JP2007318909A

JP2007318909A - スイッチング電源及びその電源制御部

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Publication number: JP2007318909A
Application number: JP2006145474A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ando; 勉安藤
Original assignee: NEC Computertechno Ltd
Current assignee: NEC Computertechno Ltd
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】簡易な構成でありながら、同期整流スイッチング素子に流れ込む逆電流を防止することができるスイッチング電源を提供する。
【解決手段】出力電圧と第１の基準電圧Ｖｒｅｆ１との差に基づく電圧を生成するアンプ１１の出力と第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較するコンパレータ１７と、コンパレータの出力と同期整流スイッチング素子５６へ供給される反転パルス信号との論理積を求めるアンド回路１８とを設ける。負荷電流が所定の電流値を下回るとコンパレータの出力がローに反転し、アンド回路が反転パルス信号を阻止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源に関し、特に、同期整流スイッチング素子を備えたスイッチング電源及びその電源制御部に関する。

従来の同期整流スイッチング素子を備えたスイッチング電源の一例を図５に示す。

図示のスイッチング電源は、トランス５１と、トランス５１の一次巻線に印加する電圧を制御する主スイッチング素子５２と、トランス５１の一次巻線に電圧を印加する直流電源５３に並列に接続される入力コンデンサ５４と、トランス５１の二次巻線に生じた電圧を整流する一対の同期整流スイッチング素子５５，５６と、負荷５７に供給される出力電圧を平滑化するチョークコイル５８及び出力コンデンサ５９と、電源制御部６０とを有している。

電源制御部６０は、出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの差に応じたフィードバック電圧を生成するアンプ６１と、アンプ６１の出力と内部生成した三角波とに基づいて主スイッチング素子５２と同期整流スイッチング素子５５，５６とを制御するためのパルス信号を生成するパルス幅制御部６２とを有している。

次に、このスイッチング電源の動作について説明する。

まず、主スイッチング素子５２は、直流電源５３の直流電圧を高周波の矩形波電圧に変換してトランス５１の一次巻線に印加する。トランス５１は、一次巻線に印加された高周波の矩形波電圧を降圧し、降圧された高周波の矩形波電圧を二次巻線側に発生させる。同期整流スイッチング素子５５，５６は、トランス５１の二次巻線に生じた降圧された矩形波電圧を整流する。チョークコイル５８及び出力コンデンサ５９は、同期整流スイッチング素子５５，５６により整流された電圧を平滑化し、出力電圧として負荷５７へ供給する。アンプ６１は、出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その差に応じたフィードバック電圧を生成する。パルス幅制御部６２は、フィードバック電圧と内部生成した三角波とを比較し、フィードバック電圧に応じたパルス幅のパルス信号及びそれを反転した反転パルス信号を生成する。パルス幅制御部６２は、生成したパルス信号を主スイッチング素子５２及び同期整流スイッチング素子５５に供給し、反転パルス信号を同期整流スイッチング素子５６へ供給する。主スイッチング素子５２は、パルス幅制御部６２からのパルス信号に応じて、上述したように直流電源５３の直流電圧を高周波の矩形波電圧に変換する。また、同期整流スイッチング素子５５，５６は、それぞれパルス幅制御部６２からのパルス信号と反転パルス信号とに応じてオン／オフし、トランス５１の二次巻線に生じる矩形波電圧を整流する。

さて、この種のスイッチング電源は、大電流を取り出したり、信頼性を向上させたりする目的で、同一構成の他のスイッチング電源と並列接続して用いられることがある。そのような場合に、各スイッチング電源の出力電圧に差があると、出力電圧の高いスイッチング電源から出力電圧の低いスイッチング電源へと電流（逆電流）が流れ込むことになる。このとき、出力電圧が他のスイッチング電源よりも高いスイッチング電源は、定格値以上の負荷電流を出力し、その結果、出力電圧が他のスイッチング電源よりも低いスイッチング電源の同期整流スイッチング素子５６に過大な電流が流れることになる。

