WO2016117270A1 - 電源制御用半導体装置 - Google Patents

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Abstract

 課題は、スイッチング周波数制御特性の切替え含む複数の動作モードを外部からの設定で変更することができる電源制御用半導体装置を実現することにある。 電源制御用半導体装置に、外部から設定情報を与えるための設定端子(ADJ)と、AC入力電圧が供給される第1電源端子とトランスの補助巻線に誘起される電圧が供給される第2電源端子との間に設けられたスイッチ手段をオン、オフ制御する内部電源電圧制御回路とを設け、設定端子の電圧が予め設定された第1電圧値よりも低い場合には駆動パルスの出力を停止しかつスイッチ手段をオン、オフ制御して第2電源端子の電圧が所定の電圧範囲に入るように制御する第1停止モードに移行し、設定端子の電圧が第1電圧値よりも高い場合には設定端子の電圧をしきい値として二次側からの出力検出信号が該しきい値よりも低いことを条件に、駆動パルスの出力を停止する第2停止モードに移行するように構成した。

Description

電源制御用半導体装置
 本発明は、電源制御用半導体装置に関し、特に電圧変換用トランスを備えた絶縁型直流電源装置を構成する制御用半導体装置に利用して有効な技術に関する。
 直流電源装置には、交流電源を整流するダイオード・ブリッジ回路と、該回路で整流された直流電圧を降圧して所望の電位の直流電圧に変換する絶縁型DC-DCコンバータなどで構成されたAC-DCコンバータがある。かかるAC-DCコンバータとしては、例えば電圧変換用トランスの一次側巻線と直列に接続されたスイッチング素子をPWM(パルス幅変調)制御方式やPFM(パルス周波数変調)制御方式等でオン、オフ駆動して一次側巻線に流れる電流を制御して、二次側巻線に誘起される電圧を間接的に制御するようにしたスイッチング電源装置が知られている。
 また、スイッチング制御方式のAC-DCコンバータにおいては、一次側の制御動作のために、一次側のスイッチング素子と直列に電流検出用の抵抗を設けるとともに、電源制御回路(IC)には該抵抗により電流-電圧変換された電圧が入力される端子(電流検出端子)を設け、検出された電流値と二次側からのフィードバック電圧とに基づいて一次巻線のピーク電流を制御して二次側の出力電圧または出力電流を一定に維持するようにしているものがある(特許文献1参照)。
 さらに、電流検出用の抵抗で電流-電圧変換した電圧と二次側からのフィードバック電圧に応じて、一次側で二次側の出力を制御するように構成したAC-DCコンバータにおいては、軽負荷時におけるスイッチングロスを低減し電力効率を上げるため、あるフィードバック電圧VFB1以下とVFB2以上の領域ではスイッチング周波数を固定したPWM方式で制御する一方、VFB1~VFB2の間ではスイッチング周波数を変化させて制御を行うようにしているものがある。
特開2001-157446号公報
 しかしながら、上記のようなフィードバック電圧-スイッチング周波数特性(以下、FB電圧-周波数特性と記す)に従って、出力電圧制御を行うように構成したAC-DCコンバータにおいては、例えばノイズ対策でスイッチング周波数を変更したい場合や小型化のために小さなトランスを使用したいような要求がある場合に、対応することができないという課題がある。
 本発明は上記のような背景の下になされたもので、その目的とするところは、スイッチング周波数制御特性を外部からの設定で変更することができ、ノイズ対策のためにスイッチング周波数を変更したり、システムに応じて小型化を図ったりすることが容易に行える電源制御用半導体装置を提供することにある。
 本発明の他の目的は、外部端子数を増やすことなく、電源制御用半導体装置が、電源装置をラッチ停止モード実行可能状態にするか、フィードバック端子の電圧でスイッチング素子を強制的にオフにする状態にするかを設定でき、さらにスイッチング素子を強制的にオフにするフィードバック端子電圧の値を外部から任意に設定できる技術を提供することにある。
 上記目的を達成するため本発明は、
 電圧変換用のトランスの一次側巻線に間欠的に電流を流すためのスイッチング素子を、前記トランスの一次側巻線に流れる電流に比例した電圧と前記トランスの二次側からの出力電圧検出信号とに応じてオン、オフ制御する駆動パルスを生成し出力する電源制御用半導体装置であって、
 周波数可変な発振回路を備え前記スイッチング素子を周期的にオンさせるタイミングを与えるクロック信号を発生するクロック発生回路と、
 前記トランスの一次側巻線に流れる電流に比例した電圧と前記トランスの二次側からの出力検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオフさせるタイミングを与える電圧/電流制御回路と、
 外部から設定情報を与えるための設定端子と、
 AC入力電圧が供給される第1電源端子と前記トランスの補助巻線に誘起される電圧が供給される第2電源端子との間に設けられたスイッチ手段と、
 前記スイッチ手段をオン、オフ制御する内部電源電圧制御回路と、
を備え、前記設定端子の電圧が予め設定された第1電圧値よりも低い場合には、前記駆動パルスの出力を停止しかつ前記内部電源電圧制御回路により前記スイッチ手段をオン、オフ制御して前記第2電源端子の電圧が所定の電圧範囲に入るように制御する第1停止モードに移行し、前記設定端子の電圧が前記第1電圧値よりも高い場合には、前記設定端子の電圧をしきい値として前記二次側からの出力検出信号が該しきい値よりも低いことを条件に、前記駆動パルスの出力を停止する第2停止モードに移行するように構成した。
