JP2010041912A - Switching power supply apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング電源装置に関し、特にコモンモードノイズを低減し得るスイッチング電源装置に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a switching power supply device that can reduce common mode noise.
この種のスイッチング電源装置として、下記の特許文献1に開示されているスイッチング電源装置(DC−DCコンバータ。構成の概要は図5参照)が知られている。このスイッチング電源装置51では、図5に示すように、絶縁形のトランス52の一次巻線52aと二次巻線52bとの間に存在している浮遊容量Csが、トランス52の一次巻線52aを駆動するスイッチング素子(例えばトランジスタ)53のスイッチング作用により、繰り返し充放電される。これにより、一次巻線52aと二次巻線52bとの間にスイッチング周波数を基本波とするノイズ電圧が発生し、このノイズ電圧が、トランス52の一次巻線側(スイッチング電源装置の一次側)と二次巻線側(スイッチング電源装置の二次側)との間のコモンモードノイズ源となる。このコモンモードノイズは、トランス52の二次側に接続された整流回路54および平滑回路55を介して生成される直流電圧Voutの供給を受けて作動する外部回路(図示せず)に対して悪影響を与える。このため、通常は、このスイッチング電源装置51のように、トランス52の一次側と二次側との間(図5では、一次巻線52aの一端と二次側の基準電位(二次側グランド)との間)に数10nF〜数100nFのコンデンサ56を接続して、コモンモードノイズを抑制している。また、図示はしないが、この特許文献1には、コンデンサ56に対してコイルを直列に接続し、この直列回路をトランス52の一次側と二次側との間に接続する構成についても開示されている。
As this type of switching power supply, a switching power supply (DC-DC converter, see FIG. 5 for the outline of the configuration) disclosed in
ところが、上記のスイッチング電源装置には、以下の解決すべき課題がある。すなわち、このスイッチング電源装置では、コモンモードノイズの抑制量を増加させるために一次側と二次側との間に接続されたコンデンサ56の静電容量値を大きくする必要性が生じる場合があるが、この場合には一次側と二次側との間の交流的なインピーダンスが低下するため、一次側と二次側との絶縁状態が悪化するという課題が存在している。また、コンデンサ56にコイルを直列に接続する上記構成においても、コモンモードノイズを低減させるべく直列共振させたときには、一次側と二次側との間のインピーダンスが理論的にはゼロとなり、やはり絶縁状態が悪化することになる。なお、この課題に対して、特許第3294251号公報に開示されたスイッチング電源装置のように、トランスの二次側整流出力と二次側の基準電位(二次側グランド)との間に2つの抵抗を直列接続した状態で配置し、各抵抗の接続点とトランスの一次側の基準電位(一次側グランド)との間にコンデンサを配置する構成を採用することも考えられるが、この構成では、生成された直流電圧が二次側に配設された上記2つの抵抗によって消費される結果、トランスやスイッチング素子での損失が増大する結果、電源装置の電源変換効率が低下するという課題が新たに発生する。
However, the above switching power supply device has the following problems to be solved. That is, in this switching power supply device, there is a case where it is necessary to increase the capacitance value of the
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、一次側と二次側との間の絶縁状態を維持すると共に電源変換効率の低下を回避しつつ、コモンモードノイズを抑制し得るスイッチング電源装置を提供することを主目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and is capable of suppressing common mode noise while maintaining an insulation state between the primary side and the secondary side and avoiding a decrease in power conversion efficiency. The main purpose is to provide a power supply.
上記目的を達成すべく請求項1記載のスイッチング電源装置は、一端に入力直流電圧が印加される一次巻線と二次巻線とを有するトランス、前記一次巻線の他端に接続されたスイッチング素子、および前記二次巻線の両端に接続されて当該二次巻線から出力される交流電圧を整流して直流電圧を生成する整流平滑回路を有するスイッチング電源装置であって、前記一次巻線の前記他端と当該一次巻線側の一次側基準電位に規定された部位との間に直列に接続された複数の抵抗と、当該複数の抵抗のうちの2つ同士の接続点に一端が接続され、前記二次巻線側の二次側基準電位に規定された部位に他端が接続されたコンデンサとを備えている。
To achieve the above object, a switching power supply according to
また、請求項2記載のスイッチング電源装置は、請求項1記載のスイッチング電源装置において、前記接続点と前記一次側基準電位との間に接続されたサージ吸収素子を備えている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the switching power supply device according to the first aspect, further comprising a surge absorbing element connected between the connection point and the primary side reference potential.
