直流电源装置的制作方法

本发明涉及具备了电压转换用变压器的直流电源装置，特别是涉及在具有功率因数改善电路的开关控制方式的绝缘型直流电源装置中利用的有效的技术。

背景技术：

在直流电源装置中存在绝缘型ac－dc转换器，该绝缘型ac－dc转换器由对交流电源进行整流的二极管桥接电路、和使被该电路整流的直流电压降压并转换成所希望的电位的直流电压的dc－dc转换器等构成。作为绝缘型的ac－dc转换器，例如已知有如下的开关电源装置：利用pwm(脉冲宽度调制)控制方式、pfm(脉冲频率调制)控制方式等接通、断开驱动与电压转换用变压器的初级侧线圈串联地连接的开关元件，而控制在初级侧线圈流经的电流，控制被次级侧线圈感应的电压。

另外，在开关电源装置中，存在为了减少在电源产生的高次谐波电流而将功率因数改善电路(以下，称为pfc电路)设置于初级侧的情况。另外，在设置了pfc电路的开关电源装置中，存在为了减少轻负载时的电力损失，而要求具有使pfc电路断开的功能的情况。以往，作为与具有使pfc电路断开的功能的电源装置有关的发明，例如存在专利文献1、2所记载的发明。

专利文献1：日本专利第3517849号公报

专利文献2：日本专利第4229068号公报

专利文献1记载的开关电源装置在pfc电路中设置负载状态检测单元，该负载状态检测单元在轻负载时，与从驱动连接于变压器的初级线圈的开关单元的控制电路输出的控制脉冲信号的脉冲宽度变窄且变压器的初级线圈的两端的电压减少对应地，检测被变压器的三级线圈(辅助线圈)感应的电压降低，在负载状态检测单元检测到三级线圈的两端电压的减少时，使接通、断开pfc电路的控制电路的动作停止，从而能够减少轻负载时的电力损失。

然而，专利文献1记载的开关电源装置作为实际的动作，即使脉冲宽度变窄，也仅是对变压器施加电压的时间缩短，被施加的电压本身不变。另外，在轻负载时，开关一个周期的脉冲的宽度变窄，并且在开关元件的断开时产生的振铃电压降低，因此被辅助线圈电压的平滑电容器充电的直流电压降低，但被辅助线圈感应的电压本身不变化。另外，在专利文献1的开关电源装置中，在控制电路的接通、断开不设置滞后，因此在负载的大小位于控制电路的接通、断开的切换等级的附近的情况下，存在可能引起控制电路反复接通与断开的振荡现象的课题。

另一方面，在专利文献2中记载了：在设置了对连接于变压器的初级线圈的开关单元进行驱动的控制电路及pfc电路、将负载状态检测电路以及检测并输出该负载状态检测电路为轻负载状态的信号设为输入并输出表示经过了预先设定的时间的信号的期间设定电路、以及根据从该期间设定电路输出的信号对pfc电路进行接通、断开控制的pfc接通断开切换电路的开关电源装置中，pfc接通断开切换电路中使用施密特触发电路，由此使pfc电路的接通、断开切换控制具有滞后。

然而，在专利文献2记载的开关电源装置中，由于无法分别独立地设定将pfc电路从接通切换成断开时的输出电流值或者切换负载率(相对于额定负载的比例)和将pfc电路从断开切换成接通时的输出电流值或者负载率，所以存在在具有新的效率限制的情况下难以迅速进行应对的课题。

技术实现要素：

本发明是着眼于上述的课题而完成的，其目的在于，提供一种如下的技术：在具备功率因数改善电路的直流电源装置中，在轻负载时使功率因数改善电路断开而进行效率改善，并且能够防止在功率因数改善控制电路动作时引起电路反复接通与断开的振荡现象，且能够分别独立自由地设定将功率因数改善电路从接通切换成断开时的负载率或输出电流值和将功率因数改善电路从断开切换成接通时的负载率或输出电流值。

