切换输出电压的设定的开关电源装置和开关电源装置用集成电路

摘要

提供一种开关电源装置，能够切换为规定的输出电压，并且维持高效率。该开关电源装置根据外部信号来切换输出电压的设定，其特征在于，具有：变压器(T1)，其具有一次绕组(P1)和二次绕组(S1、S2)；多个同步整流元件(SR1、SR2)，它们设置在对二次绕组的脉冲电压进行整流的2次侧整流部中，与二次绕组的数量对应；开关元件(SW2)，其用于切换二次绕组(S1、S2)；以及控制电路(20)，其对同步整流元件(SR1、SR2)进行接通断开控制，使开关元件(SW2)接通或断开，与输出电压(Vo)的设定电压的高低的电压值对应地，使开关元件(SW2)接通或断开，并且选择任意同步整流元件中对二次绕组的脉冲电压进行同步整流，在输出电压(Vo)较高的设定值下的动作停止时，使同步整流元件中的、输出输出电压(Vo)较高的设定值一侧的同步整流元件(SR2)进行开关动作，直至下降到输出电压(Vo)的设定电压较低的电压值为止。

说明书

技术领域

本发明涉及用于各种电子设备的AC适配器和开关电源装置，特别涉及与USB-PD(Universal Serial Bus-Power Delivery：通用串行总线电力输送)对应的电源装置。

背景技术

利用直流电源进行工作的电子设备多数以3.3V～24V的电压进行工作，所以例如AC适配器的输出电压成为5V、12V、19V、24V等。商用变压器和开关电源用变压器都优选根据以匝数比进行输出电压转换的变压器的原理，设为符合输出电压的最佳匝数比。因此，在构成如输出电压发生2～3倍的变化的电源(例如恒流电源等)的情况下，需要结合最大输出电压来考虑变压器设计、一次侧开关元件耐压及二次侧整流元件耐压。此外，这意味着针对各种各样的工作电压的设备，非常难以设计成能够用1台电源或AC适配器进行应对。

因此，在日本特开2015-43643中，为了构成使输出电压可大幅度改变的电源，采用了如下手段：对AC/DC电源的DC输出进一步设置降压斩波调节器等DC/DC转换器。

现有技术文件

专利文献

专利文献1：日本特开2015-43643号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1所提出的电路结构中，如图8那样具有AC/DC转换器部和DC/DC转换器部，通过切换作为切换开关的N1、N2、N3，抑制了DC/DC转换器部的效率下降。

此外，如图9那样，为了改善AC/DC转换器部的整流效率，采用了同步整流方式(M1、M2)。

但是，在如图8那样具有AC/DC转换器部和DC/DC转换器部的结构中，作为电源装置的效率成为乘以各转换器效率得到的值，效率成为比AC/DC转换器部和DC/DC转换器部中的任意一个的值都低的值，所以无法实现效率的提高。此外，部件数量增加，无法实现小型化等，从而不优选。

其次，如图9那样，通过在AC/DC转换器部中使用同步整流方式，与整流二极管损耗对应地，可实现效率的提高。但是，在切换输出电压时，未进行伴随变压器的匝数比的效率的最佳化，所以在选择另一方的输出电压时，开关占空比差异较大，无法实现效率的提高。

鉴于上述问题，本发明的课题在于提供一种即使切换输出电压也能够维持高效率的开关电源装置。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，根据本发明的一个方式，是一种开关电源装置，其根据外部信号来切换输出电压的设定，该开关电源装置的特征在于，具有：

变压器，其具有一次绕组和作为多个的n个二次绕组；

n个同步整流元件，其设置在对所述二次绕组的脉冲电压进行整流的2次侧整流部中，与所述作为多个的n个二次绕组对应；

n-1个开关元件，其用于切换所述二次绕组；以及

控制电路，其对所述同步整流元件进行接通断开控制，对所述开关元件进行接通固定或断开固定，

与所述输出电压的设定电压的高低的电压值对应地，对所述n-1个开关元件进行接通固定或断开固定，并且选择所述作为多个的n个同步整流元件中的全部或任意同步整流元件，对所述二次绕组的脉冲电压进行同步整流，

