JP2012050168A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成でありながら、入力電圧あるいは出力電圧の変動に対して出力電流の定電流制御を精度良く行うことが可能なスイッチング電源回路を提供する。
【解決手段】本発明に係るスイッチング電源回路１は、スイッチング素子Ｑ１と整流平滑回路８とを含むコンバータ回路部２と、スイッチング素子Ｑ１に直列に接続された電流検出回路３と、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御するスイッチング制御部４と、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流の制限値の基準となる基準電圧を生成してスイッチング制御部４に出力する基準電圧生成回路６と、コンバータ回路部２から得られる入出力電圧情報をもとに基準電圧を調整する補正信号を基準電圧生成回路６に出力する基準電圧補正回路７を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤドライバ等の各種電子機器に用いられるスイッチング電源回路に関し、特に、出力電流を定電流制御する機能を備えたスイッチング電源回路に関する。

従来、スイッチング電源回路は、小型軽量で高効率な電源回路として知られており、さまざまな電子機器用の電源として用いられている。一般的には負荷に一定の電圧を供給する定電圧源として使用されることが多いが、負荷に一定の電流を供給する定電流源として使用されることもあり、そのようなスイッチング電源回路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の図１に示されたスイッチング電源装置においては、主スイッチング素子は、入力電源の正極端子側に配置されたいわゆるハイサイドスイッチング素子として用いられている。この装置では、負荷に直列に電流検出抵抗を接続し、負荷に流れる出力電流を直接検出しているため、定電流制御を比較的容易に行うことができる。しかしながら、主スイッチング素子が高圧側に配置されているため、スイッチング素子の駆動回路が比較的高価になるという問題がある。

この改善策として、主スイッチング素子を入力電源の負極端子側に配置し、いわゆるローサイドスイッチング素子として用いたスイッチング電源回路を用いた照明器具が開示されている（例えば、特許文献２）。

特許文献２においては、スイッチング電源回路部は降圧チョッパ回路を有し、スイッチング素子を兼ねた制御回路ＩＣによりスイッチング制御されており、スイッチング素子に流れる電流のピーク値が閾値電流を超えたときにスイッチング素子をオフするカレントリミット制御を行っている。

特開２００９−１４８１０７号公報（図１） 特開２００９−１３４９４６号公報

しかしながら、特許文献２に開示されているスイッチング電源回路部には次のような問題がある。すなわち、特許文献２のスイッチング電源回路部において、入力電圧をＶｉｎ、出力電圧をＶｏｕｔ、チョークコイルのインダクタンス値（Ｌ値）をＬｃ、スイッチング素子のスイッチング周期をＴｓとすると、出力電流Ｉｏ（チョークコイルに流れる電流の平均値）と閾値電流Ｉｐとの関係は、以下の式（１）のように表される。
Ｉｏ＝Ｉｐ−（１／２）×（（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）／Ｌｃ）
×（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）×Ｔｓ ・・・（１）
式（１）からわかるように、チョークコイルのＬ値Ｌｃが十分に大きい場合は出力電流Ｉｏが閾値電流Ｉｐと略同等の値となる。しかしながら、チョークコイルのＬ値Ｌｃを大きくするとチョークコイルの寸法が大きくなり、かつ、高価なものとなるため、チョークコイルのＬ値Ｌｃを大きくするのには限度があり、その結果、入力電圧Ｖｉｎあるいは出力電圧Ｖｏｕｔの変動によって、出力電流Ｉｏが変動してしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な回路構成でありながら、入力電圧あるいは出力電圧の変動に対して出力電流の定電流制御を精度良く行うことが可能なスイッチング電源回路を提供することを目的とする。

以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）スイッチング素子と整流平滑回路とを含むコンバータ回路部と、前記スイッチング素子に直列に接続されて前記スイッチング素子に流れる電流を電圧に変換して検出する電流検出回路と、負荷部に流れる電流が一定になるように前記スイッチング素子をオン／オフ制御するスイッチング制御部と、前記スイッチング素子に流れる電流の制限値の基準となる基準電圧を生成して前記スイッチング制御部に出力する基準電圧生成回路とを備え、直流電圧源からの電圧を入力して直流電力を前記負荷部に供給するスイッチング電源回路において、前記コンバータ回路部から得られる入出力電圧情報をもとに基準電圧を調整する補正信号を前記基準電圧生成回路に出力する基準電圧補正回路を備えたことを特徴とするスイッチング電源回路（請求項１）。

