JP2017112782A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】待機状態時にハイサイドスイッチング素子の駆動回路の電力消費を抑え、かつ、ハイサイドスイッチング素子の駆動電圧を確実に供給する。
【解決手段】複数の電源回路で構成される直流電源装置において、複数の電源回路を制御する制御回路４０と、制御回路４０に電源を供給するＳＵＢ電源３０であって、制御回路４０は、補助電源の出力電圧を一定に制御する制御手段と、制御回路４０はシステムコントローラと、スイッチング素子Ｑ２をオンオフ駆動するハイサイドドライバと、ハイサイドドライバの低電圧検出機能を設けて、電源電圧が低い時にオフさせる機能とを有し、制御回路４０は、外部からの信号又はシステムコントローラの負荷判定により、ＳＵＢ電源３０の出力電圧を切り替え、待機動作時にはＳＵＢ電源３０の出力電圧を定常動作よりも低下させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイサイドスイッチング素子及び駆動回路を備えたスイッチング電源装置に関する。

従来より、電源装置として図４に示す回路構成のものが知られている。図４に示す構成の電源装置は、交流電源Ｖｓをダイオードブリッジよりなる整流器ＤＢにより全波整流し、
整流器ＤＢから出力される脈流電圧を昇降圧チョッパ回路１により電圧変換した後、昇降圧チョッパ回路１から出力される直流電圧をインバータ回路２によって高周波電力に電力変換し、インバータ回路２から出力される高周波電力を負荷回路（図示せず）に供給するように構成されている。なお、インバータ回路２としては、周知のハーフブリッジ型のインバータ回路や周知のフルブリッジ型のインバータ回路などが適宜適用されている。
特許文献１には、起動時に出力平滑コンデンサＣ９に電荷が残留していても、ブートスラップコンデンサＣｓの充電を行うことができ、安定した制御を行うことができる電源装置が開示されている。

特許第３７７５２４０号公報

特許文献１で提案された昇降圧チョッパ回路の回路構成では、起動時に平滑コンデンサＣ９に電荷が残留していて平滑コンデンサＣ９の端子電圧がコンデンサＣ１０の端子電圧よりも高いときは、ブートストラップＣｓの充電を行うことができない。このため、ブートストラップＣｓを電源投入後に充電するために、専用のスイッチＱ２をインダクタＬ1とダイオードＤ２アノードとの接続点とＧＮＤ間に接続している。このスイッチＱ２として出力電圧レベルの耐圧のスイッチング素子が必要で、起動時のみスイッチＱ２をオンにするタイマ回路６が必要であった。

しかしながら、この回路構成では待機状態は考慮されていないため、待機時の制御回路電圧を低下させて消費電力を抑えることはできない。
さらに、待機時に平滑コンデンサＣ９に電荷が残留せず、ブートストラップＣｓを充電できる場合では、ドライバ４へ電源を供給してしまうため、今度は消費電力を抑えることができないという課題が生じる。また、待機時にドライバ４へ電源を供給している場合、耐ノイズ性に関して耐性が下がる可能性がある。

上記問題に鑑み、本発明は、待機状態時に電力消費を抑えられることを課題とする。また、待機状態時の耐ノイズ性に関して向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、複数の電源回路で構成される直流電源装置において、前記複数の電源回路を制御する制御回路と、前記電源回路の１つは前記制御回路に電源を供給する補助電源であって、前記制御回路は、前記補助電源の出力電圧を一定に制御する制御手段と、前記制御回路は、負荷の定常動作と待機動作を判定する負荷判定回路と、前記ハイサイドスイッチング素子をオンオフ駆動するパルス信号を出力する駆動回路と、前記駆動回路の電源電圧を供給する駆動回路電源と、前記駆動回路の電源電圧の低電圧を検知する低電圧検出機能を設けて、前記駆動回路電源電圧が低い時に前記駆動回路のパルス信号をオフさせる機能と、を有し、前記制御回路は、外部からの信号又は前記制御回路内の負荷判定回路により、前記補助電源の出力電圧を切り替え、待機動作時には前記補助電源の出力電圧を定常動作よりも低下させることを特徴とする。

