JP2003224973A - スイッチング電源装置 - Google Patents

スイッチング電源装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】自励発振式の共振型スイッチング電源において
少ない部品数にて軽負荷時に間欠発振動作を行わせ、軽
負荷時の高効率化を図ることのできるスイッチング電源
装置を提供する。 【解決手段】第1のスイッチング制御回路は、軽負荷時
に、第1の駆動巻線に発生する電圧によって第1のスイ
ッチ素子Q1がターンオンする前に第1の制御トランジ
スタを導通させて第1のスイッチ素子Q1のターンオン
を阻止して発振動作を停止させるように第1のスイッチ
素子Q1のオン時間を制御する第1のオン時間制御回路
を備え、第2のスイッチング制御回路は、軽負荷時に、
第2のスイッチ素子Q2のオン時間終了後に2次巻線か
らのエネルギー放出が終了するように第2のスイッチ素
子Q2のオン時間を制御する第2のオン時間制御回路を
備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はスイッチング電源装
置、特に、軽負荷時(待機時)に省電力化を図ることの
出来る自励発振式の共振型スイッチング電源装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】共振型のスイッチング電源装置として
は、例えば、特開平11−187664号公報に示され
るものがある。
【0003】この電源装置は、ソフトスイッチング動作
をし、2石のスイッチ素子を交互にオンオフさせて、零
電圧スイッチング動作をさせることによりスイッチング
損失を大幅に低減し、定格負荷時の高効率化を図ること
が出来る。図10に、この形態の従来の回路図を示す。
【0004】この電源装置では、スイッチ素子Q1およ
びQ2は零電圧でターンオンし、スイッチ素子Q2は零
電流付近でターンオフするため、スイッチング損失が大
幅に低減される。また、2次側の整流素子Dsは零電流
でターンオンし、且つその電流波形は零電流から比較的
急峻に立ち上がり、電流の変化率が零となるピーク点に
達した後、再び零電流となってターンオフする波形とな
るため、整流素子に流れる電流波形が方形波的となって
ピーク電流値が低く抑えられ、実効電流値が低減されて
導通損が低減される。これらにより、高効率化を図るこ
とができる。
【0005】また、軽負荷時に間欠発振動作をさせるよ
うにしたものとして、特開2000−350449号公
報に示されるものがある。
【0006】この電源装置は、一般にリンギングチョー
クコンバータと呼ばれる1石式のスイッチング電源で、
軽負荷時に間欠発振動作をさせることにより軽負荷時の
高効率化を図ることができる。図13に、この形態の従
来の回路図を示す。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記の各従来技術で
は、以下に示す問題があった。
【0008】特開平11−187664号公報 (ア)図11は、軽負荷時の動作波形図を示す。図11
において、S1,S2はスイッチ素子Q1,Q2のオン
オフを表す信号、Vds1は、キャパシタC1の両端電
圧波形、Id1は、スイッチ素子Q1の電流波形であ
る。
【0009】同図に示すように、スイッチ素子Q2のオ
ン時間が負荷によらずほぼ一定の場合、軽負荷時にはト
ランスに蓄えたエネルギーの一部を入力電源に回生させ
るため、循環電流が増加し、導通損失により効率が低下
するという課題があった。図の斜線で示す領域が回生電
流に相当する。
【0010】(イ)図12は、軽負荷時にスイッチ素子
Q2のオン時間を短くして、循環電流を低減するように
工夫をしたときの動作波形図である。しかし、この場
合、スイッチ素子Q1およびQ2は零電圧スイッチング
動作を行っているものの、スイッチング周波数が上昇す
るために駆動回路におけるスイッチング損失等が増加
し、効率が低下するという課題があった。
【0011】特開2000−350449号公報 図14は、軽負荷時の動作波形図を示す。図14におい
て、S1はスイッチ素子Q1のオンオフを表す信号、V
ds1は、スイッチ素子Q1の両端電圧波形、Id1
は、スイッチ素子Q1の電流波形である。
【0012】同図に示すように、軽負荷時に間欠発振を
行うが、間欠発振時に大きなスイッチングサージ電圧が
発生し、高耐圧のスイッチング素子が必要となり、高効
率化の妨げとなる。また、出力電圧リップルが大きく、
接続された電子機器が誤動作するという問題点を有して
おり、出力電圧リップルを除去するフィルタ回路が必要
であった。
【0013】さらにスイッチング損失のため、ソフトス
イッチング電源と比較し高効率化を図ることが困難であ
った。
【0014】本発明の目的は、スイッチ素子をオンオフ
制御するスイッチング制御回路におけるオン時間制御回
路のオン時間を決める時定数を軽負荷時と定格負荷もし
くは重負荷時とで適正に変化させることで動作モードを
変更し、軽負荷時に間欠発振動作を行わせて、軽負荷時
の高効率化を図ることのできる少ない部品数でシンプル
に構成された自励発振式のスイッチング電源装置を提供
することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、以下のように構成したものである。本
発明は、自励発振する2石式のスイッチング電源装置に
おいて、第1のスイッチング制御回路と第2のスイッチ
ング制御回路それぞれに工夫を施している。
【0016】すなわち、第2のスイッチング制御回路に
おいては次のように構成する。
【0017】軽負荷時に、前記第2のスイッチ素子のオ
ン時間が定格負荷時よりも短くなって前記第2のスイッ
チ素子のオン時間終了後に前記2次巻線からのエネルギ
ー放出が終了するように第2のスイッチ素子のオン時間
を制御する第2のオン時間制御回路を備える。
【0018】従来の特開平11−187664号公報に
示される電源装置では、軽負荷時に、導通損失を低減す
