JP2008312314A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】帰還巻線の電圧から帰還電圧を生成するとともに、帰還巻線の電圧から制御用ＩＣの動作電圧を生成するスイッチング電源装置において、制御用ＩＣの消費電流により変動することのない帰還電圧を生成して、精度の高い帰還制御を実現する。
【解決手段】帰還巻線（Ｎ３）の端子間に第１整流平滑回路（Ｄ４，Ｃ４）と第２整流平滑回路（Ｄ３，Ｃ３）とを並列に設け、第１整流平滑回路で制御用ＩＣ（１０）の動作電圧を生成し、第２整流平滑回路で帰還電圧（Ｖｆｂ）を生成する構成とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、スイッチング素子によりトランスの一次側に電圧を印加／遮断することで、トランスの二次側に電力を伝達して電圧出力を行うとともに、前記トランスの帰還巻線に生じる電圧を検出して出力電圧の制御を行うように構成されたスイッチング電源装置に関する。

従来、一次側と二次側とで極性の異なるスイッチングトランスを用いるとともに、スイッチング素子により一次巻線に電圧を印加／遮断することでトランスの二次側に電圧出力を行うスイッチング電源装置がある。このようなスイッチング電源装置の中には、トランスに帰還巻線を設け、この帰還巻線に二次側の電圧と比例する電圧を発生させるとともに、この帰還巻線の電圧を帰還させてスイッチング素子のオン・オフ制御に用いるように構成されたものがある。このような帰還制御により少ない部品点数で低コストに出力電圧の安定化を図ることが出来る。

このようなスイッチング電源装置では、図３や特許文献１に示されるように、帰還巻線の電圧を帰還電圧として使用するだけでなく、スイッチング制御用ＩＣ（集積回路）への電源供給にも使用するのが通常である。
特開平９−９３９１６号公報

しかしながら、帰還巻線の電圧をスイッチング制御用ＩＣの電源として使用した場合、図３に示すように、スイッチング制御用ＩＣ３０で消費される電流が整流ダイオードＤ３０にも流れるため、整流ダイオードＤ３０の箇所でダイオードの順方向電圧およびその抵抗成分による電圧降下が発生する。そのため、帰還電圧Ｖｆｂの値が本来の値より上記電圧降下分だけ低くなって、出力電圧の安定化制御に狂いを生じさせるという課題を有していた。

この発明の目的は、帰還巻線の電圧により帰還制御を行うとともに、帰還巻線の電圧により制御用ＩＣの動作電圧を生成するスイッチング電源装置において、精度の高い帰還電圧を生成して、精度の高い帰還制御を行えるようにすることにある。

本発明は、上記目的を達成するため、スイッチング素子によりトランス（Ｔ１）の一次側に電圧を印加／遮断することで、前記トランス（Ｔ１）の二次側に電力を伝達して電圧出力を行うとともに、前記トランス（Ｔ１）の帰還巻線（Ｎ３）に生じる電圧を検出して出力電圧の調整を行うように構成されたスイッチング電源装置（１）において、前記スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御用集積回路（１０）と、前記帰還巻線（Ｎ３）の端子間に並列に接続された第１整流平滑回路（Ｄ４，Ｃ４）および第２整流平滑回路（Ｄ３，Ｃ３）とを備え、前記第１整流平滑回路により生成された動作電圧が前記制御用集積回路（１０）の電源端子（ＶＣＣ）に供給され、前記第２整流平滑回路により生成された帰還電圧（Ｖｆｂ）が前記制御用集積回路（１０）の電圧検出端子（ＦＢ）に入力される構成とした。

このような手段によれば、制御用集積回路で消費される電流の経路と、帰還電圧を生成する電流経路とが別々にされているので、制御用集積回路で消費される電流により帰還電圧が変動することがなく、精度の高い帰還電圧を生成することができる。

