專利名稱：開關(guān)電源裝置和用于該開關(guān)電源裝置的半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電源裝置和在該開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置，特別涉及一種同時實現(xiàn)開關(guān)電源裝置的小型化和低噪聲化的新型控制方式。
背景技術(shù)：
通常，開關(guān)電源裝置包括開關(guān)變壓器；與開關(guān)變壓器的初級線圈串聯(lián)連接的開關(guān)元件；執(zhí)行該開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制的控制電路；與開關(guān)變壓器的次級線圈連接的整流/濾波電路；以及將根據(jù)整流/濾波電路的輸出電壓而變化的檢測電壓反饋到控制電路的輸出電壓檢測電路(例如，參照日本專利第3480462號公報)。
圖1是表示現(xiàn)有的開關(guān)電源裝置的結(jié)構(gòu)例的電路圖。此開關(guān)電源裝置包括開關(guān)變壓器101，該開關(guān)變壓器101具有初級線圈101a、次級線圈101b及輔助線圈101c。在初級線圈101a上串聯(lián)連接開關(guān)元件102，對初級線圈101a及開關(guān)元件102施加直流電壓Vin。通過利用控制電路103對開關(guān)元件102進(jìn)行導(dǎo)通/截止控制(PWM控制)，從開關(guān)變壓器101的初級線圈101a向次級線圈101b傳輸電能。
利用由二極管104a及電容器104b構(gòu)成的整流濾波電路104對在開關(guān)變壓器101的次級線圈101b產(chǎn)生的電壓進(jìn)行整流/濾波，使其成為輸出直流電壓，并提供給負(fù)載105。利用輸出直流電壓檢測電路106檢測此輸出直流電壓，將檢測電壓反饋給控制電路103。將反饋的檢測電壓施加到控制電路103的ON期間控制電路103a，將其輸出施加給脈沖控制電路103b。將脈沖控制電路103b的輸出施加到驅(qū)動電路103c，其輸出變成開關(guān)元件102的控制信號(柵信號)。
此外，在開關(guān)變壓器101的輔助線圈101c產(chǎn)生的電壓通過由二極管107a及電容器107b構(gòu)成的輸出濾波電路107而被整流/濾波，作為工作電壓Vcc被提供給控制電路103。再有，開始開關(guān)變壓器101的導(dǎo)通/截止控制前的啟動時，通過電阻108從直流電壓Vin供給工作電壓Vcc。
在輔助線圈101c產(chǎn)生的電壓進(jìn)一步被輸入到鈴流發(fā)生電路109中，其輸出被輸入到控制電路103的比較電路103d中，所述的鈴流發(fā)生電路109包含二極管109a、電阻109b、電容器109c及電阻109d。比較電路103d的比較器CMP將輸入的電壓與基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，其輸出經(jīng)過谷底(bottom)計數(shù)器電路103e及延遲電路103f被施加到驅(qū)動電路103c。鈴流發(fā)生電路109、比較電路103d、谷底計數(shù)器電路103e及延遲電路103f在開關(guān)元件截止期間，根據(jù)變壓器中產(chǎn)生的鈴流的次數(shù)生成延遲信號，利用驅(qū)動電路103c根據(jù)此延遲信號使開關(guān)元件的導(dǎo)通時期延遲。因此，按照隨著負(fù)載從重負(fù)載變成輕負(fù)載而變多的鈴流的產(chǎn)生次數(shù)，使開關(guān)元件導(dǎo)通的定時延遲更長期間，通過延長開關(guān)元件的振蕩周期，由此負(fù)載變得越輕時開關(guān)頻率越少，得到降低開關(guān)損失的效果。
再有，在需要電隔離開關(guān)變壓器的初級側(cè)和次級側(cè)的情況下，在輸出直流電壓檢測電路106中使用光電耦合器，執(zhí)行向控制電路103傳送反饋信號。
在上述這種現(xiàn)有的開關(guān)電源裝置中，為了檢測輸出電壓并向控制電路反饋，需要與次級側(cè)連接的輸出電壓檢測電路，這就成為了阻礙開關(guān)電源裝置的小型化主要原因。特別地，在使用光電耦合器電隔離初級側(cè)和次級側(cè)時，就難于小型化。
此外，雖然通過鈴流發(fā)生電路109、比較電路103d、谷底計數(shù)器電路103e及延遲電路103f的工作，獲得了如上所述的輕負(fù)載時抑制開關(guān)損失的效果，但卻沒有采用降低開關(guān)噪聲方面的對策。
此外，在現(xiàn)有的開關(guān)電源裝置中，當(dāng)輸出的負(fù)載狀態(tài)變化時，開關(guān)元件的工作頻率就會大大地變化，為了與此對應(yīng)，開關(guān)變壓器101的尺寸變大，而這成了阻礙開關(guān)電源裝置小型化的主要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種解決上述這些現(xiàn)有的課題并能夠同時實現(xiàn)小型化和降低噪聲的開關(guān)電源裝置。
為了解決上述課題，本發(fā)明的開關(guān)電源裝置，其特征在于，包括開關(guān)變壓器，具有初級線圈、次級線圈和輔助線圈；開關(guān)元件，與上述開關(guān)變壓器的初級線圈串聯(lián)連接；整流/濾波電路，與上述開關(guān)變壓器的次級線圈連接；波形整形電路，與上述開關(guān)變壓器的輔助線圈連接；以及控制電路，執(zhí)行上述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制，上述控制電路包含輸出電壓檢測電路，根據(jù)上述波形整形電路輸出的反饋電壓，生成用于上述開關(guān)元件的PWM控制的信號；和谷底檢測電路，從上述反饋電壓中檢測出在上述開關(guān)變壓器的次級線圈中沒有電流流過的期間的鈴流電壓的谷底電平，利用上述控制電路中內(nèi)置的振蕩器的輸出信號或上述谷底檢測電路的輸出信號中的任何一個，使上述開關(guān)元件從截止變?yōu)閷?dǎo)通。
