JP2013158231A - 効率的軽負荷動作を有する分離フライバックコンバータ - Google Patents

効率的軽負荷動作を有する分離フライバックコンバータ Download PDF

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Abstract

【課題】同期整流器を用いるDC−DCフライバックコンバータを提供する。
【解決手段】コンバータ10は、一次巻線L1と二次巻線L2とを有する変圧器12を有し、一次巻線L1は、電源と第1のトランジスタM1とに連結されており、第1のトランジスタM1は、第1のトランジスタM1がオンである場合に、一次巻線L1を通して電流を伝導し、二次巻L2は、第2のトランジスタM2に連結されており、第2のトランジスタM2は、第2のトランジスタM2がオンである場合に、二次巻線L2を通して電流を伝導し、コンバータ10は、一次側感知を用いてコンバータ10の出力電圧を周期的に感知するための最小デューティサイクルを有し、コンバータ10は、出力キャパシターC1を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、同期整流器を用いるDC−DCフライバックコンバータに関し、特に、出力電圧を検出するための一次側感知を使用するようなフライバックコンバータに関する。
(背景)
同期整流器を用いるDC−DCフライバックコンバータが周知である。入力ステージと出力ステージとの間の分離が必要とされる場合、出力電圧は、調整フィードバックのためにさまざまな方法によって感知され得る。分離を維持しながら出力電圧を運搬するための一部の方法は、光結合素子を用いること、または変圧器の一次側で三次巻線を用いることを含む。しかしながら、これらの方法は、追加の回路網、空間、電力、およびコストを必要とする。出力電圧を検出するよりエレガントな方法は、電力スイッチがコンバータの放電(またはフライバック)サイクル中にオフにされた場合に、電力スイッチの端子において電圧を感知することである。このような感知された電圧は、実質的に出力電圧に比例する。しかしながら、一次側感知電圧を生成するために電流が二次巻線内に流れるので、この方式は、感知することが正確であるために、最小デューティサイクルを必要とする。この方式はまた、実際の負荷がほとんど、または、全く電流を引き抜かないスタンバイモードである場合の放電サイクル中に最小電流を引き抜くように、概して負荷抵抗器の形態の最小負荷を必要とする。
最小負荷抵抗器がなく、実際の負荷が非常に少ない電流スタンバイモードに進入した場合、最小デューティサイクルは、調整された出力電圧を達成するために必要とされるデューティサイクルより大きい場合もあり、出力電圧は、所望の調整されたレベルを超え得る。従って、最小負荷電流は、これを防ぐための閾値電流より上でなければならない。最小負荷は、コンバータの効率を低減させる。
図1は、最小負荷を用いる1つのタイプのフライバックコンバータ10を例示し、電力スイッチMOSFET M1が放電(またはフライバック)サイクル中にオフにされる場合に、フライバックコンバータは、一次巻線において電圧を検出することによって出力電圧VOUTを検出する。光結合素子も三次巻線も、VOUTを検出するために使用されない。
変圧器12は、一次巻線L1および二次巻線L2を有する。MOSFET M1は、充電中、入力電圧VIN(例えば、バッテリー電圧)とグラウンドとの間に巻線L1を接続するために、出力調整および制御回路14によって制御される。
調整されたVOUTを達成するために、MOSFET M1は、制御された時間の後にオフにされ、同期整流器MOSFET M2はオンにされる。巻線L2を通る電流は、要求された電圧で、負荷、および平坦化するキャパシターC1に転送される。
調整フィードバックのために、回路14は、放電サイクル(MOSFET M1がオフである)中にMOSFET M1のドレインにおいて電圧を検出する。変圧器の一次側において信号によって出力電圧を感知することは、ときには、一次側感知と呼ばれる。ドレイン電圧は、L1とL2との巻線比率に関連し、巻線L2の電圧は、出力電圧VOUTとMOSFET M2(MOSFET M2がオンであることを仮定する)の電圧降下との合計である。ユーザーは、フィードバック抵抗器RFBの値と、参照抵抗器RREFの値とを選択し、(RFB/RREF)*Vrefが所望の調整された電圧と等しくなるようにする(ここで、Vrefは、内部エラー増幅器に適用される内部バンドギャップ参照電圧である)。このようなVOUTを検出するための一次側感知回路は、周知であり、詳細に説明される必要がない。Linear Technology LT3573フライバックコンバータに対するすべてのデータシートは、参照することによって本明細書において援用され、オンライン入手可能であり、上記データシートは、フィードバック回路の動作を説明している。この動作は、米国特許第7,471,522号および第7,463,497号においても説明されており、上記文献は、本譲受人に譲渡され、参照することによって本明細書において援用される。他の既知の一次側電圧感知技術が使用され得る。
回路14は、感知された電圧に基づいてVOUT調整するために、可変周波数または固定周波数においてMOSFET M1のデューティサイクルを制御し続ける。
