JP2005518772A - スイッチドモード電源の始動回路 - Google Patents

Abstract

スイッチドモード電源装置は、スイッチングトランジスタのスイッチングを制御するコントローラへ電気エネルギーを供給する始動回路を装備する。始動回路は、バイパス−装置によりバイパスされる。電源の始動中に、バイパス−装置は開かれる。成功的な始動の後に、バイパス−装置は、閉じられ、始動装置内の更なる消費が除去され、そして、従って、電源の全体的なエネルギー効率を増加させる。始動装置をスタンバイ電源に又は１次電圧に接続することにより、コントローラに供給するための変圧器の追加の巻線の使用が除去される。電源は電子的な過負荷保護を有し、そして、過負荷状態が発生したときには、停止しそして、周期的に再開始を試みる。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、始動段階でコントローラに電気エネルギーを供給する始動回路を有するスイッチドモード電源に関連する。更に、本発明は、そのようなスイッチドモード電源を始動する方法、そのようなスイッチドモード電源で使用するコントローラ始動装置、及び、そのようなスイッチドモード電源を有する表示装置に関連する。

スイッチドモード電源は、広範囲の電子装置で使用される。そのような電子装置の例は、携帯通信装置だけでなく、計算装置、テレビジョン及びビデオ装置を含む。スイッチドモード電源は、電池の電圧又は整流されたＡＣ本線電圧のような、ＤＣの１次電圧を、１つ又はそれ以上の２時電圧に変換する。

ＵＳ５５８１４５３は、スイッチドモード電源の始動回路を開示する。電源は変圧器を有し、それは、入力電圧に周期的に接続されるように、スイッチングトランジスタによりスイッチングされる。スイッチングトランジスタを駆動する周期的パルスは、電源制御回路により供給される。そのような電源を始動するために、電源には、始動抵抗とコンデンサを有する始動回路が装備されている。始動回路は、初期の電気的エネルギーを電源制御回路に供給する。それに加えて、電源制御回路は、変圧器の追加の巻線からエネルギーを供給され、この巻線の電圧は整流され、そして、電源制御回路に供給される。電源の始動中は、電源制御回路の供給は、始動回路により、完全に説明される。始動抵抗は、コンデンサを充電し、電源制御回路の供給電圧を上昇させる。最初に、変圧器の電圧は低くそして、従って、変圧器の追加の巻線は、電源制御回路の供給に寄与しない。ある始動時間の後に、電源の出力電圧は上昇を開始する。従って、変圧器の追加の巻線上の有効な電圧は上昇を開始する。追加の巻線上の電圧が十分に大きいときには、巻線は始動回路から電源制御回路の供給を引き継ぐ。

典型的には、始動抵抗は、電源制御回路を始動するのに十分な電流のみを供給する大きさである。電源制御回路の通常の動作電流は、非常に大きい。前述の文書には開示されていないが、これは、配置に、組み込まれた過負荷保護を有するようにする。例えば、過負荷又は短絡により、電源制御回路の出力電圧が低い場合には、変圧器により供給される電圧は減少し、そして、従って、追加の巻線上の電圧は、減少する。始動抵抗が、通常の動作中に電源制御回路へ電力をあたえるには十分でない、小さな始動電流のみを供給する大きさを有するので、これは、電源制御回路の電源を降下を発生する。この結果、スイッチングは、停止しそして、電源は始動シーケンスに入り新たな始動をしようとする。

この電源の欠点は、変圧器に追加の巻線が必要であることである。これは、変圧器を複雑にする。一方では、この巻線は、変圧器の２次側と磁気的によく結合される必要があり、従って、２次巻線に物理的に近く物理的に近くに巻かれる必要がある。他方では、追加の巻線は変圧器の１次側と接続される。従って、追加の巻線は、安全問題を避けるために、変圧器の１次側と２次側の間の絶縁体で、完全に絶縁される必要がある。一般的には、３重絶縁ワイアが使用される。これは、変圧器を比較的高価に、複雑に及び、製造を難しくする。

他の欠点は、始動時間が長いことである。高い抵抗値は、それと結合されたコンデンサを充電するのに使用できる小始動電流となるので、始動抵抗の消費を減少させるために、低速始動の代償で、始動抵抗の値を可能な限り高く選択する。

