JP2008245388A - Switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に入力電源電圧を所望の電圧に変換して負荷に供給するスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a switching power supply device that converts an input power supply voltage into a desired voltage and supplies it to a load.
電子機器や電子応用機器にあっては、複数の能動デバイスおよび受動素子を含む電子又は電気回路を含んで構成され、その回路を動作させるために電源が必要である。多くの電子機器や電子応用機器、特に携帯型の機器では、一次又は二次電池から必要な電源を得ている。しかし、斯かる電池の出力電圧は、負荷が必要とする電圧と異なる場合が多く、更に時間と共に変動する電池から安定した出力電圧を得るため、電池電圧を昇圧(又は降圧)して安定した出力電圧を得る必要がある。そのために、電圧変換効率の高いスイッチング電源装置が使用されるのが一般的である。 Electronic devices and electronic application devices are configured to include an electronic or electric circuit including a plurality of active devices and passive elements, and a power source is required to operate the circuit. In many electronic devices and electronic applied devices, particularly portable devices, a necessary power source is obtained from a primary or secondary battery. However, the output voltage of such a battery is often different from the voltage required by the load, and in order to obtain a stable output voltage from a battery that fluctuates with time, the battery voltage is boosted (or stepped down) to stabilize output. Need to get voltage. Therefore, a switching power supply device with high voltage conversion efficiency is generally used.
スイッチング電源装置に関する従来技術は多くの技術文献に開示されている。昇圧チョッパ型アクティブフィルタを使用し効率向上を図る電源回路の制御方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、交流電源を整流して得た直流電圧から希望する直流出力電圧を、高調波を抑えて得るインバータ機器の電源高調波抑制方法およびその回路が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。更に、ソフトスイッチングと高力率化を達成するソフトスイッチング力率改善回路とその制御方式が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。また、リカバリ電流を減少させてダイオードの損失を低減するチョッパ動作形直流電源装置が開示されている(例えば、特許文献4参照。)。
一般的な従来の昇圧回路について図4を参照して説明する。この昇圧回路40は、チョークコイル42、整流用ダイオード43、平滑用コンデンサ(キャパシタ)44およびスイッチング素子46により構成され、電池等の入力電源41の電圧を所望の出力電圧に変換して、負荷49に供給する。
A general conventional booster circuit will be described with reference to FIG. The
図4の昇圧回路40において、入力電源41はチョークコイル42およびスイッチング素子46に直列接続される。このスイッチング素子46の両端にダイオード43およびコンデンサ44が直列接続される。そして、負荷49は、コンデンサ44の両端に接続される。
In the
図4に示す昇圧回路40の動作を説明する。スイッチング素子(例えば、トランジスタ)46の制御端子(例えば、ゲート)の制御信号により、スイッチング素子46をON又はOFF(導通/非導通)制御する。スイッチング素子46がONのとき、入力電源41からチョークコイル42を介して電流が流れ、電磁エネルギーをチョークコイル42に蓄える。次に、スイッチング素子46がOFFになると、チョークコイル42に蓄えられた電磁エネルギーは、ダイオード43を介してコンデンサ44を充電する。そして、このコンデンサ44の両端の昇圧された充電電圧により負荷49を駆動する。ここで、コンデンサ44に充電された直流電圧である昇圧の大きさは、スイッチング素子46をONとしてチョークコイル42に蓄えられる電磁エネルギー、直接的にはスイッチング素子46のON期間に依存する。
The operation of the
上述の如き従来の回路、即ちチョークコイル42、整流用ダイオード43、平滑用コンデンサ44およびスイッチング素子46により構成される昇圧回路40では、スイッチング素子46がOFF状態からON状態に移行する瞬間に、ダイオード43からスイッチング素子46に向かってリカバリ電流が不可避的に流れる。このリカバリ電流により、スイッチング素子46のスイッチング損失が増大し、変換効率が低下するという課題があった。
In the conventional circuit as described above, that is, the
本発明は、従来技術の上述の如き課題に鑑みなされたものであり、斯かる課題、即ちスイッチング素子の損失による変換効率の低下を軽減可能にするスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a switching power supply device that can reduce the decrease in conversion efficiency due to such problems, that is, loss of switching elements.
本発明によるスイッチング電源装置は、次の如き特徴的な構成を採用している。 The switching power supply according to the present invention employs the following characteristic configuration.