請求項1記載のスイッチング電源装置では、トランスの一次巻線の他端と一次側基準電位に規定された部位との間に直列に接続された複数の抵抗で構成される抵抗群を接続し、かつこの複数の抵抗のうちの2つ同士(2つの抵抗)の接続点と二次側基準電位に規定された部位との間にコンデンサを接続したことにより、トランスの一次側と二次側との間の絶縁状態をこの2つの抵抗で所定の抵抗値以上に維持しつつ、複数の抵抗で分圧された交流電圧成分をコンデンサを介して二次側基準電位に供給することで、トランスの二次巻線側に発生するコモンモードノイズの電圧レベルを低減することができる。また、抵抗群の各抵抗の抵抗値を調整することにより、コンデンサを介して二次側基準電位に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調できるため、コモンモードノイズの電圧レベル(振幅)を極めて低いレベルに抑制することができる。また、コモンモードノイズの電圧レベルを低減させるための抵抗群がトランスの一次巻線に接続される構成のため、従来例とは異なり、生成した直流電圧が抵抗群によって消費されない。したがって、その分のトランスやスイッチング素子での損失を回避することができる結果、抵抗群の接続に起因するスイッチング電源装置における電源変換効率の低下を回避することができる。
In the switching power supply device according to
また、請求項2記載のスイッチング電源装置では、接続点と一次側基準電位との間にサージ吸収素子が接続されているため、トランスの一次側と二次側との間に過渡的な大きなコモンモードノイズが発生した場合であっても、このコモンモードノイズはサージ吸収素子で吸収される。このため、このスイッチング電源装置によれば、複数の抵抗のうちの接続点と一次側基準電位との間に接続されている抵抗、つまりサージ吸収素子と並列に接続されている抵抗に加わる電気的なストレスを低減することができ、これによって、このストレスに起因した抵抗の劣化を確実に防止することができる。
In the switching power supply device according to
以下、スイッチング電源装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a switching power supply device will be described with reference to the accompanying drawings.
最初に、スイッチング電源装置1の構成について、図面を参照して説明する。
First, the configuration of the switching
スイッチング電源装置1は、一例として、図1に示すように、トランス2、第1スイッチング素子3、第2スイッチング素子4、整流平滑回路5、互いに直列に接続された複数の抵抗で構成される抵抗群6、およびコンデンサ7を備え、回路方式がプッシュプル方式のスイッチング電源として構成されて、入力直流電圧Vinに基づいて、この入力直流電圧Vinと電気的に絶縁された正電圧+Voutおよび負電圧−Vout(それぞれ直流電圧)を生成する。
For example, as shown in FIG. 1, the switching
トランス2は、図1に示すように、巻線11および巻線12の各一端同士が接続されて、この各一端がセンタータップ(中点)Aとして構成された一次巻線13と、巻線14および巻線15の各一端同士が接続されて、この各一端がセンタータップ(中点)Bとして構成された二次巻線16とを備えている。また、トランス2では、各巻線11,12,14,15は、図1において黒丸で示す極性でコアに巻回されている。また、一次巻線13と二次巻線16とは互いに電気的に絶縁されているが、相互間には浮遊容量Cs(例えば、数10pF〜数100pF)が存在している。また、一次巻線13のセンタータップA(各巻線11,12の一端)には、一次側基準電位G1(一次側グランド)との間に所定電圧の入力直流電圧Vinが印加される。
As shown in FIG. 1, the
第1スイッチング素子3および第2スイッチング素子4は、一例としてトランジスタ(バイポーラ型トランジスタまたは電界効果型トランジスタ)で構成されている。この場合、第1スイッチング素子3は、図1に示すように、一次巻線13を構成する巻線11の他端A1と一次側基準電位G1との間に接続されている。また、第2スイッチング素子4は、一次巻線13を構成する巻線12の他端A2と一次側基準電位G1との間に接続されている。また、各スイッチング素子3,4は、位相が互いに180°ずれた駆動信号S1,S2(ディーティ比が共に約0.5のパルス信号)でそれぞれ駆動されて、一方がオン状態のときに他方がオフ状態となるスイッチング動作(交互に同じ時間だけオン状態となるスイッチング動作)を繰り返し実行する。
