DC/DC转换器、电源装置、电源适配器及电子设备的制作方法

本发明涉及绝缘同步整流型DC/DC转换器。

背景技术：

以电视机、电冰箱为代表的各种各样的家电产品接受来自外部的商用交流电进行工作。以膝上型计算机、便携式电话终端、平板终端为代表的电子设备也能够基于商用交流电进行工作，或者能利用商用交流电为设备内置的电池充电。这样的家电产品或电子设备(以下总称为电子设备)中内置有对商用交流电压进行AC/DC(交流/直流)转换的电源装置(AC/DC转换器)。或者，也有AC/DC转换器被内置于电子设备外部的电源适配器(AC适配器)中的情况。

图1是表示本发明人研究的AC/DC转换器100r的基本构成的功能框图。AC/DC转换器100r主要具有滤波器102、整流电路104、平滑电容器106及DC/DC转换器200r。

商用交流电压V_AC被介由保险丝及输入电容器(未图示)输入到滤波器102。滤波器102除去商用交流电压V_AC的噪声。整流电路104是对商用交流电压V_AC进行全波整流的二极管桥电路。整流电路104的输出电压被平滑电容器106平滑化、转换成直流电压V_IN。

绝缘型的DC/DC转换器200r在输入端子P1接受直流电压V_IN，将其降压后，生成被稳定为目标值的输出电压V_OUT，提供给被连接在输出端子P2与接地端子P3之间的负载(未图示)。

DC/DC转换器200r具有初级侧控制器202、光电耦合器204、分路调节器206、输出电路210、次级侧控制器300r、以及其它电路部件。输出电路210包括变压器T1、二极管D1、输出电容器C2、开关晶体管M1、同步整流晶体管M2。输出电路210的拓扑结构采用一般的同步整流型的返驰式转换器，故省略说明。

通过与变压器T1的初级绕组W1连接的开关晶体管M1开关，输入电压V_IN被降压，生成输出电压V_OUT。并且，初级侧控制器202调节开关晶体管M1的开关的占空比。

DC/DC转换器200r的输出电压V_OUT被电阻R1、R2分压。分路调节器206的阴极(K)端子与光电耦合器204的输入侧的发光元件(发光二极管)相连接，阳极(A)端子被接地。分路调节器206的基准(REF)端子被输入分压后的电压(电压检测信号)V_{OUT_S}。分路调节器206包含误差放大器，将电压检测信号V_{OUT_S}与预定的基准电压V_REF(未图示)的误差放大，生成与误差相应的误差电流I_ERR，从光电耦合器204的输入侧的发光元件(发光二极管)吸引(灌)该电流。

光电耦合器204的输出侧的受光元件(光电晶体管)流过与次级侧的误差电流I_ERR相应的反馈电流I_FB。该反馈电流I_FB被电阻及电容器平滑化，并被输入到初级侧控制器202的反馈(FB)端子。初级侧控制器202基于FB端子的电压(反馈电压)V_FB调节开关晶体管M1的占空比。

次级侧控制器300r与开关晶体管M1的开关同步地使同步整流晶体管M2开关。次级侧控制器300r具有同步整流控制器、驱动器。同步整流控制器生成与开关晶体管M1的开关同步了的脉冲信号。例如同步整流控制器在开关晶体管M1变成截止时，使脉冲信号变成指示同步整流晶体管M2导通的第1状态(例如高电平)。另外，在同步整流晶体管M2导通期间、流过次级绕组W2的次级电流I_S实质上变为零时，同步整流控制器使脉冲信号成为指示同步整流晶体管M2截止的第2状态(低电平)。驱动器根据脉冲信号使同步整流晶体管M2开关。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2010-074959号公报

技术实现要素：

〔发明所要解决的课题〕

为使同步整流晶体管M2变成导通，需要对同步整流晶体管M2的栅极施加比源极电位V_S高一定电压的栅极电压。在图1中，同步整流晶体管M2被设在次级绕组W2的高电位侧、即输出端子P2侧，同步整流晶体管M2的源极电位V_S根据开关晶体管M1的开关发生变动。在该拓扑结构中，为使同步整流晶体管M2开关，需要使次级侧控制器300r的接地(GND)端子与同步整流晶体管M2的源极相连接，使次级侧控制器300r以源极电位V_S为基准进行工作。

