JP2000050622A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路を大型化せずに高い効率が得られるスイ
ッチング電源回路を提供する。 【解決手段】 入力端子１とアースの間にチョークコイ
ルＬ１とスイッチングトランジスタＱ１を直列に接続
し、スイッチングトランジスタＱ１に対して並列にカッ
プリングコンデンサＣ３とチョークコイルＬ２の直列回
路を接続し、カップリングコンデンサＣ３とチョークコ
イルＬ２の接続点と出力端子との間に整流ダイオードＤ
１を接続し、出力端子２とアースとの間に平滑コンデン
サＣ２を接続して電源回路を構成する。このような電源
回路において、チョークコイルＬ１の入力側の巻線端と
整流ダイオードＤ１のカソードとの間に容量性素子、す
なわちコンデンサＣ４を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電源回路の効率を
向上させるための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング方式の電源回路は、他の方
式、例えばシリーズ方式の電源回路に比べて高効率のも
のが得やすく、今日では様々な電子機器に搭載されてい
る。従来、このようなスイッチング電源の一例として、
図６に示すようなスイッチング電源回路が存在した。な
お図６において、１、２は高電位側の入力端子及び出力
端子を示している。低電位側の入力端子及び出力端子は
図示を省略してあるが、アースに接続されているものと
する。

【０００３】図６に示すスイッチング電源回路は、入力
端子１とアースとの間に第１のインダクタンス素子とし
てのチョークコイルＬ１とスイッチングトランジスタＱ
１を直列に接続し、スイッチングトランジスタＱ１のベ
ースを制御回路３のパルス出力端子ＰＯに接続する。チ
ョークコイルＬ１とスイッチングトランジスタＱ１の接
続点とアースとの間にカップリングコンデンサＣ３と第
２のインダクタンス素子としてのチョークコイルＬ２の
直列回路を接続し、カップリングコンデンサＣ３とチョ
ークコイルＬ２の接続点と出力端子２との間に整流ダイ
オードＤ１を接続する。出力端子２とアースとの間に平
滑コンデンサＣ２を接続し、さらに平滑コンデンサＣ２
と並列に抵抗Ｒ１とＲ２の直列回路を接続し、抵抗Ｒ１
とＲ２の接続点を制御回路３の電圧検出端子ＦＢに接続
する。そして、入力端子１とアースとの間にフィルタ用
のコンデンサＣ１を接続した回路構成となっている。

【０００４】以上のような構成としたスイッチング電源
回路では、スイッチングトランジスタＱ１が、抵抗Ｒ１
とＲ２の接続点で間接的に出力電圧を監視している制御
回路３が出力する信号に応じてスイッチング動作を行
う。先ず、スイッチングトランジスタＱ１がオン状態の
時、チョークコイルＬ１に電流が流れ、エネルギーが蓄
積される。この状態からスイッチングトランジスタＱ１
がオフ状態になると、チョークコイルＬ１にフライバッ
ク電圧が発生する。このフライバック電圧の形でのチョ
ークコイルＬ１の放出エネルギーはカップリングコンデ
ンサＣ３、整流ダイオードＤ１を介して平滑コンデンサ
Ｃ２に供給される。これにより平滑コンデンサＣ２は充
電され、その端子間に現れた電圧が出力電圧として出力
端子２から外部の負荷に供給される。

【０００５】そしてスイッチングトランジスタＱ１がオ
ン状態になると、チョークコイルＬ１に電流が流れると
同時に、フライバック電圧によるエネルギーの通過によ
って充電されたカップリングコンデンサＣ３が、スイッ
チングトランジスタＱ１、アース、チョークコイルＬ２
の経路で放電する。この時、カップリングコンデンサＣ
３の放電に伴って流れる電流によってチョークコイルＬ
２にエネルギーが蓄積される。このチョークコイルＬ２
に蓄積されたエネルギーは、次回にスイッチングトラン
ジスタＱ１がオフ状態となった時に、チョークコイルＬ
１に発生したフライバック電圧によるエネルギーと共に
平滑コンデンサＣ２に供給される。

