JP2009201342A - Ac/dc変換器の電源供給回路 - Google Patents

Ac/dc変換器の電源供給回路 Download PDF

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Abstract

【課題】ACハイ入力電圧をDCロー出力電圧に変換し、安定したDCバイアス範囲の負荷電圧を供給するAC/DC変換器の電源供給回路。
【解決手段】整流器と、検知回路と、制御スイッチング回路と、電圧調整コンデンサとを備える。整流器は、AC電源に連結される1次側と、DC電源を出力するための2次側とを備える。検知回路は、AC入力電圧とプリセットされた基準電圧とを比較し、AC入力電圧が基準電圧より低い場合、制御スイッチング回路の第2スイッチをオンにし、DCロー出力電圧を供給する。制御スイッチング回路は、安定したDCバイアス範囲のDC出力電圧を維持する。したがって、第2スイッチの電力消費の低減に加えて、この回路構成は簡単で、回路一体化を達成できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、AC/DC変換器の電源供給回路に関し、特に、AC入力電圧がプリセットされた基準電圧より低い場合にのみスイッチをオンにし、安定したDCバイアス範囲のDC出力電圧を維持するAC/DC変換器の電源供給回路に関する。
従来のAC/DC変換器では、分離された分圧器の設計が採用されている。この設計では、AC電源が整流器に連結されると、外部変圧器がACハイ電源をロー電圧DC電源装置用のロー電圧DC電源に変換する。しかし、外部変圧器は体積が大きいため、小型化の要求に反することになる。そこで、ロードロップアウト電圧調整器(LDO)などの線形調整器が上記の問題を解決するよう設けられているが、LDOのスイッチの電力消費によって、変換効率が低下しがちである。
したがって、電力消費の低減と変換効率の向上は、小型化された現在のAC/DC電源システムにおいて主な課題となっている。米国特許出願公開第2002/0044471号の、安定した定電流を出力できる、変圧器を用いないAC/DC変換回路が、本発明の出願人により提案されている。このAC/DC変換回路は、安定した電流供給を必要とする発光素子(例えばLED)などの負荷装置に適用される。この技術手段により、電流スイッチング回路は、安定した範囲で負荷電流を制限するのに用いられる。制御回路は、制御回路の出入力の電位差により、電流スイッチング回路のオン/オフ状態を決定するのに用いられる。制御回路は、電位差がプリセット値より低いと負荷電流をオンにし、電位差がプリセット値より高いと負荷電流をオフにし、負荷電流を制限する効果が得られる。
さらに、米国特許第6,169,391号では、変換器を用いないAC/DC変換回路が開示されている。線形調整器と同様に機能する制御回路は、DC電源の出力電圧を制限するのに用いられる。制御回路は、AC電源の入力電圧Vinを検出するための検知回路を備えており、入力電圧Vinの値により、スイッチのオン/オフ状態を制御する。検知回路は、直列に接続される2つの分圧抵抗器と、分圧抵抗器に直列に接続されるツェナーダイオードとから成る。しかし、かかる回路設計は明らかに複雑である。
したがって、本発明は、スイッチの電力消費を低減できるAC/DC変換器の電源供給回路を提供する。
本発明の好ましい実施形態において、電源供給回路は、整流器と、検知回路と、制御スイッチング回路と、電圧調整コンデンサとを備える。整流器は、AC電源に連結される1次側を備えており、AC電源をDC電源に変換する。検知回路は、整流器の2次側に接続され、AC電源のAC入力電圧を検出する。AC入力電圧がプリセットされた基準電圧(Vref)より低い場合、制御スイッチング回路の第2スイッチはオンにされ、DCロー出力電圧を供給する。制御スイッチング回路は、安定したDCバイアス範囲にDC出力電圧を維持する。すなわち、本発明の好ましい実施形態によれば、AC入力電圧がプリセットされた基準電圧より低い場合にのみ、第2スイッチはオンにされ、AC入力電圧がプリセットされた電圧より高いとオフにされる。第2スイッチのオン状態時の入出力間の電位差が小さくなるにつれ、第2スイッチの電力消費が低減する。
