JP2013169126A - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 同期整流スイッチに逆流電流が流れる状態の発生による不具合を回避しつつ、同期整流スイッチにおける損失を減らし高効率化を図ることができるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】 二次側制御回路に、所定電位の基準電圧を生成する基準電圧回路と、同期整流用スイッチング素子の端子電圧を監視して該素子のオンタイミングを検出するオンタイミング検出回路と、同期整流用スイッチング素子のオフタイミングを検出するオフタイミング検出回路と、オンタイミングに応じて起動され所定の時間を計時するタイマー回路とを設け、タイマー回路が計時動作をしている間は、オフタイミング検出回路へスレッショルド電圧として基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を供給し、タイマー回路が計時動作を停止している間は、オフタイミング検出回路へスレッショルド電圧として基準電圧回路により生成された基準電圧を供給するように構成した。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電力変換用のトランスを備えたスイッチング制御方式の電源装置に関し、例えばトランスの一次側に直列共振回路を備え二次側に同期整流スイッチを設けた電流共振型スイッチング電源装置に利用して有効な技術に関する。
従来、スイッチング電源装置の1つとして、トランスの一次側に直列共振回路を使用した電流共振型コンバータがある。電流共振型コンバータは、トランスの一次側コイルと直列に接続された共振インダクタおよび共振コンデンサを有する直列共振回路と、直流電圧入力端子から直列共振回路に流す電流を制御する一対のスイッチング素子とを備え、該スイッチング素子を共振周波数の近傍の周波数で交互にオン、オフして制御することによって、トランスの一次側コイルに正弦波状の電流を流す。そして、トランスの二次側コイルに誘起された電流をダイオードにより整流しコンデンサで平滑して出力するもので、高効率・低ノイズのスイッチング電源装置として知られている。
ところで、二次側回路に整流用ダイオードを用いた電流共振型コンバータにおいては、整流用ダイオードにおける損失が大きく効率を低下させる原因となる。そこで、例えば特許文献1に記載されているように、二次側回路の整流用ダイオードの代わりに同期整流用のスイッチング素子(MOSFET)を設けるとともに、二次側制御回路によって二次側スイッチング素子の端子電圧を検出し、一次側回路のスイッチング素子のオンタイミングに同期して二次側スイッチング素子をターンオン制御することによって、整流素子における損失を減らし高効率化を図るようにした技術がある。
特開2010−161917号公報
しかしながら、特許文献1に記載されている電流共振型スイッチング電源装置にあっては、二次側の逆流電流を防止する制御を行うために、電気的に絶縁されている一次側回路から二次側回路へ一次側のスイッチング制御信号を伝送している。そのため、この信号の伝送のためにトランス(パルストランス)やフォトカプラが別途必要となり、それによって部品点数が増加し、装置の大型化やコストアップを招くという課題がある。
本発明者らは、図5に示すように、同期整流用のMOSFET(絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ:以下、MOSトランジスタ)Qs1,Qs2のソース・ドレイン間電圧を監視してQs1,Qs2をオン、オフするタイミングを検出して制御し、一次側回路から二次側回路へ制御信号を伝送する必要をなくし、それによってトランス(パルストラン)やフォトカプラを不要にすることを検討した。
同期整流用のMOSトランジスタQs1,Qs2をオン、オフするタイミングは、Qs1,Qs2のソース・ドレイン間電圧が逆転するポイントであり、これを検出するためにQs1,Qs2のソース・ドレイン間電圧と所定の基準電圧(スレッショルド電圧)とを比較するコンパレータを設けることが考えられる。
ところで、同期整流スイッチ(Qs1,Qs2)にMOSトランジスタを使用する場合、オン時は等価的にLR直列回路と見なせ、スイッチ(Qs1,Qs2)の両端電圧は電流に依存した電圧波形となる。電源の方式により電流波形は様々であり、検出される電圧波形も異なる。
