JP2013081283A - Signal transmission transformer for switching power supply and switching power supply device - Google Patents

Signal transmission transformer for switching power supply and switching power supply device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal transmission transformer for switching power supply device in which adjustment of the inductance and the degree of coupling is facilitated, and to provide a switching power supply device with high safety.SOLUTION: A signal transmission transformer 22 includes concentric coil patterns 52(3)-52(6) formed on a conductor layer 52 in a multilayer substrate 50 on which a switching power supply circuit is configured by mounting circuit elements. A pair of closure patterns 52(2), 52(7) are provided on the outside conductor layers 52 sandwiching the coil patterns 52(3)-52(6), and formed so as to close at least one turn of the innermost of the coil patterns 52(3)-52(6) and the inside region thereof. When a current flows through any one of the coil patterns 52(3)-52(6), a part of magnetic flux generated in the inside region of one turn of the innermost is closed by the closure patterns. The closure patterns 52(2), 52(7) are connected to a stable potential.

Description

この発明は、回路素子を実装してスイッチング電源回路が構成される多層基板内に形成されたコイルパターンを使用したスイッチング電源用の信号伝達トランス、及びスイッチング電源装置に関する。   The present invention relates to a signal transmission transformer for a switching power supply using a coil pattern formed in a multilayer substrate in which circuit elements are mounted to constitute a switching power supply circuit, and a switching power supply apparatus.

スイッチング電源装置では、電力伝送用の主トランスの他に、スイッチング用のトランジスタ素子の駆動パルスや各種の交流信号を伝達する信号伝達トランスが用いられている。近年、電源回路の高密度実装の要請により、絶縁用のボビンを省略することによって小型化を図ったトランスが用いられるようになった。   In the switching power supply device, in addition to the main transformer for power transmission, a signal transmission transformer for transmitting a driving pulse of a transistor element for switching and various AC signals is used. In recent years, due to the demand for high-density mounting of power supply circuits, transformers that have been miniaturized by omitting an insulating bobbin have been used.

従来、この種のトランスとして、例えば特許文献1に開示されているように、多層基板内に外部から絶縁された複数のコイルパターンを同心状に積層形成し、コイルパターンの最内周の内側を貫通する挿入穴に磁心を挿入して成るプリントコイル形トランスがある。このプリントコイル形トランスは、発生電圧の低い補助コイルが2分割され、補助コイル以外のコイルパターンを挟み込むように外側の層に配置され、その一端が一次側に接地されており、この構造により、補助コイルが静電ノイズを低減するシールド層としての役割も果たす。   Conventionally, as this type of transformer, as disclosed in, for example, Patent Document 1, a plurality of coil patterns insulated from the outside are concentrically stacked in a multilayer substrate, and the innermost inner periphery of the coil pattern is formed inside. There is a printed coil transformer in which a magnetic core is inserted into an insertion hole that penetrates. In this printed coil transformer, the auxiliary coil with a low generated voltage is divided into two parts, arranged on the outer layer so as to sandwich the coil pattern other than the auxiliary coil, and one end thereof is grounded to the primary side. The auxiliary coil also serves as a shield layer that reduces electrostatic noise.

また、特許文献2に開示されているスイッチング電源装置は、表面に回路素子が実装される多層基板内に外部から絶縁されたコイルパターンが積層して形成されたシートコイルトランスが設けられ、各層の間を絶縁する絶縁シートとして、コイルのインダクタンスを高くするための磁性粉が混合された絶縁シートが用いられている。このシートコイルトランスは、磁性コアの取り付けを省略することができるので、スイッチング電源装置の組み立てが容易で、他の回路素子の実装スペースも確保しやすい。   Further, the switching power supply device disclosed in Patent Document 2 is provided with a sheet coil transformer formed by laminating a coil pattern insulated from the outside in a multilayer substrate on which circuit elements are mounted. An insulating sheet mixed with magnetic powder for increasing the inductance of a coil is used as an insulating sheet that insulates the gap. Since this sheet coil transformer can omit the mounting of the magnetic core, it is easy to assemble the switching power supply device and to secure a mounting space for other circuit elements.

その他、特許文献3に開示されているように、信号伝達トランスを使用した絶縁型DC−DCコンバータであって、入力及び出力巻線を有するメイントランス、入力巻線に接続された主スイッチ素子、主スイッチ素子を駆動するPWM制御回路、出力巻線に接続されたトランス巻線駆動方式の同期整流回路、及び同期整流回路が出力する整流電圧を平滑する平滑回路を備えたシングルエンディッドフォワード方式の絶縁型DC−DCコンバータがある。この絶縁型DC−DCコンバータは、信号伝達トランス(ドライブトランス)の一次巻線が、PWM制御回路のパルス出力端子と主スイッチ素子の駆動端子との接続点に直列に挿入され、同じく二次巻線が、転流側の同期整流素子の駆動端子を短絡可能な駆動スイッチ素子の駆動端子に接続されている。この構成により、PWM制御回路から主スイッチ素子をターンオンさせる駆動パルスが出力されると、主スイッチ素子がターンオンする前に、信号伝達トランスを通じてタイミング信号が駆動スイッチ素子に伝達され、駆動スイッチ素子がターンオンすることによって転流側の同期整流素子がターンオフする。この動作により、主スイッチ素子、整流側及び転流側の同期整流素子が同時にオンして短絡電流が流れる不具合を回避することができる。   In addition, as disclosed in Patent Document 3, an insulated DC-DC converter using a signal transmission transformer, which includes a main transformer having input and output windings, a main switch element connected to the input windings, A PWM control circuit for driving the main switch element, a transformer winding drive type synchronous rectifier circuit connected to the output winding, and a single ended forward type with a smoothing circuit for smoothing the rectified voltage output by the synchronous rectifier circuit There is an insulated DC-DC converter. In this insulated DC-DC converter, a primary winding of a signal transmission transformer (drive transformer) is inserted in series at a connection point between a pulse output terminal of a PWM control circuit and a drive terminal of a main switch element, and also a secondary winding. The line is connected to the drive terminal of the drive switch element capable of short-circuiting the drive terminal of the commutation side synchronous rectifier element. With this configuration, when a drive pulse for turning on the main switch element is output from the PWM control circuit, the timing signal is transmitted to the drive switch element through the signal transmission transformer before the main switch element is turned on, and the drive switch element is turned on. By doing so, the commutation side synchronous rectifier element is turned off. With this operation, it is possible to avoid the problem that the main switching element, the rectifying side commutation side and the commutation side synchronous rectifying element are simultaneously turned on and a short circuit current flows.

特開平7−142269号公報JP-A-7-142269 特開平9−182432号公報JP-A-9-182432 特開2000−262051号公報JP 2000-262051 A

しかし、特許文献1の磁気デバイスは、多層基板に磁性コアを組み付ける作業が煩雑で手間がかかる。特許文献2のシートコイルトランスは、磁性粉が混合された絶縁シートを用いた特殊な多層基板を使用しなければならない。従って、いずれの場合もコストが高くなるという問題があった。   However, in the magnetic device of Patent Document 1, the work of assembling the magnetic core to the multilayer substrate is complicated and time-consuming. The sheet coil transformer of Patent Document 2 must use a special multilayer substrate using an insulating sheet mixed with magnetic powder. Therefore, in any case, there is a problem that the cost becomes high.

また、特許文献1,2の構造は、コイルのインダクタンスや各コイル間の結合度を高くするのに適した構造である。しかし、スイッチング電源装置に使用される信号伝達トランスは、回路動作上の役割や伝達する信号の種類によっては、高いインダクタンスや高い結合度が必要なく、かえって低い方がよい場合も少なくない。従って、特許文献1,2の磁気デバイス及びシートコイルトランスの構造は、インダクタンスや結合度の調整可能な範囲が狭く、信号伝達トランスとして使いにくいものである。   Moreover, the structure of patent document 1, 2 is a structure suitable for making the inductance of a coil and the coupling degree between each coil high. However, the signal transmission transformer used in the switching power supply device does not require high inductance and high coupling degree depending on the role in circuit operation and the type of signal to be transmitted, and it is often the case that a lower one is better. Therefore, the structures of the magnetic device and the sheet coil transformer disclosed in Patent Documents 1 and 2 have a narrow range in which the inductance and the degree of coupling can be adjusted, and are difficult to use as a signal transmission transformer.

特許文献3のスイッチング電源装置に使用される信号伝達トランスの構造は、磁性コアを備え、インダクタンスを低くするために巻数を少なくすることが望ましい旨が記載されている。従って、この信号伝達トランスも、インダクタンスや結合度の調整可能な範囲が狭く、最適化のための調整が容易ではない。   The structure of the signal transmission transformer used in the switching power supply device of Patent Document 3 includes a magnetic core, and it is described that it is desirable to reduce the number of turns in order to reduce inductance. Therefore, this signal transmission transformer also has a narrow adjustable range of inductance and degree of coupling, and adjustment for optimization is not easy.

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、インダクタンス及び結合度の調整が容易で安価なスイッチング電源装置用の信号伝達トランス、及び当該信号伝達トランスを使用した安全性の高いスイッチング電源装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described background art, and is a signal transmission transformer for a switching power supply device that is easy to adjust the inductance and the degree of coupling and is inexpensive, and highly safe switching using the signal transmission transformer. An object is to provide a power supply device.

この発明は、回路素子を実装してスイッチング電源回路が構成される多層基板内の導体層に形成された同心状の複数のコイルパターンと、前記複数のコイルパターンを挟む外側の導体層により形成され、少なくとも前記コイルパターンの最内周の1ターン及びその内側領域を閉鎖するよう形成された一対の閉鎖パターンとを備え、前記コイルパターンに電流が流れたとき、前記最内周の1ターンの内側領域に発生する磁束の一部が、前記閉鎖パターンに吸収されるスイッチング電源装置用の信号伝達トランスである。   The present invention is formed by a plurality of concentric coil patterns formed on a conductor layer in a multilayer substrate in which circuit elements are mounted to constitute a switching power supply circuit, and an outer conductor layer sandwiching the plurality of coil patterns. At least one innermost turn of the coil pattern and a pair of closing patterns formed to close the inner region thereof, and when an electric current flows through the coil pattern, A part of the magnetic flux generated in the region is a signal transmission transformer for the switching power supply device that is absorbed by the closed pattern.

前記閉鎖パターンは、複数の小パターンの集合体であってもよい。また、前記閉鎖パターンが安定電位に接続されていることが好ましい。また、前記閉鎖パターンが、回路素子が実装される最外層を除く内側の層に形成されていてもよい。   The closed pattern may be an aggregate of a plurality of small patterns. The closed pattern is preferably connected to a stable potential. Moreover, the said closing pattern may be formed in the inner layer except the outermost layer in which a circuit element is mounted.

またこの発明は、上記の信号伝達トランスを備え、入力電源に直列接続され、入力電圧を所定のスイッチング周期で断続する主スイッチング素子と、パルス出力端子が前記主スイッチング素子の駆動端子に接続され、前記パルス出力端子ら出力する矩形波状の駆動パルスによって前記主スイッチング素子のオン・オフを制御する主スイッチング素子制御回路とを備え、前記信号伝達トランスの前記一次巻線が、前記主スイッチング素子制御回路の前記パルス出力端子と前記主スイッチング素子の前記駆動端子との接続点に直列に挿入され、前記信号伝達トランスは、前記一次巻線側に前記駆動パルスが入力されることによって前記二次巻線にタイミング信号パルスを発生し、前記主スイッチング素子制御回路とグランド電位の異なる制御回路に伝達し、前記制御回路は、前記タイミング信号パルスを利用した同期制御を行うスイッチング電源装置である。   Further, the present invention includes the above-described signal transmission transformer, connected in series to an input power source, and a main switching element that interrupts an input voltage at a predetermined switching cycle, and a pulse output terminal connected to a drive terminal of the main switching element, A main switching element control circuit that controls on / off of the main switching element by a rectangular-wave drive pulse output from the pulse output terminal, and the primary winding of the signal transmission transformer includes the main switching element control circuit Is inserted in series at a connection point between the pulse output terminal of the main switching element and the drive terminal of the main switching element, and the signal transmission transformer is configured such that the drive pulse is input to the primary winding side and the secondary winding A control circuit that generates a timing signal pulse at a different ground potential from the main switching element control circuit. Transmission, and the control circuit is a switching power supply device which performs synchronous control using the timing signal pulses.

