JP2004173434A - 多出力ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で出力電圧の安定性が高く小型で安価な多出力ＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】チョッピングによって直流入力電力をパルス状に変換し、このパルス状電力を多出力平滑インダクタ１によって平滑し、直流出力電力を得るＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、少なくとも１つの従出力回路が多出力平滑インダクタに設けられた出力平滑インダクタ従巻線３から所望の出力電圧を得る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、多出力で小型安価なＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器においては、その構成回路と部品の複雑化によって電子機器内部に複数の電源電圧を必要としており、この電源電圧を供給するための電源ユニットを内蔵している。この電源ユニットには、入力電圧および出力電流の変動に対する出力電圧の安定性が高く、なおかつ小型で安価なことが要求される。
【０００３】
この要求を満たすために電源ユニットには、例えば図２に示す並列構成が使用される。それぞれに制御回路を内蔵する単出力ＤＣ−ＤＣコンバータ９を電子機器が必要とする電源電圧の種類に合わせて複数並列に配置することにより、安定性の高い必要な種類の出力電圧を得たものである。
【０００４】
また例えば図３に示す直列構成が使用される。それぞれに制御回路を内蔵する単出力ＤＣ−ＤＣコンバータ９を電子機器が必要とする電源電圧の種類に合わせて複数直列に配置することにより、安定性の高い必要な種類の出力電圧を得たものである。
【０００５】
しかしながら図２および図３に示す構成では、非常に安定度の高い複数の電源電圧が得られるという利点はあるものの、必要な電源電圧の種類に応じた単出力ＤＣ−ＤＣコンバータ９が必要となるため、電源電圧の種類に比例して部品の数が増え、また電源ユニットが大型し価格も高くなるという問題がある。そのため、特に安価な事を優先する電子機器では、例えば図４に示すリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータが使用される。
【０００６】
図４に示すリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流入力電力をパルス状にチョッピングした電力を多出力変圧トランス１０の入力側巻線に印加し、その電力を多出力変圧トランス１０によって変圧し多出力変圧トランス主巻線１３および従巻線１４から取り出して整流し、取り出されたパルス状の電力を主出力平滑コンデンサ１１および従出力平滑コンデンサ６で直流電圧に平滑することによって必要な各電圧を得る。
【０００７】
図４に示すリバース方式の多出力コンバータは、パルス電力発生回路４や出力電圧監視制御回路８を１つに省略できることなどにより、図２に示す並列構成や図３に示す直列構成に比べて非常に少ない部品で構成することができる。
【０００８】
しかしながら図４に示すリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータには、主出力である出力２と従出力である出力１があり、出力２（主出力）からは出力電圧監視制御回路８によって制御されていることにより単出力ＤＣ−ＤＣコンバータと同程度の安定性を持った電圧が出力されるが、出力１（従出力）から出力される電圧は外乱による影響が大きいために安定性が低い。
【０００９】
このリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータの、従出力回路の出力電圧の安定性を改善するために、多出力変圧トランスの出力巻線の接続方法や出力整流平滑回路の構成にはいくつかの方式が考案され使用されている。図５に示す表は、一般的に広く採用されている絶縁型リバース方式の多出力コンバータの出力整流平滑回路の例とその特徴である。
【００１０】
図５に示す表の方式１は、図４の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ回路例に採用されている方式である。トランスの出力巻線及び出力整流平滑回路は、出力２（主出力）と出力１（従出力）で完全に分離されているので損失が少なく効率が良い。しかし、出力１（従出力）の電圧安定性は、多出力変圧トランス主巻線１３の両端に発生している電圧に比例して従巻線１４の両端に発生する電圧の安定性のみに依存するため、相対的に方式２、方式３と比べて安定性が低いという欠点がある。
【００１１】
図５に示す表の方式２は、方式１の出力１（従出力）の電圧安定性を改善した回路である。多出力変圧トランス従巻線１４の一部を主巻線１３に兼ねさせることで、従巻線１４の両端に発生する電圧に対する外乱の影響が少なくなり、出力１（従出力）の電圧安定性を改善する。
【００１２】
図５に示す表の方式３は、方式１の出力１（従出力）の電圧安定性を大幅に改善した回路である。多出力変圧トランス従巻線１４を、出力２（主出力）を基準に接続している。出力１（従出力）の出力電圧の一部を制御回路によって安定的に制御されている出力２（主出力）に置き換え、外乱の影響を受けやすい従出力トランス巻線からの発生電圧の比率を少なくすることで、出力１（従出力）の電圧安定性を改善する。
【００１３】
