JP2003324953A - スイッチング電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽負荷時から重負荷時まで全域で高効率な、
低コストのスイッチング電源装置を提供する。 【解決手段】 図示構成のスイッチング電源装置におい
て、制御手段ＩＣ１は、第一の電圧検出手段ＤＥＴ１に
よりＡ点の出力電圧が第一の閾値まで上昇したことを検
出したとき、スイッチング素子Ｑ１の断続的なオン，オ
フ動作を停止させ、第二の電圧検出手段ＤＥＴ２により
Ａ点の出力電圧が第二の閾値まで降下したことを検出し
たとき、前記スイッチング素子Ｑ１の断続的なオン，オ
フ動作を開始させる。この装置では、軽負荷時，重負荷
時に限らず、スイッチング素子Ｑ１の断続的なオン，オ
フの動作状態では最高効率での動作をしており、スイッ
チング素子Ｑ１の断続的なオン，オフの停止状態では低
損失であるため、軽負荷時から重負荷時までの全域で高
効率で動作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング電源
装置に関し、特にその効率の改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】様々な電化製品において、環境問題に対
する消費者の意識の向上から省エネルギ化技術が注目さ
れており、家庭用の商用交流電源から製品内部の電気回
路を動作させるための電圧を作り出すために世の中に広
く普及しているスイッチング電源装置においても高効率
化が強く望まれている。

【０００３】スイッチング電源装置における電力損失
は、主にスイッチ素子がスイッチする時に発生するロス
や、出力負荷の状態に関わらず常時発生しているスイッ
チングの制御素子によるロスにより発生している。近年
機器の小型化が進み、これはスイッチング電源装置にと
っても例外ではないが、スイッチング電源のサイズを決
定すると言ってもよいトランスを小型化するためには、
トランスコアの磁気飽和を防ぐ為により高速でスイッチ
ングする必要が生じる。ただし、高速でスイッチングを
行うということは単位時間あたりのスイッチ回数が増え
ることになり、スイッチングロスは増加してしまう。技
術者は限られたスペース内で放熱設計を行い、ロスとサ
イズのバランスを取りながら回路設計を行う。従来これ
らの問題を解決するための技術としては、以下のように
負荷が多い場合と少ない場合によって制御方法を切り替
える方式などが採用されている。つまり、負荷が少ない
状態ではスイッチング周波数を低減してもトランスの磁
気飽和が起こらないため、製品の動作状態によってスイ
ッチング周波数を低減したり、間欠動作させることによ
ってロスを低減する手法である。

【０００４】図５に従来の回路の一例を示す。

【０００５】ＡＣ ＩＮＰＵＴから入力された商用交流
はダイオードＤ１，コンデンサＣ１により整流平滑さ
れ、トランスＴ１の一次巻線に入力される。一次巻線と
直列に接続されたスイッチングトランジスタＱ１はオ
ン，オフ制御を制御回路ＩＣ１によって行われる。スイ
ッチングトランジスタＱ１のスイッチ動作によってトラ
ンスＴ１の二次巻線に誘起されるパルス電圧はダイオー
ドＤ２，コンデンサＣ２により整流平滑され直流出力と
なる。この直流出力を電圧検出回路ＤＥＴ１により検出
し、フォトカプラＰＣ１により制御素子ＩＣ１にフィー
ドバックをして、出力電圧が常に一定となるよう、スイ
ッチングトランジスタＱ１のオンパルス幅を制御して出
力電圧の安定化を図る（パルス幅制御：以下ＰＷＭ制御
という）。また、通常は素子の発熱やトランス設計の問
題などから定格負荷時にほぼ最高効率を達成できるよう
回路設計を行う。

【０００６】ＬＯＡＤ１，ＬＯＡＤ２は出力に接続され
る負荷であり、ＬＯＡＤ１は例えばファンモータなど入
力電圧がある程度変動しても動作上問題がない負荷を示
し、ＬＯＡＤ２は例えばロジック系ＩＣなど入力電圧に
ある程度の精度を要求する負荷を示す。

