JP2001197741A - スイッチング電源装置 - Google Patents
スイッチング電源装置Info
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Abstract
失の改善を図るスイッチング電源装置を提供する。 【解決手段】 トランスの1次巻線に主スイッチング素
子であるFETQ1が直列接続され、帰還巻線NBに制
御回路5が接続され、2次巻線N2は2つの出力端を有
し、一方の出力端は整流回路を介して電圧検出回路4が
接続され、電圧出力端OUT2に低電圧が導かれ、他方
の出力端は整流回路を介して高電圧が電圧出力端OUT
2に導かれる。2つの電圧出力端子OUT1とOUT2
との間にはスイッチSWが接続される。このスイッチを
オンすることによって、FETQ1のオフ期間の帰還巻
線NBに発生する電圧を低下させ、FETQ1の制御端
子に印加される電圧をしきい値電圧以下に制御する。
Description
装置に関し、特に、自励型リンギング・チョーク・コン
バータ(以下、RCCと称する)方式のスイッチング電
源装置に関する。
どの電子機器は安定して直流電圧を必要とする。このよ
うな電子機器に対して、商用交流電源から安定した直流
電圧を供給するために、構成が比較的簡単で効率の高い
RCC方式のスイッチング電源装置が広く用いられてい
る。
ッチング電源装置の回路図である。図7において、スイ
ッチング電源装置1は入力回路2と主動作回路3と電圧
検出回路4と電圧出力端子OUTおよびグランド端子G
NDを備えている。このうち、入力回路2は整流用のダ
イオードブリッジDBと、AC電源とダイオードブリッ
ジDBの入力端との間に設けられたヒューズFおよびフ
ィルタ回路LFとからなる。
オードブリッジDBの出力端a,b間に設けられた平滑
用のコンデンサC1と、1次巻線N1,1次巻線N1と
は逆極性の2次巻線N2および1次巻線N1と同極性の
帰還巻線NBを有するトランスTと、トランスTの1次
巻線N1の一端に直列に接続されたスイッチング素子と
してのFETQ1と、1次巻線N1の他端とFETQ1
の制御端子であるゲートとの間に接続された起動用の抵
抗R1と、FETQ1のゲート−ソース間に接続された
抵抗R8と、トランスTの2次巻線N2の一端に直列に
接続された整流用のダイオードD1と、2次巻線N2の
一端と電圧出力端子OUT間に接続された平滑用のコン
デンサC4とからなる。
出力側に設けられており、抵抗R5と、フォトカプラP
Cの発光側の発光ダイオードPDと、シャントレギュレ
ータSrと、抵抗R6,R7とを備える。このうち、抵
抗R5と、発光ダイオードPDと、シャントレギュレー
タSrのアノード−カソード間は互いに直列に接続さ
れ、主動作回路3のコンデンサC4に対し、並列に設け
られている。また、抵抗R6とR7も互いに直列に接続
され、同じくコンデンサC4に対し、並列に設けられて
いる。そして、抵抗R6とR7の接続点はシャントレギ
ュレータSrの電圧端子に接続されている。
とFETQ1のゲートとの間に直列に接続された抵抗R
9およびコンデンサC3と、FETQ1のゲート−ソー
ス間に接続されたトランジスタQ2と、帰還巻線NBの
一端とトランジスタQ2のベースとの間に接続された抵
抗R2と、トランジスタQ2のベース−エミッタ間に並
列に接続された抵抗R3およびコンデンサC2,帰還巻
線NBの一端とトランジスタQ2のベースとの間に直列
に接続された抵抗R4,ダイオードD2およびフォトカ
プラPCの受光側のフォトトランジスタPTからなる。
電源装置1の動作について説明する。まず、起動時にお
いては、抵抗R1を介してFETQ1のゲートに電圧が
印加されてFETQ1がターンオンする。FETQ1が
ターンオンすると、トランスTの1次巻線N1に電源電
圧が印加され、帰還巻線NBに、1次巻線N1に発生す
る電圧と同じ方向の電圧が発生し、FETQ1は正帰還
により急速にオンする。このとき、1次巻線N1には励
