JP2008072830A

JP2008072830A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2008072830A
Application number: JP2006248806A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Nishiyama; 知宏西山
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】コスト増大、起動時間の拡大、設計保証の困難性を招くことなく、トランスの温度上昇を抑制できるスイッチング電源装置を実現する。
【解決手段】入力電源からの電流をトランスの１次巻線に断続的に供給するスイッチング素子を開閉制御する制御回路部と、前記トランスの２次巻線に生ずる電圧を整流・平滑する出力部と、前記トランスの３次巻線に生ずる電圧から前記制御回路部に電力を供給する補助電源部と、前記入力電源から前記制御回路部に電力を供給する起動回路部とを備えるスイッチング電源装置において、前記制御回路部が停止した後に、前記起動回路部からの電力供給を停止させる起動回路停止部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力電源からの電流をトランスの１次巻線に断続的に供給するスイッチング素子を開閉制御する制御回路部と、前記トランスの２次巻線に生ずる電圧を整流・平滑する出力部と、前記トランスの３次巻線に生ずる電圧から前記制御回路部に電力を供給する補助電源部と、前記入力電源から前記制御回路部に電力を供給する起動回路部とを備えるスイッチング電源装置に関するものである。

フライバック方式のコンバータを用いたスイッチング電源装置に関しては、特許文献１に技術的な開示がある。図５は、フライバック方式のコンバータを用いた従来のスイッチング電源装置の構成例を示す機能ブロック図である。

入力電源ＶｉｎからトランスＴ１の１次巻線ｎ１に流れる電流は、スイッチング素子Ｑ１により断続的に供給される。このスイッチング素子Ｑ１は、制御回路部１２のＯＵＴ端子より供給されるパルス信号Ｐにより所定の周期で開閉制御される。

更に、トランスＴ１の２次巻線ｎ２に生ずる電圧をダイオードＤ２及びコンデンサＣ２で整流・平滑する出力部５２と、トランスＴ１の３次巻線ｎ３に生ずる電圧をダイオードＤ３及びコンデンサＣ３で整流・平滑して制御回路部１２の電源端子に動作電圧Ｖｃｃを供給する補助電源部５０と、入力電源Ｖｉｎから制御回路部１２に同じく動作電圧Ｖｃｃを供給する起動回路部１１を備えている。

このような構成をとるスイッチング電源装置では、出力部５２が過負荷（過電流）状態時、出力短絡状態時、２次巻線ｎ２の短絡等の故障時には、起動状態と停止状態を周期的に繰り返す。

出力短絡等の故障が生じると、過電流保護回路（図示せず）が動作して２次巻線ｎ２の出力電圧が低下する。このとき３次巻線ｎ３の電圧も低下し、制御回路１２の電源端子の動作電圧Ｖｃｃが動作停止電圧以下になると、ＯＵＴ端子のパルス信号Ｐが停止し、スイッチング動作を停止する。

スイッチング動作の停止により、制御回路１２の消費電流がほぼゼロになるため、起動回路部１１を介して供給される電流で制御回路１２の電源端子の動作電圧Ｖｃｃは、起動開始電圧まで上昇して動作状態となり、パルス信号Ｐが出力されスイッチング動作を再開する。このスイッチング動作期間と休止期間のバランスで、トランスＴ１の損失量、すなわち発熱量が定まる。

図６は、従来装置の正常時及び故障時の動作を説明するタイムチャートである。図６（Ａ）は、制御回路部１２の電源端子の動作電圧Ｖｃｃの電圧変化を示す。同図（Ｂ）は、制御回路部１２のＯＵＴ端子のパルス信号Ｐによるスイッチング動作期間と休止期間を示す。

期間ｔ０〜ｔ１では、入力電源Ｖｉｎから起動回路部１１を介して制御回路部１２の電源端子に電流が供給され、動作電圧Ｖｃｃは所定の勾配で上昇する。

期間ｔ１〜ｔ２では、制御回路部１２の動作電圧Ｖｃｃが上昇して起動開始電圧（Start）に達すると、ＯＵＴ端子からパルス信号Ｐが出力され、スイッチング素子Ｑ１がスイッチング動作を開始する。これにより、２次巻ｎ２及び制御回路部１２に電力を供給するための３次巻線ｎ３に電力が供給される。

