JP2005295634A

JP2005295634A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2005295634A
Application number: JP2004104551A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Shimizu; 芳文清水
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】出力電圧を速やかに立ち上げることができ、出力電圧を安定化するための構成が簡単な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５，６には、パルスがそれぞれデューティ比一定で交互に入力されることで、スイッチング素子５，６は交互にスイッチングを繰り返す。帰還制御回路40を構成する出力電圧検出手段41は、出力電圧Ｖｏを検出すると、パルス制御手段42にパルス停止信号又はパルス開始信号を出力する。パルス制御手段42は、出力電圧検出手段41から出力される信号に基づき、スイッチング素子５，６の入力パルスひいてはスイッチング動作の開始，停止を制御する。このように、時比率制御ではなく、瞬時制御に近い動作をさせることにより、簡単な構成で出力電圧Ｖｏを安定させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡単な構成とすると共に、出力電圧を安定化したスイッチング電源装置に関する。

従来のスイッチング電源装置として、特許文献１に開示されるようなプッシュプルコンバータを備えたものがある。このような従来のスイッチング電源装置の回路図を図３に示す。同図において、１は入力側と出力側とを絶縁するトランスで、センタータップ４で分割された各一次巻線２ａ，２ｂの一端にはそれぞれＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチング素子５，６のドレインが接続される。また、スイッチング素子５，６のソースは互いに接続され、このスイッチング素子５，６のソースとトランス１のセンタータップ４との間に、入力電圧Ｖｉを有する入力電源10と入力コンデンサ11がそれぞれ接続される。スイッチング素子５のソースとドレインとの間には、ダイオード12とコンデンサ14とがそれぞれ並列に接続されており、同様に、スイッチング素子６のソースとドレインとの間にも、ダイオード13とコンデンサ15とがそれぞれ並列に接続されている。スイッチング素子５，６のそれぞれのゲートにパルスが入力されることにより、スイッチング素子５，６はスイッチング動作（オン・オフ動作）を行う。一方、トランス１の二次側には、センタータップ20で分割された各二次巻線３ａ，３ｂの一端にそれぞれのアノードを接続したダイオード21，22と、ダイオード21，22のカソード間の接続点に一端を接続した出力インダクタンスとしてのチョークコイル25と、チョークコイル25の他端とセンタータップ20との間に接続した平滑コンデンサ26とからなる出力回路23が設けられ、一対の出力端子27，28間に負荷29を接続することで出力電圧Ｖｏを取り出す。

次に、図３で示した従来のスイッチング電源装置の動作について説明する。図４は、スイッチング素子５，６のスイッチング動作を示す電圧波形である。同図において、30，31はそれぞれスイッチング素子５，６のゲート電圧波形であり、32，33は同じくスイッチング素子５，６のドレイン−ソース間電圧波形である。トランス１の一次巻線２ａ，２ｂとそれぞれ直列に接続されたスイッチング素子５，６は、それぞれ導通幅ｔｏ１，ｔｏ２を有するパルスが交互に入力されることで、交互にスイッチングを繰り返す。入力電源10からの入力電圧Ｖiは、一次巻線２ａ，２ｂに交互に印加され、トランス１の二次巻線３ａ，３ｂに電圧が誘起される。そして、トランス１の二次巻線３ａ，３ｂに誘起した電圧を出力回路23で整流平滑することにより、一対の出力端子27，28間に接続された負荷29に出力電圧Ｖｏを供給するようになっている。

これとは別に、出力電圧Ｖｏを安定化させる帰還ループとして、図示しない帰還制御回路が設けられ、出力電圧Ｖｏと基準電圧との誤差を検出して得られた誤差フィードバック信号に基づき、各スイッチング素子５，６に入力されるパルスの導通幅ｔｏ１，ｔｏ２を制御することで、出力電圧Ｖｏの安定化を図るようにしている。このとき、帰還制御回路は、出力電圧Ｖｏが上昇した場合には、各スイッチング素子５，６へ入力されるパルスの導通幅ｔｏ１，ｔｏ２を狭め、逆に出力電圧Ｖｏが低下した場合には、前記パルスの導通幅ｔｏ１，ｔｏ２を広げるよう所謂時比率（デューティ比）制御を行なう。
特開２００３−２９９３５９号公報