本発明はまた、簡単な回路構成のAC/DC変換器の電源供給回路を提供する。本発明の好ましい実施形態によれば、電源供給回路は、整流器と、検知回路と、制御スイッチング回路と、電圧調整コンデンサとを備える。検知回路は、分圧器と、第1スイッチとを備える。検知回路は、分圧器を用いて整流器の2次側のDC電源のDC分圧を得て、DC分圧と第1スイッチのターンオン電圧とを比較し、DC分圧がターンオン電圧より低い場合、第1スイッチをオフにする。整流器の2次側のDC電源のDC電圧がプリセットされた基準電圧より低い場合、第2スイッチがオンにされ、整流器の2次側のDC電源のDC電圧がプリセットされた基準電圧より高い場合オフにされる。
さらに、本発明は一体化を実現できるAC/DC変換器の電源供給回路を提供する。本発明の好ましい実施形態によれば、第1スイッチと第2スイッチは半導体プロセスで製造され、回路一体化を達成する。
以下、本発明は、例示としての本願明細書における詳細な説明から、より十分に理解され、本発明を制限するものではない。
本発明の目的は以下の実施形態において例示されるが、本発明の範囲を制限しない。
まず、図1により、本発明の好ましい実施形態の回路アーキテクチャを示す。回路アーキテクチャは、AC電源10のACハイ入力電圧AC Vinを、DCロー出力電圧DC Voutに変換するのに用いられる。次に、DCバイアス範囲で安定化されたDC出力電圧DC Voutは、ロー電圧DC出力端42から出力され、ロー電圧DC電源装置11(例えば集積回路または小型電子製品)にDCバイアス範囲で安定化された負荷電圧を供給する。回路アーキテクチャは、整流器20と、検知回路30と、制御スイッチング回路40と、電圧調整コンデンサ60とを備える。
整流器20は、AC電源10に連結される1次側と、DC電源DCを出力するための2次側とを備える。整流器20は、全波ブリッジ整流器または半波ブリッジ整流器である。
検知回路30は、分圧器31と、第1スイッチQ1とを備える。分圧器31は、整流器20の2次側に連結され、2次側のDC電源のDC分圧を得る。第1スイッチQ1は、制御パッド1aと、入力パッド1bと、出力パッド1cとを備える。出力パッド1cは接地電位に接続され、制御パッド1aは分圧器31に接続される。検知回路30は、DC分圧と第1スイッチQ1のターンオン電圧とを比較し、DC分圧がターンオン電圧より低い場合、第1スイッチQ1をオフにする。
制御スイッチング回路40は、第3抵抗器R3と、第2スイッチQ2と、第1電圧調整素子41(例えばツェナーダイオードなど)とを備える。第2スイッチQ2は、制御パッド2aと、入力パッド2bと、出力パッド2cとを備える。第2スイッチQ2の入力パッド2bは、整流器20の2次側に接続され、制御パッド2aは第1スイッチQ1の入力パッド1bに接続される。整流器20の2次側のDC電源のDC電圧がプリセットされた基準電圧Vrefより低いと、第2スイッチQ2はオンにされ、出力パッド2cを介して制御スイッチング回路40のDC出力端42に、整流器20の2次側のDC電源を送り、DC出力電圧DC Voutを出力する。DC出力電圧DC Voutの電圧レベルは、第1電圧調整素子41によりクランプされ、第1電圧調整素子41のクランプ電圧レベルより低くなる。
電圧調整コンデンサ60は、一端が制御スイッチング回路40のDC出力端42に接続され、他端が接地電位に接続され、DCバイアス範囲で安定化され、ロー電圧DC電源装置11が必要とする負荷電圧を兼ねるDC出力電圧DC Voutを供給する。
図1の回路アーキテクチャによれば、本発明はさらに以下のように本回路のいくつかの具体的な実施形態を提供する。