(1)チョークコイル、スイッチング素子およびダイオードを含み、入力電源の電圧を所望の出力電圧に変換して付加に供給するスイッチング電源回路において、
前記チョークコイルと共に前記入力電源に直列接続される前記スイッチング素子として第1スイッチング素子および第2スイッチング素子を使用し、前記第1および第2スイッチング素子のON/OFF動作タイミングをずらせて前記スイッチング素子の損失を抑えるスイッチング電源装置。
(2)チョークコイル、スイッチング素子およびダイオードを含み、入力電源の電圧を所望の出力電圧に変換して負荷に供給するスイッチング電源装置において、
前記スイッチング素子として前記チョークコイルに直列接続された1対スイッチング素子を使用し、該スイッチング素子の共通接続点と前記ダイオードの入力側間に直列接続された付加チョークコイルおよび付加コンデンサを設けるスイッチング電源装置。
(3)前記1対のスイッチング素子をON/OFF制御する制御信号を時間的にずらせる上記(2)のスイッチング電源装置。
(4)前記1対のスイッチング素子のOFF状態からON状態への移行タイミングをずらし、ON状態からOFF状態への移行は実質的に同時に行う上記(1)又は(2)のスイッチング電源装置。
(5)前記1対のスイッチング素子のON/OFFを交互に異なるタイミングで行う上記(1)又は(2)のスイッチング電源装置。
(6)前記スイッチング素子は、MOSトランジスタ又はバイポーラトランジスタである上記(1)乃至(5)のいずれかのスイッチング電源装置。
(1) In a switching power supply circuit that includes a choke coil, a switching element, and a diode, converts the voltage of the input power supply to a desired output voltage and supplies it additionally.
A first switching element and a second switching element are used as the switching elements connected in series to the input power source together with the choke coil, and the ON / OFF operation timings of the first and second switching elements are shifted to change the switching elements. Switching power supply unit that suppresses loss.
(2) In a switching power supply apparatus that includes a choke coil, a switching element, and a diode, converts a voltage of an input power supply into a desired output voltage and supplies the voltage to a load.
A switching power supply apparatus using a pair of switching elements connected in series to the choke coil as the switching elements, and providing an additional choke coil and an additional capacitor connected in series between a common connection point of the switching elements and the input side of the diode .
(3) The switching power supply device according to (2), wherein control signals for ON / OFF control of the pair of switching elements are shifted in time.
(4) The switching power supply device according to (1) or (2), wherein the transition timing from the OFF state to the ON state of the pair of switching elements is shifted, and the transition from the ON state to the OFF state is performed substantially simultaneously.
(5) The switching power supply device according to (1) or (2), wherein the pair of switching elements are turned ON / OFF alternately at different timings.
(6) The switching power supply device according to any one of (1) to (5), wherein the switching element is a MOS transistor or a bipolar transistor.
本発明のスイッチング電源装置によると、上述の如き特徴的な構成により、次の如き実用上の特有の効果を奏する。即ち、スイッチング素子がON状態からOFF状態へ移行するとき過渡的に生じるダイオードのリカバリ電流によるスイッチング素子の損失を抑えることができる。その理由は、1対のスイッチング素子の共通接続点とダイオードの入力側間に付加チョークコイルと付加コンデンサの直列回路を設けるからである。 According to the switching power supply device of the present invention, the following characteristics peculiar in practice can be obtained by the characteristic configuration as described above. That is, the loss of the switching element due to the recovery current of the diode that occurs transiently when the switching element shifts from the ON state to the OFF state can be suppressed. The reason is that a series circuit of an additional choke coil and an additional capacitor is provided between the common connection point of the pair of switching elements and the input side of the diode.
スイッチング素子の損失を抑えることにより、スイッチング素子の放熱手段(ヒートシンク)を省略又は小型化でき、場合によっては小型且つ安価なスイッチング素子の使用が可能になり、また斯かるスイッチング電源装置を使用する電子機器内の温度上昇を抑え、安定性および信頼性を向上させることが可能になる。 By suppressing the loss of the switching element, the heat dissipation means (heat sink) of the switching element can be omitted or miniaturized. In some cases, a small and inexpensive switching element can be used, and an electronic device using such a switching power supply device can be used. It is possible to suppress temperature rise in the device and improve stability and reliability.
以下、本発明によるスイッチング電源装置およびその損失低減方法の好適な実施の形態の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of a switching power supply device and loss reduction method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
先ず、図1を参照して説明する。図1は、本発明によるスイッチング電源装置の第1実施の形態の構成を示す回路である。 First, a description will be given with reference to FIG. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a first embodiment of a switching power supply device according to the present invention.