【０００６】このように図６に示す回路は、スイッチン
グトランジスタＱ１がオン状態の時には、チョークコイ
ルＬ１はエネルギー蓄積、カップリングコンデンサＣ３
は放電、チョークコイルＬ２はエネルギー蓄積、を行
う。そしてスイッチングトランジスタＱ１がオフ状態の
時には、チョークコイルＬ１はフライバック電圧の形で
エネルギー放出、カップリングコンデンサＣ３は充電、
チョークコイルＬ２はエネルギー放出、を行い、入力側
から出力側に電力を伝達する。なお、スイッチングトラ
ンジスタＱ１のオンデューティは制御回路３によって出
力電圧に応じた大きさに制御され、これにより入力側か
ら出力側への電力の伝達量が調整される。その結果、出
力電圧はほぼ一定に保たれ、図６の構成のスイッチング
電源回路は安定した出力電圧を得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年の電子機器の小型
化に伴い、電源回路にも小型化と同時に高効率化が要請
されている。図６に示す構成のスイッチング電源回路
は、例えばトランスを使用した場合よりも比較的容易に
小型化をすることができるが、高効率化に関しては未だ
改良の余地があった。そこで本発明は、回路を大型化せ
ずに高い効率が得られるスイッチング電源回路を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のスイッチング電
源回路は、インダクタンス素子とスイッチング素子を接
続し、スイッチング素子のオンオフ動作に伴ってインダ
クタンス素子に発生した電圧を整流素子により整流し、
出力電圧を得るスイッチング電源回路において、インダ
クタンス素子の入力側の一端と整流素子の出力側端子と
の間に容量性素子を接続したことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】具体的には、入力端子とアースの
間に第１のコイルとスイッチングトランジスタを直列に
接続し、スイッチングトランジスタに対して並列にカッ
プリングコンデンサと第２のコイルの直列回路を接続す
る。カップリングコンデンサと第２のコイルの接続点と
出力端子との間に整流ダイオードを接続し、出力端子と
アースとの間に平滑コンデンサを接続して電源回路を構
成する。このような電源回路において、その第１のコイ
ルの入力側の巻線端と整流ダイオードのカソードとの間
に容量性素子を接続する。ここで容量性素子には基本的
にコンデンサを使用するが、電源回路が昇圧型の場合に
は、第１のコイルの巻線端にアノードを、整流ダイオー
ドにカソードを接続する形でダイオードを使用しても良
い。

【００１０】

【実施例】回路を大型化せずに高い効率が得られる、本
発明によるスイッチング電源回路の第１の実施例の回路
を図１に示した。図１に示す回路は、インダクタンス素
子としての第１のチョークコイルＬ１の入力側の一端と
整流素子としての整流ダイオードＤ１の出力側端子、す
なわちカソードとの間に、容量性素子としてのコンデン
サＣ４を接続したことを特徴としている。このコンデン
サＣ４の存在以外は、図１と図６の回路は同一の構成と
なっている。このようにコンデンサＣ４を接続すること
により、図１に示すスイッチング電源回路の効率が向上
する。ただし、現時点ではコンデンサＣ４がどのように
作用して回路の効率が向上するのか、その理由は明確に
解明できていない。効率向上に伴って以下のような現象
が現れることだけが分かっている。

【００１１】図２は、コンデンサＣ４が無い図６に示す
回路（ａ）とコンデンサＣ４を接続した図１に示す回路
（ｂ）の、それぞれスイッチングトランジスタＱ１のコ
レクタに現れた電圧の波形を示している。スイッチング
トランジスタＱ１がターンオフしたとき、そのコレクタ
電圧には減衰振動する高周波ノイズが生じる。コンデン
サＣ４を接続すると、それを接続しないときに比べて高
周波ノイズの減衰速度が速くなり、同時にスイッチング
トランジスタＱ１のオフ期間が延長されるという現象を
生じる。この現象からすると、従来、高周波ノイズの発
生で浪費されていたエネルギーが電圧出力に寄与してい
るためと推測される。

