JP2008312335A - スイッチング電源装置および一次側制御回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 バーストモードを設けた同期整流型のDC−DCコンバータにおいて、二次側の電流が逆流しないようにする。
【解決手段】 電圧変換用のトランス(20)と、該トランスの一次側コイルと接続されたスイッチング素子(SW1)およびそのオン、オフ制御を行なう一次側制御回路(30)と、二次側コイルと接続された同期整流用スイッチング素子(SW2)およびそのオン、オフ制御を行なう二次側制御回路(40)とを備え、負荷が軽くなったときに一次側のスイッチング素子の制御信号をオフにするバーストモードを設けた同期整流型のDC−DCコンバータにおいて、バーストモードに入る際およびバーストモードから抜ける際に、一次側コイルと接続されたスイッチング素子をオン、オフ制御する制御信号のパルス幅がPWMパルス本来の幅以下にならないようにするパルス幅保証回路(FF1)を設けるようにした。
【選択図】 図2

Description

本発明は、直流電源電圧を発生するスイッチング電源装置さらにはトランスを使用した絶縁型DC−DCコンバータに関し、特に二次側回路における整流を同期整流制御によって行う同期整流型のDC−DCコンバータに適用して有効な技術に関する。
トランスを使用して入力直流電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する回路として、絶縁型DC−DCコンバータがある。また、絶縁型DC−DCコンバータには、二次側コイルから流れる電流を整流するためにダイオードを使用するものと、スイッチング素子を使用するものとがある。このうち、ダイオードを使用して整流するものは、回路構成が簡単であるがダイオードの順方向電圧Vfとダイオードに流れる電流Iにより整流損失Vf・Iが発生するという課題がある。
そこで、ダイオードをオン抵抗の小さなスイッチング素子(MOSFETなどのトランジスタ)に置き換え、同期制御でこのスイッチング素子をオン、オフ制御することによって、整流を行うようにした同期整流型のDC−DCコンバータが知られている。
また、絶縁型DC−DCコンバータにおいて、負荷が軽くなったときに低消費電力化を図るため、一次側のスイッチング素子を制御する制御回路の動作を停止させるようにした発明が提案されている(例えば特許文献1)。スイッチング電源回路の軽負荷時においては、スイッチング素子のオン、オフ動作に伴なうスイッチング損失が比較的大きい。特許文献1の発明は、このスイッチング損失を減らすとともに、そのオン、オフ制御信号を生成する制御回路をも停止させることでさらに低消費電力化を図るようにしたものである。
特開2002−233146号公報
一次側のスイッチング素子のオン、オフ制御信号を生成する制御回路を軽負荷時に停止させる特許文献1の発明にあっては、制御回路停止中に出力電圧が下がって制御回路を再起動したい場合に、制御回路の起動が遅くなるという課題がある。
また、二次側のスイッチング素子のオン、オフ制御で整流を行う同期整流型のDC−DCコンバータにおいては、一般に二次側コイルに流れる電流の立ち上がりを検出してスイッチング素子をオンさせるタイミングを得ることが行なわれているが、一次側のスイッチング素子をオフするときに一次側コイルにスパイクやリンギングが生じることが知られており、このスパイクやリンギングは二次側コイルに伝達され、ノイズとなる。このノイズにより二次側のスイッチング素子が誤ってオフしないようにするため、二次側のスイッチング素子をオンさせる信号が一旦立ち上がると所定時間は立ち下がらないようにする制御が行なわれている。
本発明者らは、二次側のスイッチング素子のオン、オフ制御で整流を行う同期整流型のDC−DCコンバータにおいて、負荷が軽くなったときに低消費電力化を図るため、図6に示すように、一次側の回路(PWMパルス生成回路)にコンパレータ33とANDゲートG1とからなるバーストモード制御回路を付加して、二次側のスイッチング素子に供給されるPWM制御パルスVpwmを強制的にオフ(ロウレベルに固定)することについて検討した。
図6の回路は、負荷が軽くなって二次側からのフィードバック電圧VFBがVref1よりも高くなると、コンパレータ33の出力Vcompがロウレベルに変化し、ANDゲートG1を閉じてPWM制御パルスVpwmを遮断することで、G1の出力Voutをロウレベルに固定するというものである。この回路は、軽負荷時に制御回路を停止させることはないので、二次側の電圧が下がってPWM出力Voutによる一次側スイッチング素子のオン、オフ制御を再開したい場合に、ゲートG1を開くことで直ちにPWM制御パルスVpwmを通過させることができるため、PWM出力Voutの供給が遅くなるということはない。
