JP2020162325A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、特許文献2に記載されている発明においては、二次側導通期間をもとに最小オン時間を設定している。
また、入力電圧低下時にスイッチングを停止しない制御の場合、特に影響が大きく、二次側導通期間に対して最小オン時間が長くなり過ぎ、大きな逆流が発生する恐れがある。
また、PWM方式におけるサブハーモニック発振時には、ドレイン電圧のピーク期間>>二次側導通期間の関係となるため、ドレイン電圧のピーク幅とピーク値の積を元に最小オン時間を決定しても、二次側導通期間に対して最小オン時間が長くなり過ぎ、逆流が流れるおそれがあるという問題点がある。
本発明の他の目的は、一次側の挙動が急に大きく変わったような場合に、二次側の最小オン時間が最適な値から大きくかけ離れてしまうことがないようにすることにある。
本発明のさらに他の目的は、ドレイン電圧をリニアに検出する回路が不要つまり回路実現の難度が低いとともに、二次側導通期間に対して最小オン時間が長くなり過ぎて逆流が流れるのを防止できるようにすることにある。
電圧変換用のトランスと、該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MOSトランジスタと、前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧に基づいて該同期整流用MOSトランジスタをオン、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において、
前記二次側制御回路により検出されたピーク期間及びボトム期間に基づいて、前記同期整流用MOSトランジスタのターンオン時の最小オン時間を設定する最小オン時間設定回路を備えるように構成したものである。
ここで、前記二次側制御回路は、例えば、
前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧のピーク期間を検出するピーク期間検出回路と、
前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧のボトム期間を検出するボトム期間検出回路と、を備え、
前記最小オン時間設定回路は、前記ピーク期間検出回路により検出されたピーク期間と前記ボトム期間検出回路により検出されたボトム期間に基づいて、前記同期整流用MOSトランジスタのターンオン時の最小オン時間を設定するように構成する。
検出された前記ピーク期間および前記ボトム期間に応じた設定基準電圧を生成する最小オン時間設定基準電圧生成回路と、
検出された前記ピーク期間と前記ボトム期間の比率に応じた調整信号を生成する調整信号生成回路と、
前記最小オン時間設定基準電圧生成回路により生成された基準電圧と前記調整信号生成回路により生成された調整信号に応じて最小オン時間に相当する最小オン時間信号を生成する最小オン時間信号生成回路と、
を備えるように構成することで、実現することができる。
かかる構成によれば、サイクル毎に設定基準電圧と調整信号と最小オン時間信号を生成するので、一次側の挙動が急に大きく変わったような場合に、二次側の最小オン時間が最適な値から大きくかけ離れてしまうことがないようにすることができる。
かかる構成によれば、調整信号を受けると最小オン時間を短くする方向へ調整するので、一次側と二次側のオンデューティが大きくなるような、通常の動作から外れた領域の動作や、負荷が不安定になったり負荷が急に軽くなったりする動作に対して、最小オン時間が長くなって逆流が流れるのを防止することができる。
かかる構成によれば、一次側の挙動が急に大きく変わったような場合に、二次側の最小オン時間が最適な値から大きくかけ離れてしまうことがないようにすることができる。また、最小オン時間を短くするように調整するので、異常な動作で最小オン時間が長くなって逆流が流れるのを防止することができる。
前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧に基づいて該同期整流用MOSトランジスタをオフさせるタイミングを検出するオフタイミング検出回路と、
前記ドレイン電圧に基づいて前記同期整流用MOSトランジスタをオンさせるタイミングを検出するオンタイミング検出回路と、
前記オフタイミング検出回路の検出信号と前記オンタイミング検出回路の検出信号と前記最小オン時間信号に基づいて前記同期整流用MOSトランジスタをオン、オフ制御する制御信号を生成するオン、オフ制御回路と、を備え、
前記オン、オフ制御回路は、前記最小オン時間信号が示す最小オン時間の経過に伴い、前記ゲートドライバ回路のソース側スイッチをオフさせるように構成する。
