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开关电源装置

阅读：2发布：2021-10-24

专利汇可以提供开关电源装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种开关电源装置，具备不会导致电路结构大规模化且能高精度地检测出过负载的过负载检测电路。该开关电源装置具备：电流谐振型的功率转换装置主体，该功率转换装置主体通过第1开关元件对直流输入电力进行开关并存储在电感器中，并利用电感器的谐振通过第2开关元件将存储在上述电感器中的电力传输至输出电容器以获得直流输出电力；驱动控制电路，该驱动控制电路交替地对所述第1及第2开关元件进行导通驱动来使所述电感器发生谐振；以及过负载检测电路，该过负载检测电路根据通过所述电感器的谐振生成的谐振电压的峰值或实际值对所述功率转换装置主体的负载状态进行检测，从而对所述驱动控制电路的动作进行控制。，下面是开关电源装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种开关电源装置，其特征在于，包括：
电流谐振型的功率转换装置主体，该功率转换装置主体通过第1开关元件对直流输入电力进行开关并存储在电感器中，并利用该电感器的谐振通过第2开关元件将存储在所述电感器中的电力传输至输出电容器以获得直流输出电力；
驱动控制电路，该驱动控制电路交替地对所述第1及第2开关元件进行导通驱动来使所述电感器发生谐振；以及
过负载检测电路，该过负载检测电路根据通过所述电感器的谐振生成的谐振电压的峰值或实际值对所述功率转换装置主体的负载状态进行检测，从而对所述驱动控制电路的动作进行控制。
2.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述功率转换装置主体由谐振型DC-DC整流器构成，所述功率转换装置主体包括：
串联谐振电路，该串联谐振电路经由电容器将绝缘变压器的一级线圈与直流电压源相连，由该绝缘变压器的漏电感及所述电容器构成；
第1开关元件，该第1开关元件由所述驱动控制电路来驱动，在导通时将来自所述直流输入电压源的输入电压施加至所述串联谐振电路；
第2开关元件，该第2开关元件与所述串联谐振电路并联连接，在所述第1开关元件截止时受到所述驱动控制电路的导通驱动，形成所述串联谐振电路的电流通路；以及对所述绝缘变压器的二级线圈侧生成的电力进行整流的二极管、及对经该二极管整流后的电力进行平滑并输出的输出电容器。
3.如权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，
根据所述绝缘变压器的辅助线圈中生成的电压来检测出所述谐振电压的峰值或实际值。
4.如权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，
对所述绝缘变压器的一级线圈中生成的电压进行电阻分压或电容分压，来检测出所述谐振电压的峰值或实际值。
5.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，所述功率转换装置主体由同步整流升压型整流器构成，所述功率转换装置主体包括：
第1开关元件，该第1开关元件经由谐振用电抗器与直流电压源相连，由所述驱动控制电路来驱动，并在导通时将来自所述直流电压源的输入电压施加至谐振用电抗器；以及第2开关元件，该第2开关元件在该第1开关元件截止时受到所述驱动控制电路的导通驱动，将存储在所述谐振用电抗器中的电能源传输至输出电容器。
6.如权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，
根据所述谐振用电抗器的辅助线圈中生成的电压来检测出所述谐振电压的峰值或实际值。
7.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述过负载检测电路与所述第1开关元件的导通驱动、或所述第2开关元件的导通驱动同步，根据此时的谐振电压来检测出过负载。

说明书全文

开关电源装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具备高检测精度且结构简易的过负载检测电路的开光电源装置。

背景技术

[0002] 谐振型DC-DC整流器或同步整流升压型整流器所代表的电流谐振型的开关电源装置由于效率高，且适用于薄型化，因此被用作为各种电子设备的电源装置。另外，在这种开关电源装置中通常设有保护功能，该保护功能通过检测出该开关电源装置的过负载状态并停止对IGBT或MOS-FET等开关元件的导通驱动，由此来保护负载以及上述开关元件等。

[0003] 顺便一提，以往，通过单独对开关电源装置的、例如绝缘变压器的二级侧的输出功率进行监视来检测出上述过负载。然而，在上述绝缘变压器的二级侧设置过负载检测电路的情况下，该结构的尺寸变大，并且无法否认地，这将成为开关电源装置成本上升的原因。因此，以往以来，例如专利文献1、2分别所示那样，提出了在所述绝缘变压器的一级侧对负载状态进行监视。