さらに、この発明は、入力電源に直列接続され、入力電圧を所定のスイッチング周期で断続する主スイッチング素子と、パルス出力端子が前記主スイッチング素子の駆動端子に接続され、前記パルス出力端子から出力する矩形波状の駆動パルスによって前記主スイッチング素子のオン・オフを制御する主スイッチング素子制御回路と、前記主スイッチング素子と直列に接続され前記主スイッチング素子の断続によって発生する断続電圧が両端に印加される入力巻線と、前記断続電圧を変圧した交流電圧が発生する出力巻線とを有する主トランスと、前記出力巻線に接続され、前記出力巻線に発生する電圧を整流する一又は二以上の同期整流FETを有し、各ゲート端子が前記トランスの前記出力巻線又はその他の巻線を用いたトランス巻線駆動方式により駆動される同期整流回路と、前記同期整流回路の出力に接続され、整流された電圧を平滑して直流の出力電圧を出力する平滑回路と、前記同期整流FETごとに設けられ、当該ゲート・ソース端子間を短絡・開放可能な補助FETと、対応する前記補助FETのゲート閾値電圧よりも高い電源電圧を出力する一又は二以上の直流電源と、前記直流電源と対応する前記補助FETのゲート端子との間に接続され、当該補助FETのゲート・ソース端子間を当該電源電圧にプルアップするプルアップ抵抗と、前記プルアップ抵抗ごとに設けられ、当該プルアップ抵抗が接続されている前記補助FETのゲート・ソース端子間を短絡・開放可能なタイミングトランジスタ素子と、前記信号トランスとを備え、前記信号伝達トランスは一又は二以上の前記二次巻線を有し、前記一次巻線が、前記主スイッチング素子制御回路の前記パルス出力端子と前記主スイッチング素子の前記駆動端子との接続点に直列に挿入され、前記タイミングトランジスタ素子の駆動端子に、対応する前記二次巻線が接続され、前記タイミングトランジスタ素子は、前記信号伝達トランスの前記一次巻線側に前記駆動パルスが入力されることにより、当該駆動端子に接続された前記二次巻線に発生するタイミング信号パルスを受けてオン・オフし、前記タイミングトランジスタ素子のオフの期間、前記補助FETのゲート・ソース間の入力容量が前記プルアップ抵抗を介して流れ込む前記直流電源からの電流によって充電され、前記プルアップ抵抗は、前記タイミングトランジスタ素子のオフが前記スイッチング周期よりも長い所定の時間を超えて継続したとき、前記補助FETのゲート・ソース端子間の電圧が前記ゲート閾値電圧を超えるように、前記充電電流を制限するスイッチング電源装置である。   Further, according to the present invention, a main switching element that is connected in series to an input power supply, and that interrupts an input voltage at a predetermined switching period, and a pulse output terminal are connected to a drive terminal of the main switching element and output from the pulse output terminal A main switching element control circuit for controlling on / off of the main switching element by a rectangular-wave-like driving pulse, and an intermittent voltage connected in series with the main switching element and generated by the interruption of the main switching element is applied to both ends A main transformer having an input winding and an output winding for generating an AC voltage obtained by transforming the intermittent voltage; and one or two or more connected to the output winding and rectifying a voltage generated in the output winding A transformer winding driver having a synchronous rectification FET and each gate terminal using the output winding or other winding of the transformer. A synchronous rectifier circuit driven by a method, a smoothing circuit connected to the output of the synchronous rectifier circuit, smoothing the rectified voltage and outputting a DC output voltage, and each of the synchronous rectifier FETs, An auxiliary FET capable of short-circuiting / opening between source terminals, one or more DC power supplies that output a power supply voltage higher than the gate threshold voltage of the corresponding auxiliary FET, and the auxiliary FET corresponding to the DC power supply A pull-up resistor that is connected between the gate terminal and pulls up the gate-source terminal of the auxiliary FET to the power supply voltage, and is provided for each pull-up resistor, and the pull-up resistor is connected to the pull-up resistor A timing transistor element capable of short-circuiting / opening between the gate and source terminals of the auxiliary FET, and the signal transformer; Has two or more secondary windings, and the primary winding is inserted in series at a connection point between the pulse output terminal of the main switching element control circuit and the drive terminal of the main switching element, The corresponding secondary winding is connected to the drive terminal of the timing transistor element, and the timing transistor element is connected to the drive terminal when the drive pulse is input to the primary winding side of the signal transmission transformer. The timing signal pulse generated in the connected secondary winding is received and turned on / off, and the input capacitance between the gate and source of the auxiliary FET is passed through the pull-up resistor during the off period of the timing transistor element. The pull-up resistor is charged by the current from the DC power source flowing in, and the timing transistor element is turned off when the switch is turned off. The switching power supply device limits the charging current so that a voltage between a gate and a source terminal of the auxiliary FET exceeds the gate threshold voltage when it continues beyond a predetermined time longer than the etching period.

この発明のスイッチング電源装置用の信号伝達トランスは、多層基板内に形成され、磁性コアを取り付けることなく安価に構成することができる。また、コイルパターンのレイアウト(巻数、渦巻きの形状など)を変更する以外にも、各コイルパターン間の絶縁部材の厚み、及びコイルパターンと閉鎖パターンとの間の絶縁部材の厚み等を適宜調節することにより、インダクタンス及び各コイルパターン同士の結合度を広範囲に変更、調整することができる。しかも、多層基板は、金型や数値制御された各種装置を用いて高い寸法精度で製作されるので、最適化されたインダクタンス及び結合度をばらつきなく実現することができる。閉鎖パターンは、コイルパターンの最内周の内側領域を通る磁束が多層基板の外部に漏洩するのを防止すると共に、外来の磁束が信号伝達トランスに鎖交して干渉するのを防止する磁気シールドとしても働く。さらに、閉鎖パターンを安定電位に接地することによって、静電シールドとしての効果も得られる。   The signal transmission transformer for a switching power supply device according to the present invention is formed in a multilayer substrate and can be configured at low cost without attaching a magnetic core. In addition to changing the coil pattern layout (number of turns, spiral shape, etc.), the thickness of the insulating member between the coil patterns and the thickness of the insulating member between the coil pattern and the closing pattern are adjusted as appropriate. Thus, the inductance and the degree of coupling between the coil patterns can be changed and adjusted in a wide range. In addition, since the multilayer substrate is manufactured with high dimensional accuracy using a mold and various devices controlled numerically, the optimized inductance and coupling degree can be realized without variation. The closed pattern prevents the magnetic flux passing through the innermost inner region of the coil pattern from leaking to the outside of the multilayer substrate, and prevents the external magnetic flux from interlinking with and interfering with the signal transmission transformer. Work as well. Further, by grounding the closed pattern to a stable potential, an effect as an electrostatic shield can be obtained.

また、この発明のスイッチング電源装置は、信号伝達トランスの一次巻線が、主スイッチング素子制御回路のパルス出力端子と主スイッチング素子の駆動端子との接続点に直列に挿入され、二次巻線からごく短いパルス幅のタイミング信号を出力する動作を行うので、上記の構造を備えた信号伝達トランスを使用することによって、主スイッチング素子と同期整流素子とのオン・オフのタイミング制御を容易に行うことができる。しかも、インダクタンス及び結合度のバランス設計により、主スイッチング素子の駆動端子電圧の立ち上がり又は立ち下がりスピードを急峻にすることができるので、主スイッチング素子のクロス損失を最小限に抑えることができる。   In the switching power supply device of the present invention, the primary winding of the signal transmission transformer is inserted in series at the connection point between the pulse output terminal of the main switching element control circuit and the drive terminal of the main switching element, Since it operates to output a timing signal with a very short pulse width, on / off timing control of the main switching element and the synchronous rectifying element can be easily performed by using a signal transmission transformer having the above structure. Can do. In addition, the rising or falling speed of the drive terminal voltage of the main switching element can be made steep by the balanced design of the inductance and the degree of coupling, so that the cross loss of the main switching element can be minimized.

この発明のスイッチング電源装置の第一実施形態を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a first embodiment of a switching power supply device of the present invention. 第一実施形態の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。It is a circuit diagram which shows the specific structure of the switching power supply device of 1st embodiment. この発明の第一実施形態の信号伝達トランスの構造を示す断面図(a)、コイルパターンのレイアウトを示す模式図(b)である。It is sectional drawing (a) which shows the structure of the signal transmission transformer of 1st embodiment of this invention, and a schematic diagram (b) which shows the layout of a coil pattern. 信号伝達トランスの第二実施形態の構造を示す断面図(a)、コイルパターンのレイアウトを示す模式図(b)である。It is sectional drawing (a) which shows the structure of 2nd embodiment of a signal transmission transformer, and the schematic diagram (b) which shows the layout of a coil pattern. 信号伝達トランスの第三実施形態の構造を示す断面図(a)、コイルパターンのレイアウトを示す模式図(b)である。It is sectional drawing (a) which shows the structure of 3rd embodiment of a signal transmission transformer, and a schematic diagram (b) which shows the layout of a coil pattern. 第一実施形態のスイッチング電源装置の変形例を説明する回路図(a),(b)である。It is the circuit diagram (a), (b) explaining the modification of the switching power supply device of 1st embodiment.

以下、この発明のスイッチング電源装置用の信号伝達トランス及びスイッチング電源装置の第一実施形態態について、図1〜図3に基づいて説明する。第一実施形態のスイッチング電源装置10は、図1のブロック図に示すように、主スイッチング素子12、主スイッチング素子制御回路14、主トランス16、同期整流回路18、平滑回路20及び信号伝達トランス22を備えている。ブロックで記載した同期整流回路18及び平滑回路20を具体的な回路で表わすと、図2のようになる。以下、図2の回路図を用いてスイッチング電源装置10の構成と動作を説明する。   A signal transmission transformer for a switching power supply device and a switching power supply device according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in the block diagram of FIG. 1, the switching power supply device 10 of the first embodiment includes a main switching element 12, a main switching element control circuit 14, a main transformer 16, a synchronous rectifier circuit 18, a smoothing circuit 20, and a signal transmission transformer 22. It has. The synchronous rectification circuit 18 and the smoothing circuit 20 described in blocks are represented by specific circuits as shown in FIG. Hereinafter, the configuration and operation of the switching power supply device 10 will be described with reference to the circuit diagram of FIG.

主スイッチング素子12は、NチャネルのMOS形FETであり、入力電源24に直列接続され、入力電圧を所定のスイッチング周期Tで断続する。主スイッチング素子制御回路14は、パルス出力端子14aが主スイッチング素子12のゲート端子12gに接続され、パルス出力端子14aから矩形波状の駆動パルスV14aを出力し、主スイッチング素子12のオン・オフを制御する。   The main switching element 12 is an N-channel MOS FET, and is connected in series to the input power supply 24, and the input voltage is intermittently switched at a predetermined switching period T. The main switching element control circuit 14 has a pulse output terminal 14a connected to the gate terminal 12g of the main switching element 12, and outputs a rectangular-wave-shaped drive pulse V14a from the pulse output terminal 14a to control on / off of the main switching element 12. To do.

主トランス16は、入力巻線16a、出力巻線16b及び補助巻線16cを備え、互いに密に結合している。入力巻線16aは、主スイッチング素子12と直列に接続され、両端に主スイッチング素子12のオン・オフによって発生する断続電圧が印加される。そして、出力巻線16bと補助巻線16cに、入力巻線16aに印加された断続電圧と略相似形の電圧が発生する。ここで、図2のトランス16に付したドットは、各巻線の極性を示している。   The main transformer 16 includes an input winding 16a, an output winding 16b, and an auxiliary winding 16c, and is closely coupled to each other. The input winding 16a is connected in series with the main switching element 12, and an intermittent voltage generated by turning on and off the main switching element 12 is applied to both ends. Then, a voltage approximately similar to the intermittent voltage applied to the input winding 16a is generated in the output winding 16b and the auxiliary winding 16c. Here, the dot attached | subjected to the transformer 16 of FIG. 2 has shown the polarity of each coil | winding.

