JP6563651B2 - 絶縁同期整流型dc/dcコンバータ、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
あるサイクルにおいてスイッチングトランジスタがターンオン、ターンオフし、続いて同期整流トランジスタがターンオンする。この態様によれば、次のサイクルにおいてスイッチングトランジスタがターンオンする前に同期整流トランジスタがオフしていることが保証され、連続モードにおいて生じうる問題を解決できる。
連続モードにおいては、スイッチングトランジスタのターンオンに起因して2次電流がゼロとなる。したがってこの態様によれば、リセット信号のアサートにもとづいて、スイッチングトランジスタのターンオンを検出できる。
不連続モードで、同期整流トランジスタがターンオフすると、同期整流トランジスタの両端間電圧は跳ね上がり、その後、共振により振動する。この態様によれば、両端間電圧を第3しきい値電圧と比較することにより、不連続モードにおける電圧の跳ね上がりを検出でき、不連続モードにおいては計時をリセットすることで、強制オフを無効化できる。
不連続モードで、同期整流トランジスタがターンオフすると、同期整流トランジスタの両端間電圧は跳ね上がり、その後、出力電圧の電圧レベルに収束していく。そこで、第3しきい値電圧を出力電圧にもとづいて設定することで、不連続モードを確実に検出できる。
これにより、抵抗値に応じて、タイムアップ期間を設定できる。
スイッチングトランジスタがターンオンすると、同期整流トランジスタの両端間電圧は、DC/DCコンバータの出力電圧より高く跳ね上がる。そこで、第5しきい値電圧を適切に設定することで、スイッチングトランジスタのターンオンを検出できる。
この態様によれば、次のサイクルにおいてスイッチングトランジスタがターンオンする前に同期整流トランジスタがオフしていることが保証され、連続モードにおいて生じうる問題を解決できる。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
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4は、図3のDC/DCコンバータ200の連続モードの動作波形図である。時刻t1に、スイッチングトランジスタM1がターンオンする。このターンオンを契機として強制オフ回路330は計時を開始し、タイムアップ期間TUPが経過すると、強制オフ信号S2がアサートされる。ここでTUP<TSWであるため、次のサイクルにおいてスイッチングトランジスタM1がターンオンする時刻t4より前に、パルス信号S1がオフレベルとなり、同期整流トランジスタM2をオフさせることができる。
このDC/DCコンバータ200によれば、図4に示すように、連続モードにおいて、スイッチングトランジスタM1がターンオンする前に、同期整流トランジスタM2がターンオフするため、連続モードにおいて生じうる問題を解決することができる。この制御のために、1次側コントローラ202から同期整流コントローラ300に対して、スイッチングトランジスタM1のターンオンを示すタイミング信号を供給する必要がないため、タイミング信号の伝送のために必要なフォトカプラやキャパシタなど追加の部品が不要であり、コストの観点からも有利である。
パルス発生器304は、セット信号生成部308、リセット信号生成部310、DフリップフロップFF1を含む。同期整流コントローラ300aのGND端子は、同期整流トランジスタM2のソースと接続される。したがって同期整流コントローラ300aにおいて、VD端子の電圧VDは、同期整流トランジスタM2のドレインソース間電圧に相当する。
同期整流コントローラ300bは、図6の同期整流コントローラ300aに加えて、第3コンパレータCMP3をさらに備える。第3コンパレータCMP3は、同期整流トランジスタのドレインソース間電圧VDSを所定の正の第3しきい値電圧VTH3と比較する。第3コンパレータCMP3の出力S3が、ドレインソース間電圧VDSと第3しきい値電圧VTH3のクロスを示すと、強制オフ回路330の計時はリセットされる。
続いて、実施の形態で説明したDC/DCコンバータ200の用途を説明する。
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、同期整流トランジスタM2が1次巻線W1より低電位側に配置される場合を説明したが、同期整流トランジスタM2より出力端子P2側に配置してもよい。図13は、第1変形例に係るDC/DCコンバータ200cの回路図である。
トランスT1の補助巻線W4、ダイオードD4およびキャパシタC4は、補助コンバータを形成しており、出力電圧VOUTよりも高い直流電圧VCC1を発生する。この直流電圧VCC1はVCC端子に供給される。同期整流コントローラ300のGND端子は、同期整流トランジスタM2のソースと接続される。同期整流コントローラ300の構成は、実施の形態と同様である。この変形例においても、実施の形態と同様の効果を得ることができる。
図14は、第2変形例に係る同期整流コントローラ300dの回路図である。同期整流コントローラ300dは、スイッチングトランジスタM1のターンオンを検出するターンオン検出回路350を備える。ターンオン検出回路350は、同期整流トランジスタM5の両端間電圧VDSを第5しきい値電圧VTH5と比較する第5コンパレータCMP5を含む。ターンオン検出回路350は、両端間電圧VDSが第5しきい値電圧VTH5とクロスすると、スイッチングトランジスタM1のターンオンを示すターンオン検出信号S5をアサートする。
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てもよい。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 (18)
- 絶縁同期整流型のDC/DCコンバータの2次側に配置され、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、
前記同期整流トランジスタのドレインと接続されるドレインピンと、