他のスイッチング電源から流れ込む電流による悪影響を防止することができる従来のスイッチング電源としては、同期整流スイッチング素子を流れる電流を検出するカレントトランスと、このカレントトランスが他のスイッチング電源からの逆電流を検出したときに同期整流スイッチング素子をオフにする整流スイッチング素子停止回路とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−８４７５６号公報

上述したように、従来のスイッチング電源には、並列接続運転したときに他のスイッチング電源からの電流が流れ込む恐れがある。そして、このような逆電流による悪影響を、カレントトランスを用いて防止するようにしたものが既に提案されている。

しかしながら、従来のカレントトランスを用いて逆電流の悪影響を防止するスイッチング電源は、フライホイール側同期整流素子（図５の同期整流スイッチング素子５６に相当）を有しておらず、そのような素子をに流れる逆電流を防止することができないという問題点がある。

また、カレントトランス及び整流スイッチング素子停止回路を用いて逆電流による影響を阻止する構成は、現実に発生した逆電流を検出するものであって、逆電流の発生を防止（予防）することができないという問題点がある。

さらに、カレントトランス及び整流スイッチング素子停止回路を用いる構成は、複雑で部品点数が多いという問題点もある。そして、この問題は、大電流を取り出すようにスイッチング電源を構成する場合に特に大きくなる。

本願発明は、簡易な構成でありながら、（フライホイール側）同期整流スイッチング素子に流れ込む逆電流を防止することができるスイッチング電源及びその電源制御部を提供することを目的とする。

なお、特開２００４-２１３５６号公報には、コンパレーター及びアンド回路を用いて同期整流スイッチング素子への制御信号を阻止する構成が示されているが、これらの回路はソフトスタートと呼ばれる動作を実現するためのものであって、逆流電流の発生を防止するものではない。つまり、同公報に記載されたコンパレータ１３−１，１３−２は、スタート／ストップ信号に基づいて動作するものであって、出力電圧とは無関係に動作するよう構成されている。したがって、同公報は、本願発明の目的及びそれを達成するための手段について、何ら開示するものでも示唆するものもない。

本発明の第１の要旨は、一対の同期整流用スイッチング素子を備えたスイッチング電源において、出力電圧が所定の電圧を上回ったときに前記一対の同期整流スイッチング素子の一方を停止させるための停止制御部を備えていることを特徴とする。

具体的には、前記停止制御部は、前記出力電圧に基づいて生成された比較用電圧と前記所定の電圧に基づいて定められた基準電圧とを比較するコンパレーターと、該コンパレーターの出力と前記一対の同期整流スイッチング素子の一方の動作を制御するための駆動制御信号との論理積を求め、当該論理積を前記一対の同期整流スイッチング素子の一方へ前記駆動制御信号に代えて供給するアンド回路と、を有することを特徴としている。

また、本発明の第２の要旨は、トランスと、一対の同期整流スイッチング素子と、を備えたスイッチング電源に用いられる電源制御部において、前記トランスの一次側に流れる電流に基づく検出電圧と、前記スイッチング電源の出力電圧とに基づいて、前記一対の同期整流スイッチング素子を制御するための一対のパルス信号を発生するパルス信号発生部と、前記出力電圧が所定の電圧を上回ったときに前記一対のパルス信号の一方を阻止する停止制御部と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、出力電圧が所定の電圧を上回った場合に、（フリーホイール側）同期整流スイッチング素子をオフさせるようにしたことで、負荷側からスイッチング電源へと流れる逆電流を防止できる。これにより、複数のスイッチング電源を並列接続運転する場合の信頼性を向上させることができる。

また、本発明によれば、簡易な構成で、負荷側からスイッチング電源へと流れる逆電流を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源１００の構成を示す。図１において、スイッチング電源１００は、同一構成の他のスイッチング電源１１０とともに負荷５７に接続されている。負荷５７は、例えば、情報処理機器であって、スイッチング電源１００，１１０は、その電源装置として用いられている。