望ましくは、前記第１整流平滑回路は、前記帰還巻線（Ｎ３）に生じる電圧を整流する第１整流素子（Ｄ４）と、この整流された電圧を平滑する第１平滑コンデンサ（Ｃ４）とから構成され、前記第２整流平滑回路は、前記帰還巻線（Ｎ３）に生じる電圧を整流する第２整流素子（Ｄ３）と、この整流された電圧を平滑する第２平滑コンデンサ（Ｃ３）とから構成され、前記第１平滑コンデンサ（Ｃ４）の電圧により前記動作電圧が生成され、前記第２平滑コンデンサ（Ｃ３）の電圧により前記帰還電圧（Ｖｆｂ）が生成されるように構成すると良い。

このような構成により、少ない部品点数で、制御用集積回路で消費される電流に起因した帰還電圧の変動をほとんど無くすことが出来る。

さらに好ましくは、前記第１平滑コンデンサ（Ｃ４）の電圧がそのまま前記制御用集積回路（１０）の電源端子に供給され、前記第２平滑コンデンサ（Ｃ３）の電圧が分割抵抗（Ｒ１，Ｒ２）により抵抗分割されて前記制御用集積回路の電圧検出端子（ＦＢ）に供給されるように構成すると良い。

このような構成により、最小の部品点数で、制御用集積回路に十分な動作電圧を供給できるとともに、安定的な帰還電圧の生成が可能となる。

なお、この項目において、実施形態との対応関係を表わす符号を括弧書きで記したが、本発明はこれに制限されるものではない。

本発明に従うと、帰還巻線の電圧から動作電圧を生成して制御用集積回路を動作させることができるとともに、制御用集積回路で消費される電流により帰還電圧が変動されるといった不都合がなく、帰還巻線を用いた構成において精度の高い帰還制御を行うことができるという効果がある。

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は、本発明の実施の形態のスイッチング電源装置の全体構成を示す回路図である。

この実施形態のスイッチング電源装置１は、例えば交流電源Ｖｉｎを入力して直流の出力電圧Ｖｏｕｔを生成する電源装置であり、交流電源Ｖｉｎを整流するダイオードブリッジＤ１と、この整流した電圧の平滑やノイズ除去を行うフィルタ回路２と、一次巻線Ｎ１と二次巻線Ｎ２とで極性が逆にされたトランスＴ１と、一次巻線Ｎ１に発生するスパイク電圧を吸収するスナバ回路３と、トランスＴ１に設けられた帰還巻線Ｎ３と、一次巻線Ｎ１に電圧を印加／遮断させるためのスイッチング制御を行う制御用ＩＣ１０と、制御用ＩＣ１０に動作電圧ＶＣＣを供給するための整流ダイオードＤ４および平滑コンデンサＣ４と、出力電圧制御用の帰還電圧Ｖｆｂを生成するための整流ダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ３および分割抵抗Ｒ１，Ｒ２等を備えている。

また、トランスＴ１の二次巻線Ｎ２側には、二次巻線Ｎ２に発生する電圧を整流する整流ダイオードＤ２や、この整流電圧を平滑する平滑コンデンサＣ２１、ならびに、無負荷時に出力電圧が上昇することを軽減させるブリーダ抵抗Ｒ２１等が設けられている。

制御用ＩＣ１０は、内部に、一次巻線Ｎ１と直列接続されるスイッチング素子と、スイッチング動作を発生させる発振回路と、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、帰還電圧Ｖｆｂと基準電圧とを比較するエラーアンプと、エラーアンプの出力に基づきスイッチング素子のオンデューティやオン周期を変化させるコンパレータなどを備えている。上記のスイッチング素子は、制御用ＩＣ１０のＳ端子とＤ端子との接続をオン・オフするように接続されている。そして、このＳ端子には一次巻線Ｎ１の一端が、Ｄ端子にはフィルタ回路２の電源基準ラインが接続されて、一次巻線Ｎ１にフィルタ回路２を経て生成された直流電圧が印加／遮断されるようになっている。

