JP3250881B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
に関するものであり、更に詳細にはスイッチング電源に
使用される集積回路デバイスに関するものである。
に適した電源の型と電源を構築するために選ばれる部品
とを選択する時の最大の関心事である。集積回路(I
C)技術が進歩して複雑なスイッチングモード回路のほ
とんどの部分を単一のチップ上へ集積できるようになっ
たため、スイッチング電源はそれよりもずっと簡単な線
形電源とコスト的に競合できるようになってきた。1つ
の指標としてICパッケージのピン数が少なくなればな
るほど、コストも低下するといえる。支援部品が少なく
なることや周辺回路部品のコストが下がることもまた電
源全体のコストを低下させる要因となる。
それは全波整流のブリッジ整流器12、一次巻線16と
一対の二次巻線18、20とを備えた変圧器14、スイ
ッチングモード電源チップ22、複数個のフィルタコン
デンサ24−27、一対のダイオード28と30、およ
び高電圧、高電力の抵抗32を含んでいる。チップ22
を動作させる電源は、二次巻線20、ダイオード30、
およびコンデンサ27によって作り出され、それをここ
ではVbiasとしている。しかし、電源投入時にはチ
ップ22がスイッチング動作をしていないので、一次巻
線16は開放状態にあって二次巻線20に電圧は誘導さ
れないであろうから、チップ22は電源なしの状態にな
る。従ってスイッチングを開始させるために、ブリッジ
整流器12へ抵抗32をつないで直流高電圧の中間タッ
プを設け、電流整流のためのコンデンサ25を備える。
このタップから抵抗32を経由してチップ22を起動さ
せるのにちょうど足りるような電流が供給される。残念
なことに、ラインの高電圧がチップ22に必要とされる
低電圧へ低下する過程でかなりの量の電力が消費される
ため、抵抗32は高電力型のものでなければならない。
この電力消費は定常的であり、Vbiasが利用できるよう
になった後でもそうである。この問題は入力電圧範囲が
広い(例えば、汎用的な動作電圧の交流80−275ボ
ルト)場合に特に重大である。最悪の場合の設計基準を
採用すれば、抵抗32は考え得る最低の電圧時に起動電
流を供給し得るように設計されなければならない。そう
すれば、考え得る最大の電圧時には、抵抗32はもっと
大きい電力を消費することになる。そのような高電力型
の抵抗は付加的な空間と空気の循環とを必要とすること
もこの問題を更に複雑にしている。
0を示しているが、この場合には抵抗32を無くして、
チップ22もスイッチングモード電源チップ52で置き
換えられている。チップ52の内部の電圧調整器が抵抗
32を不要としており、高電圧前置調整器トランジスタ
54、直列パストランジスタ56、および不足電圧比較
器58を含んでいる。抵抗60がトランジスタ54をオ
ン状態にバイアスし、初期の電源投入時に、トランジス
タ54はトランジスタ56をプルアップし、電源出力ト
ランジスタ64をスイッチングするパルス幅変調器(P
WM)62へ電源を供給する。一次巻線16両端に電圧
が生じ、従って二次巻線20に電圧が誘導されて、それ
がVbiasを供給する。Vbiasが供給されることによって
比較器58はトランジスタ54をオフ状態に保つように
動作し、それ以降は高電圧は必要とされない。高電圧前
置調整器54をターンオフすることは起動後の電力の節
約に有効であるが、高電圧トランジスタや追加のピン、
そして高電圧の安全のための十分な空間が必要とされる
ことから、そのような機能を組み込むことの方が高価に
つく。
器に使用される典型的な従来技術の高電圧トランジスタ
は通常は比較的小さいデバイスである。従って、このト
ランジスタのライン過渡現象に対する耐性は限られたも
のである。従って、このトランジスタに付随するピン
が、そのスイッチング調整器チップに関する静電的な放
電(ESD)および安全動作領域(SOA)の定格を制
限する因子となる。