かかる構成によれば、最小オン時間経過で先にソース側のスイッチをオフしておくことで、ソース側スイッチとシンク側スイッチの同時オン防止のためのデッドタイム分の待ち時間が短くなり、同期整流用MOSトランジスタのターンオフを高速化することができる。
図1は、本発明を適用した同期整流方式の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、一次側コイルLpと二次側コイルLsおよび補助巻線Laを有する電圧変換用のトランス10を備え、該トランス10の一次側にNチャネルMOSトランジスタからなるスイッチング素子SWおよびその制御回路(一次側制御回路)11を設け、二次側に同期整流素子としてのMOSトランジスタS0およびその制御回路(二次側制御回路)20を設けた絶縁型DC−DCコンバータとして構成されている。この実施形態では、トランス10に、二次側コイルLsの極性が一次側コイルLpと逆極性のものが使用されており、フライバックコンバータとして動作するように構成されている。
また、この実施例のDC−DCコンバータは、一次側制御回路11に接続され二次側の回路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11はフィードバック信号に応じてスイッチング素子SWのスイッチング周波数またはデューティ比を変化させて、負荷や入力電圧の変動に対応するように構成されている。
また、トランス10の二次側には、出力端子OUT1−OUT2間に、フィードバック用のフォトダイオードPDおよび誤差アンプE-AMPが接続されている。誤差アンプE-AMPは出力電圧VOUTのレベルに比例した電流をフォトダイオードPDに流すように構成されている。
図2に示されているように、二次側制御回路20は、同期整流用MOSトランジスタS0のドレイン端子が接続されるドレイン電圧検出端子P1の電圧VDSと所定のしきい値電圧Vth_on(例えば-200mV)とを比較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21、ドレイン電圧検出端子P1の電圧VDSと所定のしきい値電圧Vth_off(例えば0〜-150mV)とを比較するコンパレータなどからなるオフタイミング検出回路22を備える。
ここで、オンタイミング検出回路21の判定しきい値Vth_onは、同期整流用MOSトランジスタS0のボディダイオードに電流が流れ始めたことを確実に検出できるように、ボディダイオードの順方向電圧を考慮した電圧に設定される。
図3および図4において、(a)は同期整流用MOSトランジスタS0のドレイン電圧VDS、(b)はドレイン電圧VDSのピーク期間Tpとボトム期間Tbを表わすタイマー値を変換した電圧として生成されるMOTしきい値Vmot、(c)はMOTタイマー28のタイマー値、(d)はMOTタイマー28の出力(最小オン時間信号)MOTの変化をそれぞれ示す。図3(b)において、実線Dはタイマーの値を、破線Sは実線Dを特定のタイミングでサンプリングして生成される電圧であり、この電圧がMOTタイマー28へMOTしきい値Vmotとして供給される。
上記のように、ドレイン電圧VDSのピーク期間Tpの大きさとボトム期間Tbの大きさの両方に応じて最小オン時間信号MOTのパルス幅を調整することで、ドレイン電圧のピーク値とピーク幅が入力電圧に比例して変化したとしても、入力電圧の影響を抑制して負荷の大きさに合わせて適切な最小オン時間を決定し、最小オン時間が長すぎて逆流が流れる現象が生じるのを防止することができる。なお、図3および図4において、(a)のドレイン電圧VDSのt2〜t3期間の波形は、軽負荷時の電流不連続モードで現れる共振による波形である。
すると、MOTタイマー28から出力される最小オン時間信号MOTは、図4(d)においてもともとは点線で示すように、MOTタイマー28のタイマー値がしきい値Vmotに到達した時点でローレベルに変化する最小オン時間信号MOTが実線で示すように、立下りが早められるようになる。
上記のような最小オン時間信号MOTのパルス幅調整を行うことで、一次側の挙動が急に大きく変わったような場合に、二次側の最小オン時間が最適な値から大きくかけ離れてしまうことがないようにすることができる。
Tpのタイマー値>(Tp+Tb)のタイマー値
の時に、次のサイクルの最小オン時間信号MOTを短縮させるトリガパルスTG2(図5(c))を生成し、出力する。
そして、上記のような最小オン時間信号MOTのパルス幅調整を行うことで、例えば二次側の負荷が大きく変化するなどしてピーク期間Tpとボトム期間Tbの比率が大きく変わったような場合に、二次側の最小オン時間が最適な値からかけ離れてしまうことがないようにすることができる。