また、制御用ＩＣ１０には、動作電圧を入力する電源端子ＶＣＣ，ＶＤＤと、帰還電圧Ｖｆｂを入力するフィードバック端子（電圧検出端子）ＦＢとが設けられている。

帰還巻線Ｎ３に接続される整流ダイオードＤ３，Ｄ４および平滑コンデンサＣ３，Ｃ４は、帰還巻線Ｎ３の端子間に並列に接続された２つの電流経路にそれぞれ設けられている。すなわち、直列接続された整流ダイオードＤ３および平滑コンデンサＣ３（第２整流平滑回路）と、直列接続された整流ダイオードＤ４および平滑コンデンサＣ４（第１整流平滑回路）とが、帰還巻線Ｎ３の端子間にそれぞれ並列に接続されている。そして、一方の平滑コンデンサＣ４の電圧が制御用ＩＣ１０の電源端子ＶＣＣに供給され、もう一方の平滑コンデンサＣ３の電圧が、分割抵抗Ｒ１，Ｒ２により分割されて制御用ＩＣ１０のフィードバック端子ＦＢに入力されるように接続されている。

次に、上記構成のスイッチング電源装置１の全体的な動作について説明する。

制御用ＩＣ１０が動作して内部のスイッチング素子がオン・オフ動作すると、制御用ＩＣ１０のＳ端子とＤ端子とを介してトランスＴ１の一次巻線Ｎ１に直流電圧が印加／遮断される。そして、電圧が印加されたときに一次巻線Ｎ１に電流が流れてトランスＴ１のコアに磁気エネルギーが蓄積され、スイッチング素子がオフしてこの電流が停止されることで上記の磁気エネルギーが二次側に伝達されて二次巻線Ｎ２に電圧が発生される。そして、この電圧が平滑コンデンサＣ２１により平滑されて出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。

また、二次巻線Ｎ２に電圧が発生したときに、それに比例した電圧が帰還巻線Ｎ３にも発生する。そして、この電圧が整流ダイオードＤ４により整流されて平滑コンデンサＣ４に蓄積され、この電圧が動作電圧として制御用ＩＣ１０の電源端子ＶＣＣに供給される。それと同時に、帰還巻線Ｎ３の電圧が整流ダイオードＤ３により整流されて平滑コンデンサＣ３に蓄積され、さらにこの電圧が分割抵抗Ｒ１，Ｒ２により分割されて制御用ＩＣ１０のフィードバック端子ＦＢに出力される。フィードバック端子ＦＢの入力電流や分割抵抗Ｒ１，Ｒ２の電流は非常に小さい値にすることが出来るので、この帰還電圧Ｖｆｂは、整流ダイオードＤ３の電圧降下に係わる変動のない帰還巻線Ｎ３の電圧を表した電圧となる。

制御用ＩＣ１０では、上記フィードバック端子ＦＢに入力された帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧より所定比率で高くなればスイッチング素子のオンデューティを小さくし、基準電圧より所定比率で低くなればスイッチング素子のオンデューティを大きくするようなスイッチング制御を行う。これにより、二次側の電圧が所定の電圧に安定化される。

図２には、帰還巻線に接続される整流ダイオードの種類によって変化する出力特性の違いを表した特性図を示す。同図（ａ）は、整流ダイオードＤ３，Ｄ４にｔｒｒ（逆回復時間）＝５００ｎｓ程度のものを適用した場合の特性図、（ｂ）は整流ダイオードＤ３，Ｄ４にｔｒｒ＜５０ｎｓ以下のものを適用した場合の特性図である。

二次巻線Ｎ２に接続される整流ダイオードＤ２は、比較的大きな電流を流し、且つ、速やかなオン・オフ動作を行う必要があることから、例えば、ショットキーバリアダイオードなど大電流が流せ、且つ、逆回復時間の非常に短いダイオードが使用される。