同期整流回路18は、2つの同期整流FETである整流側FET26及び転流側FET28を備えている。整流側FET26はNチャネルのMOS型FETであり、ドレイン端子が出力巻線16bのドットのない一端に接続され、ゲート端子が駆動コンデンサ30を介して出力巻線16bのドットのある一端に接続されている。整流側FET26のゲート・ソース端子間に接続されている抵抗32は、図示しないゲート入力容量の放電抵抗である。   The synchronous rectification circuit 18 includes a rectification side FET 26 and a commutation side FET 28 which are two synchronous rectification FETs. The rectifying side FET 26 is an N-channel MOS type FET, the drain terminal is connected to one end of the output winding 16b without a dot, and the gate terminal is connected to one end of the output winding 16b with a dot through the driving capacitor 30. ing. A resistor 32 connected between the gate and source terminals of the rectifying side FET 26 is a discharge resistance of a gate input capacitance (not shown).

転流側FET28もNチャネルのMOS型FETであり、ドレイン端子が出力巻線16bのドットのある一端に接続され、ソース端子が整流側FET26のソース端子に接続されている。転流側FET28のゲート・ソース端子間に接続されている抵抗34は、図示しないゲート入力容量の放電抵抗である。転流側FET28のゲート端子は駆動コンデンサ35aを介して駆動ツェナーダイオード35bのカソード端子に接続され、駆動ツェナーダイオード35bのアノード端子が補助巻線16cのドットのない一端に接続され、さらに、補助巻線16cのドットのある一端が転流側FET28のソース端子に接続されている。   The commutation side FET 28 is also an N-channel MOS type FET, the drain terminal is connected to one end of the output winding 16 b with the dot, and the source terminal is connected to the source terminal of the rectification side FET 26. The resistor 34 connected between the gate and source terminals of the commutation side FET 28 is a discharge resistance of a gate input capacitance (not shown). The gate terminal of the commutation-side FET 28 is connected to the cathode terminal of the drive Zener diode 35b via the drive capacitor 35a, the anode terminal of the drive Zener diode 35b is connected to one end of the auxiliary winding 16c without a dot, and the auxiliary winding One end of the line 16 c with a dot is connected to the source terminal of the commutation side FET 28.

同期整流回路18は、以上の構成により、整流側及び転流側FET26,28のゲート端子が、出力巻線16b及び補助巻線16cを用いたトランス巻線駆動方式によって駆動され、整流側FET26が主スイッチング素子12と同位相で、転流側FET28が主スイッチング素子12と相補的にそれぞれがオン・オフし、出力巻線16bの発生電圧を適正に整流することができる。   In the synchronous rectification circuit 18, the gate terminals of the rectification side and commutation side FETs 26 and 28 are driven by the transformer winding drive system using the output winding 16b and the auxiliary winding 16c, and the rectification side FET 26 is thus configured. The commutation-side FET 28 is turned on and off in a complementary manner to the main switching element 12 in the same phase as the main switching element 12, and the voltage generated in the output winding 16b can be properly rectified.

さらに、この同期整流回路18には、後述する異常発振の不具合を回避するための異常発振防止回路36が付加されている。異常発振防止回路36は、整流側及び転流側FET26,28のゲート・ソース端子間を短絡・開放可能に自己のドレイン及びソース端子がそれぞれ接続された第一及び第二補助FET38,40を備えている。第一及び第二補助FET38,40のゲート端子は互いに接続され、プルアップ抵抗42を介して直流電源44にプルアップされている。直流電源44は、例えば、出力巻線16b又は補助巻線16cに発生する電圧を利用して直流の電源電圧を生成する簡易式の電圧源であり、第一及び第二補助FET38,40のゲート閾値電圧よりも高い電源電圧を出力する。さらに、第一及び第二補助FET38,40のゲート・ソース端子間を短絡・開放可能に自己のドレイン及びソース端子が接続されたタイミングFET46が設けられている。タイミングFET46はタイミングトランジスタ素子であり、ここではNチャネルのMOS型FETが使用されているが、バイポーラトランジスタに置き換えることも可能である。   Further, the synchronous rectification circuit 18 is provided with an abnormal oscillation prevention circuit 36 for avoiding a problem of abnormal oscillation described later. The abnormal oscillation prevention circuit 36 includes first and second auxiliary FETs 38 and 40 having their own drain and source terminals connected to each other so that the gate and source terminals of the rectifying side and commutation side FETs 26 and 28 can be short-circuited and opened. ing. The gate terminals of the first and second auxiliary FETs 38 and 40 are connected to each other and pulled up to a DC power supply 44 via a pull-up resistor 42. The DC power supply 44 is a simple voltage source that generates a DC power supply voltage using, for example, a voltage generated in the output winding 16b or the auxiliary winding 16c, and gates of the first and second auxiliary FETs 38 and 40. A power supply voltage higher than the threshold voltage is output. Further, there is provided a timing FET 46 having its own drain and source terminals connected so that the gate and source terminals of the first and second auxiliary FETs 38 and 40 can be short-circuited and opened. The timing FET 46 is a timing transistor element, and here, an N-channel MOS type FET is used. However, it can be replaced with a bipolar transistor.

第一及び第二補助FET38,40のゲート端子電圧V38gは、タイミングFET46がターンオフした時から上昇し始める。プルアップ抵抗42は、直流電源44が第一及び第二補助FET38,40の図示しないゲート入力容量を充電する電流を制限する働きをし、ゲート入力容量との時定数により、電圧V38gの上昇速度を決定する。プルアップ抵抗42の抵抗値は、スイッチング周期Tよりも長い時間(例えば、スイッチング周期Tの2〜5倍程度の時間)が経過した後で、電圧V38gがゲート閾値電圧に達するように、比較的大きな値に設定されている。異常発振防止回路36の詳細な動作は、後で説明する。   The gate terminal voltage V38g of the first and second auxiliary FETs 38 and 40 starts to rise when the timing FET 46 is turned off. The pull-up resistor 42 serves to limit the current for charging the gate input capacitance (not shown) of the first and second auxiliary FETs 38 and 40 by the DC power supply 44, and the rate of increase of the voltage V38g according to the time constant with the gate input capacitance. To decide. The resistance value of the pull-up resistor 42 is relatively high so that the voltage V38g reaches the gate threshold voltage after a time longer than the switching period T (for example, about 2 to 5 times the switching period T) has elapsed. It is set to a large value. Detailed operation of the abnormal oscillation prevention circuit 36 will be described later.

平滑回路20は、平滑インダクタ20a及び平滑コンデンサ20bで成るローパスフィルタであり、同期整流回路18が出力する整流電圧を平滑して直流の出力電圧を生成し、後段の負荷48に電力を供給する。   The smoothing circuit 20 is a low-pass filter including a smoothing inductor 20a and a smoothing capacitor 20b. The smoothing circuit 20 smoothes the rectified voltage output from the synchronous rectifier circuit 18 to generate a DC output voltage, and supplies power to the subsequent load 48.

信号伝達トランス22は、一次巻線22aと二次巻線22bを備えている。図2のドットは各巻線の極性を示しており、一次巻線22aが、主スイッチング素子制御回路14のパルス出力端子14aと主スイッチング素子12のゲート端子12gとの接続点に直列に挿入され、ドットのある一端がパルス出力端子14aに接続されている。二次巻線22bは、ドットのある一端が異常発振防止回路36のタイミングFET46のゲート端子に接続され、ドットのない一端がソース端子に接続されている。   The signal transmission transformer 22 includes a primary winding 22a and a secondary winding 22b. The dots in FIG. 2 indicate the polarity of each winding, and the primary winding 22a is inserted in series at the connection point between the pulse output terminal 14a of the main switching element control circuit 14 and the gate terminal 12g of the main switching element 12, One end of the dot is connected to the pulse output terminal 14a. In the secondary winding 22b, one end with dots is connected to the gate terminal of the timing FET 46 of the abnormal oscillation prevention circuit 36, and one end without dots is connected to the source terminal.

信号伝達トランス22は、図3に示すように、主スイッチング素子12やその他の回路素子が実装された多層基板50内に設けられ、異なる導体層に一次巻線22aと二次巻線22bが形成され、それらが積層されて互いに磁気結合した空芯トランスの構造になっている。ここでは、一次及び二次巻線22a,22bの巻数が同じであり、インダクタンスが50〜100nH、結合度が約0.2〜0.3程度に設定されている。信号伝達トランス22の詳細な構造については、後で詳しく説明する。   As shown in FIG. 3, the signal transmission transformer 22 is provided in a multilayer substrate 50 on which the main switching element 12 and other circuit elements are mounted, and a primary winding 22a and a secondary winding 22b are formed on different conductor layers. The air core transformers are stacked and magnetically coupled to each other. Here, the number of turns of the primary and secondary windings 22a and 22b is the same, the inductance is set to 50 to 100 nH, and the degree of coupling is set to about 0.2 to 0.3. The detailed structure of the signal transmission transformer 22 will be described later in detail.

次に、スイッチング電源装置10の動作について説明する。スイッチング電源装置10は、異常発振防止回路36及び信号伝達トランス22が設けられていないとすれば、トランス巻線駆動方式の同期整流回路を備えたシングルエンディッドフォワード型の一般的なスイッチング電源装置である。そして、スイッチング電源装置10に入力電源24が投入され、出力電圧及び出力電流を負荷48に安定供給する動作(以下、定常動作と称する。)を行うときは、異常発振防止回路36は動作しない。従って、定常動作中の電力変換動作は従来と同様であり、ここでは説明を省略する。   Next, the operation of the switching power supply device 10 will be described. The switching power supply device 10 is a general single-ended forward type switching power supply device having a transformer winding drive type synchronous rectifier circuit provided that the abnormal oscillation prevention circuit 36 and the signal transmission transformer 22 are not provided. is there. Then, when the input power supply 24 is turned on to the switching power supply device 10 and the operation of stably supplying the output voltage and output current to the load 48 (hereinafter referred to as a steady operation) is performed, the abnormal oscillation prevention circuit 36 does not operate. Therefore, the power conversion operation during the steady operation is the same as the conventional one, and the description thereof is omitted here.

異常発振防止回路36及び信号伝達トランス22は、入力電源24が停止したとき等に生じる異常発振の不具合を回避するための回路であり、定常動作中は異常発振の不具合が発生し得ないので、異常発振防止回路36の機能を停止させている。具体的には、以下の動作により、第一及び第二補助FET38,40がオフ状態に保持される。   The abnormal oscillation prevention circuit 36 and the signal transmission transformer 22 are circuits for avoiding the problem of abnormal oscillation that occurs when the input power supply 24 is stopped. Since the problem of abnormal oscillation cannot occur during normal operation, The function of the abnormal oscillation prevention circuit 36 is stopped. Specifically, the first and second auxiliary FETs 38 and 40 are held in the OFF state by the following operation.

主スイッチング素子制御回路14が出力する駆動パルスV14aがローレベルからハイレベルに転じた時、主スイッチング素子12の図示しないゲート入力容量を充電する電流が、一次巻線22aを通じて流れる。これにより一次巻線22a側に所定の信号が入力され、二次巻線22bから出力されるタイミング信号がタイミングFET46のゲート・ソース端子間に伝達される。二次巻線22bはドットのある端子が高電位となるので、ゲート端子電圧V46gが瞬時にゲート閾値電圧を超え、タイミングFET46がオンし、第一及び第二補助FETのゲート入力容量が急速放電され、ゲート端子電圧V38gがリセットされる。   When the drive pulse V14a output from the main switching element control circuit 14 changes from a low level to a high level, a current for charging a gate input capacitance (not shown) of the main switching element 12 flows through the primary winding 22a. As a result, a predetermined signal is input to the primary winding 22 a side, and a timing signal output from the secondary winding 22 b is transmitted between the gate and source terminals of the timing FET 46. In the secondary winding 22b, since the terminal with dots becomes a high potential, the gate terminal voltage V46g instantaneously exceeds the gate threshold voltage, the timing FET 46 is turned on, and the gate input capacitances of the first and second auxiliary FETs are rapidly discharged. The gate terminal voltage V38g is reset.

