JP2010068676A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】最大ＯＮ幅を自由に設定でき、電流検出抵抗を削除することにより簡素な回路でコストの削減を実現する。
【解決手段】ダイオードに流れる電流が略ゼロになったことを制御巻線により検出して、スイッチング素子のＯＮトリガを生成し、駆動回路に供給するＯＮトリガ生成手段と、出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、出力電圧検出手段により出力される電圧値に基づいて、駆動回路に供給する駆動パルスのＯＮ幅が決定され、かつ、該決定されたＯＮ幅が設定した所定値よりも長くなる場合には、強制的にＯＦＦトリガを生成し、駆動回路に供給するＯＦＦトリガ生成手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、最大ＯＮ幅を設定でき、コストの低減を図ることができるスイッチング電源に関する。

従来、力率改善用のブースト・コンバータの出力電圧に比例する半波整流器の出力電圧と基準電圧とを比較してセンス電界効果トランジスタのターン・オン時間制御用電圧を発生する制御電圧発生回路と、センス電界効果トランジスタのターン・オン時間一定保持用制御信号を発生するターン・オン制御回路と、センス電界効果トランジスタのミラー端子電流が一定以上時に出力して、過電流から保護する過電流検出回路と、インダクタ電流のゼロの時点を感知するゼロ電流検出回路の出力と、過電流検出回路またはターン・オン制御回路の出力を受け、センス電界効果トランジスタを駆動する出力電流制御回路とで構成されるスイッチング電源が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２０５７６６号公報

ところで、一般的な力率改善コンバータ（ＰＦＣ）を有するスイッチング電源は、図５に示すように、整流回路１００と、メインチョークＮｐと制御巻線ＮｃとからなるトランスＴ１０１と、ダイオードＤ１０１、Ｄ１０２と、主スイッチング素子であるＱ１０１と、出力コンデンサＣ１０２と、ＯＮトリガ検出部１１０と、出力電圧検出部１２０と、マルチプライヤ１３０と、電流検出部１４０と、コンパレータ（ＣＯＭＰ１０１）と、ドライバー部１５０と、ＲＳフリップフロップ１６０とから構成されている。

そして、主ＳＷであるＱ１０１のＯＮ期間にメインチョークＮｐに蓄えたエネルギーを主ＳＷであるＱ１０１のＯＦＦ期間にダイオードＤ１０２を通して出力コンデンサＣ１０２へ供給する。ここで、電流臨界型ＰＦＣの場合、ダイオードＤ１０２の電流がゼロとなると、メインチョークＮｐと結合した制御巻線Ｎｃの振動を利用してＯＮトリガを検出する。一方、ＯＦＦトリガについては、一般的な電流臨界型ＰＦＣでは、入力電圧を検出し、その値を乗算器（マルチプライヤ）１３０を用いて、フィードバックアンプの出力信号と乗算する事で理想的なピーク電流値を算出し、電流検出部１４０から出力される電圧値と比較することでＯＦＦタイミングを決定する。

しかしながら、上記制御方法では、入力電圧の監視と乗算器（マルチプライヤ）が必須の構成要素となるため、入力電圧監視抵抗によるスタンバイ時の損失は大きく、ＩＣとしてもＰＩＮ数が増えてコストが高くなるという問題がある。

この対策として、入力電圧監視抵抗や乗算器（マルチプライヤ）１３０も使わずに、図６に示す回路ブロックのように、ある異常時のみに信号をＲＳフリッププロップ１６０に出力する過電流検出部１８０を設け、整流後の商用周波数（例えば１００Ｈｚ）でＯＮ期間を一定にするだけで力率を改善できることは、一般的に知られている技術であり、実際にＩＣ化され量産されている。しかし、このＯＮ期間を一定にする制御を用いた場合、主スイッチング素子の電流検出抵抗は過電流保護としての役割しか果たしていないことになる。

そこで、本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、最大ＯＮ幅を自由に設定でき、電流検出抵抗を削除することにより簡素な回路でコストの削減を実現するスイッチング電源を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。

（１）本発明は、商用電源を整流する整流回路と、スイッチング素子と、該スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記スイッチング素子がオン状態のときに、エネルギーを蓄積するチョークコイルと、該チョークコイルと結合した制御巻線と、前記スイッチング素子がオフ状態のときに、前記チョークコイルに蓄えたエネルギーを出力コンデンサに供給するダイオードと、を備えたスイッチング電源であって、前記ダイオードに流れる電流が略ゼロになったことを前記制御巻線により検出して、前記スイッチング素子のオントリガを生成し、前記駆動回路に供給するオントリガ生成手段と、出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、該出力電圧検出手段により出力される電圧値に基づいて、前記駆動回路に供給する駆動パルスのオン幅が決定され、かつ該決定されたオン幅が設定した所定値よりも長くなる場合には、強制的にオフトリガを生成し、前記駆動回路に供給するオフトリガ生成手段と、を備えたことを特徴とするスイッチング電源を提案している。

