JP2008079380A - Power supply unit and power supply system - Google Patents
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Description
この発明は商用交流電源を入力して電子機器に対して直流の電源電圧を供給する電源装置およびそれを備えた電源システムに関するものである。 The present invention relates to a power supply apparatus that inputs a commercial AC power supply and supplies a DC power supply voltage to an electronic device, and a power supply system including the power supply apparatus.
一般に、例えば5V〜25V程度の低い電圧で動作する小型の電子機器用の電源装置は、商用交流電源をダイオードおよびコンデンサで直接整流平滑して直流化し、その電圧をDC−DCコンバータで所定電圧まで降下させるように構成されている。このような電源装置はACアダプタとして構成されるか、電子機器内部に組み込まれる。 In general, a power supply device for a small electronic device that operates at a low voltage of about 5 to 25 V, for example, directly rectifies and smoothes a commercial AC power supply with a diode and a capacitor, and converts the voltage to a predetermined voltage with a DC-DC converter. It is configured to descend. Such a power supply device is configured as an AC adapter or incorporated in an electronic device.
ここで従来の電源装置の構成例を図1に示す。電源装置110はEMIフィルタ1、整流回路2、平滑回路3、およびDC−DCコンバータ4を備えている。入力端子INには商用交流電源が入力される。整流回路2はEMIフィルタ1を介して入力した商用交流電源を整流し、平滑回路3はそれを平滑する。DC−DCコンバータ4は平滑回路3の電圧を所定電圧にまで降下させて出力端子OUTへ出力する。
Here, a configuration example of a conventional power supply apparatus is shown in FIG. The
一方、日本国内での一般家庭においてACコンセントは2極のみの場合がほとんどであり、電子機器のフレームグランドを大地に接地することは困難である。またノートパソコンなどの携帯用電子機器のACアダプタは携帯性が重視されていて接地端子が備えられていないので、たとえOA対応のオフィスビルにおいてもフレームグランドは接地されない(例えば特許文献1参照)。 On the other hand, in general homes in Japan, there are almost only two AC outlets, and it is difficult to ground the frame ground of the electronic device to the ground. In addition, since an AC adapter of a portable electronic device such as a notebook personal computer is important for portability and is not provided with a ground terminal, the frame ground is not grounded even in an office building compatible with OA (see, for example, Patent Document 1).
そのため電子機器のフレームグランドが接地電位に対して浮いている状態で使用される場面が非常に多い。特許文献1はこのような状況の下、電子機器に人間が触れた時の漏洩電流の低減を図るものである。特許文献1では、商用交流電源ラインに対して直列挿入した2個のコンデンサによる分圧点とDC−DCコンバータのトランスの2次側との間にコンデンサ(Yコンデンサ)を設けて、電子機器のフレームと大地との間の電位差を低減しようとするものである。
ところが、このように電源装置のフレームグランドが接地されていなくて、商用交流電源を直接整流平滑しDC−DCコンバータへ与えるようにした電源装置では次のような問題が生じる。 However, in the power supply apparatus in which the frame ground of the power supply apparatus is not grounded and commercial AC power is directly rectified and smoothed and supplied to the DC-DC converter, the following problems occur.
まず既に述べたとおり、日本国内の商用交流電源は一般的に片方が接地された2線式であり、接地線が引かれていないので、特別に接地線が引かれていて且つコンセントが3極式でない限りフレーム接地はなされない。そのため、特許文献1に示されているように電子機器のフレーム(金属部分)に人体が触れることによって人体を介して接地され、そのことでグランド電位が決定されるので、人体がフレーム部分に触れる/触れない等の使用環境に応じて、電子機器と人体との間の等価インピーダンス(高抵抗+容量成分)によって接地に対するフレームグランドの電位が変動する。しかも上記等価インピーダンスは状況によって変動する。このことは電子機器の動作上安定性の面で悪影響を及ぼす。
First, as already mentioned, the commercial AC power supply in Japan is generally a two-wire system with one side grounded, and since the ground wire is not drawn, the ground wire is specially drawn and the outlet is 3 poles. Frame grounding is not done unless it is a formula. Therefore, as shown in
また、商用交流電源を整流平滑するいわゆるコンデンサインプット型の電源装置では商用交流電源の1周期の間のダイオードの導通期間が短く、ダイオードが逆バイアス状態となっている期間ではDC−DCコンバータの1次側(2次側も)が接地から浮いた状態となり、人体がフレーム部分に触れている状態でも、商用交流電源周波数の周期毎にグランド電位が不安定となる(変動する)。このようなことから、例えば負荷である電子機器が電話機等の音声信号を扱う機器である場合に雑音が生じるという問題があった。 Also, in a so-called capacitor input type power supply device that rectifies and smoothes commercial AC power, the conduction period of the diode during one cycle of the commercial AC power is short, and 1 of the DC-DC converter is in a period in which the diode is in a reverse bias state. Even when the secondary side (also the secondary side) is floating from the ground and the human body is touching the frame portion, the ground potential becomes unstable (fluctuates) every period of the commercial AC power supply frequency. For this reason, for example, there is a problem that noise occurs when an electronic device as a load is a device that handles an audio signal such as a telephone.