その後、主スイッチング素子12のゲート端子電圧V12gが駆動パルスV14aのハイレベル電圧に向かって上昇する。信号伝達トランス22は、一次巻線22aのインダクタンスが非常に小さく、二次巻線22bとの結合度もさほど高くないことから、主スイッチング素子12のゲート入力容量の充電電流がほとんど制限されず、ゲート端子電圧V12gは、駆動パルスV14aが上昇する傾きにほぼ近い急峻な傾きで上昇し、ゲート閾値電圧を超えて主スイッチング素子12がオンする。また、ゲート端子電圧V12gが短時間のうちに駆動パルス電圧V14aに達し、二次巻線22bから出力されるタイミング信号もなくなり、タイミングFET46がオフに転じる。すると、第一及び第二補助FET38,40のゲート入力容量が開放され、直流電源44からプルアップ抵抗42を通じて充電電流が流れ込み、ゲート端子電圧V38gが上昇し始める。ゲート端子電圧V38gの上昇速度は当該ゲート入力容量とプルアップ抵抗42の時定数によって制限され、非常に緩やかに上昇する。   Thereafter, the gate terminal voltage V12g of the main switching element 12 rises toward the high level voltage of the drive pulse V14a. In the signal transmission transformer 22, since the inductance of the primary winding 22a is very small and the degree of coupling with the secondary winding 22b is not so high, the charging current of the gate input capacitance of the main switching element 12 is hardly limited, The gate terminal voltage V12g rises with a steep slope that is almost similar to the slope that the drive pulse V14a rises, and exceeds the gate threshold voltage, turning on the main switching element 12. Further, the gate terminal voltage V12g reaches the drive pulse voltage V14a within a short time, the timing signal output from the secondary winding 22b disappears, and the timing FET 46 turns off. Then, the gate input capacitances of the first and second auxiliary FETs 38 and 40 are opened, the charging current flows from the DC power supply 44 through the pull-up resistor 42, and the gate terminal voltage V38g starts to rise. The rising speed of the gate terminal voltage V38g is limited by the gate input capacitance and the time constant of the pull-up resistor 42, and increases very slowly.

その後、主スイッチング素子駆動回路14の駆動パルスV14aがハイレベルからローレベルに転じた時、主スイッチング素子12のゲート入力容量を放電する電流が、一次巻線22aを通じて流れる。これにより、一次巻線22aの側に所定の信号が入力され、二次巻線22bから出力されるタイミング信号がタイミングFET46のゲート・ソース端子間に伝達される。二次巻線22bは、ドットのない端子が高電位となるので、ゲート端子電圧V46gが負方向に低下する。しかし、タイミングFET46は、当該タイミング信号を受ける前から既にオフしており、ゲート端子電圧V38gの上昇に対して影響しない。   Thereafter, when the drive pulse V14a of the main switching element drive circuit 14 changes from the high level to the low level, a current for discharging the gate input capacitance of the main switching element 12 flows through the primary winding 22a. As a result, a predetermined signal is input to the primary winding 22 a side, and a timing signal output from the secondary winding 22 b is transmitted between the gate and source terminals of the timing FET 46. In the secondary winding 22b, since a terminal without a dot becomes a high potential, the gate terminal voltage V46g decreases in the negative direction. However, the timing FET 46 is already turned off before receiving the timing signal, and does not affect the rise of the gate terminal voltage V38g.

その後、先に駆動パルスV14aがハイレベルに転じてからスイッチング周期Tが経過した時点で、駆動パルスV14aが再度ハイレベルに転じ、ゲート端子電圧V38gがリセットされる。   After that, when the switching cycle T has elapsed since the drive pulse V14a first changed to the high level, the drive pulse V14a changes to the high level again, and the gate terminal voltage V38g is reset.

ゲート端子電圧V38gの上昇速度はプルアップ抵抗42等の時定数によって規定され、ゲート端子電圧V38gがリセットされた後、スイッチング周期Tよりも長い時間(例えば、スイッチング周期Tの2〜5倍程度の時間)が経過しないとゲート閾値電圧を超えない。従って、上記の動作を繰り返す定常動作中は、第一及び第二補助FET38,40がオフ状態に保持され、異常発振防止回路36は動作しない。   The rising speed of the gate terminal voltage V38g is defined by the time constant of the pull-up resistor 42 and the like, and after the gate terminal voltage V38g is reset, a time longer than the switching period T (for example, about 2 to 5 times the switching period T). If the time does not elapse, the gate threshold voltage is not exceeded. Therefore, during the steady operation in which the above operation is repeated, the first and second auxiliary FETs 38 and 40 are held in the off state, and the abnormal oscillation prevention circuit 36 does not operate.

次に、スイッチング電源装置10が定常動作している最中に入力電源24が遮断される等し、主スイッチング素子駆動回路14の駆動パルスV14aが停止したときの動作(以下、電源停止動作と称する)について説明する。まず、図2に示すスイッチング電源装置10の構成から異常発振防止回路36が設けられていない場合に生じる異常発振の不具合について説明する。   Next, an operation when the drive pulse V14a of the main switching element drive circuit 14 is stopped, such as when the input power supply 24 is shut off while the switching power supply device 10 is in steady operation (hereinafter referred to as a power supply stop operation). ). First, the problem of abnormal oscillation that occurs when the abnormal oscillation prevention circuit 36 is not provided in the configuration of the switching power supply device 10 shown in FIG. 2 will be described.

スイッチング電源装置10の定常動作中に、主スイッチング素子12がオン、整流側FET26がオン、転流側FET28がオフの状態で駆動パルスV14aが停止した場合を考える。駆動パルスV14aが停止(ローレベルに転じてローレベルを保持)すると、主スイッチング素子12がオンからオフに転じ、一次巻線16aが開放される。すると、主スイッチング素子12のオンの間に主トランス16に蓄積された励磁エネルギーの放出が始まり、出力巻線16bと補助巻線16cの両端に、ドットのない一端が高電位となる方向にフライバック電圧が発生する。このフライバック電圧により、整流側FET26がオフに転じ、転流側FET28がオンに転じる。転流側FET28がオンすると、平滑コンデンサ20bの蓄積電荷を放出する電流が、平滑コンデンサ20b、転流側FET28、平滑インダクタ20aの経路に流れ、平滑インダクタ20aに励磁エネルギーが蓄積される。   Consider a case where the driving pulse V14a is stopped during the steady operation of the switching power supply device 10 while the main switching element 12 is on, the rectifying side FET 26 is on, and the commutation side FET 28 is off. When the drive pulse V14a stops (turns to a low level and maintains a low level), the main switching element 12 turns from on to off, and the primary winding 16a is opened. Then, the release of the excitation energy accumulated in the main transformer 16 while the main switching element 12 is turned on starts to fly in the direction where one end without a dot becomes a high potential at both ends of the output winding 16b and the auxiliary winding 16c. Buck voltage is generated. By this flyback voltage, the rectification side FET 26 turns off and the commutation side FET 28 turns on. When the commutation side FET 28 is turned on, a current that releases the accumulated charge of the smoothing capacitor 20b flows through the path of the smoothing capacitor 20b, the commutation side FET 28, and the smoothing inductor 20a, and the excitation energy is accumulated in the smoothing inductor 20a.

主トランス16の励磁エネルギーの放出が終了すると、出力巻線16bと補助巻線16cの電圧は低下するが、整流側FET26のオフと転流側FET28のオンが継続する。その後、転流側FET28のゲート入力容量の蓄積電荷が抵抗34によって徐々に放電され、ゲート端子電圧V28gがゲート閾値電圧に低下したところで、転流側FET28がオフし始める。すると、転流側FET28のオンの間に平滑インダクタ20aに蓄積された励磁エネルギーの放出が始まり、平滑インダクタ20aの両端に、平滑コンデンサ20b側の一端が高電位となる方向にフライバック電圧が発生する。このフライバック電圧により、出力巻線16bと補助巻線16cの両端に、ドットのある一端が高電位となる方向に電圧が発生し、整流側FET26がオンに転じると共に転流側FET28も完全にオフする。整流側FET26がオンすると、平滑コンデンサ20aの蓄積電荷と平滑インダクタの励磁エネルギーを放出する電流が、平滑コンデンサ20b、出力巻線16b、整流側FET26、平滑インダクタ20aの経路に流れ、主トランス16に励磁エネルギーが蓄積される。この電流は、出力巻線16bと密に結合している入力巻線16aから、入力電源24(又は、図示しない入力コンデンサ)、主スイッチング素子12の内部に寄生する図示しないドレイン・ソース間ダイオード、という経路にも流れる。   When the discharge of the excitation energy of the main transformer 16 is completed, the voltages of the output winding 16b and the auxiliary winding 16c are reduced, but the rectification side FET 26 and the commutation side FET 28 are kept on. Thereafter, the accumulated charge in the gate input capacitance of the commutation side FET 28 is gradually discharged by the resistor 34, and the commutation side FET 28 starts to turn off when the gate terminal voltage V28g drops to the gate threshold voltage. Then, the release of the excitation energy accumulated in the smoothing inductor 20a while the commutation-side FET 28 is turned on starts, and a flyback voltage is generated at both ends of the smoothing inductor 20a so that one end on the smoothing capacitor 20b side becomes a high potential. To do. Due to this flyback voltage, a voltage is generated at the ends of the output winding 16b and the auxiliary winding 16c in such a direction that one end with dots becomes a high potential, the rectifying side FET 26 is turned on, and the commutation side FET 28 is also completely turned on. Turn off. When the rectifying side FET 26 is turned on, a current that releases the accumulated charge of the smoothing capacitor 20a and the exciting energy of the smoothing inductor flows through the path of the smoothing capacitor 20b, the output winding 16b, the rectifying side FET 26, and the smoothing inductor 20a, and flows to the main transformer 16. Excitation energy is accumulated. This current is supplied from the input winding 16a, which is tightly coupled to the output winding 16b, to the input power supply 24 (or an input capacitor not shown), a drain-source diode (not shown) that is parasitic inside the main switching element 12, It also flows through the path.

その後、整流側FET26のゲート入力容量の蓄積電荷が抵抗32によって徐々に放電され、ゲート端子電圧V26gがゲート閾値電圧まで低下したところで整流側FET26がオフし始める。すると、整流側FET26のオンの間に主トランス16に蓄積された励磁エネルギーの放出が始まり、出力巻線16bと補助巻線16cの両端に、ドットのない一端が高電位となる方向にフライバック電圧が発生し、転流側FET28がオンに転じると共に整流側FET26も完全にオフする。以下、整流側FET26と転流側FET28が相補的にオン・オフする自励式の異常発振が発生する。   Thereafter, the accumulated charge in the gate input capacitance of the rectifying side FET 26 is gradually discharged by the resistor 32, and the rectifying side FET 26 starts to turn off when the gate terminal voltage V26g is lowered to the gate threshold voltage. Then, the release of the excitation energy accumulated in the main transformer 16 while the rectifying side FET 26 is turned on starts to fly back in a direction in which one end without a dot becomes a high potential at both ends of the output winding 16b and the auxiliary winding 16c. A voltage is generated, the commutation side FET 28 is turned on, and the rectification side FET 26 is also completely turned off. Thereafter, a self-excited abnormal oscillation occurs in which the rectifying side FET 26 and the commutation side FET 28 are turned on and off in a complementary manner.

