開關電源裝置的製作方法
2023-12-04 07:22:26
專利名稱：開關電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過開關動作來生成並輸出規定電壓的開關電源(switchingpower supply)裝置。
背景技術：
近年來，在信息設備、家電設備等各種設備中廣泛利用著開關電源裝置。尤其是在移動終端裝置等信息設備中，需要針對CPU (Central Processing Unit,中央處理 器)驅動用、顯示器驅動用、通信接口用等對應不同功能供給不同電壓的各種電源，且必須利用電池電源(也就是輸入電壓)生成這些電源(也就是輸出電壓)。由於開關電源可通過使要施加於線圈的電壓在接通/斷開之間切換而獲得所需的輸出電壓，因而得到廣泛應用。作為該開關電源的一例，例如在專利文獻I中公開有如下技術在臨界模式PFC(Power Factor Correction，功率因數修正)升壓型轉換器中，檢測輸入電壓及輸出電壓，並使用所檢測出的這些電壓進行規定的運算，由此決定開關元件的接通持續時間(duration)及斷開持續時間，並基於所決定的接通持續時間及斷開持續時間，使開關元件接通/斷開。在這種開關電源裝置中，為了有效率地進行穩定的電源供給，在適宜的時刻進行切換成為共通的課題。(現有技術文獻)專利文獻I :日本國專利申請公開公報「特開2010-104218號公報」 ；2010年5月
6日公開。
發明內容
然而，在以往的開關電源裝置中，因為是通過規定的運算來決定開關元件的接通時刻，所以如果該運算中產生誤差，那麼開關元件的接通時刻中也會產生偏差。另外，適宜的接通時刻會根據開關元件的端子間電容、線圈的電感值、輸入電壓等可變因素而變動，在以往的開關電源裝置中，因為通過規定的運算來決定開關元件的接通時刻，所以無法應對所述可變因素。因此，在以往的開關電源裝置中，無法在適宜的時刻使開關元件接通。因此，本發明是鑑於所述問題而完成，目的在於提供一種開關電源裝置，可以使用於切換對線圈是否施加電壓的開關元件的接通時刻進一步優化。為了解決所述課題，本發明的開關電源裝置是通過與線圈的一端相連接的開關元件來在是否對所述線圈施加直流電壓間進行切換，且使在開關元件接通期間蓄積在所述線圈中的磁能作為由開關元件斷開期間在所述線圈中流通的電流傳輸的電能而提取到輸出偵牝從而獲得輸出電壓；該開關電源裝置的特徵在於所述開關元件包含互相共源共柵連接(cascode connection)的常導通型的第I開關元件及常斷開型的第2開關元件；且所述開關電源裝置包括電壓檢測單元，檢測所述開關元件的共源共柵連接點上的電壓；以及控制單元，根據由所述電壓檢測單元所檢測出的所述電壓，控制所述開關元件的接通。
根據該結構，因為是根據決定開關元件的適宜的接通時刻的開關元件的共源共柵連接點上的電壓來控制開關元件的接通，所以即便在如根據開關元件的端子間電容、電感值、或輸入電壓，而使線圈電流變為0後直至開關元件的汲極電壓降至規定電壓為止的時間差發生變動的情況下，也不會在汲極電壓降至規定電壓之前使開關元件接通。因此，可以使開關元件的接通時刻進一步最佳化。另外，通過檢測開關元件彼此的共源共柵連接點的電位，而可利用低於開關元件的端子間電壓的電壓來控制開關元件的接通時刻。通常，隨著檢測部中的耐壓變大，檢測部的成本會增加。另外，隨著檢測部中的耐壓範圍擴大，檢測部的檢測精度會降低。在此，本發明採用的技術方案是對共源共柵連接點的電壓進行檢測，由此根據該技術方案，而檢測更低的電壓。由此，可以抑制檢測部的成本，而且可以提高檢測部的檢測精度。於此，如果僅使檢測部中的電壓降低，那麼也可以考慮通過電阻來進行分壓的技術方案，但在此情況下，零件件數會增加，而且會產生電阻所致的導通損耗。本發明由於並 未採用這種技術方案，所以零件件數不會增加，也不會產生導通損耗。[發明效果]根據本發明的開關電源裝置，發揮能夠使用於在是否對線圈施加電壓間進行切換的開關元件的接通時刻進一步最佳化這樣的效果。
