JP3604505B2 - Multi-output switching power supply - Google Patents

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JP3604505B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多出力スイッチング電源装置に関し、特に互いに磁心を共有すると共に、負荷電流が大きくなった時にそのインダクタンスが小さくなる電流依存性の磁気特性を有するチョークコイルを用いた多出力スイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
各種の電子機器の電源装置として、電力容量に比べて安価で小型軽量であり、電力変換効率が高いため電力損失とそれに伴う発熱が少なく、複数の互いに独立した直流電力が得られると共に定電圧制御機能も備えている多出力スイッチング電源装置が広く用いられている。
【0003】
従来の最も一般的な多出力スイッチング電源装置は、例えば図23に示すように、交流電源1から入力する1次交流電力をダイオードブリッジ4と大容量のコンデンサC1とからなる1次整流平滑回路2によって1次直流電力に変換する。トランス6,トランジスタQ,スイッチング制御回路5及び3個の2次整流平滑回路20a〜20cからなる多出力スイッチング電源装置であるDC−DCコンバータ3aは、1次直流電力を入力して、互いに独立した3個の2次直流電力をそれぞれ一対の出力端子8p,8nから出力する。
【0004】
互いに同様な構成からなる2次整流平滑回路の、例えば2次整流平滑回路20cのチョークコイルCHcは、トランジスタQがオンの時に2次巻線N23に誘起される2次交流電力の整流ダイオードDs3を介して流れるコンデンサC23の充電電流によって励起され、トランジスタQがオフの時に励起によって蓄積した磁気エネルギを電流に再変換し、転流ダイオードDt3を介してコンデンサC23をさらに充電する。
【0005】
この場合、チョークコイルCHcに僅かでも常に電流が流れていれば、2次整流平滑回路20cの出力電圧は、トランジスタQオン時の入力電圧(2次巻線N23の端子間電圧)とトランジスタQのオンデューティ比との積になる関係が成立する(2次整流平滑回路20a,20bも同様)から、その出力電圧をスイッチング制御回路5にフィードバックして、出力電圧が予め設定した電圧になるように制御することが出来る。
【0006】
しかしながら、チョークコイルCHcに電流が流れない不連続状態、すなわち電流カットオフが生じると出力電圧が上昇するから、トランジスタQのオンデューティ比が瞬間的にゼロになってスイッチングが停止し、そのため出力電圧が低下すると再びスイッチングが始まるという間欠発振が発生する。間欠発振が始まると、その周波数は可聴周波数域内に入ることが多いから不快なノイズ音が出るようになると共に、その間欠発振の周波数ですべての2次整流平滑回路20a〜20cの出力電圧が変動し不安定になる。
【0007】
また、フィードバック系でない2次整流平滑回路20a又は20bでは、そのチョークコイルCHa又はCHbに電流カットオフが生じると、間欠発振は発生しないが、その2次整流平滑回路の出力電圧が上昇するという問題が発生する。したがって、すべての2次整流平滑回路20a〜20cのコンデンサC21〜C23にそれぞれ並列にダミー抵抗Rd1〜Rd3を接続して、いずれの2次整流平滑回路の負荷電流がゼロになっても、そのチョークコイルの電流がカットオフしないだけのダミー電流を常時流す必要があった。
【0008】
しかしながら、一般にチョークコイルのインダクタンスとそれに流れる電流のリップル分との積は一定すなわち反比例する関係にある。また、無負荷時にもチョークコイルに流れる電流がカットオフしない臨界値は、電流のリップル分のp−p値の略1/2であり、ダミー電流はその臨界値より大きく設定しなければならない。したがって、チョークコイルのインダクタンスが大きければダミー電流は少なくて済むが、インダクタンスが小さいとダミー電流が大きくなるから、それによる電力損失とそれに伴う発熱とが無視出来なくなる。
【0009】
一方、チョークコイルのインダクタンスを大きく設定すると、2次整流平滑回路の出力電流に対してチョークコイルのサイズ,重量が大きくなる。この傾向は、2次整流平滑回路20a〜20cすべてについて同様であるから、最大出力電流が大きく、出力数(2次整流平滑回路の数)が多いスイッチング電源装置であれば、サイズ及び重量の増大とそのコストアップが大きな問題となっていた。
【0010】
そのため、図23に示したような互いに独立したチョークコイルCHa〜CHcにおいては、(詳しくは後述するが、)図20に示すI型コア16と、巻線が巻き付けられた巻線枠を装着する中央脚17aを有するE型コア17とで通常の磁気回路が構成されるが、その磁気回路の一部である中央脚17aの上面に段差を設けて、電流が小さい間はインダクタンスが大きく、電流が大きくなるとインダクタンスが小さくなる磁気特性を形成し、ダミー電流を減少させると共に、コアを小型軽量化したものがあった。
【0011】
さらに、例えば特公平7−50990号公報の第3図に従来例として示されたように、それぞれコンデンサ21,22を備えた2個の2次整流平滑回路の各チョークコイルn1,n2を、互いに磁心(コア)を共有する協調チョークコイル19で構成する例があった。
【0012】
あるいは、同公報の第1図に示された提案のように、それぞれコンデンサ10〜12を備えた3個の2次整流平滑回路の各チョークコイルを協調チョークコイル9で構成すると共に、フィードバック系以外の2次整流平滑回路の各チョークコイルに直列にインダクタ7,8を設け、協調チョークコイル9を構成する各チョークコイルの巻数が回路常数により決定される特別の巻数比を満足出来なかった場合に、それによるトラブルを防止するという提案もあった。
【0013】
このような協調チョークコイルを用いると、巻線の巻数比を上記の特別な巻数比とすることにより、いずれかの2次整流平滑回路の出力電圧が一定電圧になるように制御されていれば、トランスのクロスレギュレーションによって他の2次整流平滑回路の出力電圧も略一定に保持される。
また、協調チョークコイルのいずれかの巻線に臨界値以上の電流が流れていれば、電流カットオフが生じないため、軽負荷時の出力電圧の異常な上昇を防止出来るから、互いに独立したチョークコイルを用いた場合に比べて、コア全体が小型軽量になり、ダミー電流による電力損失を低減することが可能になる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、トランジスタQのスイッチング周波数は、トランス及びチョークコイルを小型化するために100kHz以上の高周波域にあり、近年ますます周波数を高くする傾向にあるため、チョークコイルの巻数は数ターン程度と少なくなっている。基本的に巻数は1/2ターンの整数倍であり、1/2ターン未満の端数に設定することは出来ない。そのため、実際の設計に当って、必要なインダクタンスで且つ特別な巻数比を満足する巻数を得ることが困難になる。
【0015】
特別な巻数比が満足されないと、協調チョークコイルの巻線間でエネルギの授受が行なわれたり、希望の出力電圧が得られなくなったり、軽負荷時の出力電圧上昇や不要な発振の発生等のトラブルが生じる。この問題に対して、特公平7−50990号公報に示された提案は極めて有効な解決手段であるが、出力数より1個少ない数のインダクタを追加することによって、多出力スイッチング電源装置の大型化及びコストアップを招くという問題があった。
【0016】
また、協調チョークコイルを用いることによって、互いに独立した複数のチョークコイルに比べて、コアが小型軽量化したことは確かであるが、大電力の多出力スイッチング電源装置においては、協調チョークコイルといえども大型のコアを必要とし、それに伴って巻かれる巻線も太く長いものになるため、その重量と共に銅損,鉄損による電力損失や発熱が大きな問題になってくる。
【0017】
この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、多出力スイッチング電源装置に用いられる協調チョークコイルをさらに小型軽量化すると共に、電力損失を低減して発熱を抑え、その電力効率を向上することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の目的を達成するため、1次直流電力をトランスの1次巻線とスイッチング素子との直列回路に入力し、スイッチング素子をスイッチングすることによりトランスの複数の2次巻線に誘起される2次交流電力を、それぞれチョークコイルを備えた複数の2次整流平滑回路により互いに出力電圧が異なる2次直流電力に変換して出力する多出力スイッチング電源装置において、
複数の2次整流平滑回路の各チョークコイルは互いに磁心を共有すると共に、負荷電流が小さい時にはそのインダクタンスが大きく負荷電流が大きい時にはインダクタンスが小さくなる磁気特性にし、記複数の2次整流平滑回路の各ダミー抵抗に流れるダミー電流の合計値は一定にして、出力電圧が低い2次整流平滑回路のダミー電流を大きく設定し、出力電圧が高い2次整流平滑回路のダミー電流を小さく抑えたものである。
【0019】
また、上記の多出力スイッチング電源装置であって、上記各チョークコイルの共有する磁心が形成する磁気回路の一部にギャップを設けるとよい
【0020】
あるいは、チョークコイルの共有する磁心を、その厚さ方向に互いに材質の異なる複数の磁心を重ねて構成したものである。
さらに、チョークコイルの重ねて構成した磁心が形成する磁気回路の一部にギャップを設けるとなおよい。
【0021】
これらのチョークコイルのギャップを、磁気回路の断面の一部に段差を設けて構成するとよい。
また、ギャップを磁気回路の断面の全部又はその一部を斜面に形成することにより構成してもよい。
