JP2007089377A - Fan less power supply - Google Patents

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Akihisa Takeda
明久 武田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power supply with no fan motor by realizing high efficient power supply circuit, with no use of a smoothing capacitor, reducing loss due to a rush-in current preventing circuit, and with improved harmonics current by a one-converter system. <P>SOLUTION: The fan less power supply comprises a primary side circuit equipped with a rectifying circuit, a primary winding of a high frequency transformer, and a primary side switching element that is connected in series to the primary winding and controlled by the IC for coping with harmonics, with no smoothing capacitor included, and a secondary side circuit that supplies a DC output power to a load equipped with the secondary winding of the high frequency transformer and rectifying/smoothing circuits connected to the secondary winding. An output voltage along with an auxiliary voltage for controlling can be simultaneously taken out of one of the secondary windings. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、5Vスタンバイ出力や−12V出力等の多出力が必要とされるコンピュータ用ATX電源において、電源回路の高効率化及び部品点数の削減を行う事で電源内部の発熱を減少させ、冷却用ファンモーターを不要とするファンレス、またファンモーターの不使用による小型・軽量化、ローコストを実現したコンピュータ用ATX電源を製作するものである。The present invention reduces the heat generation inside the power supply by reducing the number of parts and improving the efficiency of the power supply circuit in a computer ATX power supply that requires multiple outputs such as 5V standby output and -12V output. ATX power supplies for computers that are fanless, eliminating the need for fan motors, and are smaller, lighter, and less expensive by not using fan motors.

コンピュータの筐体内部に組み込まれるようなコンピュータ用ATX電源においては、電源内部の回路部品からの発熱を逃がす為の冷却用ファンモーターが設けられており、熱による電源の破壊を防ぐものが一般によく知られている。Computer ATX power supplies that are built into computer casings are generally equipped with cooling fan motors to release heat from circuit components inside the power supplies, and prevent damage to the power supply due to heat. Are known.

冷却用のファンモーターを設けた電源では、電源内部の冷却効果は得られるものの、ファンモーターによる機械動作音による騒音、ファンモーターによって吸引された風と電源ノシャーシによる風切音、機械部品の寿命は電子部品の寿命に比べて短寿命であり、その機械部品であるファンモーターを使用していることで電源全体での耐久性の低下、またファンモーターによって粉塵を吸引してしまうといった問題があげられている。Although a power supply with a cooling fan motor can provide a cooling effect inside the power supply, the noise caused by the machine operation noise from the fan motor, the wind sucked by the fan motor and the wind noise caused by the power supply chassis, The life of electronic components is short compared to the life of electronic components, and the use of a fan motor, which is a mechanical component, reduces the durability of the entire power supply, and the fan motor attracts dust. ing.

本発明では、突入電流防止回路によるロスの削減、ワンコンバータ方式による高調波電流の改善を行い、電源回路の高効率化を実現する事で発熱を抑え、ファンモーターを不要とする事を可能とした。In the present invention, loss can be reduced by the inrush current prevention circuit, harmonic current can be improved by the one-converter method, and high efficiency of the power supply circuit can be realized to suppress heat generation and eliminate the need for a fan motor. did.

本発明により、コンピュータ用ATX電源に設けられたファンモーターを不要とする事で、小型・軽量化、ローコストだけではなく、静音化及び、電源の耐久性の向上を実現する事が出来る。According to the present invention, by eliminating the fan motor provided in the ATX power supply for computers, it is possible to realize not only miniaturization and weight reduction, low cost, but also noise reduction and improvement of power supply durability.

さらに、二次巻線に出力されたリップルを含む粗い出力をメカ用の24V出力として直接使用できるようにすることで、メカ用出力を備えた、コンピュータ用電源とする事が出来る。Furthermore, by making it possible to directly use a coarse output including ripples output to the secondary winding as a 24V output for a mechanism, a power supply for a computer having a mechanism output can be obtained.