在所述输出电压较高的设定值下的动作停止时，使所述多个同步整流元件中的、输出所述输出电压较高的设定值一侧的同步整流元件进行开关动作，直至下降到所述输出电压的设定电压较低的电压值为止。

发明效果

根据本发明，能够按照每个二次绕组具有同步整流用元件，并且与经由开关用元件而设定的输出电压对应地来选择变压器的抽头。因此，即使变更输出电压，无论用哪一个输出电压都能够变更变压器的二次绕组的连接，所以能够获得高效率。此外，能够经由同步整流电路的同步整流用元件对输出平滑电容器的残余电压进行放电，所以无需重新设置放电电路专用部件。此外，通过具有放电功能，还具备如下的保护功能：即使将输出电压设定从高的电压设定紧接着切换到低的电压设定，也不使输出端子输出超过设定电压的电压。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的框图的图。

图2是示出图1所示的框图的各部件序列的图。

图3示出发明的第1实施方式所示的电路图和各部件的动作表。

图4示出发明的第1实施方式所示的电路图的连接变更例和各部件的动作表。

图5是示出本发明的第2实施方式的框图的图。

图6是示出图5所示的框图的各部件序列的图。

图7示出发明的第2实施方式所示的电路图和各部件的动作表。

图8示出现有技术的具有AC/DC转换器部和DC/DC转换器部的结构的电路图。

图9示出在图8的现有技术的AC/DC转换器部中采用了同步整流方式的电路例。

具体实施方式

(第1实施方式)

图1是示出本发明的第1实施方式的框图的图。

在图1所示的基本结构中，经由与交流输入电源AC连接的线路滤波器LF，通过整流器DB将交流电压整流为直流电压，对直流电压进行平滑的电容器C1与变压器T1的一次绕组P1和MOSFET Q1的串联电路连接。在MOSFET Q1的栅极连接有控制电路cont.，根据来自后述的光电耦合器PC1的反馈信号对MOSFET Q1进行接通断开控制，从而进行输出电压Vo的控制。二极管D1、电容器C2、电阻R1构成缓冲电路，吸收施加到MOSFET Q1的浪涌电压。

此外，变压器T1的二次绕组S1和S2串联连接，二次绕组S1的一个端子与平滑电容器C3的正电极连接，并经由Vbus开关部VbusSW与输出的正电极(Vout)连接。平滑电容器C3的负电极与输出的GND和同步整流元件的SR1和SR2的一个端子连接。同步整流元件的SR1的另一个端子与抽头连接，该抽头与二次绕组S1和S2串联连接。同步整流元件的SR2的另一个端子经由开关元件SW2与二次绕组S2的另一个端子连接。此外，在平滑电容器C3的两端子之间连接有光电耦合器PC1和误差放大器ErrAmp，根据来自Vbus控制部Vbus cont.的电压指示值Vref信号，以使得输出电压Vo成为恒定值的方式，经由光电耦合器PC1对1次侧的控制电路cont.进行了反馈控制。

此外，同步整流元件的SR1和SR2通过与MOSFET Q1的接通断开动作互补地进行断开接通动作，对在二次绕组S1、S2产生的电压进行整流。

此外，根据输出电压Vo的设定电压的“高”、“低”而对开关SW2进行接通固定或断开固定，在开关SW2的接通动作时，同步整流元件的SR2进行同步整流动作。

Vout、GND、cc的各输出端子内置于USB-PD的连接器端子中，经由连接器相对于负载进行拆装。这里，Vbus控制部Vbus cont.根据有无cc端子信号，判断是否安装有连接器。

