JP2015012622A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により発振トランスの共振を抑えることが可能な電源装置を提供する。【解決手段】本発明に係る電源装置は、スイッチング素子ＩＣ１と、発振トランス７と、発振トランス７の２次側端子間に接続された整流回路とを有する。また、発振トランス７の２次側端子間に抵抗性素子Ｒ３を含んだ発振トランス共振低減回路８を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関するものであり、特にスイッチング素子と発振トランスとを有するスイッチング電源装置に関するものである。

従来、スイッチング電源装置における雑音端子電圧の低減方法として、Ｘコンデンサ、Ｙコンデンサ、コモンモードフィルタ、ノーマルモードフィルタ等を用いた対策部品を用いる方法が実用化されている。

また、雑音端子電圧の周波数を移動することでノイズ規制規格を満足する方法が提案されている。

上記に関連する従来技術としては、発振トランスの２次側端子間にコンデンサや容量性素子を接続する技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１１−７２１０７号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、共振周波数を低周波側に移動させることはできるが、雑音端子電圧を低減するには至っておらず、上記のような雑音対策部品が必要となる。そして、雑音の周波数が低周波に移動する分、雑音対策部品の大型化を招くという問題がある。

本発明は上述した問題に鑑み、簡易な構成により発振トランスの共振を抑えることが可能な電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、スイッチング素子と、発振トランスと、前記発振トランスの２次側端子間に接続された整流回路とを備え、前記発振トランスの２次側端子間に抵抗性素子を含んだ発振トランス共振低減回路を有する構成とされている。

なお、上記構成の電源装置は、前記発振トランス共振低減回路が、前記発振トランスの２次側端子間において前記抵抗性素子と直列に接続されたコンデンサを有する構成にするとよい。

なお、上記構成の電源装置は、前記抵抗性素子が、温度の上昇に応じて抵抗値が増加するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタおよび溶断特性をもった電流ヒューズの少なくとも１つを含む構成にするとよい。

本発明によれば、簡易な構成により発振トランスの共振を抑え、雑音端子電圧を低減できる。

本発明の発振トランス共振低減回路を有するスイッチング電源装置の回路図。 従来のスイッチング電源装置の回路図。 本発明回路での発振トランスに発生する共振波形図。 本発明回路での発振トランスに発生する共振波形図。 本発明回路での発振トランスに発生する共振波形図。 本発明回路での雑音端子電圧波形。 本発明回路での雑音端子電圧波形。 本発明回路での雑音端子電圧波形。 従来回路での発振トランスに発生する共振波形図。 従来回路での発振トランスに発生する共振波形図。 従来回路での発振トランスに発生する共振波形図。 従来回路での雑音端子電圧波形。 従来回路での雑音端子電圧波形。 従来回路での雑音端子電圧波形。

以下では、絶縁型降圧スイッチング電源装置に本発明を適用した構成を例に挙げて、詳細な説明を行う。なお本発明は、発振トランスの共振を抑えるために発振トランスの２次側端子間に抵抗性の負荷を接続して共振エネルギーを熱エネルギーに変換することで、発振トランスの反射電圧を抑え、発振トランスの共振を抑えることを特徴とする。

＜第１実施形態＞
ここで、本発明の第１実施形態について、図１及び図２の図面を用いて説明する。図１は、本発明を適応した絶縁型降圧スイッチング電源装置の回路を示す回路図である。図２は、本発明を適応する前の絶縁型降圧スイッチング電源装置の回路（以下、「従来回路」という）を示す回路図である。

図１と図２との差異は、図１に示す発振トランス共振低減回路８の有無にある。その他の同一の構成要素については、図１及び図２において同一の符号を付与している。なお、図１における破線は、本発明の構成要素の一部を抽出して説明するためのものである。また図２における破線は、絶縁型降圧スイッチング電源装置の構成要素を機能単位で示したものである。

まず、本発明と従来技術との差異を明確にするために、従来回路の構成について、図２を用いつつ説明する。図２に示したように、従来の絶縁型降圧スイッチング電源装置は、雑音端子電圧低減回路１０、１次側整流回路２０、ＲＣＤスナバ回路３０、発振回路４０、フィードバック回路５０、及び制御用電源回路６０を有して成る。

商用交流電源に接続されるコネクタＥ１は、ヒューズＦｓ、及びサージ保護素子ＶＲＳ１、ＶＲＳ２を介して、雑音端子電圧低減回路１０の入力側に接続されている。雑音端子電圧低減回路１０は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ８、Ｃ９と、コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と、で構成されている。雑音端子電圧低減回路１０の出力側には、１次側整流回路２０が接続されている。

１次側整流回路２０は、ダイオードブリッジＤＢ１と、コンデンサＣ１０とで構成されている。１次側整流回路２０の出力側には、ＲＣＤスナバ回路３０、及び発振回路４０が接続されている。