図2Aと図2Bは、本回路の第1の具体的な実施形態を示す。整流器20は、図2Aでは全波ブリッジ整流器であり、図2Bでは半波ブリッジ整流器である。例えば、図2Aでは、第1スイッチQ1と第2スイッチQ2は、パワーMOS電界効果トランジスタ(MOSFET)であり、好ましくは、N−MOSFETである。N−MOSFETが半導体プロセスで製造されるため、本発明のAC/DC変換器の電源供給回路もまた半導体プロセスで製造され、一体化される。分圧器31は、第1抵抗器R1と、第1抵抗器R1に直列に接続される第2抵抗器R2とを備える。第1抵抗器R1は、一端が整流器20の2次側に接続され、他端が第2抵抗器R2と第1スイッチQ1のゲートGとに接続される。第2抵抗器R2は、一端が第1抵抗器R1と第1スイッチQ1のゲートに接続され、第2抵抗器R2の他端と第1スイッチQ1のソースSは両方とも接地電位に接続される。簡単に言うと、検知回路30は、AC入力電圧AC Vinの値により、第2スイッチQ2のオン/オフ状態を決定する。一般に、第1スイッチQ1の耐電圧は、第1抵抗器R1と第2抵抗器R2のDC分圧より高くする必要がある。
図2Aにおいて、制御スイッチング回路40は、第3抵抗器R3を備える。第3抵抗器R3は、一端が整流器20の2次側に接続され、他端が第1スイッチQ1のドレインDと第1電圧調整素子41の陰極とに接続され、制御スイッチング回路40の第1電圧調整素子41がオーバ−ハイ電流によりダメージを受けないようにする。第1電圧調整素子41は、接地電位に接続される陽極を備える。第2スイッチQ2は、第1スイッチQ1のドレインと第1電圧調整素子41の陰極とに接続されるゲートGと、整流器20の2次側に接続されるドレインDと、DC出力端42に接続されるソースSとを備える。
図2Aの回路動作によれば、DC分圧が第1スイッチQ1のターンオン電圧より高い場合、第1スイッチQ1のゲート−ソース間は順方向バイアスを発生し、第1スイッチQ1をオン状態、すなわち、第1スイッチQ1をオンにする。このとき、第1電圧調整素子41はローレベルであり、第2スイッチQ2はオンにされず、整流器20の2次側のDC電源DCはDC出力端42に供給されない。反対に、DC分圧が第1スイッチQ1のターンオン電圧より低い場合、第1スイッチQ1がオフにされ、電圧クランプ機能を持つ第1電圧調整素子41の電圧レベルがさらに上昇する。さらに、整流器20の2次側のDC電源のDC電圧がプリセットされた基準電圧Vrefより低い場合、第2スイッチQ2がオンにされ、DC出力端42はDCロー出力電圧DC Voutを出力する。DC出力電圧DC Voutの電圧レベルはまた、第1電圧調整素子41によりクランプされ、第1電圧調整素子41のクランプ電圧レベルより低くなる。
図3Aと図3Bはそれぞれ、図2Aと図2Bの別の実施形態を示す。図3Aの実施形態はさらに、第2電圧調整素子44(例えばツェナーダイオードなど)を備える。第2電圧調整素子44は、第1スイッチQ1のゲートGに接続される陰極と、接地電位に接続される陽極とを備える。第2電圧調整素子44の電圧クランプ機能により、第1スイッチQ1のゲート−ソース間の電圧レベルがクランプされ、第1スイッチQ1がACオーバ−ハイ入力電圧によりダメージを受けないようにする。
図4Aと図4Bはそれぞれ、図3Aと図3Bの別の実施形態を示す。図4Aにおいて、第1スイッチQ1と第2スイッチQ2は両方ともバイポーラ接合型トランジスタ(BJT)であり、第2電圧調整素子44は、分圧器31と第1スイッチQ1(BJT)のベースとの間に直列に接続され、第1スイッチQ1をACオーバ−ハイ入力電圧によりダメージを受けないようにする。
本発明の別の好ましい実施形態において、図4Aと図4Bの第2スイッチQ2は、図5Aと図5Bにそれぞれ示される回路を備えるN−MOSFETである。
本発明の別の好ましい実施形態において、図3Aと図3Bの第2スイッチQ2は、図6Aと図6Bにそれぞれ示される回路を備えるBJTである。
