开关电源装置的制作方法

本发明涉及一种开关电源装置。

背景技术：

开关电源装置中，在所设计的负载时，按照设计来动作。然而，在轻负载时或者无负载时，要进行与所述不同的动作，因此需要某些对策。例如在日本专利特开2003-52174号公报(专利文献1)揭示了一种开关电源装置，其包括：用于检测轻负载的电路；以及控制电路，响应轻负载检测信号而使开关元件间歇地动作。例如，日本专利特开平8-340675号公报(专利文献2)揭示了一种虚设(dummy)负载，其在开关电源电路的轻负载时，连接于开关电源电路的输出。

[现有技术文献]

[专利文献]

专利文献1：日本专利特开2003-52174号公报

专利文献2：日本专利特开平8-340675号公报

技术实现要素：

[发明所要解决的问题]

近年来，llc方式的直流/直流(directcurren/directcurren，dc/dc)转换器(converter)(以下称作llc共振转换器)已得到广泛使用。在llc方式中，利用由两个电感(inductance)(l)与一个电容(capacitance)(c)产生的共振，来实现软开关(softswitching)。

在llc方式的情况下，在轻负载时，开关频率上升。因为这是llc方式的特性。因此，若在llc共振转换器的额定输出时以高的开关频率来使开关元件动作，则轻负载时的开关频率将进一步上升，因此控制电路(ic)有可能变得无法控制开关元件。此种情况下，llc共振转换器进行突发(burst)动作。

本发明的目的在于提供一种在轻负载时难以产生突发动作的llc方式的开关电源装置。

[解决问题的技术手段]

根据本揭示的一例，开关电源装置包括llc共振转换器。llc共振转换器包括：变压器，具有一次绕组及二次绕组；第一电容器，连接于变压器的一次绕组；开关电路，控制对变压器及第一电容器的通电；整流电路，连接于变压器的二次绕组；第二电容器，连接于整流电路；以及输出端子，连接于整流电路及第二电容器。开关电源装置还包括稳定化电路，所述稳定化电路连接于输出端子，在llc共振转换器的轻负载时消耗电力。

根据所述结构，能够提供一种在轻负载时难以产生突发动作的llc方式的开关电源装置。在轻负载时，稳定化电路产生负载而消耗电力。由此，llc共振转换器的开关频率的上升得到抑制。因此，能够防止开关电源装置跳转到突发动作状态。

优选的是，稳定化电路包括：轻负载检测电路，基于在包含变压器的二次绕组、整流电路及第二电容器的llc共振转换器的二次侧电路中流动的二次侧电流，来检测llc共振转换器的轻负载状态；以及晶体管，电连接于llc共振转换器的输出端子与接地(ground)之间，通过轻负载检测电路来导通。

根据所述，能够仅在轻负载状态下使稳定化电路动作，因此能够防止在开关电源装置的通常动作时，开关电源装置的效率下降。

优选的是，轻负载检测电路包括：第一电阻，将二次侧电流转换为第一电压；第二电阻，将流入晶体管的电流转换为第二电压；电压产生电路，产生与第一电压的变化反向地变化的第三电压；以及驱动电路，当第三电压超过第二电压时，使晶体管导通。

根据所述，能够基于二次侧电流与流入晶体管的电流，来检测开关电源装置是否处于轻负载状态。

优选的是，电压产生电路包括：电阻电路，包含串联连接在llc共振转换器的输出端子与接地之间的多个电阻；第一放大器(amplifier)，对第一电压进行放大；以及第二放大器，具有第一输入以及第二输入，并输出用于驱动晶体管的电压，第一输入连接于第一放大器的输出与电阻电路的输出而接受第三电压，第二输入接受第二电压。

根据所述，当二次侧电流下降时，能够使一定的电流流过晶体管。因此，能够在开关电源装置的轻负载状态下使稳定化电路动作。当因开关电源装置的负载变高而二次侧电流上升时，晶体管断开。因此，能够仅在轻负载状态下使稳定化电路动作。

