JP2007312555A

JP2007312555A - スイッチング電源回路

Info

Publication number: JP2007312555A
Application number: JP2006141001A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ozawa; 宏尾澤
Original assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Current assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】スイッチング・トランスの二次側に設けられたフィードバック回路が二次側直流電圧値が所定値を超えたことを検出するとフォト・カプラ内の発光素子に電流を流して発光させることでスイッチング・トランスの一次側に設けられているスイッチング制御回路に制御信号を送る一方、フォト・カプラ内のフォト・トランジスタを介してこの制御信号を受けたスイッチング制御回路はスイッチング動作を抑制方向に制御し、二次側直流電圧の上昇を抑えるように構成されているスイッチング電源回路において、フォト・カプラにかなりな定数公差が認められても、それが故にスイッチング電源回路の基本的な動作そのものが損なわれないようにする。
【解決手段】スイッチング・トランス17の発振周波数を検出し、検出した発振周波数が異常であるか、発振が認められない場合、フォト・カプラ22内の発光ダイオードLED に流す電流を低減する減流制御回路32を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流を断続することで二次巻線に現れる脈流を整流し、所望の電圧値の直流電流を得るスイッチング電源回路に関し、特に、二次側直流電圧値を定電圧に保つために当該二次側直流電圧値を監視し、これが所定の値を超えるとフォト・カプラを介して一次側のスイッチング制御回路に制御信号を送るフィードバック回路を有し、制御信号を受けたスイッチング制御回路はスイッチング動作を抑制方向に制御して二次側直流電圧の上昇を抑えるように構成されているスイッチング電源回路において、当該フォト・カプラの定数公差に起因する制御動作の不具合を改善するための改良に関する。

上述のようなスイッチング電源回路としては、自励発振型、他励発振型のいずれにおいてもこれまで多くの回路形式が提案されてきた。因みに最近では、簡単な構成で廉価な割に効率の良い回路方式として、例えば下記特許文献１等に認められるような、自励発振型に属するRCC(Ringing Choke Converter)方式のスイッチング電源回路(以下、単に“RCC電源回路”と称する）が汎用されるに至っている。
特開2002-204572号公報

その動作原理は周知でもあるし、後に本発明の望ましい実施形態に関しての説明中でも触れるので、ここでの動作原理自体の説明は省略するが、こうしたRCC電源回路に代表される各種のスイッチング電源回路では、大体どれも、上述のように二次側直流電圧値を定電圧に保つためのフィードバック回路を有している。

このフィードバック回路は二次側直流電圧値を監視し、これが所定の値を超えるとフォト・カプラ内の発光素子（一般には発光ダイオードやレーザ・ダイオード)に電流を流してこれを発光させ、これを一次側に設けられている同じフォト・カプラ内の受光素子(一般にはフォト・トランジスタ)に伝えることでスイッチング制御回路に制御信号を送るように構成されており、当該スイッチング制御回路ではこの制御信号の受信に伴い、スイッチング動作を一次側において抑制的に制御し、もって二次側直流電圧の上昇を抑えるように働く。

しかし、現状において市販されているフォト・カプラでは、発光ダイオード等の発光素子を上述のようにオン（発光）させるときはともかく、逆にオン状態からターン・オフさせたときに問題が生じ、発光素子の駆動電流が絶たれても実際にフォト・トランジスタ等の受光素子の方がオフになるまでには時間が掛かることが多い。この応答遅れ特性はフォト・カプラの光感度に伴い変化し、光感度が大きい程、大きくなる傾向にあり、また、それまでに発光素子に流していた電流が多かったとき程、大きくなる傾向にある。

そして、このようなフォト・カプラ光感度のばらつき幅は、抵抗やコンデンサ等、他の電子部品の定数公差に比べると遙かに大きく、フォト・カプラの発光素子駆動電流に対して受光素子側に流すことのできる電流比を示した電流伝達率(CTRと言う）で表すと、なんと50〜600％にもなる。