しかしながら、図6に示すようなバーストモード制御回路にあっては、一次側のスイッチング素子をオン、オフするPWM出力Voutのパルス幅が、バーストモードの開始、終了の際に、図7(c)に符号P1,P2で示すように、PWM出力Voutのパルス幅が短くなってしまうことがある。特許文献1に記載されているようなダイオード整流型のDC−DCコンバータでは、二次側コイルの電流が小さくなると自動的に整流用ダイオードがオフするため、このようなパルス幅の減少によって電流の逆流が生じることはない。
ところが、同期整流型のDC−DCコンバータにおいては、前述したように、二次側のスイッチング素子をオンさせる信号が一旦立ち上がると、例えば図7(e)のように、所定時間T0の間は立ち下がらないように制御される。また、二次側コイルに誘起される電流のピーク値は、一次側のPWM制御パルスのパルス幅に比例しており、パルス幅が狭くなるほどピーク値は小さくなる。そのため、バーストモードで一次側PWM出力Voutのパルス幅がP1,P2のように狭くなると、図7(f)のように、二次側のスイッチング素子がオンしている間に二次側コイルに逆方向電流Irが流れてしまう課題があることが明らかになった。これにより、回路が誤動作を起こす事も考えられる。
この発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、バーストモードを設けた同期整流型のDC−DCコンバータにおいて、二次側の電流が逆流しないようにすることにある。
本発明は、上記目的を達成するため、電圧変換用のトランスと、該トランスの一次側コイルと接続されたスイッチング素子およびそのオン、オフ制御を行なう制御回路と、二次側コイルと接続された同期整流用スイッチング素子およびそのオン、オフ制御を行なう制御回路とを備え、負荷が軽くなったときに一次側のスイッチング素子の制御信号をオフにするバーストモードを設けた同期整流型のDC−DCコンバータにおいて、バーストモードに入る際およびバーストモードから抜ける際に、一次側コイルと接続されたスイッチング素子をオン、オフ制御する制御信号のパルス幅がPWMパルス本来の幅以下にならないようにするパルス幅保証回路を設けるようにしたものである。
より具体的には、電圧変換用のトランスと、該トランスの一次側コイルに電流を流す第1スイッチング素子と、該第1スイッチング素子をオン、オフ制御する第1制御回路と、前記トランスの二次側コイルの電流を整流する第2スイッチング素子と、該第2スイッチング素子をオン、オフ制御する第2制御回路とを備え、前記第2制御回路は前記第2スイッチング素子をオン、オフさせる信号の最小オン期間を保証するように構成されている同期整流型スイッチング電源装置において、前記第1制御回路は、前記トランスの二次側回路からのフィードバック電圧に基づいて前記第1スイッチング素子をオン、オフ制御するためのPWM制御パルスを生成するPWMパルス生成回路と、前記フィードバック電圧に基づいて軽負荷時に前記第1スイッチング素子の制御信号をオフにするバーストモード制御回路と、バーストモードに入る際およびバーストモードから抜ける際に、前記第1スイッチング素子をオン、オフ制御する制御信号のパルス幅がPWMパルス本来の幅以下にならないようにするパルス幅保証回路と、を備えるように構成したものである。これにより、二次側コイルに逆方向電流が流れて二次側制御回路が誤動作するのを防止することができる。
ここで、望ましくは、前記バーストモード制御回路は、前記フィードバック電圧と所定のレベルの参照電圧とを比較するヒステリシス特性を有するコンパレータと、該コンパレータの出力に応じて前記PWMパルス生成回路から出力されるPWM制御パルスを通過または遮断するゲート手段と、を備え、前記パルス幅保証回路は、前記コンパレータの出力をラッチするラッチ回路を備え、該ラッチ回路の出力によって前記ゲート手段が制御されるように構成する。これにより、比較的簡単な回路の追加により制御信号のパルス幅が本来の長さ以下にならないように保証することが可能になるとともに、ノイズに強い回路を実現することができる。
また、前記ラッチ回路は、前記PWM制御パルスもしくはこれと同期した信号をクロック端子に受け、前記コンパレータの出力をデータ端子に受けるD型フリップフロップによって構成すると良い。さらに、前記PWMパルス生成回路は、前記フィードバック電圧をクランプする電圧クランプ手段を備え、該電圧クランプ手段により前記フィードバック電圧がクランプされることによって、生成するPWM制御パルスのパルス幅が所定の幅以下とならないように構成すると良い。
以上説明したように、本発明に従うと、バーストモードを設けた同期整流型のDC−DCコンバータにおいて、二次側の電流が逆流しないようにすることができるという効果がある。
