JP6804955B2 - 絶縁型のdc/dcコンバータ、一次側コントローラ、電源アダプタおよび電子機器 - Google Patents
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Description
コレクタ電流をIC、基準電圧ラインの電圧をVREF、可変インピーダンス回路のインピーダンスをZとするとき、フィードバック電圧VFBは、式(1)で表される。
VFB=VREF−Z×IC …(1)
したがってインピーダンスZにもとづいて変換特性を設定できる。
VFB=VREF−R×IFB …(2)
可変インピーダンス回路のインピーダンスをZとするとき、第1トランジスタのベース電圧(もしくはゲート電圧)VBEは式(3)で表される。
VBE≒IC×Z …(3)
第1トランジスタの相互コンダクタンスをgmと書くとき、式(4)を得る。
IFB=VBE×gm …(4)
式(2)〜(4)から式(5)を得る。
VFB=VREF−R×IC×Z×gm …(5)
このように、可変インピーダンス回路のインピーダンスZを変化させることにより、コレクタ電流ICからフィードバック電圧VFBへの変換特性の傾きを変化させることができる。
コレクタ電流をIC、補正電流をICMP、第1トランジスタの電流増幅率をβとすると、フィードバック電流IFBは、式(3)で表される。
IFB=β×(IC−ICMP) …(6)
したがって、コレクタ電流ICからフィードバック電圧VFBへの変換特性は、式(7)で表される。
VFB=VREF−R×β×(IC−ICMP) …(7)
つまり、補正電流ICMPに応じて変換特性を制御できる。
「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。
DC/DCコンバータ200は、入力端子P1に直流電圧VINを受け、それを降圧して、目標値に安定化された出力電圧VOUTを出力端子P2に接続される負荷(不図示)に供給する。
図5は、DC/DCコンバータ200の第1構成例(200A)の回路図である。一次側コントローラIC(Integrated Circuit)(以下、単に一次側コントローラという)300Aは、図2の一次側コントローラ202をひとつの半導体基板に集積化した機能ICである。
VFB=VREF−Z×IC …(1)
したがってインピーダンスZを変化させることによって、変換回路220の変換特性を制御できる。
図10は、DC/DCコンバータ200の第2構成例(200B)の回路図である。一次側コントローラ300Bは、図3の一次側コントローラ202のうち、パルス信号発生器222、ドライバ224および変換回路220の一部を内蔵したものであり、変換回路220の一部が外付けされている。
VFB=VREF−R×IFB …(2)
VBE≒IC×Z …(3)
第1トランジスタQ31の相互コンダクタンスをgmと書くとき、式(4)を得る。
IFB=VBE×gm …(4)
VFB=VREF−R×IC×Z×gm …(5)
したがって可変インピーダンス回路260のインピーダンスZが変化すると、図4(a)に示すように、コレクタ電流ICからフィードバック電圧VFBへの変換特性の傾きを変化させることができる。第1トランジスタQ31は、NチャンネルMOSFETで構成してもよい。
IFB=β×(IC−ICMP) …(6)
VFB=VREF−R×β×(IC−ICMP) …(7)
式(7)を変形すると、式(7’)を得る。
VFB=VREF+R×β×ICMP−(R×β×IC) …(7’)
VREF+R×β×ICMPは、図4(b)のY切片に相当する。可変インピーダンス回路260のインピーダンスを変化させると電流ICMPが変化するため、制御特性のオフセットを変化させることができる。
続いて、DC/DCコンバータ200の用途を説明する。
図12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、ラップトップコンピュータ、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。
DC/DCコンバータ200の2次側には、整流素子D1に代えて同期整流トランジスタおよびその制御回路が設けられてもよい。整流素子D1は二次巻線W2の高電位側に設けられてもよいし、低電位側に設けられてもよい。
いくつかの実施の形態では、コンパレータによって一次側の電流検出信号VCSをしきい値と比較し、軽負荷と重負荷を判定する場合を説明したがその限りではない。たとえばA/Dコンバータによって電流検出信号VCSをデジタル値に変換し、デジタル値にもとづいて、変換回路220の変換特性(たとえば可変インピーダンス回路240や260のインピーダンスや電流)を制御してもよい。
