JP4283977B2

JP4283977B2 - Switching power supply device and semiconductor device for switching power supply

Info

Publication number: JP4283977B2
Application number: JP2000233060A
Authority: JP
Inventors: 尚彦諸田; 佳明八谷; 誠毅山口; 浩司 ▲高▼田; 崇國松
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: JP2002051550A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、軽負荷時の消費電力を低減できるスイッチング電源装置及びスイッチング電源用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来のスイッチング電源装置について図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図５は入力側と出力側とが電気的に絶縁された従来のスイッチング電源装置の回路構成を示している。図５に示すスイッチング電源装置において、例えば、入力端子に入力される商用電源からの交流電流は、ダイオードブリッジ等からなる整流器１０１により整流される。続いて、入力コンデンサ１０２により平滑化されて直流電圧Ｖinとなり、電力変換用のトランス１０３に入力される。トランス１０３は、第１の１次巻線１０３ａ、第２の１次巻線１０３ｂ及び２次巻線１０３ｃを有しており、生成された直流電圧Ｖinが第１の１次巻線１０３ａに入力される。
【０００４】
トランス１０３の第１の１次巻線１０３ａに入力された直流電圧Ｖinは、パワーＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子１０４により制御され、スイッチング素子１０４のスイッチング動作によって、トランス１０３の２次巻線１０３ｃに磁気誘導による起電力が発生する。
【０００５】
２次巻線１０３ｃに発生した起電力による電流は、２次巻線１０３ｃと接続されたダイオード１１０及び出力コンデンサ１１１により整流され且つ平滑化されて、出力電圧Ｖｏの直流電力として負荷１１２に供給される。
【０００６】
トランス１０３の第２の１次巻線１０３ｂにも、第１の１次巻線１０３ａによる直流起電力が発生し、第２の１次巻線１０３ｂから出力される直流電流は、ダイオード１２１及びコンデンサ１２２からなる補助電源部１２０により整流され平滑化されて補助電源電圧Ｖccが生成される。
【０００７】
補助電源電圧Ｖccにより駆動される制御回路１３０は、スイッチング素子１０４のゲートに制御信号を出力する。ここで、補助電源電圧Ｖccは、トランス１０３の２次巻線１０３ｃから負荷１１２に供給される出力電圧Ｖｏと比例しており、該出力電圧Ｖｏを安定させる帰還信号としても用いられる。
【０００８】
制御回路１３０は、スイッチング素子１０４に印加するスイッチング信号を出力する発振器１３１と、補助電源電圧Ｖccと基準電圧との差からなる誤差電圧信号ＶＥＡＯを出力する誤差増幅器１３２と、スイッチング素子１０４を流れるドレイン電流ＩＤを検出して素子電流検出信号ＶＣＬを出力するドレイン電流検出回路１３３と、誤差電圧信号ＶＥＡＯと素子電流検出信号ＶＣＬとを比較し、比較結果を出力する比較器１３４と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路１３５とを有している。
【０００９】
スイッチング信号制御回路１３５は、セット端子に発振器１３１からのクロック信号ＣＬＫを受け、リセット端子に比較器１３４の出力信号を受けるＲＳフリップフロップ回路１３６と、入力端子に発振器１３１からの最大デューティサイクル信号ＭＤＣを受け、他の入力端子にＲＳフリップフロップ回路１３６からの出力信号を受けるＮＡＮＤ回路１３７と、ＮＡＮＤ回路１３７の出力信号を受け、これを反転増幅して、スイッチング素子１０４のゲートに制御信号として出力するゲートドライバ１３８とから構成されている。
【００１０】
以下、前記のように構成された従来のスイッチング電源装置の動作を説明する。
【００１１】
図５において、まず、該装置が起動された直後には、商用電源からの交流電流が整流器１０１に入力されると、入力された交流電流が整流器１０１と入力コンデンサ１０２とにより整流及び平滑化されて、直流電圧Ｖinに変換され、変換された直流電圧Ｖinはトランス１０３の第１の１次巻線１０３ａに印加される。このとき、直流電圧Ｖinは、制御回路１３０に含まれる内部回路電流供給回路１３９を介して電流が供給され、補助電源部１２０のコンデンサ１２２が充電される。
【００１２】
その後、補助電源部１２０において、補助電源電圧Ｖccが制御回路１３０の起動電圧にまで達すると、制御回路１３０が動作を開始する。これにより、スイッチング素子１０４へのスイッチング動作の制御が開始されると共に、起動・停止回路１４０が、内部回路電流供給回路１３９を停止する。
【００１３】
制御回路１３０は、負荷１１２に対する出力電圧Ｖｏが所定の電圧値で安定するように、補助電源電圧Ｖccに基づいてスイッチング素子１０４によるスイッチング動作を制御する。具体的には、負荷１１２に対する出力電圧Ｖｏと補助電源電圧Ｖccとをトランス１０３の第２の１次巻線１０３ｂと２次巻線１０３ｃの巻数比に比例した電圧とすると共に、比較器１３４に、誤差増幅器１３２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯと、ドレイン電流検出回路１３３からの素子電流検出信号ＶＣＬとを比較し、両信号ＶＥＡＯ、ＶＣＬが互いに等しくなったときに、ＲＳフリップフロップ回路１３６のリセット端子にハイレベルの出力信号を出力するようにしている。
【００１４】
次に、図６のタイミングチャートに示すように、負荷変動時において、負荷１１２に対する電流供給量が減り、負荷供給電流Ｉｏが低下すると、出力電圧Ｖｏが若干上昇する。これを受けて、帰還側の補助電源部１２０の補助電源電圧Ｖｃｃも上昇し、誤差増幅器１３２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯが低下する。
【００１５】
負荷変動時や待機時等の無負荷時及び軽負荷時のように、誤差電圧信号ＶＥＡＯが低下した状態で、誤差電圧信号ＶＥＡＯと素子電流検出信号ＶＣＬとが等しくなると、比較器１３４からＲＳフリップフロップ回路１３６のリセット端子にリセット信号が出力されるため、ＮＡＮＤ回路１３７からは、定常負荷時よりも早いタイミングでスイッチング素子１０４をオフ状態とする信号が出力される。その結果、スイッチング素子１０４は、スイッチング動作時におけるオン状態となる時間が短くなるため、スイッチング素子１０４を流れるドレイン電流ＩＤが減少する。
【００１６】
このように、従来のスイッチング電源装置の制御回路１３０は、負荷１１２に供給される負荷供給電流Ｉｏに応じて、スイッチング素子１０４に流れるドレイン電流ＩＤの大きさを制御することにより、軽負荷時の消費電力を低減することができる電流モード制御方式を採っている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のスイッチング電源装置は、待機時等の軽負荷時にはスイッチング素子１０４に流れるドレイン電流ＩＤが低減されるものの、ドレイン電流ＩＤを完全に０にすることができないため、無負荷時でも、ある程度の電流が流れる。従って、無負荷時においても、スイッチング素子１０４のスイッチング動作によって電流が損失するため、負荷が小さくなる程スイッチング素子１０４における電流損失の割合が大きくなる。その結果、電源の効率が低下して、電源の待機時の省電力化を達成できないという問題がある。
【００１８】
本発明は、前記従来の問題を解決し、その目的は、簡単な構成で、軽負荷時のスイッチング損失を減らして消費電力を削減することにより、スイッチング電源装置における電源効率を確実に向上することができるようにすることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、スイッチング電源装置を、出力電圧検出回路により検出され且つ制御回路に帰還して生成される出力側の負荷状態を示す帰還電圧に基づいて、スイッチング素子に対するスイッチング信号の出力を停止する構成とする。
【００２０】
具体的に、本発明に係るスイッチング電源装置は、変圧器と、入力端子が変圧器の１次巻線と接続され、変圧器を介して第１の直流電圧を受けるスイッチング素子と、変圧器の２次巻線と接続され、変圧器の２次側の出力電圧を整流し且つ平滑化することにより、第１の直流電圧から第２の直流電圧を生成して出力する出力電圧生成回路と、スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、第２の直流電圧の電圧値を検出して出力する出力電圧検出回路と、出力電圧検出回路の出力信号を制御回路に帰還信号として絶縁状態で帰還する帰還回路と、陽極に１次巻線の出力を受け、陰極にスイッチング素子の出力を受け、制御回路用の電源電圧を生成する制御回路用電源コンデンサと、１次巻線の出力側と制御回路用電源コンデンサの陽極との間に設けられ、電源電圧を所定値に保持する電圧レギュレータとを備え、制御回路は、スイッチング素子に印加するスイッチング信号を生成して出力する発振器と、スイッチング素子を流れる電流を検出し、素子電流検出信号として出力する電流検出回路と、帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号に変換して出力する出力負荷検出回路と、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成して出力する誤差増幅器と、素子電流検出信号と誤差電圧信号とを比較し、比較した比較信号を出力する比較器と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路と、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止し、誤差電圧信号が上限電圧値よりも大きい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路とを有している。
