JP2016163490A - フライバック型スイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】３端子レギュレータ等の電圧調整回路を設けなくても、制御部に適正電圧を印加することが可能な安価な制御用電源部を構成したフライバック型スイッチングレギュレータ１００を提供する。
【解決手段】トランスＴ１の一次巻線Ｐ１に直列接続されたスイッチング素子ＴＲ１と、スイッチング素子を制御する制御部ＩＣ１と、制御用電源部１０と、スイッチング素子のオン時に二次巻線Ｐ２に蓄積されたエネルギーをオフ時に整流するダイオードＤ２とダイオードの出力電圧を平滑するコンデンサＣ３とを備えた出力部２０とを備えて構成され、制御用電源部１０は、スイッチング素子のオン時に三次巻線Ｐ３に蓄積されたエネルギーをオフ時に整流するダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の出力電圧を平滑するコンデンサＣ２と、三次巻線Ｐ３とダイオードＤ１との間に直列に接続されたフェライトビーズ等の誘導性素子１１とを備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力直流電圧を所定の出力直流電圧に変換するフライバック型スイッチングレギュレータに関する。

特許文献１には、トランスと、トランスの一次巻線に直列接続されたスイッチング素子と、スイッチング素子を制御する制御部と、制御部に制御電圧を印加する制御用電源部と、スイッチング素子のオン時にトランスの二次巻線に蓄積されたエネルギーをスイッチング素子のオフ時に整流するダイオードとダイオードの出力電圧を平滑するコンデンサとを備えた出力部とを備えたフライバック型スイッチングレギュレータが開示されている。

図６に示すように、スイッチング素子ＴＲ１のオン時にトランスＴ１の三次巻線に蓄積されたエネルギーをスイッチング素子ＲＴ１のオフ時に整流するダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の出力電圧を平滑するコンデンサＣ２とを備えた制御用電源部１０が開示されている。

特開２０００−２０９８５４号公報

このようなフライバック方式のトランスＴ１を用いる場合は、トランスＴ１が飽和しないようにトランスＴ１のコアにギャップを設ける必要があり、そのため漏れ磁束が増加して漏れインダクタンスが増加する。増加した漏れインダクタンスの影響でスイッチング素子ＴＲ１がオフした瞬間に大きなサージ電圧が一次巻線Ｐ１に発生し、さらに三次巻線Ｐ３に誘起する。

この三次巻線Ｐ３に誘起したサージ電圧がダイオードＤ１を導通させてコンデンサＣ２に電荷を蓄積するのであるが、そのコンデンサＣ２の電圧が上昇してサージ電圧の途中の高い電圧がコンデンサに保持されるようになる。

このときの様子が図４に示されている。ダイオードＤ１のアノード側電圧が上昇すると、ダイオードＤ１に電流が流れてコンデンサＣ２が充電される。コンデンサＣ２の充電電圧がダイオードＤ１のアノード側電圧より大きくなると、ダイオードＤ１に逆方向バイアスが掛かり、ダイオードＤ１に流れていた電流が停止する。

通常、スイッチング素子ＴＲ１を制御する制御部ＩＣ１は半導体集積回路で構成されており、その半導体集積回路が適正に動作する電源電圧は予め規定されているため、コンデンサＣ２の出力電圧を降圧して制御部ＩＣ１に印加するために３端子レギュレータＩＣ２をさらに組み込む必要があり、部品コストの上昇をもたらすという問題があった。

図５には、３端子レギュレータＩＣ２を付加した制御用電源部１０が示されている。例えば、制御部ＩＣ１となる半導体集積回路の起動電圧がＤＣ１７Ｖ、停止過電圧がＤＣ２６Ｖに規定されている場合には、当該３端子レギュレータＩＣ２によりＤＣ１７〜２６Ｖの範囲の電圧に調整する必要があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、３端子レギュレータ等の電圧調整回路を設けなくても、制御部に適正電圧を印加することが可能な安価な制御用電源部を構成したフライバック型スイッチングレギュレータを提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるフライバック型スイッチングレギュレータの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、トランスと、前記トランスの一次巻線に直列接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御部と、前記制御部に制御電圧を印加する制御用電源部と、前記スイッチング素子のオン時に前記トランスの二次巻線に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に整流するダイオードと前記ダイオードの出力電圧を平滑するコンデンサとを備えた出力部と、を備えているフライバック型スイッチングレギュレータであって、前記制御用電源部は、前記スイッチング素子のオン時に前記トランスの三次巻線に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に整流するダイオードと、前記ダイオードの出力電圧を平滑するコンデンサと、前記三次巻線と前記ダイオードとの間に直列に接続された誘導性素子とを備えて構成されている点にある。