圖I表示本實施方式的開關電源裝置的結構。圖2表示本實施方式的開關電源裝置所包含的控制單元的詳細結構。圖3表示本實施方式的開關電源裝置執行動作時的各種參數的波形。[附圖標記說明]100 開關電源裝置200 控制電路(控制單元)210 底部電壓檢測電路220 驅動電路230 誤差放大電路240 接通時刻生成電路Cl 電容器C2 電容器C3 電容器Dl 二極體LI 線圈Ql 開關元件QlA 開關元件(第I開關元件)QlB 開關元件(第2開關元件)Rll 電阻Rl 2 電阻
具體實施例方式下面，參照
本發明的實施方式。圖I表示本實施方式的開關電源裝置100的結構。電源裝置100是所謂的升壓型開關電源裝置，即，通過與線圈LI的一端相連接的開關元件Q1，來在對線圈LI是否施加直流電壓之間切換，且使在開關接通期間蓄積在線圈LI中的磁能作為由開關斷開期間在線圈LI中流通的電流傳輸的電能而提取到輸出側，由此使輸入電壓Vi升壓而獲得輸出電壓Vo。〔開關電源裝置的結構〕開關電源裝置100包括電容器Cl、電容器C2、線圈LI、開關元件Q1、電阻RH、電阻R12、及控制電路200。 電容器Cl即所謂的平流電容器，使輸入電壓Vi平流化。線圈LI即所謂的電感器，如果施加輸入電壓Vi則會產生電感器電流。電容器C2即所謂的輸出電容器。電容器C2是通過線圈LI中所產生的電感器電流而充電。由此，可從電容器C2中獲得輸出電壓Vo。二極體Dl設置在線圈LI與電容器C2之間，以防止電感器電流的逆流。電阻Rll及R12用於使輸出電壓Vo分壓。(開關元件Ql)開關元件Ql在對線圈LI是否施加輸入電壓Vi之間切換。開關元件Ql包含開關元件QlA及Q1B。開關元件QlA (第I開關元件)是常導通型的場效應電晶體(耗盡型電晶體)。於此，使用耗盡型n信道型的接合型場效應電晶體作為常導通型的場效應電晶體，但也可以使用耗盡型n信道型的MOS (Metal Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體)型場效應電晶體作為常導通型的場效應電晶體。另外，開關元件QlB (第2開關元件)是常斷開型的場效應電晶體(增強型電晶體)。於此，使用增強型n信道型的MOS型場效應電晶體作為常斷開型的場效應電晶體。開關元件QlA及QlB互相共源共柵連接。具體來說，開關元件QlB的汲極與開關元件QlA的源極相連接。另外，開關元件QlB的源極與開關元件QlA的閘極相連接。也就是說構成如下在開關元件Ql中，開關元件QlB的汲極-源極間和開關元件QlA的源極-閘極間互相併列地連接。通過該技術結構，開關元件Ql發揮常斷開型的開關元件的功能。也就是說，如果對閘極施加控制電壓，那麼開關元件Ql成為接通狀態。由此，對線圈LI施加輸入電壓Vi。相反地，如果切斷對閘極施加的控制電壓，那麼開關元件Ql成為斷開狀態。由此，切斷對線圈LI施加的輸入電壓Vi。下面對開關元件Ql的斷開動作進行具體說明。首先，通過使開關元件QlB的閘極電壓降低，而使開關元件QlB斷開。由此，使開關元件QlB的源極-汲極間的電壓上升，隨之使開關元件QlA的源極-閘極間的反向電壓上升。接著，如果該反向電壓達到開關元件QlA的閘極閾值電壓，那麼開關元件QlA斷開，從而開關元件Ql整體上呈斷開狀態。此外，根據所述斷開動作也可判斷出，開關元件QlB所需之汲極-源極間電壓耐量為開關元件QlA的閾值電壓的絕對值。因此，可對開關元件QlB應用導通損耗較小的低耐壓的開關元件，最終可實現導通損耗較小的開關元件Q1。另外，在開關元件QlB的汲極和開關元件Q IA的源極的連接點(下面，簡稱「共源共柵連接點」)中連接著來自下述控制電路200的用於檢測電壓的配線。由此，可通過控制電路200來測量開關元件QlB的汲極和源極的端子間電壓Vq。
