JP2004129364A - 電圧検出回路及びスイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】一般的なバンドギャップリファレンス回路を用いて低電圧を検出することができる電圧検出回路、及び、その電圧検出回路を備えて低電圧の直流出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置を提供すること。
【解決手段】高電位側電源入力端子１と、低電位側電源入力端子２と、スイッチング手段としてのバイポーラ形のスイッチングトランジスタ３と、一次巻線と二次巻線とを有するトランス４と、整流回路としての整流ダイオード５及びフライホイルダイオード６と、平滑回路としてのチョークコイル７及び平滑コンデンサ８と、高電位側電源出力端子９と、低電位側電源出力端子１０と、電圧検出回路１１と、パルス幅変調回路１２と、を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】高電位側電源入力端子１と、低電位側電源入力端子２と、スイッチング手段としてのバイポーラ形のスイッチングトランジスタ３と、一次巻線と二次巻線とを有するトランス４と、整流回路としての整流ダイオード５及びフライホイルダイオード６と、平滑回路としてのチョークコイル７及び平滑コンデンサ８と、高電位側電源出力端子９と、低電位側電源出力端子１０と、電圧検出回路１１と、パルス幅変調回路１２と、を備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧検出回路、及び、スイッチング電源装置に関し、特に、低電圧を検出するための電圧検出回路、及び、低電圧を出力するスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スイッチング電源装置の直流出力電圧の安定化のための帰還手段として、フォトカプラとシャントレギュレータとを備える電圧検出回路が用いられる。図３に示すように、従来例のスイッチング電源装置は、パルス幅変調回路１４によってスイッチングトランジスタ３のオンオフを制御することにより、高電位側電源入力端子１と低電位側電源入力端子２との間に印加される電源電圧ＶＩＮに基き一次巻線に流れる電流を断続してトランス４の二次巻線に交流電圧を発生させ、その交流電圧を整流回路としての整流ダイオード５とフライホイルダイオード６とにより整流し、さらに平滑回路としてのチョークコイル７と平滑コンデンサ８とにより平滑して、高電位側電源出力端子９と低電位側電源出力端子１０との間に直流出力電圧ＶＯＵＴを出力する。そして、直流出力電圧ＶＯＵＴを安定化させるための帰還手段として、直流出力電圧ＶＯＵＴを検出する電圧検出回路１３が設けられている。
【０００３】
電圧検出回路１３は、高電位側電源出力端子９と低電位側電源出力端子１０との間に、抵抗１３７と、フォトカプラ１３８の発光素子としての発光ダイオード１３９と、シャントレギュレータ１３６のカソード端（Ｃ）アノード端（Ａ）間と、を直列に接続し、シャントレギュレータ１３６のリファレンス端（Ｒ）に直流出力電圧ＶＯＵＴを分圧回路１３５により分圧して印加し、帰還信号を出力するフォトカプラ１３８の受光素子としてのフォトトランジスタ１４０のコレクタ端とエミッタ端とがパルス幅変調回路１４の帰還端子に接続される構成であり、フォトトランジスタ１４０はパルス幅変調回路１４の内部回路により例えばエミッタフォロワ接続されて、帰還信号を伝達する。
【０００４】
また、図４に示すように、シャントレギュレータ１３６は、定電流源２０１と、基準電圧源としてのバンドギャップリファレンス回路２０２と、演算増幅器２０３と、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４と、基準端としてのアノード端（Ａ）と、出力端としてのカソード端（Ｃ）と、制御入力端としてのリファレンス端（Ｒ）と、を備え、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のエミッタがアノード端（Ａ）に接続され、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のコレクタがカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の高電位側電源がカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の低電位側電源がアノード端（Ａ）に接続され、演算増幅器２０３の出力端がＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のベースに接続され、演算増幅器２０３の非反転入力端がリファレンス端（Ｒ）に接続され、定電流源２０１がカソード端（Ｃ）と演算増幅器２０３の反転入力端との間に接続され、バンドギャップリファレンス回路２０２が演算増幅器２０３の反転入力端とアノード端（Ａ）との間に接続される構成となっている。
【０００５】
直流出力電圧ＶＯＵＴが分圧回路１３５を構成する抵抗１３３と抵抗１３４とにより分圧され、分圧された電圧とシャントレギュレータ１３６のバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧との差分に応じてシャントレギュレータ１３６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流値が変化し、発光ダイオード１３９の発光量も変化する。そして、パルス幅変調回路１４が発光ダイオード１３９の発光量の変化にともなうフォトトランジスタ１４０のエミッタ電圧の変化を帰還信号として受け、この帰還信号により直流出力電圧ＶＯＵＴが安定化されるように、スイッチングトランジスタ３の導通パルス幅を制御するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