図5のような回路の場合、軽負荷時に二次側の同期整流用MOSトランジスタQs1,Qs2に、図6(a)に示すような波形の電流IDが流れる。そして、この電流IDが流れている間、同期整流用MOSトランジスタQs1,Qs2が常にオンしているとすると、このトランジスタのソース・ドレイン間電圧VDSは図6(b)のような波形となる。ここで、通常の負荷時に最適なオフタイミングを検出できるように所定のオフスレッショルドVth_offを設定して、コンパレータによりVDSとVth_offとを比較して、スイッチQs1,Qs2をオフするように設定した場合、軽負荷時には図6に示すように、toff1とtoff2の二か所にオフタイミングが存在する。
そのため、この場合、トランジスタQs1,Qs2が二か所のオフタイミングを行き来する場合があり、オフタイミングによりトランジスタQs1,Qs2の電圧降下に違いが出ることで、出力電圧出力電圧VOUTを振動させてしまうという不具合がある。また、toff1でオフすると、残りの電流(ハッチングの部分)がMOSトランジスタQs1,Qs2に寄生する基体ダイオードで整流されることになり、損失が大きくなって電力効率が悪化するという不具合もある。なお、図6(b)は、同期整流用MOSトランジスタに順方向の電流(図ではコイルへ向かう電流)が流れる期間の波形のみを示しており、実際は、上記順方向の電流が流れる期間以外は、主スイッチング素子S1,S2のオン、オフの状態が切り替わり、トランス10の極性が反転することにより、同期整流用MOSトランジスタQs1,Qs2のソース・ドレイン間には逆方向電圧が発生するが、説明の簡略化のため省略する。
ところで、図5の電源装置の二次側回路において、図6のタイミングtoff1で同期整流用MOSトランジスタ(同期整流スイッチ)Qs1,Qs2がオフしてしまうのを回避するための工夫として、同期整流スイッチのオン制御回路にタイマーを持たせて、図6(d)に示すように、タイミングt0でタイマーを起動させてタイマー動作中はオフ信号をマスクすることによって、toff1のオフ信号を無視する方法が考えられる(最小オン時間Ton_minの保証)。
しかし、このような方法では、一次側のスイッチ素子が突然停止したり負荷が急に軽くなったりして、図7(a)に示すように同期整流スイッチQs1,Qs2に逆流電流が流れる状態が発生した場合に不具合が発生する。
具体的には、図7(a)のような逆流電流が流れる状態が発生すると、図7(b)に示すようにQs1,Qs2のソース・ドレイン電圧VDSが変化して、図7(c)に示すように、t1でQs1,Qs2のゲートオフ信号VG_OFFがオフ方向へ変化する。しかるに、タイマーの出力(d)でゲートオフ信号をマスクすると、図7(e)に示すように、最小オン時間Ton_minが過ぎるt2までは同期整流スイッチQs1,Qs2がオン状態を維持することとなる。そのため、逆流電流が大きくなるまで同期整流スイッチをオフできず、同期整流スイッチや制御回路の破損を招くおそれがある。
この発明は上記のような背景の下になされたもので、その目的とするところは、電力変換用のトランスを備えたスイッチング制御方式の電源装置において、装置の大型化やコストアップを招くことなくしかも二次側の同期整流スイッチに逆流電流が流れる状態が発生することによる不具合を回避しつつ、同期整流スイッチにおける損失を減らし高効率化を図ることができるようにすることにある。
上記目的を達成するため、この発明は、
電力変換用のトランスと、該トランスの一次側コイルと直列形態に接続された主スイッチング素子と、該主スイッチング素子をオン、オフ制御する一次側制御回路と、前記トランスの二次側コイルと直列形態に接続された同期整流用スイッチング素子と、該同期整流用スイッチング素子をオン、オフ制御する二次側制御回路と、を有するスイッチング電源装置であって、
前記二次側制御回路は、
前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧を監視して該素子のオンタイミングを検出するオンタイミング検出回路と、
前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧とスレッショルド電圧とを比較して該素子のオフタイミングを検出するオフタイミング検出回路と、
