JP2000245144A

JP2000245144A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2000245144A
Application number: JP11041472A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Otake; 徹志大竹
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2000-09-08
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: JP3490327B2

Abstract

(57)【要約】【課題】外部要因の変化に対して安定度が高い出力電
圧が複数得られるマルチ出力型のスイッチング電源装置
を得る。【解決手段】出力コンデンサＣ２と第２の出力端子３
との間に補助スイッチングトランジスタＱ２と、チョー
クコイルＬ２、転流ダイオードＤ２およびコンデンサ３
からなる平滑回路を接続する。補助スイッチングトラン
ジスタＱ２のベースは抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４の並列
回路を介してチョークコイルＬ１の一端に接続し、、主
スイッチングトランジスタＱ１との動作関係を「オン−
オン」とする。また、補助スイッチングトランジスタＱ
２のベースに第１制御トランジスタＱ３と第２制御トラ
ンジスタＱ４を含むトランジスタ回路を接続し、第２の
出力電圧Ｖ_Ｏ２の安定化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の出力電圧を
得るためのスイッチング電源装置において、主スイッチ
ング素子を含む制御系のフィードバック制御動作によっ
て電圧の安定化が直接には行われない出力電圧を安定化
させるための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器はその内部に数多くの機
能回路や装置を備え、これら機能回路や装置に供給すべ
き駆動電圧が２以上の種類（電圧値）となることは当然
のようになった。例えば、電圧値の異なる複数の電圧を
得るには、その電圧の必要数だけの電源回路を備えた電
源装置を使用することも考えられる。しかし、電源回路
の数が多くなるとコストは上昇し、形状も大きくなると
いった問題があることから、電子機器に内蔵する電源装
置には、一つの電源回路から電圧値の異なる複数の出力
電圧が得られるマルチ出力型のスイッチング電源装置が
要求されることが多い。このようなマルチ出力型のスイ
ッチング電源装置の一例として、従来においては図３に
示すような構成のスイッチング電源装置が存在した。

【０００３】図３に示す回路は、先ず、高電位側の入力
端子１とアースとの間にトランスＴ１の１次巻線Ｎ１と
主スイッチングトランジスタＱ１の主電流路を直列に接
続し、主スイッチングトランジスタＱ１のベースに制御
回路４を接続する。なお、アースは図３に示す回路の基
準電位点であり、低電位側の入力端子および低電位側の
各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。トランスＴ１の２次巻線Ｎ２の一端ａ
はダイオードＤ１を介して高電位側の第１の出力端子２
に接続し、その出力端子２とアースとの間にコンデンサ
Ｃ２を接続し、このダイオードＤ１と出力コンデンサＣ
２により電源装置の第１の出力回路５ｂを形成する。

【０００４】また、２次巻線Ｎ２のタップＣＴはダイオ
ードＤ３を介して高電位側の第２の出力端子３に接続
し、その出力端子３とアースとの間にコンデンサＣ５を
接続し、このダイオードＤ３とコンデンサＣ５により電
源装置の第２の出力回路６ｂを形成する。なお２次巻線
Ｎ２の他端ｂはアースに接続する。そして、入力端子１
とアースとの間にはフィルタ用のコンデンサＣ１を接続
し、出力端子２とアースとの間には出力電圧検出用の抵
抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路を接続し、抵抗Ｒ１とＲ２
の接続点に現れた電圧を制御回路４に入力する、といっ
た回路構成としている。

【０００５】このような構成とした図３の回路では、制
御回路４が出力する駆動信号に従ってスイッチングトラ
ンジスタＱ１がオン、オフ動作を繰り返し、これに伴っ
てトランスＴ１の２次巻線Ｎ２に交番電圧が発生する。
ここで、２次巻線Ｎ２の一端ａと他端ｂの間に現れた交
番電圧は第１の出力回路５ｂにおいて整流、平滑され、
これにより、第１の出力端子２の位置に第１の出力電圧
Ｖ_Ｏ１が出現する。また、２次巻線Ｎ２のタップＣＴと
他端ｂの間に現れた交番電圧は第２の出力回路６ｂにお
いて整流、平滑され、これにより、第２の出力端子３の
位置に第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２が出現する。

