JP2016208688A - 電源装置、一次側コントローラおよび電源アダプタ - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い電圧範囲で高効率が得られる電源装置を提供する。【解決手段】電源装置２００は、可変の直流電圧ＶＯＵＴを生成する。トランスＴ１の一次巻線Ｗ１には少なくともひとつのタップＴＰが設けられている。２次側整流回路２１０は二次巻線Ｗ２と接続され、直流電圧ＶＯＵＴを出力する。複数のスイッチングトランジスタＭ１はそれぞれ、一次巻線Ｗ１の一端Ｅ１および少なくともひとつのタップＴＰのうち対応するひとつと接続される。フィードバック回路２２０は、直流電圧ＶＯＵＴに応じた検出電圧ＶＯＵＴＳと基準電圧ＶＲＥＦとの誤差に応じた電流ＩＥＲＲによりフォトカプラ２１２を駆動するシャントレギュレータ２２２を含む。一次側コントローラ２３０は、直流電圧ＶＯＵＴの電圧レベルに応じて、ひとつのスイッチングトランジスタＭ１を選択し、フィードバック信号ＶＦＢにもとづいてスイッチングする。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置およびそれに使用される一次側コントローラに関する。

近年、スマートホンやタブレット端末、ノート型パーソナルコンピュータ、ポータブルオーディオプレイヤ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラをはじめとするさまざまな電子デバイス（以下、単にデバイスと称する）は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）規格等に準拠し、ケーブルを介して給電可能となっている。

特に電池駆動デバイスは、充電可能な二次電池とともに、それを充電するための充電回路を内蔵する。充電回路には、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからＵＳＢケーブルを介して供給された直流電圧にもとづいて二次電池を充電するものが存在する。

現在、モバイル機器に搭載される充電回路は、USB Battery Charging Specificationと呼ばれる規格（以下、ＢＣ規格という）に準拠したものとなっている。ホストアダプタには、いくつかの種類が存在する。ＢＣ revision 1.2規格においては、チャージャの種類として、ＳＤＰ（Standard Downstream Port）、ＤＣＰ（Dedicated Charging Port）、ＣＤＰ（Charging Downstream Port）が定義されている。そしてホストアダプタが供給できる電流（電流容量）は、チャージャの種類に応じて規定されている。具体的には、ＤＣＰ、ＣＤＰでは１５００ｍＡ、ＳＤＰでは、ＵＳＢのバージョンに応じて１００ｍＡ、５００ｍＡ、９００ｍＡのように規定されている。

ＵＳＢを利用した次世代の二次電池充電の方式、システムとして、USB Power Deliveryと呼ばれる規格（以下、ＰＤ規格という）が策定されている。ＰＤ規格では、供給可能な電力がＢＣ規格の７．５Ｗから、最大１００Ｗまで大幅に増大する。具体的にはＰＤ規格では、バス電圧Ｖ_ＢＵＳとして、５Ｖより高い電圧（具体的には１２Ｖ、２０Ｖ）の供給が許容されており、充電電流も、ＢＣ規格よりも大きな量（具体的には、２Ａ、３Ａ、５Ａ）の供給が許容される。

特開２０１０−０７４９５９号公報

このようにバス電圧Ｖ_ＢＵＳが幅広いレンジで切り替わるシステムにおいては、幅広い電圧範囲において高効率を得ることが難しい。たとえばＶ_ＯＵＴ＝２０Ｖで最適設計した電源回路の効率ηは、Ｖ_ＯＵＴ＝２０Ｖで９０％であったとしても、Ｖ_ＯＵＴ＝５Ｖでは７０％程度まで低下する場合もある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、幅広い電圧範囲で高効率が得られる電源装置の提供にある。

本発明のある態様は、可変の直流電圧を生成する電源装置に関する。電源装置は、一次巻線および二次巻線を有し、一次巻線にはＮ個のタップ（Ｎは自然数）が設けられているトランスと、二次巻線と接続され、直流電圧を出力する二次側整流回路と、（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタであり、それぞれが、一次巻線の一端およびＮ個のタップのうち対応するひとつと接続される（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタと、発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、フォトカプラの発光素子と接続され、直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、直流電圧の電圧レベルに応じて、（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタのうち１個を選択し、選択されたスイッチングトランジスタを、フォトカプラの受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号にもとづいてスイッチングする一次側コントローラと、を備える。

トランスの一次巻線のタップの位置を切りかえることにより、トランスの一次巻線の実効的な巻数が変化する。この態様によれば、電源装置の出力レベルに応じて巻線比を最適化でき、幅広い電圧範囲において高効率を得ることができる。「直流電圧に応じて選択する」とは、（i）直接的あるいは間接的に検出した直流電圧に応じて選択すること、（ii）直流電圧の目標レベルに応じて選択することを含む。