実開昭６２−１８５４９０号公報（第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、スイッチング電源装置の負荷となる半導体集積回路の電源電圧の低電圧化にともない、例えば１．５Ｖ程度の直流出力電圧ＶＯＵＴが必要となってきている。しかし、図３に示す従来例のスイッチング電源装置の構成によれば、温度特性に優れた例えば１．２Ｖ程度の基準電圧が得られる一般的なバンドギャップリファレンス回路２０２を内蔵したシャントレギュレータ１３６を用いるとき、３Ｖ程度までの直流出力電圧ＶＯＵＴを得ることは可能であるが、より低い１．５Ｖ程度の直流出力電圧ＶＯＵＴを得ようとすると、発光ダイオード１３９の順電圧だけでも１．２Ｖ程度あるので実現することができない、という問題がある。
【０００８】
また、シャントレギュレータ１３６の基準電圧を０．２Ｖ程度とすれば、１．５Ｖ程度の直流出力電圧ＶＯＵＴを実現できるものの、小規模回路によって０．２Ｖ程度の温度特性に優れたバンドギャップリファレンス回路を構成することは困難であり、温度特性が良好でない０．２Ｖ程度の基準電圧を用いると、電圧検出回路１３として満足な温度特性が得られない、という問題も発生する。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、一般的なバンドギャップリファレンス回路を用いて低電圧を検出することができる電圧検出回路、及び、その電圧検出回路を備えて低電圧の直流出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の電圧検出回路は、発光素子と受光素子とを有するフォトカプラと、制御入力端と出力端と基準端とを有して前記出力端と前記基準端との間に前記発光素子が接続され前記制御入力端に入力電圧の降圧電圧が与えられるシャントレギュレータと、前記出力端に接続される負荷と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、前記降圧電圧を発生する分圧回路を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記入力電圧が与えられる入力端子と、前記受光素子が接続される出力端子と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、前記シャントレギュレータが基準電圧源を有し、前記基準電圧源の電圧に基き前記入力電圧を判定して、前記判定の結果信号を前記出力端子から出力することを特徴とする。
【００１４】
また、入力電圧が与えられる高電位側入力端子及び低電位側入力端子と、高電位側出力端子と、低電位側出力端子と、前記高電位側入力端子と前記低電位側入力端子との間に接続される分圧回路と、制御入力端と出力端と基準端とを有して前記制御入力端が前記分圧回路の出力端に接続され前記基準端が前記低電位側入力端子に接続されるシャントレギュレータと、前記高電位側入力端子と前記シャントレギュレータの前記出力端との間に接続される負荷と、発光素子と受光素子とを有して前記発光素子が前記シャントレギュレータの前記出力端と前記基準端との間に接続され前記受光素子が前記高電位側出力端子と前記低電位側出力端子との間に接続されるフォトカプラと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記入力電圧が、スイッチング電源装置の出力電圧であることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明のスイッチング電源装置は、一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、前記一次巻線に流れる電流を断続して前記二次巻線に交流電圧を発生させるスイッチング手段と、前記交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑して直流出力電圧に変換する平滑回路と、前記スイッチング手段のオンオフを制御するパルス幅変調回路と、前記電圧検出回路と、を備え、前記電圧検出回路が、前記直流出力電圧を検出して前記パルス幅変調回路に帰還信号を与えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置の構成図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置は、高電位側電源入力端子１と、低電位側電源入力端子２と、スイッチング手段としてのバイポーラ形のスイッチングトランジスタ３と、一次巻線と二次巻線とを有するトランス４と、整流回路としての整流ダイオード５及びフライホイルダイオード６と、平滑回路としてのチョークコイル７及び平滑コンデンサ８と、高電位側電源出力端子９と、低電位側電源出力端子１０と、電圧検出回路１１と、パルス幅変調回路１２と、を備える。
【００１８】
パルス幅変調回路１２が、スイッチングトランジスタ３のオンオフを制御し、高電位側電源入力端子１と低電位側電源入力端子２との間に印加される電源電圧ＶＩＮに基き一次巻線に流れる電流を断続して、トランス４の二次巻線に交流電圧を発生させる。
【００１９】
整流ダイオード５とフライホイルダイオード６とが、その交流電圧を整流し、さらに、チョークコイル７と平滑コンデンサ８とが、整流回路の出力電圧を平滑して、高電位側電源出力端子９と低電位側電源出力端子１０との間に直流出力電圧ＶＯＵＴを出力する。
【００２０】
そして、直流出力電圧ＶＯＵＴを安定化させるための帰還手段としての電圧検出回路１１が、直流出力電圧ＶＯＵＴを検出してパルス幅変調回路１２に帰還信号を与える。
【００２１】
電圧検出回路１１は、高電位側入力端子１１１と、低電位側入力端子１１２と、分圧回路１１５としての抵抗１１３及び抵抗１１４と、シャントレギュレータ１１６と、電圧降下用の負荷としての抵抗１１７と、発光素子としての発光ダイオード１１９及び受光素子としてのフォトトランジスタ１２０を有するフォトカプラ１１８と、高電位側出力端子１２１と、低電位側出力端子１２２と、を備える。
【００２２】
