JP2006136075A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング電源において、入力電圧の影響を受けないようにして負荷電流の推定（検出）を可能とし、軽負荷時における消費電力の低減効果を十分に発揮できるようにする。
【解決手段】スイッチング電源のスイッチ素子２を制御するコンバータ回路２５を、出力電圧のフィードバック信号と２つの基準電圧との比較によりスイッチ素子２の休止期間を生成する休止期間生成回路３５に加えて、充放電回路３６や負荷状態の保持回路３９等を設けることで、その休止期間にコンデンサ３７を充放電させて休止期間の時間の計測ができるようにし、計測した時間が負荷電流と反比例する関係から入力電圧の影響を受けることなく負荷電流（出力電流）を推定または検出できるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、定電圧出力のスイッチング電源装置、特に軽負荷時の消費電力を低減が可能なスイッチング電源に関する。

スイッチング電源装置では軽負荷時の消費電力を低減するために、スイッチング休止期間を設定し、スイッチングデバイスのスイッチング動作を休止させることが通常行なわれている。そのスイッチング休止期間を決める信号を、特に負荷状態から生成するスイッチング電源として、例えば特許文献１（特開２０００−２４５１５０号公報）に示すものがある。図８にその例を示す。

図８において、１はトランスで、１ａはその１次巻線、１ｂはその２次巻線を示す。２はスイッチングデバイス、３はスイッチングデバイスのオンオフを制御する制御回路、４ａ，４ｂはフォトカプラ、５は整流ダイオード、６はフォトカプラ４ａ，４ｂを介して出力電圧を安定化させるシャントレギュレータ１２，抵抗１５，１６からなる電圧検出回路である。２０は商用電源を整流する整流（ダイオード）ブリッジ、２６は整流された電圧を平滑化するキャパシタ、２５はスイッチングデバイス２，制御回路３，発振周波数休止期間回路２１，コンパレータ２２，発振回路２３，基準電圧２４（Ｖｒｅｆ１），ダイオード２７，抵抗２８および定電流源２９からなるコンバータ、３０はキャパシタ、Ｐ１，Ｐ２は交流入力端子、Ｐ３，Ｐ４は負荷出力端子を示す。なお、発振周波数休止期間回路２１は図示のように、直流電圧を基準電圧３１（Ｖｒｅｆ２）と比較するコンパレータ３２を備えている。

図８の動作を説明する。
ダイオードブリッジ２０とキャパシタ２６により平滑化された直流電圧を、コンバータ２５のスイッチングデバイス２でオンオフ動作させることで、トランス１の１次巻線１ａを介してトランス１の２次巻線１ｂに電圧を発生させる。トランス１の２次巻線１ｂに発生する電圧は、ダイオード５とキャパシタ１１で整流され平滑化されることで、直流電圧に変換される。このとき、電圧検出回路６はその直流電圧が上昇すると、フォトカプラ４ｂを介してフォトカプラ４ａの出力電圧を引き下げることで、コンバータ２５に出力電圧の上昇を伝達する。コンバータ２５はフォトカプラ４ａからの信号に基きスイッチングデバイス２のオン期間を制御することで、出力電圧を所望の電圧に安定化させる。

図９に軽負荷時の出力電圧波形、フィードバック信号波形、発振周波数休止期間回路の出力波形例を示す。コンバータ２５では、発振周波数休止期間回路２１のコンパレータ３２により、フォトカプラ４ａからのフィードバック信号を基準電圧３１と比較し、フィードバック信号が一定値（Ｖｒｅｆ２）以下である場合に、発振回路２３を休止させる信号を出力する。この休止信号が出力されると発振回路２３の出力が休止し、スイッチングデバイス２はオフする。
このように、フィードバック信号が一定値以下の場合に軽負荷と判断し、自動的にスイッチングデバイス２をオフさせることで消費電力を低減している。

