JP2022183603A - 集積回路、電源回路 - Google Patents

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Kota Hojo
博伸 城山
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Abstract

Figure 2022183603000001
【課題】電源回路の電力損失を抑制することが可能な集積回路を提供する。
【解決手段】集積回路は、交流電圧を整流した整流電圧が印加されるインダクタと、前記インダクタに流れるインダクタ電流を制御するトランジスタと、を備え、前記整流電圧を昇圧した出力電圧を生成する電源回路の前記トランジスタのスイッチングを制御する集積回路であって、前記トランジスタをスイッチングするための駆動信号のデューティ比に応じた第1電圧と、第1基準電圧との誤差に応じた第1誤差電圧を出力する第1誤差電圧生成回路と、前記インダクタ電流が所定の電流値となると、前記トランジスタをオンするための前記駆動信号を出力し、前記第1誤差電圧に基づいて、前記デューティ比が所定値となるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する信号出力回路と、を備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、集積回路及び電源回路に関する。
昇圧チョッパー型の昇圧回路は、交流電圧から所定の電圧レベルの直流電圧を生成する(例えば、特許文献1~4)。
特開2010-213423号公報 特開2010-246204号公報 特開2012-010574号公報 特開2020-127282号公報
ところで、昇圧チョッパー型の昇圧回路は、交流電圧の実効値が低い場合、昇圧比を大きくして所定の電圧レベルの直流電圧を生成する必要がある。しかしながら、昇圧比を大きくすると、トランジスタの導通損失が増加する等の影響で、電力損失の増大をもたらす。
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電源回路の電力損失を抑制することが可能な集積回路を提供することにある。
前述した課題を解決する本発明にかかる集積回路は、交流電圧を整流した整流電圧が印加されるインダクタと、前記インダクタに流れるインダクタ電流を制御するトランジスタと、を備え、前記整流電圧を昇圧した出力電圧を生成する電源回路の前記トランジスタのスイッチングを制御する集積回路であって、前記トランジスタをスイッチングするための駆動信号のデューティ比に応じた第1電圧と、第1基準電圧との誤差に応じた第1誤差電圧を出力する第1誤差電圧生成回路と、前記インダクタ電流が所定の電流値となると、前記トランジスタをオンするための前記駆動信号を出力し、前記第1誤差電圧に基づいて、前記デューティ比が所定値となるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する信号出力回路と、を備える。
前述した課題を解決する本発明にかかる電源回路は、交流電圧を整流した整流電圧が印加されるインダクタと、前記インダクタに流れるインダクタ電流を制御するトランジスタと、を備え、前記整流電圧を昇圧した出力電圧を生成する電源回路であって、前記トランジスタのスイッチングを制御するスイッチング制御回路と、前記トランジスタをスイッチングするための駆動信号を平滑化する平滑化回路と、を備え、前記スイッチング制御回路は、前記平滑化回路からの出力と、第1基準電圧との誤差に応じた第1誤差電圧を出力する第1誤差電圧生成回路と、前記インダクタ電流が所定の電流値となると、前記トランジスタをオンするための前記駆動信号を出力し、前記第1誤差電圧に基づいて、前記駆動信号のデューティ比が所定値となるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する信号出力回路と、を含む。
本発明によれば、電源回路の電力損失を抑制することが可能な集積回路を提供することができる。
AC-DCコンバータ10aの一例を示す図である。 集積回路30aの一例を示す図である。 集積回路30aの動作波形の一例を示す図である。 駆動信号Vdrのデューティ比が変化することにより生じる集積回路30aの動作の一例を示す図である。 交流電圧Vac(実効値)と、交流電圧Vacのピーク電圧、出力電圧及び昇圧比との関係を示す図である。 AC-DCコンバータ10bの一例を示す図である。 集積回路30bの一例を示す図である。 交流電圧Vac(実効値)と、交流電圧Vacのピーク電圧、出力電圧及び昇圧比との関係を示す図である。 集積回路30bの動作波形の一例を示す図である。 AC-DCコンバータ10cの一例を示す図である。 集積回路30cの一例を示す図である。 集積回路30dの一例を示す図である。
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。
=====本実施形態=====
図1は、本発明の一実施形態であるAC-DCコンバータ10aの一例を示す図である。AC-DCコンバータ10aは、商用電源11の交流電圧Vacから出力電圧Voutを生成する昇圧チョッパー型の電源回路である。
負荷12は、例えば、DC-DCコンバータや直流電圧で動作する電子機器である。
<<<AC-DCコンバータ10aの概要>>>
AC-DCコンバータ10aは、全波整流回路20、コンデンサ21,23、コイルL1、ダイオード22、NMOSトランジスタ24、抵抗25、及び制御ブロック26aを含んで構成される。
