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TWI558083B - 絕緣型直流電源裝置以及控制方法 - Google Patents

絕緣型直流電源裝置以及控制方法 Download PDF

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TWI558083B
TWI558083B TW104138728A TW104138728A TWI558083B TW I558083 B TWI558083 B TW I558083B TW 104138728 A TW104138728 A TW 104138728A TW 104138728 A TW104138728 A TW 104138728A TW I558083 B TWI558083 B TW I558083B
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Inventor
有馬聰史
中田賢治
佐藤武史
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三美電機股份有限公司
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Description

絕緣型直流電源裝置以及控制方法
本發明有關一種具備電壓轉換用的變壓器的絕緣型直流電源裝置以及控制方法，尤其有關一種用於使電流間歇性地流過一次線圈來驅動的開關(switching)控制方式的絕緣型DC-DC(直流-直流)轉換器中的一次側控制電路的有效的技術。
在直流電源裝置中，已知有一種開關控制方式的絕緣型DC-DC轉換器，係對與電壓轉換用的變壓器的一次線圈串聯連接的開關元件進行接通(ON)、斷開(OFF)驅動來控制流過一次線圈的電流，並控制被二次線圈感應的電壓。
在該開關控制方式的DC-DC轉換器中，為了一次側的控制動作，檢測二次側的輸出電壓或輸出電流後向一次側反饋，並且與一次側的開關元件串聯地設置電流檢測用電阻，在一次側控制電路(為IC(Integrated Circuit；積體電路))中設置輸入藉由該電阻進行電流-電壓轉換後的電壓的端子(電流檢測端子)(參照專利文獻1)。
此外，作為開關控制方式的絕緣型DC-DC轉換器之一有電流模式控制的返馳(flyback)轉換器。
在該電流模式轉換器中，檢測出二次側的輸出電壓或輸出電流後向一次側反饋，控制開關元件的電流峰值，藉此控制輸出電壓或輸出電流。並且，在一次側控制電路中，與上述開關元件串聯地連接電阻(感應電阻(sense resistor))並將電流轉換為電壓，在該電壓高於與反饋信號對應的電壓時，使開關元件予以斷開，藉此控制電流峰值。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開2011-176926號公報。
專利文獻2：日本特開2005-341730號公報。
但是，在絕緣型DC-DC轉換器中，規定了額定負載電流(或最大負載電流)，在發生流過二次側的電流增加至額定負載電流以上的過電流狀態時，電源裝置受損，因此有在一次側的控制電路中設置過電流檢測功能以及在檢測出過電流的情況下使控制動作停止的過電流保護功能之情形(參照專利文獻2)。
然而，在以監視感應電阻的電壓並進行輸出電壓控制之方式所構成的絕緣型DC-DC轉換器中，在電流檢測用電阻的兩端子間或電流檢測端子-接地點間短路的情況下，即使流過一次側的電流增 加電流檢測端子的電位亦會不變化，因此存在輸出電壓控制不工作而過剩電流流過開關元件，導致由構件的異常發熱引起的損壞。
本發明是在上述那樣的背景下所研創出，其目的是提供一種技術，在具有電壓轉換用的變壓器且用以對流過一次線圈的電流進行接通、斷開來控制輸出的絕緣型直流電源裝置中，在電流檢測用電阻短路的情況下，迅速地使電流不流過一次線圈而能夠防止開關元件或變壓器、二極體等構成構件受損。
為了達成上述目的，本發明提供一種絕緣型直流電源裝置，係具備：電壓轉換用的變壓器，係具有一次線圈、二次線圈以及輔助線圈；開關元件，係用於使電流間歇性地流過該變壓器的一次線圈；以及一次側控制電路，係輸入與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓及與被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓成正比的電壓，藉此產生並輸出對前述開關元件進行接通、斷開控制的驅動脈波；前述一次側控制電路具備：電壓檢測電路，係根據前述變壓器的一次線圈的電壓或被輔助線圈感應的電壓或與該電壓成正比的電壓，賦予使前述開關元件接通的時序(timing)；電流檢測電路，係根據與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓，賦予使前述開關元件斷開的時序；接通信號及斷開信號產生電路，係根據從前述電流檢測電路輸出的信號及從前述電壓檢測電路輸出的信號，產生對前述開關元件進行接通、斷開控制的信號；第1計時器電路，係藉由前述開關元件的接通時序而啟動，開始前述開關元件的接通 時間的計時動作，在計時了預先設定的一次側最大接通時間的時間點計時結束；以及第2計時器電路，係藉由前述第1計時器電路的計時結束而啟動，開始計時動作，在計時了預先設定的容許消磁時間的時間點計時結束；並構成為藉由前述第1計時器電路的計時結束使前述開關元件斷開，而在前述第2計時器電路計時結束的情況下不會藉由前述接通信號及斷開信號產生電路產生使前述開關元件接通的信號。