をタップ入力するための専用の端子ピンを必要としない
スイッチングモード電源チップを得ることである。
力の交流ライン電圧を整流するための全波整流式のブリ
ッジ整流器、一次巻線と2本の二次巻線とを備える変圧
器、そしてドリフト領域に低電圧タップを備える集積化
された高電圧の電力用MOSFETを含むスイッチング
モード電源チップを含むスイッチング電源である。この
MOSFETは変圧器の一次巻線の電力スイッチングを
制御し、初期の電源投入時に高電圧を与えられて有して
いる。この高電圧は、MOSFETのJFET部で電圧
降下を起こし、そのMOSFETのスイッチングを制御
するチップ中のパルス幅変調器を動作させるための電力
を一時的もしくは定常的に調整器へ供給する。
抵抗や高電圧の前置調整器を必要としない集積回路が提
供されることである。
部品とを必要とする簡単な完全集積化電源チップを許容
する集積回路が提供されることである。
集積回路が提供されることである。
抗を使用している従来技術の電源と比較してかなりの電
力節約ができる集積回路が提供されることである。
ピンを備える完全集積化スイッチング電源を許容する集
積回路が提供されることであって、従って、少なくとも
2本の高電圧ピンを必要とする従来技術の構成と比べて
静電的放電および安全動作領域の問題を緩和できること
である。
は、図面に示された好適実施例に関する以下の詳細な説
明を参考にすることで当業者には明かとなるであろうこ
とは疑いない。
は一般的な参照符号70で示している。電源70は全波
整流のブリッジ整流器72、一次巻線76と一対の二次
巻線78、80とを備える変圧器74、およびスイッチ
ングモード電源チップ82を含んでいる。チップ82中
に含まれる高電圧の電力用金属−酸化物−半導体電界効
果トランジスタ(MOSFET)84は、等価的に、接
合電界効果トランジスタ(JFET)86と絶縁ゲート
FET(IGFET)88とを含んでいる。タップ90
はIGFET88がオフの時に、調整器92と抵抗94
とに対して低電圧を供給する。
s H.Eklund)による、1989年3月7日付
けの米国特許第4,811,075号に述べられている
ものであることが望ましい。絶縁ゲート電界効果トラン
ジスタと両面接合ゲート電界効果トランジスタとが同一
半導体チップ上で直列につながれて高電圧MOS電界効
果トランジスタを形成している。延長されたドレイン領
域が逆の伝導形材料の基板の上に形成される。この材料
の最上層は基板と同様に、延長されたドレイン領域と同
じマスクを使用したイオン打ち込みによって形成され
る。この最上層はドレイン延長部の中間部分のみを覆っ
ており、ドレイン延長部の両端は上部の二酸化シリコン
層へつながっている。ドレイン延長部を通る電流は基板
と最上層とによって制御される。それらは良く知られた
電界効果によってそれらの間でドレイン延長部をピンチ
オフさせる。MOSFET84のドリフト領域は高いラ
イン電圧をチップ82のバイアス用に低電圧にまで電圧
降下させるために使用される。JFET86とIGFE
T88の間のタップ90接続点は、JFET86のピン
チオフ作用のために典型的には15−20ボルトに制限
される。
ランジスタ102を制御する不足電圧比較器100に対
して電圧分割の機能を提供する。トランジスタ102の
出力はパルス幅変調器(PWM)104への内部的な低
電圧電源である。一旦、内部低電圧電源が生すると、P
WM104はIGFET88をオンにもオフにも制御で
きるようになる。これにより変圧器74が動作できるよ
うになって巻線80に電圧が誘導される。ダイオード1
06と一対のコンデンサ108、110が平滑化された
直流低電圧をVbiasとして接続点112へ供給する。ピ
ンチオフされたJFET86は電流源のように振る舞
い、バイパスコンデンサ110を充電する電流を供給す
る。この後はVbiasが内部低電圧電源となって、ト
ランジスタ92がターンオフされる。接続点112の電
圧が要求値に達すると、その電圧はトランジスタ92を
制御することによって調整されるようになる。
