JP2004088887A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】メインスイッチ素子Qのスイッチング動作により出力電圧Voutの制御を行うタイプのスイッチング電源装置1において、出力電圧検出回路10により間接的に検出された出力電圧Voutの検出電圧Vdに基づいて出力電圧Voutを安定化すべく制御回路16がメインスイッチ素子Qのスイッチング制御を行う。チョークコイル7に磁気的に結合する補助コイル25を設けると共に、リップル検出回路28を設ける。リップル検出回路28は、補助コイル25の誘起電圧の交流成分を平滑コンデンサ6,8とチョークコイル7のLC共振に起因した出力電圧Voutのリップルの検出電圧として出力し当該リップル検出電圧を出力電圧検出回路10の検出電圧Vdに重畳する。制御回路16によるメインスイッチ素子Qのスイッチング制御により、出力電圧Voutのリップルを抑制できる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、出力電圧を間接制御するタイプのスイッチング電源装置に関するものである。
【0002】
【背景技術】
スイッチング電源装置の一回路構成例が図3に示されている。スイッチング電源装置1はトランス2を有し、このトランス2の一次コイルN1にはメインスイッチ素子(例えばMOS−FET)Qが接続されている。また、トランス2の二次コイルN2には二次側出力回路3が接続されている。二次側出力回路3は、メインスイッチ素子Qのスイッチング動作に基づいて二次コイルN2から出力された電圧を整流平滑し当該整流平滑した直流電圧を出力電圧Voutとして外部の負荷4に出力する回路である。この二次側出力回路3は、整流素子であるダイオード5と、π型平滑回路を構成する平滑コンデンサ6とチョークコイル7と平滑コンデンサ8とを有して構成されている。
【0003】
さらに、トランス2には三次コイルN3が設けられており、三次コイルN3には出力電圧検出回路10が接続されている。出力電圧検出回路10は、整流素子であるダイオード11と、平滑コンデンサ12と、分圧抵抗体13,14とを有して構成されている。この出力電圧検出回路10は、三次コイルN3から出力された電圧をダイオード11と平滑コンデンサ12により整流平滑し、該整流平滑電圧を分圧抵抗体13,14により分圧し当該分圧電圧を出力電圧Voutの検出電圧Vdとして出力する。
【0004】
メインスイッチ素子Qには制御回路16が駆動回路17を介して接続されている。制御回路16は、出力電圧検出回路10から出力された検出電圧Vdを利用して、出力電圧Voutを設定電圧に安定化すべくメインスイッチ素子Qのスイッチング制御を行う。つまり、制御回路16は、出力電圧検出回路10から出力された検出電圧Vdを利用して、メインスイッチ素子Qのスイッチング制御を行うための信号を出力する。駆動回路17は、例えば、そのスイッチング制御用の信号を増幅してメインスイッチ素子Qに加える。メインスイッチ素子Qは、そのスイッチング制御用の信号に従ってスイッチング動作を行う。
【0005】
ところで、スイッチング電源装置1に電源が投入された直後の電圧の立ち上がり期間や、負荷4の急激な変動による出力電圧Voutの大きな変動を補正している途中の電圧安定化までの過渡期間などにおいて、二次側出力回路3の平滑コンデンサ6,8とチョークコイル7のLC共振に起因して、スイッチング電源装置1から負荷4に出力される出力電圧Voutにリップルと呼ばれる不要な交流成分が乗ってしまうことがある。この出力電圧Voutのリップルに応じて、三次コイルN3の誘起電圧にもリップルが生じるが、一般的に三次コイルN3の誘起電圧は二次コイルN2に誘起される電圧よりも低く、この三次コイルN3の誘起電圧の低さによって当該三次コイルN3の誘起電圧に生じるリップルは非常に小さいものとなる。
【0006】
このため、出力電圧検出回路10から制御回路16に加えられる出力電圧Voutの検出電圧Vdはリップルが含まれていない状態とほぼ同じであり、これにより、制御回路16は、出力電圧Voutのリップルを検知できずにメインスイッチ素子Qのスイッチング制御を行うこととなる。つまり、制御回路16によるメインスイッチ素子Qのスイッチング制御によって、出力電圧Voutのリップルを抑制することができない。このため、起動直後の電圧立ち上がり期間や、出力電圧Voutの変動の補正期間において、出力電圧Voutは、リップルのために、設定電圧に安定するまでに時間がかかるという問題が生じる。
【0007】
そこで、そのような出力電圧Voutのリップルを抑制するために、例えば、図3の点線に示されるような抵抗体20とコンデンサ21の直列接続体を平滑コンデンサ6,8に並列に設ける構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
この提案例の構成では、コンデンサ21を設けることにより、リップルの原因であるLC共振に関与する容量が増加し、これにより、リップルの電圧振幅を小さく抑制することができる。また、リップルの周期を長くすることもできる。よって、コンデンサ21の容量を例えば平滑コンデンサ6よりも大きな適宜な値に設定することで、出力電圧Voutのリップルをほぼ抑制することができる。
【0009】
【特許文献1】
