JP2017225245A - 絶縁同期整流型ｄｃ／ｄｃコンバータ、電源アダプタおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】同期整流トランジスタＭ２の温度を正確に検出する。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ２００の二次側回路２２０において、同期整流トランジスタＭ２は、ドレインが二次巻線Ｗ２の一端と接続され、ソースが接地される。同期整流トランジスタＭ２は、同期整流コントローラ３００によって制御される。保護回路２４０は、一端が同期整流トランジスタＭ２のドレインと接続される温度検出素子２４２を含み、温度検出素子２４２が発生する第１信号Ｓ１１にもとづいて、同期整流トランジスタＭ２の過熱状態を検出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、絶縁同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

テレビや冷蔵庫をはじめとするさまざまな家電製品は、外部からの商用交流電力を受けて動作する。ラップトップ型コンピュータ、携帯電話端末やタブレット端末をはじめとする電子機器も、商用交流電力によって動作可能であり、あるいは商用交流電力によって、機器に内蔵の電池を充電可能となっている。こうした家電製品や電子機器（以下、電子機器と総称する）には、商用交流電圧をＡＣ／ＤＣ（交流／直流）変換する電源装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）が内蔵される。あるいは電子機器の外部の電源アダプタ（ＡＣアダプタ）にＡＣ／ＤＣコンバータが内蔵される場合もある。

図１は、本発明者が検討したＡＣ／ＤＣコンバータ１００ｒの基本構成を示すブロック図である。ＡＣ／ＤＣコンバータ１００ｒは主としてフィルタ１０２、整流回路１０４、平滑キャパシタ１０６およびＤＣ／ＤＣコンバータ２００ｒを備える。

商用交流電圧Ｖ_ＡＣは、ヒューズおよび入力キャパシタ（不図示）を介してフィルタ１０２に入力される。フィルタ１０２は、商用交流電圧Ｖ_ＡＣのノイズを除去する。整流回路１０４は、商用交流電圧Ｖ_ＡＣを全波整流するダイオードブリッジ回路である。整流回路１０４の出力電圧は、平滑キャパシタ１０６によって平滑化され、直流電圧Ｖ_ＩＮに変換される。

絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ２００ｒは、入力端子Ｐ１に直流電圧Ｖ_ＩＮを受け、それを降圧して、目標値に安定化された出力電圧Ｖ_ＯＵＴを出力端子Ｐ２に接続される負荷（不図示）に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２００ｒは、一次側コントローラ２０２、フォトカプラ２０４、フィードバック回路２０６、出力回路２１０、同期整流コントローラ３００ｒ、およびその他の回路部品を備える。出力回路２１０は、トランスＴ１、ダイオードＤ１、出力キャパシタＣ１、スイッチングトランジスタＭ１、同期整流トランジスタＭ２を含む。出力回路２１０のトポロジーは、一般的な同期整流型のフライバックコンバータのそれであるため、説明を省略する。

トランスＴ１の一次巻線Ｗ１と接続されるスイッチングトランジスタＭ１がスイッチングすることにより、入力電圧Ｖ_ＩＮが降圧され、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが生成される。そして一次側コントローラ２０２は、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングのデューティ比を調節する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２００ｒの出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、抵抗Ｒ１、Ｒ２により分圧される。フィードバック回路２０６は、たとえばシャントレギュレータあるいは誤差増幅器を含み、分圧された電圧（電圧検出信号）Ｖ_Ｓと所定の基準電圧Ｖ_ＲＥＦ（不図示）の誤差を増幅し、誤差に応じた誤差電流Ｉ_ＥＲＲを生成し、フォトカプラ２０４の入力側の発光素子（発光ダイオード）から引き込む（シンク）。

フォトカプラ２０４の出力側の受光素子（フォトトランジスタ）には、二次側の誤差電流Ｉ_ＥＲＲに応じたフィードバック電流Ｉ_ＦＢが流れる。このフィードバック電流Ｉ_ＦＢが、抵抗およびキャパシタにより平滑化され、一次側コントローラ２０２のフィードバック（ＦＢ）端子に入力される。一次側コントローラ２０２は、ＦＢ端子の電圧（フィードバック電圧）Ｖ_ＦＢにもとづいてスイッチングトランジスタＭ１のデューティ比を調節する。

