JP2004072878A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽負荷時の消費電力を極力抑え、高効率な電力供給を行うことができるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】スイッチング素子５１とスイッチング信号制御回路５２と発振周波数切換回路５６などを備えた制御回路５と、トランス４の２次巻線４ｃと同極性の電圧を発生する制御巻線４ｂの整流および平滑後の電圧をモニタすることで軽負荷状態を検出し、発振周波数切換回路５６の入力端子に軽負荷時のみハイレベルの信号を入力することのできる軽負荷状態検出回路２０とを備え、軽負荷状態に発振周波数切換回路５６により発振周波数を１／２に低下させる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流入力電圧をスイッチングして変圧し整流平滑することにより、所望の直流電圧を出力するスイッチング電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、家庭用および産業用の各種電子機器に対して電力を供給するための電源装置として広く使用されているスイッチング電源装置を、以下に説明する。
【０００３】
図３は従来のスイッチング電源装置の一構成例を示す回路ブロック図である。図３において、１は入力側主端子、２はダイオードブリッジ等からなる整流器、３は入力平滑コンデンサである。４は電圧変換用のトランス（変圧器）で、１次巻線４ａ、制御巻線４ｂおよび２次巻線４ｃを有している。制御巻線４ｂと２次巻線４ｃには、整流ダイオード６、１０がそれぞれ接続されており、その接続は巻線の巻き始め側、または巻き終わり側のどちらか同じ側とすることで、制御巻線４ｂと２次巻線４ｃに発生するそれぞれの電圧を同極性（同位相）とする。
【０００４】
２次巻線４ｃ側には、出力側主端子１４との間に、ダイオード１０、出力電圧平滑コンデンサ１１および出力電圧検出回路１３からなる出力整流平滑回路が接続され、さらに出力側主端子１４を通じて負荷１５が接続されている。
【０００５】
出力電圧検出回路１３は、電圧降下型素子として例えばツェナーダイオード１２と、上記の出力整流平滑回路において整流および平滑された第２の直流電圧の変動により、制御回路５がスイッチング素子５１を制御するための信号を制御回路５へ伝達する絶縁信号伝達手段７を構成する絶縁信号送信部７ｂとで構成される。
【０００６】
この絶縁信号伝達手段７で送受信される信号は、絶縁信号送信部７ｂを通る電流値により規定される。つまり、第２の直流電圧が、出力電圧検出回路１３により規定された電圧値を基準とし、それよりも電圧値が高くなれば絶縁信号送信部７ｂを通る電流値が多くなり、その電流値の変化を絶縁信号送信部７ｂで検出し、その検出信号が絶縁信号受信部７ａに送られて、絶縁信号受信部７ａのトランジスタなどの半導体で形成されたスイッチがオンとなり、逆に、第２の直流電圧が出力電圧検出回路１３で規定された基準電圧値より低くなれば、絶縁信号送信部７ｂを通る電流値は少なくなるため、絶縁信号送信部７ｂでの検出信号は停止し、絶縁信号受信部７ａのスイッチはオフとなる。
【０００７】
制御巻線４ｂ側には、ダイオード６とコンデンサ８とで構成された整流平滑回路が接続され、さらに絶縁信号伝達手段７の絶縁信号受信部７ａを介して、スイッチング信号制御回路５２と発振周波数切換回路５６へ接続されている。通常の動作状態においては、第２の直流電圧の変動により、絶縁信号送信部７ｂより送られるスイッチング素子５１を制御するための信号を、絶縁信号受信部７ａで受けて、制御回路５へ供給される電流値ＩＣは変化する。ここで、この制御回路５へ供給される電流値は、絶縁信号伝達手段７の信号受信部７ａを介して供給される。
【０００８】
パワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子５１により、入力平滑コンデンサ３から１次巻線４ａを通じてスイッチング素子５１に供給される第１の直流電圧に対して行われるスイッチング動作は、絶縁信号伝達手段７の絶縁信号受信部７ａを介して、絶縁信号送信部７ｂの電流値の変化に応じて制御回路５に供給される制御電圧ＶＣを基にして、制御回路５内にあるスイッチング信号制御回路５２からの交流信号により、ドライブ回路５５を通じて行われる。