本発明によると、制御回路で補助電源の出力電圧を制御し、ハイサイドドライバの電源を補助電源より供給する。これにより、調光信号やリモートオンオフ信号、又は制御回路内の負荷判定回路により、補助電源の出力電圧を制御する。具体的には、待機状態と判断した場合は、出力電圧を下げる事で消費電力を下げて省エネを次実現し、同時にハイサイドドライバの電源電圧を低電圧保護の基準電圧未満にしてオフ状態にし、耐ノイズ性を向上することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の基本構成を示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係る制御回路の構成を示す図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る電源装置の基本構成を示す図である。 図４は、従来技術の回路構成図を示す。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電源装置１の基本構成を示す図である。
図１に示す基本構成は、交流入力電源ＡＣに接続されたダイオードブリッジＤＢで直流電圧（全波整流電圧）に整流し、リアクトルＬ１、ＭＯＳＦＥＴＱ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１で構成された力率改善回路（電源回路１）１０に接続されている。また、力率改善回路１０の出力電圧は、ＭＯＳＦＥＴＱ２、ダイオードＤ２、リアクトルＬ２、コンデンサＣ２から構成された降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電源回路２）２０、及びトランスＴ，ＭＯＳＦＥＴＱ３、ダイオードＤ３１〜Ｄ３３、コンデンサＣ３１〜Ｃ３３からなるＳＵＢ電源（電源回路３）３０が接続されている。また、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力には、例えばＬＥＤ等の負荷５０が接続される。
また、力率改善回路１０、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、及びＳＵＢ電源３０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３をオンオフ制御するための制御回路４０が各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のゲート端子に接続されている。
ここで、ＳＵＢ電源３０のトランスＴの２次巻線Ｓ１のパルス電圧をダイオードＤ３１、コンデンサＣ３１により整流平滑した電圧は、制御回路４０の電源電圧端子Ｖｃｃ_ＦＢに接続されている。

図２に、本発明の実施形態に係る制御回路４０の構成を示す。制御回路４０は、起動回路４１、内部定電圧出力回路４２、ＳＵＢ電源３０の出力電圧・過電流保護・スイッチング駆動信号の制御を行うＳｕｂ電源制御回路４３、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のスイッチング制御を行うＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４及びＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４の出力信号をスイッチング素子Ｑ２の駆動信号に変換するためのハイサイドドライバ４８、並びにハイサイドドライバ４８の電源電圧の電圧低下を監視し保護する低電圧検知回路４９を含む。
また、外部信号である負荷５０への調光信号又はリモートＯＮ／ＯＦＦに基づき電源装置を制御するためのインターフェースとなるシステムコントローラ４５、力率改善回路のスイッチング制御を行うＰＦＣ制御回路４６及びＰＦＣ制御回路４６の出力信号をスイッチング素子Ｑ１のゲート駆動信号に変換するＧａｔｅＤＲＶ４７から構成される。
なお、制御回路内部は、大きく分けて２つの集積回路からなり、起動回路４１、内部定電圧出力回路４２、ＳＵＢ電源制御回路４３、ＧａｔｅＤＲＶ４７、低電圧検知回路４９を含むハイサイドドライバ４８からなるドライバとＳｕｂ電源Ｃｏｎt−ＩＣと、ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４、システムコントローラ４５、ＰＦＣ制御回路４６、からなるシステム制御ＩＣで構成される。
また、ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４、システムコントローラ４５、ＰＦＣ制御回路４６からなるシステム制御ＩＣは、マイコンで構成されてもよい。

次に、制御回路４０の各部機能は以下になる。起動回路４１は、交流電源ＡＣを全波整流平滑し、リアクトルＬ1、ダイオードＤ１を介した電圧を入力し、Ｓｔａｒｔ端子からＶｃｃ_ＦＢ端子を介して起動電流を流してコンデンサＣ３１を充電する。コンデンサＣ３１の充電電圧が所定の起動電圧に達すると、Ｖｃｃ_ＦＢ端子に接続されている内部定電圧出力回路４２が起動し、システムコントローラ４５を動作させる。ここでリモートＯＮ／ＯＦＦ信号によるオフ信号が無ければ、Ｓｕｂ電源制御回路４３及びＰＦＣ制御回路４６が起動し、その後ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４が起動する。