同期整流コントローラ３００ｒは、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングと同期して、同期整流トランジスタＭ２をスイッチングする。同期整流コントローラ３００ｒは、パルス発生器３０４、ドライバ３０６を備える。パルス発生器３０４は、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングと同期したパルス信号Ｓ１を生成する。たとえばパルス発生器３０４は、スイッチングトランジスタＭ１がターンオフすると、パルス信号Ｓ１を、同期整流トランジスタＭ２のオンを指示する第１状態（たとえばハイレベル）とする。また同期整流コントローラ３００ｒは、同期整流トランジスタＭ２のオン期間に二次巻線Ｗ２に流れる二次電流Ｉ_Ｓが実質的にゼロになると、パルス信号Ｓ１を同期整流トランジスタＭ２のオフを指示する第２状態（ローレベル）とする。

スイッチングトランジスタＭ１のオン期間において、二次巻線Ｗ２の両端間電圧は、−Ｖ_ＩＮ×Ｎ_Ｓ／Ｎ_Ｐであるから、同期整流トランジスタＭ２のドレイン電圧Ｖ_Ｄ（つまりドレインソース間電圧Ｖ_ＤＳ）は、Ｖ_Ｄ＝Ｖ_ＯＵＴ＋Ｖ_ＩＮ×Ｎ_Ｓ／Ｎ_Ｐとなる。Ｎ_Ｐ，Ｎ_Ｓは、一次巻線Ｗ１、二次巻線Ｗ２の巻数である。

スイッチングトランジスタＭ１がオフすると、同期整流トランジスタＭ２のソースからドレインに向かって二次電流Ｉ_Ｓが流れるため、ドレインソース間電圧は負電圧となる。連続モードでは、スイッチングトランジスタＭ１がターンオンすることにより、二次電流Ｉ_Ｓがゼロとなり、ドレイン電圧が再びＶ_Ｄ＝Ｖ_ＯＵＴ＋Ｖ_ＩＮ×Ｎ_Ｓ／Ｎ_Ｐに跳ね上がる。不連続モードでは、同期整流トランジスタＭ２のオン状態においてトランスＴ１に蓄えられたエネルギーの減少にともない二次電流Ｉ_Ｓが減少していくと、ドレインソース間電圧Ｖ_ＤＳの絶対値は小さくなり、やがて二次電流Ｉ_Ｓが実質的にゼロになると、ドレインソース間電圧Ｖ_ＤＳも実質的にゼロとなり、ドレイン電圧Ｖ_Ｄはリンギングする。

これらの性質を利用してパルス発生器３０４は、同期整流トランジスタＭ２のドレイン電圧（ドレインソース間電圧）にもとづいて、パルス信号Ｓ１を生成する。

ドライバ３０６はパルス信号Ｓ１に応じて同期整流トランジスタＭ２をスイッチングする。以上がＡＣ／ＤＣコンバータ１００ｒの全体構成である。

特開２００８−３１２３３５号公報

図１のＤＣ／ＤＣコンバータ２００ｒにおいて、同期整流トランジスタＭ２がオフした状態で故障したとする。そうすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００ｒの二次側回路は、同期整流トランジスタＭ２のボディダイオードによるダイオード整流回路として動作し続ける。同期整流トランジスタＭ２のボディダイオードには、常時、０．７Ｖの電圧降下が発生するため、同期整流トランジスタＭ２が異常発熱してしまう。

図２は、本発明者らが検討したＤＣ／ＤＣコンバータ２００ｒの二次側回路２２０ｒの回路図である。なおこの二次側回路２２０ｒを公知技術と認定してはならない。

二次側回路２２０ｒは、図１の二次側回路に加えて、サーミスタ２２２および保護回路２３０を備える。サーミスタ２２２は、同期整流トランジスタＭ２のパッケージ温度を測定するために設けられている。サーミスタ２２２の一端は、二次巻線Ｗ２および出力キャパシタＣ１の接続ラインと接続されており、直流電圧Ｖ_ＯＵＴが直流のバイアス電圧として印加されている。サーミスタ２２２には、同期整流トランジスタＭ２の温度に応じた電圧降下が発生する。保護回路２３０は、サーミスタ２２２の他端に生ずる電圧Ｖ_ＮＴＣにもとづいて、同期整流トランジスタＭ２の過熱状態を検知する。保護回路２３０は、過熱状態を検出すると、フォトカプラ２０４の発光ダイオードを大きな電流で駆動する。これにより一次側のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢがゼロとなり、スイッチングトランジスタＭ１のデューティ比がゼロとなり、すなわちスイッチングが停止する。

図３（ａ）、（ｂ）は、サーミスタ２２２および同期整流トランジスタＭ２のパッケージ２２４のレイアウトを示す図である。図３（ａ）では、表面に同期整流トランジスタＭ２のパッケージ２２４が実装されるプリント基板２２６の裏面に、サーミスタ２２２が実装されている。図３（ａ）では、プリント基板２２６が熱抵抗となるため、サーミスタ２２２は、パッケージ２２４の内部のＦＥＴ（Field Effect Transistor）の温度はおろか、パッケージ２２４の温度すら、正確に測定できているとは言いがたい。

