JP2007215336A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次巻線の電圧変動に対するコントローラＩＣの入力電圧変動を小さく抑えることができ、これにより、高耐圧のプロセスを用いる必要がなく、また、スタンバイ時の省電力を効率的に行うことができるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】整流回路５はトランス８の１次巻線８ａへ直流電圧を加える。スイッチ素子４８は１次巻線８ａを流れる電流をオン／オフする。制御回路５１はスイッチ素子４８をオン／オフ制御する。ダイオード３１、抵抗３２、コンデンサ３３、３４はトランス８の３次巻線８ｃの電圧を整流／平滑した電圧Ｖｃｃを制御回路５１へ出力する。電圧検出回路４４は電圧Ｖｃｃが第１の電圧（１１Ｖ）に達した時、スイッチ４３をオフとし、抵抗３２を流れる電流を低下させて電圧Ｖｃｃを上昇させ、電圧Ｖｃｃが第２の電圧（２３Ｖ）に達した時、スイッチ４３をオンとして抵抗を流れる電流を上昇させて電圧Ｖｃｃを低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスの１次巻線に入力される電圧をスイッチングし、２次巻線からパルスとして出力するスイッチング電源装置に関する。

フライバック型一石式スイッチング電源装置のコントローラＩＣ（集積回路）の電源端子は、例えば、動作開始電圧２３Ｖ、動作停止電圧１０Ｖ、過電圧検出電圧２５Ｖに設定される。このため、スイッチング電源装置のコントローラＩＣの生成に用いられる半導体プロセスは、絶対最大定格３０Ｖ程度のプロセスが用いられていた。また、スイッチングトランスにおいて、コントローラＩＣの電源用に用いられる３次巻線はフライバック巻線であり、巻線数に応じた電圧を出力する。しかし、３次巻線の結合が１次巻線、２次巻線に比べて悪いため、２次巻線の負荷が軽くなると、３次巻線の電圧が急激に低下してしまい、動作停止電圧まで達することがあった。また、逆に負荷が重くなると、サージ電圧による充電によって３次巻線の電圧が過電圧検出電圧の近くまで上昇することがあった。その対策として、コントローラＩＣの過電圧検出電圧を３０Ｖ、絶対最大定格を３５Ｖ程度にしてコントローラＩＣの動作範囲を広げることもできるが、コントローラＩＣ生成の半導体プロセスに耐圧の高いウエハプロセスを使用する必要があり、コスト上昇という問題があった。そのため、一般的にはコントローラＩＣ生成の半導体プロセスに３０Ｖ耐圧程度のＢｉ−ＣＭＯＳプロセスが用いられ、前述したように１０〜２５Ｖの動作範囲としていた。

他方、近年、スタンバイ時の消費電力を下げるため、間欠発振動作が用いられている。この間欠発振動作では、さらに３次巻線の電圧が落ちるため、安定動作させるためにトランス構造を工夫する必要がある。また、スイッチング電源装置の出力電圧が高い場合（ブラウン管カラーテレビ用電圧はＤＣ９０Ｖ〜１５０Ｖ）は、スタンバイ時に電力削減のために出力電圧を下げることが行われる。しかし、その場合、３次巻線の電圧が益々低下してしまう問題がある。

このような場合の対策として、特許文献１に記載される技術が開発されている。しかし、この文献記載の技術は、３次巻線電圧が下がってくると間欠発振機能を停止させ、連続発振動作とするため、結果としてスタンバイ電力が増加してしまうという欠点がある。
特開2003-33018号公報

