开关电源装置的制作方法

本发明涉及输出电压在宽范围内可变的开关电源装置。

背景技术：

近年来，作为新的usb的动作模式，制定了如usbpowerdelivery(以下，称作usbpd)的标准。usbpd与电器装置进行通信，当协商建立时，输出电压能够在5v至最大20v的范围内可变。

一般而言，在开关电源装置中，作为初级侧控制用ic的驱动电源，使用了辅助线圈，该辅助线圈的电压取决于与次级侧线圈的匝数比。因此，为了与宽范围的输出电压对应地使初级侧控制用ic进行动作，提高辅助线圈与次级侧线圈的匝数比，即使输出电压低，也需要使驱动电源为初级侧控制用ic的工作电压以上。另一方面，在输出电压高时，在此状态下辅助线圈的电压达到初级侧控制用ic的耐压，因此，设置有使辅助线圈的电压下降至初级侧控制用ic的耐压以下的降压器(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-88839号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

但是，在usbpd中，作为标准，设定了输出电流的最大值(3a或者5a)。因此，当以20v/3a(60w)设计了开关电源装置时，存在如下问题：在输出5v时，次级侧电力低，直到实施初级侧过电流保护为止，过大的输出电流会流过。

本发明的目的在于解决现有技术的上述课题，提供一种即使输出电压大幅地变化也能够使动作稳定的开关电源装置。

用于解决问题的手段

本发明的开关电源装置是如下一种开关电源装置，其通过对与变压器的初级线圈连接的开关元件进行导通/断开控制，使施加到所述初级线圈的输入电力传递到所述变压器的次级线圈，并且，从所述次级线圈向所述变压器的辅助线圈传递电力，从所述辅助线圈生成对所述开关元件进行导通/断开控制的初级侧控制电路的驱动电源，该开关电源装置的特征在于，其具有：降压电路，其与所述辅助线圈的电压对应地导通/断开，在导通时，将使所述辅助线圈的电压下降后所得的恒定电压作为所述驱动电源供给到所述初级侧控制电路；降压检测电路，其检测所述降压电路的动作；以及条件变更电路，其根据所述降压电路的动作，使用对所述开关元件进行驱动的驱动信号来变更初级侧的动作条件。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述降压电路向所述初级侧控制电路供给的所述恒定电压比所述初级侧控制电路的起动电压高。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述降压检测电路检测所述降压电路的导通/断开，所述条件变更电路与所述降压电路的导通/断开对应地切换所述动作条件。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述降压电路具备与所述辅助线圈的电压对应地导通/截止的齐纳二极管，所述降压检测电路根据所述齐纳二极管的导通/截止来检测所述降压电路的导通/断开。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述初级侧控制电路具有根据从过电流检测输入端子输入的、流过所述开关元件的电流值来检测过电流的过电流检测功能，所述条件变更电路与所述降压电路的导通/断开对应地切换向所述过电流检测输入端子输入所述电流值的输入条件。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述条件变更电路与所述降压电路的导通/断开对应地切换基于所述驱动信号的开关元件的驱动条件。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述降压检测电路检测所述降压电路的动作状况，所述条件变更电路与所述降压电路的动作状况对应地变更所述动作条件。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述降压电路具有晶体管，与所述辅助线圈的电压对应地调整该晶体管的作为降压量的主端子间的电压，所述降压检测电路检测所述晶体管的所述主端子间的电压作为所述降压电路的动作状况。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述初级侧控制电路具有根据从过电流检测输入端子输入的、流过所述开关元件的电流值来检测过电流的过电流检测功能，所述条件变更电路与所述降压电路的动作状况对应地变更向所述过电流检测输入端子输入所述电流值的输入条件。

