JP2010035340A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な回路構成を必要とせず、負荷の動作に伴う電圧レベルの変動が低く抑えられた状態で、安全かつ確実に過電圧の発生から負荷を保護する。
【解決手段】交流電源２からの交流電圧Ｖinを整流・平滑する１次側整流平滑回路３００からの直流電圧を、スイッチングトランス５の１次巻線５００及び２次巻線５０１を経由してチョークインプット方式の２次側整流平滑回路４００に伝達し、負荷１へ電力供給するにあたり、負荷への出力電圧Ｖoutに過電圧が発生した場合、巻数に対応させて過電圧の発生を２次巻線とは異なる電圧レベルで検出可能なスイッチングトランスの補助巻線５０２にて受電される。また、過電圧の発生により補助巻線の電圧レベルが上昇すると、制御ＩＣ３４０の電源端子Ｐ340cには、補助電源整流平滑回路３０１からの直流電圧が電力供給され、トランジスタ３０２のスイッチング動作をラッチ制御して停止させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に係り、特に、過電圧の発生から負荷を保護することができる過電圧保護機能を備えたスイッチング電源装置に関する。

従来から、この種のスイッチング電源装置として、一次側に過電圧が入力されたときに、トランスの飽和と一次側回路素子の耐圧ストレスの増大とを共に抑制することができる電源装置が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。

この電源装置によれば、制御回路の起動後、その制御回路の電源となる補助巻線に過電圧が印加されると、この過電圧を、過電圧保護回路の制御により、制御回路が動作を継続せしめる動作電圧以下にクランプさせるので、制御回路の動作を停止させることができる。

特開平６−９０５６１号公報

背景技術に記載した特許文献１の電源装置によれば、一次側にて補助巻線の直流電圧の整流・平滑を行い、過電圧の発生時に制御回路の動作を停止させる過電圧保護回路の構成、及び二次側にて二次巻線の直流電圧の整流・平滑を行う回路の構成は同一であり、整流作用を有するダイオードの後部に、平滑作用を有するコンデンサを並列に設けるコンデンサインプット方式の回路構成が適用されており、この態様によれば、出力電圧を高く確保できる利点を有する一方、負荷の動作に伴う電圧レベルの変動が大きい難点があった。

また、背景技術に記載した特許文献１の電源装置とは別途の従来例として、例えば、二次側にて検出された過電圧の発生を、一次側及び二次側の間を絶縁する態様のフォトカプラを利用して一次側にて検出させることもできる。この態様によれば、フォトカプラの使用によって経年劣化を発生する虞があり、安全かつ確実に過電圧の発生から負荷を保護できない可能性があるばかりでなく、その回路構成が煩雑となる虞があった。

本発明は、これらの難点を解消するためになされたもので、複雑な回路構成を必要とせず、負荷の動作に伴う電圧レベルの変動が低く抑えられた状態で、安全かつ確実に過電圧の発生から負荷を保護することができるスイッチング電源装置を提供することを目的としている。

前述の目的を達成するため、本発明の第１の態様であるスイッチング電源装置は、ダイオードブリッジ及びコンデンサにより交流電圧を直流電圧に変換するための１次側整流平滑回路と、１次側の直流電圧の電力を２次側へ伝達するための１次巻線及び２次巻線、１次巻線へのスイッチング動作を制御するための動作電圧を電力供給する補助巻線を有するスイッチングトランスと、スイッチングトランスの１次巻線のスイッチング動作を行うためのトランジスタと、スイッチングトランスの補助巻線の電圧を直流電圧に整流・平滑するための補助電源整流平滑回路と、スイッチングトランスの２次巻線の電圧を直流電圧に整流・平滑して負荷へ電力供給するための２次側整流平滑回路と、２次側整流平滑回路からの直流電圧を検出するための電圧検出回路と、電圧検出回路にて検出された直流電圧をフィードバック端子に入力しトランジスタのスイッチング動作を行うとともに、補助電源整流平滑回路からの電力供給が印加される電源端子の電圧レベルに過電圧が発生したとき、トランジスタのスイッチング動作を停止させて過電圧の発生から負荷を保護するための制御ＩＣとを備えている。