此外,在圖I中，Crss_QlA表示開關元件QlA的反饋電容。另外,Ciss_QlA表示開關兀件QlA的輸入電容。另外，Coss_QlA表不開關兀件QlA的輸出電容。另外，開關兀件QlA的源極-汲極間的二極體表示開關元件QlA的體二極體(寄生二極體)。同樣地，Crss_QlB表示開關元件QlB的反饋電容。另外，Ciss_QlB表示開關元件QlB的輸入電容。另外，Coss_QlB表示開關元件QlB的輸出電容。另外，設置在開關元件QlB的源極-汲極間的二極體表示開關元件QlB的體二極體(寄生二極體)。(控制電路200)控制電路200控制開關元件Ql的開關(也就是說，接通及斷開)。控制電路200包括底部電壓檢測電路210、驅動電路220、誤差放大電路230、及接通時間生成電路240。下面，說明控制電路200的詳細結構。圖2表示本實施方式的開關電源裝置100所包含的控制電路200的詳細結構。(底部電壓檢測電路210)底部電壓檢測電路210控制用於使開關元件Ql接通的控制信號(下面，簡稱「接通信號」)的輸出。底部電壓檢測電路210包括比較器212及單擊多諧振蕩器(one-shotmultivibrator)214。比較器212的正輸入端子與共源共柵連接點相連接。也就是說，對比較器212的正輸入端子輸入共源共柵連接點中所檢測出的開關元件QlB的端子間電壓Vq。因此，可以說該結構為「檢測開關元件的共源共柵連接點上的電壓的電壓檢測單元」。另一方面，對比較器212的負輸入端子輸入閾值電壓。在該閾值中預先設定開關元件QlB的端子間電壓的下限值。例如，當開關元件QlB的端子間電壓降至OV時，該閾值電壓大致為0V。通過該結構，比較器212的結構可表述為在所述端子間電壓Vq小於所述閾值電壓的時刻，將輸出的控制信號從Hi電平向Lo電平切換。當從比較器212輸入的控制信號切換為Lo電平，單擊多諧振蕩器214對驅動電路220輸出接通信號。也就是說，底部電壓檢測電路210是以如下方式構成在開關元件QlB的端子間電壓Vq的下限值低於閾值電壓的時刻，對驅動電路220輸出接通信號。(誤差放大電路230)誤差放大電路230包含運算放大器232。運算放大器232將輸出電壓Vo和基準電壓Vref的誤差放大而輸出。具體來說，運算放大器232的負輸入端子、與電阻Rll和電阻R12的連接點相連接，且對其輸入通過電阻RlI和電阻R12進行分壓所得的輸出電壓No。另一方面，對運算放大器232的正輸入端子輸入基準電壓Vref。運算放大器232求出所輸入的輸出電壓Vo和基準電壓Vref的誤差,且將該誤差放大而作為誤差信號Comp輸出。(接通時間生成電路240)接通時間生成電路240控制用於使開關元件Ql斷開的控制信號(下面，簡稱「斷開信號」)的輸出。接通時間生成電路240包括比較器242、電容器C3、及恆定電流電源246。對比較器242的負輸入端子輸入誤差放大電路230的輸出電壓Vcomp。對比較器242的正輸入端子輸入電容器C3的電壓VC3。比較器242對誤差放大電路230的輸出電壓和電容器C3的電壓VC3進行比較，如果電容器C3的電壓VC3達到誤差放大電路230的輸、出電壓的電壓，那麼輸出斷開信號。在開關元件Ql接通期間，因為電容器C3通過恆定電流電源246而進行恆定電流充電，所以其電壓持續上升。接著，如果電容器C3的電壓達到誤差放大電路230的輸出電壓Vcomp，那麼輸出斷開信號。如果將開關元件Ql斷開，則使電容器C3放電。所述內容中，因為誤差放大電路230的輸出電壓Vcomp固定，所以開關元件Ql的接通期間由電容器C3的充電時間來決定。因此，為了使開關元件Ql的接通期間與所需的輸出電壓相對應，而以如果使電容器C3以規定時間充電，則達到誤差放大電路230的輸出電壓Vcomp的方式,使電容器C3通過規定的恆定電流而進行恆定電流充電。(驅動電路220)驅動電路220控制開關元件Ql的開關。驅動電路220包括FF(觸發器(flip-flop)) 222 及放大器 224。FF222進行接通信號的輸出和斷開信號的輸出間的切換。具體來說，對FF222的S輸入端子輸入來自底部電壓檢測電路210的接通信號。如果對FF222輸入接通信號，那麼FF222將該接通信號從Q輸出端子輸出。另一方面，對FF222的R輸入端子輸入來自接通時間生成電路240的斷開信號。如果對FF222輸入斷開信號，那麼FF222將該斷開信號從Q輸出端子輸出。
