JP2008527959A - スイッチモード電源 - Google Patents

Abstract

電源装置はＰＦＣステージ６とＳＭＰＳステージ８を含む。この電源装置はＰＦＣステージがＳＭＰＳに電圧を供給する通常モードで動作できる。スタンバイモードでは、ＰＦＣステージはバーストで動作し、ＳＭＰＳステージに、ＳＭＰＳステージが負荷を供給する必要がある場合に迅速に対応できるためには十分高い、より低い電圧を供給する。
【選択図】図１

Description

この発明はスイッチモード電源、スイッチモード電源を操作する方法、及びスイッチモード電源を切替えるコントローラに関する。

スイッチモード電源は、テレビや独立した電源アダプタなどの用途で、電圧供給に幅広く利用されている。

入力電圧が妥当な限度内で固定されている場合には、コストと性能に関してスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）を適正化することができる。これは、ＳＭＰＳの前にあり、固定電圧を供給する力率改善（ＰＦＣ）回路によって実現することができる。一般に、ＰＦＣ回路は入力電圧より高い出力電圧を供給する昇圧コンバータである。

電源装置には、ＳＭＰＳが非常に低い負荷レベルで出力電源の供給を続けなければならない、スタンバイモードでの動作を求められることが多い。このような状況でＰＦＣステージをスイッチオフすることができ、このときＰＦＣステージの出力は整流された入力電圧と同じになる。

これは負荷が再接続した場合に問題を生じさせる。なぜならＳＭＰＳはこのとき、ＰＦＣの通常出力電圧の代わりに整流電源電圧から出力電源を供給する必要があるからである。この整流電源電圧は通常出力電圧に比べ大幅に低いことがある。

短い過渡期間の後に、ＰＦＣは通常出力電圧の供給が可能になり、ＳＭＰＳはＰＦＣから供給される通常電圧によって負荷を供給することができる。しかしこの過渡期間の間、ＳＭＰＳは通常より低い入力電圧から最大負荷を供給する必要がある。このため、ＳＭＰＳ出力の許容できない電圧降下を避けるために、ＰＦＣの通常出力電圧による負荷を供給するために必要な仕様より高い仕様のＳＭＰＳが必要になることもある。例えば、ＳＭＰＳ内の変圧器はより大きいものが必要になり、又はＳＭＰＳのスイッチはより高い定格電流を持つ必要があることもありうる。このように単に過渡期間に対応するために高性能なＳＭＰＳを必要とすることは、製造コストを増加させるので回避することが望ましい。

この発明によれば、入力電力を受ける電力入力部、及び出力電力を力率出力ステージ電圧で出力する電力出力部を有し、かつ動作モードとオフモードの間で切替え可能な力率改善ステージと、供給電圧で負荷に出力電力を供給するための出力端子、及び前記力率出力ステージ電圧で電力を受けるために前記力率改善ステージの前記電力出力部につながれた入力端子を有するスイッチモード電源ステージとを備え、前記力率改善ステージは動作モードとオフモードの間で切替え可能であり、前記電源装置は通常モードとスタンバイモードの間で切替えができるように構成され、前記電源装置は、前記力率改善ステージを制御するコントローラをさらに備え、前記通常モードでは通常の力率出力ステージ電圧を前記スイッチモード電源ステージに対して供給し、前記スタンバイモードでは前記通常力率出力ステージ電圧より低い電圧範囲で電力供給をするバーストモードで動作することを特徴とする装置が提供される。

バーストモードでは前記力率改善ステージを通常電圧より低い出力電圧で操作することにより、再び急にフル負荷を駆動することが必要になった場合に、出力電圧の落ち込み又は容量を高めたＳＭＰＳステージを必要とすることなく、前記電源装置は対応することができる。

前記力率改善ステージはスイッチモード昇圧回路でもよい。

ある実施態様では、前記コントローラは、スタンバイモードにおいて、前記力率出力ステージ電圧が下位バーストレベルより降下した場合に、力率改善ステージをバーストのためにスイッチオンし、前記力率改善出力ステージ電圧が、前記下位バーストレベルより高い、上位バーストレベルより上昇した場合に、前記バーストを終了させるため、前記力率改善ステージをスイッチオフするように構成され、前記上位又は下位バーストレベルは、双方とも通常力率出力ステージ電圧より低い。