図1に示すスイッチング電源装置10は、チョークコイル12、1対のスイッチング素子15−16、整流用ダイオード(以下、単にダイオードという)13、平滑用コンデンサ14、付加コンデンサ17および付加チョークコイル18により構成されている。
1 includes a
入力電源11は、チョークコイル12および1対のスイッチング素子15−16の主電流路の直列回路に接続されている。直列接続された1対のスイッチング素子15−16の両端にダイオード13および平滑用コンデンサ14が直列接続され、この平滑用コンデンサ14の両端に負荷19が接続されている。また、付加コンデンサ17および付加チョークコイル18は、1対のスイッチング素子15−16の共通接続点であるノードAとチョークコイル12、ダイオード18およびスイッチング素子15の共通接続点であるノードB間に直列接続されている。
The input power supply 11 is connected to a series circuit of main current paths of the
次に、図1に示すスイッチング電源装置10の動作を説明する。スイッチング素子15−16の制御端子(例えば、ゲート)には、実質的に等しい制御信号が入力され、これらスイッチング素子15−16を実質的に同時にON/OFF制御する。これら1対のスイッチング素子15−16がONのとき、入力電源11からチョークコイル12に電流が流れ、実質的にON期間に比例する電磁エネルギーを蓄える。そして、スイッチング素子15−16がOFFとなると、入力電源11およびチョークコイル12に蓄えられたエネルギーの和により、ダイオード13を介して平滑用コンデンサ14が充電される。従って、入力電源11の電圧より大きい電圧により平滑用コンデンサ14が充電され、その平滑された直流電圧が負荷19に供給される。従って、このスイッチング電源装置10は、入力電源(例えば、電池)の電圧を昇圧して負荷19に供給することが可能である。
Next, the operation of the switching
尚、付加コンデンサ17および付加チョークコイル18は、スイッチング素子15−16がOFFとなったとき、過渡的にダイオード13に流れる上述したリカバリ電流の波高値(又はピーク値)を抑えることにより、スイッチング素子16の損失を抑える。スイッチング素子の損失が少なくなれば、スイッチング素子として低定格(安価な)デバイスが使用可能又はその放熱装置を小型又は省略可能になり、動作の安定化が実現できる。
The
次に、図2を参照して、本発明によるスイッチング電源装置の第2実施の形態について説明する。図2(A)は、このスイッチング電源回路の回路図である。図2(B)は、図2(A)中の1対のスイッチング素子のON/OFFを制御する制御信号の波形図である。このスイッチング電源装置20は、電源装置の力率改善回路に適用した例である。
Next, a second embodiment of the switching power supply device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a circuit diagram of this switching power supply circuit. FIG. 2B is a waveform diagram of a control signal for controlling ON / OFF of the pair of switching elements in FIG. This switching
図2(A)に示すスイッチング電源装置20は、チョークコイル22、1対のスイッチング素子25−26、ダイオード23、平滑用コンデンサ24、付加コンデンサ27および付加チョークコイル28により構成されている。入力電源21が交流電源(例えば、商用電源)を全波整流回路で整流して得た電源である点を除き、図1の場合と同様構成であり且つ同様に接続されている。即ち、入力電源21にチョークコイル22および1対のスイッチング素子25−26が直列接続され、スイッチング素子25−26の両端にダイオード23および平滑用コンデンサ24が直列接続され、この平滑用コンデンサ24の両端に負荷29が接続されている。また、ノードA−B間に付加チョークコイル28と付加コンデンサ27が直列接続されている。
2A includes a
また、スイッチング素子25−26の制御端子には、実質的に同時にON/OFFする制御信号が入力される。しかし、本発明に特定の実施の形態によると、図2(B)に示す如く、僅かに位相がずれた制御信号S1およびS2がスイッチング素子25−26には入力される。スイッチング素子25の制御信号S1は、時刻t1にON(導通)状態になり、時刻t2にOFF(非導通)状態になる。他方、スイッチング素子26の制御信号S2は、時刻t0にON状態になり、時刻t2のOFF状態になる。即ち、これら両スイッチング素子25−26の制御信号は、スイッチング素子25のON開始時刻がスイッチング素子26のON開始時刻よりT(=t1−t0)だけ遅れ、OFF状態への移行時刻は略同時(時刻t2)である。換言すると、スイッチング素子26は、スイッチング素子25より僅かな時間差Tだけ早くON状態に移行する。
In addition, a control signal that is turned ON / OFF substantially simultaneously is input to the control terminals of the switching elements 25-26. However, according to an embodiment specific to the present invention, as shown in FIG. 2B, control signals S1 and S2 that are slightly out of phase are input to switching elements 25-26. The control signal S1 of the switching
次に、図2(B)のスイッチ素子25−26の動作波形図を参照して、図2(A)に示すスイッチング電源装置20の動作を説明する。図2(B)に示す如く、スイッチング素子26は、スイッチ素子25より先にON状態になる。これにより、スイッチング素子26には、チョークコイル22、付加コンデンサ27、付加チョークコイル28およびスイッチング素子26を流れる電流と、ダイオード23、付加コンデンサ27、付加チョークコイル28およびスイッチング素子26を流れる電流の和が流れる。このとき、スイッチング素子26に流れる電流は、付加チョークコイル28を流れることにより電流の立ち上がり波形がなまり、結果的にスイッチング素子26がOFF状態からON状態に移行するときに発生するスイッチング損失を抑えることができる。
Next, the operation of the switching
その後、スイッチング素子25をON状態にすることにより、電流はチョークコイル22、スイッチング素子25およびスイッチング素子26を流れ、チョークコイル22にエネルギーを蓄える。そこで、スイッチング素子25およびスイッチング素子26がOFF状態になると、チョークコイル22に蓄えられたエネルギーは、ダイオード23を通して平滑用コンデンサ24に流れ、これを充電する。そこで、負荷29に供給される出力電圧は、入力電圧より高い電圧に昇圧可能である。
Thereafter, when the switching