根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)電源裝置，由于能夠從與輔助線圈連接的波形整形電路輸出的反饋電壓中獲得與次級側(cè)的整流/濾波電路的輸出電壓成比例的檢測電壓，所以與現(xiàn)有的這種在開關(guān)變壓器的次級線圈側(cè)連接有輸出電壓檢測電路的結(jié)構(gòu)相比，電路變得簡化，能夠?qū)崿F(xiàn)電源的小型化。特別地，不需要用于電隔離次級側(cè)和初級側(cè)的光電耦合器。并且，由于通過谷底檢測電路的作用，能夠從波形整形電路的輸出信號中檢測出鈴流電壓的谷底，并使開關(guān)元件導(dǎo)通，能夠抑制開關(guān)元件的導(dǎo)通時的功耗(谷底導(dǎo)通效果)，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源裝置的高效率化。此外，由于根據(jù)該谷底檢測電路的輸出信號使開關(guān)元件導(dǎo)通的信號的周期每當(dāng)開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止時逐漸改變，所以開關(guān)元件的工作頻率變得具有以振蕩器的頻率為基準(zhǔn)的規(guī)定寬度，能夠通過使電能波形的峰值分散而使其值降低(抖動效果)。由此，能夠同時實現(xiàn)電源的小型化和低噪聲化。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的優(yōu)選實施方式中，從上述開關(guān)變壓器的初級線圈的一個端子和上述開關(guān)元件的連接節(jié)點、或從上述初級線圈的另一個端子供給上述控制電路的工作電壓。由此，不需要另外供給控制電路的工作電壓，就能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源的小型化。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的優(yōu)選實施方式中，上述控制電路還包含對輸出電壓檢測電路的輸出信號進(jìn)行放大的誤差放大器、和被施加該輸出的過電流檢測電路。由此，能夠高精度地實施使在開關(guān)元件中流動的電流的峰值變化的PWM控制。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的另一優(yōu)選實施方式中，上述控制電路還包含間歇振蕩控制電路，如果上述誤差放大器的輸出信號電平為規(guī)定值以下，則該間歇振蕩控制電路停止或暫停上述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止工作。在控制電路控制開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止時，通過除PWM控制外還執(zhí)行間歇振蕩控制，由此能夠大幅削減待機時功耗。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的再另一優(yōu)選實施方式中，上述控制電路還包含從上述谷底檢測電路的輸出電壓中檢測鈴流的狀態(tài)的鈴流截止檢測電路，當(dāng)沒有檢測出鈴流時，再次開始上述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行間歇振蕩控制狀態(tài)下的輸出電壓檢測，能夠應(yīng)付負(fù)載狀態(tài)的急劇變化。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的再另一優(yōu)選實施方式中，在上述控制電路中內(nèi)置的振蕩器的振蕩頻率是具有以固定頻率為中心的規(guī)定寬度的頻率。由此能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的低噪聲化。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的再另一優(yōu)選實施方式中，上述控制電路還包括過電壓檢測電路，該過電壓檢測電路檢測上述工作電壓成為高于規(guī)定電壓的情況。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，在來自外部的電能使被內(nèi)置于控制電路中的調(diào)整器控制成固定電壓的工作電壓強制性地變高時，能夠檢測出此工作電壓，能夠停止或暫?？刂齐娐房刂频拈_關(guān)元件的開關(guān)動作。其結(jié)果，能夠提高開關(guān)電源裝置的安全性。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的再另一優(yōu)選實施方式中，上述控制電路還包含過熱保護(hù)電路。由此，在開關(guān)元件異常發(fā)熱時，能夠保護(hù)開關(guān)電源裝置。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的再另一優(yōu)選實施方式中，上述波形整形電路包含肖特基勢壘二極管。通過使用逆恢復(fù)時間短的肖特基勢壘二極管，能夠防止波形整形電路的輸出信號在負(fù)側(cè)有大的變動，能夠提高開關(guān)電源裝置的安全性。
本發(fā)明的開關(guān)電源裝置的再另一優(yōu)選實施方式中，還包括與上述輔助線圈連接的輔助線圈電壓整流/濾波電路，由上述輔助線圈電壓整流/濾波電路向上述控制電路供給電力。由此，能夠進(jìn)一步實現(xiàn)低功耗化。