また、本発明の第２の態様であるスイッチング電源装置は、本発明の第１の態様において、２次側整流平滑回路及び補助電源整流平滑回路はそれぞれ、チョークインプット方式で回路構成されている。制御ＩＣの電源端子には、スイッチングトランスの補助巻線の巻数Ｎ502及び２次巻線の巻数Ｎ501の「Ｎ502／Ｎ501」の値に対応させた電圧レベルの直流電圧が電力供給されるものである。

本発明のスイッチング電源装置によれば、交流電源からの交流電圧を整流・平滑する１次側整流平滑回路からの直流電圧を、スイッチングトランスの１次巻線及び２次巻線を経由してチョークインプット方式の２次側整流平滑回路に伝達し、この２次側整流平滑回路から負荷へ電力供給するにあたり、負荷への出力電圧に過電圧が発生した場合、この過電圧は、巻数に対応させて過電圧の発生を２次巻線とは異なる電圧レベルで検出可能なスイッチングトランスの補助巻線にて受電される。また、過電圧の発生により補助巻線の電圧レベルが上昇すると、制御ＩＣの電源端子には、チョークインプット方式の補助電源整流平滑回路からの直流電圧が電力供給され、トランジスタのスイッチング動作をラッチ制御して停止させることができる。これにより、複雑な回路構成を必要とせず、負荷の動作に伴う電圧レベルの変動が低く抑えられた状態で、完全かつ確実に過電圧の発生から負荷を保護することができる。

以下、本発明のスイッチング電源装置を適用した最良の実施の形態例について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例によるスイッチング電源装置の具体的な構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置には、家電機器等の負荷１と、交流電源（商用電源）２と、交流電源２からの交流電圧Ｖinが印加され、印加された交流電圧Ｖinを直流電圧に変換するための電源入力制御部３と、負荷１を動作（駆動）させる出力電圧Ｖoutを生成するための電源出力制御部４と、１次側である電源入力制御部３及び２次側である電源出力制御部４の間を絶縁し、１次側の直流電圧（の電力）を２次側へ伝達するためのスイッチングトランス５と、負荷１が接続される２つの端子（以下、それぞれ出力端子、ＧＮＤ端子という。）Ｐ1、Ｐ2とが設けられている。

スイッチングトランス５には、１次側である電源入力制御部３からの直流電圧を２次側である電源出力制御部４に伝達するための１次巻線５００及び２次巻線５０１と、１次巻線５００へのスイッチング動作を制御するための動作電圧を電力供給する補助巻線５０２とが備えられている。ここで、２次巻線５０１及び補助巻線５０２は、それぞれの巻数を「Ｎ501」、「Ｎ502」とすると、例えば、「Ｎ501＝１５ターン」、「Ｎ502＝３ターン」のように設けられている。

また、電源入力制御部３には、交流電源２からの交流電圧Ｖinを整流・平滑して直流電圧に変換するための１次側整流平滑回路３００と、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５０２からの電圧を直流電圧に整流・平滑するための補助電源整流平滑回路３０１と、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５０２からの電力供給に基づいて、１次巻線５００のスイッチング動作を行うための（ＮＰＮ型の）トランジスタ３０２と、補助電源整流平滑回路３０１からの電力供給による直流電圧の電圧レベルを検出するための補助電源電圧比較回路３０３と、後述するフォトカプラＰＣによるフィードバックをもとに、トランジスタ３０２のスイッチング動作、すなわち、オン状態又はオフ状態の切り替えを制御するためのスイッチング制御回路３０４とが備えられている。