また、上記休止期間を、誤差信号と２つの基準電圧との比較で生成するものが、例えば特許文献２に開示されている。
特開２０００−２４５１５０号公報 特開平０５−０５１５５０号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に示すものでは、入力電圧の違いにより負荷電流の検出に大きな誤差が生じるという問題がある。つまり、ワールドワイド対応のスイッチング電源では、使用する地域や国によって入力電圧が異なり、使用条件によって軽負荷の検出特性に違いが生じるため、消費電力の低減効果を十分に発揮できなくなるわけである。
したがって、この発明の課題は、入力電圧が異なる場合でも消費電力の低減効果を十分に発揮できるようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源にトランスとスイッチングデバイスとを接続し、前記スイッチングデバイスのオンオフにより前記トランスの２次巻線に発生する電圧を整流し平滑化することで、安定な直流出力電圧を得るスイッチング電源装置において、
前記直流出力電圧と基準電圧との誤差を示すフィードバック信号を第１，第２の設定値とそれぞれ比較して前記スイッチングデバイスの休止期間信号を生成する休止期間信号生成手段と、前記休止期間が所定時間に達するか否かを判断し、所定時間に達したときは軽負荷状態として、所定時間に達しないときは通常負荷状態としてそれぞれ判断する判断手段と、通常負荷状態では発振回路からの発振信号と前記フィードバック信号との比較結果に基き前記スイッチングデバイスを連続的にスイッチング動作させ、軽負荷状態ではスイッチング期間とスイッチング休止期間とを設けて前記スイッチングデバイスを動作させる制御手段とを設けたことを特徴とする。

いま、フィードバック信号が第１の設定値となるような出力電圧値をＶ１、第２の設定値となるような出力電圧値をＶ２とすると、フィードバック信号の上昇時間は出力電圧がＶ１からＶ２まで減少するのに要する時間に相当する。その出力電圧の減少に要する時間Ｔは、出力電圧を平滑する電力蓄積要素の容量Ｃｏｕｔと、電力蓄積要素から取り出される負荷電流（出力電流）Ｉｏｕｔとの関係から、次の（１）式ように表わされる。
Ｉｏｕｔ＝Ｃｏｕｔ×（Ｖ１−Ｖ２）／Ｔ （１）
Ｉｏｕｔ：負荷電流（出力電流） Ｃｏｕｔ：電力蓄積要素の容量
Ｔ：出力電圧がＶ１からＶ２まで減少するのに要する時間
Ｖ１：フィードバック信号が第１の設定値となる出力電圧
Ｖ２：フィードバック信号が第２の設定値となる出力電圧

上記（１）式より、負荷電流（出力電流）はフィードバック信号の上昇時間に反比例することが分かる。そこで、この発明ではこの反比例の関係を用いて、負荷電流（出力電流）を推定または検出することにより、コンバータの外部に付加回路を設けることなく、入力電圧の違いによる影響を受けないようにするものである。この負荷電流（出力電流）の推定値（検出値）を用いて運転動作を切換え、軽負荷時の消費電力を低減する。

また、上記請求項１の発明においては、前記休止期間にコンデンサを充放電させる充放電手段を付加し、前記判断手段はその充放電手段によるコンデンサの充電電圧が所定値に達するか否かを判断し、所定値に達したときは軽負荷状態として、所定値に達しないときは通常負荷状態としてそれぞれ判断することができる（請求項２の発明）。この請求項２の発明においては、前記休止期間に、前記充放電手段によるコンデンサの充放電動作回数を計測するカウント手段を付加することができ（請求項３の発明）、この請求項３の発明においては、前記判断手段は、前記カウント手段によるカウント数が所定数以上のときは軽負荷状態、所定数以下のときは通常負荷状態、としてそれぞれ判断することができる（請求項４の発明）。

さらに、上記請求項２〜４のいずれかの発明においては、前記充放電手段に定電流源を設け、定電流にて充放電を行なうことができ（請求項５の発明）、上記請求項１〜５のいずれかの発明においては、前記軽負荷状態における発振回路からの発振信号のスイッチング周波数を、連続的または段階的に低下させることができ（請求項６の発明）、請求項１〜６のいずれかの発明においては、前記各手段を前記スイッチングデバイスとともにパッケージ化することができる（請求項７の発明）。