Ｓｕｂ電源制御回路４３の起動により、スイッチング素子Ｑ３はスイッチングを開始し、トランスＴの1次巻線Ｐは励磁され、スイッチング素子Ｑ３のオフ時にトランスＴの２次巻線Ｓ１、Ｓ２から励磁エネルギーがダイオードＤ３１,Ｄ３２を介してコンデンサＣ３１,Ｃ３２へ充電される。ここで、コンデンサＣ３１の充電電圧が所定の電圧になるようにＳｕｂ電源制御回路４３はスイッチング素子Ｑ３のオンデューティーを制御する。また、トランスＴの２次巻線Ｓ１とＳ２の巻数比に比例した電圧でコンデンサＣ３１、Ｃ３２は充電される。また、コンデンサＣ３２は、図示しない負荷の補助電源等に用いられる。

ＰＦＣ制御回路４６は、力率改善回路１０の制御回路であり、スイッチング素子Ｑ１に流れるスイッチング電流波形の包絡線が、交流電源ＡＣの全波整流波形に近似するようにスイッチング素子Ｑ１をオンオフ制御させ、交流電源ＡＣを全波整流した整流電圧を昇圧させる。これにより電源装置１の力率を改善する。ここで、ＰＦＣ制御回路４６の信号をスイッチング素子Ｑ１を駆動させるためにＧａｔｅＤＲＶ４７を介して駆動する。

ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のスイッチング制御を行う制御回路であり、力率改善回路１０の出力電圧を負荷５０が必要とする電源電圧になるように、スイッチング素子Ｑ２をオンオフ制御して降圧させる。
ここで、ＤＣＤＣ＿ＦＢ１端子は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電圧を検出する端子である。また、ＤＣＤＣ＿ＦＢ２端子は、負荷５０に流れる負荷電流を検出して、ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４に入力する。ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４は、図示しない内蔵する負荷判定回路を介して、定常動作か待機動作かを判定する。負荷判定回路が待機動作と判定すると、システムコントローラ４５を介してＳｕｂ電源制御回路４３へスタンバイ信号を出力し、ＳＵＢ電源３０の出力電圧を定常出力電圧から待機電圧に低下させる。
ハイサイドドライバ４８は、ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４のＧＮＤからフローティングされたスイッチング素子Ｑ２のゲート・ソース間を駆動するために、ＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４の制御信号を図示しないレベルシフト回路を介してゲート信号として駆動する。
ハイサイドドライバ４８の電源は、ダイオードＤ３３、コンデンサＣ３３によるブートストラップ回路によりＶＢ，ＶＳ端子に供給する。ここで、ハイサイドドライバ４８の内部に低電圧検知回路４９が備えられていて、ＶＢ，ＶＳ端子間電圧が予め定められた基準値未満になった時、スイッチング素子Ｑ２のゲート駆動信号が出力されないようにハイサイドドライバ４８を停止させる低電圧保護機能を備える。

システムコントローラ４５は、外部信号である負荷５０への調光信号又はリモートＯＮ／ＯＦＦに基づき電源装置を制御するためのインターフェースとなっている。
例えば、負荷５０への調光信号が入力された場合、調光信号に応じてＭａｉｎＤＣ／ＤＣ制御回路４４のフィードバック信号を制御させる。
または、リモートＯＮ／ＯＦＦ信号のオフ信号が入力された場合、ＳＵＢ電源回路３０以外を停止させる。ここで、ＳＵＢ電源回路３０の出力電圧を定常出力電圧から待機電圧に低下させる。これにより、制御回路４０の電源電圧Ｖｃｃ_ＦＢ電圧は低下し、消費電力を抑えられる効果がある。
さらに、待機電圧を、ハイサイドドライバ４８を停止させる低電圧保護の基準値未満となるように設定することで、ハイサイドドライバ４８の消費電力を抑え、かつ待機時のハイサイドドライバ４８の誤動作を生じさせない効果を得られる。

