JP2002315312A - 自励式スイッチングレギュレータ - Google Patents
自励式スイッチングレギュレータInfo
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Abstract
を行うことができ、かつ主回路トランジスタの損失を低
減することができる自励式スイッチングレギュレータを
提供する。 【解決手段】 DC/DC変換部11は、主回路トラン
ジスタQ1と、平滑用インダクタL1と、平滑用インダ
クタL1の入力端子に一方の端子が接続され、他方の端
子がグランド端子に接続されたフライホイールダイオー
ドD1と、主回路補助回路111とからなる。主回路補
助回路111は、平滑用インダクタL1の二次巻線を構
成する補助インダクタL2、および当該補助インダクタ
に直列接続されたコンデンサC1と抵抗R3からなる。
補助インダクタL2は、平滑用インダクタL1に流れる
電流が増加するときに、主回路トランジスタQ1のベー
ス端子側が負、DC入力端子側が正となるように巻回さ
れて構成されている。また、主回路駆動部12は、主回
路トランジスタQ1のベース電流が流れる向きにコンデ
ンサC1を充電する回路を備えている。
Description
イッチングレギュレータに関し、出力電圧にリップルが
なくても安定した動作を行うことができ、かつ主回路ト
ランジスタの損失を低減することができる自励式スイッ
チングレギュレータに関する。
として、図8に示す回路が知られている。図8におい
て、スイッチングレギュレータ9のDC入力端子a′,
グランド端子GND′間には、直列接続された抵抗
R1′とツェナーダイオードZD1′とが、DC入力端
子a′側にR1′が位置し、グランド端子GND′側に
ZD1′が位置するように接続されている。
トランジスタQ1′が、エミッタ端子Eがa′側に位置
するように接続され、エミッタ端子Eとベース端子B間
には抵抗R2′が接続され、コレクタ端子Cには帰還抵
抗R3′の一方の端子が接続されている。
との接続点には、抵抗R4′の一方の端子が接続され、
抵抗R4′の他方の端子には、抵抗R5′の一方の端子
および前記した帰還抵抗R3′の他方の端子が接続さ
れ、抵抗R5′の他方の端子はグランド端子GND′に
接続されている。
端子Cは主回路トランジスタQ1′のベース端子Bに接
続され、トランジスタQ2′のベース端子Bは抵抗
R3′,R4′,R5′の接続点に接続されている。N
PN形のトランジスタQ3′は、トランジスタQ2′と
もに比較回路を構成しており、トランジスタQ3′のコ
レクタ端子CはDC出力端子b′に接続されている。
述する出力電圧検出用の直列接続抵抗R7′,R8′間
に接続され、トランジスタQ2′およびQ3′の各エミ
ッタ端子Eは抵抗R6′の一方の端子に接続され、抵抗
R5′の他方の端子はグランドに接続されている。
Cは、平滑用のインダクタL1′の一方の端子に接続さ
れ、ンダクタL1′の他端はDC出力端子b′に接続さ
れている。
CとインダクタL1′との接続点には、フライホイール
ダイオードD1′の一方の端子が接続され、フライホー
ルダイオードD1′の他方の端子はグランド端子GN
D′に接続されている。
端子b′に接続されている。DC出力端子b′とグラン
ド端子GND′間には、抵抗R7′とR8′の直列接続
回路がR7′がDC出力端子b′に位置するように接続
されるとともに、平滑用のコンデンサC′が接続されて
いる。抵抗R7′とR8′は、シャント回路を構成して
おり、前述したように抵抗R7′とR8′との接続点d
がトランジスタQ2′のベース端子Bに接続されてい
る。
の動作を以下に説明する。
ランド端子GND′間に印加されると、抵抗R1′,R
4′を介して、トランジスタQ2′のベース端子Bに電
流が注入され、トランジスタQ2′がターンオンする。
