JP2018019589A - 絶縁同期整流型dc/dcコンバータ、同期整流コントローラ、シャントレギュレータ回路、電源アダプタおよび電子機器 - Google Patents
絶縁同期整流型dc/dcコンバータ、同期整流コントローラ、シャントレギュレータ回路、電源アダプタおよび電子機器 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明者らは、図1(b)の同期整流型コンバータについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
一次側のスイッチングの停止状態すなわちDC/DCコンバータの停止状態では、ドレインピンが正常であっても、ドレインピンに周期信号は発生しない。そこで出力電圧を監視することで、DC/DCコンバータが停止しているのか動作しているのかを区別できる。
DC/DCコンバータの動作中に、ドレインピンがオープンになると、パルス信号が発生しなくなる。そこでパルス信号を監視することで、周期信号の発生の有無を間接的に判定できる。
異常検出回路は、発光素子に流れる電流にもとづいて、DC/DCコンバータの出力電圧が発生しているか否かを判定してもよい。これにより、出力電圧が発生しているか否かを間接的に判定できる。
この場合、電圧コンパレータが不要となるため、回路を簡素化できる。
フォトカプラの発光素子を駆動することにより、一次側コントローラによるスイッチングトランジスタのスイッチングを停止し、あるいはオン時間を短くして、電力を下げることができる。
「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。
これにより間欠モードにおける停止期間の長さを、電源キャパシタの容量値にもとづいて設定できる。
スイッチング不能状態では、フィードバック回路によるフォトカプラの発光素子の駆動電流が減少、フィードバック信号が上昇し、スイッチングトランジスタのスイッチングのデューティ比が増加する。その結果、出力電圧が上昇しはじめる。やがて出力電圧が過電圧しきい値を超えると、過電圧保護回路による保護によりスイッチングトランジスタのスイッチングが停止する。
つまり、同期整流トランジスタのスイッチング不能状態が生ずると、出力電圧の上昇、過電圧保護、スイッチングの停止、スイッチングの再開を繰り返す。スイッチング不能状態では、同期整流トランジスタのボディダイオードを利用したダイオード整流モードで動作するため、同期整流トランジスタの発熱が顕著となる。間欠動作の停止時間を長くすることにより、同期整流トランジスタの温度上昇を抑制できる。
第2保護回路によれば、同期整流コントローラのゲートピンのオープンに起因するスイッチング不能状態を検出できる。そしてゲートピンのオープン異常が発生したときに、適切な保護措置を講ずることができる。
DC/DCコンバータの負荷電力は、同期整流トランジスタに流れる電流に比例する。したがって負荷電力が小さいときには同期整流トランジスタの電流も小さいため、ダイオード整流モードで動作したとしても問題がない場合がある。この態様によれば、負荷電力があるレベルより小さいときには、負荷に電力を供給し続けることができる。
「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。
図2は、第1の実施の形態に係る絶縁型のDC/DCコンバータ200の回路図である。DC/DCコンバータ200は、フライバックコンバータであり、その入力端子P1に入力電圧VINを受け、所定の目標電圧に安定化された直流の出力電圧VOUTを生成し、出力端子P2に接続される負荷(不図示)に供給する。
VDS2=IS×RON2
RON2は同期整流トランジスタM2のオン抵抗である。そこで電圧コンパレータによって、ドレイン電圧VD2をゼロ付近に設定された負の第2しきい値電圧VTHB(たとえば−10mV)と比較し、ドレイン電圧VD2が第2しきい値電圧VTHBより高くなると、ゼロカレントと判定してもよい。ドライバ304は、パルス信号S11にもとづいて同期整流トランジスタM2を駆動する。
図8は、第1変形例に係るDC/DCコンバータ200dの回路図である。DC/DCコンバータ200dは、第2のフォトカプラ212を備える。フォトカプラ212は、同期整流コントローラ300aのPC端子と接続される。一次側コントローラ202dは、フォトカプラ212の受光素子と接続されており、受光素子にオープン異常を示す電流が流れるとき、スイッチングトランジスタM1のスイッチングを停止する。フォトカプラ212に代えてパルストランスを用いてもよい。
オープン異常が検出されたときの保護処理は、スイッチングトランジスタM1のスイッチングの停止に限定されない。たとえばオープン異常が検出されると、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低下させてもよい。あるいは2次側において、エラーアンプ340やシャントレギュレータの基準電圧VREFを低下させてもよい。
図9は、第3変形例に係るDC/DCコンバータ200eの回路図である。
DRAINピンのオープンが発生すると、異常検出回路310は異常検出信号S13をアサートし、SH_INピンの電圧を低下させる。これによりフォトカプラ204に供給される電流IERRが減少し、フィードバック信号VFBが増大するため、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増加し、出力電圧VOUTが増大していく。つまり故意に過電圧状態を発生させる。
実施の形態では、パルス検出器312によってDRAIN端子に周期信号が発生するか否かを検出したが、その限りで無い。パルス検出器312は、DRAIN端子に代えて、GATE端子あるいはパルス発生器306の出力を監視してもよい。つまりパルス信号S11が一定レベルを維持しており、かつ出力電圧VOUTが発生しているときに、オープン異常と判定してもよい。
同期整流トランジスタM2は、二次巻線W2よりも高電位側に設けられてもよい。
実施の形態ではフライバックコンバータを例としたが、LLCコンバータにも本発明は適用可能である。図10は、第6変形例に係るDC/DCコンバータ200fの回路図である。一次側には、スイッチングトランジスタM11,M12および共振キャパシタC2が設けられる。一次側コントローラ202eは、フィードバック信号VFBにもとづいてトランジスタM11,M12を駆動する。一次側コントローラ202fは公知の技術を用いて構成すればよい。