また図４に示すリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータは、出力電圧監視制御回路が出力電圧を監視しているのは出力２（主出力）のみ、言い換えると従回路の出力電圧が変動しても主回路の出力電圧が変動していなければ制御回路は補正動作を行わない回路構成になっている。図５の表の方式２も同様である。しかし、図５の表の方式３は、仮に出力１（従出力）の出力電圧が外乱の影響によって低下すると、多出力変圧トランス従巻線１４は主出力平滑コンデンサ１１に蓄えられた電荷を従出力平滑コンデンサ６に吸い上げることで出力２（主出力）の出力電圧も低下させるように機能する。この出力２（主出力）の出力電圧低下を出力電圧監視制御回路が検出すると、電圧を上昇させるための補正動作が行われるため、結果的に出力２（主出力）の出力電圧は低下せず、出力１（従出力）の出力電圧低下も補正される。このようにして図５に示す表の方式３は、出力１（従出力）の電圧安定性を大幅に改善する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術である図４に示すリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータは、数十Ｗの電源ユニット用途においては図２に示す単出力ＤＣ−ＤＣコンバータの並列構成及び図３に示す単出力ＤＣ−ＤＣコンバータの並列構成に比較して利益が得られるが、数Ｗの電源ユニット用途においてはサイズ及び価格に対するトランスの影響が大きく、利益が得られない。
【００１５】
そこで、この発明は、出力の電圧安定性が高く、また数Ｗの出力電力であっても小型安価な多出力ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、チョッピングによって直流入力電力をパルス状に変換し、このパルス状電力を多出力平滑インダクタによって平滑し、直流出力電力を得るＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、少なくとも１つの従出力回路が多出力平滑インダクタに設けられた出力平滑インダクタ従巻線から所望の出力電圧を得ることを特徴とする多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【００１７】
また、前記従出力回路は、出力平滑インダクタ従巻線からのパルス状電力を従出力整流ダイオードによって整流し、従出力平滑コンデンサによって平滑し、直流出力電圧を得ることを特徴とする。
【００１８】
前記出力平滑インダクタ従巻線は、出力平滑インダクタ主巻線と直列に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
前記従出力回路は、従出力回路の出力電圧が低下した場合に主出力回路の出力電圧を低下させるように主出力回路に接続されていることを特徴とする。
【００２０】
前記出力平滑インダクタ従巻線と出力平滑インダクタ主巻線の巻数比率は、従出力電圧と主出力電圧の電圧差と主出力電圧との比率と、等しいことを特徴とする。
【００２１】
前記従出力回路は、主出力回路の出力電圧より高い電圧を出力することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態を図１に示す。本実施例は、電子機器の電源ユニットに用いられる降圧チョッパ方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータである。図１に示す降圧チョッパ方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータによる電源ユニット回路は、図６に示す降圧チョッパ方式の単出力ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の単出力平滑インダクタ１５に従巻線３を追加し、従出力整流ダイオード５及び従出力平滑コンデンサ６を接続し、出力１（従出力）を得られるようにしている。
【００２３】
図７に図１に示した降圧チョッパ方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータの各部動作波形を示す。以下にこの各部動作波形について説明する。Ｖ１はパルス電力発生用スイッチＦＥＴ １６によって入力電圧をチョッピングしたパルス状の電圧波形である。ＯＮ期間とＯＦＦ期間の比率は入力電圧や出力電圧の状況に合わせて出力電圧監視制御回路８によって適切に制御される。
【００２４】
Ｖ２は出力平滑インダクタ従巻線３から得られる出力１のための出力電圧波形である。出力平滑インダクタ従巻線３からはＯＦＦ期間のみに電圧が出力され、この電圧の大きさは出力２（主出力）の出力電圧にほぼ比例する。ＯＦＦ期間は出力平滑インダクタ主巻線２に出力電圧にほぼ等しい電圧が加わっており、従巻線３には、巻線１ターン当たりの電圧が主巻線２と等しくなる電圧が発生するためである。
【００２５】
Ｉ１はパルス電力発生用スイッチＦＥＴ１６を流れる電流波形である。このＩ１は同時に、多出力平滑インダクタ１を流れる電流であり、ＯＮ期間のみに流れ、流れている間は時間と共に直線的に増加する。
【００２６】
Ｉ２はＯＦＦ期間に多出力平滑インダクタ１の電流を流しつづけるための還流ダイオード１２を流れる電流波形である。このＩ２は同時に、多出力平滑インダクタ１を流れる電流である。
【００２７】
Ｉ３は多出力平滑インダクタ１の主巻線２を流れる電流波形である。出力平滑インダクタ主巻線に流れる電流は、出力２（主出力）の出力電流だけでなく出力１（従出力）の出力電流も含んでいる。
【００２８】
Ｉ４は多出力平滑インダクタ１と主出力リップル除去コンデンサ７の間を流れる電流波形である。この電流波形を平均化した電流値が出力２（主出力）の直流出力電流となる。主出力電流＝０の条件でも、ＯＮ期間中に正極性の電流が流れているが、ＯＦＦ期間中には負極性の電流が流れており、全周期で平均化すると０Ａとなる。
【００２９】
Ｉ５は出力平滑インダクタ従巻線３を流れる電流波形である。この電流波形を平均化した電流値が出力１（従出力）の直流出力電流となる。この電流はＯＦＦ期間のみに流れている。例えば条件１、条件２のように出力２（主出力）に出力電流が流れている場合には、このＩ５は還流ダイオード１２、出力平滑インダクタ主巻線２、出力平滑インダクタ従巻線３の経路を通って流れる。また例えば条件３のように出力２（主出力）に出力電流が流れておらず出力１（従出力）に大きな出力電流が流れている場合には、このＩ５は還流ダイオード１２、出力平滑インダクタ主巻線２、出力平滑インダクタ従巻線３の経路を通って流れる電流と、主出力リップル除去コンデンサ７、出力平滑インダクタ従巻線３の経路を通って流れる電流を足し合わせた電流によって構成される。
