DC/DC轉換器、電源裝置、電源適配器及電子設備的製作方法
2023-06-01 09:46:11 4
本發明涉及絕緣同步整流型DC/DC轉換器。
背景技術：
以電視機、電冰箱為代表的各種各樣的家電產品接受來自外部的商用交流電進行工作。以膝上型計算機、可攜式電話終端、平板終端為代表的電子設備也能夠基於商用交流電進行工作，或者能利用商用交流電為設備內置的電池充電。這樣的家電產品或電子設備(以下總稱為電子設備)中內置有對商用交流電壓進行AC/DC(交流/直流)轉換的電源裝置(AC/DC轉換器)。或者，也有AC/DC轉換器被內置於電子設備外部的電源適配器(AC適配器)中的情況。
圖1是表示本發明人研究的AC/DC轉換器100r的基本構成的功能框圖。AC/DC轉換器100r主要具有濾波器102、整流電路104、平滑電容器106及DC/DC轉換器200r。
商用交流電壓VAC被介由保險絲及輸入電容器(未圖示)輸入到濾波器102。濾波器102除去商用交流電壓VAC的噪聲。整流電路104是對商用交流電壓VAC進行全波整流的二極體橋電路。整流電路104的輸出電壓被平滑電容器106平滑化、轉換成直流電壓VIN。
絕緣型的DC/DC轉換器200r在輸入端子P1接受直流電壓VIN，將其降壓後，生成被穩定為目標值的輸出電壓VOUT，提供給被連接在輸出端子P2與接地端子P3之間的負載(未圖示)。
DC/DC轉換器200r具有初級側控制器202、光電耦合器204、分路調節器206、輸出電路210、次級側控制器300r、以及其它電路部件。輸出電路210包括變壓器T1、二極體D1、輸出電容器C2、開關電晶體M1、同步整流電晶體M2。輸出電路210的拓撲結構採用一般的同步整流型的返馳式轉換器，故省略說明。
通過與變壓器T1的初級繞組W1連接的開關電晶體M1開關，輸入電壓VIN被降壓，生成輸出電壓VOUT。並且，初級側控制器202調節開關電晶體M1的開關的佔空比。
DC/DC轉換器200r的輸出電壓VOUT被電阻R1、R2分壓。分路調節器206的陰極(K)端子與光電耦合器204的輸入側的發光元件(發光二極體)相連接，陽極(A)端子被接地。分路調節器206的基準(REF)端子被輸入分壓後的電壓(電壓檢測信號)VOUT_S。分路調節器206包含誤差放大器，將電壓檢測信號VOUT_S與預定的基準電壓VREF(未圖示)的誤差放大，生成與誤差相應的誤差電流IERR，從光電耦合器204的輸入側的發光元件(發光二極體)吸引(灌)該電流。
光電耦合器204的輸出側的受光元件(光電電晶體)流過與次級側的誤差電流IERR相應的反饋電流IFB。該反饋電流IFB被電阻及電容器平滑化，並被輸入到初級側控制器202的反饋(FB)端子。初級側控制器202基於FB端子的電壓(反饋電壓)VFB調節開關電晶體M1的佔空比。
次級側控制器300r與開關電晶體M1的開關同步地使同步整流電晶體M2開關。次級側控制器300r具有同步整流控制器、驅動器。同步整流控制器生成與開關電晶體M1的開關同步了的脈衝信號。例如同步整流控制器在開關電晶體M1變成截止時，使脈衝信號變成指示同步整流電晶體M2導通的第1狀態(例如高電平)。另外，在同步整流電晶體M2導通期間、流過次級繞組W2的次級電流IS實質上變為零時，同步整流控制器使脈衝信號成為指示同步整流電晶體M2截止的第2狀態(低電平)。驅動器根據脈衝信號使同步整流電晶體M2開關。
【在先技術文獻】
【專利文獻】
【專利文獻1】日本特開2010-074959號公報
技術實現要素：
〔發明所要解決的課題〕
為使同步整流電晶體M2變成導通，需要對同步整流電晶體M2的柵極施加比源極電位VS高一定電壓的柵極電壓。在圖1中，同步整流電晶體M2被設在次級繞組W2的高電位側、即輸出端子P2側，同步整流電晶體M2的源極電位VS根據開關電晶體M1的開關發生變動。在該拓撲結構中，為使同步整流電晶體M2開關，需要使次級側控制器300r的接地(GND)端子與同步整流電晶體M2的源極相連接，使次級側控制器300r以源極電位VS為基準進行工作。
