JP6554325B2 - 絶縁同期整流型dc/dcコンバータおよびそのフィードバック回路、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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Description
これにより、電圧フィードバック経路を利用して過電流保護を実現できる。
これによれば、フィードバックの状態や異常検出の有無にかかわらず、フォトカプラ接続端子の電圧を、ダイオードのツェナー電圧より高くクランプできるため、内部電源電圧を安定化できる。
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。
軽負荷時において、効率を高めるためにDC/DCコンバータ200を間欠動作(PFMモードとも称される)させる場合がある。図3(a)は、PFMモードにおける図2のDC/DCコンバータ200の動作波形図である。図3(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
同期整流トランジスタM2は、2次巻線W2よりも接地側に設けられてもよい。この場合、同期整流コントローラ300の電源電圧は、出力電圧VOUTからとればよく、その接地電圧は、DC/DCコンバータ200の接地電圧とすればよい。また同期整流トランジスタM2は同期整流コントローラ300に内蔵されてもよい。
図5は、第2の実施の形態に係るAC/DCコンバータ100aの回路図である。この実施の形態は、同期整流コントローラ300aに、図4のフィードバックIC400が集積化される。
同期整流トランジスタM2は同期整流コントローラ300aに内蔵されてもよい。
図6は、第3の実施の形態に係るAC/DCコンバータ100bの回路図である。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。
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Rs1が設けられる。コントローラ202は、センス抵抗Rs1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8は、第3の実施の形態に係る同期整流コントローラ300cを備えるDC/DCコンバータ200cのブロック図である。この実施の形態に係る同期整流コントローラ300cは、第2の実施の形態(図5)のDC/DCコンバータ200aの同期整流トランジスタM2を、同期整流コントローラ300と同一のモジュールに内蔵した構成となっている。そのほかは図5の同様である。
Vf=VT×ln(Ic/IS) …(1)
VT=kT/q
Tは温度、kはボルツマン定数、qは電子素量、ISは飽和電流である。ISもまた温度依存性を有することに留意されたい。図9(a)の温度検出回路は、負の温度特性(CTAT:Complimentary To Absolute Temperature)を有する。
ΔVf=Vf1−Vf2=VT×ln(n) …(2)
図11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。
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410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、図4、図5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。
実施の形態では、保護回路430が保護トランジスタ432を含む場合を説明したが、保護回路430の構成はそれには限定されず、(1)エラーアンプ410の出力を無効化し、(2)スイッチングトランジスタM1のオン時間(デューティ比)が小さくなるように、コントローラ202へのフィードバック電圧VFBを変化させることができる構成であればよい。たとえば図2において、保護回路430は、電源電圧(ハイレベル電圧)と出力トランジスタ412の間に挿入されたスイッチ(トランジスタ)を含んでもよい。異常検出信号S4がアサートされたときに、このスイッチをオンすることでエラーアンプ410による電圧フィードバックは無効化され、またスイッチングトランジスタM1のオン時間を短くできる。
第1の実施の形態(図2、図4)では異常検出回路420および保護回路430が、エラーアンプ410とともに集積化され、第2の実施の形態、第3の実施の形態(図5〜図7)では同期整流コントローラ300aに、異常検出回路420および保護回路430が集積化される場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば同期整流コントローラ300、エラーアンプ410、異常検出回路420、保護回路430は、別々のICに集積化されてもよい。またエラーアンプ410としてシャントレギュレータを利用してもよい。また保護回路430のトランジスタは、外付けのディスクリート素子を用いてもよい。
第3の実施の形態において、エラーアンプ410が同期整流コントローラ300cに内蔵されることとしたが、この場合に、エラーアンプ410は、半導体チップSC6,7とは別の半導体チップに集積化されてもよい。あるいはエラーアンプ410は同期整流コントローラ300とは独立したパッケージに収容されたシャントレギュレータであってもよい。
Claims (23)
- 絶縁同期整流型DC/DCコンバータの2次側に配置されるフィードバック回路であって、
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、
前記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前記フィードバック回路と、
を備え、
前記フィードバック回路は、
前記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、
一端が前記フォトカプラ接続端子と接続されるダイオードと、
前記フォトカプラ接続端子の電圧を受け、それを安定化して内部電源電圧を生成する内部レギュレータと、