るために第2のスイッチ素子のオン時間が定格負荷時よ
りも短く制御することは出来ているが(図12参照)、
第2のスイッチ素子のオン時間終了タイミング(ターン
オフタイミング)は、2次巻線からのエネルギー放出が
終了するタイミング以下には設定されていない。つま
り、2次巻線からのエネルギー放出が終了しても、ま
だ、第2のスイッチ素子のオン時間が持続している。こ
のため、第2のスイッチ素子がターンオフすると、第1
のスイッチ素子に並列に接続されているダイオードに電
流が流れる。この状態は、第1のスイッチ素子が見かけ
上導通していることと同等となり、第1のスイッチ素子
をオフすることができないことを意味し、次に述べる第
1のスイッチング制御回路の動作による間欠発振モード
に移行することを妨げる。これに対し、本発明は、2次
巻線からのエネルギー放出が終了する前に第2のスイッ
チ素子がターンオフする。
【0019】また、第1のスイッチング制御回路におい
ては次のように構成する。
【0020】前記第1のスイッチング制御回路は、軽負
荷時に出力電圧が所定の電圧に達すると前記第1の駆動
巻線に発生する電圧によって前記第1のスイッチ素子Q
1がターンオンするのを阻止して発振を停止させ、定格
負荷もしくは重負荷時には、前記第1の駆動巻線に発生
する電圧によって前記第1のスイッチ素子Q1がターン
オンし、前記第1のスイッチ素子Q1のオン時間を制御
する第1のオン時間制御回路を備えている。
【0021】定格負荷時もしくは重負荷時には、第1の
駆動巻線に発生する電圧によって第1のスイッチ素子Q
1がターンオンした後に第1の制御トランジスタを駆動
して第1のスイッチ素子Q1をターンオフさせる動作を
行う。この動作は、従来の回路の動作と同様である。
【0022】軽負荷時には、第2のオン時間制御回路に
より、第2のスイッチ素子Q2のオン時間が変更される
ことにより、上記第2のスイッチ素子のターンオフタイ
ミングにおいて、上記エネルギー放出が続いている。ま
た、上記エネルギー放出が終わって2次側巻線の整流素
子に電流が流れなくなり、トランスに逆電圧が発生した
ときには、第1のスイッチ素子Q1に並列に接続されて
いるダイオードには電流が流れない。このとき、第1の
スイッチ素子Q1をオフ状態とすることにより第1のス
イッチ回路を非導通とすることが出来、第1のスイッチ
ング制御回路による間欠発振動作の制御が可能になる。
従来回路では、第2のスイッチ素子Q2がターンオフし
てトランスに逆電圧が発生したとき、第1のスイッチ素
子Q1に並列に接続されているダイオードが導通するた
め、第1のスイッチ回路を非導通とすることができな
い。このため、間欠発振動作の制御が出来なかった。
【0023】間欠発振動作は、次のような動作となる。
【0024】発振動作により出力電圧が所定の電圧にな
ると、第1の駆動巻線に発生する電圧によって第1のス
イッチ素子Q1がターンオンする前に第1の制御トラン
ジスタを導通させて第1のスイッチ素子Q1のターンオ
ンを阻止して発振を停止させる。発振停止により出力電
圧が低下し、該出力電圧が所定の電圧以下になると、起
動抵抗を介して第1のスイッチ素子Q1の制御端子に電
圧が供給され発振が開始する。この動作を周期的に繰り
返すことで間欠発振動作となる。第1のスイッチング制
御回路は、軽負荷時にこのような動作が行われる第1の
オン時間制御回路を備える。
【0025】以上の動作により、2石式の自励発振式の
スイッチング電源装置において、軽負荷時に間欠発振動
作を行わせることが可能となる。
【0026】本発明は、また、次のように構成する。
【0027】出力電圧を検出し、その検出電圧に応じて
前記フォトカプラにより前記第1のインピーダンス回路
のインピーダンスを変化させる信号を前記第1のスイッ
チング制御回路に帰還させ、これにより出力電圧を安定
化する出力電圧安定化回路を備え、前記出力電圧安定化
回路は、間欠発振時に、前記フォトカプラを構成するフ
ォトダイオードに直列に接続された抵抗値を小さくし
て、該フォトカプラによる帰還の利得を大きくするゲイ
ン調整回路を備える。
【0028】スイッチング電源回路の連続発振時は停止
期間がないため出力リップル電圧は小さいが、間欠スイ
ッチング動作時は、発振期間で出力電圧が上昇し、停止
期間で出力電圧が低下するため、間欠発振の周期にて出
力電圧のリップルが大きくなるという問題がある。
【0029】そこで、本発明では、間欠発振時にフォト
ダイオードに流れる電流変化を大きくして、ゲインを高
くするようにした。これにより、小さな電圧変動にも敏
感に反応するためリップル電圧を低減できる。
【0030】本発明は、さらに、次のように構成するこ
とも出来る。
【0031】前記第1のスイッチ素子に直列に接続され
る電流検出手段を介して該第1のスイッチ素子に流れる
1次巻線電流を検出し、該電流が所定の電流ピーク値に
達すると前記第1のスイッチ素子をターンオフさせるピ
ーク電流制限回路を設ける。
【0032】上記構成により、1次巻線電流が増大した
場合でもピーク電流値を制限し、トランスの飽和を抑制
する。また、電流ピーク値を低減することによりスイッ
チ素子Q1のターンオフ時のスイッチング損失を低減す
るとともに、発振期間での発振パルス数を増加させて間
欠発振の周期を短くし、リップル電圧を低減することが
できる。
【0033】
【発明の実施の形態】図1は、この発明の第1の実施形
態のスイッチング電源装置の回路図である。
【0034】第1のスイッチ回路S1は、第1のスイッ
チ素子Q1、第1のダイオードD1、および第1のキャ
パシタC1の並列接続回路で構成され、第2のスイッチ
回路S2は、第2のスイッチ素子Q2、第2のダイオー
ドD2、および第2のキャパシタC2の並列接続回路で
構成される。第1のスイッチ回路S1とトランスTの1
次巻線T1と入力電源Vinとは直列に接続されてい
る。また、第2のスイッチ回路S2とキャパシタCとの
直列回路はトランスTの1次巻線T1と並列に接続され
ている。
【0035】第1のスイッチ素子Q1と第2のスイッチ