图2示出图1所示的框图的各部件序列。在图2中，假设了将输出电压设定设定为5V和20V中的任意一个的条件例。

这里，来自Vbus控制部Vbus cont.的电压指示值Vref信号首先成为如下的规格：在使输出电压以5V起动并稳定以后，将输出电压Vo再次设定为20V电压。

首先，对将输出电压Vout设定为5V的情况进行说明。在时刻t0，MOSFET Q1的开关动作开始。与MOSFET Q1的开关动作对应地，2次侧的同步整流元件SR1与二次绕组S1的电流同步地开始接通断开动作。这里，开关SW2和同步整流元件SR2从时刻t0起维持断开状态。由此，按照二次绕组S1→平滑电容器C3→同步整流元件SR1→二次绕组S1的路径，通过平滑电容器C3进行整流平滑，从而输出电压Vo输出5V。此外，Vbus开关部在时刻t2接通，向Vout输出5V。

接着，在时刻t2卸下了USB-PD连接器时，不再有cc端子信号，Vbus控制部Vbuscont.将电压指示值Vref信号设定为“低”(设定为5V)，同时使Vbus开关部断开。由此，Vout输出电压变为零。这里，在将输出电压Vo设定为5V时，一直维持5V，同步整流元件SR1成为无负载状态，所以停止同步整流动作。另外，开关SW2、同步整流元件SR2保持断开状态。

虽然未图示，但在接着再次安装了USB-PD连接器时，根据Vbus控制部的指示，Vbus开关部接通，Vout输出5V。

接着，对将输出电压Vout设定为20V的情况进行说明。在时刻t3，MOSFET Q1的开关动作开始。与MOSFET Q1的开关动作对应地，同步整流元件SR1与二次绕组S1的电流同步地开始接通断开动作。这里，开关SW2和同步整流元件SR2从时刻t3起维持断开状态。由此，按照二次绕组S1→平滑电容器C3→同步整流元件SR1→二次绕组S1的路径，通过平滑电容器C3进行整流平滑，从而输出电压Vo输出5V。此外，Vbus开关部在时刻t4接通，Vout输出5V。在时刻t5，来自Vbus控制部Vbus cont.的电压指示值Vref信号从“低”的5V再次设定为“高”的20V电压。伴随于此，开关SW2成为接通固定状态，同步整流元件SR2与二次绕组S1、S2电流同步地开始接通断开动作。由此，输出电压Vo在时刻t6上升为20V，经由Vbus开关部向Vout输出20V。

在时刻t7卸下了USB-PD连接器时，不再有cc端子信号，Vbus控制部将电压指示值Vref信号的输出从“高”(设定为20V)切换为“低”(设定为5V)，同时，使Vbus开关部断开。由此，Vout输出电压变为零。这里，平滑电容器C3以20V进行充电，因此直至下降到5V为止，误差放大器经由光电耦合器PC1向1次侧控制电路Cont.发送使MOSFET Q1的开关停止的反馈信号。这时，使开关元件SW2保持接通状态，使同步整流元件SR2进行开关动作，由此使平滑电容器C3的充电电压从变压器T1的二次绕组S1、S2经由一次绕组P1放电到1次侧的缓冲电路。

在时刻t8检测出平滑电容器C3的充电电压下降到了小于5V时，使开关元件SW2从接通状态成为断开，使同步整流元件SR2的开关动作停止。同时，误差放大器经由光电耦合器PC1使1次侧控制电路Cont.开始MOSFET Q1的开关，将输出电压Vo控制为5V。

以下，使用图3对在第1实施方式中构成的直流电源装置的具体的2次侧的电路结构进行详细叙述。图3的(A)示出发明的第1实施方式所示的电路图，图3的(B)示出各部件的动作表。

在图3的(A)中，在与图1所示的部件相同的情况下，标注相同的标号。此外，相比图1，追加了同步整流控制部20、二极管D2、电容器C4、电阻R11、R12。另外，将开关SW2、2次侧同步整流元件SR1、SR2置换为N-MOSFET。

