直流/直流转换器、整流电路、电源适配器、控制方法与流程

本发明涉及绝缘同步整流型dc/dc转换器。

背景技术：

在以ac/dc转换器为代表的各种各样的电源电路中，使用返驰型的dc/dc转换器。图1的(a)是表示二极管整流型的返驰转换器200r的电路图，图1的(b)是表示同步整流型的返驰转换器200s的电路图。

图1的(a)的返驰转换器200r接受输入端子p1的输入电压vin，生成被稳定为预定的目标电压的直流的输出电压vout，并提供给连接在输出端子p2与接地端子p3之间的负载(未图示)。变压器t1的初级绕组w1连接开关晶体管m1，次级绕组w2连接二极管d1。输出电容器c1被连接于输出端子p2。

反馈电路206以与输出电压vout和其目标电压vout(ref)的误差相应的电流驱动光耦合器204的发光元件。光耦合器204的受光元件流过与误差相应的反馈电流ifb。初级侧控制器202接受与反馈电流ifb相应的反馈电压vfb，产生具有与反馈电压vfb相应的占空比(或频率)的脉冲信号，驱动开关晶体管m1。

在图1的(a)的二极管整流型的返驰转换器中，在二极管d1上会发生vf×iout的功率损失。vf是正向电压，iout是负载电流。在vf＝0.5v、iout＝10a时，功率损失为5w。因此，在很多用途中都需要用于冷却二极管d1的散热板或散热器。

图1的(b)的返驰转换器200s中，取代图1的(a)的二极管d1而具有同步整流晶体管m2和同步整流控制器(也称同步整流ic)300s。同步整流控制器300s与初级侧的开关晶体管m1的开关同步地使同步整流晶体管m2开关。

在同步整流型的返驰转换器中，同步整流晶体管m2的损耗为ron×iout²。ron是同步整流晶体管m2的导通电阻，当ron＝5mω、iout＝10a时，损耗为0.5w，与二极管整流型相比大大降低。因此，理论上在同步整流型的情况下不需要散热板或散热器，或可以简化。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-105522号公报

技术实现要素：

〔发明所要解决的课题〕

本发明人们研究图1的(b)的同步整流型的返驰转换器后，认识到以下课题。

在图1的(b)的返驰转换器200s中，若同步整流晶体管m2的栅极源极间短路，则同步整流晶体管m2无法变成导通。或者若在同步整流控制器300s的内部发生了故障，则也可能发生无法使同步整流晶体管m2变成导通的状况。

若同步整流晶体管m2无法变成导通，则同步整流晶体管m2的体二极管d2会成为图1的(a)的二极管d1的代替，作为二极管整流型的转换器继续工作。负载虽然会被继续供给恰当的输出电压vout，但在体二极管d2中会发生高达5w的功率损失。

即，在图1的(b)的返驰转换器200s中，若考虑到同步整流晶体管m2无法变成导通的模式的异常，则针对同步整流晶体管m2也需要采取与图1的(a)的返驰转换器200r同样的散热策略。

本发明是鉴于相关课题而研发的，其一个方案的例示性目的之一在于提供一种能抑制发热的dc/dc转换器。

〔用于解决课题的手段〕

本发明的一个方案涉及一种绝缘同步整流型的dc/dc转换器。dc/dc转换器包括：具有初级绕组和次级绕组的变压器；与变压器的初级绕组相连接的开关晶体管；与变压器的次级绕组相连接的同步整流晶体管；包含发光元件和受光元件的第1光耦合器；驱动第1光耦合器的发光元件，以使得dc/dc转换器的输出电压趋近于目标电压的反馈电路；与第1光耦合器的受光元件相连接、并根据来自第1光耦合器的反馈信号使开关晶体管开关的初级侧控制器；控制同步整流晶体管的同步整流控制器；以及当检测到同步整流晶体管的开关不能状态时，指示初级侧控制器停止开关晶体管的开关的保护电路。

根据该方案，当检测到同步整流晶体管无法变成导通的开关不能状态时，使开关晶体管的开关停止，由此能防止dc/dc转换器继续按二极管整流模式工作，能防止同步整流晶体管发热。