素子Q2には、この実施形態の装置では電界効果型トラ
ンジスタ(以下、FETと称する)が使用される。
【0036】トランスTの第1の駆動巻線T3は、1次
巻線T1の電圧に略比例した電圧を発生し、この駆動巻
線電圧は第1のスイッチング制御回路に入力される。こ
の第1のスイッチング制御回路は、第1の駆動巻線T3
と第1のスイッチング素子Q1の制御端子(ゲート)と
の間に接続されたコンデンサC3と抵抗R3の直列回路
からなる第1の遅延回路3と、第1のスイッチ素子Q1
をターンオフさせるための第1の制御トランジスタTr
1と、出力安定化回路5からのフィードバック信号を受
けるフォトトランジスタPC1と抵抗R4の直列回路
と、抵抗R2およびコンデンサC4からなる時定数回路
とで構成され、この時定数回路は、トランジスタTr1
の制御端子(ベース)に接続されている。また、トラン
ジスタTr1と、フォトトランジスタPC1および抵抗
R4と、抵抗R2およびコンデンサC4からなる時定数
回路とは、第1のオン時間制御回路1を構成している。
上記時定数回路の抵抗R2、抵抗R4、フォトトランジ
スタPC1は第1のインピーダンス回路10を構成して
いる。
【0037】トランスTの第2の駆動巻線T4は、1次
巻線T1の電圧に略比例した第1の駆動巻線T3とは逆
極性の電圧を発生し、この駆動巻線電圧は第2のスイッ
チング制御回路に入力される。この第2のスイッチング
制御回路は、第2の駆動巻線T4と第2のスイッチング
素子Q2の制御端子(ゲート)との間に接続されたコン
デンサC11と抵抗R11の直列回路からなる第2の遅
延回路4と、第2のスイッチ素子Q2をターンオフさせ
るための第2の制御トランジスタTr2と、Q2オン時
間切替回路6からのフィードバック信号を受けるフォト
トランジスタPC2と抵抗R14とダイオード14の直
列回路と、抵抗R12およびコンデンサC12からなる
時定数回路とで構成され、この時定数回路は、トランジ
スタTr2の制御端子(ベース)に接続されている。ま
た、トランジスタTr2と、フォトトランジスタPC2
と抵抗R14とダイオード14の直列回路と、抵抗R1
2およびコンデンサC12からなる時定数回路は、第2
のオン時間制御回路2を構成している。上記時定数回路
の抵抗R12、抵抗R14、フォトトランジスタPC
2、ダイオードD14は第2のインピーダンス回路20
を構成している。
【0038】入力電源Vinと第1のスイッチ素子Q1
の制御端子(ゲート)との間には、起動抵抗R1が接続
されている。
【0039】トランスTの2次巻線T2には、整流素子
Dsが接続され、また、整流素子Dsには、並列にキャ
パシタCsが接続されている。また、整流素子Dsの出
力側には、平滑用コンデンサCoと出力安定化回路5と
Q2オン時間切替回路6とが接続されている。
【0040】出力安定化回路5は、出力電圧検出抵抗R
20、R21と、これらの抵抗の分圧点Vaが基準電圧
入力端子Vrに接続されるシャントレギュレータIC1
と、このシャントレギュレータIC1に直列に接続され
るフォトダイオードPC1と、抵抗R22jを備えてい
る。シャントレギュレータIC1は、基準電圧入力端子
Vrの電圧が一定になるようにカソード−アノード間の
電流を制御し、この電流の変化は、フォトダイオードP
C1の光の強弱に変換され、第1のインピーダンス回路
を構成するフォトトランジスタPC1に入光する。この
回路では、フォトダイオードPC1に流れる電流の大小
によってフォトトランジスタPC1を介して第1の制御
トランジスタTr1のオンタイミングを制御し、結果と
して第1のスイッチ素子Q1のオン時間の制御を行う。
すなわち、出力電圧が高くなってフォトダイオードPC
1の電流が大きくなろうとすると、第1のスイッチ素子
Q1のオン時間が短くなり、出力電圧を下げようとし、
反対に、出力電圧が低くなってフォトダイオードPC1
に流れる電流が小さくなろうとすると、第1のスイッチ
素子Q1のオン時間が長くなって出力電圧を上げようと
する。この動作によって、出力電圧の安定化が図られ
る。
【0041】Q2オン時間切替回路6は、フォトダイオ
ードPC2と、該フォトダイオードPC2に直列に接続
されている抵抗R30とトランジスタTr30と、該ト
ランジスタTr30の制御端子(ベース)に接続されて
いる抵抗R31とで構成されている。抵抗R31には、
軽負荷時信号入力端子Sが接続されている。この端子S
には、外部から、軽負荷時に信号が入力する。
【0042】軽負荷時に端子Sに信号が入力すると、ト
ランジスタTr30がオンして、フォトダイオードPC
2の電流が増大し、これに光結合している第2のインピ
ーダンス回路20内のフォトトランジスタPC2の電流
も増大してトランジスタTr2のオンタイミングが早く
なる。後述のように、この回路により、軽負荷時に、第
2のスイッチ素子Q2のオン時間が定格負荷時よりも短
くなって第2のスイッチ素子Q2のオン時間終了後に前
記2次巻線からのエネルギー放出が終了する。すなわ
ち、第2のインピーダンス回路20は、このように動作
するよう、軽負荷時と定格負荷または重負荷時に、その
時定数が変更される。
【0043】次に上記のスイッチング電源装置の動作を
説明する。
【0044】(1)定格負荷時または重負荷時 図2は、定格負荷時の動作波形図である。
【0045】図2において、Q1、Q2はスイッチ素子
Q1、Q2のオンオフを表す信号、Vds1、Vds
2、Vsは、それぞれキャパシタC1、C2、Csの両
端電圧波形信号、id1、id2、isは、それぞれス
イッチ回路S1、S2、制御素子Dsの電流波形信号で
ある。
【0046】本回路の起動後のスイッチング動作は、1
スイッチング周期Tにおいて、主に時間t1〜t5の4
つの動作状態に分けることができる。まず、起動時(発
振開始時)について説明し、次に各状態における動作を
示す。
【0047】(起動時)入力電源Vinが印加される
と、起動抵抗R1によってスイッチ素子Q1がオン状態
となる。
【0048】スイッチ素子Q1がオン状態からの最適な
