CN107251394B - 电源控制用半导体装置 - Google Patents

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Abstract

课题在于在开关控制方式的电源控制用IC中当电流检测端子处于开路状态或变压器短路时使电源装置安全停止。构成为设置有：接通断开控制信号生成电路(33、34)，其生成对用于使电流间歇性流向一次侧的开关元件进行接通断开控制的信号；电流检测端子，其输入与流向变压器的一次侧绕组的电流成比例的电压；高阻抗的上拉单元，其设置于电流检测端子与被施加内部电源电压或与其对应的电压的端子之间；以及端子监视电路，其将电流检测端子的电压与规定的电压进行比较在检测出电流检测端子的电压比规定电压高时判定为电流检测端子异常，当端子监视电路检测电流检测端子异常时，使接通断开控制信号生成电路的信号生成动作停止，避免电源控制用IC的再启动并持续停止电源装置。

Description

电源控制用半导体装置
技术领域
本发明涉及电源控制用半导体装置，特别是涉及用于构成具有电压变化用变压器的绝缘型直流电源装置的控制用半导体装置的有效技术。
背景技术
在直流电源装置中存在：将交流电源整流的二极管桥接电路、和由绝缘型DC-DC转换器等构成的AC-DC转换器，该绝缘型DC-DC转换器将由该二极管桥接电路整流而得的直流电压降压而变换为所希望电位的直流电压。作为这样的AC-DC转换器，例如已知有如下开关电源装置：通过PWM(脉冲宽度调制)控制方式或PFM(脉冲频率调制)控制方式等对与电压变换用变压器的一次侧绕组串联连接的开关元件进行接通断开驱动，来控制流向一次侧绕组的电流，间接控制在二次侧绕组感应出的电压。
此外，还存在如下结构：在开关控制方式的AC-DC转换器中，为了进行一次侧的控制动作，与一次侧的开关元件串联地设置电流检测用的电阻，并且在电源控制电路(IC)设置被输入通过该电阻而进行了电流-电压变换而得的电压的端子(电流检测端子)，根据检测出的电流值与来自二次侧的反馈电压来控制一次绕组的峰值电流，将二次侧的输出电压或者输出电流维持为恒定(参照专利文献1)。
现有专利文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-157446号公报
专利文献2：日本特开平06-62564号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上所述，在设置了电流检测端子的电源控制电路(IC)中，当电流检测端子处于开路状态或者变压器短路时，构成电源装置的元件可能承受损害，因此，需要使电源控制电路的保护电路快速工作，停止开关动作。
另外，提出了如下发明：在断路器方式(chopper)的开关调节器中，设置用于检测电流检测用电阻的端子间电压的电路，在检测出两端间电压为0V时降低基准电压产生电路的输出，由此，停止开关控制电路的动作(参照专利文献2)。
但是，专利文献2所公开的发明并非AC-DC转换器而是开关调节器(DC-DC转换器)的发明，与发明对象不同，并且是关于电流检测用电阻的端子间短路时的保护功能，而没有公开电流检测端子处于开路状态时或变压器短路时的停止动作，因此，存在如下课题：当产生上述这样的异常状态时，无法使电源控制电路的保护电路快速动作而停止开关动作、避免构成电源装置的元件受到损害。
本发明是在上述背景下完成的，其目的在于提供一种电源控制用半导体装置，当电流检测端子处于开路状态或者变压器短路时能够安全地停止电源装置。
用于解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明提供
一种电源控制用半导体装置，其通过输入与流向变压器的一次侧绕组的电流成比例的电压、以及来自所述变压器的二次侧的输出电压检测信号，生成并输出对开关元件进行接通断开控制的驱动脉冲，该开关元件用于使电流间歇性地流向电压变换用的所述变压器的一次侧绕组，
所述电源控制用半导体装置具有：