この発明の目的は上述の問題を解消するものであり、接地に対する電子機器のグランド電位を安定化させ、電子機器の安定性を高め、ノイズの発生を抑えた電源装置および電源システムを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a power supply device and a power supply system that stabilize the ground potential of an electronic device with respect to grounding, increase the stability of the electronic device, and suppress the generation of noise. It is in.
この発明は、商用交流電源を入力して整流する整流回路と、該整流回路の出力電圧を平滑する平滑回路と、該平滑回路の出力電圧を入力して所定電圧の直流電圧を発生するとともに負荷へ供給するDC−DCコンバータとを備えた電源装置において、前記整流回路を、整流ダイオードと該整流ダイオードに並列接続したコンデンサとで構成するとともに、前記コンデンサの静電容量を、前記整流ダイオードの逆バイアス時に前記整流ダイオードの導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように定めたことを特徴としている。 The present invention provides a rectifier circuit that rectifies a commercial AC power supply, a smoothing circuit that smoothes the output voltage of the rectifier circuit, generates a DC voltage of a predetermined voltage by inputting the output voltage of the smoothing circuit, and a load. In the power supply apparatus including the DC-DC converter to be supplied to the rectifier, the rectifier circuit is configured by a rectifier diode and a capacitor connected in parallel to the rectifier diode, and the capacitance of the capacitor is reversed from that of the rectifier diode. It is characterized in that the current flows for a sufficiently long period compared to the conduction period of the rectifier diode at the time of bias.
前記整流回路は例えば4つのダイオードを備える全波整流ダイオードブリッジ回路であり、その4つのダイオードのうち正電圧出力側または負電圧出力側の少なくとも2つに前記コンデンサを並列接続する。 The rectifier circuit is, for example, a full-wave rectifier diode bridge circuit including four diodes, and the capacitors are connected in parallel to at least two of the four diodes on the positive voltage output side or the negative voltage output side.
また、この発明の電源システムは、前記電源装置とその負荷とを備え、前記電源装置および前記負荷のフレームはいずれも接地されていなくて、前記負荷は音声信号を扱う電子機器とする。 The power supply system of the present invention includes the power supply device and its load, and neither the power supply device nor the frame of the load is grounded, and the load is an electronic device that handles an audio signal.
この発明によれば整流ダイオードに対して並列にコンデンサを接続し、整流ダイオードの逆バイアス時に整流ダイオードの導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように構成することによって、ダイオードのオフ期間にもコンデンサを介して電流が微少に流れ、接地側のラインを介して接地されることによって電子機器の高周波的なグランド電位は安定化する。そのため人体が電子機器のフレーム(金属部分)に接触する状態と接触しない状態とでグランド電位が変動したりすることもなく、雑音の発生が抑制でき、回路動作の安定性も増す。 According to the present invention, the capacitor is connected in parallel to the rectifier diode, and when the rectifier diode is reverse-biased, the current flows for a period sufficiently longer than the conduction period of the rectifier diode. In addition, a small amount of current flows through the capacitor, and grounding through the line on the ground side stabilizes the high-frequency ground potential of the electronic device. Therefore, the ground potential does not fluctuate between the state in which the human body is in contact with the frame (metal part) of the electronic device and the state in which the human body is not in contact, generation of noise can be suppressed, and the stability of the circuit operation is increased.