登録実用新案第3054996号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、提案例の構成では、コンデンサ21の充放電に起因した電流の通電経路上に抵抗体20が介設されている。このため、コンデンサ21の充電期間および放電期間において、抵抗体20による電力損失が発生してしまうという問題が生じる。
【0011】
ところで、間接的に検出された出力電圧Voutの検出電圧Vdに基づいてメインスイッチ素子Qのスイッチング制御を行うと、上記のような問題が生じるので、出力電圧Voutを間接的に検出するのではなく、出力電圧Voutを直接的に検出し当該直接検出の出力電圧Voutの検出電圧に基づいてメインスイッチ素子Qのスイッチング制御を行うことが考えられる。しかし、二次コイルN2側で直接的に検出した出力電圧Voutの検出電圧を制御回路16に供給するためには、その検出電圧の導通経路上にフォトカプラを介設する必要がある。そのフォトカプラによって、制御回路16に加えられる検出電圧は、出力電圧Voutよりも位相が遅れたものとなってしまう。この検出電圧の位相遅れによって、出力電圧Voutの変動に対する制御回路16のメインスイッチ素子Qのスイッチング制御の応答性が悪くなるという問題が生じる。
【0012】
この発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、間接的に検出した出力電圧Voutの検出電圧に基づいてメインスイッチ素子のスイッチング制御を行うことで、出力電圧Voutの変動に対するメインスイッチ素子のスイッチング制御の応答の高速化を図り、しかも、出力電圧Voutのリップルを抑制することができる低損失なスイッチング電源装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、この発明は、トランスの一次コイル側に設けられたメインスイッチ素子のスイッチング動作によって、トランスの二次コイルから出力される電圧を整流平滑して外部に出力する構成を備えると共に、トランスの三次コイルから出力される電圧を整流平滑し当該整流平滑電圧に基づいた電圧を前記外部への出力電圧の検出電圧として間接的に検出出力する出力電圧検出回路と、この出力電圧検出回路による検出電圧を利用して前記外部への出力電圧を安定化すべくメインスイッチ素子のスイッチング制御を行う制御回路とが設けられているスイッチング電源装置において、トランスの二次コイルから出力される電圧を平滑する回路は、チョークコイルと平滑コンデンサを有して構成されており、そのチョークコイルに磁気的に結合する補助コイルと、この補助コイルに誘起される電圧の交流成分を前記チョークコイルと平滑コンデンサの共振動作に起因した外部への出力電圧のリップルの検出電圧として出力し当該リップル検出電圧を前記出力電圧検出回路から出力される検出電圧に重畳するリップル検出回路とが設けられていることを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態例の説明において、図3に示すスイッチング電源装置と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【0015】
この実施形態例のスイッチング電源装置1は、図3に示す回路構成に加えて、図1に示されるように、二次側出力回路3のチョークコイル7に磁気的に結合する補助コイル25と、補助コイル25に接続するリップル検出回路28と、AC成分結合コンデンサ29とを有して構成されている。
【0016】
リップル検出回路28は、補助コイル25に誘起される電圧の交流成分を検出する回路である。補助コイル25の誘起電圧の交流成分は、二次側出力回路3の平滑コンデンサ6,8とチョークコイル7のLC共振に起因した出力電圧Voutのリップルに応じたものであることから、リップル検出回路28は、補助コイル25の誘起電圧の交流成分をリップル検出電圧Vrとして出力する。このリップル検出回路28の回路構成は特に限定されるものではないが、その一例が図1に示されている。図示の例では、リップル検出回路28は、補助コイル25に直列的に接続されるダイオード26と、補助コイル25に並列的に接続される抵抗体27とを有して構成されている。
【0017】
リップル検出回路28の出力部は、AC成分結合コンデンサ29を介して出力電圧検出回路10の出力部に接続されている。これにより、出力電圧検出回路10から出力される出力電圧Voutの検出電圧Vdには、リップル検出回路28から出力されるリップル検出電圧Vrが重畳され、当該重畳電圧が制御回路16に加えられる。
【0018】
制御回路16は、そのリップル検出電圧Vrが重畳された出力電圧Voutの検出電圧Vdに基づいて、メインスイッチ素子Qのスイッチング制御を行うので、当該制御回路16によるメインスイッチ素子Qのスイッチング制御により、出力電圧Voutのリップルを抑制することができる。
【0019】
なお、この発明はこの実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、この実施形態例では、フライバックコンバータタイプのスイッチング電源装置の例を示したが、この発明は、フライバックコンバータタイプ以外の例えばフォワードコンバータタイプ等のスイッチング電源装置にも適用することができる。フォワードコンバータタイプのスイッチング電源装置に、本発明の特有な構成を組み込んだ場合の一例が図2に示されている。図2の例では、二次側出力回路3は、チョークコイル7と平滑コンデンサ8と整流用のダイオード30,31を有して構成されている。また、出力電圧検出回路10は、二次側出力回路3と同様な構成を有し、整流用のダイオード32,33と、チョークコイル34と、平滑コンデンサ12と、分圧抵抗体13,14とを有して構成されている。