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/ドレインが前記ダイオードの他端と接続される第1出力トランジスタと、を含み、前記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ォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出すると、異常検出信号をアサートする異常検出回路と、
そのベース/ゲートに前記異常検出信号が入力され、そのエミッタ/ソースが接地され、そのコレクタ/ドレインが前記ダイオードの前記他端と接続される第2出力トランジスタを含み、前記異常検出信号がアサートされると、前記エラーアンプによるフィードバックが無効となり、前記スイッチングトランジスタのオン時間が減少するように、前記フォトカプラ接続端子を介してフィードバック用フォトカプラに作用する保護回路と、
を備え、
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フィードバック回路。 - 前記DC/DCコンバータの2次側に流れる電流に応じた電流検出信号とその上限レベルの誤差を増幅し、前記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ォトカプラの入力側から引き込む過電流保護回路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のフィードバック回路。
- 前記過電流保護回路は、前記エラーアンプと同様の構成を有することを特徴とする請求項2に記載のフィードバック回路。
- 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3のいずれかに記載のフィードバック回路。
- 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、
前記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請求項1から4のいずれかに記載のフィードバック回路と、
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。 - 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、
フォトカプラと、
前記フォトカプラの出力側と接続され、前記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、
一端が前記フォトカプラ接続端子と接続されるダイオードと、
前記フォトカプラ接続端子の電圧を受け、それを安定化して内部電源電圧を生成する内部レギュレータと、
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/ドレインが前記ダイオードの他端と接続される第1出力トランジスタと、を含み、前記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ォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出すると、異常検出信号をアサートする異常検出回路と、
そのベース/ゲートに前記異常検出信号が入力され、そのエミッタ/ソースが接地され、そのコレクタ/ドレインが前記ダイオードの前記他端と接続される第2出力トランジスタを含み、前記異常検出信号がアサートされると、前記エラーアンプによるフィードバックが無効となり、前記スイッチングトランジスタのオン時間が減少するように、前記フォトカプラ接続端子に作用する保護回路と、
を備え、
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同期整流コントローラ。 - 前記DC/DCコンバータの2次側に流れる電流に応じた電流検出信号とその上限レベルの誤差を増幅し、前記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ォトカプラの入力側から引き込む過電流保護回路をさらに備え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。
- 前記過電流保護回路は、前記エラーアンプと同様の構成を有することを特徴とする請求項7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。
- 前記異常検出回路および前記エラーアンプのセットと前記駆動回路とは、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6から9のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 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、
フォトカプラと、
前記フォトカプラの出力側と接続され、前記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ォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出すると、異常検出信号をアサートする異常検出回路と、
前記フォトカプラ接続端子と接続され、前記異常検出信号がアサートされると、前記エラーアンプによるフィードバックが無効となり、前記スイッチングトランジスタのオン時間が減少するように、前記フォトカプラ接続端子に作用する保護回路と、
を備え、
単一のモジュールにパッケージ化され、
前記異常検出回路および前記エラーアンプのセットと前記駆動回路とは、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同期整流コントローラ。 - 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請求項11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6から12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。 - フライバック型であることを特徴とする請求項5または13に記載の絶縁同期整流型DC/DCコンバータ。