全波整流回路20は、交流電圧Vacを全波整流し、整流電圧Vrec1として、コンデンサ21と、コイルL1とに印加する。
なお、整流電圧Vrec1は、コイルL1の一端に直接印加されているが、例えば、抵抗(不図示)等の素子を介してコイルL1に印加されても良い。また、本実施形態において、「印加」とは、所定のノードに直接的に電圧が供給されることのみならず、抵抗(不図示)等の素子を介して間接的に電圧が供給されること、及び分圧された電圧が供給されることも含む。
コンデンサ21は、インダクタに流れる高周波リプル電流とMOSFETのオン/オフによって生じるスイッチングノイズをフィルタする素子である。
また、コイルL1は、ダイオード22、コンデンサ23、及びNMOSトランジスタ24とともに昇圧チョッパー回路を構成する。このため、コンデンサ23の充電電圧が直流の出力電圧Voutとなる。なお、コイルL1の他端、ダイオード22のアノード及びNMOSトランジスタ24のドレイン電極が接続されるノードの電圧を電圧Vxとする。この時、電圧Vxは、NMOSトランジスタ24のソース電極は接地されているため、NMOSトランジスタ24のドレイン・ソース間電圧となる。
NMOSトランジスタ24は、AC-DCコンバータ10aの負荷12への電力を制御するためのトランジスタである。なお、本実施形態では、NMOSトランジスタ24は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタであることとしたがこれに限られない。NMOSトランジスタ24は、電力を制御できるトランジスタであれば、例えば、バイポーラトランジスタであっても良い。また、NMOSトランジスタ24のゲート電極は、後述の集積回路30aの端子OUTからの駆動信号Vdrにより駆動されるように接続されている。
抵抗25は、インダクタ電流ILを検出するための抵抗であり、一端は、NMOSトランジスタ24のソース電極に接続され、他端は、後述の集積回路30aの端子CSに接続されている。なお、本実施形態では、端子CSに入力される、インダクタ電流ILを示す電圧を電圧Vcsとする。この電圧Vcsは、例えば、接地されたNMOSトランジスタ24のソース電極を基準(接地電圧)として、抵抗25に発生する電圧を反転増幅する反転増幅回路(不図示)から端子CSに印加される電圧であってよい。この場合には、インダクタ電流ILの増加に応じて、端子CSに印加される電圧Vcsが大きくなる。このような正負の反転は、集積回路30aの内部で実施してもよい。
制御ブロック26aは、抵抗25に生じる電圧に基づいてNMOSトランジスタ24を制御する。制御ブロック26aは、集積回路30a、抵抗31,32,34、コンデンサ33,35,36を含んで構成される。
集積回路30aは、交流電圧Vacから出力電圧Voutを生成するよう、NMOSトランジスタ24のスイッチングを制御する集積回路である。具体的には、集積回路30aは、コイルL1に流れるインダクタ電流ILと、後述の電圧Vfbに基づいて駆動信号Vdrのデューティ比が所定値となるよう、NMOSトランジスタ24を駆動する。ここで、デューティ比とは、NMOSトランジスタ24がオンオフする周期に対するNMOSトランジスタ24がオンする期間の比であるものとする。
集積回路30aの詳細については後述するが、集積回路30aには、端子FB,CS,COMP,OUTが設けられている。なお、集積回路30aには、上述した4つの端子FB,CS,COMP,OUT以外にも端子が設けられているが、ここでは便宜上省略されている。また、集積回路30aは、「スイッチング制御回路」に相当する。
抵抗31,32は、駆動信号Vdrを分圧する分圧回路を構成し、コンデンサ33と伴にNMOSトランジスタ24をスイッチングする際に用いられる電圧Vfbを生成する。なお、抵抗31,32が接続されるノードに生成される電圧Vfbは、端子FBに印加される。また、コンデンサ33は、抵抗31と伴に平滑化回路を構成し、駆動信号Vdrを平滑化する。また、電圧Vfbは、「第1電圧」に相当する。
抵抗34及びコンデンサ35,36は、フィードバック制御される集積回路30aの位相補償用の素子である。端子COMPと、接地との間に、抵抗34及びコンデンサ35が直列に設けられ、これらに対し並列にコンデンサ36が設けられている。
<<<集積回路30aの構成>>>
図2は、集積回路30aの一例を示す図である。集積回路30aは、信号出力回路40a、誤差電圧生成回路41を含んで構成される。なお、図2において、便宜上、図1と異なる位置に端子を描いているが、夫々の端子に接続される配線、素子等は、図1及び図2で同じである。
信号出力回路40aは、インダクタ電流ILと、端子COMPの電圧Vcompとに基づいて駆動信号Vdrを出力する。具体的には、信号出力回路40aは、インダクタ電流ILがほぼゼロとなるとNMOSトランジスタ24をオンする駆動信号Vdrを出力する。一方、信号出力回路40aは、後述の発振回路54からの電圧Vrが電圧VcompとなるとNMOSトランジスタ24をオフする駆動信号Vdrを出力する。信号出力回路40aは、検出回路50、遅延回路51、パルス回路52、SRフリップフロップ53、発振回路54、コンパレータ55及びバッファ56を含んで構成される。
誤差電圧生成回路41は、トランスコンダクタンスアンプであり、デューティ比を所定値とするための基準電圧VREF0と、電圧Vfbとの誤差に応じて誤差電流Ieを生成する。また、誤差電圧生成回路41は、誤差電流Ie1で端子COMPを介してコンデンサ35,36を充放電し、電圧Vcompを生成する。これにより、誤差電圧生成回路41は、駆動信号Vdrのデューティ比に応じた電圧Vfbと、基準電圧VREF0との誤差に応じた電圧Vcompを生成する。なお、誤差電圧生成回路41は、「第1誤差電圧生成回路」に相当する。また、本実施形態において電圧Vcompは、「第1誤差電圧」に相当する。