定格条件での1スイッチング周期Tにおける時間t1〜
t5の4つの動作状態は次に示す通りである。
【0049】<状態1>t1〜t2 駆動巻線T3に発生した電圧が第1のスイッチ素子Q1
の制御端子に印加され、第1のスイッチ素子Q1はオン
しており、トランスTの1次巻線に入力電圧が印加さ
れ、トランスTの1次巻線電流が直線的に増加し、トラ
ンスTに励磁エネルギーが蓄えられる。このときフォト
トランジスタと抵抗R4を介してコンデンサC4が充電
され、時間t2でコンデンサC4の電圧がトランジスタ
Tr1のしきい電圧(約0.6V)に達して、トランジ
スタTr1がオンして、第1のスイッチ素子Q1がター
ンオフすると、状態2に遷移する。
【0050】<状態2>t2〜t3 スイッチ素子Q1がターンオフすると、トランスTの1
次巻線T1とインダクタLは、キャパシタC1およびC
2と共振し、キャパシタClを充電し、キャパシタC2
を放電する。また、2次側ではトランスTの2次巻線T
2とキャパシタCsが共振し、キャパシタCsを放電す
る。Vdslの立ち上がり部分の曲線は、キャパシタC
1とキャパシタC2とインダクタLおよび1次巻線T1
のインダクタとの共振による正弦波の一部である。id
lの立ち下がり部分は、Vdslの90度位相進みの波
形である。Vds2の立ち下がり部分の曲線は、キャパ
シタC1とキャパシタC2とインダクタLおよび1次巻
線T1のインダクタとの共振による正弦波の一部であ
る。id2の立ち下がり部分は、Vds2の90度位相
進みの波形である。このとき、2次側ではキャパシタC
sの両端電圧Vsが零電圧まで下降し、整流素子Dsが
導通し、零電圧ターンオン動作となる。このVsの立ち
下がり部分の曲線は、Csと2次巻線T2のインダクタ
との共振による正弦波の一部である。キャパシタC2の
両端電圧Vds2が下降し零電圧となると、ダイオード
D2が導通する。このときコンデンサC11と抵抗R1
1による第2の遅延回路4により、駆動巻線T4に発生
した電圧が電圧発生から少し遅れてスイッチ素子Q2の
制御端子に印加され、スイッチ素子Q2がターンオンさ
れる。これにより零電圧スイッチング動作し、状態3に
遷移する。
【0051】<状態3>t3〜t4 状態3では、ダイオードD2またはスイッチ素子Q2が
導通し、インダクタLとキャパシタCは共振する。この
とき、2次側では整流素子Dsは導通し、トランスTに
蓄えられた励磁エネルギーを2次巻線T2から放出し、
整流平滑回路を介して出力される。このとき整流素子D
sに流れる電流isは、1次側のインダクタLとキャパ
シタCによる共振電流id2に対し、直線的に減少する
励磁電流imを加えた値と相似形となる。このため、電
流isは、キャパシタCsの作用により零電流から急峻
に立ち上がり、正弦波状の曲線を有する波形となる。ま
た、電流isは電流変化率が零となるピーク点に達した
後、零電流に向かって下降する。時間t4でトランスの
励磁電流imと電流id2の関係が−im=id2とな
り、2次側電流isが0となると、整流素子Dsはター
ンオフし、整流素子Dsの零電流ターンオフ動作が実現
され、状態3は終了する。
【0052】<状態4>t4〜t5 整流素子Dsがオフすると、1次側ではキャパシタCと
インダクタLとの共振が終了し、キャパシタICの放電
により励磁電流imのみが流れ、状態1とは逆方向にト
ランスTを励磁する。t4からt5にかけての直線的に
上昇する電流id2がその励磁電流一imである。
【0053】<状態5>t5〜t6 駆動巻線T4に発生した電圧により、抵抗R12を介し
てコンデンサC12が充電され、コンデンサC12の電
圧がトランジスタTr2のしきい電圧(約0.6V)に
達して、トランジスタTr2がオンして、時間t5でス
イッチ素子Q2がターンオフすると、2次側の整流素子
Dsに逆電圧が印加され、トランスTの2次巻線T2と
キャパシタCsとが共振し、キャパシタCsが充電され
る。また、1次側では、トランスTの1次巻線T1とイ
ンダクタLがキャパシタC1およびC2と共振し、キャ
パシタClを放電し、キャパシタC2を充電する。キャ
パシタC1の両端電圧Vdslが下降し、零電圧になる
と、ダイオードD1が導通する。このときコンデンサC
3と抵抗R3による第1の遅延回路3により、駆動巻線
T3に発生した電圧が電圧発生してから少し遅れてスイ
ッチ素子Q1の制御端子に印加され、時間t6でスイッ
チ素子Q1がターンオンされ零電圧スイッチング動作を
実現し、状態5が終了する。このとき、2次側ではキャ
パシタCsの両端電圧Vsが零電圧から上昇し、2次巻
線電圧と出力電圧との和の電圧にクランプされる。
【0054】定格負荷時には、1スイッチング周期あた
り以上のような動作を行い、次のスイッチング周期も同
様の動作を行い、以降この動作を繰り返す。
【0055】上述したスイッチング電源回路では、スイ
ッチ素子Q1およびQ2は零電圧でターンオンし、スイ
ッチ素子Q2は零電流付近でターンオフするため、スイ
ッチング損失が大幅に低減される。また、2次側の整流
素子Dsは零電流でターンオンし、且つその電流波形は
零電流から比較的急峻に立ち上がり、電流の変化率が零
となるピーク点に達した後、再び零電流となってターン
オフする波形となるため、整流素子に流れる電流波形が
方形波的となってピーク電流値が低く抑えられ、実効電
流値が低減されて導通損が低減される。これらにより、
高効率化を図ることができる。なお、定格負荷時には、
軽負荷信号入力端子Sに信号入力がない。このため、ト
ランジスタTr30はオフしていて、第2のインピーダ
ンス回路20では、フォトトランジスタPC2はオフ状
態である。
【0056】(2)軽負荷時 次に軽負荷検出時の動作を説明する。図3は、軽負荷検
出時の動作波形図である。
【0057】軽負荷検出時に端子Sに信号電圧(軽負荷
検出信号)が印加されると、トランジスタTr30がオ
ンしてフォトダイオードPC2が導通し、フオトトラン
ジスタPC2がオンする。これにより、フォトトランジ
スタPC2、抵抗R14、ダイオードD14を通り電流