【００１２】具体的に図１の回路において、チョークコ
イルＬ１およびＬ２にそれぞれ４７μＨのコイル部品を
使用し、平滑コンデンサＣ２に６８μＦ、カップリング
コンデンサＣ３に１μＦ、コンデンサＣ４に２２ｐＦの
コンデンサ部品をそれぞれ使用して回路を構成した。こ
の回路を入力電圧＝８．５Ｖ、出力電圧＝４３Ｖ、出力
電流＝５０ｍＡの仕様で動作させたとき、コンデンサＣ
４を接続しない場合に比べて約７％の効率向上が認めら
れた。この約７％という数字は、高周波ノイズのエネル
ギーを電圧出力に有効活用したというだけでは説明が付
かない大きさであり、他の何らかの要因が効率向上に関
与していると思われる。なお、コンデンサＣ４の容量が
不適当であると、逆に効率が低下する。

【００１３】図３には本発明によるスイッチング電源回
路の第２の実施例の回路を示した。図３に示す回路は、
図１の回路のコンデンサＣ４に代えてダイオードＤ２を
接続したものである。図３に示すようにダイオードＤ２
のアノードをチョークコイルＬ１の一端に接続し、ダイ
オードＤ２のカソードを整流ダイオードＤ１のカソード
に接続した構成で、入力電圧より出力電圧の方が高い場
合、ダイオードＤ２は逆バイアスを受け、そのＰＮ接合
部に空乏層を生じる。この状態でのダイオードＤ２は、
バリキャップダイオードの原理で知られているように、
等価的に容量素子として振る舞い、実質的に図１と同じ
回路構成となる。従って、使用する素子は異なるもの
の、図３に示す回路によっても図１の回路と同じ現象が
現れ、同じ効率向上の効果が得られる。

【００１４】図４および図５には、それぞれ本発明によ
るスイッチング電源回路の第３と第４の実施例の回路を
示した。この図４に示す回路は、実願昭５７−７６１５
５号において、本発明者が提案した高効率の電源回路に
本発明をさらに適用したものであり、以下のような回路
構成としている。入力端子１とアースの間にトランスＴ
の１次巻線Ｎ１とスイッチングトランジスタＱ１を直列
に接続し、スイッチングトランジスタＱ１のベースを制
御回路３のパルス出力端子ＰＯに接続する。トランスＴ
の２次巻線Ｎ２の一端はアースに接続し、他端は整流ダ
イオードＤ１を介して出力端子２に接続する。入力端子
１とアースとの間にフィルタ用のコンデンサＣ１を接続
する。

【００１５】出力端子２とアースとの間に平滑コンデン
サＣ２を接続し、さらに平滑コンデンサＣ２と並列に抵
抗Ｒ１とＲ２の直列回路を接続し、抵抗Ｒ１とＲ２の接
続点を制御回路３の電圧検出端子ＦＢに接続する。１次
巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の同極の巻線端、すなわち、１
次巻線Ｎ１のスイッチングトランジスタＱ１側の一端と
２次巻線Ｎ２の他端（整流ダイオードＤ１側の巻線端）
との間にコンデンサＣ３を接続する。そして、１次巻線
Ｎ１の入力側の一端と整流ダイオードＤ１のカソードの
間にコンデンサＣ４を接続した回路構成となっている。
この図４に示す回路は、コンデンサＣ３が１次巻線Ｎ１
に発生したスパイク電圧によるエネルギーを出力側に導
くことで高効率が得られているが、コンデンサＣ４を付
加することによりさらに高い効率が得られる。

【００１６】図５に示す回路は、昇圧チョッパコンバー
タの基本回路に本発明を適用したものである。すなわ
ち、入力端子１とアースとの間にチョークコイルＬ３と
スイッチングトランジスタＱ１を接続し、スイッチング
トランジスタＱ１のベースを制御回路３のパルス出力端
子ＰＯに接続する。チョークコイルＬ３と出力端子２と
の間に整流ダイオードＤ１を接続し、出力端子２とアー
スとの間に平滑コンデンサＣ２を接続する。平滑コンデ
ンサＣ２に対して並列に抵抗Ｒ１とＲ２の直列回路を接
続し、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点を制御回路３の電圧検出
端子ＦＢに接続する。そして、入力端子１とアースとの
間にフィルタ用のコンデンサＣ１を接続し、チョークコ
イルＬ３の入力側の一端と整流ダイオードＤ１のカソー
ドとの間にコンデンサＣ４を接続した回路構成となって
いる。

