JP6908849B2 - 同期整流回路及びスイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
従来、1次側回路部(AC/DCコンバータではAC電源から電力を受ける側の回路部)と、2次側回路部(AC/DCコンバータではDC電圧を出力する側の回路部)とを、トランスを用いて電気的に絶縁し磁気的に接続するスイッチング電源装置がある。また、トランスの2次巻き線に生じる電圧波形を整流する回路として、2次巻き線に接続されたトランジスタ(以下2次側スイッチという場合もある)を用い、電圧波形に基づいたタイミングで2次側スイッチをオンまたはオフして整流を行う同期整流回路がある。なお、近年では、2次側スイッチの制御を精度よく行い、より変換効率を向上させるために、専用の制御IC(Integrated Circuit)などの制御回路が用いられることが多い。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態のスイッチング電源装置及び同期整流回路の一例を示す図である。
遅延回路12は、制御電圧Vg1aを遅延したゲート電圧Vg1を生成してトランジスタ13のゲート端子に供給する。制御電圧Vg1aを遅延する遅延時間は、同期整流回路15が出力する制御信号cntによって調整可能である。
2次側制御IC15cは、抵抗素子15fを介してトランジスタ15aのドレイン端子に接続されており、ドレイン電流Id2の変化に応じて変化するドレイン電圧Vd2を検出する。そして、2次側制御IC15cは、ドレイン電圧Vd2に基づいて、トランジスタ15aのスイッチング動作を制御する制御電圧Vg2aを出力する。
制御電圧生成回路15dは、たとえば、図1に示すように、反転増幅器(インバータ)15d1、AND(論理積)回路15d2、増幅器15d3を有する。なお、図示を省略しているが、これらの各素子は、たとえば、出力端子OUTに接続されており、出力端子OUTにおける出力電圧を電源電圧として用いることができる。
AND回路15d2は、制御電圧Vg1aの論理レベルを反転した電圧と、制御電圧Vg2aとの論理積を演算する。
なお、増幅器15d3は、AND回路15d2の出力電圧が、トランジスタ15aを駆動するために適した値(トランジスタ15aの種類によってこの値は異なる)であれば、設けなくてもよい。
図2は、3つの動作モードの電流波形の一例を示す図である。
図3は、遅延回路と制御電圧生成回路とを用いた場合のスイッチング電源装置の動作波形の一例を示す図である。上から、制御電圧Vg1a、遅延回路12が出力するゲート電圧Vg1、ドレイン電圧Vd1,Vd2、ゲート電圧Vg2、ドレイン電流Id2とダイオード電流Idの波形を示している。図3において、横軸は時間を表し、縦軸は、電圧波形を示すグラフでは電圧を表し、電流波形を示すグラフでは電流を表す。
図1に示すように、遅延時間制御回路15eは、ドレイン電圧Vd2に基づいて、ダイオード15bのオン期間tdo(図3のタイミングt1からタイミングt2までの期間)を検出する。前述のように、ダイオード電流Idが流れることで、ドレイン電圧Vd2が、ダイオード15bの順方向電圧Vf分、降下するため、遅延時間制御回路15eは、ドレイン電圧Vd2に基づいて、オン期間tdoを検出することができる。オン期間tdoの検出の仕方の例については後述する。
図4は、第2の実施の形態のスイッチング電源装置の一例を示す図である。図4において、図1に示した要素と同じ要素については、同一符号が付されている。
波形成形器31は、制御信号cntに基づいた度合いで、1次側制御IC11が出力する矩形波である制御電圧Vg1aの電圧波形を変形することで、制御電圧Vg1aに対して立ち上がり時間、及び立ち下がり時間が遅延したゲート電圧Vg1を出力する。
波形成形器31は、可変容量素子31a、抵抗素子31b、インダクタ素子31c、可変容量素子31d、抵抗素子31eを有する。
可変容量素子31a,31dは、たとえば、バラクタダイオードであり、制御信号cntの電圧値に基づいて、容量値(キャパシタンス値)を変える。以下では、可変容量素子31a,31dは、制御信号cntの電圧値が大きいほど、小さな容量値をもつものとして説明する。
波形成形器34は、可変容量素子34a1〜34an、抵抗素子34b1〜34bn、インダクタ素子34c1〜34cn、可変容量素子34d1〜34dn、抵抗素子34e1〜34enを有する。
図7は、波形成形器の入力波形と出力波形の一例を示す図である。図7において、横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。
同期整流回路32において、ダイオード32a、抵抗素子32b、容量素子32cは、2次側制御IC15cを動作させるための直流電圧である電源電圧を生成する。
電圧反転器32d2は、減衰器32d1の出力信号の電圧値の極性(正負)を反転する。電圧反転器32d2は、たとえば、反転増幅器である。
スイッチング電源装置30の容量素子33は、リップル電圧を低減するために設けられている。容量素子33の一端は出力端子OUTに接続され、他端はGNDに接続される。
電圧反転器32d2の出力信号の電圧値は、ダイオード15bがオンするオン期間tdoでは、参照電圧Vrefよりも大きくなる。
図9は、1つ目の整流回路が出力する直流電圧、参照信号(三角波)、比較器の出力信号及び2つ目の整流回路が出力する直流電圧の一例を示すタイミングチャートである。