ある態様において、トランスは、一次側に補助巻線を有してもよい。電源装置は、補助巻線に流れる電流を整流し、一次側コントローラの電源電圧を生成する一次側整流回路をさらに備えてもよい。一次側コントローラは、電源電圧に応じて（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタのうち１個を選択してもよい。
一次側整流回路により生成される電源電圧は、電源装置の直流出力電圧に比例した電圧レベルを有する。そこで電源電圧を参照することにより、部品を追加せずとも、直流電圧の電圧レベルを間接的にモニタできる。

ある態様において、電源装置は、二次側から一次側に制御信号を送信する制御用のフォトカプラをさらに備えてもよい。一次側コントローラは、制御信号に応じて（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタのうち１個を選択してもよい。

ある態様において、電源装置は、着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する電源アダプタに搭載され、電源装置は、トランスの二次側に設けられ、デバイスの接続の有無を検出するとともに、デバイスに供給すべきバス電圧の電圧レベルを決定するバスコントローラをさらに備えてもよい。

ある態様において、バスコントローラは、基準電圧を切りかえることにより、直流電圧の電圧レベルを切りかえてもよい。

ある態様において、フィードバック回路は、直流電圧を可変の分圧比により分圧し、検出電圧を生成する分圧回路をさらに含んでもよい。バスコントローラは、分圧回路の分圧比を切りかえることにより、直流電圧の電圧レベルを切りかえてもよい。

ある態様において、電源装置はＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠してもよいし、あるいはクイックチャージ規格に準拠してもよい。

本発明の別の態様は、電源アダプタに関する。電源アダプタは、交流電圧を整流する入力整流回路と、入力整流回路の出力電圧を受ける上述のいずれかの電源装置と、を備えてもよい。

ある態様の電源アダプタは、給電対象のデバイスが着脱されるコネクタと、二次側整流回路の出力とコネクタの間に設けられた出力スイッチと、をさらに備えてもよい。

本発明のさらに別の態様は、一次側コントローラに関する。一次側コントローラは、可変の直流電圧を生成する電源装置に使用される。電源装置は、一次側コントローラに加えて、一次巻線および二次巻線を有し、一次巻線には少なくともひとつ（自然数Ｎ個）のタップが設けられているトランスと、二次巻線と接続され、直流電圧を出力する二次側整流回路と、複数（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタであり、それぞれが、一次巻線の一端および少なくともひとつ（Ｎ個）のタップのうち対応するひとつと接続される複数（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタと、発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、フォトカプラの発光素子と接続され、直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、を備える。一次側コントローラは、フォトカプラの受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス変調器と、複数（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタに対応する複数（Ｎ＋１）個のドライバと、電源装置が生成する直流電圧の電圧レベルに応じて、複数（Ｎ＋１）個のドライバのうち１個を選択し、イネーブルとするセレクタと、を備える。

ある態様においてトランスは、一次側に補助巻線を有してもよい。電源装置は、補助巻線に流れる電流を整流し、一次側コントローラの電源電圧を生成する一次側整流回路をさらに備えてもよい。一次側コントローラは、電源電圧を受ける電源端子をさらに備え、セレクタは、電源電圧に応じて前記（Ｎ＋１）個のドライバのうち１個を選択してもよい。

ある態様の電源装置は、着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する電源アダプタに搭載されてもよい。電源装置は、トランスの二次側に設けられ、デバイスの接続の有無を検出するとともに、デバイスに供給すべきバス電圧の電圧レベルを決定するバスコントローラをさらに備えてもよい。

ある態様の電源装置は、二次側から一次側に制御信号を送信する制御用のフォトカプラをさらに備えてもよい。バスコントローラは、バス電圧に応じた制御信号を生成してもよい。セレクタは、フォトカプラを介して受信した制御信号に応じて、（Ｎ＋１）個のドライバのうち１個を選択してもよい。

一次側コントローラは、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を１つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

本発明の別の態様は、電源アダプタに関する。電源アダプタは、交流電圧を整流する入力整流回路と、入力整流回路の出力電圧を受ける電源装置と、を備える。電源装置は、上述のいずれかの一次側コントローラを備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、消費電力を低減できる。

実施の形態に係る電源装置のブロック図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、フィードバック回路の構成例を示す回路図である。 図１の電源装置の動作波形図である。 図１の電源装置の効率を示す図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの一部を示す回路図である。 実施の形態に係る一次側コントローラのブロック図である。 実施の形態に係る電源装置を備える電源アダプタのブロック図である。 図７の電源アダプタの動作波形図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、電源アダプタの外観図である。 第１変形例に係る電源装置のブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る電源装置のブロック図である。電源装置２００は、フライバック型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０２であり、入力電圧Ｖ_ＩＮを受け、直流電圧Ｖ_ＯＵＴを生成する。電源装置２００は、直流電圧Ｖ_ＯＵＴの電圧レベルが、離散的に、あるいは連続的に可変に構成される。