本發明的另一發明是一種絕緣型直流電源裝置的控制方法，該絕緣型直流電源裝置具備：電壓轉換用的變壓器，係具有一次線圈、二次線圈以及輔助線圈；開關元件，係用於使電流間歇性地流過該變壓器的一次線圈；以及一次側控制電路，係輸入與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓及與被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓成正比的電壓，藉此產生並輸出對前述開關元件進行接通、斷開控制的驅動脈波，；在該絕緣型直流電源裝置的控制方法中：監視被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓或與該電壓成正比的電壓以及與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓；在每次接通前述開關元件時，藉由該接通時序開始第1計時動作，在計時預先設定的一次側最大接通時間之前藉由前述電流檢測電路檢測出流過前述變壓器的一次線圈的電流成為預定電流值的情況下，使前述開關元件的下個接通動作開始；在藉由前述電流檢測電路檢測出流過前述變壓器的一次線圈的電流成為預定電流值之前計時了前述一次側最大接通時間的情況下，以在完成前述一次側最大接通時間的計時的時間點為消磁期間作為條件開始第2計時動作計時了預 先設定的容許消磁時間的情況下，之後不產生前述開關元件的接通信號。
在電流檢測用電阻短路的情況下，不輸入與流過一次線圈的電流成正比的電壓，因此使前述開關元件接通時接通時間變長，藉此一次線圈的峰值電流變高，變壓器的消磁時間也變長，但根據上述的手段或方法，在藉由第1計時器電路的計時結束而啟動的第2計時器電路計時結束的時間點，迅速地不使電流流過一次線圈，因此在電流檢測用電阻的端子間短路或一次側控制電路(IC)的電流檢測端子與接地點之間短路的情況下，能防止開關元件、變壓器、或二極體等構成構件受損。
在此，前述電流檢測電路係能將藉由與前述開關元件串聯連接的電阻元件進行電流-電壓轉換而得的電壓作為輸入。
此外，前述電壓檢測電路係能將藉由分壓單元對被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓進行分壓而得的電壓作為輸入。
並且，亦可構成為設置用於檢測變壓器處於消磁期間的消磁期間檢測單元；第2計時器電路係以消磁期間檢測單元檢測出變壓器處於消磁期間作為條件執行計時動作。
此外，較佳為，該絕緣型直流電源裝置具備有：輸入電壓位準檢測電路，係檢測向前述變壓器的一次線圈施加的輸入電壓的電位；前述第1計時器電路係計時與輸入電壓成反比的時間。
藉此，由於能將一次側最大接通時間設為與輸入電壓成反比的 可變值，且能消除感應電阻短路時的變壓器的一次側電流峰值及二次側電流峰值的輸入電壓依存性，因此能抑制功率損失的增加，並且不容易使器件(device)受損。
此外，較佳為，該絕緣型直流電源裝置具備有：感應電壓位準檢測電路，係檢測出藉由分壓單元對被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓進行分壓而得的電壓的電位；前述第2計時器電路係計時與感應電壓成反比的時間。
藉此，由於能將變壓器的容許消磁時間設為與輔助線圈的感應電壓成反比的可變值，且能消除開關停止時的變壓器的電流峰值的輸出電壓依存性，因此能防止因電流峰值的輸出電壓依存性使負載受損。
並且，較佳為，前述電流檢測電路是電壓比較電路，該電壓比較電路係比較藉由與前述開關元件串聯的前述電阻元件進行電流-電壓轉換而得的電壓及與藉由前述分壓單元進行分壓而得的電壓成正比的電壓，並輸出表示使所述開關元件斷開的時序的信號。
藉此，在不使用來自二次側的反饋電壓而僅藉由一次側的資訊進行二次側的輸出電壓的控制之PSR(Primary Side Regulation；初級側調整)方式的絕緣型直流電源裝置(DC-DC轉換器)中，能防止因電流檢測用電阻的短路而使開關元件、變壓器或二極體等構成構件受損。
根據本發明，在具備電壓轉換用的變壓器並對流過一次線圈的電流進行接通、斷開來控制輸出的絕緣型直流電源裝置中，具有在電流檢測用電阻短路或一次側控制電路(IC)的電流檢測端子與接地點之間短路的情況下迅速地使電流不流過一次線圈而能防止開關元件、變壓器或二極體等構成構件受損。
10‧‧‧一次側控制電路(一次側控制用IC、電源控制電路)
11‧‧‧誤差放大電路(誤差放大器)
12‧‧‧比較器(電流檢測電路、誤差放大器)
13‧‧‧驅動電路(驅動器)
14‧‧‧比較器(電壓檢測電路)
15‧‧‧放電結束檢測電路
16‧‧‧計時器電路
