開關控制電路及開關電源裝置的製作方法
2023-12-10 22:08:57
專利名稱：開關控制電路及開關電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在開關電源裝置中使用的被IC化的開關控制電路及具備該開關控制電路的開關電源裝置。
背景技術：
在開關電源裝置中，開關控制用IC中具備用於實現輸出控制動作、啟動時控制動作、過電流保護動作、過電壓保護動作、待機時控制動作、功率因數改善動作等各種功能的電路。通過增加這些功能，能夠實現開關控制用IC的高功能化。
為了將開關控制用IC的各功能設定成對應於應用上的動作規格，需要按每個功能設置與外部電路的接口用的多個端子。因此，若所搭載的功能數增加，則端子數自然會增加。若端子數增加，則開關控制用IC的封裝體變大，會導致IC的成本單價的上升。
在限制開關控制用IC的端子數的情況下，由於可搭載的功能受到制約，需要根據各功能來配備IC的品種，並根據規格和用途分開使用它們。此時，IC的品種數會增加，除了製造工序複雜外IC的管理也變得複雜，其結果，存在IC的成本單價上升的問題。
一般，越要求多功能性則越變得大型化，近幾年，即使是小型的開關控制電路，其所需的功能也在增加。目前，為了降低IC等半導體的成本單價，大量生產較少的品種是比較有效的。並且，作為IC的封裝體，以少量的端子數構成為尺寸小的IC能夠降低IC的成本單價。
專利文獻I記載了關於以端子數的削減為目的的開關控制用IC的發明。
圖I是專利文獻I所公開的開關電源裝置的電路圖。在圖I中，開關電源裝置101 具備具有初級繞線127和次級繞線129的變壓器105、由二極體117和電容器119構成的整流平滑電路、齊納二極體121和光電耦合器113、及由電阻123構成的反饋電路、以及集成電路103。
集成電路103與初級繞線127連接。集成電路103是包括在該集成電路103的漏極D端子與源極S端子之間耦合的內部開關的開關調節器1C。
在動作過程中，集成電路103內的開關對經由變壓器105的從輸入107到輸出109 的能量傳遞進行調節。向集成電路103輸入來自所述反饋電路的反饋信號。
多功能電容器111與集成電路103的旁路BP端子連接。多功能電容器111是為了在通常動作中具備集成電路103的電源去耦功能而使用的。集成電路103內的內部電路從多功能電容器111接收電力或偏置電流，調節輸出109的同時在通常動作過程中使電路工作。
在集成電路103的初始化期間中，為了選擇集成電路103的參數/模式而使用多功能電容器111。在該初始化期間中選擇集成電路的參數/模式。
在先技術文獻
專利文獻
專利文獻I :日本特開2007-73954號公報發明內容
(發明所要解決的課題)
開關電源裝置所具備的功能中具有軟啟動功能。這是在電源啟動時，根據軟啟動控制端子(SS端子)的電壓，慢慢擴大用於驅動FET的輸出脈衝的接通時間的功能。SS端子的電壓變化是根據附加到SS端子的電容器的電容而設定的。即，以啟動時電容器電壓上升的速度決定擴大接通時間的變化的速度，從而決定軟啟動的期間。因此，若電容大，則電壓上升變慢，軟啟動期間變長(擴大接通時間的時間變慢)，若電容小，則電壓上升變快，軟啟動期間變短(擴大接通時間的時間變快)。
但是，在這種軟啟動控制端子(SS端子)中，僅僅是通過調節軟啟動端子的電壓的上升速度來調節軟啟動的期間，並不能確定接通脈衝時間的最大值。因此，若為了限制電力而想要調節最大接通脈衝時間，則需要獨立於SS端子的其他端子。因此，IC的端子數增加， 會成為阻礙IC小型化或導致成本上升的要因。即，存在開關控制用IC的封裝體變大、IC的成本單價上升的問題。
本發明的目的在於抑制端子數的增加來提供小型/低成本化的具有軟啟動功能和電力限制功能和開關控制電路及開關電源裝置。
(用於解決課題的手段)
