JP2005295637A

JP2005295637A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2005295637A
Application number: JP2004104587A
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
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4356110B2

Abstract

【課題】スイッチング動作に伴い発生するノイズを簡単な構成で効果的に低減した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10のスイッチング動作を制御するＰＷＭ制御ＩＣ11の抵抗接続端子11ａに、交流入力電源２から供給される交流電圧をダイオードブリッジ５により整流した直流電圧を、抵抗14と抵抗12とで分圧して印加することで、スイッチング動作を制御する制御周波数を前記交流電圧の振幅に応じて変化させる。このようにすると、スイッチング素子10のスイッチング動作を制御する制御周波数が、交流入力電源２から供給される交流電圧の振幅に応じて増減するため、制御周波数に揺らぎが生じ、一定の周波数に集中することがない。そのため、スイッチング周波数のｎ倍波に対応するスイッチングノイズが分散されることとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング動作に伴い発生するノイズを簡単な構成で低減したスイッチング電源装置に関する。

近年、電子機器における制御周波数の激増や例えば携帯電話などの無線通信の普及から各機器相互間の電磁環境の整合性（ＥＭＣ：Electro-Magnetic Compatibility）への関心が高まっている。実際、ＥＭＣ対応規格としてＣＥマーキングなどのノイズ規格もあり、電子機器から発生するノイズを抑制するため、様々な対策がなされている。とりわけ電子機器の電源として広く用いられるスイッチング電源は、スイッチング動作に伴う強いノイズが発生することから、ノイズ発生源として他の機器の誤動作や機能停止などといった弊害を招く虞があり、ノイズ抑制が強く要求されている。

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ものがある。これは、商用交流電力をダイオードブリッジで全波整流し、ＰＦＣ回路（Power Factor Collect）により高調波電流を抑制し、力率改善することにより直流電力とし、スイッチング素子をオン・オフ動作させることにより該直流電力から出力電圧を取り出している。このようなスイッチング電源では、入力電源に商用交流電力を用いているため、スイッチング動作時のエネルギーが大きく、スイッチング動作に伴う強いスイッチングノイズが発生する。このようなスイッチングノイズを抑制するための周知の技術として、スナバ回路，タンク回路（共振回路），各種フィルターが知られている。
特開平０９−２９６０３６号公報

しかし、上記従来のスイッチング電源装置では、スイッチング素子のスイッチング動作に伴うスイッチングノイズが発生し、前述したようなノイズ対策回路を設けても、該ノイズが効果的に抑制されないという問題があった。又、その為、フィルタ等により対策すると、大きなものが必要となり面積と労力を費やす。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、スイッチング動作に伴い発生する基本波成分を含むノイズを簡単な構成で効果的に低減した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交流電圧から出力電圧を取り出すスイッチング電源装置において、前記スイッチング素子のオン・オフ動作を制御する制御周波数を前記交流電圧の振幅に応じて変化させるスイッチング制御手段を備えるよう構成している。

このようにすると、スイッチング素子のオン・オフ動作を制御する制御周波数が、交流電圧の振幅に応じて増減するため、制御周波数に揺らぎが生じる。該制御周波数に揺らぎが生じると、スイッチング周波数が一定とならず、スイッチング周波数のｎ倍波に対応する帯域毎に集中して発生していたノイズが、スイッチング周波数が揺らいでいる帯域幅で分散されることとなる。従って、測定帯域内でのノイズ強度のピークを周波数の振れ幅で平均化し、低減することができる。また、元々揺らぎを有する交流電圧の振幅に応じて、制御周波数を変化させるだけでよいので、簡単な構成でノイズを抑制することができる。

本発明の請求項１では、簡単な構成で、スイッチング動作に伴うノイズ強度のピークを周波数振幅で平均化し、低減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、２は例えば商用電源などの交流入力電源であり、スイッチング電源装置１の一対の入力端子３，４に接続されている。５はダイオードブリッジであり、ＰＦＣ回路６に接続される。一対の入力端子３，４を介して交流入力電源２から供給される交流電圧は、ダイオードブリッジ５で全波整流され、ＰＦＣ回路６で力率改善されることで、直流電圧に変換される。７は入力側と出力側とを絶縁するトランスで、一次巻線７ａの一端にはＰＦＣ回路６が接続され、他端にはＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチング素子10のドレインが接続される。スイッチング素子10のソースはダイオードブリッジ５と接続され、ゲートはスイッチング素子10のオン・オフ動作（スイッチング動作）を制御するＰＷＭ制御ＩＣ11と接続される。ＰＷＭ制御ＩＣ11には、抵抗12の一端が抵抗接続端子11ａに、コンデンサ13の一端がコンデンサ接続端子11ｂにそれぞれ接続され、抵抗12及びコンデンサ13の他端は、スイッチング素子10のソースとダイオードブリッジ５とを繋ぐラインに接続される。スイッチング素子10のスイッチング周波数すなわちＰＷＭ制御ＩＣ11の制御周波数は、抵抗12とコンデンサ13との時定数により決定され、該時定数を変化させることにより、当該制御周波数も変化することとなる。一般的に使用されるＰＷＭ制御ＩＣでは、コンデンサ13の値を固定とした場合、抵抗12の抵抗値を大きくすると制御周波数が低くなり、反対に、抵抗12の抵抗値を小さくすると制御周波数が高くなる。14は、一端をダイオードブリッジ５とＰＦＣ回路６との接続点に接続し、他端をＰＷＭ制御ＩＣ11と抵抗12との接続点（抵抗接続端子11ａ）に接続した抵抗である。

