CN1607715A - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以反馈输出电压来产生规定输出电压的方式进行控制的升压型开关电源装置，其中直接响应电源装置各处发生的开路故障，预先抑制过电压等异常状态。以反馈输出电压来产生升压过的规定输出电压的方式进行控制，另一方面，根据输出电压监视应检测出的第二检测电压。通过使第二检测电压低于比输入电压稍低的第二基准电压，从而检测出因安装不良等原因导致的开路故障。根据该故障的发生，直接停止供给开关信号，预先抑制输出电压的异常上升(即过电压的发生)。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及通过对从电池电源等外部电源供给的输入电压进行开关，从而产生使输入电压根据基准电压升压的输出电压的开关电源装置以及用于该装置的半导体集成电路(以下，称为IC)。
背景技术
众所周知，开关电源装置通过线圈由开关来导通截止输入电压，由二极管和电容器来整流平滑所产生的电压，从而产生被升压的输出电压。在该开关电源装置中，进行反馈控制，以使与输出电压成正比的反馈电压等于基准电压。由此，对输出电压进行恒压控制，以维持规定的电平。
该开关电源装置的恒压控制由开关电源用IC来进行。在该开关电源用IC中，在反馈电压形成用的分压电路或整流用的外加二极管等因安装不良等原因而造成开路状态的情况或者输出电路短路的情况下，由于判断为升压不足，所以就会向提高输出电压的方向动作。结果，存在从开关电源装置，作为输出电压输出异常的高压，或者会出现过大电流流动的问题。
此外，在采用升压变压器的开关电源装置中，为了检测并保护作为电弧放电的负载异常状态，对输出电压进行监视。在这种开关电源装置中，将监测值为显示异常负载状态的规定阈值以下且本次的监测值比上一次的监测值还小的情况作为异常负载状态来进行检测。并且，将两次连续检测出这种异常负载状态时的PWM信号的占空比设定为最小值(专利文献1：特开2001-008446号公报)。
在专利文献1的开关电源装置中，当输出电压为规定阈值以下且本次的监测值比前次的监测值小时，就需要连续观测负载异常状态。因此，由于需要至少三次以上的监测值，故在异常状态的检测上产生时间延迟。
此外，为了判定负载异常状态，有必要确定输出电压的规定阈值，但根据负载异常状态，分别设定其规定阈值。因此，存在在该规定阈值的调整上耗费工夫等的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，在通过反馈输出电压而控制产生规定输出电压的升压型开关电源装置中，直接响应于电源装置各处产生的开路故障，预先抑制过压等异常状态。此外，其目的还在于与负载状态等无关，以固定的阈值判断电源装置中的故障发生。
技术方案1中的开关型电源装置，其特征在于，包括：
升压电路，其将输入电压转换为对应于开关信号的输出电压并输出，同时将未供给所述开关信号时的与所述输入电压基本接近的电压作为输出电压而输出；
控制电路，其根据对应于所述输出电压的第一检测电压和第一基准电压的电压差，输出被控制的所述开关信号，以使所述第一检测电压等于所述第一基准电压；和
故障检测电路，其将对应于所述输出电压的第二检测电压与第二基准电压进行比较，产生在所述第二基准电压超过所述第二检测电压时用于停止供给所述开关信号的故障检测信号，并输入到所述控制电路。
技术方案2的开关型电源装置，其特征在于，在技术方案1所述的开关型电源装置中，所述电压转换电路包括：线圈；与该线圈串联连接，并由所述开关信号来进行接通断开控制的开关机构；和整流平滑所述线圈和所述开关机构的串联连接点的电压后，输出所述输出电压的整流平滑电路。
技术方案3的开关型电源装置，其特征在于，在技术方案1或2所述的开关型电源装置中，将所述第二基准电压设定为对应于所述输入电压的电压电平。
