專利名稱：開關電源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在輕負載時，降低功率損失、改善效率的開關電源裝置。
控制向負載供給電力的開關的占空系數，可通過例如固定脈沖頻率，調整各脈沖周期的接通時間使之變化。
開關電源裝置一般來講比串聯電源裝置效率更高。但是，效率一般是輸出電流的函數，通常在驅動輕負載的情況下，即由于輸出電流小而(效率)降低。這種效率的降低的原因一般是由于伴隨開關電源裝置的動作開關損失等。
所以，迄今，為了減輕開關電源裝置在輕負載時的損失，進行脈沖串模式控制或跳躍模式控制。
脈沖串模式控制，如同在特開平06-303766號公報中表示的那樣，檢測出輸出電流非常低的狀態(tài)，在輸出電容器的電壓可以實質地維持在規(guī)定輸出電壓的整個期間，維持開關為斷開狀態(tài)。即對開關進行通斷控制期間和斷狀態(tài)期間，呈脈沖串狀的交替。由于在該斷開狀態(tài)期間不生成開關損失，所以效率得到改善。
另外，跳躍模式控制是在輸出電壓上加載具有規(guī)定的電壓幅度的窗口比較器。從其電壓下限升向電壓上限時，由固定占空因數的脈沖開關動作，使輸出電壓上升，而從輸出電壓上限降向下限時，任其輸出電壓下降。在輸出電壓從上限向下限下降的期間，由于不生成開關損失，效率得到改善。
但是，在這些以往的脈沖模式控制的開關電源裝置中，由于開關頻率是不連續(xù)的，會生成脈沖噪音。該脈沖噪音會給周圍的電子設備造成惡劣影響，生成相互干擾等問題。
另外，在進行跳躍式控制的開關電源裝置中，也是由于只有在開關頻率從電壓下限升向上限走時，才進行開關，開關控制結果成為脈沖狀態(tài)。而且其他由于輸出電源的變動，其波動電壓會增大。該輸出電壓的大波動對于負載來說是不好的。
從本發(fā)明的一個側面來看，它是開關電源裝置，具有根據指令信號開關輸入電壓的開關電路部，為使該開關電路部的開關輸出平滑的平滑線圈，在該平滑線圈的輸出側設置，向輸出電壓充電的輸出電容器，生成根據上述輸出電壓相應反饋電壓和基準電壓的差的差信號的占空因數的脈沖的脈沖信號生成部，接受該脈沖信號生成部的脈沖信號和輕負載判定信號，在不是輕負載時，上述脈沖信號作為上述指令信號輸出，而在輕負載時，擴展上述脈沖信號的時間寬度作為上述指令信號輸出的延遲控制部。
而從本發(fā)明的另一個側面來看，它是開關電源裝置，具有根據指令信號開關輸入電壓的開關電路部，為使該開關電路部的開關輸出平滑的平滑線圈，在該平滑線圈的輸出側設置，向輸出電壓充電的輸出電容器，生成根據上述輸出電壓相應反饋電壓和基準電壓的差的差信號的占空因數的第一周期脈沖的脈沖信號生成器，接受該脈沖信號生成部的上述第一周期脈沖信號和輕負載判定信號，在不是輕負載時，上述第一周期脈沖信號作為上述指令信號輸出，而在輕負載時，將上述第一周期脈沖信號拉長間隔而成的第二周期脈沖信號作為上述指令信號輸出的間隔控制部。
從本發(fā)明的開關電源裝置來看，輕負載時的開關頻率被控制為基本平均的低頻，所以可以降低輕負載時的損失，改善效率。而且基本沒有脈沖噪音，比以往技術也可以降低輸出電壓的波動。
圖2是延遲電路18的構成圖。
圖3是延遲電路18的時序圖。
圖4是

圖1的開關電源裝置在一般負載時的時序圖。
圖5是圖1的開關電源裝置在輕負載時的時序圖。
圖6是延遲電路18的其他構成例的示意圖。
