JP2013121214A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、入力電圧生成部20と、トランス30と、出力電圧生成部40と、MOSトランジスタ50と、出力電圧検出部60と、スイッチング制御部70と、電源部80とを備える。出力電圧検出部60は、トランス30の3次巻線30−3に発生する電圧を検出し、その検出電圧を第1の基準値と比較し、その検出電圧を微分した電圧を第2の基準値と比較し、その2つの比較結果にしたがって検出期間の開始と終了を決定する。さらに出力電圧検出部60は、その検出期間内において、2つのサンプリングパルスにより検出電圧をそれぞれサンプルホールドし、検出期間の終了時に、サンプルホールドされた2つの検出電圧のうち、一方の検出電圧を選択して出力する。
【選択図】図1
Description
この種のスイッチング電源装置として、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。
このスイッチング電源装置は、図5に示すように、トランス2と、スイッチング用のMOSトランジスタTRと、出力電圧生成部4と、フィードバック信号生成部6と、スイッチング制御部8と、を備えている。
スイッチング制御部8は、MOSトランジスタTRのゲートに対して、図6(A)で示すようなゲート信号Vgを出力する。このゲート信号Vgにより、MOSトランジスタTRは、トランス2の1次巻線2−1に入力される直流電圧をスイッチングする。すなわち、直流電圧から接地電位に到る経路の接続(オン)と遮断(オフ)を行う。このため、時刻t1〜t2の期間ではMOSトランジスタTRがオンし、トランス2の1次巻線2−1に図6(B)に示すような1次電流Ipが流れる。
ここで、時刻t2〜t3の期間では、2次電流IsがダイオードD1に流れるため、2次巻線2−2の電圧Vs、出力電圧Vo、およびダイオードD1の順方向電圧Vfの関係は、Vs=Vo+Vfとなる。
この検出期間T1が開始されると、フィードバック信号生成部6は、図7(B)(C)に示すように、異なるタイミングで交互に発生する2つのサンプリングパルスPA、PBを使用し、3次巻線電圧Vtのサンプルホールド動作を交互に行う。
この検出期間T1の終了時の時刻t4には、図7(B)のサンプリングパルスPAでサンプルホールドされた電圧と、図7(C)のサンプリングパルスPBでサンプルホールドされた電圧とが存在する。
そこで、フィードバック信号生成部6は、そのサンプルホールドしている2つの電圧のうち、検出期間の終了時の時刻t4に最も近いサンプリングパルスPBの前のサンプリングパルスPAでサンプルホールドされた電圧を選択し、この選択したフィードバック信号Vfbとして出力する。
また、MOSトランジスタTRの寄生容量は入力電圧の大きさに依存するので、入力電圧の大きさに検出期間T1の終了のタイミングが依存する。このため入力電圧の違いにより3次巻線電圧Vtの共振周波数が変化し、ゼロクロスのタイミングが入力電圧に違いにより変化する。したがって、入力電圧の違いによりフィードバック信号生成部6から出力されるフィードバック信号Vfbの検出精度に違いが生じ、出力電圧生成部4の出力電圧Voが変化する。
そこで、本発明は、上記の課題に着目し、サンプリング周波数を高くでき、出力電圧の入力電圧に対する依存性を低減することができ、出力電圧の検出精度の向上および安定化を図るようにしたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
本発明は、1次巻線、2次巻線、および3次巻線を有するトランスと、前記1次巻線に接続される入力電圧およびスイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチングにより前記2次巻線に発生する電圧を整流、平滑化して出力する出力電圧生成部と、前記3次巻線に発生する電圧に基づいて前記出力電圧生成部の出力電圧を示す出力電圧検出信号を生成する出力電圧検出部と、少なくとも前記出力電圧検出部が出力する出力電圧検出信号を基に、前記出力電圧生成部の出力電圧が予め定めた電圧になるように前記スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部とを備え、前記出力電圧検出部は、前記3次巻線に発生する電圧を検出し、当該検出電圧を第1の基準値と比較し、前記検出電圧を微分した電圧を第2の基準値と比較し、前記2つの比較結果にしたがって検出期間の開始と終了を決定し、前記検出期間内において、第1のサンプリングパルスと第2のサンプリングパルスにより前記検出電圧をそれぞれサンプルホールドし、前記検出期間の終了時に、前記サンプルホールドされた2つの検出電圧のうち、一方の検出電圧を選択して出力する。
さらに、本発明では、前記出力電圧検出部は、前記第1のサンプリングパルスと前記第2のサンプリングパルスとを異なるタイミングで交互に発生する。
また、本発明では、前記出力電圧検出部は、前記サンプルホールドされた2つの検出電圧のうち、前記検出期間の終了時に最新ではない方の検出電圧を出力する。
さらに、本発明では、前記出力電圧検出部は、前記検出期間の終了後の一定期間は、前記検出電圧が前記第1の基準値以上であっても前記検出期間を開始しない。
さらに、出力電圧検出部は、検出期間内において、第1のサンプリングパルスと第2のサンプリングパルスにより上記の検出電圧をそれぞれサンプルホールドし、検出期間の終了時に、サンプルホールドされた2つの検出電圧のうち、一方の検出電圧を選択して出力する。
