JP2019122205A - スイッチング電源 - Google Patents

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Abstract

【課題】トランスの二次側の出力電圧の過電圧に対する保護を迅速に行うことができる、スイッチング電源を提供する。【解決手段】電圧発生回路22は、トランスの一次側に設けられた補助巻線に誘起される交流電圧の整流及び平滑により、直流電圧を出力する。この直流電圧が所定電圧を超えない場合、過電圧保護回路23は、直流電圧から駆動電圧を生成して、その駆動電圧をスイッチング制御部21の端子VDDに入力する。トランス11の二次側の出力電圧が過電圧となって、補助巻線L3に誘起される交流電圧が高くなることにより、配線W4の直流電圧が所定電圧を超えると、過電圧保護回路23は、過電圧と識別される電圧をスイッチング制御部21の端子VDDに入力する。これに応じて、スイッチング制御部21は、スイッチング素子13のスイッチング動作を停止する。【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチング電源に関する。
従来、スイッチング素子のスイッチング動作により交流電圧を直流電圧に変換するスイッチング電源がある。
スイッチング電源は、制御回路を備えている。制御回路は、トランスの一次巻線に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スイッチング制御部とを有している。スイッチング素子のスイッチング動作により、トランスの二次巻線に交流電圧が誘起される。二次巻線に誘起される交流電圧が整流および平滑されることにより、直流電圧である二次側出力電圧が生成される。そして、二次側出力電圧がスイッチング制御部にフィードバックされて、スイッチング制御部がスイッチング素子を制御することにより、二次側出力電圧が一定に保たれる。また、トランスの一次側には、補助巻線が設けられている。補助巻線に誘起される交流電圧を整流及び平滑して得られる駆動電圧が制御回路に入力され、その駆動電圧によって制御回路が駆動される。
たとえば、下記の特許文献1に開示されているスイッチング電源装置には、補助巻線に誘起される交流電圧の整流及び平滑により得られる直流電圧が電圧降下することによって、制御回路への駆動電圧が生成される定電圧ダイオードが設けられている。
このスイッチング電源装置では、更に、定電圧ダイオードの入力側と出力側とを短絡させる短絡部が設けられている。二次側出力電圧が過電圧となって、補助巻線に誘起される交流電圧が高くなり、補助巻線に誘起される交流電圧を整流及び平滑した直流電圧が高くなると、短絡部は、定電圧ダイオードの入力側と出力側とを短絡させる。これにより、その高くなった直流電圧が駆動電圧として制御回路に入力される。制御回路は、駆動電圧が過電圧保護設定電圧を超えたことに応じて、過電圧保護機能を作動させ、二次側出力電圧が低下するようスイッチング素子を制御する。
特開2009−195073号公報
しかし、特許文献1に開示されているスイッチング電源装置では、補助巻線に誘起される交流電圧が所定電圧を超えてから短絡部が短絡するため、過電圧保護機能が作動するタイミングが遅いという問題がある。
本発明の目的は、トランスの二次側の出力電圧の過電圧に対する保護を迅速に行うことができる、スイッチング電源を提供することである。
前記の目的を達成するため、本発明に係るスイッチング電源は、トランスと、トランスの一次コイルに接続されたスイッチング素子と、トランスの一次側に設けられ、駆動電圧が入力される入力端子を有し、トランスの二次側の出力電圧が目標電圧となるようにスイッチング素子のスイッチング制御を行い、入力端子に過電圧と識別される電圧が入力された際にスイッチング素子のスイッチング制御を停止するスイッチング制御部と、トランスの一次側に設けられた補助巻線に誘起される交流電圧を整流及び平滑し、第1直流電圧として出力する電圧発生回路と、電圧発生回路が出力する第1直流電圧が所定電圧を超えない場合、駆動電圧を第1直流電圧から生成して、入力端子に入力し、第1直流電圧が所定電圧を超える場合、過電圧と識別される電圧を入力端子に入力する過電圧保護回路と、を備え、補助巻線とスイッチング制御部とは、コンデンサを介して接続され、スイッチング制御部は、補助巻線に誘起される交流電圧の電圧上昇によって生じるコンデンサの電極間の電流、又は、電圧の変化に応じて、スイッチング制御を停止させる。
この構成によれば、電圧発生回路は、トランスの一次側に設けられた補助巻線に誘起される交流電圧の整流及び平滑により、第1直流電圧を出力する。第1直流電圧が所定電圧を超えない場合、過電圧保護回路は、第1直流電圧から駆動電圧を生成して、その駆動電圧をスイッチング制御部の入力端子に入力する。スイッチング制御部は、入力端子に入力される駆動電圧で駆動される。
トランスの二次側の出力電圧が過電圧となって、補助巻線に誘起される交流電圧が高くなることにより、第1直流電圧が所定電圧を超えると、過電圧保護回路は、過電圧と識別される電圧をスイッチング制御部の入力端子に入力する。これに応じて、スイッチング制御部は、スイッチング素子のスイッチング制御を停止する。