【０００７】コストの問題もあるので、精度の良い出力
を一つ出して二種類の負荷の両方に対応する場合もある
が、この図に示したように、ある程度ラフな出力を出し
ておいてそこからＬＯＡＤ１へ電力供給を行い、精度が
必要なＬＯＡＤ２にはそこから更にＤＣＤＣコンバータ
回路を介して高精度な出力を供給する方法も一般的であ
る。

【０００８】また、前述した通り定格負荷で最高効率を
達成するように設計を行うと、軽負荷時にどうしても効
率が低下するので、省エネルギ化の対策として、重負荷
時と軽負荷時で制御モードを切り替える手法も一般的で
ある。

【０００９】二次側出力ラインに電流検出用の低抵抗Ｒ
１を挿入してＲ１両端の電位差を電流検出回路ＤＥＴ２
で検出する。オームの法則に従い、電流値が大きい時に
は両端の電位差は大きくなり、小さい時には電位差も小
さくなる。これによりどれだけの電流が本体側で消費さ
れているのかを検知する。ある規定の閾値を設けて、そ
の値を下回ると制御素子ＩＣ１がスイッチングトランジ
スタＱ１のスイッチング周波数をトランスＴ１が磁気飽
和しない程度まで低減させる。周波数を低減させる手法
としては、パルス制御のオン時間の短縮、オフ時間の伸
張、オン時間とオフ時間を共に制御するなどの手法があ
り、周波数そのものは変えないで間欠動作を行いスイッ
チングロスを低減させる手法も一般的である。このよう
に動作モードを切り替えることにより、重負荷時に最高
効率が出るような設計でも軽負荷時の効率低下を抑える
ことが可能となる。ただし、この場合には二つのモード
でしか切り替わらないので、常時最高効率を達成するこ
とは不可能であり、切り替えのモードを増やそうとすれ
ば部品点数の増加、回路の複雑化を招き、信頼性の低
下、コストアップなどの弊害が予測される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述のようにスイッチ
ング電源においては、最大効率を全負荷域でかせぐこと
は技術的にも困難であるので、全負荷域で効率を出来る
だけ上げられるように様々な工夫がなされている。ま
た、軽負荷時には特にスイッチング素子におけるスイッ
チングロスや制御回路による消費電力の全体のロスに占
める割合が大きい。

【００１１】近年、省エネルギの規格は年々厳しくなっ
てきており、消費者の省エネルギへの関心も高まってき
ているため、無駄に消費している電力は可能な限り削除
しなければならないと共に、この省エネルギの規格を満
足しつつ、更に市場で製品を売るためにはコストダウン
もしなければならない。つまり、今後の課題として、軽
負荷時から重負荷時まで全域で高効率な電源装置を低コ
ストで実現することが必要不可欠である。

【００１２】本発明は、このような状況のもとでなされ
たもので、軽負荷時から重負荷時まで全域で高効率な、
低コストのスイッチング電源装置を提供することを目的
とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明では、スイッチング電源装置を次の（１）な
いし（４）のとおりに構成し、スイッチング電源装置の
制御方法を次の（５）のとおりに構成する。

【００１４】（１）入力された交流電力を整流平滑する
第一の整流平滑手段と、トランスと、前記第一の整流平
滑手段の出力端と前記トランスの一次巻線の一端との間
に挿入され、前記トランスを駆動するために断続的にオ
ン，オフ動作を行うスイッチング素子と、前記スイッチ
ング素子を制御する制御手段と、前記スイッチング素子
の断続的なオン，オフ動作によって前記トランスの二次
側巻線に誘起されたパルス電力を整流平滑する第二の整
流平滑手段と、前記第二の整流平滑手段によって直流化
された第一の出力電圧が第一の閾値まで上昇したことを
検出する第一の電圧検出手段と、前記第一の出力電圧が
第二の閾値まで降下したことを検出する第二の電圧検出
手段とを備え、前記制御手段は、前記第一の電圧検出手
段により前記第一の出力電圧が前記第一の閾値まで上昇
したことを検出したとき、前記スイッチング素子の断続
的なオン，オフ動作を停止し、前記第二の電圧検出手段
により前記第一の出力電圧が前記第二の閾値まで降下し
たことを検出したとき、前記スイッチング素子の断続的
なオン，オフ動作を開始するスイッチング電源装置。