高電位側入力端子１１１が高電位側電源出力端子９に接続され、低電位側入力端子１１２が低電位側電源出力端子１０に接続され、抵抗１１３及び抵抗１１４の直列接続体が高電位側入力端子１１１と低電位側入力端子１１２との間に接続され、抵抗１１３の一端と抵抗１１４の一端との接続節点が分圧回路１１５の出力端をなし、降圧手段としての分圧回路１１５が、高電位側入力端子１１１と低電位側入力端子１１２との間に与えられる入力電圧の分圧電圧を、降圧電圧として発生する。
【００２３】
シャントレギュレータ１１６のアノード端（Ａ）が低電位側入力端子１１２に接続され、シャントレギュレータ１１６のリファレンス端（Ｒ）が分圧回路１１５の出力端に接続され、抵抗１１７が高電位側入力端子１１１とシャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）との間に接続される。
【００２４】
フォトカプラ１１８の発光ダイオード１１９のアノード端がシャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に接続され、発光ダイオード１１９のカソード端がシャントレギュレータ１１６のアノード端（Ａ）に接続され、帰還信号を出力するフォトトランジスタ１２０のコレクタ端が高電位側出力端子１２１に接続され、フォトトランジスタ１２０のエミッタ端が低電位側出力端子１２２に接続され、高電位側出力端子１２１及び低電位側出力端子１２２がパルス幅変調回路１２の帰還端子に接続される。
【００２５】
フォトトランジスタ１２０は、帰還信号の論理が図３に示す従来例に対し反転するため、パルス幅変調回路１２の内部回路により例えばエミッタ接地接続されて、帰還信号を伝達する。
【００２６】
また、図４に示すように、シャントレギュレータ１１６は、図３に示す従来例のシャントレギュレータ１３６と同じく、定電流源２０１と、基準電圧源としてのバンドギャップリファレンス回路２０２と、演算増幅器２０３と、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４と、基準端としてのアノード端（Ａ）と、出力端としてのカソード端（Ｃ）と、制御入力端としてのリファレンス端（Ｒ）と、を備える。
【００２７】
バンドギャップリファレンス回路２０２は、図３に示す従来例のシャントレギュレータ１３６と同じく、温度特性に優れた例えば１．２Ｖ程度の基準電圧が得られる一般的な構成によるものである。
【００２８】
ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のエミッタがアノード端（Ａ）に接続され、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のコレクタがカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の高電位側電源がカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の低電位側電源がアノード端（Ａ）に接続され、演算増幅器２０３の出力端がＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のベースに接続され、演算増幅器２０３の非反転入力端がリファレンス端（Ｒ）に接続され、定電流源２０１がカソード端（Ｃ）と演算増幅器２０３の反転入力端との間に接続され、バンドギャップリファレンス回路２０２が演算増幅器２０３の反転入力端とアノード端（Ａ）との間に接続される。
【００２９】
次に、電圧検出回路１１の動作を説明する。図２は、ＮＥＣ製ＰＳ２５０１型フォトカプラが有する発光ダイオードの電圧電流特性図（図中、ＴＡは周囲温度を示す。）である。直流出力電圧ＶＯＵＴが分圧回路１１５により分圧され、分圧電圧とシャントレギュレータ１１６のバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧との差分に応じてシャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流値が変化すると、シャントレギュレータ１１６と発光ダイオード１１９とが並列接続されているため、抵抗１１７における電圧降下が変化して発光ダイオード１１９の順電圧が変化する。
【００３０】
ここで、分圧回路１１５の分圧比は、所定の直流出力電圧ＶＯＵＴの分圧電圧がバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）と等しくなるように設定されている。
【００３１】
図２に示す通り、発光ダイオードの順電圧ＶＦと順電流ＩＦの対数とがほぼ比例するので、発光ダイオード１１９の順電圧が変化すると発光ダイオード１１９の順電流が変化し、発光ダイオード１１９の発光量も変化する。そして、パルス幅変調回路１２が発光ダイオード１１９の発光量の変化にともなうフォトトランジスタ１２０のコレクタ電圧の変化を帰還信号として受け、この帰還信号により直流出力電圧ＶＯＵＴが安定化されるように、スイッチングトランジスタ３の導通パルス幅を制御する。
【００３２】
さらに具体的には、分圧回路１１５の分圧電圧がバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）より高くなるほど、シャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流が増加し、発光ダイオード１１９の順電流が減少して、フォトトランジスタ１２０のコレクタ電流が減少し、また、分圧回路１１５の分圧電圧がバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）より低くなるほど、シャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流が減少し、発光ダイオード１１９の順電流が増加して、フォトトランジスタ１２０のコレクタ電流が増加する。
【００３３】
