开关电源电路的制作方法

专利名称：开关电源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及在电流谐振型开关电源电路中检测输出电流的技术。
背景技术：
在DC-DC变换器中，为了进行过电流保护和电流模式控制，有时需要检 测输出电流。在此，所谓电流模式控制是指，通过使输出电感器的检测信号与 输出电压一起反馈来进行开关控制，由此实现功率因数的改善和输入电压调节 率(Line Regulation )的提高等。
另外，在多相(Multiphase)方式的电源电路中，为了调整各变换器的电 流平衡，有时也需要进行输出电流的检测。所谓多相方式是指，使多个DC-DC 变换器并列地动作，同时使每个变换器的输出相位偏移，并将各输出相加，由 此以低脉动(ripple)得到稳定的输出。
目前，公开了如下方式作为DC-DC变换器中的输出电流的检测方式。例 如，在专利文献1中公开了，如图8 (a)所示在输出电流的路径上连接电流 才企测电阻R, 4企测该电阻间的电压的方式。另外，在专利文献2中公开了，如 图8 (b)所示在输出线圈Lo上并列连接电阻R2和电容器C，利用输出线圏 Lo的电阻分量Rl,根据该电容器C的电压^r测输出电流的方式。另外，在专 利文献3中公开了，如图8(c)所示利用同步整流用晶体管SW2的导通电阻， 才艮据该晶体管SW2的导通动作中的源极.漏极间电压4企测输出电流的方式。
另外，在专利文献4中公开了，在电压谐振型开关电源装置中，由于谐振 电压的峰值电压和输出电流具有相关性，因此根据LC谐振电路的谐振电压的
峰值检测输出电流的方式。
专利文献1特开2004 - 297943号公报专利文献2特许第3254199号公报专利文献3特开2003 - 284328号公报专利文献4特开平7-236271号公报

发明内容
谐振型开关电源电路具有降低开关损耗和开关噪音的优点，另夕卜，将电压 谐振型和电流谐振型相比较，也各自具有特有的优点。因此存在采用电流谐振 型的开关电源电路的同时进行输出电流的检测，以便可以实现基于输出电流的 检测的各种控制的要求。
在电流谐振型开关电源电路中，也可以应用上述的图8 (a) ~ (c)的方 式来进行输出电流的检测。然而，在图8 (a)的方式中具有在电流检测电阻R 中产生较大损耗的缺点。另外，在图8 (b)的方式中具有为了进行电流检测 而增加电路元件数量的缺点；以及由于线圈Lo的电阻分量Rl具有比较大的 温度特性，因此若不附加温度补偿电路则无法进行准确的电流检测的问题。
另外，在图8 (c)的方式中存在，由于FET的导通电阻具有温度特性， 因此为了进行准确的电流检测而需要温度补偿电路的问题。而且，在图8(b) 的方式中存在为了检测出通过较小电阻而产生的较小电压而需要精度非常高 的才全测电i 各的问题。
另外，在电流谐振型开关电源电路中，与专利文献4中表示的电压谐振型 电路不同，不存在输出电流量与谐振电压的峰值成比例这样的单纯的相关关 系，因此无法利用专利文献4的技术来进行输出电流的检测。
本发明的目的在于，在电流谐振型开关电源电路中，不需要在电源电路中 增设电流检测用的电阻和电容器等，仅通过附加电压检测电路和简单的逻辑电 路，便可以进行准确的输出电流检测。
另外，其目的还在于提供通过这样的输出电流的检测可进行基于输出电流 的各种控制的电流谐振型开关电源电路。
为了实现上述目的，本发明是具备开关元件(SWH:图2)、和使流经该 开关元件的电流谐振的LC谐振电路(Lr、Cr)的电流谐振型开关电源电路(11 )， 本发明具备检测电路(20),该检测电路(20)根据所述开关元件(SWH)的 动作时刻和所述LC谐振电路的谐振动作中的电压，进行与输出电流量相关的 检测。
通过这种手段，在电流谐振型开关电源电路中，不在电源电路中增设电阻 等电路元件，便可以准确而容易地进行输出电流的检测。详细而言，在电流谐
振型开关电源电路中，当开关元件(SWH)导通、流经该开关元件的电流增 大时，输出电感器(电抗器Lo)的电流(13)较大，流经开关元件(SWH) 的电流(II )全部流至电抗器(Lo)侧，不开始谐振电容器(Cr)的充电。然 后，当流经开关元件(SWH)的电流(II)与输出电流(13)的值相同时，开 始向谐振电容器(Cr)的充电。即，根据输出电流(13)的大小，LC谐振电 路(Lr、 Cr)的谐振动作的开始时刻被延迟。因此，根据开关元件(SWH) 的动作时刻和LC谐振电路的谐振动作中的电压，可以检测上述延迟时间并换 算为输出电流量。另外，在该输出电流值与谐振动作的延迟时间的关系中，不 存在温度依赖性，因此可以不需要进行温度补偿，而始终进行准确的输出电流 检测。