【００２１】
本発明のスイッチング電源装置によると、軽負荷時には消費される電流が減少して装置の出力電圧である第２の直流電圧が上昇すると、２次側出力電圧、すなわち第２の直流電圧の負荷状態を反映する帰還電圧信号の電圧値が高くなる。これにより、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成する誤差増幅器からの誤差電圧信号の電圧値は低下する。このとき、軽負荷検出回路は、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止するため、スイッチング素子における損失が減り、軽負荷時の消費電力を削減できるので、スイッチング電源装置の電源効率を向上することができる。
【００２２】
その上、１次巻線の出力側と制御回路用電源コンデンサの陽極との間に電圧レギュレータを設けているため、制御回路用電源コンデンサにより生成される制御回路の電源電圧値を所定値に保持できるので、出力負荷検出回路が、２次側の負荷状態を反映した帰還信号から帰還電圧信号を確実に変換できる。
【００２３】
本発明のスイッチング電源装置において、帰還回路がフォトカプラを含むことが好ましい。このようにすると、変圧器により入力側と出力側とが電気的に絶縁されている場合であっても、出力側の負荷状態を入力側に確実に帰還させることができる。
【００２４】
本発明のスイッチング電源装置において、軽負荷検出回路は、下限電圧又は上限電圧の値を可変に設定できる検出電圧可変手段を有していることが好ましい。このようにすると、待機時の負荷電流値を、本装置を組み込むシステムに応じて最適化できるため、組み込むシステムの選択肢を増やすことができる。
【００２５】
本発明のスイッチング電源装置において、スイッチング素子及び前記制御回路が、スイッチング素子の入力端子及び出力端子、並びに前記制御回路における前記制御回路用電源コンデンサの陽極側の入力端子及び前記出力負荷検出回路における前記帰還信号の入力端子が外部接続端子となるように一つの半導体基板上に集積化されて形成されていることが好ましい。このようにすると、スイッチング素子及び制御回路を１チップ化できるため、部品点数を大幅に削減できると共に、スイッチング電源装置のサイズを小型化できる。
【００２６】
本発明に係るスイッチング電源用半導体装置は、変圧器と、入力端子が変圧器の１次巻線と接続され、変圧器を介して第１の直流電圧を受けるスイッチング素子と、変圧器の２次巻線と接続され、変圧器の２次側の出力電圧を整流し且つ平滑化することにより、第１の直流電圧から第２の直流電圧を生成して出力する出力電圧生成回路と、スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、第２の直流電圧の電圧値を検出して出力する出力電圧検出回路と、出力電圧検出回路の出力信号を制御回路に帰還信号として絶縁状態で帰還する帰還回路と、陽極に１次巻線の出力を受け、陰極にスイッチング素子の出力を受け、制御回路用の電源電圧を生成する制御回路用電源コンデンサと、１次巻線の出力側と制御回路用電源コンデンサの陽極との間に設けられ、電源電圧を所定値に保持する電圧レギュレータとを備えたスイッチング電源装置を制御するスイッチング電源用半導体装置を対象とし、スイッチング電源用半導体装置は、スイッチング素子及び制御回路を含み、制御回路は、スイッチング素子に印加するスイッチング信号を生成して出力する発振器と、スイッチング素子を流れる電流を検出し、素子電流検出信号として出力する電流検出回路と、帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号に変換して出力する出力負荷検出回路と、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成して出力する誤差増幅器と、素子電流検出信号と誤差電圧信号とを比較し、比較した比較信号を出力する比較器と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路と、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止し、誤差電圧信号が上限電圧値よりも大きい場合にはスイッチング信号制御回路に対して前記スイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路とを有している。
【００２７】
本発明のスイッチング電源用半導体装置によると、軽負荷時には消費される電流が減少して装置の出力電圧である第２の直流電圧が上昇すると、２次側出力電圧、すなわち第２の直流電圧の負荷状態を反映する帰還電圧信号の電圧値が高くなる。これにより、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成する誤差増幅器からの誤差電圧信号の電圧値は低下する。このとき、軽負荷検出回路は、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止するため、スイッチング素子における損失が減り、軽負荷時の消費電力を削減できるので、スイッチング電源装置の電源効率を向上することができる。
【００２８】
本発明のスイッチング電源用半導体装置において、軽負荷検出回路が、下限電圧又は上限電圧の値を可変に設定できる検出電圧可変手段を有していることが好ましい。
【００２９】
本発明のスイッチング電源用半導体装置において、スイッチング素子及び制御回路が、スイッチング素子の入力端子及び出力端子、並びに制御回路における制御回路用電源コンデンサの陽極側の入力端子及び出力負荷検出回路における帰還信号の入力端子が外部接続端子となるように一つの半導体基板上に集積化されて形成されていることが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の概略的な回路構成を示している。図１に示すように、本実施形態に係るスイッチング電源装置は、主入力端子１０に印加された、例えば商用電源からの交流電流を整流し平滑化された第１の直流電圧をトランス（変圧器）１３の１次側に印加しながら、スイッチング素子１４のオンオフ動作の繰り返しによるスイッチング動作によって、トランス１３の２次側に設けられた出力電圧生成回路１６により第２の直流電圧である所望の出力電圧Ｖｏを主出力端子１７に出力するスイッチング電源装置である。
【００３２】
以下、スイッチング電源装置を詳細に説明する。
【００３３】
トランス１３は、１次巻線１３ａ及び２次巻線１３ｃを有している。
【００３４】
主入力端子１０には、交流電流を整流するダイオードブリッジ等からなる整流器１１と、整流された信号を平滑化して直流電圧Ｖinを生成する入力コンデンサ１２とがそれぞれ並列に接続されている。生成された直流電圧Ｖinは、トランス１３の１次巻線１３ａに入力された後、例えばＮ型パワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１４のドレイン端子ＴD に入力される。ここで、スイッチング素子１４のソース端子Ｔｓは、入力コンデンサ１２の陰極端子と接続され、そのゲートには、該スイッチング素子１４の動作を制御する制御回路１５から出力される制御信号が入力される。
【００３５】
なお、本スイッチング電源装置は整流器１１を設けない構成であってもよい。その場合は、第１の直流電圧Ｖinをあらかじめ整流してから主入力端子１０に入力すればよい。
【００３６】
トランス１３の２次巻線１３ｃには、出力電圧生成回路１６が接続されている。出力電圧生成回路１６は、１次巻線１３ａに印加され且つスイッチングされた直流電圧Ｖinの磁気誘導により発生した起電力による電流を整流する第１のダイオード１６１と、整流された信号を平滑化する出力コンデンサ１６２とから構成されている。
【００３７】
出力電圧生成回路１６と接続されている主出力端子１７は、そのハイレベル側の端子とローレベル側の端子との間に負荷１８が接続され、該負荷１８には負荷供給電流Ｉｏが流れる。
【００３８】
また、トランス１３の２次巻線１３ｃと並列に接続され、第２の直流電圧である出力電圧Ｖｏを検出する出力電圧検出回路５１と、検出した信号を１次側の制御回路１５に帰還信号として絶縁状態で帰還可能な帰還回路としてのフォトカプラとを備えている。
【００３９】
フォトカプラは、２次側の出力電圧検出回路５１と接続された発光ダイオード部５２ａと、１次側の制御回路１５の帰還信号入力端子ＴFBとソース端子Ｔｓとの間に接続された受光トランジスタ部５２ｂとから構成されている。なお、出力電圧検出回路５１は、例えば、シャントレギュレータと抵抗器との直列体とを含むような構成とすればよい。
【００４０】
本実施形態においては、破線２０で囲まれる領域、すなわちスイッチング素子１４と制御回路１５とを含み、スイッチング素子１４のドレイン端子ＴD 及びソース端子Ｔｓ、並びに制御回路用コンデンサ１９の陽極と接続され、制御回路１５の基準電圧が印加される基準電圧端子ＴREF 及び帰還信号入力端子ＴFBの４端子により外部との入出力が可能となる。ここでは、この４端子ＴD 、Ｔｓ、ＴREF 及びＴFBを含む領域を基板上形成領域２０と呼び、該基板上形成領域２０が１つの半導体チップ上に形成可能であることを表わしている。なお、基板上形成領域２０は、必ずしも１チップ化される必要はなく、複数の半導体基板に分割されていてもよい。この場合も、前述の４端子ＴD 、Ｔｓ、ＴREF 及びＴFBを外部接続端子に持つ１つのパッケージに収容されることが好ましい。