そこでDRAIN1ピンとDRAIN2ピンを監視し、一方のみに周期信号が発生しているときに、オープン異常と判定することができる。
図12は、第2の実施の形態に係る絶縁型のDC/DCコンバータ200の回路図である。DC/DCコンバータ200は、フライバックコンバータであり、その入力端子P1に入力電圧VINを受け、所定の目標電圧に安定化された直流の出力電圧VOUTを生成し、出力端子P2と接地端子P3の間に接続される負荷(不図示)に供給する。
VDS2=IS×RON2
RON2は同期整流トランジスタM2のオン抵抗である。そこで電圧コンパレータによって、ドレイン電圧VD2をゼロ付近に設定された負の第2しきい値電圧VTHB(たとえば−10mV)と比較し、ドレイン電圧VD2が第2しきい値電圧VTHBより高くなると、ゼロカレントと判定してもよい。ドライバ304は、制御パルスS11にもとづいて同期整流トランジスタM2を駆動する。
同期整流コントローラ300、第1保護回路260、フィードバック回路240は同一チップに集積化し、グランドプレーンを共通化してもよい。この場合、VCC1ピンを省略して、同期整流コントローラ300、フィードバック回路240、第1保護回路260のすべてに、VCC2ピンの電源電圧VCC2を供給してもよい。これにより二次側コントローラ400のピン数を削減できる。
図14では、UVLO回路270によってラッチ回路264をリセットするようにしたが、その限りではない。たとえばラッチ回路264にタイマー機能の実装し、異常検出信号(過電圧検出信号)SOVPのアサート後、所定時間(図13の停止期間に相当)にオートリセットされるようにしてもよい。
第1保護回路260は、過電圧保護回路に限定されない。たとえば同期整流トランジスタM2がスイッチングできないスイッチング不能状態を検出し、スイッチング不能状態においてセット状態となり、フォトカプラ204の発光素子を駆動してもよい。たとえば第1保護回路260は、二次側コントローラ400のGATEピンのオープン異常を検出してもよいし、二次側コントローラ400のDRAINピンのオープン異常を検出してもよい。
図15は、第3の実施の形態に係るDC/DCコンバータ200aの回路図である。DC/DCコンバータ200aは、図12のDC/DCコンバータ200に加えて、第2保護回路360をさらに備える。第2保護回路360は、同期整流トランジスタM2がスイッチングできないスイッチング不能状態を検出する。スイッチング不能状態とは、二次側コントローラ400のGATEピンのオープン(同期整流トランジスタM2のゲートソース間ショート)であってもよいし、DRAINピンのオープンであってもよい。
このように、同期整流トランジスタM2のスイッチング不能状態が生ずると、出力電圧VOUTの上昇、過電圧保護、スイッチングトランジスタM1のスイッチングの停止、スイッチングトランジスタM1のスイッチングの再開を繰り返す。スイッチング不能状態では、同期整流トランジスタM2のボディダイオードを利用したダイオード整流モードで動作するため、同期整流トランジスタM2の発熱が顕著となる。二次側コントローラ400によれば、間欠動作の停止時間を長くできるため、同期整流トランジスタM2の温度上昇を抑制できる。
(1) ゲート正常・重負荷状態では、電圧V31は高くなる。
(2) ゲート正常・軽負荷状態では、電圧V31は高くなる。
(3) ゲートオープン異常・重負荷状態では、電圧V31は低くなる。
(4) ゲートオープン異常・軽負荷状態では、電圧V31は高くなる。
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。DC/DCコンバータ200は、AC/DCコンバータ100に用いることができる。図19は、DC/DCコンバータ200を備えるAC/DCコンバータ100の回路図である。
プラグ902は、図示しないコンセントから商用交流電圧VAC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VOUT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。
Claims (39)
- 絶縁同期整流型のDC/DCコンバータの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であって、
前記同期整流トランジスタのドレイン電圧を受けるドレインピンと、
前記ドレインピンの電圧にもとづいて、パルス信号を生成するパルス発生器と、
前記パルス信号にもとづいて前記同期整流トランジスタを駆動するドライバと、
前記ドレインピンのオープン異常を検出すると、異常検出信号をアサートする異常検出回路と、
を備えることを特徴とする同期整流コントローラ。 - 前記異常検出回路は、前記ドレインピンに周期信号が発生しておらず、かつ前記DC/DCコンバータの出力電圧が発生しているとき、前記異常検出信号をアサートすることを特徴とする請求項1に記載の同期整流コントローラ。
- 前記異常検出回路は、前記パルス信号が一定値を維持しており、かつ前記DC/DCコンバータの出力電圧が発生しているときに、前記異常検出信号をアサートすることを特徴とする請求項1に記載の同期整流コントローラ。
- 前記異常検出回路は、前記DC/DCコンバータの前記出力電圧に応じた検出電圧を所定のしきい値電圧と比較するコンパレータを含むことを特徴とする請求項2または3に記載の同期整流コントローラ。
- 前記DC/DCコンバータは、
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コンバータの前記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、前記受光素子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、
を備え、
前記異常検出回路は、前記発光素子に流れる電流にもとづいて、前記DC/DCコンバータの前記出力電圧が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項2または3に記載の同期整流コントローラ。 - 前記フィードバック回路は、
前記DC/DCコンバータの前記出力電圧に応じた検出電圧とその目標電圧の誤差を増幅するエラーアンプと、
前記エラーアンプの出力端子と接続される制御端子を有し、前記発光素子と同一電流経路上に設けられた第1トランジスタと、
を含み、