図３（ｂ）では、同期整流トランジスタＭ２のパッケージ２２４の表面に、リードタイプのサーミスタ２２２が密に実装されている。このレイアウトによれば、図３（ａ）に比べてパッケージ２２４の温度を正確に測定可能であるが、パッケージのモールド樹脂の熱抵抗により、パッケージ２２４の内部のＦＥＴの温度を正確に測定することは困難である。

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、二次側の同期整流トランジスタの温度をより正確に測定可能な絶縁同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータの提供にある。

本発明のある態様は、絶縁同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータに関する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、一次巻線および二次巻線を有するトランスと、トランスの一次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、トランスの二次巻線と二次側の接地ラインの間に設けられる同期整流トランジスタと、発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が目標電圧に近づくように、フォトカプラの発光素子を駆動するフィードバック回路と、フォトカプラの受光素子と接続され、フォトカプラからのフィードバック信号に応じてスイッチングトランジスタをスイッチングする一次側コントローラと、同期整流トランジスタを制御する同期整流コントローラと、一端が同期整流トランジスタのドレインと接続される温度検出素子を含み、温度検出素子が発生する第１信号にもとづいて、同期整流トランジスタの過熱状態を検出する保護回路と、を備える。

この態様では、温度検出素子の一端と同期整流トランジスタの内部のＦＥＴのドレインとの間が、電気的配線を介して接続される。電気的配線の熱伝導率は、パッケージの樹脂やプリント基板の樹脂のそれらに比べて高いため、温度検出素子と同期整流トランジスタの内部のＦＥＴの熱結合が改善される。これにより、温度検出素子によって同期整流トランジスタの内部のＦＥＴの温度をより正確に測定することができる。

保護回路は、第１信号の平均値、積分値、ピーク値のいずれかに応じている第２信号にもとづいて、同期整流トランジスタの過熱状態を検出してもよい。
同期整流トランジスタのドレインの電圧は、スイッチングトランジスタのスイッチングに応じて周期的に変動するため、第１信号には、この変動成分が含まれる。この保護回路によれば、第２信号を生成することで、変動成分を除去でき、温度に依存する直流成分を抽出できる。

同期整流トランジスタは、面実装パッケージに収容されてもよい。温度検出素子の一端と同期整流トランジスタのドレイン電極は、はんだによって電気的かつ物理的に接続されていてもよい。これにより、熱結合を非常に強めることができる。

同期整流トランジスタと温度検出素子は、プリント基板の異なる面に実装されており、温度検出素子の一端は、同期整流トランジスタのドレイン電極と、ビアホールを介して接続されていてもよい。
ビアホールの熱伝導率は十分に高いため、この態様によっても、同期整流トランジスタの温度を正確に測定できる。また、プリント基板の利用効率を高めることができる。

同期整流トランジスタと温度検出素子は、プリント基板の同一面に実装されており、温度検出素子の一端は、同期整流トランジスタのドレイン電極と、プリント配線を介して接続されていてもよい。
プリント配線を熱伝導率が十分高くなるように設計できる場合には、同期整流トランジスタの温度を正確に測定できる。

保護回路は、過熱状態を検出すると、フォトカプラの発光素子を駆動してもよい。
過熱状態においてフォトカプラを駆動することにより、一次側コントローラのスイッチングのデューティ比を減少させ、あるいはスイッチングを停止させることができる。

温度検出素子であり、一端が同期整流トランジスタのドレインと接続されるサーミスタと、サーミスタの他端と接地ラインの間に設けられる第１抵抗と、サーミスタの他端と接地ラインの間に設けられる平滑キャパシタと、を含み、平滑キャパシタに生ずる電圧と所定のしきい値電圧の比較結果にもとづいて、過熱状態を判定してもよい。
平滑キャパシタに、スイッチングトランジスタのスイッチングにともなう変動成分が除去され、温度に依存した直流電圧を発生させることができる。

保護回路は、過熱状態が検出されると活性化し、活性状態においてフォトカプラを駆動し、その後、フォトカプラの発光素子のカソードの電位が低下すると自動的に非活性化状態となる、ラッチ回路を含んでもよい。
フォトカプラの駆動により、一次側コントローラのスイッチングのデューティ比が減少し、あるいはスイッチングが停止すると、二次側の出力電圧、すなわち発光素子のカソード電位が低下する。そしてラッチ回路が非活性化されると、一次側コントローラのスイッチングが再開する。つまり、過熱状態が持続したときに、ＤＣ／ＤＣコンバータを間欠動作させることができる。