【００４１】
制御回路１５は、スイッチング素子１４に印加する、発振周波数が例えば１００ｋＨｚ程度のスイッチング信号を生成して出力する発振器２１と、共有ソースが基準電圧端子ＴREF と接続され、一方のドレイン及び共有ゲートが帰還信号入力端子ＴREF と接続され、他方のドレインが抵抗を介してソース端子Ｔｓと接続された第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３１及び第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３２からなり、帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号ＶＦＢＯに変換して出力する出力負荷検出回路５３と、帰還電圧信号ＶＦＢＯを逆相端子に抵抗を介して受け、正相端子に印加される基準電圧との差からなる誤差電圧信号ＶＥＡＯを生成して出力する誤差増幅器２２とを有している。さらに、スイッチング素子１４を流れるドレイン電流ＩＤを検出し、検出したドレイン電流ＩＤを電圧に変換し、素子電流検出信号ＶＣＬとして出力するドレイン電流検出回路２３と、誤差電圧信号ＶＥＡＯと素子電流検出信号ＶＣＬとを比較し、比較した比較信号を出力するドレイン電流検出用比較器２４と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路２５と、誤差電圧信号ＶＥＡＯが下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路２５に対してスイッチング素子１４へのスイッチング信号の出力を停止し、誤差電圧信号ＶＥＡＯが上限電圧値よりも大きい場合にはスイッチング信号制御回路２５に対してスイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路４０とを有している。
【００４２】
さらに、制御回路１５は、スイッチング素子１４のドレイン端子ＴD と制御回路１５の基準電圧端子ＴREF との間に接続され、該基準電圧端子ＴREF に対して所定の基準電圧値を保持する電圧レギュレータ２９と、基準電圧端子ＴREF と接続され、制御回路１５の起動又は停止時にスイッチング信号制御回路２５にハイレベルのイネーブル信号又はローレベルのディセーブル信号を送出する起動・停止回路３０とを有している。
【００４３】
スイッチング信号制御回路２５は、セット端子Ｓに軽負荷検出回路４０の出力信号を受け、リセット端子Ｒにドレイン電流検出用比較器２４の出力信号を受けるＲＳフリップフロップ回路２６と、第１の入力端子に起動・停止回路３０の出力信号を受け、第２の入力端子に発振器２１からの最大デューティサイクル信号ＭＤＣを受け、第３の入力端子にＲＳフリップフロップ回路２６からの出力信号を受けるＮＡＮＤ回路２７と、ＮＡＮＤ回路２７の出力信号を受け、受けた出力信号を反転増幅した制御信号をスイッチング素子１４のゲートに出力するインバータからなるゲートドライバ２８とから構成されている。
【００４４】
軽負荷検出回路４０は、基準電圧源４１と、正相入力端子に誤差増幅器２２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯを受け、逆相入力端子に基準電圧源４１からの基準電圧ＶＲを受ける軽負荷検出用比較器４２と、一方の入力端子に軽負荷検出用比較器４２の出力信号を受け、他方の入力端子に発振器２１からのクロック信号ＣＬＫを受けるＡＮＤ回路４３とから構成されている。基準電圧源４１は、軽負荷検出用比較器４２の出力を受けて、基準電圧ＶＲの値が変更可能となるように構成されている。
【００４５】
軽負荷検出用比較器４２は、入力される誤差電圧信号ＶＥＡＯと基準電圧ＶＲとを比較して、誤差電圧信号ＶＥＡＯが基準電圧ＶＲよりも大きい場合に、ＡＮＤ回路４３に対してハイレベルの信号を出力する。逆に、誤差電圧信号ＶＥＡＯが基準電圧ＶＲよりも小さい場合には、ＡＮＤ回路４３に対してローレベルの信号を出力するため、ＲＳフリップフロップ回路２６の出力信号がローレベルとなるので、ゲートドライバ２８からの制御信号の出力を停止させることができる。
【００４６】
また、誤差増幅器２２の出力側には、誤差電圧信号ＶＥＡＯの最大値をクランプするＰＮＰ型バイポーラトランジスタからなる過電流保護回路３１が設けられており、誤差電圧信号ＶＥＡＯがクランプ値を超える場合には、スイッチング素子１４のソース端子Ｔｓへ過電流を短絡させることにより、該スイッチング素子１４が保護されるようにしている。
【００４７】
また、本実施形態に係るスイッチング電源装置は、直流電圧Ｖin及び出力電圧Ｖｏの電圧値に制限はない。その上、１パッケージ化さらには１チップ化によってスイッチング電源装置の部品点数を大幅に削減できるため、スイッチング電源装置のサイズをも小さくでき、より小型化及び低価格化を実現できる。
【００４８】
また、スイッチング素子１４にＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いたが、代わりにＮＰＮ型バイポーラトランジスタを用いてもよい。
【００４９】
以下、前記のように構成されたスイッチング電源装置の動作について説明する。
【００５０】
まず、本実施形態に係るスイッチング電源装置の起動について説明する。主入力端子１０に交流電源が入力されると、整流及び平滑化されて直流電圧Ｖinとなり、トランス１３の１次巻線１３ａと電圧レギュレータ２９とを介して制御回路用電源コンデンサ１９が充電される。その後、基準電圧端子ＴREF の基準電圧値が起動電圧にまで達すると、制御回路１５が動作し、スイッチング素子１４のオンオフ制御が開始される。
【００５１】
次に、本実施形態に係るスイッチング電源装置の負荷変動時の動作について図２を用いて説明する。
【００５２】
図２は本実施形態のスイッチング電源装置の出力負荷状態の変化に対する動作を表わしている。
【００５３】
図２に示すように、定格負荷（定常負荷）時においては、基準電圧源４１の基準電圧ＶＲの値は下限電圧値ＶＲ１に設定されている。
【００５４】
その後、例えば、負荷供給電流Ｉｏが減少するような軽負荷となる負荷変動が生じると、負荷１８に対する電力供給が過剰となって、出力電圧Ｖｏの電圧値は若干上昇する。この出力電圧Ｖｏの上昇が、出力電圧検出回路５１により検出され、この検出信号はフォトカプラの発光ダイオード部５２ａ及び受光トランジスタ部５２ｂを介して制御回路１５の帰還信号入力端子ＴFBに伝達される。これにより、受光トランジスタ部５２ｂに流れる帰還信号電流が増加するに連れて、第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３１のドレイン及びゲートの電位が低下して、第１及び第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３１、５３２が低インピーダンス状態となる。その結果、基準電圧端子ＴREF の電位は電圧レギュレータ２９を介して所定値に保持されているため、第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３２の出力信号である帰還電圧信号ＶＦＢＯの電圧値が上昇する。さらに、帰還電圧信号ＶＦＢＯの上昇に伴って、誤差増幅器２２から出力される誤差電圧信号ＶＥＡＯの電圧値が低下するため、ドレイン電流検出回路２３からの素子電流検出信号ＶＣＬの電圧値が低くても、ドレイン電流検出用比較器２４からハイレベルの信号が出力される。その結果、ＲＳフリップフロップ回路２６からリセット信号が出力されるタイミングが早くなって、素子電流検出信号ＶＣＬの電圧値が徐々に低下する。
【００５５】
このように、誤差増幅器２２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯの電圧値が軽負荷検出の下限電圧値ＶＲ１と等しくなるまでの負荷変動時においては、スイッチング素子１４のスイッチング動作が停止することはなく、該スイッチング素子１４に流れるドレイン電流ＩＤの最大値は線形的に低下する。その結果、負荷変動時におけるスイッチング素子１４の消費電流は、負荷の大きさに合わせて徐々に抑制される。これが、いわゆる電流モードのＰＭＷ制御方式の特徴である。
【００５６】
次に、誤差電圧信号ＶＥＡＯの値が下限電圧値ＶＲ１とほぼ等しくなる軽負荷時には、軽負荷検出回路４０の軽負荷検出用比較器４２は、ＡＮＤ回路４３に対してローレベルの信号を出力するため、スイッチング信号制御回路２５のゲートドライバ２８がローレベルの制御信号のみを出力して、スイッチング素子１４のスイッチング動作が停止する。これとほぼ同時に、軽負荷検出用比較器４２のローレベルの出力信号を受けて基準電圧源４１の出力電圧ＶＲは、下限電圧値ＶＲ１から上限電圧値ＶＲ２に変更される。
【００５７】
次に、待機時のような軽負荷又は無負荷状態となると、スイッチング素子１４に対するスイッチング制御が停止してスイッチング素子１４がオフ状態となり、スイッチング素子１４にドレイン電流ＩＤが流れなくなる。これにより、トランス１３の１次巻線１３ａを介した２次巻線１３ｃへの電力供給が行われなくなるため、負荷１８への電力供給は出力コンデンサ１６２からのみ行なわれるようになるので、出力電圧Ｖｏは徐々に低下する。出力電圧Ｖｏが低下すると、出力電圧検出回路５１が検出してフォトカプラにより１次側に帰還される帰還信号の電流量が減少するため、出力負荷検出回路５３から出力される帰還電圧信号ＶＦＢＯは徐々に低下する。このとき、図３に示すように、基準電圧源４１の出力電圧ＶＲを下限電圧ＶＲ１よりも高い上限電圧ＶＲ２に設定しているため、スイッチング素子１４によるスイッチング動作が直ちに再開されることがない。