 上記した構成によれば、外部端子数を増やすことなく、電源制御用半導体装置を第1停止モード(ラッチ停止モード実行可能状態)にするか、フィードバック端子の電圧でスイッチング素子を強制的にオフにする第2停止モード(ゲート停止状態)にするかを設定できるとともに、スイッチング素子を強制的にオフにするフィードバック端子電圧の値を外部から任意に設定することができるため、適用するシステムに応じて、待機電力低減を優先するか出力リップル低減を優先するかを自由に調整することが可能となる。
 ここで、望ましくは、前記二次側からの出力検出信号に応じて前記発振回路の発振周波数を変化させる周波数制御回路を備え、
 前記周波数制御回路は、前記設定端子の電圧に応じて、出力検出信号対発振周波数特性を変更可能に構成され、
 前記出力検出信号対発振周波数特性は、
 前記設定端子の電圧が、前記第1電圧値(Vref1)より高い第2電圧値(Vref2)よりも低い場合には、前記出力検出信号に対する発振周波数の上限値が第1周波数に固定され、
 前記設定端子の電圧が前記第2電圧値よりも高い場合には、前記出力検出信号に対する発振周波数の上限値が前記第1周波数より高い第2周波数に固定されるように構成する。
 上記した構成によれば、周波数可変な発振回路と、二次側からの出力検出信号に応じて発振回路の発振周波数を変化させる周波数制御回路とを備え、周波数制御回路は設定端子の状態(外付け抵抗の抵抗値)に応じて出力検出信号対発振周波数特性を変更するので、スイッチング周波数制御特性を外部からの設定で変更することができ、ノイズ対策のためにスイッチング周波数を変更したり、システムに応じて小型化を図ったりすることを容易に行うことができる。
 また、望ましくは、前記出力検出信号に対応した電圧と前記しきい値とを比較する電圧比較手段と、
 前記設定端子の電圧を分圧する分圧手段と、
 前記設定端子の電圧または前記分圧手段により分圧された電圧のいずれかを前記しきい値として前記電圧比較手段に選択的に供給する選択手段と、
を備え、前記分圧手段は、前記第2停止モードに移行する第1周波数と第2周波数での出力検出信号のしきい値の比をNとしたとき、前記分圧手段により分圧された電圧と前記設定端子の電圧との比がNとなるように分圧比が設定されているようにする。
 これにより、設定端子の状態に応じて出力検出信号対発振周波数特性を変更する機能を設けている場合に、フィードバック端子の電圧でスイッチング素子を強制的にオフにする第2停止モード(ゲート停止状態)にする機能を小規模な回路構成で実現できるとともに設計者の設計負担を軽減することができる。
 本発明によれば、電圧変換用のトランスを備え一次側巻線に流れる電流をオン、オフして出力を制御する絶縁型直流電源装置の制御用半導体装置において、スイッチング周波数制御特性を外部からの設定で変更することができ、ノイズ対策のためにスイッチング周波数を変更したり、システムに応じて小型化を図ったりすることが容易に行える。また、外部端子数を増やすことなく、電源制御用半導体装置が、電源装置をラッチ停止モード実行可能状態にするか、フィードバック端子の電圧でスイッチング素子を強制的にオフにする状態にするかを設定でき、さらにスイッチング素子を強制的にオフにするフィードバック端子電圧の値を外部から任意に設定できるという効果がある。
本発明に係る絶縁型直流電源装置としてのAC-DCコンバータの一実施形態を示す回路構成図である。 図1のAC-DCコンバータにおけるトランスの一次側スイッチング電源制御回路(電源制御用IC)の構成例を示すブロック図である。 実施例の電源制御用ICにおける各部の電圧の変化の様子を示す波形図である。 実施例の電源制御用ICにおけるスイッチング周波数とフィードバック電圧VFBの関係を示す特性図である。 実施例の電源制御用ICにおける周波数制御回路の具体的な回路構成例を示す回路構成図である。 ゲート停止信号生成回路の構成例を示す回路構成図である。 実施例の電源制御用ICにおける出力ドライバ(駆動回路)およびラッチ停止制御回路との関係を示す回路構成図である。 実施例の電源制御用ICにおける外部設定端子ADJの電圧と発振モードとの関係を示す説明図である。 実施例の電源制御用ICにおける外部設定端子ADJの電圧とラッチ停止やゲート停止FB電圧との関係示す説明図である。 スイッチング方式の直流電源装置におけるゲート停止フィードバック電圧(ゲート停止時間)と待機電力および出力リップルの大小との関係を示すグラフである。 図7の実施例の変形例を示す回路構成図である。
 以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
 図1は、本発明を適用した絶縁型直流電源装置としてのAC-DCコンバータの一実施形態を示す回路構成図である。