この期間、起動回路部１１から電流が供給され続けるものの、制御回路部１２の消費電流によってＶｃｃは低下する。Ｖｃｃが制御回路部１２の動作停止電圧（Stop）に達する前に、３次巻線ｎ３からこの動作停止電圧以上の電圧が供給されると、制御回路部１２は動作状態を保持する。

期間ｔ２〜ｔ３では、出力短絡等の故障が生じて過電流保護が動作した場合、２次巻線ｎ２の電圧が低下する。このとき３次巻線ｎ３の電圧も低下し、制御回路１２の動作電圧Ｖｃｃが動作停止電圧（Stop）以下になると、ＯＵＴ端子のパルス信号Ｐが停止し、スイッチング動作を停止する。

期間ｔ３〜ｔ４では、起動回路部１１を介して制御回路部１２の電源端子に電流が供給されるので、Ｖｃｃは起動開始電圧まで上昇する。

期間ｔ４〜ｔ５では、動作電圧Ｖｃｃが制御回路部１２の起動開始電圧（Start）に達してＯＵＴ端子からパルス信号Ｐが出力され、スイッチング素子Ｑ１がスイッチング動作を開始する。２次巻線ｎ２及び制御回路部１２に電力を供給するための３次巻線ｎ３に電力が供給される。

この期間、起動回路部１１からは電流が供給され続けるものの、制御回路部１２の消費電流によって動作電圧Ｖｃｃは低下する。出力短絡等の故障が生じている場合、トランスＴ１からのエネルギーのほとんどが２次巻線ｎ２側に供給されるため、３次巻線ｎ３からのエネルギー供給が少なくなり、動作電圧Ｖｃｃは上昇することなく制御回路部１２の動作停止電圧（Stop）に達する。故障状態が解除されるまで、期間ｔ３〜ｔ５の操作を繰り返す。

特開平１０−３３７０１９号公報

このような構成をとるスイッチング電源装置では、出力部５２が過負荷（過電流）状態時、出力短絡状態時、２次巻線ｎ２の短絡等の故障時には、起動状態と停止状態を周期的に繰り返すので、トランスＴ１に流れる電流が過大になり、トランスの鉄損、銅損が増大し、トランスの温度が定格の耐熱限界を越えて上昇する問題がある。

従来技術では、次のような対策手段を用いる。
（１）トランス材料を耐熱性の高いものにする。
（２）短絡時にトランスが耐熱温度以下なるよう、スイッチング動作の休止期間を長くするために起動抵抗の値を大きくして、起動するまでの時間、即ち休止期間を長くする。
（３）トランスの温度を直接、もしくは間接的に検出して長い休止期間を設ける。

しかしながら、
（１）トランス材料を耐熱の高いものにした場合、コスト増大の問題がある
（２）起動抵抗の値を大きくした場合、電源投入時の起動時間が長くなりすぎると、製品起動不良と誤解を招くおそれがある。
（３）トランスの温度を測定するにはサーミスタ回路が必要となり、コスト増大、ばらつきを考慮した場合の設計保証の難しさが問題となる。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、コスト増大、起動時間の拡大、設計保証の困難性を招くことなく、トランスの温度上昇を抑制できるスイッチング電源装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）入力電源からの電流をトランスの１次巻線に断続的に供給するスイッチング素子を開閉制御する制御回路部と、前記トランスの２次巻線に生ずる電圧を整流・平滑する出力部と、前記トランスの３次巻線に生ずる電圧から前記制御回路部に電力を供給する補助電源部と、前記入力電源から前記制御回路部に電力を供給する起動回路部とを備えるスイッチング電源装置において、前記制御回路部が停止した後に、前記起動回路部からの電力供給を停止させる起動回路停止部を備える
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
（２）前記制御回路部の停止に基づいて起動し、所定の時間信号を前記起動回路停止部に出力するタイマ部を備えることを特徴とする（１）に記載のスイッチング電源装置。
（３）前記３次巻線の電圧に基づき前記制御回路部の停止を検出する検出部を備える
ことを特徴とする（２）に記載のスイッチング電源装置。
（４）前記起動回路部は、一端が前記入力電源に接続される起動抵抗と、アノードが前記起動抵抗の他端に接続されカソードが前記制御回路部に接続されるダイオードとを備え、前記起動回路停止部は、一端が前記起動抵抗と前記ダイオードとの接続点に接続され他端が前記制御回路部の基準電位に接続されるスイッチング素子を備えることを特徴とする（１）に記載のスイッチング電源装置。
（５）前記起動回路停止部は、コレクタが前記起動抵抗と前記ダイオードとの接続点に接続されエミッタが前記基準電位に接続されるトランジスタを備え、前記タイマ部は、一端が前記トランジスタのベースに接続される抵抗と、一端が前記基準電位に接続されるコンデンサとを備え、一端が３次巻線に接続され他端が前記抵抗の他端と前記コンデンサの他端との接続点に接続されるダイオードを備えることを特徴とする（４）に記載のスイッチング電源装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）起動抵抗の定数を変更することなく、再起動時間の変更が可能となり、故障時のトランス温度上昇を抑制できる。