入力源となる商用交流電源を、フィルター回路を通して整流回路に接続し、この整流回路からの出力を、高周波トランスの1次巻線とPFC制御回路にて制御される1次側スイッチング素子と直列に接続して1次側回路を構成する。高周波トランスの2次側には2次巻線と補助巻線を設け、2次巻線には整流・平滑回路の後にチョッパー回路をユニット化して設け、複数の必要な出力電圧に制御を行い、一方で補助巻線の正極側には2次側の制御回路を動作させる為の補助電圧回路を設け、補助巻線の負極側には、負極の電圧を出力する為の回路を接続し、2次側回路としている。A commercial AC power source as an input source is connected to a rectifier circuit through a filter circuit, and an output from the rectifier circuit is connected in series with a primary winding of a high-frequency transformer and a primary side switching element controlled by a PFC control circuit. Connect to form a primary circuit. A secondary winding and an auxiliary winding are provided on the secondary side of the high-frequency transformer. A chopper circuit is provided as a unit after the rectification / smoothing circuit in the secondary winding to control a plurality of necessary output voltages. On the other hand, an auxiliary voltage circuit for operating the secondary side control circuit is provided on the positive side of the auxiliary winding, and a circuit for outputting a negative voltage is connected to the negative side of the auxiliary winding. The secondary circuit is used.

入力となる商用交流電源からの交流電圧を平滑する平滑回路を、大容量の電解コンデンサーからなる平滑用コンデンサーを含まない平滑回路としている。一次側に平滑用コンデンサーを含まないことで、整流ブリッジにより全波整流された電圧をそのまま高周波トランスで二次側に変換する為、二次側には平滑用コンデンサーが必要となりますが、一次側に配置する場合に比べて小さなコンデンサーを使用することができるうえ、一次側から大容量の平滑用コンデンサーを削除することで、この平滑用コンデンサーに流れる突入電流を防止するために備える、抵抗、サーミスタ等からなっている突入電流防止回路を同時に削除する事ができる。このことで部品点数が削減できるだけではなく、突入電流防止回路による損失が無くなることで、効率の向上へとつながる。A smoothing circuit that smoothes an AC voltage from a commercial AC power source that is an input is a smoothing circuit that does not include a smoothing capacitor made of a large-capacity electrolytic capacitor. By not including a smoothing capacitor on the primary side, the voltage rectified by the rectifier bridge is converted directly to the secondary side by a high-frequency transformer, so a smoothing capacitor is required on the secondary side. A resistor and thermistor can be used to prevent inrush current flowing through the smoothing capacitor by removing a large-capacity smoothing capacitor from the primary side. The inrush current prevention circuit made up of, etc. can be deleted at the same time. This not only reduces the number of components, but also eliminates the loss caused by the inrush current prevention circuit, leading to improved efficiency.

電源装置の高調波電流を対策する為に備えられるアクティブフィルター回路において、通常であれば一次側の回路中に、アクティブフィルター回路を構成する為のチョークコイル、整流ダイオード、コンデンサーを配置する事が一般に良く知られているが、本発明においては、一次側と二次側を絶縁している高周波トランスにアクティブフィルター回路のチョークコイルの機能と電圧の変換機能とを兼ねさせ、アクティブフィルター回路に必要な整流ダイオードとコンデンサーについても、二次側の整流平滑を行っているダイオードとコンデンサーにて兼用している。この事によって部品点数の減少による小型・軽量化やローコスト化だけではなく、損失が低減できる事による効率の向上が実現できる。In an active filter circuit provided to take measures against harmonic currents of power supply devices, it is common to place a choke coil, rectifier diode, and capacitor for configuring the active filter circuit in the primary side circuit. As is well known, in the present invention, a high-frequency transformer that insulates the primary side and the secondary side has both a choke coil function and a voltage conversion function of the active filter circuit, and is necessary for the active filter circuit. As for the rectifier diode and the capacitor, the diode and the capacitor that perform rectification and smoothing on the secondary side are also used. As a result, not only can the size and weight be reduced by reducing the number of parts, but also the cost can be reduced, and the efficiency can be improved by reducing loss.