 この実施形態のAC-DCコンバータは、ノーマルモードノイズを減衰するためにAC入力端子間に接続されたXコンデンサCxと、コモンモードコイルなどからなるノイズ遮断用のラインフィルタ11と、交流電圧(AC)を整流するダイオード・ブリッジ回路12と、整流後の電圧を平滑する平滑用コンデンサC1と、一次側巻線Npと二次側巻線Nsおよび補助巻線Nbとを有する電圧変換用のトランスT1と、このトランスT1の一次側巻線Npと直列に接続されたNチャネルMOSFETからなるスイッチングトランジスタSWと、該スイッチングトランジスタSWを駆動する電源制御回路13を有する。この実施形態では、電源制御回路13は、単結晶シリコンのような1個の半導体チップ上に半導体集積回路(以下、電源制御用ICと称する)として形成されている。
 上記トランスT1の二次側には、二次側巻線Nsと直列に接続された整流用ダイオードD2と、このダイオードD2のカソード端子と二次側巻線Nsの他方の端子との間に接続された平滑用コンデンサC2とが設けられ、一次側巻線Npに間歇的に電流を流すことで二次側巻線Nsに誘起される交流電圧を整流し平滑することによって、一次側巻線Npと二次側巻線Nsとの巻線比に応じた直流電圧Voutを出力する。
 さらに、トランスT1の二次側には、一次側のスイッチング動作で生じたスイッチングリップル・ノイズ等を遮断するためのフィルタを構成するコイルL3およびコンデンサC3が設けられているとともに、出力電圧Voutを検出するための検出回路14と、該検出回路14に接続され検出電圧に応じた信号を電源制御用IC13へ伝達するフォトカプラの発光側素子としてのフォトダイオード15aが設けられている。そして、一次側には、上記電源制御用IC13のフィードバック端子FBと接地点との間に接続され上記検出回路14からの信号を受信する受光側素子としてのフォトトランジスタ15bが設けられている。
 また、この実施形態のAC-DCコンバータの一次側には、上記補助巻線Nbと直列に接続された整流用ダイオードD0と、このダイオードD0のカソード端子と接地点GNDとの間に接続された平滑用コンデンサC0とからなる整流平滑回路が設けられ、該整流平滑回路で整流、平滑された電圧が上記電源制御用IC13の電源電圧端子VDDに印加されている。
 一方、電源制御用IC13には、ダイオード・ブリッジ回路12で整流される前の電圧がダイオードD11,D12および抵抗R1を介して印加される高圧端子HVが設けられており、電源投入時(プラグが差し込まれた直後)は、この高圧端子HVからの電圧で動作することができるように構成されている。
 さらに、本実施形態においては、スイッチングトランジスタSWのソース端子と接地点GNDとの間に電流検出用の抵抗Rsが接続されているとともに、スイッチングトランジスタSWと電流検出用抵抗RsとのノードN1と電源制御用IC13の電流検出端子CSとの間に抵抗R2が接続されている。さらに、電源制御用IC13の電流検出端子CSと接地点との間にはコンデンサC4が接続され、抵抗R2とコンデンサC4によりローパスフィルタが構成されるようになっている。
 次に、上記電源制御用IC13の具体的な構成例について説明する。
 本実施形態の電源制御用IC13は、外部からスイッチング周期等を設定するための外部設定端子ADJを備え、該外部設定端子ADJの設定状態に応じて、予め用意されている2つのフィードバック電圧-周波数特性のうちいずれか一方を選択し、選択された特性に従って出力の発振周波数制御を行うように構成されている。具体的には、図4に示す2つの特性AまたはBのうちいずれか一方が選択可能である。なお、図面および以下の説明においては、“フィードバック電圧”を“FB電圧”と記すこともある。
 上記FB電圧-周波数特性AとBは、フィードバック電圧VFBがVFB1(例えば1.8V)以下では、特性A,B共に22kHzのような同一かつ一定の周波数でPWM制御を行い、VFB2(例えば2.1V)以上では特性Aは100kHzのような一定の周波数、特性Bは66kHzのような一定の周波数でそれぞれPWM制御を行うとともに、VFB1~VFB2間ではフィードバック電圧VFBの変化に応じて周波数が直線的に変化するような制御を行う。
 なお、制御が切り替わる上記VFB1(1.8V),VFB2(2.1V)やVFB1以下の領域における固定周波数(22kHz)、VFB2以上の領域における固定周波数(66kHz,100kHz)は一例であって、そのような数値に限定されるものではない。
 さらに、本実施形態の電源制御用IC13は、外部設定端子ADJの電圧に応じて、電源制御用半導体装置をラッチ停止モード実行可能状態にするか、フィードバック端子の電圧でスイッチング素子を強制的にオフにする状態にするかを設定できる。また、外部設定端子ADJの電圧に応じて、スイッチング素子を強制的にオフにするフィードバック端子電圧の値を外部から任意に設定できるように構成されている。さらに、スイッチング周波数を外部設定端子ADJの電圧によって周波数を選択する周波数選択モードも備えている。要するに、本実施形態では、ADJ端子に接続された内部ソース電流源を内蔵しているので、ADJの電圧により色々な設定が可能であり、所望の抵抗値の外付け抵抗Rtを接続することで電圧の設定が可能である。
 図2には、上記のような機能を備える本実施形態の電源制御用IC13の構成例が示されている。
 図2に示すように、本実施例の電源制御用IC13は、フィードバック端子FBの電圧VFBに応じた周波数で発振する発振回路31と、該発振回路31で生成された発振信号φcに基づいて一次側スイッチングトランジスタSWをオンさせるタイミングを与えるクロック信号CKを生成するワンショットパルス生成回路のような回路からなるクロック生成回路32と、クロック信号CKによってセットされるRS・フリップフロップ33と、該フリップフロップ33の出力に応じてスイッチングトランジスタSWの駆動パルスGATEを生成するドライバ(駆動回路)34を備える。本明細書では、上記発振回路31とクロック生成回路32とを合わせたものをクロック発生回路と称する。
