JP2011200034A

JP2011200034A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2011200034A
Application number: JP2010064438A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ashida; 雅則芦田
Original assignee: Aiphone Co Ltd
Current assignee: Aiphone Co Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】過電圧の発生時におけるコンデンサの放電機能を速やかに能動として負荷を接続する端子に過電圧が残ることを防止し、定格出力電圧が高い場合であっても安全規格への適合を容易とする。
【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３０からの直流電圧の電力を、スイッチングトランス５を経由して２次側整流平滑回路４０に伝達し、この２次側整流平滑回路から負荷１に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、放電回路４２の放電電圧設定回路を構成するツェナーダイオードＺＤに予め設定されたツェナー電圧を超えると、軽負荷時において放電し難い性質を有する２次側整流平滑回路のコンデンサＣ3に蓄えられた電荷が速やかに放電され、放電電流設定回路を構成する抵抗Ｒ7により設定された電流値の放電電流をトランジスタＱ2に流すことができる。
【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有する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・平滑を行い、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いる。

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るばかりでなく、二次側のコンデンサは、軽負荷時において放電し難い性質を有しているため、過電圧の発生時においてコンデンサに蓄えられる電荷が放電されるまでの間、その過電圧が負荷を接続する端子に残ることから、特に、当該電源装置の定格出力電圧が高く設定されていると、危険電圧と判断されて安全規格に不適合となる難点があった。

本発明は、これらの難点を解消するためのものであり、過電圧の発生時におけるコンデンサの放電機能を速やかに能動として負荷を接続する端子に過電圧が残ることを防止し、定格出力電圧が高い場合であっても安全規格への適合が容易な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、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、補助巻線の出力電圧に基づいてスイッチングトランスを駆動させるためのトランジスタと、トランジスタのスイッチング動作を制御するためのスイッチング制御回路と、スイッチングトランスの２次巻線の電圧を整流・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電圧を検出してスイッチング制御回路をフィードバック制御し、直流電圧の電圧レベルを一定に保持するための定電圧制御回路と、２次側整流平滑回路のコンデンサに蓄えられる電荷を放電するための放電回路とを備えている。放電回路は、放電の動作を開始させる放電電圧を設定するための放電電圧設定回路と、放電の動作により発生する放電電流を流すためのトランジスタと、放電電流の大きさを設定するための放電電流設定回路とを有している。

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、放電電流設定回路は、放電電流の大きさを可変するものである。

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の電力を、スイッチングトランスを経由して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に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、放電回路の放電電圧設定回路を構成するツェナーダイオードに予め設定されたツェナー電圧を超えると、軽負荷時において放電し難い性質を有する２次側整流平滑回路のコンデンサに蓄えられた電荷が速やかに放電され、放電電流設定回路にて設定された電流値の放電電流をトランジスタに流すことができる。これにより、過電圧の発生時におけるコンデンサの放電機能が速やかに能動となるため、負荷を接続する端子に過電圧が残ることを防止でき、定格出力電圧が高い場合であっても安全規格への適合が容易となる。

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ブロック図。

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５０及び２次巻線５１と、１次巻線５０へのスイッチング動作を制御するための動作電源を電力供給する補助巻線５２とが備えられている。

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３０と、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５２からの電力供給に基づいて１次巻線５０のスイッチング動作を行うための（ＮＰＮ型の）トランジスタ３１と、トランジスタ３１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換えを制御するためのスイッチング制御回路３２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３０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、スイッチング制御回路３２は、コンデンサＣ2、ダイオードＤ1、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ＩＣ３２０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３０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５０（の両端）を経由してトランジスタ３１のコレクタが接続されており、このトランジスタ３１のエミッタには、基準電位点が接続されている。また、トランジスタ３１のベースには、スイッチング制御回路３２を構成する制御ＩＣ３２０の制御端子Ｐ320aが接続されている。

スイッチング制御回路３２を構成する制御ＩＣ３２０のフィードバック端子Ｐ320b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ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320cには、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５２（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ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320c及び基準電位点間には、コンデンサＣ2が並列接続されている。