技术方案4的开关型电源装置，其特征在于，在技术方案3所述的开关型电源装置中，所述故障检测电路包括比较器，其输入所述第二检测电压和所述第二基准电压，以产生所述故障检测信号。
技术方案5的开关型电源装置，其特征在于，在技术方案1或2所述的开关型电源装置中，所述控制电路根据所述电压差，输出控制着占空比的所述开关信号。
技术方案6的开关型电源装置，其特征在于，在技术方案1或2所述的开关型电源装置中，所述第一基准电压根据动作开始信号，从起始电压向规定电压缓慢增加。
技术方案7的开关型电源装置，其特征在于，在技术方案1或2所述的开关型电源装置中，所述第一检测电压和所述第二检测电压是同一电压。
技术方案8的开关型电源装置，其特征在于，在技术方案1或2所述的开关型电源装置中，具有用于对产生所述故障检测信号发出警报的警报机构。
技术方案9的半导体集成电路，其中用做开关电源装置，该开关电源装置将输入电压转换为对应于开关信号的输出电压并输出，同时将未供给所述开关信号时的与所述输入电压基本接近的电压作为输出电压而输出，其特征在于，包括：
开关机构，其由所述开关信号来进行接通断开控制；
控制电路，其根据对应于所述输出电压的第一检测电压和第一基准电压的电压差，输出被控制的所述开关信号，以使所述第一检测电压等于所述第一基准电压；和
故障检测电路，其将对应于所述输出电压的第二检测电压与第二基准电压进行比较，产生在所述第二基准电压超过所述第二检测电压时用于停止供给所述开关信号的故障检测信号，并输入到所述控制电路。
技术方案10的半导体集成电路，其特征在于，在技术方案9所述的半导体集成电路中，所述开关机构通过开关端子与线圈串联连接，整流平滑所述开关端子的电压，以获得所述输出电压。
技术方案11的半导体集成电路，其特征在于，在技术方案9或10所述的半导体集成电路中，将所述第二基准电压设定为对应于所述输入电压的电压电平。
根据本发明，在通过反馈输出电压来控制产生规定输出电压的升压型的开关型电源装置中，监视根据输出电压而应检测出的第二检测电压。通过使第二检测电压(或者与其对应的电压)低于比输入电压稍低的第二基准电压，从而检测出因安装不良等原因导致的开路故障。由于根据该故障的发生而直接停止供给开关信号，所以可以预先抑制输出电压的异常上升(即过电压的发生)。
此外，根据本发明，输出电压包括未供给开关信号时也一直大致为输入电压以上。由此，可将用于故障检测的第二基准电压设定为与负载状态无关的固定的电压电平(大致对应于输入电压的电压电平)。因此，容易设定第二基准电压。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的开关电源装置的电路结构的图。
图2是用于说明图1的动作的特性图。
图中：Lo-线圈，Qo-开关机构，Do-整流用二极管，Co-平滑用电容器，Vcc-输入电压，Vo-输出电压，10-开关电源用IC，11-软启动的充电电路，12-电容器，13-误差放大电路，14-振荡电路，15-脉冲宽度调制电路，16-驱动电路，17-故障检测用比较器，21、22-分压电阻，30-警报机构，Vref1-第一基准电压，Vref2-第二基准电压，Vfb-反馈电压，Fdet-故障检测信号，ST-启动信号，F1～F3-故障点。
具体实施方式
以下，参照图1和图2来说明本发明的开关电源装置的实施例。图1是表示本发明的实施例的开关电源装置的电路结构的图，图2是用于说明其动作的特性图。
在图1中，从电池电源等外部电源供给输入电压Vcc。在输入电压Vcc和地之间串联连接线圈Lo和开关机构Qo。开关机构Qo优选为MOS晶体管或双极晶体管(bipolar transistor)。在本例中，作为开关机构Qo使用N型MOS晶体管。
在该线圈Lo与开关机构Qo的串联连接点A上连接整流用二极管Do的正极。整流用二极管Do优选电压降小的肖特基势垒二极管。在该整流用二极管Do的负极与地之间连接平滑用电容器Co。由此，用由整流用二极管Do和平滑用电容器Co构成的整流平滑电路，整流平滑串联连接点A的电压后，作为输出电压Vo，从输出点B供给到负载(图中未示出)。