并且，在本发明的开关电源装置中，也可以为，所述条件变更电路与所述降压电路的动作状况对应地变更基于所述驱动信号的开关元件的驱动条件。

发明效果

根据本发明，实现能够与输出电压的设定对应地变更初级侧的动作条件并在输出电压大幅地变化的情况下使动作稳定的效果。

附图说明

图1是示出本发明的开关电源装置的第1实施方式的电路结构的电路结构图。

图2是说明图1所示的初级侧控制用ic的过电流保护动作的图。

图3是示出本发明的开关电源装置的第2实施方式的电路结构的电路结构图。

具体实施方式

接着，参照附图具体地说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

第1实施方式的开关电源装置1为usbpowerdelivery(以下，称作usbpd)用的转换器(converter)，将输入电压vi转换为5v或者20v的输出电压vo并输出。参照图1，开关电源装置1具有：平滑电容器c1、c21、变压器t、初级侧控制用ic10、次级侧电路20、开关元件q1、晶体管q2、开关元件q3、q4、q5、二极管d1、d2、d3、d21、齐纳二极管zd1、电阻r1～r10和电容器c2。

初级侧控制用ic10内置有用于进行由mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等构成的开关元件q1的开关控制的控制电路，并具有gate(栅极驱动输出)端子、cs(过电流检测输入)端子、vcc(电源电压输入)端子和gnd(接地)端子。

从初级侧(输入侧)向次级侧(负载侧)供给电力的变压器t由初级线圈p1及辅助线圈p2、次级线圈s构成。初级线圈p1的一端部与输入电压vi的正极端子连接，初级线圈p的另一端部与开关元件q1的漏极连接。开关元件q1的源极经由电阻r9与输入电压vi的负极端子(gnd端子)连接。此外，初级侧控制用ic10的gate端子经由串联连接的电阻r1及r2与开关元件q1的栅极连接。由此，初级侧控制用ic10利用从gate端子输出的选通脉冲对开关元件q1进行导通/断开控制，将赋予给变压器t的初级线圈p1的电力传递到变压器t的次级线圈s。另外，电阻r1与二极管d1并联连接。二极管d1以放出来自开关元件q1的电荷的方向连接，将开关元件q的断开时间设定为比导通时间短。

在变压器t的次级线圈s的两端子间，经由二极管d21连接有平滑电容器c21。在变压器t的次级线圈s中感应出的电压被二极管d21和平滑电容器c21整流平滑，将平滑电容器c21的端子间电压输入到次级侧电路20。

次级侧电路20由如下等电路构成：sw(开关)电路，其将输出电压vo的设定切换为5v或者20v中的任意一个；cv(恒定电压)电路，其使输出电压vo稳定；以及fb(反馈)电路，其将与由sw电路设定出的输出电压vo对应的反馈(fb)信号反馈给初级侧控制用ic10。而且，初级侧控制用ic10根据来自次级侧电路20的fb信号控制开关元件q1的占空比，从而控制向次级侧供给的电力量。

在变压器t的辅助线圈p2的两端子间，经由二极管d3连接有平滑电容器c1。另外，夹设在辅助线圈p2与二极管d3之间的电抗器l1为用于抑制浪涌的元件。也可以替代电抗器l1，使用电阻。而且，平滑电容器c1的电压vc1经由降压电路30和二极管d2，作为ic用电源电压供给到初级侧控制用ic10的vcc端子，该降压电路30由晶体管q2、电阻r3和齐纳二极管zd1构成。

平滑电容器c1的正极端子经由晶体管q2和二极管d2与初级侧控制用ic10的vcc端子连接，平滑电容器c1的负极端子与初级侧控制用ic10的gnd端子连接。晶体管q2为npn型，该晶体管q2的集电极与平滑电容器c1的正极端子连接，发射极与二极管d2的阳极连接。而且，二极管d2的阴极与初级侧控制用ic10的cs端子连接。

此外，在平滑电容器c1的正极端子与负极端子之间串联连接有电阻r3、齐纳二极管zd1和电阻r4。而且，晶体管q2的基极与电阻r3和齐纳二极管zd1的阴极的连接点连接，齐纳二极管zd1的阳极经由电阻r4与初级侧控制用ic10的gnd端子连接。

开关元件q1的源极端子与电阻r9的连接点经由rc滤波器和电阻r7而与初级侧控制用ic10的cs(过电流检测输入)端子连接，该rc滤波器由电阻r8和电容器c2构成。