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明を適用した同期整流型のDC−DCコンバータの一実施形態を示す。
本実施形態のDC−DCコンバータは、特に限定されるものではないが、直流電源10と容量C1と前記直流電源10からの直流電圧Vin(DC)が一次側コイルL1に入力されるトランス20を備える。このトランス20の一次側コイルL1の他方の端子はスイッチング素子としてのMOSFET SW1を介して接地点に接続されている。トランス20の二次側コイルL2の一方の端子は同期整流用のスイッチMOSFET SW2を介して接地点に接続されている。また、二次側コイルL2の他方の端子と接地点との間には平滑用コンデンサC2と、二次側電圧を検出するための直列抵抗R1,R2が接続されている。コンデンサC2と並列に接続されているRLは負荷である。
さらに、この実施形態のDC−DCコンバータには、上記スイッチMOSFET SW1のゲート端子に供給されてSW1をオン、オフ制御する制御信号(PWM制御パルス)を生成する一次側制御用半導体集積回路(以下、一次側ICもしくは一次側制御回路と称する)30と、上記スイッチMOSFET SW2のゲート端子に供給されてSW2をオン、オフ制御する同期整流制御信号を生成する二次側制御用半導体集積回路(以下、二次側ICもしくは二次側制御回路と称する)40と、上記直列抵抗R1,R2の抵抗比で分圧された電圧を、フィードバック電圧VFBとして上記一次側IC30に供給するフィードバック回路50が設けられている。
二次側IC40は、二次側コイルL2の端子電圧を監視して、二次側コイルL2に接地点から平滑用コンデンサC2へ向かう電流が流れる期間だけ、スイッチMOSFET SW2をオンさせるような制御信号VGSを生成し、SW2のゲート端子に印加する。フィードバック回路50は、フォトカプラのような絶縁型の信号伝達手段により構成される。
図2には、本実施形態のDC−DCコンバータにおける一次側制御回路30の構成例が示されている。
図2の一次側制御回路30は、所定の周波数のクロック信号CLKを生成するクロック生成回路31、生成されたクロック信号CLKに基づいて所定の周波数の鋸波(三角波)を発生する鋸波生成回路SWG、および生成された鋸波と上記フィードバック回路50からのフィードバック電圧VFBとを比較してPWM制御パルスVpwmを生成するPWMコンパレータPCMPなどからなるPWMパルス生成回路32を備える。
また、一次側制御回路30は、フィードバック電圧VFBおよび所定の参照電圧Vrefを入力とするコンパレータ33と、上記PWMパルス生成回路32の出力をインバータで反転した信号がクロック端子に入力されコンパレータ33の出力がデータ端子に入力されクロック端子の入力信号の立ち上がりに同期してデータを取り込んで保持するD型(ディレイ型)フリップフロップFF1と、PWMパルス生成回路32の出力およびフリップフロップFF1の出力を入力とするANDゲートG1などからなるバーストモード制御回路を備える。
上記PWMパルス生成回路32には、フィードバック電圧VFBが所定値以上に上がらないようにするクランプ回路CLPが設けられ、PWM制御パルスVpwmのパルス幅が所定の幅以下にならないように保証している。二次側制御回路において同期整流制御信号VGSのパルス幅を保証した場合、PWM制御パルスVpwmのパルス幅が二次側インダクタンス値、出力電圧などにより決定される所定のVGSのパルス幅よりも狭くなると、二次側のスイッチMOSFET SW2がオンしている間に二次側コイルに逆流Irが流れるおそれがあるので、一次側の制御回路30においても、PWM制御パルスVpwmのパルス幅が所定の幅よりも狭くならないように保証するためである。さらに、VFBが所定値以下に下がらないようにクランプして、PWM制御パルスVpwmのパルス幅が所定の幅よりも広くならないように保証することもある。
また、上記コンパレータ33には、2つの電圧Vref1,Vref2(Vref1>Vref2)をしきい値とするヒステリシス特性を有する回路が使用されている。ヒステリシス特性を有する回路を使用することにより、フィードバック電圧VFBにノイズがのってもそれに敏感に反応しないようにすることができる。
図2の一次側制御回路30は、負荷が軽くなって二次側からのフィードバック電圧VFBがVref1よりも高くなると、コンパレータ33の出力Vcompがロウレベルに変化し、このロウレベルはPWM制御パルスVpwmの立下りに同期してフリップフロップFF1に取り込まれる(図3のタイミングt1)。そして、フリップフロップFF1の出力がロウレベルに変化すると、ANDゲートG1を閉じてPWM制御パルスVpwmを遮断することで、スイッチMOSFET SW1のゲート電圧をロウレベルに固定し、強制的にオフ状態にする(タイミングt2)。