具体而言，所述检测电路(20)可以成为如下结构检测从所述开关元件 (SWH)的导通时刻起，直到所述LC谐振电路的电容器电压(Vcr)达到预 定电压为止的时间长度。而且，作为上述预定电压，也可以应用直流的输入电 压(Vin)。
通过这样的结构，不设置电流检测用的特别的模拟电路、或者生成基准电 压的电路，而仅通过比较器等简单的模拟电路和逻辑电路便可以进行输出电流 的4全测。
另夕卜，上述检测电路(20)的输出，可以作为反馈信号之一送至控制电路， 用于开关元件的动作控制。即可以根据所述检测电路(20)的输出，控制使所 述开关元件(SWH)导通的周期，或者可以用于以电流模式控制所述开关元 件(SWH)。另外，也可以应用于输出电流(13)的过电流保护的控制。
具体而言，所述LC谐振电路具备与所述开关元件(SWH)串联连接的 谐振电感器(Lr)、以及通过流过该电感器(Lr)的电流而被充电的谐振电容 器(O)。
更具体而言，所述电源电路(11)具备通过开关元件(SWH)的导通 动作输入输入电压来积蓄电能的电抗器(Lo)、以及在开关元件(SWH)断开 期间向电抗器(Lo)提供电流的整流电路(SWL)，可以通过电抗器(Lo)中 积蓄的电能来进行输出电流(13)的输出。
此外，在该项目的说明中以括号来标记表示与实施方式的对应关系的符
号，但本发明不限于此。
根据本发明，电流谐振型开关电源电路中，不需要在电源电路中设置检测 电阻等电流检测用的元件，仅通过简单的电压检测和逻辑电路便可以进行准确 的输出电流4企测。
另外，通过这种输出电流的检测，得到可以不使功率变换效率降低或产品 成本增加地、在电流谐振型开关电源电路中实现基于输出电流的各种控制的效 果。


图l是表示本发明的实施方式的多相型电源装置的结构图。
图2是表示图1中的一个开关电源电路的电路图。
图3是表示高端开关的驱动脉冲与输出电流的关系的波形图。
图4是表示将高端开关导通后的电流路径的说明图。
图5是表示高端开关的驱动脉沖、谐振电流与电容器电压的关系的波形图。
图6是说明根据高端开关的驱动脉沖和电容器电压生成电流值脉冲信号 的电流4企测电i 各的动作的波形图。
图7是说明使用了图1的多相型电源装置中的电流值脉冲信号的控制的一 例的波形图。
图8是表示现有的输出电流的检测方法的一例的电路图。 符号说明
11~13电流谐振型开关电源电路、SWH高端开关、Lr谐振电感器、Cr 谐振电容器、SWL低端开关、Lo电抗器、20电流才企测电路、21高端栅极 信号检测电路、22电容器电压检测电路、23电流值脉冲生成电路、30控制 块、31栅极驱动器、32控制电路、33同步信号发生电路、34电流比较电路、 100电源装置
具体实施例方式
以下，根据

本发明的实施方式。
图l是应用了本发明的实施方式的电源装置的结构图。
该实施方式的电源装置100并列地设有多个开关电源电-各11-13,是将
各个输出电流相加而形成一个输出电流Io的多相方式的电源电路，并由以下
各部构成上述多个电流谐振型开关电源电路11-13、进行它们的动作控制 的控制块30、以及进行各电源电路11 ~ 13的输出电流的检测的电流检测电路 20。在多相方式中，使输出相位分别不同来对多个开关电源电路11-13进行 开关控制，由此可以在整体上以低脉动(ripple)实现稳定的输出。
电源电路11 ~ 13分别是具有相同电路结构的电流谐振型 降压型DC-DC 变换器。即使是相同的电路结构，由于电路元件的常数偏差，在各电源电路 11 ~ 13的输出中产生比较大的差异。因此需要进行输出电流的调整。
控制块30具备生成使各电源电路11 ~ 13动作的基准时刻的同步信号发 生电路33;进行各电源电路11 13的开关控制的控制电路32;驱动各电源电 路11 ~ 13的高端开关(High Switch )SWH ~ SWH2以及低端开关(Low Switch) SWL SWL2的栅极(Gate)端子的栅极驱动器(Gate Driver) 31;以及接收 电流检测电路20的信号，进行各电源电路11 ~ 13间的电流比较的电流比较电 路34等。另外，虽然省略了图示，但也设置有进行输出电压的检测的误差放 大器、和用于检测谐振开关的断开时刻的检测电路等，将它们的检测信号输入 控制电路32。
