JP6554321B2 - 絶縁同期整流型dc/dcコンバータおよびその同期整流コントローラ、それを用いた電源装置、電源アダプタおよび電子機器 - Google Patents
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この場合、異常発生の通知を受けたマイクロコントローラが、その制御下にある回路を停止させ、あるいは消費電流を低減させることで、回路を保護できる。
この場合、異常発生時にロードスイッチをオフすることで、負荷を保護することができる。
この場合、異常発生の通知を受けた1次側コントローラが、スイッチングトランジスタを停止させ、トランスの2次側に供給する電力を低下させることで、回路を保護できる。
この態様では、シャントレギュレータに代えて、同期整流コントローラに内蔵されたエラーアンプによって、フォトカプラの入力側の電流を生成することとした。これにより、エラーアンプの消費電流をシャントレギュレータに比べて大幅に低減することができ、効率を改善できる。
これにより、同期整流トランジスタを、トランスの2次巻線の高電位側(出力端子側)に配置することができる。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図2は、第1の実施の形態に係るAC/DCコンバータ100の回路図である。AC/DCコンバータ100は、フィルタ102、整流回路104、絶縁型のDC/DCコンバータ200を備える。
トランスT1の1次側には、スイッチングトランジスタM1と直列にセンス抵抗Rsが設けられる。コントローラ202は、センス抵抗Rsの電圧降下にもとづいて1次側電流をモニタする。1次側電流は、電流モード制御に利用され、あるいは過電流保護に利用される。コントローラ202の構成は特に限定されず、ピーク電流モード、平均電流モード、オフ時間固定モードなどのパルス変調器を含んでもよい。
図6は、第2の実施の形態に係る同期整流コントローラ300aを備えるDC/DCコンバータ200aの回路図である。
同期整流コントローラ300aは、図2の同期整流コントローラ300加えて、エラーアンプ310と、フォトカプラ接続端子(PC)端子を備える。PC端子には、フォトカプラ204の入力側の発光素子(発光ダイオード)のカソードが接続される。
この同期整流コントローラ300では、エラーアンプ310を駆動回路302と同一の半導体チップに集積化することにより、図1のシャントレギュレータ206に比べて、エラーアンプ310の消費電流を大幅に低減できる。
軽負荷時において、効率を高めるためにDC/DCコンバータ200aを間欠動作(PFMモードとも称される)させる場合がある。図7(a)は、PFMモードにおける図6のDC/DCコンバータ200aの動作波形図である。図7(b)には、比較のために図1のDC/DCコンバータ200rの動作波形図を示す。
TOFF=C・ΔV/I
またDC/DCコンバータのスイッチング周期tは、以下の式で与えられる。
t=(TON+TOFF)=TON+C・ΔV/I
t1≒100μA×100mV/700μA=14.28ms
t2≒100μA×100mV/200μA=50ms
図8は、第3の実施の形態に係るAC/DCコンバータ100dの回路図である。出力回路210dの同期整流トランジスタM2は、トランスT1の2次巻線W2の高電位側に設けられる。
図9は、第4の実施の形態に係るDC/DCコンバータ200eの回路図である。同期整流コントローラ300eは、3つの半導体チップSC3、SC4、SC5を含む。半導体チップSC3は、高耐圧プロセスで製造され、ゲートに所定のバイアス電圧VGが印加されたFETであるトランジスタM10を含み、同期整流トランジスタM2のドレイン電圧VDをクランプする。トランジスタM10によりクランプされたドレイン電圧VD’は、セットコンパレータ332、リセットコンパレータ334に入力される。半導体チップSC4は図8の駆動回路302dに対応し、図5と同様の構成を有するパルス発生器304およびドライバ306を含む。
この同期整流コントローラ300eによれば、第1の実施の形態と同様に、2次側の消費電流を低減することができる。また軽負荷時における1次側のスイッチング損失を低減できる。
図10は、AC/DCコンバータ100を備えるACアダプタ800を示す図である。ACアダプタ800は、プラグ802、筐体804、コネクタ806を備える。プラグ802は、図示しないコンセントから商用交流電圧VACを受ける。AC/DCコンバータ100は、筐体804内に実装される。AC/DCコンバータ100により生成された直流出力電圧VOUTは、コネクタ806から電子機器810に供給される。電子機器810は、ノートPC、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、携帯オーディオプレイヤなどが例示される。
