JP2011045174A

JP2011045174A - スイッチング電源装置

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Publication number: JP2011045174A
Application number: JP2009190859A
Authority: JP
Inventors: Junya Wakiguchi; 純弥湧口
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: JP5513037B2

Abstract

【課題】非絶縁型のスイッチング電源装置の製造コストを低減すること。
【解決手段】スイッチング電源装置１は、出力電圧を制御する制御部１０と、制御部１０に制御信号を供給して制御部１０を制御する制御信号供給部２０と、を備える。制御部１０は、スイッチ素子Ｑと、スイッチ素子Ｑを制御する制御回路１１と、を備える。制御信号供給部２０は、スイッチ素子Ｔｒ、ダイオードＤ２、および抵抗Ｒ１、Ｒ２を備える。スイッチ素子Ｔｒは、出力端子Ｖｏから出力される出力電圧に応じた電圧を反転増幅し、制御信号として制御回路１１に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

従来より、電源装置として、非絶縁型のスイッチング電源装置がある。

図７は、従来例に係る非絶縁型のスイッチング電源装置１００の概略構成を示す図である。非絶縁型のスイッチング電源装置１００は、出力電圧を制御する制御部１１０と、制御部１１０に制御信号を供給して制御部１１０を制御する制御信号供給部１２０と、を備える。制御部１１０は、電圧Ｖ_１を基準電圧として動作し、制御信号供給部１２０は、電圧Ｖ_２を基準電圧として動作する。

上述のように、制御部１１０と制御信号供給部１２０とで基準電圧が異なる場合、制御信号供給部１２０から制御部１１０に制御信号を供給するために、フォトカプラを用いたり、レベルシフト回路を用いたりする（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１３７０８４号公報

ところが、フォトカプラは、比較的高価な部品である。また、レベルシフト回路には高耐圧トランジスタが必要となるが、この高耐圧トランジスタも、比較的高価な部品である。このため、このような比較的高価な部品を用いて構成される非絶縁型のスイッチング電源装置１００の製造コストを低減するのは、困難な場合があった。

上述の課題を鑑み、本発明は、非絶縁型のスイッチング電源装置の製造コストを低減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、出力電圧を制御する制御部と、前記制御部に制御信号を供給して前記制御部を制御する制御信号供給部と、を備える非絶縁型のスイッチング電源装置であって、前記制御信号供給部は、前記出力電圧が入力される直列接続部と、スイッチ素子を有し、前記制御信号を出力する制御信号出力部と、を備え、前記直列接続部は、前記直列接続部の入力端子から出力端子の向きに電流が流れるように整流する整流素子と、第１抵抗と、第２抵抗と、を直列接続して構成され、前記制御信号出力部は、前記第１抵抗と前記第２抵抗との間の電圧を前記スイッチ素子により反転増幅し、前記制御信号として前記制御部に供給することを特徴とする非絶縁型のスイッチング電源装置を提案している。

この発明によれば、制御部により出力電圧を制御し、制御信号供給部により制御部に制御信号を供給する非絶縁型のスイッチング電源装置において、制御信号供給部に、出力電圧が入力される直列接続部と、スイッチ素子を有し制御信号を出力する制御信号出力部と、を設けた。そして、直列接続部を、直列接続部の入力端子から出力端子の向きに電流が流れるように整流する整流素子と、第１抵抗と、第２抵抗と、を直列接続して構成し、制御信号出力部は、第１抵抗と第２抵抗との間の電圧をスイッチ素子により反転増幅し、制御信号として制御部に供給することとした。このため、フォトカプラや高耐圧トランジスタといった比較的高価な部品を設けることなく、制御信号供給部から制御部に制御信号を供給できるので、非絶縁型のスイッチング電源装置の製造コストを低減できる。

（２）本発明は、（１）の非絶縁型のスイッチング電源装置について、前記整流素子は、前記直列接続部の出力端子から入力端子の向きに対して高耐圧な素子であることを特徴とする非絶縁型のスイッチング電源装置を提案している。

この発明によれば、整流素子を、直列接続部の出力端子から入力端子の向きに対して高耐圧な素子で構成した。このため、直列接続部の出力端子から入力端子の向きに高電圧が印加される場合でも、整流素子により整流することができ、非絶縁型のスイッチング電源装置を正常に動作させることができる。

