JP2005184882A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎ毎にスイッチング素子３を流れる電流を検出し、過電流保護を行う機能を持つスイッチング電源回路に関するもので、過電流検出信号にスロープ補正信号を加える際に、スロープ補正信号の振幅の値が入力電圧Ｖｉによって変動し、過電流制限を開始する出力電流の値が入力電圧Ｖｉに依存することが課題であった。
【解決手段】スロープ補正信号をＰＷＭ制御用ＩＣ９の出力するスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔに同期する矩形波の上に前記スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎに時間比例し大きくなるランプ波形とを重畳したスロープ補正信号とし、入力電圧Ｖｉが高くなると矩形波成分の振幅が大きくなりランプ波形成分が小さくなる構成とすることで、入力電圧Ｖｉによらず一定のスロープ補正信号を過電流検出信号に加えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎ毎にスイッチング素子を流れるスイッチング電流を検出し、検出されたスイッチング電流検出信号に基づいて過電流制限を行う機能を持つスイッチング電源回路において、サブハーモニック発振対策として、スイッチング電流検出信号にスロープ補正信号を重畳する場合に、入力電圧範囲が広いスイッチング電源回路などでスロープ補正信号の振幅の値が入力電圧Ｖｉによって変化するのを改善し、入力電圧Ｖｉによらずスロープ補正信号の振幅が一定になるようにするための技術である。

スイッチング電源回路は過電流、過電圧などの異常事態に備えて様々な保護機能を備えている。

図７はスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎ毎にスイッチング素子３を流れるスイッチング電流をスイッチング電流検出部６で検出し、ＰＷＭ制御用ＩＣ９がスイッチング電流検出信号に基づいて回路動作の制限を行うスイッチング電源回路の電源装置の構成を示すブロック図の一例である。

図７では入力に入力電圧Ｖｉを印加し、１次側に設けられたスイッチング素子３をオンオフ制御することにより、トランスを介して２次側へ電力を伝達し、２次側では整流用ダイオード４にて整流し、出力平滑部５で平滑され、安定化された出力電圧Ｖｏが作られる。

出力電圧検出部７によって検出された出力電圧信号は、フォトカプラなどを用いた１次２次間信号伝達部８を介してＰＷＭ制御用ＩＣ９の出力電圧制御用センシング端子Ｆｂへ印加され、ＰＷＭ制御用ＩＣ９によって出力電圧Ｖｏが一定となるようなスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔを出力する。

また、カレントトランスなどを用いたスイッチング電流検出部６は、スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎ毎に、スイッチング素子３を流れるスイッチング電流を検出し、検出されたスイッチング電流検出信号はＰＷＭ制御用ＩＣ９のスイッチング電流検出端子ＣＬＭへ印加されている。

この構成における過電流動作について以下に説明する。

ＰＷＭ制御用ＩＣ９のスイッチング電流検出端子ＣＬＭへ印加されるスイッチング電流検出信号がＰＷＭ制御用ＩＣ９によって決められたしきい値を超えると、同一スイッチング周期Ｔｓの間はＰＷＭ制御用ＩＣ９がそれ以上スイッチング素子３に電流が流れないようにスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎを制限する。

また、次のスイッチング周期ではＰＷＭ制御用ＩＣ９はスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔを通常通り出力し、再びＰＷＭ制御用ＩＣ９のスイッチング電流検出端子ＣＬＭに印加されるスイッチング電流検出信号がＰＷＭ制御用ＩＣ９によって決められたしきい値を超えると、同一スイッチング周期Ｔｓの間はＰＷＭ制御用ＩＣ９がそれ以上スイッチング素子３に電流が流れないようにスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎを制限する動作を繰り返す。

しかし、この回路構成では、スイッチング電流検出端子ＣＬＭの電圧が外乱などによって微少変動すると、ＰＷＭ制御用ＩＣ９が過電流を検出しスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔの出力を停止する時間にずれが生じ、過電流を正常に検出したときと比べてスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎが変動するため、デューティ比５０％を超えて動作させると、スイッチング毎にスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎの変動は大きくなり、収束せずに、サブハーモニック発振と言われる低周波発振が発生する場合や、５０％以下のデューティ比で動作させる場合でも低周波発振に至らなくても不安定動作となる場合がある。