The
整流平滑回路5は、一例として図1に示すように、整流素子(本例ではダイオード)21,22およびコンデンサ23,24を備えて構成されている。この場合、ダイオード21は、そのアノード端子が二次巻線16を構成する巻線14の他端B1に接続され、ダイオード22は、そのカソード端子が二次巻線16を構成する巻線15の他端B2に接続されている。また、コンデンサ23は、一端がダイオード21のカソード端子に接続され、他端が二次側基準電位G2(二次側グランド)に接続されている。また、コンデンサ24は、一端がダイオード22のアノード端子に接続され、他端が二次側基準電位G2に接続されている。
As an example, the rectifying / smoothing circuit 5 includes rectifying elements (diodes in this example) 21 and 22 and
抵抗群6は、図1に示すように、直列接続された複数の抵抗(本例では一例として直列接続された2つの抵抗31,32)で構成されて、一次巻線13を構成する巻線11の他端A1と一次側基準電位G1との間に接続されている。各抵抗31,32の抵抗値は、コンデンサ7の静電容量に対応させて変更する必要があるが、通常は、巻線11の他端A1に発生する交流電圧成分に対してトランス2の二次側に発生するコモンモードノイズのレベルが小さい。このため、例えば、抵抗32の抵抗値は、数百オーム〜数キロオーム程度の高い値とし、抵抗31の抵抗値は、抵抗32の抵抗値の数十倍から数百倍の大きさ(本例では100倍)に規定される。コンデンサ7は、一端が抵抗31,32の接続点C(複数の抵抗のうちの2つ同士の接続点)に接続され、他端が二次側基準電位G2に接続されている。また、抵抗群6の合計抵抗値とコンデンサ7の静電容量値は、一次側基準電位G1を基準とした二次側基準電位G2の電圧レベルの揺れを抑制し、かつトランス2の一次側と二次側との間の絶縁状態(絶縁抵抗値)を所定の抵抗値以上に維持し得るように適宜設定される。本例では一例として、上記した浮遊容量Csの静電容量に対応させて、コンデンサ7の静電容量値を数10pF〜数100pFの範囲内で規定し、規定したコンデンサ7の静電容量値に対応させて抵抗群6の合計抵抗値を規定する。
As shown in FIG. 1, the
次に、スイッチング電源装置1の動作について説明する。
Next, the operation of the switching
入力直流電圧Vinがトランス2に印加されている状態において、各スイッチング素子3,4に駆動信号S1,S2が供給されると、各スイッチング素子3,4は交互にオン状態となる上記のスイッチング動作を繰り返す。これにより、トランス2の二次巻線16には電圧が誘起され、この誘起された電圧を整流平滑回路5が整流・平滑することにより、二次側基準電位G2を基準として正の電圧となる正電圧+Voutと、二次側基準電位G2を基準として負の電圧となる負電圧−Voutが生成される。
In the state where the input DC voltage Vin is applied to the
この場合、各スイッチング素子3,4が所定のスイッチング周波数でスイッチング動作を繰り返すことにより、トランス2の一次巻線13と二次巻線16との間に存在している浮遊容量Csがスイッチング動作の周期で繰り返し充放電される。このため、トランス2の一次巻線13と二次巻線16との間には、上記のスイッチング周波数を基本波とするノイズ電圧が発生する。一方、各スイッチング素子3,4のスイッチング動作により、一次巻線13の各端部A1,A2にも、上記のノイズ電圧と同様にして、上記のスイッチング周波数を基本波とする交流電圧成分が一次側基準電位G1を基準として発生する。抵抗群6を構成する抵抗31,32は、この交流電圧成分を分圧して、コンデンサ7を介して二次側基準電位G2に供給する。一次巻線13の各端部A1,A2に発生する交流電圧成分は、上記のノイズ電圧と同じ周波数の基本波で構成され、かつ位相もほぼ同じであるため、この交流電圧成分が分圧されてコンデンサ7から二次側基準電位G2に供給されることにより、一次側基準電位G1を基準とした二次側基準電位G2の電圧レベルの揺れが抑制される。また、トランス2の一次側と二次側との間をコンデンサ7や、コンデンサおよびインダクタで構成される直列共振回路で直接接続する従来の構成とは異なり、抵抗群6を構成する抵抗31,32を介して接続する構成のため、トランス2の一次側と二次側との間の絶縁状態が抵抗31,32によって所定の抵抗値以上に確実に維持される。
In this case, the