回路14はまた、MOSFET M1がオフになる場合に、同期整流器MOSFET M2をオンになるように直接に制御し得るか、または、自動同期スイッチ制御回路16は、適切な時にオンになるようにMOSFET M2を制御し得る。MOSFET M1およびM2は、一般的に決して同じ時にオンにならない。ダイオードD2は、MOSFET M2のドレイン−ボディーダイオードを表す。
出力調整および制御回路14は、電流モード、電圧モード、または他のモードを含む、調整するための任意タイプの従来技術を使用し得る。
負荷がある閾値電流より上である場合に、コンバータ10の従来動作は、VOUTを正確に調整するために使用される。しかしながら、実際の負荷が閾値電流より下に低下した場合に、コンバータ10の必要とされる最小デューティサイクルは、大きすぎる電流を生成し、VOUTを調整された電圧以上に上昇させる。このような軽負荷動作は、なお、一次巻線L1上の出力電圧をサンプリングするための最小デューティサイクルを必要とする。実際の負荷が非常に小さい電力を引き抜くスタンバイモードを有するタイプである場合において、コンバータ10は、調整がMOSFET M1およびM2の周期循環中に維持され得るように、巻線L2電流を散逸させることを助けるために、最小負荷電流抵抗器R1を提供される。代替的に、または関連して、ツェナーダイオードD3は、VOUTが閾値レベルより上に上昇しないことを確保するために使用される。実際の負荷によって引き抜かれた最小電流が、最軽負荷電流において調整を実質的に維持するために十分であり得るので、抵抗器R1およびツェナーダイオードD3は任意である。
図2は、比較的に低いデューティサイクル動作に対する、一次巻線L1を通る電流、二次巻線L2を通る電流、およびMOSFET M1の電圧VM1を例示する。実際の負荷電流は、最小電流負荷抵抗器R1によって設定された最小電流より下であると仮定され得る。
時間T1において、MOSFET M1は、一次巻線L1を充電するためにオンになり、ランピング電流が巻線L1において流れるようにする。MOSFET M2は、この時、オフである。
可変または固定の時間の後に(時間T2において)、MOSFET M1が止まり、MOSFET M2がオンになる。これは、最小デューティサイクルにおいて可能である。これは、一次巻線L1内の電流を停止させ、かつ二次巻線L2を通る電流が減少するようにすると同時に、出力キャパシターC1を充電し、かつ電流を負荷に提供する。MOSFET M1の電圧は、出力電圧VOUTに関連し、この時間中、回路14によってサンプリングされる。この軽負荷状況中、キャパシターC1に供給された電流は、ツェナーダイオードD3のアバランシェ電圧を超えてVOUTを増大させ、VOUTをその値に固定し得る。
時間T3の後に、二次巻線L2の電流は、0まで減少し、MOSFET M2は、断続モードを引き起こすためにオフになる。MOSFET M2は、MOSFET M2の電圧を検出することによって巻線L2を通るわずかの電流の反転を検出する回路によってオフにされ得る。
時間T3において、MOSFET M1の寄生キャパシタンスおよび巻線L1のインダクタンスは、共振するタンク回路を生成する。
時間T4において、MOSFET M1は、再びオンになり、最小デューティサイクルであり得るサイクルが繰り返す。
さまざまなコンバータ回路のさらなる詳細は、米国特許第5,481,178号、第6,127,815号、第6,304,066号、および第6,307,356号において説明されている。上記文献は、本譲受人に譲渡されており、参照することによって本明細書において援用される。
コンバータ10の中間−高電流モードの間に、断続動作がない場合もあり、コンバータ10は、出力電圧を調整するために、可変デューティサイクルを用いて固定周波数において動作し得る。このような動作は、従来的であり得る。
負荷の軽負荷状況(例えば、スタンバイモード)の間に、コンバータ10は、バッテリー寿命をできるだけ延ばすように少ない電流を引き抜くことが重要である。このようなスタンバイモードは、一般的に比較的に長い期間に対して発生する。実際の負荷がそのスタンバイモードである場合に、コンバータ10にVOUTを調整させるための最小電流負荷(例えば、抵抗器R1)を必要としないことが望ましい。最小電流回路を取り除くと同時に、なお、実際の負荷が0または非常に小さい電流を引き抜く場合に実質的な調整を達成することによって、効率が向上され、かつバッテリー寿命が増大される。
(要約)
フライバックコンバータが開示され、フライバックコンバータは、出力電圧VOUTを感知するために一次側感知を使用するが、軽負荷状態中に出力電圧が実質的に調整を超えて増大することを防ぐための最小負荷電流抵抗器またはツェナーダイオードを必要としない。コンバータは、高−中間負荷電流の間に、出力電圧を調整するための任意の技術(例えば、電流モードまたは電圧モード)を使用し得る。
軽負荷電流中、コンバータが断続モード(同期整流器がオフである)で動作すると同時に最小デューティサイクルにおいて動作する場合に、出力電圧が、変圧器の二次側で検出され、出力電圧が調整された電圧を超えたか否かを決定するために閾値電圧と比較される。出力電圧は、コンバータの出力端子において直接に検出され得るかまたは抵抗分割器が使用され得る。一旦出力電圧が閾値を超えたと決定されると、同期整流器は、出力キャパシターをわずかに放電して、出力電圧をほぼ調整された電圧まで低下させるように二次巻線を通して逆電流を引き抜くために、短時間にオンにされる。次に、同期整流器がオフにされると、変圧器内に格納されたエネルギーは、一次巻線において電力MOSFET(電力MOSFETがオフである)のドレイン−ボディーダイオードを通って減少する電流を引き起こす。従って、過剰エネルギーは、浪費されるのではなく、電源(例えば、バッテリー)において再利用される。言い換えると、過剰電力は、コンバータの出力側から入力側へ転送される。従って、最小負荷電流抵抗器またはツェナーダイオードが必要とされず、コンバータは、軽負荷電流において図1の従来技術のコンバータよりはるかに効率的である。