【０００９】
５４は制御回路５の回路電流を供給するための内部回路電流供給回路で、５３は回路電流の切替スイッチである。起動時は、切替スイッチ５３がオンとなっているため、１次巻線４ａから制御回路電源電圧用のコンデンサ９へ電流ＩＣが供給されコンデンサ９に充電される。この充電された制御回路電源電圧用コンデンサ９により、制御回路５の電源電圧を生成している。起動後は、切替スイッチ５３がオフとなるため、内部回路電流供給回路５４からの電流供給がなくなり、制御巻線４ｂから絶縁信号伝達手段７の絶縁信号受信部７ａを介して制御回路電源電圧用コンデンサ９が充電され、制御回路５へ電源電圧が供給されるようになる。
【００１０】
５６は制御回路５の発振周波数切換回路である。発振周波数切換回路５６の入力端子ＦＲＥＱを制御回路５の基準電位（ローレベル）と接続すると、スイッチング信号制御回路５２に第１の周波数（Ｆ０）で発振するように信号を出力し、また、発振周波数切換回路５６の入力端子を制御回路５の電源電位（ハイレベル）と接続すると、スイッチング信号制御回路５２に例えば第１の周波数の１／２である第２の周波数（Ｆ０／２）で発振するように信号を出力する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような従来のスイッチング電源装置の構成では、図３に示すように、負荷１５が重い場合など、負荷１５に供給する電力が多く必要なときは、発振周波数切換回路５６の入力端子ＦＲＥＱを制御回路５の基準電位（ローレベル）と接続し固定することで、スイッチング信号制御回路５２により第２の周波数にくらべてより高い第１の周波数で発振させるが、逆に、負荷１５が軽くなった場合にも、そのまま高い第１の周波数で発振し続けるためスイッチングロスが大きくなり、消費電力が大きくなるという問題点を有していた。
【００１２】
また、負荷１５が軽い場合など、負荷１５に供給する電力が少なくてよいときは、発振周波数切換回路５６の入力端子ＦＲＥＱを制御回路５の電源電位（ハイレベル）と接続し固定することで、スイッチング信号制御回路５２により第１の周波数にくらべてより低い第２の周波数で発振させるが、逆に、負荷１５が重くなった場合にも、そのまま低い第２の周波数で発振し続けるため負荷１５に供給する電力が少なくなり、負荷１５に十分な電力を供給するためには時間がかかるという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、軽負荷時には、そのときの消費電力を可能な限り低減し、高効率な電力供給を行うことができ、負荷への無駄な電力供給をなくして全消費電力を必要最低限に抑えることができるスイッチング電源装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の請求項１に記載のスイッチング電源装置は、入力側からの第１の直流電圧が供給される１次巻線、前記１次巻線と電気的に絶縁された２次巻線および制御巻線を有する変圧器と、前記入力側から前記１次巻線までに介装され、前記第１の直流電圧の前記１次巻線への供給をオンオフしてスイッチングするスイッチング素子と、前記スイッチング素子によるスイッチングの周波数を制御する制御回路と、前記スイッチング素子のスイッチングにより、前記２次巻線に発生する交流電圧を整流および平滑して第２の直流電圧を生成して、出力側に接続された負荷に供給する出力整流平滑回路と、前記出力整流平滑回路からの第２の直流電圧の変化を検出して送信する手段、および、前記送信手段と電気的に絶縁された状態で前記送信手段により検出された前記第２の直流電圧の変化を受信する手段を有し、前記受信手段により、前記第２の直流電圧の変化に応じて、前記制御巻線からの交流電圧に基づく直流電圧をオンオフして前記制御回路への電源供給を制御する絶縁信号伝達手段と、前記出力側に接続された負荷の重みに応じて変化する前記制御巻線からの交流電圧に基づく直流電圧を基に、前記負荷が軽い軽負荷状態を検出したときに、前記制御回路が前記軽負荷状態に対応するスイッチング周波数に制御するための周波数制御信号を、前記制御回路に供給する軽負荷状態検出回路とを備え、前記軽負荷状態検出回路を、前記軽負荷状態を検出したときには、前記制御回路が前記スイッチング周波数を通常時より低くなるように制御する前記周波数制御信号を、前記制御回路に供給するよう構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載のスイッチング電源装置は、請求項１に記載のスイッチング電源装置であって、軽負荷状態検出回路は、前記制御巻線からの交流電圧に基づく直流電圧を基に、軽負荷状態の検出を示す検出電圧を、抵抗分割により、前記検出電圧が、定常動作時には前記軽負荷状態の非検出を示す高い値になり、軽負荷時には当該状態の検出を示す低い値になるように、設定するよう構成したことを特徴とする。
