JP2013502195A - 低電力スイッチモード電源 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低電力スイッチモード電源を操作する装置及び方法であって、主に直流入力電力が発振器によって交流電力に変換され、交流電力は交流電圧及び交流電流に変換され、出力電力が直流電力に変換され、出力直流電圧が、発振器を制御するためのフィードバック信号として用いられる装置及び方法に関する。
【解決手段】発振器は、第１の電流ループ及び第２の電流ループを備え、第１の電流ループは、第２の電流ループに対する起動電流を生成し、変圧器の１次コイルは、第２の電流ループの一部であり、第２のループは、電流／電圧測定システムを備え、第２の電流ループを流れる電流を増大させ、第２の電流ループを流れる電流を閉じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主発振回路を備える低電力スイッチモード電源であって、主発振回路は、直流電源に接続され、主発振回路は、変圧器の第１の一次コイルに接続され、変圧器は、少なくとも第１の二次コイルを備え、二次コイルは、整流器を通じて出力回路に接続され、出力回路は、少なくとも主に直流出力電圧を形成する第１のコンデンサを備え、低電力スイッチモード電源は、フィードバック回路を更に備え、フィードバック回路は、主スイッチング回路の制御のために実出力電圧を用いる低電力スイッチモード電源に関する。

また、本発明は、低電力スイッチモード電源を操作する方法であって、主に直流入力電力が発振器によって交流電力に変換され、交流電力は交流電圧及び交流電流に変換され、出力電力が直流電力に変換され、出力直流電圧が、発振器を制御するためのフィードバック信号として用いられる方法に関する。

欧州特許出願第１７９８８４５号は、交流入力電圧が入力部に入力されるＡＣ／ＤＣコンバータと、複数の出力ブロックに結合された、Ｖａｃ３電圧を出力部から出力するＤＣ／ＡＣコンバータ及び変圧器と、を有する多出力スイッチモード電源に関する。各出力ブロックは、スイッチ、フィルタ及びコントローラから構成される。各出力ブロックのスイッチは、Ｖａｃ３電圧に接続した入力部を有し、オンであるときには整流されたスイッチ出力電圧を出力部から出力し、オフであるときには高インピーダンスを提供する。また、各出力ブロックのフィルタは、対応するスイッチの出力部に結合した入力部を有し、平滑化された出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔｎを出力部から出力し、それに対し、出力電圧に接続した第１の入力部、基準電圧に接続した第２の入力部及びＶａｃ３電圧に接続した第３の入力部を有するコントローラは、スイッチ制御信号を出力部から対応するスイッチに供給する。対応するスイッチをオンにするスイッチ制御信号は、出力電圧が基準電圧より下に降下するとともにＶａｃ３電圧がゼロであるときに生成され、対応するスイッチをオフにするスイッチ制御信号は、出力電圧が基準電圧より上に増大するときに生成される。

本発明の目的は、電力消費装置の待機電力の消費を減少することである。本発明の他の目的は、地球環境を保護するために待機電力の消費を減少することである。

本発明の目的を、フィードバック回路は、オプトカプラを備え、オプトカプラの入力ＬＥＤは、電流及び電圧制限回路を通じて出力電圧に接続され、低電力スイッチモード電源は、分圧器の形態の第１の電流ループを備え、分圧器は、少なくとも一つの大きい抵抗(large resistor)を通じて直流電源に接続され、大きい抵抗は、第１のトランジスタのベースに接続され、分圧器は、第２のトランジスタのコレクタに接続され、第２のトランジスタのエミッタは接地され、低電力スイッチモード電源は、変圧器の一次コイルの形態の第２の電流ループを更に備え、一次コイルの第１の端部は、直流電源に接続され、一次コイルの第２の端部は、第１のトランジスタのコレクタ／エミッタに接続され、第２の電流ループは、抵抗を更に備え、抵抗は接地され、第１のトランジスタのベースは、オプトカプラのトランジスタ出力部に更に接続された場合の請求項１の前文によって実現することができる。

これによって、発振器を、回路の二次側の出力電圧に依存する、オプトカプラに対するフィードバック信号によって制御することができる。出力部の要求に応じて発振器を制御することによって、発振の回数を１回のみの発振に制限することができ、比較的長い期間の動作がなくなる。電力がスイッチモード変圧器の二次側で用いられない場合、多分１秒ごとに１回のみの発振が行われる。任意の要求がある場合、更に多くの発振が生じ、発振器が連続的に動作する場合には比較的高い電力が要求されることがある。実出力電圧に基づいて発振を制御することによって、測定することが不可能に近いこのスイッチモード電源の待機電力の消費を知る(read)ことができる。

