JP2006149092A - 多出力スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、負荷変動を減少させ、負荷変動を抑えるためのダミー抵抗による損失を減らし、電源装置の効率を向上させることができる多出力スイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】 直流電源１に対してトランス２の１次巻線Ｆ１と主スイッチング素子３を直列に接続した１次側回路を有し、トランス２に複数の２次巻線Ｓ１，Ｓ２を設ける。スイッチング素子３をスイッチングして、トランス２の複数の２次巻線Ｓ１，Ｓ２に発生するフライバック電圧を、各々整流用ダイオード４，５により整流する。整流した各出力を直列に接続し、各出力を平滑化して出力電圧を供給する。トランス２の各２次巻線Ｓ１，Ｓ２に発生するフライバック電圧のプラス側の各端子に、各整流用ダイオード４，５のアノードを各々接続し、各整流用ダイオード４，５の各アノード間を、コンデンサ１２を介して接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流入力電圧を所望の電圧に変換し、電子機器に供給するスイッチング電源装置であって、特に複数の出力を備えた多出力スイッチング電源装置に関する。

従来、フライバック型の多出力スイッチング電源装置は、例えば図６に示すような回路構成であった。このスイッチング電源装置の回路は、直流電源１に、トランス２の１次巻線Ｆ１とスイッチング素子３より成る直列回路が接続されている。スイッチング素子３は、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチ素子からなる。スイッチング素子３のゲートには、スイッチングのオンデューティを制御して出力電圧を制御する制御回路８の出力が接続されている。

トランス２には２個の２次巻線Ｓ１、Ｓ２が設けられ、２次巻線Ｓ１、Ｓ２のドットのない方の端子は、各々整流用ダイオード４，５のアノードに接続されている。一方の整流用ダイオード４のカソードは、出力端子２１に接続されているとともに、平滑コンデンサ６の一端に接続されている。平滑コンデンサ６の他端は、２次巻線Ｓ２のドットを付した側の端子に接続されているとともに、出力端子２２に繋がっている。また、他方の整流用ダイオード５のカソードは、出力端子２２に接続されているとともに、平滑コンデンサ７の一端に接続され、平滑コンデンサ７の他端が、２次巻線Ｓ１のドットを付した側の端子に接続され、出力端子２３に繋がっている。出力端子２１，２３の出力は、アンプ１１を介して制御回路８にフィードバックされている。

図６に示すフライバック型の多出力電源回路においては、１次側のスイッチング素子３のオン期間にトランス２にエネルギーを蓄え、スイッチング素子３のオフ期間に、整流用ダイオード４，５を通って出力側にエネルギーが供給される。スイッチング素子３のオフ期間に発生する２次巻線Ｓ１，Ｓ２のフライバック電圧Ｅ１，Ｅ２は、入力電圧Ｖｉｎに対して各々の巻数に比例して発生する。そして、２次巻線Ｓ１，Ｓ２のフライバック電圧Ｅ１，Ｅ２により、各整流用ダイオード４，５を介して平滑コンデンサ６，７が充電され、出力端子２１，２２，２３に出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２が供給される。この出力電圧の制御は、整流用ダイオード５のカソード側の出力端子２２をマイナス電位として、各２次巻線Ｓ１，Ｓ２に発生する電圧を整流平滑した合成電圧がアンプ１１を介して制御回路８に入力され、出力の安定化を図っている。
特開昭６０−３５９５７号公報 特開平６−５４５３２号公報

このフライバック型の多出力スイッチング電源装置の場合、図７に示す等価回路のように、トランス２と整流用ダイオード４，５の間の漏れインダクタンスや、回路基板の配線パターンなどによる寄生インダクタンス等のリーケージインダクタンス成分９，１０が直列に挿入された回路となる。このリーケージインダクタンス成分９，１０には、スイッチング素子３がスイッチングする毎に整流電流が流れる。そのため、片側の出力だけに負荷電流を流す場合や負荷にアンバランスが生じると、負荷電流を流している出力側は、漏れインダクタンス等のリーケージインダクタンス成分により発生する電圧降下が大きくなるため、負荷に電流を流す出力側の電圧が減少し、電流を流していないまたは少ない出力側の電圧が上昇し、負荷変動が大きくなる。これは、出力の合成電圧をフィードバックして出力電圧を制御しているために生じる。