【００１５】（２）入力された交流電力を整流平滑する
第一の整流平滑手段と、トランスと、前記第一の整流平
滑手段の出力端と前記トランスの一次巻線の一端との間
に挿入され、前記トランスを駆動するために断続的にオ
ン，オフ動作を行うスイッチング素子と、前記スイッチ
ング素子を制御する制御手段と、前記スイッチング素子
の断続的なオン，オフ動作によって前記トランスの二次
側巻線に誘起されたパルス電力を整流平滑する第二の整
流平滑手段と、前記第二の整流平滑手段によって直流化
された第一の出力電圧が第一の閾値まで上昇したことを
検出する第一の電圧検出手段と、タイマ手段とを備え、
前記制御手段は、前記第一の電圧検出手段により前記第
一の出力電圧が前記第一の閾値まで上昇したことを検出
したとき、前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ
動作を停止し、前記タイマ手段により前記スイッチング
素子が断続的なオン，オフ動作を停止してから所定時間
が経過したことを検出したとき、前記スイッチング素子
の断続的なオン，オフ動作を開始させるスイッチング電
源装置。

【００１６】（３）前記（１）または（２）に記載のス
イッチング電源装置において、前記入力された交流電力
の電圧または前記第一の整流平滑手段の出力電圧を検出
する第三の電圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記
第三の電圧検出手段で検出した電圧に応じて、前記スイ
ッチング素子のスイッチング周波数および／またはパル
ス幅を制御するスイッチング電源装置。

【００１７】（４）前記（１）ないし（３）のいずれか
に記載のスイッチング電源装置において、前記第二の整
流平滑手段の後段に、所要の第二の出力電圧を出力する
ＤＣＤＣコンバータを接続したスイッチング電源装置。

【００１８】（５）入力された交流電力を整流平滑する
第一の整流平滑手段と、トランスと、前記第一の整流平
滑手段の出力端と前記トランスの一次巻線の一端との間
に挿入され、前記トランスを駆動するために断続的にオ
ン，オフ動作を行うスイッチング素子と、前記スイッチ
ング素子を制御する制御手段と、前記スイッチング素子
の断続的なオン，オフ動作によって前記トランスの二次
側巻線に誘起されたパルス電力を整流平滑する第二の整
流平滑手段とを備えたスイッチング電源装置における制
御方法であって、前記第二の整流平滑手段の出力電圧が
第一の閾値まで上昇したことを検出するステップＡと、
前記ステップＡで第一の閾値まで上昇したことを検出し
たとき前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ動作
を停止させるステップＢと、前記第二の整流平滑手段の
出力電圧が第二の閾値まで降下したことを検出するステ
ップＣと、前記ステップＣで第二の閾値まで降下したこ
とを検出したとき前記スイッチング素子の断続的なオ
ン，オフ動作を開始させるステップＤとを備えたスイッ
チング電源装置の制御方法。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、ス
イッチング電源装置の実施例により詳しく説明する。な
お、本発明は、装置の形に限らず、実施例の説明に裏付
けられて方法の形で実施することもできる。

【００２０】

【実施例】（実施例１）図１は、実施例１である“スイ
ッチング電源装置”の構成を示すブロック図である。図
１において、前述した従来例の図５と同一部分には同一
符号が付してある。

【００２１】図１において、図５と異なる点は、トラン
ス二次側の平滑コンデンサＣ２と並列に大容量コンデン
サＣ３を設けた点、および電流検出回路を削除して第二
の電圧検出回路ＤＥＴ２を設けた点である。