この電源入力制御部３において、１次側整流平滑回路３００は、ダイオードブリッジＤＢ、コンデンサＣ1を有している。また、補助電源整流平滑回路３０１は、チョークインプット方式で回路構成され、ダイオードＤ1、Ｄ2、コンデンサＣ2、コイル（インダクタンス）Ｌ1を有している。また、補助電源電圧比較回路３０３は、抵抗Ｒ1、Ｒ2、ツェナーダイオードＺＤを有している。さらに、スイッチング制御回路３０４は、フォトカプラＰＣを構成する（ＮＰＮ型の）トランジスタ（以下、受光トランジスタという。）Ｑ1、制御ＩＣ３４０を有している。

電源入力制御部３の具体的な接続の態様として、１次側整流平滑回路３００を構成するダイオードブリッジＤＢの整流側の一方及び他方間には、交流電源２が並列接続されている。また、ダイオードブリッジＤＢの（＋）端子及び（−）端子の両端子間には、コンデンサＣ1が並列接続されている。また、ダイオードブリッジＤＢの（＋）端子には、スイッチングトランス５を構成する１次巻線５００（の両端）を経由してトランジスタ３０２のコレクタが接続されており、このトランジスタ３０２のエミッタには、基準電位点が接続されている。また、ダイオードブリッジＤＢの（＋）端子及びスイッチングトランス５を構成する１次巻線５００の間には、補助電源電圧比較回路３０３を構成する抵抗Ｒ1、補助電源整流平滑回路３０１を構成するコンデンサＣ2を経由して基準電位点が接続されている。さらに、トランジスタ３０２のベースには、スイッチング制御回路３０４を構成する制御ＩＣ３４０の制御出力端子Ｐ340aが接続されている。

スイッチング制御回路３０４を構成する制御ＩＣ３４０のフィードバック端子Ｐ340bには、フォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1のコレクタが接続されており、この受光トランジスタＱ1のエミッタには、基準電位点が接続されている。また、制御ＩＣ３４０の電源端子Ｐ340cには、補助電源整流平滑回路３０１を構成するコイルＬ1、ダイオードＤ1のカソード及びアノード、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５０２（の両端）を経由して基準電位点が接続されている。また、制御ＩＣ３４０の電源端子Ｐ340c及び基準電位点間には、コイルＬ1を経由してダイオードＤ2、コンデンサＣ2がそれぞれ並列接続されている。また、制御ＩＣ３４０の制御入力端子Ｐ340dには、ツェナーダイオードＺＤのアノード及びカソード、抵抗Ｒ2を経由して抵抗Ｒ1が接続されている。

さらに、電源出力制御部４には、スイッチングトランス５を構成する１次巻線５００から誘起された後、２次巻線５０１にて受電される直流電圧を整流・平滑して出力電圧Ｖoutを生成し、負荷１へ電力供給するための２次側整流平滑回路４００と、２次側整流平滑回路４００からの直流電圧（の電圧レベル）を検出するための電圧検出回路４０１とが備えられている。

この電源出力制御部４において、２次側整流平滑回路４００は、ダイオードＤ3、Ｄ4、コンデンサＣ3、コイル（インダクタ）Ｌ2を有している。また、電圧検出回路４０１は、抵抗Ｒ3、Ｒ4、Ｒ5、Ｒ6、フォトカプラＰＣを構成するダイオード（以下、発光ダイオードという。）Ｄ5、シャントレギュレータＳＲを有している。

電源出力制御部４の具体的な接続の態様として、２次側整流平滑回路４００を構成するダイオードＤ3のアノードには、スイッチングトランス５を構成する２次巻線５０１（の両端）を経由して基準電位点が接続されており、このダイオードＤ3のカソードには、コイルＬ2を経由して出力端子Ｐ1が接続されている。また、ダイオードＤ3のカソード及びコイルＬ2間には、ダイオードＤ4が並列接続されている。また、コイルＬ2及び出力端子Ｐ1間には、コンデンサＣ3が並列接続されているとともに、電圧検出回路４０１を構成する抵抗Ｒ5、Ｒ6を経由して基準電位点が接続されている。さらに、２次巻線５０１の他端及びＧＮＤ端子Ｐ2間には、基準電位点が接続されている。