從觸發器222輸出的接通信號或斷開信號是由放大器224放大，而供給至開關元件Ql的閘極。(開關電源裝置100的動作)接下來，對本實施方式的開關電源裝置100的動作進行說明。圖3表示本實施方式的開關電源裝置100執行動作時的各種參數的波形。首先，如果開關元件Ql成為斷開狀態(時刻t0)，那麼在線圈LI中流通的電感器電流開始以((輸出電壓Vo-輸入電壓Vi)/線圈LI的電感)的斜度降低。同時，使電容器C3放電。此時，開關元件QlB的端子間電壓Vq如已進行說明般，成為開關元件QlA的閾值電壓的絕對值。接著，如果在線圈LI中流通的電感器電流變為0(時刻tl)，那麼開始開關元件QlA的反饋電容Crss_QlA和線圈LI、輸入電壓Vi的串聯共振動作。此時，開關元件QlB的端子間電壓，也就是說，開關元件Ql的共源共柵連接點上的電壓Vq仍保持為開關元件QlA的閾值電壓的絕對值。因此，開關元件QlA的輸入電容Ciss_QlA不包含在所述串聯共振動作中。另外，因為通過所述串聯共振動作而使開關元件QlA的端子間電壓降低，所以輸出電容Coss_QlA的電荷的變動量的電流從開關元件QlA的汲極流向源極。因此，開關元件QlA的輸出電容Coss_QlA不包含在所述串聯共振動作中。此外，此時，開關元件QlB的寄生電容也不包含在所述串聯共振動作中。如果開關元件QlA的端子間電壓變為OV (時刻t2)，那麼開關元件QlA的體二極體導通，而開始開關元件QlA的反饋電容Crss_QlA、輸入電容Ciss_QlA、開關元件QlB的反饋電容Crss_QlB、輸出電容Coss_QlB和線圈LI、輸入電壓Vi的串聯共振動作。此時，開關元件QlB的端子間電壓，也就是說，開關元件Ql的共源共柵連接點上的電壓Vq和Vds相等。此外，此時，因為輸入電容Ciss_Q1B的端子間電壓為0V，所以開關元件QlB的輸入電容Ciss_QlB不包含在所述串聯共振動作中。控制電路200對在共源共柵連接點上所檢測出的開關元件QlB的端子間電壓Vq和閾值電壓進行比較，如果開關元件QlB的端子間電壓Vq低於閾值電壓(時刻t3)，那麼輸出接通信號。由此，使開關元件Ql接通。如果使開關元件Ql接通,那麼對線圈LI施加輸入電壓Vi，從而在線圈LI中流通的電感器電流上升。電感器電流通過二極體D1，而使輸出電容器C2充電。也就是 說，由此，可獲得輸出電壓Vo。 同時，通過恆定電流電源246使電容器C3開始進行恆定電流充電，而使電容器C3的電壓VC3上升。接著，如果電容器C3的電壓VC3達到從運算放大器232輸出的誤差信號Comp (時刻t4)，那麼接通時間生成電路240輸出斷開信號。由此，使開關元件Ql斷開。開關電源裝置100通過重複進行以上動作，而連續且穩定地輸出輸出電壓Vo。(開關電源裝置100的效果)如上所述，本實施方式的開關電源裝置100採用如下結構檢測開關元件Ql的共源共柵連接點上的電壓Vq，且根據所檢測出的電壓Vq，而使開關元件Ql接通。由此，即便在開關元件Ql的端子間電容、線圈LI的電感值、及輸入電壓Vi的任一者產生了變動的情況下，也不會受其影響，而可在與開關元件Ql的汲極電壓相對應的適宜的時刻，使開關元件Ql接通。另外，通過檢測開關元件Q1A、QlB彼此的共源共柵連接點的電壓Vq，而利用低於開關元件Ql的端子間電壓的低電壓來實現開關元件Ql的接通 時刻的控制。尤其，本實施方式的開關電源裝置100採用如下結構當所檢測出的電壓低於預先規定的閾值電壓時，使開關元件Ql接通。由此，以通過比較器212對所檢測出的電壓和閾值電壓進行比較，且根據該比較結果來控制開關元件Ql的接通等簡單且確實的結構，而實現在適宜時刻接通開關元件Q1。進而，本實施方式的開關電源裝置100中，使用常導通型的開關元件作為開關元件Q1A，使用常斷開型的開關元件作為開關元件Q1B。由此，將導通損耗較少的常導通型的開關元件作為開關元件QlA而加以利用，從而實現常斷開型的開關元件Ql。(補充說明)以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明並不限定於所述實施方式，可在權利要求所示的範圍內進行各種變更。也就是說，將在權利要求所示的範圍內進行適當變更後的技術方案加以組合而獲得的實施方式也包含在本發明的技術範圍內。