以上のように、電圧検出回路１１が入力電圧としての直流出力電圧ＶＯＵＴを検出し、バンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）に基き直流出力電圧ＶＯＵＴの高低を判定して、判定結果信号としての帰還信号を高電位側出力端子１２１及び低電位側出力端子１２２から出力する。
【００３４】
次に効果を説明する。本実施の形態のスイッチング電源装置における電圧検出回路１１によれば、発光ダイオード１１９とシャントレギュレータ１１６とが並列接続される構成であるため、発光ダイオード１１９の順電圧１．２Ｖ程度と抵抗１１７の電圧降下との合計が直流出力電圧ＶＯＵＴとなるから、例えば抵抗１１７の電圧降下が０．３Ｖ程度となるように抵抗１１７の抵抗値を設定すれば、１．５Ｖの直流出力電圧ＶＯＵＴを得ることが可能となる。
【００３５】
一方、図３に示す従来例のスイッチング電源装置における電圧検出回路１３によれば、シャントレギュレータ１３６のカソード端アノード端間電圧１．２Ｖ程度と発光ダイオード１３９の順電圧１．２Ｖ程度と抵抗１３７の電圧降下との合計が直流出力電圧ＶＯＵＴとなるから、例えば抵抗１３７の電圧降下が０．３Ｖ程度となるように抵抗１３７の抵抗値を設定しても、２．７Ｖ程度までしか直流出力電圧ＶＯＵＴを低電圧化することができない。
【００３６】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置によれば、電圧検出回路１１において、フォトカプラ１１８の発光ダイオード１１９とシャントレギュレータ１１６とが並列接続される構成としたことにより、図３に示す従来例の構成に比べ素子数を増やすことなく、一般的なバンドギャップリファレンス回路２０２を用いて従来よりも低電圧を検出することができるようになり、さらに、電圧検出回路１１をスイッチング電源装置の直流出力電圧ＶＯＵＴの帰還手段として備えることにより、従来よりも低電圧の直流出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置を実現することができるという効果が得られる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、一例として、フライホイルダイオード６及びチョークコイル７を備えるフォワード形スイッチング電源装置の構成をもって説明したが、フライホイルダイオード６及びチョークコイル７を省略したフライバック形、プッシュプルスイッチング形、或は、部分共振形などの各回路形式のスイッチング電源装置に適用できることは明らかである。
【００３８】
また、本実施の形態では、スイッチング手段としてバイポーラ形のスイッチングトランジスタ３を用いたが、ＭＯＳ形電界効果トランジスタであっても同じである。
【００３９】
また、本実施の形態では、直流出力電圧ＶＯＵＴの降圧手段として抵抗による分圧回路１１５を用いたが、他の降圧手段、例えば直流出力電圧ＶＯＵＴからのレベルシフト回路に変更することもできる。
【００４０】
また、電圧検出回路１１は、入力２端子、出力２端子を備える低電圧検出用の独立したファンクションブロックとして、他の電子装置にも適用できることは明白である。このとき、分圧回路１１５の分圧比の設定により、検出電圧レベルを変えることができる。
【００４１】
また、電圧検出回路１１の構成部品をプリント基板或はセラミック基板に実装し、４端子モジュール部品として形成して、各種電子装置に実装することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明による効果は、一般的なバンドギャップリファレンス回路を用いて低電圧を検出することができる電圧検出回路、及び、その電圧検出回路を備えて低電圧の直流出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置を実現することができることである。
【００４３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置の構成図である。
【図２】図１におけるフォトカプラが有する発光ダイオードの電圧電流特性図である。
【図３】従来例のスイッチング電源装置の構成図である。
【図４】図１及び図３におけるシャントレギュレータの構成図である。
【符号の説明】
１ 高電位側電源入力端子
２ 低電位側電源入力端子
３ スイッチングトランジスタ
４ トランス
５ 整流ダイオード
６ フライホイルダイオード
７ チョークコイル
８ 平滑コンデンサ
９ 高電位側電源出力端子
１０ 低電位側電源出力端子
１１ 電圧検出回路
１１１ 高電位側入力端子
１１２ 低電位側入力端子
１１３ 抵抗
１１４ 抵抗
１１５ 分圧回路
１１６ シャントレギュレータ
１１７ 抵抗
１１８ フォトカプラ
１１９ 発光ダイオード
１２０ フォトトランジスタ
１２１ 高電位側出力端子
１２２ 低電位側出力端子
１２ パルス幅変調回路
１３ 電圧検出回路
１３３ 抵抗
１３４ 抵抗
１３５ 分圧回路
１３６ シャントレギュレータ
１３７ 抵抗
１３８ フォトカプラ
１３９ 発光ダイオード
１４０ フォトトランジスタ
１４ パルス幅変調回路
２０１ 定電流源
２０２ バンドギャップリファレンス回路
２０３ 演算増幅器
２０４ 出力トランジスタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧検出回路、及び、スイッチング電源装置に関し、特に、低電圧を検出するための電圧検出回路、及び、低電圧を出力するスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スイッチング電源装置の直流出力電圧の安定化のための帰還手段として、フォトカプラとシャントレギュレータとを備える電圧検出回路が用いられる。図３に示すように、従来例のスイッチング電源装置は、パルス幅変調回路１４によってスイッチングトランジスタ３のオンオフを制御することにより、高電位側電源入力端子１と低電位側電源入力端子２との間に印加される電源電圧ＶＩＮに基き一次巻線に流れる電流を断続してトランス４の二次巻線に交流電圧を発生させ、その交流電圧を整流回路としての整流ダイオード５とフライホイルダイオード６とにより整流し、さらに平滑回路としてのチョークコイル７と平滑コンデンサ８とにより平滑して、高電位側電源出力端子９と低電位側電源出力端子１０との間に直流出力電圧ＶＯＵＴを出力する。そして、直流出力電圧ＶＯＵＴを安定化させるための帰還手段として、直流出力電圧ＶＯＵＴを検出する電圧検出回路１３が設けられている。