調整を制御するために、一時側感知が発生することに対して十分な時間があることを確保するために、タイマーは、同期整流器が再びオンに循環される前に十分な時間オフであったことを検出するために利用され得る。
一実施形態において、同期整流器は、出力電圧を閾値より下に低下させるために、十分に長くオンにされる。別の実施形態において、同期整流器は、出力電圧が閾値より上のままである場合に、リップルを減少させるために、複数回オンおよびオフを循環され得る。
次のコンバータスイッチングサイクルの開始において、一次巻線を充電するために、最小デューティサイクルにおいて電力スイッチがオンにされ、サイクルは、負荷がそのスタンバイモードの外へ出るまで繰り返す。その後、コンバータは、通常に動作する。
本発明は、一次側感知回路のすべてに関連して使用され、かつ、任意の適切な動作モード(例えば、電流モード、電圧モード、バースターモード等)を用いて使用され得る。
開示された実施形態が、MOSFETスイッチのドレインにおいて電圧を検出することによって一次側感知を利用するが、一次側感知は、入力側の補助巻線の電流を検出することによるものでもあり得、ここで、電圧は、二次巻線の電圧に関連する。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
低電流負荷を有するフライバックコンバータを動作させる方法であって、該コンバータは、一次巻線と二次巻線とを有する変圧器を有し、該一次巻線は、電源と第1のトランジスタとに連結されており、該第1のトランジスタは、該第1のトランジスタがオンである場合に、該一次巻線を通して電流を伝導し、該二次巻線は、第2のトランジスタに連結されており、該第2のトランジスタは、該第2のトランジスタがオンである場合に、該二次巻線を通して電流を伝導し、該コンバータは、一次側感知を用いて該コンバータの出力電圧を周期的に感知するための最小デューティサイクルを有し、該コンバータは、出力キャパシターを有し、該方法は、
該一次巻線を通る電流を引き抜くために、該最小デューティサイクルにおいて第1の時間間隔に対して該第1のトランジスタをオンにすることと、
該出力キャパシターを充電するように該二次巻線を通る電流を引き抜くために、該第1のトランジスタがオフになった後に該第2のトランジスタをオンにすることと、
該低電流負荷から生じるオーバー電圧状態を検出するために、ある閾値によって該出力電圧が所定の調整された電圧を超えたか否かを決定することと、
該オーバー電圧状態が検出された場合に、該出力電圧を減少させるように該二次巻線を通して逆電流を伝導するために、第2の時間間隔に対して該第2のトランジスタをオンにすることと、
該第2の時間間隔の後に、該第2のトランジスタをオフにすることにより、該二次巻線における電流の流れを停止させ、かつ電流が該一次巻線において流れ、該電源の中へ流れるようにすることであって、それにより、過剰電力が、該変圧器の二次側から該変圧器の一次側へ転送され、低負荷電流状態中の該オーバー電圧を減少させる、ことと
を含む、方法。
(項目2)
上記第2の時間間隔は、所定の固定時間間隔である、上記項目に記載の方法。
(項目3)
上記第2の時間間隔は、上記出力電圧を上記閾値より下に減少させるために必要とされる可変時間間隔である、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目4)
上記第2のトランジスタは、上記第1のトランジスタがオンにされる前に、複数回オンおよびオフにされる、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目5)
上記出力電圧を調整するためのフィードバック信号を提供するために、上記変圧器の一次側において該出力電圧を表す電圧を感知することと、
調整された電圧に該出力電圧を維持するために、上記低負荷電流より大きい電流を引き抜く負荷に対して、上記第1のトランジスタの上記デューティサイクルを制御することと、
該低負荷電流以下の電流を引き抜く負荷に対して、上記最小デューティサイクルにおいて該第1のトランジスタを切り替えることと
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目6)
上記第1のトランジスタは、ドレイン−ボディーダイオードを有する第1のMOSFETであり、上記第2のトランジスタが上記第2の時間間隔の後にオフになった場合に、該ドレイン−ボディーダイオードは、上記一次巻線を通して電流を伝導する、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目7)
上記一次側感知は、上記一次巻線の末端において電圧を感知することを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目8)
上記第2のトランジスタをオフにすることにより、上記二次巻線における電流の流れを停止させ、かつ電流が上記一次巻線において流れるようにするステップは、上記第1のトランジスタをオンにすることなしに発生する、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目9)