17‧‧‧第1計時器電路
18‧‧‧第2計時器電路
19‧‧‧單脈波產生電路
20‧‧‧啟動電路
21‧‧‧輸入電壓位準檢測電路
22‧‧‧電壓位準檢測電路
24‧‧‧輸出電壓產生電路
31‧‧‧檢測電路
32‧‧‧發光二極體
32b‧‧‧光電電晶體
C1、C2‧‧‧平滑用電容器
C3、C4‧‧‧電容器
CS‧‧‧電流檢測端子
CS1‧‧‧定電流源、可變電流源
CS2‧‧‧定電流源、可變電流源
CS3‧‧‧定電流源
CMP1、CMP2‧‧‧比較器
D1、D2‧‧‧二極體
DRV‧‧‧驅動脈波(驅動信號)
EN1、EN2‧‧‧輸出(輸出信號)
EN‧‧‧信號(接通開始信號)
FF1、FF2、FF3‧‧‧RS正反器
FB‧‧‧端子
GND‧‧‧接地點
G1、G2、G4‧‧‧或閘
G3、G5‧‧‧及閘
HV‧‧‧高壓啟動端子
I1、I2‧‧‧電流
I1p‧‧‧一次側峰值電流(峰值電流)
I2p‧‧‧二次側峰值電流(峰值電流)
M1、M2‧‧‧MOS電晶體
Np‧‧‧一次線圈
Ns‧‧‧二次線圈
Na‧‧‧輔助線圈
N0‧‧‧節點
N1‧‧‧連接節點
PL‧‧‧脈波(脈波信號)
Q‧‧‧輸出(輸出電壓)
/Q‧‧‧反向輸出
R‧‧‧重置端子
Rs‧‧‧電流檢測用電阻(感應電阻)
R1、R2‧‧‧電阻
S‧‧‧設定端子
SW‧‧‧開關電晶體
S/H‧‧‧採樣保持電路
START‧‧‧啟動信號
TR1‧‧‧變壓器
T1max‧‧‧一次側最大接通時間
Tdem‧‧‧消磁期間
T2max‧‧‧消磁期間(容許消磁時間)
VDD‧‧‧電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vcs‧‧‧電流檢測電壓
Vs‧‧‧電壓
VS‧‧‧電壓檢測端子
Vout‧‧‧輸出電壓
Vcont‧‧‧輸出電壓
Vref1、Vref2、Vref3、Vref4‧‧‧參照電壓
圖1是顯示作為本發明的絕緣型直流電源裝置的絕緣型DC-DC轉換器的一實施形態的電路結構圖。
圖2是顯示圖1的絕緣型DC-DC轉換器中的變壓器的一次側控制電路(一次側控制用IC)的結構例的電路結構圖。
圖3是顯示實施例的一次側控制用IC中的通常動作時以及電流檢測用電阻或電流檢測端子與接地點之間發生短路時的一次側控制用IC的各部的電位變化情況的波形圖。
圖4是顯示實施例的一次側控制用IC的其他實施例的電路結構圖。
圖5是顯示絕緣型DC-DC轉換器的其他實施例的電路結構圖。
圖6是顯示構成圖5的DC-DC轉換器的一次側控制用IC的內部電路的結構例的電路結構圖。
以下，使用圖式對本發明的較佳的實施形態進行說明。
圖1是顯示將本發明應用於作為一例之不從二次側向一次側進行反饋，而是僅根據在一次側取得的資訊進行二次側的輸出電壓的 控制的所謂的初級側調整(PSR)方式的絕緣型DC-DC轉換器時的一實施形態的電路結構圖。
該實施形態的DC-DC轉換器具有：電壓轉換用的變壓器TR1，係具有一次線圈Np、二次線圈Ns以及輔助線圈Na；開關電晶體SW，係由與該變壓器TR1的一次線圈Np串聯連接的N通道MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金屬氧化物半導體場效電晶體)所構成，並作為開關元件；以及電源控制電路10，係驅動該開關電晶體SW。雖然沒有特別地進行限定，但在本實施形態中，電源控制電路10係在如單晶矽的1個半導體晶片上形成為半導體積體電路(以下，稱為一次側控制用IC10)。
此外，關於圖1的DC-DC轉換器，一次側控制用IC10不具備用於對開關電晶體SW進行接通、斷開的振盪電路，而是自激地進行開關控制，並且作為變壓器TR1而使用二次線圈Ns的極性與一次線圈Np極性相反的線圈來作為虛擬共振返馳轉換器予以動作，並控制開關元件的電流峰值，藉此來控制輸出電壓。
另外，關於圖1的DC-DC轉換器，有時在前級設置雜訊阻隔用濾波器或對交流電壓(AC)進行整流而轉換為直流電壓的二極體/橋式電路、對整流後的電壓進行平滑的平滑用電容器而構成為AC-DC轉換器(所謂的AC轉接器(adapter))。
在上述變壓器TR1的二次側設有與二次線圈Ns串聯連接的整流用的二極體D2及連接於該二極體D2的負極端子與二次線圈Ns 的另一方的端子之間的平滑用電容器C2。
此外，在本實施形態的DC-DC轉換器的一次側設有由與上述輔助線圈Na串聯連接的整流用的二極體D1及連接於該二極體D1的負極端子與接地點GND之間的平滑用電容器C1所構成的整流平滑電路，藉由該整流平滑電路予以整流、平滑的電壓被施加到上述一次側控制用IC10的電源電壓端子。與此同時，輸入電壓Vin直接或經由二極體或電阻被施加到一次側控制用IC10的高壓啟動端子HV，在電源啟動時輔助線圈Na感應電壓前能使一次側控制用IC10動作。
