JP2018098982A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
安定型コンバータと非安定型コンバータを組み合わせたスイッチング電源装置を小型化する場合を考える。安定型コンバータと非安定型コンバータを組み合わせたスイッチング電源装置では、非安定型コンバータの出力側のコンデンサがスイッチング電源装置としての出力リップルの大小を決定するため、安定型コンバータの出力側のコンデンサと非安定型コンバータの入力側のコンデンサの容量を小さくしても、スイッチング電源装置としての出力電圧リップルが大きくなることが無い。
図5は、安定型コンバータの出力コンデンサと非安定型コンバータの入力コンデンサとの共用化を行ってしているスイッチング電源装置を示した回路ブロック図である。
図5に示すように、スイッチング電源装置は、安定型コンバータ10と非安定型コンバータ12を組み合わせてスイッチング電源装置を構成しており、安定型コンバータ10の入力をスイッチング電源装置の入力とし、安定型コンバータ10の出力を非安定型コンバータ12の入力とし、非安定型コンバータ12の出力をスイッチング電源装置の出力としている。
安定型コンバータ10の出力電圧制御回路は、フィードバック制御回路28、絶縁回路30及びPWM制御回路32で構成される。
図5に示したスイッチング電源装置の出力電圧Voは、出力電圧制御回路の構成で示した経路の各回路ブロックにおいて信号の変換と受け渡しが行われ、この信号が一巡することで出力電圧Voが所定の値になるように制御が行われる。
出力電圧制御回路の各回路ブロックでは制御信号を変換する際に遅れ時間が発生する。制御信号が各ブロックを通過する際に、この遅れ時間が蓄積されるため、制御信号が一巡したときの制御ループの遅れ時間は、各ブロックの遅れ時間が足し算された値となる。そして、信号の遅れ時間は、制御回路の周波数特性に対して位相遅れとなって現れる。信号の遅れ時間が大きいと、高い周波数では位相遅れが大きくなることになる。
図5に示したスイッチング電源装置において、安定型コンバータ10の出力フィルタ回路18に設けたコンデンサC210の容量を小さなものに変更する場合を考える。前述のように、コンデンサC210には電解コンデンサを使用することができないため、フィルムコンデンサもしくはセラミックコンデンサを使用することになる。以下では、コンデンサC210に電解コンデンサを用いた場合とフィルムコンデンサを用いた場合の比較を行っている。
本発明は、安定型コンバータと非安定型コンバータを直列に接続し、出力電圧制御回路により安定型コンバータのスイッチング素子を制御することで非安定型コンバータの出力電圧が所定の電圧に安定化されるように制御するスイッチング電源装置であって、
安定型コンバータは、チョークコイルとコンデンサ部で構成された出力フィルタ回路を持ち、コンデンサ部は、第1のコンデンサと、抵抗と第2のコンデンサの直列回路が第1のコンデンサに並列に接続されたことを特徴する。
第1のコンデンサを、フィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサとする。
第1のコンデンサをフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサとし、第2のコンデンサを電解コンデンサとする。
第2のコンデンサに直列に接続している抵抗に電位障壁素子を並列に接続する。
電位障壁素子と直列に抵抗を接続する。
本発明は、安定型コンバータと非安定型コンバータを直列に接続し、出力電圧制御回路により安定型コンバータのスイッチング素子を制御することで非安定型コンバータの出力電圧が所定の電圧に安定化されるように制御するスイッチング電源装置であって、安定型コンバータは、チョークコイルとコンデンサ部で構成された出力フィルタ回路を持ち、コンデンサ部は、第1のコンデンサと、抵抗と第2のコンデンサの直列回路が第1のコンデンサに並列に接続されたため、安定型コンバータの出力フィルタ回路のコンデンサと非安定型コンバータの入力コンデンサを共用化して容量を小さくした場合に、安定型コンバータの出力側の平滑用の第1のコンデンサに対して第2のコンデンサと抵抗の直列回路を並列接続することで、第1のコンデンサを等価直列抵抗の小さなものにした場合の出力フィルタ回路の位相遅れとゲインの上昇を抑制し、安定型コンバータの出力フィルタ回路以外の出力電流制御回路の回路ブロックにおける位相遅れの許容範囲が増大することで出力電圧制御回路の設計を容易にし、設計検証に要する時間を短縮することが可能となり、また、ゲイン上昇を抑制することで、全周波数帯域のゲインを下げなくても出力電流を安定に制御できることから、出力電圧精度や過渡応答特性を悪化させることなく、小型で低コストのスイッチング電源装置を実現できる。
また、第1のコンデンサを、容量の小さなフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサとした場合は、安定型コンバータのリップルは大きくなるが、後段の非安定型コンバータの出力フィルタ回路でリップルを小さくできるので、第1のコンデンサに加わるリップル電流が大きくても良く、第1のコンデンサを小型化しても、直列等価抵抗の小さいフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサとしたことで発熱を防止できるが、第1のコンデンサの直列等価容量が小さくなると出力フィルタ回路の位相遅れとゲイン上昇が大きくなる問題があり、これに対し第1のコンデンサと並列に第2のコンデンサと抵抗の直列回路を接続したことで、出力フィルタ回路におけるLC共振回路の電流経路に第2のコンデンサに直列接続した抵抗が入って共振電流に対しエネルギー損失を発生し、これにより共振回路の選択度を下げることで、位相遅れとゲイン上昇を抑えることができる。