接通断开控制信号生成电路，其生成对所述开关元件进行接通断开控制的控制信号；
电流检测端子，其输入与流向所述变压器的一次侧绕组的电流成比例的电压；
高阻抗的上拉单元，其设置于所述电流检测端子与施加内部电源电压或者施加与其对应的电压的端子之间；以及
端子监视电路，其将所述电流检测端子的电压与规定电压进行比较，在检测出所述电流检测端子的电压比所述规定电压高时判定为所述电流检测端子异常，
当所述端子监视电路检测所述电流检测端子异常时，通过从所述端子监视电路输出的信号来停止所述接通断开控制信号生成电路的信号生成动作。
根据上述结构，在电流检测端子处于开路状态或变压器短路，规定以上的电流流向变压器的一次侧绕组时，使生成对开关元件进行接通断开的信号的信号生成电路的动作停止，电流不流向变压器的一次侧绕组，因此，可以使电源装置安全停止。
这里，优选的是，所述电源控制用半导体装置具有：
输入AC输入电压的第一电源端子；
第二电源端子，其输入对在所述变压器的辅助绕组感应出的电压进行了整流、平滑而得的电压；
开关单元，其设置于所述第一电源端子与所述第二电源端子之间；
启动电路，其根据所述第二电源端子的电压对所述开关单元进行接通断开控制，控制成所述第二电源端子的电压处于规定的第一电压范围内；以及
状态控制电路，其根据所述第二电源端子的电压对所述开关单元进行接通断开控制，控制成所述第二电源端子的电压处于比所述第一电压范围窄的第二电压范围内，
当所述端子监视电路检测所述电流检测端子异常时，通过从所述端子监视电路输出的信号使所述状态控制电路为工作状态。
由此，在电流检测端子处于开路状态或变压器短路时，由于控制成第二电源端子(VDD)的电压处于第二电压范围(例如12V-13V)内的状态控制电路(闩锁停止控制电路)动作，因此，能够防止陷入如下不合理的工作状态：因信号生成电路(驱动器)的动作停止使得辅助绕组电压降低，启动电路(startup circuit)动作使得电源控制用半导体装置再次启动，由此再次返回到电流检测端子的开路检测前的状态而重复上述动作。结果可以不再次启动电源控制用半导体装置而持续维持电源装置的停止状态。
此外，优选的是，所述电源控制用半导体装置具有：
外部输入端子，其输入来自所述变压器的二次侧的输出电压检测信号；以及
异常检测电路，其监视所述电流检测端子以及所述外部输入端子的状态来检测异常状态，
当所述异常检测电路检测所述电流检测端子异常时，通过从所述异常检测电路输出的信号来停止所述接通断开控制信号生成电路的信号生成动作并且使所述状态控制电路为工作状态。
由此，在电流检测端子与接地点之间短路或电流检测用的电阻短路时，使生成对开关元件进行接通断开的信号的信号生成电路的动作停止，因此，可以使电源装置安全地停止，并且可以防止因启动电路(startup circuit)而陷入不合理的工作状态。
发明效果
根据本发明，在具有电压变换用变压器的、对流向一次侧绕组的电流进行接通断开来控制输出的绝缘型直流电源装置的控制用半导体装置中获得如下效果：在电流检测端子处于开路状态或变压器短路时可以安全地停止电源装置。
附图说明
图1是表示作为本发明涉及的绝缘型直流电源装置的AC-DC转换器的一实施方式的电路结构图。
图2是表示图1的AC-DC转换器中的变压器的一次侧开关电源控制电路(电源控制用IC)的结构例的框图。
图3是表示实施例的电源控制用IC中的各部电压变化情况的波形图。
图4是表示实施例的电源控制用IC中的开关频率与反馈电压VFB的关系的特性图。
图5是表示实施例的电源控制用IC的CS端子监视电路的结构例的电路结构图。
图6是表示具有CS端子监视电路的电源控制用IC的其他实施例的电路结构图。
图7是在不具有CS端子监视电路的以往电源控制用IC中电流检测端子CS处于开路状态时的IC各部的电压的变化情况的时序图。
图8是表示在具有CS端子监视电路的实施例的电源控制用IC中电流检测端子CS处于开路状态时的IC各部电压的变化情况的时序图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的最佳实施方式进行说明。