前記異常検出回路は、前記第1トランジスタとカレントミラー回路を形成するように接続された第2トランジスタを含み、前記第2トランジスタに流れる電流にもとづいて、前記DC/DCコンバータの前記出力電圧が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項5に記載の同期整流コントローラ。 - 前記DC/DCコンバータは、LLCコンバータであり、2次側には2個の同期整流トランジスタが設けられ、
前記同期整流コントローラは、前記2個の同期整流トランジスタのドレイン電圧を受ける2個のドレインピンを有し、
前記異常検出回路は、前記2個のドレインピンの一方に周期信号が発生し、他方に周期信号が発生しないとき、オープン異常と判定することを特徴とする請求項1に記載の同期整流コントローラ。 - 前記DC/DCコンバータは、
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、
前記受光素子と接続され、前記受光素子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、
を備え、
前記異常検出回路は、前記異常検出信号がアサートされると、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同期整流コントローラ。 - 前記フィードバック回路は、
前記DC/DCコンバータの前記出力電圧に応じた検出電圧とその目標電圧の誤差を増幅するエラーアンプと、
前記エラーアンプの出力端子と接続される制御端子を有し、前記発光素子と同一電流経路上に設けられた第1トランジスタと、
を含み、
前記異常検出回路は、前記第1トランジスタと並列に設けられた第3トランジスタを含み、前記異常検出信号のアサートに応じて、前記第3トランジスタをオンすることを特徴とする請求項8に記載の同期整流コントローラ。 - 前記フィードバック回路は、前記同期整流コントローラと同一のパッケージに収容されることを特徴とする請求項8または9に記載の同期整流コントローラ。
- 前記DC/DCコンバータは、
第1発光素子および第1受光素子を含む第1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、前記第1発光素子を駆動するフィードバック回路と、
前記第1受光素子と接続され、前記第1受光素子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、
第2発光素子および第2受光素子を含む第2フォトカプラと、
を備え、
前記異常検出回路は、前記異常検出信号がアサートされると、前記第2発光素子を駆動し、前記一次側コントローラは、前記第2受光素子の電流にもとづいて、前記スイッチングトランジスタのスイッチングを停止し、またはオン時間を短く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同期整流コントローラ。 - ひと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11のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 前記DC/DCコンバータはフライバックコンバータであ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同期整流コントローラ。
- 前記DC/DCコンバータはLLCコンバータであることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 請求項1から14のいずれかに記載の同期整流コントローラを備えることを特徴とするDC/DCコンバータ。
- 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接続さ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、前記受光素子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のドレインと接続されるドレインピンを有し、前記ドレインピンの電圧にもとづいて、前記同期整流トランジスタを駆動する同期整流コントローラと、
を備え、
前記同期整流コントローラは、前記ドレインピンのオープン異常を検出すると、前記一次側コントローラによる前記スイッチングトランジスタのスイッチングを停止させることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 前記同期整流コントローラは、前記ドレインピンのオープン異常を検出すると、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16に記載のDC/DCコンバータ。
- 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て負荷に供給する請求項15から17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。 - 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て負荷に供給する請求項15から17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。 - 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接続さ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に応じた検出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、前記受光素子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駆動する同期整流コントローラと、
異常状態を検出すると、前記発光素子を駆動する状態を維持する第1保護回路と、
を備え、
前記第1保護回路の少なくとも一部に対する補助電源電圧は、前記DC/DCコンバータの停止状態において、前記出力電圧よりも遅く低下することを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 前記第1保護回路は、
前記異常状態を検出すると、異常検出信号をアサートする第1異常検出回路と、
前記異常検出信号のアサートに応答してセット状態となるラッチ回路と、
前記発光素子と接続され、前記ラッチ回路の前記セット状態においてオン状態となるトランジスタと、
を含み、