此外，初级侧控制用ic10的gate端子与cs端子之间串联连接有电阻r5和开关元件q4。开关元件q4由n型mosfet构成，该开关元件q4的漏极经由电阻r5与初级侧控制用ic10的gate端子连接，源极与初级侧控制用ic10的cs端子连接。开关元件q4的栅极经由电阻r6与初级侧控制用ic10的vcc端子连接，并且，经由开关元件q3与初级侧控制用ic10的gnd端子连接。

开关元件q3由npn型晶体管构成，该开关元件q3的集电极与开关元件q4的栅极连接，发射极与初级侧控制用ic10的gnd端子连接，基极与齐纳二极管zd1的阳极和电阻r4的连接点连接。

降压电路30设定成，在将输出电压vo设定为5v的情况下断开，在将输出电压vo设定为20v的情况下导通。降压电路30的工作电压由齐纳二极管zd1的齐纳电压vz和晶体管q3的基极-发射极间电压vbeq3决定，当将输出电压vo设定为20v(高的输出电压vo)时，平滑电容器c1的电压vc1成为(vz+vbeq3)以上。由此，降压电路30导通，从vz+vbeq3起(晶体管q2的基极-发射极间电压vbeq2+二极管d2的正向电压vfd2)下降后的恒定的电压施加到初级侧控制用ic10的vcc端子。该(vz+vbeq3)-(vbeq2+vfd2)设定为比初级侧控制用ic10的起动电压高且比耐压低的值。

将输出电压vo设定为5v(低的输出电压vo)而使平滑电容器c1的电压vc1小于vz+vbeq3。由此，降压电路30(齐纳二极管zd1)成为断开，晶体管q2进行自偏置，向初级侧控制用ic10的vcc端子施加从vc1起(vbeq2+vfd2)下降后的电压。

开关元件q3和电阻r4作为检测降压电路30的导通/断开的降压动作检测电路40发挥功能。即，在将输出电压vo设定为20v(高的输出电压vo)而使降压电路30(齐纳二极管zd1)导通的状态下，晶体管q3导通，在将输出电压vo设定为5v(低的输出电压vo)而使降压电路30(齐纳二极管zd1)断开的状态下，晶体管q3断开。

开关元件q4和电阻r5、r6、r7作为校正过电流检测条件的过电流检测条件校正电路50发挥功能。晶体管q3导通、即由降压动作检测电路40检测出降压电路30的导通状态时，开关元件q4成为断开状态。由此，由电阻r9作为电压信号vid而检测的开关元件q2的漏极电流id经由基于浪涌的错误检测防止用的rc滤波器而输入到初级侧控制用ic10的cs端子。初级侧控制用ic10具有过电流保护功能，如图2的(a)所示，对vid与过电流阈值vth进行比较，当vid超过过电流阈值vth时，执行限制向次级侧供给的电力的过电流保护动作。

当晶体管q3截止、即由降压动作检测电路40检测出降压电路30的断开状态时，经由电阻r6向开关元件q4的栅极施加电压，开关元件q4成为导通状态。由此，利用从初级侧控制用ic10的gate端子输出的选通脉冲对cs端子的电压进行偏置，如图2的(b)所示，由电阻r9检测的电压信号vid以电压vup的量上升。而且，在初级侧控制用ic10中，对上升后的vid与过电流阈值vth进行比较，当上升后的vid超过过电流阈值vth时，执行限制向次级侧供给的电力的过电流保护动作。电压信号vid上升的电压vup取决于电阻r5与电阻r7的分压比，在初级侧控制用ic10中，即使切换输出电压vo，也能够以大致相同的条件执行过电流保护动作。

此外，在作为栅电阻(gateresistance)的电阻r1及r2上并列连接有串联连接的开关元件q5和电阻r10。开关元件q5由p型mosfet构成，该开关元件q5的源极与初级侧控制用ic10的gate端子连接，漏极经由电阻r10与开关元件q1的栅极连接，栅极与电阻r5和开关元件q4的漏极的连接点连接。