并且，需要对次级侧控制器300r的电源(VCC)端子提供以同步整流晶体管M2的源极电位V_S为基准的电源电压V_CC1。为生成电源电压V_CC1，在变压器T1的次级侧设置辅助绕组W4。辅助绕组W4、二极管D4及电容器C4形成辅助转换器，产生比输出电压V_OUT高的直流电压V_CC1。在图1的DC/DC转换器200r中，需要有带辅助绕组W4的变压器T1，但这样的变压器T1价格昂贵。

本发明是鉴于相关课题而研发的，其一个方案的例示性目的之一在于，提供一种不使用变压器的次级侧的辅助绕组地为次级侧控制器供给电源的DC/DC转换器。

〔用于解决课题的手段〕

本发明的一个方案涉及绝缘同步整流型的DC/DC转换器。DC/DC转换器包括：具有初级绕组和次级绕组的变压器；与负载相连接的输出线；与初级绕组相连接的开关晶体管；被设置在次级绕组和输出线之间的同步整流晶体管；驱动开关晶体管的初级侧控制器；驱动同步整流晶体管的次级侧控制器；具有与连接次级绕组和同步整流晶体管的第1节点相连接的第1电极的第1电容器；以及利用输出线的电压对第1电容器充电，并使第1电容器的两端间的电压稳定化的辅助电源。从第1节点供给次级侧控制器的接地电压，从第1电容器的第2电极供给次级侧控制器的电源电压。

根据该方案，不需要变压器的次级侧的辅助绕组，故能降低成本。

辅助电源可以包含被设置在输出线与第1电容器的第2电极之间的第1电阻。由此，能介由第1电阻对第1电容器充电。

辅助电源可以还包括按阴极朝第1电容器侧的朝向与第1电阻串联设置在输出线与第1电容器的第2电极之间的二极管。

基于开关晶体管M1的开关，第1节点的电压上跳，有时第1电容器的第2电极的电压会变得比输出线的电压高。通过在充电路径中插入二极管，能防止第1电容器放电，并能维持第1电容器两端间的电压。

辅助电源可以在输出线与第1电容器的第2电极之间包含按阴极朝第1电容器侧的朝向设置的二极管。

辅助电源可以包含对第1电容器的两端间电压进行箝位，使其不超过预定的电压的箝位电路。由此，能使第1电容器的两端间电压稳定化。

辅助电源可以包含被设置在输出线与第1电容器的第2电极之间、其源极/射极与第1电容器的第2电极相连接、其栅极/基极被输入恒电压的晶体管。在此情况下，在将恒电压记作V_A、将晶体管的栅极源极电压(基极射极间电压)记作V_B时，能使第1电容器的两端间电压稳定为V_A-V_B。

辅助电源可以还包括被设置在第1电容器的第1电极与晶体管的栅极/基极间的第1齐纳二极管。

辅助电源可以包括与第1电容器并联连接的第2齐纳二极管。由此，能使第1电容器的两端间电压稳定为第2齐纳二极管的齐纳电压。

辅助电源可以包括：被设在输出线与第1电容器之间，从输出线流过朝向第1电容器的电流，并阻止逆电流的充电电路；以及使第1电容器的两端间电压稳定化的箝位电路。

辅助电源的至少一部分和次级侧控制器可以被封装在同一模块内。

本发明的另一方案也涉及绝缘同步整流型的DC/DC转换器。DC/DC转换器包括：具有初级绕组和次级绕组的变压器；与负载相连接的输出线；与初级绕组相连接的开关晶体管；被设置在次级绕组与输出线之间的同步整流晶体管；驱动开关晶体管的初级侧控制器；驱动同步整流晶体管的次级侧控制器；具有与连接次级绕组和同步整流晶体管的第1节点相连接的第1电极的第1电容器；源极/射极与第1电容器的第2电极相连接的晶体管；被串联设置在输出线与晶体管的漏极/集电极之间的第1电阻及二极管；阴极与晶体管的栅极/基极相连接、阳极与第1电容器的第1电极相连接的第1齐纳二极管；以及被设置在输出线和晶体管的栅极/基极之间的第2电阻。从第1节点供给次级侧控制器的接地电压，从第1电容器的第2电极供给次级侧控制器的电源电压。