このとき、R3′とR4′とR5′との接続点(ref
で示す)、すなわちトランジスタQ2′のベース端子B
には基準電圧が現われている。
主回路トランジスタQ1′のベース端子Bに電流が流
れ、主回路トランジスタQ1′はターンオンを開始す
る。主回路トランジスタQ1′のターンオンが開始する
と、接続点refの電位が上昇し抵抗R3′による正帰
還がなされ、主回路トランジスタQ1′のターンオンが
速やかに完了する。主回路トランジスタQ1′を流れる
電流は、インダクタL1′を介してDC出力端子b′側
に供給される。DC出力端子b′,グランド端子GN
D′間の電圧が上昇するとコンデンサC′が充電される
とともに、抵抗R7′とR8′との接続点dの電位が上
昇する。
点refの電位に等しくなると、トランジスタQ3′が
ターンオンするとともに、トランジスタQ2′がターン
オフする。トランジスタQ2′がターンオフすると、主
回路トランジスタQ1′もターンオフする。この後、イ
ンダクタL1′に蓄積されたエネルギーは、電流として
フライダイオードD1′→インダクタL1′の経由でD
C出力端子b′側に流れる。
GND′間の電位が低下すると、トランジスタQ3′が
ターンオフするとともに、トランジスタQ2′がターン
オンする。
1′のターンオン,ターンオフが繰り返される。
ギュレータ9ではトランジスタQ2′の安定したオン・
オフ(すなわち、急峻なトランジスタQ2′のオン・オ
フ)を行うためには、Q 3′のベース端子への急激な電
流注入が必要となる。この電流注入は、出力のリップル
電圧により行われる。したがって、図8のスイッチング
レギュレータでは、DC出力電圧Voutのリップルを
小さくすることが容易ではない。
は、主回路トランジスタQ1′のオン・オフは、トラン
ジスタQ2′のオン・オフに頼っている。特に、図8で
は、主回路トランジスタQ1′のエミッタ端子Eとベー
ス端子Bとの間には抵抗R2′が設けられており、この
抵抗R2′と主回路トランジスタQ1′のエミッタベー
ス間のPN接合容量により、RC回路が形成される。こ
のため、トランジスタQ2′がターンオンしても、主回
路トランジスタQ1′は直ちにはターンオンできない
し、トランジスタQ2′がターンオフしても、主回路ト
ランジスタQ1′は直ちにはターンオフできない。
回路トランジスタQ1′のコレクタ端子Cの電圧の立上
りおよび立下り時の波形は急峻とはならず、損失が無視
できない場合が生じる。なお、図9(B)に理想的な主
回路トランジスタの出力波形を示しておく。
がなくても安定した動作が可能な自励式スイッチングレ
ギュレータを提供することである。
のターンオン,ターンオフ時の損失を低減することがで
きる自励式スイッチングレギュレータを提供することで
ある。
ングレギュレータは、主回路トランジスタのベース端子
に与えられる信号により動作するDC/DC変換部と、
DC/DC変換部に駆動信号を送出する主回路駆動部と
を有する。
た主回路トランジスタと、主回路トランジスタの出力側
の主端子に接続された平滑用インダクタと、この平滑用
インダクタの入力端子に一方の端子が接続され、他方の
端子がグランド端子に接続されたフライホイールダイオ
ードと、次に述べる主回路補助回路とからなる。
次巻線を構成する補助インダクタ、およびこの補助イン
ダクタに直列接続されたコンデンサと抵抗からなる。補
助インダクタとコンデンサと抵抗の直列接続回路の一方
の端子は、主回路トランジスタの入力端子に接続され、
他方の端子が主回路トランジスタのベース端子に接続さ
れ、かつ、補助インダクタは、平滑用インダクタに流れ
る電流が増加するときに、主回路トランジスタのベース
端子側が負、主回路トランジスタの入力端子側が正とな
るように巻回されている。
ジスタのベース電流が流れる向きに前記コンデンサを充