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、３次巻線の電圧変動に対するコントローラＩＣの入力電圧変動を小さく抑えることができ、これにより、高耐圧のプロセスを用いる必要がなく、また、間欠発振動作を用いた場合においてもスタンバイ時の省電力を効率的に行うことができるスイッチング電源装置を提供することにある。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、トランスの１次巻線へ直流電圧を加える直流出力手段と、前記１次巻線を流れる電流をオン／オフするスイッチング手段と、前記スイッチング手段をオン／オフ制御する制御手段と、前記トランスの３次巻線の電圧を整流し、抵抗素子を介して前記制御手段へ出力する補助電源と、前記補助電源の電圧が第１の電圧に達した時、前記抵抗素子を流れる電流を低下させて前記補助電源の出力電圧を上昇させ、前記補助電源の電圧が第２の電圧に達した時、前記抵抗素子を流れる電流を上昇させて前記補助電源の出力電圧を低下させることの少なくとも一方を行う補助電源電圧制御手段とを具備し、前記トランスの２次巻線に得られる電圧を負荷へ供給することを特徴とするスイッチング電源装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のスイッチング電源装置において、前記補助電源電圧制御手段は、前記補助電源の出力端と接地との間に介挿された抵抗素子およびスイッチの直列回路と、前記補助電源の電圧が第１の電圧に達した時、前記スイッチをオフとして前記抵抗素子を流れる電流を低下させ、前記補助電源の電圧が第２の電圧に達した時、スイッチをオンとして前記抵抗素子を流れる電流を上昇させるスイッチ制御手段とからなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のスイッチング電源装置において、前記補助電源電圧制御手段は、前記補助電源の電圧が第１の電圧に達した時、前記制御手段の中の一部の回路の動作を停止することにより前記制御手段に流れる電流を低下させ、前記補助電源の電圧が第２の電圧に達した時、前記制御手段の中の一部の回路の動作を開始することにより前記制御手段に流れる電流を上昇させることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、トランスの１次巻線へ直流電圧を加える直流出力手段と、前記１次巻線を流れる電流をオン／オフするスイッチング手段と、前記スイッチング手段を通常時にオン／オフ制御する通常時制御手段と、前記スイッチング手段をスタンバイ時にオン／オフ制御するスタンバイ時制御手段と、前記トランスの３次巻線の電圧を整流し、抵抗を介して前記通常時制御手段またはスタンバイ時制御手段へ出力する補助電源と、前記補助電源の出力電圧が所定電圧以上の時、前記補助電源の出力を前記通常時制御手段へ入力させ、前記補助電源の出力電圧が所定電圧以下の時、前記補助電源の出力を前記スタンバイ時制御手段へ入力させる補助電源電圧制御手段とを具備し、前記トランスの２次巻線に得られる電圧を負荷へ供給することを特徴とするスイッチング電源装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のスイッチング電源装置において、前記スタンバイ時制御回路は間欠発振制御を行うことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載のスイッチング電源装置において、前記トランスの２次側に第１のエラーアンプと、前記第１のエラーアンプより検出電圧が低い第２のエラーアンプを設け、通常時に前記第１のエラーアンプの出力を前記通常時制御手段へ供給し、スタンバイ時に前記第２のエラーアンプの出力を前記スタンバイ時制御手段へ供給することを特徴とする。

この発明によれば、３次巻線の電圧変動に対するコントローラＩＣの入力電圧変動を小さく抑えることができ、これにより、高耐圧のプロセスを用いる必要がなく、また、スタンバイ時に間欠発振動作を用いた場合においても安定した動作を行うことができる。高耐圧のプロセスを用いず、耐圧の低いプロセスを用いる場合は、ウエハー単価が安く、また、素子間のＰＮ接合分離領域を狭くできるので、高集積化が可能となってチップサイズを小さくでき、結果として安価にコントローラＩＣを生成することができる。また、この発明によれば、スタンバイ状態において２次側電圧を下げることが容易になり、スタンバイ電力をさらに削減することが可能となる。また、安価なスロット巻トランス等の結合の悪いトランスが使用可能となる利点も得られる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態によるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。この図において、１ａ、１ｂは入力電圧（ＡＣ８５〜２７６Ｖ）が加えられる入力端子、２，３はノイズ除去用のコンデンサ、４はノイズ除去用のチョークコイルである。５はブリッジ型整流回路であり、入力端子１ａ、１ｂの交流電圧を直流電圧に変換して出力する。６は抵抗、７は平滑用コンデンサ、８はスイッチングトランスであり、整流回路５の出力電圧が抵抗６を介してトランス８の１次巻線８ａの一端に加えられる。また、整流回路５の（−）端子およびコンデンサ７の（一）端子が接地（ＧＮＤ）されている。