電圧検出回路４０１において、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ5のアノードは、抵抗Ｒ3を経由して２次側整流平滑回路４００を構成するコイルＬ2及び出力端子Ｐ1間に接続されている。また、発光ダイオードＤ5のカソード及びシャントレギュレータＳＲのカソード間は、抵抗Ｒ4を経由して２次側整流平滑回路４００を構成するコイルＬ2及び出力端子Ｐ1間に接続されている。また、シャントレギュレータＳＲのリファレンスは、直列接続された抵抗Ｒ5、Ｒ6間に接続されており、出力端子Ｐ1の電位を分圧して当該シャントレギュレータのリファレンスに供給している。さらに、シャントレギュレータＳＲのアノードには、基準電位点が接続されている。

このように構成された本発明の実施例によるスイッチング電源装置において、以下、具体的な動作について説明する。

図１に示すスイッチング電源装置において、電源入力制御部３の１次側整流平滑回路３００を構成するダイオードブリッジＤＢの整流側の一方及び他方の両端間に、交流電源２からの交流電圧Ｖinが印加されると、この交流電圧Ｖinは、ダイオードブリッジＤＢを経由して整流された後、コンデンサＣ1を経由して平滑されることにより、直流電圧が生成される。また、前述の直流電圧が生成されると、電源入力制御部３を構成する制御ＩＣ３４０が起動し、制御ＩＣ３４０の制御出力端子Ｐ340aからトランジスタ３０２にベース電流が電力供給され、このトランジスタ３０２がオン状態となり、スイッチングトランス５を構成する１次巻線５００に直流電圧が印加されるため、１次巻線５００から誘起された（＋）電圧が２次巻線５０１、補助巻線５０２にそれぞれ発生する。

また、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５０２に発生した（＋）電圧の電圧レベルは、当該補助巻線の巻数Ｎ502及び２次巻数５０１の巻数Ｎ501の「Ｎ502／Ｎ501」の値に対応させた当該２次巻線に発生した（＋）電圧の電圧レベルよりも低いレベルであり、電源入力制御部３の補助電源整流平滑回路３０１を構成するダイオードＤ1を導通させ、このダイオードＤ1、コイルＬ1、コンデンサＣ2の経路で整流・平滑された後、制御ＩＣ３４０の電源端子Ｐ340cに電力供給される。このような電力供給が行われると、制御ＩＣ３４０は、当該制御ＩＣにて予め設定されている一定の周期で制御出力端子Ｐ340aにパルス状の電圧を発生させ、トランジスタ３０２をオン状態又はオフ状態に切り替えることができる。

ここで、補助電源整流平滑回路３０１は、チョークインプット方式の回路構成であるため、制御ＩＣ３４０の動作に伴う電圧レベルの変動を低く抑えることができる。

さらに、スイッチングトランス５において、２次巻線５０１に発生した（＋）電圧は、電源出力制御部４の２次側整流平滑回路４００を構成するダイオードＤ3を導通させ、このダイオードＤ3、コイルＬ2、コンデンサＣ3の経路で整流・平滑された後、出力端子Ｐ1から負荷１へ電力供給されることになる。

ここで、２次側整流平滑回路４００は、前述の補助電源整流平滑回路３０１と同様、チョークインプット方式の回路構成であるため、負荷１の動作に伴う電圧レベルの変動を低く抑えることができる。

次に、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０４を構成する制御ＩＣ３４０にて予め設定されている一定の周期の経過後において、トランジスタ３０１がオフ状態になると、スイッチングトランス５を構成する１次巻線５００から誘起された（−）電圧が２次巻線５０１、補助巻線５０２にそれぞれ発生し、電源出力制御部４の２次側整流平滑回路４００を構成するダイオードＤ3には逆電圧が加わるためにダイオードＤ3は導通せず、コイルＬ2、コンデンサＣ3、ダイオードＤ4の経路で整流・平滑された後、出力端子Ｐ1から負荷１へ電力供給されることになる。

