JP2011010422A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング電源のトランス補助コイルに誘起される交流電圧を整流するコンデンサ短絡時の不具合を防止する。
【解決手段】電源１１を整流平滑部１２で直流電圧に変換してトランスＴＲの一次コイルＬ１に供給し、スイッチング素子Ｑ１の動作に基づき一次コイルとの巻線比に応じた交流電圧を二次コイルＬ２に誘起させ、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２で直流電圧を変換する。整流平滑部１２から抵抗Ｒ２を介して、スタート端子１５ａに接続のコンデンサＣｓの値でソフトスタート時間決定の機能を有し、スイッチング素子Ｑ１にスイッチングパルスＰｓを供給する制御部１５の起動時の電源として供給する。トランスＴＲの補助コイルＬ３に誘起される交流電圧は、補助コイル整流平滑部１６で整流し制御部１５の電源として供給する。コンデンサＣ４の短絡によるダイオードＤ２、抵抗Ｒ３の発熱を防止するために、スタート端子１５ａと直流電源Ｖｃ間に補償回路１７を接続した。
【選択図】図１

Description

この発明は、一次コイルと一次コイルに補助コイルを有するトランスの一次コイルの他端にスイッチング素子から構成されるスイッチング電源装置に関する。

従来のスイッチング電源装置は、一次コイルと補助コイルを有するトランスの一次コイルの他端にスイッチング素子を接続し、スイッチング素子をオン・オフさせることでトランスの二次コイルに交流電圧を誘起させるととに、トランスの補助コイルに交流電圧を誘起させている。二次コイルに誘起された交流電圧は直流に変換して負荷に供給し、補助コイルに誘起された交流電圧は直流に変換しスイッチング素子を駆動するスイッチング信号を生成する制御部の駆動用の電源としている。（例えば、特許文献１）

特開２０００―６０１１８

上記した特許文献１の技術は、補助コイルの短絡検出手段が補助コイルの短絡を検出した場合に電源を停止させるものである。しかし、一次コイルの後にダイオードとこのダイオードの電流を制限するための抵抗、コンデンサによる整流平滑部を有し、その後にダイオードを介して制御部のＶｃｃに接続される場合、一次側補助コイル後のコンデンサＣ１を短絡すると、制御部のＶｃｃが低下して一端回路が停止する。

しかし、起動抵抗から電力が供給され、制御部が動作して回路を再起動させようとする。起動すると一次側補助コイル後のコンデンサが短絡しているため再度回路が停止する。この繰り返しにより間欠発振となるが、このときに補助コイル平滑用のダイオードと抵抗に過大な電流が繰り返し流れるため、部品が発熱し、発煙などの不具合の発生を引き起こす可能性がある。

この発明の目的は、発煙などの発生を防止させるとともに、制御部に備えた特性を利用して安全な回路を停止させることを可能としたスイッチング電源装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、この発明のスイッチング電源装置は、商用電源を整流する整流平滑部と、前記整流平滑部から出力される直流電圧が一次コイルに供給されるトランスと、前記一次コイルに直列に接続されたスイッチング素子と、起動時に前記整流平滑部から起動用抵抗を介して得られる電圧に基づき、前記スイッチング素子を制御するスイッチングパルスを生成する制御部と、前記トランスの二次コイルから前記一次コイルとの巻線比に基づいた電圧を整流し出力直流電圧を得る整流回路と、前記トランスに設けた補助コイルを整流し、前記制御部の動作電源とする補助コイル整流平滑部と、を具備し、前記制御部には、外部に接続されたコンデンサの容量に基づき前記スイッチング素子をソフトスタートさせるスタート端子を備え、該スタート端子と前記補助コイル整流平滑部の出力との間に、前記補助コイルが短絡した場合に、前記スタート端子の電圧上昇を抑制するとともに、前記コンデンサに基づくソフトスタート時間の遅れを解消する補償回路を設けたことを特徴とする。

この発明によれば、スイッチング電源を構成する補助コイル整流平滑部の平滑用コンデンサの短絡に伴う発煙・発火を防止するとともに、スイッチング電源の制御を司る制御部に備えた特性を利用して安全に回路を停止させるようにする。

