JP2006014573A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2次デューティ制限回路12は、スイッチング素子1のターンオフのタイミングからトランス110の2次巻線110Bに流れ始める2次電流のオンデューティを所定値で一定にするタイミングでクロック信号set_2を出力する。負荷132が重くなり2次電流のオンデューティが所定値に達すると、クロック信号選択回路13はクロック信号set_2を選択して出力する。その結果、出力電圧VOが低下し、出力特性が定電流垂下特性となる。またこの時、ドレイン電流制御回路5は、スイッチング素子1のターンオフを決める信号を、素子電流検出信号VCLの電圧が過電流保護基準電圧VLIMITに達すると出力するので、2次電流のピーク電流が一定値で維持される。
【選択図】図1
Description
VLIMIT=R1×I7=R1×(I5−(I4−I6))
となる。
図1において、当該スイッチング電源装置の入力端子には、例えば商用の交流電源が整流され且つ平滑化された直流電圧VIN(第1の直流電圧)が入力される。直流電圧VINは、トランス110の1次巻線110Aを介して、半導体装置100のDRAIN端子に印加される。
図8は、当該スイッチング電源装置の<軽負荷時>における各部の動作を表すタイミングチャートを示す図である。<軽負荷時>とは、誤差増幅器3から出力される誤差電圧信号VEAOの電圧が、基準電圧源10から出力された基準電圧VRよりも低くなっている状態のことである。
図9は、当該スイッチング電源装置の<定電圧領域1>における各部の動作を表すタイミングチャートを示す図である。この<定電圧領域1>とは、誤差増幅器3から出力される誤差電圧信号VEAOの電圧が基準電圧源10から出力された基準電圧VRよりも高く、かつ過電流保護基準電圧VLIMITよりも低くなっている状態のことである。
図10は、当該スイッチング電源装置の<定電圧領域2>における各部の動作を表すタイミングチャートを示す図である。この<定電圧領域2>とは、誤差増幅器3から出力される誤差電圧信号VEAOの電圧が過電流保護基準電圧VLIMITよりも高くなっている状態のことである。
誤差電圧信号VEAOの電圧 > 過電流保護基準電圧VLIMIT
の状態では、発振周波数調整回路7が、誤差電圧信号VEAOの電圧と過電流保護基準電圧VLIMITの差に応じてスイッチング素子1の発振周波数を高くする信号を発振器6へ出力する。
図11は、当該スイッチング電源装置の<定電圧領域2と定電流領域の境界領域>における各部の動作を表すタイミングチャートを示す図である。この<定電圧領域2と定電流領域の境界領域>とは、誤差増幅器3から出力される誤差電圧信号VEAOの電圧が過電流保護基準電圧VLIMITよりも高く、かつ発振器6から出力される第1のクロック信号set_1と2次デューティ制限回路12から出力される第2のクロック信号set_2のタイミングが同時になる状態、つまり、2次電流のオンデューティが設定値に達した状態のことである。
VO×IO=(1/2)×Lp×Ip×Ip×fosc ・・・ (1)
と表される。
図12は、当該スイッチング電源装置の<定電流領域>における各部の動作を表すタイミングチャートを示す図である。この<定電流領域>とは、誤差増幅器3から出力される誤差電圧信号VEAOの電圧が過電流保護基準電圧VLIMITよりも高く、かつ2次デューティ制限回路12より出力されるクロック信号set_2によってスイッチング素子1のスイッチング動作が行われている領域のことである。
IO=(1/2)×I2p×D2 ・・・ (2)
2次電流のピーク電流値I2pは、スイッチング素子1に流れるピーク電流が過電流保護基準電圧VLIMITで決まる電流値で制御されているため一定である。従って、トランス110の1次巻線110AのインダクタンスLp、スイッチング素子1の発振周波数foscに関係なく、一定の出力電流IOを得ることができ、ばらつきの少ない、高精度の定電流垂下特性を得られる。
図13は、当該スイッチング電源装置の<フの字保護領域>における各部の動作を表すタイミングチャートを示す図である。この<フの字保護領域>とは、<定電流領域>において、補助電源電圧VCCが過電流保護基準電圧調整回路16で設定された電圧値よりも低くなり、過電流保護基準電圧調整回路16により過電流保護基準電圧VLIMITが調整されている領域のことである。
2 レギュレータ
3 誤差増幅器
4 ドレイン電流検出回路
5 ドレイン電流制御回路
6 発振器
7 発振周波数調整回路
8 軽負荷間欠発振制御回路
9 コンパレータ
10 基準電圧源
11 2次電流オフ検出回路
12 2次デューティ制限回路
13 クロック信号選択回路