(I)本發明的開關控制電路具有多個外部端子和對開關元件的接通、關斷動作進行控制的半導體集成電路，並且被設置在開關電源裝置的電力變換電路中，該開關控制電路具備軟啟動端子，其被施加控制電壓，該控制電壓對在軟啟動期間內使所述開關元件接通、關斷的動作的控制進行設定，所述軟啟動期間是從所述電力變換電路的動作開始到穩定動作為止的啟動期間；軟啟動控制單元，其基於所述軟啟動端子的信號，控制所述啟動期間內的開關元件的接通時間；和最大接通脈衝時間限制單元，其將與所述軟啟動端子連接且至少包括電阻元件或半導體元件的外部電路中感應的電壓作為判定對象信號來檢測，並根據所述判定對象信號，設定穩定動作下的開關元件的接通時間的限制值。
(2)例如，所述軟啟動期間是由與所述軟啟動端子連接的外部電路的電容值設定的。
(3)例如，所述軟啟動控制單元具備電壓_時間變換電路，該電壓_時間變換電路將所述軟啟動端子的電壓變換為針對所述開關元件的控制信號的接通脈衝時間。
(4)在所述電壓-時間變換電路中，例如電壓與時間具有線性關係。
(5)例如，所述電壓_時間變換電路設定所述接通脈衝時間的限制值，在所述軟啟動端子的電壓為規定電壓值以上時設定所述接通脈衝時間的限制值的上限值。
(6)例如，所述最大接通脈衝時間限制單元由與所述軟啟動端子連接的齊納二極體中感應的齊納電壓來設定開關元件的最大接通脈衝時間的限制值。
(7)例如，所述開關控制電路具備向所述軟啟動端子提供恆定電流的恆定電流電路。
(8)本發明的開關電源裝置將以上所述的任一個開關控制電路設置在所述電力變換電路中。
(發明效果)
根據本發明，無需設置專用端子，能夠利用一個端子來設定軟啟動功能和電力限制功能，因此不會使開關控制用IC的端子數增加，能夠構成具備過電流保護功能的開關控制電路。
圖I是專利文獻I所示的開關電源裝置的電路圖。
圖2是第I實施方式所涉及的開關電源裝置304的電路圖。
圖3是表示軟啟動端子SS的電壓與最大接通脈衝時間的關係的圖。
圖4是將開關控制用IC200的內部構成模塊化來表示的圖。
圖5是第2實施方式所涉及的開關電源裝置305的電路圖。
圖6是第3實施方式所涉及的開關電源裝置306的電路圖。
圖7是第3實施方式所涉及的開關電源裝置306啟動時的軟啟動端子SS的電壓的時間變化波形。
圖8是第4實施方式所涉及的開關電源裝置312A的電路圖。
圖9是第4實施方式所涉及的開關電源裝置312B的電路圖。
圖10是第5實施方式所涉及的開關電源裝置313的電路圖。
圖11是第6實施方式所涉及的開關電源裝置314A的電路圖。
圖12是第6實施方式所涉及的開關電源裝置314B的電路圖。
圖13是第7實施方式所涉及的開關電源裝置315的電路圖。
具體實施方式
《第I實施方式》
圖2是本發明的第I實施方式所涉及的開關電源裝置304的電路圖。開關電源裝置304具備相當於本發明的開關控制電路的開關控制用IC200。
向該開關電源裝置304的輸入端子PI (+)-PI (G)之間輸入直流輸入電源Vi的電壓。並且，向連接在開關電源裝置304的輸出端子P0(+)-P0(G)之間的負載輸出規定的直流電壓。
在輸入端子PI (+)-PI (G)之間構成串聯連接了電容器Cr、電感器Lr、變壓器T的初級繞線np、第I開關元件Ql及電流檢測用電阻R7的第I串聯電路。在電容器Cr、電感器Lr、變壓器T的初級繞線np的串聯電路上並聯連接了第2開關元件。
第I開關元件Ql由FET構成，漏極端子與變壓器T的初級繞線np的一端連接，源極端子與電流檢測用電阻R7的一端連接。第2開關元件Q2由FET構成，漏極端子與輸入端子Vin(+)連接，源極端子與第I開關元件Ql的漏極端子連接。
在變壓器T的次級繞線nsl、ns2上，構成由二極體Ds、Df及電容器Co組成的第I 整流平滑電路。該第I整流平滑電路對從次級繞線nsl、ns2輸出的交流電壓進行全波整流並使其平滑化，之後輸出到輸出端子P0(+)-P0(G)。
變壓器T的驅動繞線nb與由二極體D3及電容器C3構成的整流平滑電路連接。 通過該整流平滑電路得到的直流電壓被提供到開關控制用IC200的GND端子及VCC端子之間，來作為電源電壓。
如上所述，由第I、第2開關元件Q1、Q2、電容器Cr、電感器Lr、變壓器T、二極體Ds、 Df及電容器Co等構成電力變換電路。