あるいは、ギャップを磁気回路の断面の全部又はその一部を斜面及び段差で形成することにより構成してもよい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。
図1は、この発明の一実施形態である多出力スイッチング電源装置の構成の一例を示す回路図である。図1に示した多出力スイッチング電源装置であるDC−DCコンバータ3は、ダイオードブリッジ4と大容量のコンデンサC1とからなる1次整流平滑回路2が交流電源1から入力する交流電力を変換した1次直流電力を入力し、3個の互いに独立した(2次)直流電力をそれぞれの正負の出力端子8p,8nから出力する。
【0023】
DC−DCコンバータ3は、3個の2次巻線N21,N22,N23を有する高周波用フォーワード型のトランス6と、トランス6の1次巻線N1と直列に接続されたスイッチング素子であるトランジスタ(FETでもよい)Qと、2次巻線N21〜N23にそれぞれ接続された各一対の出力端子8p,8nを有する2次整流平滑回路21,22,23と、2次整流平滑回路23の出力電圧を検出してその検出電圧に応じたパルス幅のスイッチングパルスをトランジスタQのベースに出力するスイッチング制御回路(SWC)5とにより構成されている。
【0024】
トランス6の1次巻線N1とトランジスタQとの直列回路の両端には、1次整流平滑回路2により変換された1次直流電力が入力し、トランジスタQがスイッチング制御回路5から入力するスイッチングパルスに応じてスイッチングすることにより、1次巻線N1に流れる電流がオン・オフし、そのオン・オフによって2次巻線N21〜N23にそれぞれ2次交流電力が誘起される。
【0025】
2次整流平滑回路21〜23は互いに構成,作用が同様であるから、例えばフィードバック系である2次整流平滑回路23について説明すると、トランジスタQがオンの時に2次巻線N23に起電力が誘起されると、電流は整流ダイオードDs3を介して流れ、平滑用大容量のコンデンサC23を充電すると共に、チョークコイルCH3を励起して磁気エネルギを蓄積させる。
【0026】
トランジスタQがオフになると、2次巻線N23の起電力の極性が反転し、整流ダイオードDs3に電流が流れなくなる。一方、チョークコイルCH3の極性も反転し、蓄積された磁気エネルギは電流に再変換されて転流ダイオードDt3を流れ、同様にコンデンサC23を充電する。コンデンサC23に並列に接続されたダミー抵抗Rd3には、その抵抗値とコンデンサC23の端子間電圧とに応じたダミー電流が流れている。
【0027】
スイッチング制御回路5は、コンデンサC23の端子間電圧すなわち2次整流平滑回路23の出力電圧を検出して、その検出電圧が予め設定した設定電圧より低ければ、スイッチングパルスのオンの幅を拡げる、即ちオンデューティ比を上げて出力電圧を高くする。検出電圧が設定電圧より高ければパルスオンの幅を狹くする、即ちオンデューティ比を下げて出力電圧を低くする。このようにして、2次整流平滑回路23の出力電圧は、設定電圧を保持するようにフィードバック制御されている。
【0028】
ここまでのDC−DCコンバータ3の構成及び作用の説明は、DC−DCコンバータ3a(図23)と変るところがないが、DC−DCコンバータ3aのチョークコイルCHa〜CHcが互いに独立であったのに対して、DC−DCコンバータ3のチョークコイルCH1〜CH3は互いにコア(磁心)を共有する協調チョークコイル7であることにより、作用及び効果が異なってくる。
【0029】
すなわち、既に説明したように、協調チョークコイルを用いたことにより、トランス6のクロスレギュレーションによって、それぞれフィードバック系でない2次整流平滑回路21,22の出力電圧が、2次整流平滑回路20a,20bの出力電圧に比べて、電圧変動がより少なくなって安定化すると共に、コア全体がより小型軽量化し、コストも安くなる。この点については、従来の協調チョークコイルを用いた多出力スイッチング電源装置及び特公平7−50990号公報に示された提案も、同様な効果が得られている。
【0030】
しかしながら、この発明による多出力スイッチング電源装置に用いる協調チョークコイル7が、従来の協調チョークコイルと大きく異なる特徴は、従来の独立したチョークコイルにおいて行なわれていながら、協調チョークコイルにおいてはその例がなかった「負荷電流が小さい時にはそのインダクタンスが大きく、負荷電流が大きい時にはインダクタンスが小さくなる磁気特性」を有していることである。
【0031】
協調チョークコイル7に上記の磁気特性をもたせることにより、独立したチョークコイルと同様に、そのコアを小型軽量化してコストを下げると共に、ダミー電流を減少して電力損失を低減し、電力効率を向上させることが出来るが、協調チョークコイル7の場合は独立したチョークコイルよりも更にダミー電流を少なくすることが出来るという効果がある。
以下、その理由を各実施形態と共に説明する。
【0032】
図20は、電流の大小に関係なく一定のインダクタンスを有する従来のチョークコイルに用いるコアの構成の一例を示す斜視図である。また、チョークコイルに流れるダミー電流Idと負荷電流Ifを合わせた電流をチョーク電流Ichとして、図20に示したコアを用いたチョークコイルにおいて、図21はチョーク電流Ichに対するインダクタンスLの特性(以下「I−L特性」という)を示す線図であり、図22は無負荷時及び負荷時のそれぞれチョーク電流Ichの一例を示す波形図である。
【0033】
図20に示したコアは、2点鎖線で示したI型コア16と、実線で示したE型コア17との組み合せで構成され、E型コア17の中央脚17aに、それぞれ図示しない巻線を巻き付けた巻線枠が挿し込まれた後、I型コア16と一体に構成される。E型コア17の中央脚17aとその両側脚17b,17cは、互いに同じ高さでその上端面は同一平面上にあるから、I型コア16との間にはギャップが存在しない。
【0034】
このようにギャップがないコアを用いたチョークコイルのI−L特性は、図21に示したように、インダクタンスLは電流に無関係に一定の値を有し、チョーク電流Ichが或る値を超えてコアが磁気飽和状態になる(以下単に「飽和する」という)と、インダクタンスLは急激に低下する。
この場合のチョーク電流波形は、図22に示したように、無負荷時にはインダクタンスLに応じた臨界値に相当するダミー電流Idのみが流れ、負荷時には負荷電流Ifとダミー電流Idとの和の電流が流れるが、そのリップル分(p−p値)は、インダクタンスLが一定であるから、変化しない。
【0035】
なお、E型コア17の中央脚17aの上端面を、両側脚17b,17cの上側面より僅かに低くして、全面平行ギャップを設けたコアもある。その全面平行ギャップを有するコアを用いたチョークコイルもインダクタンスL一定であるが、そのI−L特性は図21に示したI−L特性に比べて、インダクタンスLが低下する代りに、コアが飽和するチョーク電流Ichが大きくなるから、大電流の回路においてコアを小型化する目的や、オーディオ回路においてコアの飽和による歪の発生を抑制する目的に用いられる場合が多い。
【0036】
この発明が対象とするギャップは、チョークコイルのI−L特性を負荷電流Ifが小さい時にはそのインダクタンスLが大きく、負荷電流Ifが大きい時にはインダクタンスLが小さくなるようにするためのものである。したがって、上記のようにインダクタンスLが一定でチョーク電流Ichを大きくする目的の全面平行ギャップは含まない。
【0037】
図2は、図1に示したDC−DCコンバータ3の各2次整流平滑回路21〜23のチョークコイルCH1,CH2,CH3からなる協調チョークコイル7に用いるギャップを設けた(以下同様にI型コアを省略して示す)共通コアの第1実施形態であるE型コアの構成の一例を示す斜視図である。
図3は、図2に示したE型コア10を用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図であり、図4はそのチョークコイルのチョーク電流Ichの一例を示す波形図である。
【0038】
図2に示したE型コア10は、図示しないI型コアと共に形成する磁気回路の一部である断面(中央脚10aの上端面)の一部に段差10bを設けたものである。このような段差10bを設けたことにより、このコアを用いたチョークコイルのI−L特性は、図3に示したように、インダクタンスL一定の部分が2段になって、チョーク電流Ichが小さい時にはインダクタンスLが大きく、チョーク電流Ichが大きい時にインダクタンスLが小さくなる特性が得られる。
【0039】
すなわち、図3に示したように、チョーク電流Ichが小さい間は、磁気回路に流れる磁力線が、段差10bに比べて磁気抵抗が小さい中央脚10aの上端面の残りの部分10cに集中し、大きなインダクタンスLが得られる。チョーク電流Ichが増加して上端面の残りの部分10cが飽和に近づくと、磁力線は磁気抵抗が大きい段差10bにも流れるようになって、インダクタンスLが減少し始め、残りの部分10cが完全に飽和すると、磁力線の増加分はすべて段差10bを流れて、段差10bが飽和するまでは、低いインダクタンス値になる。
【0040】
そのため、チョーク電流波形は図4に示したように、無負荷時はインダクタンスLが大きいからリップル分が小さく、ダミー電流Idを小さく設定することが出来る。一方、負荷時にはインダクタンスLが小さくなるからリップル分が大きくなるが、この時には負荷電流Ifが大きいから、ダミー電流Idが小さいままでも、図示したように電流カットオフは発生しない。しかも、ギャップを設けたことにより、コアが飽和する最大チョーク電流は増大する。
【0041】
したがって、コアのサイズが同じであればチョーク電流Ichの最大値が大きくなり、しかもダミー電流Idが小さいままであるから、負荷電流Ifの最大値をさらに大きくとることが出来る。この効果は、互いに独立したチョークコイルについてもいえることであるが、図1に示したチョークコイルCH1〜CH3のように、互いにコアを共有する協調チョークコイル7の場合はさらに有効になってくる。
【0042】