を備え、前記同期整流用スイッチング素子のオン時点から所定期間を経過するまでは、前記スレッショルド電圧として所定の基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記所定期間が経過した後、前記同期整流用スイッチング素子が次にオンされるまでは、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成した。
上記した手段によれば、同期整流用スイッチング素子がオンされた直後には、同期整流用スイッチング素子の端子電圧がオフタイミングを検出するためのスレッショルド電圧を超えるようなことがあっても、基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧がスレッショルド電圧としてオフタイミング検出回路へ供給されるため、オン直後に同期整流用スイッチング素子がオフされるのを回避することができ、それによって出力電圧が振動するという不具合が発生するのを防止することができる。
また、同期整流用スイッチング素子がオンされた直後にオフされることで、寄生ダイオードを通して電流が流れて損失が発生するのを回避し、電力効率を高めることができるようになる。
さらに、同期整流用MOSトランジスタをオンさせた後、所定期間の間、スレッショルドレベルを基準電圧にオフセット電圧を加算した電圧に切り替えたとしても、比較的大きな逆流電流が同期整流用MOSトランジスタに流れた場合には、同期整流用MOSトランジスタの端子電圧がスレッショルドレベルを超えるため、逆流状態を検出して同期整流用MOSトランジスタをオフさせることができる。
また、望ましくは、
前記二次側制御回路は、前記同期整流用スイッチング素子がオンされたことに応じて起動され前記所定期間を計時するタイマー回路を備え、
前記タイマー回路が計時動作をしている間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記タイマー回路が計時動作を停止している間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成する。
このようにタイマー回路を設けて、基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧をスレッショルド電圧としてオフタイミング検出回路へ供給する期間を決定することにより、スレッショルド電圧として基準電圧にオフセット電圧を加算した電圧を供給する期間を比較的容易に設定することができる。
さらに、望ましくは、
前記二次側制御回路は、前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧を監視してスイッチング周波数を検出するスイッチング周波数検出回路を備え、
前記タイマー回路は、前記スイッチング周波数検出回路により検出された周波数に応じて、該周波数が高いほど短い計時時間を計時し周波数が低いほど長い計時時間を計時するように構成する。
このようにタイマー回路が計時動作する時間すなわちスレッショルド電圧として基準電圧にオフセット電圧を加算した電圧を供給するシフト期間を、スイッチング周波数検出回路により検出された周波数に応じて可変とすることによって、シフト期間の最適化が可能となり、スイッチング周波数の変動により誤動作が生じるのを回避することができる。
また、望ましくは、
前記二次側制御回路は、負荷状態を判定する負荷判定回路を備え、該負荷判定回路が無負荷状態であると判定している間は、前記タイマー回路の動作状態に関わらず、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成する。
これにより、無負荷状態ではスレッショルド電圧がシフトされなくなるので、無負荷時には早いタイミングで同期整流用スイッチング素子をオフさせることができ、該スイッチング素子に逆方向電流が流れて電力効率が低下するのを防止することができる。
さらに、望ましくは、
前記トランスの一次側には、前記トランスの一次側コイルと直列形態に接続された共振インダクタおよび共振コンデンサを有する直列共振回路と、直流電圧入力端子から前記直列共振回路に流す電流を制御する一対の主スイッチング素子と、該一対の主スイッチング素子を交互にオン、オフ制御する一次側制御回路とが設けられ、
前記トランスの二次側回路は、前記同期整流用スイッチング素子および前記二次側制御回路と、出力電圧を検出して出力電圧に応じたフィードバック信号を生成する出力電圧検出手段と、を備え、
前記フィードバック信号が前記一次側制御回路へ伝達され、前記一次側制御回路は前記フィードバック信号に応じてスイッチング周波数を変化させるように構成する。
