JP2011254640A

JP2011254640A - 絶縁型スイッチング電源

Info

Publication number: JP2011254640A
Application number: JP2010127291A
Authority: JP
Inventors: Masatsuru Miyazaki; 真鶴宮崎
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: JP5495383B2

Abstract

【課題】絶縁トランスの補助巻線からの出力電圧を利用して過電流垂下点の変動を抑制できると共に、スイッチング制御ＩＣを安定に動作させる。
【解決手段】１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２を備えている絶縁トランスＴと、１次巻線に直列のスイッチ素子Ｑ及び電流検出抵抗Ｒｓと、スイッチ素子をパルス幅制御で駆動するスイッチング制御ＩＣ１０により２次側出力を安定化させると共に、電流検出抵抗の両端電圧をスイッチング制御ＩＣの電流検出端子に入力して過電流保護を行う絶縁型スイッチング電源である。絶縁トランスは１次巻線とは逆極に巻かれた補助巻線Ｎ３を具備し、補助巻線の正極側整流電圧をスイッチング制御ＩＣの回路動作電源に利用し、補助巻線の出力を負極半波整流回路１２で整流し、正負反転回路１４で反転した後に、平滑回路１６で平滑化した直流電圧を、補正電圧としてスイッチング制御ＩＣの電流検出端子に印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次側に過電流保護機能を持たせた絶縁型のスイッチング電源に関し、更に詳しく述べると、絶縁トランスに１次巻線と逆極の補助巻線を設け、該補助巻線の正極側出力をスイッチング制御ＩＣの回路動作電源に利用し、補助巻線の負極側出力を利用して過電流垂下点の変動を抑制する絶縁型スイッチング電源に関するものである。

小電力用に多く用いられている電源として、１石式の絶縁型スイッチング電源がある。これは、絶縁トランスの１次巻線と２次巻線とにより１次側回路と２次側回路を分離し、１次側回路は、１次巻線に直列に単一のスイッチ素子を接続した構成とし、該スイッチ素子をオン／オフ制御して２次側出力の安定化を図るものである。具体的には、交流入力を整流回路で整流し、平滑回路で平滑化して、前記１次側回路に供給する。２次側回路は、２次巻線の出力を整流する整流回路と、平滑化する平滑回路を備えている。前記スイッチ素子は、スイッチング制御ＩＣでパルス状に駆動され、２次側回路の出力電圧を前記スイッチング制御ＩＣにフィードバックしパルス幅制御することで出力の安定化が図られる。

この種のスイッチング電源では、１次側回路のスイッチ素子と直列に低抵抗の電流検出抵抗を組み込み、該電流検出抵抗の両端電圧をスイッチング制御ＩＣの電流検出端子にて検出し、過電流保護を行っている。電流検出抵抗の両端電圧は出力電流に比例して変動するので、検出した電圧が設定値以上となった時に出力電圧を低下させて、出力電力が過大にならないように制御するのである。ここで、出力電圧が低下し始める点を垂下点と言うが、その垂下点は電源の入力電圧に影響を受け、設定値に対し変動する。垂下点が変動すると、電源の仕様範囲内に電圧や電流を保つことが困難となったり、電流過大により回路部品の発熱や破損に至る場合があるため、何らかの対策が必要となる。

従来技術としては、補助巻線を利用して過電流垂下点の変動を抑制する回路がある（特許文献１参照）。これは、絶縁トランスに１次巻線と同極の補助巻線を設け、該補助巻線の正極側出力をスイッチング制御ＩＣの回路動作電源に利用すると共に、スイッチング制御ＩＣの電流検出端子に入力することにより過電流保護の垂下点変動を抑制しようとするものである。

前述のように、過電流の場合の垂下点は、電源の入力電圧の変動に影響を受ける。出力電力が変わらない場合、入力電圧が上がると入力電流は下がり、電流検出抵抗の両端電圧が下がるためスイッチング制御ＩＣの電流検出端子が過電流を検出するための設定値までの差が大きくなる。逆に入力電圧が下がると入力電流は上がり、電流検出抵抗の両端電圧が上がるため過電流を検出するための設定値までの差は小さくなる。補助巻線の電圧は入力電圧に比例して変動するため、電流検出抵抗の両端電圧の変化に相反する電圧が補助巻線から得られる。この２つの電圧を合成することで入力電圧による垂下点の変動を抑制する。