此外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可用于如上所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于，上述開關(guān)元件及上述控制電路被集成在單一基板上，或被組裝在單一封裝內(nèi)。通過使用這種半導(dǎo)體裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源裝置的小型化。


圖1是表示現(xiàn)有的開關(guān)電源裝置的結(jié)構(gòu)例的電路圖。
圖2是本發(fā)明的第1實施方式的開關(guān)電源裝置的電路圖。
圖3是在本發(fā)明的第1實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
圖4是表示圖2的開關(guān)電源裝置的各部分的電壓或電流的波形的圖。
圖5是表示圖2的開關(guān)電源裝置中的波形整形電路的輸出電壓信號VFB和谷底檢測電路的輸出電壓信號A的關(guān)系的波形圖。
圖6是表示圖2的開關(guān)電源裝置中的輸出電壓VOUT和漏極電流ID的關(guān)系的波形圖。
圖7是在本發(fā)明的第2實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
圖8是在本發(fā)明的第3實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
圖9是在本發(fā)明的第4實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
圖10是表示本發(fā)明的第4實施方式的開關(guān)電源裝置的各點的工作波形圖。
圖11是表示本發(fā)明的第4實施方式的開關(guān)電源裝置的輸出電壓VOUT和漏極電流ID的關(guān)系的波形圖。
圖12是本發(fā)明的第5實施方式的開關(guān)電源裝置的電路圖。
圖13是在本發(fā)明的第5實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。
具體實施例方式
下面，根據(jù)

本發(fā)明的實施方式。
(實施方式1)圖2是本發(fā)明的第1實施方式的開關(guān)電源裝置的電路圖。該開關(guān)電源裝置包括開關(guān)變壓器2；與開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1的一個端子串聯(lián)連接的開關(guān)元件4；執(zhí)行該開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止控制的控制電路3；與開關(guān)變壓器2的次級線圈2-2連接的整流/濾波電路8；以及與開關(guān)變壓器2的輔助線圈2-3連接的波形整形電路7等?？刂齐娐?和開關(guān)元件4既可以由單個半導(dǎo)體裝置構(gòu)成，也可以由單一半導(dǎo)體裝置構(gòu)成。
圖3是在本發(fā)明的第1實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。該半導(dǎo)體裝置5將控制電路3和開關(guān)元件4組裝在單一封裝內(nèi)，具有4個端子VCC、GND、DRAIN及FB。VCC端子與內(nèi)置于控制電路3中的調(diào)整器9的輸出連接，是用于在調(diào)整器9和GND端子之間連接外付電容器的端子。GND端子是通向地(接地)電平的連接端子，連接到圖2的NTRL端子。DRAIN端子是開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1和開關(guān)元件4的連接節(jié)點，即連接到開關(guān)元件4的漏極的端子。FB端子是用于將波形整形電路7的輸出電壓作為反饋信號施加到控制電路3的端子。
在圖2中，在INPUT端子和NTRL端子之間，即在串聯(lián)連接的開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1和開關(guān)元件4的兩端供給直流電壓(例如，對交流電源電壓進(jìn)行整流并進(jìn)行了濾波的電壓)。利用內(nèi)置于控制電路3中的調(diào)整器9使開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1和開關(guān)元件4的連接節(jié)點的電壓(以下成為漏極電壓)VD穩(wěn)定，調(diào)整器9的輸出電壓變成控制電路3的工作電壓。在調(diào)整器9的輸出端子(圖3中的VCC端子)和NTRL端子(圖3中的GND端子)之間連接有外接電容器6。
在INPUT端子和NTRL端子之間施加直流電壓之后，隨著開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1的電感和電容器6的靜電容量，工作電壓VCC逐漸上升。當(dāng)工作電壓VCC達(dá)到規(guī)定的值時，控制電路3內(nèi)的啟動/停止電路10的輸出即三端輸入AND電路15的一個輸入從L電平轉(zhuǎn)變?yōu)镠電平。其結(jié)果，對應(yīng)于作為三端輸入AND電路15的另一輸入的振蕩器11的MAXDUTY輸出信號和觸發(fā)器電路14的輸出信號，從三端輸入AND電路15中輸出開關(guān)元件4的柵極信號GATE，開始開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止控制。此外，以如下方式執(zhí)行從開關(guān)元件4的導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)移(斷開)以誤差放大器21的輸出信號E為基準(zhǔn)，由過電流檢測電路17檢測流入開關(guān)元件4的電流，以便控制流入開關(guān)元件4的峰值電流值。由此，在本發(fā)明中執(zhí)行電流模式的PWM控制。