また、第1のコンデンサをフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサとし、第2のコンデンサを電解コンデンサとしたため、第2のコンデンサの直列等価抵抗は同じ容量のフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサに比較して、電解コンデンサを使用したことで大きくなるが、第2のコンデンサは、等価直列抵抗の小さい第1のコンデンサに並列に接続されているため、出力フィルタ回路のチョークコイルに発生するリップル電流は第1のコンデンサに流れ、第2のコンデンサにはほとんど流れず、従って、第2のコンデンサに直列等価抵抗の大きい電解コンデンサを使用しても発熱等の問題はなく、電解コンデンサは同じ容量のフィルムコンデンサやセラミックコンデンサと比較すると体積が小さくなることから、スイッチング電源装置の小型化が可能となる。
また、第2のコンデンサに直列に接続されている抵抗に電位障壁素子を並列に接続したため、負荷電流が急峻に変化して第1のコンデンサと第2のコンデンサとの間に電位差が生じても、電位障壁素子が導通して抵抗を流れる電流がバイパスされるため、熱損失の問題を起こすことなく抵抗の値を大きくすることができるため、フィルタ回路の位相遅れ(位相回転)とゲインの上昇を抑制可能とする。
また、電位障壁素子と直列に抵抗を接続したため、負荷電流が急峻に変化したときの出力フィルタ回路における共振電流経路のエネルギー損失を電位障壁素子と直列に接続した抵抗により調整し、出力電圧制御回路の安定化を図ることできる。
図1は本発明によるスイッチング電源装置の第1実施形態を示した回路ブロック図である。
図1に示すように、本実施形態のスイッチング電源装置は、図5と同様に、安定型コンバータ10と非安定型コンバータ12を組み合わせてスイッチング電源装置を構成しており、安定型コンバータ10の入力をスイッチング電源装置の入力とし、安定型コンバータ10の出力を非安定型コンバータ12の入力とし、非安定型コンバータ12の出力をスイッチング電源装置の出力としている。
安定型コンバータ10の出力電圧制御回路は、フィードバック制御回路28、絶縁回路30及びPWM制御回路32で構成され、各回路ブロックの構成と動作は図5と同じになる。
図1に示すように、安定型コンバータ10に設けられた出力フィルタ回路18は、チョークコイルL21とコンデンサ部で構成されており、コンデンサ部は第1のコンデンサとして機能するコンデンサC21と、コンデンサC21に対して、抵抗R20と第2のコンデンサとして機能するコンデンサC20の直列回路を並列に接続したことが特徴となる。
図1に示したスイッチング電源装置の第1実施形態では、出力フィルタ回路18に設けたコンデンサC20に等価直列抵抗の小さいフィルムコンデンサを使用した例を示したが、抵抗R20を大きくすることで、コンデンサC20に容量の小さな電解コンデンサを使用しても構わない。
図3は本発明によるスイッチング電源装置の第2実施形態を示した回路ブロック図である。
図4は図3の安定型コンバータの出力フィルタ回路の他の実施形態を示した回路図である。
本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。
12:非安定型コンバータ
14:入力電源
16,20:スイッチング回路
18,22:出力フィルタ回路
24:負荷
26:スイッチング素子駆動回路
28:フィードバック制御回路
30:絶縁回路
32:PWM制御回路
34:誤差アンプ
36:基準電圧源
38:フォトカプラ
40:PWMコンパレータ
42:三角波生成回路
L21:チョークコイル
C20,C21:コンデンサ
R20,R22:抵抗
D20:ダイオード
ZD20,ZD21:ツェナーダイオード
Claims (5)
- 安定型コンバータと非安定型コンバータを直列に接続し、出力電圧制御回路により前記安定型コンバータのスイッチング素子を制御することで前記非安定型コンバータの出力電圧が所定の電圧に安定化されるように制御するスイッチング電源装置であって、
前記安定型コンバータは、チョークコイルとコンデンサ部で構成された出力フィルタ回路を持ち、前記コンデンサ部は、第1のコンデンサと、抵抗と第2のコンデンサの直列回路が前記第1のコンデンサに並列に接続されたことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、前記第1のコンデンサを、フィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサとしたことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、前記第1のコンデンサをフィルムコンデンサ又はセラミックコンデンサとし、前記第2のコンデンサを電解コンデンサとしたことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、前記第2のコンデンサに直列に接続している抵抗に電位障壁素子を並列に接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項4記載のスイッチング電源装置に於いて、前記電位障壁素子と直列に抵抗を接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。
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- 2016-12-16 JP JP2016243900A patent/JP6761334B2/ja active Active
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