本发明的其他的目的在于，提供一种在具有新的效率限制的情况下，能够容易且迅速地应对的直流电源装置。

为了实现上述目的，本发明为一种直流电源装置，构成为具备：

变压器，其具备辅助线圈的电压转换用的；第1开关元件，其连接于该变压器的初级侧线圈的一个端子与接地点之间；第1控制电路，其生成并输出对该第1开关元件进行接通、断开控制的驱动脉冲；功率因数改善电路，其具有连接于直流输入端子与上述变压器的初级侧线圈的一个端子之间的升压线圈以及连接于该升压线圈的上述变压器侧的端子与接地点之间的第2开关元件、具有对该第2开关元件进行接通、断开控制的第2控制电路，

上述第1控制电路以及上述第2控制电路构成为通过被上述变压器的辅助线圈感应的电压进行动作，

在上述辅助线圈的一个端子与上述第2控制电路的电源端子之间设置有上述第2控制电路的接通断开切换电路，

上述接通断开切换电路具备：负载状态检测单元，其基于被上述辅助线圈感应的电压检测轻负载状态；动作控制单元，若通过该负载状态检测单元检测到轻负载状态则使上述第2控制电路的动作停止；滞后赋予单元，其对上述负载状态检测单元的动作赋予滞后特性。

根据具有上述的结构的直流电源装置，能够使功率因数改善电路(pfc电路)的接通、断开切换控制具有滞后，因此能够防止引起控制电路(pfc控制电路)反复接通与断开的振荡现象，并且能够分别独立自由地设定将功率因数改善电路从接通切换成断开时的负载率或输出电流值和将功率因数改善电路从断开切换成接通时的负载率或输出电流值。另外，在具有新的效率限制的情况下，变更负载率或输出电流值，由此能够实现能够容易且迅速地应对的直流电源装置。

这里，优选在上述变压器的辅助线圈的一个端子连接有第1整流平滑电路，该第1整流平滑电路由整流元件和电容元件构成，对被上述辅助线圈感应的电压进行整流平滑，

上述动作控制单元具备连接于上述第1整流平滑电路的输出节点与上述第2控制电路的电源端子之间的开关单元，

若通过上述负载状态检测单元检测到轻负载状态，则将上述开关单元设为断开状态，而构成为能够切断向上述第2控制电路的电压供给。

根据上述的结构，由于是在轻负载时切断向构成功率因数改善电路的第2控制电路(pfc控制电路)的电源电压的供给，由此使功率因数改善电路的动作停止的结构，所以与输送控制信号而使动作停止的结构相比，能够进一步减少轻负载时的电力损失。

另外，优选具备第2整流平滑电路，该第2整流平滑电路连接于上述辅助线圈的一个端子，由对被上述辅助线圈感应的电压进行整流平滑的整流元件与电容元件构成，

构成上述第2整流平滑电路的电容元件的容量值被设定为构成上述第1整流平滑电路的电容元件的容量值的1/100以下，

上述负载状态检测单元构成为基于被上述第2整流平滑电路整流平滑的电位来检测轻负载状态。

根据涉及的结构，由于是基于被具有容量值较小的电容元件的第2整流平滑电路整流平滑的电位来检测轻负载状态的结构，所以能够容易且可靠地检测辅助线圈的感应电压的变动，由此，能够迅速地检测轻负载的状态，使功率因数改善电路的动作停止，减少电力损失。另外，由于为向第2控制电路(pfc控制电路)供给被具有容量值较大的电容元件的第1整流平滑电路整流平滑的电压作为电源电压的结构，所以能够使第2控制电路稳定地动作。