しかし、絶縁トランスに設けた１次巻線と同極の補助巻線からの正極側出力は、入力側に比例して変動する幅が大きい。この正極側出力電圧は、垂下点の変動抑制への利用には有効であるが、それをスイッチング制御ＩＣの回路動作電圧にすると、該スイッチング制御ＩＣの動作が不安定になる問題がある。しかし、補助巻線の電圧を安定化するため、補助巻線を１次巻線と逆極にすると、スイッチング制御ＩＣは安定に動作するが、補助巻線の出力電圧に１８０度の位相差が生じるので、そのままでは制御ができなくなる。

特開平８−６６０２１号公報

本発明が解決しようとする課題は、絶縁トランスの補助巻線からの出力電圧を利用して過電流垂下点の変動を抑制できると共に、スイッチング制御ＩＣを安定に動作させることができるようにすることである。

本発明は、１次巻線と２次巻線を備えている絶縁トランスと、その１次巻線に直列に接続されるスイッチ素子及び電流検出抵抗と、前記スイッチ素子をパルス幅制御で駆動するスイッチング制御ＩＣを具備し、該スイッチング制御ＩＣにより２次側出力を安定化させると共に、前記電流検出抵抗による検出電圧を前記スイッチング制御ＩＣの電流検出端子に入力して過電流保護を行う絶縁型スイッチング電源において、前記絶縁トランスは１次巻線とは逆極に巻かれた補助巻線を具備し、該補助巻線の正負出力を正極側で半波整流した正極側整流出力を前記スイッチング制御ＩＣの回路動作電源に利用し、前記補助巻線の正負出力を負極半波整流回路で半波整流して負極側出力を取り出し、正負反転回路で正負反転した後に、平滑回路にて平滑化した直流電圧が、前記スイッチング制御ＩＣの電流検出端子に印加されるようにしたことを特徴とする絶縁型スイッチング電源である。

本発明の絶縁型スイッチング電源は、補助巻線が１次巻線とは逆極に巻かれていて、該補助巻線の正負出力を正極側で半波整流した正極側整流出力をスイッチング制御ＩＣの回路動作電源に利用しており、その正極側整流電圧は、電源の入力電圧の変動に影響され難いため、スイッチング制御ＩＣの動作が不安定になる恐れはない。また、本発明では、補助巻線の正負出力を負極半波整流回路で半波整流して負極側出力を取り出し、正負反転回路で正負反転した後に、平滑回路にて平滑化した直流電圧が、前記スイッチング制御ＩＣの電流検出端子に印加されるように構成しているので、位相のずれの影響がなく、電源の入力電圧に比例して変動するため、垂下点の変動を抑制でき、精度の高い過電流保護が可能となる。

本発明に係る絶縁型スイッチング電源の要部を示す概略構成図。本発明に係る絶縁型スイッチング電源の一実施例を示す回路図。その回路各部での動作波形図。垂下特性の説明図。

本発明に係る絶縁型スイッチング電源の要部の概略構成を図１に示す。これは、絶縁トランスＴの１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２とにより１次側回路と２次側回路を分離し、１次側回路では、１次巻線Ｎ１に直列に設けたスイッチ素子Ｑをオン／オフ制御して２次側出力の安定化を図るフライバック方式のスイッチング電源である。前記スイッチ素子Ｑは典型的にはＦＥＴであって、スイッチング制御ＩＣ１０でパルス状に駆動され、２次側回路の出力電圧を該スイッチング制御ＩＣ１０にフィードバックしてパルス幅制御することで出力の安定化を図っている。

ここで、１次側回路のスイッチ素子Ｑと直列に電流検出抵抗Ｒｓを組み込み、該電流検出抵抗Ｒｓの両端電圧をスイッチング制御ＩＣ１０の電流検出端子ｃｓにて検出し、過電流保護を行う。電流検出抵抗Ｒｓの両端電圧は出力電流に比例して変動するので、検出した電圧が設定値以上となった時に出力電圧を低下させて、出力電力が過大とならないよう制御する。