上記出力キャパシターを充電するように上記二次巻線を通る電流を引き抜くために、上記第1のトランジスタがオフになった後に上記第2のトランジスタをオンにするステップの後に、上記方法は、断続モードを引き起こすために、該二次巻線を通る電流がほぼ0まで低下した場合に、該第2のトランジスタをオフにすることをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目10)
上記第2のトランジスタが上記第2の時間間隔に対してオンにされることを可能にする前に、該第2のトランジスタが所定の期間に対してオフにされていることを感知することをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目11)
上記第2の時間間隔は、該第2の時間間隔の後まで断続モードがないように、上記二次巻線を通る電流がほぼ0に低下した直後に発生する、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目12)
フライバックコンバータであって、該フライバックコンバータは、
一次巻線と二次巻線とを有する変圧器であって、該一次巻線は、電源に連結されている、変圧器と、
該一次巻線に連結された第1のトランジスタであって、該第1のトランジスタは、該第1のトランジスタがオンである場合に、該一次巻線を通して電流を伝導する、第1のトランジスタと、
第2のトランジスタであって、該第2のトランジスタは、該第2のトランジスタがオンである場合に、該二次巻線を通して電流を伝導する、第2のトランジスタと、
該第1のトランジスタに連結された調整器であって、該調整器は、該コンバータの出力電圧を調整するために該第1のトランジスタのデューティサイクルを制御し、該調整器は、該第1のトランジスタが最小デューティサイクルを有するように制御するために構成されている、調整器と、
該変圧器に連結された出力電圧センサー回路であって、該出力電圧センサー回路は、一次側感知を用いて該コンバータの出力電圧を感知する、出力電圧センサー回路と、
該コンバータの出力端子に連結された出力キャパシターと、
該第2のトランジスタに連結された同期整流器コントローラであって、該同期整流器コントローラは、該第2のトランジスタがオンまたはオフであるように制御する、同期整流器コントローラと、
比較器であって、該比較器は、該コンバータの該出力電圧に対応する電圧を受け取るように連結された1つの入力と、該コンバータの調整された電圧を越える閾値電圧を示す参照電圧に接続された別の入力とを有し、該比較器のトリガーは、オーバー電圧状態を表す、比較器と、
該同期整流器コントローラを制御するために連結されている該比較器の出力であって、該同期整流器コントローラは、オーバー電圧状態が検出されると、該オーバー電圧状態を軽減するように該コンバータの該出力電圧を減少させるために、該二次巻線を通して逆電流を伝導する時間間隔に対して該第2のトランジスタをオンにする、該比較器の出力と、
該一次巻線に連結されたダイオードであって、該ダイオードは、該時間間隔の後に、該第1のトランジスタをオンにすることなしに該一次巻線を通して電流を伝導し、それにより、該オーバー電圧状態を軽減する間、電力が、該変圧器の二次側から該電源へ転送される、ダイオードと
を含む、コンバータ。
(項目13)
上記第1のトランジスタは、MOSFETであり、上記ダイオードは、該MOSFETのドレイン−ボディーダイオードである、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(項目14)
上記比較器と上記同期整流器コントローラとの間に連結された論理回路をさらに含む、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(項目15)
上記第2のトランジスタが閾値期間に対してオフになっていることを検出するタイマー回路をさらに含み、該第2のトランジスタが該閾値期間に対してオフになっていたことを検出した場合に、該タイマー回路は、上記オーバー電圧状態中の上記時間間隔に対して該第2のトランジスタをオンにするように上記論理回路を制御する、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(項目16)
上記第2のトランジスタが上記逆電流を伝導するようにオンである上記時間間隔は、固定時間間隔である、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(項目17)
上記第2のトランジスタが上記逆電流を伝導するようにオンである上記時間間隔は、上記出力電圧を上記閾値電圧より下に減少させるために必要とされる可変時間間隔である、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(項目18)
上記一次側感知は、上記一次巻線と上記第1のトランジスタとの間のノードにおける電圧を検出する、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(項目19)
上記調整器は、上記オーバー電圧状態中、上記最小デューティサイクルにおいて上記第1のトランジスタを制御するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(項目20)
