JP2008078717A - ノイズフィルタおよびスイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチング周波数またはその高調波成分のノイズを低減でき、かつ小型化が可能なノイズフィルタおよびスイッチング電源を提供すること。
【解決手段】 スイッチング電源回路の１次側整流回路２の入力側または出力側の少なくとも一方に配置される高周波イズを減衰させるためのノイズフィルタであって、前記１次側整流回路２に並列に挿入された圧電共振を利用した素子すなわち平板圧電素子２１のみからなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチング電源回路のスイッチング周波数の基本波および高調波の周波数成分をもつ高周波ノイズを抑制するノイズフィルタおよび該ノイズフィルタを有するスイッチング電源に関する。

従来のスイッチング電源回路の一例の回路ブロック図を図６に示す。特許文献１に記載されているものである。同図に示すように、スイッチング電源回路は主に、ノイズフィルタ１、１次側整流回路２、スイッチング回路３、トランス４、２次側整流回路５、２次側平滑コンデンサ６、電圧変化検出回路７、および制御回路８とからなる。入力側には商用電源等の交流電源１０が接続され、出力側には負荷となる装置が接続される。図６ではノイズフィルタ１は１次側整流回路２の入力側に配置されているが、その出力側に配置される場合、および入力側と出力側の両方に配置される場合がある。

ノイズフィルタ１は、交流電源１０からのノイズの進入を防ぐとともに、スイッチング電源回路から発生し、交流電源１０に帰還するノイズを抑制する働きがある。１次側整流回路２は交流電源１０からの入力を全波もしくは半波整流するものである。スイッチング回路３は、整流された電圧を与えられた制御信号に基づいたパルス幅で所定の高周波の周波数でｏｎ／ｏｆｆ制御するものである。

トランス４は、その高周波でスイッチングされた電圧を所定の振幅を持った交流電圧に変圧するものである。２次側整流回路５は、その得られた交流電圧を整流して脈動電圧を出力するものである。２次側平滑コンデンサは、その脈動電圧を平滑化して直流電圧として出力させる。電圧変化検出回路７は、出力される直流電圧を設定された電圧値と比較してその変化を検出し、検出信号を出力するものである。また制御回路８は、その検出信号に基づいてパルス幅を定め、スイッチング回路３へのフィードバック制御を行うものである。

図７に、従来の電源回路のノイズフィルタ１の回路図の一例を入力部の交流電源および１次側整流回路とともに示す。ノイズフィルタ１は、ディファレンシャルモードのノイズを除去する部品としてインダクタンス素子１１とコンデンサ素子１２、コモンモードのノイズを除去する部品としてインダクタンス素子１３から成っている。電源によっては、コモンモードを除去するコンデンサ素子が加わる場合もある。同図ではノイズフィルタ１は１次側整流回路２の入力側に配置されているが、その出力側に配置される場合、および入力側と出力側の両方に配置される場合がある。

ディファレンシャルモードノイズは、ノイズフィルタ１の入力の線間に発生するノイズで、コモンモードノイズは、ノイズフィルタ１の二つの入力線間と別の基準電位との間に発生するノイズである。

インダクタンス素子１１や１３は通常トロイダル形状などの磁性体に巻線が巻かれている構造である。大きな電流が流れるため、ある程度の太さの巻線が必要であり、このため素子自体も比較的大きい。コンデンサ素子１２も交流電源１０の電圧がそのまま印加されるため高耐圧が必要であり、小型化には限界がある。

商用電源などの交流電源から電力を得て直流電圧で駆動される電気製品には電源回路が必要であり、スイッチング電源回路はこの目的での使用に対しては最も実用的である。ＡＣアダプタにも使用されている。

このスイッチング電源回路では、そこで発生するノイズにより電源に接続されている他の電子機器に障害が発生したりする可能性がある。例えば、このスイッチング電源回路が接続されている交流電源に映像機器や音声機器が共通に接続されている場合、これらの映像機器の画質や音声機器の音質がスイッチングで生ずる高調波電流によって劣化するという悪影響がある。そこでスイッチング電源回路においてこの高周波ノイズを抑制するノイズフィルタの特性は重要である。

この高周波ノイズを抑制する目的で、特許文献２に従来のノイズフィルタの回路にさらに圧電素子を追加する回路構成が記載されている。

特許第３５０６６４９号公報 特開昭６３−１７９６０５号公報

多くの分野で電子機器の小型化が進み、電源回路もより一層の小型化が要求されている。このため、ノイズフィルタ１にも小型が求められているが、上述のようにノイズフィルタ１に使用されるインダクタンス素子１１、１３とコンデンサ素子１２は体積が大きく、基板に対して大きな実装面積を占めてしまい小型化が困難であった。また、特許文献２の場合も、従来の形状の大きなインダクタンス素子やコンデンサ素子をそのまま使用している上に、さらに圧電素子を追加する構造のため、小型化に貢献するものではなかった。

