JP2007006547A

JP2007006547A - 電源装置

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Publication number: JP2007006547A
Application number: JP2005180263A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Miyamoto; 力宮本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: JP4674122B2

Abstract

【課題】ＡＣ／ＤＣアダプタのＤＣ出力に発生する高調波ノイズを低減でき、しかもできるだけ部品点数を抑えて実現可能な電源装置を提供すること。
【解決手段】ＡＣ／ＤＣアダプタ１０からのＤＣ出力の極性反転を制限する整流素子２２と、所定の制御に応じてスイッチングすることにより、整流素子２２から出力されるＤＣ出力の電圧を変換するスイッチ３２と、整流素子２２とスイッチ３２との間に分岐して配設され、スイッチ３２のスイッチングによって発生する入力帰還雑音を低減する容量素子３１と、を含む電源装置１において、ＡＣ／ＤＣアダプタ１０と整流素子２２との間に、インダクタ素子２１を挿入した、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電源装置に関し、特に高調波ノイズを低減する技術に関する。

近年、電源装置から出る高調波ノイズの規制が厳しくなっており、従来のＡＣ／ＤＣアダプタには、電源回路において、有効電力と皮相電力の比である力率を改善する（１に近づける）ＰＦＣ（力率改善回路，Power Factor improvement Circuit）を搭載し、そのＤＣ出力のノイズを相当程度減ずることを可能にしたものもある。

なお、特許文献１には、ＰＦＣのひとつの例であるアクティブＰＦＣに関する技術が記載されている。
特開２００３−１２５５８２号公報

ところで、近年では高調波ノイズの規制が一層厳しくなり、上記従来のＡＣ／ＤＣアダプタで実現できるノイズの低減効果よりもさらに高調波ノイズを減ずることが求められる場合がある。このような場合、従来のＡＣ／ＤＣアダプタのＰＦＣをさらに強化することも考えられるが、部品点数が多くなってしまうという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、ＡＣ／ＤＣアダプタのＤＣ出力に発生する高調波ノイズを低減でき、しかもできるだけ部品点数を抑えて実現可能な電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る電源装置は、ＡＣ／ＤＣアダプタからのＤＣ出力の極性反転を制限する整流素子と、所定の制御に応じてスイッチングすることにより、前記整流素子から出力されるＤＣ出力の電圧を変換する第１のスイッチ素子と、前記整流素子と前記第１のスイッチ素子との間に分岐して配設され、前記第１のスイッチ素子のスイッチングによって発生する入力帰還雑音を低減する容量素子と、を含む電源装置において、前記ＡＣ／ＤＣアダプタと前記整流素子との間に、インダクタ素子を挿入した、ことを特徴とする。

電源装置には、所定の制御によってＡＣ／ＤＣアダプタから出力された電圧をさらに変換し、任意のＤＣ出力電圧を得ることができるスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータを備えているものがある。このスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータは、上記制御に応じてスイッチングするスイッチ素子（トランジスタやＭＯＳＦＥＴなど）を備えている。通常のＤＣ／ＤＣコンバータでは、抵抗を挿入することによって電圧を低下させるのに対し、スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチ素子のオン・オフを周期的に繰り返すことによって電圧出力のある期間とない期間とを設け、実質的に電圧を低下させる。

ただし、このスイッチ素子がスイッチングする際、入力帰還雑音と呼ばれる雑音が発生する。スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータは、この入力帰還雑音を吸収するための容量素子も備えている。この容量素子はスイッチ素子の前段（入力側）に設けられる。

また、ＡＣ／ＤＣアダプタからのＤＣ出力は極性が反転してしまうことがあるが、電源装置には、該極性反転を防止するためのダイオード（整流素子）が備えられる。

上記の構成によれば、電源装置に備えられる上記整流素子及び入力容量素子をパッシブＰＦＣの整流素子及び容量素子と兼用することにより、インダクタ素子の挿入のみによってパッシブＰＦＣを実現している。パッシブＰＦＣは、受動素子のみからなるＰＦＣである。このため、ＡＣ／ＤＣアダプタの出力に発生する高調波ノイズをさらに低減することができるとともに、パッシブＰＦＣを挿入することによる部品点数の増加を抑えることが可能になる。