这些线圈Lo、二极管Do、电容器Co大多由外加零件构成，与作为控制机构的开关电源用IC 10的开关机构Qo一起，构成开关型升压电路。根据施加在开关机构Qo的栅极上的开关信号的占空比，改变开关机构Qo的导通期间和截止期间，输出将输入电压Vcc升压过的输出电压Vo。
此外，在该升压电路中，在未供给开关信号时，即开关机构Qo处于截止状态时，介由线圈Lo、二极管Do，电容器Co被充电至基本上接近输入电压Vcc。具体地，充电到从输入电压Vcc中减去二极管Do的电压降Vf后的电压。当二极管Do为肖特基二极管时，二极管Do的电压降Vf比较小，例如为0.2～0.4 V左右。
用电阻21(电阻值R1)和电阻22(电阻值R2)的分压电路，从输出点B对输出电压Vo进行分压，从而从电阻21和电阻22的串联连接点获得分压电压Vfb(＝Vo×R1/(R1+R2))。该分压电压Vfb变成作为第一检测电压的反馈电压，还成为第二检测电压。
在开关电源用IC 10内形成有开关机构Qo以及电阻21、22。例如也可将开关机构Qo以及电阻21、22作为分立元件设置在开关电源用IC 10的外部。在开关电源用IC 10的外部设置开关机构Qo以及电阻21、22的情况下，可以使开关电源用IC 10的耐压降低。将输入电压Vcc作为此内部电路的电源输入开关电源用IC 10内。
依次说明在开关电源用IC 10中形成的其它结构。软启动的充电电路11与电容器12串联连接，其连接点的电压为第一基准电压Vref1。例如，软启动充电电路11由恒流源电路构成，一施加启动信号就开始工作。恒定的电流从软启动充电电路11的恒流电路流到电容器12，使电容器12的充电电压即第一基准电压Vref1开始缓慢上升。由于图中未示出的电压控制电路的控制，在达到规定电压的时刻，第一基准电压Vref1保持恒定值。电容器12也可以设置在开关电源用IC 10的外部。
误差放大电路13，将第一基准电压Vref1输入正(+)输入端子，将作为第一检测电压的反馈电压Vfb输入负(-)输入端子，并将两个输入的的差值进行放大后作为误差信号输出。
振荡电路14产生用于脉冲宽度调制的三角波信号。也可以用锯齿波信号代替三角波信号。脉冲宽度调制电路15将来自误差放大电路13的误差信号输入到+输入端子，将来自振荡电路14的三角波信号输入到-输入端子，并对这两个输入进行比较，产生PWM(脉冲宽度调制)信号。
驱动电路16接收来自脉冲宽度调制电路15的PWM信号，形成与此同步的开关信号，并施加到开关机构Qo的栅极上。因此，开关信号是PWM信号。该驱动电路16根据其它控制信号即故障检测信号Fdet，对是进行其动作还是停止其操作加以控制。这些软启动充电电路11、电容器12、误差放大电路13、振荡电路14、脉宽调制电路15、驱动电路16与电阻21、电阻22一起构成控制电路。
故障检测用比较器17比较作为第二检测电压的反馈电压Vfb和第二基准电压Vref2。当反馈电压Vfb小于第二基准电压Vref2时，该故障检测用比较器17产生故障检测信号Fdet，并作为上述其它控制信号供给到驱动电路16。也可以将第二基准电压Vref2设定为比开关机构Qo处于截止状态时的反馈电压Vfn稍低的电压。即，可将第二基准电压Vref2设定为小于(Vcc-Vf)×R1/(R1+R2)的电压。
这样，将第二基准电压Vref2设定为对应于输入电压Vcc的电压电平。具体地，也可对输入到开关电源用IC 10的输入电压Vcc进行分压，来形成第二基准电压Vref2。
此外，在故障检测用比较器17中，如果预先维持滞后特性，则可以抑制输出电压变动或噪声的影响。故障检测用比较器17与电阻21、电阻22一起构成故障检测电路。再有，供给到故障检测用比较器17的第二检测电压也可以代替反馈电压Vfb，作为向电阻22施加的施加电压(即，输出电压Vo)。