なお、ダイオードに並列接続したコンデンサの静電容量が大き過ぎると、ダイオードの逆バイアス時にコンデンサを介して通電されて整流・平滑効果が著しく低下するが、整流ダイオードの逆バイアス時に商用交流電源周波数の半周期より十分に短い期間だけ充電電流が流れるように前記コンデンサの静電容量を定めることによってその問題は生じない。また小型のコンデンサを用いることができるため、装置サイズが大型化することもない。 Note that if the capacitance of the capacitor connected in parallel with the diode is too large, the rectification / smoothing effect will be significantly reduced when the diode is reverse-biased. The problem does not arise by determining the capacitance of the capacitor so that the charging current flows for a period sufficiently shorter than a half cycle. Further, since a small capacitor can be used, the apparatus size does not increase.
図2はこの発明の実施形態に係る電源装置およびそれを備えた電源システムの構成を示す図である。電源装置100はEMIフィルタ1、整流回路2、平滑回路3、およびDC−DCコンバータ4とで構成している。この電源装置100には商用交流電源ACが入力され、出力には電子機器として、この例ではIP電話用ルータ200および電話機210が接続される。IP電話用ルータ200には電話線およびLANケーブル等の通信ライン201が接続される。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a power supply device and a power supply system including the same according to an embodiment of the present invention. The
図2に示した例では、電源装置100はいわゆるACアダプタの形状をなすが、この電源装置をIP電話用ルータ等の電子機器内に組み込んでもよい。
In the example shown in FIG. 2, the
EMIフィルタ1はコモン・モード・チョーク、ノーマル・モード・チョーク、ライン・バイパス・コンデンサ、アクロス・ザ・ライン・コンデンサ等を含み、ノーマルモードノイズとコモンモードノイズについて商用交流電源からのノイズの流入および商用交流電源へのノイズの流出を抑制する。
The
整流回路2は4つのダイオードD1〜D4をブリッジ接続するとともに、それぞれのダイオードにコンデンサC1〜C4を並列接続している。この全波整流ダイオードブリッジ回路によって商用交流電源電圧を全波整流する。
In the
上記コンデンサC1〜C4の静電容量は、整流ダイオードD1〜D4の逆バイアス時にこれら整流ダイオードD1〜D4の導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように定める。例えば数十pF〜数μF程度の小さなものでよい。 The capacitances of the capacitors C1 to C4 are determined so that a current flows for a period sufficiently longer than the conduction periods of the rectifier diodes D1 to D4 when the rectifier diodes D1 to D4 are reversely biased. For example, it may be as small as several tens of pF to several μF.
平滑回路3は平滑コンデンサからなり、ラインの抵抗成分とこの平滑コンデンサの静電容量とで定まる時定数が商用交流電源周波数の半波長より十分大きくなるような値に設定している。また、瞬時停電などの際に平滑出力電圧を所定電圧以上に保つように設定している。したがって整流回路2とともにコンデンサインプット型の整流平滑回路を構成している。
The
DC−DCコンバータ4は、コンバータトランスT1の1次巻線N1にスイッチング素子Q1を直列に接続し、2次巻線N2にダイオードD12およびコンデンサC12からなる整流平滑回路を接続している。またコンバータトランスT1の2次側のグランドと1次側のグランドとの間はコンデンサC13で接続している。このコンデンサC13はライン・バイパス・コンデンサとして設けている。すなわち電源装置100の−出力端子はIP電話用ルータ200内でグランド(フレームグランド)に接続する。制御回路SCはスイッチング素子Q1をスイッチングすることによってコンバータトランスT1の1次巻線N1に流れる電流を断続し、これにともない2次巻線N2に誘起される電圧がダイオードD12で整流されコンデンサC12で平滑される。これによりいわゆるフライバック方式のDC−DCコンバータを構成している。
In the DC-DC converter 4, a switching element Q1 is connected in series to the primary winding N1 of the converter transformer T1, and a rectifying and smoothing circuit including a diode D12 and a capacitor C12 is connected to the secondary winding N2. Further, the secondary side ground and the primary side ground of the converter transformer T1 are connected by a capacitor C13. This capacitor C13 is provided as a line bypass capacitor. That is, the negative output terminal of the
図3(E)は、図2に示した電源装置100の整流回路2の動作波形図であり、図3(A)〜(D)は他の回路構成の電源装置における整流回路の動作波形図である。具体的には、図3(A)〜(E)において上部の波形は一つのダイオードの端子間電圧波形、下部の波形は整流回路の入力側に流れる電流波形である。
3E is an operation waveform diagram of the
図3(A)は、整流回路2にコンデンサC1〜C4のいずれも設けない状態での波形図、図3(B)は、4つのコンデンサC1〜C4のうちC1,C2のみを設けた場合の波形図、図3(C)は、4つのコンデンサC1〜C4のうちC1,C3のみを設けた場合の波形図、図3(D)は、4つのコンデンサC1〜C4のうちC2,C4のみを設けた場合の波形図、(E)は4つのコンデンサC1〜C4の全てを設けた場合の波形図である。