本発明では、前記絶縁トランスＴに、１次巻線Ｎ１及び２次巻線Ｎ２とは別の補助巻線Ｎ３を設ける。該補助巻線Ｎ３は、前記１次巻線Ｎ１とは逆極となっている。この補助巻線Ｎ３の正負出力を正極側でダイオードＤ１によって半波整流した正極側整流出力を前記スイッチング制御ＩＣ１０の回路動作電源Ｖccとして供給する。他方、前記補助巻線Ｎ３に負極半波整流回路１２を設けて正負出力から負極側出力を取り出すように半波整流し、正負反転回路１４で正負反転した後に、平滑回路１６にて平滑化する。このようにして得られる直流電圧を、補正電圧として前記スイッチング制御ＩＣ１０の電流検出端子ｃｓに印加する。この補正電圧は、入力電圧に比例して変動するため、電流検出抵抗Ｒｓの両端電圧の変化に相反する電圧が補助巻線から得られることになる。この２つの電圧、即ち電流検出抵抗Ｒｓで検出される電圧と、前記補正電圧を合成することで、電源の入力電圧の変動による垂下点の変動を抑制している。

本発明に係る絶縁型スイッチング電源の一実施例を図２に示す。基本的な構成は、図１と同様なので、説明を分かりやすくするために、対応する部品には同一符号を付す。これは、絶縁トランスＴの１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２とにより１次側回路と２次側回路を分離し、１次側回路では、１次巻線Ｎ１に直列に接続したスイッチ素子Ｑをオン／オフ制御して２次側出力の安定化を図るフライバック方式のスイッチング電源である。交流入力をダイオードブリッジからなる整流回路２０で全波整流し、コンデンサＣ１で平滑化して、前記１次側回路に供給する。２次側回路は、図示するのを省略するが、２次巻線Ｎ２の出力をダイオードで整流する整流回路と、コンデンサで平滑化する平滑回路を備えている。前記スイッチ素子Ｑは典型的にはＦＥＴであって、スイッチング制御ＩＣ１０でパルス状に駆動され、２次側回路の出力電圧をフォトカプラなどで該スイッチング制御ＩＣ１０にフィードバックしパルス幅制御することで出力の安定化が図られる。

ここではスイッチング電源の回路方式がフライバック式であることから、スイッチ素子がオンしている期間に絶縁トランスに電力を蓄え、スイッチ素子がオフしている期間に、絶縁トランスに蓄えられている電力を負荷に供給するように動作することになる。

ここで、１次側回路のスイッチ素子Ｑと直列に電流検出抵抗Ｒｓを組み込み、該電流検出抵抗Ｒｓの両端電圧をスイッチング制御ＩＣ１０の電流検出端子ｃｓにて検出し、過電流保護を行う。電流検出抵抗Ｒｓの両端電圧は出力電流に比例して変動するので、検出した電圧が設定値以上となった時に出力電圧を低下させて、出力電力が過大とならないよう制御するのである。

絶縁トランスＴに、１次巻線Ｎ１及び２次巻線Ｎ２とは別の補助巻線Ｎ３を設ける。本発明では、該補助巻線Ｎ３は、前記１次巻線Ｎ１とは逆極になっている。この補助巻線の正負出力を整流用ダイオードＤ１により正極側で半波整流した正極側整流出力を前記スイッチング制御ＩＣ１０の回路動作電源Ｖccとして供給する。他方、前記補助巻線Ｎ３に、その巻き始め端側がカソードとなるように整流用ダイオードＤ２を接続し、半波整流して補助巻線Ｎ３の負極側出力を取り出す。整流用ダイオードＤ２が図１の負極半波整流回路１２に相当する。次に、この負極側出力を、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２とダイオードＤ３からなる正負反転回路１４で正負反転する。更に、正負反転して得られる正極側出力を、逆流阻止用ダイオードＤ４とコンデンサＣ３と抵抗Ｒ２からなる平滑回路１６にて平滑化する。これにより得られる直流電圧を、補正電圧として前記スイッチング制御ＩＣ１０の電流検出端子ｃｓに印加する。