[0004] 具体而言，在专利文献1中提出了如下的DC-DC整流器，该DC-DC整流器具备对直流电进行开关并对流过绝缘变压器的电流进行控制的开关元件，根据所述绝缘变压器的一级线圈一端所产生的VS 电压、与流过该绝缘变压器的一级线圈的谐振电流的积的积分值求出提供给负载的实际功率，并根据该求出的实际功率检测出负载状态。另外，在专利文献2中公开了根据流过所述绝缘变压器的谐振电流的平均值来检测出其负载状态的技术。
[现有技术文献]
[专利文献]

[0005] 专利文献1：美国专利第6087782号说明书专利文献2：日本专利特开2012-170218号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

[0006] 然而，在专利文献1所公开的方法中，无可否认计算上述实际功率的电路规模将变大。并且，若考虑所述VS电压以及所述谐振电流的检测精度、以及积分电路中的运算精度等，则难以高精度地检测出过负载状态。另外，在专利文献2所公开的方法中，需要对谐振电流进行平均化的平均化电路或乘法运算电路等，产生电路规模变大的问题。

[0007] 本发明将上述情况考虑在内而得以形成，因此其目的在于提供一种开关电源装置，不会导致电路结构的规模变大，而具备能高精度地检测出过负载且结构简单的过负载检测电路。[解决技术问题的技术方案

[0008] 本发明关注在以电流谐振型的DC-DC整流器或同步整流升压型整流器为代表的开关电源装置中，形成谐振电路的绝缘变压器的一级线圈、或流过谐振用电抗器的谐振电流由励磁电流及负载电流来构成。此外，还关注在无负载的情况下，有用于维持对开关元件进行驱动的增益的规定的励磁电流流过，来生成谐振电压，以及随着负载变大而负载电流增加，相应地所述谐振电压增大。尤其是关注于所述谐振电压的峰值例如如图1所示那样根据负载的大小(重度)成比例地增加。

[0009] 因此为了达成上述目的，本发明所涉及的开关电源装置的特征在于，包括：电流谐振型的功率转换装置主体，该功率转换装置主体通过第1开关元件对直流输入电力进行开关并存储在电感器中，并利用该电感器的谐振通过第2开关元件将存储在所述电感器中的电力传输至输出电容器以获得直流输出电力；
驱动控制电路，该驱动控制电路交替地对所述第1及第2开关元件进行导通驱动来使所述电感器发生谐振；以及
过负载检测电路，该过负载检测电路根据通过所述电感器的谐振生成的谐振电压的峰值或实际值对所述功率转换装置主体的负载状态进行检测，从而对所述驱动控制电路的动作进行控制。

[0010] 顺便一提地，所述功率转换装置主体例如由谐振型DC-DC整流器构成。具体而言，上述谐振型DC-DC整流器具备串联谐振电路，该串联谐振电路经由电容器将绝缘变压器的一级线圈与直流电压源相连接，并通过该绝缘变压器的漏电感及所述电容器来形成。此外，所述谐振型DC-DC整流器具备：第1开关元件，该第1开关元件由驱动控制电路来驱动，并在导通时将来自所述直流输入电压源的输入电压施加至所述串联谐振电路；以及第2开关元件，该第2开关元件与所述串联谐振电路并联连接，在所述第1开关元件截止时受到所述驱动控制电路的导通驱动，来形成所述串联谐振电路的电流通路。此外，通过二极管来对所述绝缘变压器的二级线圈侧生成的电力进行整流，经过输出电容器对经所述二极管整流后的电力进行平滑并输出。此外，关于所述谐振电压的峰值或实际值，例如根据所述绝缘变压器的辅助线圈中生成的电压、或所述绝缘变压器的一级线圈中生成的电压进行电阻分压或电容分压，并进行检测。

[0011] 另外，所述功率转换装置主体例如由同步整流升压型整流器构成。具体而言，所述同步整流升压型整流器具备：第1开关元件，该第1开关元件经由谐振用电抗器与直流电压源相连，由所述驱动控制电路来驱动，并在导通时将来自所述直流电压源的输入电压施加至谐振用电抗器；以及第2开关元件，该第2开关元件在所述第1开关元件截止时受到所述驱动控制电路的导通驱动，将存储在所述谐振用电抗器中的电能源传输至输出电容器。此外，例如根据所述谐振用电抗器的辅助线圈中生成的电压来检测出所述谐振电压的峰值或实际值。

[0012] 此外，关于所述过负载检测电路，构成为与所述第1开关元件的导通驱动、或所述第2开关元件的导通驱动同步，根据此时的谐振电压来检测出过负载。发明效果

[0013] 根据上述结构的开关电源装置，关注于电感器中的谐振电流由负载电流及励磁电流构成，并根据通过所述电感器的谐振而生成的谐振电压的峰值或实际值来检测出所述功率转换装置主体的负载状态，因此能简单且高精度地检测出负载状态。并且，在绝缘变压器的一级侧无需现有那样繁杂的运算处理，就能简易地检测出负载状态。因此，具有能低成本地构成具备过负载检测电路的开关电源装置的效果。附图说明