FIG. 3A is a waveform diagram in a state where none of the capacitors C1 to C4 is provided in the
ここで、整流回路2にコンデンサC1〜C4のいずれも設けない状態で図3(A)のような電圧波形になる理由について図4を参照して説明する。
図4(A)は、商用交流電源電圧Vin、入力整流回路のダイオードに印加される電圧Vd、および平滑コンデンサの充電電圧Vc3の関係を示す図である。
Here, the reason why the voltage waveform shown in FIG. 3A is obtained when none of the capacitors C1 to C4 is provided in the
FIG. 4A is a diagram showing the relationship among the commercial AC power supply voltage Vin, the voltage Vd applied to the diode of the input rectifier circuit, and the charging voltage Vc3 of the smoothing capacitor.
任意の整流ダイオードの端子間電圧Vdは、Vd=Vc3−Vinの関係より、Vd=0(正確には−(順方向降下電圧))となるのは、ダイオードに電流Idが流れる期間のみの筈である。図4(B)中Vdはその様子を示している。 Due to the relationship Vd = Vc3-Vin, the voltage Vd between terminals of any rectifier diode is Vd = 0 (more precisely,-(forward voltage drop)) only during the period when the current Id flows through the diode. It is. In FIG. 4B, Vd indicates the state.
しかし、実際には図4(C)に示すようにVdが0になっている期間はIdが流れている期間以外にも及んでいる。このことは以下に述べることに起因している。 However, actually, as shown in FIG. 4C, the period in which Vd is 0 extends beyond the period in which Id flows. This is due to the following.
まず、電圧VinやVc3は整流ダイオードに並列接続するコンデンサの有無には影響を受けない。したがってVd=Vc3−Vinの関係で考えると波形は変化しない。 First, the voltages Vin and Vc3 are not affected by the presence or absence of a capacitor connected in parallel to the rectifier diode. Therefore, when considering the relationship of Vd = Vc3-Vin, the waveform does not change.
しかし、ここで接地と電源のグランド電位が時間によって変動するならば、Vd波形は変わることになる。すなわち図4(C)に示すように接地と電源のグランドがずれることが原因であるものと考えられる。 However, if the ground potential and the ground potential of the power supply fluctuate with time, the Vd waveform changes. That is, as shown in FIG. 4C, it is considered that the cause is that the ground and the ground of the power supply are shifted.
さて、図2に示した電源装置の整流平滑回路はコンデンサインプット型であるので、この図3に示すように商用交流電源電圧のピーク電圧付近でのみ整流回路2に電流が流れ、コンデンサC1〜C4が存在しない場合、ダイオードD1〜D4の全てがオフしている期間はDC−DCコンバータ4の入力側が接地から浮いた状態となるので、図4(C)で示したと同様に、電子機器のグランドが接地に対して或る電位をもつことになり、且つそのグランド電位が商用交流電源周波数の周期で変動する。このグランド電位の変動により電圧波形は正弦波から歪むことになる。図3(A)の電圧波形の歪みはこのようにして観測されたものと推察できる。
Now, since the rectifying / smoothing circuit of the power supply apparatus shown in FIG. 2 is a capacitor input type, as shown in FIG. 3, current flows through the rectifying
これに対して4つのコンデンサC1〜C4を設けた場合、図3(E)に示すように整流回路2の入力電源ライン間の電圧はほぼ正弦波となっている。この電流波形は図4(B)に示した電流波形に近い。このように整流ダイオードに並列にコンデンサを接続することによって微少電流が常に流れ、このことで結果的に電源のグランド電位が安定しているものと推察できる。加えてダイオードの端子間電圧の歪みに伴う高周波ノイズの発生が抑えられるため、一層の雑音低減効果が得られるものと考えられる。
On the other hand, when four capacitors C1 to C4 are provided, the voltage between the input power supply lines of the
また図3(C),(D)に示すように、整流回路の入力ラインから+出力または−出力側の2つのダイオードにのみコンデンサを並列接続した場合でも正弦波の歪みが低減されていてグランド電位の安定効果があることがわかる。 Further, as shown in FIGS. 3C and 3D, even when a capacitor is connected in parallel only to two diodes on the + output or −output side from the input line of the rectifier circuit, the distortion of the sine wave is reduced and the ground is reduced. It can be seen that there is a potential stabilizing effect.