検出回路50は、端子CSの電圧Vcsに基づいて、インダクタ電流ILの電流値が、ほぼゼロを示す“電流値Ia”(以下、便宜上、「ほぼゼロ」を単にゼロと称する。)となったか否かを検出する回路である。なお、本実施形態の検出回路50は、インダクタ電流ILの電流値が、“ゼロ”である“電流値Ia”であることを検出すると、ハイレベル(以下、「“H”レベル」とする。)の信号Vzを出力する。なお、検出回路50は、インダクタ電流ILが“電流値Ia”となる際の抵抗25に生じる電圧に応じた所定電圧と、電圧Vcsに応じた電圧とを比較するコンパレータ(不図示)を含んで構成される。
遅延回路51は、検出回路50から“H”レベルの信号Vzが出力されると、所定時間だけ遅延させて出力する。
パルス回路52は、遅延回路51から“H”レベルの信号Vzが出力されると、“H”レベルのパルス信号Vp1を出力する。
SRフリップフロップ53は、パルス回路52が“H”レベルのパルス信号Vp1を出力すると、“H”レベルの駆動信号Vq1を出力する。一方、SRフリップフロップ53は、後述のコンパレータ55が“H”レベルの信号Vc1を出力すると、ローレベル(以下、「“L”レベル」とする。)の駆動信号Vq1を出力する。
発振回路54は、NMOSトランジスタ24をオンオフする際に必要となる発振電圧Vrを生成する回路である。具体的には、発振回路54は、インダクタ電流ILがほぼゼロより小さくなり、“H”レベルの駆動信号Vq1が入力されると、所定の傾きで振幅が徐々に大きくなる発振電圧Vrを出力する。
コンパレータ55は、電圧Vcompと、発信信号Vrとを比較する回路である。具体的には、電圧Vcompがコンパレータ55の反転入力端子に印加され、発振電圧Vrがコンパレータ55の非反転入力端子に印加されている。このため、コンパレータ55は、発振電圧Vrのレベルが電圧Vcompのレベルより低い場合、“L”レベルの信号Vc1を出力し、発振電圧Vrのレベルが電圧Vcompのレベルより高くなると、“H”レベルの信号Vc1を出力する。
バッファ56は、駆動信号Vq1に基づいてNMOSトランジスタ24を駆動する。具体的には、バッファ56は、入力される信号と同じ論理レベルの信号Vdrで、ゲート容量等の大きいNMOSトランジスタ24を駆動する。また、バッファ56は、“H”レベルの駆動信号Vq1に基づいて、NMOSトランジスタ24をオンし、“L”レベルの駆動信号Vq1に基づいて、NMOSトランジスタ24をオフする。
<<<集積回路30aの動作>>>
図3は、集積回路30aの動作の一例を示す図である。まず、時刻t0においてインダクタ電流ILが減少し、電流値Iaになると、検出回路50は、“H”レベルの信号Vzを出力する。そして、時刻t1において、遅延回路51は、遅延された信号Vzを出力し、パルス回路52は、パルス信号Vp1を出力する。
そして、パルス信号Vp1が出力されると、SRフリップフロップ53は、“H”レベルの駆動信号Vq1を出力するため、駆動信号Vdrも“H”レベルとなる。また、SRフリップフロップ53が“H”レベルの信号Vq1を出力すると、発振回路54は、徐々に高くなるランプ電圧Vrを出力し始める。また、NMOSトランジスタ24は、集積回路30aが“H”レベルの駆動信号Vdrを出力すると、オンする。これにより、電圧Vxは、接地電圧となる。また、インダクタ電流ILは、コイルL1のインダクタ値と、整流電圧Vrec1とに応じた傾きで徐々に上昇する。
時刻t2において、電圧Vrが電圧Vcompとなると、コンパレータ55は“H”レベルの信号Vc1を出力する。これにより、SRフリップフロップ53は、“L”レベルの信号Vq1を出力し、駆動信号Vdrも“L”レベルとなる。また、NMOSトランジスタ24は、集積回路30aが“L”レベルの駆動信号Vdrを出力すると、オフする。また、電圧Vxは、出力電圧Voutに応じた電圧となる。そして、コイルL1には、NMOSトランジスタ24がオンしている際のインダクタ電流ILに応じた逆起電力が生じ、ダイオード22を介してコンデンサ23にインダクタ電流ILを供給し始める。
時刻t3において、インダクタ電流ILが電流値Iaとなると、検出回路50は、“H”レベルの信号Vzを出力する。
時刻t4において、遅延回路51が遅延させた信号Vxを出力すると、パルス回路52は、パルス信号Vp1を出力する。以降、時刻t1の動作が繰り返される。
<<<駆動信号Vdrのデューティ比が目標値になることに関する説明>>>
図4は、駆動信号Vdrのデューティ比が変化することにより生じる集積回路30aの動作の一例を示す図である。なお、時刻t1,t2,t4における集積回路30aの動作は、図3の場合と同様である。また、時刻ta1,ta2,ta4は、それぞれ時刻t1,t2,t4に対応し、時刻tb1,tb2,tb4も同様にそれぞれ時刻t1,t2,t4に対応する。また、時刻t1,t2,t4で示された動作パターンをパターンAとし、時刻ta1,ta2,ta4で示された動作パターンをパターンBとし、時刻tb1,tb2,tb4で示された動作パターンをパターンCとする。
パターンAは、駆動信号Vdrのデューティ比が目標値となっている場合の動作パターンである。パターンAの場合、電圧Vfbは基準電圧VREF0とほぼ一致する。また、電圧Vcompは、駆動信号Vdrのデューティ比が目標値となるようNMOSトランジスタ24をオンするための電圧となっている。