が流れるため、コンデンサC12の充電時間が短くなり
第2のスイッチQ2のオン時間が短くなる。ここで、オ
ン時間に蓄えられた励磁エネルギーを2次側から放出す
る時間であるリセット時間Trに対し、スイッチ素子Q
2のオン時間が短くなるように、第2のインピーダンス
回路20の時定数が設定されている。
【0058】時間tl〜t4までの動作は、図2の定格
負荷時の動作と同様で、時間t4となるタイミングが従
来と異なるため状態4から説明する。
【0059】<状態4>t4〜t5 スイッチ素子Q2のオン時間はリセット時間Trよりも
短くなるように設定している。このため、駆動巻線T4
に発生した電圧により、抵抗R12およびR14を介し
てコンデンサC12が充電され、コンデンサC12の電
圧がトランジスタTr2のしきい電圧(約0.6V)に
達して、トランジスタTr2がオンして、時間t4でス
イッチ素子Q2がターンオフする。このとき、2次側か
らのエネルギー放出が終了していないため、整流素子D
sの導通状態が続き、トランスの電圧は反転しない。時
間t5で2次側からのエネルギー放出が終了すると状態
5に移行する。
【0060】<状態5>t5〜t6 時間t5で2次側からのエネルギー放出が終了し、2次
側の整流素子Dsに逆電圧が印加されるとトランスの電
圧は反転を始め、トランスTの2次巻線T2とキャパシ
タCsとが共振してキャパシタCsが充電される。ま
た、1次側では、トランスTの1次巻線T1とインダク
タLがキャパシタC1およびC2と共振し、キャパシタ
C1を放電し、キャパシタC2を充電する。キャパシタ
Clの両端電圧Vdslが零電圧付近まで下降する。こ
のときコンデンサC3と抵抗R3による第1の遅延回路
3により、駆動巻線T3に発生した電圧が電圧発生して
から少し遅れて第1のスイッチ素子Q1の制御端子に印
加され、時間t6で第1のスイッチ素子Q1がターンオ
ンされ、状態5が終了する。このとき、2次側ではキャ
パシタCsの両端電圧Vsが零電圧から上昇し、2次巻
線電圧と出力電圧との和の電圧にクランプされる。
【0061】1スイッチング周期あたり以上のような動
作を行い、次のスイッチング周期も同様の動作を行い、
以降この動作を繰り返す。
【0062】(3)軽負荷時の間欠発振動作 間欠発振動作は、上記第2のインピーダンス回路20の
時定数の変動とともに、第1のインピーダンス回路10
の時定数の変更によって行われる。
【0063】この第1のインピーダンス回路10は、以
下のように構成されている。
【0064】定格負荷もしくは重負荷時においては、第
1の駆動巻線T2に発生する電圧によって第1のスイッ
チ素子Q1がターンオンした後に前記トランジスタTr
1を導通させて第1のスイッチ素子Q1をターンオフさ
せる。
【0065】一方、軽負荷検出時には、第1の駆動巻線
T3に発生する電圧によって第1のスイッチ素子Q1が
ターンオンする前に第1の制御トランジスタTr1を導
通させて第1のスイッチ素子Q1のターンオンを阻止し
て発振を停止するように時定数が変化する。
【0066】軽負荷時には、第1のインピーダンス回路
10の時定数と、第2のインピーダンス回路20の時定
数とが上記のように変更されることにより、次のメカニ
ズムにより、間欠発振動作が行われる。
【0067】図1において、駆動巻線T3に電圧が発生
してから第1の遅延回路3によりスイッチ素子Q1の制
御端子に電圧が印加され、スレッショルド電圧に達して
スイッチ素子Q1がターンオンするまでの時間を遅延時
間Taとする。また、駆動巻線T3に電圧が発生してか
ら、フォトトランジスタPC1と抵抗R4を通って電流
が流れ、コンデンサC4を充電して、トランジスタTr
lのベース電位がしきい値電圧(約0.6V)に達する
までの時間をTbとする。
【0068】軽負荷時において、出力電圧Voが上昇し
て、フォトトランジスタPC1のインピーダンスが小さ
くなると時間Tbが短くなる。遅延時間Taは負荷によ
らずほぼ一定のため、出力電圧が所定の電圧まで上昇す
ると、時間Taより時間Tbが短くなり、スイッチ素子
Q1がターンオンする前にトランジスタTrlが先に導
通する。このため、スイッチ素子Q1のゲート電位が上
昇しないことから、駆動巻線T3に発生する電圧によっ
てスイッチ素子Q1はターンオンせず、スイッチング動
作が一時的に停止してしまう。そして、トランジスタT
rlはコンデンサC4に蓄積された電荷が放電されるこ
とによって再びオフになる。コンデンサC4に蓄積され
た電荷が放電され、トランジスタTr1がオフとなり、
一定時間後に起動抵抗R1を介して流れ込む電流によっ
てスイッチ素子Q1がターンオンし再びスイッチング動
作が始まる。そして、起動抵抗R1を介して流れ込む電
流によってスイッチング動作が始まるときには出力電圧
は一時的に低下しているため、しばらくの期間は連続に
スイッチング動作が行われる。そして、再び出力電圧が
上昇し、所定の電圧となると上記の発振停止動作が再び
繰り返される。ここで、起動抵抗R1を介した電流によ
ってスイッチ素子Q1がターンオンするまでの起動時間
は、駆動巻線T3に発生する電圧によってスイッチ素子
Q1がターンオンするまでの時間に比べて十分に長いた
め、結果的にスイッチ素子Q1は連続スイッチング期間
とスイッチング停止期間を周期的に繰り返す間欠的なス
イッチング動作を行うことになる。
【0069】このように、本発明により、軽負荷時にス
イッチング動作の連続と停止を周期的に繰り返す間欠ス
イッチング動作を少ない部品点数で実現することができ
る。そして、間欠スイッチング動作をさせることによっ
て、スイッチング損失などの電力損失を低減し、スイッ
チング素子の発熱を抑えることができる。そして、それ
を簡単な構成で実現することができるため、スイッチン
グ電源回路の高効率化や小型化、低価格化を図ることが
できる。
【0070】また、従来回路において、スイッチ素子Q
1のターンオフ時に発生していた電圧サージはキャパシ
タCに吸収されクランプされるため電圧サージは発生せ
ず、スイッチング損失を低減できるとともに、オン抵抗