このトランス２の漏れインダクタンスや寄生インダクタンスによるリーケージインダクタンス成分の合成値をＬｅとすると、リーケージインダクタンス成分Ｌｅで発生する電圧降下Ｖｅは、以下のように表される。

Ｖｅ＝Ｌｅ×（ｄｉ／ｄｔ）
ここで、（ｄｉ／ｄｔ）は、リーケージインダクタンス成分に流れる電流の傾きである。

そこで、出力電圧が負荷により目標電圧より大きく上昇してしまわないように、出力端子２１，２２間および２２，２３間にダミー抵抗を接続して、必要最低限の負荷電流ａをダミー抵抗により消費させ、図８に示すように軽負荷時の出力上昇を防ぐようにしている。

したがって、上記従来の場合、ダミー抵抗による損失が電源の効率を下げているという問題があった。また、このようなリーケージ成分を少なくするようにトランスの巻線部を積層基板で作成することも行われているが、構成が複雑になるとともにコストも上昇するという問題があった。

また、特許文献１、２に開示されているように、ダミー抵抗による損失を抑えるために、多出力スイッチング電源回路の各コイルの磁心を共有させる構成も提案されているが、この場合も上述の問題に対して十分な効果が得られていないものであった。

この発明は、上記の従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、負荷変動を減少させ、負荷変動を抑えるためのダミー抵抗による損失を減らし、電源装置の効率を向上させることができる多出力スイッチング電源装置を提供することを目的とする。

この発明は、直流電源に対してトランスの１次巻線と主スイッチング素子を直列に接続した１次側回路を有し、前記トランスに複数の２次巻線を設け、前記スイッチング素子をスイッチングして、前記トランスの複数の２次巻線に発生するフライバック電圧を各々ダイオード等の整流用素子により整流し、この整流した各出力を直列に接続し、各出力を平滑化して出力電圧を供給し、前記複数の出力電圧の合成電圧をフィードバックして出力電圧を制御しているフライバック型の多出力スイッチング電源装置であって、前記トランスの各２次巻線に発生するフライバック電圧のプラス側の各端子に、前記各整流用素子のプラス側端子を各々接続し、前記各整流用素子の各プラス側端子間をコンデンサを介して接続して成る多出力スイッチング電源装置である。

またこの発明は、直流電源に対してトランスの１次巻線と主スイッチング素子を直列に接続した１次側回路を有し、前記トランスに複数の２次巻線を設け、前記スイッチング素子をスイッチングして、前記トランスの複数の２次巻線に発生する交流電圧を各々整流するダイオード等の複数の整流用素子と、前記２次巻線のドットのある側に一端が接続され他端が出力端子に接続されたチョークコイルと、前記チョークコイルの一端と前記２次巻線のドットのない側との間に接続された複数の還流用素子と、各出力を平滑する平滑コンデンサを備え、前記複数の出力電圧の合成電圧をフィードバックして出力電圧を制御しているフォワード型の多出力スイッチング電源装置であって、前記各整流用素子の各マイナス側の端子と前記各チョークコイルとの中点同士を、コンデンサを介して接続して成る多出力スイッチング電源装置である。

さらに、前記各整流用素子に接続された各チョークコイルは、複数のチョークコイルで磁芯を共有したものである。

この発明の多出力スイッチング電源装置は、整流用素子間にコンデンサを接続するだけで、負荷変動を減少させ、負荷変動を減少させるためのダミー抵抗による損失を抑え、電源装置の効率を高めることができるものである。また、ダミー抵抗を減らすことができることにより、回路の実装面積を減らすことができ、電源装置の構成部品の小型化を可能にし、電源装置全体の小型化や低コスト化にも大きく寄与するものである。