並且，在本實施形態中，在開關電晶體SW的源極端子與接地點GND之間連接有用以將流過開關電晶體SW的電流轉換為電壓的電流檢測用電阻Rs，藉由該電流檢測用電阻Rs轉換後的節點N0的電流檢測電壓Vcs被輸入到一次側控制用IC10的電流檢測端子CS。與此同時，在與輔助線圈Na串聯連接的整流用的二極體D1的正極端子及接地點GND之間以串聯方式連接有對輔助線圈Na的感應電壓進行分壓的分壓用的電阻R1、R2，該電阻R1、R2的連接節點N1的電壓Vs被輸入到一次側控制用IC10的電壓檢測端子VS。在此，電壓檢測端子VS的電壓Vs與二次側的輸出電壓Vout成正比，因此一次側控制用IC10根據電壓檢測端子VS的電壓Vs控制一次線圈Np的電流以及開關周期，藉此將輸出電壓Vout維持為預定電壓。
接著，使用圖2對上述一次側控制用IC10的具體的結構例進行說明。
本實施例的一次側控制用IC10係根據電流檢測電壓Vcs決定開關電晶體SW的斷開時序來控制一次線圈的峰值電流，並且根據輔助線圈Na的感應電壓檢測出二次側電流成為零的點亦即向二次側的能量發射期間(消磁期間)的結束點來決定開關電晶體SW的接通時序。此外，一次側控制用IC10具有控制成開關電晶體SW不會持續預定時間以上的接通狀態並且檢測出二次線圈的消磁期間持續預定時間以上之功能。並且，本實施例的一次側控制用IC10具有在檢測出感應電阻Rs的短路時，防止開關電晶體SW被接通的功能。
為了實現上述斷開時序決定功能，如圖2所示，本實施例的一次側控制用IC10係具備：採樣保持電路S/H，係在預定時序取入與輸入至電壓檢測端子VS的輔助線圈感應電壓成正比的電壓Vs並予以保持；誤差放大器11，係產生與取入的電壓Vs及預定基準電壓Vref1的電位差對應的電壓；以及比較器12，係比較向電流檢測端子CS輸入的電流檢測電壓Vcs及上述誤差放大器11的輸出電壓Vcont；該比較器12的輸出係經由或閘(OR gate)G1被輸入到RS(Reset/Set；重置/設定)正反器(flip-flop)FF1的重置(reset)端子R中。
然後，將RS正反器FF1的輸出(輸出電壓)Q供給到驅動電路(驅動器)13，來自驅動電路13的輸出成為對開關電晶體SW進行接通、斷開驅動的驅動脈波DRV。在該實施例中，在電流檢測電壓Vcs超過誤差放大器11的輸出電壓Vcont時，比較器12的輸出變為高位準，RS正反器FF1係被重置且輸出Q變為低位準，從驅動電路13輸出的驅動脈波DRV變為低位準，開關電晶體SW被斷開。另外， 也可以藉由來自後述的第1計時器電路17或第2計時器電路18的計時結束信號使RS正反器FF1重置。
此外，為了實現上述接通時序決定功能，一次側控制用IC10係具備：比較器14，係比較向電壓檢測端子VS輸入的輔助線圈感應電壓的電壓(如檢測電壓)Vs及預定的參照電壓Vref2；以及放電結束檢測電路15，係根據該比較器14的輸出電壓，檢測出二次線圈的消磁期間的結束點。並且，該放電結束檢測電路15的輸出EN1係經由及閘(AND gate)G5、或閘G2以及及閘G3被輸入到RS正反器FF1的設定(set)端子S。將參照電壓Vref2設定為接近於0V的值。在電壓(如電流檢測電壓)Vs低於參照電壓Vref2時，比較器14的輸出變為高位準，RS正反器FF1被重置且輸出Q變為高位準，從驅動電路13輸出的驅動脈波DRV變為高位準，開關電晶體SW被接通。
並且，一次側控制用IC10係具備：計時器電路16，係在開關電晶體SW被斷開的時序亦即從驅動電路13輸出的驅動脈波DRV從低位準變為高位準的時序開始計時動作，並計時開關周期。並且，該計時器電路16係構成為計時與誤差放大器11的輸出電壓Vcont對應的時間。具體而言，若不考慮上述的一次線圈的峰值電流控制，則在誤差放大器(亦即比較器)12的輸出電壓Vcont變高時，計時器電路16計時的時間變短而開關周期變短，在誤差放大器12的輸出電壓Vcont變低時，計時器電路16計時的時間變長而開關周期變長。藉此，能夠使一次側的開關周期根據被輔助線圈感應的電壓而轉換。另外，藉由使上述的開關周期控制與上述的一次線圈的峰值電 流控制匹配來進行使二次側的輸出電壓維持固定的控制，因此即使輸出電壓Vcont上升，開關周期亦不變化或減少。
然後，將上述計時器電路16的輸出EN2及上述放電結束檢測電路15的輸出EN1供給到及閘G5，取其邏輯和的信號EN係經由或閘G2、及閘G3被輸入到RS正反器FF1的設定端子中。也就是說，在計時器電路16計時結束且放電結束檢測電路15檢測出放電結束而輸出EN1變為高位準的情況下，RS正反器FF1被重置。
此外，在一次側控制用IC10上設置啟動電路20，係藉由向高壓啟動端子HV施加的電壓，在輔助線圈Na感應電壓而來自輔助電源(D1、C1)的電壓VDD上升前的電源接通之後使內部電路啟動；從該啟動電路20供給的啟動信號START經由或閘G2與及閘G3被供給到RS正反器FF1，從而使驅動脈波DRV上升。
因此，放電結束檢測電路15及計時器電路16係作為賦予開關電晶體SW的接通時序的接通時序產生電路發揮功能。
另外，為了檢測出感應電阻(如電流檢測用電阻)Rs的短路，而向及閘G3的另一方的輸入端子輸入來自後述的第2計時器電路的時序結束信號，在檢測出感應電阻Rs的短路時，切斷及閘G3來阻止向RS正反器FF1供給附有接通時序的信號，防止開關電晶體SW被接通。
此外，在一次側控制用IC10上設置啟動電路20，係藉由向高壓啟動端子HV施加的電壓，在使輔助電源(D1、C1)的電壓上升前的 電源接通時使內部電路啟動；從該啟動電路20供給的啟動信號START係經由或閘G2被供給到第1計時器電路17而使其啟動。