一般に、協調チョークコイルでは、複数の2次整流平滑回路にそれぞれ流れるダミー電流と負荷電流との和のチョーク電流とその巻数との積に応じてコアに発生する磁力線の総計が問題であって、個々の2次整流平滑回路に流れる電流の大小は問題にならない。しかしながら、図1に示した協調チョークコイル7は、特別な巻数比の問題をクリアするために、各チョークコイルCH1〜CH3を互いに同じ巻数比に揃えている。したがって、2次整流平滑回路21〜23の各ダミー抵抗Rd1〜Rd3にそれぞれ流れるダミー電流の合計が、図4に示したダミー電流Idになる。
【0043】
そのため、2次整流平滑回路21〜23の各出力電圧が互いに異なる場合は、出力電圧の最も低い2次整流平滑回路のダミー電流を大きく設定し、出力電圧の高い2次整流平滑回路のダミー電流を小さく抑えることにより、図4に示したダミー電流Idを変えることなく、ダミー電流による電力損失を最小にして、スイッチング電源装置全体の電力変換効率を向上させることが出来る。さらに、その場合に、ダミー電流を小さく抑えた2次整流平滑回路の負荷電流が増大して協調チョークコイル7のインダクタンスが小さくなり、その結果としてリップル分が大きくなっても電流カットオフは発生しないという効果もある。
【0044】
図5は、図2に示した段差つきE型コア10の一実施例の段差の寸法の一例を示す(中央脚10aの先端部のみ示した)側面図であり、図6は、図5に示したE型コアを用いたチョークコイルの(図3に対応する)I−L特性の実測値を示す線図である。この実施例は、図1に示したスイッチング電源装置の2次整流平滑回路23の電力容量が出力電圧24V,最大電流23Aであって、チョーク電流Ich=0の時にインダクタンスL=320μH、Ich=0.3Aの時にL=215μH、Ich=23Aの時にL=30〜60μHのチョークコイルを得るためのものである。
【0045】
そのため、EI44規格のコア(中央脚の幅12mm)を加工して、図5に示したように、段差の深さを2.5mmとし、その横幅をそれぞれ5mm(▲1▼破線)、6mm(▲2▼2点鎖線)、7mm(▲3▼実線)に設定した。図5に示したE型コアをI型コアと組み合せて協調チョークコイルを試作し、そのI−L型特性を実測した結果、図6にそれぞれ▲1▼破線,▲2▼2点鎖線,▲3▼実線で示した結果が得られた。
【0046】
すなわち、▲1▼破線で示した段差幅5mmのコアは、最大電流Ich=23Aで飽和ギリギリであったが、▲2▼2点鎖線,▲3▼実線で示した段差幅6mm,7mmのコアは、それぞれIch=23AでL=30〜40μHであり、Ich=0.3Aの時にL=300〜400μHで略満足する結果が得られている。そのため、同一容量で段差のない従来の協調チョークコイルと比較して、コアはEI50規格からEI44規格になって約10%小型化し、コストは600円から500円と約20%ダウンし、ダミー電流Idを0.2Aから0.1Aに下げる(省エネルギ2.4W)ことが出来た。
【0047】
図7は、図2に示した段差つきE型コアの一変型を示す斜視図である。
図7に示したE型コア11は、図2に示した段差の幅が中央脚の幅の1/2であったコアの代りに、深さが同じで幅が2/3である段差を、その厚さ(奥行)の3/4だけ設け、厚さの残り1/4を段差なしとして構成したものである。
図7に示したような段差でギャップを構成しても、中央脚11aの上端面を上から見た時の段差部11bの有効面積とその深さが同じであれば、図2に示したE型コア10と同等の作用及び効果が得られる。
【0048】
図8は、図1に示したDC−DCコンバータ3の協調チョークコイル7の共通コアの第2実施形態であるE型コアの構成の一例を示す斜視図である。
図9は、図8に示したE型コア12を用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図であり、図10はそのチョークコイルのチョーク電流Ichの一例を示す波形図である。
【0049】
図8に示したE型コア12は、磁気回路の一部である断面(中央脚12aの上端面)に、ギャップとしての斜面12bを、その一辺が上端面と一致してギャップがゼロになるように設けたことにより、このコアを用いたチョークコイルのI−L特性は、図9に示したように、そのインダクタンスLがチョーク電流Ich=0の時に最高で、チョーク電流Ichの増大と共にリニアに減少して、遂には飽和状態に達する特性が得られる。
【0050】
そのため、チョーク電流波形は図10に示したように、無負荷時はインダクタンスLが大きいからリップル分が小さく、ダミー電流Idを小さく設定することが出来ると共に、負荷電流Ifの増大に伴ってインダクタンスLが減少するから、リップル分も増大してゆくが、ダミー電流Idと負荷電流Ifの和であるチョーク電流Ichは、増大してゆくリップル分(の1/2)より常に大きいから、電流カットオフは発生しない。
【0051】
図11は、図1に示した協調チョークコイル7の共通コアの第3実施形態であるE型コアの構成の一例を示す斜視図である。
図12は、図11に示したE型コア13を用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図であり、図13はそのチョークコイルのチョーク電流Ichの一例を示す波形図である。
【0052】
図11に示したE型コア13は、その中央脚13aの上端面13bの一部に、ギャップとしての斜面13cと段差13dとを設けたことにより、このコアを用いたチョークコイルのI−L特性は、図12に示したように、図3に示したI−L特性に比べて、2段になっている大小のインダクタンスL一定の部分の幅が狹くなった代りに、その中間が緩やかな斜線で結ばれている。したがって、そのI−L特性は、図3と図9にそれぞれ示したI−L型特性の中間的な特性を示している。
【0053】
したがって、図13に示したチョーク電流Ichの波形図は、無負荷時と最大負荷に近い負荷時とについてのみ示しているから、図4及び図10にそれぞれ示したチョーク電流波形図との差が明らかではないが、中間的な負荷に対するチョーク電流Ichの波形も、E型コア10,12を用いたチョークコイルの間になっている。
【0054】
図14は、図1に示した協調チョークコイル7の共通コアの第4実施形態であり、ギャップを設ける代りに材質の異なるコアを重ねて構成したE型コアの一例を示す斜視図である。
図15は、図14に示したE型コア14を用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図であり、図16はそのチョークコイルのチョーク電流Ichの一例を示す波形図である。
【0055】
図14に示したE型コア14は、同一サイズであって互いに磁気特性の異なる材質からなる複数のコア14a,14bを、その厚さ方向に重ねて構成したものである。例えばダストコアとフェライトコアとでは、磁気抵抗や飽和限界等の磁気特性が異なるため、ギャップのない磁気回路を形成しても、そのI−L特性はその一例を図15に示したように、上下2段のL特性が現れる。
【0056】
したがって、チョーク電流Ichの波形図も、図16に示したように、無負荷時にはリップル分を抑えてダミー電流Idを少なくし、負荷時にはリップル分が大きくなっても電流カットオフが生じないようにすることが出来る点では、ギャップを設けたE型コア10〜13と同様な効果が得られる。
ギャップを設けたE型コア10〜13は、既に説明したようにギャップの型状を変えることによって、任意のI−L特性が得られるという長所があったが、それに比べて図14に示したE型コアでは、材質の組み合わせやその種類を変えても、I−L特性の選択の自由度は多少狹くなる傾向がある。
【0057】
図17は、図1に示した協調チョークコイル7の共通コアの第5実施形態であり、材質の異なるコアを重ねて構成したものに、さらにギャップを設けたE型コアの一例を示す斜視図である。
図18は、図17に示したE型コア15を用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図であり、図19はそのチョークコイルのチョーク電流Ichの一例を示す波形図である。
【0058】
図17に示したE型コア15は、図14に示したE型コア14と同様に、互いに異なる材質からなるE型コア15a,15bを厚さ方向に重ねて構成したものに、さらに図8に示したE型コア12の斜面12bと同様な、斜面15cからなるギャップを設けたものである。
そのため、E型コア15を用いたチョークコイルのI−L特性は、図18に示したように、チョーク電流Ichの増大に伴ってそれぞれ減少するが、その傾斜が異なる2段のリニア部分からなっている。図19に示したチョーク電流Ichの波形図は、重複するところが多いので、説明を省略する。
【0059】
いうまでもなく、図17に示したE型コア15の全面斜面15cは、ギャップの一例を示したものであり、ギャップは全面斜面に限定されるものではなく、段差(図2,図7)、斜面と段差の組み合わせ(図11)、又は例示しなかったが中央脚の上端面の一部を残した斜面によって構成してもよい。あるいは、異なる材質からなるE型コアの少くともいずれか1つにギャップを設けてもよい。
【0060】
以上、図2,図7,図8,図11,図14,図17にそれぞれ示したE型コア10〜15は、図20に示したE型コア17と同様にI型コアと組み合わせるものとして説明したが、組み合わせるコアは必ずしもI型コアに限定されるものではなく、例えばE型コアとE型コアの組み合わせであってもよい。また、E型コアの中央脚の形状も、図示したような角柱状ではなく、例えば円柱状であっても同様な効果が得られる。
【0061】
以上説明した各種のE型コアを共通コアとする協調チョークコイル7を用いるに当って、図1に示したDC−DCコンバータ3は、各チョークコイルCH1〜CH3をそれぞれ2次整流平滑回路のグランドライン側に設けたが、それぞれホットライン側に設けても同様な効果が得られることはいうまでもない。