[0014] 图1是表示作为本发明基础的负载大小与谐振电压的峰值的关系的图。图2是本发明的实施方式1所涉及的开关电源装置的简要结构图。
图3是表示图2所示的开关电源装置中的驱动控制电路的简要结构的图。
图4是表示设置于驱动控制电路的过负载检测电路的结构例的图。
图5是表示过负载检测电路的基本动作的图。
图6是表示过负载检测电路的过负载检测动作的图。
图7是表示过负载检测电路的其他结构例的图。
图8是表示过负载检测电路的另一其他结构例的图。
图9是本发明的实施方式2所涉及的开关电源装置的简要结构图。
图10是本发明的实施方式3所涉及的开关电源装置的简要结构图。
图11是本发明的其他实施方式所涉及的开关电源装置的简要结构图。
实施方式

[0015] 以下，参照附图对本发明的实施方式所涉及的电流谐振型的开关电源装置进行说明。

[0016] 图2是本发明的实施方式1所涉及的电流谐振型的开关电源装置(DC-DC整流器)的简要结构图。该开关电源装置1经由电容器C5将绝缘变压器T的一级线圈P1与直流电压源相连接，并以该绝缘变压器T的漏电感与所述电容器C5形成的串联谐振电路为主体而构成。与所述绝缘变压器T的一级线圈P1串联连接的第1开关元件Q1被进行激励振荡动作的驱动控制电路(电源IC)2导通驱动，将来自所述直流输入电压源的输入电压Vin施加于所述串联谐振电路。另外，与所述串联谐振电路并联连接的第2开关元件Q2在所述第1开关元件Q1截止时被所述驱动控制电路2驱动，形成所述串联谐振电路的谐振电流通路。这些第1及第2开关元件Q1、Q2例如由高耐压的n型MOS-FET构成。

[0017] 此外，所述绝缘变压器T的二级线圈S1、S2所生成的电力经由由二极管D3、D4以及输出电容器C6构成的输出电路，进行整流、平滑，并作为输出电压Vout提供给负载(未图示)。通过这些电路部来构成谐振型功率转换装置主体3。此外，所述输出电压Vout、具体而言是该输出电压Vout与输出电压设定值的偏差由输出电压检测电路4来检测，经由光电耦合器PC作为FB电压反馈至所述驱动控制电路2。

[0018] 反馈至该驱动控制电路2的FB电压供对所述第1及第2开关元件Q1、Q2进行导通、截止驱动的输出控制信号的脉宽调制，由此使所述输出电压Vout稳定(恒定)。此外，从所述直流电压源提供的直流电力一般经由输入电容器C1进行滤波，之后作为输入电压Vin对该开关电源装置1进行供电。

[0019] 另外，2所述绝缘变压器T的辅助线圈P2所生成的电压经由由二极管D1及电容器C3构成的整流电路施加至所述驱动控制电路2，以作为该驱动控制电路2的驱动电源电压VCCTP2。另外，由所述辅助线圈P2生成的电压经由电阻R1、R2进行分压，并输入至所述驱动控制电路2的辅助线圈电压检测端子VW，供对基于后述的谐振电压峰值的负载状态进行检测。

[0020] 此外，如图3所示的所述驱动控制电路2的主要部分的简要结构，所述驱动控制电路2包括对所述第1开关元件Q1进行导通、截止驱动的低侧驱动器电路11、以及对所述第2开关元件Q2进行导通、截止驱动的高侧驱动器电路12。这些各个驱动器电路11、12接收来自控制电路13的驱动控制信号，相反地对所述第1及第2开关元件Q1、Q2进行导通、截止驱动，由此，起到对流过所述绝缘变压器T的一级线圈P1的电流进行控制。

[0021] 顺便一提，所述控制电路13基于由振荡电路14提供的脉冲信号生成分别对所述各驱动器电路11、12进行驱动的驱动控制信号。尤其是所述振荡电路14通过根据从所述输出电压检测电路4反馈来的FB电压对所述脉冲信号的脉冲宽度进行调制(PWM调制)，从而对所述控制电路13的动作进行控制，由此分别对所述第1及第2开关元件Q1、Q2的导通期间进行规定。通过该脉冲宽度调制实现的对所述第1及第2开关元件Q1、Q2的导通期间的控制，使得伴随着该开关元件Q1、Q2的开关动作的输出电压Vout被控制成变为所述输出电压设定值。此外，关于所述振荡电路14，也可以作为所述驱动控制信号来生成与FB电压相对应的频率的脉冲信号(PFM信号)，以取代所述PWM信号。