圖7是表示gm放大器16以及比較器CP1的具體電路的圖在圖1中，該開關電源裝置是電流方式控制的開關電源裝置。在輸入電壓為Vin的電源與地線之間串聯連接N型MOS晶體管(以下稱N型晶體管)11和N型晶體管12，由此構成了開關電路。在該開關電路中，從驅動器13提供驅動脈沖，N型晶體管11、12通常一個導通另一個截止的互反狀態(tài)。平滑線圈Lo使開關電路輸出平滑，輸出電容器Co與平滑線圈Lo一起發(fā)揮使輸出平滑的作用。在輸出電容器Co中輸入電壓Vin對應驅動脈沖的幅度，向被降壓的輸出電壓Vo充電。該輸出電壓Vo被供給負載14。電阻15用于檢測流過平滑線圈Lo的電流Io，將對應該電流的壓降作為檢測電壓Vrd取出。
互導放大器(以下稱GM放大器)16被輸入輸出電壓Vo和基準電壓Vref，生成對應該電壓差的電流。GM放大器輸出源17生成對應GM放大器16的輸出電流的GM輸出電壓Vgm。比較器CP1將GM輸出電壓Vgm和檢測電壓Vrd進行比較，生成該比較結果的輸出。
觸發(fā)電路FF，固定周期的設置信號S被輸入至設置端子S，比較器CP1的比較輸出作為復位信號R被輸入至復位端子r。在該觸發(fā)電路FF中，復位是在復位信號R的下降沿進行，而設置是在設置信號的下降沿并且復位信號R處于上升沿時進行。對應該設置和復位，輸出Q作為脈沖信號被輸出。
延遲電路18從觸發(fā)電路FF輸入脈沖信號Q，根據有無輕負載判定信號LL，以決定將脈沖信號Q以原樣的幅度輸出還是輸出延遲規(guī)定時間并擴大幅度的延遲脈沖信號Qd。在輕負載的情況下，輸出延遲脈沖信號Qd，非輕負載的情況下，原樣輸出脈沖信號Q。該延遲電路18的輸出成為向驅動器13的指令信號。
該延遲電路18的實例被表示在圖2的構成例以及圖3的時序圖中。在圖2中，P型晶體管21、電阻23、N型晶體管22是串聯連接的。在該N型晶體管上并聯連接有電容器24，該電容器24的充電電壓根據由反相器25的輸入閾值Vth進行閾值判定。該反相器25的輸出與輕負載判定信號LL的邏輯乘由‘與’電路26上取得，進而該‘與’電路26的輸出和脈沖信號Q的邏輯和由‘或’電路27取得，成為向驅動器13的指令信號。
脈沖信號Q被施加在P型MOS晶體管(以下稱P型晶體管)21以及N型晶體管22的柵極。當該脈沖信號Q從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，由電源電壓Vdd向電容器24充電。該充電電壓如圖3所示，以對應電阻23與電容24的值的時間常數上升。當該充電電壓到達反相器25的閾值Vth時，反相器進行反相。由此，使脈沖信號Q延遲，只是在時間Td放大其幅度的延遲脈沖信號Qd從反相器25的輸出。所以，根據輕負載判定信號LL的有無，脈沖信號Q或者延遲脈沖信號Qd總有一個被輸出。
另外，再回到圖1，向比較器CP2輸入與流過平滑線圈Lo的電流Io成比例的檢測電壓Vrd，判別電流Io的極性(即電流方向)，向驅動器13提供逆電流檢測信號。驅動器13在檢測出電流Io的逆電流時，使流過逆電流的N型晶體管12截止。
對應流過平滑線圈Lo的電流Io的值，即，檢測電壓Vrd，例如其平均值在規(guī)定水平以下時，能夠生成輕負載判定信號LL。而且，在通過比較器CP2檢測到電流Io的逆電流時，例如檢測出逆電流信號生成了規(guī)定的次數，生成輕負載判定信號LL。并且，由于GM放大器16的輸出基本表示的是電流Io，所以也可以在與該輸出對應的值，例如GM輸出電壓Vgm在規(guī)定水平以下時，生成輕負載判定信號LL。采用所有這些方法，都能夠容易地形成輕負載判定信號LL。
下面，參照圖4的時序圖，就圖1的開關電源裝置在沒有生成輕負載判定信號LL的情況下通常的動作進行說明。