上記同期整流器は、上記コンバータの断続モードを生成するために、上記二次巻線を通る電流が0である大よその時において上記第2のトランジスタをオフにするようにも構成されており、上記比較器の上記出力は、上記同期整流器コントローラを制御するために連結されており、該同期整流器コントローラは、上記オーバー電圧状態を軽減するために該コンバータの上記出力電圧を減少させるように、該断続モード後の期間に対して該第2のトランジスタをオンにし、該二次巻線を通して上記逆電流を伝導する、上記項目のいずれかに記載のコンバータ。
(摘要)
フライバックコンバータは、調整フィードバックのために、出力電圧を感知するための一次側感知を使用する。このような感知は、たとえ非常に軽負荷電流を有しても所定の最小デューティサイクルを必要とする。それ故、このような最小デューティサイクルは、オーバー電圧状態を生成し得る。フライバック位相において、軽負荷電流における電力スイッチの最小デューティサイクルの後に、同期整流器は、断続モードを生成するために、二次巻線を通る電流が0まで低下する大よその時にオフになる。オーバー電圧であると検出される場合に、同期整流器は、二次巻線を通して逆電流を引き抜くために、短い時間間隔に対してオンにされる。同期整流器が止まった場合、電流は、ドレイン−ボディーダイオードを介して一次巻線を通して流れる一方、電力スイッチはオフである。それ故、過剰電力は、オーバー電圧を減少させるために、二次側から電源へ転送され、従って、過剰電力が浪費されない。
図1は、従来技術のフライバックコンバータを例示する。 図2は、コンバータが軽負荷電流を提供する場合に、図1の変圧器の巻線を通る電流だけではなく、電力スイッチの電圧も例示する。 図3は、コンバータが軽負荷電流を提供するか、または負荷電流を提供しない場合に、オーバー電圧状態を防ぐように同期整流器を循環するための本発明を利用するフライバックコンバータを例示する。 図4は、コンバータが軽負荷電流を提供するか、または負荷電流を提供しない場合に、図3の変圧器の巻線を通る電流だけではなく、電力スイッチの電圧も例示する。 図5は、本発明の使用中に発生するさまざまなイベントを識別するフローチャートである。
同じまたは同等である構成要素は、同じ数字を用いてラベル付けされる。
図3は、出力電圧VOUTの一次側検出を用いる多くのタイプのうちの任意のフライバックコンバータを表す。本発明が軽負荷電流状態の間のコンバータの動作のみに関連するので、コンバータが断続モードにおいて動作し、かつオーバー電圧が発生する場合に、フライバックコンバータの任意の従来局面が、中間−高負荷電流に対して使用され得る。このような従来の回路網が周知であり、さまざまなタイプ(例えば、電流モード、電圧モード、可変周波数、固定周波数等)があるので、このような従来の回路網を詳細に説明する必要はない。図1のコンバータ10の従来局面の説明は、図3のコンバータ20に適用される。
中間−高負荷電流動作のために、コンバータ20は、一次巻線L1を充電するようにMOSFET M1を周期的にオンにする。MOSFET M1のオンの時間は、VOUTに関連付けられたMOSFET M1のドレインにおけるフィードバック電圧に依存し、フィードバック電圧は、同期整流器MOSFET M2がオンであり、電流が二次巻線L2を通って流れていた時間においてサンプリングされたものである。フィードバック電圧は、エラー増幅器によって参照電圧と比較される値を、抵抗器RFBおよびRREFを用いて生成するために使用される。エラー増幅器によって生成されたエラー信号は、サイクル中にMOSFET M1がオンである時間を設定する(すなわち、デューティサイクルを設定する)。これは、従来的であり得る。
一実施形態において、コンバータ20は、電圧モードタイプであり、ここで、出力調整および制御回路14は、エラー信号を鋸歯状の波形と比較する。それらが交差する場合に、中間−高電流負荷に対して、MOSFET M1は、正確に電圧を調整することが必要とされるデューティサイクルを確立するようにオフにされる。
コンバータ20が電流モードタイプである場合に、MOSFET M1は、MOSFET M1を通るランピング電流信号がエラー信号と交差するまでオンのままである。
調整は、出力電圧を検出するために、入力側の補助巻線を用いることを含む任意の他のタイプの一次側感知を使用し得る。
MOSFET M1がオフになる場合に、MOSFET M2は、オンになる。多くの従来技術は、MOSFET M2をオンにするときを感知するために使用され得る。一実施形態において、同期スイッチ制御24が、MOSFET M2の電圧を検出する。MOSFET M1がオフに切り替えられると、MOSFET M2の電圧は、負になり(ドレイン電圧がグラウンドより低い)、この感知された電圧反転は、同期スイッチ制御回路24がMOSFET M2をオンにするようにする。二次巻線L2電流が0まで減少すると、ドレイン電圧は上昇し、同期スイッチ制御回路24がMOSFET M2をオフにするようにする。MOSFET M1およびM2がオンおよびオフになる各サイクルと共に、電流パルスが、出力に提供され、出力は、DC調整された出力電圧VOUTを生成するために、キャパシターC1によって平坦化される。
さまざまな他の従来方式も、ダイオードをエミュレートするように、MOSFET M2がオンおよびオフになることを制御するために使用され得る。
調整方式は、可変周波数タイプまたは固定周波数タイプであり得る。
図5は、軽負荷、最小デューティサイクルモードにおいてコンバータ20によって実行されるさまざまなステップを説明するフローチャートであり、それらのステップは、以下の説明において参照される。