異常発振の周期は、スイッチング周期Tよりも長くなるのが一般的である(例えば、スイッチング周期Tの5倍〜10倍程度)。また、主トランス16と平滑インダクタ20aに流れる電流の大きさを制限する回路素子もない。従って、異常発振が発生すると、この電流により主トランス16や平滑インダクタ20aが磁気飽和し、それによってさらに大きな電流が発生し、整流側及び転流側FET26,28に過大な電気ストレスが加わって破損するおそれがある。   The period of abnormal oscillation is generally longer than the switching period T (for example, about 5 to 10 times the switching period T). Further, there is no circuit element that limits the magnitude of the current flowing through the main transformer 16 and the smoothing inductor 20a. Therefore, when an abnormal oscillation occurs, the current causes the main transformer 16 and the smoothing inductor 20a to be magnetically saturated, thereby generating a larger current, which causes excessive electrical stress on the rectifying side and commutation side FETs 26 and 28, resulting in damage. There is a risk.

スイッチング電源回路10は、異常発振防止回路36を設けることによって異常発振の不具合が回避されている。スイッチング電源装置10の定常動作中、駆動パルスV14aが停止すると、信号伝達トランス22の二次巻線22bからタイミング信号が出力されないので、タイミングFET46がオフを継続し、第一及び第二補助FET38,40のゲート電圧V38gがリセットされることなく、直流電源44からの充電によって上昇し続ける。そして、スイッチング周期Tの2〜5倍程度の時間(異常発振の周期よりも短い時間)が経過したところでゲート電圧V38gがゲート閾値電圧を超え、第一及び第二補助FET38,40がオンに転じてそのまま保持される。そして、整流側及び転流側FET26,28は、ゲート・ソース端子間が共に短絡されるので、オフに固定されることになる。従って、整流側及び転流側FET26,28は、主トランス16や平滑インダクタ20aの動作によらず、確実にオフに固定されるので、上記のような自励式の異常発振が発生することがない。   The switching power supply circuit 10 is provided with the abnormal oscillation prevention circuit 36 to avoid abnormal oscillation. If the drive pulse V14a stops during the steady operation of the switching power supply device 10, the timing signal is not output from the secondary winding 22b of the signal transmission transformer 22, so the timing FET 46 continues to be turned off, and the first and second auxiliary FETs 38, The gate voltage V38g of 40 continues to rise due to charging from the DC power supply 44 without being reset. The gate voltage V38g exceeds the gate threshold voltage when a time of about 2 to 5 times the switching cycle T (a time shorter than the abnormal oscillation cycle) has elapsed, and the first and second auxiliary FETs 38 and 40 are turned on. Is held as it is. The rectifying side and commutation side FETs 26 and 28 are fixed off because the gate and source terminals are short-circuited together. Therefore, the rectifying side and commutation side FETs 26 and 28 are surely fixed off regardless of the operation of the main transformer 16 and the smoothing inductor 20a, so that the above self-excited abnormal oscillation does not occur. .

なお、異常発振防止回路36は、駆動パルスV14aがハイレベルに転じる時のタイミング信号を利用してゲート電圧V38gのリセットを行っているが、駆動パルスV14aがローレベルに転じる時のタイミング信号を利用する構成に変更しても、同様の作用効果を得ることができる。後者の構成を選択するときは、二次巻線22bがタイミングFET46のゲート・ソース端子間に接続される極性を反対にすればよい。従って、各回路素子の部品配置や回路パターンのレイアウトを検討する際に、前者と後者のうちの都合のよい方を選択することができる。   The abnormal oscillation prevention circuit 36 resets the gate voltage V38g using the timing signal when the drive pulse V14a changes to the high level, but uses the timing signal when the drive pulse V14a changes to the low level. Even if it changes to the structure to perform, the same effect can be acquired. When the latter configuration is selected, the polarity of the secondary winding 22b connected between the gate and source terminals of the timing FET 46 may be reversed. Therefore, when considering the component arrangement of each circuit element and the layout of the circuit pattern, the more convenient of the former and the latter can be selected.

スイッチング電源装置10が上記の理想的な動作を行うためには、信号伝達トランス22の特性が重要である。定常動作中は、主スイッチング素子12のゲート端子電圧V12gを急峻に上昇させ、ターンオン時のクロス損失を小さく抑えなくてはならないので、信号伝達トランス22は、インダクタンスを低くすることが好ましい。その一方で、定常動作中、スイッチング周期TごとにタイミングFET46をオンさせて異常発振防止回路36の機能を停止させるため、タイミングFET46がオンするのに十分なタイミング信号を二次巻線22bに発生させなくてはならないので、一定以上の結合が必要である。   In order for the switching power supply device 10 to perform the above ideal operation, the characteristics of the signal transmission transformer 22 are important. During steady operation, the gate terminal voltage V12g of the main switching element 12 must be sharply increased to suppress cross loss at turn-on, so that the signal transmission transformer 22 preferably has a low inductance. On the other hand, during the steady operation, the timing FET 46 is turned on every switching period T to stop the function of the abnormal oscillation prevention circuit 36, so that a timing signal sufficient to turn on the timing FET 46 is generated in the secondary winding 22b. It is necessary to have a certain level of coupling.

この信号伝達トランス22は、一次及び二次巻線22a,22bを同じ巻数とし、各インダクタンスを50〜100nH、結合度を約0.2〜0.3に設定することによって、上記2つの条件を両立させている。ただし、これらの数値は一例にすぎず、駆動パルスV14aのハイレベルの電圧値、主スイッチング素子12のゲート入力容量及びゲート閾値電圧、タイミングFET46のゲート入力容量及びゲート閾値電圧、スイッチング周期Tなどが異なると、信号伝達トランス22のインダクタンスと結合度の最適値も異なってくる。従って、信号伝達トランス22は、インダクタンスと結合度の調整、変更が容易な構造であることが望ましい。   The signal transmission transformer 22 satisfies the above two conditions by setting the primary and secondary windings 22a and 22b to the same number of turns, setting each inductance to 50 to 100 nH, and coupling degree to about 0.2 to 0.3. . However, these numerical values are merely examples, and the high level voltage value of the drive pulse V14a, the gate input capacitance and gate threshold voltage of the main switching element 12, the gate input capacitance and gate threshold voltage of the timing FET 46, the switching period T, and the like. If they are different, the optimum values of the inductance and the degree of coupling of the signal transmission transformer 22 also differ. Therefore, it is desirable that the signal transmission transformer 22 has a structure in which the inductance and the degree of coupling can be easily adjusted and changed.

信号伝達トランス22の構造は、図3に示すように、表面にスイッチング素子12等の回路素子が実装される多層基板50の中に形成されている。多層基板50は、銅などで成る導体層52と、樹脂やガラス繊維等の絶縁部材で成る絶縁層54とを備え、8つの導体層52の間に7つの絶縁層54(図3の上側から順番に54(1)〜54(7))を交互に挟んで積層された一般的なプリント基板である。   As shown in FIG. 3, the structure of the signal transmission transformer 22 is formed in a multilayer substrate 50 on which circuit elements such as the switching elements 12 are mounted. The multilayer substrate 50 includes a conductor layer 52 made of copper or the like and an insulating layer 54 made of an insulating member such as resin or glass fiber, and seven insulating layers 54 (from the upper side of FIG. 3) between the eight conductor layers 52. This is a general printed circuit board laminated with 54 (1) to 54 (7)) alternately in order.

図3の上側から数えて3番目と4番目の導体層52には、コイルパターン52(3),52(4)が形成され、5番目と6番目の導体層52に、コイルパターン52(5),52(6)が形成され、2番目と7番目の導体層52には、閉鎖パターン52(2),52(7)が形成され、1番目と8番目の導体層52に、回路素子の実装及び配線を行う配線パターン52(1),52(8)が形成されている。   The coil patterns 52 (3) and 52 (4) are formed on the third and fourth conductor layers 52 counted from the upper side in FIG. 3, and the coil patterns 52 (5 and 5 are formed on the fifth and sixth conductor layers 52. ), 52 (6) are formed, closed patterns 52 (2), 52 (7) are formed on the second and seventh conductor layers 52, and circuit elements are formed on the first and eighth conductor layers 52. Wiring patterns 52 (1) and 52 (8) for mounting and wiring are formed.

コイルパターン52(3),52(4)は、渦巻き状に形成された平面コイルであり、図3(b)に示すように、最内周の1ターンの端部同士が絶縁層54(3)に設けたスルーホールを通じて一体に接続され、一次巻線22aとなる。また、コイルパターン52(3),52(4)も、渦巻き状に形成された平面コイルであり、図3(b)に示すように、最内周の1ターンの端部同士が絶縁層54(5)に設けたスルーホールを通じて一体に接続され、二次巻線22bとなる。4つのコイルパターン52(3)〜52(6)は、最内周の1ターンの内側領域の形状が等しく、最外周の1ターンの外周縁の形状もほぼ等しく、互いに重なり合うように同心状に配置されている。   The coil patterns 52 (3) and 52 (4) are planar coils formed in a spiral shape, and as shown in FIG. 3B, the ends of the innermost one turn are the insulating layers 54 (3 ) To form a primary winding 22a. In addition, the coil patterns 52 (3) and 52 (4) are also planar coils formed in a spiral shape, and as shown in FIG. They are integrally connected through the through hole provided in (5) to form the secondary winding 22b. The four coil patterns 52 (3) to 52 (6) have the same inner region shape of the innermost turn, the outer peripheral edge shape of the outermost turn is substantially equal, and are concentrically overlapped with each other. Has been placed.

閉鎖パターン52(2),52(7)は、少なくともコイルパターン52(3),52(6)の最内周の1ターン及びその内側領域を閉鎖する導体パターンであり、ここでは、最外周の外周縁の内側領域を覆う大きさに形成されている。従って、一次巻線22aであるコイルパターン52(3),52(4)に電流が流れ最内周の1ターンの内側領域を通る磁束が発生すると、その磁束の一部が閉鎖パターン52(2),52(7)を厚み方向に通過し、渦電流損失となって吸収される。   The closing patterns 52 (2) and 52 (7) are conductor patterns that close at least one innermost turn of the coil patterns 52 (3) and 52 (6) and an inner region thereof. It is sized to cover the inner area of the outer periphery. Accordingly, when a current flows through the coil patterns 52 (3) and 52 (4), which are the primary winding 22a, and a magnetic flux is generated that passes through the inner region of the innermost one turn, a part of the magnetic flux is partly closed. ), 52 (7) in the thickness direction and absorbed as eddy current loss.

配線パターン52(1),52(8)は、閉鎖パターン52(2),52(7)と重なる領域にも自由に形成することができる。また、閉鎖パターン52(2)は、絶縁層54(1)に設けた図示しないスルーホールを通して配線パターン52(1)の安定電位の部分に接続されている。同様に、閉鎖パターン52(7)も、絶縁層54(7)に設けた図示しないスルーホールを通して配線パターン52(8)の安定電位の部分に接続されている。安定電位とは交流的に安定な電位のことであり、例えば、図2における主スイッチング素子12のソース端子の電位や、主トランス16の入力巻線16aのドットのある一端の電位である。   The wiring patterns 52 (1) and 52 (8) can be freely formed in a region overlapping with the closing patterns 52 (2) and 52 (7). The closed pattern 52 (2) is connected to the stable potential portion of the wiring pattern 52 (1) through a through hole (not shown) provided in the insulating layer 54 (1). Similarly, the closing pattern 52 (7) is also connected to the stable potential portion of the wiring pattern 52 (8) through a through hole (not shown) provided in the insulating layer 54 (7). The stable potential is a potential that is stable in terms of alternating current, and is, for example, the potential of the source terminal of the main switching element 12 in FIG. 2 or the potential of one end of the dot of the input winding 16a of the main transformer 16.

