Vout。

作为第1整流电路的一例的二极管电桥Db对交流电源10的交流电压进行整流。二极管电桥Db中的正侧端子与变压器40中的初级绕组P的一端和电容器C11的一端连接，二极管电桥Db中的负侧端子和电容器C11的另一端在电压为零的节点Gnd接地。

变压器40除了具有初级绕组P以外，还具有次级绕组S和辅助绕组D，其中的初级绕组P的另一端与晶体管Q11的漏极节点连接。作为开关元件的一例的晶体管Q11例如为N沟道型MOSFET，源极节点与电阻元件R12的一端连接。电阻元件R12的另一端在节点Gnd接地。因此，初级绕组P和晶体管Q11在二极管电桥Db中的正侧端子与负侧端子之间串联地设置。

另外，缓冲电路Snb设置在变压器40中的初级绕组P的一端与另一端之间，吸收由于晶体管Q11的导通/截止而在初级绕组P中产生的过渡性电压。

次级绕组S的一端与二极管d14的正极连接。电容器C14连接在二极管d14的负极与次级绕组S的另一端之间，通过电容器C14平滑化后的电压被作为Vout输出。因此，二极管d14和电容器C14作为对在次级绕组S中感应出的电压进行整流以及平滑化的第1输出电路的一例发挥功能。

光电耦合器中的发光二极管Pct的正极与二极管d14的负极连接，发光二极管Pct的负极与误差放大器50连接。

误差放大器50使对应于电压Vout与内部的基准电压之间的偏差的电流在发光二极管Pct中流通。

变压器40中的辅助绕组D的一端与二极管d13的正极连接，该二极管d13的负极与作为电源控制装置100的电源端子的节点Vcc和电容器C12的一端连接。另外，辅助绕组D的另一端和电容器C12的另一端在节点Gnd接地。

在变压器40的辅助绕组D中感应出的电压通过二极管d13进行整流，通过电容器C12进行平滑化并充电，作为电源控制装置100的电源电压供给到节点Vcc。因此，二极管d13和电容器C12作为对在辅助绕组D中感应出的电压进行整流以及平滑化的第2输出电路的一例发挥功能。

另外，节点Vcc为第2节点的一例。此外，在电容器C12中，除了充入通过二极管d13对辅助绕组D的感应电压进行整流后的电压的情况以外，还存在充入经由后述的节点VH供给的电压的情况。

光电耦合器的光电晶体管Pcr的发射极在节点Gnd接地，集电极与电源控制装置100中的节点Fb连接。电容器C13与光电晶体管Pcr并联连接。

电源控制装置100例如集成在半导体中，生成从内部电源电压起被电阻上拉后的基于在节点Fb流向光电晶体管Pcr中的电流的电压。因此，在节点Fb生成与电压Vout的偏差对应的电压。虽然未特别图示，但是，电源控制装置100检测节点Fb的电压，在使用该电压表示的偏差为零的方向上对晶体管Q11的导通/截止进行控制。具体而言，电源控制装置100在使该偏差为零的方向上生成PWM信号，并供给到晶体管Q11的栅极节点。

另外，在图1中，晶体管Q11与电源控制装置100分体，但是也可以构成为集成在电源控制装置100中。

此外，交流电源10的交流电压通过二极管d11和d12进行全波整流，并施加到电源控制装置100中的节点VH。因此，二极管d11和d12为第2整流电路的一例。

在交流电源10刚刚连接之后的情况或刚刚接通电源之后的情况下，未对电容器C12充入充足的电压。此外，在由于某种理由而晶体管Q11不导通/截止的情况下，未在辅助绕组D中感应出电压，因此，充入到电容器C12中的电压减小，充电电压变得不充分。在这样的情况下，电源控制装置100还进行使用施加到节点VH的电压对电容器C12进行充电的控制。

图2是示出这样的电源控制装置100的一例的图。如该图所示，电源控制装置100包含电阻元件R21、R22、R31、R32、比较器102、104、控制电路110、降压电路120、起动电路130和放电电路140。