【００２２】本実施例のスイッチング電源装置の基本的
な回路動作は、前述した図５の従来例と同一であるか
ら、その説明を援用し、ここでは、本実施例のスイッチ
ング電源装置特有の動作についてのみ説明する。

【００２３】本実施例装置では、制御素子ＩＣ１により
常に間欠制御が行われる。図２に本実施例の回路動作時
の、図１中のＡ点，Ｂ点での出力電圧波形を示す。図２
に従って図１の回路動作を説明すると、まず、制御素子
ＩＣ１はオン状態でスタートし、スイッチング素子Ｑ１
を断続的にオン，オフさせる。Ａ点の電圧は制御素子Ｉ
Ｃ１がオン状態の間上昇し続ける。ここで、電圧検出回
路ＤＥＴ１によってＡ点の電圧が規定の閾値１に到達し
たことを検出すると、フォトカプラＰＣ１を経由して制
御素子ＩＣ１をオフさせる。制御素子ＩＣ１がオン状態
の時、二次側の大容量コンデンサＣ３には電荷が充電さ
れ、オフされた瞬間負荷側への放電が開始される。第二
の電圧検出回路ＤＥＴ２によってＡ点の電圧が規定の閾
値２まで低下したことを検出すると、フォトカプラＰＣ
２を経由して再び制御素子ＩＣ１をオンさせる。

【００２４】放電時間は大容量コンデンサＣ３の容量と
負荷の状態によって異なるが、例えば閾値１を３０Ｖ、
閾値２を２０Ｖ、負荷を５Ａ、大容量コンデンサＣ３の
容量を２Ｆとすると、以下の式のように求めることがで
きる。

【００２５】 Ｔｏｆｆ＝（３０−２０）×２／５＝４（秒） これらの閾値１、２の値をＬＯＡＤ１の入力電圧精度を
満たす程度に設定すればこれだけの間欠動作でも電力供
給源として問題にはならない。

【００２６】入力電圧にある程度の精度を要求されるＬ
ＯＡＤ２に関しては、Ａ点の後にＤＣＤＣコンバータ
（電圧調整器）を使用することで実現する。ここでＬＯ
ＡＤ２に必要な電圧値が、閾値１よりも高ければ昇圧用
のＤＣＤＣコンバータ、閾値２よりも低ければ降圧用コ
ンバータ、閾値１，２の間の値であれば昇降圧用コンバ
ータを用意すればよい。

【００２７】また、制御回路では前述のような間欠制御
が前提となっていることから、この電源における最高効
率が出るように出力パルスデューティと周波数を調整
し、連続動作ではＡ点において閾値１よりも高い電圧が
出力されるように設計を行えば、必ずしもＰＷＭ制御を
行う必要はない。つまり、よりシンプルな構成で制御回
路を実現することが可能となる。

【００２８】また、軽負荷時，重負荷時に限らず、スイ
ッチング素子Ｑ１の断続的なオン，オフの動作状態では
この装置における最高効率での動作をしており、スイッ
チング素子Ｑ１の断続的なオン，オフの停止状態では低
損失であるため、軽負荷時から重負荷時までの全域で高
効率で動作を行っていることになる。

【００２９】なお、本実施例では、規定の閾値１に到達
したとき、制御素子ＩＣ１を完全にオフさせ、スイッチ
ング素子Ｑ１のオン，オフ制御を停止することを想定し
ているが、これに限らず、制御素子ＩＣ１の動作の一部
をオフさせ、スイッチング素子Ｑ１のオン，オフ制御を
停止するようにしてもよい。

【００３０】以上説明したように、本実施例によれば、
出力に接続される負荷の特性に合わせて必要な時間だけ
スイッチングを最高効率の状態で行うことにより、従来
段階的にしか対応できなかったスイッチングモードの切
り替えをする必要がなくなり、シンプルで安価な省エネ
ルギ化の構成を実現することができる。

【００３１】（実施例２）図３は、実施例２である“ス
イッチング電源装置”の構成を示すブロック図である。
図３において、前述した実施例１の図１と同一部分には
同一符号が付してある。