このような電流共振型スイッチング電源装置においては、軽負荷時に、同期整流用スイッチング素子がオンした直後にそのスイッチング素子の端子電圧がスレッショルド電圧に達してスイッチング素子がオフされてしまうのを回避することができ、それによって出力電圧が振動するという不具合が発生するのを防止することができる。
本発明によると、電力変換用のトランスを備えたスイッチング制御方式の電源装置において、装置の大型化やコストアップを招くことなくしかも二次側の同期整流スイッチに逆流電流が流れる状態が発生することによる不具合を回避しつつ、同期整流スイッチにおける損失を減らし高効率化を図ることができるようになるという効果がある。
本発明を適用した電流共振型スイッチング電源装置の一実施形態を示す回路構成図である。 実施形態の電流共振型スイッチング電源装置における通常動作時の二次側の同期整流用スイッチング素子(MOSトランジスタ)のドレイン電流とソース・ドレイン間電圧およびゲートオフ信号の変化の様子を示す波形図である。 実施形態の電流共振型スイッチング電源装置における無負荷時の二次側の同期整流用スイッチング素子(MOSトランジスタ)のドレイン電流とソース・ドレイン間電圧およびゲートオフ信号の変化の様子を示す波形図である。 本発明を適用して有効なフライバック型スイッチング電源装置における二次側の同期整流用スイッチング素子(MOSトランジスタ)のドレイン電流とソース・ドレイン間電圧およびゲートオフ信号の変化の様子を示す波形図である。 従来の電流共振型スイッチング電源装置の一構成例を示す回路構成図である。 従来の電流共振型スイッチング電源装置における通常動作時の二次側の同期整流用スイッチング素子(MOSトランジスタ)のドレイン電流とソース・ドレイン間電圧およびゲートオフ信号の変化の様子を示す波形図である。 従来の電流共振型スイッチング電源装置における逆流電流発生時の二次側のスイッチング素子(MOSトランジスタ)のドレイン電流とソース・ドレイン間電圧およびゲートオフ信号、タイマーの出力信号、同期整流用スイッチング素子のゲートオン信号の変化の様子を示す波形図である。 本発明を適用したフライバック型スイッチング電源装置の一実施形態を示す回路構成図である
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、本発明を適用した電流共振型スイッチング電源装置の一実施形態を示す。
この実施形態におけるスイッチング電源装置は、電力変換用のトランス10を備え、該トランス10の一次側にハーフブリッジ型の直列共振回路20を設け、二次側に同期整流スイッチを備えた全波整流回路30を設けた電流共振型スイッチング電源装置として構成されている。
一次側の直列共振回路20は、トランス10の一次側コイルLpと直列に接続された共振インダクタLrおよび共振コンデンサCr備える。また、直列共振回路20は、図示しない直流電圧源(交流電圧を直流電圧にするダイオードブリッジ回路を含む)からの直流電圧が印加される電圧入力端子VINと、接地電位のような基準電位が印加される端子GNDとの間に、直列形態に接続されたNチャネルMOSトランジスタからなる主スイッチング素子S1,S2を備える。また、直列共振回路20は、該主スイッチング素子S1,S2をオン、オフ制御する一次側制御回路21を備え、S1,S2を共振周波数の近傍の周波数で交互にオン、オフすることによって、トランス10の一次側コイルLpに正弦波状の電流を流す。
さらに、この実施例の直列共振回路20は、二次側の回路(誤差アンプ33)からのフィードバック信号を受ける受光用のフォトトランジスタPTを備え、一次側制御回路21はフィードバック信号に応じて主スイッチング素子S1,S2のスイッチング周波数を変化させて、負荷の変動に対応するように構成されている。
一方、二次側の全波整流回路30は、トランス10の二次側の第1コイルLs1と出力端子OUT2との間に接続された同期整流用MOSトランジスタQs1と、二次側の第2コイルLs2と出力端子OUT2との間に接続された同期整流用MOSトランジスタQs2と、Qs1のソース・ドレイン電圧を検出してQs1のオン、オフ制御信号を生成する二次側第1制御回路31と、Qs2のドレイン電圧(ソース・ドレイン電圧)を検出してQs2のオン、オフ制御信号を生成する二次側第2制御回路32と、を備える。