本发明的再一个方案也是DC/DC转换器。该DC/DC转换器包括：具有初级绕组和次级绕组的变压器；与负载相连接的输出线；与初级绕组相连接的开关晶体管；被设置在次级绕组和输出线之间的同步整流晶体管；驱动开关晶体管的初级侧控制器；驱动同步整流晶体管的次级侧控制器；具有与连接次级绕组和同步整流晶体管的第1节点相连接的第1电极的第1电容器；源极/射极与第1电容器的第2电极相连接的晶体管；被串联设置在输出线和晶体管的漏极/集电极之间的第1电阻及二极管；以及阴极与第1电容器的第2电极相连接、阳极与第1电容器的第1电极相连接的第2齐纳二极管。从第1节点供给次级侧控制器的接地电压，从第1电容器的第2电极供给次级侧控制器的电源电压。

一个方案的DC/DC转换器可以还包括：反馈用光电耦合器；以及与反馈用光电耦合器的输入侧相连接、产生与DC/DC转换器的输出电压相应的误差电流的分路调节器。可以是初级侧控制器与反馈用光电耦合器的输出侧相连接，根据来自反馈用光电耦合器的反馈信号驱动开关晶体管。

DC/DC转换器可以还包括与输出线相连接的第2电容器。

本发明的另一方案涉及电源装置(AC/DC转换器)。电源装置包括：对商用交流电压进行过滤的滤波器；对滤波器的输出电压进行全波整流的二极管整流电路；使二极管整流电路的输出电压平滑化，生成直流输入电压的平滑电容器；以及使直流输入电压降压提供给负载的上述的DC/DC转换器。

本发明的另一方案涉及电子设备。电子设备包括：负载；对商用交流电压进行过滤的滤波器；对滤波器的输出电压进行全波整流的二极管整流电路；使二极管整流电路的输出电压平滑化，生成直流输入电压的平滑电容器；以及使直流输入电压降压提供给负载的上述的DC/DC转换器。

本发明的另一方案涉及AC适配器。AC适配器包括：对商用交流电压进行过滤的滤波器；对滤波器的输出电压进行全波整流的二极管整流电路；使二极管整流电路的输出电压平滑化，生成直流输入电压的平滑电容器；以及使直流输入电压降压，生成直流输出电压的上述的DC/DC转换器。

另外，将以上构成要素的任意组合及本发明的构成要素或表现形式在方法、装置、系统等之间相互置换后的方案，作为本发明的实施方式也是有效的。

〔发明效果〕

根据本发明的一个方案，在绝缘同步整流型的DC/DC转换器中不需要变压器的次级侧的辅助绕组。

附图说明

图1是表示本发明人研究的AC/DC转换器的基本构成的功能框图。

图2是具备实施方式的绝缘同步整流型DC/DC转换器的AC/DC转换器的电路图。

图3是表示辅助电源的构成例的电路图。

图4是辅助电源的另一电路图。

图5是辅助电源的另一电路图。

图6是表示具备AC/DC转换器的AC适配器的图。

图7的(a)、(b)是表示具备AC/DC转换器的电子设备的图。

具体实施方式

以下基于优选实施方式，参照附图说明本发明。对各附图所示的相同或等同的构成要素、部件、处理标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。另外，实施方式并非限定发明，仅是例示，并非实施方式所记述的所有特征及其组合都是发明的本质内容。

在本说明书中，所谓“部件A与部件B相连接的状态”，包括部件A与部件B物理地直接连接的情况，以及部件A与部件B介由不对电连接状态产生影响的其它部件间接连接的情况。

同样地，所谓“部件C被设置在部件A与部件B之间的状态”，除部件A与部件C、或者部件B与部件C直接连接的情况外，还包括介由不对电连接状态产生影响的其它部件间接连接的情况。

图2是具备实施方式的绝缘同步整流型DC/DC转换器200的AC/DC转换器100的电路图。AC/DC转换器100的基本构成与图1的是同样的，并且DC/DC转换器200的基本构成也与图1的是同样的。