[发明的效果]

根据本发明，能够在llc方式的开关电源装置的轻负载时使突发动作难以产生。

附图说明

图1是本实施方式的开关电源装置的电路图。

图2是稳定化电路的结构例的等效电路图。

图3是用于说明图2所示的稳定化电路的动作的图。

图4是表示llc共振转换器的轻负载时的动作例的电压波形图。

图5是表示llc共振电路的标准化频率特性的图。

图6的(a)及图6的(b)是说明本实施方式的稳定化电路的效果的电压波形图。

[符号的说明]

1：电源

2：变压器

3：二次侧电路

4、5：输出端子

8：稳定化电路

10：开关电源装置

11：轻负载检测电路

12：电压产生电路

13：驱动电路

20：芯材

22：一次绕组

23：二次绕组

c1、c2、c3：电容器

d1、d2：二极管

15：控制ic

n1：连接点

op1、op2：运算放大器

q1、q2：半导体开关

r1、r2、r11、r12、r13、r14、r21、r22、r23、r24、r25、r26：电阻

tr1：晶体管

v1、v2、v3、v4、von：电压

vin：直流电压

f0：频率

i、i1、i2、i3：电流

具体实施方式

一边参照附图，一边详细说明本发明的实施方式。另外，对于图中的相同或相当的部分，标注同一符号并不再重复其说明。

＜适用例＞

首先，使用图1来说明适用本发明的场景的一例。图1是本实施方式的开关电源装置的电路图。如图1所示，本实施方式的开关电源装置10是采用llc方式的开关电源装置。

开关电源装置10包括llc共振转换器。llc共振转换器例如包括：作为金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)的半导体开关q1、半导体开关q2、变压器2、电容器c1、电容器c2、二次侧电路3以及输出端子4、输出端子5。

变压器2包含芯材(core)20、一次绕组22及二次绕组23。电容器c1、c2连接于变压器2的一次绕组22。具体而言，一次绕组22的第一端连接于电容器c1的第一端。一次绕组22的第二端连接于电容器c2的第一端。另外，电容器c1的第二端与电容器c2的第二端彼此连接，并且连接于电源1的负极。本实施方式中，电容器c2相当于“第一电容器”。

变压器2也可具有将共振电感器与紧耦合变压器组合而成的结构。即，也可将一次绕组的一部分用于共振电感器，由一次绕组的另一部分与二次绕组23构成紧耦合变压器。或者，变压器2也可为漏磁通变压器。此时，能够将漏电感用于共振电感器。因此，能够使共振电感器与紧耦合变压器一体化。

半导体开关q1、q2构成控制对变压器2、电容器c2(第一电容器)及电容器c1的通电的开关电路。具体而言，半导体开关q1、q2串联连接于电源1的正极与电源1的负极之间而构成半桥(halfbridge)电路。半导体开关q1、q2的连接点n1连接于变压器2的一次绕组22的第一端。电源1是输出直流电压vin的直流电源。半导体开关q1、q2例如根据来自控制ic15(但并不限定于控制ic15)的控制信号来控制导通及断开。

二次侧电路3包含变压器2的二次绕组23、二极管d1、二极管d2、电容器c3。二极管d1、d2构成连接于变压器2的二次绕组23的整流电路。电容器c3(第二电容器)连接于此整流电路。

开关电源装置10还包含稳定化电路8。稳定化电路8连接于llc共振转换器的输出端子4、5。详细而言，稳定化电路8在开关电源装置10(llc共振转换器)的轻负载时消耗电力。在llc方式的情况下，在轻负载时，开关频率上升。若以高的开关频率来使开关元件动作，则在轻负载时，开关频率将进一步上升，因此控制ic有可能变得无法控制半导体开关。然而，通过稳定化电路8来消耗电力，从而补偿开关电源装置10的轻负载。由此，能够抑制开关频率的上升，因此能够降低开关电源装置10(llc共振转换器)进行突发动作的可能性。