磁エネルギーが蓄積される。
が充電されてトランジスタQ2のベース電位がしきい値
に達すると、トランジスタQ2がオンし、FETQ1が
ターンオフする。これにより、FETQ1のオン期間内
にトランスTの1次巻線N1に蓄積されていた励磁エネ
ルギーは、2次巻線N2を介して電気エネルギーとして
放出され、ダイオードD1で整流され、コンデンサC4
で平滑され、電圧出力端子OUTを介して負荷に供給さ
れる。
れた励磁エネルギーが、2次巻線N2を介してすべて放
出されると、帰還巻線NBにフライバック電圧VNBが
発生する。このフライバック電圧VNBの変化を図8を
参照して説明する。図8において、t11の時点でFE
TQ1がターンオフし、フライバック電圧VNBがほぼ
一定の値に保たれ、いわゆるオフ期間に入る。そして、
t12の時点でダイオードD1の電圧が0となり、フラ
イバック電圧VNBが共振し始め、t13の時点でフラ
イバック電圧VNBが上昇し、FETQ1のゲート電圧
がしきい値Vthに達すると、FETQ1がターンオン
する。なお、フライバック電圧VNBの鎖線部分は、F
ETQ1のターンオン後も、フライバック電圧VNBが
共振し続けるものと仮定した場合の変化を示す。このよ
うにして、FETQ1がターンオフすると、再びトラン
スTの1次巻線N1に電圧が印加され、励磁エネルギー
が蓄積される。
ような発振動作が繰返される。ここで、定常状態におい
ては、負荷側の出力電圧は抵抗R6とR7で分圧され、
この分圧された検出電圧とシャントレギュレータSrの
基準電圧とが比較される。そして、出力電圧の変動量が
シャントレギュレータSrで増幅され、フォトカプラP
Cの発光ダイオードPDに流れる電流が変化し、発光ダ
イオードPDの発光量に応じて、フォトトランジスタP
Tのインピーダンスが変化する。これにより、コンデン
サC2の充放電時間を変化させることができ、出力電圧
が一定となるように制御される。
イッチング電源装置1は、軽負荷時に発振周波数が上昇
し、スイッチング損失が大きく回路効率が低下する要因
となっていた。この課題を解決するために、スイッチン
グ電源装置1の出力側に出力電圧を降下させる回路を設
け、出力側のインピーダンスを変化させて出力電圧Vo
を降下させる方法が考えられる。
生する電圧VNBが出力電圧Voに比例して降下するこ
とを利用し、出力電圧Voが降下する度合を調整し、電
圧VNBを低下させることにより、FETQ1のゲート
電圧をしきい値に達しない範囲で共振させてFETQ1
のターンオンを遅らせ、FETQ1のオフ期間を延長さ
せて、発振周波数を低くし、スイッチング損失が低減す
る。
ング電源装置は、軽負荷時には出力電流が小さいため周
波数が上昇するという特徴があり、上述のごとく出力電
圧を降下させる回路を設けると、すべての出力電圧が低
下してしまうため、定電圧出力が必要とされる場合に
は、後段に定電圧制御回路が必要であるという問題点が
あった。
イッチング損失の増大を抑制し、かつ定電圧出力を得る
ことが可能なスイッチング電源装置を提供することであ
る。
直流電源と、1次巻線,少なくとも2つの2次巻線およ
び帰還巻線を有するトランスと、1次巻線に直列に接続
されて帰還巻線に発生する電圧によりターンオンする主
スイッチング素子と、2次巻線に接続された整流回路と
を備え、2つ以上の直流出力が得られるスイッチング電
源装置において、電源起動時に主スイッチング素子のタ
ーンオンを行なう起動回路と、2次側の2つの出力の間
に設けられるスイッチ手段とを含み、スイッチ手段をオ
ンすることによって、主スイッチング素子のオフ期間に
帰還巻線に発生する電圧を低下させ、主スイッチング素
子の制御端子に印加される電圧をしきい値電圧以下に制
御し、起動回路によってスイッチング素子をターンオン
することを特徴とする。
の構成に加えて、2次側の少なくとも2つの出力は制御
出力である低電圧出力と、非制御出力である高電圧出力
とを含み、スイッチ手段は低電圧出力と非制御出力との
