专利名称：开关电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于准谐振控制方法的开关电源装置，特别涉及能够改善功率转换效率和减少开关噪声的开关电源装置。
背景技术：
准谐振控制方法是用于控制具有开关元件的开关电源装置的一种方法。在该开关元件断开期间，在该开关元件漏极出现的自由振荡电压下降。当该电压降低到达底限电平(bottom level)时，该准谐振控制方法检测它和接通该开关元件，以便减少开关损耗和噪音。例如，该方法在日本专利公报号08-289543中揭示。
上述提到专利公报中建议的开关电源装置具有连接到变压器的初级线圈的初级电路、连接到该变压器的次级线圈的次级电路和连接到该变压器第三线圈的控制器。在回扫描周期之后该控制器检测自由振荡的最低的电压，由此控制开关元件。
发明内容
通常，使用准谐振控制方法的开关电源装置是通过集成该装置的一部分在半导体集成电路并将该装置制造为小尺寸的封装组件进行制造的，以改善批量生产率。
根据相关的技术，必须在半导体集成电路上准备专用的端子，该初级电路和控制器集成在该半导体集成电路上，以便直接地把该半导体集成电路连接到变压器的第三线圈。
这个配置使得难以以小尺寸封装来制造开关电源装置。为了检测在变压器的第三线圈产生的电压，第三线圈必须连接到诸如二极管的整流元件。这增加了开关电源装置的成本。
根据相关的技术，开关电源装置的开关元件导通的时限(timing)取决于由外部部件确定的常数而变化。这使得难以正确地估计在开关元件断开期间发生自由振荡的电压达到底限电平时的时间点。不正确的估计底限电平到达点导致功率转换效率降低并产生开关噪声。
因此，需要正确地预计在开关元件的断开期间在开关元件的漏极发生自由振荡的电压到达底限电平的时限。
根据本发明，可以提供使用基于准谐振控制方法的电路布局的开关电源装置，能够减小封装尺寸、开关损耗和开关噪声，并且简化开关电源装置的结构。
根据本发明，可以提供一种开关电源装置，能够正确地估计在开关元件断开期间在开关元件的漏极发生自由振荡的电压到达底限电平时的时间点。
本发明的第一方面提供一种开关电源装置，包括通过变压器的初级线圈与直流电源串联的开关元件；电压检测器，用于检测与电压自由振荡的周期同步的时限并且输出检测信号，该电压自由振荡是由于在该开关元件的端子之间的寄生电容或可选地增加的电容引起的、在回扫描周期之后在开关元件的栅极发生的；定时校正器，根据来自该电压检测器的检测信号估计第二次或之后该电压自由振荡实质上到达底限电平时的时限并且在该估计时限输出导通(ON)起始信号；控制器，响应来自该定时校正器的导通起始信号输出导通控制信号以便导通该开关元件；和驱动器，响应来自该控制器的导通控制信号，将驱动信号施加到该开关元件的栅极，从而驱动该开关元件。
根据基于本发明的第一方面的第二方面，该定时校正器基于该电压检测器提供的第一触发信号估计第二次或以后该电压自由振荡实质上到达底限电平时的时限并且输出与该估计时限同步的导通起始信号。
根据基于本发明的第一方面的第三方面，该定时校正器包括第一电容器，选择地连接到恒流电源并且由它充电；电压保持电路，具有第二电容器，选择地连接到第一电容器；和比较器。该电压保持电路在由该电压检测器提供的第一触发信号的有效期间连接到第一电容器，以便保持第二电容器的第一电压。在由该电压检测器提供的第二触发信号的有效期期间充电第一电容器到具有第二电压。该比较器检测第二电压变成高于第一电压时的时间点并提供该检测的时间点作为该电压自由振荡实质上第二次到达底限电平时的估计时限。
本发明的第四方面提供一种开关电源装置，包括通过变压器的初级线圈与直流电源串联的开关元件；设置在该变压器的初级侧的变压器的第二线圈；电压检测器，用于检测与电压自由振荡的周期同步的时限并输出触发信号，在回扫描周期之后在第二线圈发生该电压自由振荡；定时校正器，根据来自该电压检测器的触发信号自动地估计第二次或之后该电压自由振荡实质上到达底限电平时的时限并且在该估计时限输出导通起始信号；控制器，响应来自该定时校正器的导通起始信号输出导通控制信号以便导通该开关元件；和驱动器，响应来自该控制器的导通控制信号，将驱动信号施加到该开关元件的栅极，从而驱动该开关元件。