【０００３】
電圧検出回路１３は、高電位側電源出力端子９と低電位側電源出力端子１０との間に、抵抗１３７と、フォトカプラ１３８の発光素子としての発光ダイオード１３９と、シャントレギュレータ１３６のカソード端（Ｃ）アノード端（Ａ）間と、を直列に接続し、シャントレギュレータ１３６のリファレンス端（Ｒ）に直流出力電圧ＶＯＵＴを分圧回路１３５により分圧して印加し、帰還信号を出力するフォトカプラ１３８の受光素子としてのフォトトランジスタ１４０のコレクタ端とエミッタ端とがパルス幅変調回路１４の帰還端子に接続される構成であり、フォトトランジスタ１４０はパルス幅変調回路１４の内部回路により例えばエミッタフォロワ接続されて、帰還信号を伝達する。
【０００４】
また、図４に示すように、シャントレギュレータ１３６は、定電流源２０１と、基準電圧源としてのバンドギャップリファレンス回路２０２と、演算増幅器２０３と、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４と、基準端としてのアノード端（Ａ）と、出力端としてのカソード端（Ｃ）と、制御入力端としてのリファレンス端（Ｒ）と、を備え、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のエミッタがアノード端（Ａ）に接続され、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のコレクタがカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の高電位側電源がカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の低電位側電源がアノード端（Ａ）に接続され、演算増幅器２０３の出力端がＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のベースに接続され、演算増幅器２０３の非反転入力端がリファレンス端（Ｒ）に接続され、定電流源２０１がカソード端（Ｃ）と演算増幅器２０３の反転入力端との間に接続され、バンドギャップリファレンス回路２０２が演算増幅器２０３の反転入力端とアノード端（Ａ）との間に接続される構成となっている。
【０００５】
直流出力電圧ＶＯＵＴが分圧回路１３５を構成する抵抗１３３と抵抗１３４とにより分圧され、分圧された電圧とシャントレギュレータ１３６のバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧との差分に応じてシャントレギュレータ１３６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流値が変化し、発光ダイオード１３９の発光量も変化する。そして、パルス幅変調回路１４が発光ダイオード１３９の発光量の変化にともなうフォトトランジスタ１４０のエミッタ電圧の変化を帰還信号として受け、この帰還信号により直流出力電圧ＶＯＵＴが安定化されるように、スイッチングトランジスタ３の導通パルス幅を制御するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
実開昭６２−１８５４９０号公報（第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、スイッチング電源装置の負荷となる半導体集積回路の電源電圧の低電圧化にともない、例えば１．５Ｖ程度の直流出力電圧ＶＯＵＴが必要となってきている。しかし、図３に示す従来例のスイッチング電源装置の構成によれば、温度特性に優れた例えば１．２Ｖ程度の基準電圧が得られる一般的なバンドギャップリファレンス回路２０２を内蔵したシャントレギュレータ１３６を用いるとき、３Ｖ程度までの直流出力電圧ＶＯＵＴを得ることは可能であるが、より低い１．５Ｖ程度の直流出力電圧ＶＯＵＴを得ようとすると、発光ダイオード１３９の順電圧だけでも１．２Ｖ程度あるので実現することができない、という問題がある。
【０００８】
また、シャントレギュレータ１３６の基準電圧を０．２Ｖ程度とすれば、１．５Ｖ程度の直流出力電圧ＶＯＵＴを実現できるものの、小規模回路によって０．２Ｖ程度の温度特性に優れたバンドギャップリファレンス回路を構成することは困難であり、温度特性が良好でない０．２Ｖ程度の基準電圧を用いると、電圧検出回路１３として満足な温度特性が得られない、という問題も発生する。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、一般的なバンドギャップリファレンス回路を用いて低電圧を検出することができる電圧検出回路、及び、その電圧検出回路を備えて低電圧の直流出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の電圧検出回路は、発光素子と受光素子とを有するフォトカプラと、制御入力端と出力端と基準端とを有して前記出力端と前記基準端との間に前記発光素子が接続され前記制御入力端に入力電圧の降圧電圧が与えられるシャントレギュレータと、前記出力端に接続される負荷と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、前記降圧電圧を発生する分圧回路を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、前記入力電圧が与えられる入力端子と、前記受光素子が接続される出力端子と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、前記シャントレギュレータが基準電圧源を有し、前記基準電圧源の電圧に基き前記入力電圧を判定して、前記判定の結果信号を前記出力端子から出力することを特徴とする。