電する回路を備えている。
は、主回路トランジスタをターンオンするに際して、当
該主回路トランジスタのベース端子が順バイアスされる
ように充電したコンデンサの蓄積電荷をベース電流とし
て供給するとともに、主回路トランジスタがターンオン
を開始したときに、補助インダクタの起電力が、主回路
トランジスタのベース端子を順バイアスするように作用
する。
レータは、主回路トランジスタのベース端子に電流が流
れなくなるとき(主回路トランジスタがターンオフを開
始したとき)に、補助インダクタの起電力が、主回路ト
ランジスタのベース端子を逆バイアスするように作用す
る。
は、微分波形であるので、高速かつ安定した主回路トラ
ンジスタのオン・オフを行うことができ、DC出力リッ
プルを利用する必要はなくなる。また、主回路トランジ
スタの出力電圧の立上がりおよび立下りが急峻となり、
当該主回路トランジスタでの損失は大幅に低減される。
主回路駆動部は、主回路トランジスタを起動するときに
は、当該トランジスタのベース端子を電流リミッタを介
してグランド端子に接続し、前記コンデンサをDC入力
端子に印加される電圧により充電するように構成でき
る。
用トランジスタを備えることができる。主回路駆動用ト
ランジスタのベース端子には、起動抵抗を介してDC入
力端子が接続され、主回路駆動用トランジスタの一方の
主端子は前記主回路トランジスタのベース端子に接続さ
れるとともに他方の端子はグランド端子に接続され、か
つ、主回路トランジスタのベース端子、主回路駆動用ト
ランジスタの一方の主端子、主回路駆動用トランジスタ
の他方の主端子、およびグランド端子の経路に、電流リ
ミッタを介在させることができる。
レータでは、DC出力端子の電圧を検出する出力電圧検
出部と、出力電圧検出部からのDC出力電圧検出値を入
力する端子を備えた出力制御部とを有することができ、
出力制御部は、出力電圧検出値が、所定の基準値を超え
たときは主回路駆動部の動作を禁じ、出力電圧検出値
が、所定の基準値に達しないときは主回路駆動部の動作
を許すように構成することができる。
が主回路駆動用トランジスタのベース端子に接続される
ように構成でき、出力制御部は、出力電圧検出値が所定
の基準値を超えるときに、主回路駆動用トランジスタの
ベース端子にオン信号を出力することで前記主回路駆動
部の動作を禁じるようにできる。
ュレータの一実施形態を図1〜図5により説明する。
Aは、たとえばプリンタに使用されるもので、DC/D
C変換部11と、主回路駆動部12と、出力電圧検出部
13と、出力制御部14と、出力部15(平滑用コンデ
ンサC2)とから構成されており、DC入力端子aに与
えられる42〔V〕を、5〔V〕に変換してDC出力端
子bから出力することができる。
路トランジスタQ1と、平滑用インダクタL1と、フラ
イホイールダイオードD1と、主回路補助回路111と
から構成されている。主回路トランジスタQ1のエミッ
タ端子EはDC入力端子aに接続され、コレクタ端子C
は平滑用インダクタL1の一方の端子に接続されてい
る。また、フライホイールダイオードD1は、カソード
端子Kが主回路トランジスタQ1,平滑用インダクタL
1間に接続され、アノードAがグランド端子GNDに接
続されている。
タL1の二次巻線を構成する補助インダクタL2と、抵
抗R3と、コンデンサC1とからなる。補助インダクタ
L2の一方の端子は、主回路トランジスタQ1の入力端
子(エミッタ端子E)に接続されており、他方の端子
は、コンデンサC1および抵抗R3を介して主回路トラ
ンジスタQ1のベース端子Bに接続されている。補助イ
ンダクタL2は、平滑用インダクタL1に流れる電流が
増加するときに、主回路トランジスタQ1のベース端子
B側が負、主回路トランジスタQ1の入力端子側が正と
なるように巻回されている。