信号伝達トランス22のインダクタンスは、一次及び二次巻線22a,22bの巻数によって調整することができ、巻数を少なくすればインダクタンスが小さくなる。しかし、あまり少なくすると、2つの巻線間の結合度が確保できない。この信号伝達トランス22は、巻数以外のパラメータを変更することによって、インダクタンスと結合度を容易に調整することができる。   The inductance of the signal transmission transformer 22 can be adjusted by the number of turns of the primary and secondary windings 22a and 22b. If the number of turns is reduced, the inductance is reduced. However, if the amount is too small, the degree of coupling between the two windings cannot be ensured. The signal transmission transformer 22 can easily adjust the inductance and the degree of coupling by changing parameters other than the number of turns.

閉鎖パターン52(2),52(7)は、コイルパターン52(3),52(4)に電流が流れたとき、その内側領域に発生する磁束の一部を吸収すると共に、コイルパターン52(5),52(6)に鎖交する磁束の量を減らす働きをする。すなわち、閉鎖パターン52(2),52(7)が存在すると、インダクタンスが低下すると共に、結合度も低下することになる。閉鎖パターン52(2),52(7)による磁束の吸収量は、閉鎖パターン52(2),52(7)の厚みを変更することによって調整できる。また、閉鎖パターン52(2)とコイルパターン52(3)との間の絶縁層54(2)の厚みを変更することによって、絶縁層54(2)の内部を面方向に通過する磁束の量、すなわち閉鎖パターン52(2),52(7)に吸収されない磁束の量を調整できる。閉鎖パターン52(7)とコイルパターン52(6)との間の絶縁層54(6)の厚みについても同様である。このように、上記の各パラメータを変化させることによって、インダクタンスと結合度を広範囲に調整、変更することができる。   When the current flows through the coil patterns 52 (3) and 52 (4), the closing patterns 52 (2) and 52 (7) absorb a part of the magnetic flux generated in the inner region of the coil patterns 52 (3) and 52 (4). 5), 52 (6) works to reduce the amount of magnetic flux interlinking. That is, when the closed patterns 52 (2) and 52 (7) are present, the inductance is lowered and the degree of coupling is also lowered. The amount of magnetic flux absorbed by the closing patterns 52 (2) and 52 (7) can be adjusted by changing the thickness of the closing patterns 52 (2) and 52 (7). Further, the amount of magnetic flux passing through the inside of the insulating layer 54 (2) in the surface direction by changing the thickness of the insulating layer 54 (2) between the closing pattern 52 (2) and the coil pattern 52 (3). That is, the amount of magnetic flux that is not absorbed by the closing patterns 52 (2) and 52 (7) can be adjusted. The same applies to the thickness of the insulating layer 54 (6) between the closing pattern 52 (7) and the coil pattern 52 (6). Thus, by changing each of the above parameters, the inductance and the degree of coupling can be adjusted and changed over a wide range.

インダクタンスと結合度を調整する手段は他にもあり、例えば、絶縁層54(3),54(4),54(5),54(6)の厚みを変更したり、平面コイル内の1ターン毎の間隔を変更したり、各コイルパターンの最内周の内側領域の面積を増減したりすることによって、ある程度の調整が可能である。   There are other means for adjusting the inductance and the degree of coupling. For example, the thickness of the insulating layers 54 (3), 54 (4), 54 (5), 54 (6) can be changed, or one turn in the planar coil can be changed. A certain degree of adjustment is possible by changing the interval for each coil or increasing / decreasing the area of the innermost area of each coil pattern.

以上説明したように、第一実施形態のスイッチング電源装置10は、電源停止時に異常発振防止回路36が動作することによって、異常発振による不具合を確実に回避することができ、安全である。さらに、定常動作時、信号伝達トランス22は、一次巻線22aが主スイッチング素子制御回路14のパルス出力端子14aと主スイッチング素子12のゲート端子12gとの接続点に直列に挿入され、ごく短いパルス幅のタイミング信号を二次巻線22bに伝達する動作を行う。従って、信号伝達トランス22のインダクタンスと結合度を最適化することにより、主スイッチング素子12のゲート端子電圧V12gの立ち上がりを急峻にし、主スイッチング素子のクロス損失の最小限に抑えることができる。   As described above, the switching power supply device 10 according to the first embodiment is safe because the abnormal oscillation prevention circuit 36 operates when the power supply is stopped, so that problems due to abnormal oscillation can be reliably avoided. Furthermore, during steady operation, the signal transmission transformer 22 has a primary winding 22a inserted in series at the connection point between the pulse output terminal 14a of the main switching element control circuit 14 and the gate terminal 12g of the main switching element 12, and thus a very short pulse. An operation of transmitting the width timing signal to the secondary winding 22b is performed. Therefore, by optimizing the inductance and the degree of coupling of the signal transmission transformer 22, the rise of the gate terminal voltage V12g of the main switching element 12 can be made steep and the cross loss of the main switching element can be minimized.

また、信号伝達トランス22は、多層基板50の内部に形成され、磁性コアが不要なので安価に構成することができ、信号伝達トランス22と重なる位置に他の回路素子を配置することにより、スイッチング電源装置の小型化にも寄与できる。さらに、コイルパターン52(3)〜52(6)の巻数などを変更する以外に、各コイルパターン間の絶縁層54(3)〜54(5)の厚み、及びコイルパターン52(3),52(6)と閉鎖パターン52(2),52(7)の間の絶縁層54(2),54(6)の厚み等のパラメータを調節することにより、インダクタンスと結合度を広範囲に変化させることができるので、最適化が容易である。しかも、多層基板50は、金型や数値制御された各種装置を用いて高い寸法精度で製作されるので、最適化されたインダクタンス及び結合度をばらつきなく実現することができる。従って、スイッチング電源装置10の信号伝達トランス22等の用途に非常に適している。   Further, since the signal transmission transformer 22 is formed inside the multilayer substrate 50 and does not require a magnetic core, the signal transmission transformer 22 can be configured at low cost. By arranging another circuit element at a position overlapping the signal transmission transformer 22, a switching power supply It can also contribute to downsizing of the device. In addition to changing the number of turns of the coil patterns 52 (3) to 52 (6), the thickness of the insulating layers 54 (3) to 54 (5) between the coil patterns, and the coil patterns 52 (3) and 52 By adjusting parameters such as the thickness of the insulating layers 54 (2) and 54 (6) between (6) and the closing patterns 52 (2) and 52 (7), the inductance and the degree of coupling can be changed over a wide range. Can be optimized. In addition, since the multilayer substrate 50 is manufactured with high dimensional accuracy using a mold and various devices controlled numerically, it is possible to realize optimized inductance and degree of coupling without variation. Therefore, it is very suitable for applications such as the signal transmission transformer 22 of the switching power supply device 10.

閉鎖パターン52(2),52(7)は、コイルパターン52(3)〜52(6)の最内周の内側領域を通過する磁束が多層基板50の外部に漏洩するのを防止すると共に、外来の磁束が信号伝達トランス22に鎖交して干渉するのを防止する磁気シールドの働きをする。さらに、閉鎖パターンが安定電位に接地されているので静電シールドとしても働く。   The closing patterns 52 (2) and 52 (7) prevent the magnetic flux passing through the innermost inner region of the coil patterns 52 (3) to 52 (6) from leaking to the outside of the multilayer substrate 50. It acts as a magnetic shield that prevents extraneous magnetic flux from interlinking with and interfering with the signal transmission transformer 22. Furthermore, since the closed pattern is grounded to a stable potential, it also functions as an electrostatic shield.

次に、この発明の信号伝達トランスの第二実施形態について、図4に基づいて説明する。この実施形態の信号伝達トランス58は、一次及び二次巻線58a,58bを備え、上記スイッチング電源装置10の信号伝達トランス22と同様に使用可能なトランスである。   Next, a second embodiment of the signal transmission transformer of the present invention will be described with reference to FIG. The signal transmission transformer 58 of this embodiment includes primary and secondary windings 58a and 58b, and can be used in the same manner as the signal transmission transformer 22 of the switching power supply device 10.

多層基板60は、銅などから成る導体層62と、樹脂やガラス繊維等の絶縁部材で成る絶縁層64とを備え、6つの導体層52の間に5つの絶縁層64(図4の上側から順番に64(1)〜64(5))を交互に挟んで積層された一般的なプリント基板である。   The multilayer substrate 60 includes a conductor layer 62 made of copper or the like and an insulating layer 64 made of an insulating member such as resin or glass fiber, and five insulating layers 64 (from the upper side in FIG. 4) between the six conductor layers 52. It is a general printed circuit board laminated with 64 (1) to 64 (5)) alternately sandwiched in order.

図4の上側から数えて3番目の導体層62に一次巻線58aであるコイルパターン62(3−1)及び二次巻線58bであるコイルパターン62(3−2)が形成され、4番目の導体層62に、引出パターン62(4−1),62(4−2)が形成され、2番目と5番目の導体層62に閉鎖パターン62(2),62(5)が形成され、さらに、1番目と6番目の導体層62に回路素子の実装及び配線を行う配線パターン62(1),62(6)が形成されている。   The coil pattern 62 (3-1) as the primary winding 58a and the coil pattern 62 (3-2) as the secondary winding 58b are formed on the third conductor layer 62 counted from the upper side in FIG. Lead patterns 62 (4-1) and 62 (4-2) are formed on the conductor layer 62, and closed patterns 62 (2) and 62 (5) are formed on the second and fifth conductor layers 62. Further, wiring patterns 62 (1) and 62 (6) for mounting and wiring circuit elements are formed on the first and sixth conductor layers 62.

コイルパターン62(3−1),62(3−2)は、図4(b)に示すように、互いに平行に渦巻き状に形成された平面コイルであり、最内周の1ターンの端部が絶縁層64(3)に設けたスルーホールを通じて引出パターン62(4−1),62(4−2)に接続され、外側に引き出されている。   The coil patterns 62 (3-1) and 62 (3-2) are planar coils formed in a spiral shape in parallel with each other as shown in FIG. Are connected to the extraction patterns 62 (4-1) and 62 (4-2) through through holes provided in the insulating layer 64 (3), and are extracted to the outside.

閉鎖パターン62(2),62(5)は、少なくともコイルパターン62(3−1),62(3−2)の最内周の1ターン及びその内側領域を閉鎖する導体パターンであり、ここでは、最外周の外周縁の内側領域を覆う大きさに形成されている。従って、一次巻線58aであるコイルパターン62(3−1)に電流が流れて最内周の1ターンの内側領域を通る磁束が発生すると、その磁束の一部が閉鎖パターン62(2),62(5)を厚み方向に通過し、渦電流損失となって吸収される。   The closing patterns 62 (2) and 62 (5) are conductor patterns that close at least one innermost turn of the coil patterns 62 (3-1) and 62 (3-2) and the inner region thereof. It is formed in a size that covers the inner region of the outermost peripheral edge. Accordingly, when a current flows through the coil pattern 62 (3-1), which is the primary winding 58a, and a magnetic flux is generated that passes through the inner region of the innermost one turn, a part of the magnetic flux becomes the closed pattern 62 (2), Passes 62 (5) in the thickness direction and is absorbed as eddy current loss.

このように、第二実施形態の信号伝達トランス58は、一次及び二次巻線58a,58bを2つの導体層62で構成したという点で、上記の信号伝達トランス22と異なり、その他の構成は同様である。この信号伝達トランス58は上記の信号伝達トランス22と同様の作用効果を得ることができ、特に、信号伝達トランス22が4つの導体層52で一次及び二次巻線22a,22bを構成しているのに比べると、層数の少ない安価な多層基板を使用できるという利点がある。   Thus, the signal transmission transformer 58 of the second embodiment differs from the signal transmission transformer 22 described above in that the primary and secondary windings 58a and 58b are configured by two conductor layers 62, and other configurations are the same. It is the same. The signal transmission transformer 58 can obtain the same effects as the signal transmission transformer 22 described above. In particular, the signal transmission transformer 22 includes four conductor layers 52 that constitute primary and secondary windings 22a and 22b. Compared to the above, there is an advantage that an inexpensive multilayer substrate having a small number of layers can be used.