再有，由于故障检测信号Fdet只要能使向开关机构Qo供给的开关信号停止即可，因此不限于被供给到驱动电路16，可以被供给到控制电路中任意电路。
此外，故障检测信号Fdet也可构成为向开关电源用IC 10的外部导出。将该导出的故障检测信号Fdet供给到外部设置的警报机构30。并且，对产生故障检测信号Fdet的情况进行警报。作为警报机构30，可以是LED等显示器或蜂鸣器等。
参照图1和图2来说明如上所述构成的开关电源装置的动作。而且，在图2中，省略了输出电压Vo或反馈电压Vfb中包含的电压变动。
首先，在将启动信号ST供给到软启动充电电路11之前，即在开关电源装置处于停止工作状态下，第一基准电压Vref1为0，没有向开关机构Qo供给开关信号。因此，开关机构Qo处于截止状态。
此时，由于施加有输入电压Vcc，故介由线圈Lo、二极管Do对电容器Co进行充电。该充电电压是从输入电压Vcc中减去二极管Do的电压降Vf的电压，为基本上接近于输入电压Vcc的值。该充电电压变成输出电压Vo。此外，反馈电压Vfb是由电阻R21、R22对输出电压Vo进行过分压的电压，第一基准电压Vref1为0。再有，第二基准电压Vref2始终为恒定电压。
在时刻t1，若将启动信号ST供给到软启动充电电路11，则开始用恒定电流对电容器12进行充电，第一基准电压Vref1开始缓慢上升。在时刻t2，若第一基准电压Vref1高于反馈电压Vfb，则从误差放大电路13输出误差信号，利用脉冲宽度调制电路15来比较该误差信号和三角波信号，以产生PWM信号。由此，介由驱动电路16将开关信号施加到开关机构Qo上，输出电压Vo开始上升。
随着第一基准电压Vref1的上升，输出电压Vo和反馈电压Vfb开始上升。第一基准电压Vref1在达到规定的基准值的时刻t3，停止其上升，此后被恒定地维持在规定的基准值。由于对开关机构Qo进行开关控制，以使反馈电压Vfb和该第一基准电压Vref1相同，故也能将输出电压Vo维持在与其相对应的规定电压。
由于将第二基准电压Vref2设定为小于开关机构Qo处于截止状态下的反馈电压Vfb的电压，所以从停止状态到稳定输出状态，第二基准电压Vref2低于反馈电压Vfb。因此，故障检测用比较器17不输出故障检测信号Fdet。
在稳定输出状态中，在时刻t4，例如图1中的故障点F1所示，假设在向分压电阻R2的路径中产生开路状态(断路或接触不良等)的情况。这种情况下，由于此故障点F1的开路故障，反馈电压Vfb变为0。
若反馈电压Vfb变为0，则控制电路工作，提高向开关机构Qo的开关信号(PWM控制信号)的占空比以使反馈电压Vfb接近第一基准电压Vref1。由此，如图2的时刻t4的虚线所示，输出电压Vo急剧上升。
但是，在本发明中，若在时刻t4反馈电压Vfb为0，则由于在故障检测用比较器17中第二基准电压Vref2比反馈电压Vfb高，所以产生故障检测信号Fdet。在驱动电路16中，若施加故障检测信号Fdet，则直接停止(截断)将来自脉冲宽度调制电路15的PWM信号作为开关信号供给到开关机构Qo的动作。
在时刻t4，从反馈电压Vfb变为0到停止向开关机构Qo供给开关信号为止，所需的时间基本上没有延迟，实质上是直接停止。此外，由于将产生故障检测信号Fdet通知给外部的警报机构30，所以进行利用显示或声音的警报。
由此，如图2的时刻t4中的虚线所示，输出电压Vo没有急剧升高，相反，如图2的实线所示，从时刻t4开始下降。因此，可以预先抑制输出电压的异常升高(即，过电压的产生)。因此，不只是被供给输出电压Vo的负载，而且开关电源用IC 10也可以使用低耐压的。此外，根据警报机构30的警报，由于可以通知故障产生，故易于调查故障原因。
另外，在施加启动信号ST的时刻，在故障点F1已经产生开路故障的情况下，由于从故障检测用比较器17输出有故障检测信号Fdet，故驱动电路16可以停止其动作。因此，不会向开关机构Qo供给开关信号。这种情况下，根据警报机构30的警报，也可以确认故障产生。