次级侧控制器300的构成、工作不被特别限定，只要采用公知的或者将来可利用的技术即可。例如次级侧控制器300在检测到DC/DC转换器200的初级侧的开关晶体管M1变成截止时使同步整流晶体管M2变成导通，在检测到变压器T1的次级绕组W2的电流IS实质上变成零时，使同步整流晶体管M2变成截止。

在开关晶体管M1导通期间，次级绕组W2的两端间电压是-V_IN×N_S/N_p，故同步整流晶体管M2的漏极电压V_{D_S}(即漏极源极间电压V_DS)成为V_{D_S}＝V_OUT+V_IN×N_S/N_P。N_P、N_S是初级绕组W1、次级绕组W2的匝数。

开关晶体管M1截止时，从同步整流晶体管M2的源极向漏极流过次级电流I_S，故漏极源极间电压成为负电压。在连续模式下，随着开关晶体管M1变成导通，次级电流I_S变成零，漏极电压再次上跳至V_D＝V_OUT+V_IN×N_S/N_P。在不连续模式下，在同步整流晶体管M2的导通状态时，随着蓄积在变压器T1中的能量的减少，次级电流I_S也减少，此时漏极源极间电压V_DS的绝对值变小，最终次级电流I_S实质上变成零时，漏极源极间电压V_DS也实质上变成零，漏极电压V_{D_S}振荡(ringing)。

利用这些性质，次级侧控制器300能基于同步整流晶体管M2的漏极电压(漏极源极间电压)使同步整流晶体管M2开关。

在本实施方式中，向次级侧控制器300的供给电源与图1不同，为向次级侧控制器300供给电源电压VCC1，设置第1电容器C1及辅助电源400。第1电容器C1的一端(第1电极)与连接次级绕组W2和同步整流晶体管M2的第1节点N1(即同步整流晶体管M2的源极)相连接。

辅助电源400与第1电容器C1及输出线212相连接，利用输出线212的电压V_OUT对第1电容器C1充电，并使第1电容器C1的两端间的电压稳定化。

次级侧控制器300的GND端子与第1节点N1相连接，次级侧控制器300的VCC端子与第1电容器C1的另一端(第2电极)相连接。由此，从第1节点N1供给次级侧控制器300的接地电压，并从第1电容器C1的第2电极供给次级侧控制器300的电源电压V_CC1。

本发明以图2的功能框图或电路图的方式来把握，或者涉及能从上述说明导出的各种各样的装置、电路，并不限定于特定的构成。以下不是为了限缩本发明的范围，而是为了有助于发明本质及电路工作的理解，使它们明确化，来说明更具体的构成例。

图3是表示辅助电源400的构成例的电路图。辅助电源400具有充电电路402及箝位电路404。充电电路402被设置在输出线212与第1电容器C1的第2电极之间，流过从输出线212朝向第1电容器C1的电流，并阻止逆电流。箝位电路404使第1电容器C1的两端间电压稳定化。

图4是辅助电源400a的另一电路图。辅助电源400包含第1电阻R1、二极管D1、晶体管M11、第2电阻R2、第1齐纳二极管ZD1。晶体管M11是N沟道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，其源极与第1电容器C1的第2电极相连接。第1电阻R1及二极管D1被串联设置在输出线212与晶体管M1的漏极之间。第1齐纳二极管ZD1的阴极与晶体管M11的栅极相连接，其阳极与第1电容器C1的第1电极相连接。第2电阻R2被设置在输出线212与晶体管M11的栅极之间。

第1电容器C1通过包含第1电阻R1、二极管D1、晶体管M11的路径而被充电。并且，在将第1齐纳二极管ZD1的齐纳电压记作V_Z时，第1电容器C1的两端间电压被箝位使得不超过V_Z-V_GS。V_GS是晶体管M11的栅极源极间电压。二极管D1阻止介由晶体管M11的体二极管从第1电容器C1流向输出线212的电流。

第1电阻R1、二极管D1、晶体管M11可以与图3的充电电路402相对应。此外，第2电阻R2、第1齐纳二极管ZD1、晶体管M11可以与图3的箝位电路404相对应。

在图4中也可以省略第1电阻R1。此外，也可以取代第1齐纳二极管ZD1而设置另一恒电压元件。作为恒电压元件，例如可以采用将多个二极管以阳极朝向晶体管M11的栅极侧的方式连接起来的构成。