保護回路は、制御端子に第２信号を受け、一端が接地されるＮＰＮ型もしくはＮチャンネルの第１トランジスタと、第１トランジスタの制御端子と接地の間に設けられる第２抵抗と、制御端子が第１トランジスタの他端と接続され、一端が第１トランジスタの制御端子と接続され、他端がフォトカプラの発光素子と接続され、ＰＮＰ型もしくはＰチャンネルの第２トランジスタと、第２トランジスタの制御端子とフォトカプラの発光素子の間に設けられた第３抵抗と、を含んでもよい。

保護回路は、第１信号を平滑化し、第２信号を生成するフィルタを含んでもよい。保護回路は、第１信号をピークホールドし、第２信号を生成するピークホールド回路を含んでもよい。保護回路は、第１信号を積分し、第２信号を生成する積分器を含んでもよい。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、負荷と、商用交流電圧を全波整流するダイオード整流回路と、ダイオード整流回路の出力電圧を平滑化し、直流入力電圧を生成する平滑キャパシタと、直流入力電圧を降圧し、負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。

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、商用交流電圧を全波整流するダイオード整流回路と、ダイオード整流回路の出力電圧を平滑化し、直流入力電圧を生成する平滑キャパシタと、直流入力電圧を降圧し、負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えてもよい。

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、同期整流トランジスタの温度を正確に検出できる。

本発明者が検討したＡＣ／ＤＣコンバータの基本構成を示すブロック図である。 本発明者らが検討したＤＣ／ＤＣコンバータの二次側回路の回路図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、サーミスタおよび同期整流トランジスタのパッケージのレイアウトを示す図である。 実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、温度検出素子と同期整流トランジスタの実装の具体例を示す図である。 図６（ａ）は、図５（ａ）の実装における熱伝導を模式的に示す図であり、図６（ｂ）、（ｃ）は、図３（ａ）、（ｂ）の実装における熱伝導を模式的に示す図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの二次側回路の具体的な実施例を示す回路図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、図６の二次側回路において、同期整流トランジスタのゲートソース間をショートし、連続動作させたときの動作波形図である。 図９（ａ）〜（ｃ）は、保護回路２４０の変形例を示す回路図である。 ＡＣ／ＤＣコンバータを備えるＡＣアダプタを示す図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える電子機器を示す図である。

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ず、あるいは機能を阻害し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ず、あるいは機能を阻害し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４は、実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ２００の回路図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２００は、図１のＡＣ／ＤＣコンバータ１００ｒに利用することができる。

トランスＴ１は、一次巻線Ｗ１、二次巻線Ｗ２および補助巻線Ｗ３を有する。一次巻線Ｗ１の一端は入力端子Ｐ１と接続され、直流の入力電圧Ｖ_ＩＮが入力される。スイッチングトランジスタＭ１は、トランスＴ１の一次巻線Ｗ１の他端と接続される。スイッチングトランジスタＭ１のソースと接地ラインの間には、電流検出用のセンス抵抗Ｒ_ＣＳが挿入される。

同期整流トランジスタＭ２は、トランスＴ１の二次巻線Ｗ２の一端と二次側の接地ラインの間に設けられる。また二次巻線Ｗ２の他端は、出力端子Ｐ２と接続される。出力キャパシタＣ１は、出力端子Ｐ２に接続される。

フォトカプラ２０４は、発光素子および受光素子を含む。フィードバック回路２０６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００の出力電圧Ｖ_ＯＵＴが目標電圧Ｖ_{ＯＵＴ（ＲＥＦ）}に近づくように、フォトカプラ２０４の発光素子を駆動する。たとえばフィードバック回路２０６は、シャントレギュレータを含んでもよいし、誤差増幅器を含んでもよい。

一次側コントローラ２０２は、フォトカプラ２０４の受光素子と接続され、フォトカプラ２０４からのフィードバック信号Ｖ_ＦＢに応じてスイッチングトランジスタＭ１をスイッチングする。トランスＴ１の補助巻線Ｗ３は、ダイオードＤ３およびキャパシタＣ３とともに自己電源回路２０８を形成しており、一次側コントローラ２０２の電源電圧Ｖ_ＤＤを生成する。

同期整流コントローラ３００は、同期整流トランジスタＭ２を制御する。たとえば同期整流コントローラ３００は、同期整流トランジスタＭ２のドレインソース間電圧にもとづいて、制御パルスを生成し、同期整流トランジスタＭ２のゲートに供給する。