[0022] 此外，所述驱动控制电路2伴随着该开关电源装置的电源接通而启动时，在输入所述输入电压Vin的启动电路15下开始工作。然后，随着所述开关元件Q1、Q2的导通、截止驱动，在所述绝缘变压器T的辅助线圈P2中生成电压后，如上所述，所述驱动控制电路2接受所述辅助线圈P2生成的电压，并继续其动作。

[0023] 另外，设置于所述驱动控制电路2中的过负载检测电路16根据经由所述辅助线圈电压检测端子VW检测出的振荡电压Vx的峰值检测出负载状态。尤其是，过负载检测电路16在所述振荡电压Vx的峰值超过规定的基准电压Vref时，作为过负载检测出该状态。然后，所述过负载检测电路16在检测到过负载时输出过负载检测信号OLP来停止所述控制电路13的动作，由此，使由所述各驱动电路11、12所进行的对所述开关元件Q1、Q2的导通驱动停止。也就是说，所述过负载检测电路16通过在检测到过负载时停止所述开关元件Q1、Q2的导通驱动，来起到保护与该开关电源装置相连的负载(未图示)、以及所述开关元件Q1、Q2的作用。

[0024] 起到上述作用的所述过负载检测电路16例如如图4所示那样，构成为对所述第2开关元件Q2(高侧)进行导通驱动时的谐振电压Vx的峰值进行检测。具体而言，所述过负载检测电路16利用比较器16a逐次对通过所述辅助线圈电压检测端子VW检测出的谐振电压Vx与规定基准电压Vref进行比较。然后，经由接受对所述高侧驱动器电路12进行驱动的驱动控制信号HION并变成激活的门电路(与电路)16b将上述比较器16a的输出施加至触发器16c，对该触发器16c进行置位，从而如后述那样生成所述过负载检测信号OLP。

[0025] 也就是说，所述过负载检测电路16如图5中示出其动作时刻那样，在所述第2开关元件Q2进行导通动作的期间内，在所述谐振电压Vx超过所述基准电压Vref时，对所述触发器16c进行置位。此外，所述触发器16c利用在所述门电路(与电路)16b的输出反转为低(L)电平时启动的计时器电路16d，在一定时间Treset后复位。

[0026] 顺便一提的是，所述计时器电路16d包括：通过恒流源It以恒定电流进行充电的电容器Ct；接收所述门电路(与电路)16b的输出，进行导通动作，使所述电容器Ct进行放电并复位(初始化)的开关SW；以及在所述电容器Ct的充电电压超过规定的阈值电压时进行反转动作的反转电路(非电路)N1。该电容器Ct的充电电压超过所述阈值电压为止的充电时间为所述一定时间Treset。然后，利用第2反转电路(非电路)N2将所述反转电路N1的输出反转，并对所述触发器16c进行复位。

[0027] 因此，所述计时器电路16d如图6所示的其动作时刻那样，在所述谐振电压Vx超过所述基准电压Vref的时刻对所述触发器16c进行置位。此后，若所述谐振电压Vx下降至低于所述基准电压Vref，则所述计时器电路16d在经过所述一定时间Treset之后对所述触发器16c进行复位。由此，被置位、复位的所述触发器16c的输出通过设定有规定的延迟时间Tdly的延迟电路16e而受到延迟控制并输出。具体而言，所述延迟电路16e构成为以所述触发器16c的输出持续所述延迟时间Tdly为条件，生成所述过负载检测信号OLP。

[0028] 由此构成的所述过负载检测电路16如图6所示，在所述谐振电压Vx超过所述基准电压Vref的状态持续所述延迟时间Tdly时，将该情况判断为过负载状态，并输出所述过负载检测信号OLP。然后，将该过负载检测信号OLP提供给所述控制电路13，分别对所述低侧驱动器电路11以及所述高侧驱动器电路12的驱动进行停止控制。其结果是，在检测到过负载后的一定时间之后(所述延迟时间Tdly之后)，停止对所述第1及第2开关元件Q1、Q2进行导通驱动，进行针对过负载的保护动作。

[0029] 从而根据如上所述结构的开关电源装置1，关注所述谐振型功率转换装置主体3的谐振电流，并关注该谐振电流所生成的谐振电压的峰值来判断负载状态，因此能简单且高精度地执行过负载检测。尤其是无需执行上述专利文献1、2各自介绍的运算处理，就能简单且高精度地检测出过负载状态。因此，能够在将具备过负载保护功能的所述驱动控制电路2实现为电源IC的基础上，还能实现该电路结构的简化，并且也能实现该制造成本的降低，因此其实用性方面的优势较大。