降压电路120使节点VH的电压下降并施加到节点N。另外，节点VH为第1节点的一例。起动电路130在接通时从节点N向节点Vcc流通恒定电流，对电容器C12进行充电。放电电路140在接通时经由节点N释放寄生在节点VH的电容所蓄积的电荷。

图3是示出降压电路120、起动电路130和放电电路140的结构的一例的图。

在该图中，降压电路120例如由JFET的晶体管122构成。降压电路120通过晶体管122的夹断成分使节点VH的电压下降并施加到节点N。

起动电路130例如包含串联地连接在节点N与节点Vcc之间的电阻元件132和晶体管134。对晶体管134的栅极节点供给从控制电路110输出的信号St，通过该信号St对经由节点Vcc向电容器C12的充电的接通/断开进行控制。当起动电路130接通时，施加到节点VH的电压经由降压电路120降压后施加到节点Vcc。

放电电路140例如包含串联地连接在节点N与节点Gnd之间的电阻元件142和晶体管144。向晶体管144的栅极节点供给从控制电路110输出的信号Dsc，通过该信号Dsc对晶体管144的接通/断开进行控制。当晶体管144接通时，寄生在节点VH中的电容所蓄积的电荷经由晶体管122和电阻元件142释放到节点Gnd。

使说明再次返回图2，电阻元件R21、R22对节点VH的电压进行分压并施加到比较器102的负输入端(-)。向比较器102的正输入端(+)施加电压Vref1。

在负输入端(-)的电压小于施加到正输入端(+)的电压Vref1的情况下，比较器102输出H电平的信号，在除此以外的情况下，比较器102输出L电平的信号。这里，在节点VH的电压为阈值Vth_ac的情况下，电压Vref1相当于通过电阻元件R21、R22对该节点VH的电压进行分压所得的电压。因此，比较器102为检测节点VH的电压是否小于阈值Vth_ac的第1检测电路的一例。另外，阈值Vth_ac为第1电压的一例。

电阻元件R31、R32对节点Vcc的电压进行分压并施加到比较器104的负输入端(-)。向比较器104的正输入端(+)施加电压Vref2。

比较器104是迟滞比较器，在负输入端(-)的电压下降的情况下适用的阈值与在上升的情况下适用的阈值不同。详细地说，在负输入端(-)的电压下降的情况下，如果该负输入端(-)的电压小于使施加到正输入端(+)的电压Vref2向低位侧偏移α后的电压(Vref2-α)，则比较器104输出H电平的信号。此外，在负输入端(-)的电压上升的情况下，如果该负输入端(-)的电压为使施加到正输入端(+)的电压Vref2向高位侧偏移α后的电压(Vref2+α)以上，则比较器104输出L电平的信号。

这里，在节点Vcc的电压为阈值Vdet_L的情况下，电压(Vref2-α)相当于通过电阻元件R31、R32对该节点Vcc的电压进行分压所得的电压。同样，在节点Vcc的电压为阈值Vdet_U的情况下，电压(Vref2+α)相当于通过电阻元件R31、R32对该节点Vcc的电压进行分压所得的电压。

另外，阈值Vdet_L、Vdet_U处于以下的关系。

Vdet_L<Vdet_U

这里，阈值Vdet_L为第2电压的一例，阈值Vdet_U为第3电压的一例。

比较器104为第2检测电路的一例，该第2检测电路检测节点Vcc的电压是否下降并且该电压小于阈值Vdet_L，并且检测节点Vcc的电压是否上升并且该电压达到阈值Vdet_U以上。

控制电路110根据比较器102和104的检测结果，对起动电路130和放电电路140进行控制。之后叙述详细内容，但是，控制电路110在从节点Vcc的电压下降至阈值Vdet_L起到上升至阈值Vdet_U的期间内使放电电路140接通，在该期间内节点VH的电压小于阈值Vth_ac时，使起动电路130接通。