設置信號S由圖4(a)、觸發(fā)電路FF的輸出即脈沖信號Q由該圖(b)、延遲脈沖信號Qd由該圖(c)、GM輸出電壓Vgm以及檢測電壓Vrd由該圖(d)、比較器CP1的輸出即復位信號R由該圖(e)分別表示。
設置信號S在每個固定的周期下降。觸發(fā)電路FF是下降沿觸發(fā)型。所以觸發(fā)電路FF在設置信號S的下降沿(圖中箭頭所表示的)而復位信號R為高電平的條件下脈沖信號Q成為高電平。
當脈沖信號Q成為高電平時，通過驅動器13，使N型晶體管11導通，N型晶體管12截止，于是電流Io開始增加。由于檢測電壓Vrd與電流Io成比例，所以進行與其同樣的變化。
在GM輸出電壓Vgm比檢測電壓Vrd大的期間，脈沖信號Q處于高電平。當檢測電壓Vrd增加，達到GM輸出電壓Vgm后，比較器CP1的輸出即復位信號R翻轉成為低電平。
由于復位信號R的下降，觸發(fā)電路FF被復位，脈沖信號Q變成低電平。這時，由于沒有生成輕負載判定信號LL，脈沖信號Q成為驅動器13的指令信號，所以N型晶體管11截止，N型晶體管12導通。由此電流Io開始減少。
這樣的控制在每個設置信號S的周期T反復進行，由此生成對應負載大小幅度的脈沖信號Q。
其次，參照圖5的時序圖，就生成輕負載判定信號時的輕負載動作進行說明。
設置信號S由圖5(a)、觸發(fā)電路FF的輸出即脈沖信號Q由該圖(b)、延遲脈沖信號Qd由該圖(c)、GM輸出電壓Vgm以及檢測電壓Vrd由該圖(d)、比較器CP1的輸出即復位信號R由該圖(e)分別表示。
設置信號S也是在每個固定的周期下降。觸發(fā)電路FF在設置信號S的下降邊t1而復位信號R為高電平的條件下脈沖信號Q成為高電平。
脈沖信號Q成為高電平以后，經過驅動器13，N型晶體管11導通，N型晶體管12截止，于是隨著電流Io，檢測電壓Vrd開始增高。
GM輸出電壓Vgm比檢測電壓Vrd大的期間，復位信號R處于高電平。檢測電壓Vrd增高，達到GM輸出電壓Vgm(t2時刻)后，比較器CP1的輸出即復位信號R翻轉成為低電平。
由于復位信號R的下降，觸發(fā)電路FF被復位，脈沖信號Q變成低電平。
但是這時，由于生成了輕負載判定信號LL，延遲脈沖信號Qd成為驅動器13的指令信號。所以即使超過時刻t2，在延遲脈沖信號Qd處于高電平期間，N型晶體管11導通，N型晶體管12截止的狀態(tài)繼續(xù)。因此，檢測電壓Vrd繼續(xù)增高。
一直到時刻t3，當延遲脈沖信號Qd變成低電平時，N型晶體管11截止，N型晶體管12導通，于是檢測電壓Vrd開始下降。在GM輸出電壓Vgm小于檢測電壓的期間，復位信號R處于低電平。
在下一個周期的設置信號S的下降時刻t4，設定延遲時間Td使復位信號R仍然處于低電平。所以，觸發(fā)電路即使收到設置信號S也不會被設置，依然繼續(xù)其復位狀態(tài)。
當電流Io減少，使檢測電壓Vrd下降到GM輸出電壓Vgm以下時(時刻t5)，復位信號恢復高電平。
在該狀態(tài)下，當下一個周期的設置信號下降時(t6時刻)，由于在該時刻t6復位信號R處于高電平，所以脈沖信號Q變成高電平。以后，反復地進行所說明過的與在時刻t1～時刻t6同樣的控制。
這樣，在輕負載時，通過將提供給驅動器13的指令信號的脈沖幅度加寬，由N型晶體管11、12構成的開關電路的開關頻率被降低為基本上平均的低頻。所以可以減輕輕負載時的損失，改善效率。
而且，可以不生成脈沖噪音，與以往的裝置相比，可降低輸出電壓的波動。進而，通過將延遲電路18附加在以往的裝置上，只需進行與在一般負載情況下的控制相同的控制，便可以在輕負載時自動地將開關頻率變更成低頻。所以，不必要為進行輕負載控制而在裝置各部分進行新的常數設定，可以簡化其結構。