【００５８】
さらに、出力電圧Ｖｏが低下して、逆に誤差電圧信号ＶＥＡＯが上限電圧値ＶＲ２を越えると、軽負荷検出用比較器４２からの出力信号が再びハイレベルとなるため、これを受けるＡＮＤ回路４３はハイレベルの出力信号を出力できるようになるので、スイッチング素子１４のスイッチング動作が再開される。これとほぼ同時に、軽負荷検出用比較器４２のハイレベルの出力信号を受けて基準電圧源４１の出力電圧ＶＲは、上限電圧値ＶＲ２から下限電圧値ＶＲ１に再設定される。
【００５９】
スイッチング素子１４によるスイッチング動作が再開されると、スイッチング素子１４に流れるドレイン電流ＩＤは、軽負荷検出時の電流値よりも大きくなっているため、負荷１８への電力供給が過剰となって、再び出力電圧Ｖｏが上昇し、出力負荷検出回路５３からの帰還電圧信号ＶＦＢＯが低下する。従って、前述したように、誤差電圧信号ＶＥＡＯが下限電圧値ＶＲ１よりも小さくなると、スイッチング素子１４に対するスイッチング信号の出力を再度停止する。
【００６０】
このように、基準電圧源４１から出力される基準電圧ＶＲが軽負荷状態を検出することによりスイッチング動作を停止し、さらに、基準電圧ＶＲを下限電圧値ＶＲ１から上限電圧値ＶＲ２へと変更することにより、誤差電圧信号ＶＥＡＯが上昇しても、直ちにスイッチング動作が開始されることがないように基準電圧ＶＲにヒステリシス特性を与えている。これにより、軽負荷又は無負荷を検出している間は、スイッチング素子１４に対するスイッチング制御は、スイッチング動作の停止と再開とが繰り返される間欠発振状態となる。
【００６１】
なお、出力電圧Ｖｏは、間欠発振状態のスイッチング停止期間中に低下するが、この低下の度合いは負荷供給電流Ｉｏに依存する。すなわち、負荷供給電流Ｉｏが小さくなる程、出力電圧Ｖｏの低下が緩やかになる。
【００６２】
また、間欠発振状態におけるスイッチング停止期間は、負荷供給電流Ｉｏが小さくなる程長くなる。すなわち、軽負荷になる程スイッチング素子１４のスイッチング動作が減少することになる。
【００６３】
また、図１に示した軽負荷検出回路４０及び出力負荷検出回路５３の回路構成は、これらに限定されるものではなく、同等の機能を有する回路構成であれば良い。
【００６４】
（実施形態の一変形例）
以下、本実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
【００６５】
図４は実施形態の一変形例に係るスイッチング電源装置の概略的な回路構成を示している。図４において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００６６】
図４に示すように、本変形例に係るスイッチング電源装置は、一端が基板上形成領域２０の端部に設けられた軽負荷検出電圧調整用端子ＴR を介して、軽負荷検出用比較器４２の逆相入力端子と接続され、他端が主入力端子１０のローレベル側と接続された検出電圧可変手段としての軽負荷検出電圧調整用抵抗器５５を有している。
【００６７】
このように、軽負荷検出電圧調整用抵抗器５５を設けて、軽負荷検出の基準電圧ＶＲの下限電圧値ＶＲ１及び上限電圧値ＶＲ２を適当に調整することができるようになるため、待機時における必要な負荷と併せて、スイッチング素子１４のスイッチング動作が停止又は再開する際の負荷供給電流Ｉｏを最適化することができる。従って、スイッチング素子１４及び制御回路１５が１チップ化されている場合であっても、軽負荷検出回路４０の下限電圧値ＶＲ１又は上限電圧値ＶＲ２を電源装置の用途に応じて変更できるようになる。
【００６８】
なお、本変形例においては、軽負荷検出電圧調整用抵抗器５５を基板上形成領域２０の外部に設けているが、必ずしもこれに限られず、所望の抵抗値を決定した後に、基板上形成領域２０に組み込むようにしても良い。この場合の抵抗値の調整は、トリミング技術、例えば、レーザトリミング法により行なえる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係るスイッチング電源装置によると、出力側から帰還されて生成される帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を出力する誤差増幅器と、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止する軽負荷検出回路とを有しているため、スイッチング素子における損失が減り、軽負荷時の消費電力を削減できるので、スイッチング電源用半導体装置の電源効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置を示す概略的な回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置における軽負荷検出用比較器に与える基準電圧を示すタイミングチャート図である。
【図４】本発明の実施形態の一変形例に係るスイッチング電源装置を示す概略的な回路図である。
【図５】従来のスイッチング電源装置を示す概略的な回路図である。
【図６】従来のスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【符号の説明】
１０主入力端子
１１整流器
１２入力コンデンサ
１３トランス（変圧器）
１３ａ１次巻線
１３ｃ２次巻線
１４スイッチング素子
１５制御回路
１６出力電圧生成回路
１６１第１のダイオード
１６２出力コンデンサ
１７主出力端子
１８負荷
１９制御回路用電源コンデンサ
２０基板上形成領域
２１発振器
２２誤差増幅器
２３電流検出回路
２４ドレイン電流検出用比較器
２５スイッチング信号制御回路
２６ＲＳフリップフロップ回路
２７ＮＡＮＤ回路
２８ゲートドライバ
２９電圧レギュレータ
３０起動・停止回路
３１過電流保護回路
４０軽負荷検出回路
４１基準電圧源
４２軽負荷検出用比較器
４３ＡＮＤ回路
５１出力電圧検出回路
５２ａ発光ダイオード部（帰還回路）
５２ｂ受光トランジスタ部（帰還回路）
５３出力負荷検出回路
５３１第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ
５３２第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ
５５軽負荷検出電圧調整用抵抗器（検出電圧可変手段）
Ｔs ソース端子
ＴD ドレイン端子
ＴREF 基準電圧端子
ＴBF 帰還信号入力端子
ＴR 軽負荷検出電圧調整用端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a switching power supply device and a semiconductor device for switching power supply that can reduce power consumption at light load.
[0002]
[Prior art]
First, a conventional switching power supply device will be described with reference to the drawings.
[0003]
FIG. 5 shows a circuit configuration of a conventional switching power supply apparatus in which the input side and the output side are electrically insulated. In the switching power supply device shown in FIG. 5, for example, an alternating current from a commercial power supply input to the input terminal is rectified by a rectifier 101 including a diode bridge or the like. Subsequently, the voltage is smoothed by the input capacitor 102 to become a DC voltage Vin, which is input to the transformer 103 for power conversion. The transformer 103 includes a first primary winding 103a, a second primary winding 103b, and a secondary winding 103c, and the generated DC voltage Vin is input to the first primary winding 103a. Is done.
[0004]
The DC voltage Vin input to the first primary winding 103a of the transformer 103 is controlled by the switching element 104 made up of a power MOSFET or the like, and the magnetic field is applied to the secondary winding 103c of the transformer 103 by the switching operation of the switching element 104. An electromotive force is generated by induction.