一次側感知に対して、MOSFETは、VOUTを検出するために、一次巻線L1の電圧を生成することをトリガーしなければならない。軽負荷において、非常に少ない電流が引き抜かれ得るかまたは引き抜かれる電流がない場合があり、なおコンバータ20は、依然に、VOUTを検出するために周期的最小デューティサイクルを実行し得る(図5のステップ30)。軽負荷は、負荷がスタンバイモードに進入することによって引き起こされ得る(図5のステップ32)。この場合において、最小デューティサイクルは、要求された負荷電流に対して大きすぎ、VOUTは、所望の調整された値より上に上昇する(図5のステップ34および36)。
図4は、一次巻線L1および二次巻線L2の電流だけではなく、本発明に従う軽負荷状態の間のMOSFET M1の電圧も例示する。
時間T1において、MOSFET M1は、オンになり、MOSFET M1は、固定周波数タイプの動作のためのクロックの制御の下にあり得る。これは、一次巻線L1を通して流れるランピング電流を生じる。
(最小デューティサイクルに対する)最小時間の後に、時間T2において、MOSFET M1がオフにされる。このような最小時間は、出力調整および制御回路14のタイマーによって設定され、出力調整および制御回路14は、所定の最小時間の前にMOSFET M1がオフにされることを防ぐ。このような回路網は、従来的である。
時間T2において同期スイッチ制御回路24は、二次巻線L2の電圧の反転を検出し、MOSFET M2をオンにする。これは、二次巻線L2を通って減少する電流を生成し、減少する電流は、軽負荷要求のために、所望の調整されたVOUTレベルより上にキャパシターC1を充電する。
時間T3において、二次巻線L2電流は、0まで減少している。同期スイッチ制御回路24は、ドレイン電圧においてわずかの上昇を検出し、MOSFET M2をオフにし、断続モードを生成する(図5のステップ40)。MOSFET M2がオフにされなかった場合、逆電流は、二次巻線L2を通って流れたであろう。従来の回路は、二次巻線L2の電流の反転の発生を検出し、かつMOSFET M2をオフに切り替えるために使用され得、これは、二次巻線L2の実際の電流反転の直前または直後に発生し得る。
時間T2とT3との間に、VOUTは、次のサイクル中のMOSFET M1のデューティサイクルを決定するために、出力調整および制御回路14によってサンプリングされ得る。必ずしも必要とされないが、二次巻線L2を通る電流が0である大よその時において発生するようにサンプリングすることは、従来的である。軽負荷電流の間、デューティサイクルは、所定の最小デューティサイクルである。
比較器42は、VOUTまたはVOUTに比例する電圧(例えば、抵抗器分割電圧)を受け取り、それを所望の調整された電圧のわずか上の参照電圧Vrefと比較する。Verfは、VOUT×1.05と等しいものであり得る。
同じ時間において、タイマー44は、MOSFET M2が、VOUTが一次側でサンプリングされていることを確保するために、最小量の時間でオフになっていることを検出する。タイマー44がいくつかの場合において必要がない場合(例えば、二次巻線L2を通る電流が0である前にサンプリングが発生する場合)があるので、それは任意的である。オーバー電圧が検出され、かつ、タイマー44が、MOSFET M2が十分な量の時間オフであったことを検出した場合(図5のステップ46)、論理回路48は、時間T4において、二次巻線L2を通して逆電流を伝導するために、同期スイッチ制御回路24がMOSFET M2をオンにするようにトリガーする(図5のステップ50)。このオンになる時間は、固定時間であり得るかまたは比較器42をトリガーするようにVOUTを十分に低下させるための時間に対して発生し得る。オンになる時間が固定時間である場合、MOSFET M2をオンおよびオフにする複数のサイクルが、リップルを最小にするようにVOUTを低下させるために使用され得る。
MOSFET M2がオンである時間の間に(時間T4とT5との間に)、電圧は、二次巻線L2の電圧に関連して、MOSFET M1を横断する。
時間T5において、MOSFET M2がオフにされ、一次巻線L1の電圧の反転を引き起こす。時間T5とT6との間に示されるように、これは、MOSFET M1のドレイン−ボディーダイオードD1が伝導するようにし、時間T5とT6との間に一次巻線L1を通る電流を引き抜く(図5のステップ52)。このような電流は、バッテリー供給VIN内に流れ、従って電力が浪費されない。従って、過剰電力は、軽負荷においてコンバータ20の効率を向上させるために、二次側から一次側へ転送され、オーバー電圧を軽減するための最小負荷電流抵抗器またはツェナーダイオードは必要とされない(図5のステップ54)。いくつかの場合において、MOSFET M1は、ダイオードD1が伝導する時間の間(例えば、新しい充電するサイクルがクロックパルスに応じて開始する場合に)オンになり得る。
両方のMOSFETがオフである時間において、タンク回路が生成され、MOSFET M1の振動を引き起こす。
別の実施形態において、時間T5〜T6の間に一次巻線L1を通して電流を伝導するドレイン−ボディーダイオードD1の代わりに、逆電流の時間間隔の後に、一次巻線L1における電圧の変動を感知する感知回路が、加えられ、過剰電力を電源内に伝導するために、MOSFET M1をオンにし得る。回路14は、通常、クロックサイクルの開始においてMOSFET M1をオンのみであるので、このようなMOSFET M1の制御は、出力調整および制御回路14とは無関係であり得る。このような技術は、電力スイッチが一次巻線L1とグラウンドとの間に固有ダイオードを含まない場合に有用であり得る。