ダクタL2との巻線比Nは、 N=(VIN−VOUT)/(VQ1,BE+0.2
〔V〕) VIN;定格入力電圧 VOUT;定格入力電圧 VQ1,BE;主回路トランジスタQ1のエミッタ・ベ
ース間電圧 とすることができる。
動用トランジスタQ2と、起動抵抗R1と、リミッタ抵
抗R2とからなる。主回路駆動用トランジスタQ2エミ
ッタEはグランド端子GNDに接続されている。また、
起動抵抗R1は、DC入力端子aと主回路駆動用トラン
ジスタQ2,ベース端子B間に接続され、リミッタ抵抗
R2は、主回路トランジスタQ1のベース端子Bと、主
回路駆動用トランジスタQ2のコレクタ端子Cとの間に
接続されている。
の直列接続回路からなり、両抵抗により、DC出力電圧
Voutを分圧し、分圧点(両抵抗の接続点)の電圧は
後述するシャント回路(シャントIC)の検出端子Sに
出力される。
と、抵抗R5,R6,R7,R8と、主回路駆動部制御
用のNPN形のトランジスタQ3およびPNP形のトラ
ンジスタQ4とからなる。シャント回路ICの検出端子
Sは抵抗R9,R10間に接続され、カソード端子Kは
後述するトランジスタQ4の駆動用抵抗R7,R8を介
してDC出力端子bに接続され、アノード端子Aはグラ
ンド端子GNDに接続されている。抵抗R6は、過電流
検出のために設けられるもので、平滑用インダクタL1
の出力端子と、DC出力端子bとの間に接続されてい
る。
回路駆動用トランジスタQ2のベース端子Bに接続され
ている。また、トランジスタQ3のエミッタEはグラン
ド端子GNDに接続されており、ベース端子Bは抵抗R
4を介してグランド端子GNDに接続されるとともに、
抵抗R5を介してトランジスタQ4のコレクタ端子Cに
接続されている。
た駆動用抵抗R7,R8間に接続されており、エミッタ
端子Eは平活用インダクタL1の出力側の端子に接続さ
れている。
より詳細に説明する。
ランド端子GND間に印加されると、主回路駆動用トラ
ンジスタQ2のベース端子Bにはオン電流が流れ、当該
トランジスタQ2が、ターンオンする。図2に示すよう
に、主回路駆動用トランジスタQ2のターンオンによ
り、コンデンサC1は、補助インダクタL2側が
(+)、抵抗R3側が(−)になるように充電される
(図2では、充電電流を破線矢印で示す)。これととも
に、主回路トランジスタQ1がターンオンを開始する。
と、補助インダクタL2には、(主回路トランジスタQ
1のエミッタ端子E)→(主回トランジスタQ1のベー
ス端子B)→(抵抗R3)→(コンデンサC1)の向き
に電流を流そうとする起電力が生じる。この起電力によ
り、図3に示すように、コンデンサC1の放電が行わ
れ、主回路トランジスタQ1のベース端子Bには急激に
ベース電流が流れるので、ターンオンが速やかに行われ
る(図3では、放電電流を破線矢印で示す)。これによ
り、電流Iが、主回路トランジスタQ1,平滑用インダ
クタL1を介してDC出力端子bに向けて流れる。な
お、抵抗R3,コンデンサC1の値を適宜設定すること
により、主回路トランジスタQ1がオンしている時間を
設定することができる。
放電が進むと、ベース端子Bには電流が流れなくなり、
主回路トランジスタQ1はターンオフを開始する。主回
路トランジスタQ1がターンオフすると、図4に示すよ
うに、平滑インダクタL1に蓄積されたエネルギーは、
電流Iとして(フライホイールダイオードD1)→(平
滑用インダクタL1)の経由でDC出力端子b側に流れ
る。このとき、主回路トランジスタQ1の主回路電流
(コレクタ電流)が減少しはじめると、補助インダクタ
L2には、(コンデンサC1)→(抵抗R3)→(主回
路駆動用Q1のベース端子B)→(主回路駆動用Q1の
エミッタ端子E)の向きに電流を流そうとする起電力が
生じるので、トランジスタQ1のオフ状態は維持され
る。
ダクタL1,抵抗R6を介してDC出力端子b側に電流