（３）本発明は、（１）または（２）の非絶縁型のスイッチング電源装置について、前記整流素子は、高耐圧ダイオードであることを特徴とする非絶縁型のスイッチング電源装置を提案している。

この発明によれば、整流素子を、高耐圧ダイオードで構成した。このため、直列接続部の出力端子から入力端子の向きに高電圧が印加される場合でも、整流素子により整流することができ、非絶縁型のスイッチング電源装置を正常に動作させることができる。

（４）本発明は、（１）〜（３）のいずれかの非絶縁型のスイッチング電源装置について、前記スイッチ素子の制御端子と、前記スイッチ素子の端子のうち前記制御信号を前記制御部に供給するものと、の間に、抵抗とキャパシタとを直列接続した直列接続回路が設けられることを特徴とする非絶縁型のスイッチング電源装置を提案している。

この発明によれば、スイッチ素子の制御端子と、スイッチ素子の端子のうち制御信号を制御部に供給するものと、の間に、抵抗とキャパシタとを直列接続した直列接続回路を設けた。このため、抵抗の抵抗値やキャパシタの静電容量を調整することで、スイッチ素子の応答特性を調整して、非絶縁型のスイッチング電源装置の応答特性を制御できる。

（５）本発明は、（１）〜（４）のいずれかの非絶縁型のスイッチング電源装置について、前記スイッチ素子の端子のうち前記制御信号を前記制御部に供給するものと、前記制御部と、の間に、抵抗が設けられることを特徴とする非絶縁型のスイッチング電源装置を提案している。

この発明によれば、スイッチ素子の端子のうち制御信号を制御部に供給するものと、制御部と、の間に、抵抗を設けた。このため、制御部とスイッチ素子との間に過度な電流が流れるのを防止できるので、この電流が流れる制御部においても、過度な電流が流れるのを防止できる。また、抵抗の抵抗値を調整することで、非絶縁型のスイッチング電源装置の応答特性を制御できる。

本発明によれば、非絶縁型のスイッチング電源装置の製造コストを低減できる。

本発明の第１実施形態に係る非絶縁型のスイッチング電源装置の回路図である。前記スイッチング電源装置の動作を説明するための図である。前記スイッチング電源装置の動作を説明するための図である。前記スイッチング電源装置の動作を説明するための図である。本発明の第２実施形態に係る非絶縁型のスイッチング電源装置の回路図である。前記スイッチング電源装置の変形例を示す回路図である。従来例に係る非絶縁型のスイッチング電源装置の回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の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、以下の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。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る非絶縁型のスイッチング電源装置１の回路図である。スイッチング電源装置１は、出力電圧を制御する制御部１０と、制御部１０に制御信号を供給して制御部１０を制御する制御信号供給部２０と、ダイオードＤ１と、インダクタＬと、キャパシタＣ１と、を備える。

制御部１０は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑと、スイッチ素子Ｑを制御する制御回路１１と、を備える。スイッチ素子Ｑのドレインには、入力端子Ｖｉｎが接続され、スイッチ素子Ｑのゲートには、制御回路１１が接続され、スイッチ素子Ｑのソースには、インダクタＬの一端が接続される。なお、以降では、スイッチ素子ＱのソースとインダクタＬの一端との接点を、接点Ｐとする。

インダクタＬの一端には、上述の接点Ｐに加えて、ダイオードＤ１のカソードが接続される。ダイオードＤ１のアノードには、基準電圧源に接続された基準電圧端子ＧＮＤが接続される。インダクタＬの他端には、キャパシタＣ１を介して基準電圧端子ＧＮＤが接続されるとともに、出力端子Ｖｏと、後述のダイオードＤ２のアノードと、が接続される。

制御信号供給部２０は、ＮＰＮ型トランジスタで構成されるスイッチ素子Ｔｒと、ダイオードＤ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、を備える。ダイオードＤ２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とは、直列接続され、インダクタＬの他端と接点Ｐとの間に設けられている。具体的には、ダイオードＤ２のアノードには、上述のようにインダクタＬの他端が接続され、ダイオードＤ２のカソードには、抵抗Ｒ１の一端が接続され、抵抗Ｒ１の他端には、抵抗Ｒ２の一端が接続され、抵抗Ｒ２の他端には、接点Ｐが接続される。

スイッチ素子Ｔｒのベースには、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接点が接続され、スイッチ素子Ｔｒのコレクタには、制御回路１１が接続され、スイッチ素子Ｔｒのエミッタには、接点Ｐが接続される。

