JP2015186381A - switching power supply - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching power supply capable of easily suppressing the fluctuation of an output current limit value according to the increase or decrease of an input voltage.SOLUTION: The switching power supply includes: a first correction resistor 50 inserted between one end of a detection resistor 26a and a first input terminal 34(1) of a comparator 34; a timer capacitor 52; and a charging resistor 54 for supplying to the timer capacitor 52 a charge current which fluctuates according to an input voltage Vi; a discharge circuit 56 for resetting the timer capacitor 52 in an OFF period of a main switching element 20 and for enabling charging at timing when ON is started; an NPN transistor 58b having the base terminal connected to the timer capacitor 52; and a second correction resistor 60 disposed between the emitter terminal of the NPN transistor 58b and the first input terminal 34(1). In the ON period of the main switching element 20, a correction voltage of a saw tooth wave shape is generated at both ends of the first correction resistor 50, due to the correction current output from the NPN transistor 58b.

Description

本発明は、スイッチング電流を検出してパルス・バイ・パルス方式の過電流保護を行うスイッチング電源装置に関する。   The present invention relates to a switching power supply device that detects a switching current and performs pulse-by-pulse overcurrent protection.

スイッチング電源装置は、通電中に故障等した負荷に過大な電流が流れ込むのを防止するため、出力電流を一定以下に制限する過電流保護回路が設けられるのが一般的である。特に、パルス・バイ・パルス方式の過電流保護は、主スイッチング素子に流れるスイッチング電流を1パルスごとに観測し、各パルスのピーク値を制限するもので、高速応答性に優れている等の特徴があり、従来から広く使用されている。   The switching power supply device is generally provided with an overcurrent protection circuit that limits an output current to a certain level or less in order to prevent an excessive current from flowing into a load that has failed during energization. In particular, pulse-by-pulse overcurrent protection observes the switching current flowing through the main switching element for each pulse, limits the peak value of each pulse, and has features such as excellent high-speed response. Have been widely used.

例えば、図5(a)に示す従来のスイッチング電源装置10は、パルス・バイ・パルス方式の過電流保護を行うシングルエンディッドフォワード型の電源装置である。入力電源12が接続される入力ライン14とグランドライン16との間に、トランス18の一次巻線18aと主スイッチング素子20との直列回路が設けられ、主スイッチング素子20がオンオフすることにより、一次巻線18aに入力電圧Viを断続した電圧が印加される。トランス18の二次巻線18bには整流平滑回路22が接続され、二次巻線18bに発生する電圧を整流平滑し、負荷24に直流の出力電圧Vo及び出力電流Ioを供給する。   For example, the conventional switching power supply device 10 shown in FIG. 5A is a single-ended forward type power supply device that performs pulse-by-pulse overcurrent protection. A series circuit of the primary winding 18a of the transformer 18 and the main switching element 20 is provided between the input line 14 to which the input power supply 12 is connected and the ground line 16, and the primary switching element 20 is turned on and off, whereby the primary A voltage obtained by intermittently inputting the input voltage Vi is applied to the winding 18a. A rectifying / smoothing circuit 22 is connected to the secondary winding 18 b of the transformer 18 to rectify and smooth the voltage generated in the secondary winding 18 b, and supply a DC output voltage Vo and an output current Io to the load 24.

主スイッチング素子20とグランドライン16との間には、電流検出回路26である検出抵抗26aが挿入されている。検出抵抗26aには、主スイッチング素子20のスイッチング電流Idが流れることによって正の電圧降下が発生し、その電圧降下を電流検出電圧V26として出力する。電流検出回路26は、図5(c)に示すように、検出抵抗26aの損失を小さくするため、カレントトランス26bを用いてスイッチング電流Idを小さい値に変換し、ダイオード26cを通じて検出抵抗26aに流す形で電流検出電圧V26を生成する場合もある。   A detection resistor 26 a that is a current detection circuit 26 is inserted between the main switching element 20 and the ground line 16. A positive voltage drop occurs when the switching current Id of the main switching element 20 flows through the detection resistor 26a, and the voltage drop is output as the current detection voltage V26. As shown in FIG. 5C, the current detection circuit 26 converts the switching current Id to a small value by using the current transformer 26b to reduce the loss of the detection resistor 26a, and flows it to the detection resistor 26a through the diode 26c. The current detection voltage V26 may be generated in a form.

主スイッチング素子20は、ここではNチャネルのMOS型FETであり、制御回路28が出力する駆動パルスVg32によって駆動され、駆動パルスVg32がハイレベルのときにオンし、ローレベルのときにオフする。   The main switching element 20 is an N-channel MOS FET here, and is driven by a drive pulse Vg32 output from the control circuit 28. The main switching element 20 is turned on when the drive pulse Vg32 is at a high level and turned off when the drive pulse Vg32 is at a low level.

制御回路28には、誤差増幅回路30と駆動パルス生成回路32が設けられている。誤差増幅回路30は、出力電圧Voとその目標値Vo1との差を増幅した誤差増幅電圧V30を生成し、駆動パルス生成回路32に向けて出力する。駆動パルス生成回路32は、所定の基準三角波と誤差増幅電圧V30とを用いて電圧モード方式のパルス幅変調を行う。そして、出力電圧Voが目標値Vo1に近づくように駆動パルスVg32のハイレベル及びローレベルの時間を決定し、主スイッチング素子20のオン時間及びオフ時間を制御する。   The control circuit 28 is provided with an error amplification circuit 30 and a drive pulse generation circuit 32. The error amplification circuit 30 generates an error amplification voltage V30 obtained by amplifying the difference between the output voltage Vo and the target value Vo1, and outputs the error amplification voltage V30 to the drive pulse generation circuit 32. The drive pulse generation circuit 32 performs voltage mode pulse width modulation using a predetermined reference triangular wave and the error amplification voltage V30. Then, the high level and low level times of the drive pulse Vg32 are determined so that the output voltage Vo approaches the target value Vo1, and the on time and off time of the main switching element 20 are controlled.

さらに制御回路28には、過電流保護用の比較器34が設けられている。比較器34は、第一入力端子34(1)に検出抵抗26aの出力端が接続され、第二入力端子34(2)に第一基準電圧Vr1が設定され、第一入力端34(1)の電圧V34(1)が第一基準電圧Vr1を超えると、比較器34の出力が反転する。ここでは、電圧V34(1)は電流検出電圧V26である。駆動パルス生成回路32は、比較器34の出力が反転すると、誤差増幅電圧V30に関係なく、駆動パルスVg32をローレベルに反転させる。その結果、主スイッチング素子20のオン時間が強制的に短くなり、出力電圧Voがダウンし出力電流Ioも制限される。   Further, the control circuit 28 is provided with a comparator 34 for overcurrent protection. In the comparator 34, the output terminal of the detection resistor 26a is connected to the first input terminal 34 (1), the first reference voltage Vr1 is set to the second input terminal 34 (2), and the first input terminal 34 (1). When the voltage V34 (1) exceeds the first reference voltage Vr1, the output of the comparator 34 is inverted. Here, the voltage V34 (1) is the current detection voltage V26. When the output of the comparator 34 is inverted, the drive pulse generation circuit 32 inverts the drive pulse Vg32 to a low level regardless of the error amplification voltage V30. As a result, the on-time of the main switching element 20 is forcibly shortened, the output voltage Vo is reduced, and the output current Io is also limited.

また、図5(b)に示す従来のスイッチング電源装置36は、パルス・バイ・パルス方式の過電流保護を行うフライバック型の電源装置である。上記のスイッチング電源装置10と異なるのは、整流平滑回路22に代えて整流平滑回路38が設けられている点であり、その他の構成は同様であり同一の符号を付してある。   A conventional switching power supply 36 shown in FIG. 5B is a flyback power supply that performs pulse-by-pulse overcurrent protection. The difference from the switching power supply device 10 described above is that a rectifying / smoothing circuit 38 is provided instead of the rectifying / smoothing circuit 22, and the other configurations are the same and are denoted by the same reference numerals.

また、特許文献1の図7には、パルス・バイ・パルス方式の過電流保護を行うシングルエンディッドフォワード型の電源装置であって、電流モード方式のパルス幅変調を行うスイッチング電源装置(以下、特許文献1のスイッチング電源装置と称する。)が開示されている。このスイッチング電源装置の構成について、上記のスイッチング電源装置10と対比して説明すると、図示しない誤差増幅回路が出力する誤差信号(誤差増幅電圧)が比較器の非反転入力端子(第二入力端子)に入力され、比較器が、誤差信号と反転入力端子(第一入力端子)に入力される電圧とを用いてパルス幅変調を行う。また、主スイッチング素子とグランドラインとの間に挿入された電流検出抵抗の出力端が比較器の反転入力端子に接続され、過電流保護用の第一基準電圧Vr1は、反転入力端子に接続されたツェナダイオード(ツェナ電圧がVr1)によって設定されている。したがって、上記のスイッチング電源装置10と同様に、反転入力端子の電圧が第一基準電圧Vr1を超えると、主スイッチング素子のオン時間が短くなり、出力電圧がダウンし出力電流も制限される。   FIG. 7 of Patent Document 1 shows a single-ended-forward power supply device that performs pulse-by-pulse overcurrent protection, and a switching power supply device that performs current-mode pulse width modulation (hereinafter, referred to as “power supply mode”). (Referred to as switching power supply device of Patent Document 1). The configuration of the switching power supply device will be described in comparison with the switching power supply device 10 described above. An error signal (error amplified voltage) output from an error amplification circuit (not shown) is a non-inverting input terminal (second input terminal) of the comparator. The comparator performs pulse width modulation using the error signal and the voltage input to the inverting input terminal (first input terminal). The output terminal of the current detection resistor inserted between the main switching element and the ground line is connected to the inverting input terminal of the comparator, and the first reference voltage Vr1 for overcurrent protection is connected to the inverting input terminal. Zener diode (the Zener voltage is Vr1). Therefore, similarly to the switching power supply device 10 described above, when the voltage at the inverting input terminal exceeds the first reference voltage Vr1, the on-time of the main switching element is shortened, the output voltage is reduced, and the output current is limited.

ここで特徴的なのは、比較器の反転入力端子と電流検出抵抗の出力端との間に、スロープ補正回路が設けられている点である。スロープ補正回路は、電流検出抵抗の出力端と比較器の反転入力端子との間に挿入された抵抗(以下、第一抵抗と称す)と、一端がグランドラインに接続されたタイマコンデンサとを有している。また、タイマコンデンサの他端に向けて一定の充電電流を供給する充電抵抗と、スイッチングの1周期が開始する直前(主スイッチング素子がオンする直前)にタイマコンデンサの電圧をリセットするスイッチを有している。さらに、ベース端子がタイマコンデンサの他端に接続されたNPNトランジスタを有するエミッタフォロア回路と、NPNトランジスタのエミッタ端子と比較器の反転入力端子との間に接続された抵抗(以下、第二抵抗と称す)とを有している。この構成により、スイッチングの1周期の開始から次の周期が開始する直前までの期間、エミッタフォロア回路が第二抵抗を通じて出力する補正電流が第一抵抗に流れ、第一抵抗の両端に鋸波状の補正電圧が発生する。したがって、比較器の反転入力端子には、電流検出抵抗に発生する電流検出電圧にこの補正電圧を加算した電圧が入力される。   What is characteristic here is that a slope correction circuit is provided between the inverting input terminal of the comparator and the output terminal of the current detection resistor. The slope correction circuit has a resistor (hereinafter referred to as a first resistor) inserted between the output terminal of the current detection resistor and the inverting input terminal of the comparator, and a timer capacitor having one end connected to the ground line. doing. It also has a charging resistor that supplies a constant charging current toward the other end of the timer capacitor, and a switch that resets the voltage of the timer capacitor immediately before the start of one switching cycle (immediately before the main switching element is turned on). ing. Further, an emitter follower circuit having an NPN transistor whose base terminal is connected to the other end of the timer capacitor, and a resistor (hereinafter referred to as a second resistor) connected between the emitter terminal of the NPN transistor and the inverting input terminal of the comparator. And). With this configuration, the correction current output from the emitter follower circuit through the second resistor flows through the first resistor during the period from the start of one switching cycle to just before the next cycle starts, and sawtooth-like current is generated at both ends of the first resistor. A correction voltage is generated. Therefore, a voltage obtained by adding this correction voltage to the current detection voltage generated in the current detection resistor is input to the inverting input terminal of the comparator.