保護回路２３０は、一端が同期整流トランジスタＭ２のドレインと接続される温度検出素子２４２を含み、温度検出素子２４２が発生する第１信号Ｓ１１にもとづいて、同期整流トランジスタＭ２の過熱状態を検出する。

同期整流トランジスタＭ２のドレインの電圧は、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングに応じて周期的に変動するため、第１信号Ｓ１１には、この変動成分が含まれる。そこで好ましくは保護回路２３０は、第１信号Ｓ１１の平均値、積分値、ピーク値のいずれかに応じている第２信号Ｓ１２にもとづいて、同期整流トランジスタＭ２の過熱状態を検出してもよい。これにより、温度に依存する直流成分を抽出できる。

以上がＤＣ／ＤＣコンバータ２００の構成である。
このＤＣ／ＤＣコンバータ２００によれば、温度検出素子の一端と同期整流トランジスタの内部のＦＥＴのドレインとの間が、電気的配線を介して接続される。電気的配線は金属であり、その熱伝導率は、パッケージの樹脂やプリント基板の樹脂のそれらに比べて高い。したがって温度検出素子２４２と同期整流トランジスタＭ２の内部のＦＥＴの熱結合を高められ、同期整流トランジスタＭ２の内部のＦＥＴの熱が、素早く温度検出素子２４２に伝達する。これにより温度検出素子２４２によって、同期整流トランジスタＭ２の温度を、少ない遅延で正確に測定することができる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、温度検出素子２４２と同期整流トランジスタＭ２の実装の具体例を示す図である。

図５（ａ）では、同期整流トランジスタＭ２は、面実装型のパッケージ２２４に収容されている。パッケージ２４４は、ドレイン電極２４５を備える。温度検出素子２４２の一端と同期整流トランジスタＭ２のドレイン電極２４５は、はんだ２４６によって電気的かつ物理的に接続されている。

図６（ａ）は、図５（ａ）の実装における熱伝導を模式的に示す図であり、図６（ｂ）、（ｃ）は、図３（ａ）、（ｂ）の実装における熱伝導を模式的に示す図である。

実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ２００の利点を明確とするため、先に図３（ａ）、（ｂ）を参照し、その熱伝導について説明する。図６（ｂ）では、ＦＥＴ素子の熱が、パッケージ２２４のモールド樹脂およびプリント基板２２６を介して、サーミスタ２２２に伝達する。図６（ｃ）ではＦＥＴ素子の熱が、パッケージ２２４のモールド樹脂を介して、サーミスタ２２２に伝達する。パッケージ２２４の樹脂やプリント基板２２６の熱伝導率は低いため、サーミスタ２２２によってＦＥＴ素子の温度を正確に遅延無く測定することは困難である。

図６（ａ）を参照する。パッケージ２４４の内部のＦＥＴ素子（半導体基板）からの熱は、ドレイン電極２４５およびその直下のプリント配線（不図示）を介して、温度検出素子２４２に伝搬する。ドレイン電極２４５やプリント配線は金属であるため、熱伝導率は樹脂に比べて著しく低く、したがってＦＥＴの熱は、低損失で温度検出素子２４２に伝導する。したがって図５（ａ）の実装によれば、温度検出素子２４２が同期整流トランジスタＭ２の温度を正確に測定できる。

図５（ｂ）の実装では、図３（ａ）と同様に、同期整流トランジスタＭ２と温度検出素子２４２は、プリント基板２４８の異なる面に実装されている。ただし、図５（ｂ）では、ドレイン電極２４５と温度検出素子２４２の端子とが、ビアホール２５０を介して電気的に接続されている。ビアホール２５０には金属が充填されているため、その熱伝導率は樹脂に比べて十分に高い。したがって図５（ｂ）の実装によっても、同期整流トランジスタＭ２の温度を従来より高い精度で測定できる。

図５（ｃ）の実装では、同期整流トランジスタＭ２と温度検出素子２４２は、プリント基板２４８の同一面に実装されている。温度検出素子２４２の一端は、同期整流トランジスタＭ２のドレイン電極２４５と、プリント配線２５２を介して接続されている。

プリント配線２５２は金属であるため、その熱伝導率は樹脂に比べて十分に高い。したがって図５（ｃ）の実装によっても、同期整流トランジスタＭ２の温度を、従来より高い精度で測定できる。

本発明は、図４のブロック図や回路図として把握され、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助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例を説明する。

図７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００の二次側回路２２０の具体的な実施例を示す回路図である。この実施例において温度検出素子２４２はＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタであり、その抵抗値Ｒ_ＴＨは、温度が高いほど小さくなる。第１抵抗Ｒ１１は、温度検出素子２４２の他端と接地の間に設けられる。平滑キャパシタＣ１１は、温度検出素子２４２の他端と接地の間に、第１抵抗Ｒ１１と並列に設けられる。温度検出素子２４２、第１抵抗Ｒ１１および平滑キャパシタＣ１１は、ローパスフィルタを構成していると把握することができる。