【０００６】ところで、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に現れ
る電圧信号は第１の出力端子２に出現した第１の出力電
圧Ｖ_Ｏ１の電圧値に応じた大きさとなる。何らかの理由
によって第１の出力電圧Ｖ_Ｏ１が所定の値から変動した
場合、制御回路４は抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に現れた電
圧信号に応じて駆動信号のパルス幅を変化させ、スイッ
チングトランジスタＱ１のオン、オフ期間の比率、すな
わちオンディーティを変化させる。スイッチングトラン
ジスタＱ１のオンデューティが変化すると１次巻線Ｎ１
を通過する電流の単位時間当たりの流量が変化し、トラ
ンスＴ１の１次側から２次側へ伝達されるエネルギー量
が変化する。すると第１の出力電圧Ｖ_Ｏ _１は、変化した
伝達エネルギー量に応じてその電圧値を元の所定の電圧
値に復元するような作用を受ける。

【０００７】以上のような出力電圧の大きさに基づくス
イッチング動作の制御、いわゆるフィードバック制御に
よって、図３に示す回路の第１の出力電圧Ｖ_Ｏ１は所定
の値に安定化される。なお、第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２につ
いては、第１の出力電圧Ｖ_Ｏ１の電圧値がほぼ一定の値
で安定していれば、外部要因、すなわち各出力端子にそ
れぞれ接続された外部負荷の状態や入力電圧Ｖ_ＩＮが変
化しない限り、その電圧値はほぼ一定の値で安定するこ
とになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図３に示す回路で、出
力端子２または３に接続された外部負荷の状態、あるい
は入力電圧Ｖ_ＩＮなどが変化した時、第１の出力電圧Ｖ
_Ｏ１は先のフィードバック制御動作によって安定化され
ているため、電圧値の変動はほとんど起こらない。しか
し第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２については、仮令、第１の出力
電圧Ｖ_Ｏ１の電圧値が安定していても、様々な外部要因
の変化によって電圧値が変動してしまう。これは、電源
回路を構成するトランスＴ１の各巻線間の磁気的結合が
完全（結合係数が１．０）ではないこと、各巻線に存在
する電気抵抗とそこを流れる電流によって電圧降下を生
じること等が原因と考えられている。

【０００９】そのため、図３に示す回路構成としたスイ
ッチング電源装置は、入力電圧Ｖ_Ｉ _Ｎや外部負荷の状態
が大きく変化するような場合、第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２の
電圧値に高い安定度は望めない、換言すると、フィード
バック制御が作用する第１の出力電圧Ｖ_Ｏ１の一つしか
安定度の高い電圧が得られないとの問題があった。そこ
で本発明は、外部要因の変化に対して安定度が高い出力
電圧が複数得られるスイッチング電源装置を得ることを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によるスイッチン
グ電源装置は、主スイッチング素子とインダクタンス部
品の巻線を直列に接続し、主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部品の所定の巻線端に
現れた電圧より出力電圧を得るスイッチング電源装置に
おいて、その一端が整流素子を介してインダクタンス部
品の所定の巻線端に接続された出力コンデンサと、出力
コンデンサの一端と出力端子との間に平滑回路と共に接
続され、その制御端子にはインダクタンス部品の所定の
巻線位置に現れた電圧による同期駆動信号が供給され、
かつ、主スイッチング素子がオン状態の時にオン状態と
なる期間が存在し、主スイッチング素子がオフ状態の時
にはオフ状態となる補助スイッチング素子とを具備する
ことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】主スイッチング素子、インダクタ
ンス部品、ダイオードおよび出力コンデンサを相互に接
続して電源回路を構成し、さらに電源回路に制御回路等
を組み込み、出力コンデンサの端子間電圧を安定化する
ためのにフィードバック制御系を形成しておく。この出
力コンデンサと電源装置の出力端子との間に補助スイッ
チング素子と平滑回路を接続する。補助スイッチング素
子の制御端子にはインダクタンス部品の所定の巻線位置
に発生した電圧による同期駆動信号を入力し、主スイッ
チング素子がオン状態の時には補助スイッチング素子も
オン状態となるようにする。また、補助スイッチング素
子の制御端子に出力電圧に応じて動作する制御トランジ
スタを接続し、もし出力電圧が所定値より大きい時には
制御トランジスタにより補助スイッチング素子をオフ状
態とする。