また、上記電源装置において、前記ＡＣ／ＤＣアダプタは、電圧を変換するための第２のスイッチ素子を含み、前記容量素子のコンデンサ容量及び前記インダクタ素子のインダクタンス容量のうちの少なくとも一方は、前記第２のスイッチ素子の制御周期に基づいて決定されている、こととしてもよい。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置１の回路構成図である。同図に示すように、電源装置１は、ＡＣメイン５、ＡＣ／ＤＣアダプタ１０、フィルタ６、パッシブＰＦＣ２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０を含んで構成される。

電源装置１は、例えば各種の情報処理装置の電源として利用される。具体的には、電源装置１が出力する直流の電気信号が情報処理装置に入力され、該情報処理装置は、入力された電気信号を電源として駆動する。なお、情報処理装置が駆動電源とするこの電気信号について、情報処理装置が必要とする電圧は情報処理装置ごとに異なっている。これに対応し、電源装置１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０において情報処理装置ごとの出力電圧制御を実施している。詳細は後述する。

ＡＣメイン５は、いわゆる商用の交流電源であり、交流の電気信号をＡＣ／ＤＣアダプタ１０に出力する。このとき出力される交流の電気信号の周波数は、理想的には定格周波数（例えば５０Ｈｚ）となるが、現実には周波数の変動成分やノイズ成分が含まれる。

ＡＣ／ＤＣアダプタ１０は、フィルタ１１、整流器１２、フィルタ１３、アクティブＰＦＣ（Ａ−ＰＦＣ）１４、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＣＤＣ−Ｃ）１５を含んで構成され、ＡＣメイン５から入力される交流の電気信号を、直流の電気信号に変換し、ＤＣ出力として出力する。

フィルタ１１はＡＣメイン５と接続されており、ＡＣメイン５から上記電気信号の入力を受ける。フィルタ１１は、例えばバンドパスフィルタであり、入力された電気信号に含まれる設定周波数（例えば５０Ｈｚの交流であれば、設定周波数を５０Ｈｚとする）以外の周波数成分を遮断し、設定周波数成分のみを取り出して整流器１２に出力する。

整流器１２は、例えばダイオードブリッジであり、フィルタ１１から入力される交流の電気信号を、全波整流により直流の電気信号に変換してフィルタ１３に出力する。ただし、このとき出力される直流の電気信号には交流のノイズ成分が含まれる。

フィルタ１３は、例えばローパスフィルタである。このフィルタ１３は、整流器１２から入力される直流の電気信号に含まれる交流のノイズ成分を遮断することによりノイズ成分を減じ、低ノイズの直流の電気信号を取得する。フィルタ１３は、取得した直流の電気信号をＡ−ＰＦＣ１４に出力する。

アクティブＰＦＣ１４は、入力された直流の電気信号の力率（有効電力と皮相電力の比）を改善する（１に近づける）。皮相電力は電線路に流れる電力であり、有効電力は負荷において実際に消費される電力である。このため、有効電力が皮相電力に近いほど、電気の利用効率がよいこととなる。また、力率が低いと回路の電流波形がパルス状となる。これは高調波ノイズの発生を意味する。そこでＡＣ／ＤＣアダプタ１０では、アクティブＰＦＣ１４により力率を改善することで、高調波ノイズを低減している。アクティブＰＦＣ１４は、このようにして高調波ノイズを低減した直流の電気信号をＤＣ−ＤＣコンバータ１５に出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、アクティブＰＦＣ１４から出力される直流の電気信号の電圧を所定の電圧に変換する。この所定の電圧は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１０の出力電圧として定められている電圧である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力が、ＡＣ／ＤＣアダプタ１０のＤＣ出力となり、フィルタ６に出力される。このとき出力される直流の電気信号は、アクティブＰＦＣ１４により相当低減されてはいるものの、近年の規制においては無視できない高調波ノイズ成分を含む交流ノイズ成分が含まれる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５には後述するＤＣ−ＤＣコンバータ３０と同様スイッチ素子が含まれる場合もあり、この場合、このスイッチ素子のスイッチング周期に応じた高調波ノイズ（より具体的には、このスイッチ素子のスイッチング周期に等しい周期の高調波ノイズ）も発生する。