の小さい低耐圧のスイッチ素子を適用することができ導
通損失を低減でき、電源の高効率化を図ることができ
る。また、第1のオン時間制御回路を適正に設定してお
くことにより、フォトトランジスタPC2のオンオフの
みによって軽負荷時に間欠発振と連続発振を切り替える
ことが出来る。さらに間欠発振の周期もスイッチング電
源回路の起動時間やフォトカプラPC1による帰還の利
得等を調整することによって任意に設定することができ
るため、間欠スイッチングの周期が可聴周波数の範囲に
入って、スイッチング電源回路から音が発生するのを防
止または低減したり、リップル電圧を低減することがで
きる。
【0071】図4は、本発明の第2の実施形態を示す。
【0072】この例では、図1の構成に、ゲイン調整回
路7と、ピーク電流制限回路8とを設けている。
【0073】ゲイン調整回路7は、出力安定化回路5の
抵抗R22に、トランジスタTr6を介して並列に抵抗
R32を接続し、このトランジスタTr6の制御端子
(ベース)を抵抗R33を介してQ2オン時間切替回路
6のトランジスタTr30のコレクタに接続して構成さ
れる。これにより、端子Sの軽負荷検出信号により、ト
ランジスタTr6が導通し、フォトトランジスタPC1
に流れる電流変化を大きくする。このことは、出力安定
化回路5からトランス1次側へのフィードバックのゲイ
ンを高くすることを意味する。
【0074】以上の構成では、間欠発振時のリップル電
圧を低減することができる。以下、図5を参照して、こ
のことについて説明する。
【0075】スイッチング電源回路の連続発振時は停止
期間がないため出力リップル電圧は小さいが、間欠スイ
ッチング動作時は、発振期間で出力電圧が上昇し、停止
期間で出力電圧が低下するため、間欠発振の周期にて出
力電圧のリップルが大きくなるという問題がある。
【0076】そこで、間欠発振時にフォトダイオードP
C1に流れる電流変化を大きくして、ゲインを高くする
と、小さな出力電圧変動にも敏感に反応するためリップ
ル電圧を低減できる。なお、定格、重負荷時の連続発振
時は流れる電流が大きく、ゲインが高いと異常発振動作
となってしまう場合がある。このため間欠発振時はゲイ
ンが高く、連続発振時はゲインが低いことが望ましい。
【0077】本実施形態では、フォトダイオードPC1
と直列に接続されている抵抗値を間欠発振時に小さくし
てゲインを大きくし、連続発振時には抵抗値を大きくし
てゲインが小さくなるように切り替えているため、図5
のように、間欠発振時のリップル電圧を小さくすること
が出来る。
【0078】ピーク電流制限回路8は、第1のスイッチ
素子Q1に直列に接続された電流検出手段である抵抗R
6と、この抵抗R6の両端電圧(電流Id1に比例)を
分圧する抵抗R7、R8と、抵抗R8の両端電圧がベー
ス端子に印加され、コレクタ端子が第1のスイッチ素子
Q1の制御端子(ゲート)に接続されるトランジスタT
r3とで構成されている。
【0079】ピーク電流制限回路8の動作について説明
する。図6(A)は、ピーク電流制限回路8がある場合
の動作波形図である。比較のため、図6(B)は、ピー
ク電流制限回路8がない場合の動作波形図を示してい
る。
【0080】スイッチング電源回路の間欠スイッチング
動作時は、停止期間で出力電圧が低下するため、次の発
振期間では出力電圧を上昇させるためオン時間が大きく
広がり、1次巻線電流が増大する。また、入力電圧が低
い場合はさらに1次巻線電流が増大するためトランスの
飽和余裕が小さくなり、場合によっては飽和現象により
スイッチング電源が破壊する場合がある。また、1次巻
線電流が増大するとスイッチング損失は大きくなり、1
パルス当たりのエネルギーが大きくなるため、発振期間
での発振パルス数が少なくなり、間欠の周期が長くなっ
て出力リップル電圧が大きくなるという問題がある。
【0081】そこで、1次巻線電流ピーク値を制限する
ピーク電流制限回路8を備えることにより、1次巻線電
流が増大した場合でもピーク電流値を制限し、トランス
の飽和を抑制する。また、電流ピーク値を低減すること
により第1のスイッチ素子Q1のターンオフ時のスイッ
チング損失を低減するとともに、発振期間での発振パル
ス数を増加させて間欠発振の周期を短くし、リップル電
圧を低減することができる。
【0082】図7は、入力に商用電源を用いた場合の実
施形態を示している。商用電源を整流平滑して直流電圧
Vinを形成する。
【0083】図8は、他の実施形態である。この例で
は、第2のスイッチ回路S2とキャパシタCの直列回路
を第1のスイッチ回路S1と並列に接続している。キャ
パシタCに印加される電圧が第1の実施形態に比較し大
きくなるが、回路動作、効果は同様に考察できる。
【0084】図9は、さらに、他の実施形態である。こ
の例では、キャパシタCがトランスの1次巻線に対して
直列に接続されており、第1および第2のスイッチ回路
S1、S2に印加される電圧が入力電圧と等しくなる。
第1の実施形態に比較し低電圧ストレスとなり、回路動
作、効果は同様に考察できる。
【0085】
【発明の効果】本発明では、軽負荷時に、第2のオン時
間制御回路により、第2のスイッチ素子のオン時間終了
後に前記2次巻線からのエネルギー放出が終了するよう
に動作し、また、同じく軽負荷時に、第1のインピーダ
ンス回路により、第1の駆動巻線に発生する電圧によっ
て第1のスイッチ素子Q1がターンオンする前に第1の
制御トランジスタを導通させて第1のスイッチ素子Q1
のターンオンを阻止してスイッチング動作を停止させ
る。これにより、2石式の従来の自励発振式のスイッチ
ング電源装置で出来なかった軽負荷時の間欠発振を少な
い部品の追加により行わせることが出来る。
【0086】したがって、軽負荷時に導通損失およびス
イッチング損失を大幅に低減することが出来、高効率動
作を行わせることが出来る。
【0087】また、間欠発振時には、スイッチングサー
ジ電圧がクランプされることにより、低耐圧のスイッチ
ング素子を適用でき、導通損失を低減して低損失化を図