图1是表示作为应用了本发明的绝缘型直流电源装置的AC-DC转换器的一实施方式的电路结构图。
本实施方式的AC-DC转换器具有：X电容器Cx，其为了削减常态噪声(normal modenoise)而连接于AC输入端子之间；噪声切断用滤波器11，其由共模线圈等构成；二极管桥接电路12，其对交流电压(AC)进行整流；平滑用电容器C1，其使整流后的电压平滑；电压变换用变压器T1，其具有一次侧绕组Np与二次侧绕组Ns以及辅助绕组Nb；开关晶体管SW，其由与该变压器T1的一次侧绕组Np串联连接的N沟道MOSFET构成；以及电源控制电路13，其驱动该开关晶体管SW。在本实施方式中，电源控制电路13作为半导体集成电路(以下，称为电源控制用IC)形成于单晶硅这样的一个半导体芯片上。
在上述变压器T1的二次侧设置有与二次侧绕组Ns串联连接的整流用二极管D2、和连接于该二极管D2的阴极端子与二次侧绕组Ns的另一端子之间的平滑用电容器C2，通过对电流间歇性地流向一次侧绕组Np而在二次侧绕组Ns感应出的交流电压进行整流、平滑，从而输出对应于一次侧绕组Np与二次侧绕组Ns的绕组比的直流电压Vout。
并且，在变压器T1的二次侧设置有构成滤波器的线圈L3以及电容器C3，该滤波器用于切断因一次侧的开关动作而产生的开关纹波和噪声等，并且还设置有用于检测输出电压Vout的检测电路14、以及与该检测电路14相连接向电源控制用IC13传递对应于检测电压的信号的作为光电耦合器的发光侧元件的光电二极管15a。并且，在一次侧设置有：作为受光侧元件的光电晶体管15b，其连接于上述电源控制用IC13的反馈端子FB与接地点之间接收来自上述检测电路14的信号。
此外，在本实施方式的AC-DC转换器的一次侧设置有由整流用二极管D0和平滑用电容器C0构成的整流平滑电路，由该整流平滑电路进行了整流、平滑而得的电压被施加于上述电源控制用IC13的电源电压端子VDD，所述整流用二极管D0与上述辅助绕组Nb串联连接，所述平滑用电容器C0连接于该二极管D0的阴极端子与接地点GND之间。
另一方面，在电源控制用IC13中设置有经由二极管D11、D12以及电阻R1而被施加由二极管桥接电路12整流前的电压的高压输入启动端子HV，在电源通电时(***插头之后)，能够通过来自该高压输入启动端子HV的电压进行动作。
并且，在本实施方式中，电流检测用的电阻Rs连接于开关晶体管SW的源极端子与接地点GND之间，并且电阻R2连接于开关晶体管SW与电流检测电阻Rs的节点N1和电源控制用IC13的电流检测端子CS之间。并且，电容器C4连接于电源控制用IC13的电流检测端子CS与接地点之间，低通滤波器由电阻R2和电容器C4构成。
接下来，使用图2对上述电源控制用IC13的具体结构例进行说明。
如图2所示，本实施例的电源控制用IC13具有：振荡电路31，其以对应于反馈端子FB的电压VFB的频率进行振荡；由单触发脉冲(one shot pulse)生成电路这样的电路构成的时钟生成电路32，所述单触发脉冲生成电路根据由该振荡电路31生成的振荡信号φc生成供接通一次侧开关晶体管SW的时机的时钟信号CK；RS触发器(RS flip-flop)33，其通过时钟信号CK而被置位(set)；以及驱动器(驱动电路)34，其对应于该触发器33的输出生成开关晶体管SW的驱动脉冲GATE。
此外，电源控制用IC13具有：放大器35，其对输入到电流检测端子CS的电压Vcs进行放大；作为电压比较电路的比较器36a，其将由该放大器35放大后的电位Vcs’与用于监视过电流状态的比较电压(阈值电压)Vocp进行比较；波形生成电路37，其根据反馈端子FB的电压VFB生成图3(A)所示的规定波形的电压RAMP；比较器36b，其将由所述放大器35放大后的图3(B)所示的波形的电位Vcs’与由波形生成电路37生成的波形RAMP进行比较；以及或门(OR gate)G1，其取得比较器36a与36b的输出的逻辑或。在本实施例的电源控制用IC13中，图3(A)的电压RAMP被生成为从反馈电压VFB以某一定斜率降低。