さらに、各抵抗31,32の抵抗値を調整することにより、コンデンサ7を介して二次側基準電位G2に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調整可能となっている。このため、コモンモードノイズの電圧レベル(振幅)を極めて低レベルな状態にまで抑制可能となっている。具体的には、トランス2の一次側と二次側との間をコンデンサ7のみで接続した構成では、トランス2の二次巻線16側に発生するコモンモードノイズ(一次側基準電位G1を基準としたときの二次側基準電位G2)の電圧レベルが図3に示すように高い状態(約50mVp−p)になるが、抵抗群6とコンデンサ7とを使用するスイッチング電源装置1では、各抵抗31,32の抵抗値を調整することにより、図4に示すようにコモンモードノイズの電圧レベルをほぼゼロの状態にまで低減することが可能となる。なお、図3,4のデータを取得した試験回路の各構成要素の諸元は以下の通りである。
トランス2の巻線:一次側 各10ターン、二次側 各5ターン
入力直流電圧Vin:12V
正電圧+Vout:6V
負電圧−Vout:−6V
スイッチング周波数:120kHz
コンデンサ7の容量:100pF
測定機器:波形記録計(8870メモリハイコーダ 日置電機株式会社製)
測定箇所:一次側基準電位G1を基準とした二次側基準電位G2の電位
Furthermore, by adjusting the resistance values of the
Winding of transformer 2: 10 turns for each primary side, 5 turns for each secondary side Input DC voltage Vin: 12V
Positive voltage + Vout: 6V
Negative voltage -Vout: -6V
Switching frequency: 120 kHz
Measuring instrument: Waveform recorder (manufactured by 8870 Memory HiCorder Hioki Electric Co., Ltd.)
Measurement location: potential of secondary side reference potential G2 with reference to primary side reference potential G1
このように、このスイッチング電源装置1によれば、トランス2における一次巻線13の一方の端部(巻線11の他端A1)と一次側基準電位G1に規定された部位との間に直列に接続された抵抗31,32で構成される抵抗群6を接続し、かつ各抵抗31,32の接続点と二次側基準電位G2に規定された部位との間にコンデンサ7を接続したことにより、トランス2の一次側と二次側との間の絶縁状態を抵抗31,32で所定の抵抗値以上に維持しつつ、抵抗31,32で分圧された交流電圧成分をコンデンサ7を介して二次側基準電位G2に供給することで、トランス2の二次巻線16側に発生するコモンモードノイズの電圧レベルを低減することができる。また、各抵抗31,32の抵抗値を調整することにより、コンデンサ7を介して二次側基準電位G2に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調できるため、コモンモードノイズの電圧レベル(振幅)を極めて低いレベルに抑制することができる。また、コモンモードノイズの電圧レベルを低減させるための抵抗群6がトランス2の一次巻線13に接続される構成のため、生成した正電圧+Voutおよび負電圧−Voutが抵抗群6で消費されない。したがって、その分のトランス2やスイッチング素子3,4での損失を回避することができる結果、抵抗群6の接続に起因するスイッチング電源装置1における電源変換効率の低下を回避することができる。
As described above, according to the switching
なお、上記のスイッチング電源装置1では、一次巻線13を構成する巻線11の他端A1と一次側基準電位G1との間に抵抗群6を接続する構成を採用しているが、一次巻線13を構成する巻線12の他端A2と一次側基準電位G1との間に抵抗群6を接続する構成を採用することもできる。また、抵抗群6を2つの抵抗31,32で構成したが、3つ以上の抵抗の直列回路で構成することもできる。また、抵抗群6に可変抵抗器を設け、微調整可能な構成を採用することもできる。
In the switching
また、プッシュプル方式のスイッチング電源装置1に適用した例について上記したが、図2に示すように、シングルエンド方式のスイッチング電源装置1Aに適用することもできる。以下、このスイッチング電源装置1Aについて説明する。なお、スイッチング電源装置1と同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
Moreover, although the example applied to the push-pull type switching