間に接続されることを特徴とする。
の構成に加えて、2次側の少なくとも2つの出力は、制
御出力である高電圧出力と、非制御出力である低電圧出
力とを含み、スイッチ手段は高電圧出力と低電圧出力と
の間に接続されることを特徴とする。
の構成に加えて、2次側の出力として1つの出力を有
し、その出力と異なる2次巻線に接続した整流素子とス
イッチ手段を介して直流出力に接続することを特徴とす
る。
のいずれかの発明の構成に加えて、スイッチ手段は外部
からの信号によってオン/オフされることを特徴とす
る。
のいずれかの発明の構成に加えて、スイッチ手段は負荷
電力が低下したことを検知してオンすることを特徴とす
る。
ッチング素子は電圧制御端子を有することを特徴とす
る。
ッチング素子は電流制御端子を有することを特徴とす
る。
イッチング電源装置の回路図である。図1において、ト
ランスTの2次巻線N2として2つの出力端が設けられ
る。一方の出力端は電圧検出回路4と制御回路5の制御
によりたとえばロジック回路用として5Vの低電圧を出
力し、他方の出力端からはトランスTの巻数比に応じた
電圧が出力され、たとえばモータ駆動用として24Vの
非制御の高電圧を出力する。これらの出力端の間にはス
イッチSWが接続される。
様にして、整流用のダイオードD1のアノードが接続さ
れ、高電圧出力端には整流用のダイオードD3のアノー
ドが接続される。ダイオードD1のカソードは検出回路
4を介して電圧出力端子OUT1に接続されるととも
に、スイッチSWの一方端に接続される。ダイオードD
3のカソードは平滑用のコンデンサC5の一端と電圧出
力端子OUT2に接続されるとともに、スイッチSWの
他方端に接続される。平滑用のコンデンサC5の他端は
接地される。その他の構成は図5と同じである。
の動作について説明する。スイッチSWがオフのとき
は、前述の図5と同じ動作を行なう。スイッチSWをオ
ンすると、2次巻線T2の高電圧出力端と低電圧出力端
が短絡されるとともに、5V出力となる。この場合、高
電圧出力は5/24倍に低下する。したがって、帰還巻
線NBの電圧も同じ比率で低下し、FETQ1の帰還巻
線NBからのターンオンを防ぐことができる。
ング電源装置の回路図である。図1に示した実施形態で
は、低電圧出力を電圧検出回路4と制御回路5とによっ
て制御し、高電圧出力を非制御出力としたが、図2に示
した実施形態は高電圧出力を制御出力とし、低電圧出力
を非制御出力とするものである。
電圧検出回路4と制御回路5の制御により、たとえば2
4Vの高電圧が電圧出力端子OUT1に出力され、2次
巻線N2の他方の出力端からたとえば5Vの低電圧が出
力され、ダイオードD3で整流され、コンデンサC5で
平滑されて電圧出力端子OUT2に出力される。
圧出力端子OUT1とOUT2との間にはスイッチSW
1が接続される。また、電圧出力端子OUT2と抵抗R
6およびR7の接続点との間には抵抗R10とスイッチ
SW2との直列回路が接続される。
1,SW2がオフのときの動作は図5とほぼ同じであ
り、電圧出力端子OUT1から制御出力としてたとえば
24Vの電圧が出力され、電圧出力端子OUT2から非
制御出力としてたとえば5Vの電圧が出力される。
チSW2を閉じると電圧出力端子OUT1とOUT2が
短絡され、かつシャントレギュレータSrに5Vの低電
圧が抵抗R10とR7で分圧して与えられるため、検出
回路4と制御回路5は電圧出力端子OUT1とOUT2
から出力する電圧を低電圧に強制し、5Vの電圧を出力
するように制御する。この場合、高電圧出力は5/24
倍に低下する。したがって、帰還巻線の電圧も同じ比で
低下し、FETQ1の帰還巻線からのターンオンを防ぐ
ことができる。
圧VNBの変化を示す波形図である。図3において、t
1の時点でFETQ1がターンオフし、フライバック電
圧VNBはサージ発生の後、ほぼ一定の値に保たれ、い
わゆるオフ期間に入る。ここで、オフ期間におけるフラ