（２）（１）項に記載のスイッチング電源回路において、前記コンバータ回路部は、前記整流平滑回路が前記スイッチング素子の高圧側に配置された降圧型のコンバータ回路部であり、前記整流平滑回路は、前記負荷部と並列に接続されるコンデンサと、該コンデンサの一端と前記スイッチング素子の高圧側との間に直列に接続されるチョークコイルと、アノード端子がチョークコイルと前記スイッチング素子との接続点に接続されるとともに、カソード端子が前記コンデンサの他端および前記直流電圧源に接続されるダイオードとを含むことを特徴とするスイッチング電源回路（請求項２）。

（３）（２）項に記載のスイッチング電源回路において、前記入出力電圧情報は、前記コンデンサと前記チョークコイルとの接続点から得られる入力電圧と出力電圧との差電圧であって、前記基準電圧補正回路は、前記差電圧に比例した直流電圧を補正信号として出力することを特徴とするスイッチング電源回路（請求項３）。

（４）（２）項に記載のスイッチング電源回路において、前記入出力電圧情報は、前記チョークコイルと前記ダイオードとの接続点から得られるパルス状の電圧であって、前記基準電圧補正回路は、前記パルス状の電圧を分圧および平滑化して、入力電圧と出力電圧との差に比例した直流電圧を補正信号として出力することを特徴とするスイッチング電源回路（請求項４）。

本発明に係るスイッチング電源回路は、コンバータ回路部から得られる入出力電圧情報をもとに基準電圧を調整する補正信号を基準電圧生成回路に出力する基準電圧補正回路を備えたことにより、入力電圧あるいは出力電圧が変動した場合、その変動に応じて基準電圧が調整されるため、簡易な回路構成でありながら、入力電圧および出力電圧の変動に左右されない安定した精度の高い出力電流を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態におけるスイッチング電源回路の回路構成を示すブロック図である。 図１に示すスイッチング電源回路の具体的な回路構成の一例を示す回路図である。 図１に示すスイッチング電源回路の具体的な回路構成の別の例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるスイッチング電源回路の回路構成を示す回路図である。スイッチング電源回路１は、スイッチング素子Ｑ１と整流平滑回路８とを含むコンバータ回路部２と、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御するスイッチング制御部４とを備え、直流電圧源Ｖｄｃから入力される直流電圧を電力変換して直流電力を負荷部５に供給するものである。

また、スイッチング電源回路１は、スイッチング素子Ｑ１に直列に接続された電流検出回路３と、基準電圧生成回路６とを備えており、電流検出回路３は、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流を検出して検出電流に相当する電圧信号をスイッチング制御部４に出力し、基準電圧生成回路６は、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流の制限値の基準となる基準電圧を生成してスイッチング制御部４に出力する。

そして、スイッチング制御部４は、電流検出回路３からの電圧信号と基準電圧生成回路６からの電圧信号に基づいて、負荷部５に流れる出力電流が常に一定になるようにスイッチング素子Ｑ１のオン／オフを制御し、これによって、スイッチング電源回路１は、定電流制御モードのスイッチング電源回路として機能する。

ここで、本実施形態において、コンバータ回路部２は、整流平滑回路８がスイッチング素子Ｑ１の高圧側に配置されたタイプの降圧型コンバータ回路として構成されており、電流検出回路３は、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流を電圧信号に変換する検出抵抗Ｒ１からなる。また、本発明は、スイッチング電源回路１に接続される負荷部５の種類によって限定されるものではないが、例えば、複数の発光ダイオードを直列に接続したＬＥＤモジュールを、負荷部５として適用するものであってもよい。

スイッチング電源回路１は、以上の構成に加えて、コンバータ回路部２から得られる入出力電圧情報をもとに基準電圧を調整する補正信号を基準電圧生成回路６に出力する基準電圧補正回路７をさらに備えており、これによって、入力電圧および出力電圧の変動に左右されない安定した精度の高い出力電流を得るものである。