アクティブフィルター回路を備えた電源回路においては、アクティブフィルター回路としての昇圧コンバータのためのスイッチング素子と、電源回路として高周波トランスの一次側から2次側へ電力を伝搬する為のスイッチング素子との2個のスイッチング素子を一次側に配置する構成が使われているが、この方式ではアクティブフィルター用のスイッチング素子がONの時は、商用交流電源から整流ブリッジ、チョークコイル、アクティブフィルター用スイッチング素子、整流ブリッジ、商用交流電源と電流は流れ、またアクティブフィルター用スイッチング素子がOFFの時には商用交流電源から整流ブリッジ、チョークコイル、コンデンサー、整流ブリッジ、商用交流電源と、OFFとなっているスイッチング素子では無く、コンデンサーを通って電流は流れる。In a power supply circuit including an active filter circuit, two switching elements for a boost converter as an active filter circuit and a switching element for propagating power from a primary side to a secondary side of a high-frequency transformer as a power supply circuit In this method, when the active filter switching element is ON, a rectifier bridge, choke coil, active filter switching element, rectifier bridge from the commercial AC power source is used. , Current flows through the commercial AC power supply, and when the active filter switching element is OFF, the commercial AC power supply is connected to the rectifier bridge, choke coil, capacitor, rectifier bridge, commercial AC power supply, Current flows through the over.

このように通常のスイッチング素子を2個用いた方式では、入力となる商用交流電源側から見た場合に常に電流が流れていることになるのに対し、本発明で用いたワンコンバータ方式では、高周波トランスの一次巻線の一端に接続されたスイッチング素子のみであり、このスイッチング素子がONの時しか電流は流れ無いものとなっている。In this way, in the method using two normal switching elements, current always flows when viewed from the commercial AC power source side as an input, whereas in the one converter method used in the present invention, The switching element is only connected to one end of the primary winding of the high-frequency transformer, and current flows only when the switching element is ON.

電源回路の方式をフライバック方式とした時には、高周波トランスを介して一次側から二次側へと伝搬されるエネルギーは定電力であることから、二次側回路から見ると定電力入力がされている状態と同じ状態となっている。定電力入力では過電流や短絡によって出力電圧が低下してくると、電力が一定である為に出力電流が増加することとなり、出力の整流ダイオードに定格の大きなものが必要となったり、整流ダイオードが破損するといった恐れも出る為に問題となっていた。この解決の為に、本発明では主となる出力電圧が、あらかじめ設定した電圧まで低下した事を検出した時に(例えば24V出力で、設定電圧16V)、出力電流の流れを断ち切る回路を設けている。この回路を設けることで二次側出力を短絡状態にしたままで電源を起動しても、この検出回路が働いて回路は保護される。When the power circuit method is the flyback method, the energy propagated from the primary side to the secondary side via the high-frequency transformer is constant power, so constant power input is seen from the secondary side circuit. It is in the same state as In the case of constant power input, if the output voltage decreases due to overcurrent or short circuit, the output current will increase because the power is constant. It was a problem because there was a fear of damage. In order to solve this problem, the present invention provides a circuit that cuts off the flow of output current when it is detected that the main output voltage has dropped to a preset voltage (for example, 24V output and set voltage 16V). . By providing this circuit, even if the power supply is started with the secondary output kept short-circuited, this detection circuit works and the circuit is protected.