一方、帰還巻線Ｎ３に接続される整流ダイオードＤ３，Ｄ４は、小さな電流しか流さないので、ＦＲＤ（ファストリカバリーダイオード）の中から適宜な逆回復時間のものを選定して使用することができる。しかしながら、整流ダイオードＤ３，Ｄ４として逆回復時間の小さい（例えばｔｒｒ＜１０ｎｓ）ダイオードを選定すると、図２（ｂ）の符号Ｓ２の部分に示すように、出力電圧が無負荷時に跳ね上がってしまうという特性になる。一方、整流ダイオードＤ３，Ｄ４にｔｒｒ＝５００ｎｓ程度の逆回復時間の遅いダイオードを選定すると、図２（ａ）の符号Ｓ１の部分に示すように、無負荷時における出力電圧の跳ね上がりが軽減されるという特性が得られる。このような出力電圧の跳ね上がりの低減作用は、２つの整流ダイオードＤ３，Ｄ４をともに逆回復時間を例えば４００ｎｓ〜６００ｎｓの遅いものとすることで得られることが確認できた。

以上のように、この実施形態のスイッチング電源装置１によれば、帰還巻線Ｎ３に２組の整流平滑回路が並列接続され、一方の整流平滑回路で制御用ＩＣ１０の動作電圧が生成され、もう一方の整流平滑回路で帰還電圧Ｖｆｂが生成されるので、制御用ＩＣ１０の消費電流が帰還電圧Ｖｆｂに影響を与えることがなく、帰還巻線Ｎ３を利用した構成において精度の高い帰還電圧Ｖｆｂを制御用ＩＣ１０に入力することが出来る。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記実施形態では、交流電源Ｖｉｎを入力して直流電圧を生成する構成を示したが、本発明は直流電源から所定の直流電圧を生成するＤＣ−ＤＣコンバータに適用することも出来る。また、制御用ＩＣ１０にスイッチング素子が集積化されている構成を示したが、スイッチング素子は別部品として設け、制御用ＩＣがスイッチング素子の制御端子に信号を出力してスイッチング動作させる構成としても良い。その他、実施の形態で示した細部等は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施の形態のスイッチング電源装置の全体構成を示す回路図である。 帰還巻線の整流ダイオードの種類による出力特性の違いを示す特性図である。 制御用ＩＣの動作電圧を帰還巻線から生成する従来方式のスイッチング電源装置の要部を示す回路図である。

符号の説明

１ スイッチング電源装置
１０ 制御用ＩＣ
Ｔ１ トランス
Ｎ３ 帰還巻線
Ｄ３，Ｄ４ 整流ダイオード
Ｃ３，Ｃ４ 平滑コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２ 分割抵抗
Ｖｆｂ 帰還電圧
ＦＢ フィードバック端子
ＶＣＣ，ＶＤＤ 電源端子

Claims (3)

1. スイッチング素子によりトランスの一次側に電圧を印加／遮断することで、前記トランスの二次側に電力を伝達して電圧出力を行うとともに、前記トランスの帰還巻線に生じる電圧を検出して出力電圧を制御するように構成されたスイッチング電源装置において、
   前記スイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御用集積回路と、
   前記帰還巻線の端子間に並列に接続された第１整流平滑回路および第２整流平滑回路と、
   を備え、
   前記第１整流平滑回路により前記制御用集積回路の電源端子に供給される動作電圧が生成され、
   前記第２整流平滑回路により前記制御用集積回路の電圧検出端子に入力される帰還電圧が生成されることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記第１整流平滑回路は、
   前記帰還巻線に生じる電圧を整流する第１整流素子と、
   この整流された電圧を平滑する第１平滑コンデンサと、
   から構成され、
   前記第２整流平滑回路は、
   前記帰還巻線に生じる電圧を整流する第２整流素子と、
   この整流された電圧を平滑する第２平滑コンデンサと、
   から構成され、
   前記第１平滑コンデンサの電圧により前記動作電圧が生成され、
   前記第２平滑コンデンサの電圧により前記帰還電圧が生成されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記第１平滑コンデンサの電圧がそのまま前記制御用集積回路の電源端子に供給され、
   前記第２平滑コンデンサの電圧が抵抗分割されて前記制御用集積回路の電圧検出端子に供給されることを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。

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