並且，為了實現在檢測出感應電阻Rs的短路時防止開關電晶體SW被接通的上述功能，本實施例的一次側控制用IC10具備：第1計時器電路17，係用於計時開關電晶體SW的最大接通時間(以下稱為一次側最大接通時間)；以及第2計時器電路18，係計時預先設定的變壓器的容許消磁期間(二次側最大接通時間)。
第1計時器電路17具備：定電流源CS1；電容器C3，係藉由來自該定電流源CS1的電流進行充電；MOS(Metal Oxide Semiconductor；金屬氧化物半導體)電晶體M1，係作為電容器C3的放電開關發揮功能；以及比較器CMP1，係比較電容器C3的充電電壓及預定的參照電壓Vref3。向MOS電晶體M1的閘極端子施加上述RS正反器FF1的反向輸出/Q，在反向輸出/Q成為高位準的開關電晶體SW的斷開期間對電容器C3的電荷進行放電，在開關電晶體SW被接通時MOS電晶體M1成為斷開狀態而開始電容器C3的充電，在充電電壓達到參照電壓Vref3時，比較器CMP1的輸出變為高位準。
也就是說，第1計時器電路17係計時開關電晶體SW的接通時間，並在經過了預先設定的預定時間(以下亦稱為一次側最大接通時間)T1max時，設定後級的RS正反器FF2。此外，比較器CMP1的輸出係經由上述或閘G1反饋到前段的RS正反器FF1的重置端子R，在經過一次側最大接通時間T1max時使RS正反器FF1重置，使開 關電晶體SW強制斷開。另外，藉由來自與RS正反器FF1的輸出Q(開關電晶體SW的接通信號)的上升同步地產生脈波的單脈波產生電路19的脈波PL，接通開關電晶體SW的同時RS正反器FF2被重置。
另一方面，第2計時器電路18具備：定電流源CS2；電容器C4，係藉由來自該定電流源CS2的電流被充電；MOS電晶體M2，係作為電容器C4的放電開關發揮功能；比較器CMP2，係比較電容器C4的充電電壓與預定的參照電壓Vref4；以及RS正反器FF3，係向設定端子S輸入該比較器CMP2的輸出。並且，該RS正反器FF3的輸出Q被輸入到上述及閘G3。
此外，向MOS電晶體M2的閘極端子施加根據上述第1計時器電路17的輸出所設定的上述RS正反器FF2的反向輸出/Q，開關電晶體SW接通的同時，RS正反器FF2被重置，該反向輸出/Q成為高位準，藉此MOS電晶體M2成為接通狀態，對電容器C4的電荷進行放電，而在第1計時器電路17計時結束亦即計時一次側最大接通時間時，MOS電晶體M2成為斷開狀態，開始電容器C4的充電，在充電電壓達到參照電壓Vref4時，比較器CMP2的輸出變為高位準，設定後級的RS正反器FF3。
也就是說，第2計時器電路18係計時變壓器的消磁時間，並在經過了與預先設定的參照電壓Vref4對應的容許消磁期間T2max時，設定後級的RS正反器FF3。然後，在RS正反器FF3被設定時， 該反向輸出/Q變為低位準而切斷及閘G2，不向RS正反器FF1提供從放電結束檢測電路15或計時器電路16輸出的用於賦予開關電晶體SW的接通時序的信號，藉此能防止開關電晶體SW被接通。
另外，向RS正反器FF3的重置端子輸入初始化信號(重置信號)，當反向輸出/Q變為低位準時，直到IC被初始化之前維持狀態，藉此防止開關電晶體SW被接通。
接著，說明設有第1計時器電路17及對預先設定的變壓器的容許消磁期間(二次側最大接通時間)計時的第2計時器電路18的原因。
在感應電阻Rs短路的情況下，電流檢測端子CS的電流檢測電壓Vcs成為低位準，藉此比較器12不能響應，藉由比較器12的輸出RS正反器FF1不能重置亦即不能斷開開關電晶體SW。
此時，將變壓器的一次線圈的峰值電流設為I1p，將一次線圈的輸入電壓設為Vin，將一次線圈的電感設為L1，將一次線圈的最大接通時間設為T1max時，由下式表示I1p。
I1p=(Vin/L1)．T1max……(1)
在上述式(1)中，一次線圈的峰值電流I1p具有輸入電壓依存性，但表示能藉由一次側最大接通時間T1max抑制一次側峰值電流I1p。因此，該實施例的一次側控制用IC10係在第1計時器電路17計時一次側最大接通時間T1max而計時結束時，使RS正反器FF1重置而斷開開關電晶體SW。
另一方面，將二次線圈的電感設為L2，將二次側的輸出電壓設為Vout，將二次側的整流用的二極體D2的正向電壓設為VF，將變 壓器的消磁時間設為Tdem時，由下式表示Tdem。
Tdem=(L2．I2p)/(Vout+VF)……(2)
在此，二次側峰值電流I2p與一次側峰值電流I1p成正比，因此將一次線圈的繞數設為N1，將二次線圈的繞數設為N2時，上式(2)可以變形為下式(3)。
Tdem=T1max．(N2/N1)．{Vin/(Vout+VF)}……(3)
上式(3)表示將Vout、VF設為固定時，變壓器的消磁期間Tdem係與Vin、T1max成正比。
因此，關於該實施例的一次側控制用IC10，設定容許消磁期間T2max，在計時一次側最大接通時間T1max的第1計時器電路17計時結束而斷開開關電晶體SW時，開始第2計時器電路18的計時，在Tdem超過T2max的時間點使RS正反器FF3重置，藉由其反向輸出/Q切斷及閘G2，不向RS正反器FF1供給接通開始信號EN，藉此在感應電阻短路時，阻止開關電晶體SW成為接通狀態，防止電流繼續流過一次線圈。
