JP2009055695A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣ回路規模を大きくすることなく、負荷変動時の電圧低下などの電圧変動を効率よく抑制できるようにする。
【解決手段】出力電圧Voutの誤差は単純な増幅器８により増幅し、その出力をフィルタ回路２０を通すことによって、リップルを除去する構成とする。これにより、過渡応答時などで出力電圧が大きく変動した場合には、フィルタ回路２０の抵抗２３をダイオード２１，２２でショートするようにして応答速度を速め、ＩＣ回路化する場合の構成を簡略化できるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電源から安定な直流電源をつくり、チョッパ回路の入力電圧と入力電流がほぼ同位相で相似形となるように動作させることで、力率の改善を図るスイッチング電源に関する。

図４は、この種のスイッチング電源を示す従来例である。
この回路では、交流電源１は、ダイオードブリッジからなる整流回路２で全波整流され、コンデンサ３により高周波ノイズを除去され、インダクタ４とダイオード５を介して平滑コンデンサ６に電流が供給され、平滑化された直流電圧（出力電圧）Voutが出力される。MOSFETなどのスイッチング素子７はインダクタ４とダイオード５との間に接続され、インダクタ４からダイオード５に流れる電流をオン・オフする。

電圧誤差増幅器８は、直流電圧Voutを分圧抵抗８Ｒで分圧した信号と、設定電圧Vrefとの誤差を増幅して乗算器９に出力するので、乗算器９は増幅された電圧誤差Verrと入力電圧検出回路１０で検出された入力電圧Vinとを乗算し、入力電圧Vinと同位相かつ相似形で、電圧誤差Verrに比例する振幅を持つ電流しきい値（閾値）Ithを生成する。
インダクタ４を流れる電流は検出抵抗12Rおよび電流検出回路１２で電流検出信号Viに変換され、電流比較器１１で電流しきい値Ithと比較される。

電流比較器１１の出力はフリップフロップ１３のリセット入力（Ｒ）に入力され、フリップフロップ１３は電流比較器１１の出力によってリセットされ、ローレベル信号を出力する。フリップフロップ１３のセット入力（Ｓ）には発振器１４が接続されており、発振器１４は一定周波数でフリップフロップ１３をセットし、出力をハイレベルに変化させる。フリップフロップ１３の出力は駆動回路１５に入力され、駆動回路１５は入力がハイレベルのときにスイッチング素子７をオンさせ、ローレベルのときにオフさせる。

このような構成で、スイッチング素子７がオンすると、インダクタ４からの電流が増加し、電流検出信号Viが上昇する。電流検出信号Viが電流しきい値Ithを超えると、電流比較器１１の出力がハイレベルとなり、フリップフロップ１３のリセット入力にハイレベル信号が入力される。その結果、フリップフロップ１３の出力がローレベルとなり、駆動回路１５を介してスイッチング素子７がオフされる。

これにより、インダクタ４からの電流は徐々に減少するが、発振器１４によりフリップフロップ１３は一定周期でセットされるため、電流が或る程度減少した時点でフリップフロップ１３の出力はハイレベルに変化し、駆動回路１５を介してスイッチング素子７がオンされる。
このようにして、インダクタ４には入力電圧Viと同位相で相似形の電流が流れ、力率が改善される。

上記のような電源回路では、応答周波数を高くすると出力電圧リップルが増加し、電圧誤差増幅器の出力にもリップル成分が重畳され、電流しきい値にひずみが生じるため、高調波成分が多くなり力率が低下する。このような理由から、通常は図４に示すように電圧誤差増幅器８をローパスフィルタ構成とし、交流電源の周波数よりも低い遮断周波数を持つ周波数特性としている。

このような回路構成で、出力に接続された次段の回路が動作を開始して、無負荷状態から定格負荷に急変したような場合には、出力される電流が急増して出力電圧が低下するが、電圧誤差増幅器の周波数特性が低いため電圧誤差信号が遅れ、出力電圧の低下を抑制することができず、電圧不足で次段の回路が低下してしまうという不都合が発生する。
そこで、例えば特許文献１では以下のようにしている。

図５に、特許文献１に開示の例を示す。
これは、電圧誤差増幅器の構成を示すもので、入力抵抗と並列にダイオードを設け、通常は入力抵抗で決定される積分時定数で動作してリップルの影響を除去し、入力電圧が正負の所定値よりも大きいか、または小さいときはダイオードがオンして、入力抵抗を小さくし積分時定数を小さくして、周波数を高め起動時の電圧変動を抑制する。なお、入力信号の状態に応じて、遅延時間を減少させる濾波回路が特許文献２に開示されている。