この低周波発振や不安定動作対策として、図７では、スロープ補正信号波形発生部１０が、ＰＷＭ制御用ＩＣ９により出力されるスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎに時間比例し大きくなる図９に示すスロープ補正信号をスイッチング電流検出端子ＣＬＭに印加している。

この方法は、ＰＷＭ制御用ＩＣ９のスイッチング電流検出端子ＣＬＭにスイッチング電流検出信号とスロープ補正信号を印加することで、スイッチング電流検出端子ＣＬＭの信号は図１０のような大きな傾きを持ち、外乱の影響を受けにくくなる。

ここで、スロープ補正信号波形発生部１０の構成は、例えばＰＷＭ制御用ＩＣ９のスイッチング電流検出端子ＣＬＭがマイナス電圧検出の場合は図８に示すような回路や、特許文献１などの回路がある。

しかし、図９で示すように、このようなスロープ補正信号の振幅はＰＷＭ制御用ＩＣ９により出力されるスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎに時間比例し大きくなる構成のため、入力電圧Ｖｉによって変化するオン期間Ｔｏｎによりその補正量が変化し、入力電圧Ｖｉが高い場合はオン期間Ｔｏｎが短くなり、スロープ補正信号の振幅も小さくなり、入力電圧Ｖｉが小さい場合にはオン期間Ｔｏｎが長くなりスロープ補正信号の振幅も大きくなる。

これにより、図１１に示すように、入力電圧Ｖｉが高い場合、入力電圧Ｖｉが小さい場合に比べて過電流の制限を開始する出力電流の値は大きくなる。

このように入力電圧Ｖｉが高くなれば過電流制限を開始する出力電流の値が大きくなるため、半導体素子などはより大きな定格の素子が必要になるという課題を有していた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特開平６−２１７５３３号公報 特開平１１−４１９２４号公報

本発明は上記従来の課題を解決するもので、入力電圧Ｖｉに依存せず一定振幅のスロープ補正信号をＰＷＭ制御用ＩＣ９のスイッチング電流検出端子ＣＬＭに印加することで、過電流の制限を開始する出力電流の値を一定とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、従来のスイッチング電流検出端子ＣＬＭへ印加していた図９のスロープ補正信号の代わりに、図２に示すようなＰＷＭ制御用ＩＣ９の出力するスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔに同期して入力電圧Ｖｉが高くなるとその振幅が大きくなる矩形波の上に、前記スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間に時間比例し大きくなるランプ波形を重畳したスロープ補正信号を印加するものである。

このとき、スロープ補正信号は入力電圧Ｖｉが高くなると矩形波成分は大きくなり、一方ランプ波形成分は小さくなるというようにお互いに打ち消しあい、図２に示すように、スロープ補正信号の振幅は各入力電圧に対しほぼ一定の特性を得ることができ、入力電圧Ｖｉによらず過電流の制限を開始する出力電流の値を一定とすることができると同時に、スイッチング電流検出端子ＣＬＭへ印加する信号は図３のように、スイッチング電流検出信号にスロープ補正信号が重畳された信号となり、従来のスロープ補正信号が印加されたスイッチング電流検出端子ＣＬＭへの信号と同様にその傾きは大きくなり、サブハーモニック発振や不安定動作への対策としても従来と同様の効果を有している。

従来の方法ではスロープ補正信号の振幅は入力電圧Ｖｉにより影響を受けていたが、本発明では各入力電圧に対し、スロープ補正信号の振幅はほぼ一定であるため、図４のように入力電圧Ｖｉによる過電流制限を開始する出力電流の値をほぼ一定にすることができるので、各半導体素子などに過剰な熱ストレスなどがかかることなく、過電流から回路を保護することができる。