また、トランス７の二次側である二次巻線７ｂには、整流平滑回路15や一対の出力端子16，17が設けられ、該一対の出力端子16，17から出力電圧が取り出される。その他、出力電圧を安定化させる帰還ループとして、出力電圧検出回路18が設けられ、出力電圧検出回路18から出力電圧のフィードバック信号がＰＷＭ制御ＩＣ11に送られる。ＰＷＭ制御ＩＣ11では、該フィードバック信号に基づき、スイッチング素子10のゲートへ入力するパルスを周知のＰＷＭ制御（パルス幅制御）することで、出力電圧の安定化を図るようにしている。

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、スイッチング素子10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、20はダイオードブリッジ５により全波整流された後の直流電圧波形であり、21はＰＷＭ制御ＩＣ11からスイッチング素子10のゲートに入力されるパルス波形である。トランス７の一次巻線７ａに接続されたスイッチング素子10は、ゲートにＰＷＭ制御ＩＣ11からパルス波形21が入力されることで、スイッチング動作を行う。すなわちスイッチング素子10のゲートにＨレベルが入力されるとターンオンし、Ｌレベルが入力されるとターンオフする。スイッチング素子10がオン・オフ動作すると、一次巻線７ａに直流電圧が断続的に印加され、トランス７の二次巻線７ａに電圧が誘起され、整流平滑15により整流平滑されることで出力電圧となる。

このとき、ＰＷＭ制御ＩＣ11は、出力電圧検出回路18から送られるフィードバック信号に基づきＰＷＭ制御を行ないながらパルスを出力する。すなわち、出力電圧を安定させるためスイッチング素子10のゲートに入力するパルス波形21の導通幅ｔ１を増減させながら、周期ｔ０毎にパルスを出力する。スイッチング素子10の制御周波数を表す該パルス周期ｔ０は、前述したようにＰＷＭ制御ＩＣ11の抵抗接続端子11ａに接続された抵抗12の抵抗値により、その大きさが変化する。これは、ＰＷＭ制御ＩＣ11を構成する発振回路であるオシレータ（OSCILATOR）の入力端子としての抵抗接続端子11ａから流れ出る電流値により、スイッチング素子10の制御周波数が変化するということである。ここで、ＰＷＭ制御ＩＣ11の抵抗接続端子11ａには、直流電圧波形20を抵抗14と抵抗12とにより分圧した電圧が印加されている。従って、直流電圧波形20の値が大きくなると、ＰＷＭ制御ＩＣ11の抵抗接続端子11ａから流れ出る電流が小さくなり、スイッチング素子10の制御周波数も低くなる。反対に、直流電圧波形20の値が小さくなると、ＰＷＭ制御ＩＣ11の抵抗接続端子11ａから流れ出る電流が大きくなり、スイッチング素子10の制御周波数も高くなる。このようにして、スイッチング素子10の制御周波数ひいてはスイッチング周波数は、電圧波形20の変化に伴い、揺らぐように変化する。

図３は、本実施例におけるスイッチング電源で発生するノイズの測定結果を例示したものであるが、25は抵抗14を設けない場合の出力周波数スペクトラムであり、26は抵抗14を設けた場合の出力周波数スペクトラムである。抵抗14を設けない場合では、ＰＷＭ制御ＩＣ11の制御周波数が一定に固定されているため、スイッチング素子10のスイッチング周波数に対応する周波数帯にノイズが集中して発生し、ノイズ強度のピークが大きく突出する形となっている。一方、抵抗14を設けた場合では、ＰＷＭ制御ＩＣ11の制御周波数に揺らぎがあるため、スイッチング素子10のスイッチング周波数が変化する帯域幅でノイズが分散され、ノイズ強度のピークが大きく突出していないのがわかる。なお、このようなスイッチングノイズは、スイッチング周波数のｎ倍波に対応する帯域毎に現れるため、ある帯域幅でのノイズ強度のピークが平均化され、低減されることとなる。

以上のように本実施例では、スイッチング素子10をオン・オフ動作させることにより交流入力電源２から供給される交流電圧から出力電圧を取り出すスイッチング電源装置１において、前記スイッチング素子10のオン・オフ動作を制御する制御周波数を前記交流電圧の振幅に応じて変化させるスイッチング制御手段としてのＰＷＭ制御11を備えるよう構成している。

また、交流入力電源２から供給される交流電圧をダイオードブリッジ５により全波整流すると共に、抵抗14と抵抗12とで前記整流電圧を分圧し、ＰＷＭ制御ＩＣ11を構成する発振回路であるオシレータの入力端子としての抵抗接続端子11ａに印加することにより、抵抗接続端子11ａから流れ出る電流の値に揺らぎを生じさせている。

このようにすると、スイッチング素子10のオン・オフ動作を制御する制御周波数が、交流入力電源２から供給される交流電圧の振幅に応じて増減するため、制御周波数に揺らぎが生じる。該制御周波数に揺らぎが生じると、スイッチング周波数が一定とならず、スイッチング周波数のｎ倍波に対応する帯域毎に集中して発生していたノイズが、スイッチング周波数が揺らいでいる帯域幅で分散されることとなる。従って、ある帯域幅でのノイズ強度のピークが平均化され、低減することができる。また、元々揺らぎを有する交流電力の振幅に応じて、制御周波数を変化させるだけでよいので、簡単な構成でノイズを抑制することができる。

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、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。同上、スイッチング電源で発生するノイズの測定結果を例示した波形図である。

符号の説明

１スイッチング電源装置
10 スイッチング素子
11 ＰＷＭ制御ＩＣ（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交流電圧から出力電圧を取り出すスイッチング電源装置において、前記スイッチング素子のオン・オフ動作を制御する制御周波数を前記交流電圧の振幅に応じて変化させるスイッチング制御手段を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。