并且，本实施例的电源控制用IC13设置有：作为软启动电路的比较器36c，其对放大电流检测端子CS的电压的放大器35的输出进行监视，当在反馈端子FB或电流检测端子CS没有产生有意义的电压VFB、Vcs的电源通电时，生成复位触发器33的信号Rss以使过大的电流不流向一次侧绕组而使一次侧电流缓缓增加；以及或门G2，其取得该比较器36c的输出与上述或门G1的逻辑或。
上述或门G2的输出RS(参照图3(C))经由或门G3输入到上述触发器33的复位端子，由此，提供断开开关晶体管SW的时机。另外，在反馈端子FB与内部电源电压端子之间设置有上拉电阻(pull-up resistor)或者恒流源，流向光电晶体管15b的电流通过该电阻而变换为电压。此外，之所以设置波形生成电路37是因为次谐波振荡对策，可以将电压VFB直接或者电平移位后输入到比较器36b。
此外，本实施例的电源控制用IC13具有：频率控制电路38，其对应于反馈端子FB的电压VFB使所述振荡电路31的振荡频率即开关频率按照图4所示的特性变化。图4中的频率f1例如设定为22kHz这样的值，此外f2例如设定为66kHz～100kHz这样范围的任意值。频率控制电路38可由电压跟随器(voltage follower)这样的缓冲器和钳位电路构成，该钳位电路在反馈端子FB的电压例如是1.8V以下时钳位成1.8V，此外在2.2V以上时钳位成2.2V。虽未图示，但是振荡电路31具有流过与来自频率控制电路38的电压对应的电流的电流源，该振荡电路31可以由振荡器构成，该振荡器的振荡频率随该电流源流过的电流大小而变化。
此外，在本实施例的电源控制用IC13中设置有：占空比限制电路39，其根据从上述时钟生成电路32输出的时钟信号CK，生成用于限制成驱动脉冲GATE的占空比(Ton/Tcycle)不超过预定的最大值(例如85％～90％)的最大占空比复位信号，当将从占空比限制电路39输出的最大占空比复位信号经由或门G3供给到上述触发器33而脉冲达到最大占空比时，通过在该时间点进行复位立即断开开关晶体管SW。
并且，在本实施例的电源控制用IC13中设置有用于监视电流检测端子CS的电压Vcs来检测CS端子异常(开路)的CS端子监视电路40。以下，详细说明，该CS端子监视电路40在检测电流检测端子CS异常(开路)时，其输出变化为高电平而停止上述驱动器(驱动电路)34的动作，将从驱动器34输出的驱动脉冲GATE固定为低电平(断开SW)。也可以代替通过CS端子监视电路40的输出停止驱动器34的动作，而是通过将前段的触发器33设为复位状态而将其输出Q固定为低电平，由此将驱动脉冲GATE固定为低电平。
图5示出了构成本实施方式的电源控制用IC13的CS端子监视电路40的结构例。
如图5所示，CS端子监视电路40由以下部分构成：恒流源41，其连接在供给内部电源电压Vreg的电源线与电流检测端子CS之间；以及比较器42，其非反相输入端子与电流检测端子CS相连接，其反相输入端子被施加了检测电压Vref0(例如2.5V)。此外，在图5中还示出了由放大器AMP与电阻R21、R22构成的放大器35，以例如4.8倍这样的放大率将电流检测端子CS的电压Vcs放大，而供给到过电流检测用的所述比较器36a。
在不具有CS端子监视电路40的以往电源控制用IC中，当电流检测端子CS为开路状态时，如图7箭头所示，在产生了CS端子开路的时刻t1以后电流检测端子CS的电压Vcs不变化(准确来说电荷缓缓泄漏(leak)而Vcs逐渐接近零)，因此，不产生复位信号RS使得开关晶体管SW的接通时间变长。于是，从占空比限制电路39输出的最大占空比复位信号优先工作，最大占空比的驱动脉冲GATE在该复位信号的时刻变化为低电平。由于该状态是供给负载所需电力以上的电力的状态，因此应力作用于电源装置而发热，根据情况可能导致损坏。