実施の形態では、一次側の電流検出信号VCSにもとづいて出力電流IOUTを監視したがその限りではない。DC/DCコンバータ200の2次側に出力電流IOUTを監視する回路を設け、監視結果を示す検出信号を、フォトカプラ204とは別のフォトカプラを用いて一次側に送信し、この検出信号にもとづいて変換回路220の変換特性を変化させてもよい。
Claims (18)
- 絶縁型のDC/DCコンバータであって、
一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの一次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
前記トランスの二次巻線と接続される整流素子と、
フォトカプラと、
前記DC/DCコンバータの出力電圧とその目標電圧の誤差に応じた順電流によって前記フォトカプラの入力側の発光素子を駆動するフィードバック回路と、
前記フォトカプラの出力側の受光素子に流れるコレクタ電流を、前記コレクタ電流と負の相関を有するフィードバック電圧に変換する変換回路と、
前記フィードバック電圧に応じたパルス信号を生成するパルス信号生成器と、
前記パルス信号に応じて前記スイッチングトランジスタを駆動するドライバと、
前記スイッチングトランジスタと直列に設けられる電流センス抵抗と、
前記電流センス抵抗の電圧降下をしきい値と比較する第1コンパレータを含み、前記第1コンパレータの出力に応じて、前記変換回路における前記コレクタ電流から前記フィードバック電圧への変換特性を制御する負荷監視回路と、
を備え、
前記負荷監視回路は、前記第1コンパレータの出力をトリガとして、一定時間、出力が変化するタイマー回路をさらに含み、前記タイマー回路の出力に応じて前記変換特性を制御することを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 前記タイマー回路は、
前記第1コンパレータの出力と接続されるキャパシタと、
前記キャパシタを充電する抵抗または電流源と、
前記キャパシタの電圧を判定基準値と比較する第2コンパレータと、
を含み、前記第2コンパレータの出力に応じて前記変換特性を制御することを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記フォトカプラの前記受光素子のエミッタは接地され、
前記変換回路は、前記フォトカプラの前記受光素子のコレクタと基準電圧ラインの間に設けられた可変インピーダンス回路を含み、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスが前記DC/DCコンバータの出力電流に応じて可変に構成されることを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記可変インピーダンス回路は、
前記フォトカプラの前記受光素子のコレクタと前記基準電圧ラインの間に設けられた第1抵抗と、
前記第1抵抗の両端間に直列に設けられた第2抵抗およびスイッチと、
を含み、
前記スイッチのオン、オフが、前記出力電流に応じて切りかえ可能に構成されることを特徴とする請求項3に記載のDC/DCコンバータ。 - 絶縁型のDC/DCコンバータであって、
一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの一次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
前記トランスの二次巻線と接続される整流素子と、
フォトカプラと、
前記DC/DCコンバータの出力電圧とその目標電圧の誤差に応じた順電流によって前記フォトカプラの入力側の発光素子を駆動するフィードバック回路と、
前記フォトカプラの出力側の受光素子に流れるコレクタ電流を、前記コレクタ電流と負の相関を有するフィードバック電圧に変換する変換回路と、
前記フィードバック電圧に応じたパルス信号を生成するパルス信号生成器と、
前記パルス信号に応じて前記スイッチングトランジスタを駆動するドライバと、
を備え、
前記変換回路は、前記コレクタ電流から前記フィードバック電圧への変換特性が、前記DC/DCコンバータの出力電流にもとづいて変化するよう構成され、
前記変換回路は、
前記フィードバック電圧が発生するフィードバック端子と、
前記フィードバック端子と基準電圧ラインの間に設けられた抵抗と、
コレクタ/ドレインが前記フィードバック端子と接続され、エミッタ接地/ソース接地され、ベース/ゲートが前記フォトカプラの前記受光素子のエミッタと接続される第1トランジスタと、
前記第1トランジスタのベース/ゲートと接地の間に設けられた可変インピーダンス回路と、