この発明によれば、オントリガ生成手段は、ダイオードに流れる電流が略ゼロになったことを制御巻線により検出して、スイッチング素子のオントリガを生成し、駆動回路に供給する。出力電圧検出手段は、出力電圧を検出する。そして、オフトリガ生成手段は、出力電圧検出手段により出力される電圧値に基づいて、駆動回路に供給する駆動パルスのオン幅を決定し、かつ、その決定したオン幅が設定した所定値よりも長くなる場合には、強制的にオフトリガを生成し、駆動回路に供給する。したがって、決定したオン幅が設定した所定値よりも長くなる場合には、強制的にオフトリガを生成するため、所定値を自由に設定することにより、最大オン幅を設定することができる。

（２）本発明は、（１）のスイッチング電源について、前記オフトリガ生成手段が、前記出力電圧検出手段により出力される電圧値と、設定した固定電圧値とを比較し、低い電圧値をオフトリガを生成するための閾値電圧とする閾値電圧生成手段と、前記駆動パルスを入力し、鋸波を生成する鋸波生成手段と、該鋸波の波高値と前記生成した閾値電圧とを比較して、オフトリガパルスを生成する比較器と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源を提案している。

この発明によれば、オフトリガ生成手段が、出力電圧検出手段により出力される電圧値と、設定した固定電圧値とを比較し、低い電圧値をオフトリガを生成するための閾値電圧とし、比較器により、鋸波の波高値と生成した閾値電圧とを比較して、オフトリガパルスを生成するため、決定したオン幅が設定した所定値よりも長くなる場合には、強制的にオフトリガを出力することができる。

（３）本発明は、（１）または（２）のスイッチング電源について、前記スイッチング素子がオン状態のときのソース−ドレイン間電圧と、所定の閾値電圧とを比較して、過電流検出を行う過電流検出手段を備えたことを特徴とするスイッチング電源を提案している。

この発明によれば、スイッチング素子がオン状態のときのソース−ドレイン間電圧と、所定の閾値電圧とを比較して、過電流検出を行う。したがって、特別な素子を用いることなく、スイッチング素子のオン抵抗を用いて、過電流保護検出を行うことができる。

本発明によれば、最大オン幅を設定することにより、スイッチング素子を流れる電流を検出する必要が無くなるため、電流検出抵抗及びＩＣのピン数を削減することが可能となるという効果がある。また、スイッチング素子のオン抵抗を使った過電流保護検出と合わせることで、より保護機能を強化することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

以下、図１から図４を用いて、本発明に係るスイッチング電源の実施形態について説明する。

本実施形態に係るスイッチング電源は、図１に示すように、整流回路１と、ＯＮトリガ検出部２と、出力電圧検出部３と、最大出力電圧調整部４と、ＯＮ幅制御部５と、ドライバー部６と、過電流検出部７と、スイッチング素子Ｑ１と、入力コンデンサＣ１と、トランスＴ１と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、出力コンデンサＣ２とから構成されている。

整流回路１は、商用電源の交流を全波整流して得られる脈流をトランスＴ１のチョークコイルＮｐに供給する。トランスのチョークコイルＮｐは、スイッチングトランジスタＱ１がＯＮの場合に、チョークコイルＮｐ端子間に印加される電圧により、電磁エネルギーを蓄積し、スイッチングトランジスタＱ１がＯＦＦの場合に、蓄積した電磁エネルギーをダイオードＤ２を介して、負荷に供給する。

トランスＴ１の制御巻線Ｎｃの一端は、ＯＮトリガ検出部２に接続され、チョークコイルＮｐを流れる電流に対応した信号をＯＮトリガ検出部２に供給する。この信号は、ＯＮトリガ検出部２におけるスイッチングトランジスタＱ１をＯＮするためのトリガ信号となる。

ＯＮトリガ検出部２は、制御巻線Ｎｃからの信号に基づいて、スイッチングトランジスタＱ１をＯＮするためのトリガ信号を検出する。具体的には、ダイオードＤ２の電流がゼロとなるときに、チョークコイルＮｐと結合した制御巻線Ｎｃの振動を利用して、トリガ信号を検出する。

出力電圧検出部３は、例えば、出力電圧を検出するための抵抗の分圧値を基準電圧と比較して、その比較結果に応じて、出力電圧を検出し、検出された電圧は、最大出力電圧調整部４に入力される。