開始開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止時，從開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1向次級線圈2-2及輔助線圈2-3傳送電能。在開關(guān)變壓器2的次級線圈2-2中產(chǎn)生的電壓由整流/濾波電路8的二極管8-1進(jìn)行整流，由電容器8-2進(jìn)行濾波成為輸出電壓VOUT，作為OUT端子和RETURN端子間的電壓來輸出。
在開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1上連接有尖峰電壓吸收電路1，尖峰電壓吸收電路1在并聯(lián)連接電阻1-1和電容器1-2的電路上連接了二極管3-1。此尖峰吸收電路1在開關(guān)元件4從導(dǎo)通變截止時，具有吸收在初級線圈2-1的兩端產(chǎn)生的偏置電壓的作用。
與開關(guān)變壓器2的輔助線圈2-3連接的波形整形電路7包含分壓用電阻7-1和7-2；箝位分壓電壓的肖特基勢壘二極管7-3；和電容器7-4。作為箝位二極管通過使用逆恢復(fù)時間短的肖特基勢壘二極管，就能夠防止波形整形電路的輸出信號在負(fù)側(cè)有大的變化，能夠提高開關(guān)電源裝置的安全性。波形整形電路7的輸出電壓信號VFB被反饋到控制電路3，并施加到在控制電路3中包含的谷底檢測電路22和輸出電壓檢測電路20。
谷底檢測電路22的輸出電壓信號A被施加到SAWTOOTH信號調(diào)整電路23，輸出電壓檢測電路20的輸出信號被施加到AND電路13及誤差放大器21。AND電路13生成OR電路12的輸出信號和輸出電壓檢測電路20的輸出信號的邏輯積信號，其成為觸發(fā)器電路14的設(shè)置輸入。此外，漏極電壓VD被輸入到過電流檢測電路17，過電流檢測電路17根據(jù)漏極電壓VD和誤差放大器21的輸出信號E將過電流檢測輸出作為一輸入施加到AND電路18。對AND電路18的另一輸入施加導(dǎo)通時消隱脈沖電路16的輸出，AND電路18的輸出成為OR電路19的一個輸入。OR電路19的另一輸入(反轉(zhuǎn)輸入)連接到振蕩器11的MAXDUTY輸出信號，OR電路19的輸出成為觸發(fā)器電路14的復(fù)位輸入。觸發(fā)器電路14的輸出成為三端輸入AND電路15的一個輸入，三端輸入AND電路15的輸出成為開關(guān)元件4的柵極信號。
接著，參照圖4、圖5及圖6所示的波形圖，說明本發(fā)明的第1實施方式的開關(guān)電源裝置的工作。圖4是表示圖2的開關(guān)電源裝置的各部分的電壓或電流的波形的圖。圖5是表示圖2的開關(guān)電源裝置中的波形整形電路的輸出電壓信號VFB和谷底檢測電路的輸出電壓信號A的關(guān)系的波形圖。再有，正確地，流過二極管8-1電流的導(dǎo)通時間在每一開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止工作中不固定且稍有差異。圖5所示的狀態(tài)A、狀態(tài)B、狀態(tài)C是按照這些稍稍不同的二極管8-1的導(dǎo)通時間產(chǎn)生的容易通過目視識別的鈴流峰值偏移的狀態(tài)。并且，圖6是表示圖2的開關(guān)電源裝置中的輸出電壓VOUT和流過開關(guān)元件4的漏極電流ID的關(guān)系的波形圖。
如圖5放大所示，雖然波形整形電路的輸出電壓信號VFB在整流/濾波電路8的二極管8-1導(dǎo)通的期間，最初會產(chǎn)生細(xì)的鈴流，但此后基本上帶有固定斜度地減少。此后，在二極管8-1不導(dǎo)通期間，在由整流/濾波電路的電路常數(shù)決定的固定時間t1中電壓減少到0V，此后這也會產(chǎn)生由電路常數(shù)決定的幾乎固定周期的鈴流。此鈴流逐漸衰減。
此外，還向谷底檢測電路22中輸入波形整形電路的輸出電壓信號VFB，通過檢測出此VFB比規(guī)定的谷底電位(圖5的情況是0V)低的情況，來檢測鈴流的谷底，生成谷底檢測信號A。
如圖4所示，輸入波形整形電路的輸出電壓信號VFB的輸出電壓檢測電路20的輸出信號D，使在二極管8-1導(dǎo)通期間的初期細(xì)的鈴流后的VFB變成與在二極管8-1的導(dǎo)通期間經(jīng)校正確定的二極管8-1的導(dǎo)通期間的最后的VFB的電平(相當(dāng)于圖5中的D_a、D_b、D_c)成比例的電壓。例如在輸出電壓檢測電路20的內(nèi)部，通過峰值保持電路等保持二極管8-1導(dǎo)通期間的初期的細(xì)的鈴流后的VFB電壓，使用恒定電流源使此電壓在二極管8-1導(dǎo)通時間放電，從而獲得此圖5中的D_a、D_b、D_c。此外，每當(dāng)開關(guān)元件4從導(dǎo)通變截止時復(fù)位該輸出信號D。例如，圖4所示的情況為0V。
如圖4所示，假設(shè)輸出電壓VOUT根據(jù)加在OUT端子和RETURN端子上的負(fù)載的大小而變化時，輸出電壓檢測電路20的輸出信號D也跟隨輸出電壓VOUT的變化而增減。此輸出電壓檢測電路20的輸出信號D輸入到誤差放大器21，從誤差放大器21輸出的信號被施加到過電流檢測電路17。再有，在該實施例的情況下，誤差放大器21放大輸入信號D的電壓和規(guī)定電壓(圖4的信號D中的最下的點線所表示的電位)的差值電位，將其從規(guī)定電位(圖4的信號E中的最上側(cè)的點線)減去后的電位作為輸出信號E來輸出。過電流檢測電路17通過比較開關(guān)元件4導(dǎo)通時的漏極電壓VD和信號E，來執(zhí)行開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止控制即電流模式型的PWM控制。如此，通過利用開關(guān)元件4的PWM控制來調(diào)整漏極電流ID，能夠控制輸出電壓VOUT使其成為規(guī)定的范圍內(nèi)的電壓值。