另外，在圖2的實施例中，直接向MOS電晶體M2的閘極端子輸入RS正反器FF2的反向輸出/Q，但在RS正反器FF2的反向輸出端子與MOS電晶體M2的閘極端子之間如虛線所示地設置將比較器14的輸出信號設為另一方的輸入的或閘G4，以比較器14的輸出為低位準(電壓檢測端子VS的電壓Vs為0V)條件，在RS正反器FF2的反向輸出/Q變為低位準的情況下，斷開MOS電晶體M2，開始電容器C4的充電亦即開始第2計時器電路18的計時。因此，在該 情況下，比較器14作為檢測處於消磁期間的單元發揮功能，第2計時器電路18以處於消磁期間為條件執行計時動作。
接著，參照圖3的時序圖說明感應電阻Rs短路的情況下的本實施例的一次側控制用IC10的動作。
本實施例的一次側控制用IC10在感應電阻Rs沒有短路的正常的期間(圖3的T1期間)，在電壓檢測端子VS的電壓Vs成為基準電壓Vref2以下的時間點，放電結束檢測電路15的輸出信號EN1變為高位準。此外，計時器16係藉由脈波信號PL被重置後開始計時，經過由誤差放大器11的輸出電壓Vcont決定的時間後輸出信號EN2變為高位準。
並且，當上述輸出信號EN1及輸出信號EN2雙方成為高位準時，及閘G5的輸出信號EN成為高位準，重置RS正反器FF1，驅動信號DRV變為高位準，接通開關電晶體SW(時序t1)。於是，藉由單脈波產生電路19檢測出驅動信號DRV的上升並產生脈波PL(時序t2)。然後，向第2時序電路18的RS正反器FF2供給該脈波，反向輸出/Q變為高位準，接通MOS電晶體M2，對電容器C4的電荷進行放電。
另一方面，當接通開關電晶體SW時，第1計時器電路17開始計時，並在經過一次側最大接通時間T1max時，比較器12的輸出變為高位準來重置RS正反器FF1，驅動信號DRV變為低位準，斷開開關電晶體SW(時序t3)。於是，積蓄在變壓器中的能量開始向二次 側放電。之後，當二次線圈的電流I2減少至接近零時，產生共振而電壓檢測端子VS的電壓Vs引起變動(漣波(ringing))。
此時，當感應電阻Rs短路時，電流檢測電壓Vcs不會上升，因此比較器12的輸出不會變為高位準，不產生通常的斷開，在第1計時器電路17計時一次側最大接通時間的時間點(時序t6)重置RS正反器FF1，驅動信號DRV變為低位準，斷開開關電晶體SW。藉此，開關電晶體SW的接通時間變長，一次線圈的電流I1的峰值變大，在二次線圈的消磁期間流過的電流I2以及消磁時間增加。
此外，在第1計時器電路17計時結束(一次側最大接通時間的計時)設定RS正反器FF2，開始基於第2計時器電路18的容許消磁期間的計時。然後，由於一次線圈的電流I1的峰值變大，電壓檢測端子VS的電壓Vs下降變慢，因此在容許消磁期間經過時間點(時序t7)，第2計時器電路18計時結束而設定RS正反器FF3，藉由其輸出Q的轉換重置RS正反器FF1，斷開開關電晶體SW。然後，當設定RS正反器FF3時，藉由其反向輸出/Q斷開藉由及閘G2的接通開始信號EN，藉此開關電晶體SW維持斷開狀態，能防止電流繼續流過一次側。
其結果，藉由感應電阻Rs的短路能防止開關元件、變壓器或二極體等結構構件受到損壞。
(變形例)
接著，使用圖4說明上述實施形態的一次側控制用IC10的變形 例。另外，應用該變形例的一次側控制用IC10的DC-DC轉換器的結構與圖1相同。
從上述式(1)可知，一次線圈的峰值電流I1p與一次線圈的輸入電壓Vin成正比。因此，在圖4所示的變形例的一次側控制用IC中，藉由可變電流源構成第1計時器電路17的電流源CS1(以下稱為可變電流源CS1)，並且設置有檢測出被施加輸入電壓Vin的高壓啟動端子HV的電位並輸出與輸入電壓Vin成正比的電壓之輸入電壓位準檢測電路21，藉由輸入電壓位準檢測電路21的輸出電壓使可變電流源CS1的電流值變化。具體而言，當輸入電壓Vin變高時，可變電流源CS1的電流增加，到第1計時器電路17計時結束為止的時間變短；相反，當輸入電壓Vin變低時，可變電流源CS1的電流減少，到第1計時器電路17計時結束為止的時間變長。
藉此，能夠將一次側最大接通時間T1max設為與輸入電壓Vin成反比的可變值，能消除感應電阻短路時的變壓器的一次側電流峰值以及二次側電流峰值的輸入電壓依存性。
例如，當輸入電壓Vin變高時，感應電阻短路時的變壓器的一次側電流峰值以及二次側電流峰值變高，因此若到第1計時器電路17計時結束為止的時間不變化，則變壓器的功率損失增加，並且與電流峰值低的情況相比向變壓器、開關電晶體SW或二極體D2等裝置的壓力增加而容易受損。
與此相對，藉由應用本變形例，當輸入電壓Vin變高時第1計時器電路17的計時結束時間變短而抑制一次側電流峰值以及二次 側電流峰值的增加，因此能抑制功率損失的增加並能使裝置不容易受損。另外，原本將高壓啟動端子HV設成IC能在剛接通電源後的輔助線圈不產生感應電壓的期間動作，因此藉由利用原本設在一次側控制用IC10上的端子而能不增加端子數量地實現。