たとえば、整流回路32d4が出力する直流電圧が電圧V2である場合のパルス幅pw1は、直流電圧が電圧V1である場合のパルス幅pw2よりも長い。
上記のようなスイッチング電源装置30は、AC/DCコンバータとして用いることができる。
AC/DCコンバータ40は、整流部41を有している。整流部41は、交流電圧を整流し、整流信号を出力する。整流部41は、たとえば、交流電源41aにヒューズを介して接続されたコモンモードチョークフィルタ、コモンモードチョークフィルタが出力する交流電圧を整流するダイオードブリッジ、ダイオードブリッジが出力する整流信号を平滑化するキャパシタを有する。また、整流部41は、整流信号に含まれる高周波信号をブロックするためのコイルを有していてもよい。
以上のようなAC/DCコンバータ40においても、図4に示したスイッチング電源装置30と同様の効果が得られる。
また、上記のようなスイッチング電源装置30は、DC/DCコンバータとして用いることもできる。
DC/DCコンバータ50は、図11に示した整流部41がなく、容量素子42の一端に、直流電流源50aが接続されている以外は、AC/DCコンバータ40と同じである。
以上、実施の形態に基づき、本発明の同期整流回路及びスイッチング電源装置の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
11 1次側制御回路(制御IC)
12 遅延回路
13,15a トランジスタ
14 トランス
14a 1次巻き線
14b 2次巻き線
14d コア
15 同期整流回路
15b ダイオード
15c 2次側制御回路(制御IC)
15d 制御電圧生成回路
15d1 反転増幅器
15d2 AND回路
15d3 増幅器
15e 遅延時間制御回路
15f 抵抗素子
cnt 制御信号
Id ダイオード電流
Id1,Id2 ドレイン電流
OUT 出力端子
tdo オン期間
Vd1,Vd2 ドレイン電圧
Vf 順方向電圧
Vg1,Vg2 ゲート電圧
Vg1a,Vg2a 制御電圧
Claims (5)
- 同期整流方式のスイッチング電源装置に含まれるトランスの2次巻き線の一端に接続された第1の端子と、基準電位となる第2の端子と、第1の制御電圧が印加される第3の端子とを有し、前記第1の制御電圧に基づいてスイッチング動作を行う第1のトランジスタと、
カソードが前記2次巻き線の一端に接続され、アノードが前記基準電位となるダイオードと、
前記第1の端子の第1の電圧に基づいて、前記第1のトランジスタのスイッチング動作を制御する第2の制御電圧を出力する第1の制御回路と、
前記トランスの1次巻き線の一端に接続される第2のトランジスタにおけるスイッチング動作を制御する第2の制御回路が出力する第3の制御電圧と、前記第2の制御電圧とに基づいて、前記第1の制御電圧を生成する制御電圧生成回路と、
前記第1の電圧に基づいて前記ダイオードがオンするオン期間を検出し、前記オン期間が長いほど、前記第2の制御回路と前記第2のトランジスタとの間に設けられる遅延回路が前記第3の制御電圧を遅らせる遅延時間が短くなるように制御する遅延時間制御回路と、
を有する同期整流回路。 - 前記遅延時間制御回路は、前記第1の電圧に基づいて前記オン期間がパルス幅に反映された第1のパルス信号を生成し、前記第1のパルス信号を整流することで前記パルス幅に基づいた大きさの第1の直流電圧を生成し、前記第1の直流電圧に基づいて前記遅延時間を制御するための制御信号を生成する、
請求項1に記載の同期整流回路。 - 前記遅延時間制御回路は、前記第1のトランジスタがオン状態のときの前記第1の電圧に比例する第2の電圧の極性を反転することで第3の電圧を生成し、前記第1のトランジスタがオン状態のときの前記第1のトランジスタに流れる電流と前記第1のトランジスタの抵抗との積に比例する参照電圧と、前記第3の電圧との比較結果である前記第1のパルス信号を生成する、
請求項2に記載の同期整流回路。 - 前記遅延時間制御回路は、前記第1の直流電圧と、三角波である参照信号との比較結果に基づいて、第2のパルス信号を生成し、前記第2のパルス信号を整流した結果に基づいて前記制御信号を生成する、
請求項2または3に記載の同期整流回路。 - 1次巻き線と2次巻き線とを含むトランスと、
前記1次巻き線の一端に接続される第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタにおけるスイッチング動作を制御する第1の制御電圧を出力する第1の制御回路と、
前記第1の制御電圧を、遅延して前記第1のトランジスタに供給する遅延回路と、
前記2次巻き線の一端に接続された第1の端子と、基準電位となる第2の端子と、第2の制御電圧が印加される第3の端子とを有し、前記第2の制御電圧に基づいてスイッチング動作を行う第2のトランジスタと、
カソードが前記2次巻き線の一端に接続され、アノードが前記基準電位となるダイオードと、
前記第1の端子の第1の電圧に基づいて、前記第2のトランジスタのスイッチング動作を制御する第3の制御電圧を出力する第2の制御回路と、
前記第1の制御電圧と、前記第3の制御電圧とに基づいて、前記第2の制御電圧を生成する制御電圧生成回路と、
前記第1の電圧に基づいて前記ダイオードがオンするオン期間を検出し、前記オン期間が長いほど、前記遅延回路が前記第1の制御電圧を遅らせる遅延時間が短くなるように制御する遅延時間制御回路と、
を有するスイッチング電源装置。
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