 また、電源制御用IC13は、電流検出端子CSに入力されている電圧Vcsを増幅する非反転増幅回路からなるアンプ35と、該アンプ35により増幅された電位Vcs’と過電流状態の監視のための比較電圧(スレッシホールド電圧)Vocpとを比較する電圧比較回路としてのコンパレータ36aと、フィードバック端子FBの電圧VFBに基づいて図3(A)に示すような所定の波形の電圧RAMPを生成する波形生成回路37と、前記アンプ35により増幅された図3(B)に示すような波形の電位Vcs’と波形生成回路37により生成された波形RAMPとを比較するコンパレータ36bと、コンパレータ36aと36bの出力の論理和をとるORゲートG1を備える。本実施例の電源制御用IC13においては、図3(A)の電圧RAMPは、FB電圧からある一定の傾きをもって低下するように生成される。
 上記ORゲートG1の出力RS(図3(C)参照)がORゲートG2を介して上記フリップフロップ33のリセット端子に入力されることで、スイッチングトランジスタSWをオフさせるタイミングを与えるように構成されている。なお、フィードバック端子FBと内部電源電圧端子と間にはプルアップ抵抗が設けられており、フォトトランジスタ15bに流れる電流は該抵抗によって電圧に変換される。また、波形生成回路37を設けているのは、サブハーモニック発振対策のためであり、電圧VFBを直接あるいはレベルシフトしてコンパレータ36bへ入力するように構成しても良い。
 さらに、本実施例の電源制御用IC13には、上記クロック生成回路32から出力されるクロック信号CKに基づいて、駆動パルスGATEのデューティ(Ton/Tcycle)が予め規定された最大値(例えば85%~90%)を超えないように制限をかけるための最大デューティリセット信号を生成するデューティ制限回路39が設けられており、デューティ制限回路39から出力される最大デューティリセット信号を、ORゲートG2を介して上記フリップフロップ33に供給してパルスが最大デューティに達した場合にはその時点でリセットさせることでスイッチングトランジスタSWを直ちにオフさせるように構成されている。
 また、本実施例の電源制御用IC13は、外部設定端子ADJの電圧と所定のしきい値電圧Vref2(例えば1.25V)とを比較するコンパレータ36cと、フィードバック端子FBの電圧VFBに応じて前記発振回路31の発振周波数すなわちスイッチング周波数を、図4に示すような特性に従って変化させる周波数制御回路38とを備える。外部設定端子ADJと内部電源電圧Vregを供給する電源ラインとの間には、図6に示すような定電流源ISもしくは図7に示すようなプルアップ抵抗Rpが設けられており、外部設定端子ADJに接続される外付け抵抗Rtに流れる電流が該抵抗によって電圧に変換され、周波数制御回路38は外部設定端子ADJの電圧がしきい値電圧Vref2(1.25V)よりも大きいか否かに応じて、制御する発振周波数の特性をAまたはB(図4参照)に切り替えるように構成されている。これにより、ユーザは、外部設定端子ADJに接続する外付け抵抗Rtの抵抗値を適宜選択することで、FB電圧-周波数特性を切り替えることができる。
 さらに、本実施例の電源制御用IC13には、外部設定端子ADJの電圧とフィードバック端子FBの電圧VFBに応じて、ドライバ34の動作を停止させる信号GSCを生成するゲート停止信号生成回路40が設けられている。また、外部設定端子ADJの電圧と所定のしきい値電圧Vref1(例えば0.4V)とを比較するコンパレータ36dと、該コンパレータ36dの出力に応じて、後述のラッチ停止モードへ移行する制御を行うラッチ停止制御回路51が設けられている。具体的には、外部設定端子ADJの電圧がしきい値電圧Vref1(0.4V)よりも低くされると、図7のスイッチS0をオフさせるラッチ停止モードへ移行する。
 上記ゲート停止信号生成回路40は、フィードバック端子FBの電圧VFBが所定の電圧以下になると、ドライバ34の出力である駆動パルスGATEをローレベルに固定した状態でその動作を停止させる信号GSCを出力する(以下、これをゲート停止と称する)とともに、ゲート停止を行うときのフィードバック電圧VFBの値が、外部設定端子ADJの電圧によって決定されるように構成されている。
 図8には、本実施例の電源制御用IC13における外部設定端子ADJの電圧と動作モードとの関係が示されている。
 外部設定端子ADJの電圧と発振回路31の発振モードとの関係は、図8Aに示すように設定されており、外部設定端子ADJの電圧がしきい値電圧Vref2(1.25V)よりも高いと発振回路31は図4の特性A(100kHzモード)に従って発振信号を生成するように動作し、外部設定端子ADJの電圧がしきい値電圧Vref2(1.25V)よりも低いと発振回路31は図4の特性B(66kHzモード)に従って発振信号を生成するように動作する。