発振器は、発振を１回行う度に発振が自動的に停止するように動作する。発振を要求に応じて開始するので、変圧器を流れる電流が所定のレベルに到達したときに１回の発振が自動的に停止する。これによって、発振器を流れる電流は、起動時に実際に流れる電流において著しく制限されるだけでなく、１回の起動の間の長期間に亘って著しく制限される。スイッチモード電源を、入力側と出力側の間でガルバーニ絶縁(galvanic isolation)が存在するように設計することができる。このようにして、スイッチモード電源に対する入力を、約１１０〜２３０Ｖの交流電圧のＡＣグリッドに対する通常の接続とすることができる。変圧器が電力伝送のために用いられ、フィードバックがオプトカプラによって行われるので、ガルバーニ絶縁を実現することができる。

発明の好適な実施の形態において、変圧器は、第２の一次コイルを備え、第２の一次コイルの第１の端部は接地され、第２の一次コイルの第２の端部は、第１の電流ループの分圧器に接続される。第２の二次コイルを用いることによって、比較的制限された電流による起動を開始することができ、このように制限された電流により第２の一次コイルに弱電流パルスを生成し、トランジスタの起動電流を増大させるためにこのパルスのエネルギーを使用し、その後、電流をハイレベルまで上げることができる。回路は、電流が所定のレベルまで増大するとすぐに回路を閉じるように構成される。また、第２の一次コイルを用いることによって、電流が一次コイルに流れる期間を減少させる。これによって、一次側に要求される電力を更に減少させることができる。

好適には、スタンバイ状態における発振器の単一のスイッチングシーケンスは、１秒に１回の割合で実行される。これによって、１秒に１回しか電力が消費されず、休眠期間において、電流は非常に大きい抵抗を介して流れる。したがって、発振器の休眠期間の電力は、数ｍＷまで低くなる。短いスイッチング期間においてのみ電力の消費が大きくなる。したがって、スタンバイ状態の電力消費を、１０ｍＷ未満まで減少させることができる。多くの電子装置は、１Ｗより上の待機電力を消費する。

低電力リレーユニットが低電力パワースイッチ電源から動作用電力を受信し、低電力リレーユニットは、バイステーブルリレーを備え、バイステーブルリレーは、制御回路に接続したコイルを有し、制御回路は、第１の電流ループ及び第２の電流ループを備え、第１の電流ループ及び第２の電流ループはそれぞれ、電子ブリッジを形成する二つの電子スイッチを備え、リレーユニットのコイルは、電子ブリッジの電子スイッチ間に接続され、少なくとも一つの電子スイッチがプロセッサに接続され、プロセッサは、電子スイッチに対する起動パルスを生成し、プロセッサは、入力装置にも接続される。これによって、非常に小さい電力要求でバイステーブルリレーを二つの安定状態間で切り替えることができる。バイステーブルリレーを、あらゆる電気装置又は電子装置の電源スイッチの一部とすることができる。リレーユニットは、数Ａ以下の電流及び２３０Ｖ以下の電圧を有する通常の電気ネット接続(normal electric net connections)によって用いることができるスイッチを有することができる。このユニットを著しく大きい電力要求の下で用いる必要がある場合、スイッチング用のリレー、例えば、電子装置又は電気装置に対する三相接続を更に用いることができる。スイッチモード電源及びリレーユニットを組み合わせることによって、全ての種類の電気装置及び電子装置において著しく低い待機電力を可能にする。現代、ほとんど全ての種類の電気装置及び電子装置は、グリッドに接続され、典型的には数Ｗの値の待機電力を消費する。本発明を複数の方法で用いることができるが、本発明の使用の方法の一つは、本発明を電源の一部として電子装置又は電気装置に組み入れることである。本発明の別のあり得る使用は、電子装置に接続することができるソケット列の電力供給用のスイッチモード電源及びリレーユニットの使用である。これら全ての装置は、即時に電源を入れることができ、実際には、リレーユニットを、通常の赤外通信装置がリレーユニットをオンにするようにプログラムする(code)ことができる。