そのため、これまでのスイッチング電源回路では、このようなフォト・カプラの感度ばらつきに起因し、受光素子側のオン時間に問題となる時間遅れ差が生じてしまい、スイッチング動作に影響を与え、出力電圧が目的の値を下回ったり、省電力のために状況に応じて定常発振動作から間欠発振動作に移行させたいのに間欠発振動作にならない等の不都合が発生していたのである。

本発明はこの点に鑑みて成されたもので、フィードバック回路に用いているフォト・カプラにかなりな定数公差が認められる場合であっても、それが故にスイッチング電源回路の基本的な動作そのものが損なわれないような工夫を開示せんとするものである。

上記目的を達成するため、本発明では、
電源からスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流をスイッチング素子のオン・オフにより断続することで二次巻線に現れる脈流を整流すると共に、スイッチング・トランスの二次側に設けられたフィードバック回路が整流された二次側直流電圧値を監視し、この直流電圧値が所定値を超えるとフォト・カプラ内の発光素子に電流を流して発光させることでスイッチング・トランスの一次側に設けられているスイッチング制御回路に制御信号を送る一方、当該フォト・カプラ内の受光素子を介してこの制御信号を受けた当該スイッチング制御回路はスイッチング動作を抑制方向に制御し、二次側直流電圧の上昇を抑えるように構成されているスイッチング電源回路であって；
スイッチング・トランスの発振周波数を検出し、検出した発振周波数が異常であるか、発振が認められない場合、発光素子に流す電流を低減する減流制御回路を設けたこと；
を特徴とするスイッチング電源回路を提案する。

上記の基本構成を満たした上で、本発明の特定の下位態様においては、上記の発光素子と並列にスイッチング・トランジスタと抵抗の直列回路を設け、減流制御回路は発光素子に流す電流を低減すべき時にこのスイッチング・トランジスタをオンさせるように構成されているスイッチング電源回路も提案する。

この下位構成に代え、本発明はまた、上記の発光素子と直列に設けてある抵抗と並列にスイッチング・トランジスタと抵抗の直列回路を設け、減流制御回路は発光素子に流す電流を低減すべき時にこのスイッチング・トランジスタをそれまでのオン状態からオフさせるように構成されているスイッチング電源回路も提案する。

本発明によると、フォト・カプラに見込まれる極めて大幅な定数公差の存在の故に、スイッチング電源回路において間欠発振すべきときにもそうならず、定常発振を維持してしまう等の異常事態にも直ちに対処でき、正しく制御された形態での発振を行わせることができる。換言すれば、フォト・カプラの大幅な定数公差もそれを良く吸収できる柔軟性の高いスイッチング電源回路を提供することができる。

また、経年変化や温度特性に基づくフォト・カプラの電流伝達率の変化にも良く追従でき、結果として極めて信頼性の高いスイッチング電源回路を提供できる。

図１には本発明を適用して構成されたスイッチング電源回路の望ましい一実施形態が示されており、特にこの実施形態では、限定的ではないものの、既述したRCC電源回路に対する改良となっている。

まずは通常のRCC電源回路と同様であって良い構成部分に就き、動作を追いながら説明を始めると、商用交流電源11をダイオード・ブリッジ等による整流回路12で整流し、平滑コンデンサ13で平滑化された直流電源電圧は分圧抵抗14，15の接続中点を介しスイッチング素子16の制御端子に印加される。スイッチング素子16が電界効果トランジスタで構成されているときには当該制御端子はゲートであり、バイポーラ・トランジスタで構成されているときにはベースとなる。

制御端子に印加される電圧が所定の大きさ以上になると当該スイッチング素子16はターン・オンし、スイッチング・トランス17の一次巻線17aと直列になっている当該スイッチング素子16の主電流通路が導通する。主電流通路はもちろん、スイッチング素子16が電界効果トランジスタの場合にはソース−ドレイン間電流通路であり、バイポーラ・トランジスタの場合にはエミッタ−コレクタ間電流通路である。