[0030] 此外，在上述实施方式中，示出了与所述高侧驱动器电路12的驱动控制信号HION同步来进行过负载的检测的示例，其中，所述高侧驱动器电路12对所述第2开关元件Q2进行导通驱动。然而，所述谐振型功率转换装置主体3中的谐振电流是伴随着所述开关元件Q1、Q2的辅助性的导通、截止动作而产生的，因此具有对称性。因此，例如图7所示，也可以与所述低侧驱动器电路11的驱动控制信号LWON同步来进行过负载的检测，其中，所述低侧驱动器电路11对所述第1开关元件Q1进行导通驱动。

[0031] 此外，如图8所示，可以分别与所述各驱动器电路11、12的驱动控制信号LWON、HION同步来进行过负载的检测。由此，若将所述过负载检测电路16构成为基于具有对称性的正谐振电流(谐振电压)与负谐振电流(谐振电压)来分别检测出过负载，则能容易地提高过负载的检测精度。此外，能进一步缩短检测出过负载为止的时间，并能尽快地执行针对过负载的保护动作。

[0032] 然而，在所述实施方式中，示出了构成为根据所述绝缘变压器T的辅助线圈P2生成的电压来检测出谐振电压的峰值的示例。然而，当然能根据伴随着所述开关元件Q1、Q2的导通、截止动作而在所述绝缘变压器T的一级线圈P1产生的谐振电压来直接检测出过负载。

[0033] 在该情况下，如图9对本发明的实施方式2所涉及的开关电源装置1的简要结构所示的那样，采用通过串联连接的电阻R11、R12来对所述绝缘变压器T的一级线圈P1生成的谐振电压进行电阻分压，并对其进行检测的结构即可。或者，如图10对本发明的实施方式3所涉及的开关电源装置1的简要结构所示的那样，采用通过串联连接的电容器C11、C12来对所述绝缘变压器T的一级线圈P1生成的谐振电压进行电容分压，并对其进行检测结构即可。

[0034] 由此，即使采用对所述绝缘变压器T的一级线圈P1生成的谐振电压Vx进行分压并检测，判断所检测出的谐振电压Vx的峰值的结构，仍能获得与上述实施方式相同的效果。此外，在采用上述结构的情况下，将所述绝缘变压器T的辅助线圈P2作为对于所述驱动控制电路2的电源电压VCC的提供源足矣。

[0035] 此外，本发明并不限于上述各实施方式。例如，在将同步整流升压型整流器用作为所述谐振型功率转换装置主体3的情况下，也能同样地适用本发明。顺便一提地，所述同步整流升压型整流器例如如图11所示的那样，经由谐振用电抗器L与直流电压源相连接，并具备第1开关元件Q1，该第1开关元件Q1受到所述驱动控制电路2的驱动，在导通时将来自所述直流电压源的输入电压Vin施加给所述谐振用电抗器L。并且，所述同步整流升压型整流器具备第2开关元件Q2而构成，该第2开关元件Q2在所述第1开关元件Q1截止时受到所述驱动控制电路2的导通驱动，将存储在所述谐振型电抗器L中的电能量传输至输出电容器。

[0036] 在对上述同步整流升压型整流器(谐振型功率转换装置主体3)采用本发明的情况下，例如通过电阻R21、R22对例如所述谐振用电抗器L的辅助线圈中产生的谐振电压Vx进行分压并输入至所述驱动控制电路2，并根据所述谐振电压Vx的峰值检测出负载状态即可。另外，这里根据所述谐振电压Vx的峰值来检测出负载状态，但当然也可以构成为根据该谐振电压Vx的实际值来检测出负载状态。此外，本发明可以在不脱离其主旨的范围内进行各种变形来实施。标号说明

[0037] 1 开关电源装置2 驱动控制电路(电源IC)
3 谐振型功率转换装置主体(DC-DC整流器)
4 输出电压检测电路
11 低侧驱动器电路
12 高侧驱动器电路
13 控制电路
14 振荡电路(PWM调制)
15 启动电路
16 过负载检测电路
16a 比较器
16b 门电路(与电路)
16c 触发器
16d 计时器电路
16e 延迟电路
Q1,Q2 开关元件
T 绝缘变压器
P1 一级线圈
P2 辅助线圈
S1,S2 二级线圈
R1,R2 电阻
R11,R12 电阻
C1,C2 电容器

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