ＲＣＤスナバ回路３０は抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ７と、ダイオードＤ２とで構成されている。ＲＣＤスナバ回路３０は、発振回路４０に含まれるトランスＴ１の１次側端子間に接続されている。

発振回路４０は、発振トランスＴ１と、スイッチング素子ＩＣ１と、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ５とで構成されている。発振トランスＴ１の２次巻線には、フィードバック回路５０が接続されている。また、スイッチング素子ＩＣ１には、フィードバック回路５０に含まれるフォトカプラＰＣ１の出力が接続されている。

フィードバック回路５０は、ダイオードＤ３とコンデンサＣ１２とからなる２次側整流回路と、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４と、コンデンサＣ２０と、可変シャントレギュレータＩＣ２と、フォトカプラＰＣ１とで構成されるフィードバック部とを有している。２次側整流回路の出力には、制御用電源回路６０が接続されている。

制御用電源回路６０は、三端子レギュレータＩＣ３と、コンデンサＣ１３、Ｃ２２、Ｃ２３とで構成されている。

次に、回路の動作について説明する。発振トランスＴ１の２次側端子には、半波整流用のダイオードＤ３を介して、平滑用のコンデンサＣ１２が接続されている。従って発振トランスＴ１の２次側端子出力は、ダイオードＤ３と、コンデンサＣ１２とからなる２次側整流回路によって、低電圧の直流電圧となる。

発振トランスＴ１の２次側端子の一方とコンデンサＣ１２の負極とは、グランドＧＮＤに接続されている。また、１次側整流回路２０のダイオードブリッジＤＢ１の直流出力端子の負極が、コンデンサＣ８、Ｃ９の直列回路を介して、この接続点に接続されている。

コンデンサＣ８、Ｃ９は小容量のコンデンサであり、後述するＹコンデンサ２ｂとして用いられる。上記の構成により、ダイオードブリッジＤＢ１の直流出力端子の負極は交流的に接地されていることになり、コモンモードノイズを低減できる。

発振回路４０に含まれるスイッチング素子ＩＣ１によって、１次側整流回路２０の出力がスイッチングされて発振トランスＴ１の１次側端子に印加される。そして、発振トランスＴ１の相互誘導によって２次側端子には低電圧の交流電圧が発生する。２次側端子に発生した交流電圧は、２次側整流回路によって低電圧の直流電圧となる。

なお、スイッチング素子ＩＣ１がオフされると、発振トランスＴ１の１次側端子間には逆起電力によるサージ電圧が発生する。このサージ電圧により、ＲＣＤスナバ回路３０に含まれるダイオードＤ２が導通し、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ７とにサージ電圧が吸収される。

低電圧の直流電圧（コンデンサＣ１２の電圧）の電圧は、出力電圧Ｖ１となって制御電源回路部６０に入力される。また、三端子レギュレータＩＣ３により電圧を安定化され、コンデンサＣ１３、Ｃ２３の並列回路に充電されて、出力電圧Ｖ２となる。なおコンデンサＣ２２、Ｃ２３は高周波バイパス用の小容量のコンデンサ、コンデンサＣ１３は電圧安定化のための平滑コンデンサである。

コンデンサＣ１２の電圧は、抵抗Ｒ１３、Ｒ１４と、可変シャントレギュレータＩＣ２とによって所定電圧を生成してフォトカプラＰＣ１の発光素子の一方に入力されるとともに、抵抗Ｒ１０を介してフォトカプラＰＣ１の発光素子の他方に入力される。したがってフォトカプラＰＣ１の発光素子の光信号強度は、コンデンサＣ１２の電圧と所定電圧との差分に比例することになる。

コンデンサＣ１２の電圧が所定電圧よりも大きくなると、その差分に比例して、フォトカプラＰＣ１の発光素子の光信号強度が増加する。これに応じて、フォトカプラＰＣ１の受光素子の抵抗値は下がる。この抵抗値に応じてスイッチング素子ＩＣ１のスイッチングを可変制御することにより、コンデンサＣ１２の電圧を一定化するよう、フィードバック制御を行う。

以上に説明した従来回路における発振トランスＴ１の２次側端子出力波形を示したのが図９〜図１１である。図９は軽負荷時、図１０は定常負荷時、図１１は最大負荷時における波形を示している。

図９〜図１１に示すように、２次側整流回路のダイオードＤ３が逆電圧となって遮断した際に発振トランスＴ１の共振が発生し、徐々に共振波形が減衰していく。この共振波形が雑音端子電圧の一因となる。

なお、図１１に示す最大負荷時では共振波形が見られないが、これは、ダイオードＤ３の遮断時にコンデンサＣ１２に蓄積された電荷がすぐに消費されてしまってダイオードＤ３が遮断状態を維持できないため、共振エネルギーも消費されてしまったためと考えられる。