 一方、外部設定端子ADJの電圧とラッチ停止やADJの電圧とゲート停止FB電圧との関係は、図8Bに示すように設定されており、外部設定端子ADJの電圧がしきい値電圧Vref1(0.4V)よりも低くされると電源制御用IC13はラッチ停止モード#1となる。また、外部設定端子ADJの電圧が0.5V~1.2Vの範囲では、66kHzモードのスイッチング動作でフィードバック電圧VFBが外部設定端子ADJの電圧以下になるとゲート停止モード#2となるとともに、外部設定端子ADJの電圧が1.3V~3.12Vの範囲では、100kHzモードのスイッチング動作でフィードバック電圧VFBが外部設定端子ADJの電圧の1/2.6以下になるとゲート停止モード#3となる。ゲート停止モード#3の上限値と下限値である1.3Vと3.12Vは、それぞれゲート停止モード#2の上限値と下限値である0.5Vと1.2Vの2.6倍に相当する値に設定されている。その理由については後に説明する。
 図5には、本実施形態の電源制御用IC13を構成する上記周波数制御回路38の構成例が示されている。
 図5に示すように、周波数制御回路38は、フィードバック端子FBの電圧VFBが所定の電圧VFB1(1.8V)以下である場合にはVFB1にクランプするとともに、VFB2(2.1V)以上である場合にはVFB2(2.1V)にクランプする上下限クランプ回路81と、図4に示すFB電圧-周波数特性のリニアな領域VFB1~VFB2のスタートとなるポイントに対応する基準電圧Vref0(例えば2.1V)を発生する基準電圧回路82と、上下限クランプ回路81を通過した電圧(1.8V~2.1V)に比例した電圧(0.65V~2.1V/0.45V~2.1V)を生成する非反転増幅回路83と、該非反転増幅回路83の出力をインピーダンス変換して発振回路31へ供給するバッファ回路84とを備える。
 一方、発振回路31は、上記バッファ回路84の出力に応じた周波数の発振信号(クロック信号φc)を生成するように構成されている。
 また、この実施例の周波数制御回路38は、外部設定端子ADJの電圧に応じて非反転増幅回路83の増幅率すなわち図4に示すFB電圧-周波数特性線のリニアな領域VFB1~VFB2での直線の傾きを切り替えることができるように構成されている。
 このように、図4のFB電圧-周波数特性A,Bのいずれかを選択できるように構成されていることによって、ノイズ対策でスイッチング周波数を変更したい場合や小型化のために小さなトランスを使用したい要求がある場合に、電源装置の設計者は外部設定端子ADJに接続する外付け抵抗Rtの抵抗値を変えるだけで容易に対応することができるという利点がある。
 なお、図4は、電源制御用IC13にとってはFB電圧-周波数特性を示すものであるが、二次側からのフィードバック電圧VFBは負荷電流に対応しているので、電源としては負荷電流-周波数特性を示しているとみなすことができる。
 上記上下限クランプ回路81は、図5に示すように、4入力の差動増幅回路AMP1で構成されており、反転入力端子に自身の出力電圧がフィードバックされ、電源制御用ICのフィードバック端子FBの電圧VFBがクランプ電圧VFB1とVFB2との間の電圧範囲(1.8V~2.1V)にあるときは、フィードバック電圧VFBをそのまま後段の非反転増幅回路83の非反転入力端子側へ伝達するバッファ(ボルテージフォロワ)として動作する。また、上下限クランプ回路81は、フィードバック電圧VFBがクランプ電圧VFB1(1.8V)以下である場合にはVFB1にクランプするとともに、VFBがVFB2(2.1V)以上である場合にはVFB2(2.1V)にクランプした電圧を出力するように構成されている。
 基準電圧回路82は、基準電圧源VRとバッファ(ボルテージフォロワ)BFF1とから構成され、基準電圧源VRが発生する基準電圧Vref0(2.1V)をそのまま非反転増幅回路83の反転入力端子側へ供給する。
 非反転増幅回路83は、2入力の差動増幅回路AMP2と、基準電圧回路82と反転入力端子との間に接続された入力抵抗R1と、出力端子と反転入力端子との間に直列に接続された帰還抵抗R2,R3と、帰還抵抗R3と並列に接続されたスイッチS1および帰還抵抗R3と直列に接続されたスイッチS2とから構成されている。スイッチS1とS2は、外部設定端子ADJの電位を判定するコンパレータ36cの出力TVDによっていずれか一方が選択的にオンされるように構成されており、スイッチS1がオンされるとR2のみが帰還抵抗として接続された状態(増幅率が小さい状態)となり、スイッチS2がオンされるとR2およびR3が帰還抵抗として接続された状態(増幅率が大きい状態)となる。具体的には、外部設定端子ADJの電位が1.25Vよりも低いときはスイッチS1がオンされ、外部設定端子ADJの電位が1.25Vよりも高いときはスイッチS2がオンされる。
 また、スイッチS1とS2のいずれがオンされている場合にも、フィードバック電圧VFBが2.1Vのときは非反転増幅回路83の出力電圧はVref0(2.1V)となるが、スイッチS1がオンされている状態(66kHzモード)でフィードバック電圧VFBとして1.8Vが入力されたときは非反転増幅回路83の出力電圧は0.65Vとなり、スイッチS2がオンされている状態(100kHzモード)でフィードバック電圧VFBとして2.1Vが入力されたときは非反転増幅回路83の出力電圧は0.45Vとなるように、抵抗R1,R2,R3の抵抗値が設定されている。なお、フィードバック電圧VFBが1.8V~2.1Vの範囲では、フィードバック電圧VFBに比例して変化する電圧が非反転増幅回路83から出力される。そして、この非反転増幅回路83の出力は、バッファ回路84を介して発振回路31へ供給される。バッファ回路84はボルテージフォロワによって構成されている。