前記コントローラは、前記力率改善ステージがバーストモードかそうでないかを制御する出力部を有する双安定デバイスと、前記力率改善出力ステージ電圧と前記下位バーストレベルを比較するための第一コンパレータであって、前記双安定装置に接続されており、前記力率出力ステージ電圧が下位バーストレベルより降下した場合に、前記双安定デバイスをバーストモードに切替える第一コンパレータと、前記力率改善出力ステージ電圧と上位バーストレベルを比較するための第二コンパレータであって、前記双安定装置に接続されており、前記力率出力ステージ電圧が上位バーストレベルより上昇した場合に、前記双安定デバイスをバーストモードから切替える第二コンパレータとを有してもよい。

他の態様では、この発明は、入力として接続線上の力率改善ステージの出力を持つスイッチモード電源ステージを有する電源装置用スイッチングコントローラであって、前記スイッチングコントローラは、接続線上の前記力率出力ステージ電圧をスイッチングコントローラに入力するための接続線に、直接又は間接的につながる入力部と、前記力率改善ステージを切替える切替え出力部と、通常モードでは、前記力率改善ステージを制御して、通常力率出力ステージ電圧を前記スイッチモード電源ステージに供給するように動作し、スタンバイモードでは、前記力率改善ステージを制御して、通常の力率出力ステージ電圧より低い電圧範囲で電源を供給するバーストモードで動作するように構成されたコントロールステージとを含むことを特徴とするスイッチングコントローラに関する。

この発明はまた、入力として接続線上の力率改善ステージの出力を持つスイッチモード電源ステージを有する電源装置を操作する方法であって、前記電源装置を通常モードとスタンバイモードで切替え、前記通常モードでは前記通常力率出力ステージ電圧を前記スイッチモード電源ステージに供給するように前記力率改善ステージを操作し、前記スタンバイモードでは前記力率改善ステージを、通常力率出力ステージ電圧より低い範囲の電圧を前記スイッチモード電源ステージに供給するバーストモードで操作することを特徴とする方法に関する。

この発明のよりよい理解のため、以下、添付図面を参照しつつ実施態様を説明する。

同じ部品は異なる図でも同じ参照番号が付与されている。

図１は一般的な言葉を使うと、ＡＣ入力２、整流器４、力率改善（ＰＦＣ）ステージ６、出力部１０に給電するスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）ステージ８を有する、この発明の実施態様を示している。

ＰＦＣは、整流器４につながった入力部２２と、ＳＭＰＳステージ８につながった出力部２４を有する昇圧コンバータである。インダクタ１２とダイオード１４は、入力部２２と出力部２４の間の第一線２６上に直列に設けられ、キャパシタ１６は出力部を横断して設けられる。スイッチコントローラ２０に制御されるスイッチ１８は、スイッチの一方がインダクタとダイオードの間の節点につながり、他方が入力部２２と出力部２４の間の第二線２８につながるように配置される。ＳＭＰＳステージ８は、図１に模式的に示される従来のスイッチング電源装置であって、接続３２によりＰＦＣステージにつながる入力部３０を有する。図２は通常動作時（４０）とスタンバイモード時（４２）の波形を表す。このグラフは（上から下に）ＰＦＣ出力電源の波形（すなわちコネクタ３２にかかる電圧）、整流電源入力電圧（すなわちＰＦＣステージの入力部２２における電圧）、ＰＦＣがアクティブかどうかを示す信号、及び負荷を示す。

通常動作では、ＰＦＣステージは通常通り一定の通常出力電圧を供給するよう動作するため、ＳＭＰＳステージは負荷を供給できる。当然のことながら、昇圧コンバータの当業者に知られるように、このモードではスイッチ１８は所望の電圧を実現するため急速に切替えられる。

スタンバイモードにおいて負荷が除かれた場合には、ＰＦＣステージは、ＰＦＣ出力電圧が下位バーストレベルより下降した場合だけＰＦＣがスイッチオンされ、出力電圧が上位バーストレベルより上昇した場合にＰＦＣが再びスイッチオフするという、バーストモードに切替わる。ＰＦＣが作動されている期間中、ＰＦＣ内のスイッチはキャパシタ１６全体、従ってＰＦＣステージの出力端子２４の電圧を上げるために急速に切替えられる。

このように、スタンバイモードでのＰＦＣ出力電圧は、下位バーストレベルと上位バーストレベルの間で、通常モード時のＰＦＣ出力電圧より低いがＰＦＣが完全にスイッチオフされた場合に降下した場合のＰＦＣ出力電圧よりは高いレベルにとどまる。

図３の回路はどのように上記処理が実現されるかを示す。第一コンパレータ５０はＰＦＣ出力電圧と下位バーストレベルを比較し、第二コンパレータ５２はＰＦＣ出力電圧と上位バーストレベルを比較する。第一コンパレータ５０、第二コンパレータ５２の出力は、双安定装置として動作するフリップフロップ５４のセット端子５６とリセット端子５８にそれぞれ送られる。