電源装置２００は、トランスＴ１、複数のスイッチングトランジスタＭ１_１〜Ｍ１_２、二次側整流回路２１０、フォトカプラ２１２、フィードバック回路２２０、一次側コントローラ２３０を備える。

トランスＴ１は、一次巻線Ｗ１および二次巻線Ｗ２を有し、一次巻線Ｗ１には少なくともひとつ（Ｎ個）のタップＴＰが設けられている。Ｎは自然数である。本実施の形態においてタップＴＰの個数Ｎ＝１とするが、２以上としてもよい。

二次側整流回路２１０は、二次巻線Ｗ２と接続され、直流電圧Ｖ_ＯＵＴを出力する。二次側整流回路２１０は、ダイオードＤ１および出力キャパシタＣ１を含む。

複数（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタＭ１_１〜Ｍ１_Ｎ＋１はそれぞれ、Ｎ個のタップＴＰあるいは一次巻線Ｗ１の一端Ｅ１のうち対応するひとつと接続される。一次巻線Ｗ１の他端Ｅ２には、入力電圧Ｖ_ＩＮが入力される。

フォトカプラ２１２は、発光素子２１２ａおよび受光素子２１２ｂを含む。フィードバック回路２２０は、シャントレギュレータ２２２および分圧回路２２４を含む。分圧回路２２４は、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を含み、直流電圧Ｖ_ＯＵＴを分圧することにより、検出電圧Ｖ_ＯＵＴＳを生成する。シャントレギュレータ２２２のカソード（Ｋ）は、フォトカプラ２１２と接続され、そのアノード（Ａ）は接地され、入力（ＲＥＦ）には、分圧回路２２４からの検出電圧Ｖ_ＯＵＴＳが入力される。シャントレギュレータ２２２は、フォトカプラ２１２の発光素子２１２ａと接続され、検出電圧Ｖ_ＯＵＴＳとその目標値である基準電圧Ｖ_ＲＥＦとの誤差に応じた電流Ｉ_ＥＲＲにより発光素子２１２ａを駆動する。なおフォトカプラ２１２のバイアス形式や位相補償の形式は特に限定されず、公知技術を用いればよい。

一次側コントローラ２３０は、フォトカプラ２１２の受光素子２１２ｂに流れる電流Ｉ_ＦＢに応じたフィードバック信号Ｖ_ＦＢにもとづいて、複数のスイッチングトランジスタＭ１_１、Ｍ１_２をスイッチングする。

フィードバックにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、以下の電圧レベルに安定化される。
Ｖ_ＯＵＴ＝Ｖ_ＲＥＦ×（１＋Ｒ１１／Ｒ１２） …（１）

上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは可変であり、フィードバック回路２２０は、制御信号ＣＮＴに応じて出力電圧Ｖ_ＯＵＴを変化させる。具体的にはフィードバック回路２２０は、制御信号ＣＮＴに応じて、電流Ｉ_ＥＲＲを可変に構成される。

図２（ａ）、（ｂ）は、フィードバック回路２２０の構成例を示す回路図である。図２（ａ）のフィードバック回路２２０ａは、基準電圧Ｖ_ＲＥＦを変化させることにより、直流電圧Ｖ_ＯＵＴが複数（たとえば２個）の電圧レベルＶ_１、Ｖ_２の間で切りかえ可能である。

具体的にはシャントレギュレータ２２２ａは、トランジスタＭ２、基準電圧源２２６、エラーアンプ２２８を含む。トランジスタＭ２は、カソード（Ｋ）端子とアノード（Ａ）端子の間に設けられる。基準電圧源２２６は可変電圧源であり、制御信号ＣＮＴに応じて可変の基準電圧Ｖ_ＲＥＦを生成する。エラーアンプ２２８の出力は、トランジスタＭ２の制御端子（ベース）と接続され、ＲＥＦ端子の検出電圧Ｖ_ＯＵＴＳと基準電圧Ｖ_ＲＥＦの誤差を増幅する。

図２（ｂ）のフィードバック回路２２０ｂは、式（１）の（１＋Ｒ１１／Ｒ１２）の値を変化させ、直流電圧Ｖ_ＯＵＴを複数の電圧レベルＶ_１、Ｖ_２の間で切りかえる。

図２（ｂ）の分圧回路２２４ｂは、分圧比Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２）が可変に構成される。たとえば抵抗Ｒ１２を制御信号ＣＮＴに応じて抵抗値が切りかえ可能な可変抵抗で構成してもよいし、抵抗Ｒ１１を可変抵抗としてもよい。分圧比は、式（１）の（１＋Ｒ１１／Ｒ１２）の逆数である。