このため、本発明によれば、サンプリング周波数を高くでき、出力電圧の入力電圧に対する依存性を低減することかでき、出力電圧の検出精度の向上および安定化を図ることができる。
(実施形態の構成)
図1は、本発明のスイッチング電源装置の実施形態の構成を示す図である。
この実施形態に係るスイッチング電源装置は、図1に示すように、入力電圧生成部20と、トランス30と、出力電圧生成部40と、MOSトランジスタ50と、出力電圧検出部60と、スイッチング制御部70と、電源部80とを備えている。
ここで、出力電圧検出部60、スイッチング制御部70、および電源部80は、同一の半導体基板上に形成されている。
トランス30は、1次巻線30−1、2次巻線30−2、および3次巻線30−3を有している。トランス30の1次巻線30−1の一端には、入力電圧生成部20から出力される直流電圧が印加され、その1次巻線30−1の他端は、MOSトランジスタ50のドレインと接続される。
電源部80は、トランス30の3次巻線30−3に発生する交流電圧を整流、平滑する。この平滑化された電圧は、スイッチング制御部70の電源電圧VDDとして、スイッチング制御部70に供給される。このため、電源部80は、整流用のダイオードD4と平滑用のコンデンサC4とを備えている。なお、コンデンサC4を上記半導体基板には設けず、外付けとしてもよい。この場合、端子数削減のため、ダイオードD4も外付けにする場合もある。
次に、図1に示す出力電圧検出部60の具体的な構成について、図2を参照して説明する。
出力電圧検出部60は、図2に示すように、電圧検出回路601と、バッファ回路(ボルテージフォロワ)602と、比較回路(コンパレータ)603と、単安定マルチバイブレータ604と、微分回路605と、比較回路606と、単安定マルチバイブレータ607と、インバータ608と、AND回路609とを備えている。
さらに、出力電圧検出部60は、図2に示すように、SRラッチ回路(SRフリップフロップ回路)610と、パルス発生器611、612と、AND回路613、614と、サンプルホールド回路615、616と、選択回路617と、サンプルホールド回路618とを備えている。
比較回路603の非反転入力端子(+)は、バッファ回路602の出力端子と接続されている。比較回路603の反転入力端子(−)には、基準電圧Vref1が印加されている。比較回路603の出力端子は、単安定マルチバイブレータ604の一方の入力端子と接続されている。単安定マルチバイブレータ604の他方の入力端子は、接地されている。単安定マルチバイブレータ604のQ出力端子は、AND回路609の一方の入力端子に接続されている。
単安定マルチバイブレータ607の他方の入力端子は、接地されている。単安定マルチバイブレータ607のQ出力端子は、インバータ608を介してAND回路609の他方の入力端子に接続されるとともに、SRラッチ回路610のリセット入力端子(R)に接続されている。AND回路609の出力端子は、SRラッチ回路610のセット入力端子(S)に接続されている。
サンプルホールド回路618は、選択回路617で選択された電圧を次の新たな電圧が選択されるまで保持するとともに、その選択された電圧を出力電圧検出信号Vosとしてスイッチング制御部70に出力する。
次に、このような構成からなる実施形態の動作例について、図1〜図4を参照して説明する。
スイッチング制御部70は、MOSトランジスタ50のゲートに対して、図3(A)で示すようなゲート信号Vgを制御信号として出力する。ここでは、ゲート信号VgがH(ハイ)レベルのときにMOSトランジスタ50がオンするものとする。このゲート信号Vgにより、MOSトランジスタ50は、トランス30の1次巻線30−1に入力される直流電圧をスイッチングする。このため、時刻t1〜t2の期間ではMOSトランジスタ50がオンし、トランス30の1次巻線30−1に図3(B)に示すような1次電流Ipが流れる。
このため、トランス30の3次巻線電圧Vtを電圧検出回路601で分圧した分圧電圧Vdは、図3(D)に示すように、時刻t2において急激に増加するが、その後、分圧電圧Vdは時刻t4にかけて単調に減少していく。
トランス30の3次巻線電圧Vtは電圧検出回路601で分圧され、この分圧電圧Vdはバッファ回路602を介して比較回路603とサンプルホールド回路615、616にそれぞれ印加される。また、その分圧電圧Vdは、微分回路605にも供給される。
したがって、検出期間T2には、サンプルホールド回路615はサンプリングパルスPAにより電圧検出回路601の分圧電圧Vdをサンプルホールドする。また、検出期間T2には、サンプルホールド回路616はサンプリングパルスPBにより電圧検出回路601の分圧電圧Vdをサンプルホールドする。
上記のように時刻t4において、図4(A)に示すように、電圧検出回路601の分圧電圧Vdが振動を開始し、分圧電圧Vdが減少を開始すると、微分回路605の出力電圧は例えば図4(D)に示すように増加を開始する。なお、分圧電圧Vdの微分値自体は負であるが、前述のように微分回路605は微分値の正負を反転させるので、図4(D)に示す微分回路605の出力電圧は正値となっている。そして、時刻t5において、微分回路605の出力電圧が基準電圧Vref2以上になると、比較回路606の出力信号がHレベルに変化する。