 発振回路31は、バッファ回路84の出力電圧がゲート端子に印加され、印加電圧に比例した電流を流すMOSトランジスタM1と電圧-電流変換手段としての抵抗R4を備える。この抵抗R4で変換された電圧がバッファ回路84の反転入力端子にフィードバックされることで、M1のソース電圧が前段の差動増幅回路AMP2の出力電圧と同一電圧値となるようにする制御を行われる。
 また、発振回路31は、トランジスタM1のドレイン電流に比例した電流を流す電流源回路311と、該電流源回路311からの電流によって充電される容量C11,C12およびC12と直列に接続されコンパレータ36cの出力TVDによってオンまたはオフ状態にされるスイッチS3からなる周波数切替え部312と、上記容量C11,C12の電荷を放電するための放電用MOSトランジスタM2および2つのコンパレータCMP1,CMP2とフリップフロップFF1からなる充放電制御部313とを備えている。
 そして、上記フリップフロップFF1の出力が放電用MOSトランジスタM2のゲート端子に印加され、容量C11,C12の充電と放電を繰り返すことにより、内部で三角波を生成し所定の周波数のクロック信号を出力するようになっている。なお、電流源回路311は、MOSトランジスタM1のドレイン電流を折り返すため、MOSトランジスタM3,M4からなるカレントミラー回路を備えている。
 ここで、MOSトランジスタM1のドレイン電流が、前述した構成から、差動増幅回路AMP2の出力電圧に比例した電流となり、差動増幅回路AMP2の出力電圧はフィードバック電圧VFBに応じた電圧であることから、フィードバック電圧VFBに応じた電流である。
 従って、電流源回路311は、フィードバック電圧VFBに応じた電流を流すこととなる。そして、この電流によって容量C11,C12の充電が行なわれ、M4とC11,C12との接続ノードに三角波が生成されるので、その三角波の傾きはフィードバック電圧VFBに応じて変化することとなる。その結果、発振回路(オシレータ)31で生成される発振信号φcはフィードバック電圧VFBに応じた周波数となる。
 また、スイッチS3がコンパレータ36cの出力TVDによってオン状態にされるとC11,C12の合計容量値が増加して発振周波数は低くなり、スイッチS3がオフ状態にされるとC11,C12の合計容量値が減少して発振周波数は高くなる。C11,C12の容量比が例えば2:1に設定されることで、切替え前後の周波数比は2:3となる。この比は、上限周波数の66kHzと100kHzに対応する。
 図6には、本実施形態の電源制御用IC13を構成する上記ゲート停止信号生成回路40の構成例が示されている。
 ゲート停止信号生成回路40は、図6に示すように、外部設定端子ADJの電圧をインピーダンス変換して伝達するボルテージフォロワからなるバッファ41と、該バッファ41の出力端子と接地点との間に直列に接続された分圧抵抗R5,R6と、バッファ41の出力電圧とフィードバック端子FBの電圧VFBとを比較して前記ドライバ34へ供給されるゲート停止信号GSCを生成するコンパレータ42を備える。
 また、ゲート停止信号生成回路40は、バッファ41の出力端子とコンパレータ42の反転入力端子との間に接続されたスイッチS4および分圧抵抗R5,R6の接続ノードN3とコンパレータ42の反転入力端子との間に接続されたスイッチS5を備えている。
 上記スイッチS4とS5は、外部設定端子ADJの電圧を判別する前記コンパレータ36cの出力TVDとそれをインバータ43で反転した信号/TVDによって選択的にオン状態にされる。具体的には、外部設定端子ADJの電圧がVref2(1.25V)よりも低いとき(66kHzモード時)は、コンパレータ36cの出力がハイレベルとなってスイッチS4がオン状態にされてバッファ41の出力電圧がコンパレータ42に供給される。また、外部設定端子ADJの電圧がVref2(1.25V)よりも高いとき(100kHzモード時)は、コンパレータ36cの出力がローレベルとなってスイッチS5がオン状態にされ、接続ノードN3の電圧がコンパレータ42に供給される。
 分圧抵抗R5,R6の抵抗比は、R5/(R5+R6)が1/2.6となるように設定されている。この抵抗比は、図8Bのゲート停止モード#2の上下限値0.5V,1.2Vとゲート停止モード#3の上下限値1.3V,3.12Vとの比に対応するように設定されている。
 これにより、外部設定端子ADJの電圧が1.25Vよりも低いとき(66kHzモード時)は、外部設定端子ADJの電圧(0.5V~1.2V)がそのままコンパレータ42に供給される。
 一方、外部設定端子ADJの電圧が1.25Vよりも高いとき(100kHzモード時)は、外部設定端子ADJの電圧を抵抗R5,R6の抵抗比で分圧した(1/2.6)倍の電圧である0.5V~1.2Vの範囲の電圧がコンパレータ42に供給される。
 その結果、外部設定端子ADJの電圧が、1.25Vよりも低いとき(66kHzモード時)も、Vref2(1.25V)よりも高いとき(100kHzモード時)も、コンパレータ42は、外部設定端子ADJの電圧に対応した0.5V~1.2Vの範囲の電圧とフィードバック電圧VFBとを比較することとなり、シンプルな回路構成でゲート停止信号生成回路40を実現することができる。