フリップフロップ５４の出力は、この出力と通常動作を示す通常モード動作線６６上の信号との論理和をとる、ＯＲゲート６０を通じて運ばれる。この通常モード動作線６６は、ＳＰＭＳステージ８の制御出力部（図示せず）につながる。したがってＰＦＣは、通常動作信号が線６６に投入された場合か、出力電圧が下位バーストレベルより下に降下してから電圧が上位バーストレベルを超えるまでの、どちらかで動作する。

スイッチステージ６２はＰＦＣ動作時に電圧を昇圧するために必要となる急速切替えを提供する。ＯＲゲート６０の出力はスイッチステージ６２が動作するかどうか制御する信号を提供する。このように、実質的に、ＰＦＣ回路は、電源装置が通常モードの場合、又は代替的に、電源装置がスタンバイモードであり、電圧が所望の限度から外れた場合に、急速切替えの動作モードとなる。

ＰＦＣがスタンバイモード中に全く作動されなければ、接続線３２上の電圧は整流器４によって作られる平滑化電圧レベルと等しいレベルに降下する。この発明を使えば、ＰＦＣ出力電圧は高いレベルを維持し、従ってＳＭＰＳステージが負荷の駆動を開始しなければならなくなった後、急速にＳＭＰＳの通常動作を再開できる。

ＰＦＣはスタンバイモード中に短時間、バースト的に動作するだけなので、スタンバイ中の電力は急激に増加しない。動作中、ＰＦＣスイッチ１８は電圧を上げるため、通常の昇圧コンバータ動作と同様に急速にオンとオフが切替えられる。

都合のよいことに、下位バーストレベルは、通常動作負荷を供給するために通常必要とされる最小のＳＭＰＳステージ入力のすぐ上である。図３の点線内に示す回路６４はコントローラ６４として動作し、別々のステージのように、別々の集積回路又はチップとして実装されるか、又はこの機能がＰＦＣステージ６とＳＭＰＳステージ８の中に統合されてもよい。回路６４への入力部６８は、接続線３２上の電圧を回路６４に対し提供するための入力として動作する。ＯＲゲートのコントローラ出力部７０は、要求に応じコントローラ６４又は力率改善ステージ６に組み込めるスイッチングコントローラ６２を制御する。コンパレータ５０、５２、フリップフロップ５４とゲート６０は集合して、スイッチングコントローラ６２を制御するコントロールステージを作り上げる。

スタンバイモードという言葉が使われるが、この言葉は本当のスタンバイ状態ではなく、単に微電力又は無電力が流れる状態での、低電力動作も含むように意図されている。この発明は、ノートＰＣのアダプタ、液晶テレビ又はモニタ、ＣＲＴ ＴＶ又はモニタ等のようなスタンバイモードを有するコンシューマ向け電気製品を特に含む、スイッチモード電源が使われるあらゆるアプリケーションに応用できる。この発明はＡＣ電源入力電圧が最小７０Ｖ ＡＣから最大２７６Ｖ ＡＣまでの汎用電源アプリケーションに応用できる。

より高い電源入力電圧により、ＰＦＣステージは全くスイッチオンしなくても、ＳＭＰＳステージの電圧を低いバースト限界より上で保つことができる。この場合には、電圧はすでに所望の範囲内なので、ＰＦＣはスタンバイモード中にまったくスイッチオンしない。

当業者は上記実施態様のさまざまな変形例があり、この発明がこの実施態様に限られないことを認識できるであろう。

特にＰＦＣステージとＳＭＰＳステージのステージタイプは要求に応じて変化してもよい。

力率改善回路とスイッチモード電力回路を含む本発明の実施態様による電源装置を示す。 図１の実施態様における回路のスイッチングを示す。 図１の実施態様における回路の一部を示す。

Claims (8)