パターンBは、駆動信号Vdrのデューティ比が目標値より小さくなっている場合の動作パターンである。なお、駆動信号Vdrのデューティ比が目標値より小さくなっている場合の電圧Vcompを電圧Vaとして説明する。
また、パターンBの場合、図1の平滑化回路は、デューティ比が目標値となっている場合より低い電圧Vfbを生成する。誤差電圧生成回路41は、電圧Vfbが基準電圧VREF0より低くなると、コンデンサ35,36を充電するように誤差電流Ie1を供給する。そのため、電圧Vaは、デューティ比が目標値となっている場合の電圧Vcompと同じになるよう上昇する。これに伴い、NMOSトランジスタ24のオン期間は長くなるため、駆動信号Vdrのデューティ比は大きくなり、電圧Vfbは基準電圧VREF0に近づくよう上昇する。
パターンCは、駆動信号Vdrのデューティ比が所定値より大きくなっている場合の動作パターンである。なお、駆動信号Vdrのデューティ比が目標値より大きくなっている場合の電圧Vcompを電圧Vbとして説明する。
また、パターンCの場合、図1の平滑化回路は、デューティ比が目標値となっている場合より高い電圧Vfbを生成する。誤差電圧生成回路41は、電圧Vfbが基準電圧VREF0より高くなると、コンデンサ35,36を放電するように誤差電流Ie1を供給する。そのため、電圧Vbは、デューティ比が目標値となっている場合の電圧Vcompと同じになるよう低下する。これに伴い、NMOSトランジスタ24のオン期間は短くなるため、駆動信号Vdrのデューティ比は小さくなり、電圧Vfbは基準電圧VREF0に近づくよう低下する。
以上の動作から、集積回路30aは、駆動信号Vdrを平滑化した電圧Vfbが基準電圧VREF0となるように駆動信号Vdrを生成する。そのため、集積回路30aは、デューティ比が目標値となる駆動信号Vdrを出力する。
<<<交流電圧Vacと出力電圧Vout等との関係>>>
図5は、交流電圧Vac(実効値)と、交流電圧Vacのピーク電圧、出力電圧及び昇圧比との関係を示す図である。なお、一点鎖線は、交流電圧Vacのピーク電圧を示し、実線は、出力電圧Voutを示す。また、破線は、昇圧比を示す。また、昇圧比は、デューティ比をDで表し、ダイオード22の順方向電圧を無視すると、1/(1-D)で表される比である。そして、交流電圧Vacの実効値が大きくなるに伴い、交流電圧Vacのピーク電圧は大きくなる。
集積回路30aは、デューティ比を目標値にするよう動作するため、デューティ比から求まる昇圧比も所定値となる。したがって、出力電圧Voutは、交流電圧Vacの実効値及びピーク値が大きくなるのに伴い大きくなる。
<<<AC-DCコンバータ10bの概要>>>
図6は、AC-DCコンバータ10bの一例を示す図である。ところで、コンデンサ23は、出力電圧Voutが、所定レベル(例えば、450V)を大きく超えると破壊されることがある。そこで、AC-DCコンバータ10bは、交流電圧Vacの実効値が小さい場合に、出力電圧Voutを、交流電圧Vacの実効値に応じて変化させるようにする。一方、交流電圧Vacの実効値が大きくなると、AC-DCコンバータ10bは、出力電圧Voutを所定レベル(例えば、400V)に維持する。また、AC-DCコンバータ10bは、AC-DCコンバータ10aに、出力電圧Voutを分圧する抵抗27,28を追加し、制御ブロック26aを制御ブロック26bとした電源回路である。
制御ブロック26bは、制御ブロック26aにおける集積回路30aを集積回路30bに置き換えたものである。また、集積回路30bの詳細は後述するが、集積回路30bには、端子FB1,FB2,CS,COMP,OUTが設けられている。なお、集積回路30bには、上述した5つの端子FB1,FB2,CS,COMP,OUT以外にも端子が設けられているが、ここでは便宜上省略されている。また、端子CS,COMP,OUTに接続される外部回路は、集積回路30aと同一である。
端子FB1には、集積回路30aの端子FBと同様に、抵抗31,32、コンデンサ33からなる平滑化回路からの電圧Vfb1が印加される。また、端子FB2には、抵抗27,28の接続点からの電圧Vfb2が印加される。なお、端子FB1は、「第1端子」に相当し、端子FB2は、「第2端子」に相当し、端子COMPは、「第3端子」に相当する。
<<<集積回路30bの構成>>>
図7は、集積回路30bの一例を示す図である。集積回路30bは、信号出力回路40b、誤差電圧生成回路41,42を含んで構成される。信号出力回路40bは、信号出力回路40aに対し、選択回路57を更に備える。選択回路57は、誤差電圧生成回路41と、後述の誤差電圧生成回路42とから供給される誤差電流Ie1,Ie2のうちの何れに基づいて電圧Vcompを生成するかを選択する。
具体的には、選択回路57は、後述のダイオード60,61の何れがオンするかに応じて、コンデンサ35,36を誤差電流Ie1又はIe2で放電し、後述の定電流源62のバイアス電流Ibで充電する。なお、図7において、便宜上、図6と異なる位置に端子を描いているが、夫々の端子に接続される配線、素子等は、図6及び図7で同じである。また、同じ参照符号が付されている対象は、図2の集積回路30aと同様である。
選択回路57は、ダイオード60,61,定電流源62を含んで構成される。ダイオード60は、誤差電圧生成回路41の出力にカソードが接続され、端子COMPにアノードが接続される。ダイオード61も同様に、後述の誤差電圧生成回路42の出力にカソードが接続され、端子COMPにアノードが接続される。定電流源62は、内部電源(不図示)から電源電圧Vddに基づいて端子COMPへバイアス電流Ibを供給する。