少なくとも前記ラッチ回路に前記補助電源電圧が供給されることを特徴とする請求項20に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記第1保護回路は、前記補助電源電圧が解除しきい値を下回ると前記ラッチ回路をリセットするリセット回路をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記ラッチ回路は、前記異常検出信号のアサート後、所定時間経過後に自動リセットされることを特徴とする請求項21に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記第1保護回路は、過電圧保護回路であることを特徴とする請求項20から23のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。
- 前記DC/DCコンバータの出力ラインに接続される出力キャパシタとは別に設けられた電源キャパシタと、
前記出力ラインから前記電源キャパシタへの充電経路と、
をさらに備え、
前記補助電源電圧は、前記電源キャパシタの電圧であることを特徴とする請求項20から22のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。 - 前記充電経路は、前記DC/DCコンバータの前記出力ラインから前記電源キャパシタに向かう電流を許容し、逆向きの電流を阻止する整流素子を含むことを特徴とする請求項25に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記充電経路は、アノードが前記DC/DCコンバータの出力ライン側、カソードが前記電源キャパシタ側となる向きで設けられたダイオードを含むことを特徴とする請求項25に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記同期整流トランジスタがスイッチングできないスイッチング不能状態を検出する第2保護回路をさらに備え、
前記第2保護回路は、前記スイッチング不能状態を検出すると、前記フィードバック回路に入力される前記検出電圧を強制的に低下させることを特徴とする請求項20から27のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。 - 前記第2保護回路は、前記同期整流コントローラの外部に設けられており、前記同期整流トランジスタのゲート電極と接続され、前記ゲート電極にパルスが発生しないときに、前記検出電圧を強制的に低下させることを特徴とする請求項28に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記第2保護回路は、前記DC/DCコンバータの負荷電力が小さいときには、前記検出電圧を低下させないことを特徴とする請求項28または29に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記同期整流コントローラ、前記フィードバック回路および前記第1保護回路は、ひとつのパッケージに収容されていることを特徴とする請求項20から30のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。
- 前記フィードバック回路と前記第1保護回路は、同一チップに集積化されていることを特徴とする請求項20から31のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。
- 前記同期整流コントローラ、前記フィードバック回路および前記第1保護回路は、同一チップに集積化されていることを特徴とする請求項20から32のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。
- 絶縁同期整流型のDC/DCコンバータに使用されるシャントレギュレータ回路であって、
前記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、
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接続さ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、
前記フォトカプラの前記受光素子と接続され、前記受光素子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駆動する同期整流コントローラと、
を備え、
前記シャントレギュレータ回路は、
前記DC/DCコンバータの停止状態において、前記出力電圧よりも遅く低下する補助電源電圧を受ける電源ピンと、
前記検出電圧を受ける制御入力ピンと、
前記発光素子と接続される制御出力ピンと、
前記検出電圧と基準電圧の誤差を増幅するエラーアンプと、
前記制御出力ピンと接続され、前記エラーアンプの出力信号に応じて駆動される第1トランジスタと、
過電圧状態を検出すると、前記発光素子を駆動する状態を維持する過電圧保護回路と、
を備え、
前記補助電源電圧が、前記過電圧保護回路の少なくとも一部に供給されることを特徴とするシャントレギュレータ回路。 - 前記過電圧保護回路は、
前記過電圧状態を検出すると、過電圧検出信号をアサートする過電圧検出回路と、
前記過電圧検出信号をラッチするラッチ回路と、
前記発光素子と接続され、前記ラッチ回路の出力に応じてオン状態となる第2トランジスタと、
を含み、
少なくとも前記ラッチ回路に、前記補助電源電圧が供給されることを特徴とする請求項34に記載のシャントレギュレータ回路。 - 前記同期整流コントローラと同一パッケージに収容されることを特徴とする請求項34または35に記載のシャントレギュレータ回路。
- 請求項34から36のいずれかに記載のシャントレギュレータ回路を備えることを特徴とするDC/DCコンバータ。
- 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て負荷に供給する請求項20から33、37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。 - 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て負荷に供給する請求項20から33、37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。
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