電流モード制御の場合、主スイッチング素子のオンの時比率が50%を超えたとき、主スイッチング素子のオン時間とオフ時間がスイッチング周期毎に変化する電流発振現象が発生することが知られており、スロープ補正回路は、電流発振現象を防止するために設けられている。このスロープ補正回路の場合、鋸波状の補正電圧の傾きは、入力電圧によらず一定である。   In current mode control, it is known that when the main switching element's on-time ratio exceeds 50%, a current oscillation phenomenon occurs in which the main switching element's on-time and off-time change for each switching cycle. The slope correction circuit is provided to prevent a current oscillation phenomenon. In the case of this slope correction circuit, the slope of the sawtooth correction voltage is constant regardless of the input voltage.

特開2012−157191号公報JP 2012-157191 A

従来のスイッチング電源装置10,36、及び特許文献1のスイッチング電源装置は、図6に示すように、入力電圧Viが高いときの出力電流Ioの制限値Io2(H)が、入力電圧Viが低いときの制限値Io2(L)に比べて顕著に高くなり、入力電圧Viが高きときに十分な過電流保護を行うことができないという問題があった。この問題が発生する原因については、次の2つの要因を考察することによって概ね説明できる。第一の要因は「入力電圧Viの高低によって、出力電流Ioとスイッチング電流Idのピーク値Ipとの相関関係がどのように変化するか」ということである。また、第二の要因は「入力電圧Viの高低によって、過電流保護用の比較器が有する遅延時間の影響度がどのように変化するか」ということである。以下、第一及び第二要因について、各スイッチング電源装置ごとに考察する。   As shown in FIG. 6, in the conventional switching power supply devices 10 and 36 and the switching power supply device disclosed in Patent Document 1, the limit value Io2 (H) of the output current Io when the input voltage Vi is high has a low input voltage Vi. When the input voltage Vi is high, there is a problem in that sufficient overcurrent protection cannot be performed when the input voltage Vi is high. The cause of this problem can be roughly explained by considering the following two factors. The first factor is “how does the correlation between the output current Io and the peak value Ip of the switching current Id change depending on the level of the input voltage Vi”. The second factor is “how the influence of the delay time of the overcurrent protection comparator changes depending on the level of the input voltage Vi”. Hereinafter, the first and second factors will be considered for each switching power supply device.

まず、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について考察する。ここで、スイッチング電源装置10は、スイッチング周波数(1周期=Tsw)が一定で、整流平滑回路22の平滑インダクタ22aの電流が連続するインダクタ電流連続モード動作を行うものとする。また、トランス18の励磁インダクタンスは十分大きく、整流平滑回路22が有する2つのダイオードの順方向電圧は十分小さいとする。   First, the single-ended forward type switching power supply 10 will be considered. Here, it is assumed that the switching power supply device 10 performs the inductor current continuous mode operation in which the switching frequency (one cycle = Tsw) is constant and the current of the smoothing inductor 22a of the rectifying and smoothing circuit 22 is continuous. Further, it is assumed that the exciting inductance of the transformer 18 is sufficiently large and the forward voltage of the two diodes included in the rectifying and smoothing circuit 22 is sufficiently small.

第一の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo1(<Io2(L),Io2(H))である動作点P1(L)の動作波形(図7(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流Ioが同じIo1である動作点P1(H)の動作波形(図7(b))とを比較することで考察できる。図7(a)は、主スイッチング素子20に流れるスイッチング電流Id(L)の波形と、整流平滑回路22の転流側ダイオード22bに流れる電流If(L)の波形とを重ね書きしたものであり、トランスの巻線18a,18bの巻数比を勘案し、互いのピーク値がスイッチング電流Id(L)のピーク値Ip(L)で一致するように縦軸の縮尺を調整してある。また、Ir1は、比較器34の第一基準電圧Vr1を検出抵抗26aの抵抗値で除算して求まる電流値である。図7(b)も同様である。   The first factor is the operation waveform (FIG. 7 (a)) at the operating point P1 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io1 (<Io2 (L), Io2 (H)). This can be considered by comparing the operation waveform (FIG. 7B) of the operating point P1 (H) where the voltage Vi is high and the output current Io is the same Io1. FIG. 7A shows the waveform of the switching current Id (L) flowing through the main switching element 20 and the waveform of the current If (L) flowing through the commutation side diode 22b of the rectifying and smoothing circuit 22 overwritten. In consideration of the turns ratio of the windings 18a and 18b of the transformer, the scale of the vertical axis is adjusted so that the peak values of the transformers coincide with the peak value Ip (L) of the switching current Id (L). Ir1 is a current value obtained by dividing the first reference voltage Vr1 of the comparator 34 by the resistance value of the detection resistor 26a. The same applies to FIG. 7B.

出力電流Io=Io1のとき、スイッチング電流Idのピーク値Ipは、出力電流Io1に、スイッチング電流Idが右肩上がりに上昇する成分ΔIdの1/2を加算したレベルとなる。動作点P1(L)とP2(H)は共に、出力電圧Voが目標値Vo1なるように主スイッチング素子20がオンオフし、上昇成分ΔId(L)とΔId(H)が互いに等しく、ピーク値Ip(L)とIp(H)も互いに等しくなるので、出力電流Ioとピーク値Ipとの相関関係は、入力電圧Viの高低によらず一律となる。したがって、スイッチング電源装置10の場合、第一の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因にはならない。   When the output current Io = Io1, the peak value Ip of the switching current Id is at a level obtained by adding 1/2 of the component ΔId that causes the switching current Id to rise to the right. The operating points P1 (L) and P2 (H) are both turned on and off so that the output voltage Vo becomes the target value Vo1, the rising components ΔId (L) and ΔId (H) are equal to each other, and the peak value Ip Since (L) and Ip (H) are also equal to each other, the correlation between the output current Io and the peak value Ip is uniform regardless of the level of the input voltage Vi. Therefore, in the case of the switching power supply device 10, the first factor does not cause the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

第二の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo2(L)である動作点P2(L)の動作波形(図8(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流IoがIo2(H)である動作点P2(H)の動作波形(図8(b))とを比較することで考察できる。   The second factor is the operation waveform (FIG. 8A) at the operating point P2 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io2 (L), and the output current Io is high when the input voltage Vi is high. This can be considered by comparing the operation waveform of the operating point P2 (H) that is Io2 (H) (FIG. 8B).

スイッチング電流Idが右肩上がりに上昇し、電流値Ir1に達すると、比較器34等の動作遅延の時間td1が経過した時に主スイッチング素子20がオフする。したがって、スイッチング電流Idは、時間td1の間も上昇し続ける。動作点P2(L)は、入力電圧Viが低くてドレイン電流Id(L)が上昇する傾きが小さいので、ドレイン電流Id(L)が、電流値Ir1を僅かに超える値Ip(L)まで上昇し、出力電流Ioの制限値Io2(L)が決定される。一方、動作点P2(H)は、入力電圧Viが高くてドレイン電流Id(H)が上昇する傾きが大きいので、ドレイン電流Id(H)が、同じ時間tdに間に電流値Ir1を大きく超える値Ip(H)まで上昇する。その結果、出力電流Ioの制限値Io2(H)が、上記の制限値Io2(L)よりも大きい値となる。したがって、スイッチング電源装置10の場合、第二の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因となる。   When the switching current Id rises to the right and reaches the current value Ir1, the main switching element 20 is turned off when the operation delay time td1 of the comparator 34 or the like has elapsed. Therefore, the switching current Id continues to rise during the time td1. The operating point P2 (L) has a small slope at which the drain current Id (L) rises because the input voltage Vi is low, so the drain current Id (L) rises to a value Ip (L) that slightly exceeds the current value Ir1. Then, the limit value Io2 (L) of the output current Io is determined. On the other hand, the operating point P2 (H) has a large slope at which the drain current Id (H) rises due to the high input voltage Vi, so the drain current Id (H) greatly exceeds the current value Ir1 during the same time td. It rises to the value Ip (H). As a result, the limit value Io2 (H) of the output current Io is larger than the limit value Io2 (L). Therefore, in the case of the switching power supply device 10, the second factor causes the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

次に、フライバック型のスイッチング電源装置36の場合について考察する。フライバック型にも複数種類の動作形態があり、例えば、スイッチング周期Tswが一定でトランス電流不連続モード動作を行うケース(第1のケース)、スイッチング周期Tswが変動しトランス電流臨界モード動作を行うケース(第2のケース)、スイッチング周期Tswが変動し擬似共振モード動作を行うケース(第3のケース)等がある。以下、これら代表的な3つのケースについて順番に説明する。   Next, the case of the flyback type switching power supply 36 will be considered. The flyback type also has a plurality of types of operation, for example, a case where the transformer current discontinuous mode operation is performed with a constant switching period Tsw (first case), and a transformer current critical mode operation is performed when the switching period Tsw varies. There are a case (second case), a case (third case) in which the switching period Tsw varies and a quasi-resonant mode operation is performed. Hereinafter, these three representative cases will be described in order.

まず、スイッチング電源装置36において、スイッチング周期Tswが一定でトランス電流不連続モード動作を行うケース(第1のケース)を説明する。   First, a case (first case) in which the switching power supply 36 performs a transformer current discontinuous mode operation with a constant switching period Tsw will be described.

第一の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo1(<Io2(L),Io2(H))である動作点P1(L)の動作波形(図9(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流Ioが同じIo1である動作点P1(H)の動作波形(図9(b))とを比較することで考察できる。図9(a)は、主スイッチング素子20に流れるスイッチング電流Id(L)の波形と、整流平滑回路38の整流ダイオード38aに流れる電流If(L)の波形とを重ね書きしたものであり、トランスの巻線18a,18bの巻数比を勘案し、互いのピーク値がスイッチング電流Id(L)のピーク値Ip(L)で一致するように縦軸の縮尺を調整してある。また、Ir1は、比較器34の第一基準電圧Vr1を検出抵抗26aの抵抗値で除算して求まる電流値である。図9(b)、及び後述する図10〜図14も同様である。   The first factor is the operating waveform (FIG. 9A) of the operating point P1 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io1 (<Io2 (L), Io2 (H)), and the input. This can be considered by comparing the operation waveform (FIG. 9B) of the operating point P1 (H) where the voltage Vi is high and the output current Io is the same Io1. FIG. 9A shows the waveform of the switching current Id (L) flowing through the main switching element 20 and the waveform of the current If (L) flowing through the rectifier diode 38a of the rectifying / smoothing circuit 38. In consideration of the turns ratio of the windings 18a and 18b, the scale of the vertical axis is adjusted so that the peak values of the windings coincide with the peak value Ip (L) of the switching current Id (L). Ir1 is a current value obtained by dividing the first reference voltage Vr1 of the comparator 34 by the resistance value of the detection resistor 26a. The same applies to FIG. 9B and FIGS.