（２）故障時のトランス温度上昇に対応するためのトランス材料の変更は必要ないため、装置のコストは増大しない。

（３）スイッチング動作を休止させる時間は、コンデンサの静電容量の選定、若しくは放電抵抗の選定によって自由に設定できるため、回路設計が簡単である。

（４）起動回路、停止回路に使用する部品は汎用的な部品であるため、コスト増大は少ない。

（５）故障状態の検出手法や停止手段は汎用的手法を利用することができるので、制御回路部の種類を選ばず、汎用性が高い。

（６）トランスのみならず、スイッチング素子、ダイオードの温度上昇を抑制して安全動作を確保することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したスイッチング電源装置の基本構成を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

従来装置の構成要素に追加された本発明の特徴部は、検出部４１、タイマ部４２、起動回路停止部４３で構成される、再起動時間を延長するための手段を設けた点にある。

検出部４１は、起動回路部１１を停止させるための信号を取り出す機能を有する。タイマ部４２は、制御回路部１２が動作を停止してから再起動するまでの期間を設定する機能を有する。起動回路停止部４３は、検出部４１が停止信号を受けてから、タイマ部４２がタイムアップするまでの間、起動回路部１１を停止させる機能を有する。

図２は、本発明を適用したスイッチング電源装置の一実施態を示す機能ブロック図であり、本発明の特徴部である検出部４１、タイマ部４２、起動回路停止部４３の具体的な回路構成例を示している。

この実施形態では、起動回路部１１は一端が入力電源Ｖｉｎに接続される起動抵抗と、アノードが起動抵抗Ｒ１の他端に接続され、カソードが制御回路部１２に電源端子に接続されるダイオードＤ５を備えている。

起動回路停止部４３は、一端が起動抵抗Ｒ１とダイオードＤ５との接続点に接続され、他端が制御回路部１２の基準電位（ＧＮＤ）に接続されるスイッチング素子、具体的には、コレクタが起動抵抗Ｒ１とダイオードＤ５の接続点に接続され、エミッタが基準電位に接続されたトランジスタＱ４を備えている。なお、トランジスタＱ４はＭＯＳＦＥＴその他のスイッチ素子であっても同等の構成となる。

検出部４１は、制御回路部１２を駆動するための電力を供給するトランスＴ１の３次巻線ｎ３の電圧を入力信号としており、ダイオードＤ４のアノードを３次巻線ｎ３に接続している。

タイマ部４２は、一端をダイオードＤ４のカソードに、他端を基準電位に接続したコンデンサＣ４と、一端をダイオードＤ４のカソードに、他端を起動回路停止部４３のトランジスタＱ４のベースに接続した抵抗Ｒ４で構成されている。

このように構成されたタイマ部４２は、コンデンサＣ４に充電された電荷を、抵抗Ｒ４で放電する時定数回路を形成し、制御回路部１２の動作停止前にトランジスタＱ４がターンオフしないよう、抵抗Ｒ４でＱ４のベース電流を設定している。

起動回路停止部４３のトランジスタＱ４は、起動回路部１１の起動抵抗Ｒ１から制御回路部１２への電流供給を切断する機能を有する。このとき制御回路部１２の電源端子を基準電位に短絡させないために起動回路部１１内にダイオードＤ５を設けている。