図１に戻る。一次側コントローラ２３０は、直流電圧Ｖ_ＯＵＴの電圧レベルに応じて、（Ｎ＋１）個のスイッチングトランジスタＭ１_１、Ｍ１_２のうち１個を選択し、選択されたスイッチングトランジスタを、フィードバック信号Ｖ_ＦＢにもとづいてスイッチングする。

一例として、直流電圧Ｖ_ＯＵＴが所定のしきい値Ｖ_ＴＨより高い電圧範囲においては、スイッチングトランジスタＭ１_１が選択され、直流電圧Ｖ_ＯＵＴがしきい値Ｖ_ＴＨより低い電圧範囲においては、スイッチングトランジスタＭ１_２が選択される。

以上が電源装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、電源装置２００の動作波形図である。本明細書における波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

図３には、制御信号ＣＮＴ、直流電圧Ｖ_ＯＵＴ、スイッチングトランジスタＭ１_１、Ｍ１_２それぞれのゲート信号ＯＵＴ１、ＯＵＴ２が示される。時刻ｔ０〜ｔ１の間、制御信号ＣＮＴにもとづいて、直流電圧Ｖ_ＯＵＴ１の目標レベルがＶ_１に設定されている。Ｖ_１＜Ｖ_ＴＨであるため、一次側コントローラ２３０はスイッチングトランジスタＭ１_２をスイッチング対象として選択する。この間、ゲート信号ＯＵＴ１はローレベルに固定され、スイッチングトランジスタＭ１_１はオフに固定される。

時刻ｔ１に制御信号ＣＮＴにより、直流電圧Ｖ_ＯＵＴ１の目標レベルがＶ_２に切りかえられる。Ｖ_２＞Ｖ_ＴＨであるため、一次側コントローラ２３０はスイッチングトランジスタＭ１_１をスイッチング対象として選択する。この間、ゲート信号ＯＵＴ２はローレベルに固定され、スイッチングトランジスタＭ１_２はオフに固定される。

以上が電源装置２００の動作である。
タップＴＰで区画される複数の巻線Ｗ１_１〜Ｗ１_２それぞれの巻数をｎ１_１、ｎ１_２とする。スイッチングトランジスタＭ１_１を駆動するとき、一次巻線Ｗ１の実効的な巻数はｎ１_１となり、トランスＴ１の巻線比はｎ１_１：ｎ２となる。スイッチングトランジスタＭ１_２を駆動するとき、一次巻線Ｗ１の実効的な巻数はｎ１_１＋ｎ１_２となり、トランスＴ１の巻線比はｎ１_１＋ｎ１_２：ｎ２となる。

つまり駆動対象のスイッチングトランジスタＭ１を切りかえる、言い換えれば、トランスＴ１の一次巻線Ｗ１のタップＴＰの位置を切りかえることにより、トランスＴ１の実効的な巻線比ｎ１：ｎ２を変化させることができる。したがって、出力電圧Ｖ_ＯＵＴの電圧レンジごとに最適な巻線比が得られるように、タップＴＰ間の巻数ｎ１_１、ｎ１_２を定めることで、幅広い電圧範囲において、高い効率を得ることができる。

図４は、図１の電源装置の効率を示す図である。横軸は直流電圧Ｖ_ＯＵＴを、縦軸は効率ηを示す。出力ＯＵＴ２を選択した場合、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが低い電圧領域において高効率が得られ、出力ＯＵＴ１を選択した場合、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが高い電圧領域における高効率が得られる。２つの特性の交点をしきい値Ｖ_ＴＨとして、ＯＵＴ１とＯＵＴ２を切りかえればよい。

なお従来のコンバータでは、ＯＵＴ１あるいはＯＵＴ２が固定されていたものとみなすことができる。したがって、ある出力電圧Ｖ_ＯＵＴの近傍では高効率が得られるが、そこから逸脱すると破線で示すように効率が著しく悪化する。実施の形態に係る電源装置２００では、破線に比べて効率が改善されていることがわかる。

なお、タップＴＰの個数Ｎを２個、３個、…と増やしていけば、より効率を改善できるが、スイッチングトランジスタの個数が増え、回路が複雑となるためコストが高くなる。したがってタップＴＰの個数Ｎは、コストと、要求される効率を考慮して決定すればよい。

本発明は、図１のブロック図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を容易、明確化するために、より具体的な構成例を説明する。