出力電流Io=Io1のとき、整流ダイオード38aが導通する時間tfの間に逆鋸波状の電流Ifが流れ、「逆鋸波状の部分の面積」と「Io1とTswとの積」が等しくなるように、電流Ifのピーク値及びスイッチング電流Idのピーク値Ipが決定される。動作点P1(L)とP2(H)は共に、出力電圧Voが目標値Vo1なるように主スイッチング素子20がオンオフし、電流If(L)とIf(H)の右肩下がりの傾きが互いに等しく、時間tf(L)とtf(H)も互いに等しくなるので、出力電流Ioとピーク値Ipとの相関関係は、入力電圧Viの高低によらず一律となる。したがって、スイッチング電源装置36の動作形態が第1のケースの場合、第一の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因にはならない。   When the output current Io = Io1, a reverse sawtooth current If flows during the time tf when the rectifier diode 38a is conducted, so that the “area of the reverse sawtooth portion” and “product of Io1 and Tsw” are equal. In addition, the peak value of the current If and the peak value Ip of the switching current Id are determined. At both operating points P1 (L) and P2 (H), the main switching element 20 is turned on / off so that the output voltage Vo becomes the target value Vo1, and the slopes of the current If (L) and If (H) descending from each other are mutually reduced. Since the times tf (L) and tf (H) are also equal to each other, the correlation between the output current Io and the peak value Ip is uniform regardless of the level of the input voltage Vi. Therefore, when the operation mode of the switching power supply 36 is the first case, the first factor does not cause the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

第二の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo2(L)である動作点P2(L)の動作波形(図10(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流IoがIo2(H)である動作点P2(H)の動作波形(図10(b))とを比較することで考察できる。   The second factor is the operating waveform (FIG. 10A) of the operating point P2 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io2 (L), and the output current Io is high when the input voltage Vi is high. This can be considered by comparing the operation waveform of the operation point P2 (H) that is Io2 (H) (FIG. 10B).

スイッチング電流Idが右肩上がりに上昇し、電流値Ir1に達すると、比較器34等の動作遅延の時間td1が経過した時に主スイッチング素子20がオフする。したがって、スイッチング電流Idは、時間td1の間も上昇し続ける。動作点P2(L)は、入力電圧Viが低くてドレイン電流Id(L)が上昇する傾きが小さいので、ドレイン電流Id(L)が電流値Ir1を僅かに超える値Ip(L)まで上昇し、出力電流Ioの制限値Io2(L)が決定される。一方、動作点P1(H)は、入力電圧Viが高くてドレイン電流Id(H)が上昇する傾きが大きいので、ドレイン電流Id(L)が、同じ時間tdに間に電流値Ir1を大きく超える値Ip(H)まで上昇する。その結果、出力電流Ioの制限値Io2(H)が、上記の制限値Io2(L)よりも大きい値となる。したがって、スイッチング電源装置36の動作形態が第1のケースの場合、第二の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因となる。   When the switching current Id rises to the right and reaches the current value Ir1, the main switching element 20 is turned off when the operation delay time td1 of the comparator 34 or the like has elapsed. Therefore, the switching current Id continues to rise during the time td1. The operating point P2 (L) has a small slope at which the drain current Id (L) rises because the input voltage Vi is low, so the drain current Id (L) rises to a value Ip (L) that slightly exceeds the current value Ir1. The limit value Io2 (L) of the output current Io is determined. On the other hand, since the operating point P1 (H) has a large slope at which the drain voltage Id (H) rises due to the high input voltage Vi, the drain current Id (L) greatly exceeds the current value Ir1 during the same time td. It rises to the value Ip (H). As a result, the limit value Io2 (H) of the output current Io is larger than the limit value Io2 (L). Therefore, when the operation mode of the switching power supply 36 is the first case, the second factor causes the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

次に、スイッチング電源装置36において、スイッチング周期Tswが変動しトランス電流臨界モード動作を行うケース(第2のケース)を説明する。   Next, a case (second case) in which the switching cycle Tsw varies and the transformer current critical mode operation is performed in the switching power supply 36 will be described.

第一の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo1(<Io2(L),Io2(H))である動作点P1(L)の動作波形(図11(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流Ioが同じIo1である動作点P1(H)の動作波形(図12(b))とを比較することで考察できる。   The first factor is the operation waveform (FIG. 11 (a)) at the operating point P1 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io1 (<Io2 (L), Io2 (H)), and the input. This can be considered by comparing the operation waveform (FIG. 12B) of the operation point P1 (H) where the voltage Vi is high and the output current Io is the same Io1.

出力電流Io=Io1のとき、整流ダイオード38aが導通する時間tfの間に逆鋸波状の電流Ifが流れ、「逆鋸波状の部分の面積」と「Io1とTswとの積」が等しくなるように、電流Ifのピーク値及びスイッチング電流Idのピーク値Ipが決定される。動作点P1(L)とP2(H)は共に、出力電圧Voが目標値Vo1なるように主スイッチング素子20がオンオフし、電流If(L)とIf(H)の右肩下がりの傾きが互いに等しく、時間tf(L)とtf(H)も互いに等しくなるが、トランス電流臨界モードの動作を行うため、動作点P1(H)のスイッチング周期Tsw(H)が動作点P1(L)のスイッチング周期Tsw(L)より短くなる。その結果、出力電流IoがIo1で同じでも、動作点P1(H)のピーク値Ip(H)の方が動作点P1(L)のピーク値Ip(L)よりも低くなる。したがって、スイッチング電源装置36の動作形態が第2のケースの場合、第一の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因となる。   When the output current Io = Io1, a reverse sawtooth current If flows during the time tf when the rectifier diode 38a is conducted, so that the “area of the reverse sawtooth portion” and “product of Io1 and Tsw” are equal. In addition, the peak value of the current If and the peak value Ip of the switching current Id are determined. At both operating points P1 (L) and P2 (H), the main switching element 20 is turned on / off so that the output voltage Vo becomes the target value Vo1, and the slopes of the current If (L) and If (H) descending from each other are mutually reduced. Although the time tf (L) and tf (H) are equal to each other, the switching period Tsw (H) of the operating point P1 (H) is changed to the switching of the operating point P1 (L) in order to perform the transformer current critical mode operation. It becomes shorter than the cycle Tsw (L). As a result, even if the output current Io is the same at Io1, the peak value Ip (H) at the operating point P1 (H) is lower than the peak value Ip (L) at the operating point P1 (L). Therefore, when the operation mode of the switching power supply 36 is the second case, the first factor causes a problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

第二の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo2(L)である動作点P2(L)の動作波形(図12(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流IoがIo2(H)である動作点P2(H)の動作波形(図12(b))とを比較することで考察できる。   The second factor is the operation waveform (FIG. 12 (a)) at the operating point P2 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io2 (L), and the output current Io is high when the input voltage Vi is high. This can be considered by comparing the operation waveform of the operating point P2 (H) that is Io2 (H) (FIG. 12B).

スイッチング電流Idが右肩上がりに上昇し、電流値Ir1に達すると、比較器34等の動作遅延の時間td1が経過した時に主スイッチング素子20がオフする。したがって、スイッチング電流Idは、時間td1の間も上昇し続ける。動作点P2(L)は、入力電圧Viが低くてドレイン電流Id(L)が上昇する傾きが小さいので、ドレイン電流Id(L)が電流値Ir1を僅かに超える値Ip(L)まで上昇し、出力電流Ioの制限値Io2(L)が決定される。一方、動作点P1(H)は、入力電圧Viが高くてドレイン電流Id(H)が上昇する傾きが大きいので、ドレイン電流Id(L)が、同じ時間tdに間に電流値Ir1を大きく超える値Ip(H)まで上昇する。その結果、出力電流Ioの制限値Io2(H)が、上記の制限値Io2(L)よりも大きい値となる。したがって、スイッチング電源装置36の動作形態が第2のケースの場合も、第二の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの上限値Io2が大きくなる」という問題の原因となる。   When the switching current Id rises to the right and reaches the current value Ir1, the main switching element 20 is turned off when the operation delay time td1 of the comparator 34 or the like has elapsed. Therefore, the switching current Id continues to rise during the time td1. The operating point P2 (L) has a small slope at which the drain current Id (L) rises because the input voltage Vi is low, so the drain current Id (L) rises to a value Ip (L) that slightly exceeds the current value Ir1. The limit value Io2 (L) of the output current Io is determined. On the other hand, since the operating point P1 (H) has a large slope at which the drain voltage Id (H) rises due to the high input voltage Vi, the drain current Id (L) greatly exceeds the current value Ir1 during the same time td. It rises to the value Ip (H). As a result, the limit value Io2 (H) of the output current Io is larger than the limit value Io2 (L). Therefore, even when the operation form of the switching power supply 36 is the second case, the second factor causes the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the upper limit value Io2 of the output current Io”.

次に、スイッチング電源装置36において、スイッチング周期Tswが変動し擬似共振モード動作を行うケース(第3のケース)を説明する。擬似共振モードの動作は、上記のトランス電流臨界モードと類似しているが、異なるのは、整流ダイオード38aが非導通となった後、主スイッチング素子20の両端電圧がゼロ付近まで低下するのを待って主スイッチング素子20がオンするので、電流Id,ifの両方が流れない時間td2(ほぼ一定)が発生する点である。したがって、擬似共振モードのスイッチング周期Tswは、トランス電流臨界モードのスイッチング周期Tswに時間td2を加算した周期となる。   Next, in the switching power supply 36, a case (third case) in which the switching cycle Tsw varies and the pseudo resonance mode operation is performed will be described. The operation in the quasi-resonant mode is similar to the transformer current critical mode described above, except that the voltage across the main switching element 20 decreases to near zero after the rectifier diode 38a is turned off. Since the main switching element 20 is turned on after waiting, a time td2 (approximately constant) in which both the currents Id and if do not flow occurs. Therefore, the switching period Tsw in the quasi-resonant mode is a period obtained by adding the time td2 to the switching period Tsw in the transformer current critical mode.

第一の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo1(<Io2(L),Io2(H))である動作点P1(L)の動作波形(図13(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流Ioが同じIo1である動作点P1(H)の動作波形(図13(b))とを比較することで考察でき、考察される内容は、上述の第2のケースと同様である。したがって、スイッチング電源装置36の動作形態が第3のケースの場合も、第一の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因となる。   The first factor is the operation waveform (FIG. 13 (a)) at the operating point P1 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io1 (<Io2 (L), Io2 (H)), and the input. It can be considered by comparing with the operation waveform (FIG. 13B) of the operating point P1 (H) where the voltage Vi is high and the output current Io is the same Io1, and the content to be considered is the second case described above. It is the same. Therefore, even when the operation mode of the switching power supply 36 is the third case, the first factor causes a problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

第二の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo2(L)である動作点P2(L)の動作波形(図14(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流IoがIo2(H)である動作点P2(H)の動作波形(図14(b))とを比較することで考察でき、考察される内容は、上述の第2のケースと同様である。したがって、スイッチング電源装置36の動作形態が第3のケースの場合も、第二の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの上限値Io2が大きくなる」という問題の原因となる。   The second factor is the operation waveform (FIG. 14 (a)) at the operating point P2 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io2 (L), and the output current Io is high when the input voltage Vi is high. This can be considered by comparing the operation waveform of the operation point P2 (H) that is Io2 (H) (FIG. 14B), and the contents to be considered are the same as those in the second case described above. Therefore, even when the operation mode of the switching power supply 36 is the third case, the second factor causes the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the upper limit value Io2 of the output current Io”.