このうちピーク期間検出タイマー回路23は、図6に示されているように、ドレイン電圧VDSと所定のしきい値電圧Vt1とを比較してピーク期間の開始点を検出するコンパレータCMP1と、電源電圧端子VCCと接地点との間に直列に接続された定電流源CC1、スイッチS1及びコンデンサC0とから構成され、ボトム期間検出タイマー回路24は、ドレイン電圧VDSと所定のしきい値電圧Vt2とを比較してボトム期間の開始点を検出するコンパレータCMP2と、電源電圧端子VCCと接地点との間に直列に接続された定電流源CC2、スイッチS2及びコンデンサC0とから構成されている。そして、コンデンサC0がタイマー値−電圧変換回路25として機能する。また、コンデンサC0と並列に、コンデンサC0の充電電荷を放電させるリセット用スイッチSrが接続されているとともに、コンパレータCMP2の出力信号の立下りに同期してスイッチSrをオンさせてコンデンサC0の充電電荷を放電させるリセットパルスRPを生成するワンショットパルス生成回路OSPが設けられている。
上記のように本実施例では、ピーク期間検出タイマー回路23とボトム期間検出タイマー回路24及びタイマー値−電圧変換回路25は、コンデンサ(C0)を共通にした一体の回路として構成されている。
定電流源CC3の電流値は定電流源CC1,CC2の電流値よりも大きな値に設定され、スイッチS5はピーク期間検出タイマー回路23のコンパレータCMP1の出力を反転した信号により制御される。これにより、コンデンサC3はドレイン電圧VDSのピーク期間Tpだけ定電流源CC3の電流により充電される。
そのため、ピーク・ボトム比計算回路27のコンパレータCMP4は、
Tpのタイマー値>(Tp+Tb)のタイマー値
の関係が成立しているか判定することができる。
そして、上記不等式の関係が成立したときに、コンパレータCMP4はMOTタイマー28へ、トリガパルス生成回路TRG2を介して短縮トリガパルスTG2を出力する。トリガパルス生成回路TRG2は、コンパレータCMP4の出力を判断し、MOTタイマー28が動作するタイミングに合わせて短縮トリガパルスTG2を生成する。なお、コンパレータCMP4の反転入力端子に、所定のオフセットを付与する手段を設けることで、ピーク期間Tpがボトム期間Tbに比べて所定以上大きいときに短縮トリガパルスTG2を出力するように構成しても良い。
図7に示されているように、MOTタイマー28は、電源電圧端子VCCと接地点との間に直列に接続された定電流源CC4及びコンデンサC4、コンデンサC4と並列に接続されたリセット用のスイッチS6からなるタイマー回路TMRを備える。スイッチS6は、前記オンタイミング検出回路21からの検出信号ON_SIGを反転した信号によってオン、オフ制御される。これにより、タイマー回路TMRは、オンタイミング検出信号ON_SIGがハイレベルの間だけ定電流源CC4の電流でコンデンサC4を充電することで、同期整流用MOSトランジスタS0をオンすべき期間に相当するタイマー値を出力する。
図8(A)に示されているように、ゲートドライバ回路30は、電源電圧端子VCCと接地点GNDとの間に直列に接続されたPチャネルMOSトランジスタM1およびNチャネルMOSトランジスタM2からなり、M1とM2の接続ノードに同期整流用MOSトランジスタS0のゲート端子が接続されている。
本実施例のオン・オフ制御回路29においては、最小オン時間経過時点で先にソース側スイッチ(M1)をオフさせることで、遅延回路DLY1による遅延時間分の時間を短縮でき、オフタイミング検出信号OFF_SIGが検出されてから同期整流用MOSトランジスタS0のターンオフまでの時間を高速化させることができる。
このように、MOSトランジスタM1をNチャネルMOSトランジスタに変更した場合、ゲート駆動電圧VGの最大値はトランジスタM1のゲート電圧からM1のスレッショルド電圧を引いた値までに制限されるため、ゲート駆動電圧VGの上限を容易にクランプすることができる。
また、上記実施形態の二次側制御回路においては、二次側同期整流用MOSトランジスタを駆動するゲートドライバのソース(ターンオン)側とシンク(ターンオフ)側のスイッチの駆動信号を分けて、ターンオフの際に、先ずソース側スイッチのオン状態を最小オン時間経過で解除させている。一般的には、ターンオフの際に、ソースのオン解除→同時オン防止のデッドタイム→シンク起動、という流れで制御が行われているが、上記実施形態のように、最小オン時間経過で先にソース側スイッチを遮断しておくことで、同期整流用MOSトランジスタのターンオフを高速化できる。
また、上記実施形態では、各種期間を計時するタイマー回路を、定電流源とコンデンサとからなるアナログタイマー回路で構成しているが、所定周波数のクロック信号を計数するディジタルタイマー回路で構成するようにしても良い。