図１のスイッチング電源１００は、図５に示す従来のスイッチング電源の構成と比べると、電源制御部６０が、電源制御部１０に置き換えられている点で異なっている。

電源制御部１０は、スイッチング電源１００の出力電圧と第１の基準電圧Ｖｒｅｆ１との差に応じたフィードバック電圧（比較用電圧）を生成するアンプ１１と、トランス５１の一次巻線に流れる電流を検出し、検出した電流に応じた検出電圧を出力する電流検出器１２と、アンプ１１の出力電圧と電流検出器からの検出電圧との差電圧を分圧する一対の抵抗器１３，１４と、抵抗器１３，１４により分圧された分圧電圧と内部生成した三角波とに基づいて主スイッチング素子５２と同期整流スイッチング素子５５，５６とを制御するためのパルス信号及び反転パルス信号を生成するパルス幅制御部１５と、アンプ１１の出力電圧と第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２とに基づいてパルス幅制御部１５から同期整流スイッチング素子５６へ出力される反転パルス信号を阻止する停止制御部１６とを有している。

停止制御部１６は、アンプ１１の出力電圧と第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較するコンパレーター１７と、コンパレータの出力とパルス幅制御部１５からの反転パルス信号との論理積を求め、求めた論理積を同期整流スイッチング素子５６へ供給するアンド回路１８とを有している。

次に、スイッチング電源１００の動作について説明する。

スイッチング素子５２は、直流電源５３からの直流電圧を高周波の矩形波電圧に変換して、トランス５１の一次巻線に印加する。トランス５１は、一次巻線に印加された高周波の矩形波電圧を降圧し、二次巻線に降圧された高周波の矩形波電圧を出現させる。同期整流スイッチング素子５５，５６は、交互にオン・オフするようスイッチング制御され、降圧された高周波の矩形波電圧を全波整流する。チョークコイル５８及び出力コンデンサ５９は、整流された電圧を平滑化し出力電圧として負荷５７へ供給する。

電源制御部１０は、出力電圧が予め定められた値となるように、主スイッチング素子５２を制御し、同期整流スイッチング素子５５，５６を制御する。

詳述すると、アンプ１１は、スイッチング電源１００の出力電圧と第１の基準電圧１２とを比較し、その差に応じた電圧を出力する。一対の抵抗器１３，１４は、電流検出器１２からの検出電圧とアンプ１１の出力電圧との差電圧を分圧する。パルス幅制御部１５は、一対の抵抗器１３，１４により生成された分圧電圧と、内部生成した三角波とに基づいて所定周期のパルス信号及びそれを反転し他反転パルス信号を生成する。パルスの幅は、分圧電圧に応じて変化する。

パルス幅制御部１５からのパルス信号は、主スイッチング素子５２及び同期整流スイッチング素子５５を駆動制御するためにこれらスイッチング素子５２，５５へ出力される。反転パルス信号は、同期整流スイッチング素子５６を駆動制御するため、アンド回路１８を介して同期整流スイッチング素子５６へ出力される。

アンプ１１の出力電圧は、また、コンパレーター１７に供給される。コンパレーター１７は、第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２とアンプ１１の出力電圧とを比較し、アンプ１１の出力電圧が第２の基準電圧よりも低くなったとき、その出力をローからハイへ反転させる。アンド回路１８は、コンパレーター１７の出力がハイレベルに反転すると、パルス幅制御部１５から同期整流スイッチング素子５６へと出力される反転パルス信号を阻止する。