本発明のコンピュータ用ATX電源では−12V出力が必要とされている。そこで高周波トランスの−12Vを出力する二次巻線にて−12V出力だけでなく、二次側の制御回路を動作させる為の補助電圧を作り出す回路を配置する。同じ巻線に前述の出力電圧の低下を検出回路をも設けている。このため補助電圧は低電圧の回路から作られる事で効率の良い回路構成となっている。The ATX power supply for a computer of the present invention requires a -12V output. Therefore, not only the -12V output but also a circuit for generating an auxiliary voltage for operating the secondary side control circuit is arranged in the secondary winding that outputs -12V of the high-frequency transformer. The same winding is also provided with a circuit for detecting the above-described drop in output voltage. For this reason, the auxiliary voltage is made from a low-voltage circuit, thereby providing an efficient circuit configuration.

5Vスタンバイや−12V等の多出力が必要とされるコンピュータ用ATX電源において、二次側の平滑コンデンサにより、平滑されただけのリップル電圧を含んだ出力(例えば24V出力)を出力電圧として提供する事で、リップル電圧が許容されるメカ用の出力を併せ持つコンピュータ用ATX電源を実現する事が出来る。In an ATX power supply for a computer that requires multiple outputs such as 5V standby and -12V, an output including a ripple voltage that is only smoothed (for example, 24V output) is provided as an output voltage by a smoothing capacitor on the secondary side. In this way, it is possible to realize an ATX power supply for a computer that also has a mechanical output capable of allowing a ripple voltage.

図1は、本発明の1実施例を示す。商用交流電源1を入力源としノイズフィルター2を通し整流ブリッジ3にて全波整流した入力電圧がスイッチング素子5によってスイッチングされ二次側へと伝搬される。この時高調波電流対策のための制御用IC4、高周波トランス6、整流ダイオード9、平滑コンデンサ10からなるアクティブフィルター回路によって入力電流も入力電圧と同じような正弦波状となり、高調波電流を抑制する効果が得られる。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. The input voltage which is full-wave rectified by the rectifier bridge 3 through the noise filter 2 using the commercial AC power source 1 as an input source is switched by the switching element 5 and propagated to the secondary side. At this time, the active filter circuit composed of the control IC 4, the high frequency transformer 6, the rectifier diode 9, and the smoothing capacitor 10 as a countermeasure against the harmonic current causes the input current to have a sine wave shape similar to the input voltage, thereby suppressing the harmonic current. Is obtained.

また一次側回路には、平滑用コンデンサが必要とされておらず平滑用コンデンサの突入電流を防止するための突入電流防止回路を構成するサーミスタや抵抗も不要となっている。アクティブフィルター回路用のスイッチング素子を、電源用のスイッチング素子5と兼用とするワンコンバータ方式にて、スイッチング素子のON時間だけに電流が流れる構成とする事で効率の向上を目指すものである。Further, the primary side circuit does not require a smoothing capacitor, and a thermistor and a resistor constituting an inrush current preventing circuit for preventing an inrush current of the smoothing capacitor are also unnecessary. A one-converter system in which the switching element for the active filter circuit is also used as the switching element 5 for the power source is used to improve efficiency by allowing a current to flow only during the ON time of the switching element.

図2では、−12V出力を取るための二次側巻線N2において補助電圧と出力電圧が得られる事を示している。二次巻線N2の+側に補助電圧回路を設け、−側では−12V出力が作られる構成としている。一次側スイッチング素子がOFFの時のエネルギーで二次側の出力電圧(ここでは−12V)を供給すると共に、ON時には同じ巻線の逆側に設けられた回路により、低電圧の回路から効率よく制御回路電圧が作られる構成となっている。FIG. 2 shows that an auxiliary voltage and an output voltage can be obtained in the secondary winding N2 for obtaining a -12V output. An auxiliary voltage circuit is provided on the + side of the secondary winding N2, and a −12V output is produced on the − side. The secondary side output voltage (-12V in this case) is supplied with the energy when the primary side switching element is OFF, and the circuit provided on the opposite side of the same winding when ON is efficiently used from the low voltage circuit. The control circuit voltage is generated.