ここで、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５０２に（−）電圧が発生すると、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０２を構成するダイオードＤ1には逆電圧が加わるためダイオードＤ1は導通せず、コイルＬ1に蓄えられたエネルギーでコンデンサＣ1を充電することにより、制御ＩＣ３４０の動作電圧が電源端子Ｐ340cに電力供給される。このような電力供給が行われると、制御ＩＣ３４０は、一定の周期で制御出力端子Ｐ340aにパルス状の電圧を発生させ、トランジスタ３０２を再度オン状態にさせることより、スイッチング動作を繰り返すことができる。

次に、前述のように整流・平滑される直流電圧であり出力端子Ｐ1（及びＧＮＤ端子Ｐ2）から負荷１へ電力供給される出力電圧Ｖoutの電圧レベルは、電源出力制御部４の電圧検出回路４０１を構成する抵抗Ｒ5、Ｒ6により設定される。ここで、出力電圧Ｖoutが上昇した場合には、シャントレギュレータＳＲが電流を引き込み、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ5に電流を流すことにより、（電源入力制御部３の）スイッチング制御回路３０４のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1をオン状態にすることで制御ＩＣ３４０のフィードバック端子Ｐ340bの端子電圧が低下し、制御出力端子Ｐ340aに発生するパルス状の電圧のオン幅が小さくなり、出力電圧Ｖoutの電圧レベルを低下させて定電圧制御を行うことができる。

一方、出力電圧Ｖoutが低下した場合には、電源出力制御部４の電圧検出回路４０１を構成するシャントレギュレータＳＲが電流を引き込まず、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ5に電流を流さないことにより、（電源入力制御部３の）スイッチング制御回路３０４のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1をオフ状態にすることで、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０４を構成する制御ＩＣ３４０のフィードバック端子Ｐ340bの端子電圧が上昇し、制御出力端子Ｐ340aに発生するパルス状の電圧のオン幅が大きくなり、出力電圧Ｖoutの電圧レベルを上昇させて定電圧制御を行うことができる。

次に、出力端子Ｐ1及びＧＮＤ端子Ｐ2にそれぞれ接続される負荷１にて故障、破損等が発生する等の理由で、出力電圧Ｖoutが上昇して過電圧になった場合、この過電圧は、スイッチングトランス５を構成する２次巻線５０１から誘起された後、補助巻線５０２に発生する。

また、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５０２に発生した過電圧の電圧レベルは、当該補助巻線の巻数Ｎ502及び２次巻数５０１の巻数Ｎ501の「Ｎ502／Ｎ501」の値に対応させた当該２次巻線に発生した（＋）電圧の電圧レベルよりも低いレベルであり、電源入力制御部３の補助電源整流平滑回路３０１を構成するダイオードＤ1を導通させ、このダイオードＤ1、コイルＬ1、コンデンサＣ2の経路で整流・平滑された後、制御ＩＣ３４０の電源端子Ｐ340cに電力供給されることになる。

ここで、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３０４を構成する制御ＩＣ３４０の電源端子Ｐ340cに電力供給された過電圧の電圧レベルは、制御入力端子Ｐ340dにて検出される補助電源電圧比較回路３０３を構成するツェナーダイオードＺＤに予め設定されている閾値のツェナー電圧よりも高くなる。これを検出した制御ＩＣ３４０は、トランジスタ３０２のスイッチング動作をラッチ制御して停止させることができる。この制御により、スイッチングトランス５を構成する２次巻線５０１に発生する過電圧は、所定の電圧レベル以上で負荷１へ電力供給されることはないため、安全かつ確実に過電圧の発生から負荷１を保護することができる。