また、もし何等かの理由で、各チョークコイルCH1〜CH3が各2次整流平滑回路のグランドラインとホットラインとに分れて設けられたとしても、トランジスタQがオンになって各チョークコイルを励起する電流が流れた時に、それぞれの巻線が共通コアを同方向に磁化する向きに巻かれていれば、同様な効果が得られる。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による多出力スイッチング電源装置はダミー電流による電力損失を低減して発熱を抑え、スイッチング電源装置全体の電力効率を向上することが出来る。また、ダミー電流を小さく抑えた2次整流平滑回路の負荷電流が増大して協調チョークコイル7のインダクタンスが小さくなり、その結果としてリップル分が大きくなっても電流カットオフは発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態であり多出力スイッチング電源装置であるDC−DCコンバータの構成を、1次整流平滑回路と共に示す回路図である。
【図2】図1に示したDC−DCコンバータの協調チョークコイルの共通コアに用いられるE型コアの第1実施形態の構成の一例を示す斜視図である。
【図3】図2に示したE型コアを用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図である。
【図4】図3に示したI−L特性を有するチョークコイルに流れる電流の一例を示す波形図である。
【図5】図2に示したE型コアの実施例のサイズの一例を示す側面図である。
【図6】図5に示したE型コアを用いたチョークコイルのI−L特性の実測値を示す線図である。
【図7】図2に示したE型コアの第1実施形態の構成の他の例を示す斜視図である。
【図8】E型コアの第2実施形態の構成の一例を示す斜視図である。
【図9】図8に示したE型コアを用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図である。
【図10】図9に示したI−L特性を有するチョークコイルに流れる電流の一例を示す波形図である。
【図11】E型コアの第3実施形態の構成の一例を示す斜視図である。
【図12】図11に示したE型コアを用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図である。
【図13】図12に示したI−L特性を有するチョークコイルに流れる電流の一例を示す波形図である。
【図14】E型コアの第4実施形態の構成の一例を示す斜視図である。
【図15】図14に示したE型コアを用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図である。
【図16】図15に示したI−L特性を有するチョークコイルに流れる電流の一例を示す波形図である。
【図17】E型コアの第5実施形態の構成の一例を示す斜視図である。
【図18】図17に示したE型コアを用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図である。
【図19】図18に示したI−L特性を有するチョークコイルに流れる電流の一例を示す波形図である。
【図20】一定のインダクタンスを有する従来のチョークコイルのコアの構成の一例を示す斜視図である。
【図21】図20に示したコアを用いたチョークコイルのI−L特性の一例を示す線図である。
【図22】図21に示したI−L特性を有するチョークコイルに流れる電流の一例を示す波形図である。
【図23】従来の多出力スイッチング電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
1:交流電源 2:1次整流平滑回路
3:DC−DCコンバータ(多出力スイッチング電源装置)
5:スイッチング制御回路 6:トランス
7:協調チョークコイル
11〜15:E型コア(磁心)
21〜23:2次整流平滑回路
C21〜C23:コンデンサ
CH1〜CH3:チョークコイル
N1:1次巻線 N21〜N23:2次巻線
Q:トランジスタ(スイッチング素子)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-output switching power supply.AboutMore particularly, the present invention relates to a multi-output switching power supply device using a choke coil having a current-dependent magnetic characteristic that shares a magnetic core with each other and reduces the inductance when the load current increases.
[0002]
[Prior art]
As a power supply device for various electronic devices, it is inexpensive, compact and lightweight compared to the power capacity, and has high power conversion efficiency, so there is little power loss and accompanying heat generation, and multiple independent DC power can be obtained and constant voltage control A multi-output switching power supply device having a function is widely used.
[0003]
As shown in FIG. 23, for example, the most common conventional multi-output switching power supply device is a primary rectifying / smoothing circuit 2 comprising a diode bridge 4 and a large-capacity capacitor C1 for converting primary AC power input from an AC power supply 1. To convert it into primary DC power. A DC-DC converter 3a, which is a multi-output switching power supply including a transformer 6, a transistor Q, a switching control circuit 5, and three secondary rectifying / smoothing circuits 20a to 20c, receives primary DC power and is independent of each other. Three secondary DC powers are output from a pair of output terminals 8p and 8n, respectively.
[0004]
The choke coil CHc of the secondary rectification / smoothing circuit having the same configuration, for example, of the secondary rectification / smoothing circuit 20c is connected to the rectification diode Ds3 of the secondary AC power induced in the secondary winding N23 when the transistor Q is turned on. It is excited by the charging current of the capacitor C23 flowing through it, and converts the magnetic energy accumulated by the excitation when the transistor Q is off to current again, and further charges the capacitor C23 via the commutation diode Dt3.
[0005]
In this case, if a small amount of current always flows through the choke coil CHc, the output voltage of the secondary rectifying / smoothing circuit 20c is equal to the input voltage when the transistor Q is on (the voltage between the terminals of the secondary winding N23) and the output voltage of the transistor Q. Since the relationship of the product with the on-duty ratio is established (the same applies to the secondary rectifying and smoothing circuits 20a and 20b), the output voltage is fed back to the switching control circuit 5 so that the output voltage becomes a preset voltage. Can be controlled.