一次巻線に直列に接続されたスイッチング素子のオフ時に三次巻線に誘起するサージ電圧が誘導性素子によって平滑化され、ダイオードを流れる電流が抑制されてダイオード導通時間を長くすることができるので、サージ電圧が低下するまでコンデンサの充電電圧が異常に高くなることを回避して適正な値に維持できる。その結果、３端子レギュレータ等の電圧調整回路を別途設ける必要がなくなる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記誘導性素子がコイル、フェライトビーズ、アモルファスコイルまたはアモルファスビーズの何れかで構成されている点にある。

誘導性素子として、コイル、フェライトビーズ、アモルファスコイルまたはアモルファスビーズを好適に用いることができる。コイル及びフェライトビーズはインダクタンス値が小さく数μＨ〜数十μＨ程度である為にダイオード電流の抑制効果は限られるが、安価であるためコストの低減を図ることができる。特にフェライトビーズを用いればコストメリットのみならず一層の小型化が可能になる。アモルファスコイル及びアモルファスビーズは高価であるが、インダクタンス値が大きく数十μＨ〜数百μＨ程度である為にダイオード電流の抑制効果が極めて高い。特にアモルファスビーズを用いれば一層の小型化が可能になる。

以上説明した通り、本発明によれば、３端子レギュレータ等の電圧調整回路を設けなくても、制御部に適正電圧を印加することが可能な安価な制御用電源部を構成したフライバック型スイッチングレギュレータを提供することができるようになった。

本発明によるフライバック型スイッチングレギュレータの回路図 本発明の別実施形態を示すフライバック型スイッチングレギュレータの回路図 本発明による制御用電源部の要部の波形説明図 従来の制御用電源部の要部の波形説明図 従来のフライバック型スイッチングレギュレータの回路図 従来のフライバック型スイッチングレギュレータの回路図

以下、本発明によるフライバック型スイッチングレギュレータを説明する。
図１にはフライバック型スイッチングレギュレータの一例が示されている。

フライバック型スイッチングレギュレータ１００は、トランスＴ１と、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１に直列接続されたスイッチング素子ＴＲ１とスイッチング素子ＴＲ１を制御する制御部ＩＣ１と、制御部ＩＣ１に制御電圧を印加する制御用電源部１０と、スイッチング素子ＴＲ１のオン時にトランスＴ１の二次巻線Ｐ２に蓄積されたエネルギーをスイッチング素子ＴＲ１のオフ時に整流するダイオードＤ２とダイオードＤ２の出力電圧を平滑するコンデンサＣ３とを備えた出力部２０とを備えている。

スイッチング素子ＴＲ1がオンすると、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１に電源電圧Ｖ１が印加され、二次巻線Ｐ２に電圧Ｖ２（＝−（ｎ２／ｎ１）・Ｖ１）が発生する。ｎ１は一次巻線Ｐ１の巻数、ｎ２は二次巻線Ｐ２の巻数である。

このとき、出力部２０に備えたダイオードＤ２は逆バイアス状態となって導通しないため、トランスＴ１のインダクタンスＬにＶ１／Ｌの電流Ｉが流れてエネルギーが蓄積される。

この状態でスイッチング素子ＴＲ１がオフすると、トランスＴ１のインダクタンスＬに蓄えられたエネルギーによりダイオードＤ２が導通してコンデンサＣ３が充電され、コンデンサＣ３（二次巻線Ｐ２）の電圧がＶ２になり、一次巻線Ｐ１に−（ｎ１／ｎ２）×Ｖ２の電圧が発生する。

スイッチング素子ＴＲ１のオン期間Ｔｔｏｎと、ダイオードＤ２の導通期間Ｔｄｏｎに発生する各巻線の平均電圧は０になるので、出力電圧Ｖ２は次式であらわされる。
Ｖ２＝（ｎ２／ｎ１）・（Ｔｔｏｎ／Ｔｄｏｎ）・Ｖ１

つまり、出力電圧Ｖ２がフィードバックされる制御部ＩＣ１によって、スイッチング素子ＴＲ１のオン期間Ｔｔｏｎが制御されることにより、出力電圧Ｖ２が目標値に調整される。