以上の構成を備えるスイッチング電源装置１では、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点の電圧、すなわち出力端子Ｖｏから出力される出力電圧に応じた電圧が、スイッチ素子Ｔｒにより反転増幅され、制御信号として制御回路１１に供給される。制御回路１１は、供給された制御信号に基づいてスイッチ素子Ｑを制御し、出力端子Ｖｏから出力される出力電圧を安定化する。

図２は、接点Ｐの電圧Ｖ_Ｐを示す図である。接点Ｐの電圧Ｖ_Ｐは、スイッチ素子Ｑのスイッチングに応じて変化する。具体的には、スイッチ素子Ｑがオン状態の期間では、時刻ｔ１〜ｔ２、時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ５〜ｔ６のように、接点Ｐの電圧Ｖ_Ｐは、入力端子Ｖｉｎの電圧に等しい「Ｖ」となる。一方、スイッチ素子Ｑがオフ状態の期間では、時刻ｔ２〜ｔ３、時刻ｔ４〜ｔ５のように、接点Ｐの電圧Ｖ_Ｐは、基準電圧端子ＧＮＤの電圧に等しい「０」となる。

以下に、スイッチング電源装置１の動作について、図３、４を用いて詳細に説明する。図３は、スイッチ素子Ｑをオン状態からオフ状態にした場合におけるスイッチング電源装置１を示している。

スイッチ素子Ｑがオン状態の期間では、インダクタＬの一端から他端に電流が流れ、インダクタＬにエネルギーが蓄えられる。その後、スイッチ素子Ｑがオフ状態になると、インダクタＬは、オン状態の期間に蓄えたエネルギーにより、一端から他端に電流を流し続けようとする。ここで、スイッチ素子Ｑがオフ状態になると、上述のように、接点Ｐの電圧Ｖ_Ｐは「０」となる。その結果、インダクタＬの他端から、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ１、Ｒ２、および電圧が「０」である接点Ｐに接続されたインダクタＬの一端に、電流が流れることとなる。

抵抗Ｒ１、Ｒ２に電流が流れると、スイッチ素子Ｔｒのベースには、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値の比に応じた電圧が印加される。すると、スイッチ素子Ｔｒがオン状態になり、スイッチ素子Ｔｒのコレクタ−エミッタ間に、フィードバック電流Ｉ_ｆｂが流れる。その結果、制御回路１１から、オン状態のスイッチ素子Ｔｒを介して接点Ｐに、フィードバック電流Ｉ_ｆｂが流れる。

図４は、スイッチ素子Ｑをオフ状態からオン状態にした場合におけるスイッチング電源装置１を示している。

スイッチ素子Ｑがオフ状態の期間では、上述のように、接点Ｐの電圧Ｖ_Ｐは「０」となるため、インダクタＬを介して接点Ｐと接続されている出力端子Ｖｏの電圧も「０」となる。その後、スイッチ素子Ｑがオン状態になると、上述のように、接点Ｐの電圧Ｖ_Ｐは「Ｖ」となる。すると、接点Ｐと出力端子Ｖｏとの電位差により、接点ＰからインダクタＬを介して出力端子Ｖｏに、電流が流れる。

また、接点Ｐと出力端子Ｖｏとの電位差により、接点Ｐから、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ１、およびダイオードＤ２を介して出力端子Ｖｏにも、電流が流れようとする。ところが、ダイオードＤ２には、逆方向電圧が印加されることとなるため、上述の電流は流れない。このため、スイッチ素子Ｔｒはオフ状態となり、制御回路１１からスイッチ素子Ｔｒを介して接点Ｐに電流が流れることはない。

以上のスイッチング電源装置１によれば、以下の効果を奏することができる。

スイッチング電源装置１は、制御部１０に制御信号を供給するために、ダイオードＤ２、スイッチ素子Ｔｒ、および抵抗Ｒ１、Ｒ２という、フォトカプラや高耐圧トランジスタと比べて安価な部品を用いる。このため、フォトカプラや高耐圧トランジスタを用いる場合と比べて、スイッチング電源装置１の製造コストを低減できる。

＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る非絶縁型のスイッチング電源装置１Ａの回路図である。スイッチング電源装置１Ａは、図１に示した本発明の第１実施形態に係るスイッチング電源装置１とは、制御信号供給部２０の代わりに制御信号供給部２０Ａを備える点が異なる。制御信号供給部２０Ａは、制御信号供給部２０とは、抵抗Ｒ３、Ｒ４と、キャパシタＣ２と、を備える点が異なる。なお、スイッチング電源装置１Ａにおいて、スイッチング電源装置１と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。