【００１２】

【実施例】外部要因の変化に対して安定度が高い出力電
圧が複数得られる、本発明の第１の実施例によるスイッ
チング電源装置の回路を図１に示した。図１に示す回路
は以下のような回路構成としている。入力端子１とアー
スとの間にチョークコイルＬ１と主スイッチングトラン
ジスタＱ１を直列に接続し、主スイッチングトランジス
タＱ１のベースに制御回路４を接続する。入力端子１と
アースとの間にはフィルタ用のコンデンサＣ１を接続す
る。チョークコイルＬ１の主スイッチングトランジスタ
Ｑ１側の一端をダイオードＤ１を介して出力コンデンサ
Ｃ２の一端に接続し、出力コンデンサＣ２の他端はアー
スに接続する。出力コンデンサＣ２の一端はさらに第１
の出力端子２に接続し、このダイオードＤ１と出力コン
デンサＣ２とにより第１の出力回路５ａを構成する。

【００１３】出力コンデンサＣ２の一端に補助スイッチ
ングトランジスタＱ２のエミッタを接続し、補助スイッ
チングトランジスタＱ２のコレクタをチョークコイルＬ
２を介して第２の出力端子３に接続する。チョークコイ
ルＬ２の両端にはそれぞれ他端がアースに接続された転
流ダイオードＤ２とコンデンサＣ３を接続し、平滑回路
を構成する。補助スイッチングトランジスタＱ２のベー
スは抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４の並列回路を介してチョ
ークコイルＬ１の主スイッチングトランジスタＱ１側の
一端に接続し、補助スイッチングトランジスタＱ２のベ
ース、エミッタ間に第１制御トランジスタＱ３の主電流
路を接続する。

【００１４】第１制御トランジスタＱ３のベース、エミ
ッタ間に抵抗Ｒ３を接続し、第１制御トランジスタＱ３
のベースを抵抗Ｒ４を介して第２制御トランジスタＱ４
のコレクタに接続する。第２制御トランジスタＱ４のエ
ミッタはアースに接続し、ベースは定電圧ダイオードＤ
Ｚ１を介して第２出力端子３に接続する。この補助スイ
ッチングトランジスタＱ２、第１、第２制御トランジス
タＱ３、Ｑ４、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、コンデンサＣ
３、Ｃ４、チョークコイルＬ２、転流ダイオードＤ２お
よび定電圧ダイオードＤＺ１により第２の出力回路６ａ
を構成する。そして、第１の出力端子２とアースとの間
に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２を直列に接続し、抵抗Ｒ１とＲ２
の接続点に現れた電圧信号を制御回路４に入力する。

【００１５】このような構成とした図１の回路の概略の
動作は以下のようになる。制御回路４から供給される信
号に従って主スイッチングトランジスタＱ１がオン、オ
フ動作をすると、チョークコイルＬ１の一端および主ス
イッチングトランジスタＱ１のコレクタには、図２の最
上段に示すような波形の電圧が現れる先ず、主スイッチ
ングトランジスタＱ１がオン状態になると、主スイッチ
ングトランジスタＱ１のコレクタ電圧Ｖ_Ｃ１はほぼ零と
なり、入力端子１からチョークコイルＬ１に電流が流入
する。この間、チョークコイルＬ１にはエネルギーが蓄
積される。