前述までの説明から明らかなように、本発明のスイッチング電源装置によれば、交流電源２からの交流電圧Ｖinを整流・平滑する１次側整流平滑回路３００からの直流電圧を、スイッチングトランス５の１次巻線５００及び２次巻線５０１を経由してチョークインプット方式の２次側整流平滑回路４００に伝達し、この２次側整流平滑回路４００から負荷１へ電力供給するにあたり、負荷１への出力電圧Ｖoutに過電圧が発生した場合、この過電圧は、巻数に対応させて過電圧の発生を２次巻線５０１とは異なる電圧レベルで検出可能なスイッチングトランスの補助巻線５０２にて受電される。また、過電圧の発生により補助巻線５０２の電圧レベルが上昇すると、制御ＩＣ３４０の電源端子Ｐ340cには、チョークインプット方式の補助電源整流平滑回路３０１からの直流電圧が電力供給され、トランジスタ３０２のスイッチング動作をラッチ制御して停止させることができる。これにより、複雑な回路構成を必要とせず、負荷１の動作に伴う電圧レベルの変動が低く抑えられた状態で、完全かつ確実に過電圧の発生から負荷１を保護することができる。

なお、本発明のスイッチング電源装置においては、特定の実施の形態をもって説明してきたが、この形態に限定されるものでなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られた如何なる構成のスイッチング電源装置であっても採用できるということはいうまでもないことである。

本発明の実施例によるスイッチング電源装置の具体的な構成を示す回路図。

符号の説明

１……負荷
３００……１次側整流平滑回路
ＤＢ……ダイオードブリッジ
Ｃ1……コンデンサ
３０１……補助電源整流平滑回路
３０２……トランジスタ
３４０……制御ＩＣ
Ｐ340b……フィードバック端子
Ｐ340c……電源端子
４００……２次側整流平滑回路
４０１……電圧検出回路
５……スイッチングトランス
５００……１次巻線
５０１……２次巻線
５０２……補助巻線
Ｎ501……２次巻線の巻数
Ｎ502……補助巻線の巻数

Claims (2)

1. ダイオードブリッジ（ＤＢ）及びコンデンサ（Ｃ1）により交流電圧を直流電圧に変換するための１次側整流平滑回路（３００）と、
   １次側の直流電圧の電力を２次側へ伝達するための１次巻線（５００）及び２次巻線（５０１）、前記１次巻線へのスイッチング動作を制御するための動作電圧を電力供給する補助巻線（５０２）を有するスイッチングトランス（５）と、
   前記スイッチングトランスの前記１次巻線のスイッチング動作を行うためのトランジスタ（３０２）と、
   前記スイッチングトランスの前記補助巻線の電圧を直流電圧に整流・平滑するための補助電源整流平滑回路（３０１）と、
   前記スイッチングトランスの前記２次巻線の電圧を直流電圧に整流・平滑して負荷（１）へ電力供給するための２次側整流平滑回路（４００）と、
   前記２次側整流平滑回路からの直流電圧を検出するための電圧検出回路（４０１）と、
   前記電圧検出回路にて検出された前記直流電圧をフィードバック端子（Ｐ340b）に入力し前記トランジスタのスイッチング動作を行うとともに、前記補助電源整流平滑回路からの電力供給が受電される電源端子（Ｐ340c）の電圧レベルに過電圧が発生したとき、前記トランジスタのスイッチング動作を停止させて前記過電圧の発生から前記負荷を保護するための制御ＩＣ（３４０）とを備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記２次側整流平滑回路及び前記補助電源整流平滑回路はそれぞれ、チョークインプット方式で回路構成され、
   前記制御ＩＣの前記電源端子には、前記スイッチングトランスの前記補助巻線の巻数（Ｎ502）及び前記２次巻線の巻数（Ｎ501）の「Ｎ502／Ｎ501」の値に対応させた電圧レベルの直流電圧が電力供給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。

Images