次に、本実施形態におけるスイッチング電源回路の回路構成及びその作用効果について、図２に示す一具体例に基づいて詳述する。
図２に示すスイッチング電源回路１ａにおいて、整流平滑回路８は、コンデンサＣ１と、チョークコイルＬ１と、ダイオードＤ１とを備え、コンデンサＣ１は、負荷部５と並列に接続されるとともに、コンデンサＣ１の一端とスイッチング素子Ｑ１の高圧側との間に、チョークコイルＬ１が直列に接続されている。また、コンデンサＣ１の他端は、直流電圧源Ｖｄｃの正極側に接続され、ダイオードＤ１は、そのカソード端子がコンデンサＣ１の他端とともに直流電圧源Ｖｄｃの正極側に接続され、アノード端子がスイッチング素子Ｑ１とチョークコイルＬ１との接続点に接続されている。
さらに、スイッチング素子Ｑ１の低圧側には、電流検出回路３を構成する検出抵抗Ｒ１の一端が接続されて、検出抵抗Ｒ１の他端は、直流電圧源Ｖｄｃの負極側（接地側）に接続される。

ここで、スイッチング電源回路１ａにおいて、スイッチング素子Ｑ１はＭＯＳＦＥＴからなり、スイッチング素子Ｑ１の高圧側にはＭＯＳＦＥＴのドレイン端子、低圧側にはＭＯＳＦＥＴのソース端子が接続されている。

スイッチング制御部４は、スイッチ駆動回路９と、カレントリミット制御回路１０とを備え、基準電圧生成回路６は、基準電圧源Ｖｃｃと、基準電圧源Ｖｃｃの正極側と負極側（接地側）との間に直列に接続された２つの抵抗素子Ｒ２、Ｒ３とを備えている。
スイッチング制御部４のカレントリミット制御回路１０には、基準電圧生成回路６の２つの抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の接続点に発生する電圧信号ａと、電流検出回路３の検出抵抗Ｒ１とスイッチング素子Ｑ１との接続点に発生する電圧信号ｂとが入力され、スイッチ駆動回路９には、カレントリミット制御回路１０から制御信号ｃが入力される。そして、スイッチ駆動回路９は、スイッチング素子Ｑ１に対して、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ動作させる駆動信号（この場合、ゲート駆動信号）ｄを出力する。

ここで、カレントリミット制御回路１０は、例えば、コンパレータ回路などから構成され、入力される電圧信号ａ、ｂを比較して、その大小関係に応じて正負の論理が反転する信号を制御信号ｃとして出力するものであってもよい。

基準電圧補正回路７は、整流平滑回路８のコンデンサＣ１とチョークコイルＬ１との接続点と、直流電圧源Ｖｄｃの負極側（接地側）との間に直列に接続された２つの抵抗素子Ｒ４、Ｒ５を備えており、これらの抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の接続点は、基準電圧生成回路６の２つの抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の接続点に接続されている。

スイッチング電源回路１ａにおいて、スイッチング制御部４による出力電流Ｉｏの定電流制御は、次のようにして実施される。まず、スイッチ駆動回路９から出力されるゲート駆動信号ｄによりスイッチング素子Ｑ１がオン状態になると、直流電源Ｖｄｃから、負荷部５及びチョークコイルＬ１を経て、スイッチング素子Ｑ１及び電流検出回路３にチョーク電流が流れ、この電流値は、スイッチング素子Ｑ１のオン時間の経過とともに増大する。
このとき、チョーク電流は、電流検出回路３の検出抵抗Ｒ１により電圧信号ｂに変換されて検出され、この電圧信号ｂ（以下、検出電圧信号ともいう）が、スイッチング制御部４のカレントリミット制御回路１０に出力される。

一方、スイッチング制御部４のカレントリミット制御回路１０には、基準電圧生成回路６から電圧信号ａが入力されており、この電圧信号ａ（以下、基準電圧信号ともいう）が、出力電流Ｉｏの制限値の基準となる基準電圧として使用される。すなわち、カレントリミット制御回路１０は、チョーク電流が増大して検出電圧信号ｂのレベルが基準電圧信号ａのレベルにまで到達すると、スイッチ駆動回路９に対して、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態にするように指令する制御信号ｃを出力する。

上記制御信号ｃが入力されたスイッチ駆動回路９は、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態にするゲート駆動信号ｄを出力し、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態になる。このとき、チョーク電流は、チョークコイルＬ１に発生する逆起電力により、チョークコイルＬ１からダイオードＤ１を介して負荷部５に流れる回生電流として維持され、この電流値は、スイッチング素子Ｑ１のオフ時間の経過とともに減少する。