次に、図3を参照して、本発明によるスイッチング電源装置の更に他の実施の形態について説明する。図3(A)は、斯かる他の実施の形態のスイッチング電源装置30の回路図である。図3(B)は、図3(A)に示すスイッチング電源装置30の1対のスイッチング素子をON/OFF動作させる制御信号の波形図である。
Next, still another embodiment of the switching power supply device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a circuit diagram of the switching
図3(A)に示すスイッチング電源装置30は、図2(A)に示すスイッチング電源装置20と同様構成である。即ち、交流電源を全波整流して得た直流入力電源31、チョークコイル32、ダイオード33、平滑用コンデンサ34、1対のスイッチング素子35−36、付加コンデンサ37および付加チョークコイル38により構成され、平滑用コンデンサ34の両端に負荷39が接続されている。これら各構成要素又は素子31〜39の接続関係は図2(A)と同様であるので、説明を省略する。
The switching
このスイッチング電源装置30において、スイッチング素子35およびスイッチング素子36の制御端子に入力される制御信号又はスイッチングのタイミングが、図2(B)の場合と異なる。スイッチング素子35、36のスイッチング制御信号を図3(B)にそれぞれ信号S3およびS4として示す。図3(B)において、スイッチング素子35およびスイッチング素子35の制御信号S3およびS4は、相互に略逆極性でON/OFFされる。この実施の形態のスイッチング電源装置30では、スイッチング素子35およびスイッチング素子36を実質的に交互にON/OFFさせる。これにより、図2に示す実施の形態のスイッチング電源装置20と同様にスイッチング素子36の損失を低減することができる。
In this switching
以上、本発明によるスイッチング電源装置の好適な実施の形態について詳述した。しかし、斯かる実施の形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨や精神を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが、当業者には容易に理解できよう。例えば、スイッチング素子は、図示したMOSトランジスタに代えてバイポーラトランジスタ等を使用し得る。 The preferred embodiment of the switching power supply device according to the present invention has been described in detail above. However, it should be noted that such embodiments are merely examples of the present invention and do not limit the present invention. Those skilled in the art will readily understand that various modifications and changes can be made according to a specific application without departing from the gist and spirit of the present invention. For example, as the switching element, a bipolar transistor or the like can be used instead of the illustrated MOS transistor.
10、20、30 スイッチング電源装置
12、22、32 チョークコイル
13、23、33 ダイオード
14、24、34 平滑用コンデンサ
15−16、25−26、35−36 スイッチング素子
17、27、37 付加コンデンサ
18、28、38 付加チョークコイル
19、29、39 負荷
10, 20, 30 Switching
Claims (6)
前記チョークコイルと共に前記入力電源に直列接続される前記スイッチング素子として第1スイッチング素子および第2スイッチング素子を使用し、前記第1および第2スイッチング素子のON/OFF動作タイミングをずらせて前記スイッチング素子の損失を抑えることを特徴とするスイッチング電源装置。 In a switching power supply circuit that includes a choke coil, a switching element, and a diode, converts the voltage of the input power supply into a desired output voltage and supplies it additionally.
A first switching element and a second switching element are used as the switching elements connected in series to the input power source together with the choke coil, and the ON / OFF operation timings of the first and second switching elements are shifted to change the switching element. A switching power supply characterized by suppressing loss.
前記スイッチング素子として前記チョークコイルに直列接続された1対スイッチング素子を使用し、該スイッチング素子の共通接続点と前記ダイオードの入力側間に直列接続された付加チョークコイルおよび付加コンデンサを設けることを特徴とするスイッチング電源装置。 In a switching power supply device that includes a choke coil, a switching element, and a diode, converts a voltage of an input power supply into a desired output voltage and supplies the voltage to a load.
A pair of switching elements connected in series to the choke coil is used as the switching element, and an additional choke coil and an additional capacitor connected in series are provided between the common connection point of the switching elements and the input side of the diode. Switching power supply device.
6. The switching power supply device according to claim 1, wherein the switching element is a MOS transistor or a bipolar transistor.
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