制御用電源部１０は、スイッチング素子ＴＲ１のオン時にトランスＴ１の三次巻線Ｐ３に蓄積されたエネルギーをスイッチング素子ＴＲ１のオフ時に整流するダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の出力電圧を平滑するコンデンサＣ２と、三次巻線Ｐ３とダイオードＤ１との間に直列に接続された誘導性素子１１とを備えて構成されている。

一次巻線Ｐ１に直列に接続されたスイッチング素子ＴＲ１のオフ時に三次巻線Ｐ３に誘起するサージ電圧が誘導性素子１１によって平滑化され、ダイオードＤ１を流れる電流が抑制されてダイオードＤ１の導通時間を長くすることができるので、サージ電圧が低下するまでコンデンサＣ２の充電電圧が異常に高くなることを回避して適正な値に維持できる。その結果、３端子レギュレータ等の電圧調整回路（図５の符号ＩＣ２参照）を別途設ける必要がなくなる。

図３にはこのときの各部の波形が示されている。三次巻線Ｐ３に誘起するサージ電圧が誘導性素子１１によって平滑化されるので、ダイオードＤ１を流れる電流が緩やかに上昇してコンデンサＣ２が徐々に充電され、サージ電圧がピークを越えて電圧Ｖａになった時にコンデンサＣ２の充電電圧、つまりカソード電圧Ｖｋと等しくなり、その後ダイオードＤ１を流れる電流が停止する。誘導性素子１１のインダクタンスを適切な値に調整すると、制御部ＩＣ１を安定駆動可能な電圧に調整できる。

誘導性素子１１として、コイルまたはフェライトビーズを好適に用いることができる。コイル及びフェライトビーズはインダクタンス値が小さく数μＨ〜数十μＨ程度である為にダイオード電流の抑制効果は限られるが、安価であるためコストの低減を図ることができる。特にフェライトビーズを用いればコストメリットのみならず一層の小型化が可能になる。

本実施形態では、直流入力電圧Ｖ１がＤＣ１００Ｖ〜ＤＣ３８０Ｖの範囲で、直流出力電圧Ｖ２がＤＣ５Ｖ〜ＤＣ２４Ｖの間に設定される絶縁型の降圧レギュレータに構成されている。

しかし、本発明によるフライバック型スイッチングレギュレータ１００は降圧レギュレータに限るものではなく、一次コイルＰ１と二次コイルＰ２の巻数比ｎ２／ｎ１を適宜設定することにより昇圧レギュレータに構成することも可能であることは言うまでもない。

上述した実施形態では、誘導性素子１１としてコイルまたはフェライトビーズを用いる場合を説明したが、図２に示すように、誘導性素子１１としてアモルファスコイルまたはアモルファスビーズを用いることも可能である。アモルファスコイル及びアモルファスビーズは高価であるが、インダクタンス値が大きく数十μＨ〜数百μＨ程度である為にダイオード電流の抑制効果が極めて高い。特にアモルファスビーズを用いれば一層の小型化が可能になる。

尚、上述した実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明が上述した具体例に限定されるものではなく、本発明本発明の作用効果を奏する範囲において各回路ブロックの具体的構成等を適宜変更設計できることは言うまでもない。

１０：制御用電源部
１１：誘導性素子（コイル、フェライトビーズ、アモルファスコイル、アモルファスビーズ）
２０：出力部
Ｔ１：トランス
Ｐ１：一次巻線
Ｐ２：二次巻線
Ｐ３：三次巻線
Ｄ１，Ｄ２：ダイオード
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３：コンデンサ
１００：フライバック型スイッチングレギュレータ

Claims (2)

1. トランスと、
   前記トランスの一次巻線に直列接続されたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子を制御する制御部と、
   前記制御部に制御電圧を印加する制御用電源部と、
   前記スイッチング素子のオン時に前記トランスの二次巻線に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に整流するダイオードと前記ダイオードの出力電圧を平滑するコンデンサとを備えた出力部と、
   を備えているフライバック型スイッチングレギュレータであって、
   前記制御用電源部は、前記スイッチング素子のオン時に前記トランスの三次巻線に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に整流するダイオードと、前記ダイオードの出力電圧を平滑するコンデンサと、前記三次巻線と前記ダイオードとの間に直列に接続された誘導性素子とを備えて構成されているフライバック型スイッチングレギュレータ。
2. 前記誘導性素子がコイル、フェライトビーズ、アモルファスコイルまたはアモルファスビーズの何れかで構成されている請求項１記載のフライバック型スイッチングレギュレータ。

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