JFET86を通して内部低電圧電源の平均された電流
要求を満たすに十分な電流を供給する時間が確保され
る。もし必要であれば、チップ82を高ライン電圧から
連続的に動作させることもできる。しかし、通常動作の
ためのチップ電源電流を高電圧ラインから供給すること
はJFET86中での多量の電力損失を招き、それは変
圧器出力から取り出される低電圧Vbiasを使用すれ
ば回避できることである。この後者の場合には、接続点
112の電圧がチップ82の動作電圧に到達した後にチ
ップ82が駆動された時には、トランジスタ92はター
ンオフされ、チップ82へVbiasを用いて電源供給がな
される。これがうまく動作するためには、コンデンサ1
10は十分大きなものであって、Vbiasが上昇してしま
うまでに電圧の低下なしに電源電流を供給できるもので
なければならない。比較器100の履歴特性は、トラン
ジスタ92がターンオフするのとVbiasがそれの通
常の動作レベルへ立ち上がるのとの間に存在する遷移期
間の間、コンデンサ110の両端間の幾分かの電圧低下
を許容する。もし、Vbiasがその完全な値に到達す
る前にコンデンサ110両端間の電圧が履歴値よりも更
に低下すれば、比較器100がトランジスタ92をスイ
ッチオンし、トランジスタ102をオフして、Vbiasが
利用できるようになるまで起動サイクルが繰り返され
る。
示す。MOSFET84は高電圧、高電流型のものであ
るから、これを組み込むために必要とされるチップ面積
はかなりの大きさとなる。図2の従来技術の例では、高
電圧トランジスタ54もまたかなり大きいチップ面積を
必要とするものである。従って、本発明の高電圧トラン
ジスタのようなトランジスタを排除することは、ダイの
寸法と製造コストの双方を低減することにつながる。
いて説明してきたが、この開示は限定的な意図のもので
はないことを理解されたい。上記の開示を参考にして各
種の変更や修正が当業者には思いつかれるであろうこと
は疑いない。従って、本発明の特許請求の範囲はすべて
の変更や修正を本発明の範囲に含まれるものとして包含
するものと解釈されるべきである。以上の説明に関して
更に下記の項を開示する。 (1) スイッチングモード電源チップであって: スイッチングモード電源変圧器の一次巻線をオンおよび
オフ状態へスイッチングするための電力スイッチング手
段であって、第2のトランジスタのドレインへ供給され
る電圧を制限するための第1のトランジスタを含む電力
スイッチング手段、 前記第2のトランジスタの前記ドレ
インへつながれた低電圧タップ、および 電力オフの状態
から前記チップを起動させる時に、低電圧タップから前
記電力スイッチング手段の動作を開始させるのに十分な
供給電圧を発生させるための調整器手段、を含むチッ
プ。 (2) 第1項記載のチップであって、 前記電力スイッ
チング手段がMOSFETデバイスを含み、前記第1の
トランジスタがアースされたゲートを有するJFETで
あり、前記第2のトランジスタがアースされたソースを
有するIGFETである、チップ。 (3) 第1項記載のチップであって、 前記調整器手段
が第3のトランジスタと前記第3のトランジスタのゲー
トをプルアップするための抵抗とを含み、更に前記第3
のトランジスタのソースにおいて調整された電圧を保持
するための電圧比較器を含んでいる、チップ。 (4) 第1項記載のチップであって、 前記電力スイッ
チング手段がMOSFETを含み、前記第1のトランジ
スタがアースされたゲートを有するJFETであり、前
記第2のトランジスタがアースされたソースを有するI
GFETであって、更に 前記調整器手段が第3のトラン
ジスタと前記第3のトランジスタのゲートをプルアップ
するための抵抗とを含み、更に前記第3のトランジスタ
のソースにおいて調整された電圧を保持するための電圧
比較器を含んでいる、チップ。 (5) 内部発生式の起動バイアスを備える集積回路
(IC)であって: 前記ICへつながる高電圧出力電流をオンおよびオフ状