＜稳定化电路的结构＞

图2是稳定化电路8的结构例的等效电路图。如图2所示，稳定化电路8包括轻负载检测电路11及晶体管tr1。轻负载检测电路11基于流入开关电源装置10(llc共振转换器)的二次侧电路3的电流，来检测开关电源装置10(llc共振转换器)的轻负载状态。

晶体管tr1电连接于llc共振转换器的输出端子4与接地之间，通过轻负载检测电路11来导通。通过晶体管tr1的导通，稳定化电路8消耗电力。由此，能够使开关电源装置10的轻负载时的动作稳定。另外“vcc”表示在图1所示的输出端子4上产生的电压。

轻负载检测电路11包括电阻r1、电阻r2、电压产生电路12及驱动电路13。电阻r1是用于将流入二次侧电路3的电流转换为第一电压(电压v1)的电阻。换言之，电阻r1是用于对流入二次侧电路3的电流进行检测的电阻。电阻r1的第一端连接于变压器2(参照图1)的二次绕组23的中间抽头(tap)。电阻r1的第二端连接于接地。

电阻r2是用于将流入晶体管tr1的电流转换为第二电压(电压v2)的电阻。换言之，电阻r2是用于对流入晶体管tr1的电流进行测定的电阻。电阻r2连接于晶体管tr1与接地之间。通过使用电阻r1、r2，能够基于二次侧电路3的电流与流入晶体管tr1的电流，来检测开关电源装置10是否处于轻负载状态。

电压产生电路12是产生与第一电压(电压v1)反向地变化的第三电压(电压v3)的电路。所谓“反向”，是对应下述关系：当电压v1、v3中的其中一个电压上升时，另一个电压下降。电压产生电路12包括运算放大器op1与电阻r11、r12、r13、r14、r21、r22、r23、r24。

电阻r11连接电阻r1的第一端与运算放大器op1的非反相输入(+侧的输入)。电阻r12连接电阻r1的第二端与运算放大器op1的反相输入(-侧的输入)。电阻r13连接运算放大器op1的反相输入与接地。电阻r14连接运算放大器op1的输出与运算放大器op1的非反相输入。由此，运算放大器op1对电压v1进行放大。

电阻r21与电阻r22串联连接于输出端子4(电压vcc)与接地之间而构成电阻电路。电阻r21与电阻r22的连接点相当于电阻电路的输出点。从电阻电路的输出点，输出与电压vcc成比例的电压v4(将电压vcc乘以分压比所得的电压)。

电阻r23与电阻r24串联连接于运算放大器op1的输出。电阻r23与电阻r24的连接点连接于电阻r21与电阻r22的连接点。借助此种结构，当流入二次侧电路3的电流下降时，能够使一定的电流流过晶体管tr1。因此，能够在开关电源装置10的轻负载状态下使稳定化电路8动作。另一方面，当因开关电源装置10的负载变高而流入二次侧电路3的电流上升时，晶体管tr1断开。因此，能够仅在轻负载状态下使稳定化电路8动作。

驱动电路13包括op2与电阻r25、r26。运算放大器op2是用于仅在轻负载使晶体管tr1导通的运算放大器。运算放大器op2的非反相输入(+侧的输入)连接于电阻r24的其中一端。由此，对运算放大器op2的非反相输入(+侧的输入)施加电压v3。另一方面，运算放大器op2的反相输入(-侧的输入)经由电阻r26而连接于晶体管tr1与电阻r2的连接点。由此，对运算放大器op2的反相输入(-侧的输入)施加电压v2。运算放大器op2的输出经由电阻r25而连接于晶体管tr1的控制电极。