二次側第1制御回路31と二次側第2制御回路32は、それぞれ同期整流用MOSトランジスタQs1とQs2を相補的にオン、オフ制御する。すなわち、一次側制御回路21のスイッチング制御の1周期の前半または後半に二次側第1制御回路31が同期整流用MOSトランジスタQs1をオンさせ、1周期の後半または前半に二次側第2制御回路32が同期整流用MOSトランジスタQs2をオンさせる制御を行う。
また、二次側の全波整流回路30は、出力端子OUT1−OUT2間に接続され出力電圧VOUTを安定化させる平滑コンデンサC0と、出力電圧VOUTを検出してフィードバック用のフォトダイオードPDに出力電圧VOUTの電位に応じた電流を流す誤差アンプ33を備える。出力端子OUT1は、トランス10の二次側コイルの中点(第1コイルLs1と第2コイルLs2との接続ノードNc)に接続されている。
次に、二次側第2制御回路32の詳細について説明する。なお、二次側第1制御回路31は二次側第2制御回路32と同一構成を有し同一の動作をする(タイミングは半周期ずれている)ので、二次側第1制御回路31については図示および説明を省略する。
図1に示されているように、本実施例の二次側第2制御回路32は、同期整流用MOSトランジスタQs2のドレイン電圧を監視してQs2のオンタイミングを検出するコンパレータなどからなるオンタイミング検出回路321と、Qs2のドレイン電圧を監視してスイッチング周波数を検出するスイッチング周波数検出回路322と、Qs2のオンタイミングで起動されて所定時間を計時するタイマー回路323を備える。
上記タイマー回路323は、スイッチング周波数検出回路322からの信号によって、検出された周波数に応じて計時時間を変化させる。具体的には、周波数が低いほどつまり周期が長いほど計時時間を長くし、周波数が高いほど計時時間を短くするように構成されている。タイマー回路323は、アナログ回路でもデジタル回路でも良い。スイッチング周波数検出回路322は、同期整流用MOSトランジスタQs2のドレイン電圧を監視しているので、スイッチング周波数の他にQs2がオンされたタイミングも検出することができる。
また、二次側第2制御回路32は、基準となる電圧Vth_offを生成する基準電圧源324と、同期整流用MOSトランジスタQs2のドレイン電圧と基準電圧Vth_offとを比較してQs2のオフタイミング(ゲートオフ信号VG_OFF)を検出するコンパレータ325と、前記基準となる電圧Vth_offに加算されるオフセット電圧Voffsetを生成する電圧源326とを備える。
さらに、二次側第2制御回路32は、該電圧源326と並列に設けられたスイッチSWと、前記コンパレータ325の出力がリセット端子に入力されオンタイミング検出回路321の出力がセット端子に入力されたRSフリップフロップ327と、例えばQs2のゲート制御信号VGCを監視して負荷LDの状態を判定する負荷判定回路328と、前記タイマー回路323の出力と負荷判定回路328の出力とを入力とするNANDゲート329とを備える。そして、該NANDゲート329の出力によって前記スイッチSWがオン、オフ制御され、スイッチSWがオフ状態にされると、基準電圧Vth_offにオフセット電圧Voffsetを加算した電圧がスレッショルド電圧として前記コンパレータ325へ供給されるように構成されている。
なお、スイッチSWは、NANDゲート329の出力がハイレベルの時にオンし、ロウレベルの時にオフする。
ここで、上記オフセット電圧Voffsetの値は、図2に示す期間Taddにおける電圧VDSのピーク値よりも高くなるように設定される。この値Voffsetは、同期整流用MOSトランジスタQs2のオン抵抗の値とQs2に流れる電流の大きさ(最大電流)の積と、同期整流用MOSトランジスタQs2の寄生インダクタンスとQs2に流れる電流の傾きの積によって決まる。しかし、Qs2に流れる電流は電源装置の方式や構成によって異なるので、所定の数値で一般化することはできない。ただし、Qs2に流れる電流は、出力電圧VOUTの電圧値やトランス10の二次側コイルのインダクタンス、一次側のスイッチング周波数に依存する。従って、オフセット電圧Voffsetの値は、電源装置の構成が決まれば、同期整流用MOSトランジスタQs2のオン抵抗の値、出力電圧VOUTの電圧値、トランス10の二次側コイルのインダクタンス、一次側のスイッチング周波数をパラメータとして決定することができる。
負荷判定回路328は、無負荷状態を検出するもので、無負荷状態になるとその出力が例えばロウレベルに変化してタイマー回路323の出力がハイレベルであってもスイッチSWをオン状態のままとし、基準電圧Vth_offにオフセット電圧Voffsetが加算されないようにする。