【００１７】基本的な昇圧チョッパコンバータの回路構
成の電源回路でも、例えば入力電圧と出力電圧の電圧差
が大きい仕様であって、チョークコイルＬ３に大型のコ
イル部品が使用されている時は特に、スイッチングトラ
ンジスタＱ１のターンオフに伴って図２に示すような高
周波ノイズが発生する。このような場合、図５に示すよ
うに適当な容量のコンデンサＣ４を接続すると、図１の
回路と同様に効率が向上する。なお、図４と図５に示す
それぞれの実施例の回路では、図１の回路のようにコイ
ルまたは巻線の一端とダイオードの出力端子との間にコ
ンデンサ（Ｃ４）を接続した回路構成としているが、図
３の回路のようにダイオード（Ｄ２）を接続する構成と
しても構わない。また、図５の回路はチョークコイル
（Ｌ３）ではなく、トランスを使用した回路でも構わな
い。

【００１８】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によるスイッ
チング電源は、インダクタンス素子の入力側の一端と整
流素子の出力側端子との間に容量性素子を接続する構成
を特徴としている。このような構成により、回路を大型
化することなくスイッチング電源回路の効率を向上させ
ることができるようになる。また付随的に、スイッチン
グ素子のターンオフ時の高周波ノイズの減衰が早まるこ
とから、スイッチング電源回路のノイズ放出量を低減さ
せることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるスイッチング電源回路の第１の
実施例の回路図。

【図２】 図１と図６のそれぞれに示された回路のスイ
ッチングトランジスタのコレクタに現れる電圧波形図。

【図３】 本発明によるスイッチング電源回路の第２の
実施例の回路図。

【図４】 本発明によるスイッチング電源回路の第３の
実施例の回路図。

【図５】 本発明によるスイッチング電源回路の第４の
実施例の回路図。

【図６】 従来のスイッチング電源回路の一例の回路
図。

【符号の説明】

１ 入力端子 ２ 出力端子 ３ 制御回路 Ｃ２ 平滑コンデンサ Ｃ３ カップリングコンデンサ Ｃ４ 容量性素子としてのコンデンサ Ｄ１ 整流ダイオード Ｄ２ 容量性素子としてのダイオード Ｌ１ 第１のインダクタンス素子としてのチョー
クコイル Ｌ２ 第２のインダクタンス素子としてのチョー
クコイル Ｎ１ 第１のインダクタンス素子としての１次巻
線 Ｎ２ 第２のインダクタンス素子としての２次巻
線 Ｑ１ スイッチングトランジスタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インダクタンス素子とスイッチング素子
   を接続し、該スイッチング素子のオンオフ動作に伴って
   該インダクタンス素子に発生した電圧を整流素子により
   整流し、出力電圧を得るスイッチング電源回路におい
   て、 該インダクタンス素子の入力側の一端と該整流素子の出
   力側端子との間に容量性素子を接続したことを特徴とす
   るスイッチング電源回路。
2. 【請求項２】 第１のインダクタンス素子とスイッチン
   グ素子を直列に接続し、該スイッチング素子に対してカ
   ップリングコンデンサと第２のインダクタンス素子の直
   列回路を並列に接続し、該カップリングコンデンサと該
   第２のインダクタンス素子の接続点から整流素子を介し
   て出力電圧を得るスイッチング電源回路において、 該第１のインダクタンス素子の入力側の一端と該整流素
   子の出力側端子との間に容量性素子を接続したことを特
   徴とするスイッチング電源回路。
3. 【請求項３】 前記スイッチング電源回路が入力電圧よ
   りも電圧値の高い出力電圧を得る昇圧型電源回路であ
   り、前記容量性素子がダイオードであることを特徴とす
   る、請求項１あるいは請求項２に記載したスイッチング
   電源回路。