本発明のAC/DC変換器の電源供給回路は、一般商用電源電圧(例えば周波数が50〜60Hzの110〜10VACまたは220〜240VAC)に直接適しており、ACハイ入力電圧AC VinをDCロー出力電圧DC Voutに変換する。基準電源の基準電圧Vrefは、第2スイッチQ2のオン状態(ターンオン)/オフ状態(ターンオフ)を決定するためのプリセットされた電圧を兼ねる。基準電圧Vrefは、第1スイッチQ1×(R1+R2)/R2のターンオン電圧となる。AC入力電圧AC VinとDC出力端42間の電圧−電流の関係は、(図2Aの全波ブリッジ整流器20を用いる回路を図示例として挙げる)図7の曲線により示される。図7において、電圧Vは第2スイッチQ2のドレイン−ソース電圧Vdsであり、基準電圧Vrefは、例えば70 DC Vである。DC分圧が第1スイッチQ1のターンオン電圧より高い場合、第1スイッチQ1はオンにされ、第2スイッチQ2はオフにされる。同時に、第2スイッチQ2のドレイン電流IDは0となる。DC分圧が第1スイッチQ1のターンオン電圧より低い場合、第1スイッチQ1はオフにされる。同時に、第1電圧調整素子41の2端の電圧降下は、第1電圧調整素子41のクランプ電圧までさらに上昇する。一方、整流器20の2次側のDC電源のDC電圧がプリセットされた基準電圧Vrefより低い場合、第2スイッチQ2はオンにされ、DC出力端42はDCロー出力電圧DC Voutを出力する。DC出力電圧DC Voutの電圧レベルはまた、第1電圧調整素子41によりクランプされ、第1電圧調整素子41のクランプ電圧レベルより低くなる。DC出力端42のDC出力電圧DC Voutは、安定したDCバイアス範囲に維持される。
上記説明から明らかなように、本発明のAC/DC変換器の電源供給回路は、AC入力電圧AC Vinがプリセットされた基準電圧Vrefより低い場合にのみ、第2スイッチQ2をオンにし、AC入力電圧AC Vinがプリセットされた基準電圧Vrefより高いと、第2スイッチQ2をオフにする。本発明の長所は、第2スイッチQ2がオン状態にある(オンにされた)場合、入出力間の電位差は小さく、スイッチの電力消費を低減するということにある。一方、第2スイッチQ2がオン状態にある(オンにされた)場合、DC出力電圧DC Voutの電圧レベルは第1電圧調整素子41によりクランプされ、第1電圧調整素子41のクランプ電圧レベルより低くなる。したがって、DC出力電圧DC Voutは、安定したDCバイアス範囲に維持される。
本発明の好ましい実施形態によるAC/DC変換器の電源供給回路のアーキテクチャを示す。 (全波ブリッジ整流器を用いる)本発明の好ましい実施形態によるAC/DC変換器の電源供給回路の構成を示す。 (半波ブリッジ整流器を用いる)本発明の好ましい実施形態によるAC/DC変換器の電源供給回路の構成を示す。 (全波ブリッジ整流器を用いる)本発明の好ましい実施形態によるAC/DC変換器の電源供給回路の構成を示す。 (半波ブリッジ整流器を用いる)本発明の好ましい実施形態によるAC/DC変換器の電源供給回路の構成を示す。 (全波ブリッジ整流器を用いる)本発明の好ましい実施形態によるAC/DC変換器の電源供給回路の構成を示す。 (半波ブリッジ整流器を用いる)本発明の好ましい実施形態によるAC/DC変換器の電源供給回路の構成を示す。 (全波ブリッジ整流器を用いる)図4Aの好ましい実施形態の構成を示す。 (半波ブリッジ整流器を用いる)図4Bの好ましい実施形態の構成を示す。 (全波ブリッジ整流器を用いる)図3Aの好ましい実施形態の構成を示す。 (半波ブリッジ整流器を用いる)図3Bの好ましい実施形態の構成を示す。 AC入力電圧AC VinとDC出力端間の電圧−電流の関係と、第1スイッチと第2スイッチ間の動作関係を示す。

Claims (20)

  1. AC電源からのAC入力電圧をDC出力電圧に変換するためのAC/DC変換器の電源供給回路であって、
    前記AC電源に連結される1次側とDC電源を出力するための2次側とを備える整流器と、
    分圧器と第1スイッチとを備える検知回路であって、前記第1スイッチは制御パッドと、入力パッドと、出力パッドとを備え、前記出力パッドは接地電位に接続され、前記分圧器は前記整流器の前記2次側に連結され、前記2次側の前記DC電源のDC分圧を得て、前記DC分圧を前記第1スイッチの前記制御パッドに接続し、前記DC分圧が前記第1スイッチのターンオン電圧より低い場合、前記第1スイッチをオフにする検知回路と、