开关元件q5和电阻r10作为切换栅电阻的栅电阻变更电路60发挥功能。开关元件q5在开关元件q4导通的状态下导通，在开关元件q4断开的状态下断开。由此，当将输出电压vo设定为5v(低的输出电压vo)时，开关元件q4成为导通状态，电阻r1及r2与并联电阻(电阻r10)连接，开关元件q1的开关速度上升。

即，由电阻r1和r2构成的栅电阻是输出电压vo对应于20v(高的输出电压vo)的栅电阻，在输出电压vo为5v(低的输出电压vo)时，开关速度慢，进行emi的过剩设计。因此，在输出电压vo为5v(低的输出电压vo)时，通过使栅电阻下降而使开关速度加快，能够减少损失。

(第2实施方式)

参照图3，第2实施方式的开关电源装置1a构成为能够利用次级侧电路20a将输出电压vo设定为5v～20v的任意电压，将输入电压vi转换为被设定为5v～20v的任意电压的输出电压vo并输出。

在开关电源装置1a中，替换检测降压电路30的导通/断开的降压动作检测电路40，设置有检测降压电路30的动作状况的降压动作状况检测电路70。降压动作状况检测电路70由差动放大器op1构成，该差动放大器op1的同相输入端子与晶体管q2的集电极连接，反相输入端子与晶体管q2的发射极连接。由此，从差动放大器op1的输出端子输出晶体管q2的集电极-发射极间电压vceq2、即降压电路30的降压量，作为电压信号。

此外，在过电流检测条件校正电路50a中，替换开关元件q4，设置有使与差动放大器op1的输出电平对应的电流流过的电流源cc1。电流源cc1使用从初级侧控制用ic10的gate端子输出的选通脉冲，将与差动放大器op1的输出电平对应的电流供给到cs端子与电阻r7的连接点。晶体管q2的集电极-发射极间电压vceq2越小、差动放大器op1的输出电平越低，电流源cc1越将较大的电流供给到cs端子与电阻r7的连接点。由此，由电阻r9检测的电压信号vid与所设置的输出电压vo对应地上升。

在初级侧控制用ic10中，对上升后的vid与过电流阈值vth进行比较，当上升后的vid超过过电流阈值vth时，执行限制向次级侧供给的电力的过电流保护动作。电压信号vid上升的电压vup取决于从电流源cc1供给的电流值，在初级侧控制用ic10中，即使变更输出电压vo，也能够以大致相同的条件执行过电流保护动作。

在栅电阻变更电路60a中，替换开关元件q5，设置有使与差动放大器op1的输出电平对应的电流流过的电流源cc2。电流源cc2使用从初级侧控制用ic10的gate端子输出的选通脉冲，将与差动放大器op1的输出电平对应的电流经由电阻r10供给到开关元件q1的栅极。晶体管q2的集电极-发射极间电压vceq2越小、差动放大器op1的输出电平越低，电流源cc2越将较大的电流经由电阻r10供给到开关元件q1的栅极。由此，输出电压vo越低，开关元件q1的开关速度越升高。因此，能够调整为与输出电压vo对应的最佳的开关元件的驱动条件。

如上所述，根据本实施方式，一种开关电源装置1、1a，其通过对与变压器t的初级线圈p1连接的开关元件q1进行导通/断开控制，使施加到初级线圈p1的输入电力vi传递到次级线圈s，并且，使电力从次级线圈s返回到从辅助线圈p2，从辅助线圈p2生成对开关元件q1进行导通/断开控制的初级侧控制电路(初级侧控制用ic10)的驱动电源vcc，其中，该开关电源装置1、1a具有：降压电路30，其与辅助线圈p2的电压对应地导通/断开，在导通时，将使辅助线圈p2的电压下降所得到的恒定电压作为驱动电源vcc供给到初级侧控制电路(初级侧控制用ic10)；降压检测电路(降压动作检测电路40、降压动作状况检测电路70)，其检测降压电路30的动作；以及条件变更电路(过电流检测条件校正电路50、50a、栅电阻变更电路60、60a)，其根据降压电路的动作，使用对开关元件q1进行驱动的驱动信号(选通脉冲)来变更初级侧的动作条件。