另外，优选上述负载状态检测单元具备并联稳压元件，

对上述并联稳压元件的参考端子施加由上述滞后赋予单元生成的第1电压或者与该第1电压不同的第2电压，

上述动作控制单元构成为根据上述并联稳压元件的阴极端子的电压，将上述开关单元设为接通状态或者断开状态。

根据上述的结构，使用并联稳压元件(ic)，因此能够利用较少的部件件数紧凑地构成功率因数改善电路的接通、断开切换电路。

根据本发明，在具备功率因数改善电路的直流电源装置中，在轻负载时使功率因数改善电路断开，进行效率改善，并且能够防止在功率因数改善控制电路动作时引起电路反复接通与断开的振荡现象，并且能够分别独立自由地设定将功率因数改善电路从接通切换成断开时的负载率或输出电流值和将功率因数改善电路从断开切换成接通时的负载率或输出电流值。另外，在具有新的效率限制的情况下，能够实现能够容易且迅速地应对的直流电源装置的效果。

附图说明

图1是表示作为本发明的开关电源装置的ac－dc转换器的一个实施方式的电路构成图。

图2是表示图1的ac－dc转换器的设置于变压器的初级侧的功率因数改善电路的接通断开切换电路的具体例的电路构成图。

图3表示功率因数改善电路的接通、断开切换负载率的设定例，(a)是表示将75％设定为切换负载率时的断开范围与接通范围的关系的图，(b)是表示将25％设定为切换负载率时的断开范围与接通范围的关系的图，(c)是表示以切换负载率50％较小地设定滞后宽度时的断开范围与接通范围的关系的图，(d)是表示以切换负载率50％较大地设定滞后宽度时的断开范围与接通范围的关系的图。

图中：11－二极管桥接电路(整流电路)，12－变压器，13－电源控制电路(第1控制电路：电源控制用ic)，14－功率因数改善电路(pfc电路)，15－pfc接通断开切换电路，16－次级侧电路(输出电压检测电路)，43－pfc控制电路(第2控制电路：pfc控制用ic)，51－负载状态检测单元，52－pfc动作控制单元，53－滞后赋予单元。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行说明。

图1是表示作为应用本发明的开关电源装置的ac－dc转换器的一个实施方式的电路构成图。

本实施方式的ac－dc转换器具有：对来自ac电源10的交流电压(ac)进行整流的二极管桥接电路11、截断在功率因数改善电路中产生的高频电流的平滑用电容器c1、具有初级侧线圈np和次级侧线圈ns及辅助线圈nb的电压转换用的变压器12、与该变压器12的初级侧线圈np串联连接的开关晶体管sw1、对该开关晶体管sw1进行接通、断开驱动的电源控制电路13、设置于二极管桥接电路11与变压器12之间的功率因数改善电路(pfc电路)14、将功率因数改善电路14设为动作状态(接通)或者非动作状态(断开)的pfc接通断开切换电路15。

在本实施方式中，上述开关晶体管sw1通过n沟道mosfet(绝缘栅型场效应晶体管，以下称为mos晶体管)构成为分立的部件。后述的开关晶体管sw2也相同。

另外，在本实施方式的ac－dc转换器中，在变压器12的初级侧设置有由与上述辅助线圈nb串联地连接的整流用二极管d0和连接于该二极管d0的阴极端子与接地点gnd之间的平滑用电容器c0构成的整流平滑电路，被该整流平滑电路整流、平滑的电压v0被施加于上述电源控制用ic13的电源电压端子。

功率因数改善电路14包括串联连接于二极管桥接电路11的一个端子(直流输入端子)与变压器12的一个端子之间的升压用的电感器(扼流线圈)41及整流二极管d1、连接于变压器12的一个端子与接地点gnd之间的电容器42、与电容器42并联连接的开关晶体管sw2、对该开关晶体管sw2进行接通、断开驱动的pfc控制电路43，pfc控制电路43经由pfc接通断开切换电路15被供给有被上述整流平滑电路(d0、c0)整流、平滑的电压v0作为电源电压，由此进行动作。此外，pfc控制电路43由于能够使用与例如专利文献1、2中记载的电路具有相同的结构以及功能的公知的电路，因而对具体的电路结构与动作省略说明。