    第3抵抗器と、第1ツェナーダイオードと、第2スイッチとを備える制御スイッチング回路であって、前記第2スイッチは制御パッドと、入力パッドと、出力パッドとを備え、前記第3抵抗器は、一端が前記整流器の前記2次側に接続され、他端が前記第1スイッチの前記入力パッドと前記第1ツェナーダイオードの陰極とに接続され、前記第1ツェナーダイオードの陽極は接地電位に接続され、前記第2スイッチの前記制御パッドは、前記第1スイッチの前記入力パッドと前記第1ツェナーダイオードの前記陰極とに接続され、前記第2スイッチの前記入力パッドは前記整流器の前記2次側に接続され、前記第2スイッチの前記出力パッドはDC出力端に接続され、前記整流器の前記2次側の前記DC電源の前記DC電圧がプリセットされた基準電圧より低い場合、前記第2スイッチをオンにし、前記整流器の前記2次側の前記DC電源の前記DC電圧が前記プリセットされた基準電圧より高いと、前記第2スイッチをオフにする、制御スイッチング回路と、
    一端が前記第2スイッチの前記出力パッドに接続され、他端が接地電位へ接続される電圧調整コンデンサと、
    を備えるAC/DC変換器の電源供給回路。
  2. 前記整流器は全波ブリッジ整流器である請求項1に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  3. 前記整流器は半波ブリッジ整流器である請求項1に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  4. 前記分圧器は、第1抵抗器と前記第1抵抗器に直列に接続される第2抵抗器とを備え、前記第1抵抗器は、一端が前記整流器の前記2次側に接続され、他端が前記第2抵抗器と前記第1スイッチの前記制御パッドとに接続され、前記第2抵抗器は、一端が前記第1抵抗器と前記第1スイッチの前記制御パッドとに接続され、他端が接地電位に接続される請求項1に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  5. 前記第1スイッチと前記第2スイッチは、N型MOS電界効果トランジスタ(N−MOSFET)である請求項4に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  6. さらに第2ツェナーダイオードを備え、前記第2ツェナーダイオードは、前記第1スイッチの前記制御パッドに接続される陰極と接地電位に接続される陽極とを備え、前記第1スイッチの電圧レベルをクランプする請求項1に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  7. 前記第1スイッチはN−MOSFETであり、前記第2スイッチはバイポーラ接合型トランジスタ(BJT)である請求項6に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  8. 前記第1スイッチと前記第2スイッチはBJTである請求項1に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  9. さらに前記第1スイッチと前記分圧器との間に配置される第2電圧調整素子を備え、前記第1スイッチがACオーバ−ハイ入力電圧によりダメージを受けないようにする請求項8に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  10. 前記第1スイッチはBJTであり、前記第2スイッチはN−MOSFETであり、第2電圧調整素子がさらに前記第1スイッチと前記分圧器との間に配置され、前記第1スイッチがACオーバ−ハイ入力電圧によりダメージを受けないようにする請求項1に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  11. AC電源からのAC入力電圧をDC出力電圧に変換できる、半導体プロセスで製造されるAC/DC変換器の集積電源供給回路であって、
    前記AC電源に連結される1次側とDC電源を出力するための2次側とを備える整流器と、