图1是表示根据本发明的实施例的开关电源装置的视图；图2是说明图1的开关电源装置的操作的时序图；和图3是表示根据本发明的另一个实施例的开关电源装置的视图；具体实施方式
根据本发明的实施例的开关电源装置将参照附图详细地说明。
图1表示根据本发明实施例的开关电源装置10。该开关电源装置10具有连接到变压器T的初级线圈N1的初级电路和连接到变压器T的次级线圈N2的次级电路。该初级电路的主要元件安排在半导体集成电路20中。变压器T通过线圈N1和N2传送存储在该初级电路的电能给该次级电路。
在该初级电路中，变压器T的初级线圈N1的第一端接收来自直流电源(未示出)的直流电压Vin。初级线圈N1的第二端与开关元件Q1的漏极串联连接。开关元件Q1是驱动初级线圈N1的n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在变压器T的初级线圈N1和开关元件Q1的漏极之间的接点通过电容器C5接地。电容器C5的电容包括在开关元件Q1的端子之间的寄生电容和变压器T的杂散电容。
该开关元件Q1具有在其栅极和漏极之间存在的寄生电容C1和在其栅极和源极之间存在的寄生电容C2。开关元件Q1的栅极、漏极和源极端子电容耦合在半导体衬底上。开关元件Q1的栅极通常连接到驱动元件Q3的漏极和齐纳二极管ZD2的阳极，驱动元件Q3具有p型MOSFET。齐纳二极管ZD2的阴极连接到由n型MOSFET组成的驱动元件Q4的漏极。驱动元件Q3和Q4以及齐纳二极管ZD2是在驱动器30中。
开关元件Q1的栅极连接到电压检测器40的比较器CP1的正输入端。
自由振荡检测器自由振荡检测器具有电压检测器40和定时校正器50。该自由振荡检测器检测在回扫描周期之后在开关元件Q1的栅极出现的自由振荡电压的给定相位的时限。
当开关元件Q1断开时，在开关元件Q1的漏极发生寄生振荡，产生自由振荡电压，由寄生电容C1和C2分压变成交流信号V4。交流信号V4提供给比较器CP1的正输入端。如果交流信号V4比提供给比较器CP1的负输入端的基准电压V5低，比较器CP1的输出端输出低(L)电平触发器信号V6给低通滤波器LPF45。
提供给低通滤波器LPF46的触发信号V6包含诸如高频的振鸣噪声的噪声分量，该振鸣噪声是在开关元件Q1刚刚断开之后在开关元件Q1的漏极产生的。低通滤波器LPF45从触发信号V6中消除这样的噪声分量并输出消除噪音的触发信号V10给定时校正器50，从而防止错误的操作。
低通滤波器LPF45的输出端通常连接到与门AND1的输入端、或非门NOR1的输入端和具有n型MOSFET的开关元件Q6的栅极。这些元件AND1、NOR1和Q6包括在定时校正器50中。
基于从电压检测器40提供的第一次触发信号(V10)，定时校正器50估计自由振荡电压第二次接近底限电平的底时限(bottom timing)，并且输出与该估计的底时限同步的导通起始信号(V9)给控制器60。
当从电压检测器40输出的触发信号V10从高电平变化为低电平时，开关元件Q6断开并且由恒流电源52提供的恒定电流I4通过二极管D2对电容器C7充电。换句话说，电容器C7在开关元件Q6的控制下选择地连接到恒流电源52。
另一方面，当从该电压检测器40输出触发信号V10从低电平变化到高电平时，该开关元件Q6导通并且由恒流电源51提供的恒定电流I5流入地，电容器C7放电，恒定电流I5比恒定电流I4大(例如电流I4的两倍)。
比较器CP2的负输入端(反相输入端)连接到恒流电源52和二极管D2的阳极。二极管D2的阴极公共连接到开关元件Q5的漏极、恒流电源51的一端、电容器C7的一端和晶体管Q7的基极。
比较器CP2的正输入端(非反相输入端)连接到开关元件Q9的漏极、用于保持电压电平V12的电容器C8的一端和开关元件Q10的漏极。
比较器CP2的负输入端接收电压信号V11，它比电容器C7的端电压高了二极管D2的正向压降VF。
电容器C7的端电压是由具有pnp型晶体管Q7和npn型晶体管Q8的电压输出电路进行阻抗转换。在晶体管Q8的发射极的该阻抗转换电压以电阻R3和R4分压，而衰减的电压通过具有n型MOSFET的开关元件Q9的源极和漏极提供给电容器C8。电容器C8的端电压V12提供给比较器CP2的正输入端。
与门AND1的输入端连接到定时校正器50的输入端。比较器CP2的输出信号V14由反相器INV2反转并且提供给与门AND1的另一个输入端。与门AND1的输出端连接到SR触发器(置位复位触发器)FF2的置位端。