[0006]
However, when a discontinuous state in which no current flows through the choke coil CHc, that is, when a current cutoff occurs, the output voltage rises, so that the on-duty ratio of the transistor Q instantaneously becomes zero and switching stops. Intermittent oscillation occurs when switching is started again. When the intermittent oscillation starts, the frequency often falls within the audible frequency range, causing an unpleasant noise sound, and the output voltages of all the secondary rectifying / smoothing circuits 20a to 20c fluctuate at the intermittent oscillation frequency. And become unstable.
[0007]
In the secondary rectifying / smoothing circuit 20a or 20b that is not a feedback system, if a current cutoff occurs in the choke coil CHa or CHb, intermittent oscillation does not occur, but the output voltage of the secondary rectifying / smoothing circuit increases. Occurs. Therefore, the dummy resistors Rd1 to Rd3 are connected in parallel to the capacitors C21 to C23 of all the secondary rectifying / smoothing circuits 20a to 20c, respectively. It was necessary to always supply a dummy current that did not cut off the coil current.
[0008]
However, in general, the product of the inductance of the choke coil and the ripple of the current flowing therethrough has a constant, that is, an inversely proportional relationship. Further, the critical value at which the current flowing through the choke coil does not cut off even when there is no load is approximately の of the pp value of the current ripple, and the dummy current must be set to be larger than the critical value. Therefore, if the inductance of the choke coil is large, the dummy current is small, but if the inductance is small, the dummy current is large, so that the power loss and the heat generation due to it are not negligible.
[0009]
On the other hand, when the inductance of the choke coil is set to be large, the size and weight of the choke coil become large with respect to the output current of the secondary rectifying and smoothing circuit. This tendency is the same for all of the secondary rectifying and smoothing circuits 20a to 20c. Therefore, if the switching power supply has a large maximum output current and a large number of outputs (the number of secondary rectifying and smoothing circuits), the size and weight increase. And the cost increase was a big problem.
[0010]
Therefore, in the choke coils CHa to CHc independent from each other as shown in FIG. 23, the I-shaped core 16 shown in FIG. 20 and the winding frame around which the winding is wound (as will be described in detail later) are mounted. A normal magnetic circuit is constituted by the E-shaped core 17 having the central leg 17a. A step is provided on the upper surface of the central leg 17a which is a part of the magnetic circuit, and the inductance is large while the current is small, and the current is small. In some cases, a magnetic characteristic in which the inductance becomes smaller as the size becomes larger, the dummy current is reduced, and the core is made smaller and lighter.
[0011]
Further, as shown in FIG. 3 of Japanese Patent Publication No. 7-50990 as a conventional example, two choke coils n1 and n2 of two secondary rectifying / smoothing circuits having capacitors 21 and 22, respectively, are connected to each other. There was an example in which a cooperative choke coil 19 sharing a magnetic core was used.
[0012]
Alternatively, as in the proposal shown in FIG. 1 of the publication, each of the choke coils of the three secondary rectifying / smoothing circuits including the capacitors 10 to 12 is constituted by the cooperative choke coil 9 and other than the feedback system. In the case where the inductors 7 and 8 are provided in series with the respective choke coils of the secondary rectifying / smoothing circuit, and the number of turns of each of the choke coils constituting the cooperative choke coil 9 cannot satisfy the special turns ratio determined by the circuit constant, There were also proposals to prevent troubles caused by such problems.
[0013]
When such a cooperative choke coil is used, if the winding ratio of the winding is set to the above-described special winding ratio, if the output voltage of any of the secondary rectifying / smoothing circuits is controlled to be a constant voltage, The output voltage of another secondary rectifying / smoothing circuit is also kept substantially constant by the cross regulation of the transformer.
In addition, if a current equal to or greater than the critical value flows through any one of the windings of the cooperative choke coil, current cutoff does not occur, so that an abnormal increase in the output voltage at light load can be prevented. Compared to the case where a coil is used, the whole core is smaller and lighter, and power loss due to a dummy current can be reduced.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, the switching frequency of the transistor Q is in a high frequency range of 100 kHz or more in order to reduce the size of the transformer and the choke coil. Since the frequency tends to be higher in recent years, the number of turns of the choke coil is reduced to about several turns. ing. Basically, the number of turns is an integral multiple of 1/2 turn, and cannot be set to a fraction less than 1/2 turn. Therefore, in actual design, it is difficult to obtain a required number of turns with a required inductance and a special turns ratio.
[0015]
If the special turns ratio is not satisfied, energy may be transferred between the windings of the cooperative choke coil, the desired output voltage may not be obtained, the output voltage may increase at light load, and unnecessary oscillation may occur. Trouble arises. To solve this problem, the proposal disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-50990 is an extremely effective solution. However, by adding an inductor one less than the number of outputs, it is possible to increase the size of the multi-output switching power supply. There has been a problem that the cost and cost increase.
[0016]
Although the use of a cooperative choke coil certainly reduces the size and weight of the core as compared to a plurality of choke coils independent of each other, it can be said that the core is a cooperative choke coil in a high-power multi-output switching power supply device. Since a large core is required, and the winding wound accordingly becomes thick and long, power loss and heat generation due to copper loss and iron loss become a serious problem along with the weight.
[0017]
The present invention has been made in view of the above points, and further reduces the size and weight of a cooperative choke coil used in a multi-output switching power supply device, reduces power loss, suppresses heat generation, and improves power efficiency. The purpose is to:
[0018]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in order to achieve the above object, primary DC power is input to a series circuit of a primary winding of a transformer and a switching element, and the switching element is switched to induce a plurality of secondary windings of the transformer. The secondary AC power is supplied by a plurality of secondary rectifying and smoothing circuits each having a choke coil.Different output voltage from each otherFor secondary DC powerconversionMulti-output switching power supply device
Each of the choke coils of the plurality of secondary rectifying / smoothing circuits shares a magnetic core with each other, and when the load current is small, the inductance is large, and when the load current is large, the inductance is small.AndUpThe total value of the dummy currents flowing through the respective dummy resistors of the plurality of secondary rectifying / smoothing circuits is fixed, the dummy current of the secondary rectifying / smoothing circuit having a low output voltage is set large, and the secondary rectifying / smoothing circuit having a high output voltage is set. Reduced the dummy current ofThings.
[0019]
Also, the above-mentioned multi-output switching power supply deviceAnd each of the aboveA gap is formed in a part of the magnetic circuit formed by the magnetic core shared by the choke coil.Good to have.
[0020]
Alternatively, the magnetic core shared by the choke coils is formed by stacking a plurality of magnetic cores of different materials in the thickness direction.
Further, it is more preferable to provide a gap in a part of a magnetic circuit formed by a magnetic core formed by stacking choke coils.
[0021]
The gap between these choke coils may be formed by providing a step in a part of the cross section of the magnetic circuit.
Further, the gap may be formed by forming the whole or a part of the cross section of the magnetic circuit on a slope.
Alternatively, the gap may be formed by forming the whole or a part of the cross section of the magnetic circuit with a slope and a step.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a configuration of a multi-output switching power supply according to an embodiment of the present invention. In a DC-DC converter 3 which is a multi-output switching power supply device shown in FIG. 1, a primary rectifying / smoothing circuit 2 including a diode bridge 4 and a large-capacity capacitor C1 converts AC power input from an AC power supply 1. The secondary DC power is input, and three mutually independent (secondary) DC powers are output from respective positive and negative output terminals 8p and 8n.
[0023]
The DC-DC converter 3 is a high-frequency forward-type transformer 6 having three secondary windings N21, N22, and N23, and a transistor that is a switching element connected in series with the primary winding N1 of the transformer 6. (Or FETs) Q and secondary rectifying / smoothing circuits 21, 22 and 23 having a pair of output terminals 8 p and 8 n connected to the secondary windings N 21 to N 23, respectively, and outputs of the secondary rectifying / smoothing circuit 23. A switching control circuit (SWC) 5 for detecting a voltage and outputting a switching pulse having a pulse width corresponding to the detected voltage to the base of the transistor Q.
[0024]
The primary DC power converted by the primary rectifying / smoothing circuit 2 is input to both ends of a series circuit of the primary winding N1 of the transformer 6 and the transistor Q, and the switching pulse is input from the switching control circuit 5 to the transistor Q. , The current flowing through the primary winding N1 is turned on / off, and secondary AC power is induced in the secondary windings N21 to N23 by the on / off.