【００３２】図３において、図１と異なる点は、図１の
構成中の第二の電圧検出回路ＤＥＴ２とフォトカプラＰ
Ｃ２を削除し、代わりにフォトカプラＰＣ１と制御素子
ＩＣ１との間にタイマ回路を設けた点である。

【００３３】本実施例のスイッチング電源装置の基本的
な回路動作は、前述した実施例１のスイッチング電源装
置と同一であるからその説明を援用し、ここでは、本実
施例のスイッチング電源装置特有の回路動作についての
み説明する。

【００３４】本実施例のスイッチング電源装置では、制
御素子ＩＣ１がオンしてスイッチング素子Ｑ１のスイッ
チングが始まり、Ａ点の電圧が閾値１に到達すると実施
例１と同様に電圧検知回路ＤＥＴ１が検知してフォトカ
プラＰＣ１を経由して制御素子ＩＣ１にオフ信号を送
り、制御素子ＩＣ１をオフさせる。このオフ信号をフォ
トカプラＰＣ１と制御素子ＩＣ１に接続されたタイマ回
路にも入力し、Ａ点の電圧が閾値２まで低下したと予測
される時間の経過後、制御素子ＩＣ１にオン信号を送
る。

【００３５】大容量コンデンサＣ３の容量値と出力負荷
の状態がある程度予測できる状態であれば、放電時間は
前述のように算出可能であるため、この予測の元、設定
時間が経過したら制御素子ＩＣ１をオンさせるためのタ
イマ回路を用意することにより、シンプルな構成で実施
例１と同様の機能が実現でき、同様の効果を得ることが
できる。

【００３６】（実施例３）図４は、実施例３である“ス
イッチング電源装置”の構成を示すブロック図である。
図４において、前述した実施例１の図１と同一部分には
同一符号が付してある。

【００３７】図４において、図１と異なる点は、図１の
構成中の制御素子ＩＣ１に、入力の交流を整流平滑した
後の電圧を検出回路ＤＥＴ３により検出して入力してい
る点である。

【００３８】本実施例のスイッチング電源装置の基本的
な回路動作は、前述した実施例１の図１のスイッチング
電源装置と同一であるからその説明を援用し、ここで
は、本実施例のスイッチング電源装置特有の回路動作に
ついてのみ説明する。

【００３９】本実施例のスイッチング電源装置では、ダ
イオードＤ１とコンデンサＣ１によって整流平滑された
入力電圧を電圧検出回路ＤＥＴ３によって検出し、この
検出された電圧情報を制御素子ＩＣ１に入力する。

【００４０】スイッチング電源の電力変換効率は前述し
た通り出力負荷の状態によっても変化するが、入力電圧
の影響も受けることは一般的に知られている。従って、
入力電圧値を本実施例のように検出することにより、動
作時の入力電圧に対して適切なスイッチング周波数およ
び／またはパルス幅となるように制御することでより最
適な変換効率を得ることが可能となる。なお、入力電圧
は、交流電源から別途検出するようにしてもよい。本実
施例は実施例１をベースとするものであるが、実施例２
をベースとして同様に実施することができる。

【００４１】以上説明したように、本実施例によれば、
実施例１，２より高い変換効率を得ることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
軽負荷時から重負荷時まで全域で高効率な、低コストの
スイッチング電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の構成を示すブロック図