以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の第一実施形態のフライバック型の多出力スイッチング電源装置の電源回路を示すもので、図６に示す電源回路と同様の構成は同一の符号を付す。この実施形態の多出力スイッチング電源装置は、直流電源１に、トランス２の１次巻線Ｆ１とスイッチング素子３より成る直列回路が接続されている。スイッチング素子３は、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチ素子からなる。スイッチング素子３のゲートには、スイッチングのオンデューティを制御して出力電圧を制御する制御回路８の出力が接続されている。

トランス２には２個の２次巻線Ｓ１、Ｓ２が設けられている。２次巻線Ｓ１、Ｓ２のドットのない方の端子は、各々整流用素子である整流用ダイオード４，５のアノードに接続されている。一方の整流用ダイオード４のカソードは、出力端子２１に接続されているとともに、一方の平滑コンデンサ６の一端に接続されている。平滑コンデンサ６の他端は、２次巻線Ｓ２のドットを付した側の端子に接続されているとともに、出力端子２２に繋がっている。また、他方の整流用ダイオード５のカソードは、出力端子２２に接続されているとともに、他方の平滑コンデンサ７の一端に接続され、平滑コンデンサ７の他端が、２次巻線Ｓ１のドットを付した側の端子に接続され、出力端子２３に繋がっている。出力端子２１，２３の出力は、アンプ１１を介して制御回路８にフィードバックされている。

また、２次巻線Ｓ１、Ｓ２のドットのない方の各端子と各整流用ダイオード４，５の各アノードとの間をつないで、コンデンサ１２が設けられている。

この実施形態の整流用ダイオード４，５は、例えばショットキバリアダイオード、ファーストリカバリダイオード等を用いることができ、コンデンサ１２は、セラミックコンデンサ、アルミ電解コンデンサ、機能性高分子電解コンデンサ等を適宜用いることができる。

図１に示すフライバック型の多出力電源回路においては、１次側のスイッチング素子３のオン期間にトランス２にエネルギーを蓄え、スイッチング素子３のオフ期間に、２次巻線Ｓ１、Ｓ２によるフライバック電圧が整流用ダイオード４，５を通って出力側に印加され、エネルギーが供給される。スイッチング素子３のオフ期間に発生する２次巻線Ｓ１，Ｓ２のフライバック電圧Ｅ１，Ｅ２は、入力電圧Ｖｉｎに対して各々の巻数に比例して発生する。そして、２次巻線Ｓ１，Ｓ２のフライバック電圧Ｅ１，Ｅ２が、各整流用ダイオード４，５のアノードに印加され、平滑コンデンサ６，７が充電され、出力端子２１，２２，２３に出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２が供給される。この出力電圧の制御は、整流用ダイオード５のカソード側の出力端子２２をマイナス電位として、各２次巻線Ｓ１，Ｓ２に発生する電圧を整流平滑した合成電圧がアンプ１１を介して制御回路８に入力され、出力の安定化を図っている。

この実施形態のフライバック型の多出力電源回路も、図２に示す等価回路のように、トランス２と整流用ダイオード４，５の間の漏れインダクタンスやパターンなどによる寄生インダクタンス等のリーケージインダクタンス成分９，１０が直列に挿入された回路となる。そして、このリーケージインダクタンス成分９，１０には、スイッチング素子３がスイッチングする毎に整流電流が流れる。そのため、片側の出力だけに負荷電流を流す場合や、負荷にアンバランスが生じると、負荷電流を流している出力側は漏れインダクタンス等のリーケージインダクタンス成分９，１０により発生する電圧降下が大きくなるため、負荷に電流を流す出力側の電圧が減少し、電流を流していないまたは少ない出力側の電圧が上昇し、負荷変動が大きくなる。これは、前述の通り出力の合成電圧をフィードバックして出力電圧を制御しているために生じる。

この実施形態では、スイッチング素子３がオフし、リーケージインダクタンス成分９，１０に起因する電圧降下を整流用ダイオード４，５のアノードに接続したコンデンサ１２によって補正し、負荷変動を抑制している。