pfc接通断开切换电路15将被辅助线圈nb感应的电压vb作为输入。这里，被辅助线圈nb感应的电压vb由线圈比来决定，但由于为将输出电压vout形成恒定的控制，所以辅助线圈电压本身不变化。但是，在轻负载时，开关一个周期的脉冲的宽度变窄，并且在开关元件的断开时产生的振铃电压降低，因此被辅助线圈电压的平滑电容器充电的直流电压降低。因此，监视被二极管d4与电容器c4整流、平滑的电压，由此能够检测连接于输出端子out的负载的状态。然后，根据检测出的负载状态向pfc控制电路43供给或切断平滑电压v0，由此对功率因数改善电路14进行接通、断开控制。具体而言，若pfc接通断开切换电路15检测到轻负载状态，则切断电压向pfc控制电路43的供给，使其动作停止。此外，使用图2，之后说明pfc接通断开切换电路15的具体的电路例。

电源控制电路13与pfc控制电路43分别作为半导体集成电路(ic)形成于单晶硅那样的半导体芯片上。

其中，电源控制电路(电源控制用ic)13具备用于将对上述开关晶体管sw1进行接通、断开控制的信号向sw1的栅极端子输出的外部端子。另外，在电源控制用ic13设置有供构成用于将次级侧的输出检测信号作为反馈电压vfb向初级侧传递的光电耦合器的光电晶体管pt连接的外部端子。

另外，电源控制用ic13构成为如下控制方式的控制用ic：设置有通过被连接于开关晶体管sw1的源极端子与接地点gnd之间的电流检测用的电阻rs而输入有电流－电压转换的电压vcs的作为电流检测端子的外部端子，例如若输入到该外部端子的电压vcs达到与来自次级侧的反馈电压vfb成比例的电压，则使开关晶体管sw1断开。此外，电源控制用ic13也可以不使用反馈电压vfb，而根据输入电流检测端子的电压vcs控制开关晶体管sw1。另外，在使用于无光电耦合器的电路的情况下，也可以读取电压vcs以及辅助线圈nb的电压，而对开关晶体管sw1进行控制。

在上述变压器12的次级侧设置有与次级侧线圈ns串联连接的整流用二极管d2、和连接于该二极管d2的阴极端子与次级侧线圈ns的另一个端子之间的平滑用电容器c2，在初级侧线圈np间歇地流经电流，对被次级侧线圈ns感应的交流电压进行整流而使其平滑，由此生成并输出直流电压vout。

另外，在变压器12的次级侧设置有用于检测输出电压vout的输出电压检测电路16、和构成用于向初级侧传递与该输出电压检测电路16的检测电压对应的输出电压检测信号的光电耦合器的光电二极管pd。在光电二极管pd流经有与通过输出电压检测电路16检测的检测电压对应的电流，作为具有与检测电压的高低对应的强度的光信号被向初级侧传递，在光电晶体管pt流经有与光强度对应的电流，通过电源控制用ic13内部的上拉电阻等被转换为电压vfb进行输入。

接下来，使用图2以及图3，对本实施方式的上述pfc接通断开切换电路15的具体的电路构成例及其功能进行说明。此外，不特别进行限定，但pfc接通断开切换电路15由分立电路的电子部件构成。

如图2所示，本实施方式的pfc接通断开切换电路15在辅助线圈nb的一个端子上连接有电路的第1输入节点nin1，另外，在构成对辅助线圈nb的感应电压进行整流、平滑的整流平滑电路的二极管d0与平滑用电容器c0的连接节点n0上连接有第2输入节点nin2。

另外，在输入节点nin2与连接有pfc控制ic43的输出节点n3之间串联地连接有由p沟道mos晶体管构成的开关用的晶体管q1和二极管d3，在输出节点n3与接地点gnd之间连接有用于使输出节点n3的电位稳定化的平滑电容器c3。