この発明のスイッチング電源装置に関する一実施形態について説明するための回路構成図である。 図１の要部について説明するための回路構成図である。 この発明のスイッチング電源装置に関する他の実施形態について説明するための回路構成図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、この発明のスイッチング電源装置に関する一実施形態について説明するための回路構成図である。
図１において、１１は、例えば１００Ｖの商用電源である。電源１１の交流電圧は、直流に変換させる例えば全波整流させるダイオードを用いたフルブリッジ回路ＦＢと平滑用のコンデンサＣ１で構成された整流平滑部１２に供給する。このフルブリッジ回路ＦＢの出力は、平滑用コンデンサＣ１を介して基準電位点に接続する。

整流平滑部１２の出力は、トランスＴＲの一次コイルＬ１のホット側に接続させ、一次コイルＬ１のコールド側は、スイッチング用のＭＯＳ型トランジスタで構成されるスイッチング素子Ｑ１のドレインに接続する。スイッチング素子Ｑ１のソースは、抵抗Ｒ１を介して基準電位点に接続する。

トランスＴＲの二次コイルＬ２のホット側は、ダイオードＤ１をアノードに接続し、ダイオードＤ１のカソードは、平滑用コンデンサＣ２を介して基準電位点に接続するとともに、負荷１４の一端に接続する。負荷１４の他端は基準電位点に接続する。二次コイルＬ２のコールド側は、基準電位点に接続する。トランスＴＲ、スイッチング素子Ｑ１、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を構成している。

フルブリッジ回路ＦＢとコンデンサＣ１の接続点は、起動用の抵抗Ｒ２と平滑用コンデンサＣ３を介して基準電位点に接続する。抵抗Ｒ２とコンデンサＣ３の接続点は、電源用の制御部１５の電源Ｖｃｃとして制御部１５に接続する。

制御部１５は、電源Ｖｃｃが印加された場合に、ソフトスタートさせるためのスタート端子１５ａとスイッチング素子Ｑ１のゲートを制御するためのスイッチングパルスＰｓを生成出力する制御端子１５ｂを備えている。スタート端子１５ａと基準電位点との間には、ソフトスタートの時間設定を行うためのコンデンサＣｓを接続する。

トランスＴＲの一次側の補助コイルＬ３のホット側は、整流用のダイオードＤ２、電流制限用の抵抗Ｒ３、平滑用のコンデンサＣ４を介して基準電位点に接続する。ダイオードＤ２、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ４は、補助コイル整流平滑部１６を構成している。補助コイルＬ３のコールド側は基準電位点に接続する。抵抗Ｒ３とコンデンサＣ４の接続点は、図示極性で接続されたダイオードＤ３を介して制御部１５の電源Ｖｃｃに接続する。ダイオードＤ３は、起動時に電源Ｖｃｃ側からコンデンサＣ４に電流が流れることで起動時間が遅くなることを防止させるためのものである。

制御部１５のスタート端子１５ａは、抵抗Ｒ４と図示極性で接続されたダイオードＤ４からなる補償回路１７を介して抵抗Ｒ３、コンデンサＣ４の接続点に接続する。

ところで、制御部１５のスタート端子１５ａの電圧は、図２に示すように、電源Ｖｃｃが投入される前の状態を０Ｖとし、スタート端子１５ａの電圧が閾値Ｖｔｈ(ON)を超えて制御部１５が起動すると徐々に上昇し、電圧が例えば３．６Ｖの値で一定となる。この徐々に電源Ｖｃｃの電圧が上昇する時間がソフトスタート期間となり、ソフトスタートの時間はコンデンサＣｓの容量で決まる。過電圧時などに、外部電圧でスタート端子１５ａの電圧を決められた、例えば７．２Ｖより高くなると、制御部１５をシャットダウンするようにしている。