そのため、コンデンサ35,36は、バイアス電流Ibで充電されつつ、誤差電圧生成回路41からの誤差電流Ie1又は後述の誤差電圧生成回路42からの誤差電流Ie2で放電される。また、選択回路57は、選択結果として、誤差電圧生成回路41の出力の電圧又は誤差電圧生成回路42の出力の電圧を選択する。
誤差電圧生成回路41は、反転入力端子に端子FB1が接続され、電圧Vfb1が印加される。また、誤差電圧生成回路41は、非反転入力端子に基準電圧VREF0が印加される。なお、電圧Vfb1は、「第1電圧」に相当し、ダイオード60は、「第1ダイオード」に相当する。
また、誤差電圧生成回路41は、電圧Vfb1と、基準電圧VREF0との間の誤差に基づく誤差電流Ie1を出力に供給する。具体的には、誤差電圧生成回路41は、出力の電圧が電圧Vcompよりダイオード60の順方向電圧分低く、ダイオード60がオンすると、端子COMPを介して誤差電流Ie1に応じた電流をコンデンサ35,36に流す。また、この場合、コンデンサ35,36は、誤差電流Ie1に応じた電流によって放電されるため、電圧Vcompは、誤差電流Ie1に応じた電流により低下する。なお、基準電圧VREF0は、「第1基準電圧」に相当する。また、誤差電圧生成回路41の出力の電圧は、「第1誤差電圧」に相当する。
一方、誤差電圧生成回路41は、ダイオード60がオフする場合、端子COMPを介して誤差電流Ie1に応じた電流をコンデンサ35,36に流すことができない。
誤差電圧生成回路42は、反転入力端子に端子FB2が接続され、電圧Vfb2が印加される。また、誤差電圧生成回路42は、非反転入力端子に基準電圧VREF1が印加される。なお、基準電圧VREF1は、出力電圧Voutが所定レベルとなる際の抵抗27,28の接続点に生じる電圧Vfb2となるよう定められている。また、電圧Vfb2は、「第2電圧」に相当し、ダイオード61は、「第2ダイオード」に相当する。また、基準電圧VREF1は、「第2基準電圧」に相当する。
また、誤差電圧生成回路42は、電圧Vfb2と、基準電圧VREF1との間の誤差に基づく誤差電流Ie2を出力に供給する。具体的には、誤差電圧生成回路42は、出力の電圧が電圧Vcompよりダイオード61の順方向電圧分低く、ダイオード61がオンすると、端子COMPを介して誤差電流Ie2に応じた電流をコンデンサ35,36に流す。また、この場合、コンデンサ35,36は、誤差電流Ie2に応じた電流によって放電されるため、電圧Vcompは、誤差電流Ie2に応じた電流により低下する。なお、誤差電圧生成回路42の出力の電圧は、「第2誤差電圧」に相当する。
一方、誤差電圧生成回路42は、ダイオード61がオフする場合、端子COMPを介して誤差電流Ie2に応じた電流をコンデンサ35,36に流すことができない。なお、検出回路50は、「電流検出回路」に相当し、信号Vzは、「検出結果」に相当し、SRフリップフロップ53は「出力回路」に相当する。また、誤差電圧生成回路42は、「第2誤差電圧生成回路」に相当する。
<<<集積回路30bの動作>>>
以下で、集積回路30bの動作について説明する。上述の通り、AC-DCコンバータ10aにおいては、交流電圧Vacの実効値が大きくなるにつれて出力電圧Voutも大きくなるように制御していた。そのため、出力電圧Voutが所定レベルを大きく超えると、コンデンサ23が破壊される可能性がある。AC-DCコンバータ10bにおいては、コンデンサ23の破壊を抑制するため、出力電圧Voutが所定レベルを超えると、出力電圧Voutを所定レベルに維持するため、誤差電圧生成回路42を動作させる。したがって、このような動作が成立するように、電圧Vfb1,Vfb2を生成する回路の定数、及び基準電圧VREF0,VREF1は、決定されている。
出力電圧Voutが所定レベル未満である場合、誤差電圧生成回路41は、電圧Vfb1に基づいて、ダイオード60をオンさせるよう、出力の電圧を低下させる。また、選択回路57は、ダイオード60がオンするため、誤差電圧生成回路41の出力の電圧を選択するようになる。そして、出力電圧Voutが所定レベルを超える場合、誤差電圧生成回路42が動作しデューティ比を小さくし、電圧Vfb1は、低下するため、誤差電圧生成回路41は、出力の電圧を上昇させる。これにより、カソードの電圧が高くなるため、ダイオード60はオフする。
結果として、誤差電圧生成回路41は、電圧Vcompを生成しなくなり、選択回路57は、誤差電圧生成回路41の出力の電圧を選択しなくなる。なお、選択回路57が誤差電圧生成回路41の出力の電圧を選択する場合、集積回路30bの動作は、集積回路30aの場合の動作と同様であり、集積回路30bは、図8において交流電圧Vacの実効値が200V未満となる領域に示したように実効値が大きくなると大きくなる出力電圧VoutをAC-DCコンバータ10bに出力させる。なお、図8において、一点鎖線は、交流電圧Vacのピーク電圧を示し、実線は、出力電圧Voutを示す。また、破線は、昇圧比を示す。
また、出力電圧Voutが所定レベルを超える場合、誤差電圧生成回路42は、電圧Vfb2に基づいて、ダイオード61をオンさせるよう、出力の電圧を低下させる。また、選択回路57は、誤差電圧生成回路42の出力の電圧を選択するようになる。そして、出力電圧Voutが所定レベル未満となる場合、電圧Vfb2は、低下するため、誤差電圧生成回路42は、出力の電圧を上昇させる。これにより、カソードの電圧が高くなるため、ダイオード61はオフする。