そこで、本発明の課題は、スイッチング周波数またはその高調波成分のノイズを低減でき、かつ小型化が可能なノイズフィルタおよびスイッチング電源を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のノイズフィルタは、スイッチング電源回路の１次側整流回路の入力側または出力側の少なくとも一方に配置される高周波イズを減衰させるためのノイズフィルタであって、前記１次側整流回路に並列に挿入される圧電共振を利用した素子のみからなることを特徴とする。

または、本発明のノイズフィルタは、スイッチング電源回路の１次側整流回路の入力側または出力側の少なくとも一方に配置される高周波イズを減衰させるためのノイズフィルタであって、前記１次側整流回路に並列に挿入される圧電共振を利用した素子と前記１次側整流回路の入出力ラインの少なくとも１つに挿入されるインダクタンス素子のみからなることを特徴とする。

前記圧電共振を利用した素子は、スイッチング周波数またはスイッチング周波数の高調波成分の少なくとも一方に対応する共振周波数を有することが望ましい。

また、前記圧電共振を利用した素子は、スイッチング周波数に対応する共振周波数とスイッチング周波数の少なくとも１つの高調波成分に対応する共振周波数とを有していてもよい。

また、前記圧電共振を利用した素子は、単層構造または積層構造を有する圧電板により構成されていてもよい。

また、前記圧電共振を利用した素子は、円形、楕円形または多角形の板状または棒状の形状であってもよい。

また、前記圧電共振を利用した素子は、円形、楕円形または多角形の板状、棒状の形状を組み合わせた形状であってもよい。

さらに、前記圧電共振を利用した素子は、円形、楕円形または多角形の形状の電極を有していてもよい。

本発明によるスイッチング電源は上記のいずれかに記載のノイズフィルタを使用したことを特徴とする。

本発明では、ノイズフィルタのインダクタンス素子とコンデンサ素子の代わりに圧電共振を利用した素子を使用することで、スイッチング周波数またはその高調波成分のノイズを低減でき、かつ小型化が可能なノイズフィルタおよびスイッチング電源が得られる。

さらに本発明に用いる圧電素子は、インダクタンス素子やコンデンサ素子に比べて低価格なので、安価で高性能、さらに小型化可能なノイズフィルタおよびスイッチング電源を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明によるノイズフィルタの一実施の形態の回路図を入力部の交流電源および１次側整流回路とともに示す。図１において、ノイズフィルタ２２には、図７に示した従来の電源回路に使用されていたディファレンシャルモードのノイズ除去部品であるインダクタンス素子１１、コモンモードのノイズ除去部品であるインダクタンス素子１３とコンデンサ素子１２の代わりに、平板圧電素子２１のみが１次側整流回路２に並列に挿入され接続されている。

本実施の形態のノイズフィルタの効果を確認するため、上記平板圧電素子２１のみからなるノイズフィルタ２２を有するスイッチング電源回路と、図８に示すようにインダクタンス素子３１とコンデンサ素子３２からなる従来のノイズフィルタ３３を有するスイッチング電源回路を試作し、それらの特性を比較した。

図２（ａ）は、図８に示した従来のノイズフィルタ３３を用いて試作したスイッチング電源回路に入力される電圧波形と入力ラインに流れる電流波形を示す。図２（ｂ）は本実施の形態による図１に示したノイズフィルタ２２を用いたスイッチング電源回路の場合の同様な電圧波形と電流波形を示す。両図とも、電流波形にスイッチングノイズがのっているのが確認できる。図２（ａ）と図２（ｂ）を比較すると、図２（ａ）の電流波形ノイズが１．４Ａであるのに対し、図２（ｂ）の電流波形ノイズは０．６Ａとなっており、本実施の形態のノイズフィルタの方が従来に比べノイズが低減されていることがわかる。