【００１４】
また、入力電圧が与えられる高電位側入力端子及び低電位側入力端子と、高電位側出力端子と、低電位側出力端子と、前記高電位側入力端子と前記低電位側入力端子との間に接続される分圧回路と、制御入力端と出力端と基準端とを有して前記制御入力端が前記分圧回路の出力端に接続され前記基準端が前記低電位側入力端子に接続されるシャントレギュレータと、前記高電位側入力端子と前記シャントレギュレータの前記出力端との間に接続される負荷と、発光素子と受光素子とを有して前記発光素子が前記シャントレギュレータの前記出力端と前記基準端との間に接続され前記受光素子が前記高電位側出力端子と前記低電位側出力端子との間に接続されるフォトカプラと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記入力電圧が、スイッチング電源装置の出力電圧であることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明のスイッチング電源装置は、一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、前記一次巻線に流れる電流を断続して前記二次巻線に交流電圧を発生させるスイッチング手段と、前記交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑して直流出力電圧に変換する平滑回路と、前記スイッチング手段のオンオフを制御するパルス幅変調回路と、前記電圧検出回路と、を備え、前記電圧検出回路が、前記直流出力電圧を検出して前記パルス幅変調回路に帰還信号を与えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置の構成図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置は、高電位側電源入力端子１と、低電位側電源入力端子２と、スイッチング手段としてのバイポーラ形のスイッチングトランジスタ３と、一次巻線と二次巻線とを有するトランス４と、整流回路としての整流ダイオード５及びフライホイルダイオード６と、平滑回路としてのチョークコイル７及び平滑コンデンサ８と、高電位側電源出力端子９と、低電位側電源出力端子１０と、電圧検出回路１１と、パルス幅変調回路１２と、を備える。
【００１８】
パルス幅変調回路１２が、スイッチングトランジスタ３のオンオフを制御し、高電位側電源入力端子１と低電位側電源入力端子２との間に印加される電源電圧ＶＩＮに基き一次巻線に流れる電流を断続して、トランス４の二次巻線に交流電圧を発生させる。
【００１９】
整流ダイオード５とフライホイルダイオード６とが、その交流電圧を整流し、さらに、チョークコイル７と平滑コンデンサ８とが、整流回路の出力電圧を平滑して、高電位側電源出力端子９と低電位側電源出力端子１０との間に直流出力電圧ＶＯＵＴを出力する。
【００２０】
そして、直流出力電圧ＶＯＵＴを安定化させるための帰還手段としての電圧検出回路１１が、直流出力電圧ＶＯＵＴを検出してパルス幅変調回路１２に帰還信号を与える。
【００２１】
電圧検出回路１１は、高電位側入力端子１１１と、低電位側入力端子１１２と、分圧回路１１５としての抵抗１１３及び抵抗１１４と、シャントレギュレータ１１６と、電圧降下用の負荷としての抵抗１１７と、発光素子としての発光ダイオード１１９及び受光素子としてのフォトトランジスタ１２０を有するフォトカプラ１１８と、高電位側出力端子１２１と、低電位側出力端子１２２と、を備える。
【００２２】
高電位側入力端子１１１が高電位側電源出力端子９に接続され、低電位側入力端子１１２が低電位側電源出力端子１０に接続され、抵抗１１３及び抵抗１１４の直列接続体が高電位側入力端子１１１と低電位側入力端子１１２との間に接続され、抵抗１１３の一端と抵抗１１４の一端との接続節点が分圧回路１１５の出力端をなし、降圧手段としての分圧回路１１５が、高電位側入力端子１１１と低電位側入力端子１１２との間に与えられる入力電圧の分圧電圧を、降圧電圧として発生する。
【００２３】
シャントレギュレータ１１６のアノード端（Ａ）が低電位側入力端子１１２に接続され、シャントレギュレータ１１６のリファレンス端（Ｒ）が分圧回路１１５の出力端に接続され、抵抗１１７が高電位側入力端子１１１とシャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）との間に接続される。
【００２４】
フォトカプラ１１８の発光ダイオード１１９のアノード端がシャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に接続され、発光ダイオード１１９のカソード端がシャントレギュレータ１１６のアノード端（Ａ）に接続され、帰還信号を出力するフォトトランジスタ１２０のコレクタ端が高電位側出力端子１２１に接続され、フォトトランジスタ１２０のエミッタ端が低電位側出力端子１２２に接続され、高電位側出力端子１２１及び低電位側出力端子１２２がパルス幅変調回路１２の帰還端子に接続される。
【００２５】
フォトトランジスタ１２０は、帰還信号の論理が図３に示す従来例に対し反転するため、パルス幅変調回路１２の内部回路により例えばエミッタ接地接続されて、帰還信号を伝達する。
【００２６】
また、図４に示すように、シャントレギュレータ１１６は、図３に示す従来例のシャントレギュレータ１３６と同じく、定電流源２０１と、基準電圧源としてのバンドギャップリファレンス回路２０２と、演算増幅器２０３と、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４と、基準端としてのアノード端（Ａ）と、出力端としてのカソード端（Ｃ）と、制御入力端としてのリファレンス端（Ｒ）と、を備える。
【００２７】