なお、負荷が軽くなると同期整流用MOSトランジスタQs2のオフタイミングが早くなるので、この実施例では、負荷判定回路328によってQs2のゲート制御信号VGCのオフタイミングを監視して、負荷の状態を判定するようにしているが、コンパレータ325の出力を監視しても良い。また、これらの信号を監視する代わりに、負荷へ流れる電流を検出するセンス抵抗を設け、該センス抵抗における電圧の降下量を監視して無負荷状態を検出するように構成しても良い。
以下、二次側第2制御回路32の動作について、図2および図3の波形図を用いて説明する。なお、図2は「通常動作時(軽負荷)」の二次側の同期整流用MOSトランジスタQs2のドレイン電流IDとソース・ドレイン間電圧VDSおよびゲートオフ信号VG_OFF(コンパレータ325の出力)の変化の様子を、図3は「無負荷時」の二次側の同期整流用MOSトランジスタQs2のドレイン電流IDとソース・ドレイン間電圧VDSおよびゲートオフ信号VG_OFFの変化の様子を示す。また、図2(a)および図3(a)は、同期整流用MOSトランジスタQs2を連続してオン状態にしたと仮定した場合のQs2におけるドレイン電流IDの変化を示す。なお、負荷判定回路328の出力は、「通常動作時」はハイレベルで、「無負荷時」はロウレベルであるものとする。
本実施例の二次側第2制御回路32は、通常動作時には図2に示すように、トランス10の一次側コイルの印加電圧が反転することにより、トランジスタQs2のソース・ドレイン間電圧VDSが立ち下がるタイミングt0でタイマー回路323が起動される(このとき負荷判定回路328の出力はハイレベルである)。すると、タイマー回路323の出力がロウレベルからハイレベルに変化してスイッチSWがオフされ、図2(b)に破線で示すように、コンパレータ325へ供給されるスレッショルドレベルが、基準電圧Vth_offにオフセット電圧Voffsetを加算した電圧(Vth_off+Voffset)に変化される。
そして、タイマー回路323の計時時間Taddが経過すると、タイマー回路323の出力がハイレベルからロウレベルに変化し、それによってスイッチSWがオン状態にされ、コンパレータ325へ供給されるスレッショルドレベルが、基準電圧Vth_offに切り替えられる。
その結果、図2(b)に実線で示すように、Taddの期間において、Qs2のソース・ドレイン間電圧VDSが上昇してVth_offよりも高くなったとしても、基準電圧Vth_offにオフセット電圧Voffsetを加算した電圧(Vth_off+Voffset)を超えないようになる。そのため、コンパレータ325の出力すなわちQs2のゲートオフ信号VG_OFFは、図2(c)に示すようにタイミングt0−toffの間、ロウレベルのまま変化せず、フリップフロップ327の出力すなわちQs2のゲート制御信号VGCも変化しなくなる。これにより、期間Taddにおける電圧VDSの変化で同期整流用MOSトランジスタQs2が短時間でオフすることによる、損失の発生やVOUTの振動を防止することができる。
また、タイマー回路323の計時時間Taddが経過すると、コンパレータ325へ供給されるスレッショルドレベルが基準電圧Vth_offに切り替えられるため、同期整流用MOSトランジスタQs2をオフしたい本来のタイミングtoffでQs2のゲートオフ信号VG_OFFをハイレベルに変化させて、Qs2をオフさせることができる。
しかも、本実施例では、タイマー回路323の計時時間Taddがスイッチング周波数に応じて変化されるように構成されているため、スイッチング周波数が高くなって図2(b)のソース・ドレイン間電圧VDSの周期が短くなり、オフタイミングtoffが計時時間Taddの中に入ってしまって、所望のタイミングでQs2をオフされなくなる事態が発生するのを回避することができる。
さらに、本実施例では、無負荷時には負荷判定回路328が無負荷状態であることを検出してその出力がロウレベルに変化して、NANDゲート329の出力をハイレベルに固定するため、スイッチSWがオンのままとなる。その結果、図3(b)に破線で示すように、コンパレータ325へ供給されるスレッショルドレベルが基準電圧Vth_offのままにされる。