この発明によれば、コンバータ外部に追加回路を設けることなく、入力電圧の違いによる影響を受けない負荷電流の推定（検出）が可能となる。これにより、軽負荷状態を正確に判断できるので、（１）軽負荷状態でスイッチング休止期間を設けること、（２）負荷状態に応じて動作状態を切換えること、（３）軽負荷状態時にスイッチング周波数を低下させること、などが容易かつ正確に行なわれる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図で、図８に示すものに対し特にコンバータの構成を改良したものである。
図１に示すように、コンバータ２５をスイッチングデバイス２、駆動回路（制御回路）３、コンパレータ２２，３３，３４、発振回路２３、基準電圧３１，３３、抵抗２８、休止期間生成回路３５、充放電回路３６、キャパシタ３７、負荷状態の保持回路３９および入力電流の検出回路４０等から構成する。休止期間生成回路３５は例えばフリップフロップ（ＦＦ）から、保持回路３９は例えばＦＦ，ＡＮＤ，ＯＲ等の論理回路からそれぞれ構成することができる。なお、その他は図８と同様である。入力電流の検出回路４０は、スイッチングデバイス２とＫ２端子間に設けるようにしても良い。また、充放電回路３６、キャパシタ３７、負荷状態の保持回路３９の代わりにマイコンを設け、上記休止期間の長さを利用して負荷電流を推定するようにしても良い。

図１の動作について説明する。
ダイオードブリッジ２０とキャパシタ２６により平滑化された直流電圧を、コンバータ２５のスイッチングデバイス２でオンオフ動作させることで、トランス１の１次巻線１ａを介してトランス１の２次巻線１ｂに電圧を発生させる。トランス１の２次巻線１ｂに発生する電圧は、ダイオード５とキャパシタ１１で整流し平滑化されることで、直流電圧に変換される。このとき、電圧検出回路６はその直流電圧が上昇すると、フォトカプラ４ｂを介してフォトカプラ４ａの出力電圧を引き下げることで、コンバータ２５に出力電圧の上昇を伝達する。コンバータ２５はフォトカプラ４ａからの信号に基きスイッチングデバイス２のオン期間を制御することで、出力電圧を所望の電圧に安定化させる。ここまでは図８の場合と同じである。

図２に軽負荷状態で運転中の出力電圧，フィードバック信号，休止期間生成回路出力およびキャパシタ電圧の各波形例を示す。（ａ）は軽負荷時、（ｂ）は通常負荷時を示す。
フィードバック信号はコンパレータ３２，３４に入力され、コンパレータ３２では第１の基準電圧３１と比較され、コンパレータ３４では第２の基準電圧３３と比較される。その結果、フィードバック信号が第１の基準電圧３１以下になると、休止期間生成回路３５は休止期間信号を出力する。また、フィードバック信号が第２の基準電圧３３以上になると、休止期間信号の出力を終了する。この休止期間信号が出力されている間、発振回路２３は出力を休止し、スイッチングデバイス２はオフ状態に保持される。

休止期間生成回路３５はスイッチング休止期間信号を、負荷状態の保持回路３９に伝達する。負荷状態の保持回路３９は休止期間生成回路３５からのスイッチング休止期間信号を、軽負荷の時だけ発振回路２３に伝達する。充放電回路３６は、その休止期間信号が出力されている間に、キャパシタ３７を定電流充電する。そのため、充放電回路３６は定電流回路を内蔵している。休止期間信号の出力が終了するタイミングでキャパシタ３７の両端の電圧は最大となり、キャパシタ３７の両端電圧の最大値が負荷電流と反比例の関係となる。

休止期間信号の出力が終了するタイミングにおいて、キャパシタ３７の両端電圧は最大となる。そこで、負荷状態の保持回路３９は、上記休止期間信号の出力が終了するタイミングにおいて、キャパシタ３７の両端電圧を設定値と比較し負荷の状態を判別する。休止期間信号の出力が終了するタイミングで、キャパシタ３７の両端電圧の最大値が設定値（Ｖｒｅｆ４）以上であれば、負荷状態の保持回路３９は負荷電流が小さいと判断し、軽負荷の運転状態を維持する。一方、上記と同じタイミングでキャパシタ３７の両端電圧の最大値が設定値以下の場合、負荷状態の保持回路３９は負荷電流が増加したと判断し、軽負荷の運転状態から通常負荷の運転動作へと切換えるようにする。その後は、入力電流の検出回路４０から軽負荷の信号が入るまで、通常負荷の運転動作を維持する。