この動作は、例えば出力端子２２，２３間の出力電圧Ｖｏ１の負荷にこの電源装置の定格負荷電流が流れており、出力端子２１，２２間の出力電圧Ｖｏ２には、負荷電流が流れていない場合、スイッチング素子３がオフしフライバック電圧がトランス２の２次巻線Ｓ１、Ｓ２に発生すると、整流電流が出力端子２２，２３間に流れ、図２のＡ点はＢ点よりリーケージインダクタンス成分９，１０の合成値Ｌｅによる電圧Ｖｅ分の電圧が低くなる。これにより、図２に示すように、コンデンサ１２を経て電流Ｉ１が流れ、Ａ点の電圧を上昇させＢ点の電圧が上昇するのを抑えて、図３に示すように、従来の回路構成の場合と比較して負荷変動を軽減する。

この実施形態の多出力電源装置によれば、整流用ダイオード４，５の各アノード間をコンデンサ１２を介して接続することにより、電源装置の負荷変動を減少させ、ダミー抵抗による損失を抑え、電源効率を高めることができる。また、リーケージ成分を減らすために積層基板によりトランスを形成する必要もなく、コストの上昇を抑え効率の良い電源装置を提供することができる。さらに、ダミー抵抗を減らすことができ、電源装置の小型化にも寄与する。

次にこの発明の第二実施形態の多出力スイッチング電源装置について、図４，図５を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一符号を付して説明を省略する。この実施形態の多出力スイッチング電源装置は、フォワード型多出力スイッチング電源装置についてのもので、２次巻線Ｓ１、Ｓ２のドットのある方の端子は、各々整流用素子である整流用ダイオード４，５のアノードに接続されている。一方の整流用ダイオード４のカソードは、直列に接続された協調チョークコイル１５の一方の端子に接続され、協調チョークコイル１５の他方の端子が出力端子２１に接続されているとともに、一方の平滑コンデンサ６の一端に接続されている。平滑コンデンサ６の他端は、２次巻線Ｓ２のドットのない側の端子に接続され、出力端子２２に繋がっている。

また、他方の整流用ダイオード５のカソードは、直列に接続された協調チョークコイル１７の一方の端子に接続され、協調チョークコイル１７の他方の端子が出力端子２２に接続されているとともに、他方の平滑コンデンサ７の一端に接続されている。平滑コンデンサ７の他端は、２次巻線Ｓ１のドットのない側の端子に接続され、出力端子２３に繋がっている。さらに、協調チョークコイル１５，１７は磁芯１６を共有している。

また、整流用ダイオード４のカソードと２次巻線Ｓ２のドットのない方の端子との間に、還流用素子である還流用ダイオード１３が接続されている。還流用ダイオード１３は、アノードが２次巻線Ｓ２のドットのない方の端子に接続され、カソードが整流用ダイオード４のカソードに接続されている。また、整流用ダイオード５のカソードと２次巻線Ｓ１のドットのない方の端子との間に、還流用ダイオード１４が接続されている。還流用ダイオード１４は、アノードが２次巻線Ｓ１のドットのない方の端子に接続され、カソードが整流用ダイオード５のカソードに接続されている。さらに、各整流用ダイオード４，５の各カソードと各協調チョークコイル１５，１７の２次巻線Ｓ１，Ｓ２側の端子との間同士をつないで、コンデンサ１２が設けられている。

この実施形態のフライバック型の多出力電源回路も、図５に示す等価回路のように、トランス２と整流用ダイオード４，５の間の漏れインダクタンスや回路基板の配線パターンなどによる寄生インダクタンス等のリーケージインダクタンス成分９，１０が直列に挿入された回路となる。そのため、片側の出力だけに負荷電流を流す場合や、負荷にアンバランスが生じると、負荷電流を流している出力側は漏れインダクタンス等のリーケージインダクタンス成分９，１０により発生する電圧降下が大きくなるため、負荷に電流を流す出力側の電圧が減少し、電流を流していないまたは少ない出力側の電圧が上昇し、負荷変動が大きくなる。

このとき、この実施形態では、リーケージインダクタンス成分９，１０に起因する電圧降下は、磁芯１６を共有した協調チョークコイル１５，１７によりある程度は緩和されるが、その効果が十分ではなく、整流用ダイオード４，５のアノードに接続したコンデンサ１２によって出力間の電圧が補正され、より効果的に負荷変動を抑制している。