根据该结构，与输出电压vo的设定对应地变更初级侧的动作条件，即使输出电压vo大幅地变化，也能够使动作稳定。

并且，根据本实施方式，降压电路30向初级侧控制电路(初级侧控制用ic10)供给的恒定电压设定为比初级侧控制电路(初级侧控制用ic10)的起动电压高。

根据该结构，即使输出电压vo大幅地变化，也能够使初级侧控制电路(初级侧控制用ic10)进行稳定的动作。

并且，根据本实施方式，降压检测电路(降压动作检测电路40)检测降压电路30的导通/断开，条件变更电路(过电流检测条件校正电路50、栅电阻变更电路60)与降压电路30的导通/断开对应地切换动作条件。

根据该结构，能够根据降压电路30的导通/断开，在初级侧检测输出电压vo的切换。

并且，根据本实施方式，降压电路30具有与辅助线圈p2的电压对应地导通/截止的齐纳二极管zd1，降压检测电路(降压动作检测电路40)根据齐纳二极管zd1的导通/断开检测降压电路30的导通/断开。

根据该结构，通过检测流过齐纳二极管zd1的电流，能够简单地检测降压电路30的导通/断开。

并且，根据本实施方式，初级侧控制电路(初级侧控制用ic10)具有根据从cs端子输入的、流过开关元件q1的电流值(漏极电流id)来检测过电流的过电流检测功能，条件变更电路(过电流检测条件校正电路50)与降压电路30的导通/断开对应地切换向cs端子输入电流值(漏极电流id)的输入条件。

根据该结构，即使切换输出电压vo，也能够稳定地执行过电流保护动作。

并且，根据本实施方式，条件变更电路(栅电阻变更电路60)与降压电路30的导通/断开对应地切换基于驱动信号(选通脉冲)的开关元件q1的驱动条件。

根据该结构，能够将开关元件q1的驱动条件与输出电压vo的切换对应地切换为适当的条件。

并且，根据本实施方式，降压检测电路(降压动作状况检测电路70)检测降压电路30的动作状况，条件变更电路(过电流检测条件校正电路50a、栅电阻变更电路60a)与降压电路30的动作状况对应地变更动作条件。

根据该结构，能够根据降压电路30的动作状况，在初级侧检测输出电压vo的变更。

并且，根据本实施方式，降压电路30具有晶体管q2，与辅助线圈p2的电压对应地调整该晶体管q2的作为降压量的主端子间的电压(集电极-发射极间电压vceq2)，降压检测电路(降压动作状况检测电路70)检测集电极-发射极间电压vceq2作为降压电路30的动作状况。

根据该结构，能够根据降压电路30的降压量，在初级侧检测输出电压vo的变更。

并且，根据本实施方式，初级侧控制电路(初级侧控制用ic10)具有根据从cs端子输入的、流过开关元件q1的电流值(漏极电流id)来检测过电流的过电流检测功能，条件变更电路(过电流检测条件校正电路50a)与降压电路30的动作状况对应地变更向cs输入端子输入电流值(漏极电流id)的输入条件。

根据该结构，即使变更输出电压vo，也能够稳定地执行过电流保护动作。

并且，根据本实施方式，条件变更电路(栅电阻变更电路60a)与降压电路30的动作状况对应地变更基于驱动信号(选通脉冲)的开关元件q1的驱动条件。

根据该结构，能够将开关元件q1的驱动条件与输出电压vo的变更对应地变更为适当的条件。

以上，用具体的实施方式说明了本发明，但是上述实施方式只是一例，当然能够在不脱离本发明主旨的范围内进行变更实施。

标号说明

1、1a：开关电源装置；vi：输入电压；c1、c21：平滑电容器；cc1、cc2：电流源；t：变压器t；10：初级侧控制用ic；20、20a：次级侧电路；q1：开关元件；q2：晶体管；q3、q4、q5：开关元件；d1、d2、d3、d21：二极管；zd1：齐纳二极管；r1～r10：电阻；c2：电容器；30：降压电路；40：降压动作检测电路；50、50a：过电流检测条件校正电路；60、60a：栅电阻变更电路；70：降压动作状况检测电路。