另外，输出节点n3连接于pfc控制ic43的电源电压端子vdd，晶体管q1构成为作为向pfc控制ic43供给或切断电源电压的开关单元发挥功能。

在上述开关用的晶体管q1的漏极端子与栅极端子之间串联连接有电阻r1，另外，在q1的栅极端子与接地点gnd之间串联地连接有电阻r2以及npn双极晶体管tr1。

另外，pfc接通断开切换电路15在第1输入节点nin1与接地点gnd之间具备串联连接的二极管d4、电阻r4、电容器c4，在电阻r4与电容器c4的连接节点n5和接地点gnd之间串联地连接有电阻r5、r6以及npn双极晶体管tr2。另外，在连接节点n5与接地点gnd之间，p沟道mos晶体管q2和电阻r7以及电容器c5与r5－r6－tr2并联连接，在mos晶体管q2的栅极端子结合有电阻r5、r6的连接节点n5。另外，晶体管tr2的基极端子结合有晶体管q1与二极管d3的连接节点n4。

另外，在上述连接节点n5与接地点gnd之间，串联电阻r8、r9与q2－r7－c5并联连接，并且与该串联电阻r8、r9并列地，以串联方式连接有电阻r10以及并联稳压(shuntregulator)sr，在串联电阻r8、r9的连接节点n6与电阻r10以及sr的连接节点n7之间连接有电容器c6。而且，串联电阻r8、r9的连接节点n6的电位被施加于并联稳压sr的参考端子，并联稳压sr具有若节点n6的电位成为规定的电位(例如2.5v)以上，则在晶体管tr3的基极流经电流而使tr3接通的动作。

此外，电容器c5具有抑制并联稳压sr的参考端子的急剧的变化，因输出节点n5的瞬间的变化导致的并联稳压sr的瞬间的输出电流的变化而不使晶体管tr3接通，并且抑制在电容器c4中未完全整流的脉动电压成分，形成直流电压，使参考端子稳定的动作。另外，电容器c6具备防止具有反馈系统的pfc接通断开切换电路15的振荡动作的相位补偿的功能。

另外，在上述连接节点n5与双极晶体管tr1的基极端子之间串联连接有电阻r11以及pnp双极晶体管tr3，在该晶体管tr3的基极端子上结合有上述电阻r10与并联稳压sr的连接节点n7。此外，也可以代替并联稳压sr而使用运算放大器。在并联稳压sr上具有阴极端子、阳极端子、参考端子的三个外部端子，若参考端子成为规定的电压(例如2.5v)，则进行使电流流动的动作的ic作为电子部件(元件)被提供，因此能够使用此种元件。

接下来，对具有上述的结构的pfc接通断开切换电路15的动作进行说明。

在投入来自ac电源10的交流电压(ac)后，晶体管q1、q2以及tr1～tr3全部成为断开状态，电源控制用ic13开始动作，在辅助线圈nb感应电压，若输入节点nin1、nin2的电位增高，则电阻r8、r9的连接节点n6的电位也增高，若并联稳压sr的参考端子的电位高于基准电压(2.5v)，则在并联稳压sr流经电流，输出恒定电压(此时，q2为断开，因此节点n6的电位成为由电阻r8、r9的电阻比决定的值)。于是，由此，晶体管tr3被接通，接着，tr1被接通，进而晶体管q1被接通，因此在二极管d3流经电流，电容器c3被充电，节点n3的电位增高，pfc控制ic43开始用于改善功率因数的开关元件sw2的接通、断开驱动。

另外，若接通晶体管q1，则节点n4的电位增高，晶体管tr2被接通。如此，在电阻r5、r6流经电流，晶体管q2被接通，因此节点n6的电位成为由电阻r7以及r8、r9的电阻比决定的值。具体而言，电阻r7与r8的合成电阻值为r7·r8/(r7+r8)，例如在为r7＝r8时，成为原来的电阻值r7的1/2。由此，节点n6的电位向较高的一方移位，因此在并联稳压sr继续流经电流。