特開平１１−０６９７８７号公報 特開平０５−１９１２０４号公報

しかしながら、図５のような回路を集積（IC）化する場合、通常の積分時定数を実現するためには、ICチップ内では実現不可能な容量の大きなコンデンサが必要になることから、外付けにならざるを得ない。そのため、ICチップには少なくとも２つの接続端子が必要であり、その結果、ICチップは大きくなり、コストアップにつながるという問題がある。

この発明は以上のような点に鑑みなされたもので、その課題はICチップを大きくすることなく、負荷変動時の電圧変動を抑制可能とすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、交流電源を全波整流して脈流出力を得る整流回路と、
整流回路に接続されたインダクタに流れる電流をオン・オフするスイッチング素子とインダクタから供給される電流を平滑して直流出力を得るコンデンサとからなるチョッパ回路と、
チョッパ回路の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
チョッパ回路の出力電圧と設定電圧との誤差を検出する電圧誤差検出手段と、
この電圧誤差検出手段の後段に接続され、電圧誤差検出手段により検出された電圧誤差信号の絶対値が所定値以下の場合には、カットオフ周波数が低く、所定値より大きいときはカットオフ周波数が高いフィルタ手段と、
前記入力電圧検出手段により検出された入力電圧と同位相で波形が相似形であり、かつフィルタ手段を介して入力された電圧誤差信号に比例する振幅となる電流信号を生成する電流制御信号生成手段と、
インダクタを流れる電流を検出する電流検出手段と、
電流制御信号に基いてスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

上記請求項1の発明においては、前記フィルタ手段は、抵抗と直列に接続されたコンデンサと、前記抵抗に並列に接続されたダイオードとからなり、このダイオードの順方向電圧が前記電圧誤差信号に含まれるリップル電圧よりも大きくなるように設定することができる（請求項２の発明）。これら請求項1または２の発明においては、前記スイッチング制御手段は、所定の周波数で前記スイッチング素子をオンさせ、電流検出信号が電流しきい値信号に達したときにオフすることすることができ（請求項３の発明）、または、前記スイッチング制御手段に、電流しきい値信号に比例する第２の電流しきい値信号を生成する手段を付加し、スイッチング制御手段は前記スイッチング素子を、電流検出信号が電流しきい値信号に達したときにオフし、電流検出信号が第２の電流しきい値信号より低下したときにオンすることができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、出力電圧の誤差を単純な増幅器により増幅し、その出力をフィルタ回路を通すことによって、リップルを除去する構成とする。これにより、過渡応答時などで出力電圧が大きく変動した場合には、フィルタ回路の抵抗をダイオードでショートするようにして応答速度を速め、ＩＣ回路化する場合の構成を簡略化できるようにする。負荷変動時の電圧変動を、効果的に抑制することができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
図１からも明らかなように、従来例である図４との相違は、電圧誤差増幅器８はローパスフィルタ構成ではなく、ダイオード２１，２２およびコンデンサ２４からなるフィルタ回路２０を、電圧誤差増幅器８の後段に設けた点にある。

図２は図１の動作を説明する各部波形図である。
順に、出力電圧Vout、誤差増幅信号Ve、電圧誤差検出信号Verrの各波形を示し、各破線は従来例での波形を示す。また、誤差増幅信号Ve は出力電圧誤差の反転増幅結果である。図２（Ａ）はスイッチング制御を行なわない場合（オープンループ）の動作波形であり、この発明動作を理解するためのものである。

図２（Ａ）の時刻ｔ０で次段の回路が動作を開始して無負荷状態から定格負荷に急変すると、出力電流が急増して出力電圧Voutが低下し、これに伴い誤差増幅信号Veが変化する。ダイオード２２の順方向電圧よりも誤差増幅信号Veが小さい範囲では、従来例と同様に抵抗２３とコンデンサ２４で決定される時定数に基づいて電圧誤差検出信号Verrは変化する。

時刻ｔ１で、ダイオード２２の順方向電圧よりも誤差増幅信号Veが大きくなると、ダイオード２２がオンしコンデンサ２４を急激に充電できるようにする、つまりフィルタ回路２０のカットオフ周波数を増加させることにより、電圧誤差検出信号Verrは出力電圧Voutに追従して変化する。これにより、電流しきい値Vthも出力電圧Voutに追従して変化する。図５の例では、電圧誤差検出信号Verrは出力電圧Voutに追従しないため、電流しきい値Vthも出力電圧Voutに追従しないことになる。