Vbus控制部11接收外部信号cc，根据外部信号cc，将对Vbus开关部12进行接通断开控制的信号发送到Vbus开关部12和同步整流控制部20。此外，将电压指示值Vref发送到同步整流控制部20。

同步整流控制部20由误差放大器21、抽头选择部22、同步整流检测部23、解码器24构成。误差放大器21对输出电压Vout和电压指示值Vref进行比较，将该误差信号放大而经由光电耦合器PC1反馈到1次侧的控制IC。

抽头选择部22根据来自Vbus控制部11的电压指示值，将开关元件SW2的接通固定或断开固定的指示发送到解码器24，并将同步整流元件SR1、SR2的动作/停止指示发送到同步检测部23。解码器24检测来自Vbus控制部的接通/断开信号、来自抽头选择部的信号、来自同步整流检测部的信号和输出电压Vo，将接通或断开信号送出到光电耦合器PC2、开关元件SW2、同步整流元件SR1、SR2。图3的(B)示出基于来自Vbus控制部11的Vbus开关部接通/断开信号和电压指示值的动作表。

从Vbus控制部11向Vbus开关部发送断开信号，从而将电压指示值从“高”切换为了“低”的情况下，直到输出电压Vo从20V下降至5V为止，解码器24使开关元件SW2为接通状态，且使同步整流元件SR2进行开关动作，在输出电压Vo达到了5V的时刻使其停止动作。开关元件SW2的接通和同步整流元件SR2的开关动作的停止能够通过监视输出电压Vo的电压来进行，但也可以在使输出电压Vo下降至小于5V以后进行切换，以获得切换时的裕量。

此外，在使同步整流元件SR2进行开关动作时，能够通过调整接通占空比，调整平滑电容器C3的残余电压的放电时间常数。能够如下实现：在想要增大放电时间常数的情况下，增大接通占空比，在想要减小的情况下，减小接通占空比。此外，接通占空比与在同步整流元件SR2中流过的电流的峰值成比例，在想要抑制电流峰值的情况下，能够通过减小接通占空比来进行应对。

另外，可以由集成电路构成同步整流控制部20。

在图3中，将同步整流元件SR1、SR2与GND侧连接，但在考虑了开关噪声的情况下，有时得到最好与正极侧连接的结果。这里，图4示出第1实施方式的连接变形例和各部件的动作表。

在图4的(A)中，将变压器T1的二次绕组S1、S2的连接位置上下反转，平滑电容器C3的负电极和GND与二次绕组S1的一个端子连接。

在变压器T1的二次绕组S1的另一个端子与二次绕组S2的一个端子连接的抽头处，连接有同步整流元件SR1，并经由同步整流元件SR1与平滑电容器C3的正电极连接。此外，在二次绕组S2的另一个端子处，串联连接有开关元件SW2和同步整流元件SR2，并与平滑电容器C3的正电极连接。

另外，同步整流控制部20、Vbus控制部、Vbus开关部没有变更，关于图4的(b)所示的各部件的动作表，也成为与图3的(b)相同的动作。

(第2实施方式)

本发明的第1实施方式示出了仅以串联连接的方式使用变压器T1的二次绕组来切换输出电压的方式。在将二次绕组串联连接时，在将输出电压设定为了“高”的情况下，无法使用变压器T1的高压用的S2绕组。这无法分散二次绕组的发热，并且无法对变压器的绕组持有的窗框面积进行抑制来有效地灵活运用。

这里，在切换为“低”/“高”的输出电压的比率为2倍左右的情况下，通过将二次绕组S1、S2切换为串并联连接，能够有效地灵活运用变压器T1的二次绕组。本发明的第2实施方式示出将变压器T1的二次绕组S1、S2串并联连接的方式，图5示出框图。