【００１６】次に、主スイッチングトランジスタＱ１が
オフ状態に転換すると、チョークコイルＬ１にはフライ
バック電圧が発生し、入力電圧Ｖ_ＩＮとフライバック電
圧の合成電圧が主スイッチングトランジスタＱ１のコレ
クタに現れる。この合成電圧はダイオードＤ１を介して
出力コンデンサＣ２に供給され、出力コンデンサＣ２が
充電される。この時に出力コンデンサＣ２の端子間に現
れた電圧が、第１の出力電圧Ｖ_Ｏ１として第１の出力端
子２より外部の負荷に供給されることになる。なお、定
常運転状態において第１の出力電圧Ｖ_Ｏ１は、その電圧
値に応じて主スイッチングトランジスタＱ１のオン期間
を変化させるといった制御動作を成す、抵抗Ｒ１、Ｒ２
と制御回路４、そして主スイッチングトランジスタＱ１
によって構成されるフィードバック制御系により安定化
される。

【００１７】一方、主スイッチングトランジスタＱ１が
オン状態となると、主スイッチングトランジスタＱ１の
コレクタ電圧Ｖ_Ｃ１の低下に伴って補助スイッチングト
ランジスタＱ２のベースから抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４
の並列回路を介して電流が流れ出す。すると補助スイッ
チングトランジスタＱ２は順方向バイアスを受け、オン
状態となる。補助スイッチングトランジスタＱ２がオン
状態となるとそのコレクタには、図２の３段目に示すよ
うに、ほぼ第１の出力電圧Ｖ_Ｏ１に等しい大きさの電圧
が現れる。補助スイッチングトランジスタＱ２がオン状
態の間、チョークコイルＬ２とコンデンサＣ３には出力
コンデンサＣ２から補助スイッチングトランジスタＱ２
を介してエネルギーが供給される。これにより第２の出
力端子３に第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２が現れ、補助スイッチ
ングトランジスタＱ２がオン状態の間、その電圧値は上
昇していく。

【００１８】図１に示す回路が起動直後であって第２の
出力電圧Ｖ_Ｏ２が低い時、補助スイッチングトランジス
タＱ２は主スイッチングトランジスタＱ１がオン状態に
ある間、オン状態を維持する。やがて、主スイッチング
トランジスタＱ１がオフ状態となると、主スイッチング
トランジスタＱ１のコレクタには入力電圧Ｖ_ＩＮとフラ
イバック電圧の合成電圧が出現する。すると、補助スイ
ッチングトランジスタＱ２は、そのエミッタにはダイオ
ードＤ１を介して、そのベースには抵抗Ｒ５とコンデン
サＣ４の並列回路を介して、それぞれ同じ合成電圧の供
給を受ける。その結果、補助スイッチングトランジスタ
Ｑ２のベース、エミッタ間には順方向バイアスが供給さ
れず、補助スイッチングトランジスタＱ２はオフ状態へ
移行する。なおこの時、ダイオードＤ１は、その順方向
降下電圧によって補助スイッチングトランジスタＱ２に
逆バイアスを供給し、補助スイッチングトランジスタＱ
２のターンオフ速度を向上させる役目を担う。

【００１９】そして、図１に示す回路が既に定常運転状
態にある場合には、第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２の電圧値が定
電圧ダイオードＤＺ１のツェナー電圧よりも僅かに高く
なると、第２制御トランジスタＱ４がオン状態となり、
これに伴って第１制御トランジスタＱ３もオン状態とな
る。第１制御トランジスタＱ３がオン状態となると補助
スイッチングトランジスタＱ２のベース、エミッタ間が
短絡され、補助スイッチングトランジスタＱ２はオフ状
態へ移行する。補助スイッチングトランジスタＱ２がオ
フ状態となるとチョークコイルＬ２とコンデンサＣ３へ
のエネルギー供給が途絶え、チョークコイルＬ２および
コンデンサＣ３にそれまでに蓄積されたエネルギーによ
って第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２の出力が維持される。この
後、第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２は第２の出力端子３に接続さ
れた負荷でのエネルギー消費により徐々に減少してい
く。