選択回路617は、検出期間T2の終了時(時刻t5)において、サンプルホールド回路615、616で保持されている2つの電圧のうち、その時刻t5に近くない時刻に保持され、最新ではない方の保持電圧を出力する。
スイッチング制御部70は、サンプルホールド回路618から出力される出力電圧検出信号Vosと、検出抵抗RDの両端電圧Vrd(MOSトランジスタ50に流れる電流に比例する)とに基づき、ゲート信号Vgを生成する。このゲート信号Vgは、出力電圧生成部40の出力電圧Voが予め定めた電圧になるように、MOSトランジスタ50のオンオフ動作を制御するためのものであり、MOSトランジスタ50のゲートに供給される。
このため、この実施形態では、図4(B)に示すように、サンプリングパルスPAによりサンプルホールドした電圧を選択できる。そして、この選択した電圧は、振動を開始する時刻t4直前のものであって、ダイオードD3に流れる電流による誤差を極力小さくした電圧のため、出力電圧Voを正確に反映させたものとなる。
また、上述の実施の形態においては、分圧電圧Vdに対するサンプルホールド回路を2つとしたが、3つ以上としてもよい。その場合、パルス発生回路も同数用意して、それぞれ位相のずれたサンプルパルスを発生させるようにする。3つ以上のサンプルホールドデータについては以下のような使い方が考えられる。
Claims (7)
- 1次巻線、2次巻線、および3次巻線を有するトランスと、
前記1次巻線に接続される入力電圧およびスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のスイッチングにより前記2次巻線に発生する電圧を整流、平滑化して出力する出力電圧生成部と、
前記3次巻線に発生する電圧に基づいて前記出力電圧生成部の出力電圧を示す出力電圧検出信号を生成する出力電圧検出部と、
少なくとも前記出力電圧検出部が出力する出力電圧検出信号を基に、前記出力電圧生成部の出力電圧が予め定めた電圧になるように前記スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部とを備え、
前記出力電圧検出部は、
前記3次巻線に発生する電圧を検出し、当該検出電圧を第1の基準値と比較し、前記検出電圧を微分した電圧を第2の基準値と比較し、前記2つの比較結果にしたがって検出期間の開始と終了を決定し、
前記検出期間内において、第1のサンプリングパルスと第2のサンプリングパルスにより前記検出電圧をそれぞれサンプルホールドし、
前記検出期間の終了時に、前記サンプルホールドされた2つの検出電圧のうち、一方の検出電圧を選択して出力することを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記出力電圧検出部は、
当該検出電圧が前記第1の基準値以上のタイミングで前記検出期間の開始を決定し、
前記検出電圧を微分し、当該微分値が負でその絶対値が前記第2の基準値以上となるタイミングで前記検出期間の終了を決定することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記出力電圧検出部は、
前記第1のサンプリングパルスと前記第2のサンプリングパルスとを異なるタイミングで交互に発生することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスイッチング電源装置。 - 前記出力電圧検出部は、
前記サンプルホールドされた2つの検出電圧のうち、前記検出期間の終了時に最新ではない方の検出電圧を出力することを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちの何れか1項に記載のスイッチング電源装置。 - 前記出力電圧検出部は、
前記検出期間の終了後の一定期間は、前記検出電圧が前記第1の基準値以上であっても前記検出期間を開始しないことを特徴とする請求項1乃至請求項4のうちの何れか1項に記載のスイッチング電源装置。 - 前記出力電圧検出部は、
前記3次巻線に発生する電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の検出電圧を微分する微分回路と、
前記電圧検出回路の検出電圧を前記第1の基準値と比較し、前記検出電圧が前記第1の基準値以上の場合に開始され、前記微分回路の出力電圧を前記第2の基準値と比較し、前記出力電圧が負でのその絶対値が前記第2の基準値以上の場合に終了する検出期間信号を生成して出力する検出期間信号生成部回路と、
検出期間信号生成回路から検出期間信号が出力されている期間内に、第1のサンプリングパルスにより前記電圧検出回路の検出電圧を第1の検出電圧としてサンプルホールドする第1のサンプルホールド回路と、前記第2のサンプリングパルスにより前記電圧検出回路の検出電圧を第2の検出電圧としてサンプルホールドする第2のサンプルホールド回路と、
前記サンプルホールドされた前記第1の検出電圧および前記第2の検出電圧のうちの一方を選択して出力する選択回路と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記出力電圧検出部と前記制御部は、同一の半導体基板上に形成したことを特徴とする請求項1乃至請求項6のうちの何れか1項に記載のスイッチング電源装置。
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