開關控制用IC200從其OUT端子向驅動電路11輸出方波信號。驅動電路11交替地對第I開關元件Ql及第2開關元件Q2進行接通/關斷控制。其中，為了使Ql、Q2不會同時接通而設置空載時間。
開關控制用IC200的電流檢測端子IS上連接有電阻R8，以便輸入電流檢測用電阻 R7的下降電壓。
在輸出端子PO⑴、PO(G)及開關控制用IC200之間設有反饋電路12。該反饋電路12是通過輸出端子P0(+)-P0(G)之間的電壓的分壓值和基準電壓的比較來產生反饋信號，並在絕緣狀態下向開關控制用IC200的反饋端子FB輸入反饋電壓的電路。
在軟啟動端子SS與接地端GND之間連接有由電阻Rss及電容器Css構成的外部電路。
在反饋端子FB與接地端端子之間連接有電容器C4。
反饋電路12是按照輸出到輸出端子PO⑴、PO(G)的輸出電壓越比設定電壓高則反饋端子FB的電壓越低的關係進行作用的。
開關控制用IC200從輸出端子OUT輸出方波信號，經由驅動電路11，以規定的開關頻率接通/關斷第I開關元件Ql及第2開關元件Q2。由此，開關電源裝置304作為電流諧振變換器進行動作。
在過電流保護電路不工作的通常動作時，開關控制用IC200根據反饋端子FB的輸入信號來檢測輸出電壓，按照使該電壓一定的方式控制輸出到輸出端子OUT的方波信號的頻率、脈衝寬度。由此，使開關電源裝置304的輸出電壓穩定化。
開關控制用IC200的軟啟動端子SS的主要功能是進行軟啟動動作的端子。軟啟動是指，在例如變換器啟動時慢慢擴大用於驅動開關元件Ql、Q2的輸出脈衝的接通時間的控制。根據與軟啟動端子SS連接的外設電路的時間常數來設定軟啟動期間的長度。具體而言，在軟啟動端子SS的內部連接恆定電流電路，根據該恆定電流的值和外設電容器Css 的電容，確定針對電容器Css的充電時間常數。
圖3是表示軟啟動端子SS的電壓與最大接通脈衝時間之間的關係的具體的圖。軟啟動端子SS的電壓例如在OV 3. 3V的範圍內，最大接通脈衝時間與軟啟動端子SS的電壓成比例，在O 16. 5μ s的範圍內確定。若軟啟動端子SS的電壓在3. 3V以上，則最大接通脈衝時間維持16. 5 μ S。
圖4是將開關控制用IC200的內部結構模塊化來表示的圖。在圖4中，若單觸發電路240將觸發器213置位，則觸發器213的Q輸出信號經由與門電路214，並經由驅動器 215而作為高電平的門電路控制電壓被輸出到OUT端子。
CT產生電路241在與門電路214的輸出成為高電平之後輸出傾斜波形電壓。比較器212在CT產生電路241的輸出電壓超過了輸入到3個㈠端子的電壓中的最低電壓的時刻，將觸發器213復位。由此，使OUT端子的電壓回到低電平。
通過反覆進行以上動作，使OUT端子的輸出電壓變化為方波狀。
軟啟動端子SS上連接有恆定電流電路CCCl。如圖2所示，通過在軟啟動端子SS 上連接電容器Css，從而軟啟動端子SS的電壓等於電容器Css的充電電壓。伴隨著軟啟動端子SS的電壓上升，比較器212的輸出反轉的時刻延遲，開關元件的接通時間慢慢變長。由此進行軟啟動動作。另外，通過這樣在開關控制用IC內部具備恆定電流電路CCC1，從而不需要在外部連接恆定電流電路，能夠實現部件數量的削減和小型化。如圖2所示，通過在軟啟動端子SS上外設電阻Rss，從而在電容器Css被滿充電的狀態下，軟啟動端子SS的電壓由恆定電流電路CCCl的電流值及電阻Rss的電阻值來確定。在軟啟動期間中，通過設定成輸入到比較器212的3個(_)端子的電壓中電阻分壓電路216的輸出電壓最低，從而隨著軟啟動端子SS的電壓上升，開關元件的接通時間寬度逐漸變寬，由此完成軟啟動動作。若軟啟動動作結束，則設定成輸入到比較器212的3個㈠端子的電壓中電阻分壓電路224的輸出電壓處於最低的狀態，由此，根據施加到反饋端子FB的電壓來確定開關元件的接通時間。軟啟動端子SS的電壓是根據恆定電流電路CCCl的電流值及電阻Rss的電阻值來確定的。