トランス８の２次巻線８ｂの一端はダイオード１１のアノードに接続され、ダイオード１１のカソードがコンデンサ１２の（＋）端子および出力端子１３ａに接続されている。また、２次巻線８ｂの他端はコンデンサ１２の（−）端子および出力端子１３ｂに接続されている。出力端子１３ａの出力電圧Ｖoutは、通常動作時１４０Ｖ（１Ａ)、スタンバイ時８０Ｖである。また、出力端子１３ａ、１３ｂ間にはエラーアンプ１４が接続されている。このエラーアンプ１４は、出力電圧Ｖoutと内部の基準電圧との差に応じて、外付け抵抗１５から出力端子１３ｂに流れる電流Ｉｅを制御する。

抵抗１５の他端は抵抗１８の一端に接続され、抵抗１８の他端がツェナーダイオード１９のカソードに接続され、ツェナーダイオード１９のアノードがトランジスタ２０のコレクタに接続され、トランジスタ２０のエミッタが出力端子１３ｂに接続され、ベースが抵抗２１を介してエミッタに接続されると共に、抵抗２２を介して端子２３に接続されている。端子２３は外部からスタンバイ信号Ｓｂが供給される端子である。また、上述した抵抗１８、２１、２２、ツェナーダイオード１９およびトランジスタ２０によって構成される回路は第２のエラーアンプ２４を構成している。

トランス８の３次巻線８ｃの一端はダイオード３１のアノードに接続され、ダイオード３１のカソードが抵抗３２（３．３ＫΩ）の一端およびコンデンサ３３の（＋）端子に接続されている。抵抗３２の他端はコンデンサ３４の（＋）端子、コントローラＩＣ４０のＶｃｃ端子４１に接続されると共に、抵抗３６を介して整流回路５の交流入力端子に接続されている。また、コンデンサ３３、３４の（−）端子が３次巻線８ｃの他端に接続されている。上述したダイオード３１、抵抗３２、コンデンサ３３、３４はコントローラＩＣ４０を駆動する直流電圧Ｖｃｃを生成し、端子４１へ出力する。

コントローラＩＣ４０は、Ｖｃｃ端子４１に一端が接続されたダミー抵抗４２と、ダミー抵抗４２に直列に接続された半導体スイッチ４３と、Ｖｃｃ端子４１の電圧を検出し、検出電圧に応じてスイッチ４３を開閉制御する電圧検出回路４４と、トランス８の１次巻線８ａの他端が接続されたＤｒａｉｎ端子４６およびＧＮＤ端子４７の間に介挿されたスイッチ素子４８と、ＦＢ端子５０に加えられる信号に応じてスイッチ素子４８をＰＷＭ（Pulse Width Moduration）制御する制御回路５１とから構成されている。

また、トランス８の４次巻線８ｄの一端はダイオード５４のアノードに接続され、ダイオード５４のカソードがコンデンサ５５の（＋）端子およびＤＣ電圧出力端子５６ａに接続されると共に、フォトカプラ６０を構成する発光ダイオード６０ａのアノードに接続されている。発光ダイオード６０ａのカソードは抵抗１５の他端に接続され、また、発光ダイオード６０の両端に抵抗６１が接続されている。発光ダイオード６０ａからの光を受けるフォトトランジスタ６０ｂのコレクタは前述したＦＢ端子５０に接続され、エミッタが接地されている。４次巻線８ｄの他端は、２次巻線の他端に接続され、さらに、コンデンサ５５の（−）端子、ＤＣ電圧出力端子５６ｂに接続されている。上述した４次巻線８ｄ、ダイオード５４、コンデンサ５５は異なる電圧を必要とする負荷にＤＣ電圧を供給するためと、フォトカプラ６０を駆動するためのＤＣ電源を構成している。