また、二次側からのフィードバック電圧VFBが下がりVref2よりも低くなる(タイミングt3)と、コンパレータ33の出力Vcompがハイレベルに変化し、このハイレベルはPWM制御パルスVpwmの立下りに同期してフリップフロップFF1に取り込まれる(タイミングt4)。そして、フリップフロップFF1の出力がハイレベルに変化すると、ANDゲートG1を開いてPWM制御パルスVpwmを通過させるため、PWM制御パルスVpwmが制御信号(PWM出力)Voutとして一次側スイッチMOSFET SW1のゲート端子に供給されてオン、オフ制御されるようになる(タイミングt5)。この実施形態の回路は、軽負荷時に制御回路を停止させることはないので、二次側の電圧が下がって一次側スイッチMOSFET SW1のオン、オフ制御を再開したい場合に、PWM出力Voutの供給が遅れ二次側の電圧の回復が遅くなるということはない。
さらに、本発明先立って検討した図6に示す制御回路にあっては、一次側のスイッチング素子をオン、オフするPWM出力Voutのパルス幅が、バーストモードの開始、終了の際に、図7(c)に符号P1,P2で示されているように、短くなることがあるが、図2に示す本発明の制御回路にあっては、図3(d)に示されているように、PWM出力Voutのパルス幅が、バーストモードの開始、終了の際に、狭くなることはない。これにより、二次側のスイッチング素子(SW2)をオンさせる信号が一旦立ち上がると、図7(e)のように、所定時間T0の間は立ち下がらないように制御されたとしても、二次側のスイッチング素子がオンしている間に二次側コイルに逆方向電流Irが流れるという事態が発生するのを回避することができる。
図4および図5は、上記実施形態のDC−DCコンバータの変形例を示す。このうち図4の変形例は、フリップフロップFF1のクロック端子に入力される信号として、PWM制御パルスVpwmの代わりにクロック発生回路31で生成されたクロック信号CLKを用いてラッチタイミングを与えるようにしたものである。
また、図5の変形例は、フリップフロップFF1のクロック端子に入力される信号として、PWM制御パルスVpwmの代わりに、PWMパルス生成回路32に供給されるクロック信号CLK1とは異なる他のクロック信号CLK2を用いるようにしたものである。このクロック信号CLK2は、CLK1と同期していれば、外部から供給されるものでもよい。
以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能である。例えば、前記実施形態においては、トランス20の二次側のコイルが1つである半波同期整流型のDC−DCコンバータに適用したものを説明したが、トランス20の二次側に2つのコイルを有し、各コイルに対応した2つのスイッチング素子を設けた両波同期整流型のDC−DCコンバータにも適用することができる。
また、前記実施形態においては、スイッチング素子としてMOSFETを使用しているが、バイポーラ・トランジスタなど他の種類のトランジスタを使用するようにしてもよい。さらに、一次側制御回路の出力回路に、フリップフロップFF1の出力で制御されるANDゲートG1を使用しているが、NORゲートなど他の種類の論理ゲートやMOSFETからなる伝送ゲートを使用するようにしても良い。
以上の説明では、本発明をDC−DCコンバータに適用した例を説明したが、本発明にそれに限定されるものではなく、図1の一次側回路の前段にダイオード・ブリッジ回路などからなる整流回路を設けて、交流電圧を整流した直流が一次側コイルに入力されるようにしたAC−DCコンバータにも利用することができる。本発明は、一次側のコイルと二次側のコイルにそれぞれスイッチング素子が接続されたスイッチング電源装置に広く利用することができる。
本発明を適用した同期整流型のDC−DCコンバータの一実施形態を示すシステム構成図である。 図1の実施形態のDC−DCコンバータを構成する一次側制御回路の構成例を示すブロック図である。 図2の一次側制御回路の負荷変動時の動作を示すタイムチャートである。 図2の一次側制御回路の第1の変形例を示すブロック図である。 図2の一次側制御回路の第2の変形例を示すブロック図である。 本発明に先立って検討した同期整流型DC−DCコンバータの一次側制御回路を示すブロック図である。 図6の制御回路の負荷変動時の動作を示すタイムチャートである。
符号の説明
10 直流電源
20 トランス
30 一次側制御回路(一次側IC)
31 クロック生成回路
32 PWMパルス生成回路
33 コンパレータ
40 二次側制御回路(二次側IC)
50 フィードバック回路
SW1 一次側スイッチMOSFET
SW2 二次側スイッチMOSFET
SWG 鋸歯生成回路
PCMP PWMコンパレータ
CLP クランプ手段

Claims (8)