休止期間信号の出力が終了してから次の休止期間信号が入るまでに、キャパシタ３７は充放電回路３６により初期状態まで放電される。
以上のように、コンバータ外部に追加回路を用いず入力電圧の影響を受けない負荷電流の推定（検出）が可能となり、負荷状態にあわせて運転動作を切換えることができる。なお、負荷状態の保持回路３９は負荷電流の減少時（軽負荷時）に、スイッチング周波数を連続的または段階的に低減することができ、これにより、スイッチング動作による消費電力をさらに低減することができる。

図３にこの発明の第２の実施の形態を示す。これは図１に示すものに対し、カウンタ回路３８を付加した点が特徴である。なお、検出回路４０をスイッチングデバイス２とＫ２端子間に設けるようにしても良いのは、図１と同様である。また、図１と同様充放電回路３６、キャパシタ３７、カウンタ回路３８、負荷状態の保持回路３９の代わりにマイコンを設け、上記休止期間の長さを利用して負荷電流を推定するようにしても良い。
図４に軽負荷状態で運転中の出力電圧，フィードバック信号，休止期間生成回路出力およびキャパシタ電圧の各波形例を示す。（ａ）は軽負荷時、（ｂ）は通常負荷時をそれぞれ示す。

休止期間生成回路３５から休止期間信号が出力されている間に、充放電回路３６はキャパシタ３７を定電流充電する。休止期間信号の出力中にキャパシタ３７の両端電圧が設定値以上になると、キャパシタ３７を初期状態まで放電し、再度キャパシタ３７を定電流充電を開始する。この動作を休止期間信号の出力が終了するまで充放電動作を繰り返し、この充放電回数をカウンタ回路３８でカウントする。すなわち、充放電回数が負荷電流と反比例の関係となることを利用して、負荷電流を推定（検出）するものである。そして、休止期間信号の出力が終了するタイミングにおいて、カウンタ回路３８のカウント値が設定値以上であった場合、負荷状態の保持回路３９は負荷電流は小さいと判断し、軽負荷の運転動作を維持する。一方、休止期間信号の出力が終了するタイミングにおいて、カウンタ回路３８のカウント値が設定カウント数以下の場合、負荷状態の保持回路３９は負荷電流が増加したと判断し、軽負荷の運転動作から通常負荷の運転動作に動作を切換える。

その後は、入力電流の検出回路４０から軽負荷の信号が入るまでの間、通常負荷状態を維持する。上記休止期間信号の出力が終了してから、次の休止期間信号が入るまでにキャパシタ３７は充放電回路３６により完全に放電される。
以上のように、コンバータ外部に追加回路を設けることなく、負荷電流の推定（検出）に入力電圧の影響を受けずに、負荷状態にあわせて運転動作を切換えることができる。また、コンバータ内部に追加されるキャパシタ３７の容量が小さいため、追加によるスペースの増大も少ない。なお、負荷状態の保持回路３９は負荷電流の減少時（軽負荷時）に、スイッチング周波数を段階的または連続的に低減することができ、これにより、スイッチング動作による消費電力をさらに低減することができる。

図５にこの発明の第３の実施の形態を示す。これは図１に示すものから負荷状態の保持回路３９と、入力電流検出回路４０を省略したものである。
ここでは、負荷の状態に関係なく、フィードバック信号と第１，第２の基準電圧との比較により、スイッチング休止期間を設けるようにした点が特徴である。これにより、コンバータ外部に追加回路を用いずに、入力電圧の影響を受けない負荷電流の推定（検出）が可能となり、負荷電流の減少時にスイッチング周波数を連続的または段階的に減少させることができ、軽負荷時の消費電力のさらなる低減効果が得られる。

図６にこの発明の第４の実施の形態を示す。これは図３に示すものから負荷状態の保持回路３９と、入力電流検出回路４０を省略したものである。
この例も、負荷の状態に関係なく、フィードバック信号と第１，第２の基準電圧との比較により、スイッチング休止期間を設けるようにした点が特徴である。これにより、コンバータ外部に追加回路を用いずに、入力電圧の影響を受けない負荷電流の推定（検出）が可能となり、負荷電流の減少時にスイッチング周波数を段階的または連続的に減少させることができ、軽負荷時の消費電力のさらなる低減効果が得られる。