図３に、従来のノイズフィルタ３３（図８）と本実施の形態のノイズフィルタ２２（図１）の周波数に対する減衰特性を示す。同図より、スイッチング周波数である周波数１００ｋＨｚ近辺で、本実施の形態の平板圧電素子２１によるノイズフィルタ２２は急激な減衰特性を示しており、その周波数では従来のノイズフィルタより優れた減衰特性を有する。これは、平板圧電素子２１の圧電共振周波数を電源のスイッチング周波数である１００ｋＨｚ近辺に合わせているためである。このようにスイッチング周波数に圧電素子の共振周波数を合わせることで、図３の減衰特性が得られ、結果として図２（ｂ）のように、スイッチングノイズを減少させることが出来る。なお、スイッチング電源回路のスイッチング周波数は数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度であり、それにより発生するノイズの周波数は高調波成分まで含めると最大３０ＭＨｚ程度まであり得る。

ここで、図８の従来のノイズフィルタ３３は、インダクタンス素子３１とコンデンサ素子３２を使用しており、それぞれの大きさは、インダクタンス素子３１が、φ１３．５ｍｍ×９．５ｍｍで体積は１３６０ｍｍ³、コンデンサ素子３２が１７ｍｍ×１５ｍｍ×８．５ｍｍで体積は２１６８ｍｍ³であり、その合計の体積は３５２８ｍｍ³である。一方、本実施の形態のノイズフィルタ２２の大きさは平板圧電素子２１の大きさであり、その形状は１７．８ｍｍ×１７．８ｍｍ×１．５ｍｍで、体積は４７５ｍｍ³である。よって、本実施の形態のスイッチング電源回路のノイズフィルタ２２は、従来のノイズフィルタ３３の約１／７の体積である。

以上のように、本実施の形態のノイズフィルタでは圧電共振を利用した圧電素子のみで高周波ノイズを減衰させるノイズフィルタを構成することにより、従来のノイズフィルタよりもスイッチングノイズを低減することができ、さらに体積も１／７にすることができるので、スイッチング電源回路の小型化を図ることが可能である。

さらに、特に小型化の必要性が高いＡＣアダプタに本実施の形態のノイズフィルタを適用することによりＡＣアダプタのスイッチングノイズの低減と小型化が可能となる。

本実施の形態で用いる平板圧電素子２１はＰＺＴ等の圧電セラミックス材料や圧電結晶などの通常、圧電共振器として使用されている材料を用いることができる。その形状は、必要なスイッチング周波数で共振させるため数ｍｍ〜２０ｍｍ程度の大きさに設定され、厚さ０．１〜２ｍｍ程度である。また、圧電板を多層にして積層構造の圧電素子とすることにより共振のＱ値を高め、より大きなノイズの減衰量を得ることができる。

また、上記実施の形態よりもさらにスイッチングノイズを低減する場合には、図８においてインダクタンス素子３１を残しておいてコンデンサ素子３２の代わりに平板圧電素子２１を設置する構成でも構わない。その場合でも、ノイズフィルタは従来の体積と比較すると、約１／２程度の小型化となる。

図４には、本発明による他の実施の形態のノイズフィルタの特性例を示す。スイッチング周波数に対応する共振周波数とその高調波成分に対応する共振周波数との２つの共振周波数を有する圧電素子からなるノイズフィルタであり、その減衰特性の一例を従来のノイズフィルタの特性と比較して示した図である。図４より、本ノイズフィルタは周波数１００ｋＨｚ近辺と２００ｋＨｚ近辺で共振による急激な減衰特性を示している。このような複数の周波数での共振特性は、後で述べるように圧電板の形状を工夫することで得られる。この特性の圧電素子を用い、その減衰量の大きい周波数をスイッチング電源回路のスイッチング周波数とその高調波の周波数に合わせることで、スイッチングノイズをさらに低減させることが可能になる。

図５は、上述のような複数の共振周波数を持つ圧電素子の形状の例を示す斜視図である。図５（ａ）は長方形の平板圧電素子２４、図５（ｂ）は楕円形の平板圧電素子２５、図５（ｃ）は長方形の形状を２つ組み合わせた形状の平板圧電素子２６、図５（ｄ）は星型形状の平板圧電素子２７を示す。短冊板状の圧電素子の共振周波数Ｆｒは、Ｆｒ＝Ｎ／Ｌで表される。Ｎは長さ方向振動の周波数定数、Ｌは短冊の１辺の長さである。図５（ａ）のように、長方形の平板圧電素子を使用することで、長辺方向の共振周波数と短辺方向の共振周波数との２つの共振周波数を持つ圧電素子を得ることが出来る。図５（ｂ）では異なる２つの径方向の長さに応じて２つの共振周波数を持つ圧電素子を得ることができる。また、図５（ｃ）に示すように、長さの異なる長方形の形状を２つ組み合わせ、４辺の長さを異なる設計にすれば、４つの共振周波数を得ることが出来る。図５（ｄ）では多くの共振モードの存在により、さらに多値周波数での共振が得られる。