次に、上述したスイッチング電源装置の動作を図２に示すタイミング図を参照して説明する。
なお、コントロールＩＣ４０の過電圧保護電圧（最大電圧）を２５Ｖ、ストップ電圧（最小電圧）を１０Ｖとする。

まず、通常動作時の動作を説明する。通常動作時とは、スタンバイ状態ではない、定格電圧が出力端子１３ａ、１３ｂから出力されている状態をいう。この通常動作時においては、スタンバイ信号Ｓｂが”Ｌ（ロー）”レベルにあり、トランジスタ２０がカットオフされる。この結果、第２のエラーアンプ２４は動作しない。

入力端子１ａ、１ｂに交流電圧が加えられると、整流回路５で整流され、コンデンサ７で平滑される。それと同時に抵抗３６を介してコンデンサ３４と３３がが充電され、コンデンサ３４の両端の電圧＝Ｖｃｃが上昇する。コンデンサ３４の両端の電圧Ｖｃｃが動作開始電圧２３Ｖに達すると、コントローラＩＣ４０の制御回路５１が動作を開始する。同時にＶｃｃ端子電圧検出回路４４がＶｃｃを検出して半導体スイッチ４３をオンしてダミー抵抗４２も接続されるためＶｃｃは急激に低下する（図２の時刻ｔ１）。
以後、制御回路５１の制御の下にスイッチ素子４８がオン／オフを繰り返し、コンデンサ７の直流電圧がトランス８の１次巻線８ａに断続的に印加され、２次巻線８ｂ、３次巻線８ｃ、４次巻線８ｄに誘導電圧が発生する。３次巻線８ｃに発生した誘導電圧はダイオード３１とコンデンサ３３、抵抗３２、コンデンサ３４の整流平滑回路で直流に変換され、Ｖｃｃを供給するようになるため、コントローラＩＣ４０の制御回路５１が動作開始した直後急激に低下したＶｃｃは徐々に上昇してきて、予め設定された通常動作時の電圧となる（時刻ｔ２〜ｔ３）。

トランス８の２次巻線８ｂ、４次巻線８ｄに誘導される交流電圧もそれぞれ整流平滑される。２次巻線の交流電圧をダイオード１１とコンデンサ１２で整流平滑した電圧Ｖoutがエラーアンプ１４の所定のしきい値を越えるとしきい値との誤差に応じ４次巻線８ｄをダイオード５４とコンデンサ５５で整流平滑した電圧からフォトカプラ６０の発光ダイオード６０ａ、抵抗１５を介してエラーアンプ１４に誤差信号を表す電流Ｉｅが流れる。誤差信号はフォトカプラ６０のフォトトランジスタ６０ｂを介してコントローラＩＣ４０のフィードバック端子ＦＢに伝達され、誤差信号に応じてスイッチ素子４８のオン／オフのデューティ比を制御し、出力電圧Ｖoutを所定の電圧に保つ（時刻ｔ２〜ｔ３）。

ここで、通常時の電圧Ｖｃｃが１４Ｖの場合、ダイオード３１のカソード（Ａ点）の電圧は、コントローラＩＣ４０の消費電流が通常１ｍＡ、ダミー抵抗４２の電流が１ｍＡであることから、
１４＋０．００２×３３００＝２０．６Ｖ
となるようにトランス８の３次巻線が設計されている。

次に、時刻ｔ３において、例えば、スタンバイ状態になる等の軽負荷状態となり、電圧Ｖｃｃが逐次降下し、時刻ｔ４において電圧Ｖｃｃが１１Ｖに達すると、電圧検出回路４４がそれを検知し、スイッチ４３をオフとする。これにより、ダミー抵抗４２が切り離され、コントローラＩＣ４０の消費電流が１ｍＡとなり、電圧Ｖｃｃが、
１１＋０．００１×３３００＝１４．３Ｖ
となる。すなわち、３．３Ｖだけ動作範囲を広げることができる。