回路各点での動作波形を模式的に図３に示す。（ａ）は、１次巻線Ｎ１のスイッチング波形である。スイッチング制御ＩＣ１０でスイッチ素子Ｑを間欠的に駆動し、そのオン／オフを制御することにより、このような正負のスイッチング波形が生じる。（ｂ）は、補助巻線Ｎ３の巻き始め端点ｂでの波形である。補助巻線Ｎ３が１次巻線Ｎ１と逆極であることから、補助巻線Ｎ３の出力波形（ｂ）は１次巻線Ｎ１のスイッチング波形（ａ）とは逆位相になっている。（ｃ）は、負極整流回路１２の出力点ｃでの波形である。補助巻線Ｎ３の端点ｂでの波形（ｂ）は正極側と負極側のある方形波であるが、負極整流回路１２の出力波形は負極側信号のみとなる。（ｄ）は、正負反転回路１４の出力点ｄでの波形である。負極整流回路１２の出力波形は負極側信号のみであるが、それを正負反転した正負反転回路１４の出力波形は、正極側信号のみとなる。（ｅ）は、平滑回路１６の出力点ｅでの波形であり、平滑化されて直流電圧となる。（ｆ）はスイッチング制御ＩＣ１０の電流検出端子ｃｓの入力点ｆでの波形であり、電流検出抵抗Ｒｓから得られる信号と前記直流電圧とが合成された入力信号である。

１次巻線Ｎ１のスイッチング波形（ａ）は入力電圧に比例して変動し、それに伴って補助巻線Ｎ３の出力波形（ｂ）も変動するが、正極側は入力電圧の影響を受け難く、負極側はスイッチングの影響を受け入力電圧に比例して変動する。従って、負極整流回路１２の出力波形（ｃ）、それを正負反転させた正負反転回路１４の出力波形（ｄ）、及びそれを平滑化した平滑回路１６からの直流電圧（ｅ）は、入力電圧に比例して上下する。スイッチング制御ＩＣ１０の電流検出端子ｃｓの入力波形は、この入力電圧に比例して上下する直流電圧に、電流検出抵抗から得られる信号が重畳した形となる。電流検出抵抗Ｒｓの両端電圧は入力電圧に反比例して変動するので、その変化に相反する電圧が補助巻線Ｎ３から得られることになり、両者を合成することで、スイッチング制御ＩＣ１０の電流検出端子ｃｓの電圧が補正され、入力電圧による垂下点の変動を抑制することができる。

図４は、その過電流垂下特性の変化の様子を模式的に示したものである。電源の入力電圧が設定値に一致している場合の垂下特性を実線ｒで表すと、入力電圧が設定値よりも高くなった場合には垂下点は高くなる（出力電流が大きくなる方向にシフトする）。その場合、本発明のスイッチング電源における垂下特性（実線ｓで示す）は、電圧補正を行わない場合の垂下特性（破線ｔで表す）に比べて垂下点は下がり、変動幅が抑えられる。

１０スイッチング制御ＩＣ
１２負極整流回路
１４正負反転回路
１６平滑回路
Ｎ１１次巻線
Ｎ２２次巻線
Ｎ３補助巻線
Ｑスイッチ素子
Ｒｓ電流検出抵抗

Claims

１次巻線と２次巻線を備えている絶縁トランスと、その１次巻線に直列に接続されるスイッチ素子及び電流検出抵抗と、前記スイッチ素子をパルス幅制御で駆動するスイッチング制御ＩＣを具備し、該スイッチング制御ＩＣにより２次側出力を安定化させると共に、前記電流検出抵抗による検出電圧を前記スイッチング制御ＩＣの電流検出端子に入力して過電流保護を行う絶縁型スイッチング電源において、
前記絶縁トランスは１次巻線とは逆極に巻かれた補助巻線を具備し、該補助巻線の正負出力を正極側で半波整流した正極側整流出力を前記スイッチング制御ＩＣの回路動作電源に利用し、前記補助巻線の正負出力を負極半波整流回路で半波整流して負極側出力を取り出し、正負反転回路で正負反転した後に、平滑回路にて平滑化した直流電圧が、前記スイッチング制御ＩＣの電流検出端子に印加されるようにしたことを特徴とする絶縁型スイッチング電源。