図７は図１のコンバータを、スイッチングデバイスのパッケージ内に形成した場合の外観図である。
図７において、２はスイッチングデバイス、４３は制御ＩＣ、Ｋ１〜Ｋ４はスイッチングデバイスから引き出される端子である。制御ＩＣ４３には、図１に示すコンバータ２５のうちスイッチングデバイス２を除く全ての回路や素子を含むものとする。そして、端子Ｋ１をトランス１の１次巻線１ａに、端子Ｋ２をダイオードブリッジ２０の（−）側に、端子Ｋ３を制御電源４２に、さらに端子Ｋ４をフォトカプラ４ａに接続すると、図１のようなスイッチング電源を構成することができる。コンバータをパッケージ化することで、実装面積の低減化ができ、コストダウンが可能となる。なお、このような構成は図３，図５および図６の各コンバータについても、同様にして適用することができるのは勿論である。

この発明の第１の実施の形態を示す回路図 図１の動作説明図 この発明の第２の実施の形態を示す回路図 図３の動作説明図 この発明の第３の実施の形態を示す回路図 この発明の第４の実施の形態を示す回路図 図１のコンバータを１パッケージ化した例を示す外観図 従来例を示す回路図 図８の動作説明図

符号の説明

１…トランス、１ａ…トランス１次巻線、１ｂ…トランス２次巻線、２…スイッチングデバイス、３…制御回路（駆動回路）、４ａ，４ｂ…フォトカプラ、５…整流用ダイオード、６…出力電圧検出回路、１１，２６，３０，３７…キャパシタ、１２…シャントレギュレータ、１５，１６，１９，２８…抵抗、２０…ダイオードブリッジ、２１…発振周波数休止期間回路、２２，３２，３４…コンパレータ、２３…発振回路、３１，３３…基準電圧、２５…コンバータ、３５…休止期間生成回路、３６…充放電回路、３８…カウンタ回路、３９…負荷状態の保持回路、４０…入力電流検出回路、４１…コンバータの内部電源、４２…制御電源、４３…制御ＩＣ、Ｐ１，Ｐ２…入力端子、Ｐ３，Ｐ４…出力端子、Ｋ１〜Ｋ４…コンバータ端子。

Claims (7)

1. 直流電源にトランスとスイッチングデバイスとを接続し、前記スイッチングデバイスのオンオフにより前記トランスの２次巻線に発生する電圧を整流し平滑化することで、安定な直流出力電圧を得るスイッチング電源装置において、
   前記直流出力電圧と基準電圧との誤差を示すフィードバック信号を第１，第２の設定値とそれぞれ比較して前記スイッチングデバイスの休止期間信号を生成する休止期間信号生成手段と、前記休止期間が所定時間に達するか否かを判断し、所定時間に達したときは軽負荷状態として、所定時間に達しないときは通常負荷状態としてそれぞれ判断する判断手段と、通常負荷状態では発振回路からの発振信号と前記フィードバック信号との比較結果に基き前記スイッチングデバイスを連続的にスイッチング動作させ、軽負荷状態ではスイッチング期間とスイッチング休止期間とを設けて前記スイッチングデバイスを動作させる制御手段とを設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記休止期間にコンデンサを充放電させる充放電手段を付加し、前記判断手段はその充放電手段によるコンデンサの充電電圧が所定値に達するか否かを判断し、所定値に達したときは軽負荷状態として、所定値に達しないときは通常負荷状態としてそれぞれ判断することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記休止期間に、前記充放電手段によるコンデンサの充放電動作回数を計測するカウント手段を付加したことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記判断手段は、前記カウント手段によるカウント数が所定数以上のときは軽負荷状態、所定数以下のときは通常負荷状態、としてそれぞれ判断することを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記充放電手段に定電流源を設け、定電流にて充放電を行なうことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
6. 前記軽負荷状態における発振回路からの発振信号のスイッチング周波数を、連続的または段階的に低下させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
7. 前記各手段を前記スイッチングデバイスとともにパッケージ化することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
   
   

Images