並且，需要對次級側控制器300r的電源(VCC)端子提供以同步整流電晶體M2的源極電位VS為基準的電源電壓VCC1。為生成電源電壓VCC1，在變壓器T1的次級側設置輔助繞組W4。輔助繞組W4、二極體D4及電容器C4形成輔助轉換器，產生比輸出電壓VOUT高的直流電壓VCC1。在圖1的DC/DC轉換器200r中，需要有帶輔助繞組W4的變壓器T1，但這樣的變壓器T1價格昂貴。
本發明是鑑於相關課題而研發的，其一個方案的例示性目的之一在於，提供一種不使用變壓器的次級側的輔助繞組地為次級側控制器供給電源的DC/DC轉換器。
〔用於解決課題的手段〕
本發明的一個方案涉及絕緣同步整流型的DC/DC轉換器。DC/DC轉換器包括：具有初級繞組和次級繞組的變壓器；與負載相連接的輸出線；與初級繞組相連接的開關電晶體；被設置在次級繞組和輸出線之間的同步整流電晶體；驅動開關電晶體的初級側控制器；驅動同步整流電晶體的次級側控制器；具有與連接次級繞組和同步整流電晶體的第1節點相連接的第1電極的第1電容器；以及利用輸出線的電壓對第1電容器充電，並使第1電容器的兩端間的電壓穩定化的輔助電源。從第1節點供給次級側控制器的接地電壓，從第1電容器的第2電極供給次級側控制器的電源電壓。
根據該方案，不需要變壓器的次級側的輔助繞組，故能降低成本。
輔助電源可以包含被設置在輸出線與第1電容器的第2電極之間的第1電阻。由此，能介由第1電阻對第1電容器充電。
輔助電源可以還包括按陰極朝第1電容器側的朝向與第1電阻串聯設置在輸出線與第1電容器的第2電極之間的二極體。
基於開關電晶體M1的開關，第1節點的電壓上跳，有時第1電容器的第2電極的電壓會變得比輸出線的電壓高。通過在充電路徑中插入二極體，能防止第1電容器放電，並能維持第1電容器兩端間的電壓。
輔助電源可以在輸出線與第1電容器的第2電極之間包含按陰極朝第1電容器側的朝向設置的二極體。
輔助電源可以包含對第1電容器的兩端間電壓進行箝位，使其不超過預定的電壓的箝位電路。由此，能使第1電容器的兩端間電壓穩定化。
輔助電源可以包含被設置在輸出線與第1電容器的第2電極之間、其源極/射極與第1電容器的第2電極相連接、其柵極/基極被輸入恆電壓的電晶體。在此情況下，在將恆電壓記作VA、將電晶體的柵極源極電壓(基極射極間電壓)記作VB時，能使第1電容器的兩端間電壓穩定為VA-VB。
輔助電源可以還包括被設置在第1電容器的第1電極與電晶體的柵極/基極間的第1齊納二極體。
輔助電源可以包括與第1電容器並聯連接的第2齊納二極體。由此，能使第1電容器的兩端間電壓穩定為第2齊納二極體的齊納電壓。
輔助電源可以包括：被設在輸出線與第1電容器之間，從輸出線流過朝向第1電容器的電流，並阻止逆電流的充電電路；以及使第1電容器的兩端間電壓穩定化的箝位電路。
輔助電源的至少一部分和次級側控制器可以被封裝在同一模塊內。
本發明的另一方案也涉及絕緣同步整流型的DC/DC轉換器。DC/DC轉換器包括：具有初級繞組和次級繞組的變壓器；與負載相連接的輸出線；與初級繞組相連接的開關電晶體；被設置在次級繞組與輸出線之間的同步整流電晶體；驅動開關電晶體的初級側控制器；驅動同步整流電晶體的次級側控制器；具有與連接次級繞組和同步整流電晶體的第1節點相連接的第1電極的第1電容器；源極/射極與第1電容器的第2電極相連接的電晶體；被串聯設置在輸出線與電晶體的漏極/集電極之間的第1電阻及二極體；陰極與電晶體的柵極/基極相連接、陽極與第1電容器的第1電極相連接的第1齊納二極體；以及被設置在輸出線和電晶體的柵極/基極之間的第2電阻。從第1節點供給次級側控制器的接地電壓，從第1電容器的第2電極供給次級側控制器的電源電壓。