【００３０】
この実施形態によれば、トランスを使用しない降圧チョッパ方式を用いて、図５に示すリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータの出力整流平滑回路の例とその特徴を示す表の方式３と同様に、図１に示す降圧チョッパ方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータは、出力１（従出力）の出力電圧が外乱の影響によって低下すると、出力平滑インダクタ従巻線３は主出力リップル除去コンデンサ７に蓄えられた電荷を従出力平滑コンデンサ６に吸い上げることで出力２（主出力）の出力電圧も低下させるように機能し、この出力２（主出力）の出力電圧低下を出力電圧監視制御回路８が検出すると、出力電圧を上昇させるための補正動作が行われるため、結果的に出力２（主出力）の出力電圧は低下せず、出力１（従出力）の出力電圧低下も補正される。このようにして高い出力電圧安定性を得ることができる。
【００３１】
以上、本発明の好適な実施例を挙げて説明したが、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、例えば従出力は２つ以上の従出力を持つ多出力ＤＣ−ＤＣコンバータであってもその効果は変わらず、またパルス電力発生用スイッチＦＥＴ １６をバイポーラトランジスタなどの他のスイッチ素子に置き換える、還流ダイオード１２を同期整流用スイッチ素子に置き換えることができる等、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得ることはもちろんである。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、従来技術であるリバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータではトランスによるサイズやコストへの影響から図２に示す単出力ＤＣ−ＤＣコンバータの並列構成及び図３に示す単出力ＤＣ−ＤＣコンバータの並列構成に比較して利益が得られない数Ｗの電源ユニットにおいても、この発明によれば、リバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータと同等の出力安定度が得られながら、なおかつトランスを使用していないことにより小型安価な多出力ＤＣ−ＤＣコンバータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】降圧チョッパ方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータによる電源ユニット回路の一例である。
【図２】単出力ＤＣ−ＤＣコンバータの並列構成による電源ユニット回路の一例である。
【図３】単出力ＤＣ−ＤＣコンバータの直列構成による電源ユニット回路の一例である。
【図４】リバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータによる電源ユニット回路の一例である。
【図５】リバース方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータの出力整流平滑回路の例とその特徴を示す表である。
【図６】降圧チョッパ方式の単出力ＤＣ−ＤＣコンバータの回路である。
【図７】図１に示した降圧チョッパ方式の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータの各部動作波形である。
【符号の説明】
１ 多出力平滑インダクタ
２ 出力平滑インダクタ主巻線
３ 出力平滑インダクタ従巻線
４ パルス電圧発生回路
５ 従出力整流ダイオード
６ 従出力平滑コンデンサ
７ 主出力リップル除去コンデンサ
８ 出力電圧監視制御回路
９ 単出力ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０ 多出力変圧トランス
１１ 主出力平滑コンデンサ
１２ 還流ダイオード
１３ 出力トランス主巻線
１４ 出力トランス従巻線
１５ 単出力平滑インダクタ
１６ パルス電圧発生用スイッチＦＥＴ

Claims (6)

1. チョッピングによって直流入力電力をパルス状に変換し、このパルス状電力を多出力平滑インダクタによって平滑し、直流出力電力を得るＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、少なくとも１つの従出力回路が多出力平滑インダクタに設けられた出力平滑インダクタ従巻線から所望の出力電圧を得ることを特徴とする多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記従出力回路は、出力平滑インダクタ従巻線からのパルス状電力を従出力整流ダイオードによって整流し、従出力平滑コンデンサによって平滑し、直流出力電圧を得ることを特徴とする請求項１記載の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 前記出力平滑インダクタ従巻線は、出力平滑インダクタ主巻線と直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ。
4. 前記従出力回路は、従出力回路の出力電圧が低下した場合に主出力回路の出力電圧を低下させるように主出力回路に接続されていることを特徴とする請求項１記載の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ。
5. 前記出力平滑インダクタ従巻線と出力平滑インダクタ主巻線の巻数比率は、従出力電圧と主出力電圧の電圧差と主出力電圧との比率と、等しいことを特徴とする請求項１記載の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ。
6. 前記従出力回路は、主出力回路の出力電圧より高い電圧を出力することを特徴とする請求項１記載の多出力ＤＣ−ＤＣコンバータ。

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