図５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の一部を示す回路図である。トランスＴ１は、一次側に補助巻線Ｗ３を有する。一次側整流回路２１６は、補助巻線Ｗ３に流れる電流を整流し、一次側コントローラ２３０の電源電圧Ｖ_ＣＣを生成する。一次側コントローラ２３０は、電源電圧Ｖ_ＣＣに応じて複数のスイッチングトランジスタＭ１_１〜Ｍ１_２のうち１個を選択する。

一次側整流回路２１６により生成される電源電圧Ｖ_ＣＣは、電源装置２００の直流出力電圧Ｖ_ＯＵＴに比例した電圧レベルを有する。そこで電源電圧Ｖ_ＤＤを参照することにより、部品を追加せずとも、直流電圧Ｖ_ＯＵＴの電圧レベルを間接的にモニタできる。

図６は、実施の形態に係る一次側コントローラ２３０のブロック図である。一次側コントローラ２３０はひとつの半導体基板に一体集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit
である。一次側コントローラ２３０は、電源（ＶＣＣ）端子、複数の出力（ＯＵＴ１、ＯＵＴ２）端子、フィードバック（ＦＢ）端子、を有する。ＶＣＣ端子には、図５の一次側整流回路２１６により生成される電源電圧Ｖ_ＣＣが供給される。ＦＢ端子には、フォトカプラ２１２の受光素子２１２ｂに流れる電流に応じたフィードバック信号が入力される。複数の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２は、複数のスイッチングトランジスタＭ１_１、Ｍ１_２のゲートと接続される。

一次側コントローラ２３０は、パルス変調器２３２、複数のドライバ２３４、２３６、電圧検出部２３８、セレクタ２４０を備える。

パルス変調器２３２は、フィードバック信号Ｖ_ＦＢに応じたデューティ比を有するパルス信号Ｓ_ＰＷＭを生成する。パルス変調器２３２は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）あるいはパルス周波数変調器（ＰＦＭ）など公知の技術を用いればよい。パルス変調器２３２はたとえば電圧モード制御を行ってもよいし、ピーク電流モード、あるいは平均電流モードの制御を行ってもよい。

複数のドライバ２３４、２３６は、複数のスイッチングトランジスタＭ１_１、Ｍ１_２に対応づけられる。各ドライバ２３４（２３６）は、対応するスイッチングトランジスタＭ１_１（Ｍ１_２）をスイッチングする。

電圧検出部２３８は、ＶＣＣ端子の電源電圧Ｖ_ＣＣを監視し、しきい値Ｖ_ＴＨとの大小関係を判定する。セレクタ２４０は、電圧検出部２３８による判定結果、言い換えれば直流電圧Ｖ_ＯＵＴの電圧レベルに応じて、複数のドライバ２３４、２３６のうち１個を選択し、イネーブルとする。イネーブルとされたドライバは、対応するスイッチングトランジスタを駆動する。

複数のドライバ２３４、２３６のイネーブル・ディセーブルの切りかえ方法、セレクタ２４０の構成は特に限定されない。たとえばセレクタ２４０は、パルス変調器２３２からのパルス信号Ｓ_ＰＷＭを、ドライバ２３４または２３６に出力するデマルチプレクサであってもよい。あるいはセレクタ２４０は、電圧検出部２３８の出力にもとづいて、ドライバ２３４、２３６の一方の出力を固定し、ディセーブルとしてもよい。

続いて、電源装置２００の用途を説明する。電源装置２００は、電源アダプタに用いられる。図７は、実施の形態に係る電源装置２００を備える電源アダプタ１００のブロック図である。電源アダプタ１００はＵＳＢ規格に準拠しており、着脱可能なデバイス５００にバス電圧Ｖ_ＢＵＳを供給する。

本実施の形態において、電源アダプタ１００はＡＣ電圧Ｖ_ＡＣを受けてバス電圧Ｖ_ＢＵＳを生成するＡＣアダプタである。電源アダプタ１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータであり、入力整流回路１０２、平滑キャパシタ１０４および電源装置２００を備える。入力整流回路１０２は、交流電圧Ｖ_ＡＣを整流する。たとえば入力整流回路１０２は交流電圧Ｖ_ＡＣを全波整流するダイオードブリッジ回路であってもよい。平滑キャパシタ１０４は、入力整流回路１０２の出力に接続され、入力整流回路１０２の出力電圧を平滑化する。

電源装置２００は、入力整流回路１０２の出力電圧を入力電圧Ｖ_ＩＮとして受け、それを降圧し、直流の出力電圧Ｖ_ＯＵＴに変換する。この出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、バス電圧Ｖ_ＢＵＳとしてデバイス５００に供給される。