【図２】 Ａ，Ｂ点の電圧波形を示す図

【図３】 実施例２の構成を示すブロック図

【図４】 実施例３の構成を示すブロック図

【図５】 従来例の構成を示すブロック図

【符号の説明】

ＡＣ ＩＮＰＵＴ 商用交流電源 Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ Ｃ３ 大容量コンデンサ Ｄ１、Ｄ２ ダイオード ＤＥＴ１〜ＤＥＴ３ 電圧検出手段 ＩＣ１ スイッチング制御手段 Ｑ１ スイッチング素子 Ｔ１ トランス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力された交流電力を整流平滑する第一
   の整流平滑手段と、トランスと、 前記第一の整流平滑手段の出力端と前記トランスの一次
   巻線の一端との間に挿入され、前記トランスを駆動する
   ために断続的にオン，オフ動作を行うスイッチング素子
   と、 前記スイッチング素子を制御する制御手段と、 前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ動作によっ
   て前記トランスの二次側巻線に誘起されたパルス電力を
   整流平滑する第二の整流平滑手段と、 前記第二の整流平滑手段によって直流化された第一の出
   力電圧が第一の閾値まで上昇したことを検出する第一の
   電圧検出手段と、 前記第一の出力電圧が第二の閾値まで降下したことを検
   出する第二の電圧検出手段とを備え、 前記制御手段は、前記第一の電圧検出手段により前記第
   一の出力電圧が前記第一の閾値まで上昇したことを検出
   したとき、前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ
   動作を停止し、前記第二の電圧検出手段により前記第一
   の出力電圧が前記第二の閾値まで降下したことを検出し
   たとき、前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ動
   作を開始することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 【請求項２】 入力された交流電力を整流平滑する第一
   の整流平滑手段と、トランスと、 前記第一の整流平滑手段の出力端と前記トランスの一次
   巻線の一端との間に挿入され、前記トランスを駆動する
   ために断続的にオン，オフ動作を行うスイッチング素子
   と、 前記スイッチング素子を制御する制御手段と、 前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ動作によっ
   て前記トランスの二次側巻線に誘起されたパルス電力を
   整流平滑する第二の整流平滑手段と、 前記第二の整流平滑手段によって直流化された第一の出
   力電圧が第一の閾値まで上昇したことを検出する第一の
   電圧検出手段と、 タイマ手段とを備え、 前記制御手段は、前記第一の電圧検出手段により前記第
   一の出力電圧が前記第一の閾値まで上昇したことを検出
   したとき、前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ
   動作を停止し、前記タイマ手段により前記スイッチング
   素子が断続的なオン，オフ動作を停止してから所定時間
   が経過したことを検出したとき、前記スイッチング素子
   の断続的なオン，オフ動作を開始することを特徴とする
   スイッチング電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のスイッチング
   電源装置において、前記入力された交流電力の電圧また
   は前記第一の整流平滑手段の出力電圧を検出する第三の
   電圧検出手段を備え、 前記制御手段は、前記第三の電圧検出手段で検出した電
   圧に応じて、前記スイッチング素子のスイッチング周波
   数および／またはパルス幅を制御することを特徴とする
   スイッチング電源装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のス
   イッチング電源装置において、 前記第二の整流平滑手段の後段に、所要の第二の出力電
   圧を出力するＤＣＤＣコンバータを接続したことを特徴
   とするスイッチング電源装置。
5. 【請求項５】 入力された交流電力を整流平滑する第一
   の整流平滑手段と、トランスと、前記第一の整流平滑手
   段の出力端と前記トランスの一次巻線の一端との間に挿
   入され、前記トランスを駆動するために断続的にオン，
   オフ動作を行うスイッチング素子と、前記スイッチング
   素子を制御する制御手段と、前記スイッチング素子の断
   続的なオン，オフ動作によって前記トランスの二次側巻
   線に誘起されたパルス電力を整流平滑する第二の整流平
   滑手段とを備えたスイッチング電源装置における制御方
   法であって、 前記第二の整流平滑手段の出力電圧が第一の閾値まで上
   昇したことを検出するステップＡと、 前記ステップＡで第一の閾値まで上昇したことを検出し
   たとき前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ動作
   を停止するステップＢと、 前記第二の整流平滑手段の出力電圧が第二の閾値まで降
   下したことを検出するステップＣと、 前記ステップＣで第二の閾値まで降下したことを検出し
   たとき前記スイッチング素子の断続的なオン，オフ動作
   を開始するステップＤとを備えたことを特徴とするスイ
   ッチング電源装置の制御方法。