スイッチング素子16の主電流通路が導通すると、整流回路12からの直流電源電流が当該スイッチング・トランス17の一次巻線17aに供給され、一次巻線17aに通電されている間に当該スイッチング・トランス17にはエネルギが蓄積されるが、帰還巻線17fに発生する電圧はスイッチング制御回路23にて監視されており、これが所定の電圧になると電界効果トランジスタもしくはバイポーラ・トランジスタで構成された制御トランジスタ24がオンとなり、これがスイッチング素子16の制御端子を例えば接地電位に引き落とす等してスイッチング素子16をターン・オフする。

これにより、スイッチング・トランス17の一次巻線17aへの供給電流が急激に絶たれると、スイッチング・トランス17に蓄積されたエネルギは二次巻線17bに転送され、二次巻線17bに電流を生じさせ、この電流はダイオード19等の整流回路19を介して整流され、平滑コンデンサ20を充電する。

この充電を介して二次巻線エネルギが低減すると、電流は振動し、あたかも逆転するように帰還巻線17fに再び電流を生じ、それにより現れる電圧で帰還回路18を介しスイッチング素子16がターン・オンして、以降、上述した正帰還を伴うスイッチング動作が繰り返され、スイッチング・トランス17の二次側に所定の電圧の直流電圧出力が効率良く得られる。

このような基本動作に加えて、スイッチング・トランス17の二次側にはフィードバック回路21が設けられていて、このフィードバック回路21が二次側の直流電圧値が所定値以上に上昇したことを検出するとフォト・カプラ22内の発光素子（この実施形態では発光ダイオード）LEDに電流が流され、これが発光する。図示のRCC電源回路ではシャント・レギュレータ25が設けられており、二次側直流電圧が上昇し、当該シャント・レギュレータ25のコントロール端子の電圧が予め定められている閾値を超えるとその主電流通路がオンとなり、これによってこの主電流通路に直列に挿入されている発光ダイオードLEDに発光のための電流が供給されるようになっている。

発光ダイオードLEDから発せられ、光に化体した制御信号は、同じフォト・カプラ22内の受光素子、この場合フォト・トランジスタPTを介してスイッチング制御回路23に与えられ、これを受けたスイッチング制御回路23では、上述した基本的な動作に加えて、例えば制御トランジスタ24を強制的にオンさせる等、スイッチング動作を抑制方向に制御し、二次側直流電圧の上昇を抑えるように働く。

しかし、既に述べたように、ここに用いられているフォト・カプラには極めて幅の広い定数公差が見込まれるため、従来はフォト・トランジスタPT側のオン時間に問題となる差が生じてしまい、これが長くなりすぎてスイッチング動作に影響を与え、出力電圧が目的の値を下回ったり、間欠発振動作に移行させたくても定常発振動作を維持してしまったりすることがあったのである。

そこで本発明では、スイッチング・トランス17の発振周波数を検出し、検出した発振周波数が異常であるか、そもそも発振が認められない場合、フォト・カプラ22内の発光素子（この実施形態では上述のように発光ダイオード）LEDに流す電流を低減する減流制御回路32を設けている。すなわち、既述のように、フォト・トランジスタPTに生じる応答遅れは、それまでに発光ダイオードLEDに流していた電流が大きかったとき程、大きくなる傾向にあるので、発振周波数に異常ないし停止が認められた場合には積極的に発光ダイオードLEDに流す電流を低減させるようにしたのである。

本発明により設けられる減流制限回路32は、昨今の技術事情ではマイクロコンピュータ（図中、マイコンと略記）で構成できるが、それが周波数を検出するためのそもそもの周波数情報の取り込みは、図示のようにスイッチング・トランス17の二次側において適当なる周波数取込回路31を介して行っても良いし、図示していないがスイッチング・トランス17の一次側において行っても良く、当業者には様々な回路を組むことができよう。もっとも、実質的にはこの周波数取込回路31は極めて簡単な受動素子のみの構成とすることができる。