[0005]
The current due to the electromotive force generated in the secondary winding 103c is rectified and smoothed by the diode 110 and the output capacitor 111 connected to the secondary winding 103c, and supplied to the load 112 as DC power of the output voltage Vo. The
[0006]
A DC electromotive force generated by the first primary winding 103a is also generated in the second primary winding 103b of the transformer 103, and a DC current output from the second primary winding 103b is converted into a diode 121 and a capacitor. Auxiliary power supply voltage Vcc is generated by being rectified and smoothed by an auxiliary power supply unit 122 comprising 122.
[0007]
The control circuit 130 driven by the auxiliary power supply voltage Vcc outputs a control signal to the gate of the switching element 104. Here, the auxiliary power supply voltage Vcc is proportional to the output voltage Vo supplied from the secondary winding 103c of the transformer 103 to the load 112, and is also used as a feedback signal for stabilizing the output voltage Vo.
[0008]
The control circuit 130 includes an oscillator 131 that outputs a switching signal to be applied to the switching element 104, an error amplifier 132 that outputs an error voltage signal VEAO that is a difference between the auxiliary power supply voltage Vcc and a reference voltage, and a drain that flows through the switching element 104. Based on the comparison signal, a drain current detection circuit 133 that detects the current ID and outputs an element current detection signal VCL, a comparator 134 that compares the error voltage signal VEAO and the element current detection signal VCL, and outputs a comparison result. And a switching signal control circuit 135 for controlling the output of the switching signal.
[0009]
The switching signal control circuit 135 receives the clock signal CLK from the oscillator 131 at the set terminal, the RS flip-flop circuit 136 that receives the output signal of the comparator 134 at the reset terminal, and the maximum duty cycle signal MDC from the oscillator 131 at the input terminal. The NAND circuit 137 receives the output signal from the RS flip-flop circuit 136 at the other input terminal, receives the output signal of the NAND circuit 137, inverts and amplifies it, and outputs it as a control signal to the gate of the switching element 104 And a gate driver 138.
[0010]
Hereinafter, the operation of the conventional switching power supply apparatus configured as described above will be described.
[0011]
In FIG. 5, first, immediately after the apparatus is started, when an alternating current from a commercial power source is input to the rectifier 101, the input alternating current is rectified and smoothed by the rectifier 101 and the input capacitor 102. Then, the direct current voltage Vin is converted into the direct current voltage Vin, and the converted direct current voltage Vin is applied to the first primary winding 103 a of the transformer 103. At this time, the DC voltage Vin is supplied with current through an internal circuit current supply circuit 139 included in the control circuit 130, and the capacitor 122 of the auxiliary power supply unit 120 is charged.
[0012]
Thereafter, in the auxiliary power supply unit 120, when the auxiliary power supply voltage Vcc reaches the starting voltage of the control circuit 130, the control circuit 130 starts its operation. Thereby, control of the switching operation to the switching element 104 is started, and the start / stop circuit 140 stops the internal circuit current supply circuit 139.
[0013]
The control circuit 130 controls the switching operation by the switching element 104 based on the auxiliary power supply voltage Vcc so that the output voltage Vo to the load 112 is stabilized at a predetermined voltage value. Specifically, the output voltage Vo and the auxiliary power supply voltage Vcc for the load 112 are set to voltages proportional to the turns ratio of the second primary winding 103b and the secondary winding 103c of the transformer 103, and the comparator 134 The error voltage signal VEAO from the error amplifier 132 and the element current detection signal VCL from the drain current detection circuit 133 are compared, and when both signals VEAO and VCL are equal to each other, the reset terminal of the RS flip-flop circuit 136 A high level output signal is output.
[0014]
Next, as shown in the timing chart of FIG. 6, when the amount of current supplied to the load 112 decreases and the load supply current Io decreases during a load change, the output voltage Vo slightly increases. In response, the auxiliary power supply voltage Vcc of the auxiliary power supply unit 120 on the feedback side also rises, and the error voltage signal VEAO from the error amplifier 132 falls.
[0015]
When the error voltage signal VEAO is equal to the element current detection signal VCL in a state where the error voltage signal VEAO is lowered, such as when there is no load such as when the load fluctuates or during standby, and when the load is light, the RS flip-flop from the comparator 134 Since a reset signal is output to the reset terminal of the circuit 136, the NAND circuit 137 outputs a signal for turning off the switching element 104 at a timing earlier than that at the time of steady load. As a result, since the switching element 104 is turned on for a short time during the switching operation, the drain current ID flowing through the switching element 104 decreases.
[0016]
As described above, the control circuit 130 of the conventional switching power supply device controls the magnitude of the drain current ID flowing through the switching element 104 in accordance with the load supply current Io supplied to the load 112, so that a light load is achieved. A current mode control system that can reduce power consumption is adopted.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional switching power supply device, although the drain current ID flowing through the switching element 104 is reduced at the time of a light load such as standby, the drain current ID cannot be completely reduced to 0. A certain amount of current flows. Accordingly, even when there is no load, a current is lost due to the switching operation of the switching element 104. Therefore, as the load decreases, the ratio of the current loss in the switching element 104 increases. As a result, there is a problem in that the efficiency of the power source is lowered and power saving during standby of the power source cannot be achieved.
[0018]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and its object is to reliably improve the power supply efficiency in a switching power supply device by reducing the switching loss at light load and reducing the power consumption with a simple configuration. Is to be able to.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a switching power supply device for a switching element based on a feedback voltage indicating a load state on an output side that is detected by an output voltage detection circuit and generated by feedback to a control circuit. The output of the switching signal is stopped.
[0020]
Specifically, a switching power supply device according to the present invention includes a transformer, a switching element whose input terminal is connected to a primary winding of the transformer, and receives a first DC voltage via the transformer, An output voltage generation circuit that is connected to the secondary winding and generates and outputs a second DC voltage from the first DC voltage by rectifying and smoothing the output voltage on the secondary side of the transformer; A control circuit that controls the operation of the switching element, an output voltage detection circuit that detects and outputs the voltage value of the second DC voltage, and an output signal of the output voltage detection circuit is fed back to the control circuit as a feedback signal in an insulated state A feedback circuit, a power supply capacitor for a control circuit that receives the output of the primary winding at the anode, an output of the switching element at the cathode, and generates a power supply voltage for the control circuit, the output side of the primary winding, and the control circuit Power supply capacitor with anode And a voltage regulator that holds the power supply voltage at a predetermined value. The control circuit generates and outputs a switching signal to be applied to the switching element, detects a current flowing through the switching element, and detects an element current. A current detection circuit that outputs as a signal, an output load detection circuit that converts the feedback signal into a feedback voltage signal that indicates a load condition on the secondary side, and outputs an error voltage signal that is the difference between the feedback voltage signal and the reference voltage. An error amplifier that generates and outputs, a comparator that compares the device current detection signal and the error voltage signal, outputs a comparison signal, and a switching signal control circuit that controls the output of the switching signal based on the comparison signal; When the error voltage signal is smaller than the lower limit voltage value, the switching signal to the switching element is not transmitted to the switching signal control circuit. Stop force, when the error voltage signal is greater than the upper limit voltage value and a light-load detection circuit starts outputting the switching signal to the switching signal control circuit.
[0021]
According to the switching power supply device of the present invention, when the current consumed at the time of a light load decreases and the second DC voltage that is the output voltage of the device rises, the secondary output voltage, that is, the load state of the second DC voltage. The voltage value of the feedback voltage signal that reflects is increased. As a result, the voltage value of the error voltage signal from the error amplifier that generates an error voltage signal consisting of the difference between the feedback voltage signal and the reference voltage is lowered. At this time, the light load detection circuit stops the output of the switching signal to the switching element to the switching signal control circuit when the error voltage signal is smaller than the lower limit voltage value. Since power consumption at the time of load can be reduced, the power supply efficiency of the switching power supply device can be improved.
[0022]
In addition, since the voltage regulator is provided between the output side of the primary winding and the anode of the control circuit power capacitor, the power voltage value of the control circuit generated by the control circuit power capacitor is held at a predetermined value. Therefore, the output load detection circuit can reliably convert the feedback voltage signal from the feedback signal reflecting the load state on the secondary side.
[0023]
In the switching power supply device of the present invention, the feedback circuit preferably includes a photocoupler. In this way, even when the input side and the output side are electrically insulated by the transformer, the load state on the output side can be reliably fed back to the input side.