同期整流トランジスタＭ２のドレイン電圧の平均値をＶ_Ｄとすると、第２信号Ｓ１２は、式（１）で表される。
Ｓ２＝Ｖ_Ｄ×Ｒ_１１／（Ｒ_ＴＨ＋Ｒ_１１） …（１）
ここでドレイン電圧の平均値Ｖ_Ｄは、出力電圧Ｖ_ＯＵＴに応じた一定値をとる。温度が上昇すると、Ｒ_ＴＨが低下し、したがって第２信号Ｓ１２の電圧レベルは上昇する。この保護回路２４０によれば、同期整流トランジスタＭ２の温度と正の相関を有する直流電圧に相当する第２信号Ｓ１２を得ることができる。保護回路２４０は、平滑キャパシタ１０６に生ずる電圧（Ｓ２）と所定のしきい値電圧の比較結果にもとづいて、過熱状態を判定する。

保護回路２４０は、過熱状態を検出すると、フォトカプラ２０４の発光素子にシャットダウン電流Ｉ_ＴＳＤを供給して駆動する。過熱状態においてフォトカプラ２０４を駆動することにより、一次側コントローラ２０２によるスイッチングのデューティ比を減少させ、あるいはスイッチングを停止させることができる。

ラッチ回路２６０は、過熱状態が検出されると活性化し、活性状態においてフォトカプラ２０４を駆動し、その後、フォトカプラ２０４の発光素子のカソードの電位が低下すると自動的に非活性化状態となる。

ラッチ回路２６０の構成は特に限定されないが、第１トランジスタＱ１１、第２トランジスタＱ１２、第２抵抗Ｒ１２、第３抵抗Ｒ１３を含む。
第１トランジスタＱ１１はＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、制御端子（ベース）に第２信号Ｓ１２を受け、一端（エミッタ）が接地される。第２抵抗Ｒ１２は、第１トランジスタＱ１１のベースと接地（エミッタ）の間に設けられる。第２トランジスタＱ１２は、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタであり、制御端子（ベース）が第１トランジスタＱ１１の他端（コレクタ）と接続され、一端（コレクタ）が第１トランジスタＱ１１のベースと接続され、他端（エミッタ）がフォトカプラ２０４の発光素子と接続されている。第３抵抗Ｒ１３は、第２トランジスタＱ１２のベースとフォトカプラ２０４の発光素子の間に設けられる。第１トランジスタＱ１１、第２トランジスタＱ１２は、ＦＥＴであってもよい。

同期整流トランジスタＭ２の温度が上昇して、第２信号Ｓ１２が、第１トランジスタＱ１１のしきい値電圧Ｖｂｅを超えると、第１トランジスタＱ１１に種となるコレクタ電流が流れる。このコレクタ電流によって、第３抵抗Ｒ１３の電圧降下、すなわち第２トランジスタＱ１２のベースエミッタ間電圧が増大し、第２トランジスタＱ１２のコレクタ電流が第２抵抗Ｒ１２に帰還され、第１トランジスタＱ１１のベースエミッタ間電圧はさらに上昇し、そのコレクタ電流はさらに増加する。この正帰還によって、ラッチ回路２６０は、ひとたび第２信号Ｓ１２がしきい値Ｖｂｅを超えると、活性状態となり、フォトカプラ２０４にシャットダウン電流Ｉ_ＴＳＤを供給する。

サーマルシャットダウン電流Ｉ_ＴＳＤが流れると、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングのデューティ比が低下し、あるいは停止する。したがって、二次巻線Ｗ２から出力キャパシタＣ１への充電も停止する。出力キャパシタＣ１の電圧Ｖ_ＯＵＴは、シャットダウン電流Ｉ_ＴＳＤによって出力キャパシタＣ１が放電されると、フォトカプラ２０４のカソードの電圧が低下していき、やがてラッチ回路２６０の電源が失われ、シャットダウン電流Ｉ_ＴＳＤがゼロとなり、ラッチ回路２６０は不活性化される。

シャットダウン電流Ｉ_ＴＳＤがゼロとなると、フィードバック回路２０６によるフィードバックにより、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングが再開する。スイッチングの再開後、同期整流トランジスタＭ２が過熱状態であれば、再びラッチ回路２６０が活性化される。