上述のようにスイッチング周波数の高調波成分のノイズに合わせて複数の共振周波数を設定することにより、効果的にノイズを減少させることができる。このための圧電素子は円形、楕円形または多角形の板状または棒状の形状などを用いることができ、さらにはそれらを組み合わせた形状を用いることができる。その長さや外径などを上述の周波数で共振するように設定することにより本発明の効果を得ることができる。

また、圧電素子の共振周波数は基本的には上述のようにその外形形状で決定されるが、圧電素子に形成された駆動用の電極形状にも減衰特性は影響を受ける。そこで、電極形状を円形、楕円形または多角形の形状とし、その形状と外形形状との組み合わせで最適な減衰特性を得られるように調整可能である。

本発明によるノイズフィルタの一実施の形態のノイズフィルタの回路図を入力部の交流電源および１次側整流回路とともに示す図。 スイッチング電源回路に入力される電圧波形と入力ラインに流れる電流波形を示す図。図２（ａ）は、従来のノイズフィルタを用いて試作したスイッチング電源回路に入力される電圧波形と入力ラインに流れる電流波形を示す図。図２（ｂ）は、本実施の形態によるノイズフィルタを用いて試作したスイッチング電源回路に入力される電圧波形と入力ラインに流れる電流波形を示す図。 従来のノイズフィルタと本実施の形態によるノイズフィルタの周波数に対する減衰特性を示す図。 本発明の他のノイズフィルタの特性例を示し、スイッチング周波数に対応する共振周波数とその高調波成分に対応する共振周波数との２つの共振周波数を有する圧電素子からなるノイズフィルタの減衰特性の一例を従来のノイズフィルタの特性と比較して示す図。 複数の共振周波数を持つ圧電素子の形状の例を示す斜視図。図５（ａ）は長方形の平板圧電素子を示す図、図５（ｂ）は楕円形の平板圧電素子を示す図。図５（ｃ）は長方形の形状を２つ組み合わせ形状の平板圧電素子を示す図、図５（ｄ）は星型形状の平板圧電素子を示す図。 従来のスイッチング電源回路の一例の回路ブロック図 従来のノイズフィルタの回路図の一例を入力部の交流電源および１次側整流回路とともに示す図。 試作した従来のスイッチング電源回路のノイズフィルタ回路図を入力部の交流電源および１次側整流回路とともに示す図。

１、２２、３３ ノイズフィルタ
２ １次側整流回路
３ スイッチング回路
４ トランス
５ ２次側整流回路
６ ２次側平滑コンデンサ
７ 電圧変化検出回路
８ 制御回路
１０ 交流電源
１１、１３、３１ インダクタンス素子
１２、３２ コンデンサ素子
２１、２４、２５、２６、２７ 平板圧電素子

Claims (9)

1. スイッチング電源回路の１次側整流回路の入力側または出力側の少なくとも一方に配置される高周波ノイズを減衰させるためのノイズフィルタであって、前記１次側整流回路に並列に挿入される圧電共振を利用した素子のみからなることを特徴とするノイズフィルタ。
2. スイッチング電源回路の１次側整流回路の入力側または出力側の少なくとも一方に配置される高周波ノイズを減衰させるためのノイズフィルタであって、前記１次側整流回路に並列に挿入される圧電共振を利用した素子と前記１次側整流回路の入出力ラインの少なくとも１つに挿入されるインダクタンス素子のみからなることを特徴とするノイズフィルタ。
3. 前記圧電共振を利用した素子は、スイッチング周波数またはスイッチング周波数の高調波成分の少なくとも一方に対応する共振周波数を有することを特徴とする請求項１または２記載のノイズフィルタ。
4. 前記圧電共振を利用した素子は、スイッチング周波数に対応する共振周波数とスイッチング周波数の少なくとも１つ以上の高調波成分に対応する共振周波数とを有することを特徴とする請求項１または２記載のノイズフィルタ。
5. 前記圧電共振を利用した素子は、単層構造または積層構造を有する圧電板により構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のノイズフィルタ。
6. 前記圧電共振を利用した素子は、円形、楕円形または多角形の板状または棒状の形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のノイズフィルタ。
7. 前記圧電共振を利用した素子は、円形、楕円形または多角形の板状または棒状の形状のいずれか２つ以上を組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のノイズフィルタ。
8. 前記圧電共振を利用した素子は、円形、楕円形または多角形の形状の電極を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のノイズフィルタ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のノイズフィルタを使用したことを特徴とするスイッチング電源。

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