【００２０】やがて第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２が定電圧ダイ
オードＤＺ１のツェナー電圧よりも僅かに低くなると、
第２制御トランジスタＱ４および第１制御トランジスタ
Ｑ３はオフ状態となり、補助スイッチングトランジスタ
Ｑ２のベース、エミッタ間の短絡状態が解除される。こ
こで、既に主スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態
であると、主スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ
には入力電圧Ｖ_ＩＮとフライバック電圧の合成電圧が現
れていることになる。すると、補助スイッチングトラン
ジスタＱ２は順方向バイアスが供給されず、オフ状態を
維持する。補助スイッチングトランジスタＱ２がオフ状
態の間、第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２は低下し続ける。しかし
実質的には、第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２が定電圧ダイオード
ＤＺ１のツェナー電圧よりも僅かに低くなった後、すぐ
に主スイッチングトランジスタＱ１はオン状態となる。
すると補助スイッチングトランジスタＱ２もオン状態と
なって第２の出力電圧Ｖ_Ｏ２は再び増加していく。この
様子は図２の各電圧波形に示す通りである。

【００２１】以上のような動作が行われることにより、
仮令、負荷状態や入力電圧Ｖ_ＩＮが変化しても、第２の
出力電圧Ｖ_Ｏ２は、ほぼ定電圧ダイオードＺＤ１のツェ
ナー電圧で定められる電圧値付近に安定化される。そし
て、図１に示す回路によりスイッチング電源装置を構成
すれば、スイッチング動作に伴う多少のリップルは現れ
るものの、外部の負荷の状態や入力電圧Ｖ_ＩＮなどの外
部要因の変化に対して安定度の高い出力電圧が複数（２
つ）得られることになる。

【００２２】本発明のスイッチング電源装置は、主スイ
ッチングトランジスタＱ１と補助スイッチングトランジ
スタＱ２の動作タイミングを「オン-オン」にしたこと
を特徴の一つとしてる。これはすなわち、図１に示すよ
うな昇圧型のスイッチング電源装置では主スイッチング
素子のオン期間がオフ期間よりも長く、その入力電圧と
フィードバック制御の対象の出力電圧の値が離れている
ほどオフ期間が短時間となる。本発明と同様な技術に、
同期整流素子のオン期間を調節し、出力電圧の安定化を
図るというものがあるが、同期整流素子の動作タイミン
グは、主スイッチング素子の動作タイミングとは「オン
-オフ」の関係となる。

【００２３】すると同期整流素子を使用した技術では、
スイッチング電源装置が昇圧型の場合、スイッチング素
子のオフ期間が短いことから同期整流素子のオン状態と
なり得る時間が短くなる。そのため、特に入力電圧と出
力電圧の電圧差が大きいような場合には、予定した出力
電圧が得られないという事態が起きてしまう。しかし本
発明のような「オン-オン」であれば、スイッチング電
源装置が昇圧型である場合では、むしろ補助スイッチン
グトランジスタのオン期間となり得る時間を長くでき、
予定した電圧が容易に得られるのである。