以上が保護回路２４０の構成例である。続いてその動作を説明する。

図８（ａ）、（ｂ）は、図６の二次側回路２２０において、同期整流トランジスタＭ２のゲートソース間をショートし、連続動作させたときの動作波形図である。図８（ａ）には、１分後の第１信号Ｓ１１すなわち温度波形が、図８（ｂ）には、６０分後の第１信号Ｓ１１すなわち温度波形が示される。１分後のパッケージの表面温度は、１１８℃であり、６０分後のパッケージの表面温度は１１２℃であった。

比較のため、保護回路２４０を省略した回路において、同期整流トランジスタＭ２のゲートソース間をショートし、ダイオード整流モードで２時間連続動作させたときのパッケージの表面温度は１６８℃であった。

このように図６の保護回路２４０によれば、同期整流トランジスタＭ２の温度を正確に測定できる。また過熱状態が持続したときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００を間欠動作させることができ、回路を保護できる。

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９（ａ）〜（ｃ）は、保護回路２４０の変形例を示す回路図である。図９（ａ）の保護回路２４０ａは、第１信号Ｓ１１を平滑化し、第２信号Ｓ１２を生成するローパスフィルタ２６２を含む。図９（ｂ）の保護回路２４０ｂは、第１信号Ｓ１１を積分して第２信号Ｓ１２を生成する積分器２６４を含む。図９（ｃ）の保護回路２４０ｃは、第１信号Ｓ１１をピークホールドし、第２信号Ｓ１２を生成するピークホールド回路２６６を含む。

（第２変形例）
温度検出素子２４２としては、ＮＴＣサーミスタのほか、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタや熱電対を用いてもよい。

（第３変形例）
保護回路２４０による過熱状態における保護の方法は特に限定されない。たとえば保護回路２４０は過熱状態を検出すると、フォトカプラ２０４とは別に設けられたエラー通知用のフォトカプラを駆動して、過熱状態を一次側コントローラ２０２に通知してもよい。通知を受けた一次側コントローラ２０２は、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングを停止してもよい。

（第４変形例）
保護回路２４０による過熱状態における保護の方法は特に限定されない。たとえば保護回路２４０は過熱状態を検出すると、フォトカプラ２０４とは別に設けられたエラー通知用のフォトカプラを駆動して、過熱状態を一次側コントローラ２０２に通知してもよい。通知を受けた一次側コントローラ２０２は、スイッチングトランジスタＭ１のスイッチングを停止してもよい。

（第５変形例）
保護回路２４０の、第２信号Ｓ１２にもとづく過熱状態を判定するための構成も特に限定されない。たとえば保護回路２４０は、第２信号Ｓ１２をしきい値電圧と比較する電圧コンパレータと、電圧コンパレータの出力をラッチするラッチ回路と、を含んでもよい。

（用途）
続いて、実施の形態で説明したＤＣ／ＤＣコンバータ２００の用途を説明する。図１０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００を備えるＡＣアダプタ８００を示す図である。ＡＣアダプタ８００は、プラグ８０２、筐体８０４、コネクタ８０６を備える。プラグ８０２は、図示しないコンセントから商用交流電圧Ｖ_ＡＣを受ける。ＡＣ／ＤＣコンバータ１００は、筐体８０４内に実装される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１００により生成された直流出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、コネクタ８０６から電子機器８１０に供給される。電子機器８１０は、ノートＰＣ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、携帯オーディオプレイヤなどが例示される。

図１１（ａ）、（ｂ）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００を備える電子機器９００を示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）の電子機器９００はディスプレイ装置であるが、電子機器９００の種類は特に限定されず、オーディオ機器、冷蔵庫、洗濯機、掃除機など、電源装置を内蔵する機器であればよい。
プラグ９０２は、図示しないコンセントから商用交流電圧Ｖ_ＡＣを受ける。ＡＣ／ＤＣコンバータ１００は、筐体９０４内に実装される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１００により生成された直流出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、同じ筐体９０４内に搭載される、マイコン、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、電源回路、照明機器、アナログ回路、デジタル回路などの負荷に供給される。

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。

Ｐ１…入力端子、Ｐ２…出力端子、Ｍ１…スイッチングトランジスタ、Ｍ２…同期整流トランジスタ、Ｃ１…出力キャパシタ、Ｔ１…トランス、Ｗ１…一次巻線、Ｗ２…二次巻線、１００…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１０２…フィルタ、１０４…整流回路、１０６…平滑キャパシタ、２００…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０２…一次側コントローラ、２０４…フォトカプラ、２０６…フィードバック回路、２１０…出力回路、２２０…二次側回路、２２４…パッケージ、２４０…保護回路、ga２４２…温度検出素子、２４４…パッケージ、２４５…ドレイン電極、２４６…はんだ、２４８…プリント基板、２５０…ビアホール、２５２…プリント配線、２６０…ラッチ回路、３００…同期整流コントローラ、Ｓ１１…第１信号、Ｓ１２…第２信号、Ｑ１１…第１トランジスタ、Ｑ１２…第２トランジスタ、Ｒ１１…第１抵抗、Ｒ１２…第２抵抗、Ｒ１３…第３抵抗、Ｃ１１…平滑キャパシタ、８００…ＡＣアダプタ、８０２…プラグ、８０４…筐体、８０６…コネクタ、８１０，９００…電子機器、９０２…プラグ、９０４…筐体。