このように構成されるスイッチング電源に対し、電源１１からフルブリッジ回路ＦＢに電源が供給され、抵抗Ｒ３を介して制御部１５に電源Ｖｃｃが印加されると、制御部１５では制御端子１５ｂからスイッチングパルスＰｓを生成出力させる。このスイッチングパルスＰｓは、スイッチング素子Ｑ１のゲートに供給され、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフ制御させる。同時に、コンデンサＣ１ではフルブリッジ回路ＦＢを介して得られたリップルを含む直流の平滑が行われ、整流平滑部１２の出力として直流電圧ＶａをトランスＴＲの一次コイルＬ１に供給される。

スイッチングパルスＰｓのデューティは、制御部１５の内部の基準電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力からフィードバック回路１８を介して得られるフィードバック電圧とを比較し、比較結果に基づいてスイッチング素子Ｑ１のオン・オフのタイミングを制御する、いわゆるＰＷＭ制御を行っている。

トランスＴＲの一次コイルＬ１は、スイッチング素子Ｑのオン・オフ制御に基づき、トランスＴＲの一次コイルＬ１に流れる電流を制御し、二次コイルＬ２、補助コイルＬ３にそれぞれの巻き線比に応じた値の交流電圧を誘起させる。二次コイルＬ２に誘起された交流電圧は、ダイオードＤ１、コンデンサＣ２を介して直流電圧Ｖｂを生成し、負荷１４に供給させる。補助コイルＬ３に誘起された交流電圧は、ダイオードＤ２、コンデンサＣ４を介して直流電圧Ｖｃを生成し、ダイオードＤ３を介して起動後の電源Ｖｃｃとして制御部１５に供給している。

いま、抵抗Ｒ４とダイオードＤ４で構成される補償回路１７がなく、補助コイルＬ３に誘起される交流電圧を整流した後の平滑用のコンデンサＣ４が短絡した場合を考える。コンデンサＣ４が短絡すると、電源Ｖｃｃの電圧が低下して一旦、スイッチング電源が停止状態となる。しかしながら、起動用の抵抗Ｒ２から電力が供給され、制御部１５が動作し、スイッチング電源を再起動させようとする。起動すると、コンデンサＣ４が短絡しているため再度停止することになる。この繰り返しにより間欠発振状態となるが、ダイオードＤ２と抵抗Ｒ３に過大な電流が繰り返し流れることとなり、回路部品の発熱や発煙などの故障の原因を招来することになる。

そこで、スタート端子１５ａから抵抗Ｒ４、ダイオードＤ４を介して抵抗Ｒ３とコンデンサＣ４に接続した場合を考える。コンデンサＣ４が短絡されると、抵抗Ｒ４、ダイオードＤ４を介したスタート端子１５ａの電圧は、制御部１５が停止状態となる閾値電圧Ｖｔｈ(OFF)である、例えば０．４２Ｖ以下の状態となり、制御部１５を停止させることができる。

制御部１５の停止は、補助コイルＬ３に交流電圧を誘起させなくなることを意味し、結果として、抵抗Ｒ３、ダイオードＤ２に電流が流れることがなく、これら電子部品の異常な発熱などが生じることを防止させることができる。

コンデンサＣ４が非短絡状態では、補助コイル整流平滑部１６のコンデンサＣ４の電圧は、ダイオードＤ４で阻止され、スタート端子１５ａの電圧は上昇しない。抵抗Ｒ４は、起動時にスタート端子１５ａからダイオードＤ４を介してコンデンサＣ４へ電流が流れるのを抑制しており、スタート端子１５ａに基づくソフトスタート時間の遅れを少なくしている。

このように、コンデンサＣ４が短絡した場合、スタート端子の電圧が閾値電圧Ｖｔｈ(OFF)以下まで下がり、制御部１５が停止するための間欠発振動作を防止でき、抵抗Ｒ３、ダイオードＤ２の発熱を防止することができる。

図３は、この発明のスイッチング電源装置に関する他の実施形態について説明するための回路構成図である。なお、上記した実施形態と同一の構成部分には同一の符号を付し、ここでは異なる部分について説明する。