そして、スイッチング制御部４には、通常、所定のスイッチング周期が予め設定されており、スイッチング制御部４は、オン時間及びオフ時間の和がこのスイッチング周期に達したならば、スイッチング素子Ｑ１を再びオン状態となるように駆動し、以後、このようなスイッチング素子Ｑ１のオン／オフ動作を繰り返す。これによって、チョーク電流は、基準電圧信号ａによって定まる制限値を下回る範囲でほぼ一定に制御され、このとき、出力電流Ｉｏ（チョーク電流の平均値）は、上記の式（１）で表される。

ここで、仮に、基準電圧補正回路７がないとすると、基準電圧信号ａは、基準電圧生成回路６の基準電圧源Ｖｃｃの電圧を、２つの抵抗素子Ｒ２、Ｒ３で分圧して生成される電圧信号であり、通常、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔの変動によらず一定である。しかるに、式（１）に示されるように、出力電流Ｉｏは、チョーク電流の制限値（式（１）のＩｐに相当）だけでなく、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔにも依存するものであるため、チョーク電流の制限値を一定とした場合、入力電圧Ｖｉｎまたは出力電圧Ｖｏｕｔの変動によって、出力電流Ｉｏが変動してしまう。

そこで、スイッチング電源回路１ａは、基準電圧補正回路７を備え、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔの変動に応じて基準電圧信号ａを調整することによって、出力電流Ｉｏの精度を向上させるものである。

具体的には、スイッチング電源回路１ａにおいて、整流平滑回路８のコンデンサＣ１とチョークコイルＬ１との接続点には、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの差電圧（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）が発生する。したがって、基準電圧補正回路７には、入出力電圧情報としてこの差電圧（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）が入力され、入力電圧が抵抗素子Ｒ４及びＲ５によって分圧されて、差電圧（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）に比例した直流電圧が、補正信号として基準電圧生成回路６に出力される。

尚、スイッチング電源回路１ａとして図２に示す構成例では、基準電圧補正回路７の抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の接続点と、基準電圧生成回路６の抵抗素子Ｒ２、Ｒ３との接続点とが直接接続されているため、基準電圧補正回路７からの上記補正信号の出力は、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５による１つの分圧プロセスとして、基準電圧生成回路６による基準電圧信号ａの生成と一体に実施されるものである。したがって、この例において、図２に示す電圧信号ｅは、基準電圧補正回路７から基準電圧生成回路６に出力されるとした補正信号自体ではなく、その補正信号によって補正された基準電圧信号ａと同一の信号である。

スイッチング電源回路１ａでは、このように基準電圧補正回路７を備えることによって、基準電圧信号ａが、入出力電圧の変動を反映するものとなる。例えば、入力電圧Ｖｉｎが一定のとき、出力電圧Ｖｏｕｔが増大すると、差電圧（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）が減少するため、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の抵抗値によって定まる一定の比率で、基準電圧信号ａ（したがって、チョーク電流の制限値）も減少し、出力電流Ｉｏの増大が抑制される。逆に、入力電圧Ｖｉｎが一定のとき、出力電圧Ｖｏｕｔが減少すると、差電圧（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）が増大するため、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の抵抗値によって定まる一定の比率で、基準電圧信号ａ（したがって、チョーク電流の制限値）も増大し、出力電流Ｉｏの減少が抑制される。

このように、スイッチング電源回路１ａによれば、入力電圧Ｖｉｎあるいは出力電圧Ｖｏｕｔが変動した場合、その変動に応じて基準電圧信号ａが調整されるため、簡易な回路構成でありながら、入力電圧Ｖｉｎおよび出力電圧Ｖｏｕｔの変動に左右されない安定した精度の高い出力電流Ｉｏを得ることが可能となる。

次に、図３を参照して、本実施形態におけるスイッチング電源回路の別の例を説明する。但し、図３に示すスイッチング電源回路１ｂは、基準電圧補正回路７ａの構成を除いて、図２に示すスイッチング電源回路１ａと同一のものであるため、重複する説明は適宜省略し、その相違点について説明する。

スイッチング電源回路１ｂにおいて、基準電圧補正回路７ａは、整流平滑回路８のチョークコイルＬ１とダイオードＤ１との接続点と、直流電圧源Ｖｄｃの負極側（接地側）との間に直列に接続された２つの抵抗素子Ｒ４、Ｒ５を備えており、これらの抵抗素子Ｒ４、Ｒ５の接続点は、基準電圧生成回路６の２つの抵抗素子Ｒ２、Ｒ３の接続点に接続されている。また、基準電圧補正回路７ａにおいて、抵抗素子Ｒ５には、それと並列にコンデンサＣ２が接続されている。