【００１６】
以上により、重負荷時にはその重負荷に対して必要十分な電力を供給し、軽負荷時には、スイッチング素子をドライブするためのスイッチング信号の発振周波数を低下させて、軽負荷に対して必要最小限の電力供給を可能とすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示すスイッチング電源装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１８】
図１は本実施の形態のスイッチング電源装置の一構成例を示す回路ブロック図である。図１において、１は入力側主端子、２はダイオードブリッジ等からなる整流器、３は入力平滑コンデンサである。４は電圧変換用のトランス（変圧器）で、１次巻線４ａ、制御巻線４ｂおよび２次巻線４ｃを有している。制御巻線４ｂと２次巻線４ｃには、整流ダイオード６、１０がそれぞれ接続されており、その接続は巻線の巻き始め側、または巻き終わり側のどちらか同じ側とすることで、制御巻線４ｂと２次巻線４ｃに発生するそれぞれの電圧を同極性（同位相）とする。
【００１９】
２次巻線４ｃ側には、出力側主端子１４との間に、ダイオード１０、出力電圧平滑コンデンサ１１および出力電圧検出回路１３からなる出力整流平滑回路が接続され、さらに出力側主端子１４を通じて負荷１５が接続されている。
【００２０】
出力電圧検出回路１３は、電圧降下型素子として例えばツェナーダイオード１２と、上記の出力整流平滑回路において整流および平滑された第２の直流電圧の変動により、制御回路５がスイッチング素子５１を制御するための信号を制御回路５へ伝達する絶縁信号伝達手段７を構成する絶縁信号送信部７ｂとで構成される。
【００２１】
この絶縁信号伝達手段７で送受信される信号は、絶縁信号送信部７ｂを通る電流値により規定される。つまり、第２の直流電圧が、出力電圧検出回路１３により規定された電圧値を基準とし、それよりも電圧値が高くなれば絶縁信号送信部７ｂを通る電流値が多くなり、その電流値の変化を絶縁信号送信部７ｂで検出し、その検出信号が絶縁信号受信部７ａに送られて、絶縁信号受信部７ａのトランジスタなどの半導体で形成されたスイッチがオンとなり、逆に、第２の直流電圧が出力電圧検出回路１３で規定された基準電圧値より低くなれば、絶縁信号送信部７ｂを通る電流値は少なくなるため、絶縁信号送信部７ｂでの検出信号は停止し、絶縁信号受信部７ａのスイッチはオフとなる。
【００２２】
制御巻線４ｂ側には、ダイオード６とコンデンサ８とで構成された整流平滑回路が接続され、さらに絶縁信号伝達手段７の絶縁信号受信部７ａを介して、スイッチング信号制御回路５２と発振周波数切換回路５６へ接続されている。通常の動作状態においては、第２の直流電圧の変動により、絶縁信号送信部７ｂより送られるスイッチング素子５１を制御するための信号を、絶縁信号受信部７ａで受けて、制御回路５へ供給される電流値ＩＣは変化する。ここで、この制御回路５へ供給される電流値は、絶縁信号伝達手段７の信号受信部７ａを介して供給される。
【００２３】
パワーＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子５１により、入力平滑コンデンサ３から１次巻線４ａを通じてスイッチング素子５１に供給される第１の直流電圧に対して行われるスイッチング動作は、絶縁信号伝達手段７の絶縁信号受信部７ａを介して、絶縁信号送信部７ｂの電流値の変化に応じて制御回路５に供給される制御電圧ＶＣを基にして、制御回路５内にあるスイッチング信号制御回路５２からの交流信号により、ドライブ回路５５を通じて行われる。
【００２４】
５４は制御回路５の回路電流を供給するための内部回路電流供給回路で、５３は回路電流の切替スイッチである。起動時は、切替スイッチ５３がオンとなっているため、１次巻線４ａから制御回路電源電圧用のコンデンサ９へ電流ＩＣが供給されコンデンサ９に充電される。この充電された制御回路電源電圧用コンデンサ９により、制御回路５の電源電圧を生成している。起動後は、切替スイッチ５３がオフとなるため、内部回路電流供給回路５４からの電流供給がなくなり、制御巻線４ｂから絶縁信号伝達手段７の絶縁信号受信部７ａを介して制御回路電源電圧用コンデンサ９が充電され、制御回路５へ電源電圧が供給されるようになる。
