JP2011250581A

JP2011250581A - スイッチング電源装置

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Publication number: JP2011250581A
Application number: JP2010121130A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Mitsui; 達也満井
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: JP5561827B2

Abstract

【課題】スイッチング制御手段の電源電圧が低下しても、電力損失が増大したり負荷が破損したりするのを防ぐことができるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るスイッチング電源装置１は、一次側直流電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング手段Ｑ₁と、該スイッチング手段Ｑ₁を制御するスイッチング制御手段４と、一次巻線Ｔ₁と同一極性に巻回された第１補助巻線Ｔ₃の誘起電圧を整流および平滑してスイッチング制御手段４に供給するための電源電圧を生成する電源電圧生成手段５とを備えたものであって、上記電源電圧が所定の閾値電圧を下回ると、スイッチング手段Ｑ₁に対するスイッチング制御手段４の制御を停止させる停止手段６をさらに備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、補助巻線の誘起電圧に基づいてスイッチング手段を制御するスイッチング制御手段の電源電圧を生成するスイッチング電源装置に関する。

図３に示すように、従来のスイッチング電源装置１０は、１００[Ｖ]／２００[Ｖ]系の商用交流電源から供給された商用交流電圧Ｖ_ACIN（８５〜１３２[Ｖ]／１８７〜２６４[Ｖ]）を整流するダイオードブリッジ回路Ｄ₁と、その出力電圧を平滑して一次側直流電圧を生成する平滑コンデンサＣ₁と、その両端に接続されたトランスＴの一次巻線Ｔ₁および電力用ＦＥＴＱ₁（スイッチング手段）のドレイン・ソース導電路とからなる直列回路とを備えている。

電力用ＦＥＴＱ₁のゲートには、スイッチング制御手段４のＯＵＴ端子から出力される制御信号が入力される。この信号により電力用ＦＥＴＱ₁の導通期間が制御され、一次巻線Ｔ₁にスイッチング電圧が供給される。このようなスイッチング制御手段４としては、例えば、富士電機デバイステクノロジー社製スイッチング電源制御用ＩＣ“ＦＡ５５３２”がある。

トランスＴの二次巻線Ｔ₂の一端にはダイオードＤ₂のアノードが接続されている。また、ダイオードＤ₂のカソードは平滑コンデンサＣ₂の一端に接続され、平滑コンデンサＣ₂の他端は二次巻線Ｔ₂の他端に接続されている。平滑コンデンサＣ₂の両端からは、不図示の負荷に供給するための直流の二次側出力電圧Ｖ_DCOUTが出力される。

平滑用コンデンサＣ₂には、抵抗Ｒ₂と抵抗Ｒ₃を直列に接続してなる電圧検知手段２が並列に接続されている。抵抗Ｒ₂と抵抗Ｒ₃の接続点に接続されたフィードバック手段３は、二次側出力電圧Ｖ_DCOUTの多寡に関する信号をスイッチング制御手段４のＦＢ端子に出力する。スイッチング制御手段４は、二次側出力電圧Ｖ_DCOUTが一定となるように電力用ＦＥＴＱ₁の導通期間を制御する。

図３に示すように、トランスＴはさらに補助巻線Ｔ₃を有している。補助巻線Ｔ₃はトランスＴのコアに一次巻線Ｔ₁と同一極性となるように巻回されている。なお、以下の説明では、補助巻線Ｔ₃の２つの端部のうち、電力用ＦＥＴＱ₁のソースに接続されている側の端部を「相互接続端」（同図において、●が付されている側の端部）と呼び、その反対側の端部を「非相互接続端」と呼ぶこととする。

補助巻線Ｔ₃の非相互接続端には、ダイオードＤ₃のアノードが接続され、ダイオードＤ₃のカソードと補助巻線Ｔ₃の相互接続端との間には、平滑コンデンサＣ₃が接続されている。ダイオードＤ₃および平滑コンデンサＣ₃は電源電圧生成手段５を構成し、補助巻線Ｔ₃の誘起電圧を整流および平滑することにより、スイッチング制御手段４の電源電圧を生成する。生成された電源電圧は、スイッチング制御手段４のＶＣＣ端子に入力される。

スイッチング制御手段４は、上記ＯＵＴ端子、ＦＢ端子、ＶＣＣ端子の他に、ＶＨ端子とＧＮＤ端子を有している。ＶＨ端子は、起動抵抗Ｒ₁を介して一次側直流電圧（平滑コンデンサＣ₁の両端電圧）を入力するための端子である。ＧＮＤ端子は、基準となる電圧を入力するための端子である。

このスイッチング電源装置１０では、商用交流電圧Ｖ_ACINの入力が開始されると一次側直流電圧が上昇する。そして、一次側直流電圧がある程度上昇すると、起動電流Ｒ₁を通ってスイッチング制御手段４に十分な起動電流が流れ、スイッチング制御手段４が起動する。