次に、特許文献1のスイッチング電源装置について考察する。特許文献1のスイッチング電源装置は、スイッチング周期Tswが一定のシングルエンディッドフォワード型であり、いわゆるインダクタ電流連続モード動作を行うとすると、第一及び第二の要因について考察される内容は、上述したスイッチング電源装置10と同じである。また、このスイッチング電源装置の場合、上記のスロープ補正回路を有することから、新たに第三の要因が発生する。第三の要因とは、「入力電圧Viの高低によって、電流検出電圧に加算される補正電圧がどのように変化するか」ということである。   Next, the switching power supply device of Patent Document 1 will be considered. The switching power supply device of Patent Document 1 is a single-ended forward type with a constant switching cycle Tsw, and when performing a so-called inductor current continuous mode operation, the contents considered for the first and second factors are described above. It is the same as the switching power supply device 10. In addition, since this switching power supply device has the slope correction circuit, a third factor is newly generated. The third factor is “how does the correction voltage added to the current detection voltage change depending on the level of the input voltage Vi”.

第三の要因は、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo1(<Io2(L),Io2(H))である動作点P1(L)の動作波形(図15(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流Ioが同じIo1である動作点P1(H)の動作波形(図15(b))とを比較することで考察できる。図15(a)は、比較器の反転入力端子に入力される電圧の波形であり、電流検出抵抗から出力される電流検出電圧Vd(L)の波形と第一抵抗に発生する鋸波状の補正電圧Vbの波形とを合波したものである。ta(L)は、スイッチング電流Id(L)が流れる時間である。電流検出電圧Vd(L)の波形は、電流検出抵抗の抵抗値で除算するとスイッチング電流Id(L)の波形になる。Vba(L)は、時間ta(L)が終了する時の補正電圧Vbの値である。図15(b)も同様である。   The third factor is the operation waveform (FIG. 15 (a)) of the operating point P1 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io1 (<Io2 (L), Io2 (H)) and the input. This can be considered by comparing the operation waveform (FIG. 15B) of the operating point P1 (H) where the voltage Vi is high and the output current Io is the same Io1. FIG. 15A shows the waveform of the voltage input to the inverting input terminal of the comparator, the waveform of the current detection voltage Vd (L) output from the current detection resistor and the sawtooth correction generated in the first resistor. This is a combination of the waveform of the voltage Vb. ta (L) is a time during which the switching current Id (L) flows. The waveform of the current detection voltage Vd (L) becomes the waveform of the switching current Id (L) when divided by the resistance value of the current detection resistor. Vba (L) is the value of the correction voltage Vb when the time ta (L) ends. The same applies to FIG.

鋸波状の補正電圧Vbの波形は、入力電圧Viの高低によらず一定の傾きで上昇する。動作点P1(L)とP2(H)は共に、出力電圧Voが目標値Vo1なるように主スイッチング素子がオンオフしているので、動作点P2(H)の時間ta(H)が動作点P2(L)の時間ta(L)より長くなり、電圧値Vba(H)がVba(L)よりも小さくなる。その結果、出力電流Ioが同じIo1であるにもかかわらず、動作点P1(H)の方が、比較器の反転入力端子の電圧のピーク値と第一基準電圧Vr1との差が大きくなる。したがって、特許文献1のスイッチング電源装置回路の場合、第三の要因が、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因となる。   The waveform of the sawtooth correction voltage Vb rises with a constant slope regardless of the level of the input voltage Vi. Since both the operating points P1 (L) and P2 (H) are turned on and off so that the output voltage Vo becomes the target value Vo1, the time ta (H) of the operating point P2 (H) is the operating point P2. The time ta (L) of (L) is longer, and the voltage value Vba (H) becomes smaller than Vba (L). As a result, although the output current Io is the same Io1, the difference between the peak value of the voltage at the inverting input terminal of the comparator and the first reference voltage Vr1 is larger at the operating point P1 (H). Therefore, in the switching power supply device circuit of Patent Document 1, the third factor causes the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

以上、5種類のスイッチング電源装置の過電流保護の問題点とその原因について説明した。その内容をまとめると表1のようになる。   The problems and causes of overcurrent protection of the five types of switching power supply devices have been described above. The contents are summarized as shown in Table 1.

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、入力電圧の高低に対して出力電流の制限値が変動するのを容易に抑制できる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 an object of the present invention is to provide a switching power supply device that can easily suppress fluctuations in the limit value of the output current with respect to the level of the input voltage.

本発明は、入力電圧が印加される入力ライン及びグランドラインと、前記入力ラインと前記グランドラインとの間に接続された、トランスの一次巻線と主スイッチング素子との直列回路と、前記トランスの二次巻線に接続され、前記二次巻線に発生する電圧を整流平滑し、負荷に出力電圧及び出力電流を供給する整流平滑回路と、前記主スイッチング素子と直列の位置に挿入され、前記主スイッチング素子に流れるスイッチング電流を電圧変換することによって正の電流検出電圧を発生させ、一端が前記グランドラインに接続された検出抵抗の他端から出力する電流検出回路と、前記主スイッチング素子をオンオフさせるための駆動パルスを生成し、前記出力電圧に基づいて前記主スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は比較器を有し、前記比較器は、第一入力端子に前記検出抵抗の出力端が接続され、第二入力端子に第一基準電圧が設定され、前記第一入力端の電圧が前記第一基準電圧を超えると、前記比較器の出力が反転することによって前記駆動パルスのロジックが反転し、前記出力電圧に関係なく前記主スイッチング素子をオフさせるスイッチング電源装置であって、
前記検出抵抗の他端と前記比較器の第一入力端子との間に挿入された第一補正抵抗と、一端が前記グランドラインに接続されたタイマコンデンサと、前記タイマコンデンサの他端に向けて前記入力電圧の高低に応じて増減する充電電流を供給する充電回路と、前記主スイッチング素子のオフ期間に前記タイマコンデンサの電圧をリセットし、その後、オンが開始するタイミングで前記タイマコンデンサを充電可能にする放電回路と、ベース端子が前記タイマコンデンサの他端に接続されたNPNトランジスタで構成されたエミッタフォロア回路と、前記エミッタフォロア回路の出力端である前記NPNトランジスタのエミッタ端子と前記比較器の第一入力端子との間に接続された第二補正抵抗とを備え、
前記主スイッチング素子がオンの期間、前記エミッタフォロア回路が前記第二補正抵抗を通じて出力する補正電流が前記第一補正抵抗に流れることによって、前記第一補正抵抗の両端に前記入力電圧の高低に応じて傾きが変化する鋸波状の補正電圧が発生するスイッチング電源装置である。
The present invention includes an input line and a ground line to which an input voltage is applied, a series circuit of a primary winding of a transformer and a main switching element connected between the input line and the ground line, A rectifying / smoothing circuit connected to a secondary winding, rectifying and smoothing a voltage generated in the secondary winding, and supplying an output voltage and an output current to a load, and inserted in a position in series with the main switching element, A current detection circuit that generates a positive current detection voltage by voltage-converting the switching current flowing through the main switching element and outputs it from the other end of the detection resistor connected to the ground line, and on / off the main switching element A control circuit for generating a drive pulse for controlling the on-time and off-time of the main switching element based on the output voltage. The control circuit has a comparator, and the comparator has a first input terminal connected to the output terminal of the detection resistor, a second input terminal set with a first reference voltage, and the first input terminal When the voltage at the input terminal exceeds the first reference voltage, the output of the comparator is inverted to invert the logic of the drive pulse, and the switching power supply device turns off the main switching element regardless of the output voltage. There,
A first correction resistor inserted between the other end of the detection resistor and the first input terminal of the comparator, a timer capacitor having one end connected to the ground line, and toward the other end of the timer capacitor A charging circuit that supplies a charging current that increases or decreases according to the level of the input voltage, and resets the voltage of the timer capacitor during an off period of the main switching element, and then the timer capacitor can be charged at the timing when the on starts. A discharge circuit, an emitter follower circuit having an NPN transistor whose base terminal is connected to the other end of the timer capacitor, an emitter terminal of the NPN transistor which is an output terminal of the emitter follower circuit, and the comparator A second correction resistor connected between the first input terminal and
While the main switching element is on, a correction current output from the emitter follower circuit through the second correction resistor flows through the first correction resistor, so that both ends of the first correction resistor correspond to the level of the input voltage. This is a switching power supply device that generates a sawtooth correction voltage whose inclination changes.

前記放電回路は、前記タイマコンデンサの他端と前記制御回路の出力との間に接続された放電抵抗及び放電ダイオードの直列回路であり、前記放電ダイオードのカソード端子が前記制御回路の側に配され、前記主スイッチング素子は、前記制御回路が出力する前記駆動パルスがハイレベルのときにオンし、ローレベルのときにオフする構成であることが好ましい。   The discharge circuit is a series circuit of a discharge resistor and a discharge diode connected between the other end of the timer capacitor and the output of the control circuit, and a cathode terminal of the discharge diode is arranged on the control circuit side. The main switching element is preferably turned on when the drive pulse output from the control circuit is at a high level and turned off when the drive pulse is at a low level.

前記制御回路には、前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路と、前記出力電圧とその目標値との差を増幅した誤差増幅電圧を生成し、前記比較器の前記第二入力端子に向けて出力する誤差増幅回路とが設けられ、前記誤差増幅電圧が前記第一基準電圧よりも低いとき、前記比較器は、前記第二入力端子に入力された前記誤差増幅電圧と前記第一入力端子の電圧とを用いて電流モード方式のパルス幅変調を行い、前記駆動パルス生成回路は、この変調結果に基づいて前記駆動パルスを生成する構成にしてもよい。   The control circuit generates a drive pulse generation circuit that generates the drive pulse, and an error amplification voltage obtained by amplifying a difference between the output voltage and a target value thereof, toward the second input terminal of the comparator. An error amplification circuit for outputting, and when the error amplification voltage is lower than the first reference voltage, the comparator is configured to output the error amplification voltage input to the second input terminal and the first input terminal. Current mode pulse width modulation may be performed using a voltage, and the drive pulse generation circuit may generate the drive pulse based on the modulation result.

前記主スイッチング素子のオンの時比率が50%を超えたとき、前記第一補正抵抗の両端に発生する前記鋸波状の補正電圧により、前記主スイッチング素子のオン時間とオフ時間がスイッチング周期毎に変化する電流発振現象が防止される構成にしてもよい。   When the on-time ratio of the main switching element exceeds 50%, the on-time and the off-time of the main switching element are changed every switching period by the sawtooth correction voltage generated at both ends of the first correction resistor. It may be configured to prevent a changing current oscillation phenomenon.

また、前記誤差増幅回路は、前記誤差増幅電圧を駆動パルス生成回路に向けて出力し、駆動パルス生成回路には前記第一基準電圧よりも低い第二基準電圧が設定され、前記駆動パルス生成回路は、前記誤差増幅電圧が前記第二基準電圧より低くなると、前記駆動パルスを出力する期間と停止する期間とを交互に繰り返すバーストモード動作を行う構成にしてもよい。   The error amplification circuit outputs the error amplification voltage to a drive pulse generation circuit, and the drive pulse generation circuit is set with a second reference voltage lower than the first reference voltage, and the drive pulse generation circuit When the error amplification voltage becomes lower than the second reference voltage, a burst mode operation in which a period for outputting the driving pulse and a period for stopping the driving pulse are alternately performed may be performed.

本発明のスイッチング電源装置は、入力電圧の高低に応じて傾きが変化する鋸波状の補正電圧を発生させる入力補正回路が設けられ、スイッチング電流を検出した電流検出電圧に補正電圧を加算することにより、入力電圧に対して出力電流の制限値が変動するのを抑制することができる。また、入力補正回路は、構成がシンプルで、補正量の調節(電流検出電圧に対する補正電圧の比率の調節)も容易である。   The switching power supply device of the present invention is provided with an input correction circuit that generates a sawtooth correction voltage whose slope changes according to the level of the input voltage, and adds the correction voltage to the current detection voltage that detects the switching current. Thus, it is possible to suppress fluctuation of the limit value of the output current with respect to the input voltage. Further, the input correction circuit has a simple configuration and can easily adjust the correction amount (adjustment of the ratio of the correction voltage to the current detection voltage).