次に、時刻ｔ５において出力端子１３ａ、１３ｂの負荷が重くなり、サージ電圧の影響により電圧Ｖｃｃが順次上昇し、時刻ｔ６において２３Ｖに達すると、電圧検出回路４０がそれを検知し、スイッチ４３をオンとする。これにより、ダミー抵抗４２が端子４１と接地ライン間に接続され、電圧Ｖｃｃが、
２３−０．００１×３３００＝１９．７Ｖ
となり、３．３Ｖ分動作範囲を広げることができる。

以上のように、この実施形態においては、ストップ電圧１０Ｖになる直前の電圧１１Ｖにおいて、ダミー抵抗４２が切り離され、これにより電圧Ｖｃｃが上昇し、ストップ電圧に対する動作マージンが確保される。逆に、過電圧保護電圧２５Ｖに達する前の電圧２３Ｖにおいて、ダミー抵抗４２が接続され、これにより電圧Ｖｃｃが降下し、過電圧保護電圧に対する動作マージンが確保される。すなわち、上記実施形態によれば、負荷変動に基づく３次巻線のレギレーションの悪化をダミー抵抗４２のオン／オフによって緩和することができ、電圧Ｖｃｃの変動範囲を狭めることが可能となる。

次に、スタンバイ時においては、端子２３のスタンバイ信号Ｓｂが”Ｈ”となり、トランジスタ２０がオンとなる。これにより、ツェナーダイオード１９のツェナー電圧および抵抗１８の値によって決まる電流が発光ダイオード６０ａに流れ、出力電圧Ｖoutが一定電圧まで低下する。またこの時、３次巻線８ｃの電圧が低下することから、前述したように、ダミー抵抗４２が切り離される。なお、スタンバイ時に制御回路５１がスイッチ素子４８を間欠発振動作させて消費電力をさらに低減させてもよい。

なお、上述した第１の実施形態において、抵抗３２およびコンデンサ３３、３４による平滑回路を、図３に示すように、コンデンサ３３を削除し抵抗３２およびコンデンサ３４によって構成してもよい。但し、この場合、机上設計が非常に難しくなり、試作段階における定数調整が必要となる。
また、スタンバイ時において、スイッチ４３を用いて抵抗４２を切り離す代わりに、制御回路５１の中のスタンバイ時に使用しない機能の動作を停止させて制御回路５１の回路電流を減らしてもよい。

次に、この発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態は、コントローラＩＣの構成が図１のものと異なっている。図４は第２の実施形態によるコントローラＩＣ６５の構成を示すブロック図であり、この図において、図１のコントローラＩＣ４０と同一の部分には同一の符号が付してある。この実施形態においては、スイッチ素子４８を制御する回路として、通常時に制御する通常回路６６と、スタンバイ時に制御する待機回路６７が設けられている。この場合、待機回路６７は通常回路６６より回路規模が小さくて済み、それに比例して回路電流も少なくて済む。また、通常回路６６と端子４１との間にスイッチ６８が、また、待機回路６７と端子４１との間にスイッチ６９が各々介挿されている。そして、端子４１の電圧が一定値以上の時は、電圧検出回路４４がスイッチ６８をオン、６９をオフとする。また、端子４１の電圧が上記一定値以下になると、電圧検出回路４４がスイッチ６８をオフ、６９をオンとし、スタンバイ状態とする。このような構成により、スタンバイ時において、通常時より端子４１を通る電流が少なくなり、ダミー抵抗を挿入するのと同様の効果が得られる。

なお、上記第１、第２の実施形態においては、１石式他励型のフライバック電源装置を例示したが、この発明は、フォワードや共振タイプの電源装置にも適用することができる。基本的にコントローラＩＣを用いた他励式ＩＣの全てに適用することが可能である。