上述の欠点に関連する他の欠点は、始動抵抗は、電源の動作中に電気エネルギーを消費し続けることである。電力効率が電源の重要な要求であるので、この連続の電力消費は望ましくない。広入力電源電圧範囲に対して適する電源を作るために、最小の入力電源電圧で始動中に電源制御回路に十分な始動電力を保証するために、始動抵抗の値は低く選択されねばならない。しかしながら、この低値は、高入力電圧では抵抗を通して大きすぎる電流を発生し、そして、これは、抵抗内での大きな消費を発生する。上述のように、電源の高速始動についての要求も、始動抵抗の値を減少させ、従って、電力損失を増加させる。

電力消費に関連する欠点を克服しようとするために、ＵＳ５５８１４５３は、スイッチングトランジスタを開示し、そのコレクタ−エミッタ主電流経路が始動抵抗と直列に接続されている。電源の始動中に、スイッチングトランジスタは、導通状態であり、抵抗に始動電流を供給する。電源の通常の動作中は、スイッチング抵抗は、非導通状態であり、始動抵抗内の消費を停止する。この構成の欠点は、スイッチングトランジスタはベース−エミッタ接合の逆バイアスにより導通を阻止するので、スイッチングトランジスタの劣化を簡単に招くことである。知られているように、標準的なトランジスタ設計では、ほんの数ボルトのベース−エミッタ逆バイアスが、ベース−エミッタ降伏を発生することにより、不可逆にトランジスタを劣化させる。例えば、入力電圧内の降下により又は、例えば、負荷変動又は変圧器を製造する際の製造公差により発生する、追加の巻線により供給される電圧の上昇により、この状態は、簡単に発生する。この構成は、電力消費問題を解決しようとするが変圧器の第３の巻線に関連する上述の問題を解決しないことは明らかである。

本発明の目的は、従来技術に関連する問題を除去又は少なくとも減少させることである。本発明の他の目的は、スイッチドモード電源の設計を単純化することである。

本発明の第１の面は、請求項１に記載のスイッチドモード電源を提供することである。本発明の第２の面は、請求項８に記載のスイッチドモード電源を始動する方法を提供することである。本発明の第３の面は、請求項１１に記載のコントローラ始動装置を提供することである。本発明の第４の面は、請求項１２に記載のそのようなスイッチドモード電源を有する表示装置を提供することである。本発明の優位な実施例は従属請求項に記載されている。バイパス−装置により始動回路をバイパスすることにより、２つの動作状態が識別される。バイパス−装置が開いているときには、コントローラは、始動装置から始動電流が供給され、スイッチング装置のスイッチングの開始を許可する。バイパス−スイッチが閉じているときには、始動回路により発生される供給電流の制限が除去され、コントローラは、通常のスイッチング装置を制御するのに利用できる完全な駆動電力を有し、電源の通常動作の結果となる。また、バイパス−スイッチが閉じている場合には、始動装置の消費は除去され、これは、電源の全体的なエネルギー効率を増加する。通常動作中の始動装置内の消費は除去されるので、始動装置は、最適な始動時間についての大きさとされることが可能であり、これは、減少された始動時間となる。

請求項２に規定された本発明の実施例では、バイパス装置は、スイッチドモード電源が２次電圧が安定化される通常動作であることが検出されたときには、始動装置をバイパスするために、バイパス装置が閉じられる。検出装置で、２次電圧の値と電圧基準とを比較することにより、電源が調整中であることを示す電源装置の出力量を検出することにより、２次電圧の値又は、２次巻線の電流又は、出力電力のような、電源装置の出力量に依存してバイパス−スイッチを動作させることが可能である。

請求項３に規定された本発明の実施例では、バイパス装置は、２次電圧が基準電圧を超えたことが検出されたときに始動装置をバイパスするために閉じられる。スイッチドモード電源は、１次巻線を有する本線、スイッチング装置、コントローラ及び、本線入力電圧に接続された光カプラトランジスタに接続された部分を有する。スイッチドモード電源は、２次巻線と光カプラダイオードを有する本線分離された部分を有する。２次電圧による基準電圧の検出された交差は、本線分離された部分から本線に接続された部分へ、光カプラダイオードとトランジスタを介して転送される。光カプラは、単純な手段による優れた電気的分離を提供することができる。

従って、電源の始動中のように、２次電圧が低い場合には、バイパス−スイッチが開かれ、そして、従って、コントローラは始動電流のみが供給される。この始動電流が電源を成功的に始動することが可能である場合には、２次電圧が上昇し、そして、検出装置は、電源が通常動作通であることを示す出力量を示すことを検出する。例えば、２次電圧が、検出装置により設定された限度を超える場合には、検出装置は、コントローラが通常動作を継続できる十分な動作電流を維持するために、制御回路を介してバイパス−スイッチを閉じる。