図１２〜図１４は、従来回路での雑音端子電圧の周波数分布を表す波形を示している。図１２は軽負荷時、図１３は定常負荷時、図１４は最大負荷時における波形を示している。図１２〜図１４に示すように、従来回路では、発振トランスＴ１の共振周波数での雑音端子電圧が高くなっている。特に図１２及び図１３の楕円で示した部分では、雑音端子電圧の波形が高くなっており、ノイズ規制の規格を超えてしまうおそれがある。

次に、本発明の発振トランス共振低減回路８を適応した電源装置の構成について、図１を用いつつ説明する。本実施形態の電源装置は、雑音端子電圧対策として、Ｘコンデンサ１ａ、Ｘコンデンサ１ｂ、Ｙコンデンサ２ａ、Ｙコンデンサ２ｂ、コモンモードフィルタ３、ノーマルモードフィルタ４、ＲＣＤスナバ回路５、及び発振トランス共振低減回路８を備える。

Ｘコンデンサ１ａは、従来回路の雑音端子電圧低減回路１０に含まれるコンデンサＣ１に相当する。Ｘコンデンサ１ｂは、雑音端子電圧低減回路１０に含まれるコンデンサＣ４に相当する。Ｙコンデンサ２ａは、雑音端子電圧低減回路１０に含まれるコンデンサＣ２、Ｃ３に相当する。Ｙコンデンサ２ｂは、雑音端子電圧低減回路１０に含まれるコンデンサＣ８、Ｃ９に相当する。

コモンモードフィルタ３は、雑音端子電圧低減回路１０に含まれるコイルＬ１に相当する。ノーマルモードフィルタ４は、雑音端子電圧低減回路１０に含まれるコイルＬ２、Ｌ３に相当する。ＲＣＤスナバ回路５は、従来回路のＲＣＤスナバ回路３０に相当する。

発振トランス共振低減回路８は、本発明に特有のものであり、発振トランス７の２次側端子間に接続されている。より具体的には、発振トランス７の２次側端子間に、発振トランス共振低減回路８としてコンデンサＣ１４と抵抗Ｒ３とを直列に接続している。すなわち、発振トランス７の２次側端子と２次側整流回路との間に発振トランス共振低減回路８が挿入されている。

抵抗Ｒ３は、発振トランス７により生じる共振エネルギーを熱エネルギーに変換するための負荷である。抵抗Ｒ３は発振トランス７の２次側端子のインダクタとによって定まる減衰時定数が、発振トランス７の２次側端子で発生する共振の周波数の周期の２倍以下程度となるように大きな値をとることが好ましい。

これによって、発振トランス７の２次側端子での共振波形を２周期程度以下に抑えることができ、雑音端子電圧の周波数分布において、共振周波数の成分が突出することを抑制できる。また、コンデンサＣ１４は発振トランス７の２次側端子に寄生して共振の原因となっている寄生コンデンサの値よりも十分大きく、かつ、コンデンサＣ１２よりも十分小さいことが好ましい。

これによって共振周波数をノイズ規制の比較的緩い低周波側に移動させることができ、また、上記の減衰時定数に寄生コンデンサが及ぼす影響を小さくできるので、共振波形を制御することが容易となる。また、コンデンサＣ１２よりも十分小さくすることで、ダイオードＤ３による整流動作が阻害されるのを防ぐことができる。

例えば、発振トランス７の２次側端子間の電圧にもよるが、コンデンサＣ１４の容量としては１００ｐＦ〜６８０ｐＦ、抵抗Ｒ３の抵抗値としては１００Ω〜１０００Ω程度とすることができる。

以上に説明した本実施形態の電源回路における発振トランス７の２次側端子出力波形を示したのが図３〜図５である。図３は軽負荷時、図４は定常負荷時、図５は最大負荷時における波形を示している。なお、図５に示す最大負荷時では共振波形が見られないのは、従来回路と同様に共振エネルギーが消費されてしまったためと考えられる。

従来回路では、２次側整流回路のダイオードＤ３が逆電圧となって遮断した際に発振トランスＴ１の共振が発生し、徐々に共振波形が減衰していた。これに対して本実施形態では、図３〜図５に示すように、ダイオードＤ３が遮断した後に、発振トランス７の共振は発生するが、発振トランス共振低減回路８がすぐに共振を抑えている。

図６〜図８は、本実施形態における雑音端子電圧の周波数分布を表す波形を示している。図６は軽負荷時、図７は定常負荷時、図８は最大負荷時における波形を示している。

本実施形態では、図６〜図８に示すように、発振トランスＴ１の共振周波数での雑音端子電圧が高くなっていない。特に図６及び図７の楕円で示した部分では、従来回路で見られた雑音端子電圧のピークが生じていない。