此外，在圖4所示的變形例的一次側控制用IC中，藉由可變電流源構成第2計時器電路18的電流源CS2(以下稱為可變電流源CS2)，並且設置用於輸出與由採樣保持電路(S/H)取入的電壓成正比的電壓的電壓(Vs)位準檢測電路22，藉由電壓位準檢測電路22的輸出電壓使可變電流源CS2的電流變化，其中，該採樣保持電路(S/H)係與被施加了對輔助線圈的感應電壓進行分壓而得的電壓Vs的電壓檢測端子VS連接。具體而言，當電壓Vs變高時，可變電流源CS2的電流增加，到第2計時器電路18計時結束為止的時間變短，當電壓Vs變低時，可變電流源CS2的電流減少，到第2計時器電路18計時結束為止的時間變長。
已知在圖1所示的返馳轉換器中，變壓器的消磁期間係與一次側電流峰值成正比，與Vout+VF(輸出電壓+二極體D2的正向電壓)成反比。當容許消磁期間T2max為固定值的情況下，開關停止時的一次側電流峰值以及二次側電流峰值係與Vout+VF成正比，因此輸出電壓越高開關元件、變壓器或二極體等構成構件越容易受損。這樣的電流峰值的輸出電壓依存性對於針對電池充電或LED(Light Emitting Diode；發光二極體)照明等用途的定電流輸出的轉換器是不佳的特性。因此，如上所述，將變壓器的容許消磁時間T2max設為 與電壓Vs成反比的可變值，藉此能消除開關停止時的變壓器的電流峰值的輸出電壓依存性。
此外，若想要在使用了變壓器的絕緣型轉換器中實現向一次側傳遞(Vout+VF)電壓的結構，則電路變得複雜，但在輔助線圈中出現與二次側的(Vout+VF)電壓成正比的電壓。更詳細而言，將輔助線圈與二次線圈的繞線比設為Na/N2，將二次側的二極體D2的正向電壓設為VF時，由下式表示電壓檢測端子VS的電位。
藉由上述式(4)可知，電壓檢測端子VS的電位與二次線圈的端子間電壓(=Vout+VF)成正比。因此，如上所述那樣取入電壓檢測端子VS的電壓(電位)Vs並根據它進行第2計時器電路18的計時結束時間的可變，藉此能消除電流峰值的輸出電壓依存性，並能夠防止負載受損。
以上，根據實施形態具體地說明由本發明人進行的發明，但本發明並不限定於上述實施形態。例如，在圖4所示的變形例中示出了設有藉由輸入電壓位準檢測電路21的輸出電壓使到第1計時器電路17計時結束為止的時間可變的結構及藉由電壓位準檢測電路22的輸出電壓使到第1計時器電路17計時結束為止的時間可變的結構雙方的一次側控制用IC10，但也可以是僅設有某一方結構的變形例。
此外，在上述實施形態中，由賦予使開關元件接通的時序的電壓檢測電路(比較器14)根據被變壓器的輔助線圈感應的電壓或與之成正比的電壓進行檢測，但也可以根據一次線圈的電壓檢測出使開關元件接通的時序。另外，在基於一次線圈的電壓的情況下，與輔助線圈的不同點在於，極性成為相反之點以及消磁完成後的LC共振電壓的中心不是接地電位而是成為輸入電壓Vin之點。
此外，在圖1所示的DC-DC轉換器中，作為一例示出了作為二次側電路而設有整流用的二極體D2及平滑用電容器C2的最簡單的結構，但也可以將本發明應用於如下的同步整流方式的DC-DC轉換器中：取代整流用的二極體D2而連接MOS電晶體，並且設置監視該MOS電晶體的源極電壓以及汲極電壓來產生接通、斷開控制信號的控制電路，在電流流過整流用的二極體的時序使整流用MOS電晶體導通。
並且，在上述實施例中，說明了應用於不使用來自二次側的反饋電壓，而僅藉由一次側的資訊進行二次側的輸出電壓的控制的PSR方式的DC-DC轉換器中的例子，但本發明也可以應用於如圖5所示那樣在二次側具備檢測輸出電壓或輸出電流的檢測電路31以及將檢測出的資訊傳遞給一次側控制用IC10的光電耦合器(發光二極體32以及光電電晶體32b)的DC-DC轉換器中。
另外，在實現圖5所示的DC-DC轉換器的情況下，需要在一次側控制用IC10設置與接受來自二次側的反饋資訊的光電電晶體 32b連接的端子FB。並且，在這樣的一次側控制用IC10中實現藉由上述實施例說明的功能的情況下，除了圖2或圖4所示的電路外，例如如圖6所示那樣，除了端子FB外，還需要設置：定電流源CS3：係使偏置(bias)電流流過與端子FB連接的光電電晶體32b；以及輸出電壓(Vcont)產生電路24，係由誤差放大器等所構成，該誤差放大器係根據端子FB的電位產生比較器12及計時器電路16的輸出電壓Vcont。
10‧‧‧一次側控制電路(一次側控制用IC、電源控制電路)
11‧‧‧誤差放大電路(誤差放大器)
12‧‧‧比較器(電流檢測電路、誤差放大器)
13‧‧‧驅動電路(驅動器)
14‧‧‧比較器(電壓檢測電路)
15‧‧‧放電結束檢測電路
16‧‧‧計時器電路
17‧‧‧第1計時器電路
18‧‧‧第2計時器電路
19‧‧‧單脈波產生電路
20‧‧‧啟動電路
CS‧‧‧電流檢測端子
C3、C4‧‧‧電容器
CS1‧‧‧定電流源、可變電流源
CS2‧‧‧定電流源、可變電流源
CMP1、CMP2‧‧‧比較器
DRV‧‧‧驅動脈波(驅動信號)
EN1、EN2‧‧‧輸出(輸出信號)
EN‧‧‧信號(接通開始信號)
FF1、FF2、FF3‧‧‧RS正反器
G1、G2、G4‧‧‧或閘
G3、G5‧‧‧及閘
HV‧‧‧高壓啟動端子
M1、M2‧‧‧MOS電晶體
PL‧‧‧脈波(脈波信號)
S/H‧‧‧採樣保持電路
VDD‧‧‧電壓