電源装置の出力量は、１つ又はそれ以上の２次電圧、電源装置の１つ又はそれ以上の出力電流、任意の２次電圧と出力電流の組合せ、又は、誘導的装置の補助巻線で発生される電圧のような、電源装置の動作状態を決定するのに適する手段を提供する他の値又は、電源装置の制御を決定する手段を提供する他の値を表してもよい。

請求項６に規定された本発明の実施例では、光カプラトランジスタの主電流経路は、スイッチング装置のスイッチングを制御するコントローラにも接続されている。このように、光カプラトランジスタは、スイッチング装置のスイッチングを制御する制御装置への入力も供給する。このように、構成要素の効率的な使用が達成され、全体の構成要素のコストを減少させる。また、始動の動作は、この構成要素の結合された使用により改善され、これらの構成要素の公差は、コントローラのスイッチングの動作だけでなく、バイパス−スイッチの動作に同様な効果を有する。

過負荷の場合には、検出装置は、２次電圧が低いことを検出し、そして、従って、検出装置は、光カプラを介して、バイパス−スイッチを開く。これは、自動的に、電源を再び始動モードにし、電源は、再始動しようとし、これは、過負荷に対する電子的な保護を提供する。

バイパス−スイッチは、優位に、トランジスタを有し、単純なそしてコスト効率の良いスイッチングを可能とする。

始動装置は優位に、好ましい値の、１次電圧又は、スタンバイ電圧源に、結合されることが可能であるので、これは、誘導性装置上の追加の巻線の使用を不要とし、これは、誘導性装置の設計と製造を単純化する。またこれは、変圧器の絶縁で特に発生する安全問題を避ける。関連する分離の要求を伴なう追加の巻線は、必要とされない。変圧器上の追加の巻線を避けそして、スタンバイ電圧源のような良く規定された電圧源へ始動装置を接続することにより、過負荷の場合の再始動だけでなく、電源の始動は、改善される。始動は、変圧器内の追加の巻線の磁気結合にもはや依存せず、そして、多くの場合に大きな入力電圧範囲を有する１次電圧にもはや依存しない。これは、電源の始動動作を、制御し且つ予測するのを簡単にし、そして、変圧器の公差の悪影響と入力電圧範囲が除去されることができる。

優位に、始動装置は、コントローラに始動電流を供給する、始動装置の入力端子と出力端子の間に接続された、始動抵抗と、始動装置の出力端子と共通グランド間に接続されたコンデンサを有する。抵抗の値は、抵抗が適切な始動電流をコントローラに供給するように選択され、コンデンサの値は、十分に長い始動時間を保証するために十分な遅延時間を可能とするように選択される。抵抗とコンデンサの組合せは、過負荷の場合に電源を始動する連続した試行の間のある時間を保証しそして、電源の信頼性のある始動を保証するように選択される。

前述のように、バイパス−スイッチの存在により、最小の電力消費のために抵抗の大きさを決定することは必要無く、始動抵抗の大きさを決定するときに自由度を拡大する。これは、短い始動時間が保証されるように、抵抗の低値の抵抗値を選択し、一方、始動が一旦起こると抵抗がバイパスされるので、そのような低抵抗値に関連する連続する高い消費を避けるようにすることを可能とする。

誘導性装置は、変圧器又はインダクタを有するので、本発明は、本線が分離されている又は分離されていない、いわゆるフライ−バック、ステップ−アップ、フィードフォワード又は、共振変換器のような、種々の形式のスイッチドモード電源と共に使用されることが可能である。