控制电路32主要通过PFM (脉沖频率调制)控制来进行各电源电路11 ~ 13的开关控制。另外，控制电路32从电流比较电路34接收各电源电路11 ~ 13的输出电流的比较结果，以如下方式使开关周期的模式(pattern)变化输 出电流增大的电流电路减少开关驱动的次数，输出电流减小的电流电路增加开 关驱动的次数。由此，将各电源电路11~13的输出电流控制得均等。
电流检测电路20具备监视栅极驱动器31的输出信号的高端栅极信号检 测电路21;监视各电源电路11 ~ 13的谐振电容器Cr~ Cr3的电压的电容器电 压检测电路22;根据这些检测电路21、 22的输出，生成表示各电源电路11 13的输出电流量的电流值脉冲Verror的电流值脉沖生成电路23等。
图2表示图1中的一个开关电源电路ll。
开关电源电路11 ~ 13在前面进行了描述，是分别输入直流输入电压Vin, 输出预定直流电压的降压型DC-DC变换器，并且使用了电流谐振型谐振开关 作为进行输入电压Vin的输入的开关。 在开关电源电路ll中设有连接在输入端子间的输入电容器Cin;进行输 入电压Vin的输入和切断的、由MOSFET等构成的高端开关SWH;使高端开 关SWH的电流谐振的谐振电感器Lr以及谐振电容器Cr;通过输入电压Vin 的输入而积蓄电能的电抗器(reactor) Lo;在高端开关SWH的断开期间向电 抗器Lo提供电流的同步整流用的低端开关SWL;连接在输出端子间的输出电 容器Co等。输入电容器Cin和输出电容器Co在各开关电源电路11 13中共 享。
谐振电感器Lr和谐振电容器Cr构成使高端开关SWH中流过的电流大体 正弦波状变化的LC谐振电路。谐振电感器Lr与高端开关SWH串联连接，以 便流过与高端开关SWH中流过的电流相同的电流，谐振电容器Cr连接在谐 振电感器Lr的与所述高端开关SWH反向侧端子与基准电位(例如大地)之 间，以便通过流经谐振电感器Lr的电流被充电。此外，LC谐振电路，只要使 流过高端开关SWH的电流谐振，也可以是其他连接形态，例如可以将谐振电 容器Cr的一端不与大地相连，而与输入电压端子等其他基准电位点相连。
将LC谐振电路(谐振电感器Lr和谐振电容器Cr)的谐振频率设定得高 于电源电路11的开关频率，通过高端开关SWH的一次的导通 断开驱动， 谐振电流流过1周期的量。
图3是表示高端开关的驱动脉冲VHS与输出电流13的关系的波形图。图 4中表示将高端开关SWH导通后的电流路径的说明图。在这些图中，(a)表 示输出电流在零附近或在零以下时的情况，(b)表示输出电流较小时的情况， (c)表示输出电流较大时的情况。
电源电路ll如图3(a) ~ (c)所示，通过开关频率的变化使流过电抗器 Lo的平均电流上下变动，从而跟踪输出电流的变化。另外，在输出电流在零 附近或在零以下的模式A、输出电流较小时的模式B、以及输出电流较大时的 模式C中，将高端开关SWH导通驱动后，流经LC谐振电路的电流如图4所 示各不相同。
即，如图4(a)所示，在输出电流为零电流或在零以下的模式A中，当 使高端开关SWH导通、低端开关SWL断开时，流经谐振电感器Lr的电流和 流经电抗器Lo的反向电流流入谐振电容器Cr，使谐振电容器Cr的充电加快。
另外，如图4(b)所示，在输出电流较小的模式B中，在高端开关SWH 导通的时刻，流经电抗器Lo的电流较小，因此流经谐振电感器Lr的电流直接 流入谐振电容器Cr，立即开始谐振动作。
另外，如图4(c)所示，在输出电流较大的模式C中，在高端开关SWH 刚刚导通后流经谐振电感器Lr的电流直接被电抗器Lo吸收，因此不立即开始 向谐振电容器Cr充电。然后，在谐振电感器Lr的电流增大到与电抗器Lo的 电流相同的值后，开始向谐振电容器Cr充电。即，仅延迟此期间td来开始谐 振动作。另外，如图3(c)所示，在电抗器Lo的电流转为增加的时刻，也与 上述相同地产生延迟时间td的偏移。
图5是表示高端开关的驱动脉沖VHS、谐振电流Il、谐振电容器的电压 Vcr的关系的波形图。该图(a) ~ (c)表示上述模式A C的情况。