抵抗Ｒ３の一端には、スイッチ素子Ｔｒのコレクタが接続され、抵抗Ｒ３の他端には、キャパシタＣ２を介してスイッチ素子Ｔｒのベースが接続される。制御回路１１とスイッチ素子Ｔｒのコレクタとは、抵抗Ｒ４を介して接続される。

以上のスイッチング電源装置１Ａによれば、以下の効果を奏することができる。

スイッチ素子Ｔｒのコレクタとベースとは、抵抗Ｒ３とキャパシタＣ２とを直列に接続したもので接続される。このため、抵抗Ｒ３の抵抗値やキャパシタＣ２の静電容量を調整することで、スイッチ素子Ｔｒの応答特性を調整して、スイッチング電源装置１Ａの応答特性を制御できる。

また、スイッチ素子Ｔｒのコレクタと制御回路１１とは、抵抗Ｒ４を介して接続される。このため、制御回路１１に過度なフィードバック電流Ｉ_ｆｂが流れるのを防止できるとともに、抵抗Ｒ４の抵抗を調整することで、スイッチング電源装置１Ａの応答特性を制御できる。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、この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。

例えば、上述の第１実施形態において、制御回路１１には、駆動電圧を供給する必要がある。このため、図１〜３では図示を省略したが、インダクタＬを用いてトランスを構成し、このトランスから制御回路１１に駆動電圧を供給する。ところが、出力端子Ｖｏから出力される出力電圧が、駆動電圧の推奨値に略等しい場合には、図６に示すスイッチング電源装置１Ｂのように、ダイオードＤ２のカソードから制御回路１１に駆動電圧を供給してもよい。これによれば、制御回路１１に駆動電圧を供給するためのトランスを設ける必要がなくなるため、スイッチング電源装置の製造コストを低減できるとともに、小型化できる。

また、上述の各実施形態では、ダイオードＤ２は、高耐圧ダイオードであることが好ましい。これによれば、ダイオードＤ２に高圧の逆方向電圧が印加される場合でも、このダイオードＤ２により整流することができるので、スイッチング電源装置１を正常に動作させることができる。

また、上述の各実施形態では、インダクタＬの他端と抵抗Ｒ１との間に、ダイオードＤ２を設けたが、これに限らず、サイリスタといった整流特性を有するものを設ければよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１００；スイッチング電源装置
１０、１１０；制御部
１１；制御回路
２０、２０Ａ、１２０；制御信号供給部
Ｑ、Ｔｒ；スイッチ素子
Ｃ１、Ｃ２；キャパシタ
Ｄ１、Ｄ２；ダイオード
Ｌ；インダクタ
Ｐ；接点
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４；抵抗

Claims

出力電圧を制御する制御部と、前記制御部に制御信号を供給して前記制御部を制御する制御信号供給部と、を備える非絶縁型のスイッチング電源装置であって、
前記制御信号供給部は、
前記出力電圧が入力される直列接続部と、
スイッチ素子を有し、前記制御信号を出力する制御信号出力部と、を備え、
前記直列接続部は、前記直列接続部の入力端子から出力端子の向きに電流が流れるように整流する整流素子と、第１抵抗と、第２抵抗と、を直列接続して構成され、
前記制御信号出力部は、前記第１抵抗と前記第２抵抗との間の電圧を前記スイッチ素子により反転増幅し、前記制御信号として前記制御部に供給することを特徴とする非絶縁型のスイッチング電源装置。
前記整流素子は、前記直列接続部の出力端子から入力端子の向きに対して高耐圧な素子であることを特徴とする請求項１に記載の非絶縁型のスイッチング電源装置。
前記整流素子は、高耐圧ダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載の非絶縁型のスイッチング電源装置。
前記スイッチ素子の制御端子と、前記スイッチ素子の端子のうち前記制御信号を前記制御部に供給するものと、の間に、抵抗とキャパシタとを直列接続した直列接続回路が設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の非絶縁型のスイッチング電源装置。
前記スイッチ素子の端子のうち前記制御信号を前記制御部に供給するものと、前記制御部と、の間に、抵抗が設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の非絶縁型のスイッチング電源装置。