更なる特徴と優位点は、本発明は、限定的でない実施例を示す、添付の図面から明らかとなろう。

異なる図面で、同じ参照番号は、同じ又は、同様な構成要素を示す。

図１では、スイッチドモード電源は、端子１に印加された入力電圧を、端子２で出力電圧に変換する。端子１，２は、１次巻線３ａと２次巻線３ｂを有する、変圧器３に結合される。コントローラ４は、集積回路装置を有し、スイッチング装置、この場合は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）形式のスイッチングトランジスタ５、のスイッチングを制御する。変圧器の２次巻線３ｂで、電気パルスは、整流ダイオード６とコンデンサ７により、整流されそしてフィルタされる。コントローラ４は、抵抗８ａとコンデンサ８ｂを有する、始動装置８を介して電気エネルギーを供給される。始動回路８は、始動電流をコントローラ４に供給し、その目的のために、始動装置の出力端子８ｄがコントローラ４の電源端子４ａに接続される。始動装置８の入力端子８ｃは、端子１０でスタンバイ電圧源に接続されている。始動装置８は、この場合には、始動装置８の入力端子８ｃと出力端子８ｄの間の主電流経路に接続された、スイッチングトランジスタの、バイパス−装置１１によりバイパスされる。バイパス−スイッチ１１のスイッチングは、電圧基準１２と２つの抵抗を有する、制御装置ＣＣと検出装置ＤＤにより制御される。制御装置ＣＣは、光カプラ１３ａ、１３ｂ及び、３つの抵抗を有する。光カプラ１３ａ、１３ｂは、端子２の２次電圧に依存してスイッチングトランジスタ５のスイッチングを制御するために、コントローラ４にも接続されている。光カプラは、光カプラトランジスタ１３ｂに光学的に結合された、光カプラダイオード１３ａを有する。

電源を始動するときに、コントローラ４は、端子１０を通してスタンバイ電圧源から始動装置８を介して電気エネルギーが供給される。コントローラ４は、スイッチングトランジスタ５に電気的な駆動パルスを供給することにより、スイッチングトランジスタ５の周期的なスイッチングを開始する。スイッチングトランジスタ５のスイッチングは、変圧器３の２次巻線３ｂにパルスを発生する。スイッチングトランジスタ５を駆動することができるためにコントローラ４により要求される電気エネルギーは、始動装置８によりコントローラ４に供給される電気エネルギーよりも大きい。従って、コントローラ４の電源端子４ａ上の電圧である、コンデンサ８ｂをわたる電圧は、電気エネルギーがコンデンサ８ｂから引かれるので、減少する。

始動中に電源は十分に高い値を有する２次電圧を高めることができる場合には、電圧基準１２は、導通を開始し、光カプラ１３ａ、１３ｂを導通させる。この結果、トランジスタ１１により構成された、バイパス−スイッチは、導通を開始する。これは、バイパススイッチ１１が始動抵抗８ａをバイパスし、そして、これにより、始動装置８の出力端子８ｄ電圧を上昇させ、電源を通常に動作させることを可能とする、コントローラ４へ十分な電気エネルギーを供給することを保証する。

しかしながら、始動中に、電源が十分に高い値を有する２次電圧を高めることができない場合には、電圧基準１２と光カプラ１３は、導通を開始しない。この結果、始動装置８ａにより供給される電気エネルギーはコントローラ４により消費される電気エネルギーよりも低いので、コンデンサ８ｂをわたる電圧は、減少を続ける。ある時間の瞬間に、コンデンサ８ｂをわたる電圧が、そのような低い値になるので、コントローラ４は動作を停止しそして、スイッチングトランジスタ５の駆動を停止する。従って、電源は停止する。

図１に従った電源は、過負荷保護を提供する。過負荷により又は短絡により発生されうる、２次電圧２が低すぎる場合には、バイパス−スイッチ１１は、閉じられずそして、そして、この結果、コントローラ４はスイッチングトランジスタ５の動作を停止する。

また、図１に従った電源は、自動再始動を提供する。上述の場合には、電源を始動する試みは成功せず、コンデンサ８ｂは、抵抗８ａにより再充電され、コントローラ４の供給電圧端子４ａで電圧を上昇させる。ある瞬間に、この電圧は、十分に高く、スイッチングトランジスタ５のスイッチングで、コントローラ４に再び始動させ、このように再び電源を始動するように試みる。この結果、電源が過負荷の状態の場合には、周期的に始動を試みる。

本発明に従った電源の始動及び再開動作は、始動網を構成する抵抗８ａとコンデンサ８ｂのそれぞれの値に大きく依存するので、簡単に制御されることができる。

本発明は、他の形式のスイッチドモード電源と共に使用できる。例えば、図２は、変圧器の代わりに単一のインダクタ３を使用した、図１に示されたスイッチドモード電源の僅かな単純化版の、他のスイッチドモード電源を示す。この結果、この電源は、入力電圧１と出力電圧２の間の電気的な絶縁を示さない。更に、図１に示された、本発明に従った電源の全ての特徴と利益は、等しく適用可能である。更に、抵抗８ａは、電流源と置換されることが可能である。検出装置ＤＤは、抵抗１５と１６を有する電圧分割器、タップの出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆを比較するための、組み込み基準電圧Ｖｒｅｆを有する、比較器１２を有する。比較器は、タップの出力電圧が基準電圧を超えたときに、光カプラダイオード１３ａを通して電流を発生する。光カプラダイオードに供給される供給電圧は、電源により発生されたどのような適するＤＣ電圧でもよい。