14 AND回路
15 フリップフロップ回路
16 過電流保護基準電圧調整回路
17 オン時ブランキングパルス発生回路
18 AND回路
19 過熱保護回路
20 NAND回路
21 ゲートドライバ
22 コンパレータ
23、24 ワンパルス信号発生回路
25 フリップフロップ回路
26 インバータ回路
27、36 AND回路
28 定電流源
29、30、31 スイッチ
32、33 NchMOSFET
34 コンデンサ
35 コンパレータ
37 ワンパルス信号発生回路
38、39、44 ワンパルス信号発生回路
40 OR回路
41、42 フリップフロップ回路
43 AND回路
45 コンパレータ
46 基準電圧源
47 コンデンサ
48 ワンパルス信号発生回路
49 インバータ回路
50 AND回路
51 定電流源
52、53、54 スイッチ
55、56 NchMOSFET
57、58 NPNトランジスタ
59、60 抵抗
61、62、63、64、67、68 PchMOSFET
65、66 NchMOSFET
69、70、73、86 抵抗
71 コンパレータ
72 NPNトランジスタ
74、75、84、85 PchMOSFET
76、77、79、80、82、83 NchMOSFET
78、81 定電流源
87 スイッチ
100 スイッチング電源装置制御用の半導体装置
110 トランス
110A 1次巻線
110B 2次巻線
110C 補助巻線
120、130 ダイオード
121、131 コンデンサ
122 ダイオード
123、124 抵抗
132 負荷
Claims (11)
- 1次巻線と2次巻線と補助巻線とを有するトランスと、
前記1次巻線に入力される第1の直流電圧をスイッチング動作によってスイッチング制御するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作によって前記2次巻線に発生する2次側交流電圧を整流し且つ平滑化して、出力電圧として第2の直流電圧を生成する出力電圧生成部と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作によって前記補助巻線に発生する補助側交流電圧を整流し且つ平滑化して、前記出力電圧に比例する補助電源電圧を生成する補助電源部と、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
を備え、前記制御回路は、前記スイッチング素子がターンオフしてから前記2次巻線に流れ始める2次電流のオンデューティが所定値に達した場合、その所定値で前記2次電流のオンデューティが維持されるとともに、前記2次電流のピーク電流値が一定値で維持されるように前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御することを特徴とするスイッチング電源装置。 - 請求項1記載のスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記第1の直流電圧に基づく電流と前記補助電源電圧に基づく電流の一方を内部回路用電源へ供給して前記内部回路用電源の電圧を一定値にするレギュレータと、
前記補助電源電圧と安定化用基準電圧との差から誤差電圧信号を生成する誤差増幅器と、
前記スイッチング素子に流れる電流を検出してその電流値に応じた電圧信号である素子電流検出信号を出力する素子電流検出回路と、
前記スイッチング素子のターンオンを決める一定周期の第1のクロック信号を出力する発振器と、
前記素子電流検出信号の電圧が前記誤差電圧信号の電圧と過電流保護基準電圧のうちの低い方の電圧に達すると、前記スイッチング素子のターンオフを決める信号を出力する素子電流制御回路と、
前記誤差電圧信号の電圧が前記過電流保護基準電圧を越えた差分に応じて前記第1のクロック信号の周期を短くする発振周波数調整回路と、
前記補助側交流電圧を基に前記2次電流が流れ終わるタイミングを検出する2次電流オフ検出回路と、
前記スイッチング素子のターンオフのタイミングから前記2次電流が流れ終わるタイミングまでの期間を検出して、前記2次電流のオンデューティが前記所定値になるように前記スイッチング素子のターンオンを決める一定周期の第2のクロック信号を出力する2次デューティ制限回路と、
前記第1のクロック信号と前記第2のクロック信号を入力とし、前記2次電流のオンデューティが前記所定値に達していない場合は前記第1のクロック信号を出力し、前記所定値に達している場合は前記第2のクロック信号を出力するクロック信号選択回路と、