バンドギャップリファレンス回路２０２は、図３に示す従来例のシャントレギュレータ１３６と同じく、温度特性に優れた例えば１．２Ｖ程度の基準電圧が得られる一般的な構成によるものである。
【００２８】
ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のエミッタがアノード端（Ａ）に接続され、ＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のコレクタがカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の高電位側電源がカソード端（Ｃ）に接続され、演算増幅器２０３の低電位側電源がアノード端（Ａ）に接続され、演算増幅器２０３の出力端がＮＰＮ形出力トランジスタ２０４のベースに接続され、演算増幅器２０３の非反転入力端がリファレンス端（Ｒ）に接続され、定電流源２０１がカソード端（Ｃ）と演算増幅器２０３の反転入力端との間に接続され、バンドギャップリファレンス回路２０２が演算増幅器２０３の反転入力端とアノード端（Ａ）との間に接続される。
【００２９】
次に、電圧検出回路１１の動作を説明する。図２は、ＮＥＣ製ＰＳ２５０１型フォトカプラが有する発光ダイオードの電圧電流特性図（図中、ＴＡは周囲温度を示す。）である。直流出力電圧ＶＯＵＴが分圧回路１１５により分圧され、分圧電圧とシャントレギュレータ１１６のバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧との差分に応じてシャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流値が変化すると、シャントレギュレータ１１６と発光ダイオード１１９とが並列接続されているため、抵抗１１７における電圧降下が変化して発光ダイオード１１９の順電圧が変化する。
【００３０】
ここで、分圧回路１１５の分圧比は、所定の直流出力電圧ＶＯＵＴの分圧電圧がバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）と等しくなるように設定されている。
【００３１】
図２に示す通り、発光ダイオードの順電圧ＶＦと順電流ＩＦの対数とがほぼ比例するので、発光ダイオード１１９の順電圧が変化すると発光ダイオード１１９の順電流が変化し、発光ダイオード１１９の発光量も変化する。そして、パルス幅変調回路１２が発光ダイオード１１９の発光量の変化にともなうフォトトランジスタ１２０のコレクタ電圧の変化を帰還信号として受け、この帰還信号により直流出力電圧ＶＯＵＴが安定化されるように、スイッチングトランジスタ３の導通パルス幅を制御する。
【００３２】
さらに具体的には、分圧回路１１５の分圧電圧がバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）より高くなるほど、シャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流が増加し、発光ダイオード１１９の順電流が減少して、フォトトランジスタ１２０のコレクタ電流が減少し、また、分圧回路１１５の分圧電圧がバンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）より低くなるほど、シャントレギュレータ１１６のカソード端（Ｃ）に流れ込む電流が減少し、発光ダイオード１１９の順電流が増加して、フォトトランジスタ１２０のコレクタ電流が増加する。
【００３３】
以上のように、電圧検出回路１１が入力電圧としての直流出力電圧ＶＯＵＴを検出し、バンドギャップリファレンス回路２０２の基準電圧（例えば１．２Ｖ程度）に基き直流出力電圧ＶＯＵＴの高低を判定して、判定結果信号としての帰還信号を高電位側出力端子１２１及び低電位側出力端子１２２から出力する。
【００３４】
次に効果を説明する。本実施の形態のスイッチング電源装置における電圧検出回路１１によれば、発光ダイオード１１９とシャントレギュレータ１１６とが並列接続される構成であるため、発光ダイオード１１９の順電圧１．２Ｖ程度と抵抗１１７の電圧降下との合計が直流出力電圧ＶＯＵＴとなるから、例えば抵抗１１７の電圧降下が０．３Ｖ程度となるように抵抗１１７の抵抗値を設定すれば、１．５Ｖの直流出力電圧ＶＯＵＴを得ることが可能となる。
【００３５】
一方、図３に示す従来例のスイッチング電源装置における電圧検出回路１３によれば、シャントレギュレータ１３６のカソード端アノード端間電圧１．２Ｖ程度と発光ダイオード１３９の順電圧１．２Ｖ程度と抵抗１３７の電圧降下との合計が直流出力電圧ＶＯＵＴとなるから、例えば抵抗１３７の電圧降下が０．３Ｖ程度となるように抵抗１３７の抵抗値を設定しても、２．７Ｖ程度までしか直流出力電圧ＶＯＵＴを低電圧化することができない。
【００３６】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置によれば、電圧検出回路１１において、フォトカプラ１１８の発光ダイオード１１９とシャントレギュレータ１１６とが並列接続される構成としたことにより、図３に示す従来例の構成に比べ素子数を増やすことなく、一般的なバンドギャップリファレンス回路２０２を用いて従来よりも低電圧を検出することができるようになり、さらに、電圧検出回路１１をスイッチング電源装置の直流出力電圧ＶＯＵＴの帰還手段として備えることにより、従来よりも低電圧の直流出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置を実現することができるという効果が得られる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、一例として、フライホイルダイオード６及びチョークコイル７を備えるフォワード形スイッチング電源装置の構成をもって説明したが、フライホイルダイオード６及びチョークコイル７を省略したフライバック形、プッシュプルスイッチング形、或は、部分共振形などの各回路形式のスイッチング電源装置に適用できることは明らかである。