起動したスイッチング制御手段４によって電力用ＦＥＴＱ₁の制御が開始されると、補助巻線Ｔ₃の誘起電圧が上昇し、電源電圧生成手段５から出力される電源電圧（平滑コンデンサＣ₃の両端電圧）が上昇する。そして、この電源電圧がスイッチング制御手段４を動作させるのに十分な電圧に達すると、スイッチング制御手段４はＶＣＣ端子から入力される電源電圧によって電力供給されるようになる。

つまり、スイッチング電源装置１０のスイッチング制御手段４は、起動当初は起動抵抗Ｒ₁を介して入力される一次側直流電圧によって電力供給されるが、ＶＣＣ端子に入力される電源電圧が十分上昇した後（定常時）は、この電源電圧によって電力供給される。したがって、このスイッチング電源装置１０によれば、起動抵抗Ｒ₁に電流が流れることによる定常時の電力損失を低減することができる。

なお、上記スイッチング電源装置１０が開示された先行技術文献としては、例えば、非特許文献１がある。

"富士スイッチング電源制御用ＩＣＦＡ５５３１／３２ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＮｏｔｅ"、富士電機デバイステクノロジー（株）、インターネット、＜http://www.fujielectric.co.jp/products/semiconductor/technical/application/pdf/IC/AJ_FA5531-32.pdf＞、ｐ．１８、２０１０年５月２７日現在

しかしながら、このスイッチング電源装置１０は、定常時にダイオードＤ₃が破損してオープンになったり平滑コンデンサＣ₃が破損してショートしたりしてスイッチング制御手段４に供給される電源電圧が低下すると、再び一次側直流電圧によって電力供給されるようになり、起動抵抗Ｒ₁による電力損失が増大するという問題があった。

また、スイッチング制御手段４は、起動抵抗Ｒ₁を介して入力される一次側直流電圧によって電力供給され続けると、負荷状況が変化して起動抵抗Ｒ₁に流れる電流が一時的に増加したような場合にＶＨ端子の電圧が低下し、正常動作できなくなる場合があった。この場合は、電力用ＦＥＴＱ₁の制御が正常に行われず、異常な二次側出力電圧が負荷に供給されることとなって、負荷の破損を招くおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、スイッチング制御手段の電源電圧が低下しても、電力損失が増大したり負荷が破損したりするのを防ぐことができるスイッチング電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、一次巻線と、二次巻線と、前記一次巻線と同一極性に巻回された第１補助巻線とを有するトランスと、該トランスの一次側に設けられ、外部から入力された交流電圧を整流および平滑して一次側直流電圧を生成する手段と、一次側直流電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング手段と、スイッチング手段を制御するスイッチング制御手段と、トランスの二次巻線の誘起電圧を整流および平滑して直流の二次側出力電圧を生成する出力電圧生成手段と、第１補助巻線の誘起電圧を整流および平滑してスイッチング制御手段に供給するための電源電圧を生成する電源電圧生成手段とを備えたスイッチング電源装置であって、上記電源電圧が所定の閾値電圧を下回ると、スイッチング手段に対するスイッチング制御手段の制御を停止させる停止手段をさらに備えたことを特徴とする。

この構成によれば、第１補助巻線の誘起電圧に基づいて生成されるスイッチング制御手段の電源電圧が所定の閾値電圧を下回ると、停止手段によってスイッチング手段に対するスイッチング制御手段の制御が停止させられるので、スイッチング手段の制御が異常になることに起因する負荷の破損を防ぐことができる。また、上記制御を停止するとスイッチング制御手段の消費電流が少なくなるので、起動抵抗を介してスイッチング制御手段に電力供給が続けられている場合であっても、当該起動抵抗による電力損失が増加するのを防ぐことができる。

上記スイッチング制御手段および停止手段の具体的構成は種々考えられるが、例えば、以下のようにすることで構成を簡素化することができる。
すなわち、スイッチング制御手段は、停止手段に接続された停止指令入力端子を有し、該停止指令入力端子が外部電圧にプルアップされるとスイッチング手段の制御を停止するよう構成することができる。また、停止手段は、一次巻線と同一極性に巻回された第２補助巻線と、該第２補助巻線の誘起電圧を整流および平滑して外部電圧を生成する外部電圧生成手段と、電源電圧が上記閾値電圧を下回ると導通状態となって停止指令入力端子を外部電圧にプルアップするスイッチ素子とを備えた構成とすることができる。