在圖5的時序圖中，以設置信號S每隔一個周期進行開關的實例進行說明，但是并不限定于此，也可以每隔兩個周期進行開關。因此只要簡單地通過延遲電路18調整脈沖寬度的擴大量，即調整延遲時間T就可以。
而且，驅動器13，由檢測逆電流信號使得流過逆電流的接地側的晶體管12截止，可以阻止無負載時或者負載極小時的無用的放電電流。
而且，輕負載狀態(tài)的判定由于是本來在電流控制中所使用的，根據流過平滑線圈的電流和互感應放大器的輸出而進行的，所以也可以簡單地進行輕負載狀態(tài)判定。
而且，由于延遲部是以固定時間放大脈沖信號的時間寬度，所以可簡化結構。而且，由于其時間寬度的擴大設定是與互感應放大器的輸出、流過平滑線圈的電流成反比，所以可根據輕負載狀態(tài)而適當確定開關頻率。
圖6是表示延遲電路18的其他構成例的圖。PNP雙極型晶體管(以下稱P型Bi晶體管)54的集電極和地之間串聯連接NPN雙極型晶體管(以下稱N型Bi晶體管)52和電阻53。而且，GM輸出電壓Vgm和電阻53和N型Bi晶體管52的發(fā)射極的接點的電壓分別輸入至由運算放大器構成的緩沖器51的非反轉輸入端和反轉輸入端。該緩沖器51的輸出提供給N型Bi晶體管52的基極。而且與P型Bi晶體管54構成對稱連接的P型Bi晶體管55與地之間串聯一個電容器56。與該電容器并聯連接著N型Bi晶體管57，由脈沖信號Q驅動。
當脈沖信號Q成為低電平時，開始向電容器56充電，由轉換器58對電容器的充電電壓進行閾值判斷。該轉換器58的輸出和輕負載判定信號LL的邏輯乘由‘與電路’59取得，進而該‘與電路’59的輸出與脈沖信號Q的邏輯和由‘或電路’60取得，成為向驅動器14的指令信號。
在圖6的延遲電路18中，當設定電阻53的電阻值為R時，在該電阻53上流過Vgm/R的電流，同樣值的電流或者與此成比例的電流值成為電容器56的充電電流Ic。GM輸出電壓Vgm因為與電流Io基本成正比例關系，電容器56的充電電壓到達轉換器58的閾值的時間與電流Io成正比例。所以，由于電流Io與延遲時間成反比關系，該延遲電路18上的延遲時間Td隨著電流Io的變小而延長。
開關電源上的損失，主要是由開關頻率決定的開關損失，輸出電流以及電阻成分的電阻損失決定。因此，確定了電源裝置的構成部件后，也就確定了對于輸出電流效率良好的開關頻率。
該圖6的延遲電路18中，利用GM放大器16的輸出，通過使延遲時間Td與電流Io呈反比例，可以使開關頻率接近對應輸出電流更理想的頻率。
而且，作為本發(fā)明的開關電源裝置的其他實施方式，代替圖1中的延遲電路18，而設置了間隔控制電路18A。該間隔控制電路18A從觸發(fā)電路FF輸入脈沖信號Q，根據有無輕負載判定信號LL，決定是讓脈沖信號Q原樣通過，還是按一定比例間隔通過脈沖信號Q。間隔的比例可以是每一個脈沖間隔一次，也可以是其他的比例。所以在輕負載情況下，輸出間隔的脈沖信號，在非輕負載情況下，脈沖信號原樣通過。其他電路也可以與圖1一樣。在使用該間隔控制電路18A的情況，與使用延遲電路18的相比可以取得同樣的效果。
圖7是表示GM放大器16以及比較器CP1的具體電路的圖。在該圖7中，GM放大器16，為生成對應輸出電壓Vo與基準電壓Vref之間的差的輸出，電流源61、基極上施加有基準電壓Vref的P型Bi晶體管63及基極上施加有輸出電壓Vo的P型Bi晶體管62如圖所示進行差動連接。而且，N型Bi晶體管64、65、68、69、P型Bi晶體管66、67、71、72、運算放大器70、電阻73、電流源74構成如圖所示的連接。
