JP5867141B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
本発明者らは、図5に示すように、同期整流用のMOSFET(絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ:以下、MOSトランジスタ)Qs1,Qs2のソース・ドレイン間電圧を監視してQs1,Qs2をオン、オフするタイミングを検出して制御し、一次側回路から二次側回路へ制御信号を伝送する必要をなくし、それによってトランス(パルストラン)やフォトカプラを不要にすることを検討した。
ところで、同期整流スイッチ(Qs1,Qs2)にMOSトランジスタを使用する場合、オン時は等価的にLR直列回路と見なせ、スイッチ(Qs1,Qs2)の両端電圧は電流に依存した電圧波形となる。電源の方式により電流波形は様々であり、検出される電圧波形も異なる。
しかし、このような方法では、一次側のスイッチ素子が突然停止したり負荷が急に軽くなったりして、図7(a)に示すように同期整流スイッチQs1,Qs2に逆流電流が流れる状態が発生した場合に不具合が発生する。
電力変換用のトランスと、該トランスの一次側コイルと直列形態に接続された主スイッチング素子と、該主スイッチング素子をオン、オフ制御する一次側制御回路と、前記トランスの二次側コイルと直列形態に接続された同期整流用スイッチング素子と、該同期整流用スイッチング素子をオン、オフ制御する二次側制御回路と、を有するスイッチング電源装置であって、
前記二次側制御回路は、
前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧を監視して該素子のオンタイミングを検出するオンタイミング検出回路と、
前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧とスレッショルド電圧とを比較して該素子のオフタイミングを検出するオフタイミング検出回路と、
を備え、前記同期整流用スイッチング素子のオン時点から所定期間を経過するまでは、前記スレッショルド電圧として所定の基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記所定期間が経過した後、前記同期整流用スイッチング素子が次にオンされるまでは、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成した。
また、同期整流用スイッチング素子がオンされた直後にオフされることで、寄生ダイオードを通して電流が流れて損失が発生するのを回避し、電力効率を高めることができるようになる。
さらに、同期整流用MOSトランジスタをオンさせた後、所定期間の間、スレッショルドレベルを基準電圧にオフセット電圧を加算した電圧に切り替えたとしても、比較的大きな逆流電流が同期整流用MOSトランジスタに流れた場合には、同期整流用MOSトランジスタの端子電圧がスレッショルドレベルを超えるため、逆流状態を検出して同期整流用MOSトランジスタをオフさせることができる。
前記二次側制御回路は、前記同期整流用スイッチング素子がオンされたことに応じて起動され前記所定期間を計時するタイマー回路を備え、
前記タイマー回路が計時動作をしている間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記タイマー回路が計時動作を停止している間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成する。
このようにタイマー回路を設けて、基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧をスレッショルド電圧としてオフタイミング検出回路へ供給する期間を決定することにより、スレッショルド電圧として基準電圧にオフセット電圧を加算した電圧を供給する期間を比較的容易に設定することができる。
前記二次側制御回路は、前記同期整流用スイッチング素子の端子電圧を監視してスイッチング周波数を検出するスイッチング周波数検出回路を備え、
前記タイマー回路は、前記スイッチング周波数検出回路により検出された周波数に応じて、該周波数が高いほど短い計時時間を計時し周波数が低いほど長い計時時間を計時するように構成する。
このようにタイマー回路が計時動作する時間すなわちスレッショルド電圧として基準電圧にオフセット電圧を加算した電圧を供給するシフト期間を、スイッチング周波数検出回路により検出された周波数に応じて可変とすることによって、シフト期間の最適化が可能となり、スイッチング周波数の変動により誤動作が生じるのを回避することができる。
前記二次側制御回路は、負荷状態を判定する負荷判定回路を備え、該負荷判定回路が無負荷状態であると判定している間は、前記タイマー回路の動作状態に関わらず、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成する。
これにより、無負荷状態ではスレッショルド電圧がシフトされなくなるので、無負荷時には早いタイミングで同期整流用スイッチング素子をオフさせることができ、該スイッチング素子に逆方向電流が流れて電力効率が低下するのを防止することができる。
前記トランスの一次側には、前記トランスの一次側コイルと直列形態に接続された共振インダクタおよび共振コンデンサを有する直列共振回路と、直流電圧入力端子から前記直列共振回路に流す電流を制御する一対の主スイッチング素子と、該一対の主スイッチング素子を交互にオン、オフ制御する一次側制御回路とが設けられ、