上述した低電力スイッチモード電源の使用において、低電力スイッチモード電源は、リレーユニットに給電するのに用いられ、リレーユニットは、バイステーブルリレーの位置を制御し、リレーユニットは、入力信号に基づいてバイステーブルリレーの位置を変更する。スイッチモード電源をリレーユニットとともに使用すると、リレーがバイステーブルであるために待機状態においてリレーユニットが電力をほとんど消費しない。入力装置を起動するために小型のプロセッサのみが動作する。この回路の電力消費を著しく低くすることができる。電力消費が低下することによって、スイッチモード電源の発振器は、場合によっては１秒に１回しかスイッチング動作を行わない。したがって、待機状態における供給電力が非常に低いので、実際の電力要求は数ｍＷまで減少する。この電源の使用及びリレーに入力を送信することによるリレーユニットの起動によって、非常に短い期間しか電力要求が増大しない。その理由は、リレーユニットが逆の状態に切り替わるとすぐに電力消費が非常に低い状態に再び戻るからである。リレーのスイッチングが行われるときの非常に短い期間中にのみ、電源の発振器の多少の(more or less)連続的なスイッチングがある。この連続的な発振は、数ミリ秒の間しか生じない。したがって、所定の期間に亘る電力消費は、非常に小さく、測定するのが困難である。

リレーユニットは、通信装置から入力信号を受信することができる。通信装置を、例えば、テレビジョンを制御するのに用いられる赤外通信装置とすることができる。通信装置を、赤外通信装置に対する複数の異なる入力コマンドによって装置の電源をオンにするように設計することができる。本発明を用いることによる不都合の一つは、最初に電源をオンにした後にテレビジョンをオンにする前に更に一つのコマンドを付与する必要があることである。

低電力スイッチモード電源及びリレーユニットを、電力消費装置の電源の一部とすることができる。これによって、例えば洗濯機又は食洗機の待機電力を非常に低いレベルまで低減することができる。また、多くのコンピュータ装置において、コンピュータシステムが待機状態にあるときに電力消費が比較的多くなる。本発明の使用により、このような待機状態における電力消費をゼロに近い電力消費まで低減することができる。

本発明の目的を、発振器は、第１の電流ループ及び第２の電流ループを備え、第１の電流ループは、第２の電流ループに対する起動電流を生成し、変圧器の１次コイルは、第２の電流ループの一部であり、第２の電流ループは、電流／電圧測定システムを備え、第２の電流ループを流れる電流を増大させ、第２の電流ループを流れる電流を閉じる場合の請求項８の前文によって実現することができる。

これによって、信号がオプトカプラから分配されない場合に第１の電流ループが第２の電流ループを開状態にするための制御信号を生成することができる。このようにして、発振器は自動的に始動することができる。その理由は、入力信号が生じない場合には第１の電流ループの電流が自動的に第２の電流ループのトランジスタを開状態にするからである。これによって、第２の電流ループ中に電流を作り上げる(built up)が、第１の電流ループのトランジスタのベースに接続した直列抵抗が存在し、抵抗が第２の電流ループのトランジスタのベースに接続した第１の電流ループのトランジスタのコレクタ電圧を増大させる間に電流を増大し、これによって、トランジスタが閉状態になる。これによって、非常に短いパルスが生成される。しかしながら、この短いパルスは、変圧器に送信され、電解コンデンサの上にあるダイオードに流れる電流を形成し、出力直流が生成される。これによって、小さい電力消費に対して非常に有効なスイッチモード電源を実現する。

スイッチモード電源のあり得る実施の形態を示す。 リレーユニットのあり得る実施の形態を示す。 図１及び図２の組合せを示す。

図１は、スイッチモード電源のあり得る実施の形態を示す。２０〜２３０Ｖの電圧を有するＡＣ入力は、先ず、ヒューズＦ及び抵抗Ｒ２を通じてダイオードブリッジの入力端子の一つに送信される。他の入力ラインは、抵抗Ｒを通じてダイオードブリッジの他方の側に接続される。ダイオードブリッジの出力部は、一端で負電圧を形成し、他端で正電圧を形成する。コンデンサＣ１は、主に直流電圧を形成する回路の正の部分と負の部分との間に接続される。正端子を発端として、第１の電流ループ１は、比較的大きい抵抗Ｒ３及びＲ４によって形成される。さらに第１の電流ループ１は、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ５を有する。第１の電流ループ１は、トランジスタＱ２のコレクタにも接続され、この場合、エミッタは、負の電力端子に接続される。正の端子を発端とする第２の電流ループ２は、変圧器の一次側に接続され、この一次側のコイルの反対側は、トランジスタＱ１のコレクタに接続される。トランジスタＱ１のエミッタは、抵抗Ｒ６を通じて負の端子に接続される。トランジスタＱ１のベースは、抵抗Ｒ５及びトランジスタＱ２のコレクタに接続される。さらに、トランジスタＱ２のベースは、トランジスタＱ１のエミッタ及び抵抗Ｒ６に接続される。変圧器の２次側は、ダイオードＤ２を通じてコンデンサＣ３に接続される。さらに、ダイオードＤ２は、抵抗Ｒ６を通じて、オプトカプラＩＳＯ１の送信部に対するツェナーダイオードＺ１に接続される。フォトトランジスタであるオプトカプラの受信部は、負電圧に接続したエミッタと、トランジスタＱ２のコレクタと抵抗Ｒ５との間で第１の電流ループに接続したコレクタと、を有し、抵抗Ｒ５は、トランジスタＱ１のベースに対する接続部でもある。出力部は、電圧を例えば６Ｖまで低減するよう電力調整を行うことができる調整部Ｕ１にも接続される。