本発明によれば、スイッチング制御手段の電源電圧が低下しても、電力損失が増大したり負荷が破損したりするのを防ぐことができるスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明に係るスイッチング電源装置の回路図である。本発明に係るスイッチング電源装置に備えられた停止手段の動作を説明するためのグラフである。従来のスイッチング電源装置の回路図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係るスイッチング電源装置の好ましい実施形態について説明する。なお、図１に示されている各構成要素のうち、図３と同一の符号を付した構成要素については従来技術で説明したものと同様なので、ここでは説明を一部省略する。また、以下の説明では、符号Ｔ₃で表される巻線を「第１補助巻線」と呼ぶこととする。

図１に、本発明に係るスイッチング電源装置１の回路図を示す。同図に示すように、スイッチング電源装置１は、図３に示す従来のスイッチング電源装置１０に第２補助巻線Ｔ₄と停止手段６を追加した構成となっている。スイッチング電源装置１のスイッチング制御手段４の一例として、富士電機デバイステクノロジー社製スイッチング電源制御用ＩＣ“ＦＡ５５３２”を用いることができる。また、このスイッチング制御手段４はＯＵＴ端子、ＶＨ端子、ＧＮＤ端子、ＦＢ端子およびＶＣＣ端子の他にＺＣＤ端子を有する。ＺＣＤ端子の機能については後述する。

第２補助巻線Ｔ₄は、一次巻線Ｔ₁、二次巻線Ｔ₂および第１補助巻線Ｔ₃とともにトランスＴのコアに巻回され、一次巻線Ｔ₁と同一の極性となるように巻回されている。なお、以下の説明では、第２補助巻線Ｔ₄の２つの端部のうち、電力用ＦＥＴＱ₁のソースに接続されている側の端部を「相互接続端」（図１において、●が付されている側の端部）と呼び、その反対側の端部を「非相互接続端」と呼ぶこととする。

停止手段６は、アノードが第２補助巻線Ｔ₄の非相互接続端に接続されたダイオードＤ₄と、ダイオードＤ₄のカソードと第２補助巻線Ｔ₄の相互接続端（第１補助巻線Ｔ₃の相互接続端でもある）の間に接続された平滑コンデンサＣ₄とを有している。ダイオードＤ₄および平滑コンデンサＣ₄は、第２補助巻線Ｔ₄の誘起電圧を整流および平滑することによりスイッチング制御手段４に印加可能な外部電圧を生成する。このように、この実施形態では、ダイオードＤ₄と、平滑コンデンサＣ₄とからなる回路が、本発明の「外部電圧生成手段」として機能する。

この他、停止手段６は、抵抗Ｒ₄、抵抗Ｒ₅およびＰＮＰ型のトランジスタＱ₂（本発明の「スイッチ素子」に相当する）を有している。図１に示すように、抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の直列抵抗回路は、平滑コンデンサＣ₃に並列に接続されている。したがって、この直列抵抗回路の両端には、電源電圧生成手段５から出力される電源電圧が印加される。

トランジスタＱ₂のエミッタはダイオードＤ₄のカソードに接続され、トランジスタＱ₂のベースは抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の接続点に接続されている。したがって、外部電圧が抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の分圧よりも約１[Ｖ]大きくなると、トランジスタＱ₂がオンし、エミッタ−コレクタ間が導通状態となる。

トランジスタＱ₂のコレクタは、スイッチング制御手段４のＺＣＤ端子に接続されており、スイッチング制御手段４は、このＺＣＤ端子が外部電圧にプルアップされることで電力用ＦＥＴＱ₁に対する制御を停止する。図１に示す停止手段６では、トランジスタＱ₂がオンし、トランジスタＱ₂のエミッタ−コレクタ間が導通状態となることにより、ＺＣＤ端子が外部電圧にプルアップされる。

続いて、図２を参照しながら、停止手段６の動作の具体的一例について説明する。なお、以下の具体例では、第１補助巻線Ｔ₃と第２補助巻線Ｔ₄の巻数比が２：１、定常時の電源電圧が２０[Ｖ]、抵抗Ｒ₄が１[ｋΩ]、抵抗Ｒ₅が４７０[Ω]であるとする。したがって、定常時の外部電圧は１０[Ｖ]、抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の定常時の分圧は１３．６[Ｖ]である。

外部電圧が１０[Ｖ]、抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の分圧が１３．６[Ｖ]である定常時は、トランジスタＱ₂のベース−エミッタ間に順方向電圧が印加されない。したがって、何らかの異常が発生しない限り、定常時にトランジスタＱ₂がオンすることはない。