这里，在本实施方式中，对采用如图2所示的结构的过程进行说明。

在节点Vcc的电压不充足的情况下，控制电路110使用节点VH的电压对电容器C12进行充电。详细地说，在节点Vcc的电压不充足的情况下，当检测出施加到节点VH的电压波形详细地说如图4所示的全波整流后的电压波形的输入时，控制电路110使起动电路130接通。由此，施加到节点VH的电压通过降压电路120进行降压并充入到电容器C12中，因此，节点Vcc的电压上升。当检测出节点Vcc的电压达到例如阈值Vdet_U时，控制电路110使起动电路130断开，并且使晶体管Q11开始导通/截止。通过该切换在辅助绕组D中感应出电压，该感应出的电压通过二极管d13进行整流并充入到电容器C12中。

在切换晶体管Q11的情况下，当检测出异常状态等时，控制电路110使晶体管Q11的导通/截止停止。当晶体管Q11的导通/截止停止时，未在辅助绕组D中感应出电压，因此电容器C12的充电电压即节点Vcc的电压下降。

即使晶体管Q11的导通/截止由于异常状态等而停止，也需要将节点Vcc的电压控制为收敛至规定的范围、具体而言为能够IC控制的电压范围。

因此，在相对于本实施方式的比较例中，考虑了执行如下的控制。另外，图12是示出比较例的电源控制装置的图，与图2的本实施方式的结构相比，不具有放电电路140。此外，关于控制电路110，也由于不具有放电电路140，因此与图2的结构相比控制内容也不同。

在比较例中，当节点Vcc的电压下降并小于阈值Vdet_L时，控制电路110使起动电路130接通。

由此，施加到节点VH的电压通过降压电路120进行降压并经由接通的起动电路130施加到节点Vcc，充入到电容器C12中，因此节点Vcc的电压上升。当节点Vcc的电压达到阈值Vdet_U以上时，控制电路110使起动电路130断开。由此，即使晶体管Q11的导通/截止停止，节点Vcc的电压也被控制为收敛至阈值Vdet_L以上且小于阈值Vdet_U的范围。

但是，在这样的控制中，考虑到由于降压电路120的损耗特别是节点VH的电压比较高的状态下的损耗较大，因此执行如下的控制。详细地说，如图5所示，控制电路110从节点Vcc的电压低于阈值Vdet_L起到小于阈值Vdet_U的范围的期间中的节点VH小于阈值Vth_ac时，使起动电路130接通。

另外，在图5中，关于信号St，未示出逻辑电平，而示出基于该St的起动电路130的接通/断开的状态。

认为由于这样的起动电路130的接通而使降压电路120中的损耗减少，因此能够实现低功耗化。

但是，这样的控制以节点VH的电压波形为理想的全波整流波形为前提。实际上在起动电路130断开的情况下，在从节点VH观察时，节点Vcc侧的负载减轻，因此，寄生在节点VH中的电容成分明显。如图6所示，由于起动电路130断开的情况下的电容成分而使节点VH的电压波形中全波整流下降时的追随性恶化。

当节点VH的追随性由于电容成分而恶化时，如图7所示，该节点VH的电压有时不小于阈值Vth_ac。该情况下，控制电路110无法使起动电路130接通，因此，节点Vcc的电压有可能持续下降，电源控制装置100无法动作，开关电源1成为系统错误。

因此，在本实施方式中，设置有放电电路140并且将对放电电路140进行控制的功能追加到控制电路110中。详细地说，如图8所示，在节点Vcc的电压处于阈值Vdet_L以上且小于阈值Vdet_U的范围的情况下，控制电路110使放电电路140接通。

另外，在图8中，关于信号Dsc，未示出逻辑电平，而示出基于该Dsc的放电电路140的接通/断开的状态。

当放电电路140接通时，寄生在节点VH中的电容成分所蓄积的电荷被释放，因此，在节点VH的电压波形中，全波整流下降时的追随性得到改善，成为较好的状态。在该状态下，控制电路110在节点VH的电压小于阈值Vth_ac时，使起动电路130接通。