本発明のスイッチング電源装置の一実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram showing one embodiment of a switching power supply device of the present invention. この実施形態の誤差増幅電圧−出力電流特性を表したグラフ(a)、出力電圧―出力電流特性を表したグラフ(b)である。2 is a graph (a) representing the error amplification voltage-output current characteristics of this embodiment, and a graph (b) representing the output voltage-output current characteristics. この実施形態の動作点P1(L)における動作波形(a)、動作点P1(H)における動作波形(b)である。They are an operation waveform (a) at the operation point P1 (L) and an operation waveform (b) at the operation point P1 (H) of this embodiment. この実施形態の動作点P1(H)における動作波形(a)、動作点P0(H)における動作波形(b)である。They are an operation waveform (a) at the operation point P1 (H) and an operation waveform (b) at the operation point P0 (H) of this embodiment. 従来の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を示す回路図(a)、従来のフライバック型のスイッチング電源装置を示す回路図(b)、電流検出回路の他の例を示す回路図(c)である。A circuit diagram (a) showing a conventional single-ended forward type switching power supply device, a circuit diagram (b) showing a conventional flyback type switching power supply device, and a circuit diagram (c) showing another example of a current detection circuit It is. 従来のスイッチング電源装置の出力電圧―出力電流特性を表したグラフである。It is the graph showing the output voltage-output current characteristic of the conventional switching power supply device. 図5(a)に示すスイッチング電源装置の動作点P1(L)における動作波形(a)、動作点P1(H)における動作波形(b)である。6 is an operation waveform (a) at an operation point P1 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P1 (H) of the switching power supply device shown in FIG. 図5(a)に示すスイッチング電源装置の動作点P2(L)における動作波形(a)、動作点P2(H)における動作波形(b)である。6 is an operation waveform (a) at an operation point P2 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P2 (H) of the switching power supply device shown in FIG. 図5(b)に示すスイッチング電源装置(第1のケース)の動作点P1(L)における動作波形(a)、動作点P1(H)における動作波形(b)である。FIG. 6 is an operation waveform (a) at an operation point P1 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P1 (H) of the switching power supply device (first case) shown in FIG. 図5(b)に示すスイッチング電源装置(第1のケース)の動作点P2(L)における動作波形(a)、動作点P2(H)における動作波形(b)である。FIG. 6 is an operation waveform (a) at an operation point P2 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P2 (H) of the switching power supply device (first case) shown in FIG. 図5(b)に示すスイッチング電源装置(第2のケース)の動作点P1(L)における動作波形(a)、動作点P1(H)における動作波形(b)である。FIG. 6 is an operation waveform (a) at an operation point P1 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P1 (H) of the switching power supply device (second case) shown in FIG. 図5(b)に示すスイッチング電源装置(第2のケース)の動作点P2(L)における動作波形(a)、動作点P2(H)における動作波形(b)である。FIG. 6 is an operation waveform (a) at an operation point P2 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P2 (H) of the switching power supply device (second case) shown in FIG. 図5(b)に示すスイッチング電源装置(第3のケース)の動作点P1(L)における動作波形(a)、動作点P1(H)における動作波形(b)である。FIG. 6 is an operation waveform (a) at an operation point P1 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P1 (H) of the switching power supply device (third case) shown in FIG. 図5(b)に示すスイッチング電源装置(第3のケース)の動作点P2(L)における動作波形(a)、動作点P2(H)における動作波形(b)である。FIG. 6 is an operation waveform (a) at an operation point P2 (L) and an operation waveform (b) at an operation point P2 (H) of the switching power supply device (third case) shown in FIG. スロープ補正回路を有する特許文献1のスイッチング電源装置の動作点P1(L)における動作波形(a)、動作点P1(H)における動作波形(b)である。They are the operating waveform (a) at the operating point P1 (L) and the operating waveform (b) at the operating point P1 (H) of the switching power supply device of Patent Document 1 having the slope correction circuit.

以下、本発明のスイッチング電源装置の一実施形態について、図1〜図4に基づいて説明する。ここで、従来のスイッチング電源装置10,36と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。この実施形態のスイッチング電源装置40は、図1に示すように、パルス・バイ・パルス方式の過電流保護を行うフライバック型の電源装置であり、電流モード方式のパルス幅変調を行うと共に、スイッチング周波数Tswが変動して擬似共振モード動作を行う。   Hereinafter, an embodiment of a switching power supply device of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the same components as those of the conventional switching power supply devices 10 and 36 will be described with the same reference numerals. As shown in FIG. 1, the switching power supply 40 of this embodiment is a flyback type power supply that performs pulse-by-pulse overcurrent protection, performs current mode pulse width modulation, and performs switching. The pseudo resonance mode operation is performed by changing the frequency Tsw.

入力電源12が接続される入力ライン14とグランドライン16との間に、トランス18の一次巻線18aと主スイッチング素子20との直列回路が設けられ、主スイッチング素子20がオンオフすることにより、一次巻線18aに入力電圧Viを断続した電圧が印加される。トランス18の二次巻線18bには整流平滑回路38が接続され、二次巻線18bに発生する電圧を整流平滑し、負荷24に直流の出力電圧Vo及び出力電流Ioを供給する。さらにトランス18には、補助巻線18cが設けられ、極性を示すドットが付された一端がグランドライン16に接続されている。   A series circuit of the primary winding 18a of the transformer 18 and the main switching element 20 is provided between the input line 14 to which the input power supply 12 is connected and the ground line 16, and the primary switching element 20 is turned on and off, whereby the primary A voltage obtained by intermittently inputting the input voltage Vi is applied to the winding 18a. A rectifying / smoothing circuit 38 is connected to the secondary winding 18 b of the transformer 18 to rectify and smooth the voltage generated in the secondary winding 18 b, and supply a DC output voltage Vo and an output current Io to the load 24. Further, the transformer 18 is provided with an auxiliary winding 18c, and one end with a polarity dot is connected to the ground line 16.

主スイッチング素子20とグランドライン16との間には、電流検出回路26である検出抵抗26aが挿入されている。検出抵抗26aには、主スイッチング素子20のスイッチング電流Idが流れることによって正の電圧降下が発生し、その電圧降下を電流検出電圧Vdとして出力する。   A detection resistor 26 a that is a current detection circuit 26 is inserted between the main switching element 20 and the ground line 16. A positive voltage drop occurs when the switching current Id of the main switching element 20 flows in the detection resistor 26a, and the voltage drop is output as the current detection voltage Vd.

主スイッチング素子20は、ここではNチャネルのMOS型FETであり、制御回路42が出力する駆動パルスVg44によって駆動され、駆動パルスVg44がハイレベルのときにオンし、ローレベルのときにオフする。   The main switching element 20 is an N-channel MOS FET here, and is driven by a drive pulse Vg44 output from the control circuit 42. The main switching element 20 is turned on when the drive pulse Vg44 is at a high level and turned off when the drive pulse Vg44 is at a low level.

制御回路42には、誤差増幅回路30、比較器34、駆動パルス生成回路44が設けられている。誤差増幅回路30は、出力電圧Voとその目標値Vo1との差を増幅した誤差増幅電圧V30を生成し、駆動パルス生成回路44及び比較器34に向けて出力する。   The control circuit 42 includes an error amplifier circuit 30, a comparator 34, and a drive pulse generation circuit 44. The error amplification circuit 30 generates an error amplification voltage V30 obtained by amplifying the difference between the output voltage Vo and the target value Vo1, and outputs the error amplification voltage V30 to the drive pulse generation circuit 44 and the comparator 34.

比較器34は第一及び第二入力端子34(1),34(2)を有し、第一入力端子34(1)は、電流検出回路26の出力端に接続され、第二入力端子34(2)は、誤差増幅回路30の出力端に接続されている。また、第二入力端子34(2)にはツェナーダイオード46が接続され、そのツェナー電圧Vr1により、第一基準電圧Vr1が設定されている。   The comparator 34 has first and second input terminals 34 (1) and 34 (2). The first input terminal 34 (1) is connected to the output terminal of the current detection circuit 26, and the second input terminal 34. (2) is connected to the output terminal of the error amplifier circuit 30. A Zener diode 46 is connected to the second input terminal 34 (2), and the first reference voltage Vr1 is set by the Zener voltage Vr1.

誤差増幅電圧V30が第一基準電圧Vr1より低いとき、比較器34は、誤差増幅電圧V30と第一入力端子34(1)の電圧V34(1)と用いて電流モード方式のパルス幅変調を行う。そして、駆動パルス生成回路44は、比較器34の変調出力に基づき、出力電圧Voを目標値Vo1に近づける駆動パルスVg44を生成する。一方、誤差増幅電圧V30が第一基準電圧Vr1を超えると、比較器34は、電圧V34(1)が第二入力端子34(2)に設定された第一基準電圧Vr1に達する毎に出力が反転し、駆動パルス生成回路44は、比較器34の出力反転を受けて駆動パルスVg44をローレベルに反転させる。その結果、主スイッチング素子20のオン時間が強制的に短くなり、出力電圧Voがダウンし出力電流Ioも制限される。   When the error amplification voltage V30 is lower than the first reference voltage Vr1, the comparator 34 uses the error amplification voltage V30 and the voltage V34 (1) of the first input terminal 34 (1) to perform current mode pulse width modulation. . Then, the drive pulse generation circuit 44 generates a drive pulse Vg44 that brings the output voltage Vo close to the target value Vo1 based on the modulation output of the comparator 34. On the other hand, when the error amplification voltage V30 exceeds the first reference voltage Vr1, the comparator 34 outputs every time the voltage V34 (1) reaches the first reference voltage Vr1 set at the second input terminal 34 (2). The drive pulse generation circuit 44 receives the output inversion of the comparator 34 and inverts the drive pulse Vg44 to a low level. As a result, the on-time of the main switching element 20 is forcibly shortened, the output voltage Vo is reduced, and the output current Io is also limited.

また、駆動パルス生成回路44は、擬似共振モード動作を実現するため、補助巻線18cの電圧を観測している。具体的には、整流ダイオード38aが非導通になった後、主スイッチング素子20の両端電圧がゼロ付近まで低下したことを、補助巻線18aの電圧Vsを観測することによって検出し、主スイッチング素子20がオンに転じるタイミングを決定する。   Further, the drive pulse generation circuit 44 observes the voltage of the auxiliary winding 18c in order to realize the quasi-resonant mode operation. Specifically, after the rectifier diode 38a becomes non-conductive, it is detected by observing the voltage Vs of the auxiliary winding 18a that the voltage across the main switching element 20 has dropped to near zero. The timing at which 20 turns on is determined.

さらに、駆動パルス生成回路44には、第一基準電圧Vr1よりも低い第二基準電圧Vr2が設定され、誤差増幅電圧V30が第二基準電圧Vr2より低くなると、駆動パルスVg44を出力する期間と停止する期間とを交互に繰り返すバーストモード動作を行う。この制御回路42は、比較器34が電流モード方式のパルス幅変調を行う構成なので、図2(a)のグラフに示すように、誤差増幅電圧V30は、出力電流Ioが小さくなるほど低くなる。そこで、駆動パルス生成回路44は、誤差増幅電圧V30が第二基準電圧Vr2以下になると、出力電流Ioが一定以下に低下した(例えば、負荷24が動作を停止して待機状態になった)と判断し、バーストモード動作を行う。バーストモード動作が行われると、主スイッチング素子20に発生するスイッチング損失等の無駄な電力消費が抑えられ、電源装置の省エネルギー化を図ることができる。   Further, when the second reference voltage Vr2 lower than the first reference voltage Vr1 is set in the drive pulse generation circuit 44 and the error amplification voltage V30 becomes lower than the second reference voltage Vr2, the drive pulse Vg44 is output and stopped. The burst mode operation is repeated alternately with the period to be performed. Since the control circuit 42 is configured so that the comparator 34 performs pulse width modulation of the current mode method, as shown in the graph of FIG. 2A, the error amplification voltage V30 decreases as the output current Io decreases. Therefore, when the error amplification voltage V30 becomes equal to or lower than the second reference voltage Vr2, the drive pulse generation circuit 44 determines that the output current Io has decreased below a certain level (for example, the load 24 has stopped operating and has entered a standby state). Determine and perform burst mode operation. When the burst mode operation is performed, useless power consumption such as switching loss generated in the main switching element 20 is suppressed, and energy saving of the power supply device can be achieved.