そして、2個の同期整流用MOSトランジスタを有するハーブブリッジ擬似共振方式のDC−DCコンバータの場合、2個の同期整流用MOSトランジスタをそれぞれに対応して設けられた二次側制御回路で制御しても良いし、2個の同期整流用MOSトランジスタを共通の二次側制御回路で制御するように構成しても良い。
Claims (7)
- 電圧変換用のトランスと、該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MOSトランジスタと、前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧に基づいて該同期整流用MOSトランジスタをオン、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により検出されたピーク期間及びボトム期間に基づいて、前記同期整流用MOSトランジスタのターンオン時の最小オン時間を設定する最小オン時間設定回路を備えていることを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記二次側制御回路は、
前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧のピーク期間を検出するピーク期間検出回路と、
前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧のボトム期間を検出するボトム期間検出回路と、を備え、
前記最小オン時間設定回路は、前記ピーク期間検出回路により検出されたピーク期間と前記ボトム期間検出回路により検出されたボトム期間に基づいて、前記同期整流用MOSトランジスタのターンオン時の最小オン時間を設定す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。 - 前記最小オン時間設定回路は、
検出された前記ピーク期間および前記ボトム期間に応じた設定基準電圧を生成する最小オン時間設定基準電圧生成回路と、
検出された前記ピーク期間と前記ボトム期間の比率に応じた調整信号を生成する調整信号生成回路と、
前記最小オン時間設定基準電圧生成回路により生成された基準電圧と前記調整信号生成回路により生成された調整信号に応じて最小オン時間に相当する最小オン時間信号を生成する最小オン時間信号生成回路と、
を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載のスイッチング電源装置。 - 前記最小オン時間設定基準電圧生成回路と前記調整信号生成回路と前記最小オン時間信号生成回路は、それぞれ前記同期整流用MOSトランジスタのスイッチングサイクルごとに、設定基準電圧と調整信号と最小オン時間信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載のスイッチング電源装置。
- 前記調整信号生成回路は、検出された前記ピーク期間と前記ボトム期間の比率が所定値以上の場合に前記調整信号を生成し、前記最小オン時間信号生成回路は前記調整信号を受けると前記最小オン時間を短くする方向へ調整した最小オン時間信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項3または4に記載のスイッチング電源装置。
- 前記基準電圧をスイッチングサイクルごとに取り込んで保持するサンプルホールド回路と、1サイクル前の基準電圧との差を判定する電圧差判定回路とを備え、1サイクル前の基準電圧との差が所定値より大きい場合に、前記最小オン時間信号生成回路は前記最小オン時間を短くする方向へ調整最小オン時間信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源装置。
- ソース側スイッチとシンク側のスイッチを備え、前記同期整流用MOSトランジスタをオン、オフ制御するゲート駆動電圧を生成するゲートドライバ回路と、
前記同期整流用MOSトランジスタのドレイン電圧に基づいて該同期整流用MOSトランジスタをオフさせるタイミングを検出するオフタイミング検出回路と、
前記ドレイン電圧に基づいて前記同期整流用MOSトランジスタをオンさせるタイミングを検出するオンタイミング検出回路と、
前記オフタイミング検出回路の検出信号と前記オンタイミング検出回路の検出信号と前記最小オン時間信号に基づいて前記同期整流用MOSトランジスタをオン、オフ制御する制御信号を生成するオン、オフ制御回路と、を備え、
前記オン、オフ制御回路は、前記最小オン時間信号が示す最小オン時間の経過に伴い、前記ゲートドライバ回路のソース側スイッチをオフさせるように構成されていることを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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