なお別の実施形態において、比較器42は、出力電圧が所望の調整された電圧より大きいことを検出し、出力電圧がVrefより下に減少させることが要求される限り、MOSFET M2のオン状態を保つ。例えば、図4に対して、時間T3において、同期スイッチ制御回路24、比較器42、および論理48は、最初に断続モードに進入せず、二次巻線L2を通して逆電流を伝導し、出力電圧をVrefより下に低下させるために、MOSFET M2のオン状態を保つように動作する。一旦比較器42が、出力電圧がVrefより下に低下したことを検出すると、比較器42は、MOSFET M2にオフにさせるようにトリガーし、断続モードを引き起こす。別の実施形態において、断続モードは、二次巻線L2を通る電流が0まで低下した後の任意の期間(0を含む)であり得る。比較器42は、ヒステリシスを有し得る。
本発明は、コンバータ20の固定周波数動作の間に、またはMOSFET M1が固定周波数においてオンにされない動作の特定の軽負荷モードの間に使用され得る。
MOSFETは、代わりに、二極性トランジスタであり得る。
当業者は、過度の実験をせず、かつ従来の回路技術を用いて多くの方法でさまざまな機能ブロックを設計し得る。
本発明の特定の実施形態が示され、かつ説明されたが、変化および変更が本発明のより広い局面において本発明から逸脱することなしに加えられ得ることは当業者にとって明白である。添付された請求項は、本発明の真の精神および範囲内にあるようなこれらの変化および変更のすべてをその範囲内に含む。

Claims (20)

  1. 低電流負荷を有するフライバックコンバータを動作させる方法であって、該コンバータは、一次巻線と二次巻線とを有する変圧器を有し、該一次巻線は、電源と第1のトランジスタとに連結されており、該第1のトランジスタは、該第1のトランジスタがオンである場合に、該一次巻線を通して電流を伝導し、該二次巻線は、第2のトランジスタに連結されており、該第2のトランジスタは、該第2のトランジスタがオンである場合に、該二次巻線を通して電流を伝導し、該コンバータは、一次側感知を用いて該コンバータの出力電圧を周期的に感知するための最小デューティサイクルを有し、該コンバータは、出力キャパシターを有し、該方法は、
    該一次巻線を通る電流を引き抜くために、該最小デューティサイクルにおいて第1の時間間隔に対して該第1のトランジスタをオンにすることと、
    該出力キャパシターを充電するように該二次巻線を通る電流を引き抜くために、該第1のトランジスタがオフになった後に該第2のトランジスタをオンにすることと、
    該低電流負荷から生じるオーバー電圧状態を検出するために、ある閾値によって該出力電圧が所定の調整された電圧を超えたか否かを決定することと、
    該オーバー電圧状態が検出された場合に、該出力電圧を減少させるように該二次巻線を通して逆電流を伝導するために、第2の時間間隔に対して該第2のトランジスタをオンにすることと、
    該第2の時間間隔の後に、該第2のトランジスタをオフにすることにより、該二次巻線における電流の流れを停止させ、かつ電流が該一次巻線において流れ、該電源の中へ流れるようにすることであって、それにより、過剰電力が、該変圧器の二次側から該変圧器の一次側へ転送され、低負荷電流状態中の該オーバー電圧を減少させる、ことと
    を含む、方法。
  2. 前記第2の時間間隔は、所定の固定時間間隔である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第2の時間間隔は、前記出力電圧を前記閾値より下に減少させるために必要とされる可変時間間隔である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記第2のトランジスタは、前記第1のトランジスタがオンにされる前に、複数回オンおよびオフにされる、請求項1に記載の方法。
  5. 前記出力電圧を調整するためのフィードバック信号を提供するために、前記変圧器の一次側において該出力電圧を表す電圧を感知することと、
    調整された電圧に該出力電圧を維持するために、前記低負荷電流より大きい電流を引き抜く負荷に対して、前記第1のトランジスタの前記デューティサイクルを制御することと、
    該低負荷電流以下の電流を引き抜く負荷に対して、前記最小デューティサイクルにおいて該第1のトランジスタを切り替えることと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  6. 前記第1のトランジスタは、ドレイン−ボディーダイオードを有する第1のMOSFETであり、前記第2のトランジスタが前記第2の時間間隔の後にオフになった場合に、該ドレイン−ボディーダイオードは、前記一次巻線を通して電流を伝導する、請求項1に記載の方法。
  7. 前記一次側感知は、前記一次巻線の末端において電圧を感知することを含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記第2のトランジスタをオフにすることにより、前記二次巻線における電流の流れを停止させ、かつ電流が前記一次巻線において流れるようにするステップは、前記第1のトランジスタをオンにすることなしに発生する、請求項1に記載の方法。