图5中的与第1实施方式的图1不同的部分是将变压器T1的二次绕组S1、S2分离，二次绕组S1、S2经由开关元件SW2和同步整流元件SR2而被连接。此外，追加了开关元件SW1，将其连接于开关元件SW2和同步整流元件SR2的连接点与平滑电容器C3的正电极之间。此外，变压器T1的二次绕组S1的一个端子与平滑电容器C3的正电极连接，另一个端子与同步整流元件SR2连接、并且经由同步整流元件SR1与GND连接。

图6示出图5所示的框图的各部件序列。图6示出设输出电压设定为5V和作为大约2倍的电压的9V中的任意一个的条件例。

另外，Vbus控制部的规格与第1实施例相同。

首先，对将输出电压Vout设定为5V的情况进行说明。在时刻t10，MOSFET Q1的开关动作开始。开关元件SW1成为接通固定状态，开关元件SW2成为断开固定状态，二次绕组S1和S2经由同步整流元件SR1、SR2成为并联连接状态。同步整流元件SR1、SR2与MOSFET Q1的开关动作互补地，与二次绕组S1的电流、S2的电流同步地开始接通断开动作。

Vbus开关部在时刻t11接通，向Vout输出Vo电压。

接着，在时刻t12卸下了USB-PD连接器时，不再有Vbus控制部的cc端子信号，Vbus控制部使Vbus开关部断开。由此，Vout输出电压变为零。这里，在将输出电压Vo设定为5V时，一直维持5V，但成为无负载状态，所以同步整流元件SR1、SR2停止同步整流动作。另外，虽然未图示，但在接着再次安装USB-PD连接器时，根据Vbus控制部的指示，Vbus开关部接通，向Vout输出5V。

接着，对将输出电压Vout设定为9V的情况进行说明。在时刻t13，MOSFET Q1的开关动作开始。另外，开关元件SW1成为接通状态，开关元件SW2成为断开状态，二次绕组S1和S2经由同步整流元件SR1、SR2成为并联连接状态。与MOSFET Q1的开关动作对应地，2次侧同步整流元件SR1、SR2与二次绕组S1的电流、S2的电流同步地开始接通断开动作。由此，输出电压Vo被平滑电容器C3整流平滑为5V。接着，Vbus开关部在时刻t14接通，向Vout输出5V。在时刻t15，根据未图示的cc信号，将来自Vbus控制部的电压指示值Vref信号从“低”的5V再次设定为“高”的9V电压。同时，根据来自Vbus控制部的电压指示值Vref信号，将开关元件SW1从接通状态设定为断开状态，停止同步整流元件SR1的动作。此外，同时将开关元件SW2从断开状态切换到接通。由此，变压器T1的二次绕组S1、S2被切换为串联连接。

伴随于此，输出电压Vo在时刻t16上升至9V，经由Vbus开关部向Vout输出9V。

在时刻t17卸下了USB-PD连接器时，不再有cc端子信号，Vbus控制部将电压指示值Vref信号从“高”(设定为9V)设定为“低”(设定为5V)，同时使Vbus开关部断开。由此，Vout输出电压变为零。这里，平滑电容器C3以9V进行充电，因此直至下降到5V为止，误差放大器经由光电耦合器PC1向1次侧控制电路Cont.发送使MOSFET Q1的开关停止的反馈信号。这时，使开关元件SW2保持接通状态，使同步整流元件SR2进行开关动作，由此使平滑电容器C3的残余电压从变压器T1的二次绕组S1、S2经由一次绕组P1放电到1次侧的缓冲电路。

在时刻t18检测出平滑电容器C3的残余电压下降至了小于5V时，使开关元件SW2从接通状态变为断开，使同步整流元件SR2的开关动作停止。同时，误差放大器经由光电耦合器PC1使1次侧控制电路Cont.开始MOSFET Q1的开关，将输出电压Vo控制为5V。