が流れると、コンデンサC2が充電される。DC出力端
子b,グランド端子GND間の電圧がある電圧に達する
と(抵抗R9,R10の接続点の電位が、ある電圧に達
すると)、図5に示すように、シャント回路ZD1が動
作し、カソード端子Kから電流の吸い込みを行う。これ
により、抵抗R7,R 8の接続点の電位が下がり、トラ
ンジスタQ4がターンオンし、トランジスタQ 3のベー
ス端子Bの電位が上昇し、トランジスタQ3がターンオ
ンし、主回路駆動用トランジスタQ2もターンオフす
る。
電位が低下すると、シャントICはオフし、トランジス
タQ4およびQ3がターンオフする。これにより主回路
駆動用トランジスタQ2がターンオフするので、DC/
DC変換部11による変換動作が、上述のようにして繰
り返される。
流がある値に達すると、トランジスタQ4のベース端子
Bの電位が下がり、ベース電流が引かれトランジスタQ
4がターンオンする。これにより、平滑インダクタL1
の出力側の電圧は、抵抗R4とR5とにより分圧され、
トランジスタQ3のベースに与えられるので、トランジ
スタQ3はターンオンする。トランジスタQ3のターン
オンにより、主回路駆動用トランジスタQ2のベース端
子Bがグランド電位となり、当該トランジスタQ2はタ
ーンオフする。
子Bには、ターンオン時には補助インダクタL1やコン
デンサC1により強制的にベース電流が与えられるし、
ターンオフ時には、補助インダクタL1やコンデンサC
1により強制的にベース電流が流さない向きに電圧がか
かるので、主回路トランジスタQ1は、トランジスタ等
の他のスイッチによらずに、ターンオンやターンオフが
できる。したがって、主回路トランジスタQ1の出力波
形として、図9(B)に示したと同様の波形を得ること
ができ、これによりDC出力電圧にリップルによらずに
安定した動作が可能であり、また主回路トランジスタの
ターンオン,ターンオフ時の損失を低減することができ
る。
1Bの他の実施形態を示す図である。図6では、主回路
駆動部16が図1の主回路駆動部12とは異なり、主回
路駆動用トランジスタQ2のエミッタ端子Eは、リミッ
タ抵抗R2を介してグランド端子GNDに接続されてい
る。リミッタ抵抗R2には、主回路駆動用トランジスタ
Q2のゲイン補償用のコンデンサC3が並列接続されて
いる。図6のスイッチングレギュレータ1Bの動作は、
実質上、上述した実施形態のスイッチングレギュレータ
1Aと同一である。
タ1Cの更に他の実施形態を示す図である。図7では、
出力制御部17が、図1の出力電圧検出部13および出
力制御部14の双方の機能を合わせた持っている。出力
電圧が所定の値を超えたとき、および主回路((DC入
力端子a主回路トランジスタQ1の両主端子)→(平滑
用インダクタL1)→(DC出力端子b)に至る経路)
に過電流が流れた場合には、トランジスタQ4,Q3が
動作する。図7のスイッチングレギュレータ1Cの動作
も、実質上、上述した実施形態のスイッチングレギュレ
ータ1Aと同一である。
タでは、補助インダクタの起電力を利用して、主回路ト
ランジスタのターンオン、ターンオフを行っている。補
助インダクタにより得られるベース電流は、微分波形で
あるので、高速かつ安定した主回路トランジスタのオン
・オフを行うことができ、DC出力リップルを利用する
必要はなくなる。また、主回路トランジスタの出力電圧
の立上がりおよび立下りが急峻となり、当該主回路トラ
ンジスタでの損失は大幅に低減される。
態を示す回路図である。
ンジスタの起動時の回路動作説明図である。
様子を示す回路動作説明図である。
ライホイールダイオードがオンした様子を示す回路動作
説明図である。
の吸い込みを行ったときに、主回路駆動用トランジスタ
がターンオフする様子を示す回路動作説明図である。