プラグ902、図示しないコンセントから商用交流電圧VACを受ける。AC/DCコンバータ100は、筐体804内に実装される。AC/DCコンバータ100により生成された直流出力電圧VOUTは、同じ筐体904内に搭載される、マイコン、DSP(Digital Signal Processor)、電源回路、照明機器、アナログ回路、デジタル回路などの負荷に供給される。
図12は、第1変形例に係る同期整流コントローラ300bを備えるDC/DCコンバータ200bの回路図である。図6の相違点を説明する。第1抵抗R1および第2抵抗R2は、エラーアンプ310と同一の半導体チップに集積化され、同期整流コントローラ300bに内蔵されている。第1抵抗R1および第2抵抗R2は、VO端子とエラーアンプ310が集積化される半導体チップのグランドプレーン(接地ライン)の間に直列に設けられる。
VOUT=VREF×(1+R1/R2)
図6のように第1抵抗R1、第2抵抗R2をチップ部品で構成すると、DC/DCコンバータ200bを搭載する電子機器を量産する場合に、第1抵抗R1、第2抵抗R2それぞれの抵抗値のばらつきにより、(1+R1/R2)がばらつき、ひいては出力電圧VOUTがばらつくこととなる。
図13は、第2変形例に係る同期整流コントローラ300fを備えるDC/DCコンバータ200fの回路図である。同期整流コントローラ300fは、図9の同期整流コントローラ300eの半導体チップSC5に第1抵抗R1、第2抵抗R2を集積化したものである。図13の同期整流コントローラ300fによれば、第1変形例と同様の効果を得ることができる。
図6、図9、図12、図13において、エラーアンプ310の出力トランジスタ312を、PNPバイポーラトランジスタあるいはPチャンネルMOSFETで構成してもよい。この場合、差動アンプ314の反転入力端子と非反転入力端子を入れ替えればよい。
実施の形態では、フライバックコンバータを説明したが、本発明はフォワードコンバータにも適用可能である。この場合にはトランスT1の2次側に、複数の同期整流用のトランジスタが配置されることとなる。同期整流コントローラは、複数の同期整流トランジスタをスイッチングするよう構成された駆動回路302と、エラーアンプ310が、単一のパッケージにモジュール化される。あるいは、図2や図6の同期整流コントローラを複数個、利用することで、フォワードコンバータに対応することもできる。またコンバータは疑似共振型であってもよい。
スイッチングトランジスタや同期整流トランジスタの少なくとも一方は、バイポーラトランジスタやIGBTであってもよい。
Claims (20)
- 負荷に電力を供給する絶縁同期整流型DC/DCコンバータの2次側に配置され、前記DC/DCコンバータの2次側の同期整流トランジスタを制御する同期整流コントローラであって、
前記絶縁同期整流型DC/DCコンバータは、
1次巻線および2次巻線を有するトランスと、
前記トランスの1次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
前記トランスの2次巻線と接続される前記同期整流トランジスタと、
フィードバック用フォトカプラと、
前記フィードバック用フォトカプラの出力側と接続され、前記フィードバック用フォトカプラからのフィードバック信号に応じて前記スイッチングトランジスタをスイッチングする1次側コントローラと、
を備え、
前記同期整流コントローラは、
前記同期整流トランジスタをスイッチングする駆動回路と、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出する異常検出回路と、
異常の発生を外部に通知するためのフェイル端子と、
を備え、
単一のモジュールにパッケージ化され、
前記フェイル端子には、前記負荷が接続されることを特徴とする同期整流コントローラ。 - 前記負荷は、
マイクロコントローラと、
前記マイクロコントローラの制御下に置かれる少なくともひとつの回路と、
を含み、
前記フェイル端子には、前記マイクロコントローラが接続されることを特徴とする請求項1に記載の同期整流コントローラ。 - 前記DC/DCコンバータは、その出力側が前記1次側コントローラと接続されたエラー通知用フォトカプラをさらに備え、