なお、このスイッチング周期が、周波数で記述して概ね５０ｋＨｚ〜５２０ｋＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータ３０が一般的に使用されている。ＡＣメイン５の周波数は東日本では５０Ｈｚであるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に含まれるスイッチ素子のスイッチング周期は、ＡＣメイン５と比して、概ね１／１０００〜１／１００００となる。このため、ＡＣメイン５の周期と比して１／１０００〜１／１００００の周期の高調波ノイズが発生する。

フィルタ６は、例えばローパスフィルタである。このフィルタ６は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１０から入力される直流の電気信号に含まれる交流のノイズ成分を遮断することによりノイズ成分を減じ、低ノイズの直流の電気信号を取得する。フィルタ６は、取得した直流の電気信号をパッシブＰＦＣ２０に出力する。

パッシブＰＦＣ２０は、インダクタ素子２１、整流素子２２、容量素子３１を含んで構成されるＰＦＣである。なお、インダクタ素子２１、整流素子２２、容量素子３１は全て受動素子であり、パッシブＰＦＣ２０は受動素子のみから構成されるＰＦＣである。

インダクタ素子２１は、例えば鉄芯入りインダクタである。また、整流素子２２は、例えばダイオードであり、電気信号の極性反転を制限する。容量素子３１は、例えばキャパシタであり、整流素子２２の後段に分岐して配設される。

パッシブＰＦＣ２０は、これら３つの素子により、入力される電気信号の力率を改善する。この点ではアクティブＰＦＣ１４と同様であるが、パッシブＰＦＣ２０は受動素子のみで構成されているため、部品点数が少ないという点がアクティブＰＦＣ１４と異なっている。

パッシブＰＦＣ２０は入力される電気信号の力率を改善することにより、結果としてＡＣ／ＤＣアダプタ１０から入力される直流の電気信号に含まれる高調波ノイズ成分をさらに低減する。そして、パッシブＰＦＣ２０は、高調波ノイズ成分が低減された直流の電気信号をＤＣ−ＤＣコンバータ３０に出力する。

なお、上述のようにＤＣ−ＤＣコンバータ１５にスイッチ素子が含まれる場合、容量素子３１のコンデンサ容量及びインダクタ素子２１のインダクタンス容量は、このスイッチ素子の制御周期に基づいて決定される。すなわち、ＡＣ／ＤＣアダプタ１０から出力される高調波ノイズ成分は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に含まれるスイッチ素子の制御周期に応じてその周期が決定される。そこで、このスイッチ素子の制御周期に基づいて容量素子３１のコンデンサ容量及びインダクタ素子２１のインダクタンス容量を決定しておくことにより、効果的にＡＣ／ＤＣアダプタ１０から出力される高調波ノイズ成分を低減することができるようになる。なお、コンデンサ容量とインダクタンス容量のいずれか一方のみを、スイッチ素子の制御周期に基づいて設定するように構成してもよい。

より具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に含まれるスイッチ素子の制御周期に比例して、各容量が決定されるようにすることが好適である。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に含まれるスイッチ素子の制御周期が１／１０００になれば、容量素子３１のコンデンサ容量及びインダクタ素子２１のインダクタンス容量も１／１０００に設定することが好適である。つまり、容量素子３１のコンデンサ容量及びインダクタ素子２１のインダクタンス容量は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１０の動作周波数（＝ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に含まれるスイッチ素子の制御周期の逆数）に反比例するので、この動作周波数が大きいほど、各容量を小さい値に設定することができるようになる。小さい値に設定できるということは、各素子を小型にできるということを意味し、パッシブＰＦＣ２０をコンパクトに構成できるようになる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、容量素子３１をパッシブＰＦＣ２０と兼用し、さらにスイッチ３２、制御部３３、整流素子３４、インダクタ素子３５、容量素子３６を含んで構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、スイッチ３２のスイッチングにより、パッシブＰＦＣ２０に含まれる整流素子２２から出力される直流の電気信号（ＤＣ出力）の電圧を変換する。スイッチ３２は、例えばトランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴである。