[0024]
In the switching power supply device of the present invention, it is preferable that the light load detection circuit has a detection voltage variable means capable of variably setting the value of the lower limit voltage or the upper limit voltage. In this way, the load current value during standby can be optimized according to the system in which the present apparatus is incorporated, so that options for the system to be incorporated can be increased.
[0025]
In the switching power supply device of the present invention, the switching element and the control circuit include an input terminal and an output terminal of the switching element, an input terminal on the anode side of the power capacitor for the control circuit in the control circuit, and the output load detection circuit. It is preferable that the feedback signal input terminal is integrated on one semiconductor substrate so as to be an external connection terminal. In this way, since the switching element and the control circuit can be integrated into one chip, the number of parts can be greatly reduced and the size of the switching power supply device can be reduced.
[0026]
A semiconductor device for a switching power supply according to the present invention includes a transformer, a switching element having an input terminal connected to a primary winding of the transformer, receiving a first DC voltage via the transformer, and a secondary of the transformer. An output voltage generation circuit which is connected to the winding and generates and outputs a second DC voltage from the first DC voltage by rectifying and smoothing the output voltage on the secondary side of the transformer; and a switching element A control circuit that controls the operation of the output voltage, an output voltage detection circuit that detects and outputs the voltage value of the second DC voltage, and a feedback circuit that feeds back the output signal of the output voltage detection circuit as a feedback signal in an insulated state A power supply capacitor for the control circuit that receives the output of the primary winding at the anode and the output of the switching element at the cathode and generates a power supply voltage for the control circuit, the output side of the primary winding, and the power supply for the control circuit Between capacitor anode Provided is a switching power supply semiconductor device that controls a switching power supply device that includes a voltage regulator that holds a power supply voltage at a predetermined value. The switching power supply semiconductor device includes a switching element and a control circuit. An oscillator that generates and outputs a switching signal to be applied to the switching element, a current detection circuit that detects a current flowing through the switching element and outputs it as an element current detection signal, and a feedback indicating a load state on the secondary side from the feedback signal The output load detection circuit that converts and outputs the voltage signal, the error amplifier that generates and outputs the error voltage signal that is the difference between the feedback voltage signal and the reference voltage, the device current detection signal and the error voltage signal are compared. A comparator that outputs a comparison signal, and a switch that controls the output of the switching signal based on the comparison signal. When the error signal is smaller than the lower limit voltage value, the switching signal control circuit stops outputting the switching signal to the switching element, and the error voltage signal is larger than the upper limit voltage value. Has a light load detection circuit for starting output of the switching signal to the switching signal control circuit.
[0027]
According to the semiconductor device for a switching power supply of the present invention, when the current consumed at light load decreases and the second DC voltage that is the output voltage of the device rises, the secondary output voltage, that is, the second DC voltage The voltage value of the feedback voltage signal reflecting the load state increases. As a result, the voltage value of the error voltage signal from the error amplifier that generates an error voltage signal consisting of the difference between the feedback voltage signal and the reference voltage is lowered. At this time, the light load detection circuit stops the output of the switching signal to the switching element to the switching signal control circuit when the error voltage signal is smaller than the lower limit voltage value. Since power consumption at the time of load can be reduced, the power supply efficiency of the switching power supply device can be improved.
[0028]
In the semiconductor device for a switching power supply according to the present invention, it is preferable that the light load detection circuit has a detection voltage variable means capable of variably setting the value of the lower limit voltage or the upper limit voltage.
[0029]
In the semiconductor device for a switching power supply according to the present invention, the switching element and the control circuit include an input terminal and an output terminal of the switching element, an input terminal on the anode side of the control circuit power supply capacitor in the control circuit, and a feedback signal in the output load detection circuit. It is preferable to be integrated on one semiconductor substrate so that the input terminals become external connection terminals.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 shows a schematic circuit configuration of a switching power supply apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the switching power supply according to the present embodiment uses a transformer (transformer) to apply a first DC voltage applied to the main input terminal 10, for example, a rectified and smoothed AC current from a commercial power supply. ) A desired output which is a second DC voltage by the output voltage generation circuit 16 provided on the secondary side of the transformer 13 by the switching operation by repeating the ON / OFF operation of the switching element 14 while being applied to the primary side of 13. This is a switching power supply device that outputs the voltage Vo to the main output terminal 17.
[0032]
Hereinafter, the switching power supply device will be described in detail.
[0033]
The transformer 13 has a primary winding 13a and a secondary winding 13c.
[0034]
Connected in parallel to the main input terminal 10 are a rectifier 11 composed of a diode bridge or the like for rectifying an alternating current and an input capacitor 12 for smoothing the rectified signal to generate a direct-current voltage Vin. The generated DC voltage Vin is input to the primary winding 13a of the transformer 13, and then input to the drain terminal TD of the switching element 14 made of, for example, an N-type power MOSFET. Here, the source terminal Ts of the switching element 14 is connected to the cathode terminal of the input capacitor 12, and a control signal output from the control circuit 15 that controls the operation of the switching element 14 is input to the gate thereof.
[0035]
The switching power supply apparatus may be configured without the rectifier 11. In that case, the first DC voltage Vin may be rectified in advance and then input to the main input terminal 10.
[0036]
An output voltage generation circuit 16 is connected to the secondary winding 13 c of the transformer 13. The output voltage generation circuit 16 smoothes the rectified signal, and a first diode 161 that rectifies a current caused by an electromotive force generated by the magnetic induction of the DC voltage Vin applied to the primary winding 13a and switched. And an output capacitor 162.
[0037]
The main output terminal 17 connected to the output voltage generation circuit 16 is connected to a load 18 between a high level terminal and a low level terminal, and a load supply current Io flows through the load 18.
[0038]
Further, the output voltage detection circuit 51 is connected in parallel with the secondary winding 13c of the transformer 13 and detects the output voltage Vo which is the second DC voltage, and the detected signal is fed back to the control circuit 15 on the primary side. And a photocoupler as a feedback circuit capable of returning in an insulated state.
[0039]
The photocoupler includes a light emitting diode portion 52a connected to the secondary side output voltage detection circuit 51, and a light receiving transistor portion connected between the feedback signal input terminal TFB and the source terminal Ts of the primary side control circuit 15. 52b. The output voltage detection circuit 51 may be configured to include, for example, a series body of a shunt regulator and a resistor.
[0040]
In the present embodiment, the region surrounded by the broken line 20, that is, includes the switching element 14 and the control circuit 15, is connected to the drain terminal TD and source terminal Ts of the switching element 14, and the anode of the control circuit capacitor 19. Input / output from / to the outside is made possible by the four terminals of the reference voltage terminal TREF to which the reference voltage of the circuit 15 is applied and the feedback signal input terminal TFB. Here, the region including the four terminals TD, Ts, TREF, and TFB is called a substrate formation region 20 and represents that the substrate formation region 20 can be formed on one semiconductor chip. Note that the on-substrate formation region 20 is not necessarily formed into one chip, and may be divided into a plurality of semiconductor substrates. Also in this case, it is preferable that the package is housed in one package having the above-mentioned four terminals TD, Ts, TREF and TFB as external connection terminals.
[0041]
The control circuit 15 includes an oscillator 21 that generates and outputs a switching signal having an oscillation frequency of about 100 kHz, for example, applied to the switching element 14, a common source connected to the reference voltage terminal TREF, and one drain and a common gate that are fed back. It consists of a first P-type MOSFET 531 and a second P-type MOSFET 532 connected to the signal input terminal TREF and having the other drain connected to the source terminal Ts via a resistor, and shows the load state on the secondary side from the feedback signal. An output load detection circuit 53 that converts and outputs the feedback voltage signal VFBO, and an error voltage signal VEAO comprising the difference between the feedback voltage signal VFBO and the reference voltage applied to the positive phase terminal. And an error amplifier 22 for generating and outputting. Further, the drain current ID flowing through the switching element 14 is detected, the detected drain current ID is converted into a voltage, and output as the element current detection signal VCL, and the error voltage signal VEAO and the element current detection signal VCL. A drain current detection comparator 24 that outputs a comparison signal, a switching signal control circuit 25 that controls the output of the switching signal based on the comparison signal, and the error voltage signal VEAO is lower than the lower limit voltage value. When the error voltage signal VEAO is larger than the upper limit voltage value, the switching signal output of the switching signal to the switching signal control circuit 25 is stopped. A light load detection circuit 40 for starting output.