（第２の実施形態）
図３に、本発明の第２の実施形態に係る電源装置１ａの基本構成を示す。第1の実施形態と異なる部分は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電源回路２）２０のハイサイドドライバ４８の電源をブートストラップ回路による供給を、ＳＵＢ電源３０のトランスＴの第３の２次巻線Ｓ３、ダイオードＤ３３、及びコンデンサＣ３４から供給する方式に変更している。

ハイサイドドライバ４８の電源をＳＵＢ電源３０から専用の巻線電圧を供給することで、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電源回路２）２０の出力残留電圧に影響されることなく、起動時、または過渡時、或いは異常時においてもハイサイドドライバ４８の電源電圧を確実に供給することができる利点が得られる。
これは、従来技術では、例えば出力電圧制御のオーバーシュートにより、スイッチング素子Ｑ１のオフ時間が続くと、図４のコンデンサＣｓの電圧が自己消費により放電し、電圧低下してしまうとスイッチング素子Ｑ１をオンオフ駆動することができなくなる。すなわち、コンデンサＣｓはブートストラップで充電できなくなり、電源装置は動作を停止してしまう問題があった。本発明では、常時ＶＢ〜ＶＳ間に電圧が供給されており、このような不具合は生じない。
なお、第1の実施形態と同様に、リモートＯＮ／ＯＦＦ信号のオフ信号が入力された場合の消費電力の抑制及び誤動作を生じさせない効果も同様に得られる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための例示であって、個々の構成、組合せ等を上記のものに特定するものではない。本発明は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
例えば、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電源回路２）２０を、ハーフブリッジ構成の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流共振コンバータ）等に置き換えてもよい。

以上のように、本発明に係る電源装置は、例えばＬＥＤ照明装置に用いるのに好適である。従って、これを用いたＬＥＤ照明装置及びＬＥＤ照明器具などに利用可能である。

１、１ａ 電源装置
１０ 力率改善回路（電源回路１）
２０ 降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電源回路２）
３０ ＳＵＢ電源（電源回路３）
４０ 制御回路
５０ 負荷
ＡＣ 交流電源
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３１〜Ｃ３４ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３１〜Ｄ３４ ダイオード
ＤＢ 整流器
Ｔ、Ｔａ トランス
Ｌ１、Ｌ２ リアクトル
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ ＭＯＳＦＥＴ

Claims (4)

1. 複数の電源回路で構成される直流電源装置において、
   前記複数の電源回路を制御する制御回路と、
   前記電源回路の１つは前記制御回路に電源を供給する補助電源であって、
   前記制御回路は、前記補助電源の出力電圧を一定に制御する制御手段と、
   前記制御回路は、負荷の定常動作と待機動作を判定する負荷判定回路と、
   前記ハイサイドスイッチング素子をオンオフ駆動するパルス信号を出力する駆動回路と、
   前記駆動回路の電源電圧を供給する駆動回路電源と、
   前記駆動回路の電源電圧の低電圧を検知する低電圧検出機能を設けて、前記駆動回路電源電圧が低い時に前記駆動回路のパルス信号をオフさせる機能と、を有し、
   前記制御回路は、外部からの信号又は前記制御回路内の負荷判定回路により、前記補助電源の出力電圧を切り替え、待機動作時には前記補助電源の出力電圧を定常動作よりも低下させることを特徴とする直流電源装置。
2. 前記待機動作時の補助電源の出力電圧を、前記駆動回路の電源電圧の低電圧を検知する電圧以下にさせることを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
3. 前記直流電源装置において、前記補助電源を除く前記電源回路のうち、少なくとも１つはハイサイドスイッチング素子を有し、
   前記補助電源は1次巻線と複数の2次巻線を有する出力トランスから構成され、
   前記駆動回路電源電圧は、前記出力トランスの2次巻線の一つを整流平滑して、独立した電源電圧とすることを特徴とする請求項１または２項記載の電源装置。
4. 前記制御回路は、マイコンを搭載し、負荷の定常動作と待機動作とに合わせて前記補助電源の出力電圧を定常動作電圧と待機動作電圧とに切り替えることを特徴とする直流電源装置。