制御部３３は、図示しない情報処理装置からの指示に応じて、トランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチ３２のオン・オフを制御する。なお、電源装置１の出力信号の電圧は、情報処理装置に含まれる負荷に応じて変動する。そこで、電源装置１の出力信号の電圧を監視することにより、制御部３３が自律的にスイッチ３２のオン・オフを制御することとしてもよい。

制御部３３は、周期的にこのようなスイッチ３２のオン・オフを行うことによって、電圧出力のある期間とない期間とを設け、実質的に電圧を低下させている。電源装置１では、このようにして制御部３３がスイッチ３２を制御することにより、情報処理装置ごとの出力電圧制御を実現している。

容量素子３１は、スイッチ３２がスイッチングする際に発生する入力帰還雑音を吸収する。容量素子３１はこのようにスイッチ３２の入力帰還雑音を吸収するためのものであるので、スイッチ３２の前段に設けられる。

整流素子３４、インダクタ素子３５、容量素子３６は、それぞれ例えばダイオード、鉄心入りインダクタ、キャパシタであり、スイッチ３２から出力される電気信号を平滑化する。すなわち、スイッチ３２から出力される電気信号は上述のようにスイッチ３２のオン・オフによって作られた断続的な信号である。整流素子３４、インダクタ素子３５、容量素子３６は、この断続的な信号を平滑化し、一定の電圧を有する直流の電気信号として出力する。このようにして出力される直流の電気信号が、電源装置１のＤＣ出力となり、図示しない後段の情報処理装置の駆動電源となる。

以上説明した電源装置１では、従来から電源装置１に備えられている整流素子２２及び容量素子３１を利用してパッシブＰＦＣ２０を構成している。すなわち、従来の電源装置１にインダクタ素子２１を挿入するだけで、ＡＣ／ＤＣアダプタから出力される電気信号に含まれる高調波ノイズ成分を低減することを実現している。換言すれば、電源装置１ではＡＣ／ＤＣアダプタ１０の出力に発生する高調波ノイズをさらに低減することができるようになるとともに、パッシブＰＦＣ２０を挿入することによる部品点数の増加を抑えることが可能になっている。さらに、パッシブＰＦＣ２０を構成する容量素子３１やインダクタ素子２１を小型化することも可能になっている。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、入力帰還雑音を吸収するための容量素子を備えているＤＣ−ＤＣコンバータであれば、上記ＤＣ−ＤＣコンバータ３０に代えて使用することができる。

また、パッシブＰＦＣ２０にさらに制御回路等を挿入することにより、アクティブＰＦＣを備えることとしてもよい。この場合にも、整流素子２２及び容量素子３１を兼用できるので、アクティブＰＦＣの部品点数を減らすことができるようになる。

本発明の実施の形態に係る電源装置の回路構成図である。

符号の説明

１電源装置、５ＡＣメイン、６，１１，１３フィルタ、１０ＡＣ／ＤＣアダプタ、１２整流器、１４アクティブＰＦＣ、１５，３０ＤＣ−ＤＣコンバータ、２０パッシブＰＦＣ、２１，３５インダクタ素子、２２，３４整流素子、３１，３６容量素子、３２スイッチ、３３制御部。

Claims

ＡＣ／ＤＣアダプタからのＤＣ出力の極性反転を制限する整流素子と、
所定の制御に応じてスイッチングすることにより、前記整流素子から出力されるＤＣ出力の電圧を変換する第１のスイッチ素子と、
前記整流素子と前記第１のスイッチ素子との間に分岐して配設され、前記第１のスイッチ素子のスイッチングによって発生する入力帰還雑音を低減する容量素子と、
を含む電源装置において、
前記ＡＣ／ＤＣアダプタと前記整流素子との間に、インダクタ素子を挿入した、
ことを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記ＡＣ／ＤＣアダプタは、電圧を変換するための第２のスイッチ素子を含み、
前記容量素子のコンデンサ容量及び前記インダクタ素子のインダクタンス容量のうちの少なくとも一方は、前記第２のスイッチ素子の制御周期に基づいて決定されている、
ことを特徴とする電源装置。