本發明的再一個方案也是DC/DC轉換器。該DC/DC轉換器包括：具有初級繞組和次級繞組的變壓器；與負載相連接的輸出線；與初級繞組相連接的開關電晶體；被設置在次級繞組和輸出線之間的同步整流電晶體；驅動開關電晶體的初級側控制器；驅動同步整流電晶體的次級側控制器；具有與連接次級繞組和同步整流電晶體的第1節點相連接的第1電極的第1電容器；源極/射極與第1電容器的第2電極相連接的電晶體；被串聯設置在輸出線和電晶體的漏極/集電極之間的第1電阻及二極體；以及陰極與第1電容器的第2電極相連接、陽極與第1電容器的第1電極相連接的第2齊納二極體。從第1節點供給次級側控制器的接地電壓，從第1電容器的第2電極供給次級側控制器的電源電壓。
一個方案的DC/DC轉換器可以還包括：反饋用光電耦合器；以及與反饋用光電耦合器的輸入側相連接、產生與DC/DC轉換器的輸出電壓相應的誤差電流的分路調節器。可以是初級側控制器與反饋用光電耦合器的輸出側相連接，根據來自反饋用光電耦合器的反饋信號驅動開關電晶體。
DC/DC轉換器可以還包括與輸出線相連接的第2電容器。
本發明的另一方案涉及電源裝置(AC/DC轉換器)。電源裝置包括：對商用交流電壓進行過濾的濾波器；對濾波器的輸出電壓進行全波整流的二極體整流電路；使二極體整流電路的輸出電壓平滑化，生成直流輸入電壓的平滑電容器；以及使直流輸入電壓降壓提供給負載的上述的DC/DC轉換器。
本發明的另一方案涉及電子設備。電子設備包括：負載；對商用交流電壓進行過濾的濾波器；對濾波器的輸出電壓進行全波整流的二極體整流電路；使二極體整流電路的輸出電壓平滑化，生成直流輸入電壓的平滑電容器；以及使直流輸入電壓降壓提供給負載的上述的DC/DC轉換器。
本發明的另一方案涉及AC適配器。AC適配器包括：對商用交流電壓進行過濾的濾波器；對濾波器的輸出電壓進行全波整流的二極體整流電路；使二極體整流電路的輸出電壓平滑化，生成直流輸入電壓的平滑電容器；以及使直流輸入電壓降壓，生成直流輸出電壓的上述的DC/DC轉換器。
另外，將以上構成要素的任意組合及本發明的構成要素或表現形式在方法、裝置、系統等之間相互置換後的方案，作為本發明的實施方式也是有效的。
〔發明效果〕
根據本發明的一個方案，在絕緣同步整流型的DC/DC轉換器中不需要變壓器的次級側的輔助繞組。
附圖說明
圖1是表示本發明人研究的AC/DC轉換器的基本構成的功能框圖。
圖2是具備實施方式的絕緣同步整流型DC/DC轉換器的AC/DC轉換器的電路圖。
圖3是表示輔助電源的構成例的電路圖。
圖4是輔助電源的另一電路圖。
圖5是輔助電源的另一電路圖。
圖6是表示具備AC/DC轉換器的AC適配器的圖。
圖7的(a)、(b)是表示具備AC/DC轉換器的電子設備的圖。
具體實施方式
以下基於優選實施方式，參照附圖說明本發明。對各附圖所示的相同或等同的構成要素、部件、處理標註相同的附圖標記，並適當省略重複的說明。另外，實施方式並非限定發明，僅是例示，並非實施方式所記述的所有特徵及其組合都是發明的本質內容。
在本說明書中，所謂「部件A與部件B相連接的狀態」，包括部件A與部件B物理地直接連接的情況，以及部件A與部件B介由不對電連接狀態產生影響的其它部件間接連接的情況。
同樣地，所謂「部件C被設置在部件A與部件B之間的狀態」，除部件A與部件C、或者部件B與部件C直接連接的情況外，還包括介由不對電連接狀態產生影響的其它部件間接連接的情況。
圖2是具備實施方式的絕緣同步整流型DC/DC轉換器200的AC/DC轉換器100的電路圖。AC/DC轉換器100的基本構成與圖1的是同樣的，並且DC/DC轉換器200的基本構成也與圖1的是同樣的。
次級側控制器300的構成、工作不被特別限定，只要採用公知的或者將來可利用的技術即可。例如次級側控制器300在檢測到DC/DC轉換器200的初級側的開關電晶體M1變成截止時使同步整流電晶體M2變成導通，在檢測到變壓器T1的次級繞組W2的電流IS實質上變成零時，使同步整流電晶體M2變成截止。