制御回路42は、上記の構成に加え、出力電流Ioの制限値Io2を入力電圧Viの高低に応じて補正するための入力補正回路48が設けられている。入力補正回路48は、図1に示すように、第一補正抵抗50、タイマコンデンサ52、充電回路である充電抵抗54、放電回路56、エミッタフォロア回路58、及び第二補正抵抗60で構成されている。第一補正抵抗50は、検出抵抗26aの主スイッチング素子20側の一端と、比較器34の第一入力端子34(1)との間に挿入された抵抗で、検出抵抗26aよりも十分大きい抵抗値に設定されている。タイマコンデンサ52は、一端がグランドライン16に接続された比較的小さい容量のコンデンサである。充電抵抗54は、入力ライン14とタイマコンデンサ52の他端との間に接続された抵抗で、タイマコンデンサ52に向けて入力電圧Viの高低に応じて増減する充電電流を供給する働きをする。放電回路56は、抵抗値が小さい放電抵抗56aと放電ダイオード56bとの直列回路で成り、タイマコンデンサ52の他端と駆動パルス生成回路44の出力端との間に接続され、放電ダイオード56bのカソード端子が駆動パルス生成回路44側に配されている。放電回路56は、主スイッチング素子20のオフ期間にタイマコンデンサ52の電圧V52をリセットし、その後、オンが開始するタイミングで前記タイマコンデンサを充電可能にする働きをする。エミッタフォロア回路58は、補助巻線18cの電圧Vsをピークホールドして直流電圧Vccを生成する補助電源回路58aと、ベース端子がタイマコンデンサ52の他端に接続され、コレクタ端子が補助電源回路58aの出力に接続されたNPNトランジスタ58bとで構成され、エミッタ端子から電圧V52を低インピーダンスに出力する働きをする。第二補正抵抗60は、エミッタフォロア回路58の出力であるNPNトランジスタ58bのエミッタ端子と比較器34の第一入力端子34(1)との間に接続され、エミッタフォロア回路58が出力する補正電流Ibの大きさを調節する働きをする。   In addition to the above configuration, the control circuit 42 is provided with an input correction circuit 48 for correcting the limit value Io2 of the output current Io according to the level of the input voltage Vi. As shown in FIG. 1, the input correction circuit 48 includes a first correction resistor 50, a timer capacitor 52, a charging resistor 54 that is a charging circuit, a discharging circuit 56, an emitter follower circuit 58, and a second correction resistor 60. Yes. The first correction resistor 50 is a resistor inserted between one end of the detection resistor 26a on the main switching element 20 side and the first input terminal 34 (1) of the comparator 34, and is sufficiently larger than the detection resistor 26a. Is set to a value. The timer capacitor 52 is a capacitor having a relatively small capacity and having one end connected to the ground line 16. The charging resistor 54 is a resistor connected between the input line 14 and the other end of the timer capacitor 52 and serves to supply a charging current that increases or decreases to the timer capacitor 52 according to the level of the input voltage Vi. The discharge circuit 56 is composed of a series circuit of a discharge resistor 56a and a discharge diode 56b having a small resistance value, and is connected between the other end of the timer capacitor 52 and the output end of the drive pulse generating circuit 44, and is the cathode of the discharge diode 56b. The terminals are arranged on the drive pulse generation circuit 44 side. The discharge circuit 56 functions to reset the voltage V52 of the timer capacitor 52 during the OFF period of the main switching element 20, and then to charge the timer capacitor at the timing when ON is started. The emitter follower circuit 58 has an auxiliary power supply circuit 58a for generating a DC voltage Vcc by peak-holding the voltage Vs of the auxiliary winding 18c, a base terminal connected to the other end of the timer capacitor 52, and a collector terminal connected to the auxiliary power supply circuit 58a. And an NPN transistor 58b connected to the output of No. 5 and outputs the voltage V52 from the emitter terminal to a low impedance. The second correction resistor 60 is connected between the emitter terminal of the NPN transistor 58 b which is the output of the emitter follower circuit 58 and the first input terminal 34 (1) of the comparator 34, and the correction current output from the emitter follower circuit 58. It works to adjust the size of Ib.

入力補正回路48は、次のように動作する。駆動パルスVg44がハイレベルの期間(主スイッチング素子20がオンの期間)、放電回路56が非導通となり、タイマコンデンサ52が充電抵抗54によって充電され、電圧V52が入力電圧Viの高低に応じた傾きで上昇する。駆動パルスVg44がローレベルに転じると(主スイッチング素子20がオフに転じると)、放電回路56が導通し、電圧V52が放電抵抗56aを通じて瞬時にリセットされ、電圧V52が放電ダイオード56bの順方向電圧に保持される。したがって、電圧V52は、放電ダイオード56bの順方向電圧を初期値として右肩上がりに上昇する鋸波状の波形となる。   The input correction circuit 48 operates as follows. During a period in which the drive pulse Vg44 is at a high level (a period in which the main switching element 20 is on), the discharge circuit 56 is turned off, the timer capacitor 52 is charged by the charging resistor 54, and the voltage V52 is inclined according to the level of the input voltage Vi. To rise. When the drive pulse Vg44 turns to low level (when the main switching element 20 turns off), the discharge circuit 56 becomes conductive, the voltage V52 is instantaneously reset through the discharge resistor 56a, and the voltage V52 becomes the forward voltage of the discharge diode 56b. Retained. Therefore, the voltage V52 has a sawtooth waveform that rises to the right with the forward voltage of the discharge diode 56b as an initial value.

エミッタフォロア回路58の出力電圧は、電圧V52からNPNトランジスタ58bのベースエミッタ間飽和電圧を差し引いた電圧となり、放電ダイオード56bの順方向電圧の影響がキャンセルされる。したがって、この放電回路56によれば、NPNトランジスタ58bのベースエミッタ間飽和電圧が放電ダイオード56bの順方向電圧によって温度補償されるという利点がある。   The output voltage of the emitter follower circuit 58 is a voltage obtained by subtracting the base-emitter saturation voltage of the NPN transistor 58b from the voltage V52, and the influence of the forward voltage of the discharge diode 56b is cancelled. Therefore, this discharge circuit 56 has an advantage that the base-emitter saturation voltage of the NPN transistor 58b is temperature-compensated by the forward voltage of the discharge diode 56b.

エミッタフォロア回路58が第二補正抵抗60を通じて出力する補正電流Ibは、第一補正抵抗50及び検出抵抗26aに流れる。補正電流Ibは、エミッタフォロア回路58の出力電圧と類似した波形となり、第一補正抵抗50の両端に入力電圧Viの高低に応じて傾きが変化する鋸波状の補正電圧Vbが発生する。   The correction current Ib output from the emitter follower circuit 58 through the second correction resistor 60 flows to the first correction resistor 50 and the detection resistor 26a. The correction current Ib has a waveform similar to that of the output voltage of the emitter follower circuit 58, and a sawtooth correction voltage Vb whose slope changes according to the level of the input voltage Vi is generated at both ends of the first correction resistor 50.

この入力補正回路48は、特許文献1のスイッチング電源装置が有するスロープ補正回路と同様に、電流発振現象を防止する働きもする。電流発振現象は、入力電圧Viが低いとき(スイッチング電流Idの傾きが小さいとき)ほど発生しやすい。したがって、入力電圧補正回路48は、電流発振現象を確実に防止するため、入力電圧Viが低いときでも補正電圧Vbの傾きが一定以上になるように設計されている。電流発振現象が発生しないことが明らかな場合は、設計時にこのようなことを考慮する必要はない(例えば、主スイッチング素子20のオンの時比率が50%以上にならない場合等)。   The input correction circuit 48 also functions to prevent a current oscillation phenomenon, similar to the slope correction circuit included in the switching power supply device of Patent Document 1. The current oscillation phenomenon is more likely to occur as the input voltage Vi is lower (when the slope of the switching current Id is smaller). Therefore, the input voltage correction circuit 48 is designed so that the slope of the correction voltage Vb is equal to or greater than a certain value even when the input voltage Vi is low, in order to reliably prevent the current oscillation phenomenon. When it is clear that the current oscillation phenomenon does not occur, it is not necessary to consider this at the time of designing (for example, when the ON ratio of the main switching element 20 does not exceed 50%).

次に、入力電圧Viと出力電流Ioの制限値Io2との関係について説明する。スイッチング電源装置40の場合、図2(b)に示すように、入力電圧Viが高いときの制限値Io2(H)を、入力電圧Viが低いときの制限値Io(L)とほぼ同じ値にすることができる。   Next, the relationship between the input voltage Vi and the limit value Io2 of the output current Io will be described. In the case of the switching power supply 40, as shown in FIG. 2 (b), the limit value Io2 (H) when the input voltage Vi is high is set to the same value as the limit value Io (L) when the input voltage Vi is low. can do.

スイッチング電源装置40は擬似共振モードで動作するフライバック型の電源装置なので、第一の要因である「入力電圧Viの高低によって、出力電流Ioとスイッチング電流Idのピーク値Ipとの相関関係がどのように変化するか」という点と、第二の要因である「入力電圧Viの高低によって、過電流保護用の比較器が有する遅延時間の影響度がどのように変化するか」という2つの要因が、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因となり得る。これは、図13、図14を用いて説明した通りである。   Since the switching power supply 40 is a flyback type power supply operating in a quasi-resonant mode, the first factor is “depending on the input voltage Vi, the correlation between the output current Io and the peak value Ip of the switching current Id. And two factors, the second factor is "how the influence of the delay time of the comparator for overcurrent protection changes depending on the level of the input voltage Vi" However, this may cause a problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”. This is as described with reference to FIGS. 13 and 14.

しかし、スイッチング電源装置40の場合、第一の要因と第二の要因は、入力補正回路48が出力する独特の補正電圧Vbの働きによってキャンセルされる。まず、入力電圧Viが低くて出力電流IoがIo1(<Io2(L),Io2(H))である動作点P1(L)の動作波形(図3(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流Ioが同じIo1である動作点P1(H)の動作波形(図3(b))とを比較する。ここで、図3(a)は、比較器34の第一入力端子34の電圧V34(1)の波形であり、検出抵抗26aから出力される電流検出電圧Vd(L)の波形と第一補正抵抗50に発生する補正電圧Vb(L)の波形とを合波したものである。ta(L)は、スイッチング電流Id(L)が流れる時間である。電流検出電圧Vd(L)の波形は、検出抵抗26aの抵抗値で除算するとスイッチング電流Id(L)の波形になる。Vba(L)は、時間ta(L)が終了する時の補正電圧Vbの値である。図3(b)も同様である。   However, in the case of the switching power supply device 40, the first factor and the second factor are canceled by the action of the unique correction voltage Vb output from the input correction circuit 48. First, the operating waveform (FIG. 3A) of the operating point P1 (L) where the input voltage Vi is low and the output current Io is Io1 (<Io2 (L), Io2 (H)) and the input voltage Vi is high. Then, the operation waveform (FIG. 3B) at the operation point P1 (H) where the output current Io is the same Io1 is compared. 3A shows the waveform of the voltage V34 (1) at the first input terminal 34 of the comparator 34. The waveform of the current detection voltage Vd (L) output from the detection resistor 26a and the first correction are shown in FIG. This is a combination of the waveform of the correction voltage Vb (L) generated in the resistor 50. ta (L) is a time during which the switching current Id (L) flows. The waveform of the current detection voltage Vd (L) becomes the waveform of the switching current Id (L) when divided by the resistance value of the detection resistor 26a. Vba (L) is the value of the correction voltage Vb when the time ta (L) ends. The same applies to FIG.