結果として、誤差電圧生成回路42は、電圧Vcompを生成しなくなり、選択回路57は、誤差電圧生成回路42の出力の電圧を選択しなくなる。また、選択回路57が誤差電圧生成回路42の出力の電圧を選択する場合、集積回路30bは、出力電圧Voutを所定レベルに維持する。この場合、集積回路30bは、図8において交流電圧Vacの実効値が200V以上となる領域に示したように実効値が大きくなっても所定レベルの出力電圧VoutをAC-DCコンバータ10bに出力させる。このような場合の集積回路30bの動作を、図9を参照して以下に説明する。
図9は、集積回路30bの動作波形の一例を示す図である。まず、時刻t10において、インダクタ電流ILが減少し、電流値Iaになると、検出回路50は、“H”レベルの信号Vzを出力する。そして、時刻t11において、遅延回路51は、遅延された信号Vzを出力し、パルス回路52は、パルス信号Vp1を出力する。
そして、パルス信号Vp1が出力されると、SRフリップフロップ53は、“H”レベルの駆動信号Vq1を出力するため、駆動信号Vdrも“H”レベルとなる。また、SRフリップフロップ53が“H”レベルの信号Vq1を出力すると、発振回路54は、徐々に高くなるランプ電圧Vrを出力し始める。また、NMOSトランジスタ24は、集積回路30bが“H”レベルの駆動信号Vdrを出力すると、オンする。これにより、電圧Vxは、接地電圧となる。また、インダクタ電流ILは、コイルL1のインダクタ値と、整流電圧Vrec1とに応じた傾きで徐々に上昇する。
時刻t12において、電圧Vrが電圧Vcompとなると、コンパレータ55は“H”レベルの信号Vc1を出力する。これにより、SRフリップフロップ53は、“L”レベルの信号Vq1を出力し、集積回路30bは、“L”レベルの駆動信号Vdrを出力する。また、NMOSトランジスタ24は、集積回路30bが“L”レベルの駆動信号Vdrを出力すると、オフする。また、電圧Vxは、出力電圧Voutに応じた電圧となる。そして、コイルL1には、NMOSトランジスタ24がオンしている際のインダクタ電流ILに応じた逆起電力が生じ、ダイオード22を介してコンデンサ23にインダクタ電流ILを供給し始める。
時刻t13において、コイルL1からの逆起電力に基づくインダクタ電流ILが減少し、電流値Iaとなると、検出回路50は、“H”レベルの信号Vzを出力する。
時刻t14において、遅延回路51が遅延させた信号Vxを出力すると、パルス回路52は、パルス信号Vp1を出力する。以降、時刻t11の動作が繰り返される。
以上の動作から、集積回路30bは、交流電圧Vacの実効値が大きい場合、出力電圧Voutに応じた電圧Vfb2が基準電圧VREF1となるように駆動信号Vdrを生成する。そのため、集積回路30bは、出力電圧Voutが所定レベルとなるよう駆動信号Vdrを出力する。
===変形例===
図10は、AC-DCコンバータ10cの一例を示す図である。AC-DCコンバータ10cは、AC-DCコンバータ10bの変形例である。AC-DCコンバータ10cは、AC-DCコンバータ10bに対し、制御ブロック26bを制御ブロック26cに置き換えたものである。
制御ブロック26cは、制御ブロック26bに対し、交流電圧Vacを全波整流するダイオード37,38を更に備え、集積回路30bの代わりに集積回路30cを用いている。また、集積回路30cの詳細は後述するが、集積回路30cには、端子FB1,FB2,CS,COMP,OUT,VHが設けられている。
また、ダイオード37,38は、交流電圧Vacを全波整流する全波整流回路を構成し、交流電圧Vacから整流電圧Vrec2を生成する。また、端子VHには、整流電圧Vrec2が印加される。なお、本実施形態では、整流電圧Vrec2をダイオード37,38で生成し端子VHに印加することとしたが、整流電圧Vrec1が印加されるコンデンサ21に生じる電圧を、抵抗(不図示)を介して端子VHに印加することとしてもよい。
なお、集積回路30cには、上述した6つの端子FB1,FB2,CS,COMP,OUT,VH以外にも端子が設けられているが、ここでは便宜上省略されている。また、端子FB1,FB2,CS,COMP,OUTに接続される外部回路は、集積回路30bと同一である。
<<<集積回路30cの構成>>>
図11は、集積回路30cの一例を示す図である。集積回路30cは、集積回路30bの変形例であり、信号出力回路40c、誤差電圧生成回路41,42、識別回路43を含んで構成される。信号出力回路40cは、信号出力回路40bに対し、選択回路57の代わりに、スイッチ回路58を備える。なお、図11において、便宜上、図10と異なる位置に端子を描いているが、夫々の端子に接続される配線、素子等は、図10及び図11で同じである。また、同じ参照符号が付されている対象は、図6の集積回路30bと同様である。
スイッチ回路58は、後述の識別回路43からの信号Sdetに基づいて、誤差電圧生成回路41又は42のうち何れの出力を端子COMPに接続するかを選択する。
識別回路43は、交流電圧Vacがダイオード37,38によって整流された整流電圧Vrec2に基づいて交流電圧Vacの実効値の電圧レベルを識別する。具体的には、識別回路43は、交流電圧Vacの実効値の電圧レベルがレベルVL1である場合、スイッチ回路58に誤差電圧生成回路41を選択させる信号Sdetを出力する。一方、識別回路43は、交流電圧Vacの実効値の電圧レベルがレベルVL2である場合、スイッチ回路58に誤差電圧生成回路42を選択させる信号Sdetを出力する。なお、レベルVL1は、「第1レベル」に相当し、レベルLV2は、「第2レベル」に相当する。また、レベルVL2は、レベルVL1より高い。
<<<集積回路30dの構成>>>