或非门NOR1的输入端连接到定时校正器50的输入端，或非门NOR1的另一个输入端直接地连接到比较器CP2的输出端(电压V14)，而或非门NOR1的输出端连接到SR触发器FF2的复位端。
SR触发器FF2的输出(Q)端通过反相器INV3连接到具有n型MOSFET的开关元件Q9的栅极以便充电/保持电容器C8。
当从控制器60的RS触发器FF1提供的导通/断开控制信号V17变成高电平时，具有n型MOSFET的开关元件Q5给电容器C7放电。当从控制器60的RS触发器FF1提供的导通/断开控制信号V17变成高电平时，具有n型MOSFET的开关元件Q10给电容器C8放电。
当比较器CP2的输出信号V14从高电平变化到低电平时，单触发电路54输出具有预定宽度(图2的t6至t7)的导通起始信号给控制器60的SR触发器FF1的置位端子。
控制器SR触发器FF1的复位端连接到比较器CP3的输出端。如果锯齿电压信号V15大于反馈电压V2(FB电压)，比较器CP3输出高电平脉冲信号(复位信号)。
SR触发器FF1的输出端连接到设置在驱动器30中的反相器INV1的输入端。在驱动器30中，反相器INV1的输出端通常连接到由p型MOSFET构成的驱动元件Q3的栅极和由n型MOSFET构成的驱动元件Q4的栅极。驱动器30导通和断开开关元件Q1。
次级电路在次级侧，变压器T的次级线圈N2连接到二极管D1的阳极。二极管D1的阴极连接到电容器C6的一端。该二极管D1和电容器C6形成整流滤波器80，用于整流和平滑由变压器T的次级线圈N2产生的脉冲电压。整流滤波器80的输出连接到输出电压检测器90和负载95。
输出电压检测器90包括串联的电阻器R2和齐纳二极管ZD1。电阻器R2与光电二极管PD并联连接。如果施加给齐纳二极管ZD1的阴极的电压超过齐纳电压，误差电压施加给光电二极管PD的阳极。然后，光电二极管PD根据该误差电压输出光信号给光耦合器PC，光耦合器PC光连接到光电二极管PD。
图1的开关电源装置的操作将参照图2的时序图进行说明。
回扫描周期T1在图2中，从t1到t2的周期是回扫描周期T1，回扫描周期T1在开关元件Q1刚关断之后开始。在回扫描周期T1期间，开关元件Q1导通期间在变压器T积累的能量放电。在这个期间，开关元件Q1的漏极输出叠加了回扫电压VF的直流电压Vin。
该回扫电压VF实质上由VF＝Vo(N1/N2)表示，其中Vo是输出电压，N1是变压器T的初级线圈N1的圈数，而N2是变压器T次级线圈N2的圈数。
在这时，提供给电压检测器40的电压信号V4比基准电压V5高，因此，从电压检测器40提供给定时校正器50的触发信号V10是高电平。结果，该开关元件Q6导通而不对电容器C7充电，而开关元件Q9断开而不对电容器C8充电。
来自该比较器CP2的输出信号V14是低的，提供高电平信号给SR触发器FP2的置位端，从而关断开关元件Q9。
取样周期T2在回扫描周期T1之后，取样周期T2(从t2到t3)作为有效周期开始。在开关元件Q1的漏极，变压器T的初级线圈N1的电感元件和谐振电容器C5的电容引起寄生振荡而产生围绕直流电压Vin周围的自由振荡电压波形。
该自由振荡的交流成分除以(divided)开关元件Q1的寄生电容并且被该齐纳二极管ZD2箝位在箝位电压-Vzd2(V5＞-Vzd2)，以提供矩形电压信号V4给在电压检测器40中的比较器CP1的正输入端。
电压检测器40的比较器CP1的负输入端接收负基准电压V5(例如-0.5V)。当电压V4变成比基准电压V5低时，比较器CP1的触发信号V6从高变为低，而具有有效值。低通滤波器45从触发信号V6中消除噪音并且提供消除噪音的触发信号V10给定时校正器50的输入端。
当在开关元件Q1的漏极发生的自由振荡电压V1开始下降时，定时校正器50接收第一低电平的触发信号V10。
响应第一低电平触发信号V10，开关元件Q6断开，因此，恒流电源52通过二极管D2提供恒定电流I4给电容器C7，从而充电电容器C7。由于这个情况，比较器CP2的负输入端的输入电压V11开始增加。
在这时，来自该比较器CP2的输出信号V14是低电平，因此，该或非门NOR1输出高电平信号复位SR触发器FP2。由于电容器C7的电位由电阻器R3和R4分压，这样导通开关元件Q9来增加电容器C8的电位V12。