可以是在同步整流晶体管应导通的期间，当其漏极源极间电压的绝对值超过第1阈值电压时，保护电路判定为开关不能状态。

同步整流晶体管导通时的电压降比体二极管的正向电压低。因此，通过在电压降与正向电压之间设置第1阈值电压，能判定同步整流晶体管的开关的有无。

保护电路可以在同步整流晶体管的漏极源极间电压与第2阈值电压交叉的频率脱离了预定的范围时，判定为开关不能状态。

当同步整流晶体管的开关停止时，初级侧的开关晶体管的开关频率会变动，并且同步整流晶体管的漏极源极间电压的频率会追踪它。通过该方案，能判定同步整流晶体管的开关的有无。

保护电路可以基于同步整流晶体管的栅极端子的信号与同步整流控制器的内部信号的匹配性来判定开关不能状态。

由此，能检测栅极端子的短路等。

一个方案的dc/dc转换器可以还包括具有与保护电路相连接的发光元件和与初级侧控制器相连接的受光元件的第2光耦合器。保护电路可以在检测到开关不能状态时驱动第2光耦合器的发光元件，初级侧控制器可以在第2光耦合器的受光元件流过电流时停止开关晶体管的开关。

一个方案的dc/dc转换器可以还包括具有与保护电路相连接的初级绕组和与初级侧控制器相连接的次级绕组的脉冲变压器。保护电路可以在检测到开关不能状态时驱动脉冲变压器的初级绕组，初级侧控制器基于脉冲变压器的次级绕组的状态停止开关晶体管的开关。

保护电路可以在检测到开关不能状态时驱动第1光耦合器的发光元件。

在由保护电路驱动第1光耦合器时，反馈电路的反馈控制成为无效，初级侧的反馈电流增大，反馈电压下降到0v附近。由此，能使开关晶体管的开关停止。

本发明的另一方案涉及电子设备。电子设备可以包括负载、对商用交流电压进行全波整流的二极管整流电路、使二极管整流电路的输出电压并生成直流输入电压的平滑电容器、以及使直流输入电压降压并提供给负载的dc/dc转换器。

本发明的另一方案涉及ac适配器。ac适配器可以包括对商用交流电压进行全波整流的二极管整流电路、使二极管整流电路的输出电压平滑化并生成直流输入电压的平滑电容器、以及使直流输入电压降压并提供给负载的dc/dc转换器。

本发明的另一方案涉及被配置在绝缘同步整流型的dc/dc转换器的次级侧、控制同步整流晶体管的同步整流电路。该同步整流电路包括：基于同步整流晶体管的漏极源极间电压生成控制脉冲的脉冲发生器；基于控制脉冲驱动同步整流晶体管的驱动器；检测同步整流晶体管的开关不能状态的检测电路；以及将检测到开关不能状态的情况通知给被配置在dc/dc转换器的初级侧的初级侧控制器的通知电路。

同步整流电路也可以被一体集成在一个半导体基板上。

所谓“一体集成”，包括电路的全部构成要素都被形成在半导体基板上的情况、以及电路的主要构成要素被一体集成的情况，也可以为调节电路常数而将一部分电阻、电容器等设置在半导体基板的外部。通过将电路集成在1个芯片上，能削减电路面积，并能使电路元件的特性保持均一。

此外，将以上构成要素的任意组合及本发明的构成要素、表现形式在方法、装置、系统等之间相互置换后的方案，作为本发明的方案也是有效的。

[发明效果]

根据本发明的一个方案，能抑制dc/dc转换器的发热。

附图说明

图1的(a)是表示二极管整流型的返驰转换器的电路图，图1的(b)是表示同步整流型的返驰转换器的电路图。

图2是实施方式的dc/dc转换器的电路图。

图3的(a)、(b)是说明第1检测方法的波形图。

图4是与第3检测方法对应的同步整流控制器和保护电路的电路图。

图5是表示同步整流电路的构成例的电路图。

图6的(a)、(b)是表示检测电路的构成例的电路图。

图7是具备dc/dc转换器的ac/dc转换器的电路图。

图8是表示具备ac/dc转换器的ac适配器的图。

图9的(a)、(b)是表示具备ac/dc转换器的电子设备的图。

具体实施方式

以下基于优选实施方式参照附图说明本发明。对各附图所示的相同或同等的构成要素、部件、处理标注相同的符号，并适当省略重复的说明。另外，实施方式仅是例示，并非限定发明，并非实施方式所记述的全部特征及其组合都是发明的本质内容。