【００２４】なお、図１に示す本発明の実施例では、第
１と第２の２つの出力電圧を得るための電源装置に本発
明を適用したものであるが、３以上の出力電圧を得る構
成の電源装置に本発明を適用しても構わない。また、実
施例の回路では、チョークコイルＬ１と主スイッチング
トランジスタＱ１と第１の出力回路５ａが昇圧チョッパ
コンバータの回路構成となっているが、図３のようにト
ランスを使用した構成としても構わない。さらに実施例
では、本発明を昇圧型のスイッチング電源装置に適用し
たものを例示しているが、昇降圧型のスイッチング電源
装置に本発明を適用しても良く、また補助スイッチング
素子を含む第２の出力回路の回路部分を降圧チョッパ回
路の構成ではなく、極性反転の回路の構成としても構わ
ない。

【００２５】

【発明の効果】本発明によるスイッチング電源装置は、
主スイッチング素子を含むフィードバック制御系の制御
動作によってその端子間電圧が安定化される出力コンデ
ンサに対し、補助スイッチング素子と平滑回路を接続す
る。そして、出力コンデンサを電圧供給源としながら、
補助スイッチング素子をスイッチング素子がオン状態の
時にオン状態となるようにして駆動し、出力電圧を得る
ことを特徴としている。このような本発明によれば、外
部の負荷の状態や入力電圧Ｖ_ＩＮなどの外部要因の変化
に対して安定度の高い出力電圧が複数得られる、マルチ
出力型のスイッチング電源装置を構成することができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるスイッチング電源装置
の回路図。

【図２】図１に示す回路の各部の電圧波形と、２つの
スイッチング素子の動作タイミングを示す図。

【図３】従来のマルチ出力型のスイッチング電源装置
の一例の回路図。

【符号の説明】

１：入力端子２：第１の出力端子３：第２
の出力端子４：制御回路５ａ、５ｂ：第１
の出力回路６ａ、６ｂ：第２の出力回路Ｃ２：出力コンデンサＣ３：コンデンサＤ
１：ダイオードＤ２：転流ダイオードＤＺ１：定電圧ダイオード
Ｌ１、Ｌ２：チョークコイルＱ１：主スイ
ッチングトランジスタ（主スイッチング素子）Ｑ２：補助スイッチングトランジスタ（補助スイッチン
グ素子）Ｑ３、Ｑ４：制御トランジスタＶ
_ＩＮ：入力電圧Ｖ_Ｏ１：第１の出力電圧Ｖ
_Ｏ２：第２の出力電圧

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主スイッチング素子とインダクタンス部
品の巻線を直列に接続し、該主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部品の所定の巻
線端に現れた電圧より出力電圧を得るスイッチング電源
装置において、その一端が整流素子を介して該インダクタンス部品の所
定の巻線端に接続された出力コンデンサと、該出力コンデンサの一端と出力端子との間に平滑回路と
共に接続され、その制御端子には該インダクタンス部品
の所定の巻線位置に現れた電圧による同期駆動信号が供
給され、かつ、該主スイッチング素子がオン状態の時に
オン状態となる期間が存在し、該主スイッチング素子が
オフ状態の時にはオフ状態となる補助スイッチング素子
と、を具備することを特徴とするスイッチング電源装
置。
【請求項２】その主電流路が前記補助スイッチング素
子の制御端子に接続され、前記出力端子に現れた出力電
圧に応じて動作し、該出力電圧が所定の電圧値よりも高
いときには該補助スイッチング素子をオフ状態に移行さ
せる制御トランジスタを具備することを特徴とする、請
求項１に記載したスイッチング電源装置。
【請求項３】前記出力コンデンサの両端に現れた電圧
は、前記主スイッチング素子を含む制御系のフィードバ
ック制御動作により安定化され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装
置。
【請求項４】前記出力コンデンサの両端に現れた電圧
を第１の出力電圧とし、前記出力端子に現れた電圧を第
２の出力電圧とするマルチ出力型である事を特徴とす
る、請求項１から請求項３のいずれかに記載したスイッ
チング電源装置。
【請求項５】供給される入力電圧が前記第１の出力電
圧より低く、電源装置が昇圧型であることを特徴とす
る、請求項４に記載したスイッチング電源装置。