ることが出来る。
【0088】また、ゲイン調整回路を設けることによ
り、間欠発振時に増大していた出力リップル電圧を大幅
に抑制することが出来る。
【0089】また、ピーク電流制限回路を設けることに
より、トランスの飽和を抑制でき、かつ、スイッチング
損失の低減、出力リップル電圧の低減を図ることが出来
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の回路構成図
【図2】定格負荷時の動作波形図
【図3】間欠発振動作波形図
【図4】第2の実施形態の回路構成図
【図5】ゲイン調整回路の動作を説明する図
【図6】ピーク電流制限回路の有無による動作波形図の
相違を示す図
【図7】第3の実施形態の回路構成図
【図8】第4の実施形態の回路構成図
【図9】第5の実施形態の回路構成図
【図10】従来の回路構成図
【図11】軽負荷時の動作波形図
【図12】軽負荷時の動作波形図
【図13】他の従来の回路構成図
【図14】間欠発振時の動作波形図
【符号の説明】
1:Q1オン時間制御回路 2:Q2オン時間制御回路 3:第1の遅延回路 4:第2の遅延回路 5:出力安定化回路 6:Q2オン時間切替回路 10:第1のインピーダンス回路 20:第2のインピーダンス回路 S1:第1のスイッチ回路 S2:第2のスイッチ回路

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】1次巻線と2次巻線を有するトランスTと
    第1のスイッチ回路と入力電源とが直列に接続され、第
    2のスイッチ回路とキャパシタCの直列回路が前記第1
    のスイッチ回路の一端に接続され、前記トランスTの2
    次巻線に整流平滑回路が設けられ、第1のスイッチ回路
    を第1のスイッチ素子Q1、第1のダイオードD1、お
    よび第1のキャパシタC1の並列接続回路で構成し、第
    2のスイッチ回路を第2のスイッチ素子Q2、第2のダ
    イオードD2、および第2のキャパシタC2の並列接続
    回路で構成し、前記トランスは、前記第1のスイッチ素
    子Q1を導通させる電圧を発生する第1の駆動巻線と、
    前記第2のスイッチ素子Q2を駆動させる電圧を発生す
    る第2の駆動巻線とを有し、第1・第2のスイッチ素子
    Q1・Q2を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟ん
    で交互にオン/オフし、前記第1のスイッチ素子Q1の
    オン時間を制御して出力電圧の安定化制御を行うスイッ
    チング制御回路を備え、第1のスイッチ素子Q1がオン
    している期間にトランスの1次巻線にエネルギーを蓄
    え、第1のスイッチ素子Q1がオフしている期間にトラ
    ンスの2次巻線からエネルギーを放出して自励発振する
    スイッチング電源装置において、 前記スイッチング制御回路は、前記第1のスイッチ素子
    Q1の制御端子と前記第1の駆動巻線との間に接続され
    る第1のスイッチング制御回路と、前記第2のスイッチ
    素子Q2の制御端子と前記第2の駆動巻線との間に接続
    される第2のスイッチング制御回路とを備え、 前記第1のスイッチング制御回路は、軽負荷時に出力電
    圧が所定の電圧に達すると前記第1の駆動巻線に発生す
    る電圧によって前記第1のスイッチ素子Q1がターンオ
    ンするのを阻止して発振を停止させ、定格負荷もしくは
    重負荷時には、前記第1の駆動巻線に発生する電圧によ
    って前記第1のスイッチ素子Q1がターンオンし、前記
    第1のスイッチ素子Q1のオン時間を制御する第1のオ
    ン時間制御回路を備え、 前記第2のスイッチング制御回路は、軽負荷時に、前記
    第2のスイッチ素子のオン時間終了後に前記2次巻線か
    らのエネルギー放出が終了するように前記第2のスイッ
    チ素子Q2のオン時間を制御する第2のオン時間制御回
    路を備え、 軽負荷時に、発振期間と停止期間を交互に繰り返す間欠
    発振動作を行わせることを特徴とするスイッチング電源
    装置。
  2. 【請求項2】前記第1のスイッチング制御回路は、前記
    第1の駆動巻線に電圧が発生してから、前記第1のスイ
    ッチ素子Q1がターンオンするまでの遅延時間を決める
    第1の遅延回路を備え、前記第1のオン時間制御回路
    は、前記第1のスイッチ素子Q1の制御端子に接続され
    た第1の制御トランジスタと該トランジスタの制御端子
    に接続された第1のインピーダンス回路とコンデンサと
    からなる第1の時定数回路を備え、前記第1のインピー
    ダンス回路のインピーダンス値を変化させて、軽負荷時
    には、前記遅延回路よりも前記第1の時定数回路の時定
    数を短くして、前記第1のスイッチ素子Q1がターンオ
    ンする前に前記第1の制御トランジスタを導通させて前
    記第1の駆動巻線に発生する電圧によって前記第1のス
    イッチ素子Q1がターンオンするのを阻止して発振を停
    止させ、定格負荷もしくは重負荷時には、前記遅延回路
    よりも前記第1の時定数回路の時定数を長くして、前記
    第1のスイッチ素子Q1がターンオンしてから前記第1
    の制御トランジスタが導通するまでの前記第1のスイッ
    チ素子Q1のオン時間を制御して出力電圧の安定化動作
    を行う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。
  3. 【請求項3】前記第2のオン時間制御回路は、前記第2
    のスイッチ素子Q2の制御端子に接続された第2の制御
    トランジスタと該トランジスタの制御端子に接続された
    第2のインピーダンス回路とコンデンサとからなる第2
    の時定数回路を備え、該第2のインピーダンス回路のイ
    ンピーダンス値を変化させて、軽負荷時には、前記第2