【００２５】
５６は制御回路５の発振周波数切換回路である。発振周波数切換回路５６の入力端子ＦＲＥＱを制御回路５の基準電位（ローレベル）と接続すると、スイッチング信号制御回路５２に第１の周波数（Ｆ０）で発振するように信号を出力し、また、発振周波数切換回路５６の入力端子を制御回路５の電源電位（ハイレベル）と接続すると、スイッチング信号制御回路５２に例えば第１の周波数の１／２である第２の周波数（Ｆ０／２）で発振するように信号を出力する。
【００２６】
以上のようなスイッチング電源装置において、負荷が重い場合など定常動作時は、出力電圧検出回路１３内の絶縁信号伝達手段７の絶縁信号送信部７ｂからの信号が、１次側の絶縁信号受信部７ａへ伝わり、絶縁信号受信部７ａのスイッチがオンし、制御巻線４ｂから信号受信部７ａを介して制御回路電源電圧用コンデンサ９へ電流が供給され、さらに制御回路５に電源電圧が供給されて、第２の直流電圧の上昇に伴い、トランス４の制御巻線４ｂの電圧も上昇する。
【００２７】
このとき、軽負荷状態検出回路２０において、ダイオードなどの整流器６とコンデンサ８により整流および平滑されたトランス４の制御巻線４ｂの電圧は、抵抗２４と抵抗２５とにより抵抗分割され、この抵抗分割された電圧値ＶＲＬがＰＮＰトランジスタ２３のオン電圧よりも高い値となり、ＰＮＰトランジスタ２３はオフとなって、発振周波数切換回路５６の入力端子ＦＲＥＱは、抵抗２２を介して基準電位に接続されているため、軽負荷状態の検出ではない状態であるので第１の周波数で発振し続ける。
【００２８】
逆に、負荷１５が軽くなった場合には、２次側の出力電圧値が出力電圧検出回路１３で規定された電圧値より出力電圧が下がったとき、出力電圧検出回路１３内の絶縁信号伝達手段７の絶縁信号送信部７ｂからの信号が発信されず、１次側の絶縁信号受信部７ａへ伝わらないため、絶縁信号受信部７ａのスイッチがオフし、制御回路５内のスイッチング信号制御回路５２に供給される電流値が減少することにより、スイッチング素子５１のスイッチングを行うが、２次側の出力電圧値の低下に伴いトランス４の制御巻線４ｂの整流および平滑後の電圧ＶＦＢも低下するため、軽負荷状態検出回路２０内の抵抗２４と２５で分割された電圧ＶＲＬも比例して低下し、ＰＮＰトランジスタ２３がオンし、コンデンサ２１と抵抗２２に電流が供給され、発振周波数切換回路５６の入力端子ＦＲＥＱの電圧ＶＦＲは、ＰＮＰトランジスタ２３を介して制御回路５の電源電位と接続されており、第２の周波数（例えばＦ０／２）で発振する。
【００２９】
軽負荷状態を検出する電圧ＶＲＬを、抵抗分割により、定常動作時には、軽負荷状態という検出をしない、つまりＰＮＰトランジスタ２３がオンしない高い電圧値になり、軽負荷時には、ＰＮＰトランジスタ２３がオンし、軽負荷状態を検出する低い電圧値になるように、抵抗２４、２５の分割比を設定することにより、軽負荷状態検出回路２０は、定常動作のスイッチング電源の動作には影響しないように構成されている。
【００３０】
以上のように構成されたスイッチング電源装置について、軽負荷時における動作を以下に説明する。
図２は本実施の形態のスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャートである。なお、図２（ｄ）の実線は図１に示す本実施の形態の回路構成とした場合の波形であり、破線は図３に示す従来の回路構成とした場合の波形である。
【００３１】
軽負荷時、負荷１５への第２の直流電圧Ｖｏは緩やかに変動し（図２（ａ））、制御巻線４ｂに発生する電圧と、２次巻線４ｃに発生する電圧とは同極性のため、第２の直流電圧Ｖｏの変動と共に、制御巻線４ｂの整流、平滑化された電圧ＶＦＢも変動し、ＶＦＢを抵抗分割することにより生成している軽負荷検出電圧ＶＲＬも同様に変動する（図２（ｂ））。
【００３２】
軽負荷検出電圧ＶＲＬが、ＰＮＰトランジスタ２３のオン電圧以下になりオンすると、発振周波数切換回路５６の入力端子電圧ＶＦＲは、基準電位（ローレベル）から制御回路５の電源電位ＶＣ（ハイレベル）に切り換わる（図２（ｃ））。そうすることで、連続的に発振している状態において、発振周波数切換回路５６により、発振周波数は第１の周波数（Ｆ０）から第２の周波数（Ｆ０／２）に切り換わる（図２（ｄ）の実線）。