スイッチング電源１００が単独で動作している場合、チョークコイル５８に流れる電流ＩＬは、図２に実線で示すようなものとなり、その平均値は負荷電流Ｉｏと等しくなる。

一方、複数のスイッチング電源１００，１１０が並列接続運転されているとき、スイッチング電源１００の負荷電流は、他のスイッチング電源１１０との関係で低下する場合がある。図２から理解されるように、負荷電流がＩｏ’以下になると、チョークコイルに流れる電流が負（逆向き）になる期間が発生する。

そこで、本実施の形態では、負荷電流がＩｏ’になったときに同期整流スイッチング５６が停止するように、第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２を設定することで、チョークコイル５８に流れる逆電流を防止することができる。つまり、負荷電流がスイッチング電源１００側に流れ込むことを防止できる。

本実施の形態では、アンプ１１の出力電圧は、負荷電流と比例関係にある。そこで、図３に示すように、アンプ１１の出力電圧が第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２と等しいとき、負荷電流がＩｏ’となるように、第２の基準電圧Ｖｒｅｆ２を設定する。これにより、負荷電流がＩｏ’となったときに、コンパレーター１３の出力がハイに反転し、アンド回路１８の出力がローレベルとなる。その結果、同期整流用スイッチング素子５６が停止する。

こうして、本実施の形態では、負荷電流が所定の電流値を下回ったとき（即ち、出力電圧が所定の電圧を上回ったとき）に、同期整流用スイッチング素子５６を停止させて、他のスイッチング電源からの電流の流入を防止することができる。

同期整流スイッチング素子５５がオンのとき、同期整流スイッチ素子５６はオフしており、トランス５１の二次巻線には起電力が生じているので、他のスイッチング電源１１０の出力電圧が高い場合でも、大きな逆電流は生じない。また、同期整流スイッチング素子５５がオフのとき、他のスイッチング電源１１０の出力電圧が高い場合には、上述のように、同期整流スイッチ素子５６が停止した状態では、チョークコイル５８からスイッチング素子５５，５６へと流れる電流は発生しない。

このようにして本実施の形態では、負荷電流値が規定値より小さくなった場合に、同期整流スイッチング素子５６の動作を停止させることにより、並列運転時に負荷側からスイッチング電源１００側に流れ込む電流を抑えることができ、その信頼性を向上させることができる。

次に、図４を参照して、本発明の他の実施の形態について説明する。

図４のスイッチング電源４００は、電源制御部１０と異なる回路構成の電源制御部４０を有している点で図１のスイッチング電源１００と異なっている。

図４において電源制御部４０は、アンプ１１、電流検出器１２及び停止制御部１６に加え、電流検出器１２からの検出電圧とアンプ１１の出力電圧とを比較するコンパレーター４１と、コンパレーター４１の出力とクロック信号４２とに応じてパルス信号及びそれを反転した反転パルス信号を出力するフリップフロップ４３とを有している。

以下、電源制御部４０の動作について説明する。

まず、アンプ１１は、スイッチング電源４００の出力電圧と第１の基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較し、その差に応じた電圧を出力する。コンパレーター４１は、アンプ１１の出力電圧と電流検出器１２からの検出電圧とを比較する。コンパレーター４１は、フリップフロップ４３のリセット端子に接続されている。また、フリップフロップ４３のセット端子には、クロック信号４２が供給される。フリップフロップ４３は、クロック信号４２とコンパレーター４１の出力とに応じてパルス信号及び反転パルス信号を出力する。フリップフロップ４３からのパルス信号は、主スイッチング素子５２及び同期整流スイッチング素子５５に供給され、反転パルス信号は、アンド回路１８を介して同期整流スイッチング素子５６に供給される。

本実施の形態においても、出力電圧が所定の電圧を上回った場合、即ち、負荷電流が所定の電流値を下回った場合、コンパレーター１７及びアンド回路１８の働きにより、フリップフロップ４３から同期整流回路５６へ供給される反転パルス信号が阻止される。これにより、同期整流スイッチング素子５６の動作が停止し、スイッチング電源１００と同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源の構成を示す回路図である。チョークコイルに流れる電流と負荷電流との関係を説明するためのグラフである。負荷電流とアンプ出力との関係を示すグラフである。本発明の他の実施の形態に係るスイッチング電源の構成を示す回路図である。従来のスイッチング電源の構成を示す回路図である。