前記トランスの二次側回路は、前記同期整流用スイッチング素子および前記二次側制御回路と、出力電圧を検出して出力電圧に応じたフィードバック信号を生成する出力電圧検出手段と、を備え、
前記フィードバック信号が前記一次側制御回路へ伝達され、前記一次側制御回路は前記フィードバック信号に応じてスイッチング周波数を変化させるように構成する。
このような電流共振型スイッチング電源装置においては、軽負荷時に、同期整流用スイッチング素子がオンした直後にそのスイッチング素子の端子電圧がスレッショルド電圧に達してスイッチング素子がオフされてしまうのを回避することができ、それによって出力電圧が振動するという不具合が発生するのを防止することができる。
図1は、本発明を適用した電流共振型スイッチング電源装置の一実施形態を示す。
この実施形態におけるスイッチング電源装置は、電力変換用のトランス10を備え、該トランス10の一次側にハーフブリッジ型の直列共振回路20を設け、二次側に同期整流スイッチを備えた全波整流回路30を設けた電流共振型スイッチング電源装置として構成されている。
一方、二次側の全波整流回路30は、トランス10の二次側の第1コイルLs1と出力端子OUT2との間に接続された同期整流用MOSトランジスタQs1と、二次側の第2コイルLs2と出力端子OUT2との間に接続された同期整流用MOSトランジスタQs2と、Qs1のソース・ドレイン電圧を検出してQs1のオン、オフ制御信号を生成する二次側第1制御回路31と、Qs2のドレイン電圧(ソース・ドレイン電圧)を検出してQs2のオン、オフ制御信号を生成する二次側第2制御回路32と、を備える。
また、二次側の全波整流回路30は、出力端子OUT1−OUT2間に接続され出力電圧VOUTを安定化させる平滑コンデンサC0と、出力電圧VOUTを検出してフィードバック用のフォトダイオードPDに出力電圧VOUTの電位に応じた電流を流す誤差アンプ33を備える。出力端子OUT1は、トランス10の二次側コイルの中点(第1コイルLs1と第2コイルLs2との接続ノードNc)に接続されている。
図1に示されているように、本実施例の二次側第2制御回路32は、同期整流用MOSトランジスタQs2のドレイン電圧を監視してQs2のオンタイミングを検出するコンパレータなどからなるオンタイミング検出回路321と、Qs2のドレイン電圧を監視してスイッチング周波数を検出するスイッチング周波数検出回路322と、Qs2のオンタイミングで起動されて所定時間を計時するタイマー回路323を備える。
さらに、二次側第2制御回路32は、該電圧源326と並列に設けられたスイッチSWと、前記コンパレータ325の出力がリセット端子に入力されオンタイミング検出回路321の出力がセット端子に入力されたRSフリップフロップ327と、例えばQs2のゲート制御信号VGCを監視して負荷LDの状態を判定する負荷判定回路328と、前記タイマー回路323の出力と負荷判定回路328の出力とを入力とするNANDゲート329とを備える。そして、該NANDゲート329の出力によって前記スイッチSWがオン、オフ制御され、スイッチSWがオフ状態にされると、基準電圧Vth_offにオフセット電圧Voffsetを加算した電圧がスレッショルド電圧として前記コンパレータ325へ供給されるように構成されている。
なお、スイッチSWは、NANDゲート329の出力がハイレベルの時にオンし、ロウレベルの時にオフする。
なお、負荷が軽くなると同期整流用MOSトランジスタQs2のオフタイミングが早くなるので、この実施例では、負荷判定回路328によってQs2のゲート制御信号VGCのオフタイミングを監視して、負荷の状態を判定するようにしているが、コンパレータ325の出力を監視しても良い。また、これらの信号を監視する代わりに、負荷へ流れる電流を検出するセンス抵抗を設け、該センス抵抗における電圧の降下量を監視して無負荷状態を検出するように構成しても良い。
そして、タイマー回路323の計時時間Taddが経過すると、タイマー回路323の出力がハイレベルからロウレベルに変化し、それによってスイッチSWがオン状態にされ、コンパレータ325へ供給されるスレッショルドレベルが、基準電圧Vth_offに切り替えられる。
しかも、本実施例では、タイマー回路323の計時時間Taddがスイッチング周波数に応じて変化されるように構成されているため、スイッチング周波数が高くなって図2(b)のソース・ドレイン間電圧VDSの周期が短くなり、オフタイミングtoffが計時時間Taddの中に入ってしまって、所望のタイミングでQs2をオフされなくなる事態が発生するのを回避することができる。
これにより、本実施例のように、タイマー回路323を設けて一時的にスレッショルドレベルを切り替えるように構成しても、図3(c)に示すように、無負荷時には早いタイミングtoffで同期整流用MOSトランジスタQs2をオフさせることができ、Qs2に逆方向電流が流れて効率が低下するのを防止することができる。なお、図3(a)にはQs2の逆流電流も示されているが、実際にはタイミングtoffでQs2がオフされるので逆流電流は流れず、図3(a)のIDはtoff以降、一点鎖線Bのような電流波形となる。
また、本実施例のように、同期整流用MOSトランジスタQs2をオンさせた後、所定時間Taddの間、スレッショルドレベルを、Vth_offにVoffsetを加算した(Vth_off+Voffset)にシフトしたとしても、Qs2のドレイン電流IDに図7に示すような逆流電流が発生した場合には、Qs2のドレイン電圧VDSが(Vth_off+Voffset)を超えることで逆流電流状態を検出し、Qs2をオフさせることができる。