  9. 前記出力キャパシターを充電するように前記二次巻線を通る電流を引き抜くために、前記第1のトランジスタがオフになった後に前記第2のトランジスタをオンにするステップの後に、前記方法は、断続モードを引き起こすために、該二次巻線を通る電流がほぼ0まで低下した場合に、該第2のトランジスタをオフにすることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  10. 前記第2のトランジスタが前記第2の時間間隔に対してオンにされることを可能にする前に、該第2のトランジスタが所定の期間に対してオフにされていることを感知することをさらに含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第2の時間間隔は、該第2の時間間隔の後まで断続モードがないように、前記二次巻線を通る電流がほぼ0に低下した直後に発生する、請求項1に記載の方法。
  12. フライバックコンバータであって、該フライバックコンバータは、
    一次巻線と二次巻線とを有する変圧器であって、該一次巻線は、電源に連結されている、変圧器と、
    該一次巻線に連結された第1のトランジスタであって、該第1のトランジスタは、該第1のトランジスタがオンである場合に、該一次巻線を通して電流を伝導する、第1のトランジスタと、
    第2のトランジスタであって、該第2のトランジスタは、該第2のトランジスタがオンである場合に、該二次巻線を通して電流を伝導する、第2のトランジスタと、
    該第1のトランジスタに連結された調整器であって、該調整器は、該コンバータの出力電圧を調整するために該第1のトランジスタのデューティサイクルを制御し、該調整器は、該第1のトランジスタが最小デューティサイクルを有するように制御するために構成されている、調整器と、
    該変圧器に連結された出力電圧センサー回路であって、該出力電圧センサー回路は、一次側感知を用いて該コンバータの出力電圧を感知する、出力電圧センサー回路と、
    該コンバータの出力端子に連結された出力キャパシターと、
    該第2のトランジスタに連結された同期整流器コントローラであって、該同期整流器コントローラは、該第2のトランジスタがオンまたはオフであるように制御する、同期整流器コントローラと、
    比較器であって、該比較器は、該コンバータの該出力電圧に対応する電圧を受け取るように連結された1つの入力と、該コンバータの調整された電圧を越える閾値電圧を示す参照電圧に接続された別の入力とを有し、該比較器のトリガーは、オーバー電圧状態を表す、比較器と、
    該同期整流器コントローラを制御するために連結されている該比較器の出力であって、該同期整流器コントローラは、オーバー電圧状態が検出されると、該オーバー電圧状態を軽減するように該コンバータの該出力電圧を減少させるために、該二次巻線を通して逆電流を伝導する時間間隔に対して該第2のトランジスタをオンにする、該比較器の出力と、
    該一次巻線に連結されたダイオードであって、該ダイオードは、該時間間隔の後に、該第1のトランジスタをオンにすることなしに該一次巻線を通して電流を伝導し、それにより、該オーバー電圧状態を軽減する間、電力が、該変圧器の二次側から該電源へ転送される、ダイオードと
    を含む、コンバータ。
  13. 前記第1のトランジスタは、MOSFETであり、前記ダイオードは、該MOSFETのドレイン−ボディーダイオードである、請求項12に記載のコンバータ。
  14. 前記比較器と前記同期整流器コントローラとの間に連結された論理回路をさらに含む、請求項12に記載のコンバータ。
  15. 前記第2のトランジスタが閾値期間に対してオフになっていることを検出するタイマー回路をさらに含み、該第2のトランジスタが該閾値期間に対してオフになっていたことを検出した場合に、該タイマー回路は、前記オーバー電圧状態中の前記時間間隔に対して該第2のトランジスタをオンにするように前記論理回路を制御する、請求項14に記載のコンバータ。
  16. 前記第2のトランジスタが前記逆電流を伝導するようにオンである前記時間間隔は、固定時間間隔である、請求項12に記載のコンバータ。
  17. 前記第2のトランジスタが前記逆電流を伝導するようにオンである前記時間間隔は、前記出力電圧を前記閾値電圧より下に減少させるために必要とされる可変時間間隔である、請求項12に記載のコンバータ。
  18. 前記一次側感知は、前記一次巻線と前記第1のトランジスタとの間のノードにおける電圧を検出する、請求項12に記載のコンバータ。
  19. 前記調整器は、前記オーバー電圧状態中、前記最小デューティサイクルにおいて前記第1のトランジスタを制御するように構成されている、請求項12に記載のコンバータ。
  20. 前記同期整流器は、前記コンバータの断続モードを生成するために、前記二次巻線を通る電流が0である大よその時において前記第2のトランジスタをオフにするようにも構成されており、前記比較器の前記出力は、前記同期整流器コントローラを制御するために連結されており、該同期整流器コントローラは、前記オーバー電圧状態を軽減するために該コンバータの前記出力電圧を減少させるように、該断続モード後の期間に対して該第2のトランジスタをオンにし、該二次巻線を通して前記逆電流を伝導する、請求項12に記載のコンバータ。
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