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５０から誘起された後、２次巻線５１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に電力供給するための２次側整流平滑回路４０と、スイッチング制御回路３２を構成する制御ＩＣ３２０を制御し、負荷１への出力電圧Ｖoutを一定の電圧レベルで保持するための定電圧制御回路４１と、２次側整流平滑回路４０の後述するコンデンサＣ3に蓄えられる電荷を放電するための放電回路４２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４０は、ダイオードＤ2、コンデンサＣ3を有している。また、定電圧制御回路４１は、抵抗Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4、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。）Ｄ3、シャントレギュレータＳＲを有している。さらに、放電回路４２は、抵抗Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7、ツェナーダイオードＺＤ、（ＮＰＮ型の）トランジスタ（以下、放電用トランジスタという。）Ｑ2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４０を構成するダイオードＤ2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５１（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Ｄ2のカソードには、出力端子Ｐ1が接続されている。また、ダイオードＤ2のカソード及び出力端子Ｐ1間には、コンデンサＣ3が並列接続されているとともに、定電圧制御回路４１を構成する抵抗Ｒ3、Ｒ4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５１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。

定電圧制御回路４１において、フォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ3のアノードは、抵抗Ｒ1を経由して２次側整流平滑回路４０を構成するダイオードＤ2のカソード及び出力端子Ｐ1間に接続されている。また、発光ダイオードＤ3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Ｒ2を経由して、２次側整流平滑回路４０を構成するダイオードＤ2のカソード及び出力端子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Ｒ3、Ｒ4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。

放電回路４２において、２次側整流平滑回路４０を構成するダイオードＤ2のカソード及び出力端子Ｐ1の間にカソードが接続されるツェナーダイオードＺＤと、このツェナーダイオードＺＤのアノードに直列接続される抵抗Ｒ5、Ｒ6とは、２次側整流平滑回路４０を構成するコンデンサＣ3に蓄えられる電荷を放電する動作を開始させる電圧（放電電圧）を設定するための放電電圧設定回路を構成しており、この抵抗Ｒ6には、基準電位点が接続されている。

また、放電回路４２を構成する放電用トランジスタＱ2は、前述の放電の動作により発生する放電電流を（基準電位点に）流すためのものであり、この放電用トランジスタＱ2のエミッタは、基準電位点に接続され、ベースは、直列接続された抵抗Ｒ5、Ｒ6間に接続され、コレクタは、抵抗Ｒ7を経由して２次側整流平滑回路４０を構成するダイオードＤ2のカソード及び出力端子Ｐ1間に接続されている。

さらに、放電回路４２を構成する抵抗Ｒ7は、放電用トランジスタＱ2に流れる放電電流の大きさを設定するための放電電流設定回路を構成しており、その電流値を可変する機能を備えることもでき、具体的な構成としては、例えば、可変抵抗が好適とされる。

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３０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のスイッチング制御回路３２を構成する制御ＩＣ３２０が起動し、制御ＩＣ３２０の第１の制御端子Ｐ320aからトランジスタ３１にベース電流が電力供給され、このトランジスタ３１がオフ状態からオン状態に切り換わり、スイッチングトランス５を構成する１次巻線５０に直流電圧が印加されるため、１次巻線５０から誘起された（＋）電圧が補助巻線５２にて受電されるとともに、同様に誘起された（−）電圧が２次巻線５１にて受電される。

また、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５２にて受電された（＋）電圧は、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３２を構成するダイオードＤ1、コンデンサＣ2を経由して整流・平滑された後、制御ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320cに印加されることになる。このような電力供給が行われると、制御ＩＣ３２０は、トランジスタ３１のオン状態を保持する。