[0042]
Further, the control circuit 15 is connected between the drain terminal TD of the switching element 14 and the reference voltage terminal TREF of the control circuit 15, and has a voltage regulator 29 for holding a predetermined reference voltage value with respect to the reference voltage terminal TREF. The start / stop circuit 30 is connected to the reference voltage terminal TREF and sends a high level enable signal or a low level disable signal to the switching signal control circuit 25 when the control circuit 15 is started or stopped.
[0043]
The switching signal control circuit 25 has an RS flip-flop circuit 26 that receives the output signal of the light load detection circuit 40 at the set terminal S and an output signal of the drain current detection comparator 24 at the reset terminal R, and a first input terminal. The NAND circuit 27 receives the output signal of the start / stop circuit 30, receives the maximum duty cycle signal MDC from the oscillator 21 at the second input terminal, and receives the output signal from the RS flip-flop circuit 26 at the third input terminal. And a gate driver 28 comprising an inverter that receives the output signal of the NAND circuit 27 and outputs a control signal obtained by inverting and amplifying the received output signal to the gate of the switching element 14.
[0044]
The light load detection circuit 40 receives a reference voltage source 41, an error voltage signal VEAO from the error amplifier 22 at a positive phase input terminal, and a reference voltage VR from the reference voltage source 41 at a negative phase input terminal. The comparator 42 includes an AND circuit 43 that receives the output signal of the light load detection comparator 42 at one input terminal and receives the clock signal CLK from the oscillator 21 at the other input terminal. The reference voltage source 41 is configured to receive the output of the light load detection comparator 42 so that the value of the reference voltage VR can be changed.
[0045]
The light load detection comparator 42 compares the input error voltage signal VEAO with the reference voltage VR. When the error voltage signal VEAO is larger than the reference voltage VR, the light load detection comparator 42 outputs a high level signal to the AND circuit 43. Is output. On the other hand, when the error voltage signal VEAO is smaller than the reference voltage VR, a low level signal is output to the AND circuit 43. Therefore, the output signal of the RS flip-flop circuit 26 is low level. The output of the control signal from 28 can be stopped.
[0046]
Further, an overcurrent protection circuit 31 composed of a PNP bipolar transistor that clamps the maximum value of the error voltage signal VEAO is provided on the output side of the error amplifier 22, and when the error voltage signal VEAO exceeds the clamp value, The switching element 14 is protected by short-circuiting the overcurrent to the source terminal Ts of the switching element 14.
[0047]
In the switching power supply according to the present embodiment, there are no restrictions on the voltage values of the DC voltage Vin and the output voltage Vo. In addition, since the number of parts of the switching power supply device can be greatly reduced by using one package or even one chip, the size of the switching power supply device can be reduced, and further reduction in size and cost can be realized.
[0048]
Further, although the N-type MOSFET is used for the switching element 14, an NPN-type bipolar transistor may be used instead.
[0049]
Hereinafter, an operation of the switching power supply device configured as described above will be described.
[0050]
First, activation of the switching power supply device according to the present embodiment will be described. When AC power is input to the main input terminal 10, it is rectified and smoothed to become a DC voltage Vin, and the control circuit power supply capacitor 19 is charged via the primary winding 13 a of the transformer 13 and the voltage regulator 29. . Thereafter, when the reference voltage value at the reference voltage terminal TREF reaches the starting voltage, the control circuit 15 operates and the on / off control of the switching element 14 is started.
[0051]
Next, the operation at the time of load change of the switching power supply device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0052]
FIG. 2 shows the operation of the switching power supply device according to this embodiment with respect to changes in the output load state.
[0053]
As shown in FIG. 2, at the rated load (steady load), the value of the reference voltage VR of the reference voltage source 41 is set to the lower limit voltage value VR1.
[0054]
Thereafter, for example, when a load change that becomes a light load such that the load supply current Io decreases, the power supply to the load 18 becomes excessive, and the voltage value of the output voltage Vo slightly increases. This rise in the output voltage Vo is detected by the output voltage detection circuit 51, and this detection signal is transmitted to the feedback signal input terminal TFB of the control circuit 15 through the light emitting diode portion 52a and the light receiving transistor portion 52b of the photocoupler. As a result, as the feedback signal current flowing through the light receiving transistor portion 52b increases, the potential of the drain and gate of the first P-type MOSFET 531 decreases, and the first and second P-type MOSFETs 531 and 532 become low impedance. It becomes a state. As a result, since the potential of the reference voltage terminal TREF is held at a predetermined value via the voltage regulator 29, the voltage value of the feedback voltage signal VFBO, which is the output signal of the second P-type MOSFET 532, increases. Further, as the feedback voltage signal VFBO increases, the voltage value of the error voltage signal VEAO output from the error amplifier 22 decreases, so even if the voltage value of the element current detection signal VCL from the drain current detection circuit 23 is low. The drain current detection comparator 24 outputs a high level signal. As a result, the timing at which the reset signal is output from the RS flip-flop circuit 26 is advanced, and the voltage value of the element current detection signal VCL gradually decreases.
[0055]
As described above, the switching operation of the switching element 14 does not stop during a load change until the voltage value of the error voltage signal VEAO from the error amplifier 22 becomes equal to the lower limit voltage value VR1 for light load detection. The maximum value of the drain current ID flowing through the switching element 14 decreases linearly. As a result, the current consumption of the switching element 14 when the load fluctuates is gradually suppressed according to the size of the load. This is a feature of the so-called current mode PMW control system.
[0056]
Next, at a light load when the value of the error voltage signal VEAO is substantially equal to the lower limit voltage value VR1, the light load detection comparator 42 of the light load detection circuit 40 outputs a low level signal to the AND circuit 43. Therefore, the gate driver 28 of the switching signal control circuit 25 outputs only the low level control signal, and the switching operation of the switching element 14 is stopped. At substantially the same time, upon receiving the low level output signal of the light load detection comparator 42, the output voltage VR of the reference voltage source 41 is changed from the lower limit voltage value VR1 to the upper limit voltage value VR2.
[0057]
Next, when a light load or no load state occurs during standby, the switching control for the switching element 14 is stopped, the switching element 14 is turned off, and the drain current ID does not flow through the switching element 14. As a result, power is not supplied to the secondary winding 13c via the primary winding 13a of the transformer 13, so that power supply to the load 18 is performed only from the output capacitor 162. Vo gradually decreases. When the output voltage Vo decreases, the current amount of the feedback signal detected by the output voltage detection circuit 51 and fed back to the primary side by the photocoupler decreases. Therefore, the feedback voltage signal VFBO output from the output load detection circuit 53 is Decrease gradually. At this time, as shown in FIG. 3, since the output voltage VR of the reference voltage source 41 is set to the upper limit voltage VR2 higher than the lower limit voltage VR1, the switching operation by the switching element 14 is not immediately resumed.
[0058]
Further, when the output voltage Vo decreases and the error voltage signal VEAO exceeds the upper limit voltage value VR2, the output signal from the light load detection comparator 42 becomes high level again. Can output a high-level output signal, the switching operation of the switching element 14 is resumed. At substantially the same time, the output voltage VR of the reference voltage source 41 is reset from the upper limit voltage value VR2 to the lower limit voltage value VR1 in response to the high level output signal of the light load detection comparator 42.
[0059]
When the switching operation by the switching element 14 is resumed, the drain current ID flowing through the switching element 14 is larger than the current value at the time of light load detection, so that the power supply to the load 18 becomes excessive, and again The output voltage Vo rises and the feedback voltage signal VFBO from the output load detection circuit 53 falls. Therefore, as described above, when the error voltage signal VEAO becomes smaller than the lower limit voltage value VR1, the output of the switching signal to the switching element 14 is stopped again.
[0060]
As described above, when the reference voltage VR output from the reference voltage source 41 detects a light load state, the switching operation is stopped, and the reference voltage VR is changed from the lower limit voltage value VR1 to the upper limit voltage value VR2. Therefore, even if the error voltage signal VEAO rises, a hysteresis characteristic is given to the reference voltage VR so that the switching operation is not started immediately. As a result, while the light load or no load is detected, the switching control for the switching element 14 is in an intermittent oscillation state in which the switching operation is repeatedly stopped and restarted.
[0061]
The output voltage Vo decreases during the switching stop period in the intermittent oscillation state, and the degree of the decrease depends on the load supply current Io. That is, as the load supply current Io decreases, the output voltage Vo decreases more slowly.