按照從內(nèi)置于控制電路3的振蕩器11輸出的CLOCK信號B和SAWTOOTH信號調(diào)整電路23的輸出C的邏輯和信號即OR電路12的輸出，來執(zhí)行開關(guān)元件4從導(dǎo)通向截止的轉(zhuǎn)換。CLOCK信號B是SAWTOOTH從減少到增加變化時生成的時鐘信號，是固定頻率。由從振蕩器11輸出的SAWTOOTH信號和谷底檢測電路22的輸出信號A生成SAWTOOTH信號調(diào)整電路23的輸出C。如上所述，谷底檢測電路22中，輸入反饋到FB端子的、整流/濾波電路8的二極管8-1的非導(dǎo)通期間產(chǎn)生的VFB電壓的鈴流波形，與規(guī)定的直流電壓比較而生成輸出信號A，施加給SAWTOOTH信號調(diào)整電路23。
由此，在CLOCK信號B輸出的定時或在其前的固定期間(圖4中t0所示期間)SAWTOOTH信號調(diào)整電路23的輸出信號C生成的定時、即檢測到VBF電壓的谷底的定時中的任何一個定時下執(zhí)行開關(guān)元件4的從導(dǎo)通向截止的轉(zhuǎn)換。再有，實際的工作中，主要根據(jù)輸出信號C使開關(guān)元件4的導(dǎo)通。
在此，輸出信號C是與在整流/濾波電路8的二極管8-1的非導(dǎo)通期間產(chǎn)生的VFB電壓的鈴流波形對應(yīng)地產(chǎn)生的谷底檢測電路的輸出信號A的一部分，但如圖5所示，該輸出信號A是整流/濾波電路8的二極管8-1的導(dǎo)通期間結(jié)束，經(jīng)過規(guī)定時間t1后以固定的頻率生成的。如上所述，整流/濾波電路8的二極管8-1的導(dǎo)通期間不完全相同，開關(guān)元件4的每一導(dǎo)通/截止動作時值稍稍變化，所以，輸出信號C的啟動定時也稍稍變化。由此，實際中，該輸出信號C成為支配性信號的開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止控制周期，成為在作為振蕩器11的固定頻率即CLOCK信號B中加上t0的時間寬度的范圍內(nèi)變化的周期。如果想象在圖5所示的二極管8-1的非導(dǎo)通期間的3個狀態(tài)A、B、C下相位一點點地偏移的鈴流脈沖重合的狀況，就能夠容易理解上述情形。如此，在本實施方式中，能夠在規(guī)定范圍內(nèi)分散使導(dǎo)通開關(guān)元件4的導(dǎo)通的定時，和以通常的周期導(dǎo)通的情況相比，能獲得波形的峰值變低的抖動效果，不用特別設(shè)計抖動電路。
據(jù)此，本發(fā)明的第1實施方式的開關(guān)電源裝置的輸出電壓VOUT和漏極電流ID的關(guān)系如圖5所示。再有，圖6的ID波形的點線表示圖4的ID波形中的開關(guān)元件4導(dǎo)通期間的點線、即電流模式的峰值電流(值)。即，該點線與誤差放大電路21的輸出信號E成比例，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)變化即輸出電壓VOUT的變化而變化。
圖6中，作為在左側(cè)示出的輸出電路的負(fù)載而施加最重的恒定負(fù)載的情況下，輸出電壓雖然在其影響下在額定范圍內(nèi)，但變?yōu)楸然鶞?zhǔn)電壓V1稍小的電壓，此時的漏極電流ID則由于PWM控制而成為三角形的脈沖波形，其峰值處于最高的狀態(tài)。接著，反過來，考慮逐漸減小負(fù)載的情況時，如圖6的中央部分所示，漏極電流ID的峰值也會逐漸變低。而且，負(fù)載非常小的情況或沒有負(fù)載的情況則如圖6中右側(cè)所示，漏極電流ID的峰值就會變成最低的狀態(tài)。如此，即使在輸出電路的負(fù)載變化的情況，在任何情況下都能夠獲得谷底導(dǎo)通效果和抖動效果的這兩種效果。
如上所述，使用本發(fā)明的第1實施方式的開關(guān)電源裝置的情況下，能夠獲得以下效果(1)通過將連接在輔助線圈2-3上的波形整形電路7的輸出電壓VFB輸入到控制電路3的FB端子，能夠在漏極電壓VD比較低的狀態(tài)下同時實施利用輸出電壓檢測電路20檢測輸出電壓的變化的工作、和利用谷底檢測電路22將開關(guān)元件4從導(dǎo)通向截止轉(zhuǎn)換的工作。
(2)由此，由于不需要在開關(guān)電源裝置的次級側(cè)設(shè)置用于檢測輸出電壓的電路結(jié)構(gòu)，能夠削減元件數(shù)量來實現(xiàn)開關(guān)電源的小型化，并且由于能夠可靠獲得以低電壓就能使開關(guān)元件4導(dǎo)通的所謂谷底導(dǎo)通的效果、以及不設(shè)置抖動電路即可抖動的效果，所以能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲化。
(3)并且，由于開關(guān)元件4的工作頻率僅在規(guī)定寬度內(nèi)變化，所以能夠獲得上述抖動效果，并且由于變成與輸出負(fù)載狀態(tài)無關(guān)、具有固定寬度的頻率，所以就不需要進(jìn)行寬范圍的工作自身與數(shù)量相對應(yīng)的開關(guān)變壓器的設(shè)計。因此，實現(xiàn)開關(guān)變壓器的小型化成為可能，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源裝置整體的小型化。此情況特別是在開關(guān)變壓器的尺寸容易變大的高輸出開關(guān)電源裝置中最有效果。
(4)并且，由于在低輸出開關(guān)電源裝置中使用的情況下也能夠發(fā)揮上述各種效果，所以不限制輸出，并能夠在各種用途中使用。