这里，并联稳压sr若参考端子的电位不低于基准电压(2.5v)则不断开，因此若节点n6的电位即输入节点nin1的电位不低于并联稳压sr接通时的电位则不断开。即，阈值降低，电路具有滞后特性。其结果，在负载变轻且辅助线圈nb的感应电压降低的情况下，并联稳压sr断开，晶体管tr3被断开，接着tr1断开，进而晶体管q1被断开，因此电源电压向pfc控制ic43的供给被切断，pfc控制ic43对开关元件sw2的接通、断开驱动进行停止。

根据上述的说明可知，本实施例的pfc接通断开切换电路15具有检测轻负载状态的负载状态检测单元51、若在规定的负载率以上使pfc控制ic43动作且检测到轻负载状态则使pfc控制ic43的动作停止的pfc动作控制单元52、和对负载状态检测单元的动作赋予滞后特性的滞后赋予单元53。而且，这样，本实施例的pfc接通断开切换电路15由于具有滞后特性，因此能够避免引起pfc控制ic43反复进行动作状态与非动作状态的振荡现象。

另外，在本实施例的pfc接通断开切换电路15中，适当地设定电阻r7以及r8、r9的电阻值，由此能够自由地设定pfc接通、断开切换的负载率。

例如，与电阻r7、r8相比将电阻r9的电阻值设定为较小，由此如图3的(a)所示，负载率例如在75％那样的较大的区域中切换pfc的接通、断开，使电阻r9的电阻值接近电阻r7、r8的值或者与电阻r7、r8相比将电阻r9的电阻值设定为较大，由此如图3的(b)所示，负载率例如在25％那样的较小的区域切换pfc的接通、断开等，仅通过电阻值的调整，能够自由地设定pfc电路的接通、断开切换的负载率。此外，在图3的(a)、(b)中，h表示滞后的宽度。另外，例如电阻r7与r8的电阻值的比率设定为增大，由此如图3的(c)所示，能够减小滞后的宽度h，电阻r7与r8的电阻值的比率设定为变小，由此如图3的(d)所示，能够增大滞后的宽度h。

另外，在本实施例的pfc接通断开切换电路15中，设置输入节点nin1与nin2，在输入节点nin1与接地点之间与二极管d4串联地连接电容器c4，并且将该电容器c4的容量值设定为大幅小于使辅助线圈nb的感应电压平滑的电容器c0的容量值的值(100分之1以下)。具体而言，考虑在将电容器c0的容量值形成40～50μf那样的值的情况下，电容器c4的容量值成为0.02～0.03μf那样的值。

形成上述那样的结构是因为，若电容器c4的容量值较大，则无法检测辅助线圈nb的感应电压即负载的变动。另外，存在pfc接通断开切换电路15受向电源控制用ic13流经的驱动电流的影响的可能性，因此需要区分nin1与nin2的节点。因此，无法采用将输入节点nin1与nin2共通化而将节点nin1连接于节点n0的结构。

以上，基于实施方式，对由本发明人完成的发明具体地进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，作为构成pfc接通断开切换电路15的晶体管，而并用mos晶体管与双极晶体管，但也能够仅由mos晶体管或者仅由双极晶体管构成。另外，在上述实施方式中，将开关晶体管sw1、sw2形成与电源控制用ic13、pfc控制ic43不同的元件，但也可以将这些开关晶体管导入电源控制用ic13、pfc控制ic43，分别构成为一个半导体集成电路。

另外，上述实施方式的pfc接通断开切换电路15不限定于图2所示的电路，只要具有检测轻负载状态的负载状态检测单元、若检测到轻负载状态则停止pfc控制用ic43的动作的动作控制单元、和对负载状态检测单元的动作(阈值)赋予滞后特性的滞后赋予单元的功能，则也可以是任意的结构。例如，动作控制单元也可以生成并输出使动作停止的控制信号来代替切断电源电压向pfc控制用ic43的供给。

另外，在上述实施方式中，说明了将本发明应用于构成回扫方式的ac－dc转换器的电源控制用ic的情况，但本发明也能够应用于构成正向型、准谐振型的ac－dc转换器的电源控制用ic。