しかし、上記従来のスイッチング電源装置を、例えば、無停電電源においてバッテリーから電力を取り出すバックアップ電源用コンバータとして使用する場合、停電時における出力電圧Ｖｏの立ち上がりが遅いという問題があった。すなわち、出力回路23には、チョークコイル25と平滑コンデンサ26とにより平滑回路が形成されているため、出力電圧Ｖｏの立ち上がりが遅く、停電時に素早く安定した出力電圧Ｖｏを取り出すことが困難であった。また、帰還制御回路は、時比率制御を行なっているため、構成が複雑になるという問題があった。とりわけ上記のようなプッシュプル形の場合、スイッチング素子が複数であるため、より複雑となっていた。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、出力電圧を速やかに立ち上げることができ、出力電圧を安定化するための構成が簡単なスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１におけるスイッチング電源装置では、スイッチング素子をオン・オフ動作させることにより出力電圧を取り出すスイッチング電源装置において、前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記出力電圧検出手段の検出出力に基づき、前記出力電圧が第一の閾値を超えると前記オン・オフ動作を停止し、前記出力電圧が第二の閾値を下回ると前記オン・オフ動作を開始するスイッチング制御手段とを備えるよう構成している。

このようにすると、出力インダクタンスを除去した場合に、時比率制御を行なうと、出力電圧の追従性が向上しすぎて出力電圧をうまく安定させることができないが、スイッチング素子のオン・オフ動作を制御することで、出力インダクタンスを除去した場合でも、出力電圧を安定化することができる。従って、出力インダクタンスが不要となり、出力電圧を速やかに立ち上げることができる。また、スイッチング素子に対してオン・オフ動作の開始，停止を制御するだけで、出力電圧を安定して制御することができるため、制御回路の構成が簡単になる。

本発明の請求項１では、出力電圧の追従性を向上することができ、かつ出力インダクタンスを不要にし、制御回路を簡単にすることができるスイッチング電源を提供することが可能になる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明におけるスイッチング電源の好ましい実施例を説明する。なお、これらの各実施例において、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は本実施例におけるスイッチング電源装置の回路図を示したものである。同図において、１は入力側と出力側とを絶縁するトランスで、センタータップ４で分割された各一次巻線２ａ，２ｂの一端にはそれぞれＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチング素子５，６のドレインが接続される。また、スイッチング素子５，６のソースは互いに接続され、このスイッチング素子５，６のソースとトランス１のセンタータップ４との間に、入力電圧Ｖｉを有する入力電源10と入力コンデンサ11がそれぞれ接続される。スイッチング素子５のソースとドレインとの間には、ダイオード12とコンデンサ14とがそれぞれ並列に接続されており、同様に、スイッチング素子６のソースとドレインとの間にも、ダイオード13とコンデンサ15とがそれぞれ並列に接続されている。スイッチング素子５，６のそれぞれのゲートにパルスが入力されることにより、スイッチング素子５，６はスイッチング動作（オン・オフ動作）を行う。さらに、スイッチング素子５，６のソースとドレインとの間には、ダイオード12，13とコンデンサ14とがそれぞれ並列に接続されている。一方、トランス１の二次側には、センタータップ20で分割された各二次巻線３ａ，３ｂの一端にそれぞれのアノードを接続したダイオード21，22と、ダイオード21，22のカソード間の接続点とセンタータップ20との間に接続した平滑コンデンサ26とからなる出力回路23が設けられ、一対の出力端子27，28間に負荷29を接続することで出力電圧Ｖｏを取り出す。

また、出力電圧Ｖｏを安定化させる帰還ループとして、帰還制御回路40が設けられている。帰還制御回路40は、少なくとも、出力電圧Ｖｏを検出する出力電圧検出手段41と、スイッチング素子５，６のゲートにそれぞれ入力されるパルスの開始，停止を制御するパルス制御手段42とを備え、各スイッチング素子５，６へ入力されるパルスを制御することで、出力電圧Ｖｏの安定化を図るようにしている。

なお、本実施例では、図３で示した従来例で設けられていたチョークコイル25は設けておらず、帰還制御回路40は、前記パルスに対して時比率制御を行なわず、デューティ比一定となるよう構成している。

次に、本実施例におけるスイッチング電源装置の作用について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図２は、図４と同様にスイッチング素子５，６のスイッチング動作を示す電圧波形である。同図において、50，51はそれぞれスイッチング素子５，６のゲート電圧波形であり、52，53は同じくスイッチング素子５，６のドレイン−ソース間電圧波形であり、54は出力電圧Ｖｏの電圧波形である。トランス１の一次巻線２ａ，２ｂとそれぞれ直列に接続されたスイッチング素子５，６は、パルスがそれぞれデューティ比一定で交互に入力されることで、交互にスイッチングを繰り返す。該パルスが有するそれぞれの導通幅ｔｏ１と導通幅ｔｏ２とは、同じでもよいし、異なっていてもよい。入力電源10からの入力電圧Ｖiは、一次巻線２ａ，２ｂに交互に印加され、トランス１の二次巻線３ａ，３ｂに電圧が誘起される。そして、トランス１の二次巻線３ａ，３ｂに誘起した電圧を出力回路23で整流平滑することにより、一対の出力端子27，28間に接続された負荷29に出力電圧Ｖｏを供給する。このとき、出力回路23には出力インダクタンスが設けられていないため、トランス１の二次巻線３ａ，３ｂに誘起された電圧が、直接平滑コンデンサ26を充電することとなるため、出力電圧Ｖｏは速やかに立ち上がり、入力電圧Ｖｉとトランス１の巻数比に応じた電圧となる。