電源装置２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２、出力スイッチ２０４およびＵＳＢコントローラ３００を備える。電源アダプタ１００は、コネクタ２０６を備える。コネクタ２０６はレセプタクルあるいはプラグであり、デバイス５００と直接あるいはＵＳＢケーブルを介して接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は、入力整流回路１０２の出力電圧Ｖ_ＩＮを受け、バス電圧Ｖ_ＢＵＳとして利用される直流電圧Ｖ_ＯＵＴを生成する。出力スイッチ２０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力２１４とコネクタ２０６の間に設けられる。

ＵＳＢコントローラ３００の電源（ＶＤＤ）端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と出力スイッチ２０４の間と接続され、ＵＳＢコントローラ３００は直流電圧Ｖ_ＯＵＴを電源として受けて動作する。ＵＳＢコントローラ３００は、少なくとも負荷であるデバイス５００の有無を検出する。

またＵＳＢコントローラ３００は、（i）デバイス５００を検出したときに、出力スイッチ２０４をオンし、（ii）デバイスを検出しないときに、出力スイッチ２０４をオフする。出力スイッチ２０４がオンすると、コネクタ２０６からは、直流電圧Ｖ_ＯＵＴと実質的に等しいバス電圧Ｖ_ＢＵＳが出力される（ホット状態）。出力スイッチ２０４がオフすると、コネクタ２０６の出力電圧はゼロとなる（コールド状態）。

本実施の形態において、ＵＳＢコントローラ３００は、ＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠し、さらにＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠する。ＵＳＢコントローラ３００は、デバイス５００とのネゴシエーションに応じて、複数の規定電圧レベル（たとえばＶ_１＝５Ｖ、Ｖ_２＝１２Ｖ、Ｖ_３＝２０Ｖ）の中からひとつを選択可能に構成される。

ＵＳＢコントローラ３００は、直流電圧Ｖ_ＯＵＴの電圧レベルを切り替えるための制御信号ＣＮＴを生成する。フィードバック回路２２０は、ＵＳＢコントローラ３００からの制御信号ＣＮＴに応じて、電流Ｉ_ＥＲＲが可変となっている。

以上が電源アダプタ１００の全体構成である。続いてその動作を説明する。図８は、図７の電源アダプタ１００の動作波形図である。図８は上から順に、デバイス５００の接続の有無（ハイレベルが接続、ローレベルが非接続）、直流電圧Ｖ_ＯＵＴ、出力スイッチ２０４の状態、バス電圧Ｖ_ＢＵＳ、複数のスイッチングトランジスタＭ１のゲート信号ＯＵＴ１、ＯＵＴ２を示す。

時刻ｔ０より前のデバイス５００の非検出（非接続）状態においては、出力スイッチ２０４がオフとされる。したがって直流電圧Ｖ_ＯＵＴの電圧レベルにかかわらずバス電圧Ｖ_ＢＵＳはゼロ、すなわちコールド状態となっている。

コールド状態においても、ＵＳＢコントローラ３００を動作させる必要があるため、直流電圧Ｖ_ＯＵＴをゼロに落とすことはできない。デバイス５００の非接続状態における直流電圧Ｖ_ＯＵＴは、規定電圧レベルＶ_１〜Ｖ_３のうち最も低い電圧レベル（最低規定電圧レベル）Ｖ_１に設定される。たとえばＶ_ＴＨ＝１０ＶとすればＶ_１＜Ｖ_ＴＨであるため、時刻ｔ０より前の期間は、スイッチングトランジスタＭ１_２がスイッチングする。

時刻ｔ０にデバイス５００が接続される。時刻ｔ０〜ｔ１の間、ネゴシエーションが行われる。ネゴシエーション中は、Ｖ_ＢＵＳ＝Ｖ_１とされる。ネゴシエーションの結果、バス電圧Ｖ_ＢＵＳが複数の規定電圧レベルの中から選択される。この例ではＶ_２＝１２Ｖが選択される。そして時刻ｔ１に、直流電圧Ｖ_ＯＵＴが１２Ｖに高められ、バス電圧Ｖ_ＢＵＳもそれに追従する。Ｖ_２＞Ｖ_ＴＨであるため、時刻ｔ１以降は、スイッチングトランジスタＭ１_１がスイッチングし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧Ｖ_ＯＵＴはＶ_２＝１２Ｖに安定化される。そうするとＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、バス電圧Ｖ_ＢＵＳとしてデバイス５００に供給される。

時刻ｔ２にデバイス５００が外されると、出力スイッチ２０４がオフし、コールド状態となる。またＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、最低規定電圧レベルＶ_１まで低下する。そうするとスイッチングトランジスタＭ１_２がスイッチングする。以上が電源アダプタ１００の動作である。