    の時定数回路の時定数を短くして、前記第2のスイッチ
    素子Q2のオン時間終了後に前記2次巻線からのエネル
    ギー放出が終了し、定格負荷もしくは重負荷時には、前
    記第2の時定数回路の時定数を長くして、前記2次巻線
    からのエネルギー放出が終了してから前記第2のスイッ
    チ素子Q2のオン時間が終了するように、前記第2のス
    イッチ素子Q2のオン時間を制御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。
  4. 【請求項4】1次巻線と2次巻線を有するトランスTと
    第1のスイッチ回路と入力電源とが直列に接続され、第
    2のスイッチ回路とキャパシタCの直列回路が前記第1
    のスイッチ回路の一端に接続され、前記トランスTの2
    次巻線に整流平滑回路が設けられ、第1のスイッチ回路
    を第1のスイッチ素子Q1、第1のダイオードD1、お
    よび第1のキャパシタC1の並列接続回路で構成し、第
    2のスイッチ回路を第2のスイッチ素子Q2、第2のダ
    イオードD2、および第2のキャパシタC2の並列接続
    回路で構成し、前記トランスは、前記第1のスイッチ素
    子Q1を導通させる電圧を発生する第1の駆動巻線と、
    前記第2のスイッチ素子Q2を駆動させる電圧を発生す
    る第2の駆動巻線とを有し、第1・第2のスイッチ素子
    Q1・Q2を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟ん
    で交互にオン/オフするスイッチング制御回路を備え、
    第1のスイッチ素子Q1がオンしている期間にトランス
    の1次巻線にエネルギーを蓄え、第1のスイッチ素子Q
    1がオフしている期間にトランスの2次巻線からエネル
    ギーを放出して自励発振するスイッチング電源装置にお
    いて、 前記スイッチング制御回路は、前記第1のスイッチ素子
    Q1と前記第1の駆動巻線との間に接続される第1のス
    イッチング制御回路と、前記第2のスイッチ素子Q2と
    前記第2の駆動巻線との間に接続される第2のスイッチ
    ング制御回路とで構成され、 前記第2のスイッチング制御回路は、軽負荷検出時に、
    前記第2のスイッチ素子Q2のオン時間が定格負荷時よ
    りも短くなって前記第2のスイッチ素子Q2のオン時間
    終了後に前記2次巻線からのエネルギー放出が終了する
    ように時定数が変更されるようにインピーダンスが変化
    する第2のインピーダンス回路を備え、前記第1のスイ
    ッチング制御回路は、 前記第1の駆動巻線に電圧が発生してから、前記第1の
    スイッチ素子が前記第1の駆動巻線に発生した電圧によ
    ってターンオンするまでの時間を決める第1の遅延回路
    と、 駆動することによって前記第1のスイッチ素子Q1を強
    制的にターンオフさせるか、もしくは前記第1のスイッ
    チ素子Q1のターンオンを阻止することのできる第1の
    制御素子と、 軽負荷検出時以外の定格負荷時もしくは重負荷時には前
    記第1の駆動巻線に発生する電圧によって前記第1のス
    イッチ素子Q1がターンオンした後に前記第1の制御素
    子を駆動して前記第1のスイッチ素子Q1をターンオフ
    させ、軽負荷検出時に、前記第2のスイッチング制御回
    路の前記第2のインピーダンス回路のインピーダンスが
    変化して時定数が変更されると同時に、前記第1の駆動
    巻線に発生する電圧によって前記第1のスイッチ素子Q
    1がターンオンする前に前記第1の制御素子を駆動して
    前記第1のスイッチ素子Q1のターンオンを阻止するよ
    うに時定数を変更するようにインピーダンスが変化する
    第1のインピーダンス回路と、を備え、 軽負荷検出時に、前記第1のインピーダンス回路及び前
    記第2のインピーダンス回路のインピーダンス変化によ
    る時定数変更により、発振期間と停止期間を交互に繰り
    返す間欠発振動作を行わせることを特徴とするスイッチ
    ング電源装置。
  5. 【請求項5】 前記第1、第2のインピーダンス回路の
    インピーダンスを変化させるのにフォトカプラを用いた
    ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のス
    イッチング電源装置。
  6. 【請求項6】出力電圧を検出し、その検出電圧に応じて
    前記フォトカプラにより前記第1のインピーダンス回路
    のインピーダンスを変化させる信号を前記第1のスイッ
    チング制御回路に帰還させ、これにより出力電圧を安定
    化する出力電圧安定化回路を備え、 前記出力電圧安定化回路は、間欠発振時に、前記フォト
    カプラを構成するフォトダイオードに直列に接続された
    抵抗値を小さくして、該フォトカプラによる帰還の利得
    を大きくするゲイン調整回路を備えたことを特徴とす
    る、請求項5に記載のスイッチング電源装置。
  7. 【請求項7】前記第1のスイッチ素子Q1に直列に接続
    される電流検出手段により該第1のスイッチ素子Q1に
    流れる1次電流を検出し、該電流が所定の電流ピーク値
    に達すると前記第1のスイッチ素子Q1をターンオフさ
    せるピーク電流制限回路を備えたことを特徴とする請求
    項1〜6のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  8. 【請求項8】 前記第1および第2のスイッチ素子Q
    1、Q2の少なくともいずれか一方を電界効果トランジ
    スタで構成したことを特徴とする、請求項1〜7のいず
    れかに記載のスイッチング電源装置。
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