符号の説明

１００，１１０スイッチング電源
１０電源制御部
１１アンプ
１２電流検出器
１３，１４抵抗器
１５パルス幅制御部
１６停止制御部
１７コンパレーター
１８アンド回路
４００スイッチング電源
４０電源制御部
４１コンパレーター
４２クロック信号
４３力とクロック信号
５１トランス
５２主スイッチング素子
５３直流電源
５４入力コンデンサ
５５，５６同期整流スイッチング素子
５７負荷
５８チョークコイル
５９出力コンデンサ
６０電源制御部
６１アンプ
６２パルス幅制御部

Claims

一対の同期整流用スイッチング素子を備えたスイッチング電源において、
出力電圧が所定の電圧を上回ったときに前記一対の同期整流スイッチング素子の一方を停止させるための停止制御部を備えていることを特徴とするスイッチング電源。
請求項１に記載されたスイッチング電源において、
トランスを備え、
前記一対の同期整流スイッチング素子の一方は、前記トランスの二次巻線の一端に接続された他方の同期整流スイッチング素子と前記トランスの二次巻線の他端との間に接続されていることを特徴とするスイッチング電源。
請求項１又は２に記載されたスイッチング電源において、
前記停止制御部が、
前記出力電圧に基づいて生成された比較用電圧と前記所定の電圧に基づいて定められた基準電圧とを比較するコンパレーターと、
該コンパレーターの出力と前記一対の同期整流スイッチング素子の一方の動作を制御するための駆動制御信号との論理積を求め、当該論理積を前記一対の同期整流スイッチング素子の一方へ前記駆動制御信号に代えて供給するアンド回路と、
を有することを特徴とするスイッチング電源。
トランスと、一対の同期整流スイッチング素子と、を備えたスイッチング電源に用いられる電源制御部において、
前記トランスの一次側に流れる電流に基づく検出電圧と、前記スイッチング電源の出力電圧とに基づいて、前記一対の同期整流スイッチング素子を制御するための一対のパルス信号を発生するパルス信号発生部と、
前記出力電圧が所定の電圧を上回ったときに前記一対のパルス信号の一方を阻止する停止制御部と、
を備えていることを特徴とするスイッチング電源に用いられる電源制御部。
請求項４に記載されたスイッチング電源に用いられる電源制御部において、
前記パルス信号発生部が、
前記出力電圧と第１の基準電圧との差に基づいて比較用電圧を生成するアンプと、
前記検出電圧と前記比較用電圧との差電圧を分圧する一対の抵抗器と、
該一対の抵抗器により分圧された分圧電圧と内部発生した三角波とに基づいて、前記一対のパルス信号を発生するパルス幅制御部と、
を備えていることを特徴とするスイッチング電源に用いられる電源制御部。
請求項４に記載されたスイッチング電源に用いられる電源制御部において、
前記パルス信号発生部が、
前記出力電圧と第１の基準電圧との差に基づいて比較用電圧を生成するアンプと、
前記検出電圧と前記比較用電圧とを比較するコンパレーターと、
該コンパレーターの出力とクロックパルスとに基づいて前記一対のパルス信号を発生するフリップフロップと、
を備えていることを特徴とするスイッチング電源に用いられる電源制御部。
請求項４，５又は６に記載されたスイッチング電源に用いられる電源制御部において、
前記停止制御部が、
前記比較用電圧と前記所定の電圧に基づき定められた第２の基準電圧とを比較するコンパレーターと、
該コンパレーターの出力と前記一対のパルス信号の一方との論理積を求めるアンド回路と、
を有することを特徴とするスイッチング電源に用いられる電源制御部。