図３は、図２の実施形態における本発明装置の正常時及び故障時の動作を説明するタイムチャートである。図６（Ａ）は、制御回路１２の電源端子の動作電圧Ｖｃｃの電圧変化を、同図（Ｂ）は、制御回路１２のＯＵＴ端子の制御信号Ｐにより、スイッチング動作期間と休止期間を示す。

図６（Ｃ）は、出力部５２の出力電圧Ｖｃ２の変化を、同図（Ｄ）はタイマ部４２のコンデンサＣ４の端子間電圧の変化を、同図（Ｅ）は起動回路停止部４３のトランジスタＱ４のスイッチ状態（ＯＮ／ＯＦＦ）を夫々示す。

期間ｔ０〜ｔ１では、入力電源Ｖｉｎから起動回路部１１を介して制御回路部１２の電源端子に電流が供給され、動作電圧Ｖｃｃは所定の勾配で上昇する。このとき制御回路部１２は動作停止しているので、３次巻線ｎ３を介して検出部４１に電圧は供給されず、起動回路停止部４３のトランジスタＱ４はオフ状態である。

期間ｔ１〜ｔ２〜ｔ３では、制御回路部１２の動作電圧Ｖｃｃが起動開始電圧（Start）に達すると、ＯＵＴ端子からパルス信号Ｐが出力され、スイッチング素子Ｑ１がスイッチング動作を開始する。これにより、２次巻ｎ２及び制御回路部１２に電力を供給するための３次巻線ｎ３に電力が供給される。

この期間、起動回路部１１から電流が制御回路部１２に供給され続けるものの、制御回路部１２の消費電流によってＶｃｃは低下する。Ｖｃｃが制御回路部１２の動作停止電圧（Stop）に達する前に、３次巻線ｎ３から動作停止電圧以上の電圧が供給されると、制御回路部１２は動作状態を保持する。

更にこの期間、タイマ部４２のコンデンサＣ４が充電され、トランジスタＱ４の動作点電圧に達すると、ｔ２のタイミングで起動回路停止部４３のトランジスタＱ４がＯＮとなる。

期間ｔ３〜ｔ４では、出力短絡等の故障が生じて過電流保護が動作した場合、２次巻線ｎ２の電圧Ｖｃ２が低下する。このとき３次巻線ｎ３の電圧も低下し、制御回路部１２の動作電圧Ｖｃｃが動作停止電圧（Stop）以下になると、ＯＵＴ端子のパルス信号Ｐが停止し、スイッチング動作を停止する。

期間ｔ４〜ｔ５では、再起動時間を延長する回路を設けたことにより、過電流保護が動作してから制御回路部１２が動作停止しても、タイマ部４２がタイムアップするまでトランジスタＱ４はＯＦＦしないため、Ｑ１のスイッチング停止を保持する。

期間ｔ５〜ｔ６では、トランジスタＱ４が停止点に達してＯＦＦすると、再び起動抵抗Ｒ１を介して制御回路部１２に電流が供給され始め、電源端子の動作電圧Ｖｃｃが上昇する。

期間ｔ６〜ｔ７〜ｔ８では、動作電圧Ｖｃｃが制御回路部１２の起動開始電圧（Start）に達すると、ＯＵＴ端子からパルス信号Ｐが出力され、スイッチング素子Ｑ１がスイッチング動作を開始する。２次巻線ｎ２及び制御回路部１２に電力を供給するための３次巻線ｎ３に電力が供給される。

この期間、起動回路部１１からは電流が供給され続けるものの、制御回路部１２の消費電流によって動作電圧Ｖｃｃは低下する。

出力短絡等の故障が生じている場合、トランスＴ１からのエネルギーのほとんどが２次巻線ｎ２側に供給されるため、３次巻線ｎ３からのエネルギー供給が少なくなり、動作電圧Ｖｃｃは上昇することなく制御回路部１２の停止電圧に達する。

タイマ部４２のコンデンサＣ４は静電容量の小さなものを使用するため、３次巻線ｎ３からのわずかなエネルギー供給でも充電される。起動回路停止部４３のトランジスタＱ４の動作点に達すると、ｔ７のタイミングでトランジスタＱ４がＯＮとなる。