图3是用于说明图2所示的稳定化电路的动作的图。在开关电源装置10的轻负载时，流入电阻r1的电流i小。因此，电压v1小。此时，在运算放大器op1中产生的负电压变小。若对朝向运算放大器op1的输出而流经电阻r23的电流i1、与从输出端子4流经电阻r21的电流i2进行比较，则i2＞i1。其结果，运算放大器op2的+侧的输入电压(v3)变大。即，当电压v1变小时，电压v3变大。由于电压v3高于运算放大器op2的-侧的输入电压(v2)，因此运算放大器op2的输出电平(level)为高(high)。由此，从运算放大器op2输出电压von。通过对晶体管tr1的控制电极施加电压von，从而晶体管tr1导通。

当晶体管tr1导通时，具有一定大小的电流i3流入晶体管tr1及电阻r2。因此，具有vcc×i3的大小的电力被电阻r2消耗。

当开关电源装置10的负载(图3未示)增大而流入此负载的电流(即电流i)达到一定以上的大小时，电压v1变大。由此，电流i1的值变大。此时，电压v3下降。即，当电压v1变大时，电压v3下降。当i1＞i2时，运算放大器op2的输出电平由高变为低(low)。当运算放大器op2的输出电平变为低时，晶体管tr1断开。因此，电阻r2对电力的消耗停止。这样，稳定化电路8能够仅在开关电源装置10的轻负载状态(即电流i较一定值进一步下降时)下消耗电力。

＜llc共振转换器的动作＞

在开关电源装置10中，由一次绕组的共振电感器的电感(或漏电感)与电容器c2的电容构成共振电路。在llc共振转换器中，利用lc共振，通过频率变化来控制输出电压。共振角频率ω0是由共振电感器的电感(lsr)与电容器c2的电容(cr)而以下述方式而定。

ω0＝1/(lsr×cr)^1/2

另外，所述式中，用幂(1/2次方)的形式来表示平方根(√)。频率f0＝ω0/2π例如为约100khz。

图4是表示llc共振转换器的轻负载时的动作例的电压波形图。另外，图4表示变压器2的二次绕组23的电压波形。例如假设开关电源装置10的通常输出为dc24v。参照图4，轻负载时，通过电涌(surge)的部分来维持输出电压24v。但是，实质上的输出电压的大小为虚线所示部分的大小。轻负载时的实质上的输出低于原本的输出电压(24v)。

图5是表示llc共振电路的标准化频率特性的图。参照图5，图表的横轴(fr)表示通过共振角频率ω0而标准化的频率。即，横轴的数值表示开关频率ω相对于共振角频率ω0之比(ω/ω0)。图表的纵轴表示输出电压相对于输入电压之比。另外，图表中记载的k表示变压器的耦合常数(例如k＝0.85)。

llc共振电路是以fr＝1(ω＝ω0)的动作点为中心进行动作。因轻负载而q变高，因此增益(gain)的波峰(peak)移动向低频区域。此时，输出电压下降，开关电源装置10的增益下降，因此开关频率ω上升。当开关频率ω上升时，动作点移动向fr＞1的区域。当开关电源装置10仍保持轻负载，而开关频率ω上升时，开关电源装置10有可能进行突发动作。

＜稳定化电路的动作及效果＞

本实施方式中，通过在开关电源装置10的输出处设置稳定化电路8，从而能够在轻负载时使突发动作难以产生。

图6的(a)及图6的(b)是说明本实施方式的稳定化电路8的效果的电压波形图。图6的(a)是llc共振转换器在轻负载状态下动作时的电压波形图。图6的(b)是对llc共振转换器附加有稳定化电路8时的电压波形图。在图6的(a)与图6的(b)之间，横轴的时间尺度(scale)相同。

如根据图6的(a)及图6的(b)的比较可理解的，在轻负载时，开关频率高。当发生突发时，llc共振转换器的状态成为间歇动作状态，因此存在轻负载时的噪声(noise)增大或者因负载变动引起的反应变慢的问题。如图6的(b)所示，本实施方式的开关电源装置10在轻负载时使稳定化电路8动作。稳定化电路8产生负载而消耗电力。由此，开关频率ω的上升得到抑制，因此可防止开关电源装置10跳转到突发动作状态。