リミッタ抵抗を介してグランド端子に接続された、本発
明のスイッチングレギュレータの他の実施形態を示す回
路図である。
部の双方の機能を合わせた持っている、本発明のスイッ
チングレギュレータのさらに他の実施形態を示す回路図
である。
回路図である。
おける主回路トランジスタのコレクタ端子の電圧の立上
りおよび立下り時の出力波形を示す図、(B)は理想的
な主回路トランジスタの出力波形を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 主回路トランジスタのベース端子に与え
られる信号により動作するDC/DC変換部と、 前記DC/DC変換部に駆動信号を送出する主回路駆動
部と、を有する自励式スイッチングレギュレータにおい
て、 前記DC/DC変換部は、 前記主回路トランジスタと、 前記主回路トランジスタの出力側の主端子に接続された
平滑用インダクタと、 前記平滑用インダクタの前記入力端子に一方の端子が接
続され、他方の端子がグランド端子に接続されたフライ
ホイールダイオードと、 前記平滑用インダクタの二次巻線を構成する補助インダ
クタ、および当該補助インダクタに直列接続されたコン
デンサと抵抗からなり、前記補助インダクタとコンデン
サと抵抗との直列接続回路の一方の端子が前記主回路ト
ランジスタの入力端子に接続され、他方の端子が前記主
回路トランジスタのベース端子に接続され、かつ、前記
補助インダクタは、前記平滑用インダクタに流れる電流
が増加するときに、前記主回路トランジスタのベース端
子側が負、DC入力端子側が正となるように巻回されて
いる、主回路補助回路と、を有し、 前記主回路駆動部は、前記主回路トランジスタのベース
電流が流れる向きに前記コンデンサを充電する回路を備
えてなる、ことを特徴とする自励式スイッチングレギュ
レータ。 - 【請求項2】 前記主回路駆動部は、前記主回路トラン
ジスタを起動するときには、当該トランジスタのベース
端子を電流リミッタを介してグランド端子に接続し、前
記コンデンサを前記DC入力端子に印加される電圧によ
り充電する、ことを特徴とする請求項1に記載の自励式
スイッチングレギュレータ。 - 【請求項3】 前記主回路駆動部は、主回路駆動用トラ
ンジスタを有し、 前記主回路駆動用トランジスタのベース端子には、起動
抵抗を介してDC入力端子が接続され、 前記主回路駆動用トランジスタの一方の主端子は前記主
回路トランジスタのベース端子に接続されるとともに他
方の端子はグランド端子に接続され、かつ、 前記主回路トランジスタのベース端子、前記主回路駆動
用トランジスタの一方の主端子、前記主回路駆動用トラ
ンジスタの他方の主端子、および前記グランド端子の経
路に、前記電流リミッタが介在してなる、ことを特徴と
する請求項2に記載の自励式スイッチングレギュレー
タ。 - 【請求項4】 さらに、DC出力端子の電圧を検出する
出力電圧検出部と、 前記出力電圧検出部からのDC出力電圧検出値を入力す
る端子を備えた出力制御部と、を有し、 前記出力制御部は、 前記出力電圧検出値が、所定の基準値を超えたときは、
前記主回路駆動部の動作を禁じ、 前記出力電圧検出値が、所定の基準値に達しないとき
は、前記主回路駆動部の動作を許す、ことを特徴とする
請求項1〜3の何れかに記載の自励式スイッチングレギ
ュレータ。 - 【請求項5】 前記出力制御部の制御信号出力端子が前
記主回路駆動用トランジスタのベース端子に接続されて
なり、前記出力制御部は、 前記出力電圧検出値が、所定の基準値を超えるときに、
前記主回路駆動用トランジスタのベース端子にオン信号
を出力することで、前記主回路駆動部の動作を禁じる、
ことを特徴とする請求項4に記載の自励式スイッチング
レギュレータ。
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