スイッチング電源装置1Aは、一例として、図2に示すように、トランス2A、1つのスイッチング素子(本例では第2スイッチング素子4)、整流平滑回路5A、抵抗群6およびコンデンサ7を備え、入力直流電圧Vinに基づいて、この入力直流電圧Vinと電気的に絶縁された正電圧および負電圧のうちのいずれか一方(本例では一例として正電圧+Vout)を生成する。
As shown in FIG. 2, the switching
具体的には、トランス2Aは、図2に示すように、1つの巻線12で構成された一次巻線13Aと、1つの巻線14で構成された二次巻線16Aとを備えている。また、トランス2では、各巻線12,14は、黒丸で示す極性でコアに巻回されている。また、一次巻線13Aと二次巻線16Aとは互いに電気的に絶縁されているが、相互間には浮遊容量Cs(例えば、数10pF〜数100pF)が存在している。また、巻線12の一端Aには、一次側基準電位G1(一次側グランド)に対して所定電圧の入力直流電圧Vinが印加される。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
第2スイッチング素子4は、一次巻線13を構成する巻線12の他端A2と一次側基準電位G1との間に接続されている。また、スイッチング素子4は、駆動信号S2(ディーティ比が約0.5のパルス信号)で駆動されて、スイッチング動作を繰り返し実行する。整流平滑回路5Aは、一例として整流素子(本例ではダイオード)21およびコンデンサ23を備えて構成されている。この場合、ダイオード21は、そのアノード端子が巻線14の他端B1に接続されている。コンデンサ23は、一端がダイオード21のカソード端子に接続され、他端が二次側基準電位G2に接続されている。抵抗群6は、巻線12の他端A2と一次側基準電位G1との間に接続されている。
The
このスイッチング電源装置1Aでも、スイッチング電源装置1と同様にして、スイッチング素子4が所定のスイッチング周波数でスイッチング動作を繰り返すことにより、トランス2の一次巻線13Aと二次巻線16Aとの間の浮遊容量Csがスイッチング動作の周期で繰り返し充放電されるため、一次巻線13Aと二次巻線16Aとの間には、スイッチング周波数を基本波とするノイズ電圧が発生する。
In this switching
この場合、このスイッチング電源装置1Aにおいても、抵抗群6を構成する抵抗31,32が一次巻線13の端部A2に発生する交流電圧成分(ノイズ電圧と同様にして、上記のスイッチング周波数を基本波とする交流電圧成分)を分圧してコンデンサ7を介して二次側基準電位G2に供給することにより、一次側基準電位G1を基準としたときの二次側基準電位G2の電圧レベルを抑制することができる。また、抵抗群6を使用する構成のため、トランス2の一次側と二次側との間の絶縁状態が抵抗31,32によって所定の抵抗値以上に確実に維持することができる。さらには、各抵抗31,32の抵抗値を調整することにより、コンデンサ7を介して二次側基準電位G2に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調できるため、コモンモードノイズの電圧レベル(振幅)を極めて低いレベルに抑制することができる。また、生成した正電圧+Voutが抵抗群6で消費されない。したがって、その分のトランス2やスイッチング素子4での損失を回避することができる結果、抵抗群6の接続に起因するスイッチング電源装置1Aにおける電源変換効率の低下を回避することができる。
In this case, also in this switching
また、本願発明者が、上記のスイッチング電源装置1,1Aについて更に検討を加えた結果、まれにではあるが、コモンモードに過渡的な高電圧が印加される(つまり、一次側基準電位G1と二次側基準電位G2との間に過渡的に高い電圧のコモンモードノイズが発生する)ことがあり、この場合には抵抗32に大きな電流が流れるため、抵抗32に電気的なストレスが加わるという現象が発生することを見出した。このような電気的なストレスが抵抗32に加わることは好ましくないことから、本願発明者は、このストレスを低減させるために、図1,2において破線で示すように、スイッチング電源装置1,1Aの各抵抗32に対して並列にサージ吸収素子8を接続する構成を採用した。つまり、サージ吸収素子8を、抵抗31,32の接続点C(複数の抵抗のうちの2つ同士の接続点)と、一次側基準電位G1との間に接続する構成を採用した。サージ吸収素子8としては、サージ吸収ツェナーダイオード、バリスタ素子、ガラスチューブアレスタ、マイクロ式ギャップ吸収素子およびサージ吸収用コンデンサ(静電容量は数十pF程度)などを使用することができる。なお、サージ吸収素子8としてサージ吸収用コンデンサを使用した場合であっても、その静電容量は上記のように数十pF程度であるため、同相信号除去比(CMRR)の低下が回避されている。