[0025]
Since the secondary rectifying / smoothing circuits 21 to 23 have the same configuration and operation, a description will be given of, for example, the secondary rectifying / smoothing circuit 23 which is a feedback system. When the transistor Q is on, an electromotive force is induced in the secondary winding N23. Then, the current flows through the rectifier diode Ds3 to charge the smoothing large-capacity capacitor C23 and to excite the choke coil CH3 to store magnetic energy.
[0026]
When the transistor Q is turned off, the polarity of the electromotive force of the secondary winding N23 is inverted, so that no current flows through the rectifier diode Ds3. On the other hand, the polarity of the choke coil CH3 is also inverted, and the stored magnetic energy is reconverted into a current, flows through the commutation diode Dt3, and similarly charges the capacitor C23. A dummy current according to the resistance value and the voltage between the terminals of the capacitor C23 flows through the dummy resistor Rd3 connected in parallel with the capacitor C23.
[0027]
The switching control circuit 5 detects the voltage between the terminals of the capacitor C23, that is, the output voltage of the secondary rectifying / smoothing circuit 23, and if the detected voltage is lower than a preset voltage, expands the ON width of the switching pulse. Raise the on-duty ratio to increase the output voltage. If the detection voltage is higher than the set voltage, the width of the pulse-on is narrowed, that is, the on-duty ratio is lowered to lower the output voltage. In this way, the output voltage of the secondary rectifying / smoothing circuit 23 is feedback-controlled so as to maintain the set voltage.
[0028]
Although the description of the configuration and operation of the DC-DC converter 3 is the same as that of the DC-DC converter 3a (FIG. 23), the choke coils CHa to CHc of the DC-DC converter 3a are independent of each other. On the other hand, since the choke coils CH1 to CH3 of the DC-DC converter 3 are cooperative choke coils 7 sharing a core (magnetic core) with each other, the operation and the effect are different.
[0029]
That is, as described above, by using the cooperative choke coil, the cross-regulation of the transformer 6 causes the output voltages of the secondary rectification / smoothing circuits 21 and 22 that are not feedback systems to be output from the secondary rectification / smoothing circuits 20a and 20b. Compared with the output voltage, the voltage fluctuation is reduced and stabilized, and the entire core is reduced in size and weight, and the cost is reduced. In this regard, a similar effect is obtained by the conventional multi-output switching power supply device using a cooperative choke coil and the proposal disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-50990.
[0030]
However, the feature that the cooperative choke coil 7 used in the multi-output switching power supply according to the present invention is greatly different from the conventional cooperative choke coil is that it is performed in the conventional independent choke coil, but there is no example in the cooperative choke coil. In addition, it has "magnetic characteristics in which the inductance is large when the load current is small and the inductance is small when the load current is large".
[0031]
By providing the above-mentioned magnetic characteristics to the cooperative choke coil 7, the core can be reduced in size and weight to reduce the cost as well as the independent choke coil, and the dummy current can be reduced to reduce the power loss and improve the power efficiency. However, the cooperative choke coil 7 has an effect that the dummy current can be further reduced as compared with the independent choke coil.
Hereinafter, the reason will be described together with each embodiment.
[0032]
FIG. 20 is a perspective view showing an example of the configuration of a core used in a conventional choke coil having a constant inductance regardless of the magnitude of a current. In addition, in a choke coil using the core shown in FIG. 20, a current obtained by combining a dummy current Id flowing through the choke coil and a load current If is used as a choke current Ich. FIG. 21 shows a characteristic of an inductance L with respect to the choke current Ich (hereinafter referred to as “ch”). FIG. 22 is a waveform diagram showing an example of the choke current Ich at the time of no load and at the time of load, respectively.
[0033]
The core shown in FIG. 20 is constituted by a combination of an I-type core 16 shown by a two-dot chain line and an E-type core 17 shown by a solid line, and a winding (not shown) is mounted on a central leg 17 a of the E-type core 17. After the winding frame around which is wound is inserted, it is integrally formed with the I-shaped core 16. Since the center leg 17a of the E-shaped core 17 and the two side legs 17b and 17c are at the same height and their upper end surfaces are on the same plane, there is no gap between the center leg 17a and the I-shaped core 16.
[0034]
As shown in FIG. 21, the IL characteristic of a choke coil using a core having no gap has a constant value regardless of the current, and the choke current Ich exceeds a certain value, as shown in FIG. When the core becomes magnetically saturated (hereinafter simply referred to as "saturated"), the inductance L sharply decreases.
As shown in FIG. 22, the choke current waveform in this case is such that when there is no load, only the dummy current Id corresponding to the critical value corresponding to the inductance L flows, and when the load is applied, the current is the sum of the load current If and the dummy current Id. Flows, but the ripple (pp value) does not change because the inductance L is constant.
[0035]
There is also a core in which the upper end surface of the center leg 17a of the E-shaped core 17 is slightly lower than the upper side surfaces of the both side legs 17b and 17c to provide a parallel gap over the entire surface. A choke coil using a core having a parallel gap over its entire surface has a constant inductance L, but its IL characteristic is lower than that of the IL characteristic shown in FIG. Since the choke current Ich increases, it is often used for the purpose of reducing the size of a core in a circuit with a large current or for suppressing the occurrence of distortion due to saturation of the core in an audio circuit.
[0036]
The gap to which the present invention is directed is intended to reduce the inductance L of the choke coil when the load current If is small and the inductance L is small when the load current If is large. Therefore, as described above, the entire parallel gap for the purpose of increasing the choke current Ich with the constant inductance L is not included.
[0037]
FIG. 2 shows a gap provided for a cooperative choke coil 7 composed of choke coils CH1, CH2, and CH3 of each of the secondary rectifying and smoothing circuits 21 to 23 of the DC-DC converter 3 shown in FIG. It is a perspective view showing an example of composition of E type core which is a 1st embodiment of common core (illustrating a core omitted).
FIG. 3 is a diagram showing an example of the IL characteristic of the choke coil using the E-type core 10 shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of the choke current Ich of the choke coil. .
[0038]
The E-shaped core 10 shown in FIG. 2 has a step 10b provided in a part of a cross section (the upper end surface of the center leg 10a) which is a part of a magnetic circuit formed together with an I-shaped core (not shown). By providing such a step 10b, the IL characteristic of the choke coil using this core is such that, as shown in FIG. 3, the portion where the inductance L is constant becomes two steps, and the choke current Ich is small. In some cases, a characteristic is obtained in which the inductance L is large and the inductance L is small when the choke current Ich is large.
[0039]
That is, as shown in FIG. 3, while the choke current Ich is small, the lines of magnetic force flowing through the magnetic circuit are concentrated on the remaining portion 10c of the upper end surface of the central leg 10a having a smaller magnetic resistance than the step 10b, and the larger. The inductance L is obtained. As the choke current Ich increases and the remaining portion 10c of the upper end face approaches saturation, the magnetic flux lines also flow through the step 10b where the magnetic resistance is large, the inductance L starts to decrease, and the remaining portion 10c is completely removed. When saturated, all of the increase in the magnetic field lines flow through the step 10b, and the inductance value becomes low until the step 10b is saturated.
[0040]
As a result, as shown in FIG. 4, the choke current waveform has a large inductance L when no load is applied, so that the ripple component is small and the dummy current Id can be set small. On the other hand, when the load is loaded, the inductance L is small, so that the ripple is large. At this time, since the load current If is large,Dummy currentEven if Id remains small, no current cutoff occurs as shown. In addition, the provision of the gap increases the maximum choke current at which the core is saturated.
[0041]
Therefore, if the core size is the same, the maximum value of the choke current Ich increases, and the dummy current Id remains small, so that the maximum value of the load current If can be further increased. This effect can be applied to the choke coils independent of each other, but becomes more effective in the case of the cooperative choke coils 7 sharing the core with each other like the choke coils CH1 to CH3 shown in FIG.
[0042]
Generally, in a cooperative choke coil, the total amount of magnetic force lines generated in a core according to a product of a choke current, which is a sum of a dummy current and a load current flowing through a plurality of secondary rectifying and smoothing circuits, and the number of turns thereof, is a problem. The magnitude of the current flowing through each secondary rectifying and smoothing circuit does not matter. However, in the cooperative choke coil 7 shown in FIG. 1, each of the choke coils CH1 to CH3 is arranged to have the same turns ratio in order to clear a problem of a special turns ratio. Therefore, the sum of the dummy currents flowing through the respective dummy resistors Rd1 to Rd3 of the secondary rectifying / smoothing circuits 21 to 23 becomes the dummy current Id shown in FIG.