如上所述，高端开关SWH的导通驱动时，流经LC谐振电路的电流才艮据 输出电流I3的大小而不同，因此如图5所示，该谐振电流Il和谐振电容器Cr 的电压Vcr也因此而不同。
即，在上述的^^式A时，在开关SWH的导通驱动时，从电抗器Lo逆流 的电流流入谐振电容器Cr,因此电容器电压Vcr成为上升部分的电压增加量 比通常的正弦波形大的波形(图5 (a))。
另外，在上述的模式B时，驱动脉冲VHS成为高电平后，谐振电流I1流 经谐振电容器Cr，立即开始电流谐振，因此电容器电压Vcr大体成为正弦波 状(图5 (b))。
另外，在上述的^t式C时，通过被电抗器Lo吸收的电流延迟开始谐振电 容器Cr的充电，因此形成电容器电压Vcr的波形整体偏移了延迟时间td的量 的波形。另外，由此，谐振电流Il也使电流的振荡中心值上升流经电抗器Lo 的电流量，使供给电流增加(图5 (c))。
接下来，说明基于电流检测电路20中的上述驱动脉冲VHS和电容器电压 Vcr的输出电流13的4t测方法。
图6是表示由驱动脉冲VHS和电容器电压Vcr而生成的电流值脉冲信号 Verror的波形图。该图(a) ~ (c )表示上述^i式A~ C的各种情况。
电流检测电路20的电容器电压检测电路22 (图1 )，如图6(a) ~ (c)
所示，将电容器电压Vcr和预定的阈值进行比较，若超过阈值则将检测信号输 出至电流值脉冲生成电路23。在此，可以使用例如输入电压Vin作为阈值。
高端栅极信号检测电路21 (图1 )，在高端开关SWH的驱动脉冲VHS成 为高电平的时刻，将4t测信号输出至电流值脉冲生成电路23。
电流值脉沖生成电路23,如图6(a) ~ (c)所示，从高端栅极信号检测 电路21的检测信号的输出时刻起，到电容器电压检测电路22的检测信号的输 出时刻为止，将成为高电平的电流值脉沖信号Verror作为表示输出电流量的信 号进行输出。
如图6 (a)所示，当输出电流在零附近或在零以下时，电容器电压Vcr 的上升变得急剧，因此电流值脉冲信号Verror成为脉冲宽度较小的信号。
另外，如图6 (b)、 (c)所示，当输出电流13从小变大时，电容器电压 Vcr的谐振波形对应输出电流13而延迟，因此来自电容器电压检测电路22的 输出也同等地延迟，结果，电流值脉沖信号Verror成为具有与输出电流13相 关的脉冲宽度的信号。另外，该电流值脉冲信号Verror的脉冲宽度和输出电流 13,在输出电流不向正或负方向极端增大的范围内大体为成比例的关系。
因此，通过如此生成的电流值脉冲信号Verror,可以;险测开关电源电路11 的iir出电流量。
图7表示说明使用了图1的多相型电源.装置中的电流值脉冲信号Verror 的控制例的波形图。
在图1的多相型电源装置100中，如上所述，根据各电源电路11~13的 高端开关SWH~ SWH2的导通时刻的检测、以及谐振电容器Cr ~ Cr2的电压 检测，通过电流检测电路20检测各电源电路11 ~ 13的输出电流。
例如，如图7所示，当第一相的电源电路11的输出电流为10A、第二相 的电源电路12的输出电流为20A、第三相的电源电路13的输出电流为30A 时，将各电源电路11-13的输出电流所对应的电流值脉冲信号Verror，与使 各电源电路ll ~ 13进行开关动作的同步信号同步地从电流检测电路20输入控 制块的电流比较电路34。
电流比较电路34根据这些电流值脉冲信号Verror的脉冲宽度，进行各相 的电源电路11 ~ 13的输出电流的比较，将表示该比较结果的信号输出至控制
电路32。并且，控制电路32可以根据该比较结果来进行使输出电流较大的电 源电路13的输出减小，使输出电流较小的电源电路ll的输出增大的控制，实 现各相的电源电路11 ~ 13的输出电流的均衡。
如上所述，根据该实施方式的电源装置100，在电源谐振型开关电源电路 11~13中不增设电阻或线圈等检测用的电路元件，而仅通过比较器等简单的 模拟电路和逻辑电路，便可以分别准确地检测各电源电路11 ~ 13的输出电流。 而且也不需要温度补偿，可以不依赖于电路温度而进行准确的检测。
并且，根据这种输出电流的检测，在采用了电流谐振型开关电源电路的多 相型电源装置100中，可以进行将各电源电路11 ~ 13的输出平均化的驱动控 制。