このように、本発明は、通常動作中の始動装置の低電力損失だけでなく、高速な始動時間を示すスイッチドモード電源を提供し、一方同時に、良く規定された始動動作と過負荷の場合の良く規定された再開動作を提供する。

本発明に従ったスイッチドモード電源の一実施例の概略の電気回路図を示す。 本発明に従ったスイッチドモード電源の他の実施例の概略の電気回路図を示す。

Claims (12)

1. − 入力電圧を少なくとも１つの出力電圧に変圧する誘導性装置と、
   − その誘導性装置をその入力電圧に周期的に結合させるスイッチング装置と、
   − そのスイッチング装置のスイッチングを制御するコントローラと、
   − 始動段階でそのコントローラに電気エネルギーを供給する始動装置と、
   を有する、入力電圧を少なくとも１つの出力電圧に変換するスイッチドモード電源であって、
   更に、そのスイッチドモード電源の通常動作モードで始動装置をバイパスするバイパス−装置を有することを特徴とする、スイッチドモード電源。
2. スイッチドモード電源は、更に、
   スイッチドモード電源の出力量が、スイッチドモード電源が調整中であることを示すかどうかを検出する検出装置と、
   スイッチドモード電源が調整中であることが検出されたときには、バイパス装置が閉じるように制御する制御回路を有することを特徴とする、請求項１に記載のスイッチドモード電源。
3. 誘導性装置は１次巻線と２次巻線を有する変圧器を有し、１次巻線はスイッチング装置に結合され、２次巻線は２次電圧を供給するように結合され、且つ、制御回路は、
   光カプラダイオードと、
   出力電圧が基準電圧を超えたときに光カプラダイオードに電流を供給する、少なくとも１つの出力電圧と基準電圧を比較する比較回路と、
   光学的にその光カプラダイオードに接続され且つバイパス装置の制御入力に結合された主電流回路を有する、光カプラトランジスタと、
   を有することを特徴とする、請求項１に記載のスイッチドモード電源。
4. バイパス装置は、制御可能な半導体スイッチであり、少なくとも１つの出力電圧が所定の値を超えたときに、バイパススイッチは閉じられる、ことを特徴とする、請求項１に記載のスイッチドモード電源。
5. 光カプラトランジスタの主電流経路は、スイッチング装置のスイッチングを制御するためにコントローラにも結合される、ことを特徴とする、請求項３に記載のスイッチドモード電源。
6. 始動装置は、スタンバイ電圧源又は１次電圧に結合されることを特徴とする、請求項１に記載のスイッチドモード電源。
7. コントローラは、検出装置により出力電圧が予め定められた値より低下したことが検出されたときに、バイパス装置を開くように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のスイッチドモード電源。
8. 入力電圧を少なくとも１つの出力電圧に変換するスイッチドモード電源を始動する方法であって、そのスイッチドモード電源は、
   入力電圧を少なくとも１つの出力電圧に変圧する誘導性装置と、
   １次巻線をその入力電圧に周期的に結合させるスイッチング装置と、
   そのスイッチング装置のスイッチングを制御するコントローラと、
   始動段階でそのコントローラに電気エネルギーを供給する始動装置と、
   を有し、
   その方法は、
   更に、そのスイッチドモード電源の通常動作で始動装置をバイパスすることを含むことを特徴とする、スイッチドモード電源を始動する方法。
9. バイパスすることは、少なくとも１つの出力電圧が予め定められた値を超えたときに、活性化される、ことを特徴とする、請求項８に記載のスイッチドモード電源を始動する方法。
10. バイパスすることは、出力電圧が予め定められた値より小さくなったときに、不活性化される、ことを特徴とする、請求項８に記載のスイッチドモード電源を始動する方法。
11. スイッチドモード電源装置内で使用するコントローラ始動装置であって、そのコントローラ始動装置は、
    − 入力端子と出力端子と、
    − 入力端子を出力端子に結合させる始動装置と、
    を有し、
    コントローラ始動装置は、入力端子を出力端子に接続するバイパス−スイッチを有することを特徴とする、コントローラ始動装置。
12. 請求項１に記載のスイッチドモード電源を有する表示装置。

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