该开路故障的位置并不限于图1中的故障点F1，即使是二极管Do的负极到电阻R2的连接点B之间(例如，故障点F3的故障)的任何位置，还有即使是连接点A与二极管Do的正极之间(例如，故障点F2的故障)的任何位置，与故障点F1中的开路故障情况同样地进行动作，也可以预先抑制过电压的产生。因此，作为开路故障，可对应于路径中的断线或二极管Do等构成元件的安装不良等各种故障。此外，即使在输出电路短路的情况下，与开路故障的情况同样地进行动作，也可以抑制过电流。另外，在上述说明中，虽然已经说明了稳定输出状态时和启动前产生故障的情况，但即使在启动后的输出电压上升中，也可以同样地进行动作。
再有，作为升压电路，只要是根据开关信号对输入电压进行升压，输出升压后的输出电压，同时将基本接近未供给开关信号时的输入电压的电压作为输出电压进行输出的升压电路即可。例如，也可以适于电荷泵型的升压电路。此外，作为软启动充电电路11，虽然只示出了恒流电路，但并不限于此。

Claims (11)

1.一种开关型电源装置，其特征在于，包括：
电压转换电路，其将输入电压转换为对应于开关信号的输出电压并输出，同时在未供给所述开关信号时，将与所述输入电压基本接近的电压作为输出电压而输出；
控制电路，其根据对应于所述输出电压的第一检测电压和第一基准电压的电压差，输出被控制的所述开关信号，以使所述第一检测电压等于所述第一基准电压；和
故障检测电路，其将对应于所述输出电压的第二检测电压与第二基准电压进行比较，产生在所述第二基准电压超过所述第二检测电压时用于停止供给所述开关信号的故障检测信号，并输入到所述控制电路。
2、根据权利要求1所述的开关型电源装置，其特征在于，所述电压转换电路包括：线圈；与该线圈串联连接，并由所述开关信号来进行接通断开控制的开关机构；和整流平滑所述线圈与所述开关机构的串联连接点的电压后，输出所述输出电压的整流平滑电路。
3、根据权利要求1或2所述的开关型电源装置，其特征在于，将所述第二基准电压设定为对应于所述输入电压的电压电平。
4、根据权利要求3所述的开关型电源装置，其特征在于，所述故障检测电路包括比较器，其输入所述第二检测电压和所述第二基准电压，以产生所述故障检测信号。
5、根据权利要求1或2所述的开关型电源装置，其特征在于，所述控制电路根据所述电压差来输出控制着占空比的所述开关信号。
6、根据权利要求1或2所述的开关型电源装置，其特征在于，所述第一基准电压根据动作开始信号，从起始电压向规定电压缓慢增加。
7、根据权利要求1或2所述的开关型电源装置，其特征在于，所述第一检测电压和所述第二检测电压是同一电压。
8、根据权利要求1或2所述的开关型电源装置，其特征在于，具有用于对产生所述故障检测信号发出警报的警报机构。
9、一种半导体集成电路，其中用做开关电源装置，该开关电源装置将输入电压转换为对应于开关信号的输出电压并输出，同时将未供给所述开关信号时的与所述输入电压基本接近的电压作为输出电压而输出，其特征在于，包括：
开关机构，其由所述开关信号来进行接通断开控制；
控制电路，其根据对应于所述输出电压的第一检测电压和第一基准电压的电压差，输出被控制的所述开关信号，以使所述第一检测电压等于所述第一基准电压；和
故障检测电路，其将对应于所述输出电压的第二检测电压与第二基准电压进行比较，产生在所述第二基准电压超过所述第二检测电压时用于停止供给所述开关信号的故障检测信号，并输入到所述控制电路。
10、根据权利要求9所述的半导体集成电路，其特征在于，所述开关机构通过开关端子与线圈串联连接，整流平滑所述开关端子的电压，以获得所述输出电压。
11、根据权利要求9或10所述的半导体集成电路，其特征在于，将所述第二基准电压设定为对应于所述输入电压的电压电平。
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