在图8中示出如下的情形。详细地说，示出如下情形：第一，节点Vcc的电压下降，在时刻t11到达阈值Vdet_L，放电电路140接通。第二，通过放电电路140的接通，在节点VH的电压波形中全波整流下降时的追随性成为较好的状态。第三，在该状态下节点VH的电压小于阈值Vth_ac时，起动电路130接通。第四，由于起动电路130的反复接通，使节点Vcc的电压上升，在时刻t12到达阈值Vdet_U，放电电路140断开。

根据第1实施方式的电源控制装置100，在节点Vcc的电压低于阈值Vdet_L之后处于小于阈值Vdet_U的范围的情况下节点VH小于阈值Vth_ac时，起动电路130接通，因此，能够抑制在对节点VH的电压进行充电时产生的一部分损耗，与此相应地能够实现低功耗化。

此外，根据本实施方式，在寄生在节点VH中的电容成分明显的情况下，放电电路140接通，该电容成分的影响减小，因此，能够在节点Vcc的电压低于阈值Vdet_L之后更加可靠地控制在小于阈值Vdet_U的范围。

放电电路140的接通为电容成分所蓄积的电荷的放电，因此是一种损耗。因此，基于实现低功耗化的观点，遍及节点Vcc的电压小于阈值Vdet_L之后处于小于阈值Vdet_U的范围的整个期间地使放电电路140接通的结构能够存在改善的余地。

因此，对改善了该方面的第2实施方式进行说明。

图9是示出第2实施方式的电源控制装置100的一例的图。在图9所示的第2实施方式中，相对于图2所示的第1实施方式，设置有峰值检测电路150并且将根据峰值检测电路150的检测结果对放电电路140进行控制的功能追加到控制电路110中。

峰值检测电路150检测对节点VH进行分压所得的电压波形的峰值，将所检测的峰值的定时通知给控制电路110。

在节点Vcc的电压低于阈值Vdet_L之后处于小于阈值Vdet_U的范围的情况下，控制电路110在由峰值检测电路150检测出的峰值的定时之后使放电电路140间歇地接通。

另外，控制电路110在节点VH的电压小于阈值Vth_ac时，使起动电路130接通，该方面与第1实施方式相同。这里，当使起动电路130接通时，节点VH的负载增加，因此，可以说在该节点VH的电压波形中全波整流下降时的追随性良好，缺乏使放电电路140接通的必然性。因此，在本实施方式中，控制电路110在从检测出节点VH中的电压的峰值起到该电压小于阈值Vth_ac而使起动电路130接通为止的期间内，执行放电电路140的间歇接通。

但是，在节点Vcc的电压下降并达到阈值Vdet_L时，需要在全波整流下降时的追随性良好的状态下检测节点VH的电压。因此，控制电路110构成为在节点Vcc的电压达到阈值Vdet_L时，无论节点VH的电压如何，都例外地使放电电路140接通，在节点VH中的电压小于阈值Vth_ac并使起动电路130接通时，不使放电电路140间歇地接通。

图10是示出第2实施方式的电源控制装置100的动作的图。

如该图所示，在节点Vcc的电压下降并在时刻t21达到阈值Vdet_L时，放电电路140例外地接通而不间歇。通过放电电路140的接通，在节点VH的电压波形中全波整流下降时的追随性成为良好的状态，当在该状态下节点VH的电压在时刻t22小于阈值Vth_ac时，起动电路130接通，放电电路140断开。

当节点VH的电压在时刻t23达到峰值之后，放电电路140间歇地接通。当在放电电路140接通的时刻t24节点VH中的电压小于阈值Vth_ac时，起动电路130接通，另一方面，使放电电路140的间歇接通中断，转移到断开。

在节点VH的电压在时刻t25再次达到峰值时，放电电路140的间歇接通重新开始。当节点VH中的电压小于阈值Vth_ac时，起动电路130接通，另一方面，放电电路140的间歇接通中断，转移到断开。直到节点Vcc的电压在时刻t26达到阈值Vdet_U为止，反复进行这样的动作。