最大出力電圧調整部４は、閾値電圧を備え、この閾値電圧と出力電圧とを比較して、最大の出力電圧を調整する。

ＯＮ幅制御部５は、スイッチング素子Ｑ１の駆動パルスを入力し、タイマ回路で鋸波を生成するとともに、鋸波の波高値と最大出力電圧調整部４から入力した閾値電圧とを比較して、ＯＦＦトリガパルスを生成する。

ドライバー部６は、ＯＮトリガ検出部２から供給されるＯＮトリガにより、スイッチング素子Ｑ１に駆動パルスを供給し、ＯＮ幅制御部５から供給されるＯＦＦトリガパルスにより、スイッチング素子Ｑ１への駆動パルスをＯＦＦする。

過電流検出部７は、スイッチング素子Ｑ１がＯＮ状態のときのソース−ドレイン間電圧と、所定の閾値電圧とを比較して、過電流検出を行う。なお、この機能は必ずしも必要な機能ではない。

＜ＯＮ幅制御部の構成＞
図２を用いて、ＯＮ幅制御部５の構成について、詳細に説明する。

ＯＮ幅制御部５は、図２に示すように、ＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１と、フリップフロップＩＣ２と、ＯＮ幅タイマ回路と、インバータとから構成され、ＯＮ幅タイマ回路は、さらに、トランジスタＱ２と、定電流源と、コンデンサＣ３とから構成されている。

最大出力電圧調整部４からＦ／Ｂ電圧が供給されるＦ／Ｂ端子は、ＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１のマイナス端子に接続される。一方、スイッチング素子Ｑ１のゲート信号は、インバータを介して、トランジスタＱ２のゲートに入力される。トランジスタＱ２のソースは電圧源に接続されている。

トランジスタＱ２のドレインは、定電流源に接続され、トランジスタＱ２のソース−ドレイン間には、コンデンサＣ３が接続され、トランジスタＱ２のドレインが、ＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１のプラス端子に入力される。

ＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１の出力端子は、フリップフロップＩＣ２のリセット端子（Ｒ）に接続され、フリップフロップＩＣ２のセット端子（Ｓ）には、ＯＮトリガ検出部２が接続され、フリップフロップＩＣ２の出力端子（Ｑ）は、ドライバー部６に接続される。

＜最大出力電圧調整部の構成＞
図３に示すように、最大出力電圧調整部４は、定電流源Ｉ１と、抵抗Ｒ１と、ダイオードＤ４とから構成されている。抵抗Ｒ１の一端は、ＯＮ幅制御部５のＦ／Ｂ端子に接続され、他端は、接地されている。また、定電流源Ｉ１は、Ｆ／Ｂ端子に接続されている。ダイオードＤ４のアノードは、抵抗Ｒ１、ＯＮ幅制御部５のＦ／Ｂ端子および最大出力電圧調整部４内の定電流源Ｉ１に接続され、ダイオードＤ４のカソードは、出力電圧検出部３に接続されている。

抵抗Ｒ１には、最大出力電圧調整部４に備えられた定電流源Ｉ１から定電流が供給されており、出力電圧検出部３の電圧がＦ／Ｂ端子電圧の最大値よりも低い場合には、ダイオード４を介して、抵抗Ｒ１に流れる電流を引き抜くように動作し、これによって、Ｆ／Ｂ端子電圧が低下する。したがって、出力電圧によって、Ｆ／Ｂ端子電圧が変化し、Ｆ／Ｂ端子電圧の最大値は抵抗Ｒ１と定電流源Ｉ１との積で決定される。

＜ＯＮ幅制御部の動作シーケンス＞
図４を用いて、ＯＮ幅制御部の動作シーケンスについて、詳細に説明する。

まず、図４（Ａ）に示すようなスイッチング素子Ｑ１のゲート信号がインバータを介して、スイッチング素子Ｑ２のゲートに入力されると、スイッチング素子Ｑ１がオンであるのに対して、スイッチング素子Ｑ２が、オフ状態に遷移するため、スイッチング素子Ｑ２のドレイン―ソース間には、定電流源からの電流が流れない。

また、スイッチング素子Ｑ２がオフしている間に、コンデンサＣ３がゆっくりと充電し、図４（Ｂ）に示すような鋸波状の波形を示し、この電圧波形がＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１のプラス端子に入力される。

一方、Ｆ／Ｂ端子には、最大出力電圧調整部４からＦ／Ｂ端子電圧が供給され、この電圧により、図４（Ｂ）に示すようなＯＮ幅を決定する閾値電圧がＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１のマイナス端子に入力される。

ＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１は、入力した閾値電圧とコンデンサＣ３に充電された鋸波状の電圧値の波高値とを比較し、コンデンサＣ３に充電された鋸波状の電圧値の波高値が、閾値電圧を超えたときに、ＯＮ幅制御コンパレータ（ＩＣ１）の出力は、図４（Ｃ）に示すようにローサイドからハイサイドに切り替わる。

この信号が、フリップフロップＩＣ２のリセット端子（Ｒ）に入力されると、ドライバー部６は、スイッチング素子Ｑ１をＯＦＦモードに遷移させる。その結果、スイッチング素子Ｑ２はオフになり、コンデンサＣ３の充電電圧は、放電され、ＯＮ幅制御コンパレータＩＣ１の出力は、再び、ローサイドに切り替わる。

したがって、本実施形態によれば、決定したＯＮ幅が設定した所定値よりも長くなる場合には、強制的にＯＦＦトリガを生成するため、所定値を自由に設定することにより、最大ＯＮ幅を設定することができる。また、スイッチング素子のオン抵抗を使った過電流保護検出と合わせることで、より保護機能を強化することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本実施形態のスイッチング電源の構成を示す図である。 本実施形態のＯＮ幅制御部の構成を示す図である。 本実施形態の最大ＯＮ幅調整部の構成を示す図である。 本実施形態のＯＮ幅制御部の動作シーケンスを示す図である。 従来のスイッチング電源の一例を示す構成図である。 従来のスイッチング電源の一例を示す構成図である。

符号の説明

１・・・整流回路
２・・・ＯＮトリガ検出部
３・・・出力電圧検出部
４・・・最大出力電圧調整部
５・・・ＯＮ幅制御部
６・・・ドライバー部
７・・・過電流検出部
１０１・・・整流回路
１１０・・・ＯＮトリガ検出部
１２０・・・出力電圧検出部
１３０・・・乗算器（マルチプライヤ）
１４０・・・電流検出部
１５０・・・ドライバー部
１６０・・・ＲＳフリップフロップ
１７０・・・ＯＮ幅制御部
１８０・・・過電流検出部
Ｑ１・・・スイッチング素子
Ｑ２・・・タイマ回路用スイッチング素子
Ｃ１・・・入力コンデンサ
Ｃ２・・・出力コンデンサ
Ｃ３・・・タイマ回路用コンデンサ
Ｔ１・・・トランス
Ｄ１・・・ダイオード
Ｄ２・・・ダイオード
Ｄ４・・・ダイオード
Ｉ１・・・定電流源
ＩＣ１・・・ＯＮ幅制御コンパレータ
ＩＣ２・・・フリップフロップ
Ｒ１・・・抵抗
Ｎｐ・・・チョークコイル
Ｎｃ・・・制御巻線
Ｑ１０１・・・スイッチング素子
Ｃ１０１・・・入力コンデンサ
Ｃ１０２・・・出力コンデンサ
Ｄ１０１・・・ダイオード
Ｄ１０２・・・ダイオード
Ｔ１０１・・・トランス

Claims (3)

1. 商用電源を整流する整流回路と、スイッチング素子と、該スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記スイッチング素子がオン状態のときに、エネルギーを蓄積するチョークコイルと、該チョークコイルと結合した制御巻線と、前記スイッチング素子がオフ状態のときに、前記チョークコイルに蓄えたエネルギーを出力コンデンサに供給するダイオードと、を備えたスイッチング電源であって、
   前記ダイオードに流れる電流が略ゼロになったことを前記制御巻線により検出して、前記スイッチング素子のオントリガを生成し、前記駆動回路に供給するオントリガ生成手段と、
   出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   該出力電圧検出手段により出力される電圧値に基づいて、前記駆動回路に供給する駆動パルスのオン幅が決定され、かつ該決定されたオン幅が設定した所定値よりも長くなる場合には、強制的にオフトリガを生成し、前記駆動回路に供給するオフトリガ生成手段と、
   を備えたことを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記オフトリガ生成手段が、
   前記出力電圧検出手段により出力される電圧値と、設定した固定電圧値とを比較し、低い電圧値をオフトリガを生成するための閾値電圧とする閾値電圧生成手段と、
   前記駆動パルスを入力し、鋸波を生成する鋸波生成手段と、
   該鋸波の波高値と前記生成した閾値電圧とを比較して、オフトリガパルスを生成する比較器と、
   を備えた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. 前記スイッチング素子がオン状態のときのソース−ドレイン間電圧と、所定の閾値電圧とを比較して、過電流検出を行う過電流検出手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチング電源。
   

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