以下，使用图7对在第2实施方式中构成的直流电源装置的具体的2次侧的电路结构进行详细叙述。图7的(A)示出发明的第1实施方式所示的电路图，图7的(B)示出各部件的动作表。

在图7的(A)中，在与图6所示的部件相同的情况下，标注相同的标号。此外，相比图6，追加了同步整流控制部20a、二极管D2、D3、电容器C4、C5、电阻R11～R14、光电耦合器PC3。另外，开关SW1、SW2、2次侧同步整流元件SR1、SR2被置换为N-MOSFET。

Vbus控制部11接收外部信号cc，根据外部信号cc，将对Vbus开关部12进行接通断开控制的信号发送到Vbus开关部12和同步整流控制部20a。此外，将电压指示值Vref发送到同步整流控制部20a。

同步整流控制部20a由误差放大器21a、抽头选择部22a、同步整流检测部23a、解码器24a构成。误差放大器21a对输出电压Vout和电压指示值Vref进行比较，将其误差信号放大并经由光电耦合器PC1反馈到1次侧的控制IC。

抽头选择部22根据来自Vbus控制部11的电压指示值，将开关元件SW2的接通固定或断开固定的指示发送到探测器24，并将同步整流元件SR1、SR2的动作/停止指示发送到同步检测部23a。图7的(B)示出基于来自Vbus控制部11的Vbus开关部接通/断开信号和电压指示值的动作表。

在从Vbus控制部11向Vbus开关部12发送断开信号，从而将电压指示值从“高”切换为了“低”的情况下，直至下降到5V为止，使开关元件SW2接通，并且使同步整流元件SR2进行开关动作，在到达了5V的时刻使其停止。开关元件SW2的接通和同步整流元件SR2的开关动作的停止能够通过监视输出电压Vo的电压来进行，但也可以在使输出电压Vo下降至小于5V以后进行切换，以获得切换时的裕量。

此外，如下情况与第1实施方式相同：在使同步整流元件SR2进行开关动作时，能够通过调整接通占空比，调整平滑电容器C3的残余电压的放电时间常数，并且在想要抑制在同步整流元件SR2中流过的电流的峰值的情况下，能够通过减小接通占空比进行应对。

另外，可以由集成电路构成同步整流控制部20a。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式是用于将本发明的技术构思具体化的例示，各个结构、组合等不限定于上述内容。本发明能够在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更来实施。

例如，虽然将同步整流元件SR1、SR2设为了N-MOSFET，但也可以组合肖特基势垒二极管和GaN等宽带隙半导体等而构成。

此外，在第1实施方式中，可以在将二次绕组增加为n个、增加为n个同步整流元件和n-1个开关元件、并将输出电压Vo切换为n个电压的情况下，对n个二次绕组设定与输出电压对应的组合。另外，n为自然数2、3、4……。即使在将二次绕组增加为了n个的情况下，也从Vbus控制部11向Vbus开关部12发送断开信号，在电压指示值从“高”(第n个)切换到了“低”的情况下，使开关元件(第n个)接通，并且使同步整流元件(第n个)进行开关动作，直至下降到设定为“低”的电压为止，在到达了设定为“低”的电压的时刻停止动作。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的直流电源装置适用于切换为规定的设定电压的电源装置。因此，能够在使用了该直流电源装置的USB-PD用电源装置等中使用。

标号说明

AC：交流电源；LF：线路滤波器；T1：变压器；11：Vbus控制部；12：Vbus开关部；20、20a：同步整流控制部；21、21a：误差放大器；22、22a：抽头切换部；23、23a：同步整流检测部；24、24a：解码器；C1～C5：电容器；D1～D3：二极管；DB：整流器；PC1～PC3：光电耦合器；Q1：MOSFET；R1、R11～R14：电阻；Cont1.：控制电路；SW1、SW2：开关元件；SR1、SR2：同步整流元件。