(5)而且，再有，在低輸出開關(guān)電源裝置中使用的情況下，由于更容易應(yīng)對噪聲，所以開關(guān)電源裝置的設(shè)計變得容易。
再有，雖然在本實施方式中說明了成為開關(guān)元件4的工作頻率的振蕩器11的CLOCK信號B具有固定頻率的情況，但本發(fā)明不限于此，也可以設(shè)計成使CLCOK信號B成為以規(guī)定的固定頻率為中心具有規(guī)定寬度來變化的頻率。由此，能夠進(jìn)一步獲得高的抖動效果，能夠?qū)崿F(xiàn)更低的噪聲化。
(實施方式2)圖7是在本發(fā)明的第2實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。本實施方式的半導(dǎo)體裝置，是在圖3所示的第1實施方式的半導(dǎo)體裝置中追加過電壓檢測電路24和過熱保護(hù)電路25的半導(dǎo)體裝置，其它結(jié)構(gòu)及基本工作與圖3所示的半導(dǎo)體裝置相同。因此，不用說，本實施方式的開關(guān)電源裝置能夠遇到圖2所示的第1實施方式的開關(guān)電源裝置同樣的效果。
由于本實施方式的開關(guān)電源裝置在半導(dǎo)體裝置5的控制電路3中追加了過電壓檢測電路24和過熱保護(hù)電路25，因此還能起到以下的作用效果首先，過電壓檢測電路24利用內(nèi)置于控制電路3中的調(diào)整器9來進(jìn)行控制以使工作電壓VCC的電壓固定，在因來自外部的電能供給(例如施加電流)而強制地使工作電壓VCC變高時，將其檢測出來，利用控制電路3使開關(guān)元件4的開關(guān)工作停止或暫停。由此，就能夠提高作為開關(guān)電源裝置的安全性。
此外，當(dāng)開關(guān)元件4在開關(guān)工作中出現(xiàn)異常發(fā)熱的情況下，過熱保護(hù)電路25將其檢測出來，并使開關(guān)元件4的開關(guān)工作停止或暫停。由此，能夠防止開關(guān)元件4的破壞，提高作為開關(guān)電源裝置的安全性。
(實施方式3)圖8是在本發(fā)明的第3實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。本實施方式的半導(dǎo)體裝置是在圖3所示的第1實施方式的半導(dǎo)體裝置中追加了第2開關(guān)元件26和電阻27的半導(dǎo)體裝置，其它結(jié)構(gòu)及基本工作與圖3所示的半導(dǎo)體裝置相同。因此，不用說，本實施方式的開關(guān)電源裝置同樣也能夠獲得圖2所示的第1實施方式的開關(guān)電源裝置的效果。
由于本實施方式的開關(guān)電源裝置追加了第2開關(guān)元件26和電阻27，還能起到以下的作用效果。
圖3的實施方式的半導(dǎo)體裝置中，通過檢測開關(guān)元件4導(dǎo)通時的漏極電壓VD，過電流檢測電路17檢測流過開關(guān)元件14的電流。相對于此，本實施方式的半導(dǎo)體裝置中，使相對于流過開關(guān)元件4的電流具有一定比率的電流流過第2開關(guān)元件26及電阻27，過電流檢測電路17通過檢測電阻27兩端的電壓來檢測漏極電流。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，例如，在使開關(guān)噪聲進(jìn)一步降低的情況下，實施在開關(guān)元件4的漏極和源極間追加電容器的降低噪聲對策的情況下，相比于圖3是實施方式的半導(dǎo)體裝置，就會提高電容器電容的設(shè)計自由度。其結(jié)果，擴展了降低噪聲對策的范圍，也提高了電源設(shè)計中應(yīng)對噪聲的自由度。
(實施方式4)圖9是在本發(fā)明的第4實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。本實施方式的半導(dǎo)體裝置是在圖3所示的第1實施方式的半導(dǎo)體裝置中追加間歇振蕩控制電路28、AND電路29及鈴流截止檢測電路30的半導(dǎo)體裝置，其它結(jié)構(gòu)及基本工作與圖3所示的半導(dǎo)體裝置相同。因此，不用說，本實施方式的開關(guān)電源裝置同樣也能夠獲得圖2所示的第1實施方式的開關(guān)電源裝置的效果。
由于本實施方式的開關(guān)電源裝置追加了間歇振蕩控制電路28、AND電路29及鈴流截止檢測電路30，所以還能起到以下的作用效果。
圖10是表示本發(fā)明的第4實施方式的開關(guān)電源裝置的各點的工作波形圖。再有，各個波形的表示方法等與第1實施方式中示出的圖4相同。
現(xiàn)在，假設(shè)輸出電壓VOUT按圖10所示那樣進(jìn)行變化。此時，連接在輸出端子的負(fù)載為輕負(fù)載或無負(fù)載的狀態(tài)時，即誤差放大器21的輸出信號E的電平成為圖10所示的E0電平以下時，間歇振蕩控制電路28對AND電路29輸出停止或暫停開關(guān)元件4的開關(guān)工作這樣的信號。在開關(guān)元件4的開關(guān)工作停止或暫停的狀態(tài)下，鈴流截止檢測電路30具有監(jiān)視輸出端子的負(fù)載狀態(tài)的功能。然后，在不輸出來自谷底檢測電路22的輸出信號A時，鈴流截止檢測電路30強制地使輸出電壓檢測電路20的輸出信號D截止。由此，再次開始開關(guān)元件4的開關(guān)工作，執(zhí)行檢測輸出電壓VOUT那樣的間歇振蕩控制。
圖11是表示本發(fā)明的第4實施方式的開關(guān)電源裝置的輸出電壓VOUT和漏極電流ID的關(guān)系的波圖。如圖11所示，根據(jù)如上所述的工作，改變輸出電壓VOUT和漏極電流ID。與表示第1實施方式中的各個波形的圖6比較時可容易明白，在作為負(fù)載最重的狀態(tài)的恒定負(fù)載狀態(tài)(圖中PWM1所示)的狀態(tài)和作為負(fù)載逐漸減小的狀態(tài)的負(fù)載變化狀態(tài)(PWM2)下，漏極電流ID變成與圖6所示出的相同。