また、スロープ補正信号の矩形波成分の振幅を変化させることで、入力電圧Ｖｉによる過電流制限を開始する出力電流の値を任意に調整することもできる。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１のスイッチング電源回路の過電流制限装置のスロープ補正信号を作る具体的な構成例を示す回路図である。

なお、図１は、図７の従来のスイッチング電源回路の構成を示すブロック図におけるスロープ補正信号波形発生部１０にあたり、本発明においてもスロープ補正信号波形発生部１０以外の構成は図７のブロック図と全く同様であるため、以下の本発明の説明には図７も用いる。

ここでは、ＰＷＭ制御用ＩＣ９におけるスイッチング電流検出端子ＣＬＭがマイナス検出の場合を例に挙げるが、スイッチング電流検出端子ＣＬＭはプラス検出であっても、同様に考えることができ、スイッチング電流検出部６は本構成例ではスイッチング素子３と直列に入っているが、例えば、スイッチング素子３での電圧降下を検出する方法なども考えられる。

また、図７では絶縁型のフォワード回路を例に挙げているが、フライバック方式や、非絶縁回路など、スイッチング電源はどのような構成でも本発明によるスイッチング電源回路の過電流制限装置のスロープ補正信号は適用することができる。

図１において抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５、コンデンサＣ１、トランジスタＱ１から構成されるランプ波形発生部では、ＰＷＭ制御用ＩＣ９の出力するスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔ、ＰＷＭ制御用ＩＣ９などへの電力供給用直流電圧Ｖｃ、トランジスタＱ１を用いて出力パルス電圧Ｖｏｕｔのオフ期間にトランジスタＱ１をオンすることでコンデンサＣ１の電圧をＰＷＭ制御用ＩＣ９への電力供給用直流電圧Ｖｃまで充電し、出力パルス電圧Ｖｏｕｔのオン期間ＴｏｎにコンデンサＣ１の電荷を抵抗Ｒ２，Ｒ６により放電することにより、図２に示すスロープ補正信号のランプ波形（図中斜線部）を作る。

このとき、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ２＋Ｒ５から成る時定数はスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎに対して十分大きな値に設定され、スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎでは放電曲線が線形に近い傾きを有している。

なお、ランプ波形を作る方法としては、ＰＷＭ制御用ＩＣ９の三角波発振信号を用いるなど、どのような方法でも良い。

抵抗Ｒ６〜Ｒ１１、トランジスタＱ４〜Ｑ６、ダイオードＤ１、ツェナーダイオードＺＤ１から構成される矩形波発生部ではスイッチングパルス信号Ｖｏｕｔがオフの期間に入力電圧ＶｉｎからツェナーダイオードＺＤ１の両端電圧を引いた電圧がトランジスタＱ５、抵抗Ｒ６、ダイオードＤ１を介して抵抗Ｒ５に印加され、図２に示すスロープ補正信号の入力電圧Ｖｉに比例する矩形波成分を生成する。

図１において、ツェナーダイオードＺＤ１はこの矩形波成分による入力電圧補正を開始する入力電圧Ｖｉｎを決めている。

なお、矩形波成分を生成する方法は上記方法以外のどのような方法でもよく、ツェナーダイオードを使用せず、入力電圧Ｖｉを直接に抵抗分割で印加する方法なども考えられる。

また、トランジスタＱ２，Ｑ３、抵抗Ｒ３，Ｒ４はスイッチング電流検出端子ＣＬＭへ信号を印加するためのドライブ回路である。

図５、図６にはそれぞれ図１中の点ｃ，ｄの波形を示す。

図５に示すように図１中の点ｃの電圧は正の電圧が出ており、マイナス検出のＰＷＭ制御用ＩＣに印加するために、レベルをマイナスへシフトしなければならない。

コンデンサＣ２はレベルシフトのためのものである。

なお、レベルシフトはどのような方法でマイナス側へシフトさせてもよい。

以上のように入力電圧Ｖｉによらずスイッチング電流検出端子ＣＬＭへ印加されるスロープ補正信号を一定にすることができるため、入力電圧Ｖｉによらず過電流の制限を開始する出力電流の値を図４のように一定とすることができる。