相反，在具有图5所示的CS端子监视电路40的本实施例的电源控制用IC中，当电流检测端子CS为开路状态时，如图8箭头所示，在产生了CS端子开路的时刻t1，电流检测端子CS的电压因恒流源41而上升至内部电源电压Vreg(例如5V)。因此，比较器42的输出变化为高电平，停止驱动器34的动作，将其输出即驱动脉冲GATE固定为低电平(断开SW)。结果电流不流向变压器的一次侧绕组电源装置的动作安全停止。
另外，不仅是产生了上述这样的CS端子开路的情况，在产生了变压器短路的情况下，开关晶体管SW一断开比正常情况大的电流就流向一次侧绕组，由此电流检测端子CS的电压上升，因此，比较器42的输出变化为高电平，停止驱动器34的动作，将其输出即驱动脉冲GATE固定为低电平(断开SW)。结果电流不流向变压器的一次侧绕组电源装置的动作安全停止。
另外，上述恒流源41能够置换成电阻元件Rp(参照图6)。恒流源41以及电阻元件Rp作为设置于电流检测端子CS与内部电源电压之间的高阻抗的上拉单元发挥功能。
图6示出了具有CS端子监视电路40的电源控制用IC的其他实施例。
图6的实施例构成为：当CS端子监视电路40检测电流检测端子CS异常(CS端子开路)时，在使驱动器34的输出GATE为低电平的状态下停止动作，并且使闩锁(latch)停止控制电路51动作，将电源控制用IC13转为闩锁停止模式。
闩锁停止是如下功能：如图6所示，通过以比较短的周期接通断开设置于IC的高压输入启动端子HV与电源电压端子VDD之间的开关S0，通过将电源电压端子VDD的电压例如控制在12V～13V这样的电压范围内，由此避免电源控制用IC13被重启，闩锁停止控制电路51将电源电压端子VDD的电压与规定电压(12V、13V)进行比较，进行上述的控制动作。具体来说，重复以下动作：当电源电压端子VDD的电压下降至12V时接通开关S0，当VDD的电压上升至13V时断开开关S0。
若没有这样的闩锁停止功能，则在CS端子监视电路40检测CS端子开路而停止驱动器34的动作时，电流不流向辅助绕组而电源电压端子VDD的电压降低，但是当电源电压端子VDD的电压为IC的动作停止电压值(例如6.5V)以下时启动电路(startup circuit)52工作而接通开关S0、IC再次启动由此开始开关控制。然后，当电源电压端子VDD的电压达到上限电压值(例如21V)时，启动电路(startup circuit)52断开开关S0，重复进行因再次启动而返回到CS端子开路检测前的状态而停止驱动器34这样的上述动作。
因此，在本实施例中，设为：当CS端子监视电路40检测CS端子开路时停止驱动器34的动作，并且使闩锁停止控制电路51动作，将电源控制用IC13转到闩锁停止模式，从而避免上述那样不合理的动作。
另外，通过将AC电源侧的插头从电源插座拔出解除上述闩锁停止模式。
此外，在图6的实施例中，设置有：CS端子短路检测电路54，其对过电流保护用比较器36a的输出Rocp、反馈控制用比较器36b的输出Rfb、软启动用比较器36c的输出Rss、反馈端子FB的电压VFB进行监视，这些比较器36a～36c的哪一个输出都没有被输入，且在FB端子的电压为规定电压值以下时，停止驱动器34的动作。
从占空比限制电路39输出的最大占空比复位信号在驱动脉冲的每一个周期被输出，且即使电流检测电阻Rs的两端子间或者电流检测端子-接地间短路也继续生成最大占空比复位信号。另一方面，上述过电流保护用比较器36a的输出Rocp、反馈控制用比较器36b的输出Rfb、CS端子开路检测用比较器36c的输出Rss的各复位信号在正常状态下必定在一个周期内生成，在电流检测端子CS与接地点之间短路或者产生了检测电阻Rs的短路(short)的情况下，这些信号都不会生成。
因此，在本实施例中，设为：设置上述的CS端子短路检测电路54，在Rocp、Rfb、Rss的哪一个复位信号都无法检测且FB端子电压VFB为规定电压值以下时，在将驱动脉冲GATE设为低电平的状态下停止驱动器34的动作，并且使闩锁停止控制电路51动作。
由此，能够防止因CS端子或者感应电阻Rs的短路造成电流持续流向一次侧绕组，并且能够通过转到闩锁停止模式避免启动电路(startup circuit)52进行的电源控制用IC再启动造成电源装置再启动，能够持续停止电源装置。