ダイオードＤ₃が破損してオープンになったり平滑コンデンサＣ₃が破損してショートしたりして電源電圧が２０[Ｖ]から低下すると、“電源電圧×１ｋ／（１ｋ＋４７０）”で計算される抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の分圧も１３．６[Ｖ]から低下する。そして、抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の分圧が９[Ｖ]となって外部電圧を約１[Ｖ]下回ると、ベース−エミッタ間に十分な順方向電圧が印加され、トランジスタＱ₂がオンする。すなわち、電源電圧が１３．２[Ｖ]を下回ると、スイッチング制御手段４のＺＣＤ端子が外部電圧（１０[Ｖ]）にプルアップされ、電力用ＦＥＴＱ₁の制御が停止される。

トランジスタＱ₂のオン／オフが切り替わる電源電圧（上記具体例では、１３．２[Ｖ]。以下、「閾値電圧」という）は、抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の抵抗比、または第１補助巻線Ｔ₃と第２補助巻線Ｔ₄の巻数比を変えることにより調整することができる。例えば、巻数比と抵抗Ｒ_４の抵抗値を変えずに、抵抗Ｒ_５の抵抗値を９１０[Ω]にすることで、定常時の分圧を１０．５[Ｖ]とし、閾値電圧を１７．２[Ｖ]とすることができる。つまり、電源電圧が２．８[Ｖ]低下するだけで電力用ＦＥＴＱ₁の制御が停止するように設定することができる。また、抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の抵抗比を変えずに、巻数比を３:１にすることで、定常時の外部電圧を６．７[Ｖ]とし、閾値電圧を８．４[Ｖ]とすることができる。つまり、何らかの異常が発生しても電源電圧が１１．６[Ｖ]低下するまでは、電力用ＦＥＴＱ₁の制御が停止しないように設定することができる。

結局、本発明に係るスイッチング電源装置１によれば、第１補助巻線Ｔ₃の誘起電圧に基づいて生成されるスイッチング制御手段４の電源電圧が所定の閾値電圧を下回ると、停止手段６によって電力用ＦＥＴＱ₁に対するスイッチング制御手段４の制御が停止させられるので、電力用ＦＥＴＱ₁の制御が異常になることに起因する負荷の破損を防ぐことができる。また、上記制御を停止するとスイッチング制御手段４の消費電流が少なくなるので、起動抵抗Ｒ₁を介してスイッチング制御手段４に電力供給が続けられることによる電力損失を低減することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記の構成に限定されるものではない。

例えば、上記停止手段６では、抵抗Ｒ₄と抵抗Ｒ₅の分圧によって制御されるＰＮＰ型のトランジスタＱ₂を用いたが、電源電圧の多寡に応じてオン／オフが切り替わる他のスイッチ素子を用いることもできる。

また、スイッチング制御手段４は、富士電機デバイステクノロジー社製のスイッチング電源制御用ＩＣ“ＦＡ５５３２”に限定されず、同社製ＩＣ“ＦＡ５５３＊シリーズ”、“ＦＡ５５４＊シリーズ”、“ＦＡ５５５＊シリーズ”や、同等の機能を有する他のＩＣまたは回路に置き換えてもよい。

１スイッチング電源装置
２電圧検知手段
３フィードバック手段
４スイッチング制御手段
５電源電圧生成手段
６停止手段
Ｑ₁ スイッチング手段（電力用ＦＥＴ）
Ｑ₂ スイッチ素子（トランジスタ）
Ｒ₁ 起動抵抗
Ｔトランス
Ｔ₁ 一次巻線
Ｔ₂ 二次巻線
Ｔ₃ 第１補助巻線
Ｔ₄ 第２補助巻線

Claims

一次巻線と、二次巻線と、前記一次巻線と同一極性に巻回された第１補助巻線とを有するトランスと、該トランスの一次側に設けられ、外部から入力された交流電圧を整流および平滑して一次側直流電圧を生成する手段と、前記一次側直流電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング手段と、前記スイッチング手段を制御するスイッチング制御手段と、前記トランスの二次巻線の誘起電圧を整流および平滑して直流の二次側出力電圧を生成する出力電圧生成手段と、前記第１補助巻線の誘起電圧を整流および平滑して前記スイッチング制御手段に供給するための電源電圧を生成する電源電圧生成手段とを備えたスイッチング電源装置であって、
前記電源電圧が所定の閾値電圧を下回ると、前記スイッチング手段に対する前記スイッチング制御手段の制御を停止させる停止手段をさらに備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
前記スイッチング制御手段は、前記停止手段に接続された停止指令入力端子を有し、前記停止指令入力端子が外部電圧にプルアップされると前記スイッチング手段の制御を停止するよう構成されており、
前記停止手段は、前記一次巻線と同一極性に巻回された第２補助巻線と、前記第２補助巻線の誘起電圧を整流および平滑して前記外部電圧を生成する外部電圧生成手段と、前記電源電圧が前記閾値電圧を下回ると導通状態となって前記停止指令入力端子を前記外部電圧にプルアップするスイッチ素子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装置。