この動作は、例えば出力端子２２，２３間の出力電圧Ｖｏ１の負荷にこの電源装置の定格負荷電流が流れており、出力端子２１，２２間の出力電圧Ｖｏ２には、負荷電流が流れていない場合、トランス２の２次巻線Ｓ１、Ｓ２に発生した電圧により整流電流が出力端子２２，２３間に流れ、図５のＡ点はＢ点よりリーケージインダクタンス成分９，１０の合成値Ｌｅによる電圧Ｖｅ分の電圧が低くなる。これにより、コンデンサ１２を介して図５に示すように、コンデンサ１２を経て電流Ｉ３が流れ、Ａ点の電圧を上昇させＢ点の電圧が上昇するのを抑えて負荷変動を軽減する。

この実施形態の多出力電源装置によれば、整流用ダイオード４，５のカソード間にコンデンサ１２を接続することにより、電源装置の負荷変動を減少させ、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、この発明の多出力スイッチング電源装置は上記実施形態に限定されるものではなく、多出力の数は適宜設定可能なものであり、整流用素子はダイオード以外のトランジスタを用いて同期整流するものでも良く、電源回路も適宜の回路に利用可能なものである。

この発明の第一実施形態の多出力スイッチング電源装置の概略回路図である。 この発明の第一実施形態の多出力スイッチング電源装置の等価回路図である。 この発明の第一実施形態の多出力スイッチング電源装置の出力電流と出力電圧を示すグラフである。 この発明の第二実施形態の多出力スイッチング電源装置の概略回路図である。 この発明の第二実施形態の多出力スイッチング電源装置の等価回路図である。 従来のフライバック型の多出力スイッチング電源装置の概略回路図である。 従来のフライバック型の多出力スイッチング電源装置の等価回路図である。 従来のフライバック型の多出力スイッチング電源装置の出力電流と出力電圧を示すグラフである。

符号の説明

１ 直流電源
２ トランス
３ スイッチング素子
４，５ 整流用ダイオード
６，７ 平滑コンデンサ
８ 制御回路
９，１０ リーケージインダクタンス成分
１２ コンデンサ
２１，２２，２３ 出力端子
Ｆ１ １次巻線
Ｓ１，Ｓ２ ２次巻線

Claims (3)

1. 直流電源に対してトランスの１次巻線と主スイッチング素子を直列に接続した１次側回路を有し、前記トランスに複数の２次巻線を設け、前記スイッチング素子をスイッチングして、前記トランスの複数の２次巻線に発生するフライバック電圧を各々整流用素子により整流し、この整流した各出力を直列に接続し、各出力を平滑化して出力電圧を供給し、前記複数の出力電圧の合成電圧をフィードバックして出力電圧を制御しているフライバック型の多出力スイッチング電源装置において、
   前記トランスの各２次巻線に発生するフライバック電圧のプラス側の各端子に、前記各整流用素子のプラス側端子を各々接続し、前記各整流用素子の各プラス側端子間をコンデンサを介して接続して成ることを特徴とする多出力スイッチング電源装置。
2. 直流電源に対してトランスの１次巻線と主スイッチング素子を直列に接続した１次側回路を有し、前記トランスに複数の２次巻線を設け、前記スイッチング素子をスイッチングして、前記トランスの複数の２次巻線に発生する交流電圧を各々整流する複数の整流用素子と、前記２次巻線のドットのある側に一端が接続され他端が出力端子に接続されたチョークコイルと、前記チョークコイルの一端と前記２次巻線のドットのない側との間に接続された複数の還流用素子と、各出力を平滑する平滑コンデンサを備え、前記複数の出力電圧の合成電圧をフィードバックして出力電圧を制御しているフォワード型の多出力スイッチング電源装置において、
   前記各整流用素子の各マイナス側の端子と前記各チョークコイルとの中点同士を、コンデンサを介して接続して成ることを特徴とする多出力スイッチング電源装置。
3. 前記各整流用素子に接続された各チョークコイルは、複数のチョークコイルで磁芯を共有したことを特徴とする請求項２記載の多出力スイッチング電源装置。
   
   

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