在開關電晶體M1導通期間，次級繞組W2的兩端間電壓是-VIN×NS/Np，故同步整流電晶體M2的漏極電壓VD_S(即漏極源極間電壓VDS)成為VD_S＝VOUT+VIN×NS/NP。NP、NS是初級繞組W1、次級繞組W2的匝數。
開關電晶體M1截止時，從同步整流電晶體M2的源極向漏極流過次級電流IS，故漏極源極間電壓成為負電壓。在連續模式下，隨著開關電晶體M1變成導通，次級電流IS變成零，漏極電壓再次上跳至VD＝VOUT+VIN×NS/NP。在不連續模式下，在同步整流電晶體M2的導通狀態時，隨著蓄積在變壓器T1中的能量的減少，次級電流IS也減少，此時漏極源極間電壓VDS的絕對值變小，最終次級電流IS實質上變成零時，漏極源極間電壓VDS也實質上變成零，漏極電壓VD_S振蕩(ringing)。
利用這些性質，次級側控制器300能基於同步整流電晶體M2的漏極電壓(漏極源極間電壓)使同步整流電晶體M2開關。
在本實施方式中，向次級側控制器300的供給電源與圖1不同，為向次級側控制器300供給電源電壓VCC1，設置第1電容器C1及輔助電源400。第1電容器C1的一端(第1電極)與連接次級繞組W2和同步整流電晶體M2的第1節點N1(即同步整流電晶體M2的源極)相連接。
輔助電源400與第1電容器C1及輸出線212相連接，利用輸出線212的電壓VOUT對第1電容器C1充電，並使第1電容器C1的兩端間的電壓穩定化。
次級側控制器300的GND端子與第1節點N1相連接，次級側控制器300的VCC端子與第1電容器C1的另一端(第2電極)相連接。由此，從第1節點N1供給次級側控制器300的接地電壓，並從第1電容器C1的第2電極供給次級側控制器300的電源電壓VCC1。
本發明以圖2的功能框圖或電路圖的方式來把握，或者涉及能從上述說明導出的各種各樣的裝置、電路，並不限定於特定的構成。以下不是為了限縮本發明的範圍，而是為了有助於發明本質及電路工作的理解，使它們明確化，來說明更具體的構成例。
圖3是表示輔助電源400的構成例的電路圖。輔助電源400具有充電電路402及箝位電路404。充電電路402被設置在輸出線212與第1電容器C1的第2電極之間，流過從輸出線212朝向第1電容器C1的電流，並阻止逆電流。箝位電路404使第1電容器C1的兩端間電壓穩定化。
圖4是輔助電源400a的另一電路圖。輔助電源400包含第1電阻R1、二極體D1、電晶體M11、第2電阻R2、第1齊納二極體ZD1。電晶體M11是N溝道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金屬氧化物半導體場效應電晶體)，其源極與第1電容器C1的第2電極相連接。第1電阻R1及二極體D1被串聯設置在輸出線212與電晶體M1的漏極之間。第1齊納二極體ZD1的陰極與電晶體M11的柵極相連接，其陽極與第1電容器C1的第1電極相連接。第2電阻R2被設置在輸出線212與電晶體M11的柵極之間。
第1電容器C1通過包含第1電阻R1、二極體D1、電晶體M11的路徑而被充電。並且，在將第1齊納二極體ZD1的齊納電壓記作VZ時，第1電容器C1的兩端間電壓被箝位使得不超過VZ-VGS。VGS是電晶體M11的柵極源極間電壓。二極體D1阻止介由電晶體M11的體二極體從第1電容器C1流向輸出線212的電流。
第1電阻R1、二極體D1、電晶體M11可以與圖3的充電電路402相對應。此外，第2電阻R2、第1齊納二極體ZD1、電晶體M11可以與圖3的箝位電路404相對應。
在圖4中也可以省略第1電阻R1。此外，也可以取代第1齊納二極體ZD1而設置另一恆電壓元件。作為恆電壓元件，例如可以採用將多個二極體以陽極朝向電晶體M11的柵極側的方式連接起來的構成。
電晶體M11也可以是NPN型雙極電晶體。此時，因為不存在MOSFET那樣的體二極體，故可以省略二極體D1。