この発明の第三実施形態の信号伝達トランス66は、図5に示すように、さらに層数の少ない多層基板に構成されている。信号伝達トランス66は、一次及び二次巻線66a,66bを備え、上記の信号伝達トランス22,58と同様に使用可能なトランスである。   As shown in FIG. 5, the signal transmission transformer 66 according to the third embodiment of the present invention is configured on a multilayer substrate having a smaller number of layers. The signal transmission transformer 66 includes primary and secondary windings 66a and 66b, and can be used in the same manner as the signal transmission transformers 22 and 58 described above.

多層基板68は、銅などで成る導体層70と、樹脂やガラス繊維等の絶縁部材で成る絶縁層72とを備え、4つの導体層70の間に3つの絶縁層72(図5の上側から順番に72(1)〜72(3))を交互に挟んで積層された一般的なプリント基板である。   The multilayer substrate 68 includes a conductor layer 70 made of copper or the like and an insulating layer 72 made of an insulating member such as resin or glass fiber, and three insulating layers 72 (from the upper side in FIG. 5) between the four conductor layers 70. It is a general printed circuit board in which 72 (1) to 72 (3)) are alternately sandwiched in order.

図5の上側から数えて1番目の導体層70に回路素子の実装及び配線を行う配線パターン70(1)が形成され、3番目の導体層70に、一次巻線66aであるコイルパターン70(3−1)と二次巻線66bであるコイルパターン70(3−2)が形成され、4番目の導体層70に、引出パターン70(4−1),70(4−2)、閉鎖パターン70(4−3)、及び図示しない配線パターンが形成されている。   A wiring pattern 70 (1) for mounting and wiring circuit elements is formed on the first conductor layer 70 counted from the upper side of FIG. 5, and a coil pattern 70 (primary winding 66 a) is formed on the third conductor layer 70. 3-1) and a coil pattern 70 (3-2) as the secondary winding 66 b are formed, and lead patterns 70 (4-1) and 70 (4-2) and a closing pattern are formed on the fourth conductor layer 70. 70 (4-3) and a wiring pattern (not shown) are formed.

コイルパターン70(3−1),70(3−2)は、図5(b)に示すように、互いに平行に渦巻き状に形成された平面コイルであり、最内周の1ターンの端部が絶縁層72(3)に設けたスルーホールを通じて引出パターン70(4−1),70(4−2)に接続され、外側に引き出されている。閉鎖パターン70(4−3)は、少なくともコイルパターン70(3−1),70(3−2)の最内周の1ターン及びその内側領域を閉鎖する一又は二以上に分離した導体パターンであり、引出パターン70(4−1),70(4−2)を避けて設けられている。   The coil patterns 70 (3-1) and 70 (3-2) are flat coils formed in a spiral shape in parallel with each other as shown in FIG. Are connected to the extraction patterns 70 (4-1) and 70 (4-2) through through holes provided in the insulating layer 72 (3), and are extracted to the outside. The closing pattern 70 (4-3) is a conductor pattern separated into one or two or more that closes at least one innermost turn of the coil patterns 70 (3-1) and 70 (3-2) and an inner region thereof. Yes, provided so as to avoid the drawing patterns 70 (4-1) and 70 (4-2).

第三実施形態の信号伝達トランス66は、一次及び二次巻線66a,66bを2つの導体層70で構成したという点で、上記の信号伝達トランス22と異なる。さらに、一方の閉鎖パターン70(4−3)、引出パターン70(4−1),70(4−2)、及び配線パターンを同じの導体層70に設けたという点で、上記の信号伝達トランス60と異なる。その他の構成は同様である。   The signal transmission transformer 66 according to the third embodiment is different from the signal transmission transformer 22 in that the primary and secondary windings 66a and 66b are configured by two conductor layers 70. Further, the signal transmission transformer described above is provided in that one closing pattern 70 (4-3), lead-out patterns 70 (4-1), 70 (4-2), and a wiring pattern are provided on the same conductor layer 70. Different from 60. Other configurations are the same.

この信号伝達トランス66は、上記の信号伝達トランス22,58と同様の作用効果を得ることができ、特に、上記の信号伝達トランス22が4つの導体層52で一次及び二次巻線22a,22bを構成しているのに比べると、格段に層数の少ない安価な多層基板を使用できるという利点がある。   The signal transmission transformer 66 can obtain the same effects as those of the signal transmission transformers 22 and 58. In particular, the signal transmission transformer 22 includes four conductor layers 52 and primary and secondary windings 22a and 22b. Compared to the configuration, there is an advantage that an inexpensive multilayer substrate having a significantly smaller number of layers can be used.

なお、この発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。図2のスイッチング電源装置10は、トランス巻線駆動方式の同期整流回路を備えたシングルエンディッドフォワード型のスイッチング電源装置であるが、インバータ型式がシングルエンディッドフォワード型と異なるスイッチング電源装置にも適用することができる。シングルエンディッドフォワード型のスイッチング電源装置10の場合、同期整流素子が2つ(整流側及び転流側FET26,28)なので、異常発振防止回路36は、同期整流素子ごとに1つずつ(補助FET38,40)設けられている。例えば、インバータ型式がフライバック型の場合、同期整流素子が1つなので補助FETは1つで足りる。また、インバータ型式がブリッジ型で主トランスの出力巻線電圧を全波整流する場合、同期整流素子が4つなので、補助FETを4つ設ければよい。何れの場合も、スイッチング電源10と同様に、電源停止時の異常動作の不具合を容易かつ確実に回避することができる。   The switching power supply device of the present invention is not limited to the above embodiment. The switching power supply 10 of FIG. 2 is a single-ended forward switching power supply having a transformer winding drive type synchronous rectifier circuit, but is also applicable to a switching power supply in which the inverter type is different from the single-ended forward type. can do. In the case of the single-ended forward type switching power supply device 10, since there are two synchronous rectifier elements (rectifier side and commutation side FETs 26 and 28), the abnormal oscillation prevention circuit 36 is provided for each synchronous rectifier element (auxiliary FET 38). 40) is provided. For example, when the inverter type is a flyback type, one auxiliary FET is sufficient because there is one synchronous rectifier element. In addition, when the inverter type is a bridge type and the output winding voltage of the main transformer is full-wave rectified, since there are four synchronous rectifier elements, four auxiliary FETs may be provided. In any case, similarly to the switching power supply 10, it is possible to easily and reliably avoid the problem of abnormal operation when the power supply is stopped.

また、図2のスイッチング電源装置10の場合、信号伝達トランス22の二次巻線22bから出力されるタイミング信号が、異常発振防止回路36をリセットする同期制御に使用されているが、その他の様々な同期制御に使用することができる。例えば、背景技術の特許文献3に記載された絶縁型DC−DCコンバータのように、トランス巻線駆動方式で駆動される転流側FETのターンオフのタイミングを制御し、転流側FETと主スイッチング素子とが同時にオンするのを防止する同期制御に、このタイミング信号を使用することができる。また、主トランスの一次巻線と並列にアクティブクランプ用コンデンサを断続する直列スイッチング素子を備えたスイッチング電源装置において、直列スイッチング素子のターンオフ又はターンオフのタイミングを制御し、直列スイッチング素子と主スイッチング素子が同時にオンするのを防止する同期制御に、このタイミング信号を使用することも可能である。ここで例示した何れの同期制御においても、信号伝達トランスのインダクタンスと結合度を最適化する必要があり、この発明の信号伝達トランスを使用すれば最適化が容易であり、量産時のばらつきも非常に小さく抑えることができる。   In the case of the switching power supply device 10 of FIG. 2, the timing signal output from the secondary winding 22b of the signal transmission transformer 22 is used for synchronous control for resetting the abnormal oscillation prevention circuit 36. Can be used for simple synchronous control. For example, like the isolated DC-DC converter described in Patent Document 3 of the background art, the turn-off timing of the commutation side FET driven by the transformer winding drive system is controlled, and the commutation side FET and the main switching are controlled. This timing signal can be used for synchronous control to prevent the elements from turning on simultaneously. Further, in a switching power supply device including a series switching element that connects and disconnects an active clamp capacitor in parallel with the primary winding of the main transformer, the turn-off or turn-off timing of the series switching element is controlled, and the series switching element and the main switching element are It is also possible to use this timing signal for synchronous control that prevents the switches from being turned on simultaneously. In any of the synchronous controls exemplified here, it is necessary to optimize the inductance and the degree of coupling of the signal transmission transformer. If the signal transmission transformer of the present invention is used, the optimization is easy, and variations during mass production are also extremely large. Can be kept small.

また、図6(a),(b)に示すように、一次巻線22aと並列にダイオード74を接続することによって、タイミング信号の選択が可能になる。例えば、図6(a)のように、ダイオード74のカソードを主スイッチング素子12側にして並列接続した場合、駆動パルスV14aがローレベルに転じた時のタイミング信号のみ二次巻線22bから出力される。反対に、図6(b)のように、ダイオード74のアノードを主スイッチング素子12側にして並列接続した場合は、駆動パルスV14aがハイレベルに転じた時のタイミング信号のみ出力される。また、ダイオード74を接続しない場合は、駆動パルスV14aがローレベルに転じた時とハイレベルに転じた時の両方のタイミング信号が出力される。何れのタイミング信号を使用するかは自由であり、タイミング信号を受ける制御回路の目的や回路構成によって選択すればよい。例えば、図2のスイッチング電源装置10の場合を考えると、異常発振防止回路36をリセットする動作に必要なのは、駆動パルスV14aがハイレベルに転じた時のタイミング信号であり、ローレベルに転じた時のタイミング信号は使用していない。そればかりか、タイミングFET46のゲート・ソース端子間に逆電圧ストレスを加えるおそれのある不要な信号と言える。従って、図6(b)のように、ダイオード74のアノードを主スイッチング素子12の側に接続することによって、不要なタイミング信号の発生を防止することができる。   In addition, as shown in FIGS. 6A and 6B, the timing signal can be selected by connecting a diode 74 in parallel with the primary winding 22a. For example, as shown in FIG. 6A, when the cathode of the diode 74 is connected in parallel with the main switching element 12 side, only the timing signal when the drive pulse V14a turns to the low level is output from the secondary winding 22b. The On the contrary, as shown in FIG. 6B, when the anode of the diode 74 is connected in parallel with the main switching element 12 side, only the timing signal when the drive pulse V14a turns to the high level is output. When the diode 74 is not connected, both timing signals when the drive pulse V14a changes to low level and when it changes to high level are output. Which timing signal is used is arbitrary and may be selected according to the purpose and circuit configuration of the control circuit that receives the timing signal. For example, considering the case of the switching power supply device 10 of FIG. 2, what is necessary for the operation of resetting the abnormal oscillation prevention circuit 36 is a timing signal when the drive pulse V14a changes to high level, and when it changes to low level. This timing signal is not used. In addition, it can be said that it is an unnecessary signal that may apply reverse voltage stress between the gate and source terminals of the timing FET 46. Therefore, as shown in FIG. 6B, it is possible to prevent the generation of unnecessary timing signals by connecting the anode of the diode 74 to the main switching element 12 side.

また、この発明の信号伝達トランスも上記実施形態に限定されるものではない。上記の信号伝達トランス22,58,66の閉鎖パターンは、何れもコイルパターンの最外周の1ターン及びその内側の領域を覆うように設けられているが、少なくとも、最内周の1ターン及びその内側領域を覆うものであればよい。閉鎖パターンが小さいと、その外側にあるコイル部分からの磁束が漏れ出すのでシールド効果がやや低下するものの、インダクタンスと結合度の変更、調整には支障がない。また、閉鎖パターンの領域内を引出パターンや他の配線パターンが横切って閉鎖パターンが二以上の小パターンに分離している場合、閉鎖パターンを静電シールドとして使用するに際し、全ての小パターンを同一の安定電位に接続してもよいし、小パターンごとに異なる安定電位に接続しても構わない。   The signal transmission transformer of the present invention is not limited to the above embodiment. The closing patterns of the signal transmission transformers 22, 58, 66 are all provided so as to cover the outermost turn of the coil pattern and the inner region thereof, but at least the innermost turn and the inner turn thereof. Anything that covers the inner region may be used. If the closing pattern is small, the magnetic flux leaks from the coil portion on the outer side, so that the shielding effect is slightly reduced, but there is no problem in changing and adjusting the inductance and coupling degree. If the closed pattern is separated into two or more small patterns across the lead pattern or other wiring patterns within the closed pattern area, all the small patterns are the same when using the closed pattern as an electrostatic shield. May be connected to different stable potentials, or may be connected to different stable potentials for each small pattern.