一方、スイッチングトランス５を構成する２次巻線５１にて受電された（−）電圧は、電源出力制御部４の２次側整流平滑回路４０を構成するダイオードＤ2に逆方向の電圧で印加されるため、出力電圧Ｖoutが生成されることはなく、これと同時に、補助巻線５２に接続された（電源入力制御部３の）スイッチング制御回路３２を構成する制御ＩＣ３２０の制御端子Ｐ320cまでの電源供給路が形成され、形成された電源供給路上のコンデンサＣ2を充電させることにより、制御ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320cに印加される電圧レベルが所定の閾値レベルを超え、これを検出した制御ＩＣ３２０は、トランジスタ３１をオン状態からオフ状態に切り換えることで１次巻線５０に逆起電力が発生する。これにより、１次巻線５０から誘起された（−）電圧が補助巻線５２にて受電されるとともに、同様に誘起された（＋）電圧が２次巻線５１にて受電される。

また、スイッチングトランス５を構成する補助巻線５２にて受電された（−）電圧は、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３２を構成するダイオードＤ1、コンデンサＣ2を順次経由して整流・平滑された後、制御ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320cに印加されることになる。このような電力供給が行われると、制御ＩＣ３２０は、トランジスタ３１のオフ状態を継続する。

さらに、スイッチングトランス５を構成する２次巻線５１にて受電された（＋）電圧は、電源出力制御部４の２次側整流平滑回路４０を構成するダイオードＤ2に順方向の電圧で印加されるため、コンデンサＣ3が放電状態となって出力電圧Ｖoutを生成し、この後、２次巻線５１のエネルギーが放出され、当該２次巻線の（−）電圧及び補助巻線５２の（＋）電圧がそれぞれ「０Ｖ」になると、トランジスタ３１はオフ状態から切り換わり、再びオン状態となる。

すなわち、前述までの動作が繰り返されることによって、電源入力制御部３のトランジスタ３１のオン状態／オフ状態が切り換わる。

次に、電源出力制御部４の定電圧制御回路４１を構成する抵抗（分圧抵抗）Ｒ3、Ｒ4を経由して分圧された出力電圧Ｖoutにより、シャントレギュレータＳＲに流れ込むシャント電流が所定の閾値を超えると、このシャントレギュレータＳＲはオフ状態からオン状態に切り換わり、抵抗Ｒ1を経由してアノード電流が流れ込むフォトカプラＰＣを構成する発光ダイオードＤ3をオフ状態からオン状態に切り換えることができ、この動作に連動したフィードバック制御によって、（電源入力制御部３の）スイッチング制御回路３２のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1がオフ状態からオン状態に切り換わることで、ダイオードＤ1を経由してコンデンサＣ2に蓄えられた電荷（直流電圧）に基づき、ベース電流がトランジスタＱ1に流れ込む。

ここで、出力電圧Ｖoutが上昇した場合には、電源出力制御部４の定電圧制御回路４１を構成する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Ｄ3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３２のフォトカプラＰＣを構成する受光トランジスタＱ1のインピーダンスを下げることで、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、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Ｄ3に電流を流さないことにより、受光トランジスタＱ1のインピーダンスを上げることで、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た負荷１にて故障、破損等が発生し、出力電圧Ｖoutが上昇（異常上昇）して（例えば、軽度の）過電圧になったとき、電源出力制御部４の２次側整流平滑回路４０を構成するダイオードＤ2、コンデンサＣ3を経由して整流・平滑された過電圧の電圧レベルは、放電回路４２（の放電電圧設定回路）を構成するツェナーダイオードＺＤに予め設定されたツェナー電圧の電圧レベルを超えるため、このツェナーダイオードＺＤが降伏してツェナー電流が流れる。この作用により、（放電電圧設定回路を構成する）分圧抵抗Ｒ5、Ｒ6を経由して放電用トラジスタＱ2にベース電流が流れるため、当該放電用トラジスタがオフ状態からオン状態に切り換えられ、（放電電流設定回路を構成する）抵抗Ｒ7を介して放電電流が流れることになる。なお、放電電流の大きさは、抵抗Ｒ7の抵抗値に対応して可変させることができる。