一方、帰還制御回路40は、出力電圧Ｖｏを安定化させる帰還ループとして、出力電圧Ｖｏの安定化を図るように機能する。帰還制御回路40を構成する出力電圧検出手段41は、出力電圧Ｖｏが予め設定された第一の閾値Ｖｂ（図２の54参照）を越えたことを検出すると、パルス制御手段42にパルス停止信号を出力する。パルス制御手段42は、該パルス停止信号に基づき、スイッチング素子５，６のゲートにそれぞれ入力されるパルスを停止することで、各スイッチング素子５，６のスイッチング動作を停止させる。その後、出力電圧Ｖｏが低下し、帰還制御回路40を構成する出力電圧検出手段41が、出力電圧Ｖｏが予め設定された第二の閾値Ｖａ（図２の54参照）を下回ったことを検出すると、パルス制御手段42にパルス開始信号を出力する。パルス制御手段42は、該パルス開始信号に基づき、スイッチング素子５，６のゲートにそれぞれ入力されるパルスを再開（開始）することで、各スイッチング素子５，６のスイッチング動作を再開（開始）させる。すなわち、パルス制御手段42は、出力電圧検出手段41から出力される信号に基づき、パルス出力の開始，停止を制御することにより、スイッチング素子５，６のスイッチング動作を制御する。このように、時比率制御ではなく、瞬時制御に近い動作をさせることにより、簡単な構成で出力電圧Ｖｏを安定させることができる。なお、スイッチング周波数を上昇させると、出力電圧Ｖｏの精度が向上するため好ましい。

以上のように、本実施例では、スイッチング素子５，６をオン・オフ動作させることにより出力電圧Ｖｏを取り出すスイッチング電源装置において、前記出力電圧Ｖｏを検出する出力電圧検出手段41と、前記出力電圧検出手段41の検出出力としてのパルス停止信号及びパルス開始信号に基づき、前記出力電圧Ｖｏが第一の閾値Ｖｂを超えると前記オン・オフ動作を停止し、前記出力電圧Ｖｏが第二の閾値Ｖａを下回ると前記オン・オフ動作を開始するスイッチング制御手段としてのパルス制御手段42とを備えるよう構成している。

また、スイッチング素子５，６のゲートに入力されるパルスのデューティ比を一定とし、出力回路23には、出力インダクタンスを設けていない。

このようにすると、出力インダクタンスを除去した場合に、時比率制御を行なうと、出力電圧Ｖｏの追従性が向上しすぎて出力電圧をうまく安定させることができないが、スイッチング素子５，６のオン・オフ動作を制御することで、出力インダクタンスを除去した場合でも、出力電圧Ｖｏを安定化することができる。従って、出力インダクタンスが不要となり、出力電圧Ｖｏを速やかに立ち上げることができる。また、スイッチング素子５，６に対してオン・オフ動作の開始，停止を制御するだけで、出力電圧Ｖｏを安定して制御することができるため、制御回路の構成が簡単になる。以上より、簡単な制御回路で出力電圧Ｖｏを安定化することができ、かつ出力インダクタンスを不要にすることが可能になる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。スイッチング電源は、プッシュプル形に限らず、フォワード形，フライバック形，ハーフブリッジ形，フルブリッジ形などの各種方式でもよく、一石式，多石式いずれのものでもよい。

本発明の第１実施例におけるスイッチング電源装置の回路図である。同上、スイッチング電源装置のスイッチング動作を示す波形図である。従来例におけるスイッチング電源装置の回路図である。同上、スイッチング電源装置のスイッチング動作を示す波形図である。

符号の説明

５，６スイッチング素子
41 出力電圧検出手段
42 パルス制御手段（スイッチング制御手段）

Claims

スイッチング素子をオン・オフ動作させることにより出力電圧を取り出すスイッチング電源装置において、前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記出力電圧検出手段の検出出力に基づき、前記出力電圧が第一の閾値を超えると前記オン・オフ動作を停止し、前記出力電圧が第二の閾値を下回ると前記オン・オフ動作を開始するスイッチング制御手段とを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。