在本说明书中，所谓“部件a与部件b相连接的状态”，包括部件a与部件b物理地直接连接的情况，也包括部件a与部件b介由不对电连接状态产生影响或不阻碍功能的其它部件间接相连接的情况。

同样地，所谓“部件c被设置在部件a与部件b之间的状态”，除部件a与部件c、或部件b与部件c直接连接的情况外，还包括介由不对电连接状态产生影响或不阻碍功能的其它部件间接相连接的情况。

图2是实施方式的dc/dc转换器200的电路图。dc/dc转换器200接受输入端子p1的输入电压vin，生成被稳定为预定的目标电压的直流的输出电压vout，提供给输出端子p2上所连接的负载(未图示)。

变压器t1具有初级绕组w1、次级绕组w2和辅助绕组w3。初级绕组w1的一端与输入端子p1连接，被输入直流的输入电压vin。开关晶体管m1的漏极与变压器t1的初级绕组w1的另一端相连接。在开关晶体管m1的源极与地线之间插入有电流检测用的传感电阻rcs。

同步整流晶体管m2和变压器t1的次级绕组w2被串联设置在输出端子p2与接地端子p3之间。在图2中，同步整流晶体管m2被设置在比次级绕组w2靠高电位侧。输出电容器c1被连接在输出端子p2与接地端子p3之间。

第1光耦合器204包含发光元件和受光元件。反馈电路206驱动第1光耦合器204的发光元件，以使得dc/dc转换器200的输出电压vout趋近于目标电压vout(ref)。例如反馈电路206可以包含并联稳压器，也可以包含误差放大器。

初级侧控制器202与第1光耦合器204的受光元件相连接。初级侧控制器202的反馈(fb)端子被输入与流过第1光耦合器204的受光元件的反馈电流ifb相应的反馈信号vfb。另外，初级侧控制器202的电流检测(cs)端子被输入传感电阻rcs所产生的电流检测信号vcs。

初级侧控制器202生成具有与反馈信号vfb相应的占空比(或频率)的脉冲信号s21并从输出(out)端子输出，驱动开关晶体管m1。初级侧控制器202的构成及控制方式并不特别限定。例如初级侧控制器202也可以是电流模式的调制器。此时，脉冲信号s21的占空比被根据电流检测信号vcs进行调节。

变压器t1的辅助绕组w3与二极管d3和电容器c3一起形成自电源电路208。自电源电路208生成的电源电压vcc被提供给初级侧控制器202的电源(vcc)端子。

同步整流控制器300控制同步整流晶体管m2。例如同步整流控制器300基于同步整流晶体管m2的漏极源极间电压vds生成控制脉冲s22(未图示)，并将与控制脉冲s22相应的栅极脉冲s23提供到同步整流晶体管m2的栅极。

保护电路310被构成为能检测同步整流晶体管m2保持截止状态而无法变成导通的状态(开关不能状态)。保护电路310检测到开关不能状态时，指示初级侧控制器202停止开关晶体管m1的开关。保护电路310可以被集成于与同步整流控制器300相同的ic芯片，也可以由另外的ic芯片构成。

例如保护电路310和初级侧控制器202介由第2光耦合器312连接。保护电路310检测到开关不能状态时，驱动第2光耦合器312的发光元件，使流过电流s3。由此，第2光耦合器312的受光元件流过电流s4，初级侧控制器202被通知开关不能状态。初级侧控制器202响应于该通知而停止开关晶体管m1的开关。