因此，若反饋端子FB的電壓成為該軟啟動端子SS的確定的電壓以上，則變為輸入到比較器212的3個(-)端子的電壓中與軟啟動端子SS相連的電阻分壓電路216的輸出電壓最低的狀態，因此接通時間不會進一步變長。即最大接通脈衝時間被限制。通過設定成當軟啟動動作結束時軟啟動端子SS的確定的電壓在3. 3V以上時，若反饋端子FB的電壓在3. 3V以上，則變為輸入到比較器212的3個㈠端子的電壓中電阻分壓電路225的輸出電壓最低的狀態，由此，接通時間不會進一步變長。即，最大接通脈衝時間的上限值被設定。由此，無須設置用於設定最大接通脈衝時間的專用的IC端子，能夠實現IC的小型化。此外，通過有效利用IC端子，從而能夠實現IC的高功能化。此外，通過在開關控制用IC內部設置恆定電流電路CCC1，從而無須在外部設置恆定電流電路，電路構成變得簡單。《第2實施方式》圖5是本發明的第2實施方式所涉及的開關電源裝置305的電路圖。開關電源裝置305具備相當於本發明的開關控制電路的開關控制用IC200。不同於圖2所示的開關電源裝置，在軟啟動端子SS與接地端之間連接了由齊納二極體D4和電容器Css構成的外部電路。若該齊納二極體D4的齊納電壓小於3. 3V，則軟啟動端子SS的上限電壓被限制為齊納二極體D4的齊納電壓。因此，變為輸入到圖4所示的比較器212的3個㈠端子的電壓中連接了 SS端子的電阻分壓電路216的輸出電壓最低的狀態，因此接通時間不會進一步變長。即，通過齊納二極體D4限制了最大接通脈衝時間。在以上所示的例子中，作為與軟啟動端子SS連接的外部電路，構成了基於齊納二極體的電壓箝位電路，作為該外部電路，除了齊納二極體以外，也可以使用電晶體或運算放大器。《第3實施方式》圖6是本發明的第3實施方式所涉及的開關電源裝置306的電路圖。開關電源裝置306具備相當於本發明的開關控制電路的開關控制用IC201。不同於圖4所示的開關控制用IC200，在恆定電流電路CCCl與SS端子之間連接了電阻Rs。其他構成與圖4所示的構成相同。圖7是啟動時的軟啟動端子SS的電壓的時間變化波形。軟啟動端子SS的電壓根據電阻Rs與電容器Css的時間常數而過渡性地變化。因此，隨著啟動時的時間經過，能夠降低接通脈衝時間的擴大率。《第4實施方式》圖8和圖9是本發明的第4實施方式所涉及的開關電源裝置312A、312B的電路圖。開關電源裝置312A、312B具備相當於本發明的開關控制電路的開關控制用IC200。開關電源裝置312A、312B中，變壓器T的次級側都是正激(forward)形。在圖8和圖9中，初級側的諧振電容器Cr的連接位置不同。可以這樣在變壓器T的次級側設置由二極體Ds、Df、電感器Lro、電容器Co構成的整流平滑電路來設為正激方式。此外，初級側的諧振電容器Cr只要串聯插入到高電平側的開關元件Q2接通時所形成的閉環中即可，因此如圖9所示，也可以在開關元件Q2的漏極上串聯連接電容器Cr。其他構成與第I實施方式所示的構成相同，並且起到相同的作用效果。《第5實施方式》圖10是本發明的第5實施方式所涉及的開關電源裝置313的電路圖。開關電源裝置313具備相當於本發明的開關控制電路的開關控制用IC200。開關電源裝置313中，變壓器T的次級側是正激形。與圖2所示的開關電源裝置304所不同的是未設置電感器Lr、電容器Cr及第2開關元件Q2，而是構成了單純的正激變換器。由此，在單純的正激變換器中同樣也能應用，並起到同樣的作用效果。《第6實施方式》圖11和圖12是本發明的第6實施方式所涉及的開關電源裝置314A、314B的電路圖。開關電源裝置314A、314B具備相當於本發明的開關控制電路的開關控制用IC200。開關電源裝置314A、314B中，變壓器T的次級側都是反激形。在圖11和圖12中，初級側的諧振電容器Cr的連接位置不同。可以這樣在變壓器T的次級側設置由二極體Ds及電容器Co構成的整流平滑電路來設為反激方式。此外，初級側的諧振電容器Cr只要串聯地插入到高電平側的開關元件Q2接通時所形成的閉環中即可，因此如圖12所示，可以在開關元件Q2的漏極上串聯連接電容器Cr。