期間ｔ８〜ｔ９では、期間ｔ４〜ｔ５と同様に、制御回路部１２が動作停止しても、タイマ部４２がタイムアップするまでトランジスタＱ４はＯＦＦしないため、Ｑ１のスイッチング停止を保持する。故障状態が解除されるまで、期間ｔ５〜ｔ９の操作を繰り返す。

図４は、本発明を適用したスイッチング電源装置の他の実施態を示す機能ブロック図であり、起動回路部１１が定電流回路で構成された例を示している。

起動回路部１１は、制御回路部１２に定電流を供給するためのトランジスタＱ２、起動開始電圧の閾値と供給電流を設定するためにＱ２のベース・エミッタ間に接続された抵抗Ｒ２を備える。

更に、制御回路部１２の動作電圧が上昇した後に起動回路部１１を停止する、Ｑ２のベースと基準電位間に接続されたツェナーダイオードＺＤ１を備える。この起動回路部１１は、検出部４１、タイマ部４２の構成には依存しない。

以上説明した実施形態では、検出部４１の信号元として、３次巻線ｎ３の電圧信号を利用したが、これに限定されるものではなく、Ｑ１がスイッチング動作を行っている状態を把握できる信号であればよい。

例えば、絶縁型コンバータに使用されるＩＣとしてＩＣメーカ各社から入手可能なUC3842等では、その電源端子、出力端子、周波数を設定する発振器端子、リファレンス電圧端子の電圧変化等を検出信号として用いることが可能である。

一方、制御回路部１２が停止直後に、電力供給を停止するタイミング以外にも、制御回路部１２が動作した後に、起動回路部１１が停止したままであってもよい。

また、本発明は、上述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲でさらに多くの変更及び変形を含むものである。

本発明を適用したスイッチング電源装置の基本構成を示す機能ブロック図である。本発明を適用したスイッチング電源装置の一実施態を示す機能ブロック図である。本発明装置の正常時及び故障時の動作を説明するタイムチャートである。本発明を適用したスイッチング電源装置の他の実施態を示す機能ブロック図である。従来装置の構成例を示す機能ブロック図である。従来装置の正常時及び故障時の動作を説明するタイムチャートである。

符号の説明

Ｖｉｎ入力電源
Ｑ１スイッチング素子
Ｔ１トランス
ｎ１１次巻線
ｎ２２次巻線
ｎ３３次巻線
１１起動回路部
１２制御回路部
４１検出部
４２タイマ部
４３起動回路停止部
５０補助電源部
５２出力部

Claims

入力電源からの電流をトランスの１次巻線に断続的に供給するスイッチング素子を開閉制御する制御回路部と、前記トランスの２次巻線に生ずる電圧を整流・平滑する出力部と、前記トランスの３次巻線に生ずる電圧から前記制御回路部に電力を供給する補助電源部と、前記入力電源から前記制御回路部に電力を供給する起動回路部とを備えるスイッチング電源装置において、
前記制御回路部が停止した後に、前記起動回路部からの電力供給を停止させる起動回路停止部を備える
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
前記制御回路部の停止に基づいて起動し、所定の時間信号を前記起動回路停止部に出力するタイマ部を備える
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。
前記３次巻線の電圧に基づき前記制御回路部の停止を検出する検出部を備える
ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
前記起動回路部は、一端が前記入力電源に接続される起動抵抗と、アノードが前記起動抵抗の他端に接続されカソードが前記制御回路部に接続されるダイオードとを備え、
前記起動回路停止部は、一端が前記起動抵抗と前記ダイオードとの接続点に接続され他端が前記制御回路部の基準電位に接続されるスイッチング素子を備える
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。
前記起動回路停止部は、コレクタが前記起動抵抗と前記ダイオードとの接続点に接続されエミッタが前記基準電位に接続されるトランジスタを備え、
前記タイマ部は、一端が前記トランジスタのベースに接続される抵抗と、一端が前記基準電位に接続されるコンデンサとを備え、
一端が３次巻線に接続され他端が前記抵抗の他端と前記コンデンサの他端との接続点に接続されるダイオードを備える
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。