保留周期T3在图2中，从t3至t4的周期是保留或保持期间T3。当在开关元件Q1的漏极发生的自由振荡电压增加至高于振荡中心电压时，从电压检测器40提供给定时校正器50的触发信号V10上升。
在这时，比较器CP2的输出信号V14是低电平，以致SR触发器FF2的输出是高电平，而反相器INV3的输出信号V13是低电平。输出信号V13提供给开关元件Q9的栅极，以断开该开关元件Q9。这导致在时间t3继续对电容器C8充电并保持电压电平V12。
在这时，来自电压检测器40的触发信号V10是高电平，以便导通该开关元件Q6，由于该恒定电流所以放电该电容器C7，并且减少提供给比较器CP2的负输入端的电压V11。
当比较器CP2的负输入端的电压V11变成比连接到比较器CP2的正输入端的电容器C8的电压V12低时，在时间t4比较器CP2的输出V14从低电平变化为高电平。
保留周期T4在图2中，从t4至t6的周期是保留或保持周期T4。在开关元件Q1的漏极发生的自由振荡电压开始下降。当下降的自由振荡电压降低到低于振荡中心电压时，在时间t5，从电压检测器40提供给定时校正器50的触发信号V10从高电平变化为低电平。
另一方面，比较器CP2的输出信号V14为高电平，SR触发器FF2的输出是高电平，并且开关元件Q9关断。结果，比较器CP2的正输入端的电压V12保持由电容器C8确定的恒定电平。
在从t5至t6的周期中，开关元件Q6响应触发信号V10的第二低电平事件而断开，以使恒流电源52的恒定电流I4通过二极管D2对电容器C7充电。然后，比较器CP2的负输入端的电压V11又增加。
当到比较器CP2的负输入端的增加的电压V11超过(在t6)提供给比较器CP2的正输入端的电压V12时，在时间t6，比较器CP2的输出信号V14从高电平变化为低电平。
这样，当在开关元件Q1的断开期间触发信号V10表现出第一低电平事件时，电容器C8积累电压V12并保持它。当在开关元件Q1的断开期间该触发信号V10表现出第二低电平事件时，在时间t5，电压V11开始与电容器C7电压增加并行地增加。在该比较器CP2中彼此比较这些电压V12和V11，并且检测电压V11超过电压V12时的时限t6作为估计的最低时间点，此时在开关元件Q1的漏极发生的自由振荡电压几乎第二次到达底限电平。
导通周期T5在时间t6，单触发电路54检测比较器CP2的输出信号V14已经从高电平变化到低电平并输出导通起始信号V9以便导通开关元件Q1。导通起始信号V9是高脉冲信号(从t6至t7)并且提供给控制器60的SR触发器FF1的置位端子。
响应导通起始信号V9，控制器60的SR触发器FF1输出导通/断开控制信号V17，它在时间t6从低电平变化为高电平以便导通开关元件Q1。这时，开关元件Q5导通来放电电容器C7，而且，开关元件Q10导通来放电电容器C8。
下一个回扫描周期T1反馈电压V2提供给比较器CP3的负输入端，而电压V15提供给比较器CP3的正输入端。电压V15由锯齿漏电流I3形成。更确切地说，锯齿漏电流I3由电阻器R1转换为一电压，它通过并且由低通滤波器LPF70成形为电压V15。在时间t8，电压V15超过反馈电压V2，因此，比较器CP3输出高电平输出信号V16给SR触发器FF1的复位端，开关元件Q1从导通状态转为截止。
变型图3表示图1表示的开关电源装置的变型。该变型提供具有第二线圈N3的变压器T的初级侧。第二线圈N3的一端连接到电压检测器40的比较器CP1的正输入端，而第二线圈N3的另一端接地。变型的其它部分与图1的实施例相同。第二线圈N3产生类似于漏电压V1的电压，因此，类似于图1的交流电压V4的交流信号V4’提供给比较器CP1的正输入端。第二线圈N3用于检测在回扫描周期之后发生的电压自由振荡的周期，估计类似图1的实施例的自由振荡的底限点，并且导通开关元件Q1。
如上面说明的，根据本发明的开关电源装置在半导体集成电路20中正确地估计在开关元件Q1的漏极发生的自由振荡电压达到底限电平时的时限。因此，该开关电源装置可以在最佳的时间点导通开关元件Q1，而不受该变压器的设置和谐振电容器的影响。因此，本发明可以减少开关电源装置的设计过程的数量，改善其功率转换效率和使其开关噪声减到最小。