態へスイッチングするための電力スイッチング手段であ
って、第2のトランジスタのドレインへ供給される電圧
を制限するための第1のトランジスタを含む電力スイッ
チング手段、 前記第2のトランジスタの前記ドレインへ
つながれた低電圧タップ、および 電力オフの状態から前
記チップを起動させる時に、低電圧タップから前記電力
スイッチング手段の動作を開始させるのに十分な供給電
圧を発生させるための調整器手段、を含むチップ。 (6) 電源であって: 入力交流電力から直流高電圧を生成するための全波整流
ブリッジ整流器手段、 前記全波整流ブリッジ整流器手段
からの前記直流高電圧を平滑化するためのフィルタコン
デンサ手段、 前記直流高電圧から、絶縁された直流出力
とチップバイアス電圧とを生成するための変圧器手段、
および 前記変圧器手段を通して前記直流高電圧をスイッ
チングさせて、前記絶縁された直流出力とチップバイア
ス電圧とを調整させるための集積回路チップ手段であっ
て: ゲートを前記電源のアースへつながれた接合電界効果ト
ランジスタ(J FET)であって、前記変圧器手段を通
して前記直流高電圧へつながれたド レインが前記直流高
電圧に等しい電圧が前記JFETのソースへ現れるのを
妨げるようになった接合電界効果トランジスタ(JFE
T)、 ソースを前記アースへつながれ、ドレインを前記JFE
Tの前記ソース へつながれた絶縁ゲート電界効果トラン
ジスタ(IGFET)、 前記絶縁された直流出力からのサンプリングされた電圧
に応答して、前 記IGFETのゲートを駆動するための
パルス幅変調器(PWM)手段、お よび 前記JFETの
前記ソースにおいて利用できる電圧から前記PWM手段
へ動作電流を供給するための第1の電圧調整器手段、 を含む集積回路チップ手段、 を含む電源。 (7) 第6項記載の電源であって、前記集積回路手段
が更に: 前記絶縁されたチップバイアス電圧から前記PWM手段
へ動作電流を供給するための第2の電圧調整器手段、 を含んでいる電源。 (8) スイッチングモード電源チップであって: スイッチングモード電源変圧器の一次巻線をオンおよび
オフ状態へスイッチングするための電力スイッチング手
段であって、第2のトランジスタのドレインへ供給され
る電圧を制限するための第1のトランジスタを含む電力
スイッチング手段、 前記第2のトランジスタの前記ドレインへつながれた低
電圧タップ、および 低電圧タップから前記電力スイッチ
ング手段を連続的に動作させるのに十分な供給電圧を発
生させるための調整器手段、 を含むスイッチングモード電源チップ。
降下抵抗を含む従来技術の電源の模式図。
調整器トランジスタを電源チップ内に含む別の従来技術
の電源の模式図。
置図。
Claims (6)
- 【請求項1】 互いに直列に接続され,更にスイッチン
グモード電源の変圧器の1次巻線に直列に接続された第
1トランジスタと第2トランジスタであり,前記1次巻
線からの電流をスイッチングし,前記第1トランジスタ
のドレインに現れる電圧が前記第2トランジスタのドレ
インにそのまま到達しないよう制限する前記第1および
第2トランジスタと, 前記第2トランジスタの前記ドレインと前記第1トラン
ジスタのソースとの共通接合部に接続され,前記第1ト
ランジスタの前記ドレインに現れた電圧から低減された
電圧を引き出すための低電圧タップと, 前記低電圧タップに接続され,前記変圧器からの出力を
調整するために前記第1および第2トランジスタを制御
するパルス幅変調手段に起動電力を供給するために前記
低電圧タップから初期の電圧供給を引き起こす電圧調整
手段であり,一旦前記出力の調整が確立されると,前記
変圧器の2次巻線はその後,前記パルス幅変調手段に電
源を供給し得るようになっている電圧調整手段と, を含むスイッチングモード電源チップ。 - 【請求項2】 前記第1トランジスタはゲートが接地さ
れた接合型電界効果トランジスタであり,前記第2トラ
ンジスタはソースが接地された絶縁ゲート電界効果トラ
ンジスタである請求項1記載のチップ。 - 【請求項3】 前記電圧調整手段は,前記低電圧タップ