[0043]
Therefore, when the output voltages of the secondary rectifying / smoothing circuits 21 to 23 are different from each other, the dummy current of the secondary rectifying / smoothing circuit having the lowest output voltage is set to be large, and the dummy current of the secondary rectifying / smoothing circuit having the highest output voltage is set. , The power loss due to the dummy current can be minimized and the power conversion efficiency of the entire switching power supply can be improved without changing the dummy current Id shown in FIG. Further, in this case, the load current of the secondary rectifying / smoothing circuit in which the dummy current is suppressed is increased, and the inductance of the cooperative choke coil 7 is reduced. As a result, even if the ripple increases, the current cutoff does not occur. There is also an effect.
[0044]
FIG. 5 is a side view showing an example of the size of the step (only the tip of the center leg 10a is shown) of the embodiment of the stepped E-shaped core 10 shown in FIG. 2, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing actually measured IL characteristics (corresponding to FIG. 3) of the choke coil using the E-shaped core shown. In this embodiment, the power capacity of the secondary rectifying / smoothing circuit 23 of the switching power supply shown in FIG. 1 is an output voltage of 24 V and a maximum current of 23 A. When the choke current Ich = 0, the inductance L = 320 μH and Ich = 0. 3A to obtain a choke coil with L = 215 μH and Ich = 23 A with L = 30 to 60 μH.
[0045]
Therefore, the core of the EI44 standard (the width of the center leg is 12 mm) is processed, as shown in FIG. 5, the depth of the step is set to 2.5 mm, and the lateral width is 5 mm ((1) broken line) and 6 mm ( (2) two-dot chain line) and 7 mm ((3) solid line). A cooperative choke coil was experimentally manufactured by combining the E-type core shown in FIG. 5 with the I-type core, and its IL characteristics were measured. As a result, FIG. 6 shows (1) broken line, (2) two-dot chain line, and (1) 3) The result indicated by the solid line was obtained.
[0046]
That is, (1) the core having the step width of 5 mm indicated by the broken line was almost at the maximum at the maximum current Ich = 23 A, but the core having the step width of 6 mm and 7 mm indicated by the (2) two-dot chain line and (3) the solid line. Are L = 30 to 40 μH at Ich = 23 A, respectively, and almost satisfactory results are obtained at L = 300 to 400 μH when Ich = 0.3 A. As a result, the core is reduced from the EI50 standard to the EI44 standard by about 10%, the cost is reduced by about 20% from 600 yen to 500 yen, and the dummy current is reduced as compared with the conventional cooperative choke coil having the same capacity and no step. Id was reduced from 0.2 A to 0.1 A (energy saving 2.4 W).
[0047]
FIG. 7 is a perspective view showing a modification of the stepped E-shaped core shown in FIG.
The E-shaped core 11 shown in FIG. 7 has a step having the same depth and a width of 2/3 instead of the core having the step width shown in FIG. , Only 3/4 of the thickness (depth) thereof, and the remaining 1/4 of the thickness has no step.
Even if the gap is formed by the step as shown in FIG. 7, if the effective area and the depth of the step portion 11b when the upper end surface of the central leg 11a is viewed from above are the same, FIG. Functions and effects equivalent to those of the E-type core 10 are obtained.
[0048]
FIG. 8 is a perspective view showing an example of the configuration of an E-shaped core which is a second embodiment of the common core of the cooperative choke coil 7 of the DC-DC converter 3 shown in FIG.
FIG. 9 is a diagram showing an example of the IL characteristic of the choke coil using the E-type core 12 shown in FIG. 8, and FIG. 10 is a waveform diagram showing an example of the choke current Ich of the choke coil. .
[0049]
The E-shaped core 12 shown in FIG. 8 has a slope 12b as a gap in a cross section (upper surface of the center leg 12a) which is a part of a magnetic circuit, and one side thereof coincides with the upper surface to make the gap zero. As a result, the IL characteristic of the choke coil using this core is the highest when the inductance L is at the choke current Ich = 0 as shown in FIG. 9, and is linear with the increase of the choke current Ich. And finally reaches the saturation state.
[0050]
Therefore, as shown in FIG. 10, the choke current waveform has a large inductance L when no load is applied, and therefore the ripple component is small, and the dummy current Id can be set small. Decreases, the ripple increases, but the choke current Ich, which is the sum of the dummy current Id and the load current If, is always larger than (1/2) of the increasing ripple, so that the current cutoff is increased. Does not occur.
[0051]
FIG. 11 is a perspective view showing an example of the configuration of an E-shaped core which is a third embodiment of the common core of the cooperative choke coil 7 shown in FIG.
FIG. 12 is a diagram showing an example of the IL characteristic of the choke coil using the E-type core 13 shown in FIG. 11, and FIG. 13 is a waveform diagram showing an example of the choke current Ich of the choke coil. .
[0052]
The E-shaped core 13 shown in FIG. 11 is provided with a slope 13c as a gap and a step 13d at a part of the upper end surface 13b of the central leg 13a, so that an IL of a choke coil using this core is provided. As shown in FIG. 12, as compared with the IL characteristic shown in FIG. 3, the width of the two-stage large and small constant inductance L is narrower, but the middle part is smaller. They are connected by gentle diagonal lines. Therefore, the IL characteristic shows an intermediate characteristic of the IL characteristic shown in FIG. 3 and FIG.
[0053]
Therefore, the waveform diagram of the choke current Ich shown in FIG. 13 shows only the case of no load and the case of the load near the maximum load, and the difference from the choke current waveform diagrams shown in FIGS. Although it is not clear, the waveform of the choke current Ich for an intermediate load is also between the choke coils using the E-shaped cores 10 and 12.
[0054]
FIG. 14 is a perspective view showing an example of an E-shaped core according to a fourth embodiment of the common core of the cooperative choke coil 7 shown in FIG. 1, in which cores of different materials are stacked instead of providing a gap.
FIG. 15 is a diagram showing an example of the IL characteristic of the choke coil using the E-shaped core 14 shown in FIG. 14, and FIG. 16 is a waveform diagram showing an example of the choke current Ich of the choke coil. .
[0055]
The E-shaped core 14 shown in FIG. 14 is formed by stacking a plurality of cores 14a and 14b having the same size and different magnetic properties from each other in the thickness direction. For example, since the dust core and the ferrite core have different magnetic characteristics such as magnetic resistance and saturation limit, even if a magnetic circuit without a gap is formed, the IL characteristics of the dust core and the ferrite core are different from each other as shown in FIG. A two-stage L characteristic appears.
[0056]
Therefore, as shown in FIG. 16, the waveform diagram of the choke current Ich also suppresses the ripple component when there is no load, reduces the dummy current Id, and prevents the current cutoff from occurring even when the ripple component becomes large under load. The same effects as those of the E-shaped cores 10 to 13 provided with gaps can be obtained.
The E-shaped cores 10 to 13 provided with a gap have an advantage that an arbitrary IL characteristic can be obtained by changing the shape of the gap as described above. In the case of the E-shaped core, the degree of freedom in selecting the IL characteristics tends to be somewhat narrowed even when the combination and type of the materials are changed.
[0057]
FIG. 17 is a fifth embodiment of the common core of the cooperative choke coil 7 shown in FIG. 1, and is a perspective view showing an example of an E-type core in which cores made of different materials are stacked and a gap is further provided. It is.
FIG. 18 is a diagram showing an example of the IL characteristic of the choke coil using the E-type core 15 shown in FIG. 17, and FIG. 19 is a waveform diagram showing an example of the choke current Ich of the choke coil. .
[0058]
The E-type core 15 shown in FIG. 17 is similar to the E-type core 14 shown in FIG. 14 except that E-type cores 15a and 15b made of different materials are stacked in the thickness direction. A gap having a slope 15c similar to the slope 12b of the E-shaped core 12 shown in FIG.
As a result, the IL characteristics of the choke coil using the E-shaped core 15 decrease as the choke current Ich increases as shown in FIG. ing. Since the waveform diagram of the choke current Ich shown in FIG. 19 has many overlapping portions, the description is omitted.
[0059]
Needless to say, the entire slope 15c of the E-shaped core 15 shown in FIG. 17 is an example of a gap, and the gap is not limited to the entire slope, but a step (FIGS. 2 and 7). , A combination of a slope and a step (FIG. 11), or a slope not shown but leaving a part of the upper end face of the center leg. Alternatively, a gap may be provided in at least one of the E-shaped cores made of different materials.