  1. 電圧変換用のトランスと、該トランスの一次側コイルに電流を流す第1スイッチング素子と、該第1スイッチング素子をオン、オフ制御する第1制御回路と、前記トランスの二次側コイルの電流を整流する第2スイッチング素子と、該第2スイッチング素子をオン、オフ制御する第2制御回路とを備え、前記第2制御回路は前記第2スイッチング素子をオン、オフさせる信号の最小オン期間を保証するように構成されている同期整流型スイッチング電源装置において、
    前記第1制御回路は、
    前記トランスの二次側回路からのフィードバック電圧に基づいて前記第1スイッチング素子をオン、オフ制御するためのPWM制御パルスを生成するPWMパルス生成回路と、
    前記フィードバック電圧に基づいて軽負荷時に前記第1スイッチング素子の制御信号をオフにするバーストモード制御回路と、
    バーストモードに入る際およびバーストモードから抜ける際に、前記第1スイッチング素子をオン、オフ制御する制御信号のパルス幅がPWMパルス本来の幅以下にならないようにするパルス幅保証回路と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記バーストモード制御回路は、前記フィードバック電圧と所定のレベルの参照電圧とを比較するヒステリシス特性を有するコンパレータと、該コンパレータの出力に応じて前記PWMパルス生成回路から出力されるPWM制御パルスを通過または遮断するゲート手段と、を備え、
    前記パルス幅保証回路は、前記コンパレータの出力をラッチするラッチ回路を備え、該ラッチ回路の出力によって前記ゲート手段が制御されるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記ラッチ回路は、前記PWM制御パルスもしくはこれと同期した信号をクロック端子に受け、前記コンパレータの出力をデータ端子に受けるD型フリップフロップであることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記PWMパルス生成回路は、前記フィードバック電圧をクランプする電圧クランプ手段を備え、該電圧クランプ手段により前記フィードバック電圧がクランプされることによって、生成するPWM制御パルスのパルス幅が所定の幅以下とならないように構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  5. 第1のスイッチング素子によりトランスの一次側コイルに間歇的に電流を流し、それにより前記トランスの二次側コイルに誘起される電流を第2のスイッチング素子のオン、オフ制御により整流して二次側電圧を生成する同期整流型スイッチング電源装置を構成する一次側制御回路であって、
    前記トランスの二次側回路からのフィードバック電圧に基づいて前記第1のスイッチング素子をオン、オフ制御するためのPWM制御パルスを生成するPWMパルス生成回路と、
    前記フィードバック電圧に基づいて軽負荷時に前記第1のスイッチング素子の制御信号をオフにするバーストモード制御回路と、
    バーストモードに入る際およびバーストモードから抜ける際に、前記第1スイッチング素子をオン、オフ制御する制御信号のパルス幅がPWMパルス本来の幅以下にならないようにするパルス幅保証回路と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置の一次側制御回路。
  6. 前記バーストモード制御回路は、前記フィードバック電圧と所定のレベルの参照電圧とを比較するヒステリシス特性を有するコンパレータと、該コンパレータの出力に応じて前記PWMパルス生成回路から出力されるPWM制御パルスを通過または遮断するゲート手段と、を備え、
    前記パルス幅保証回路は、前記コンパレータの出力をラッチするラッチ回路を備え、該ラッチ回路の出力によって前記ゲート手段が制御されるように構成されていることを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源装置の一次側制御回路。
  7. 前記ラッチ回路は、前記PWM制御パルスもしくはこれと同期した信号をクロック端子に受け、前記コンパレータの出力をデータ端子に受けるD型フリップフロップであることを特徴とする請求項6に記載のスイッチング電源装置の一次側制御回路。
  8. 前記PWMパルス生成回路は、前記フィードバック電圧をクランプする電圧クランプ手段を備え、該電圧クランプ手段により前記フィードバック電圧がクランプされることによって、生成するPWM制御パルスのパルス幅が所定の幅以下とならないように構成されていることを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載のスイッチング電源装置の一次側制御回路。
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