に接続された第3トランジスタと,該第3トランジスタ
のゲートをプルアップするために接続された抵抗と,前
記第3トランジスタの前記ゲートに接続された出力を有
し,前記第3トランジスタのソースに調整電圧を保持す
る電圧比較器であり,該電圧比較器の2つの入力が基準
電圧と前記調整電圧のサンプルに接続されており,前記
2つの入力により検出されることに従がい前記調整電圧
を保持する電圧比較器とを含む請求項1記載のチップ。 - 【請求項4】 前記第1トランジスタはゲートが接地さ
れた接合型電界効果トランジスタであり,前記第2トラ
ンジスタはソースが接地された絶縁ゲート電 界効果トラ
ンジスタであり,前記電圧調整手段は,前記低電圧タッ
プに接続された第3トランジスタと,該第3トランジス
タのゲートをプルアップするために接続された抵抗と,
前記第3トランジスタの前記ゲートに接続された出力を
有し,前記第3トランジスタのソースに調整電圧を保持
する電圧比較器であり,該電圧比較器の2つの入力が基
準電圧と前記調整電圧のサンプルに接続されており,前
記2つの入力により検出されることに従がい前記調整電
圧を保持する電圧比較器とを含む請求項1記載のチッ
プ。 - 【請求項5】 交流電力入力から直流高電圧を生成する
整流手段と, 前記整流手段からの前記直流高電圧を平滑化する,前記
整流手段の出力に接続されたフィルタコンデンサ手段
と, 前記整流手段と前記フィルタコンデンサ手段に接続され
た1次巻線と,電源出力とバイアス供給出力とに接続さ
れた少なくとも1つの2次巻線とを有し,前記直流高電
圧から,分離された直流出力とチップバイアス電圧を生
成する変圧器手段と, 前記分離された直流出力とチップバイアス電圧が前記2
次巻線で整流されるように,前記変圧器手段の1次巻線
を通して前記直流高電圧をスイッチングする前記1次巻
線に接続された集積回路手段と, を含む電源であり,前記集積回路手段は, 前記1次巻線に直列に接続され,ゲートが前記電源の接
地に接続された接合型電界効果トランジスタであり,前
記変圧器手段の前記1次巻線を通して前記直流高電圧に
接続されたドレインが前記直流高電圧に等しい電圧が前
記接合型電界効果トランジスタのソースに現れるのを防
止するように動作する接合型電界効果トランジスタと, 前記1次巻線と前記接合型電界効果トランジスタに直列
に接続され,ゲートと,前記接地に接続されたソース
と,前記接合型電界効果トランジスタの前記ソースに接
続されたドレインとを備えた絶縁ゲート電界効果トラン
ジスタと, 前記絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲートに接続さ
れた出力を有し,前記分離された直流出力からサンプリ
ングされた電圧に応答して前記絶縁ゲート電界効果トラ
ンジスタを駆動するパルス幅変調手段と, 前記接合型電界効果トランジスタの前記ソースに接続さ
れた入力と,前記パルス幅変調手段に接続された出力と
を有し,前記接合型電界効果トランジスタの前記ソース
における電圧から前記パルス幅変調手段に対して初期の
動作電流を供給し,その後,動作継続のために前記パル
ス幅変調手段に電力を供給する前記チップバイアス電圧
を前記変圧器手段が生成するようになるまで動作電流を
供給する第1電圧調整手段とを含む,電源。 - 【請求項6】 前記集積回路手段は更に,前記2次巻線
の1つに接続された入力と,前記分離されたチップバイ
アス電圧から起動後の動作電流を前記パルス幅変調手段
に供給する出力とを有する第2電圧調整手段を含み,前
記第1電圧調整手段から前記パルス幅変調手段への電力
供給が前記第2電圧調整手段により置き換えられること
を特徴とした請求項5記載の電源。
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US938703 | 1992-09-01 | ||
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