これにより、本実施例のように、タイマー回路323を設けて一時的にスレッショルドレベルを切り替えるように構成しても、図3(c)に示すように、無負荷時には早いタイミングtoffで同期整流用MOSトランジスタQs2をオフさせることができ、Qs2に逆方向電流が流れて効率が低下するのを防止することができる。なお、図3(a)にはQs2の逆流電流も示されているが、実際にはタイミングtoffでQs2がオフされるので逆流電流は流れず、図3(a)のIDはtoff以降、一点鎖線Bのような電流波形となる。
また、本実施例のように、同期整流用MOSトランジスタQs2をオンさせた後、所定時間Taddの間、スレッショルドレベルを、Vth_offにVoffsetを加算した(Vth_off+Voffset)にシフトしたとしても、Qs2のドレイン電流IDに図7に示すような逆流電流が発生した場合には、Qs2のドレイン電圧VDSが(Vth_off+Voffset)を超えることで逆流電流状態を検出し、Qs2をオフさせることができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば前記実施形態では、二次側回路に全波整流回路を使用しているが、半波整流回路(Qs1と制御回路31がない回路)としてもよい。
また、前記実施形態では、無負荷時にはスレッショルド電圧の切り替えを行わないようにするため、負荷判定回路328を設けているが、この負荷判定回路328は必ずしも設ける必要はなく、負荷判定回路328とNANDゲート329を省略するようにしてもよい。また、前記実施形態では、負荷判定回路328の出力とタイマー回路323の出力との論理積をとるNANDゲート329を設けて、スレッショルド電圧を切り替えるスイッチSWを制御しているが、負荷判定回路328が無負荷状態を検出している間はタイマー回路323が動作しないように構成しても良い。
さらに、前記実施形態では、コンパレータ325に供給されるスレッショルド電圧としてVth_offまたはVth_offにオフセット電圧Voffsetを加算したものを供給するようにしているが、複数の抵抗を直列に接続してなる分圧回路で基準電圧を分圧したものをスレッショルド電圧として供給し、タイマー回路323の出力によって分圧比を切り替えてVth_offまたは(Vth_off+Voffset)に相当する電圧を供給するようにしても良い。
あるいは、Vth_offを生成する第1基準電圧源と、(Vth_off+Voffset)に相当する電圧を生成する第2基準電圧源と、セレクタとを設けておいて、タイマー回路323の出力によってセレクタを切り替えていずれか一方を選択してコンパレータ325に供給するようにしても良い。
また、以上の説明では、本発明を一次側回路に直列共振回路を設けた電流共振型スイッチング電源装置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8に示すように、一次側にコイルと直列のスイッチング素子S0と、該スイッチング素子S0をオン、オフ制御する制御回路21とを設け、一次側コイルに間欠的に電流を流すことによって二次側コイルに誘起されて交流電流を整流する回路を設けたフライバック方式のスイッチング電源装置にも適用することができる。なお、二次側制御回路32は、図1の実施例のものと同じであるので、同一の符号を付して説明は省略する。
ここで、本発明をフライバック方式のスイッチング電源装置に適用した場合の利点について、図4と図8を用いて説明する。図4には、二次側のスイッチング素子の電流IDとソース・ドレイン間電圧VDSおよびゲートオフ信号VG_OFFの変化の様子を示している。
フライバック方式のスイッチング電源装置においては、図4(a),(b)に示すように、同期整流用MOSトランジスタQs3がオンされるタイミングt1の直後に、ドレイン電流IDおよびソース・ドレイン間電圧VDSにリンギングが発生する。そのため、スレッショルド電圧が一定のままであるとVDSのリンギングによりオフタイミングを検出するコンパレータが誤検出するおそれがある。オフタイミングを検出するコンパレータの誤検出により、同期整流用MOSトランジスタQs3のオン期間が短くなり、寄生ダイオードを通して電流が流れる期間が増加し損失が発生する。しかるに、本発明を適用して、基準電圧Vth_offにオフセットVoffsetを加算する回路を設け、図4(b)に破線で示すように、t1後の所定期間Taddだけ、スレッショルド電圧をVth_offから(Vth_off+Voffset)に切り替えることで、VDSのリンギングによりオフタイミングを検出するコンパレータの誤検出を回避することができる。そして、これによって寄生ダイオードを通して電流が流れる期間を抑制し、損失の発生を防止することができる。