前記同期整流コントローラの前記フェイル端子は、前記異常の発生を前記1次側コントローラに通知するために、前記エラー通知用フォトカプラの入力側と接続されることを特徴とする請求項1または2に記載の同期整流コントローラ。 - 前記異常検出回路と前記駆動回路は電源プレーンが独立しており、またそれらのグランドプレーンが独立していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 負荷に電力を供給する絶縁同期整流型DC/DCコンバータの2次側に配置され、前記DC/DCコンバータの2次側の同期整流トランジスタを制御する同期整流コントローラであって、
前記絶縁同期整流型DC/DCコンバータは、
1次巻線、2次巻線および2次側に設けられた補助巻線を有するトランスと、
前記トランスの1次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
前記トランスの2次巻線と接続される前記同期整流トランジスタと、
フィードバック用フォトカプラと、
前記フィードバック用フォトカプラの出力側と接続され、前記フィードバック用フォトカプラからのフィードバック信号に応じて前記スイッチングトランジスタをスイッチングする1次側コントローラと、
を備え、
前記同期整流コントローラは、
前記同期整流トランジスタをスイッチングする駆動回路と、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出する異常検出回路と、
異常の発生を外部に通知するためのフェイル端子と、
を備え、
単一のモジュールにパッケージ化され、
前記異常検出回路と前記駆動回路は電源プレーンが独立しており、またそれらのグランドプレーンが独立しており、
前記同期整流トランジスタは、前記2次巻線の高電位側に挿入されるものであり、
前記DC/DCコンバータは、前記補助巻線を利用して前記同期整流トランジスタと前記2次巻線の間のラインの電位を基準とした外部電源電圧を生成するよう構成され、
前記駆動回路の前記グランドプレーンには、前記ラインの電位が供給され、前記駆動回路の前記電源プレーンには、前記外部電源電圧が供給されることを特徴とする同期整流コントローラ。 - 前記フィードバック用フォトカプラの入力側と接続されるフォトカプラ接続端子と、
前記DC/DCコンバータの出力電圧に応じた電圧検出信号とその目標電圧の誤差を増幅し、誤差に応じた電流を前記フォトカプラ接続端子を介して前記フィードバック用フォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
をさらに備え、単一のモジュールにパッケージ化されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の同期整流コントローラ。 - 前記エラーアンプの電源プレーン、グランドプレーンはそれぞれ、前記異常検出回路と共通であることを特徴とする請求項6に記載の同期整流コントローラ。
- 負荷に電力を供給する絶縁同期整流型DC/DCコンバータの2次側に配置され、前記DC/DCコンバータの2次側の同期整流トランジスタを制御する同期整流コントローラであって、
前記絶縁同期整流型DC/DCコンバータは、
1次巻線および2次巻線を有するトランスと、
前記トランスの1次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
前記トランスの2次巻線と接続される前記同期整流トランジスタと、
フィードバック用フォトカプラと、
前記フィードバック用フォトカプラの出力側と接続され、前記フィードバック用フォトカプラからのフィードバック信号に応じて前記スイッチングトランジスタをスイッチングする1次側コントローラと、
を備え、
前記同期整流コントローラは、
前記同期整流トランジスタをスイッチングする駆動回路と、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出する異常検出回路と、
異常の発生を外部に通知するためのフェイル端子と、
前記フィードバック用フォトカプラの入力側と接続されるフォトカプラ接続端子と、
前記DC/DCコンバータの出力電圧に応じた電圧検出信号とその目標電圧の誤差を増幅し、誤差に応じた電流を前記フォトカプラ接続端子を介して前記フィードバック用フォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
を備え、
単一のモジュールにパッケージ化され、
前記エラーアンプの電源プレーン、グランドプレーンはそれぞれ、前記異常検出回路と共通であり、
前記エラーアンプおよび前記異常検出回路の共通の前記電源プレーンには、前記フォトカプラ接続端子の電圧から生成された内部電源電圧が供給され、前記エラーアンプおよび前記異常検出回路の共通の前記グランドプレーンには前記DC/DCコンバータの2次側の接地電位が供給されることを特徴とする同期整流コントローラ。 - 前記エラーアンプは、