根据第2实施方式的电源控制装置100，与第1实施方式相比，可通过放电电路140的间歇接通而减少损耗，能够与此相应地进一步实现低功耗化。

另外，在第4实施方式中，控制电路110也可以构成为在使起动电路130接通时，不使放电电路140断开而继续间歇接通。即，在第4实施方式中，控制电路110也可以构成为在节点VH的电压达到峰值之后，使放电电路140以预先确定的次数间歇地接通。

在第1实施方式和第2实施方式中构成为：在节点VH的电压小于阈值Vth_ac时，使起动电路130接通，在节点VH的电压为阈值Vth_ac以上时，使起动电路130断开。不限于该结构，如图11所示，也可以构成为设使起动电路130断开的定时为从起动电路130接通起经过规定的期间T1时。此外，在这样的结构中，根据节点Vcc的负载的轻重来变更从接通到断开为止的期间。具体而言，伴随节点Vcc的负载加重而将从接通到断开为止的期间设定得较长。

在第1实施方式和第2实施方式中，不一定需要降压电路120。在未设置有降压电路120的情况下，将节点Vcc和节点N视为相同即可。

此外，也可以构成为，如果节点VH的电压小于阈值Vth_ac，则每次使起动电路130接通，但是在节点VH的电压小于阈值Vth_ac的情况中，以每多次中有1次的比例使起动电路130接通。

另外，在节点VH的电压小于阈值Vth_ac并位于零附近的情况下，晶体管134中的源极节点与栅极节点之间的电压变得不充足，因此不导通。因此，严格地说，在节点VH的电压位于零附近的情况下，不对电容器C12进行充电，因此，节点Vcc的电压不上升而变得平坦。但是，在图5、图8、图10和图11中，为了简化说明而表现为，如果节点VH的电压小于阈值Vth_ac，则即使位于零附近，节点Vcc的电压也以固定的比例上升。

Claims

1.一种电源控制装置，其包含：

起动电路，其通过接通而使输入到第1节点的全波整流电压充入到与第2节点连接的电容器中；

第1检测电路，其检测所述第1节点的电压是否小于第1电压；

第2检测电路，其检测所述第2节点的电压是否下降并小于第2电压、以及检测所述第2节点的电压是否上升并成为比所述第2电压高的第3电压以上；

放电电路，其通过接通而使所述第1节点所蓄积的电荷释放；以及

控制电路，在从所述第2检测电路检测出所述第2节点的电压下降并小于所述第2电压起到检测出所述第2节点的电压上升并达到所述第3电压为止的期间中，当所述第1检测电路检测出所述第1节点的电压小于所述第1电压时，该控制电路使所述起动电路接通，在所述期间的一部分中或者在整个所述期间中，使所述放电电路接通。

2.根据权利要求1所述的电源控制装置，其中，

所述控制电路在所述第1节点的电压成为所述第1电压以上时，使所述起动电路断开。

3.根据权利要求1所述的电源控制装置，其中，

所述控制电路在从使所述起动电路接通起经过规定时间以上时，使所述起动电路断开。

4.根据权利要求1所述的电源控制装置，其中，

所述控制电路在所述期间中的一部分期间，使所述放电电路间歇地接通。

5.根据权利要求4所述的电源控制装置，其中，

所述一部分期间的结束期为所述第1节点的电压小于所述第1电压时。

6.根据权利要求4或5所述的电源控制装置，其中，

所述一部分期间的开始期为所述第1节点的电压达到峰值以后。

7.一种开关电源，其包含：

权利要求1～6中的任意一项所述的电源控制装置；

第1整流电路，其对交流电压进行整流；

第2整流电路，其对所述交流电压进行全波整流并作为所述全波整流电压供给到所述第2节点；

变压器，其具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组；

开关元件，其与所述初级绕组串联地设置在所述第1整流电路中的两输出端之间；

第1输出电路，其对在所述次级绕组中感应出的电压进行整流以及平滑化后进行输出；以及

第2输出电路，其对在所述辅助绕组中感应出的电压进行整流和平滑化后输出到所述第2节点，

所述电源控制装置对所述开关元件的开关进行控制。