例えば、減流制限回路32としてマイクロコンピュータを用いた場合には、その電源電圧は代表的には5V程度と低いので、専用の整流ダイオードと分圧抵抗回路を介してそうした低電圧電源を取り出すときの脈流出力をそのまま周波数情報として減流制御回路32に取り込んで良い。

さらに、図示実施形態の場合、フォト・カプラ22の発光ダイオードLEDと並列にスイッチング・トランジスタ33と抵抗34の直列回路が設けられていて、減流制御回路32は発光ダイオードLEDに流す電流を低減すべき時にはこのスイッチング・トランジスタ33をオンさせ、抵抗34の側に分流路を作ることで発光ダイオードLEDに流れる電流を低減するように構成されているが、この回路構成に限ることはなく、本発明が提示された以上、当業者であれば任意の減流実行回路を組むことができる。

例えば、上記の構成に代えて、発光ダイオードLEDと直列に抵抗26を設け、この抵抗26と並列にスイッチング・トランジスタと抵抗の直列回路を設け、減流制御回路32は発光ダイオードLEDに流す電流を低減すべき時にこのスイッチング・トランジスタをそれまでのオン状態からオフさせるように構成しても良い。

以上、本発明の望ましい実施形態に即し説明したが、既に述べた通り、本発明は図示されているRCC電源回路以外のスイッチング電源回路にももちろん適用できる。また、図示の場合にはスイッチング・トランス一次巻線17aに選択的に供給される直流電流は商用交流電源11を整流回路12により整流した直流電源から得られるが、電源として電池等を用いるスイッチング電源回路にも適用できる。

本発明スイッチング電源回路の望ましい一実施形態の概略構成図である。

符号の説明

11 交流電源
12 整流回路
13 平滑コンデンサ
14，15 抵抗
16 スイッチング素子
17 スイッチング・トランス
17a スイッチング・トランス一次巻線
17b スイッチング・トランス二次巻線
17f スイッチング・トランス帰還巻線
18 帰還回路
19 整流回路
20 平滑コンデンサ
22 フォト・カプラ
23 スイッチング制御回路
24 制御トランジスタ
25 シャント・レギュレータ
26 抵抗
32 減流制御回路（マイクロコンピュータ）
33 スイッチング・トランジスタ
34 抵抗
LED フォト・カプラ内発光ダイオード（発光素子）
PT フォト・カプラ内フォト・トランジスタ（受光素子）

Claims

電源からスイッチング・トランスの一次巻線に供給される直流電流をスイッチング素子のオン・オフにより断続することで二次巻線に現れる脈流を整流すると共に、該スイッチング・トランスの二次側に設けられたフィードバック回路が整流された二次側直流電圧値を監視し、該二次側直流電圧値が所定値を超えるとフォト・カプラ内の発光素子に電流を流して発光させることで上記スイッチング・トランスの一次側に設けられているスイッチング制御回路に制御信号を送る一方、該フォト・カプラ内の受光素子を介して該制御信号を受けた該スイッチング制御回路はスイッチング動作を抑制方向に制御し、上記二次側直流電圧の上昇を抑えるように構成されているスイッチング電源回路であって；
上記スイッチング・トランスの発振周波数を検出し、検出した該発振周波数が異常であるか、発振が認められない場合、上記発光素子に流す電流を低減する減流制御回路を設けたこと；
を特徴とするスイッチング電源回路。
請求項１記載のスイッチング電源回路であって；
上記発光素子と並列にスイッチング・トランジスタと抵抗の直列回路を設け；
上記減流制御回路は該発光素子に流す電流を低減すべき時に該スイッチング・トランジスタをオンさせるように構成されていること；
を特徴とするスイッチング電源回路。
請求項１記載のスイッチング電源回路であって；
上記発光素子と直列に設けてある抵抗と並列にスイッチング・トランジスタと抵抗の直列回路を設け；
上記減流制御回路は上記発光素子に流す電流を低減すべき時に該スイッチング・トランジスタをそれまでのオン状態からオフさせるように構成されていること；
を特徴とするスイッチング電源回路。