【0020】
このようなフォワードコンバータタイプにおいても、この実施形態例と同様に、二次側出力回路3のチョークコイル7に磁気的に結合する補助コイル25と、この補助コイル25に誘起される電圧の交流成分を検出し当該検出のリップル検出電圧Vrを出力電圧検出回路10の検出電圧Vdに重畳するリップル検出回路28と、AC成分結合コンデンサ29とを設ける。これにより、制御回路16によるメインスイッチ素子Qのスイッチング制御によって、二次側出力回路3のチョークコイル7と平滑コンデンサ8のLC共振に起因した出力電圧Voutのリップルを抑制することができる。
【0021】
また、図1〜図3ではDC−DC変換の例を示したが、本発明は、例えば、AC−DC変換タイプのスイッチング電源装置にも適用することができる。
【0022】
さらに、この実施形態例では、二次コイルN2の出力電圧や、三次コイルN3の出力電圧を整流する整流素子としてダイオード5,11,30〜33が設けられている例を示したが、例えば、それらダイオード5,11,30〜33のうちの1つ以上に代えて、MOS−FET等から成る同期整流器を整流素子として設けてもよい。
【0023】
【発明の効果】
この発明によれば、トランスの二次側のチョークコイルに磁気的に結合する補助コイルを設けると共に、この補助コイルに誘起される電圧の交流成分をリップル検出電圧として検出するリップル検出回路を設け、このリップル検出回路から出力されるリップル検出電圧を出力電圧検出回路から出力される出力電圧の検出電圧に重畳する構成とした。そのリップル検出電圧が重畳された出力電圧の検出電圧が制御回路に供給されて、制御回路は、その検出電圧を利用してメインスイッチ素子のスイッチング制御を行うので、制御回路によるメインスイッチ素子のスイッチング制御によって、出力電圧のリップルを抑制することができる。
【0024】
このため、スイッチング電源装置の起動直後の電圧の立ち上がり期間や、負荷の急激な変動による出力電圧の補正期間において、出力電圧の不要振動であるリップルが抑制されて、出力電圧を迅速に設定の電圧に安定させることが可能となる。これにより、スイッチング電源装置の出力電圧の安定の信頼性を向上させることができる。
【0025】
また、この発明のスイッチング電源装置は、出力電圧を間接的に検出し当該間接検出の検出電圧に基づいてメインスイッチ素子のスイッチング制御を行う構成である。このため、出力電圧の検出電圧を制御回路に供給するための導通経路上にフォトカプラを設けなくて済むので、フォトカプラに起因した検出電圧の位相遅れは無く、出力電圧の変動に対して瞬時に反応して出力電圧の安定化を図ることができる。これにより、スイッチング電源装置の出力電圧の安定化制御の応答性の高速化を図ることが容易となる。
【0026】
さらに、トランスの二次側の回路に抵抗体を設けなくとも出力電圧のリップルを抑制することができるので、本発明では、抵抗体に因る電力損失の増加を回避しながら、出力電圧のリップルを抑制することができる。さらに、簡単な構成で出力電圧のリップルを抑制することができるので、低コストでスイッチング電源装置の出力電圧の安定性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスイッチング電源装置の一実施形態例を示す回路図である。
【図2】本発明に係るスイッチング電源装置のその他の実施形態例を示す回路図である。
【図3】スイッチング電源装置の一従来例を説明するための回路図である。
【符号の説明】
1 スイッチング電源装置
2 トランス
6,8 平滑コンデンサ
7 チョークコイル
10 出力電圧検出回路
16 制御回路
25 補助コイル
28 リップル検出回路
Q メインスイッチ素子
N1 一次コイル
N2 二次コイル
N3 三次コイル
Claims (1)
- トランスの一次コイル側に設けられたメインスイッチ素子のスイッチング動作によって、トランスの二次コイルから出力される電圧を整流平滑して外部に出力する構成を備えると共に、トランスの三次コイルから出力される電圧を整流平滑し当該整流平滑電圧に基づいた電圧を前記外部への出力電圧の検出電圧として間接的に検出出力する出力電圧検出回路と、この出力電圧検出回路による検出電圧を利用して前記外部への出力電圧を安定化すべくメインスイッチ素子のスイッチング制御を行う制御回路とが設けられているスイッチング電源装置において、トランスの二次コイルから出力される電圧を平滑する回路は、チョークコイルと平滑コンデンサを有して構成されており、そのチョークコイルに磁気的に結合する補助コイルと、この補助コイルに誘起される電圧の交流成分を前記チョークコイルと平滑コンデンサの共振動作に起因した外部への出力電圧のリップルの検出電圧として出力し当該リップル検出電圧を前記出力電圧検出回路から出力される検出電圧に重畳するリップル検出回路とが設けられていることを特徴とするスイッチング電源装置。
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JP2014107933A (ja) * | 2012-11-27 | 2014-06-09 | Omron Automotive Electronics Co Ltd | 電源回路およびそれを用いた充電装置 |
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