また、前記実施形態では、無負荷時にはスレッショルド電圧の切り替えを行わないようにするため、負荷判定回路328を設けているが、この負荷判定回路328は必ずしも設ける必要はなく、負荷判定回路328とNANDゲート329を省略するようにしてもよい。また、前記実施形態では、負荷判定回路328の出力とタイマー回路323の出力との論理積をとるNANDゲート329を設けて、スレッショルド電圧を切り替えるスイッチSWを制御しているが、負荷判定回路328が無負荷状態を検出している間はタイマー回路323が動作しないように構成しても良い。
あるいは、Vth_offを生成する第1基準電圧源と、(Vth_off+Voffset)に相当する電圧を生成する第2基準電圧源と、セレクタとを設けておいて、タイマー回路323の出力によってセレクタを切り替えていずれか一方を選択してコンパレータ325に供給するようにしても良い。
ここで、本発明をフライバック方式のスイッチング電源装置に適用した場合の利点について、図4と図8を用いて説明する。図4には、二次側のスイッチング素子の電流IDとソース・ドレイン間電圧VDSおよびゲートオフ信号VG_OFFの変化の様子を示している。
20 直列共振回路(一次側回路)
30 全波整流回路(二次側回路)
31 二次側第1制御回路
32 二次側第2制御回路
321 オンタイミング検出回路
322 スイッチング周波数検出回路
323 タイマー回路
324 基準電圧源
325 コンパレータ(オフタイミング検出回路)
326 オフセット用電圧源
328 負荷判定回路
Qs1,Qs2 同期整流用スイッチング素子(MOSトランジスタ)
Claims (5)
- 電力変換用のトランスと、該トランスの一次側コイルと直列形態に接続された主スイッチング素子と、該主スイッチング素子をオン、オフ制御する一次側制御回路と、前記トランスの二次側コイルと直列形態に接続された同期整流用スイッチング素子と、該同期整流用スイッチング素子をオン、オフ制御する二次側制御回路と、を有するスイッチング電源装置であって、
前記二次側制御回路は、
前記同期整流用スイッチング素子のソース・ドレイン電圧を監視して該素子のオンタイミングを検出するオンタイミング検出回路と、
前記同期整流用スイッチング素子のソース・ドレイン電圧とスレッショルド電圧とを比較して該素子のオフタイミングを検出するオフタイミング検出回路と、
を備え、前記同期整流用スイッチング素子のオン時点から所定期間を経過するまでは、前記スレッショルド電圧として所定の基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記所定期間が経過した後、前記同期整流用スイッチング素子が次にオンされるまでは、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記二次側制御回路は、
前記同期整流用スイッチング素子がオンされたことに応じて起動され前記所定期間を計時するタイマー回路を備え、
前記タイマー回路が計時動作をしている間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧に所定のオフセット電圧を加算した電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給し、前記タイマー回路が計時動作を停止している間は、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記二次側制御回路は、
前記同期整流用スイッチング素子のドレイン電圧を監視してスイッチング周波数を検出するスイッチング周波数検出回路を備え、
前記タイマー回路は、前記スイッチング周波数検出回路により検出された周波数に応じて、該周波数が高いほど短い計時時間を計時し周波数が低いほど長い計時時間を計時するように構成されていることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。 - 前記二次側制御回路は、負荷状態を判定する負荷判定回路を備え、該負荷判定回路が無負荷状態であると判定している間は、前記タイマー回路の動作状態に関わらず、前記スレッショルド電圧として前記基準電圧を前記オフタイミング検出回路へ供給するように構成されていることを特徴とする請求項2または3に記載のスイッチング電源装置。
- 前記トランスの一次側には、前記トランスの一次側コイルと直列形態に接続された共振インダクタおよび共振コンデンサを有する直列共振回路と、直流電圧入力端子から前記直列共振回路に流す電流を制御する一対の主スイッチング素子と、該一対の主スイッチング素子を交互にオン、オフ制御する一次側制御回路とが設けられ、
前記トランスの二次側回路は、前記同期整流用スイッチング素子および前記二次側制御回路と、出力電圧を検出して出力電圧に応じたフィードバック信号を生成する出力電圧検出手段と、を備え、
前記フィードバック信号が前記一次側制御回路へ伝達され、前記一次側制御回路は前記フィードバック信号に応じてスイッチング周波数を変化させることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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