并且，負(fù)載變輕的輕負(fù)載狀態(tài)(表示為間歇工作1)下，漏極電流ID成為間歇脈沖狀態(tài)，變?yōu)闊o負(fù)載時，ID的脈沖就變得最少。再有，與圖6情況相同，與負(fù)載變大的情況相比，此時圖中點線所表示的漏極ID的峰值成為最低的狀態(tài)。
在如上所述的本實施方式中，恒定負(fù)載狀態(tài)和負(fù)載比較重的負(fù)載變動狀態(tài)下，能夠獲得上述的谷底導(dǎo)通效果和抖動效果這兩方面的效果，能夠在輕負(fù)載狀態(tài)和無負(fù)載狀態(tài)下獲得谷底導(dǎo)通效果。因此，使用本實施方式的開關(guān)電源裝置的情況下，特別地能夠?qū)崿F(xiàn)輕負(fù)載/無負(fù)載狀態(tài)的開關(guān)電源裝置的高效率化。
再有，在執(zhí)行開關(guān)元件4的開關(guān)工作停止或暫停狀態(tài)中的輸出電壓的檢測的情況下，為了極大地降低開關(guān)損失而設(shè)定再開啟時的輸出信號D的降低電平，以使開關(guān)元件4的導(dǎo)通負(fù)載成為最小，這時能夠進(jìn)一步實現(xiàn)輕負(fù)載/無負(fù)載狀態(tài)下的開關(guān)電源裝置的高效率化。
(實施方式5)圖12是本發(fā)明的第5實施方式的開關(guān)電源裝置的電路圖。此外，圖13是在本發(fā)明的第5實施方式的開關(guān)電源裝置中使用的半導(dǎo)體裝置的電路圖。本實施方式的半導(dǎo)體裝置是在圖3所示的第1實施方式的半導(dǎo)體裝置中追加了供給轉(zhuǎn)換電路31、第2調(diào)整器32、電平移位電路33、柵極驅(qū)動電路34、電阻35的半導(dǎo)體裝置。此外，本實施方式的開關(guān)電源裝置是在圖2所示的實施方式的開關(guān)電源裝置中，使用圖13所示的半導(dǎo)體裝置5，并且追加了輔助線圈電壓整流/濾波電路36的開關(guān)電源裝置。
本實施方式的半導(dǎo)體裝置適用于開關(guān)元件4為與柵極閾值電壓高的元件等的高輸出對應(yīng)的元件的情況即作為高輸出開關(guān)電源裝置使用的情況。該半導(dǎo)體裝置具有能夠分離控制電路3內(nèi)部的主要電路的工作電壓和用于導(dǎo)通/截止控制開關(guān)元件4的柵極的驅(qū)動電壓的結(jié)構(gòu)。
在圖12中，在INPUT端子和NTRL端子之間，即在串聯(lián)連接的開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1和開關(guān)元件4的兩端供給直流電壓(例如對交流電源電壓進(jìn)行整流和濾波的電壓)。在INPUT-NTRL之間輸入電壓時，從INPUT及與開關(guān)變壓器2的初級線圈2-1的另一端子連接的VIN端子，通過供給轉(zhuǎn)換電路31和調(diào)整器9對電容器6供給充電電流，電容器6的兩端電壓逐漸上升。在該電容器6的兩端電壓VCC上升的同時，通過第2調(diào)整器32，使控制電路3內(nèi)部的主要的各電路的工作電壓也逐漸上升。
控制電路3以電容器6的兩端的電壓作為電源電壓來進(jìn)行工作，在由內(nèi)置于控制電路3的啟動/停止電路10規(guī)定的啟動電壓和停止電壓的范圍內(nèi)，進(jìn)行開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止控制。通過第2調(diào)整器32控制控制電路3內(nèi)部的主要電路的工作電壓，以使它們固定。利用控制電路3開始開關(guān)元件4的導(dǎo)通/截止控制時，開關(guān)變壓器2從初級線圈2-1向次級線圈2-2及輔助線圈2-3傳送電能。在開關(guān)變壓器2的次級線圈2-2中產(chǎn)生的電壓被整流/濾波電路8的二極管8-1進(jìn)行整流，由電容器8-2進(jìn)行濾波而成為輸出電壓VOUT，作為OUT端子和RETURN端子間的電壓輸出。內(nèi)置于控制電路3的輸出電壓檢測電路20從與開關(guān)變壓器2的輔助線圈2-3連接的波形整形電路7的輸出電壓信號VFB中，檢測出輸出電壓VOUT。
此外，輔助線圈2-3上連接包含二極管36-1及電容器36-2的輔助線圈電壓整流/濾波電路36，在輔助線圈2-3中產(chǎn)生的電壓被二極管36-1進(jìn)行整流，由電容器36-2進(jìn)行濾波而成為直流電壓。從控制電路3的VC端子向供給轉(zhuǎn)換電路31供給該直流電壓。供給轉(zhuǎn)換電路31執(zhí)行轉(zhuǎn)換控制，以便在通過控制電路3進(jìn)行開關(guān)元件4的開關(guān)工作開始前從VIN端子向控制電路3共給電能，而開關(guān)工作開始后從VC端子向控制電路3供給電力。通過檢測與開關(guān)元件4串聯(lián)連接的電阻35的兩端的電壓來檢測流過導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)元件4的電流。
通過如上的構(gòu)成，即使是開關(guān)元件4是對應(yīng)于高輸出的元件的情況下，也能夠獲得與圖2所示的實施方式的開關(guān)電源裝置相同的效果，能夠?qū)?yīng)于覆蓋從低輸出到高輸出的開關(guān)電源裝置。
此外，由于在本實施方式的半導(dǎo)體裝置5中，開關(guān)元件4的開關(guān)工作開始后的控制電路3的工作電壓還由與作為比INPUT端子的電壓低的電壓的輔助線圈2-3連接的輔助線圈電壓整流/濾波電路36的輸出電壓進(jìn)行供給，所以提高了開關(guān)電源裝置的電源效率。即使在上述第1至第4的各實施方式的半導(dǎo)體裝置中，如果構(gòu)成附加VIN端子、VC端子及供給轉(zhuǎn)換電路31并連接到調(diào)整器9之前的結(jié)果，也能夠變成與本實施方式的半導(dǎo)體裝置相同的電路結(jié)構(gòu)，并獲得相同的效果。