Claims (14)

1. 絶縁同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
   前記トランスの一次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
   前記トランスの二次巻線と二次側の接地ラインの間に設けられる同期整流トランジスタと、
   発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が目標電圧に近づくように、前記フォトカプラの前記発光素子を駆動するフィードバック回路と、
   前記フォトカプラの前記受光素子と接続され、前記フォトカプラからのフィードバック信号に応じて前記スイッチングトランジスタをスイッチングする一次側コントローラと、
   前記同期整流トランジスタを制御する同期整流コントローラと、
   一端が前記同期整流トランジスタのドレインと接続される温度検出素子を含み、前記温度検出素子が発生する第１信号にもとづいて、前記同期整流トランジスタの過熱状態を検出する保護回路と、
   を備えることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記保護回路は、前記第１信号の平均値、積分値、ピーク値のいずれかに応じている第２信号にもとづいて、前記同期整流トランジスタの過熱状態を検出することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記同期整流トランジスタは、面実装パッケージに収容されており、
   前記温度検出素子の前記一端と前記同期整流トランジスタのドレイン電極は、はんだによって電気的かつ物理的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記同期整流トランジスタと前記温度検出素子は、プリント基板の異なる面に実装されており、
   前記温度検出素子の前記一端は、前記同期整流トランジスタのドレイン電極と、ビアホールを介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記同期整流トランジスタと前記温度検出素子は、プリント基板の同一面に実装されており、
   前記温度検出素子の前記一端は、前記同期整流トランジスタのドレイン電極と、プリント配線を介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 前記保護回路は、前記過熱状態を検出すると、前記フォトカプラの前記発光素子を駆動することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
7. 前記温度検出素子であり、一端が前記同期整流トランジスタのドレインと接続されるサーミスタと、
   前記サーミスタの他端と前記接地ラインの間に設けられる第１抵抗と、
   前記サーミスタの他端と前記接地ラインの間に設けられる平滑キャパシタと、
   を含み、前記平滑キャパシタに生ずる電圧と所定のしきい値電圧の比較結果にもとづいて、過熱状態を判定す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ＤＣ／ＤＣコンバータ。
8. 前記保護回路は、
   前記過熱状態が検出されると活性化し、活性状態において前記フォトカプラを駆動し、その後、前記フォトカプラの前記発光素子のカソードの電位が低下すると自動的に非活性化状態となる、ラッチ回路を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
9. 前記保護回路は、
   制御端子に前記第２信号を受け、一端が接地されるＮＰＮ型もしくはＮチャンネルの第１トランジスタと、
   前記第１トランジスタの制御端子と接地の間に設けられる第２抵抗と、
   制御端子が前記第１トランジスタの他端と接続され、一端が前記第１トランジスタの制御端子と接続され、他端が前記フォトカプラの前記発光素子と接続され、ＰＮＰ型もしくはＰチャンネルの第２トランジスタと、
   前記第２トランジスタの制御端子と前記フォトカプラの前記発光素子の間に設けられた第３抵抗と、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
10. 前記保護回路は、前記第１信号を平滑化し、前記第２信号を生成するフィルタを含むことを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
11. 前記保護回路は、前記第１信号をピークホールドし、前記第２信号を生成するピークホールド回路を含むことを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
12. 前記保護回路は、前記第１信号を積分し、前記第２信号を生成する積分器を含むことを特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
13. 負荷と、
    商用交流電圧を全波整流するダイオード整流回路と、
    前記ダイオード整流回路の出力電圧を平滑化し、直流入力電圧を生成する平滑キャパシタと、
    前記直流入力電圧を降圧し、負荷に供給する請求項１から１２のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    を備えることを特徴とする電子機器。
14. 商用交流電圧を全波整流するダイオード整流回路と、
    前記ダイオード整流回路の出力電圧を平滑化し、直流入力電圧を生成する平滑キャパシタと、
    前記直流入力電圧を降圧し、負荷に供給する請求項１から１２のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    を備えることを特徴とする電源アダプタ。

Images