この実施形態は、上記実施形態の補償回路１７に代えて補償回路１７１の構成としたものである。すなわち、起動用の抵抗を抵抗Ｒ２と直列接続の抵抗Ｒ４で分割し、抵抗Ｒ２とＲ４の接続点にＰＮＰ型トランジスタＱ２のエミッタを接続する。トランジスタＱ２のコレクタは、スタート端子１５ａに接続する。トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ５、ダイオードＤ５を介して補助コイル整流平滑部１６の抵抗Ｒ３とコンデンサＣ４の接続点に接続する。抵抗Ｒ４，Ｒ５、トランジスタＱ２、ダイオードＤ５は、補償回路１７１を構成している。

補助コイル整流平滑部１６のコンデンサＣ４が短絡した場合は、補助コイル整流平滑部１６の出力である直流電圧Ｖｃが低下する。この低下によりＰＮＰ型トランジスタＱ２のベース電圧は低下する。トランジスタＱ２のエミッタには、整流平滑部１２の直流電圧Ｖａを抵抗Ｒ４とＲ５の分圧比に基づいた電圧が印加され、トランジスタＱ２がオンする。このとき、トランジスタＱ２のコレクタには、例えば７．２Ｖ以上の電圧が発生するように設計されている。

トランジスタＱ２のコレクタ電圧は、制御部１５のスタート端子１５ａに印加されることになる。スタート端子１５ａは７．２Ｖ以上の電圧が印加された場合は、シャットダウンする構成となっていることから、制御部１５は強制的に停止され、これ以降はスイッチングパルスＰｓを発生させない。これにより、間欠発振動作を防止させることが可能となる。

ところで、電源投入時のコンデンサＣ４には充電されていないことから、直流電圧Ｖｃの発生がなく、トランジスタＱ２がオンして制御部１５を停止させる、コンデンサＣ４が短絡した場合と同じ状態になってしまう。これを防止するために、補償回路１７１の動作を遅延させる遅延回路を設置することで、電源投入時における誤動作の防止が可能となる。

この実施形態の場合は、コンデンサＣ４が短絡した場合、制御部１５のスタート端子１５ａに７．２Ｖ以上の電圧を印加させ強制的に制御部１５を停止させ、コンデンサＣ４の短絡に伴う間欠発振動作を防止できる。これにより、補助コイル整流平滑部１６の抵抗Ｒ３、ダイオードＤ２の発熱を防止させることが可能となる。

１１ 電源
１２ 整流平滑部
ＦＢ フルブリッジ回路
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＴＲ トランス
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌ３ 補助コイル
Ｑ１ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４，Ｃｓ コンデンサ
Ｒ３，Ｒ４ 抵抗
１４ 負荷
１５ 制御部
１６ 補助コイル整流平滑部
１７，１７１ 補償回路
１８ フィードバック回路

Claims (3)

1. 商用電源を整流する整流平滑部と、
   前記整流平滑部から出力される直流電圧が一次コイルに供給されるトランスと、
   前記一次コイルに直列に接続されたスイッチング素子と、
   起動時に前記整流平滑部から起動用抵抗を介して得られる電圧に基づき、前記スイッチング素子を制御するスイッチングパルスを生成する制御部と、
   前記トランスの二次コイルから前記一次コイルとの巻線比に基づいた電圧を整流し出力直流電圧を得る整流回路と、
   前記トランスに設けた補助コイルを整流し、前記制御部の動作電源とする補助コイル整流平滑部と、を具備し、
   前記制御部には、外部に接続されたコンデンサの容量に基づき前記スイッチング素子をソフトスタートさせるスタート端子を備え、該スタート端子と前記補助コイル整流平滑部の出力との間に、前記補助コイルが短絡した場合に、前記スタート端子の電圧上昇を抑制するとともに、前記コンデンサに基づくソフトスタート時間の遅れを解消する補償回路を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記補償回路は、前記スタート端子と前記補助コイル整流平滑部の出力との間に直列接続された抵抗とダイオードにより構成した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。
3. 前記補償回路は、前記コンデンサが短絡した場合に前記制御部のスタート端子に、前記制御部を停止させる値の電圧を印加するように構成した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。

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