イバック電圧VNBの絶対値は、次の第(1)式により
表わされる。第(1)式において、NBはトランスTの
帰還巻線NBの巻数を示し、N2は2次巻線の巻数を示
し、VFは主動作回路3の整流用のダイオードD1の順
方向電圧を示す。
出力電圧VO1が小さくなることにより、フライバック
電圧VNBの絶対値が小さくなる。すなわち、図3にV
aで示すスイッチング電源装置のフライバック電圧VN
Bの絶対値は、図8のVbで示す従来のスイッチング電
源装置のフライバック電圧VNBの絶対値より小さい。
そして、t2の時点で、フライバック電圧VNBは共振
し始める。このときの電圧はVNB=Va・e-Atsin
(ωt+Β)で示されるように、t2の時点まで比較的
低い値に維持されているため、振幅が小さくVgsの最
大値もFETQ1のしきい値Vthよりも低い値とな
り、フライバック電圧VNBによるFETQ1のターン
オンが阻止されることになる。
成するFETQ1の起動回路(この実施の形態において
は起動抵抗R1)により、FETQ1のゲートに電圧が
印加され、FETQ1がターンオンする。
延し、FETQ1のオフ期間が延長されるため、発振周
波数が低下する。したがって、発振周波数の上昇による
スイッチング損失の増大が抑制され、回路効率が向上す
る。
すスイッチング電源装置の回路図である。この実施形態
は、図1に示した実施形態の電圧出力端子OUT2とコ
ンデンサC5を省略し、電圧出力端子OUT1からのみ
電圧を取出すようにしたものであり、出力される電圧は
単出力とする。この場合、スイッチSWをオンすること
によって帰還巻線NBからのターンオンを防ぐ。
すスイッチング電源装置の回路図であり、図2に示した
スイッチSW1に代えてトランジスタQ3を接続し、ス
イッチSW2に代えてトランジスタQ4を接続したもの
である。すなわち、電圧出力端子OUT1とOUT2と
の間にはトランジスタQ3のコレクタとエミッタが接続
され、抵抗R6およびR7の接続点と電圧出力端子OU
T2との間にはトランジスタQ4のコレクタとエミッタ
が接続される。そして、リモート端子に外部から制御信
号が与えられ、この制御信号が抵抗R10を介してトラ
ンジスタQ4のベースに与えられるとともに、抵抗R1
1を介してトランジスタQ3のベースに与えられる。
れると、トランジスタQ3とQ4が導通し、電圧出力端
子OUT1とOUT2が短絡されるとともに、電圧出力
端子OUT1から出力される電圧が低下する。それによ
って、スイッチング周波数を低下させることにより損失
の改善を図ることができる。
3に示した実施形態にも適用できる。
図である。図6において、負荷電力検出回路6は図5の
電圧出力端子OUT1から負荷に電流を供給したとき、
負荷が軽負荷であるかあるいは重負荷であるかに応じ
て、図5に示したリモート端子に制御信号を与えるもの
である。
み、電圧出力端子OUT1から出力されて抵抗R12に
入力される前の電圧を抵抗R13とR14とで分圧した
電圧V+が演算増幅器7の+入力端に与えられ、抵抗R
12から出力された電圧を抵抗R15とR16とで分圧
した電圧V−が演算増幅器7の−入力端に与えられる。
重負荷時にはV+>V−となって演算増幅器7は「H」
レベル信号を出力し、軽負荷時にはV−>V+となり、
演算増幅器7は「L」レベル信号を出力して、図5に示
したトランジスタQ3とQ4をオンにする。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
れば、トランスの2次巻線の2つの出力の間にスイッチ
手段を設け、スイッチ手段をオンすることによって主ス
イッチング素子のオフ期間の帰還巻線に発生する電圧を
低下させ、主スイッチング素子の制御端子に印加される
電圧をしきい値電圧以下に制御することにより、待機時
にはスイッチング周波数を低下させることができ、損失
の改善を図ることができる。
低電圧出力と非制御出力である高電圧出力との間にスイ
ッチ手段を接続することによって、低電圧出力の電圧精