このため、各半導体素子などに過剰な熱ストレスなどがかかることなく、過電流から回路を保護することができる。

本発明にかかるスイッチング電源回路の過電流制限装置のスロープ補正信号は入力電圧Ｖｉによらず、一定の振幅を有しており、入力電圧Ｖｉによって過電流制限を開始する出力電流の値の変動を抑えることができるので、広い入力電圧範囲を有するスイッチング電源回路などで有用である。

本発明の一実施の形態を示すスロープ補正信号発生回路構成図 本発明においてスイッチング電流検出端子ＣＬＭに印加するスロープ補正信号を説明するための波形図 本発明におけるスロープ補正信号を重畳したときのスイッチング電流検出端子ＣＬＭへ印加される信号を説明するための波形図 本発明におけるスロープ補正信号を重畳したときの過電流の制限を開始する出力電流の値の入力電圧Ｖｉによる変化を示す特性図 本発明の図１に示す実施の形態における点ｃの波形図 本発明の図１に示す実施の形態における点ｄの波形図 スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間Ｔｏｎ毎にスイッチング素子３を流れる電流を検出し、過電流保護を行う機能を持つスイッチング電源回路の構成を示すブロック図 従来のスロープ補正信号発生回路構成図 従来のスイッチング電流検出端子ＣＬＭに印加されるスロープ補正信号を説明するための波形図 従来のスロープ補正信号を重畳したときのスイッチング電流検出端子ＣＬＭへ印加される信号を説明するための波形図 従来のスロープ補正信号を重畳したときの過電流の制限を開始する出力電流の値の入力電圧Ｖｉによる変化を示す特性図

符号の説明

１ 入力フィルタ部
２ トランス
３ スイッチング素子
４ 整流用ダイオード
５ 出力平滑部
６ スイッチング電流検出部
７ 出力電圧検出部
８ １次２次間信号伝達部
９ ＰＷＭ制御用ＩＣ
１０ スロープ補正信号波形発生部
Ｖｉ スイッチング電源回路入力電圧
Ｖｏ スイッチング電源回路出力電圧
ＣＬＭ ＰＷＭ制御用ＩＣ９のスイッチング電流検出端子
Ｖｏｕｔ ＰＷＭ制御用ＩＣ９の出力するスイッチングパルス信号
Ｖｃ ＰＷＭ制御用ＩＣ９などへの電力供給用直流電圧
Ｆｂ ＰＷＭ制御用ＩＣ９の出力電圧制御用センシング端子
Ｒ１〜Ｒ１２ 抵抗
Ｑ１〜Ｑ６ トランジスタ
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
ＺＤ１ ツェナーダイオード
Ｄ１ ダイオード
ＧＮＤ グランド
Ｔｓ スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのスイッチング周期
Ｔｏｎ スイッチングパルス信号Ｖｏｕｔのオン期間

Claims (3)

1. 入力電圧を安定直流電圧へ変換するスイッチング電源回路であって、スイッチングパルス信号のオン期間毎にスイッチング素子を流れる電流を検出するスイッチング電流検出部と、前記スイッチング電源回路の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記スイッチング電流検出部で検出されたスイッチング電流検出信号に基づいて、過電流制限を行うとともに、前記出力電圧検出部で検出された出力電圧検出信号に基づいて出力電圧制御を行うための制御部と、前記スイッチング電流検出信号にスロープ補正信号を重畳するためのスロープ補正信号波形発生部とを備え、前記スロープ補正信号が、前記制御部の出力するスイッチングパルス信号に同期する矩形波の上に前記スイッチングパルス信号のオン期間に時間比例し高くなるランプ波形を重畳したスロープ補正信号であることを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 前記スイッチング電源回路の入力電圧が高くなるにつれて、前記スロープ補正信号の矩形波成分の振幅が大きくなる構成をしていることを特徴とする請求項１に記載したスイッチング電源回路。
3. 前記スロープ補正信号の矩形波が入力電圧のしきい値により重畳を開始する機能を有する請求項１に記載したスイッチング電源回路。

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