以上是dc/dc转换器200的构成。接下来说明其动作。

在同步整流晶体管m2与开关晶体管m1同步地进行开关的正常状态下，dc/dc转换器200作为同步整流型的返驰转换器来工作。

在同步整流晶体管m2的栅极源极间短路、或同步整流控制器300的内部发生故障，同步整流晶体管m2变得无法变成导通时，dc/dc转换器200开始按同步整流模式进行工作。保护电路310检测到同步整流晶体管m2没有进行开关时，介由第2光耦合器312通知给初级侧控制器202。于是开关晶体管m1的开关停止，能防止同步整流晶体管m2的体二极管d2中流过电流。

以上是dc/dc转换器200的动作。根据该dc/dc转换器200，能防止在开关不能状态下，同步整流晶体管m2的体二极管d2中继续流过电流而使得同步整流晶体管m2的封装发热的情况。

另外，通过抑制同步整流晶体管m2的封装的发热，能削减dc/dc转换器200的散热策略所需要的成本。

本发明涉及被作为图2的功能框图或电路图来把握、或从上述说明推导出的各种各样的装置、电路，但不限定于特定的构成。以下，并非为了限缩本发明的范围，而是为了有助于发明本质及电路动作的理解、并使它们明确，来说明更具体的构成例。

接下来针对保护电路310的开关不能状态的检测方法，说明几个例子。

(第1检测方法)

在同步整流晶体管m2应导通的期间，当其漏极源极间电压vds的绝对值超过第1阈值电压vth1时，保护电路310判定为开关不能状态。第1阈值电压vth1被设定得比同步整流晶体管m2流过次级绕组w2的次级电流is时的电压降ron×is大、且比体二极管d2的正向电压vf小。

图3的(a)、(b)是说明第1检测方法的波形图。图3的(a)是正常状态、换言之是同步整流模式的动作的波形图，图3的(b)是开关不能状态、换言之是二极管整流模式的动作波形图。另外，在本说明书中参照的波形图、时序图的纵轴和横轴是为便于理解而适当放大、缩小了的，并且其所示的各波形也为便于理解而简化、或夸张、或者强调了。

在图3的(a)的正常动作时，在同步整流晶体管m2导通期间，其两端间的电压的绝对值为ron×is，比第1阈值电压vth1小。此时，同步整流晶体管m2的漏极电压(vds)变得比负的第1阈值电压-vth1高。另一方面，在图3的(b)的开关不能状态下，体二极管d2会流过电流，故其两端间的电压的绝对值不论次级电流is的量如何都成为正向电压vf，超过第1阈值电压vth1。此时同步整流晶体管m2的漏极电压(vds)变得比负的第1阈值电压-vth1低。

因此，通过第1检测方法，能够判定正常状态和开关不能状态。

(第2检测方法)

保护电路310在同步整流晶体管m2的漏极源极间电压vds与第2阈值电压vth2交叉的频率脱离了预定的范围时，判定为开关不能状态。

同步整流晶体管m2的开关停止时，初级侧的开关晶体管m1的开关频率会发生变动，且同步整流晶体管m2的漏极源极间电压vds的频率会追踪于此。通过第2检测方法，能够基于初级侧的开关频率判定有无同步整流晶体管的开关。

(第3检测方法)

图4是与第3检测方法对应的同步整流控制器300和保护电路310的电路图。保护电路310可以基于同步整流晶体管m2的栅极端子的信号(栅极脉冲s23)与同步整流控制器300的内部信号的匹配性来判定开关不能状态。保护电路310被集成于与同步整流控制器300相同的ic芯片。

同步整流控制器300包括生成用于指示同步整流晶体管m2的导通、截止的控制脉冲s22的逻辑电路302、和根据控制脉冲s22生成同步整流晶体管m2的栅极脉冲s23的驱动器304。

例如保护电路310可以由与门、异或(排他的逻辑和)门或与非门构成。

在正常状态下，当作为内部信号的控制脉冲s22为高电平时，栅极脉冲s23也为高电平。若保护电路310为与门，则其输出为高电平。

假设因同步整流晶体管m2的栅极源极间的短路、或驱动器304的输出的接地短路而出现了开关不能状态。此时即使控制脉冲s22为高电平，栅极脉冲s23也为低电平。若保护电路310为与门，则其输出成为低电平。因此，能够基于与门的输出检测栅极端子的短路等。