以上，根据实施方式对由本发明人完成的发明进行了具体说明，但是本发明并非局限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中将使电流间歇性地流向变压器的一次侧的开关晶体管SW设为与电源控制用IC13分开的元件，但是也可以通过将该开关晶体管SW装入到电源控制用IC13中而构成为一个半导体集成电路。
工业上的利用可能性
在上述实施方式中，对于将本发明应用于构成回扫方式(fly back)的AC-DC转换器的电源控制用IC的情况进行了说明，但是本发明也能够应用于构成前进式(forward)或准谐振式的AC-DC转换器的、进一步来说只通过在一次侧取得的信息就能进行二次侧的输出电压控制的所谓初级侧调节(Primary Side Regulation，以下称为PSR)方式的AC-DC转换器的电源控制用IC中。
符号说明
11 线路滤波器
12 二极管桥接电路(整流电路)
13 电源控制电路(电源控制用IC)
14 二次侧检测电路(检测用IC)
15a 光电耦合器的发光侧二极管
15b 光电耦合器的受光侧晶体管
31 振荡电路
32 时钟生成电路
34 驱动器(驱动电路)
35 放大器(非反转放大电路)
36a 过电流检测用比较器(过电流检测电路)
36b 电压/电流控制用比较器(电压/电流控制电路)
36c CS端子开路检测用比较器(端子电压监视电路)
37 波形生成电路
38 频率控制电路
39 占空比限制电路
40 CS端子监视电路
51 闩锁停止控制电路(状态控制电路)。

Claims (3)

1.一种电源控制用半导体装置，其通过输入与流向变压器的一次侧绕组的电流成比例的电压、以及来自所述变压器的二次侧的输出电压检测信号，生成并输出对开关元件进行接通断开控制的驱动脉冲，该开关元件用于使电流间歇性地流向电压变换用的所述变压器的一次侧绕组，其特征在于，
所述电源控制用半导体装置具有：
接通断开控制信号生成电路，其生成对所述开关元件进行接通断开控制的控制信号；
电流检测端子，其输入与流向所述变压器的一次侧绕组的电流成比例的电压；
高阻抗的上拉单元，其设置于所述电流检测端子与施加内部电源电压或者施加与其对应的电压的端子之间；以及
端子监视电路，其将所述电流检测端子的电压与规定电压进行比较，在检测出所述电流检测端子的电压比所述规定电压高时判定为所述电流检测端子为开路状态或变压器短路状态，
当所述端子监视电路检测出所述电流检测端子的开路状态或变压器短路状态时，通过从所述端子监视电路输出的信号来停止所述接通断开控制信号生成电路的信号生成动作。
2.根据权利要求1所述的电源控制用半导体装置，其特征在于，
所述电源控制用半导体装置具有：
输入AC输入电压的第一电源端子；
第二电源端子，其输入对在所述变压器的辅助绕组感应出的电压进行了整流、平滑而得的电压；
开关单元，其设置于所述第一电源端子与所述第二电源端子之间；
启动电路，其根据所述第二电源端子的电压对所述开关单元进行接通断开控制，控制成所述第二电源端子的电压处于规定的第一电压范围内；以及
状态控制电路，其根据所述第二电源端子的电压对所述开关单元进行接通断开控制，控制成所述第二电源端子的电压处于比所述第一电压范围窄的第二电压范围内，
当所述端子监视电路检测出所述电流检测端子的开路状态或变压器短路状态时，通过从所述端子监视电路输出的信号使所述状态控制电路为工作状态。
3.根据权利要求2所述的电源控制用半导体装置，其特征在于，
所述电源控制用半导体装置具有：
外部输入端子，其输入来自所述变压器的二次侧的输出电压检测信号；以及
异常检测电路，其监视所述电流检测端子以及所述外部输入端子的状态来检测异常状态，
当所述异常检测电路检测出所述电流检测端子的短路状态时，通过从所述异常检测电路输出的信号来停止所述接通断开控制信号生成电路的信号生成动作并且使所述状态控制电路为工作状态。
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