前記クロック信号選択回路から前記第1もしくは第2のクロック信号が入力されるとセット状態となり、前記素子電流制御回路から前記スイッチング素子のターンオフを決める信号が入力されるとリセット状態となるフリップフロップ回路を含み、前記フリップフロップ回路の状態に応じて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御回路と、
を具備し、前記2次電流のオンデューティが前記所定値に達した場合、前記クロック信号選択回路により前記第2のクロック信号を選択して前記2次電流のオンデューティを前記所定値で維持するとともに、前記素子電流制御回路により前記スイッチング素子のターンオフを決める信号を前記素子電流検出信号の電圧が前記過電流保護基準電圧に達すると出力して前記2次電流のピーク電流値を一定値で維持することを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記クロック信号選択回路は、前記発振器からの第1のクロック信号と前記2次デューティ制限回路からの前記第2のクロック信号を入力し、いずれか一方の周期の長いほうのクロック信号を出力することを特徴とする請求項2記載のスイッチング電源装置。
- 前記2次デューティ制限回路は、前記2次電流のオンデューティが50%程度になるように前記第2のクロック信号を出力することを特徴とする請求項2もしくは3のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 前記レギュレータは、
前記スイッチング素子のスイッチング動作開始前には、前記第1の直流電圧に基づく電流を前記内部回路用電源へ供給するとともに前記補助電源部へも供給し、
前記スイッチング素子のスイッチング動作開始後には、前記補助電源部への電流の供給を停止し、前記補助電源電圧が一定値を下回ると前記第1の直流電圧に基づく電流を前記内部回路用電源へ供給し、前記補助電源電圧が一定値以上になると前記補助電源電圧に基づく電流を前記内部回路用電源へ供給する
ことを特徴とする請求項2ないし4のいずれかに記載のスイッチング電源装置。 - 請求項2ないし5のいずれかに記載のスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
第1の基準電圧と前記第1の基準電圧よりも高電位の第2の基準電圧が設定され、前記誤差電圧信号の電圧が低下して前記第1の基準電圧に達すると、その出力電圧を前記第1の基準電圧から前記第2の基準電圧へ切り替え、前記誤差電圧信号の電圧が上昇して前記第2の基準電圧に達すると、その出力電圧を前記第2の基準電圧から前記第1の基準電圧に切り替える軽負荷用基準電圧源と、
前記誤差電圧信号の電圧と前記軽負荷用基準電圧源の出力電圧を比較する軽負荷用コンパレータと、
前記軽負荷用コンパレータによる比較結果を受け、前記誤差電圧信号の電圧が低下して前記第1の基準電圧に達すると前記クロック信号選択回路から前記フリップフロップ回路への前記第1もしくは第2のクロック信号の出力を停止させ、前記誤差電圧信号の電圧が上昇して前記第2の基準電圧に達すると前記クロック信号選択回路から前記フリップフロップ回路への前記第1もしくは第2のクロック信号の出力を再開させるクロック信号制御回路と、
により構成された軽負荷間欠発振制御回路を具備することを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記第1の基準電圧は、前記過電流保護基準電圧の15%程度であり、前記第2の基準電圧は、前記過電流保護基準電圧の20%程度であることを特徴とする請求項6記載のスイッチング電源装置。
- 請求項2ないし7のいずれかに記載のスイッチング電源装置であって、前記制御回路は、前記補助電源電圧が設定値より小さくなると、その差に応じて前記過電流保護基準電圧を小さくする過電流保護基準電圧調整回路を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 前記過電流保護基準電圧調整回路に設定された前記設定値は、前記安定化用基準電圧の30%程度に設定されていることを特徴とする請求項8記載のスイッチング電源装置。
- 前記過電流保護基準電圧調整回路は、前記過電流保護基準電圧をその最小値が20%程度になるように調整することを特徴とする請求項8記載のスイッチング電源装置。
- 前記スイッチング素子と前記制御回路は、同一半導体基板上に形成され、前記第1の直流電圧と前記スイッチング素子間の2つの接続端子と、前記制御回路と前記補助電源電圧間の接続端子と、前記2次電流オフ検出回路の入力端子と、を有する半導体装置として構成されることを特徴とする請求項2ないし10のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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