図９（ａ）、（ｂ）は、電源アダプタ１００の外観図である。図９（ａ）の電源アダプタ１００ａは、レセプタクル出力タイプと称され、コネクタ２０６がレセプタクル（メス）となっている。この形式ではデバイス５００の非接続状態において、出力をコールドとすることが求められる。

図９（ｂ）の電源アダプタ１００ｂは、キャプティブケーブルタイプと呼ばれ、プラグ（ケーブル）出力となっている。この形式では、デバイス５００の非接続状態において、コールドが推奨されるが、ホットを維持することも可能である。図９（ｂ）の電源アダプタ１００ｂでは、出力スイッチ２０４を省略してもよい。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１変形例）
図１０は、第１変形例に係る電源装置２００ａのブロック図である。
電源装置２００ａは、二次側から一次側に制御信号ＣＮＴを送信する制御用のフォトカプラ２４２をさらに備える。ドライバ２４４は、制御信号ＣＮＴに応じてフォトカプラ２４２の発光素子を駆動する。ドライバ２４４は、フィードバック回路２２０に集積化されてもよい。フォトカプラ２４２の受光素子には、制御信号ＣＮＴに応じた電流が流れる。この電流は電圧信号に変換され、一次側コントローラ２３０の制御（ＣＮＴ）端子に入力される。一次側コントローラ２３０は、ＣＮＴ端子に入力される制御信号に応じて、複数のスイッチングトランジスタＭ１のうち１個を選択する。フォトカプラ２４２の周辺回路の構成は特に限定されず、制御信号ＣＮＴに応じた信号を、一次側コントローラ２３０のＣＮＴ端子に入力可能であればよい。

（第２変形例）
実施の形態では、ＵＳＢ−ＰＤ規格とＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格をフルサポートする電源アダプタ１００について説明したが本発明はそれには限定されない。たとえばＵＳＢ−ＰＤ規格のみをサポートする電源アダプタ１００にも本発明は適用可能である。この場合、ケーブルの向きを検出する機能等は省略することができる。

（第３変形例）
実施の形態では、電源アダプタ１００としてＵＳＢ用のアダプタを説明したが、本発明はそれには限定されない。現在策定されているＵＳＢ規格の他、将来策定されるＵＳＢ規格や、その派生規格であって、同様のアーキテクチャを採用する電圧供給システムに本発明は利用可能である。またバスの種類はＵＳＢには限定されず、クイックチャージ規格など、ＵＳＢ規格とは異なる規格にも本発明は適用可能である。クイックチャージ（Quick Charge 2.0）規格では、バス電圧Ｖ_ＢＵＳとして、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖがサポートされる。

（第４変形例）
実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２がフライバックコンバータであったが、そのトポロジーは特に限定されない。たとえばＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は同期整流型であってもよいし、フォワードコンバータであってもよい。

（第５変形例）
電源アダプタ１００は、図９（ａ）、（ｂ）に示すようなＡＣ電源アダプタには限定されない。ＵＳＢ−ＰＤ規格では、テレビなどの電子機器、コンピュータなどにも、電源アダプタ１００が搭載され、バス電圧の供給機能が実装されることが想定されている。したがって電源アダプタ１００は、電子機器に内蔵されてもよい。

（第６変形例）
複数のスイッチングトランジスタＭ１_１、Ｍ１_２は、一次側コントローラ２３０に内蔵されてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…電源アダプタ、１０２…入力整流回路、１０４…平滑キャパシタ、２００…電源装置、２０２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０４…出力スイッチ、２０６…コネクタ、２１０…二次側整流回路、２１２…フォトカプラ、２１４…出力、２１６…一次側整流回路、２２０…フィードバック回路、２２２…シャントレギュレータ、Ｍ２…トランジスタ、２２４…分圧回路、２２６…基準電圧源、２２８…エラーアンプ、２３０…一次側コントローラ、２３２…パルス変調器、２３４，２３６…ドライバ、２３８…電圧検出部、２４０…セレクタ、Ｔ１…トランス、Ｗ１…一次巻線、Ｗ２…二次巻線、Ｍ１…スイッチングトランジスタ、Ｃ１…出力キャパシタ、Ｄ１…整流素子、３００…ＵＳＢコントローラ、５００…デバイス。

Claims (18)