なお、図3(B)のように、整流回路の入力ラインの片側から+出力と−出力の2つのダイオードにそれぞれコンデンサを並列接続した場合には、整流回路の不平衡性の影響で電圧波形としては(A)の場合より歪んだように見える。したがって、電子機器(IP電話用ルータ)のグランド電位の安定性の向上および雑音低減効果が低いことが間接的に推察できる。 As shown in FIG. 3B, when a capacitor is connected in parallel to two diodes of + output and −output from one side of the input line of the rectifier circuit, the voltage waveform is affected by the unbalance of the rectifier circuit. Appears to be more distorted than in the case of (A). Therefore, it can be indirectly estimated that the stability of the ground potential of the electronic device (IP telephone router) is improved and the noise reduction effect is low.
このように4つのダイオードD1〜D4のすべてにコンデンサを並列接続した場合に最も高い雑音低減効果が得られるが、少なくとも2つのダイオードにのみコンデンサを並列接続してもある程度の雑音低減効果が得られる。 In this way, the highest noise reduction effect can be obtained when capacitors are connected in parallel to all four diodes D1 to D4, but a certain amount of noise reduction effect can be obtained even if capacitors are connected in parallel to at least two diodes. .
なお、この実施形態ではDC−DCコンバータ4としてフライバック方式の例を挙げたがフォワードコンバータ方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式等の構成であっても同様の作用効果を奏する。 In this embodiment, an example of a flyback system is given as the DC-DC converter 4, but the same effects can be obtained even with a forward converter system, push-pull system, half-bridge system, full-bridge system, or the like.
1−EMIフィルタ
2−整流回路
3−平滑回路
4−DC−DCコンバータ
100,110−電源装置
200−電子機器(負荷)
201−通信ライン
210−電話機
AC−商用交流電源
C1〜C4−コンデンサ
D1〜D4−ダイオード
1-EMI filter 2-rectifier circuit 3-smoothing circuit 4-DC-
201-communication line 210-telephone AC-commercial AC power supply C1-C4-capacitor D1-D4-diode
Claims (3)
前記整流回路を、整流ダイオードと該整流ダイオードに並列接続したコンデンサとで構成するとともに、前記コンデンサの静電容量を、前記整流ダイオードの逆バイアス時に前記整流ダイオードの導通期間に比べて充分に長い期間にわたって電流が流れるように定めたことを特徴とする電源装置。 A rectifying circuit that rectifies by inputting a commercial AC power supply, a smoothing circuit that smoothes the output voltage of the rectifying circuit, and a DC that generates the DC voltage of a predetermined voltage by inputting the output voltage of the smoothing circuit and supplies the DC voltage to the load A power supply device comprising a DC converter,
The rectifier circuit includes a rectifier diode and a capacitor connected in parallel to the rectifier diode, and the capacitance of the capacitor is a period sufficiently longer than the conduction period of the rectifier diode when the rectifier diode is reverse-biased. A power supply device characterized in that a current flows over the entire area.
前記電源装置および前記負荷のフレームはいずれも接地されていなくて、前記負荷は音声信号を扱う電子機器である電子機器の電源システム。 A power supply system comprising the power supply device according to claim 1 and the load,
The power supply system for an electronic device, wherein neither the power supply device nor the frame of the load is grounded, and the load is an electronic device that handles an audio signal.
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