在图4中，可以除out管脚外还设有用于监视同步整流晶体管m2的栅极脉冲s23的栅极传感(gs)管脚。保护电路310可以基于作为内部信号的控制脉冲s22和gs管脚的信号的匹配性(整合性)来检测开关不能状态。

在图4中，作为内部信号，利用了表示栅极脉冲s23的期待值的控制脉冲s22，但并不限定于此，也可以参照具有与栅极脉冲s23相反的逻辑的内部信号。

另外，第1检测方法至第3检测方法可以任意组合使用。

图5是表示同步整流电路400的构成例的电路图。同步整流电路400是一体集成了上述的同步整流控制器300和保护电路310的功能ic。

同步整流电路400的漏极(vd)端子与同步整流晶体管m2的漏极相连接，源极(vs)端子与同步整流晶体管m2的源极相连接，输出(out)端子与同步整流晶体管m2的栅极相连接。vs端子与同步整流电路400的地线402相连接，同步整流电路400以同步整流晶体管m2的源极电压为基准进行动作。

同步整流控制器300具有脉冲发生器306和驱动器304。脉冲发生器306基于同步整流晶体管m2的漏极源极间电压vds生成控制脉冲s22。另外，由于同步整流电路400的基准是同步整流晶体管m2的源极电位，故漏极源极间电压vds与漏极电压vd是等效的。即，脉冲发生器306基于同步整流晶体管m2的漏极电压vd生成控制脉冲s22。

脉冲发生器306包括第1比较器cmp1、第2比较器cmp2、触发器ff1。第1比较器cmp1是为检测开关晶体管m1的变成截止而设的。第1比较器cmp1将vd端子的漏极电压(漏极源极间电压)vd与负的预定的第1阈值电压vtha(例如-150mv)进行比较，若它们交叉，则将置位信号(置位信号)son置为有效(高电平)。具体来说，若漏极电压vd比vtha低、换言之漏极源极间电压vds为负电压，则置位信号son成为高电平。置位信号son被输入到d触发器ff1的时钟端子，控制脉冲s22响应于置位信号son的上升沿而成为高电平。也可以取代d触发器ff1而采用rs触发器。

第2比较器cmp2是为(ii)检测在同步整流晶体管m2导通期间次级绕组w2所流过的次级电流is实质变成零的情况而设的。在同步整流晶体管m2导通期间，从同步整流晶体管m2的源极向漏极流过电流is，漏极源极间电压vds成为负电压，其绝对值与电流is的电流量相应。因此，第2比较器cmp2将漏极电压vd与被设定为零附近的负的阈值电压vthb(例如-10mv)进行比较，若漏极电压vd变得比阈值电压vthb高，则使复位信号(复位信号)soff置为有效(低电平)。复位信号soff被输入到触发器ff1的复位端子(反转逻辑)，控制脉冲s22响应于复位信号soff的下降沿而变成低电平。

保护电路310包括检测电路314和通知电路316。检测电路314检测同步整流晶体管m2的开关不能状态。通知电路316接受检测信号s24，当开关不能状态被检测到时，将此情况通知给被配置在dc/dc转换器的初级侧的初级侧控制器202。例如通知电路316被构成为能驱动同步整流电路400所外装的第2光耦合器312的方式，例如可以具有开路集电极或开路漏极形式的输出级。

图6的(a)、(b)是表示检测电路314的构成例的电路图。图6的(a)的检测电路314a对应于第1检测方法。检测电路314a包括第3比较器cmp3。第3比较器cmp3将漏极电压vd(漏极源极间电压vds)与第1阈值电压vth1进行比较，当漏极源极间电压vds超过第1阈值电压vth1时，将比较信号s25置为有效(例如高电平)。锁存电路318在比较信号s25被置为有效时，将检测信号s24置为有效。锁存电路318可以是通知电路316的一部分。