【００３３】
このようにして、スイッチング素子５１を流れる電流波形の発振回数が減ることにより、入力電力を低減させることができ、また、スイッチングロスを低減させることも可能となるため、軽負荷時の高効率化と低消費電力化が図れる。
【００３４】
その結果、軽負荷時には、そのときの消費電力を可能な限り低減し、高効率な電力供給を行うことができ、負荷への無駄な電力供給をなくして全消費電力を必要最低限に抑えることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、重負荷時にはその重負荷に対して必要十分な電力を供給し、軽負荷時には、スイッチング素子をドライブするためのスイッチング信号の発振周波数を低下させて、軽負荷に対して必要最小限の電力供給を実現することができる。
【００３６】
そのため、軽負荷時には、そのときの消費電力を可能な限り低減し、高効率な電力供給を行うことができ、負荷への無駄な電力供給をなくして全消費電力を必要最低限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のスイッチング電源装置の一構成例を示す回路ブロック図
【図２】同実施の形態のスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイムチャート
【図３】従来のスイッチング電源装置の一構成例を示す回路ブロック図
【符号の説明】
１　　入力側主端子
２　　整流器
３　　入力コンデンサ
４　　トランス
４ａ　　１次巻線
４ｂ　　制御巻線
４ｃ　　２次巻線
５　　制御回路
６、１０　　整流器
７　　絶縁信号伝達手段
７ａ　　絶縁信号受信部
７ｂ　　絶縁信号送信部
８、９、２１　　コンデンサ
１１　　出力コンデンサ
１２　　ツェナーダイオード
１３　　出力電圧検出回路
１４　　出力側主端子
１５　　負荷
２０　　軽負荷状態検出回路
２２、２４、２５　　抵抗
２３　　ＰＮＰトランジスタ
５１　　スイッチング素子
５２　　スイッチング信号制御回路
５３　　切替スイッチ
５４　　内部回路電流供給回路
５５　　ドライブ回路
５６　　発振周波数切換回路

Claims (2)

1. 入力側からの第１の直流電圧が供給される１次巻線、前記１次巻線と電気的に絶縁された２次巻線および制御巻線を有する変圧器と、前記入力側から前記１次巻線までに介装され、前記第１の直流電圧の前記１次巻線への供給をオンオフしてスイッチングするスイッチング素子と、前記スイッチング素子によるスイッチングの周波数を制御する制御回路と、前記スイッチング素子のスイッチングにより、前記２次巻線に発生する交流電圧を整流および平滑して第２の直流電圧を生成して、出力側に接続された負荷に供給する出力整流平滑回路と、前記出力整流平滑回路からの第２の直流電圧の変化を検出して送信する手段、および、前記送信手段と電気的に絶縁された状態で前記送信手段により検出された前記第２の直流電圧の変化を受信する手段を有し、前記受信手段により、前記第２の直流電圧の変化に応じて、前記制御巻線からの交流電圧に基づく直流電圧をオンオフして前記制御回路への電源供給を制御する絶縁信号伝達手段と、前記出力側に接続された負荷の重みに応じて変化する前記制御巻線からの交流電圧に基づく直流電圧を基に、前記負荷が軽い軽負荷状態を検出したときに、前記制御回路が前記軽負荷状態に対応するスイッチング周波数に制御するための周波数制御信号を、前記制御回路に供給する軽負荷状態検出回路とを備え、前記軽負荷状態検出回路を、前記軽負荷状態を検出したときには、前記制御回路が前記スイッチング周波数を通常時より低くなるように制御する前記周波数制御信号を、前記制御回路に供給するよう構成したことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 軽負荷状態検出回路は、前記制御巻線からの交流電圧に基づく直流電圧を基に、軽負荷状態の検出を示す検出電圧を、抵抗分割により、前記検出電圧が、定常動作時には前記軽負荷状態の非検出を示す高い値になり、軽負荷時には当該状態の検出を示す低い値になるように、設定するよう構成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。

Images