通過該構成的GM放大器16，形成對應基準電壓Vref和輸出電壓Vo的差的電流。該電流被輸入至下一級的比較器CP1。
另外，比較器CP1為了進行比較，輸入檢測電壓Vrd，對應GM放大器16的輸出電流提供補償，輸出該比較的結果。因此，補償用的電阻81恒流源91、92、93、94、P型Bi晶體管82、83、84、88、N型Bi晶體管85、86、89、轉換器90如圖所示進行連接。
由這種構成的比較器CP1，在電阻81上生成的GM輸出電壓Vgm同與電流Io成比例的檢測電壓Vrd進行比較。GM輸出電壓Vgm比檢測電壓Vrd大時，輸出高電平復位信號R。
另外，在以上的說明中，雖然是對觸發(fā)電路FF以下降沿觸發(fā)動作的情況進行的說明，但只要是復位優(yōu)先的閂鎖電路，也可以利用L電平使其動作。
權利要求
1.一種開關電源裝置，其特征在于具有對應指令信號，對輸入電壓進行開關控制的開關電路部、為了使該開關電路的開關輸出平滑的平滑線圈、設置在該平滑線圈的輸出側的向輸出電壓充電的輸出電容器、生成根據對應所述輸出電壓的反饋電壓與基準電壓的差信號的占空因數的脈沖信號的脈沖信號生成部、和接收該脈沖信號生成部的脈沖信號和輕負載判定信號，在不是輕負載時，將所述脈沖信號作為所述指令信號輸出，在輕負載時，將所述脈沖信號的時間寬度擴大以后作為所述指令信號輸出的延遲控制部。
2.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于所述脈沖信號生成部，使用相應于所述輸出電壓對應的反饋電壓和基準電壓之間的差的差信號，以及對應流過所述平滑線圈的電流的電流檢測信號，生成具有根據這些差信號和電流檢測信號的占空因數的脈沖信號。
3.根據權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于所述脈沖信號生成部，具有輸入相應于所述輸出電壓的反饋電壓和所述基準電壓，對其兩個輸入的差電壓進行放大的互導放大器、對相應于該互導放大器的輸出的誤差電壓與相應于在所述平滑線圈上流過的電流的檢測電壓進行比較的比較器、輸入固定周期的設置信號和所述比較器的輸出，以所述比較器輸出處于規(guī)定狀態(tài)時的設置信號進行設置，以比較器輸出從所述規(guī)定狀態(tài)向其他狀態(tài)的變化進行復位，生成所述脈沖信號的觸發(fā)電路。
4.根據權利要求3所述的開關電源裝置，其特征在于所述輕負載判定信號，根據相應于所述互導放大器的輸出的誤差電壓而生成。
5.根據權利要求4所述的開關電源裝置，其特征在于所述延遲控制部的所述脈沖信號的時間寬度的擴大，按相應于所述互導放大器的輸出的所述誤差電壓的反比而設定。
6.根據權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于所述輕負載判定信號根據相應于所述流過平滑線圈的電流的電流檢測信號而生成。
7.根據權利要求6所述的開關電源裝置，其特征在于在所述延遲控制部上的所述脈沖信號的時間寬度的擴大是規(guī)定時間的。
8.根據權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于在所述延遲控制部上的所述脈沖信號的時間寬度的擴大是規(guī)定時間的。
9.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于所述開關電路部具有根據所述指令信號驅動的串聯連接的晶體管開關，從其串聯連接點輸出所述的開關輸出，具備在所述延遲控制部和所述開關電路部之間設置，根據從所述延遲控制部輸出的所述指令信號，驅動串聯連接的所述晶體管開關的驅動部、判別流過所述平滑線圈的電流的極性，向所述驅動部供給逆電流檢測信號的比較器，由所述逆電流檢測信號使所述開關晶體管之中流過逆電流的開關晶體管截止。