上述の回路構成によりメイン出力からチョッパー回路にて補助電圧を作る事で、通常のコンピュータ用ATX電源で必要とされている補助電圧を作る為の回路や、トランスが不要となり、省スペース化及びコスト削減に効果が得られている。With the circuit configuration described above, the auxiliary voltage is generated from the main output by the chopper circuit, so that a circuit for generating the auxiliary voltage required for a normal computer ATX power supply and a transformer are not required, saving space and cost. The effect is obtained in the reduction.

上述した実施例1に、二次巻線から直接出力電圧、例えば24V出力を取り出せるようにした事で、リップル電圧等を含む粗い出力電圧ではあるが、メカ用等の用途には使用することが出来、コンピュータ用の電源とメカ用の電源とを兼ね備えた電源装置の構成を特徴とする。Although the output voltage, for example, 24V output can be taken directly from the secondary winding in the first embodiment described above, it is a rough output voltage including a ripple voltage, but it can be used for mechanical applications. It is characterized by the configuration of a power supply device that has both a computer power supply and a mechanical power supply.

本発明の1実施例を表す回路ブロック図1 is a circuit block diagram illustrating an embodiment of the present invention. 二次側巻線N2に発生する電圧を示した図The figure which showed the voltage which occurs in secondary side winding N2 メカ用24V出力を備えた実施例を表す回路ズロック図Circuits lock diagram representing an embodiment with 24V output for mechanical use

符号の説明Explanation of symbols

1 商用交流電源
2 ノイズフィルター
3 整流ブリッジ
4 高調波対策用IC
5 スイッチング素子
6 高周波トランス
7 整流ダイオード
8 整流ダイオード
9 整流ダイオード
10 平滑用コンデンサ
11 平滑用コンデンサ
1 Commercial AC Power Supply 2 Noise Filter 3 Rectifier Bridge 4 Harmonic Countermeasure IC
5 Switching element 6 High-frequency transformer 7 Rectifier diode 8 Rectifier diode 9 Rectifier diode 10 Smoothing capacitor 11 Smoothing capacitor

Claims (3)

交流電源からの交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力側であって高周波トランスの一次巻線と、この一次巻線に直列に接続され高調波対策用のICによって制御される一次側スイッチング素子とを備えた、平滑用コンデンサを含まない一次側回路と、前記高周波トランスの二次巻線とこの二次巻線に接続した整流,平滑回路を備えた負荷に対して直流出力電力を供給する二次側回路を備え、前記二次巻線の一つから出力電圧と同時に制御用の補助電圧を取り出せる構成とし、回路の効率を上げることで回路構成部品からの発熱を低減し、冷却用ファンを不要とした多出力コンピュータ用ATX電源装置。A rectifier circuit that rectifies an AC voltage from an AC power source, a primary winding on the output side of the rectifier circuit that is connected in series to the primary winding and controlled by a harmonic countermeasure IC DC output power for a load having a primary circuit that does not include a smoothing capacitor, a secondary winding of the high-frequency transformer, and a rectifying and smoothing circuit connected to the secondary winding. A secondary side circuit for supplying the power, and a configuration in which an auxiliary voltage for control can be taken out simultaneously with the output voltage from one of the secondary windings, and the heat generation from the circuit components is reduced by increasing the efficiency of the circuit, ATX power supply for multi-output computers that does not require a cooling fan. 二次巻線から直接取り出した電力をメカ用の出力として供給する事で、コンピュータ用ATX電源にメカ用の出力を兼ね備えた、請求項1記載のコンピュータ用ATX電源装置。2. The computer ATX power supply device according to claim 1, wherein the computer ATX power supply is provided with a mechanical output by supplying power taken directly from the secondary winding as a mechanical output. 一次側回路に平滑用コンデンサを含んだ請求項1、2記載のコンピュータ用ATX電源装置。3. The ATX power supply device for a computer according to claim 1, wherein a smoothing capacitor is included in the primary side circuit.
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