[0060]
As described above, the E-type cores 10 to 15 shown in FIGS. 2, 7, 8, 11, 14, and 17 are assumed to be combined with the I-type core similarly to the E-type core 17 shown in FIG. Although described, the core to be combined is not necessarily limited to the I-type core, and may be, for example, a combination of an E-type core and an E-type core. Further, the same effect can be obtained even if the shape of the center leg of the E-shaped core is not a prismatic shape as shown, but a cylindrical shape, for example.
[0061]
In using the cooperative choke coil 7 having the above-described various E-shaped cores as a common core, the DC-DC converter 3 shown in FIG. 1 connects each of the choke coils CH1 to CH3 to the ground of the secondary rectifying and smoothing circuit. Although provided on the line side, it goes without saying that a similar effect can be obtained by providing each on the hot line side.
Also, if for some reason each of the choke coils CH1 to CH3 is provided separately for the ground line and the hot line of each secondary rectifying and smoothing circuit, the transistor Q is turned on and each choke coil is turned on. A similar effect can be obtained if the respective windings are wound in the direction of magnetizing the common core in the same direction when the exciting current flows.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, the present inventionMulti outputSwitching power supplyBy dummy currentReduce power loss and heat generation,Switching power supplyPower efficiency can be improved.Further, the load current of the secondary rectifying / smoothing circuit in which the dummy current is suppressed is increased, and the inductance of the cooperative choke coil 7 is reduced. As a result, even if the ripple increases, the current cutoff does not occur.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a DC-DC converter which is an embodiment of the present invention and is a multi-output switching power supply device, together with a primary rectifying and smoothing circuit.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of a configuration of a first embodiment of an E-type core used as a common core of a cooperative choke coil of the DC-DC converter shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an IL characteristic of a choke coil using the E-type core illustrated in FIG. 2;
4 is a waveform diagram showing an example of a current flowing through a choke coil having the IL characteristic shown in FIG.
FIG. 5 is a side view showing an example of the size of the embodiment of the E-shaped core shown in FIG. 2;
6 is a diagram showing actually measured IL characteristics of a choke coil using the E-shaped core shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a perspective view showing another example of the configuration of the first embodiment of the E-shaped core shown in FIG. 2;
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a configuration of a second embodiment of the E-shaped core.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an IL characteristic of a choke coil using the E-type core illustrated in FIG. 8;
FIG. 10 is a waveform chart showing an example of a current flowing through the choke coil having the IL characteristic shown in FIG.
FIG. 11 is a perspective view showing an example of the configuration of an E-shaped core according to a third embodiment.
12 is a diagram showing an example of an IL characteristic of a choke coil using the E-type core shown in FIG.
FIG. 13 is a waveform chart showing an example of a current flowing through the choke coil having the IL characteristic shown in FIG.
FIG. 14 is a perspective view showing an example of the configuration of a fourth embodiment of the E-shaped core.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of an IL characteristic of a choke coil using the E-type core illustrated in FIG. 14;
16 is a waveform chart showing an example of a current flowing through the choke coil having the IL characteristic shown in FIG.
FIG. 17 is a perspective view showing an example of the configuration of a fifth embodiment of the E-shaped core.
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of an IL characteristic of a choke coil using the E-shaped core illustrated in FIG. 17;
19 is a waveform chart showing an example of a current flowing through the choke coil having the IL characteristic shown in FIG.
FIG. 20 is a perspective view showing an example of the configuration of a core of a conventional choke coil having a fixed inductance.
FIG. 21 is a diagram showing an example of an IL characteristic of a choke coil using the core shown in FIG. 20;
FIG. 22 is a waveform chart showing an example of a current flowing through the choke coil having the IL characteristic shown in FIG.
FIG. 23 is a circuit diagram showing an example of a configuration of a conventional multi-output switching power supply device.
[Explanation of symbols]
1: AC power supply 2: Primary rectification smoothing circuit
3: DC-DC converter (multi-output switching power supply)
5: Switching control circuit 6: Transformer
7: Cooperative choke coil
11 to 15: E type core (magnetic core)
21 to 23: secondary rectifying and smoothing circuit
C21 to C23: Capacitor
CH1 to CH3: Choke coil
N1: primary winding N21 to N23: secondary winding
Q: Transistor (switching element)

Claims (7)

1次直流電力をトランスの1次巻線とスイッチング素子との直列回路に入力し、前記スイッチング素子をスイッチングすることにより前記トランスの複数の2次巻線に誘起される2次交流電力を、それぞれチョークコイルを備えた複数の2次整流平滑回路により互いに出力電圧が異なる2次直流電力に変換して出力する多出力スイッチング電源装置において、
前記複数の2次整流平滑回路の各チョークコイルは、互いに磁心を共有すると共に、負荷電流が小さい時にはそのインダクタンスが大きく、負荷電流が大きい時にはインダクタンスが小さくなる磁気特性を有し、前記複数の2次整流平滑回路の各ダミー抵抗に流れるダミー電流の合計値は一定にして、出力電圧が低い2次整流平滑回路のダミー電流を大きく設定し、出力電圧が高い2次整流平滑回路のダミー電流を小さく抑えたことを特徴とする多出力スイッチング電源装置。
Primary DC power is input to a series circuit of a primary winding of a transformer and a switching element, and secondary AC power induced in a plurality of secondary windings of the transformer by switching the switching element is respectively converted into In a multi-output switching power supply device, a plurality of secondary rectifying / smoothing circuits having choke coils convert and output secondary DC power having different output voltages from each other .
Each choke coil of the plurality of secondary rectifying smoothing circuit is configured to share the magnetic core to each other, the inductance is large when the load current is small, have a magnetic property inductance becomes small when the load current is large, the plurality of 2 The total value of the dummy currents flowing through the respective dummy resistors of the secondary rectification / smoothing circuit is fixed, the dummy current of the secondary rectification / smoothing circuit having a low output voltage is set large, and the dummy current of the secondary rectification / smoothing circuit having a high output voltage is set. A multi-output switching power supply characterized by being kept small .
請求項1記載の多出力スイッチング電源装置において、前記各チョークコイルの共有する磁心が形成する磁気回路の一部にギャップを設けたことを特徴とする多出力スイッチング電源装置 Oite the multiple-output switching power supply device according to claim 1, multiple-output switching power source device, wherein the providing the gap portion of the magnetic circuit shared magnetic core is formed of the choke coil. 請求項1記載の多出力スイッチング電源装置において、前記各チョークコイルの共有する磁心を、その厚さ方向に互いに材質の異なる複数の磁心を重ねて構成したことを特徴とする多出力スイッチング電源装置 Oite the multiple-output switching power supply device according to claim 1, wherein the multiple output switching power supply the shared magnetic core of the choke coil, characterized by being formed by stacking a plurality of different cores of material to each other in the thickness direction thereof Equipment . 請求項3記載の多出力スイッチング電源装置において、前記チョークコイルの共有する磁心が形成する磁気回路の一部にギャップを設けたことを特徴とする多出力スイッチング電源装置In multiple-output switching power supply device according to claim 3, multiple-output switching power supply apparatus characterized by having a gap in a part of the magnetic circuit shared magnetic core of each choke coil is formed. 請求項2又は4記載の多出力スイッチング電源装置において、前記ギャップが前記磁気回路の断面の一部に段差を設けたものであることを特徴とする多出力スイッチング電源装置In multiple-output switching power supply device according to claim 2 or 4, wherein the multi-output switching power source device, wherein said gap is provided with a step on a part of the cross section of the magnetic circuit. 請求項2又は4記載の多出力スイッチング電源装置において、前記ギャップが前記磁気回路の断面の全部又はその一部を斜面に形成したものであることを特徴とする多出力スイッチング電源装置In multiple-output switching power supply device according to claim 2 or 4, wherein the multi-output switching power source device, wherein the gap is obtained by forming all or part of the cross section of the magnetic circuit on the slopes. 請求項2又は4記載の多出力スイッチング電源装置において、前記ギャップが前記磁気回路の断面の全部又はその一部を斜面及び段差で形成したものであることを特徴とする多出力スイッチング電源装置In multiple-output switching power supply device according to claim 2 or 4, wherein the multi-output switching power source device, wherein the gap is that the whole or part of the cross section of the magnetic circuit formed by the slope and the step.
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