[0062]
Further, the switching stop period in the intermittent oscillation state becomes longer as the load supply current Io becomes smaller. That is, the switching operation of the switching element 14 decreases as the load becomes lighter.
[0063]
Also, the circuit configurations of the light load detection circuit 40 and the output load detection circuit 53 shown in FIG. 1 are not limited to these, and any circuit configuration having an equivalent function may be used.
[0064]
(One Modification of Embodiment)
Hereinafter, a modification of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
[0065]
FIG. 4 shows a schematic circuit configuration of a switching power supply device according to a modification of the embodiment. In FIG. 4, the same components as those shown in FIG.
[0066]
As shown in FIG. 4, the switching power supply according to the present modification has a light load detection comparator 42 having one end via a light load detection voltage adjustment terminal TR provided at the end of the substrate formation region 20. And a light load detection voltage adjusting resistor 55 as a detection voltage variable means connected to the low level side of the main input terminal 10.
[0067]
As described above, the light load detection voltage adjusting resistor 55 is provided so that the lower limit voltage value VR1 and the upper limit voltage value VR2 of the light load detection reference voltage VR can be appropriately adjusted. In addition to the necessary load, the load supply current Io when the switching operation of the switching element 14 is stopped or restarted can be optimized. Therefore, even when the switching element 14 and the control circuit 15 are integrated into one chip, the lower limit voltage value VR1 or the upper limit voltage value VR2 of the light load detection circuit 40 can be changed according to the use of the power supply device. .
[0068]
In this modification, the light load detection voltage adjusting resistor 55 is provided outside the on-substrate formation region 20, but the present invention is not limited to this, and after determining a desired resistance value, the on-substrate formation region 20 may be incorporated. In this case, the resistance value can be adjusted by a trimming technique, for example, a laser trimming method.
[0069]
【The invention's effect】
According to the switching power supply device of the present invention, an error amplifier that outputs an error voltage signal that is a difference between a feedback voltage signal generated by feedback from the output side and a reference voltage, and the error voltage signal is smaller than a lower limit voltage value Since the switching signal control circuit has a light load detection circuit that stops the output of the switching signal to the switching element, loss in the switching element is reduced, and power consumption at light load can be reduced. The power supply efficiency of the semiconductor device for switching power supply can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a switching power supply device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the switching power supply according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a timing chart showing a reference voltage applied to a light load detection comparator in the switching power supply according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic circuit diagram showing a switching power supply device according to a modification of the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic circuit diagram showing a conventional switching power supply device.
FIG. 6 is a timing chart showing the operation of a conventional switching power supply device.
[Explanation of symbols]
10 Main input terminal
11 Rectifier
12 Input capacitor
13 Transformer
13a Primary winding
13c Secondary winding
14 Switching elements
15 Control circuit
16 Output voltage generation circuit
161 First diode
162 Output capacitor
17 Main output terminal
18 Load
19 Power supply capacitor for control circuit
20 Formation area on substrate
21 Oscillator
22 Error amplifier
23 Current detection circuit
24 Drain current detection comparator
25 Switching signal control circuit
26 RS flip-flop circuit
27 NAND circuit
28 Gate driver
29 Voltage regulator
30 Start / stop circuit
31 Overcurrent protection circuit
40 Light load detection circuit
41 Reference voltage source
42 Light load detection comparator
43 AND circuit
51 Output voltage detection circuit
52a Light emitting diode (feedback circuit)
52b Light receiving transistor (feedback circuit)
53 Output load detection circuit
531 First P-type MOSFET
532 Second P-type MOSFET
55 Light load detection voltage adjustment resistor (Detection voltage variable means)
Ts source terminal
TD drain terminal
TREF reference voltage terminal
TBF feedback signal input terminal
TR Light load detection voltage adjustment terminal

Claims

A transformer,
A switching element having an input terminal connected to the primary winding of the transformer and receiving a first DC voltage via the transformer;
The second DC voltage is generated from the first DC voltage and output by rectifying and smoothing the output voltage on the secondary side of the transformer, connected to the secondary winding of the transformer. An output voltage generation circuit;
A control circuit for controlling the operation of the switching element;
An output voltage detection circuit for detecting and outputting a voltage value of the second DC voltage;
A feedback circuit that feeds back an output signal of the output voltage detection circuit to the control circuit as a feedback signal in an insulated state;
A control circuit power supply capacitor that receives an output of the primary winding at an anode and an output of the switching element at a cathode and generates a power supply voltage for the control circuit;
A voltage regulator provided between the output side of the primary winding and the anode of the control circuit power supply capacitor, and holding the power supply voltage at a predetermined value;
The control circuit includes:
An oscillator that generates and outputs a switching signal applied to the switching element;
A current detection circuit that detects a current flowing through the switching element and outputs the current as an element current detection signal;
An output load detection circuit that converts the feedback signal into a feedback voltage signal indicating a load state on the secondary side and outputs the feedback voltage signal;
An error amplifier that generates and outputs an error voltage signal composed of a difference between the feedback voltage signal and a reference voltage;
A comparator that compares the device current detection signal with the error voltage signal and outputs a compared comparison signal;
A switching signal control circuit for controlling the output of the switching signal based on the comparison signal;
When the error voltage signal is smaller than a lower limit voltage value, the switching signal control circuit stops outputting the switching signal to the switching element, and when the error voltage signal is larger than an upper limit voltage value. A switching power supply device comprising: a light load detection circuit for starting output of the switching signal to the switching signal control circuit.

The switching power supply according to claim 1, wherein the feedback circuit includes a photocoupler.

3. The switching power supply device according to claim 1, wherein the light load detection circuit includes a detection voltage variable unit capable of variably setting a value of the lower limit voltage or the upper limit voltage.

The switching element and the control circuit are:
One input terminal and an output terminal of the switching element, an input terminal on the anode side of the power capacitor for the control circuit in the control circuit, and an input terminal for the feedback signal in the output load detection circuit are external connection terminals. 4. The switching power supply device according to claim 1, wherein the switching power supply device is integrated on a semiconductor substrate. 5.

A transformer,
A switching element having an input terminal connected to the primary winding of the transformer and receiving a first DC voltage via the transformer;
The second DC voltage is generated from the first DC voltage and output by rectifying and smoothing the output voltage on the secondary side of the transformer, connected to the secondary winding of the transformer. An output voltage generation circuit;
A control circuit for controlling the operation of the switching element;
An output voltage detection circuit for detecting and outputting a voltage value of the second DC voltage;
A feedback circuit that feeds back an output signal of the output voltage detection circuit to the control circuit as a feedback signal in an insulated state;
A control circuit power supply capacitor that receives an output of the primary winding at an anode and an output of the switching element at a cathode and generates a power supply voltage for the control circuit;
Switching power supply semiconductor device for controlling a switching power supply device provided between the output side of the primary winding and the anode of the control circuit power supply capacitor and having a voltage regulator for holding the power supply voltage at a predetermined value Because
The switching power supply semiconductor device includes the switching element and the control circuit,
The control circuit includes:
An oscillator that generates and outputs a switching signal applied to the switching element;
A current detection circuit that detects a current flowing through the switching element and outputs the current as an element current detection signal;
An output load detection circuit that converts the feedback signal into a feedback voltage signal indicating a load state on the secondary side and outputs the feedback voltage signal;
An error amplifier that generates and outputs an error voltage signal composed of a difference between the feedback voltage signal and a reference voltage;
A comparator that compares the device current detection signal with the error voltage signal and outputs a compared comparison signal;
A switching signal control circuit for controlling the output of the switching signal based on the comparison signal;
When the error voltage signal is smaller than a lower limit voltage value, the switching signal control circuit stops outputting the switching signal to the switching element, and when the error voltage signal is larger than an upper limit voltage value. A switching power supply semiconductor device comprising: a light load detection circuit for starting output of the switching signal to the switching signal control circuit.

6. The semiconductor device for a switching power supply according to claim 5, wherein the light load detection circuit includes a detection voltage variable means capable of variably setting a value of the lower limit voltage or the upper limit voltage.

The switching element and the control circuit are:
One input terminal and an output terminal of the switching element, an input terminal on the anode side of the power capacitor for the control circuit in the control circuit, and an input terminal for the feedback signal in the output load detection circuit are external connection terminals. 7. The switching power supply semiconductor device according to claim 5, wherein the switching power supply semiconductor device is integrated on a semiconductor substrate.