動作中、ダイオードブリッジの正側に連続的な直流電圧が存在する。したがって、電流が、第１の電流ループを通じて抵抗Ｒ３，Ｒ４、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ５に流れる。おそらく、トランジスタＱ２は閉状態である。したがって、トランジスタＱ１に対するベース電流が生成される。しかしながら、電流がオプトカプラに流れるためにオプトカプラが動作状態である場合、トランジスタＱ１に対するベース電流は生成されない。オプトカプラがもはや動作しなくなるとすぐに、トランジスタＱ１に対するベース電流が生成され、トランジスタＱ１は開状態となり、電流が第２の電流ループに流れる。変圧器の一次側は、一端が負の端子に接続するとともに他端がコンデンサＣ２を通じて第２の電流ループに接続したコイル４，５を更に有する。これによって、トランジスタＱ１が、第２の電流ループを流れる電流に対して開状態となった場合、トランジスタＱ１を開状態にするための電流を更に生成することができる。これによって、変圧器を流れる電流の２段階の生成を行うことができる。電流が変圧器の一次側及びトランジスタＱ１を流れ始めるとすぐに、抵抗Ｒ６の両端間の電圧が増大し、これによってトランジスタＱ２に対するベース電流が生成され、トランジスタＱ２が開状態となる。トランジスタＱ２が開状態になると、トランジスタＱ１にベース電流が流れなくなり、トランジスタＱ１が閉状態になる。これによって、抵抗Ｒ６を流れる電流が減少し、トランジスタＱ２のベース電流が減少し、トランジスタＱ２が導通しなくなる。そのようなスイッチングは、１回の発振後に停止する。次の発振は、低出力電圧の状態においてのみ開始する。出力電圧がツェナーダイオードＺ１及びオプトカプラＩＳ０１の発光ダイオードに十分な電流を流すことができる限り、オプトカプラＩＳ０１のトランジスタを導通状態にする。これによって、トランジスタＱ１のベース電流は減少し、トランジスタＱ１は、オプトカプラＩＳ０１を流れる電流を停止する前に導通を開始することができない。

これによって、非常に有効なスイッチモード電源を実現する。

図２は、図１に示すスイッチモード電源に接続することができるリレー回路を示す。リレー回路は、四つのトランジスタがレッグ(legs)を形成する電子スイッチングブリッジを備え、電子スイッチングブリッジの中点は、バイステーブルリレーＬＳ１リレーコイルの各側に接続される。電子スイッチングブリッジの第１のレッグは、二つのトランジスタＱ１１及びトランジスタＱ９によって形成される。トランジスタＱ１１のベースは、抵抗Ｒ１０を通じて正の電源に接続されるとともに抵抗Ｒ１１を通じてリレーコイルの一方の側に接続される。電子スイッチングブリッジの他のレッグは、二つのトランジスタＱ１２及びトランジスタＱ１０によって形成される。さらに、トランジスタＱ１２のベースは、抵抗Ｒ１２を通じて正の電源に接続されるとともに抵抗Ｒ１３を通じてリレーコイルの他方の側に接続される。トランジスタＱ９とトランジスタＱ１０の両方は、接地されたエミッタを有する。電子スイッチングブリッジの中点は、電子スイッチングブリッジの両側からのコレクタ接続でもある。これらの中点は、リレーコイルの各側に接続される。リレーコイルは、抵抗Ｒ１１を通じてトランジスタＱ１１のベースに接続されるとともに抵抗Ｒ１３を通じてトランジスタＱ１２のベースに接続される。トランジスタＱ９のベースは、抵抗Ｒ１４を通じてプロセッサＩＣ１に接続され、トランジスタＱ１０のベースは、抵抗Ｒ１５を通じてプロセッサＩＣ１に接続される。このプロセッサＩＣ１は、メモリＩＣ２にも接続される。プロセッサＩＣ１は、内部でクロック周波数を生成する水晶Ｙ１にも接続される。プロセッサＩＣ１は、任意の種類の入力手段に接続するためのケーブル又は他の通信手段とすることができる入力装置に接続した入力ラインを有する。