本发明可以最小化半导体集成电路的封装，实现半导体集成电路中的准谐振控制方法以减少开关损耗和噪音，并且简化该开关电源装置的结构。
根据上述的实施例和变型，由电压检测器40提供的触发信号V10提供给定时校正器50。这个配置不限制本发明。代替由定时校正器50的单触发电路54提供导通起始信号V9，由电压检测器40提供的触发信号V10可以直接地提供给安排在该控制器60中的SR触发器FF1的置位端。这个配置也可以实现本发明的效果。
这样，根据本发明的开关电源装置在半导体集成电路20中正确地估计在开关元件的漏极发生的自由振荡电压达到底限电平时的时限。因此，该开关电源装置可以在最佳的时间点导通该开关元件，而不受安排在开关电源装置中的变压器的设置和谐振电容器的影响。因此，本发明可以减少该开关电源装置的设计过程的数量，改善其功率转换效率和使其开关噪声最小化。
本申请要求享有2005年10月17日申请的日本专利申请号2005-301912优先权的利益，全部内容引用在此供参考。虽然本发明在上面已经参考本发明的一些实施例进行了叙述，但是该发明不被限制在上面所述的实施例。根据这些教导，本领域的技术人员将会想到上面描述的实施例的变型和修改。本发明的范围参照所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种开关电源装置，包括开关元件，其通过变压器的初级线圈与直流电源串联；电压检测器，用于检测与电压自由振荡的周期同步的时限并且输出检测信号，该电压自由振荡是由于在该开关元件的端子之间的寄生电容或可选地增加的电容引起的、在回扫描周期之后在该开关元件的栅极发生的；定时校正器，根据来自该电压检测器的检测信号估计第二次或之后该电压自由振荡实质上到达底限电平时的时限并且在该估计时限输出导通起始信号；控制器，响应来自该定时校正器的导通起始信号输出导通控制信号以便导通该开关元件；和驱动器，响应来自该控制器的导通控制信号，将驱动信号施加到该开关元件的栅极，从而驱动该开关元件。
2.根据权利要求1的开关电源装置，其特征在于该定时校正器基于由该电压检测器提供的第一触发信号估计第二次或以后该电压自由振荡实质上到达底限电平时的时限并且输出与该估计时限同步的导通起始信号。
3.根据权利要求1的开关电源装置，其特征在于该定时校正器包括第一电容器，选择地连接到恒流电源并且由其充电；电压保持电路，具有第二电容器，选择地连接到第一电容器；和比较器，连接到第一电容器和该电压保持电路，该电压保持电路在由该电压检测器提供的第一触发信号的有效期间连接到第一电容器，以保持在第二电容器的第一电压，在由该电压检测器提供的第二触发信号的有效期间，第一电容器被充电到具有第二电压，和该比较器检测当第二电压变成高于第一电压时的时间点并提供该检测的时间点作为该电压自由振荡实质上第二次到达底限电平时的估计时限。
4.一种开关电源装置，包括通过变压器的初级线圈与直流电源串联的开关元件；设置在该变压器的初级侧的变压器的第二线圈；电压检测器，用于检测与电压自由振荡的周期同步的时限并输出触发信号，在回扫描周期之后在第二线圈发生该电压自由振荡；定时校正器，根据来自该电压检测器的触发信号自动地估计第二次或之后该电压自由振荡实质上到达底限电平时的时限并且在该估计时限输出导通起始信号；控制器，响应来自该定时校正器的导通起始信号输出导通控制信号以便导通该开关元件；和驱动器，响应来自该控制器的导通控制信号，将驱动信号施加到该开关元件的栅极，从而驱动该开关元件。
全文摘要
一种开关电源装置具有通过变压器的初级线圈与直流电源连接的开关元件，其中在该开关元件的端子之间存在寄生电容。由于该寄生电容，在回扫描周期之后在该开关元件的栅极出现自由振荡的电压V4。基于该自由振荡电压，该开关电源装置检测与该自由振荡的周期同步的时限，基于该检测时限输出触发信号V10，使用该触发信号估计在该自由振荡第二次达到底限电平时的底时限，输出与该底时限同步的导通起始信号V9，使用该导通起始信号输出导通控制信号来导通该开关元件，并且响应导通控制信号驱动该开关元件。
文档编号H03K17/16GK1960150SQ20061013632
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月16日 优先权日2005年10月17日
发明者中村胜 申请人:三垦电气株式会社