また、前述の過電圧が発生すると、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５１から誘起された後、補助巻線５２にて受電される。なお、補助巻線５２にて受電された過電圧の電圧レベルは、当該補助巻線の巻数及び２次巻線の巻数５１に対応して、当該２次巻線に発生した（＋）電圧の電圧レベルよりも低い値であり、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３２を構成するダイオードＤ1を導通させ、このダイオードＤ1、コンデンサＣ2の経路で整流・平滑された後、制御ＩＣ３２０の電源端子Ｐ320cに印加される。

さらに、電源入力制御部３のスイッチング制御回路３２を構成する制御ＩＣ３２０は、電源端子Ｐ320cに印加された過電圧による電圧レベルが、所定の閾値レベルよりも高いことを検出し、トランジスタ３１のスイッチング動作を制御して、その動作を停止させることができる。

この停止動作によれば、出力電圧Ｖoutが電源出力制御部４の放電回路４２を構成するツェナーダイオードＺＤに予め設定されたツェナー電圧よりも小さくなるまでの間、２次側整流平滑回路４０を構成するコンデンサＣ3に蓄えられた電荷による電流が、放電電流として、抵抗Ｒ7、放電用トランジスタＱ2を経由して基準電位点に流れ込み続けるため、出力端子Ｐ1に過電圧が残ることを容易に防止できる。これにより、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３０からの直流電圧の電力を、スイッチングトランス５を経由して２次側整流平滑回路４０に伝達し、この２次側整流平滑回路４０から負荷１に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、放電回路４２の放電電圧設定回路を構成するツェナーダイオードＺＤに予め設定されたツェナー電圧を超えると、軽負荷時において放電し難い性質を有する２次側整流平滑回路４０のコンデンサＣ3に蓄えられた電荷が迅速に放電され、放電電流設定回路を構成する抵抗Ｒ7により設定された電流値の放電電流を放電用トランジスタＱ2に流すことができる。これにより、過電圧の発生時におけるコンデンサＣ3の放電機能が速やかに能動となるため、負荷１を接続する端子（出力端子、ＧＮＤ端子）Ｐ1、Ｐ2に過電圧が残ることを防止でき、定格出力電圧が高い場合であっても安全規格への適合が容易となる。

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。

１……負荷
３１……トランジスタ
３２……スイッチング制御回路
４０……２次側整流平滑回路
Ｃ3……コンデンサ
４１……定電圧制御回路
４２……放電回路
ＺＤ……ツェナーダイオード（放電電圧設定回路）
Ｒ5、Ｒ6……抵抗（放電電圧設定回路）
Ｒ7……抵抗（放電電流設定回路）
Ｑ2……放電用トランジスタ（トランジスタ）
５……スイッチングトランス
５０……１次巻線
５１……２次巻線
５２……補助巻線

Claims

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（５０）及び２次巻線（５１）、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（５２）を有するスイッチングトランス（５）と、
前記補助巻線の出力電圧に基づいて前記スイッチングトランスを駆動させるためのトランジスタ（３１）と、
前記トランジスタのスイッチング動作を制御するためのスイッチング制御回路（３２）と、
前記スイッチングトランスの前記２次巻線の電圧を整流・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（４０）と、
前記２次側整流平滑回路からの電圧を検出して前記スイッチング制御回路をフィードバック制御し、前記直流電圧の電圧レベルを一定に保持するための定電圧制御回路（４１）と、
前記２次側整流平滑回路のコンデンサ（Ｃ3）に蓄えられる電荷を放電するための放電回路（４２）とを備え、
前記放電回路は、前記放電の動作を開始させる放電電圧を設定するための放電電圧設定回路（ＺＤ、Ｒ5、Ｒ6）と、前記放電の動作により発生する放電電流を流すためのトランジスタ（Ｑ2）と、前記放電電流の大きさを設定するための放電電流設定回路（Ｒ7）とを有することを特徴とするスイッチング電源装置。
前記放電電流設定回路は、前記放電電流の大きさを可変す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。