【００３８】
また、本実施の形態では、スイッチング手段としてバイポーラ形のスイッチングトランジスタ３を用いたが、ＭＯＳ形電界効果トランジスタであっても同じである。
【００３９】
また、本実施の形態では、直流出力電圧ＶＯＵＴの降圧手段として抵抗による分圧回路１１５を用いたが、他の降圧手段、例えば直流出力電圧ＶＯＵＴからのレベルシフト回路に変更することもできる。
【００４０】
また、電圧検出回路１１は、入力２端子、出力２端子を備える低電圧検出用の独立したファンクションブロックとして、他の電子装置にも適用できることは明白である。このとき、分圧回路１１５の分圧比の設定により、検出電圧レベルを変えることができる。
【００４１】
また、電圧検出回路１１の構成部品をプリント基板或はセラミック基板に実装し、４端子モジュール部品として形成して、各種電子装置に実装することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明による効果は、一般的なバンドギャップリファレンス回路を用いて低電圧を検出することができる電圧検出回路、及び、その電圧検出回路を備えて低電圧の直流出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置を実現することができることである。
【００４３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のスイッチング電源装置の構成図である。
【図２】図１におけるフォトカプラが有する発光ダイオードの電圧電流特性図である。
【図３】従来例のスイッチング電源装置の構成図である。
【図４】図１及び図３におけるシャントレギュレータの構成図である。
【符号の説明】
１ 高電位側電源入力端子
２ 低電位側電源入力端子
３ スイッチングトランジスタ
４ トランス
５ 整流ダイオード
６ フライホイルダイオード
７ チョークコイル
８ 平滑コンデンサ
９ 高電位側電源出力端子
１０ 低電位側電源出力端子
１１ 電圧検出回路
１１１ 高電位側入力端子
１１２ 低電位側入力端子
１１３ 抵抗
１１４ 抵抗
１１５ 分圧回路
１１６ シャントレギュレータ
１１７ 抵抗
１１８ フォトカプラ
１１９ 発光ダイオード
１２０ フォトトランジスタ
１２１ 高電位側出力端子
１２２ 低電位側出力端子
１２ パルス幅変調回路
１３ 電圧検出回路
１３３ 抵抗
１３４ 抵抗
１３５ 分圧回路
１３６ シャントレギュレータ
１３７ 抵抗
１３８ フォトカプラ
１３９ 発光ダイオード
１４０ フォトトランジスタ
１４ パルス幅変調回路
２０１ 定電流源
２０２ バンドギャップリファレンス回路
２０３ 演算増幅器
２０４ 出力トランジスタ
Claims (7)
- 発光素子と受光素子とを有するフォトカプラと、制御入力端と出力端と基準端とを有して前記出力端と前記基準端との間に前記発光素子が接続され前記制御入力端に入力電圧の降圧電圧が与えられるシャントレギュレータと、前記出力端に接続される負荷と、を備えることを特徴とする電圧検出回路。
- 前記降圧電圧を発生する分圧回路を備えることを特徴とする請求項１記載の電圧検出回路。
- 前記入力電圧が与えられる入力端子と、前記受光素子が接続される出力端子と、を備えることを特徴とする請求項１及び請求項２のうちの何れか１項記載の電圧検出回路。
- 前記シャントレギュレータが基準電圧源を有し、前記基準電圧源の電圧に基き前記入力電圧を判定して、前記判定の結果信号を前記出力端子から出力することを特徴とする請求項３記載の電圧検出回路。
- 入力電圧が与えられる高電位側入力端子及び低電位側入力端子と、高電位側出力端子と、低電位側出力端子と、前記高電位側入力端子と前記低電位側入力端子との間に接続される分圧回路と、制御入力端と出力端と基準端とを有して前記制御入力端が前記分圧回路の出力端に接続され前記基準端が前記低電位側入力端子に接続されるシャントレギュレータと、前記高電位側入力端子と前記シャントレギュレータの前記出力端との間に接続される負荷と、発光素子と受光素子とを有して前記発光素子が前記シャントレギュレータの前記出力端と前記基準端との間に接続され前記受光素子が前記高電位側出力端子と前記低電位側出力端子との間に接続されるフォトカプラと、を備えることを特徴とする電圧検出回路。
- 前記入力電圧が、スイッチング電源装置の出力電圧であることを特徴とする請求項１から請求項５までのうちの何れか１項記載の電圧検出回路。
- 一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、前記一次巻線に流れる電流を断続して前記二次巻線に交流電圧を発生させるスイッチング手段と、前記交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を平滑して直流出力電圧に変換する平滑回路と、前記スイッチング手段のオンオフを制御するパルス幅変調回路と、請求項１から請求項５までのうちの何れか１項記載の電圧検出回路と、を備え、前記電圧検出回路が、前記直流出力電圧を検出して前記パルス幅変調回路に帰還信号を与えることを特徴とするスイッチング電源装置。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2009278718A (ja) * | 2008-05-13 | 2009-11-26 | Mitsumi Electric Co Ltd | 電圧検出回路およびスイッチング電源装置 |
| CN107947658A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-04-20 | 浙江水利水电学院 | 一种水利发电机输出电压控制电路 |
-
2002
- 2002-10-01 JP JP2002289074A patent/JP2004129364A/ja active Pending
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