図２（Ｂ）に、スイッチング制御を行なう場合の動作波形を示す。
図２（Ａ）と同様に、時刻ｔ０で次段の回路が動作を開始して無負荷状態から定格負荷に急変すると、出力電圧Voutが低下する。時刻ｔ１でダイオード２２がオンし、電圧誤差検出信号Verrが出力電圧Voutに追従して変化するため、出力電流が増加し出力電圧の低下が抑制される。

また、次段の回路が動作を停止して、定格負荷状態から無負荷状態に変化する場合は、上記とは逆にダイオード２１がオンして、コンデンサ２４を急激に放電できるようにする、つまりフィルタ回路２０のカットオフ周波数を増加させることにより、電圧誤差検出信号Verrは出力電圧Voutに追従して変化する。これにより、電流しきい値Vthも出力電圧Voutに追従して変化する。

フィルタ回路２０のコンデンサ２４は、特許文献１と同様にICチップ内では実現不可能な容量が必要であり、外付けにならざるを得ないが、図１では一方の端子を接地とすることができるため、必要な接続端子数は１つで済み、ICチップの小型化が可能である。
出力のリップル電圧が大きく、誤差増幅信号Veのリップル分がダイオード２１，２２の順方向電圧を超える場合は、ダイオードを複数個さらに直列に接続することにより、リップル分ではダイオードがオンしないで、カットオフ周波数が増加しないようにすることができる。さらに、ダイオードと直列に抵抗を追加することにより、負荷変動時のカットオフ周波数を調整することも可能である。

図３にこの発明の別の実施形態を示す。図１と異なる点は、発振器１４の代わりに電流しきい値Ithに比例する第２の電流しきい値Ith2を発生する分圧器１６と、第２の電流しきい値Ith2と電流検出信号Viとを比較する第２の電流比較器１７とを設けた点にある。
このような構成で、電流検出信号Viが電流しきい値Ithを超えると、電流比較器１１によりフリップフロップ１３はリセットされ、駆動回路１５を介してスイッチング素子７をオフにする。スイッチング素子７のオフ後は電流が徐々に低下し、電流検出信号Viが第２の電流しきい値Ith2を下回ると、第２の電流比較器１７によりフリップフロップ１３はセットされ、駆動回路１５を介してスイッチング素子７をオンにする。このようにして、従来例と同様に、インダクタ４には入力電圧Vinと同位相で相似形の電流が流れ、力率が改善される。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の動作を説明するための各部波形図 この発明の別の実施の形態を示す構成図 一般的なスイッチング電源を示す構成図 図４で用いられる電圧誤差増幅器の具体例を示す回路構成図

符号の説明

１…交流電源、２…整流回路、３，２４…コンデンサ、４…インダクタ、５，２１，２２…ダイオード、６…平滑コンデンサ、７…スイッチング素子、８…電圧誤差増幅器、９…乗算器、１０…入力電圧検出回路、１１…電流比較器、１２…電流検出回路、１３…フリップフロップ、１４…発振器、１５…駆動回路、１６…分圧器、１７…第２の電流比較器、２０…フィルタ回路、２３…抵抗。

Claims (4)

1. 交流電源を全波整流して脈流出力を得る整流回路と、
   整流回路に接続されたインダクタに流れる電流をオン・オフするスイッチング素子とインダクタから供給される電流を平滑して直流出力を得るコンデンサとからなるチョッパ回路と、
   チョッパ回路の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、
   チョッパ回路の出力電圧と設定電圧との誤差を検出する電圧誤差検出手段と、
   この電圧誤差検出手段の後段に接続され、電圧誤差検出手段により検出された電圧誤差信号の絶対値が所定値以下の場合には、カットオフ周波数が低く、所定値より大きいときはカットオフ周波数が高いフィルタ手段と、
   前記入力電圧検出手段により検出された入力電圧と同位相で波形が相似形であり、かつフィルタ手段を介して入力された電圧誤差信号に比例する振幅となる電流信号を生成する電流制御信号生成手段と、
   インダクタを流れる電流を検出する電流検出手段と、
   電流制御信号に基いてスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、
   を備えたことを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記フィルタ手段は、抵抗と直列に接続されたコンデンサと、前記抵抗に並列に接続されたダイオードとからなり、このダイオードの順方向電圧が前記電圧誤差信号に含まれるリップル電圧よりも大きくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源。
3. 前記スイッチング制御手段は、所定の周波数で前記スイッチング素子をオンさせ、電流検出信号が電流しきい値信号に達したときにオフすることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源。
4. 前記スイッチング制御手段に、電流しきい値信号に比例する第２の電流しきい値信号を生成する手段を付加し、スイッチング制御手段は前記スイッチング素子を、電流検出信号が電流しきい値信号に達したときにオフし、電流検出信号が第２の電流しきい値信号より低下したときにオンすることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源。

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