図3(a),(b)から分かるように、入力補正回路48が生成する補正電圧Vbは、入力電圧Viの高低に応じて傾きが変化し、電圧値Vba(H)が電圧値Vba(L)よりも適度に高くなる。その結果、出力電流Ioが同じIo1であるにもかかわらず、動作点P1(H)の方が、電圧V34(1)のピーク値と第一基準電圧Vr1との差が小さくなる。したがって、補正電圧Vbの傾きの変化が第一の要因と第二の要因を打ち消す方向に働き、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題が解消される。   As can be seen from FIGS. 3A and 3B, the correction voltage Vb generated by the input correction circuit 48 changes in slope according to the level of the input voltage Vi, and the voltage value Vba (H) is changed to the voltage value Vba (H Moderately higher than L). As a result, although the output current Io is the same Io1, the difference between the peak value of the voltage V34 (1) and the first reference voltage Vr1 is smaller at the operating point P1 (H). Therefore, the change in the slope of the correction voltage Vb works in a direction to cancel the first factor and the second factor, and the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io” is solved.

また、スイッチング電源装置40の場合、入力補正回路48を有しているので、第三の要因である「入力電圧Viの高低によって、電流検出電圧Vdに加算される補正電圧Vbがどのように変化するか」という点も考察すべきである。しかし、スイッチング電源装置40の場合、図15を用いて説明した特許文献1のスイッチング電源とは異なり、電圧値Vba(H)が電圧値Vba(L)よりも高い。したがって、第三の要因は、「入力電圧Viが高いほど出力電流Ioの制限値Io2が大きくなる」という問題の原因にはならない。   Further, since the switching power supply device 40 has the input correction circuit 48, the third factor is “how the correction voltage Vb added to the current detection voltage Vd varies depending on the level of the input voltage Vi. You should also consider the point of “do you?” However, in the case of the switching power supply device 40, the voltage value Vba (H) is higher than the voltage value Vba (L), unlike the switching power supply disclosed in Patent Document 1 described with reference to FIG. Therefore, the third factor does not cause the problem that “the higher the input voltage Vi, the larger the limit value Io2 of the output current Io”.

次に、入力補正回路48の動作と駆動パルス生成回路44が行うバーストモード動作との関係について説明する。先に述べたように、スイッチング電源装置40の比較器34は、誤差増幅電圧V30と第一入力端子34(1)の電圧V34(1)と用いて電流モード方式のパルス幅変調を行うため、誤差増幅電圧V30が電圧V34(1)のピーク値とほぼ等しくなる。したがって、出力電流Ioが小さくなると、電圧V34(1)及び誤差増幅電圧V30が低下し、誤差増幅電圧V30が第二基準電圧Vr1以下になると、消費電力を抑えるためのバーストモード動作を開始する。   Next, the relationship between the operation of the input correction circuit 48 and the burst mode operation performed by the drive pulse generation circuit 44 will be described. As described above, the comparator 34 of the switching power supply device 40 performs current mode pulse width modulation using the error amplification voltage V30 and the voltage V34 (1) of the first input terminal 34 (1). The error amplification voltage V30 becomes substantially equal to the peak value of the voltage V34 (1). Therefore, when the output current Io decreases, the voltage V34 (1) and the error amplification voltage V30 decrease, and when the error amplification voltage V30 becomes equal to or lower than the second reference voltage Vr1, a burst mode operation for suppressing power consumption is started.

ここで、入力電圧Viが高くて出力電流IoがIo1である動作点P1(H)の動作波形(図4(a))と、入力電圧Viが高くて出力電流Ioが非常に小さい動作点P0(H)の動作波形(図4(b))とを比較する。図4(a)は、比較器34の第一入力端子34(1)の電圧V34(1)の波形であり、検出抵抗26aから出力される電流検出電圧Vd(H)の波形と第一補正抵抗50に発生する補正電圧Vb(H)の波形とを合波したものである。図4(b)も同様である。   Here, the operating waveform (FIG. 4A) of the operating point P1 (H) where the input voltage Vi is high and the output current Io is Io1, and the operating point P0 where the input voltage Vi is high and the output current Io is very small. The operation waveform (H) (FIG. 4B) is compared. FIG. 4A shows the waveform of the voltage V34 (1) at the first input terminal 34 (1) of the comparator 34. The waveform of the current detection voltage Vd (H) output from the detection resistor 26a and the first correction are shown in FIG. The waveform of the correction voltage Vb (H) generated in the resistor 50 is combined. The same applies to FIG.

図4(a),(b)から分かるように、駆動パルス生成回路44は、電圧V34(1)に補正電圧Vbの成分が含まれているものの、軽負荷時のバーストモード動作を適切に行うことができる。これは、補正電圧Vbが右肩上がりの鋸波状の波形になっていることによる効果である。   As can be seen from FIGS. 4A and 4B, the drive pulse generation circuit 44 appropriately performs the burst mode operation at light load although the voltage V34 (1) includes the component of the correction voltage Vb. be able to. This is due to the fact that the correction voltage Vb has a sawtooth waveform that rises to the right.

比較例として、補正電圧Vbが直流電圧であり、入力電圧Viが低いときの値がVba(L)、高いときの値Vba(H)で、これらと第二基準電圧Vr2との大小関係が、Vba(H)>Vr2>Vba(L)となっている場合を考える。この場合、入力電圧Viが低いときは、出力電流Ioゼロになると誤差増幅電圧V30がほぼVba(L)まで低下し、第二基準電圧Vr2より低くなるので、バーストモード動作を行うことができる。一方、入力電圧Viが高いときは、出力電流Ioゼロになると誤差増幅電圧V30がほぼVba(H)までしか低下せず、第二基準電圧Vr2より高い値に保持されるので、バーストモード動作を行うことができない。   As a comparative example, the correction voltage Vb is a DC voltage, the value when the input voltage Vi is low is Vba (L), the value Vba (H) when high, and the magnitude relationship between these and the second reference voltage Vr2, Consider the case where Vba (H)> Vr2> Vba (L). In this case, when the input voltage Vi is low, when the output current Io becomes zero, the error amplification voltage V30 drops to almost Vba (L) and becomes lower than the second reference voltage Vr2, so that a burst mode operation can be performed. On the other hand, when the input voltage Vi is high, when the output current Io becomes zero, the error amplification voltage V30 decreases only to approximately Vba (H) and is maintained at a value higher than the second reference voltage Vr2, so that the burst mode operation is performed. I can't do it.

このように、スイッチング電源装置40は、補正電圧Vbが右肩上がりの鋸波状の波形になっていることによって、入力電圧Viの高低によらず、出力電流Ioが小さい時のバーストモード動作を適切に行うことができる。   As described above, the switching power supply 40 appropriately performs the burst mode operation when the output current Io is small, regardless of the level of the input voltage Vi, because the correction voltage Vb has a sawtooth waveform rising upward. Can be done.

以上説明したように、スイッチング電源装置40は、入力電圧Viの高低に応じて傾きが変化する鋸波状の補正電圧Vbを発生させる入力補正回路48が設けられ、スイッチング電流Idを検出した電流検出電圧Vdに補正電圧Vbを加算することにより、入力電圧Viに対して出力電流Ioの制限値Io2が変動するのを抑制することができる。また、入力補正回路48は、構成がシンプルで、補正量の調節(電流検出電圧Vdに対する補正電圧Vdの比率の調節)も容易である。また、補正電圧Vbが鋸波状の波形なので、電流発振現象を防止できるという効果、軽負荷時のバーストモード動作を適切に行うことができるという効果も得られる。
なお、本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。例えば、入力補正回路の充電回路は、入力電圧の高低に応じて増減する充電電流をタイマコンデンサに向けて供給可能な回路であればよく、上記の充電抵抗54の一端を、入力ライン14ではなく、入力電圧の高低に応じて電位が変化する他の回路部分に接続してもよい。また、充電抵抗54に代えて、入力電圧を電流信号に変換して出力する電圧―電流変換回路等を使用してもよい。
As described above, the switching power supply device 40 is provided with the input correction circuit 48 that generates the sawtooth correction voltage Vb whose slope changes according to the level of the input voltage Vi, and the current detection voltage that detects the switching current Id. By adding the correction voltage Vb to Vd, it is possible to prevent the limit value Io2 of the output current Io from fluctuating with respect to the input voltage Vi. Further, the input correction circuit 48 has a simple configuration and can easily adjust the correction amount (adjustment of the ratio of the correction voltage Vd to the current detection voltage Vd). In addition, since the correction voltage Vb has a sawtooth waveform, the effect of preventing the current oscillation phenomenon and the effect of appropriately performing the burst mode operation at a light load can be obtained.
The switching power supply device of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the charging circuit of the input correction circuit may be any circuit that can supply a charging current that increases or decreases depending on the level of the input voltage toward the timer capacitor, and one end of the charging resistor 54 is not connected to the input line 14. Alternatively, it may be connected to another circuit portion whose potential changes depending on the level of the input voltage. Instead of the charging resistor 54, a voltage-current conversion circuit that converts the input voltage into a current signal and outputs the current signal may be used.

入力補正回路の放電回路は、上記の放電回路56の構成に限定されず、例えば、特許文献1のスイッチング電源装置と同様に、スイッチングの1周期が開始する直前(主スイッチング素子がオンする直前)にタイマコンデンサの電圧をリセットするスイッチの構成でもよい。   The discharge circuit of the input correction circuit is not limited to the configuration of the discharge circuit 56 described above. For example, just like the switching power supply device of Patent Document 1, just before one switching cycle starts (just before the main switching element is turned on). Alternatively, the switch may be configured to reset the voltage of the timer capacitor.

電流検出回路は、図1に示すように、主スイッチング素子20とグランドライン16の間に検出抵抗26aを挿入する構成でもよいし、図4(c)に示すように、カレントトランス26b等を用いた構成にしてもよい。   The current detection circuit may have a configuration in which a detection resistor 26a is inserted between the main switching element 20 and the ground line 16 as shown in FIG. 1, or a current transformer 26b or the like is used as shown in FIG. 4 (c). You may make it the structure which was.

スイッチング電源装置40は、比較器34で電流モード方式のパルス幅変調を行い、これを利用して駆動パルス生成回路44がバーストモード動作を行うという構成であるが、バーストモード動作の機能は必要に応じて省略することができる。また電流モード方式を電圧モード方式に変更してもよい。いずれの場合も、上記と同様に、入力電圧Viに対して出力電流Ioの制限値Io2が変動するのを抑制できる等の優れた効果を得ることができる。   The switching power supply device 40 has a configuration in which the comparator 34 performs pulse width modulation of the current mode method, and the drive pulse generation circuit 44 performs the burst mode operation using this, but the function of the burst mode operation is necessary. It can be omitted accordingly. Further, the current mode method may be changed to the voltage mode method. In any case, similar to the above, it is possible to obtain an excellent effect such as suppression of fluctuations in the limit value Io2 of the output current Io with respect to the input voltage Vi.