を含み、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスが前記出力電流に応じて可変に構成されることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 前記可変インピーダンス回路は、前記第1トランジスタのベース/ゲートから、前記出力電流に応じた補正電流をシンクする可変電流源を含むことを特徴とする請求項5に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記変換特性は、前記DC/DCコンバータの出力電流と少なくともひとつのしきい値との比較結果にもとづいて離散的に変化す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DC/DCコンバータ。
- 前記変換特性は、前記DC/DCコンバータの出力電流に応じて連続的に変化す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DC/DCコンバータ。
- 絶縁型のDC/DCコンバータに使用される一次側コントローラであって、
前記DC/DCコンバータは、
一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの一次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
前記トランスの二次巻線と接続される整流素子と、
フォトカプラと、
前記DC/DCコンバータの出力電圧とその目標電圧の誤差に応じた順電流によって前記フォトカプラの入力側の発光素子を駆動するフィードバック回路と、
前記スイッチングトランジスタと直列に設けられる電流センス抵抗と、
を備え、
前記一次側コントローラは、
前記フォトカプラの出力側の受光素子に流れるコレクタ電流を、前記コレクタ電流と負の相関を有するフィードバック電圧に変換する変換回路と、
前記フィードバック電圧に応じたパルス信号を生成するパルス信号生成器と、
前記パルス信号に応じて前記スイッチングトランジスタを駆動するドライバと、
前記電流センス抵抗の電圧降下をしきい値と比較する第1コンパレータを含み、前記第1コンパレータの出力に応じて、前記変換回路における前記コレクタ電流から前記フィードバック電圧への変換特性を制御する負荷監視回路と、
を備え、
前記負荷監視回路は、前記第1コンパレータの出力をトリガとして、一定時間、出力が変化するタイマー回路をさらに含み、前記タイマー回路の出力に応じて前記変換特性を制御することを特徴とする一次側コントローラ。 - 前記タイマー回路は、
前記第1コンパレータの出力と接続されるキャパシタと、
前記キャパシタを充電する抵抗または電流源と、
前記キャパシタの電圧を判定基準値と比較する第2コンパレータと、
を含み、前記第2コンパレータの出力に応じて前記変換特性を制御することを特徴とする請求項9に記載の一次側コントローラ。 - 前記フォトカプラの前記受光素子のエミッタは接地され、
前記変換回路は、前記フォトカプラの前記受光素子のコレクタと基準電圧ラインの間に設けられた可変インピーダンス回路を含み、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスが前記DC/DCコンバータの出力電流に応じて可変に構成されることを特徴とする請求項9から10のいずれかに記載の一次側コントローラ。 - 前記可変インピーダンス回路は、
前記フォトカプラの前記受光素子のコレクタと前記基準電圧ラインの間に設けられた第1抵抗と、
前記第1抵抗の両端間に直列に設けられた第2抵抗およびスイッチと、
を含み、
前記スイッチのオン、オフが、前記出力電流に応じて切りかえ可能に構成されることを特徴とする請求項11に記載の一次側コントローラ。 - 前記変換特性は、前記DC/DCコンバータの出力電流と少なくともひとつのしきい値との比較結果にもとづいて離散的に変化することを特徴とする請求項9から12のいずれかに記載の一次側コントローラ。
- 前記変換特性は、前記DC/DCコンバータの出力電流に応じて連続的に変化することを特徴とする請求項9から12のいずれかに記載の一次側コントローラ。
- ひとつの半導体基板に集積化されることを特徴とする請求項9から14のいずれかに記載の一次側コントローラ。
- 請求項9から15のいずれかに記載の一次側コントローラを備えることを特徴とする絶縁型のDC/DCコンバータ。
- 負荷と、
商用交流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1から8、16のいずれかに記載の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1から8、16のいずれかに記載の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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