また、コイルパターンは渦巻き状の平面コイルであればよく、巻き形状は、円形、四角形、楕円形など自由であり、巻数、パターン幅、パターン間隔等も特に限定されない。また、複数の二次巻線を設け、多出力型の信号伝達トランスを構成することも可能である。   Further, the coil pattern may be a spiral planar coil, and the winding shape is free, such as a circle, a rectangle, and an ellipse, and the number of turns, the pattern width, the pattern interval, etc. are not particularly limited. It is also possible to provide a multiple output type signal transmission transformer by providing a plurality of secondary windings.

10 スイッチング電源装置
12 主スイッチング素子
14 主スイッチング素子制御回路
14a パルス出力端子
16 主トランス
16a 入力巻線
16b 出力巻線
16c 補助巻線
18 同期整流回路
20 平滑回路
22,58,66 信号伝達トランス
22a,58a,66a 一次巻線
22b,58b,66b 二次巻線
26 整流側FET
28 転流側FET
36 異常発振防止回路
38 第一補助FET
40 第二補助FET
42 プルアップ抵抗
44 直流電源
46 タイミングFET
50 多層基板
52 導体層
52(1),52(8) 配線パターン
52(2),52(7) 閉鎖パターン
52(3),52(4),52(5),52(6), コイルパターン
54,54(1)〜54(7) 絶縁層
60 多層基板
62 導体層
62(1),62(6) 配線パターン
62(2),62(5) 閉鎖パターン
62(3−1),62(3−2) コイルパターン
62(4−1),62(4−2) 引出パターン
64,64(1)〜64(5) 絶縁層
68 多層基板
70 導体層
70(1) 配線パターン
70(2),70(4−3) 閉鎖パターン
70(3−1),70(3−2) コイルパターン
70(4−1),70(4−2) 引出パターン
72,72(1)〜72(3) 絶縁層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Switching power supply device 12 Main switching element 14 Main switching element control circuit 14a Pulse output terminal 16 Main transformer 16a Input winding 16b Output winding 16c Auxiliary winding 18 Synchronous rectification circuit 20 Smoothing circuit 22, 58, 66 Signal transmission transformer 22a, 58a, 66a Primary winding 22b, 58b, 66b Secondary winding 26 Rectification side FET
28 Commutation side FET
36 Abnormal oscillation prevention circuit 38 First auxiliary FET
40 Second auxiliary FET
42 Pull-up resistor 44 DC power supply 46 Timing FET
50 multilayer substrate 52 conductor layers 52 (1), 52 (8) wiring patterns 52 (2), 52 (7) closing patterns 52 (3), 52 (4), 52 (5), 52 (6), coil patterns 54, 54 (1) to 54 (7) Insulating layer 60 Multilayer substrate 62 Conductor layers 62 (1), 62 (6) Wiring patterns 62 (2), 62 (5) Closing patterns 62 (3-1), 62 ( 3-2) Coil pattern 62 (4-1), 62 (4-2) Lead pattern 64, 64 (1) -64 (5) Insulating layer 68 Multilayer substrate 70 Conductive layer 70 (1) Wiring pattern 70 (2) , 70 (4-3) Closure patterns 70 (3-1), 70 (3-2) Coil patterns 70 (4-1), 70 (4-2) Lead patterns 72, 72 (1) to 72 (3) Insulation layer

Claims (6)

回路素子を実装してスイッチング電源回路が構成される多層基板内の導体層に形成された同心状の複数のコイルパターンと、
前記複数のコイルパターンを挟む外側の導体層により形成され、少なくとも前記コイルパターンの最内周の1ターン及びその内側領域を閉鎖するよう形成された一対の閉鎖パターンとを備え、
前記コイルパターンに電流が流れたとき、前記最内周の1ターンの内側領域に発生する磁束の一部が、前記閉鎖パターンに吸収されること特徴とするスイッチング電源装置用の信号伝達トランス。
A plurality of concentric coil patterns formed on a conductor layer in a multilayer substrate on which circuit elements are mounted to constitute a switching power supply circuit;
Formed of an outer conductor layer sandwiching the plurality of coil patterns, and at least one innermost turn of the coil pattern and a pair of closing patterns formed to close the inner region thereof,
When the current flows through the coil pattern, a part of the magnetic flux generated in the inner region of the innermost turn is absorbed by the closed pattern.
前記閉鎖パターンは、複数の小パターンが集合して成る請求項1記載のスイッチング電源装置用の信号伝達トランス。   2. The signal transmission transformer for a switching power supply device according to claim 1, wherein the closing pattern is a collection of a plurality of small patterns. 前記閉鎖パターンが安定電位に接続されている請求項1又は2記載のスイッチング電源装置用の信号伝達トランス。   The signal transmission transformer for a switching power supply according to claim 1 or 2, wherein the closed pattern is connected to a stable potential. 前記閉鎖パターンは、回路素子が実装される最外層を除く内側の層に形成されている請求項1又は2記載のスイッチング電源用の信号伝達トランス。   3. The signal transmission transformer for a switching power supply according to claim 1, wherein the closed pattern is formed in an inner layer excluding an outermost layer on which the circuit element is mounted. 請求項1乃至4のいずれか記載の信号伝達トランスと、
入力電源に直列接続され、入力電圧を所定のスイッチング周期で断続する主スイッチング素子と、
パルス出力端子が前記主スイッチング素子の駆動端子に接続され、前記パルス出力端子から出力する矩形波状の駆動パルスによって前記主スイッチング素子のオン・オフを制御する主スイッチング素子制御回路とを備え、
前記信号伝達トランスの前記一次巻線が、前記主スイッチング素子制御回路の前記パルス出力端子と前記主スイッチング素子の前記駆動端子との接続点に直列に挿入され、
前記信号伝達トランスは、前記一次巻線側に前記駆動パルスが入力されることによって前記二次巻線にタイミング信号パルスを発生し、前記主スイッチング素子制御回路とグランド電位の異なる制御回路に伝達し、
前記制御回路は、前記タイミング信号パルスを利用した同期制御を行うことを特徴とするスイッチング電源装置。
A signal transmission transformer according to any one of claims 1 to 4,
A main switching element that is connected in series to the input power source and that intermittently switches the input voltage at a predetermined switching period;
A pulse output terminal connected to the drive terminal of the main switching element, and a main switching element control circuit for controlling on / off of the main switching element by a rectangular-wave drive pulse output from the pulse output terminal,
The primary winding of the signal transmission transformer is inserted in series at a connection point between the pulse output terminal of the main switching element control circuit and the drive terminal of the main switching element,
The signal transmission transformer generates a timing signal pulse in the secondary winding when the drive pulse is input to the primary winding, and transmits the timing signal pulse to a control circuit having a ground potential different from that of the main switching element control circuit. ,
The switching power supply device, wherein the control circuit performs synchronous control using the timing signal pulse.
請求項1乃至4のいずれか記載の信号伝達トランスと、
入力電源に直列接続され、入力電圧を所定のスイッチング周期で断続する主スイッチング素子と、
パルス出力端子が前記主スイッチング素子の駆動端子に接続され、前記パルス出力端子から出力する矩形波状の駆動パルスによって前記主スイッチング素子のオン・オフを制御する主スイッチング素子制御回路と、
前記主スイッチング素子と直列に接続され前記主スイッチング素子の断続によって発生する断続電圧が両端に印加される入力巻線と、前記断続電圧を変圧した交流電圧が発生する出力巻線とを有する主トランスと、
前記出力巻線に接続され、前記出力巻線に発生する電圧を整流する一又は二以上の同期整流FETを有し、各ゲート端子が前記トランスの前記出力巻線又はその他の巻線を用いたトランス巻線駆動方式により駆動される同期整流回路と、
前記同期整流回路の出力に接続され、整流された電圧を平滑して直流の出力電圧を出力する平滑回路と、
前記同期整流FETごとに設けられ、当該ゲート・ソース端子間を短絡・開放可能な補助FETと、
対応する前記補助FETのゲート閾値電圧よりも高い電源電圧を出力する直流電源と、
前記直流電源と対応する前記補助FETのゲート端子との間に接続され、当該補助FETのゲート・ソース端子間を当該電源電圧にプルアップするプルアップ抵抗と、
前記プルアップ抵抗ごとに設けられ、当該プルアップ抵抗が接続されている前記補助FETのゲート・ソース端子間を短絡・開放可能なタイミングトランジスタ素子とを備え、
前記信号伝達トランスは一又は二以上の二次巻線を有し、前記一次巻線が、前記主スイッチング素子制御回路の前記パルス出力端子と前記主スイッチング素子の前記駆動端子との接続点に直列に挿入され、前記タイミングトランジスタ素子の駆動端子に、対応する前記二次巻線が接続され、
前記タイミングトランジスタ素子は、前記信号伝達トランスの前記一次巻線側に前記駆動パルスが入力されることにより前記二次巻線に発生するタイミング信号パルスを受けてオン・オフし、
前記タイミングトランジスタ素子のオフの期間、前記補助FETのゲート・ソース間の入力容量が前記プルアップ抵抗を介して流れ込む前記直流電源からの電流によって充電され、
前記プルアップ抵抗は、前記タイミングトランジスタ素子のオフが前記スイッチング周期よりも長い所定の時間を超えて継続したとき、前記補助FETのゲート・ソース端子間の電圧が前記ゲート閾値電圧を超えるように、前記充電電流を制限することを特徴とするスイッチング電源装置。
A signal transmission transformer according to any one of claims 1 to 4,
A main switching element that is connected in series to the input power source and that intermittently switches the input voltage at a predetermined switching period;
A main switching element control circuit, wherein a pulse output terminal is connected to the driving terminal of the main switching element, and the main switching element is controlled to be turned on and off by a rectangular-wave driving pulse output from the pulse output terminal;
A main transformer having an input winding connected in series to the main switching element, to which an intermittent voltage generated by the intermittent switching of the main switching element is applied, and an output winding generating an AC voltage obtained by transforming the intermittent voltage When,
One or two or more synchronous rectification FETs connected to the output winding and rectifying a voltage generated in the output winding are used, and each gate terminal uses the output winding or other windings of the transformer. A synchronous rectifier circuit driven by a transformer winding drive system;
A smoothing circuit connected to the output of the synchronous rectifier circuit and smoothing the rectified voltage to output a DC output voltage;
An auxiliary FET provided for each synchronous rectification FET and capable of short-circuiting / opening between the gate and source terminals,
A DC power supply that outputs a power supply voltage higher than a gate threshold voltage of the corresponding auxiliary FET;
A pull-up resistor connected between the DC power supply and the corresponding gate terminal of the auxiliary FET, and pulling up the gate-source terminal of the auxiliary FET to the power supply voltage;
A timing transistor element provided for each pull-up resistor and capable of short-circuiting / opening between the gate and source terminals of the auxiliary FET to which the pull-up resistor is connected;
The signal transmission transformer has one or more secondary windings, and the primary winding is in series with a connection point between the pulse output terminal of the main switching element control circuit and the drive terminal of the main switching element. And the corresponding secondary winding is connected to the drive terminal of the timing transistor element,
The timing transistor element is turned on / off in response to a timing signal pulse generated in the secondary winding when the drive pulse is input to the primary winding side of the signal transmission transformer,
During the off period of the timing transistor element, the input capacitance between the gate and source of the auxiliary FET is charged by the current from the DC power source flowing through the pull-up resistor,
The pull-up resistor is configured so that the voltage between the gate and source terminals of the auxiliary FET exceeds the gate threshold voltage when the timing transistor element is turned off for a predetermined time longer than the switching period. A switching power supply device that limits the charging current.
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