スイッチング電源回路１ｂにおいて、整流平滑回路８のチョークコイルＬ１とダイオードＤ１との接続点には、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフ動作に応じて、パルス状の電圧が発生し、このパルス状の電圧の平均が、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの差電圧（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）に相当する。したがって、基準電圧補正回路７ａは、入出力電圧情報としてこのパルス状の電圧を入力し、この電圧を、抵抗素子Ｒ４及びＲ５並びにコンデンサＣ２によって分圧及び平滑化することによって、差電圧（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）に比例した直流電圧を、補正信号として基準電圧生成回路６に出力する。

スイッチング電源回路１ｂは、以上の構成によって、スイッチング電源回路１ａと同等の作用効果を奏するものである。

以上、本発明を好ましい実施形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、コンバータ回路部２は、整流平滑回路８がスイッチング素子Ｑ１の低圧側に配置されたタイプの降圧型コンバータ回路からなるものであってもよい。また、基準電圧補正回路７、７ａに入力される入出力電圧情報は、基準電源Ｖｃｃの正極側とダイオードＤ１のカソードとの接続点から得られるものであってもよい。さらに、上述した実施形態は、スイッチング電源回路が電流連続モードで動作することを前提として説明したが、本発明は、臨界モードあるいは電流不連続モードの動作に対しても適用可能である。

１,１ａ,１ｂ：スイッチング電源回路、２：コンバータ回路部、３：電流検出回路、４：スイッチング制御部、５：負荷部、６：基準電圧生成回路、７，７ａ：基準電圧補正回路、８：整流平滑回路、９：スイッチ駆動回路、１０：カレントリミット制御回路、ａ:電圧信号（基準電圧信号）、ｂ：電圧信号（検出電圧信号）、ｃ：制御信号、ｄ：駆動信号（ゲート駆動信号）、ｅ：電圧信号（基準電圧信号）、Ｃ１,Ｃ２:コンデンサ、Ｄ１:ダイオード、Ｉｏ:出力電流、Ｌ１：チョークコイル、Ｑ１:スイッチング素子、Ｒ１:検出抵抗、Ｒ２,Ｒ３,Ｒ４,Ｒ５：抵抗素子、Ｖｄｃ:直流電圧源、Ｖｉｎ:入力電圧、Ｖｏｕｔ:出力電圧

Claims (4)

1. スイッチング素子と整流平滑回路とを含むコンバータ回路部と、前記スイッチング素子に直列に接続されて前記スイッチング素子に流れる電流を電圧に変換して検出する電流検出回路と、負荷部に流れる電流が一定になるように前記スイッチング素子をオン／オフ制御するスイッチング制御部と、前記スイッチング素子に流れる電流の制限値の基準となる基準電圧を生成して前記スイッチング制御部に出力する基準電圧生成回路とを備え、直流電圧源からの電圧を入力して直流電力を前記負荷部に供給するスイッチング電源回路において、
   前記コンバータ回路部から得られる入出力電圧情報をもとに基準電圧を調整する補正信号を前記基準電圧生成回路に出力する基準電圧補正回路を備えたことを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 前記コンバータ回路部は、前記整流平滑回路が前記スイッチング素子の高圧側に配置された降圧型のコンバータ回路部であり、前記整流平滑回路は、前記負荷部と並列に接続されるコンデンサと、該コンデンサの一端と前記スイッチング素子の高圧側との間に直列に接続されるチョークコイルと、アノード端子がチョークコイルと前記スイッチング素子との接続点に接続されるとともに、カソード端子が前記コンデンサの他端および前記直流電圧源に接続されるダイオードとを含むことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
3. 前記入出力電圧情報は、前記コンデンサと前記チョークコイルとの接続点から得られる入力電圧と出力電圧との差電圧であって、前記基準電圧補正回路は、前記差電圧に比例した直流電圧を補正信号として出力することを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源回路。
4. 前記入出力電圧情報は、前記チョークコイルと前記ダイオードとの接続点から得られるパルス状の電圧であって、前記基準電圧補正回路は、前記パルス状の電圧を分圧および平滑化して、入力電圧と出力電圧との差に比例した直流電圧を補正信号として出力することを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源回路。

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