- フォワード型であることを特徴とする請求項5または13に記載の絶縁同期整流型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14または15に記載の絶縁同期整流型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14または15に記載の絶縁同期整流型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14または15に記載の絶縁同期整流型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。 - 絶縁同期整流型DC/DCコンバータの2次側に配置されるフィードバック回路であって、
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、
前記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前記フィードバック回路と、
を備え、
前記フィードバック回路は、
前記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、前記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ォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出すると、異常検出信号をアサートする異常検出回路と、
前記フォトカプラ接続端子と接続され、前記異常検出信号がアサートされると、前記エラーアンプによるフィードバックが無効となり、前記スイッチングトランジスタのオン時間が減少するように、前記フォトカプラ接続端子を介してフィードバック用フォトカプラに作用する保護回路と、
を備え、
単一のモジュールにパッケージ化され、
前記異常検出回路は、前記DC/DCコンバータの2次側の過電圧状態、過熱状態を検出可能に構成され、
前記異常検出回路は、
前記過電圧状態を検出する第1検出回路と、
前記過熱状態を検出する第2検出回路と、
所定時間より長い期間にわたり前記過電圧状態と前記過熱状態の少なくとも一方が発生すると、前記異常検出信号をアサートするタイマー回路と、
を含むことを特徴とするフィードバック回路。 - 前記タイマー回路は、
その出力が前記異常検出信号であるフリップフロップと、
前記所定時間より長い期間にわたり前記過電圧状態と前記過熱状態の少なくとも一方が発生すると、前記フリップフロップにトリガを与えるタイマーと、
を含むことを特徴とする請求項19に記載のフィードバック回路。 - 絶縁同期整流型DC/DCコンバータの2次側に配置されるフィードバック回路であって、
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、
前記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前記フィードバック回路と、
を備え、
前記フィードバック回路は、
前記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、前記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ォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出すると、異常検出信号をアサートする異常検出回路と、
前記フォトカプラ接続端子と接続され、前記異常検出信号がアサートされると、前記エラーアンプによるフィードバックが無効となり、前記スイッチングトランジスタのオン時間が減少するように、前記フォトカプラ接続端子を介してフィードバック用フォトカプラに作用する保護回路と、
を備え、
単一のモジュールにパッケージ化され、
前記フィードバック回路、前記同期整流コントローラおよび前記同期整流トランジスタは、ひとつのモジュールにパッケージ化され、
前記ひとつのモジュールは、ゲートに所定のバイアス電圧を受け、一端が前記同期整流トランジスタのドレインと接続され、他端の電圧が前記同期整流トランジスタのゲート信号の生成に使用されるFET(Field Effect Transistor)を含むことを特徴とするフィードバック回路。 - 絶縁同期整流型DC/DCコンバータの2次側に配置されるフィードバック回路であって、
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、
前記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前記フィードバック回路と、
を備え、
前記フィードバック回路は、
前記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、前記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ォトカプラの入力側から引き込むエラーアンプと、
前記DC/DCコンバータの2次側の異常を検出すると、異常検出信号をアサートする異常検出回路と、
前記フォトカプラ接続端子と接続され、前記異常検出信号がアサートされると、前記エラーアンプによるフィードバックが無効となり、前記スイッチングトランジスタのオン時間が減少するように、前記フォトカプラ接続端子を介してフィードバック用フォトカプラに作用する保護回路と、
を備え、
前記フィードバック回路、前記同期整流コントローラおよび前記同期整流トランジスタは、ひとつのモジュールにパッケージ化され、
前記ひとつのモジュールは、前記同期整流トランジスタのドレインと共通に接続される2個のドレインピンを含むことを特徴とするフィードバック回路。 - 前記ひとつのモジュールは、
前記同期整流トランジスタの最大オン時間を規定するため第1ピンと、
前記フォトカプラ接続端子である第2ピンと、
電源電圧を受ける第3ピンと、
前記同期整流トランジスタのソースと接続される第4ピンと、
前記電圧検出信号を受ける第5ピンと、
外部のグランドと接続される第6ピンと、
をさらに有し、
前記第1ピンから前記第4ピンはパッケージの1辺に沿って設けられ、前記第5ピンおよび前記第6ピンおよび前記2個のドレインピンは、前記パッケージの別の辺に沿って設けられることを特徴とする請求項22に記載のフィードバック回路。
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