10.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于所述輕負載判定信號根據對應所述流過平滑線圈的電流的電流檢測信號而生成。
11.根據權利要求10所述的開關電源裝置，其特征在于在所述延遲控制部上的所述脈沖信號的時間寬度的擴大是規(guī)定時間的。
12.根據權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于在所述延遲控制部上的所述脈沖信號的時間寬度的擴大是規(guī)定時間的。
13.一種開關電源裝置，具有根據指令信號對輸入電壓進行開關的開關電路部、為了使該開關電路的開關輸出平滑的平滑線圈、設置在該平滑線圈的輸出側的向輸出電壓充電的輸出電容器、根據與所述輸出電壓對應的反饋電壓與基準電壓的差的相應的差信號生成占空因數的第1周期信號的脈沖信號生成部、和接收該脈沖信號生成部的所述第1周期脈沖信號和輕負載判定信號，在不是輕負載時，將所述第1周期脈沖信號作為所述指令信號輸出，在是輕負載時，將所述第1周期脈沖信號的時間寬度擴大以后的第2周期信號作為所述指令信號輸出的間隔控制部。
14.根據權利要求13所述的開關電源裝置，其特征在于所述脈沖信號生成部，使用相應于對應所述輸出電壓的反饋電壓和基準電壓之間的差的差信號，以及流過所述平滑線圈的電流對應的電流檢測信號，生成根據這些差信號和電流檢測信號的占空因數的第1周期脈沖信號。
15.根據權利要求14所述的開關電源裝置，其特征在于所述脈沖信號生成部具有輸入相應于所述輸出電壓的反饋電壓和所述基準電壓，對其兩個輸入的差電壓進行放大的互導放大器，相應于該互導放大器的輸出的誤差電壓與相應于在所述平滑線圈上流過的電流的檢測電壓進行比較的比較器，輸入規(guī)定周期的設置信號和所述比較器的輸出，以所述比較器輸出處于規(guī)定狀態(tài)時的設置信號進行設置，以比較器輸出從所述規(guī)定狀態(tài)向其他狀態(tài)的變化進行設置，生成所述第1周期脈沖信號的觸發(fā)電路。
16.根據權利要求13所述的開關電源裝置，其特征在于所述開關電路部，具有根據所述指令信號驅動的串聯連接的晶體管開關，從其串聯連接點輸出所述的開關輸出，具備在所述間隔控制部和所述開關電路部之間設置，根據從所述間隔控制部輸出的所述指令信號，驅動串聯連接的所述晶體管開關的驅動部、判別流過所述平滑線圈的電流的極性，向所述驅動部供給逆電流檢測信號的比較器，由所述逆電流檢測信號使所述晶體管開關之中流過逆電流的晶體管開關截止。
17.根據權利要求13所述的開關電源裝置，其特征在于所述輕負載判定信號根據相應于所述流過平滑線圈的電流的電流檢測信號而生成。
全文摘要
一種開關電源裝置，該裝置生成根據對應輸出電壓和基準電壓之差的值，以及對應流過平滑線圈的電流的值的占空因數的脈沖信號。接收該脈沖信號和輕負載判定信號后，在不是輕負載時，把該脈沖信號作為指令信號輸出，而在輕負載時，將脈沖信號的時間寬度擴大的延遲信號作為指令輸出。由此，輕負載時的開關頻率不會出現不連續(xù)的短脈沖串，可以控制為基本固定的低頻率，從而減少輕負載時的損失。
文檔編號H02M3/156GK1453926SQ0312226
公開日2003年11月5日 申請日期2003年4月24日 優(yōu)先權日2002年4月24日
發(fā)明者梅本清貴, 竹村興 申請人:羅姆股份有限公司