前記電圧検出信号とその目標電圧の誤差を増幅する差動アンプと、
そのベース/ゲートに前記差動アンプの出力信号が入力され、そのエミッタ/ソースが接地され、そのコレクタ/ドレインが前記フォトカプラ接続端子と接続される出力トランジスタと、
を含むことを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の同期整流コントローラ。 - 前記DC/DCコンバータの出力電圧を受ける電圧検出端子と、
前記エラーアンプと同一の半導体チップに集積化され、前記電圧検出端子とグランドプレーンの間に直列に設けられた第1抵抗および第2抵抗と、
をさらに備えることを特徴とする請求項6から9のいずれかに記載の同期整流コントローラ。 - 前記同期整流トランジスタは、前記2次巻線の高電位側に挿入されるものであり、
前記トランスは、その2次側に設けられた補助巻線をさらに有し、
前記DC/DCコンバータは、前記補助巻線を利用して前記同期整流トランジスタと前記2次巻線の間のラインの電位を基準とした外部電源電圧を生成するよう構成され、
前記駆動回路の前記グランドプレーンには、前記ラインの電位が供給され、前記駆動回路の前記電源プレーンには、前記外部電源電圧が供給されることを特徴とする請求項5に記載の同期整流コントローラ。 - 前記エラーアンプと前記駆動回路は、別々の半導体チップに集積化されることを特徴とする請求項6から10のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 前記同期整流トランジスタをさらに備えて単一のモジュールにパッケージ化されることを特徴とする請求項4から10のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 前記異常検出回路は、前記DC/DCコンバータの2次側の過電圧状態、過熱状態の少なくとも一方を検出可能に構成されることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 前記DC/DCコンバータはフライバック型であることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 前記DC/DCコンバータはフォワード型であることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 1次巻線および2次巻線を有するトランスと、
前記トランスの前記1次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
前記トランスの前記2次巻線と接続される同期整流トランジスタと、
出力キャパシタと、
フォトカプラと、
前記同期整流トランジスタをスイッチングするとともに、前記出力キャパシタの出力電圧とその目標レベルの誤差に応じた電流を、前記フォトカプラの入力側に供給する請求項1から16のいずれかに記載の同期整流コントローラと、
前記フォトカプラの出力側と接続され、前記同期整流コントローラが生成した前記電流に応じたフィードバック信号に応じて、前記スイッチングトランジスタを駆動する1次側コントローラと、
を備えることを特徴とする絶縁同期整流型DC/DCコンバータ。 - 商用交流電圧をフィルタリングするフィルタと、
前記フィルタの出力電圧を全波整流するダイオード整流回路と、
前記ダイオード整流回路の出力電圧を平滑化し、直流入力電圧を生成する平滑キャパシタと、
前記直流入力電圧を降圧し、負荷に供給する請求項17に記載のDC/DCコンバータと、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 負荷と、
商用交流電圧をフィルタリングするフィルタと、
前記フィルタの出力電圧を全波整流するダイオード整流回路と、
前記ダイオード整流回路の出力電圧を平滑化し、直流入力電圧を生成する平滑キャパシタと、
前記直流入力電圧を降圧し、前記負荷に供給する請求項17に記載のDC/DCコンバータと、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 商用交流電圧をフィルタリングするフィルタと、
前記フィルタの出力電圧を全波整流するダイオード整流回路と、
前記ダイオード整流回路の出力電圧を平滑化し、直流入力電圧を生成する平滑キャパシタと、
前記直流入力電圧を降圧し、直流出力電圧を生成する請求項17に記載のDC/DCコンバータと、
を備えることを特徴とする電源アダプタ。
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