また、スイッチング電源装置40は、表1の中の「スイッチング周波数が変動し擬似共振モード動作を行うフライバック型の電源装置」に該当し、上述したように、新規な構成の入力補正回路を設けることにより、第一及び第二の要因の影響を打ち消すことができ、第三の要因による悪影響も発生しない。この新規な入力補正回路は、表1に例示した他の回路方式に適用することも可能であり、同様の作用効果を得ることができる。例えば、「スイッチング周波数が変動しトランス電流臨界モード動作を行うフライバック型の電源装置」に適用した場合、第一及び第二の要因の影響を打ち消すことができる。「スイッチング周波数が一定でインダクタ電流連続モード動作を行シングルエンディッドフライバック型の電源装置」や「スイッチング周波数が一定でトランス電流不連続モード動作を行うフライバック型の電源装置」の場合も、第二の要因の影響を打ち消すことができる。その他、各種ブリッジ型、プッシュプル型の電源装置に適用することも可能である。なお、第一及び第二の要因の2つを打ち消す場合は、第二の要因だけを打ち消す場合よりも、補正量(電流検出電圧に対する補正電圧の比率)を大きくすることが好ましい。補正量の調節は、入力補正回路の第一及び第二補正抵抗の抵抗値、タイマコンデンサの容量値、充電回路の充電電流の大きさ等を変更することによって容易に行うことができる。   Further, the switching power supply device 40 corresponds to “a flyback power supply device in which the switching frequency fluctuates and operates in a quasi-resonant mode” in Table 1, and includes an input correction circuit having a novel configuration as described above. As a result, the influence of the first and second factors can be counteracted, and the adverse effect of the third factor does not occur. This new input correction circuit can also be applied to other circuit systems exemplified in Table 1, and the same operational effects can be obtained. For example, when applied to a “flyback type power supply device in which the switching frequency varies and the transformer current critical mode operation is performed”, the influence of the first and second factors can be canceled out. In the case of “single-end flyback type power supply device with constant switching frequency and continuous inductor current mode operation” and “flyback type power supply device with constant switching frequency and transformer current discontinuous mode operation” The influence of two factors can be counteracted. In addition, the present invention can be applied to various bridge type and push-pull type power supply devices. In the case of canceling two of the first and second factors, it is preferable to increase the correction amount (the ratio of the correction voltage to the current detection voltage) compared to the case of canceling only the second factor. Adjustment of the correction amount can be easily performed by changing the resistance values of the first and second correction resistors of the input correction circuit, the capacitance value of the timer capacitor, the magnitude of the charging current of the charging circuit, and the like.

10,36,40 スイッチング電源装置
14 入力ライン
16 グランドライン
18 トランス
18a 入力巻線
18b 出力巻線
20 主スイッチング素子
22,38 整流平滑回路
26 電流検出回路
26a 検出抵抗
28,42 制御回路
30 誤差増幅回路
32,44 駆動パルス生成回路
34 比較器
34(1) 第一入力端子
34(2) 第二入力端子
48 入力補正回路
50 第一補正抵抗
52 タイマコンデンサ
54 充電抵抗(充電回路)
56 放電回路
56a 放電抵抗
56b 放電ダイオード
58 エミッタフォロア回路
58b NPNトランジスタ
60 第二補正抵抗
Ib 補正電流
Id スイッチング電流
Io 出力電流
Io2 制限値
V30 誤差増幅電圧
V34(1) 第一入力端子の電圧
Vb 補正電圧
Vd 電流検出電圧
Vg44 駆動パルス
Vi 入力電圧
Vo 出力電圧
Vo1 出力電圧の目標値
Vr1 第一基準電圧
Vr2 第二基準電圧
10, 36, 40 Switching power supply device 14 Input line 16 Ground line 18 Transformer 18a Input winding 18b Output winding 20 Main switching element 22, 38 Rectification smoothing circuit 26 Current detection circuit 26a Detection resistance 28, 42 Control circuit 30 Error amplification circuit 32, 44 Drive pulse generation circuit 34 Comparator 34 (1) First input terminal 34 (2) Second input terminal 48 Input correction circuit 50 First correction resistor 52 Timer capacitor 54 Charging resistor (charging circuit)
56 discharge circuit 56a discharge resistor 56b discharge diode 58 emitter follower circuit 58b NPN transistor 60 second correction resistor
Ib correction current
Id switching current
Io output current
Io2 limit value
V30 Error amplification voltage
V34 (1) Voltage of the first input terminal
Vb correction voltage
Vd Current detection voltage
Vg44 drive pulse
Vi input voltage
Vo output voltage
Vo1 output voltage target value
Vr1 first reference voltage
Vr2 Second reference voltage

Claims (5)

入力電圧が印加される入力ライン及びグランドラインと、前記入力ラインと前記グランドラインとの間に接続された、トランスの一次巻線と主スイッチング素子との直列回路と、前記トランスの二次巻線に接続され、前記二次巻線に発生する電圧を整流平滑し、負荷に出力電圧及び出力電流を供給する整流平滑回路と、前記主スイッチング素子と直列の位置に挿入され、前記主スイッチング素子に流れるスイッチング電流を電圧変換することによって正の電流検出電圧を発生させ、一端が前記グランドラインに接続された検出抵抗の他端から出力する電流検出回路と、前記主スイッチング素子をオンオフさせるための駆動パルスを生成し、前記出力電圧に基づいて前記主スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は比較器を有し、前記比較器は、第一入力端子に前記検出抵抗の出力端が接続され、第二入力端子に第一基準電圧が設定され、前記第一入力端の電圧が前記第一基準電圧を超えると、前記比較器の出力が反転することによって前記駆動パルスのロジックが反転し、前記出力電圧に関係なく前記主スイッチング素子をオフさせるスイッチング電源装置において、
前記検出抵抗の他端と前記比較器の第一入力端子との間に挿入された第一補正抵抗と、一端が前記グランドラインに接続されたタイマコンデンサと、前記タイマコンデンサの他端に向けて前記入力電圧の高低に応じて増減する充電電流を供給する充電回路と、前記主スイッチング素子のオフ期間に前記タイマコンデンサの電圧をリセットし、その後、オンが開始するタイミングで前記タイマコンデンサを充電可能にする放電回路と、ベース端子が前記タイマコンデンサの他端に接続されたNPNトランジスタで構成されたエミッタフォロア回路と、前記エミッタフォロア回路の出力端である前記NPNトランジスタのエミッタ端子と前記比較器の第一入力端子との間に接続された第二補正抵抗とを備え、
前記主スイッチング素子がオンの期間、前記エミッタフォロア回路が前記第二補正抵抗を通じて出力する補正電流が前記第一補正抵抗に流れることによって、前記第一補正抵抗の両端に前記入力電圧の高低に応じて傾きが変化する鋸波状の補正電圧が発生することを特徴とするスイッチング電源装置。
An input line to which an input voltage is applied, a ground line, a series circuit of a primary winding of the transformer and a main switching element connected between the input line and the ground line, and a secondary winding of the transformer A rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes a voltage generated in the secondary winding and supplies an output voltage and an output current to a load; and is inserted in a position in series with the main switching element; A current detection circuit that generates a positive current detection voltage by voltage-converting the flowing switching current and outputs one end from the other end of the detection resistor connected to the ground line, and a drive for turning on and off the main switching element A control circuit that generates a pulse and controls an on time and an off time of the main switching element based on the output voltage.
The control circuit includes a comparator, and the comparator has a first input terminal connected to an output terminal of the detection resistor, a second input terminal set with a first reference voltage, and a voltage at the first input terminal. When the voltage exceeds the first reference voltage, the output of the comparator is inverted to invert the logic of the driving pulse, and the switching power supply device that turns off the main switching element regardless of the output voltage,
A first correction resistor inserted between the other end of the detection resistor and the first input terminal of the comparator, a timer capacitor having one end connected to the ground line, and toward the other end of the timer capacitor A charging circuit that supplies a charging current that increases or decreases according to the level of the input voltage, and resets the voltage of the timer capacitor during an off period of the main switching element, and then the timer capacitor can be charged at the timing when the on starts. A discharge circuit, an emitter follower circuit having an NPN transistor whose base terminal is connected to the other end of the timer capacitor, an emitter terminal of the NPN transistor which is an output terminal of the emitter follower circuit, and the comparator A second correction resistor connected between the first input terminal and
While the main switching element is on, a correction current output from the emitter follower circuit through the second correction resistor flows through the first correction resistor, so that both ends of the first correction resistor correspond to the level of the input voltage. A switching power supply device characterized by generating a sawtooth correction voltage whose inclination changes.
前記放電回路は、前記タイマコンデンサの他端と前記制御回路の出力との間に接続された放電抵抗及び放電ダイオードの直列回路であり、前記放電ダイオードのカソード端子が前記制御回路の側に配され、
前記主スイッチング素子は、前記制御回路が出力する前記駆動パルスがハイレベルのときにオンし、ローレベルのときにオフする請求項1記載のスイッチング電源装置。
The discharge circuit is a series circuit of a discharge resistor and a discharge diode connected between the other end of the timer capacitor and the output of the control circuit, and a cathode terminal of the discharge diode is arranged on the control circuit side. ,
2. The switching power supply device according to claim 1, wherein the main switching element is turned on when the drive pulse output from the control circuit is at a high level and turned off when the drive pulse is at a low level.
前記制御回路には、前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路と、前記出力電圧とその目標値との差を増幅した誤差増幅電圧を生成し、前記比較器の前記第二入力端子に向けて出力する誤差増幅回路とが設けられ、
前記誤差増幅電圧が前記第一基準電圧よりも低いとき、前記比較器は、前記第二入力端子に入力された前記誤差増幅電圧と前記第一入力端子の電圧とを用いて電流モード方式のパルス幅変調を行い、前記駆動パルス生成回路は、この変調結果に基づいて前記駆動パルスを生成する請求項1又は2記載のスイッチング電源装置。
The control circuit generates a drive pulse generation circuit that generates the drive pulse, and an error amplification voltage obtained by amplifying a difference between the output voltage and a target value thereof, toward the second input terminal of the comparator. An error amplifier circuit for output,
When the error amplification voltage is lower than the first reference voltage, the comparator uses the error amplification voltage input to the second input terminal and the voltage of the first input terminal to generate a current mode type pulse. 3. The switching power supply device according to claim 1, wherein width modulation is performed, and the drive pulse generation circuit generates the drive pulse based on the modulation result.
前記主スイッチング素子のオンの時比率が50%を超えたとき、前記第一補正抵抗の両端に発生する前記鋸波状の補正電圧により、前記主スイッチング素子のオン時間とオフ時間がスイッチング周期毎に変化する電流発振現象が防止される請求項3記載のスイッチング電源装置。   When the on-time ratio of the main switching element exceeds 50%, the on-time and the off-time of the main switching element are changed every switching period by the sawtooth correction voltage generated at both ends of the first correction resistor. 4. The switching power supply device according to claim 3, wherein a changing current oscillation phenomenon is prevented. 前記誤差増幅回路は、前記誤差増幅電圧を駆動パルス生成回路に向けて出力し、
駆動パルス生成回路には前記第一基準電圧よりも低い第二基準電圧が設定され、前記駆動パルス生成回路は、前記誤差増幅電圧が前記第二基準電圧より低くなると、前記駆動パルスを出力する期間と停止する期間とを交互に繰り返すバーストモード動作を行う請求項4又は5記載のスイッチング電源装置。
The error amplification circuit outputs the error amplification voltage to a drive pulse generation circuit,
A second reference voltage lower than the first reference voltage is set in the drive pulse generation circuit, and the drive pulse generation circuit outputs the drive pulse when the error amplification voltage becomes lower than the second reference voltage. 6. The switching power supply device according to claim 4, wherein a burst mode operation that alternately repeats a period for stopping and a period for stopping is performed.
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