1. 可変の直流電圧を生成する電源装置に使用される一次側コントローラであって、
   前記電源装置は、前記一次側コントローラに加えて、
   一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線には少なくともひとつのタップが設けられているトランスと、
   前記二次巻線と接続され、前記直流電圧を出力する二次側整流回路と、
   複数のスイッチングトランジスタであり、それぞれが、前記一次巻線の一端および前記少なくともひとつのタップのうち対応するひとつと接続される複数のスイッチングトランジスタと、
   発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、
   前記発光素子と接続され、前記直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により前記発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、
   を備え、
   前記一次側コントローラは、
   前記受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス変調器と、
   前記複数のスイッチングトランジスタに対応し、それぞれが前記パルス信号に応じて対応するスイッチングトランジスタを駆動する複数のドライバと、
   前記電源装置が生成する前記直流電圧の電圧レベルに応じて、複数のドライバのうち１個を選択し、イネーブルとするセレクタと、
   を備えることを特徴とする一次側コントローラ。
2. 前記トランスは、一次側に補助巻線を有し、
   前記電源装置は、前記補助巻線に流れる電流を整流し、前記一次側コントローラの電源電圧を生成する一次側整流回路をさらに備え、
   前記一次側コントローラは、前記電源電圧を受ける電源端子をさらに備え、
   前記セレクタは、前記電源電圧に応じて前記複数のドライバのうち１個を選択することを特徴とする請求項１に記載の一次側コントローラ。
3. 前記電源装置は、着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する電源アダプタに搭載され、
   前記電源装置は、前記トランスの二次側に設けられ、前記デバイスの接続の有無を検出するとともに、前記デバイスに供給すべき前記バス電圧の電圧レベルを決定するバスコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の一次側コントローラ。
4. 前記バスコントローラは、前記基準電圧を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえることを特徴とする請求項３に記載の一次側コントローラ。
5. 前記フィードバック回路は、前記直流電圧を可変の分圧比により分圧し、前記検出電圧を生成する分圧回路をさらに含み、
   前記バスコントローラは、前記分圧回路の前記分圧比を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえることを特徴とする請求項３に記載の一次側コントローラ。
6. 前記電源装置は、二次側から一次側に制御信号を送信する制御用のフォトカプラをさらに備え、前記バスコントローラは、前記バス電圧に応じた前記制御信号を生成し、
   前記セレクタは、前記フォトカプラを介して受信した前記制御信号に応じて前記複数のドライバのうち１個を選択することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の一次側コントローラ。
7. 一つの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の一次側コントローラ。
8. 交流電圧を整流する入力整流回路と、
   前記入力整流回路の出力電圧を受ける電源装置と、
   を備え、
   前記電源装置は、請求項１から７のいずれかに記載の一次側コントローラを備えることを特徴とする電源アダプタ。
9. 可変の直流電圧を生成する電源装置であって、
   一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線には少なくともひとつのタップが設けられているトランスと、
   前記二次巻線と接続され、前記直流電圧を出力する二次側整流回路と、
   複数のスイッチングトランジスタであり、それぞれが、前記一次巻線の一端および前記少なくともひとつのタップのうち対応するひとつと接続される複数のスイッチングトランジスタと、
   発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、
   前記発光素子と接続され、前記直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により前記発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、
   前記直流電圧の電圧レベルに応じて、前記複数のスイッチングトランジスタのうち１個を選択し、選択されたスイッチングトランジスタを、前記フォトカプラの受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号にもとづいてスイッチングする一次側コントローラと、
   を備えることを特徴とする電源装置。
10. 前記トランスは、一次側に補助巻線を有し、
    前記電源装置は、前記補助巻線に流れる電流を整流し、前記一次側コントローラの電源電圧を生成する一次側整流回路をさらに備え、
    前記一次側コントローラは、前記電源電圧に応じて前記複数のスイッチングトランジスタのうち１個を選択することを特徴とする請求項９に記載の電源装置。
11. 二次側から一次側に制御信号を送信する制御用のフォトカプラをさらに備え、
    前記一次側コントローラは、前記制御信号に応じて前記複数のスイッチングトランジスタのうち１個を選択することを特徴とする請求項９に記載の電源装置。
12. 前記電源装置は、着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する電源アダプタに搭載され、
    前記電源装置は、前記トランスの二次側に設けられ、前記デバイスの接続の有無を検出するとともに、前記デバイスに供給すべき前記バス電圧の電圧レベルを決定するバスコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の電源装置。
13. 前記バスコントローラは、前記基準電圧を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえることを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
14. 前記フィードバック回路は、前記直流電圧を可変の分圧比により分圧し、前記検出電圧を生成する分圧回路をさらに含み、
    前記バスコントローラは、前記分圧回路の前記分圧比を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえることを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
15. ＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠することを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の電源装置。
16. クイックチャージ規格に準拠することを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の電源装置。
17. 交流電圧を整流する入力整流回路と、
    前記入力整流回路の出力電圧を受ける請求項９から１６のいずれかに記載の電源装置と、
    を備えることを特徴とする電源アダプタ。
18. 給電対象のデバイスが着脱されるコネクタと、
    前記二次側整流回路の出力と前記コネクタの間に設けられた出力スイッチと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の電源アダプタ。

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