前記同期整流トランジスタのソースと接続される接地ピンと、
前記ドレインピンの電圧を第1しきい値電圧と比較し、前記ドレインピンの電圧が前記第1しきい値電圧より低くなるとセット信号をアサートする第1コンパレータと、
前記ドレインピンの電圧を第2しきい値電圧と比較し、前記ドレインピンの電圧が前記第2しきい値電圧を超えると、リセット信号をアサートする第2コンパレータと、
前記セット信号がアサートされるとオンレベルに遷移し、前記リセット信号がアサートされるとオフレベルに遷移するパルス信号を生成するフリップフロップと、
前記リセット信号のアサートに応答して計時を開始し、前記リセット信号のアサートから所定のタイムアップ期間の経過後に、前記同期整流トランジスタを強制的にオフする強制オフ回路と、
前記ドレインピンの電圧を所定の正の第3しきい値電圧と比較する第3コンパレータと、
を備え、
前記同期整流トランジスタは前記セット信号のアサートに応答してターンオンし、前記リセット信号のアサートに応答してターンオフし、前記ドレインピンの電圧が前記第3しきい値電圧とクロスすると、前記強制オフ回路における前記計時がリセットされ、それにより不連続モードにおける前記同期整流トランジスタのスイッチング動作が維持されることを特徴とする同期整流コントローラ。 - 前記フリップフロップは、前記リセット信号および前記強制オフ回路の出力である強制オフ信号の少なくとも一方がアサートされると、前記パルス信号をオフレベルに遷移させ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。
- 前記第3しきい値電圧は、前記DC/DCコンバータの出力電圧、または前記出力電圧をオフセットさせた電圧であ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。
- 前記強制オフ回路は、
一端の電位が固定されたキャパシタと、
前記キャパシタに電流を供給する電流源と、
前記リセット信号のアサートに応答して前記キャパシタを放電する放電回路と、
前記キャパシタの電圧を所定の第4しきい値電圧と比較する第4コンパレータと、
前記第4コンパレータの出力を受け、前記キャパシタの電圧が前記第4しきい値電圧を超えると所定時間アサートされる強制オフ信号を出力するワンショット回路と、
を含む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。 - 前記電流源は、外付けの抵抗の抵抗値に応じてその電流量が調節可能であることを特徴とする請求項4に記載の同期整流コントローラ。
- ひとつの半導体基板に一体集積化された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。
- 前記第3しきい値電圧は、前記DC/DCコンバータの出力電圧と実質的に等しいことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 前記第3しきい値電圧は、前記DC/DCコンバータの出力電圧をオフセットした電圧であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 外部抵抗を接続するための設定ピンをさらに備え、前記タイムアップ期間は、前記外部抵抗の抵抗値に応じて規定されることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の同期整流コントローラ。
- 前記フリップフロップは、入力端子にハイ電圧を受け、クロック端子に前記セット信号を受けるDフリップフロップであり、
前記同期整流コントローラは、前記Dフリップフロップの出力である前記パルス信号を受ける入力端子と、前記同期整流トランジスタのゲートと接続される出力端子を有するドライバをさらに備え、前記ドライバは、前記半導体基板に集積化され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。 - 前記第2コンパレータは、前記ドレインピンと接続される第1入力端子と前記第2しきい値電圧を受ける第2入力端子と、ANDゲートを経由して前記Dフリップフロップのリセット端子と接続される出力端子と、を有することを特徴とする請求項10に記載の同期整流コントローラ。
- 前記第3コンパレータの出力は前記強制オフ回路と接続されており、前記強制オフ回路の出力は、前記ANDゲートを介して前記Dフリップフロップの前記リセット端子と接続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。
- 前記ドレインピンおよび前記接地ピンは、前記同期整流コントローラのパッケージのひとつの辺に設けら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。
- 前記ドレインピンと前記接地ピンは隣接することを特徴とする請求項13に記載の同期整流コントローラ。
- 絶縁同期整流型のDC/DCコンバータであって、
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、
前記同期整流トランジスタを制御する請求項1から14のいずれかに記載の同期整流コントローラと、
前記フォトカプラの入力側と接続され、前記DC/DCコンバータの出力電圧に応じた誤差電流を発生するフィードバック回路と、
を備えることを特徴とする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15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、負荷に供給する請求項15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、負荷に供給する請求項15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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