図12は、集積回路30dの一例を示す図である。集積回路30dは、集積回路30b,30cの変形例であり、信号出力回路40a、誤差電圧生成回路41,42、識別回路43、イネーブル回路44を含んで構成される。なお、図12において、便宜上、図10と異なる位置に端子を描いているが、夫々の端子に接続される配線、素子等は、図10及び図12で同じである。また、同じ参照符号が付されている対象は、図10の集積回路30cと同様である。
イネーブル回路44は、識別回路43からの信号Sdetに基づいて信号S1,S2を出力する。具体的には、イネーブル回路44は、識別回路43が、前述のスイッチ回路58に誤差電圧生成回路41を選択させる信号Sdetを出力する場合、誤差電圧生成回路41を選択する信号S1を出力する。誤差電圧生成回路41は、イネーブル回路44が誤差電圧生成回路41を選択する信号S1を出力すると、動作し、電圧Vfb1に応じて誤差電流Ie1を出力する。一方、誤差電圧生成回路41は、イネーブル回路44が誤差電圧生成回路41を選択しない信号S1を出力すると、動作せず、誤差電流Ie1を出力しない。
また、イネーブル回路44は、識別回路43が、前述のスイッチ回路58に誤差電圧生成回路42を選択させる信号Sdetを出力する場合、誤差電圧生成回路42を選択する信号S2を出力する。誤差電圧生成回路42は、イネーブル回路44が誤差電圧生成回路42を選択する信号S2を出力すると、動作し、電圧Vfb2に応じて誤差電流Ie2を出力する。一方、誤差電圧生成回路42は、イネーブル回路44が誤差電圧生成回路42を選択しない信号S2を出力すると、動作せず、誤差電流Ie2を出力しない。なお、誤差電圧生成回路41を選択する信号S1と、誤差電圧生成回路42を選択する信号S2とは、排他的に出力される。
===まとめ===
以上、本実施形態のAC-DCコンバータ10a,10b,10cについて説明した。集積回路30aは、信号出力回路40a、誤差電圧生成回路41を備える。誤差電圧生成回路41は、駆動信号Vdrのデューティ比に応じた電圧Vfbと、基準電圧VREF0との誤差に応じた電圧Vcompを生成する。また、信号出力回路40aは、電圧Vcompに基づいてNMOSトランジスタ24のオン期間を決めるため、デューティ比を目標値に維持する。これにより、集積回路30aは、デューティ比に基づく昇圧比を所定値にし、昇圧比が大きくなることにより生じる電力損失を抑制する。したがって、電源回路の電力損失を抑制することが可能な集積回路を提供することができる。
また、集積回路30bは、信号出力回路40b、誤差電圧生成回路41,42を備える。誤差電圧生成回路42は、出力電圧Voutに応じた電圧Vfb2と、基準電圧VREF1との誤差に応じた電圧Vcompを生成する。また、信号出力回路40bは、出力電圧Voutが所定レベルより高い場合、電圧Vfb2(言い換えると、誤差電圧生成回路42が生成する電圧Vcomp)に基づいて、出力電圧Voutが所定レベルとなるよう、NMOSトランジスタ24をオフする駆動信号Vdrを出力する。また、昇圧比が所定値である場合、交流電圧Vacの実効値が高くなると、出力電圧が所定レベルより高くなるが、集積回路30bは、交流電圧Vacの実効値が高くなっても、出力電圧Voutを所定レベルに維持する。これにより、交流電圧Vacの実効値が高くなっても、出力電圧Voutがコンデンサ23の耐圧を超えることを抑制でき、AC-DCコンバータ10bに安価なコンデンサ23を用いることができる。
また、信号出力回路40bは、検出回路50、SRフリップフロップ53、選択回路57を備える。選択回路57は、出力電圧Voutが所定レベルであるか否かに基づいて誤差電圧生成回路41又は42が生成する誤差電流Ie1又はIe2の何れかで電圧Vcompを生成するかを選択する。これにより、集積回路30bは、交流電圧Vacの実効値に応じて駆動信号Vdrの生成方法を変化させることができる。
また、集積回路30bは、端子FB1,FB2を備える。これにより、集積回路30bは、電圧Vfb1,Vfb2の何れかに基づいて駆動信号Vdrを出力することができる。
また、集積回路30bは、端子COMPを更に備え、選択回路57は、ダイオード60,61、定電流源62を含む。これにより、集積回路30bは、簡易な回路で電圧Vfb1,Vfb2の何れに基づいて駆動信号Vdrを出力するかを制御できる。
また、集積回路30cは、信号出力回路40c、誤差電圧生成回路41,42、識別回路43を備える。また、信号出力回路40cは、交流電圧Vacの実効値の電圧レベルに応じてデューティ比が目標値となる駆動信号Vdr又は出力電圧Voutが所定レベルとなる駆動信号Vdrを出力する。これにより、集積回路30cは、国によって異なる交流電圧Vacの実効値を識別して適切に駆動信号Vdrを出力することができる。
また、集積回路30dは、信号出力回路40a、誤差電圧生成回路41,42、識別回路43、イネーブル回路44を備える。また、誤差電圧生成回路41又は42は、イネーブル回路44からの信号S1又はS2によってイネーブルされる。信号出力回路40aは、イネーブルされる誤差電圧生成回路41又は42からの誤差電流Ie1又はIe2によって生成される電圧Vcompに基づいて駆動信号Vdrを出力する。すなわち、集積回路30dは、誤差電圧生成回路41,42のうち、交流電圧Vacの実効値に応じて必要とされる方のみ動作させる。これにより、集積回路30dは、消費電力を低減することができる。
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更や改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれるのはいうまでもない。