晶体管M11也可以是NPN型双极晶体管。此时，因为不存在MOSFET那样的体二极管，故可以省略二极管D1。

图5是辅助电源400b的另一电路图。辅助电源400b具备第1电阻R1、二极管D1、第2齐纳二极管ZD2。第1电阻R1及二极管D1被串联设置在第1电容器C1的第2电极与输出线212之间。第2齐纳二极管ZD2与第1电容器C1并联连接。

第1电容器C1通过包含第1电阻R1、二极管D1的路径而被充电。并且，第1电容器C1的两端间电压被箝位使得不超过第2齐纳二极管ZD2的齐纳电压V_Z。第1电阻R1、二极管D1可以与图3的充电电路402相对应。第2齐纳二极管ZD2可以与图3的箝位电路404相对应。

根据图2～图5的DC/DC转换器200，不再需要变压器T1的次级侧的辅助绕组，故能降低成本。

通过采用高耐压工艺，能将第1电阻R1、二极管D1、第2齐纳二极管ZD2等电路元件集成在半导体基板上。因此，辅助电源400的至少一部分和次级侧控制器300可以封装于同一模块。由此，与辅助电源400的所有电路元件都以分立部件的形式构成时相比，能减少部件个数，能进一步降低成本。

(用途)

接下来说明实施方式中所说明的DC/DC转换器200的用途。

图6是表示具备AC/DC转换器100的AC适配器800的图。AC适配器800具备插头802、壳体804、连接器806。插头802从未图示的插座接受商用交流电压V_AC。AC/DC转换器100被安装在壳体804内。由AC/DC转换器100生成的直流输出电压V_OUT被从连接器806提供给电子设备810。电子设备810可以例示出笔记本型PC、数字照相机、数字摄像机、便携式电话、便携式音频播放器等。

图7的(a)、(b)是表示具备AC/DC转换器100的电子设备900的图。图7的(a)、(b)的电子设备900是显示器装置，但电子设备900的种类不被特别限定，可以是音频设备、冰箱、洗衣机、吸尘器等，只要是内置电源装置的设备即可。

插头902从未图示的插座接受商用交流电压V_AC。AC/DC转换器100被安装在壳体804内。由AC/DC转换器100生成的直流输出电压V_OUT被提供给同一壳体904内所安装的微计算机、DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)、电源电路、照明设备、模拟电路、数字电路等负载。

以上基于实施方式说明了本发明。该实施方式只是例示，本领域技术人员当理解其各构成要素和各处理过程的组合可以有各种各样的变形例，并且这样的变形例也包含在本发明的范围内。以下说明这样的变形例。

(第1变形例)

在实施方式中说明了返驰式转换器，但本发明也可以适用于前向转换器。此时将在变压器T1的次级侧配置多个同步整流用的晶体管。次级侧控制器可以被构成为使多个同步整流晶体管开关。此外，转换器也可以是准谐振型。

(第2变形例)

开关晶体管和同步整流晶体管的至少一者可以是双极晶体管或IGBT。

基于实施方式用具体的语句说明了本发明，但实施方式仅是表示本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明思想的范围内，实施方式可以有多种变形例或配置的变更。

〔标号说明〕

P1...输入端子、P2...输出端子、P3...接地端子、M1...开关晶体管、M2...同步整流晶体管、C2...输出电容器、T1...变压器、W1...初级绕组、W2...次级绕组、100...AC/DC转换器、102...滤波器、104...整流电路、106...平滑电容器、200...DC/DC转换器、202...初级侧控制器、204...光电耦合器、206...分路调节器、210...输出电路、212...输出线、300...次级侧控制器、C1...第1电容器、400...辅助电源、402...充电电路、404...箝位电路、R1...第1电阻、R2...第2电阻、D1...二极管、M11...晶体管、ZD1...第1齐纳二极管、ZD2...第2齐纳二极管、800...AC适配器、802...插头、804...壳体、806...连接器、810，900...电子设备、902...插头、904...壳体。