此外，本发明不限于上述实施方式，而可以进行各种变更。例如，在上述 实施方式中表示了在降压型电流谐振型开关电源电路中应用了本发明的例子， 但在升压型或升降压型的电流谐振型开关电源电路中也可以同样地应用本发 明。另外，也可以将电抗器Lo的部分置换为变压器，构成绝缘型电源电路。 另外，开关元件也不限于MOSFET，可以应用各种晶体管。
而且，在上述实施方式中，通过根据输出电流的检测来使电源电路的开关 周期稍微偏移，对各电源电路的输出电流进行调整，但也可以根据输出电流的 检测来进行电流模式下的开关控制，或者根据输出电流的检测来进行针对输出 端子的短路或过电流的保护控制。
另外，在上述实施方式中，监视栅极驱动器的输出来检测开关元件的动作 时刻，但也可以例如根据生成开关时刻的振荡电路的输出等来进行该时刻检测 等以任何方法进行检测。另外，电容器电压的检测点和检测电压的阈值的设定 等，也可以根据LC谐振电路的结构或连接形态而进行适当变更。
权利要求
1.一种电流谐振型的开关电源电路，具备开关元件、以及使流经该开关元件的电流谐振的LC谐振电路，其特征在于，具备检测电路，该检测电路根据所述开关元件的动作时刻、和所述LC谐振电路的谐振动作中的电压，进行与输出电流量有关的检测。
2. 根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于， 所述检测电路为以下结构根据以所述开关元件的导通时刻为基准的所述LC谐振电路的谐振动作的延迟时间，进行输出电流的检测。
3. 根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于， 所述检测电路为以下结构根据从所述开关元件的导通时刻起直到所述LC谐振电路的电容器电压达到预定电压为止的时间长度，进行输出电流的检 测。
4. 根据权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于， 输入直流电压，并应用所述直流电压作为所述预定电压。
5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的开关电源电路，其特征在于， 所述LC谐振电路具备 与所述开关元件串联连接的谐振电感器；以及 通过流经该谐振电感器的电流被充电的谐振电容器。
6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的开关电源电路，其特征在于， 具备进行所述开关元件的动作控制的控制电路，所述检测电路的输出被包含在所述控制电路的反馈信号中。
7. 根据权利要求6所述的开关电源电路，其特征在于， 所述控制电路根据所述检测电路的输出，使所述开关元件的动作频率变化。
8. 根据权利要求6或7所述的开关电源电路，其特征在于，所述控制电路根据所述检测电路的输出，以电流模式控制所述开关元件。
9. 根据权利要求1至8中任意一项所述的开关电源电路，其特征在于， 设有过电流保护电路，其根据所述检测电路的输出进行输出电流的过电流保护。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的开关电源电路，其特征在于， 具备通过所述开关元件的导通动作输入输入电压来积蓄电能的电抗器;以及在所述开关元件断开期间向所述电抗器提供电流的整流电路， 成为通过所述电抗器中积蓄的电能进行电流输出的结构。
全文摘要
本发明提供一种电流谐振型的开关电源电路(11)，其具备开关元件(SWH)、和使流经该开关元件的电流谐振的LC谐振电路(Lr、Cr)。在电流谐振型开关电源电路中，不在电源电路中设置电流的检测电阻或电容器等电路元件，而仅通过简单的电压检测和逻辑动作，便可以实现准确的输出电流检测。所述开关电源电路具备检测电路(20)，其根据开关元件(SWH)的动作时刻和所述LC谐振电路的谐振动作中的电压，进行与输出电流量有关的检测。检测电路(20)根据从开关元件(SWH)的导通时刻到LC谐振电路的谐振开始为止的延迟时间，检测电源电路的输出电流量。
文档编号H02M3/155GK101192797SQ20071019631
公开日2008年6月4日 申请日期2007年11月30日 优先权日2006年11月30日
发明者岛仁志, 远藤直人 申请人:三美电机株式会社