圖5是輔助電源400b的另一電路圖。輔助電源400b具備第1電阻R1、二極體D1、第2齊納二極體ZD2。第1電阻R1及二極體D1被串聯設置在第1電容器C1的第2電極與輸出線212之間。第2齊納二極體ZD2與第1電容器C1並聯連接。
第1電容器C1通過包含第1電阻R1、二極體D1的路徑而被充電。並且，第1電容器C1的兩端間電壓被箝位使得不超過第2齊納二極體ZD2的齊納電壓VZ。第1電阻R1、二極體D1可以與圖3的充電電路402相對應。第2齊納二極體ZD2可以與圖3的箝位電路404相對應。
根據圖2～圖5的DC/DC轉換器200，不再需要變壓器T1的次級側的輔助繞組，故能降低成本。
通過採用高耐壓工藝，能將第1電阻R1、二極體D1、第2齊納二極體ZD2等電路元件集成在半導體基板上。因此，輔助電源400的至少一部分和次級側控制器300可以封裝於同一模塊。由此，與輔助電源400的所有電路元件都以分立部件的形式構成時相比，能減少部件個數，能進一步降低成本。
(用途)
接下來說明實施方式中所說明的DC/DC轉換器200的用途。
圖6是表示具備AC/DC轉換器100的AC適配器800的圖。AC適配器800具備插頭802、殼體804、連接器806。插頭802從未圖示的插座接受商用交流電壓VAC。AC/DC轉換器100被安裝在殼體804內。由AC/DC轉換器100生成的直流輸出電壓VOUT被從連接器806提供給電子設備810。電子設備810可以例示出筆記本型PC、數位照相機、數字攝像機、可攜式電話、可攜式音頻播放器等。
圖7的(a)、(b)是表示具備AC/DC轉換器100的電子設備900的圖。圖7的(a)、(b)的電子設備900是顯示器裝置，但電子設備900的種類不被特別限定，可以是音頻設備、冰箱、洗衣機、吸塵器等，只要是內置電源裝置的設備即可。
插頭902從未圖示的插座接受商用交流電壓VAC。AC/DC轉換器100被安裝在殼體804內。由AC/DC轉換器100生成的直流輸出電壓VOUT被提供給同一殼體904內所安裝的微計算機、DSP(Digital Signal Processor：數位訊號處理器)、電源電路、照明設備、模擬電路、數字電路等負載。
以上基於實施方式說明了本發明。該實施方式只是例示，本領域技術人員當理解其各構成要素和各處理過程的組合可以有各種各樣的變形例，並且這樣的變形例也包含在本發明的範圍內。以下說明這樣的變形例。
(第1變形例)
在實施方式中說明了返馳式轉換器，但本發明也可以適用於前向轉換器。此時將在變壓器T1的次級側配置多個同步整流用的電晶體。次級側控制器可以被構成為使多個同步整流電晶體開關。此外，轉換器也可以是準諧振型。
(第2變形例)
開關電晶體和同步整流電晶體的至少一者可以是雙極電晶體或IGBT。
基於實施方式用具體的語句說明了本發明，但實施方式僅是表示本發明的原理、應用，在不脫離權利要求書所規定的本發明思想的範圍內，實施方式可以有多種變形例或配置的變更。
〔標號說明〕
P1...輸入端子、P2...輸出端子、P3...接地端子、M1...開關電晶體、M2...同步整流電晶體、C2...輸出電容器、T1...變壓器、W1...初級繞組、W2...次級繞組、100...AC/DC轉換器、102...濾波器、104...整流電路、106...平滑電容器、200...DC/DC轉換器、202...初級側控制器、204...光電耦合器、206...分路調節器、210...輸出電路、212...輸出線、300...次級側控制器、C1...第1電容器、400...輔助電源、402...充電電路、404...箝位電路、R1...第1電阻、R2...第2電阻、D1...二極體、M11...電晶體、ZD1...第1齊納二極體、ZD2...第2齊納二極體、800...AC適配器、802...插頭、804...殼體、806...連接器、810，900...電子設備、902...插頭、904...殼體。