而且，根据本实施方式，不会发生突发，由此，能够抑制轻负载时的波纹噪声(ripplenoise)的增加。进而，能够进行波纹噪声频率的稳定化、或者动态负载变动的改善。

而且，若以始终消耗电力的方式来构成稳定化电路8，则在开关电源装置10的通常动作时，开关电源装置10的效率将下降。除此以外，开关电源装置10所产生的热量会增大。本实施方式中，稳定化电路8仅在轻负载时消耗电力。因此，能够避免在开关电源装置10的通常动作时效率下降，并且能够抑制所产生的热量的增大。

若考虑到在轻负载时开关频率会上升来选择半导体开关q1、q2，则对于半导体开关q1、q2，必须选择高频用的半导体开关。但是，在一般的llc共振转换器的情况下，开关频率为100khz左右。若要选择在更高的开关频率下也能动作的半导体开关，则半导体开关q1、q2的选择范围将变窄。根据本实施方式，能够通过稳定化电路8来防止突发动作，因此能够抑制半导体开关q1、q2的开关频率的上升。因此，能够扩大半导体开关q1、q2的选择范围。由此，能够提高开关电源装置10的设计自由度。

＜附注＞

如上所述，本实施方式包含如下所述的揭示。

(结构1)

一种开关电源装置10，包括llc共振转换器，所述llc共振转换器包括：

变压器2，具有一次绕组22及二次绕组23；

第一电容器c2，连接于所述变压器2的所述一次绕组22；

开关电路q1、q2，控制对所述变压器2及所述第一电容器c2的通电；

整流电路d1、d2，连接于所述变压器2的所述二次绕组23；

第二电容器c3，连接于所述整流电路d1、d2；以及

输出端子4，连接于所述整流电路d1、d2及所述第二电容器c3，

所述开关电源装置10还包括稳定化电路8，所述稳定化电路8连接于所述输出端子4，在所述llc共振转换器的轻负载时消耗电力。

(结构2)

根据结构1所述的开关电源装置10，其中，

所述稳定化电路8包括：

轻负载检测电路11，基于在包含所述变压器2的所述二次绕组23、所述整流电路d1、d2及所述第二电容器c3的所述llc共振转换器的二次侧电路3中流动的二次侧电流i，来检测所述llc共振转换器的轻负载状态；以及

晶体管tr1，电连接于所述llc共振转换器的所述输出端子4与接地之间，通过所述轻负载检测电路11来导通。

(结构3)

根据结构2所述的开关电源装置10，其中，

所述轻负载检测电路11包括：

第一电阻r1，将所述二次侧电流i转换为第一电压v1；

第二电阻r2，将流入所述晶体管tr1的电流转换为第二电压v2；

电压产生电路12，产生与所述第一电压v1的变化反向地变化的第三电压v3；以及

驱动电路13，当所述第三电压v3超过所述第二电压v2时，使所述晶体管tr1导通。

(结构4)

根据结构3所述的开关电源装置10，其中，

所述电压产生电路12包括：

电阻电路，包含串联连接在所述llc共振转换器的所述输出端子4与接地之间的多个电阻r21、r22；

第一放大器op1，对所述第一电压进行放大；以及

第二放大器op2，具有第一输入以及第二输入，并输出用于驱动所述晶体管的电压von，所述第一输入连接于所述第一放大器op1的输出与所述电阻电路r21、r22的输出而接受所述第三电压v3，所述第二输入接受所述第二电压v2。

对本发明的实施方式进行了说明，但应认为，此次揭示的实施方式在所有方面仅为例示而非限制者。本发明的范围是由权利要求所示，意图包含与权利要求均等的含义及范围内的所有变更。