 また、図6には、ラッチ停止制御系の回路の構成も示されている。外部設定端子ADJの電圧がVref1(0.4V)よりも低いか否か判定するコンパレータ36dの出力は、例えば50μSのような時間を計時するタイマ回路50に供給され、コンパレータ36dの出力がタイマ回路50の計時時間よりも長い間ハイレベルを継続していると、タイマ回路50の出力が変化してドライバ34の動作を停止させるとともに、ラッチ停止制御回路51によるラッチ停止制御が開始されるように構成されている。
 上記のような外部ラッチ停止機能は、例えば図6に破線で示すように、外部設定端子ADJに接続された外付けの抵抗Rtと並列に、直列形態のスイッチS7および抵抗R7を設けて、電源システムを制御するマイクロコンピュータによってスイッチS7をオンさせることで、外部設定端子ADJの電圧を0.4Vよりも低くさせることで発動させることができる。
 図7には、ラッチ停止制御系の回路の構成およびラッチ停止制御系とゲート停止制御系との関係が示されている。
 図7の実施例は、コンパレータ36dが外部設定端子ADJの電圧がVref1(0.4V)よりも低いと判定すると、50μS後にドライバ34の出力GATEをローレベルにした状態で動作を停止させるとともに、ラッチ停止制御回路51を動作させて、電源制御用IC13をラッチ停止モードに移行させるように構成されている。なお、図7の実施例では、図6の実施例における定電流源ISの代わりにプルアップ抵抗Rpを設けて、Rpを介して外部設定端子ADJに接続されている外付け抵抗Rtに電流を流し、抵抗値に応じた電圧を生じさせるようにしている。
 ラッチ停止は、図7に示すように、ICの高圧端子HVと電源電圧端子VDDとの間に設けられているスイッチS0を、比較的短い周期でオン、オフさせることによって、電源電圧端子VDDの電圧を例えば12V~13Vのような電圧範囲に抑え込むことで、電源制御用IC13がリスタートするのを回避するための機能であり、ラッチ停止制御回路51は電源電圧端子VDDの電圧と所定の電圧(12V,13V)とを比較してそのような制御動作を行うように構成される。具体的には、電源電圧端子VDDの電圧が12Vまで下がるとスイッチS0をオンさせ、VDDの電圧が13Vまで上がるとスイッチS0をオフさせることを繰り返す。
 このようなラッチ停止機能がないと、CS端子を監視するCS端子監視回路を設けて例えばCS端子の短絡やオープンなどの異常を検出してドライバ34の動作を停止させるように構成した場合、補助巻線に電流が流れなくなって電源電圧端子VDDの電圧が下がることとなるが、電源電圧端子VDDの電圧がICの動作停止電圧値(例えば6.5V)以下になると起動回路(スタートアップ回路)52が動作してスイッチS0をオンさせ、ICが再起動することでスイッチング制御を再開してしまう。
 上記のような不合理な動作状態の発生を回避するため、一旦プラグをコンセントから引き抜くまでゲート出力停止を維持し続けるのがラッチ停止機能であり、本実施例では、ユーザが外部設定端子ADJの電圧を0.4Vよりも低くすることで、強制的にラッチ停止制御回路51を動作させて、電源制御用IC13をラッチ停止モードに移行させ、上記のような不合理な動作を回避できるようにしている。なお、補助巻線に電流が流れなくなってもスイッチS0がオンされると、CS端子に接続されている外付けコンデンサC0(図1参照)が充電され、その充電電荷でレギュレータ53が内部電源電圧Vregを生成するためICの内部回路は動作し続ける。
 一方、前記ゲート停止信号生成回路40により生成されたゲート停止信号GSCはラッチ停止制御回路51には供給されないので、ゲート停止信号生成回路40によるゲート停止においては、ラッチ停止制御は実行されないこととなる。
 ただし、ゲート停止信号生成回路40によりゲート停止信号GSCが生成されるのは、例えば負荷が非常に軽くなってフィードバック電圧VFBが1.8V以下の領域に設けられているゲート停止FB電圧調整範囲(図4参照)の領域まで下がったような場合であり、このような軽負荷領域においては、ドライバ34の動作を一時的に停止させることで軽負荷に対応して電力を出力するバースト動作が有効である。
 そして、このバースト動作では、ICが発振しなくなることで出力電圧が徐々に下がり、それに応じてフィードバック電圧VFBが上昇することでコンパレータ36cの出力が反転してゲート制御が自動復帰することが可能であるため、ラッチ停止制御を行なってはならない。
 ところで、本発明のようなスイッチング電源装置においては、バースト動作における待機電力対ゲート停止FB電圧特性と出力リップル対ゲート停止FB電圧特性は、図9に示すような関係となる。なお、ここで、ゲート停止FB電圧とゲート停止時間とはほぼ比例関係にある。そのため、ゲート停止FB電圧が高くなるつまりゲート停止時間が長くなると待機電力は減少するが出力リップルは大きくなり、逆にゲート停止時間が短くなると出力リップルは小さくなるが待機電力は増加する。つまり、ゲート停止時間に対して待機電力と出力リップルはトレードオフの関係にある。
 本実施形態の電源制御用IC13では、ゲート停止信号生成回路40によるゲート停止信号の生成を開始するフィードバック電圧VFBの電圧値を、外部設定端子ADJの設定電圧すなわち外付け抵抗Rtの抵抗値で任意に設定することができる。そのため、電源装置の設計者は、外部設定端子ADJの設定電圧でゲート停止機能が働くフィードバック電圧VFBの電圧値を任意に設定することができるので、適用するシステムに応じて、待機電力低減を優先するか出力リップル低減を優先するか自由に調整することが可能となる。