Vcs‧‧‧電流檢測電壓
Vs‧‧‧電壓
VS‧‧‧電壓檢測端子
Vcont‧‧‧輸出電壓
Vref1、Vref2、Vref3、Vref4‧‧‧參照電壓

Claims (10)

  1. 一種絕緣型直流電源裝置，係具備有：電壓轉換用的變壓器，係具有一次線圈、二次線圈以及輔助線圈；開關元件，係用於使電流間歇性地流過該變壓器的一次線圈；以及一次側控制電路，係藉由輸入與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓及與被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓成正比的電壓，藉此產生並輸出對前述開關元件進行接通、斷開控制的驅動脈波；前述一次側控制電路係具備有：電壓檢測電路，係根據前述變壓器的一次線圈的電壓或被輔助線圈感應的電壓或與該電壓成正比的電壓，賦予使前述開關元件接通的時序；電流檢測電路，係根據與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓，賦予使前述開關元件斷開的時序；接通信號及斷開信號產生電路，係根據從前述電流檢測電路輸出的信號及從前述電壓檢測電路輸出的信號，產生對前述開關元件進行接通、斷開控制的信號；第1計時器電路，係由前述開關元件的接通時序而啟動，開始前述開關元件的接通時間的計時動作，在計時了預先設定的一次側最大接通時間的時間點計時結束；以及第2計時器電路，係由前述第1計時器電路的計時結束而啟動，開始計時動作，在計時了預先設定的容許消磁時間的時間點 計時結束；藉由前述第1計時器電路的計時結束使前述開關元件斷開，且在前述第2計時器電路計時結束的情況下，不會藉由前述接通信號及斷開信號產生電路產生使前述開關元件接通的信號。
  2. 如請求項1所記載之絕緣型直流電源裝置，其中具備有：消磁期間檢測單元，係檢測出前述變壓器處於消磁期間；前述第2計時器電路係以前述消磁期間檢測單元檢測出處於消磁期間為條件執行計時動作。
  3. 如請求項1或2所記載之絕緣型直流電源裝置，其中前述電流檢測電路係將藉由與前述開關元件串聯連接的電阻元件進行電流-電壓轉換而得的電壓設為輸入。
  4. 如請求項1或2所記載之絕緣型直流電源裝置，其中前述電壓檢測電路係將藉由分壓單元對被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓進行分壓而得的電壓設為輸入。
  5. 如請求項4所記載之絕緣型直流電源裝置，其中具備有：輸入電壓位準檢測電路，係檢測向前述變壓器的一次線圈施加的輸入電壓的電位；前述第1計時器電路係計時與輸入電壓成反比的時間。
  6. 如請求項4所記載之絕緣型直流電源裝置，其中具備有：感應電壓位準檢測電路，係檢測出藉由前述分壓單元進行分壓而得的電壓的電位；前述第2計時器電路係計時與感應電壓成反比的時間。
  7. 如請求項5所記載之絕緣型直流電源裝置，其中具備有：感應電壓位準檢測電路，係檢測出藉由前述分壓單元進行分壓而得的電 壓的電位；前述第2計時器電路計時與感應電壓成反比的時間。
  8. 如請求項4所記載之絕緣型直流電源裝置，其中前述電流檢測電路係電壓比較電路，該電壓比較電路係比較藉由與前述開關元件串聯的前述電阻元件進行電流-電壓轉換而得的電壓及與藉由前述分壓單元進行分壓而得的電壓成正比的電壓，輸出表示使前述開關元件斷開的時序的信號。
  9. 如請求項5所記載之絕緣型直流電源裝置，其中前述電流檢測電路係電壓比較電路，該電壓比較電路係比較藉由與前述開關元件串聯的前述電阻元件進行電流-電壓轉換而得的電壓及與藉由前述分壓單元進行分壓而得的電壓成正比的電壓，輸出表示使前述開關元件斷開的時序的信號。
  10. 一種絕緣型直流電源裝置的控制方法，係具備有：電壓轉換用的變壓器，係具有一次線圈、二次線圈以及輔助線圈；開關元件，係用於使電流間歇性地流過該變壓器的一次線圈；以及一次側控制電路，係藉由輸入與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓及與被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓成正比的電壓，藉此產生並輸出對前述開關元件進行接通、斷開控制的驅動脈波；在該絕緣型直流電源裝置的控制方法中：監視被前述變壓器的輔助線圈感應的電壓或與該電壓成正比的電壓以及與流過前述變壓器的一次線圈的電流成正比的電壓；在每次接通前述開關元件時，藉由該接通時序而開始第1計 時動作，在計時預先設定的一次側最大接通時間之前藉由前述電流檢測電路檢測出流過前述變壓器的一次線圈的電流成為預定電流值的情況下，使前述開關元件的下個接通動作開始；在藉由前述電流檢測電路檢測出流過前述變壓器的一次線圈的電流成為預定電流值之前計時了前述一次側最大接通時間的情況下，在完成前述一次側最大接通時間的計時的時間點使前述開關元件斷開，而在開始第2計時動作並計時了預先設定的容許消磁時間的情況下，之後不產生前述開關元件的接通信號。
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