其他構成與第I實施方式所示的構成相同，並起到相同的作用效果。《第7實施方式》圖13是本發明的第7實施方式所涉及的開關電源裝置315的電路圖。開關電源裝置315具備相當於本發明的開關控制電路的開關控制用IC200。開關電源裝置315中，變壓器T的次級側是反激形。與圖11所示的開關電源裝置314A所不同的是未設置電感器Lr、電容器Cr及第2開關元件Q2，而是構成了單純的反激變換器。由此，在單純的反激變換器中同樣也能應用，並起到同樣的作用效果。《其他實施方式》本發明的開關電源裝置的變換器方式並不限於絕緣型變換器，也可以是非絕緣型變換器。此外，並不限於半橋型，也可以應用於全橋型等。0098]符號說明0099]CCCl恆定電流電路0100]Css電容器0101]D4齊納二極體0102]Ql第I開關元件0103]Q2第2開關元件0104]Rs電阻0105]Rss電阻0106]SS軟啟動端子0107]212比較器0108]216電阻分壓電路0109]224電阻分壓電路0110]225電阻分壓電路0111]304開關電源裝置0112]305開關電源裝置0113]306開關電源裝置0114]312A、312B開關電源0115]313開關電源裝置0116]314A、314B開關電源0117]315開關電源裝置
權利要求
1.一種開關控制電路，其具有多個外部端子和對開關元件的接通、關斷動作進行控制的半導體集成電路，並且被設置在開關電源裝置的電力變換電路中，該開關控制電路具備軟啟動端子，其被施加控制電壓，該控制電壓對在軟啟動期間內使所述開關元件接通、 關斷的動作的控制進行設定，所述軟啟動期間是從所述電力變換電路的動作開始到穩定動作為止的啟動期間；軟啟動控制單元，其基於所述軟啟動端子的信號，控制所述啟動期間內的開關元件的接通時間；和最大接通脈衝時間限制單元，其將與所述軟啟動端子連接且至少包括電阻元件或半導體元件的外部電路中感應的電壓作為判定對象信號來檢測，並根據所述判定對象信號，設定穩定動作下的開關元件的接通時間的限制值。
2.根據權利要求I所述的開關控制電路，其中，所述軟啟動期間是由與所述軟啟動端子連接的外部電路的電容值設定的。
3.根據權利要求I或2所述的開關控制電路，其中，所述軟啟動控制單元具備電壓-時間變換電路，該電壓_時間變換電路將所述軟啟動端子的電壓變換為針對所述開關元件的控制信號的接通脈衝時間。
4.根據權利要求3所述的開關控制電路，其中，在所述電壓_時間變換電路中，電壓與時間具有線性關係。
5.根據權利要求I至4的任一項所述的開關控制電路，其中，所述電壓_時間變換電路設定所述接通脈衝時間的限制值，在所述軟啟動端子的電壓為規定電壓值以上時設定所述接通脈衝時間的限制值的上限值。
6.根據權利要求I至5的任一項所述的開關控制電路，其中，所述最大接通脈衝時間限制單元由與所述軟啟動端子連接的齊納二極體中感應的齊納電壓來設定開關元件的最大接通脈衝時間的限制值。
7.根據權利要求I至6的任一項所述的開關控制電路，其中，所述開關控制電路具備向所述軟啟動端子提供恆定電流的恆定電流電路。
8.一種開關電源裝置，其中，權利要求I至7的任一項所述的開關控制電路設置在所述電力變換電路中。
全文摘要
本發明提供一種開關控制電路及開關電源裝置，根據與開關控制用IC(200)的軟啟動端子(SS)連接的外設電路的時間常數來設定軟啟動期間的長度。在軟啟動期間結束的時刻，軟啟動端子(SS)的電壓達到規定電壓以後，以最大值限制開關元件(Q1)的接通脈衝時間。此外，若在軟啟動端子(SS)與接地端之間連接齊納二極體，則軟啟動端子(SS)的上限電壓成為齊納電壓，因此能夠利用該電壓限制最大接通脈衝時間。由此，構成抑制端子數的增加來實現小型和低成本化的具有軟啟動功能和電力限制功能的開關控制電路及開關電源裝置。
文檔編號H02M3/28GK102939704SQ20118002794
公開日2013年2月20日 申請日期2011年3月24日 優先權日2010年6月10日
發明者細谷達也 申請人:株式會社村田製作所