図３は、図１及び図２の組合せを示す。

Claims (8)

1. 主発振回路を備える低電力スイッチモード電源であって、前記主発振回路は、直流電源に接続され、前記主発振回路は、変圧器の第１の一次コイルに接続され、前記変圧器は、少なくとも第１の二次コイルを備え、前記二次コイルは、整流器を通じて出力回路に接続され、前記出力回路は、少なくとも主に直流出力電圧を形成する第１のコンデンサを備え、前記低電力スイッチモード電源は、フィードバック回路を更に備え、前記フィードバック回路は、主スイッチング回路の制御のために実出力電圧を用いる低電力スイッチモード電源において、前記フィードバック回路は、オプトカプラを備え、前記オプトカプラの入力ＬＥＤは、電流及び電圧制限回路を通じて前記出力電圧に接続され、前記低電力スイッチモード電源は、分圧器の形態の第１の電流ループを備え、前記分圧器は、少なくとも一つの大きい抵抗（Ｒ３，Ｒ４）を通じて前記直流電源に接続され、前記大きい抵抗（Ｒ３，Ｒ４）は、第１のトランジスタ（Ｑ１）のベースに接続され、前記分圧器は、第２のトランジスタ（Ｑ２）のコレクタに接続され、前記第２のトランジスタ（Ｑ２）のエミッタは接地され、前記低電力スイッチモード電源は、前記変圧器の前記一次コイルの形態の第２の電流ループを更に備え、前記一次コイルの第１の端部は、前記直流電源に接続され、前記一次コイルの第２の端部は、前記第１のトランジスタ（Ｑ１）のコレクタ／エミッタに接続され、前記第２の電流ループは、抵抗（Ｒ６）を更に備え、前記抵抗（Ｒ６）は接地され、前記第１のトランジスタ（Ｑ１）のベースは、前記オプトカプラのトランジスタ出力部に更に接続されたことを特徴とする低電力スイッチモード電源。
2. 前記変圧器は、第２の一次コイルを備え、前記第２の一次コイルの第１の端部は接地され、前記第２の一次コイルの第２の端部は、前記第１の電流ループの分圧器に接続されることを特徴とする請求項１に記載の低電力スイッチモード電源。
3. スタンバイ状態における発振器の単一のスイッチングシーケンスは、１秒に１回の割合で実行されることを特徴とする請求項１と請求項２の一方に記載の低電力スイッチモード電源。
4. 低電力リレーユニットが前記低電力パワースイッチ電源から動作用電力を受信し、前記低電力リレーユニットは、バイステーブルリレーを備え、前記バイステーブルリレーは、制御回路に接続したコイルを有し、前記制御回路は、第１の電流ループ及び第２の電流ループを備え、前記第１の電流ループ及び前記第２の電流ループはそれぞれ、電子ブリッジを形成する二つの電子スイッチを備え、前記リレーユニットのコイルは、前記電子ブリッジの前記電子スイッチ間に接続され、少なくとも一つの前記電子スイッチがプロセッサに接続され、前記プロセッサは、前記電子スイッチに対する起動パルスを生成し、前記プロセッサは、入力装置にも接続されることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載された低電力スイッチモード電源の使用。
5. 前記低電力スイッチモード電源は、リレーユニットに給電するのに用いられ、前記リレーユニットは、バイステーブルリレーの位置を制御し、前記リレーユニットは、入力信号に基づいて前記バイステーブルリレーの位置を変更することを特徴とする請求項４に記載の低電力スイッチモード電源の使用。
6. 前記リレーユニットは、通信装置から入力信号を受信することを特徴とする請求項５に記載の低電力スイッチモード電源の使用。
7. 前記低電力スイッチモード電源及び前記リレーユニットは、電力消費装置の電源の一部である請求項４から６のうちのいずれか１項に記載の低電力スイッチモード電源の使用。
8. 低電力スイッチモード電源を操作する方法であって、主に直流入力電力が発振器によって交流電力に変換され、交流電力は交流電圧及び交流電流に変換され、出力電力が直流電力に変換され、出力直流電圧が、前記発振器を制御するためのフィードバック信号として用いられる方法において、前記発振器は、第１の電流ループ及び第２の電流ループを備え、前記第１の電流ループは、前記第２の電流ループに対する起動電流を生成し、変圧器の１次コイルは、前記第２の電流ループの一部であり、前記第２の電流ループは、電流／電圧測定システムを備え、前記第２の電流ループを流れる電流を増大させ、前記第２の電流ループを流れる電流を閉じることを特徴とする方法。

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