 図10には、上記実施例の変形例が示されている。
 この変形例は、外部設定端子ADJの設定電圧を監視する上記コンパレータ36c,36dの他に、電源電圧端子VDDを監視して例えば27.5Vのような設定電圧以上の電圧値になった場合に過電圧状態と判定する過電圧検出用コンパレータ55と、フィードバック端子FBの電圧VFBを監視して例えば4Vのような設定電圧以上の電圧値になった場合に過負荷状態と判定する過負荷検出用コンパレータ56とを設けたものである。
 そして、上記過電圧検出用コンパレータ55の出力はコンパレータ36dと共通のタイマ回路50へ供給されて、例えば50μS以上過電圧状態が継続した場合に、ドライバ34を停止させるとともにラッチ停止制御を開始させる。また、上記過負荷検出用コンパレータ56の出力は他のタイマ回路57へ供給されて、例えば250mS以上過負荷状態が継続した場合に、ドライバ34を停止させるとともにラッチ停止制御を開始させるように構成している。
 以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、トランスの一次側巻線に間歇的に電流を流すスイッチングトランジスタSWを、電源制御用IC13とは別個の素子としているが、このスイッチングトランジスタSWを電源制御用IC13に取り込んで、1つの半導体集積回路として構成してもよい。
 前記実施形態では、本発明をフライバック方式のAC-DCコンバータを構成する電源制御用ICに適用した場合について説明したが、本発明はフォワード型や疑似共振型のAC-DCコンバータを構成する電源制御用ICにも適用することができる。
 11 ラインフィルタ
 12 ダイオード・ブリッジ回路(整流回路)
 13 電源制御回路(電源制御用IC)
 14 二次側検出回路(検出用IC)
 15a フォトカプラの発光側ダイオード
 15b フォトカプラの受光側トランジスタ
 31 発振回路
 32 クロック生成回路
 34 ドライバ(駆動回路)
 35 アンプ(増幅回路)
 36a 過電流検出用コンパレータ(過電流検出回路)
 36b 電圧/電流制御用コンパレータ(電圧/電流制御回路)
 37 波形生成回路
 38 周波数制御回路
 39 デューティ制限回路
 40 ゲート停止信号生成回路
 51 ラッチ停止制御回路(内部電源電圧制御回路)

Claims (3)

  1.  電圧変換用のトランスの一次側巻線に間欠的に電流を流すためのスイッチング素子を、前記トランスの一次側巻線に流れる電流に比例した電圧と前記トランスの二次側からの出力電圧検出信号とに応じてオン、オフ制御する駆動パルスを生成し出力する電源制御用半導体装置であって、
     周波数可変な発振回路を備え前記スイッチング素子を周期的にオンさせるタイミングを与えるクロック信号を発生するクロック発生回路と、
     前記トランスの一次側巻線に流れる電流に比例した電圧と前記トランスの二次側からの出力検出信号に基づいて前記スイッチング素子をオフさせるタイミングを与える電圧/電流制御回路と、
     外部から設定情報を与えるための設定端子と、
     AC入力電圧が供給される第1電源端子と前記トランスの補助巻線に誘起される電圧が供給される第2電源端子との間に設けられたスイッチ手段と、
     前記スイッチ手段をオン、オフ制御する内部電源電圧制御回路と、
    を備え、前記設定端子の電圧が予め設定された第1電圧値よりも低い場合には、前記駆動パルスの出力を停止しかつ前記内部電源電圧制御回路により前記スイッチ手段をオン、オフ制御して前記第2電源端子の電圧が所定の電圧範囲に入るように制御する第1停止モードに移行し、前記設定端子の電圧が前記第1電圧値よりも高い場合には、前記設定端子の電圧をしきい値として前記二次側からの出力検出信号が該しきい値よりも低いことを条件に、前記駆動パルスの出力を停止する第2停止モードに移行するように構成されていることを特徴とする電源制御用半導体装置。
  2.  前記二次側からの出力検出信号に応じて前記発振回路の発振周波数を変化させる周波数制御回路を備え、
     前記周波数制御回路は、前記設定端子の電圧に応じて、出力検出信号対発振周波数特性を変更可能に構成され、
     前記出力検出信号対発振周波数特性は、
     前記設定端子の電圧が、前記第1電圧値より高い第2電圧値よりも低い場合には、前記出力検出信号に対する発振周波数の上限値が第1周波数に固定され、
     前記設定端子の電圧が前記第2電圧値よりも高い場合には、前記出力検出信号に対する発振周波数の上限値が前記第1周波数より高い第2周波数に固定されることを特徴とする請求項1に記載の電源制御用半導体装置。
  3.  前記出力検出信号に対応した電圧と前記しきい値とを比較する電圧比較手段と、
     前記設定端子の電圧を分圧する分圧手段と、
     前記設定端子の電圧または前記分圧手段により分圧された電圧のいずれかを前記しきい値として前記電圧比較手段に選択的に供給する選択手段と、
    を備え、前記分圧手段は、前記前記第2停止モードに移行する第1周波数と第2周波数での出力検出信号のしきい値の比をNとしたとき、前記分圧手段により分圧された電圧と前記設定端子の電圧との比がNとなるように分圧比が設定されていることを特徴とする請求項2に記載の電源制御用半導体装置。
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