1. 入力電力を受ける電力入力部（２２）、及び出力電力を力率出力ステージ電圧で出力する電力出力部（２４）を有し、かつ動作モードとオフモードの間で切替え可能な力率改善ステージ（６）と、
   供給電圧で負荷に出力電力を供給するための出力端子（１０）、及び前記力率出力ステージ電圧で電力を受けるために前記力率改善ステージ（６）の前記電力出力部（２４）につながれた入力端子（３０）を有するスイッチモード電源ステージ（８）とを備え、
   前記力率改善ステージ（６）は動作モードとオフモードの間で切替えが可能であり、
   前記電源装置は通常モードとスタンバイモードの間で切替えができるように構成され、
   前記電源装置は前記力率改善ステージ（６）を制御するコントローラ（６４）をさらに備え、前記通常モードでは力率出力ステージ電圧を前記スイッチモード電源ステージに対して供給し、前記スタンバイモードでは前記通常力率出力ステージ電圧より低い電圧範囲で電力供給をするバーストモードで動作することを特徴とする電源装置。
2. 前記力率改善ステージ（６）は、スイッチモード昇圧回路である、請求項１記載の電源装置。
3. 前記コントローラ（６４）は、
   前記力率出力ステージ電圧が下位バーストレベルより降下した場合に、力率改善ステージ（６）をバーストのためにスイッチオンし、
   前記力率改善出力ステージ電圧が、前記下位バーストレベルより高い、上位バーストレベルより上昇した場合に、前記バーストを終了させるため、前記力率改善ステージ（６）をスイッチオフするように構成され、
   前記上位又は下位バーストレベルは、双方とも通常力率出力ステージ電圧より低い、請求項1又は請求項２に記載の電源装置。
4. 前記コントローラは、
   前記力率改善ステージにつながり、前記力率改善ステージがバーストモードかそうでないかを制御する出力部を有する双安定デバイス（５４）と、
   前記力率改善出力ステージ電圧と下位バーストレベルを比較するための第一コンパレータ（５０）であって、前記双安定装置につながれ、前記力率出力ステージ電圧が下位バーストレベルより降下した場合に前記双安定デバイスをバーストモードに切替える第一コンパレータと、
   前記力率改善出力ステージ電圧と上位バーストレベルを比較するための第二コンパレータ（５２）であって、前記双安定装置につながれ、前記力率出力ステージ電圧が上位バーストレベルより上昇した場合に、前記双安定デバイスをバーストモードから切替える前記第二コンパレータとを含む請求項３記載の電源装置。
5. 力率改善ステージ（６）とスイッチモード電源ステージ（８）を有し、スイッチモード電源ステージ（８）の入力部は力率改善ステージ（６）の出力に接続線（３２）上でつながる、電源装置用スイッチングコントローラ（６４）であって、
   前記スイッチングコントローラは、
   接続線（３２）上の前記力率出力ステージ電圧をスイッチングコントローラに入力するための接続線（３２）に、直接又は間接的につながる入力部（６８）と、
   前記力率改善ステージ（６）を切替えるコントローラ出力部（７０）と、
   通常モードでは、前記力率改善ステージを制御して、通常力率出力ステージ電圧を前記スイッチモード電源ステージに供給するように動作し、スタンバイモードでは、前記力率改善ステージを制御して、通常力率出力ステージ電圧より低い電圧範囲で電源を供給するバーストモードで動作するように構成されたコントロールステージ（５０、５２、５４、６０）とを含むことを特徴とするスイッチングコントローラ。
6. 前記コントロールステージ（５０、５２、５４、６０）は、
   前記力率改善ステージがバーストモードかそうでないかを制御する出力部を有する双安定デバイス（５４）と、
   前記力率改善出力ステージ電圧と前記下位バーストレベルを比較するための第一コンパレータ（５０）であって、前記双安定装置につながれ、前記力率出力ステージ電圧が下位バーストレベルより降下した場合に前記双安定デバイスをバーストモードに切替える第一コンパレータと、
   前記力率改善出力ステージ電圧と上位バーストレベルを比較するための第二コンパレータ（５２）であって、前記双安定装置につながれ、前記力率出力ステージ電圧が上位バーストレベルより上昇した場合に、前記双安定デバイスをバーストモードから切替える第二コンパレータとを含む、請求項５記載のスイッチングコントローラ。
7. 入力として力率改善ステージ（６）の出力を持つスイッチモード電源ステージ（８）を有する電源装置を操作する方法であって、
   前記電源装置を通常モードとスタンバイモードで切替え、
   前記通常モードでは通常力率出力ステージ電圧を前記スイッチモード電源ステージ（８）に供給するように前記力率改善ステージ（６）を操作し、
   前記スタンバイモードでは前記力率改善ステージ（６）を、前記通常力率出力ステージ電圧より低い範囲の電圧を前記スイッチモード電源ステージ（８）に供給するバーストモードで操作することを特徴とする方法。
8. 前記力率出力ステージ電圧が、下位バーストレベルより降下した場合に、力率改善ステージ（６）をバーストのために作動し、
   前記力率改善出力ステージ電圧が、前記下位バーストレベルより高い、上位バーストレベルより上昇した場合に、前記バーストを終了させるため、前記力率改善ステージ（６）を停止し、前記上位又は下位バーストレベルは、双方とも通常力率出力ステージ電圧と公称入力電圧の間であることを含む、請求項７記載の方法。

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