例如，實施方式中所說明的開關電源裝置的電路結構只是一例，在開關電源裝置中採用與實施方式不同的電路結構來實施本發明的情況下，該開關電源裝置也包含在本發明的技術範圍內。另外，在實施方式中，設為控制單元在共源共柵連接點中所檢測出的電壓低於預先規定的閾值電壓時，使開關元件接通，但並不限定於此。也就是說，作為控制單元，只要基於至少在共源共柵連接點中所檢測出的電壓而使開關元件接通，則也可採用任何結構。(總結)如上所述，本發明的開關電源裝置是通過與線圈的一端相連接的開關元件來在對所述線圈是否施加直流電壓間進行切換，且使在開關元件接通期間蓄積在所述線圈中的磁能作為由開關元件斷開期間在所述線圈中流通的電流傳輸的電能而提取到輸出側，從而獲得輸出電壓；該開關電源裝置的特徵在於所述開關元件包含互相共源共柵連接的常導通型的第I開關元件及常斷開型的第2開關元件；且所述開關電源裝置包括電壓檢測單元，檢測所述開關元件的共源共柵連接點上的電壓；以及控制單元，根據由所述電壓檢測單元所檢測出的所述電壓，來控制所述開關元件的接通。
根據該結構，因為根據決定開關元件的適宜的接通 時刻的開關元件的共源共柵連接點上的電壓來控制開關元件的接通，所以即便在如根據開關元件的端子間電容、電感值、或輸入電壓，而使線圈電流變為0後，至開關元件的汲極電壓降至規定電壓為止的時間差發生變動的情況下，也不會在汲極電壓降至規定電壓之前使開關元件接通。因此，可以使開關元件的接通 時刻進一步最佳化。另外，通過檢測開關元件彼此的共源共柵連接點的電位，而可利用低於開關元件的端子間電壓的電壓來控制開關元件的接通時刻。通常，隨著檢測部中的耐壓變大，檢測部的成本會增加。另外，隨著檢測部中的耐壓範圍擴大，檢測部的檢測精度會降低。在此，本發明採用檢測共源共柵連接點的電壓的技術方案，由此通過該技術方案而檢測更低的電壓。由此，可以抑制檢測部的成本，而且可以提聞檢測部的檢測精度。於此，如果僅使檢測部中的電壓降低，那麼也可考慮通過電阻而使其分壓的技術方案，但在此情況下，零件件數會增加，且電阻會導致產生導通損耗。本發明未使用這種技術方案，所以零件件數不會增加，也不會產生導通損耗。另外，在所述開關電源裝置中，優選的是所述控制單元在所檢測出的所述電壓低於預先規定的閾值電壓時，使所述開關元件接通。根據該結構，通過採用對所檢測出的電壓和閾值進行比較，根據該比較結果來控制開關元件的接通這樣的簡單且確實的結束方案，可以實現在適宜時刻接通開關元件。[工業上的利用可能性]本發明的開關電源裝置可以應用於通過在對線圈施加的電壓的接通斷開之間切換而獲得所需的輸出電壓的各種開關電源裝置，尤其是可以應用於臨界模式PFC(PowerFactor Correction)升壓型轉換器。
權利要求
1.一種開關電源裝置，通過與線圈的一端相連接的開關元件來在是否對所述線圈施加直流電壓間進行切換，且使在開關接通期間蓄積在所述線圈中的磁能作為由開關斷開期間在所述線圈中流通的電流傳輸的電能而提取到輸出側，從而獲得輸出電壓；該開關電源裝置的特徵在於 所述開關元件包含互相共源共柵連接的常導通型的第I開關元件及常斷開型的第2開關元件； 且所述開關電源裝置包括 電壓檢測單元，檢測所述開關元件的共源共柵連接點上的電壓；以及 控制單元，根據由所述電壓檢測單元所檢測出的所述電壓，控制所述開關元件的接通。
2.根據權利要求I所述的開關電源裝置，其特徵在於 所述控制單元在由所述電壓檢測單元所檢測出的所述電壓低於預先規定的閾值電壓的情況下，使所述開關元件接通。
全文摘要
開關電源裝置是在是否對線圈施加電壓間進行切換的開關電源裝置。開關電源裝置包括開關元件，包含互相共源共柵連接的常導通型的第1開關元件及常斷開型的第2開關元件，所述開關元件在是否對線圈施加電壓間進行切換；以及控制電路，檢測開關元件的共源共柵連接點上的電壓，且根據所檢測出的電壓來控制開關元件的接通。
文檔編號H02M3/156GK102751871SQ20121013455
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月18日 優先權日2011年4月19日
發明者佐佐木正人 申請人:夏普株式會社