10a,10b,10c AC-DCコンバータ
11 商用電源
12 負荷
20 全波整流回路
21,23,33,35,36 コンデンサ
22,37,38,60,61 ダイオード
24 NMOSトランジスタ
25,27,28,31,32,34 抵抗
26a,26b,26c 制御ブロック
30a,30b,30c,30d 集積回路
40a,40b,40c 信号出力回路
41,42 誤差電圧生成回路
43 識別回路
44 イネーブル回路
50 検出回路
51 遅延回路
52 パルス回路
53 SRフリップフロップ
54 発振回路
55 コンパレータ
56 バッファ
57 選択回路
58 スイッチ回路
62 定電流源

Claims (8)

  1. 交流電圧を整流した整流電圧が印加されるインダクタと、前記インダクタに流れるインダクタ電流を制御するトランジスタと、を備え、前記整流電圧を昇圧した出力電圧を生成する電源回路の前記トランジスタのスイッチングを制御する集積回路であって、
    前記トランジスタをスイッチングするための駆動信号のデューティ比に応じた第1電圧と、第1基準電圧との誤差に応じた第1誤差電圧を生成する第1誤差電圧生成回路と、
    前記インダクタ電流が所定の電流値となると、前記トランジスタをオンするための前記駆動信号を出力し、前記第1誤差電圧に基づいて、前記デューティ比が所定値となるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する信号出力回路と、
    を備える集積回路。
  2. 請求項1に記載の集積回路であって、
    前記出力電圧のレベルに応じた第2電圧と、第2基準電圧との誤差に応じた第2誤差電圧を生成する第2誤差電圧生成回路を更に備え、
    前記信号出力回路は、
    前記出力電圧が所定レベルより高い場合、前記第2誤差電圧に基づいて、前記出力電圧が前記所定レベルとなるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する、
    集積回路。
  3. 請求項2に記載の集積回路であって、
    前記信号出力回路は、
    前記インダクタ電流が前記所定の電流値となったか否かを検出する電流検出回路と、
    前記出力電圧が前記所定レベルより低い場合、前記第1誤差電圧を選択し、前記出力電圧が前記所定レベルより高い場合、前記第2誤差電圧を選択する選択回路と、
    前記電流検出回路の検出結果に基づいて、前記トランジスタをオンするための前記駆動信号を出力し、前記前記選択回路の選択結果に基づいて、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する出力回路と、
    を含む集積回路。
  4. 請求項3に記載の集積回路であって、
    前記第1電圧が印加される第1端子と、
    前記第2電圧が印加される第2端子と、
    を備える集積回路。
  5. 請求項4に記載の集積回路であって、
    コンデンサが接続される第3端子を更に備え、
    前記選択回路は、
    前記コンデンサを充電する電流源と、
    前記第3端子と、前記第1誤差電圧生成回路との間に接続された第1ダイオードと、
    前記第3端子と、前記第2誤差電圧生成回路との間に接続された第2ダイオードと、
    を含む集積回路。
  6. 請求項1に記載の集積回路であって、
    前記交流電圧の実効値の電圧レベルが第1レベル、または前記第1レベルより高い第2レベルであるかを識別する識別回路と、
    前記出力電圧のレベルに応じた第2電圧と、第2基準電圧との誤差に応じた第2誤差電圧を生成する第2誤差電圧生成回路と、
    を更に備え、
    前記信号出力回路は、
    前記実効値の電圧レベルが前記第1レベルであると識別された場合、前記デューティ比が所定値となるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力し、前記前記実効値の電圧レベルが前記第2レベルであると識別された場合、前記出力電圧が所定レベルとなるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する、
    集積回路。
  7. 請求項6に記載の集積回路であって、
    前記識別回路は、前記実効値の電圧レベルが前記第1レベルであると識別した場合、前記第1誤差電圧生成回路を動作させ、前記実効値の電圧レベルが前記第2レベルであると識別した場合、前記第2誤差電圧生成回路を動作させる、
    集積回路。
  8. 交流電圧を整流した整流電圧が印加されるインダクタと、前記インダクタに流れるインダクタ電流を制御するトランジスタと、を備え、前記整流電圧を昇圧した出力電圧を生成する電源回路であって、
    前記トランジスタのスイッチングを制御するスイッチング制御回路と、
    前記トランジスタをスイッチングするための駆動信号を平滑化する平滑化回路と、
    を備え、
    前記スイッチング制御回路は、
    前記平滑化回路からの出力と、第1基準電圧との誤差に応じた第1誤差電圧を生成する第1誤差電圧生成回路と、
    前記インダクタ電流が所定の電流値となると、前記トランジスタをオンするための前記駆動信号を出力し、前記第1誤差電圧に基づいて、前記駆動信号のデューティ比が所定値となるよう、前記トランジスタをオフするための前記駆動信号を出力する信号出力回路と、
    を含む電源回路。
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