この発明は、ＡＣ−ＤＣやＤＣ−ＤＣのフライバック型スイッチング電源装置等に用いて好適である。

この発明の第１の実施形態によるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 同スイッチング電源装置の動作を説明するためのタイミング図である。 図１における抵抗３２、コンデンサ３３、３４による平滑回路の他の構成例を示す回路図である。 この発明の第２の実施形態によるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ…入力端子、５…整流回路、６…抵抗、７…コンデンサ、８…トランス、８ａ…１次巻線、８ｂ…２次巻線、８ｃ…３次巻線、８ｄ…４次巻線、１１…ダイオード、１２…コンデンサ、１３ａ、１３ｂ…出力端子、１４…エラーアンプ、１５、１８、２１、２２…抵抗、１９…ツェナーダイオード、２０…トランジスタ、３１…ダイオード、３２…抵抗、３３、３４…コンデンサ、４０…コントローラＩＣ、４２…抵抗、４３…スイッチ、４４…電圧検出回路、４８…スイッチ素子、４９…ツェナーダイオード、６０…フォトカプラ、６０ａ…発光ダイオード、６０ｂ…フォトトランジスタ、６５…コントロールＩＣ、６６…通常回路、６７…待機回路、６８、６９…スイッチ。

Claims (6)

1. トランスの１次巻線へ直流電圧を加える直流出力手段と、
   前記１次巻線を流れる電流をオン／オフするスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段をオン／オフ制御する制御手段と、
   前記トランスの３次巻線の電圧を整流し、抵抗素子を介して前記制御手段へ出力する補助電源と、
   前記補助電源の電圧が第１の電圧に達した時、前記抵抗素子を流れる電流を低下させて前記補助電源の出力電圧を上昇させ、前記補助電源の電圧が第２の電圧に達した時、前記抵抗素子を流れる電流を上昇させて前記補助電源の出力電圧を低下させることの少なくとも一方を行う補助電源電圧制御手段と、
   を具備し、前記トランスの２次巻線に得られる電圧を負荷へ供給することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記補助電源電圧制御手段は、
   前記補助電源の出力端と接地との間に介挿された抵抗素子およびスイッチの直列回路と、
   前記補助電源の電圧が第１の電圧に達した時、前記スイッチをオフとして前記抵抗素子を流れる電流を低下させ、前記補助電源の電圧が第２の電圧に達した時、スイッチをオンとして前記抵抗素子を流れる電流を上昇させるスイッチ制御手段と、
   からな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. 前記補助電源電圧制御手段は、
   前記補助電源の電圧が第１の電圧に達した時、前記制御手段の中の一部の回路の動作を停止することにより前記制御手段に流れる電流を低下させ、前記補助電源の電圧が第２の電圧に達した時、前記制御手段の中の一部の回路の動作を開始することにより前記制御手段に流れる電流を上昇させ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。
4. トランスの１次巻線へ直流電圧を加える直流出力手段と、
   前記１次巻線を流れる電流をオン／オフするスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段を通常時にオン／オフ制御する通常時制御手段と、
   前記スイッチング手段をスタンバイ時にオン／オフ制御するスタンバイ時制御手段と、
   前記トランスの３次巻線の電圧を整流し、抵抗を介して前記通常時制御手段またはスタンバイ時制御手段へ出力する補助電源と、
   前記補助電源の出力電圧が所定電圧以上の時、前記補助電源の出力を前記通常時制御手段へ入力させ、前記補助電源の出力電圧が所定電圧以下の時、前記補助電源の出力を前記スタンバイ時制御手段へ入力させる補助電源電圧制御手段と、
   を具備し、前記トランスの２次巻線に得られる電圧を負荷へ供給することを特徴とするスイッチング電源装置。
5. 前記スタンバイ時制御回路は間欠発振制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記トランスの２次側に第１のエラーアンプと、前記第１のエラーアンプより検出電圧が低い第２のエラーアンプを設け、通常時に前記第１のエラーアンプの出力を前記通常時制御手段へ供給し、スタンバイ時に前記第２のエラーアンプの出力を前記スタンバイ時制御手段へ供給することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスイッチング電源装置。

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