度を向上できる。
高電圧出力と非制御出力である低電圧出力との間にスイ
ッチ手段を接続することによって、高電圧出力の電圧精
度を向上できる。
この出力とは異なる2次巻線に接続した整流素子および
スイッチ手段を介した直流出力にスイッチ手段で接続す
ることにより、単出力で部品点数を少なくできる。
によってスイッチ手段をオン/オフすることによって、
スイッチング周波数を外部から切換えることができ、切
換が容易となる。
したことを検知してスイッチ手段をオンすることによ
り、外部からの切換信号が必要なくなる。
子は電圧制御端子を有することにより、スイッチング素
子のゲート電圧をしきい値以下に保つ場合、電圧制御を
スイッチング素子では完全なオフ状態を持続するため、
オフ状態における損失をほとんど発生しない。
置の回路図である。
装置の回路図である。
波形図である。
グ電源装置の回路図である。
ッチング電源装置の回路図である。
回路図である。
る。
回路、4 電圧検出回路、5 制御回路、6 負荷電流
検出回路、7 演算増幅器、T トランス、N1 1次
巻線、N2 2次巻線、NB 帰還巻線、Q1 FE
T、Q2,Q3,Q4 トランジスタ、R1〜R11
抵抗、C1〜C5 コンデンサ、Sr シャントレギュ
レータ、PC フォトカプラ、PT フォトトランジス
タ、PDフォトダイオード。
Claims (8)
- 【請求項1】 直流電源と、1次巻線,少なくとも2つ
の2次巻線および帰還巻線を有するトランスと、前記1
次巻線に直列に接続され、前記帰還巻線に発生する電圧
によりターンオンする主スイッチング素子と、前記2次
巻線に接続された整流回路とを備え、2つ以上の直流出
力が得られるスイッチング電源装置において、 電源起動時に前記主スイッチング素子のターンオンを行
なう起動回路と、 2次側の2つの出力の間に設けられるスイッチ手段とを
含み、 前記スイッチ手段をオンすることによって、前記主スイ
ッチング素子のオフ期間に前記帰還巻線に発生する電圧
を低下させ、前記主スイッチング素子の制御端子に印加
される電圧をしきい値電圧以下に制御し、前記起動回路
によって前記主スイッチング素子をターンオンすること
を特徴とする、スイッチング電源装置。 - 【請求項2】 前記2次側の少なくとも2つの出力は、
制御出力である低電圧出力と、非制御出力である高電圧
出力とを含み、 前記スイッチ手段は前記低電圧出力と前記非制御出力と
の間に接続されることを特徴とする、請求項1に記載の
スイッチング電源装置。 - 【請求項3】 前記2次側の少なくとも2つの出力は、
制御出力である高電圧出力と、非制御出力である低電圧
出力とを含み、 前記スイッチ手段は前記高電圧出力と前記低電圧出力と
の間に接続されることを特徴とする、請求項1に記載の
スイッチング電源装置。 - 【請求項4】 前記2次側の出力として1つの出力を有
し、前記出力と異なる2次巻線に接続した整流素子およ
び前記スイッチ手段を介して前記直流出力に接続したこ
とを特徴とする、請求項1に記載のスイッチング電源装
置。 - 【請求項5】 前記スイッチ手段は外部からの信号によ
ってオン/オフされることを特徴とする、請求項1から
4のいずれかに記載のスイッチング電源装置。 - 【請求項6】 前記スイッチ手段は負荷電力が低下した
ことを検知してオンすることを特徴とする、請求項1か
ら4のいずれかに記載のスイッチング電源装置。 - 【請求項7】 前記スイッチング素子は電圧制御端子を
有することを特徴とする、請求項1に記載のスイッチン
グ電源装置。 - 【請求項8】 前記スイッチング素子は電流制御端子を
有することを特徴とする、請求項1に記載のスイッチン
グ電源装置。
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DE (1) | DE60112627T2 (ja) |
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