Further, as a result of further examination of the switching
この構成を採用することにより、トランス2の二次巻線16,16A側に発生する非過渡的なコモンモードノイズについては、並列接続された抵抗32およびサージ吸収素子8のうちの抵抗32が主として機能することにより、抵抗31,32で分圧された交流電圧成分がコンデンサ7を介して二次側基準電位G2に供給されることで、トランス2の二次巻線16側に発生するコモンモードノイズの電圧レベルを低減させる。また、トランス2の二次巻線16,16A側に発生する過渡的な高い電圧のコモンモードノイズについては、並列接続された抵抗32およびサージ吸収素子8のうちのサージ吸収素子8が主として機能することにより、この過渡的なコモンモードノイズの抵抗32への流入を低減することで、抵抗32に加わる電気的なストレスを低減することができ、これによって、このストレスに起因した抵抗32の劣化を確実に防止することができる。
By adopting this configuration, with respect to the non-transient common mode noise generated on the
1,1A スイッチング電源装置
2 トランス
3 第1スイッチング素子
4 第2スイッチング素子
5,5A 整流平滑回路
6 抵抗群
7 コンデンサ
8 サージ吸収素子
13,13A 一次巻線
16,16A 二次巻線
31,32 抵抗
C 接続点
G1 一次側基準電位
G2 二次側基準電位
Vin 入力直流電圧
+Vout 正電圧
−Vout 負電圧
1,1A switching power supply
2 transformer
3 First switching element
4 Second switching element
5,5A rectification smoothing circuit
6 resistance groups
7 capacitors
8 Surge absorbing
C Connection point G1 Primary side reference potential G2 Secondary side reference potential Vin Input DC voltage + Vout Positive voltage -Vout Negative voltage
Claims (2)
前記一次巻線の前記他端と当該一次巻線側の一次側基準電位に規定された部位との間に直列に接続された複数の抵抗と、
当該複数の抵抗のうちの2つ同士の接続点に一端が接続され、前記二次巻線側の二次側基準電位に規定された部位に他端が接続されたコンデンサとを備えているスイッチング電源装置。 A transformer having a primary winding and a secondary winding to which an input DC voltage is applied to one end, a switching element connected to the other end of the primary winding, and the second connected to both ends of the secondary winding A switching power supply device having a rectifying and smoothing circuit for generating a DC voltage by rectifying an AC voltage output from a next winding,
A plurality of resistors connected in series between the other end of the primary winding and a portion defined by a primary reference potential on the primary winding side;
A switching device comprising: a capacitor having one end connected to a connection point between two of the plurality of resistors and having the other end connected to a portion defined by the secondary side reference potential on the secondary winding side Power supply.
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