以上に説明した本実施形態によれば、発振トランス７の共振を抑えるために、発振トランス７の２次側端子間に抵抗Ｒ３を接続し、共振エネルギーを熱エネルギーに変換する。これにより、発振トランス７の自己共振を抑える。このため、簡易且つ低コストの構成で、雑音端子電圧を低減することが可能である。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、発振トランス７の２次側端子間に、発振トランス共振低減回路８を接続し、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１４とを直列に接続している。これに対して第２実施形態では、発振トランス共振低減回路８が抵抗Ｒ３のみを有する構成とする。

つまり、本実施形態では、発振トランス７の２次側端子間に発振トランス共振低減回路８として抵抗Ｒ３のみを接続し、第１実施形態のコンデンサＣ１４を直列に接続しない構成とする。

本実施形態では、抵抗Ｒ３の抵抗値が小さい方が共振低減効果は大きくなる。このため、抵抗Ｒ３での損失が許容可能な範囲で、共振周波数での雑音端子電圧を低減する目標値に応じて、抵抗Ｒ３の抵抗値を選定する。

以上に説明した本実施形態によれば、第１実施形態よりもさらに簡易且つ低コストの構成で、雑音端子電圧を低減することが可能である。

＜第３実施形態＞
第１実施形態では、発振トランス７の２次側端子間に、発振トランス共振低減回路８を接続し、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１４を直列に接続している。これに対して第３実施形態では、発振トランス共振低減回路８がＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタを有する構成とする。

本実施形態では、発振トランス７の２次側端子間に、発振トランス共振低減回路８として、抵抗Ｒ３と、ＰＴＣサーミスタとを直列に接続する。ＰＴＣサーミスタは、異常時の保護用部材であり、温度の上昇に対して抵抗値が増大する。

このため、抵抗Ｒ３に異常な電流が流れた場合に、ＰＴＣサーミスタの温度が上昇し、この抵抗値が増大する。これにより、異常な電流をＰＴＣサーミスタにより遮断することが可能である。

以上に説明した本実施形態によれば、異常電流が発生した場合に、この異常電流が流れ続け、装置破壊につながるといった問題を回避することが可能である。

＜第４実施形態＞
第１実施形態では、発振トランス７の２次側端子間に、発振トランス共振低減回路８を接続し、発振トランス共振低減回路８が電流ヒューズを有する構成とする。

本実施形態では、発振トランス７の２次側端子間に、発振トランス共振低減回路８として、抵抗Ｒ３と、溶断特性をもった電流ヒューズとを直列に接続する。電流ヒューズは、異常時の保護用部材であり、電流が増加すると溶解して回路を切断する。

なお、電流ヒューズを直列に接続するのではなく、抵抗Ｒ３として溶断特性をもった抵抗を使用する構成としてもよい。この構成では、電流が増加すると抵抗Ｒ３が溶解して回路を切断する。

以上に説明した本実施形態によれば、異常な電流が生じた際の保護用に、溶断特性をもった素子を使用することにより、電源装置としての安全性を向上させることができる。

＜その他の変形例＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

１ａ、１ｂ Ｘコンデンサ
２ａ、２ｂ Ｙコンデンサ
３ コモンモードフィルタ
４ ノーマルモードフィルタ
５ ＲＣＤスナバ回路
７ 発振トランス
８ 発振トランス共振低減回路
Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗
Ｒ１１〜Ｒ１４ 抵抗
Ｃ１〜Ｃ１４ コンデンサ
Ｃ２０〜Ｃ２３ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ３ ダイオード
Ｌ１〜Ｌ３ コイル
Ｔ１ 発振トランス
ＩＣ１ スイッチング素子
ＩＣ２ 可変シャントレギュレータ
ＩＣ３ 三端子レギュレータ
ＰＣ１ フォトカプラ
ＤＢ１ ダイオードブリッジ
ＶＲＳ１、ＶＲＳ２ サージ保護素子
Ｆｓ ヒューズ
Ｅ１ コネクタ
１０ 雑音端子電圧低減回路
２０ 整流回路
３０ ＲＣＤスナバ回路
４０ 発振回路
５０ フィードバック回路
６０ 制御用電源回路

Claims (3)

1. スイッチング素子と、
   発振トランスと、
   前記発振トランスの２次側端子間に接続された整流回路とを備え、
   前記発振トランスの２次側端子間に抵抗性素子を含んだ発振トランス共振低減回路を有すること
   を特徴とする電源装置。
2. 前記発振トランス共振低減回路は、前記発振トランスの２次側端子間において前記抵抗性素子と直列に接続されたコンデンサを有すること
   を特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記抵抗性素子は、温度の上昇に応じて抵抗値が増加するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタおよび溶断特性をもった電流ヒューズの少なくとも１つを含むこと
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。

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