    分圧器と第1スイッチとを備える検知回路であって、前記第1スイッチは制御パッドと、入力パッドと、出力パッドとを備え、前記出力パッドは接地電位に接続され、前記分圧器は前記整流器の前記2次側に連結され、前記2次側の前記DC電源のDC分圧を得て、前記DC分圧を前記第1スイッチの前記制御パッドに接続し、前記DC分圧が前記第1スイッチのターンオン電圧より低い場合、前記第1スイッチをオフにする、検知回路と、
    第3抵抗器と、第1ツェナーダイオードと、第2スイッチとを備える制御スイッチング回路であって、前記第2スイッチは制御パッドと、入力パッドと、出力パッドとを備え、前記第3抵抗器は、一端が前記整流器の前記2次側に接続され、他端が前記第1スイッチの前記入力パッドと前記第1ツェナーダイオードの陰極とに接続され、前記第1ツェナーダイオードの陽極は接地電位に接続され、前記第2スイッチの前記制御パッドは、前記第1スイッチの前記入力パッドと前記第1ツェナーダイオードの前記陰極とに接続され、前記第2スイッチの前記入力パッドは前記整流器の前記2次側に接続され、前記第2スイッチの前記出力パッドはDC出力端に接続され、前記整流器の前記2次側の前記DC電源の前記DC電圧がプリセットされた基準電圧より低い場合、前記第2スイッチをオンにし、前記整流器の前記2次側の前記DC電源の前記DC電圧が前記プリセットされた基準電圧より高いと、前記第2スイッチをオフにする、制御スイッチング回路と、
    一端が前記第2スイッチの前記出力パッドに接続され、他端が接地電位へ接続される電圧調整コンデンサと、
    を備えるAC/DC変換器の集積電源供給回路。
  12. 前記整流器は全波ブリッジ整流器である請求項11に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  13. 前記整流器は半波ブリッジ整流器である請求項11に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  14. 前記分圧器は、第1抵抗器と前記第1抵抗器に直列に接続される第2抵抗器とを備え、前記第1抵抗器は、一端が前記整流器の前記2次側に接続され、他端が前記第2抵抗器と前記第1スイッチの前記制御パッドとに接続され、前記第2抵抗器は、一端が前記第1抵抗器と前記第1スイッチの前記制御パッドとに接続され、他端が接地電位に接続される請求項11に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  15. 前記第1スイッチと前記第2スイッチは、N−MOSFETである請求項14に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  16. さらに第2ツェナーダイオードを備え、前記第2ツェナーダイオードは、前記第1スイッチの前記制御パッドに接続される陰極と接地電位に接続される陽極とを備え、前記第1スイッチの電圧レベルをクランプする請求項11に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  17. 前記第1スイッチはN−MOSFETであり、前記第2スイッチはBJTである請求項16に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  18. 前記第1スイッチと前記第2スイッチはBJTである請求項11に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  19. さらに前記第1スイッチと前記分圧器との間に配置される第2電圧調整素子を備え、前記第1スイッチがACオーバ−ハイ入力電圧によりダメージを受けないようにする請求項18に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
  20. 前記第1スイッチはBJTであり、前記第2スイッチはN−MOSFETであり、第2電圧調整素子がさらに前記第1スイッチと前記分圧器との間に配置され、前記第1スイッチがACオーバ−ハイ入力電圧によりダメージを受けないようにする請求項11に記載のAC/DC変換器の電源供給回路。
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