图6的(b)的检测电路314b对应于第2检测方法。检测电路314b包括第4比较器cmp4和频率检测电路320。第4比较器cmp4将漏极电压vd(漏极源极间电压vds)与第2阈值电压vth2进行比较。第4比较器cmp4的输出s26在每次漏极源极间电压vds与第2阈值电压vth2交叉时发生转变。频率检测电路320测定第4比较器cmp4的输出s26的频率(周期)，当其脱离了预定范围时，将检测信号s24置为有效。需要说明的是，第4比较器cmp4也可以沿用图5的第1比较器cmp1或第2比较器cmp2。

以上，基于实施方式说明了本发明。该实施方式只是例示，本领域技术人员应理解其各构成要素和各处理步骤的组合可以有各种各样的变形例，并且这样的变形例也包含在本发明的范围内。以下，说明这样的变形例。

(第1变形例)

在实施方式中，是通过第2光耦合器312从保护电路310向初级侧控制器202通知开关不能状态的，但通知手段不限于此。也可以取代光耦合器而采用脉冲变压器等变压器。

(第2变形例)

或者，也可以省略第2光耦合器312。保护电路310可以在检测到开关不能状态时驱动第1光耦合器204的发光元件。在由保护电路310驱动第1光耦合器204时，反馈电路206的反馈控制成为无效，初级侧的反馈电流ifb增大，反馈电压vfb下降到0v附近。由此，能够使开关晶体管m1的开关停止。

(第3变形例)

同步整流晶体管m2被设置在比次级绕组w2靠低电位侧(接地端子p3侧)。

(用途)

接下来，说明实施方式所说明的dc/dc转换器200的用途。dc/dc转换器200能够用于ac/dc转换器100。图7是具备dc/dc转换器200的ac/dc转换器100的电路图。

ac/dc转换器100包括滤波器102、整流电路104、平滑电容器106和dc/dc转换器200。滤波器102除去交流电压vac的噪声。整流电路104是对交流电压vac进行全波整流的二极管桥电路。平滑电容器106使被全波整流后的电压平滑化，生成直流电压vin。dc/dc转换器200接受直流电压vin，生成输出电压vout。

图8是表示具有ac/dc转换器100的ac适配器800的图。ac适配器800包括插头802、壳体804、连接器806。插头802从未图示的插座接受商用交流电压vac。ac/dc转换器100被安装在壳体804内。ac/dc转换器100所生成的直流输出电压vout被从连接器806提供给电子设备810。作为电子设备810，可以例示笔记本型pc、数字照相机、数字摄像机、便携式电话、便携式音频播放器等。

图9的(a)、(b)是表示具有ac/dc转换器100的电子设备900的图。图9的(a)、(b)的电子设备900是显示器装置，但电子设备900的种类不特别限定，可以是音频设备、冰箱、洗衣机、吸尘器等，只要是内置电源装置的设备即可。

插头902从未图示的插座接受商用交流电压vac。ac/dc转换器100被安装在壳体904内。ac/dc转换器100所生成的直流输出电压vout被提供给同一壳体904内所安装的微型计算机、dsp(digitalsignalprocessor：数字信号处理器)、电源电路、照明设备、模拟电路、数字电路等负载。

基于实施方式，用具体的语句说明了本发明，但实施方式只是表示本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内，实施方式可以有多种变形例或配置的变更。

[符号说明]

p1...输入端子、p2...输出端子、m1...开关晶体管、m2...同步整流晶体管、c1...输出电容器、t1...变压器、w1...初级绕组、w2...次级绕组、w3...辅助绕组、d1...二极管、d2...体二极管、100...ac/dc转换器、102...滤波器、104...整流电路、106...平滑电容器、200...dc/dc转换器、202...初级侧控制器、204...第1光耦合器、206...反馈电路、300...同步整流控制器、302...逻辑电路、304...驱动器、306...脉冲发生器、310...保护电路、312...第2光耦合器、314...检测电路、316...通知电路、318...锁存电路、320...频率检测电路、cmp1...第1比较器、cmp2...第2比较器、ff1...触发器、400...同步整流电路、800...ac适配器、802...插头、804...壳体、806...连接器、810，900...电子设备、902...插头、904...壳体、s22...控制脉冲、s23...栅极脉冲、s24...检测信号、s25...比较信号。