再有，如前所述，通過將圖3、圖7、圖8及圖9所示的各實施方式的半導(dǎo)體裝置5容納在1個半導(dǎo)體封裝(不考慮內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片的數(shù)量)內(nèi)，就能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)電源裝置的小型化。
如上所述，本發(fā)明能夠應(yīng)用于開關(guān)電源裝置或內(nèi)置開關(guān)電源的各種電子設(shè)備，特別適用于對需要同時實現(xiàn)小型化和低噪聲化的小型電子設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源裝置，其特征在于，包括開關(guān)變壓器，具有初級線圈、次級線圈和輔助線圈；開關(guān)元件，與上述開關(guān)變壓器的初級線圈串聯(lián)連接；整流/濾波電路，與上述開關(guān)變壓器的次級線圈連接；波形整形電路，與上述開關(guān)變壓器的輔助線圈連接；以及控制電路，執(zhí)行上述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制，上述控制電路包含輸出電壓檢測電路，根據(jù)上述波形整形電路輸出的反饋電壓，生成用于上述開關(guān)元件的PWM控制的信號；和谷底檢測電路，從上述反饋電壓中檢測出在上述開關(guān)變壓器的次級線圈中沒有電流流過的期間的鈴流電壓的谷底電平，利用上述控制電路中內(nèi)置的振蕩器的輸出信號或上述谷底檢測電路的輸出信號中的任何一個，使上述開關(guān)元件從截止變?yōu)閷?dǎo)通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，從上述開關(guān)變壓器的初級線圈的一個端子和上述開關(guān)元件的連接節(jié)點、或從上述初級線圈的另一個端子供給上述控制電路的工作電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源裝置，上述控制電路還包含對輸出電壓檢測電路的輸出信號進(jìn)行放大的誤差放大器、和被施加該輸出的過電流檢測電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源裝置，上述控制電路還包含間歇振蕩控制電路，如果上述誤差放大器的輸出信號電平成為規(guī)定值以下，則該間歇振蕩控制電路停止或暫停上述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)電源裝置，上述控制電路還包含從上述谷底檢測電路的輸出電壓中檢測鈴流的狀態(tài)的鈴流截止檢測電路，當(dāng)沒有檢測出鈴流時，再次開始上述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的開關(guān)電源裝置，在上述控制電路中內(nèi)置的振蕩器的振蕩頻率是具有以固定頻率為中心的規(guī)定寬度的頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的開關(guān)電源裝置，上述控制電路還包括過電壓檢測電路，該過電壓檢測電路檢測上述工作電壓成為高于規(guī)定電壓的情況。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項所述的開關(guān)電源裝置，上述控制電路還包含過熱保護(hù)電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項所述的開關(guān)電源裝置，上述波形整形電路包含肖特基勢壘二極管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項所述的開關(guān)電源裝置，還包括與上述輔助線圈連接的輔助線圈電壓整流/濾波電路，由上述輔助線圈電壓整流/濾波電路向上述控制電路供給電力。
11.一種半導(dǎo)體裝置，用于權(quán)利要求1至10任意一項所述的開關(guān)電源裝置，其特征在于，上述開關(guān)元件及上述控制電路被集成在單一基板上，或被組裝在單一封裝內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠同時實現(xiàn)小型化和進(jìn)一步降低噪聲的開關(guān)電源裝置。變壓器的初級線圈串聯(lián)連接開關(guān)元件；在次級線圈上連接整流/濾波電路；在輔助線圈上連接有波形整形電路。從變壓器的初級線圈和開關(guān)元件的連接節(jié)點供給執(zhí)行開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制的控制電路的工作電壓?？刂齐娐钒敵鲭妷簷z測電路，從波形整形電路的輸出電壓中獲取與整流/濾波電路的輸出電壓成比例的反饋電壓，生成用于開關(guān)元件的PWM控制的信號；和谷底檢測電路，從波形整形電路的輸出電壓中檢測出鈴流電壓的谷底電平；利用在控制電路中內(nèi)置的振蕩器的輸出信號或谷底檢測電路的輸出信號中的任何一個，使開關(guān)元件從截止變?yōu)閷?dǎo)通。
文檔編號H02M3/338GK1996732SQ20061016046
公開日2007年7月11日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月28日
發(fā)明者八谷佳明 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社