10 トランス
20 直列共振回路(一次側回路)
30 全波整流回路(二次側回路)
31 二次側第1制御回路
32 二次側第2制御回路
321 オンタイミング検出回路
322 スイッチング周波数検出回路
323 タイマー回路
324 基準電圧源
325 コンパレータ(オフタイミング検出回路)
326 オフセット用電圧源
328 負荷判定回路
Qs1,Qs2 同期整流用スイッチング素子(MOSトランジスタ)

Claims (5)

  1. 電力変換用のトランスと、該トランスの一次側コイルと直列形態に接続された主スイッチング素子と、該主スイッチング素子をオン、オフ制御する一次側制御回路と、前記トランスの二次側コイルと直列形態に接続された同期整流用スイッチング素子と、該同期整流用スイッチング素子をオン、オフ制御する二次側制御回路と、を有するスイッチング電源装置であって、
    前記二次側制御回路は、
    前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧を監視して該素子のオンタイミングを検出するオンタイミング検出回路と、
    前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧とスレッショルド電圧とを比較して該素子のオフタイミングを検出するオフタイミング検出回路と、
    を備え、前記同期整流用スイッチング素子のオン時点から所定期間を経過するまでは、前記スレッショルド電圧として所定の基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記所定期間が経過した後、前記同期整流用スイッチング素子が次にオンされるまでは、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記二次側制御回路は、
    前記同期整流用スイッチング素子がオンされたことに応じて起動され前記所定期間を計時するタイマー回路を備え、
    前記タイマー回路が計時動作をしている間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記タイマー回路が計時動作を停止している間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給す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. 前記二次側制御回路は、
    前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧を監視してスイッチング周波数を検出するスイッチング周波数検出回路を備え、
    前記タイマー回路は、前記スイッチング周波数検出回路により検出された周波数に応じて、該周波数が高いほど短い計時時間を計時し周波数が低いほど長い計時時間を計時するように構成されてい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. 前記二次側制御回路は、負荷状態を判定する負荷判定回路を備え、該負荷判定回路が無負荷状態であると判定している間は、前記タイマー回路の動作状態に関わらず、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項2または3に記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記トランスの一次側には、前記トランスの一次側コイルと直列形態に接続された共振インダクタおよび共振コンデンサを有する直列共振回路と、直流電圧入力端子から前記直列共振回路に流す電流を制御する一対の主スイッチング素子と、該一対の主スイッチング素子を交互にオン、オフ制御する一次側制御回路とが設けられ、
    前記トランスの二次側回路は、前記同期整流用スイッチング素子および前記二次側制御回路と、出力電圧を検出して出力電圧に応じたフィードバック信号を生成する出力電圧検出手段と、を備え、
    前記フィードバック信号が前記一次側制御回路へ伝達され、前記一次側制御回路は前記フィードバック信号に応じてスイッチング周波数を変化させることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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