また、補助巻線とスイッチング制御部とは、コンデンサを介して接続されている。補助巻線に誘起される交流電圧が上昇を開始すると、補助巻線とスイッチング制御部との間のコンデンサの電極間の電流又は電圧が変化する。スイッチング制御部は、過電圧保護回路に対する過電圧と識別される電圧の入力に加えて、この電流又は電圧の変化に応じて、スイッチング素子のスイッチング制御を停止する。これにより、トランスの二次側の出力電圧が過電圧となったときに、第1直流電圧が所定電圧値を超える前に、スイッチング素子のスイッチング制御を停止させることができる。
よって、トランスの二次側の出力電圧の過電圧に対する保護を迅速に行うことができる。
本発明によれば、トランスの二次側の出力電圧の過電圧に対する保護を迅速に行うことができる。
本発明の第1実施形態に係るスイッチング電源の回路図である。 本発明の第2実施形態に係るスイッチング電源の回路図である。 本発明の第3実施形態に係るスイッチング電源の回路図である。
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
<第1実施形態>
図1に示されるスイッチング電源1は、商用交流電源ACから一対の給電線PS1,PS2を介して供給される交流電圧を直流電圧に変換するものであり、たとえば、プリンタなどの電子機器に搭載される。スイッチング電源1は、トランス11を備えており、このトランス11を境に、一次巻線L1が設けられる一次側と二次巻線L2が設けられる二次側とに分かれている。また、トランス11には、補助巻線L3が一次側に設けられている。
スイッチング電源1は、トランス11の一次側に、一次側整流平滑回路12およびスイッチング素子13を備えている。
一次側整流平滑回路12には、ダイオードブリッジ14および平滑コンデンサC1が含まれる。
ダイオードブリッジ14は、4個のダイオードD1,D2,D3,D4をブリッジ接続した構成の回路である。具体的には、ダイオードブリッジ14では、2個のダイオードD1,D2の直列回路と残りの2個のダイオードD3,D4の直列回路とが並列に接続されている。一方の直列回路におけるダイオードD1,D2の接続点および他方の直列回路におけるダイオードD3,D4の接続点には、それぞれ給電線PS1,PS2が接続されている。ダイオードD1,D2の直列回路とダイオードD3,D4の直列回路との一方の接続点は、配線W1を介してトランス11の一次巻線L1の一端に接続され、他方の接続点は、配線W2を介して一次巻線L1の他端に接続されている。
平滑コンデンサC1の一方の電極は、配線W1に接続され、他方の電極は、配線W2に接続されている。
商用交流電源ACから供給される交流電圧は、ダイオードブリッジ14により全波整流され、その全波整流後の電圧が平滑コンデンサC1で平滑化されることにより、配線W1,W2間に直流電圧が発生する。
スイッチング素子13は、Nチャネル型のMOSFET(NMOS)からなり、そのドレイン端子が配線W2に接続されている。スイッチング素子13のソース端子は、抵抗R1を介して接地されている。スイッチング素子13は、ゲート端子に入力される電圧により、スイッチング動作(オン/オフ)する。
スイッチング素子13がオンにされると、トランス11の一次巻線L1に電流が流れ、一次巻線L1にエネルギが蓄積される。その後、スイッチング素子13がオフにされると、一次巻線L1に蓄積されたエネルギが開放されて、一次巻線L1に起電力が生じ、トランス11の二次巻線L2に一次巻線L1と二次巻線L2との巻数比に応じた二次電圧が発生する。スイッチング素子13のオン/オフが繰り返されることにより、二次電圧がパルス的に発生する。
スイッチング電源1は、トランス11の二次側に、二次側整流平滑回路15および定電圧回路16を備えている。
二次側整流平滑回路15は、整流ダイオードD5および平滑コンデンサC2を含む。トランス11の二次巻線L2の一端は、配線W3を介して出力端子に接続され、その他端は、グランドラインG(0V)に接続されている。整流ダイオードD5は、アノードを二次巻線L2側に向けて、配線W3の途中部に介装されている。平滑コンデンサC2の一方の電極は、整流ダイオードD5のカソード側で配線W3に接続され、他方の電極は、グランドラインGに接続されている。二次巻線L2にパルス的に発生する二次電圧は、二次側整流平滑回路15により整流および平滑化されて、直流電圧に変換される。
定電圧回路16は、シャントレギュレータIC(Integrated Circuit)17、抵抗R2,R3,R4およびフォトカプラPCを含む。抵抗R2,R3は、直列に接続されている。抵抗R2,R3の直列回路の一端は、配線W3に接続され、他端は、グランドラインGに接続されている。シャントレギュレータIC17には、抵抗R2と抵抗R3との接続点の電圧が基準電圧として入力される。フォトカプラPCの発光ダイオードPDは、アノードが抵抗R4を介して配線W3に接続され、カソードがシャントレギュレータIC17に接続されている。この構成により、一定の電圧(Output)が出力端子から出力される。また、出力端子から出力される電圧(以下、「二次側の出力電圧」という。)が基準電圧を超えると、フォトカプラPCの発光ダイオードPDが発光する。
スイッチング電源1は、トランス11の一次側に、スイッチング制御部21を備えている。スイッチング制御部21は、CPUなどを内蔵するICからなり、第1端子FB、第2端子OUT、第3端子VCCおよび第4端子VDDを有している。
フォトカプラPCの受光側のフォトトランジスタPTは、抵抗R5を介して、第1端子FBに接続されている。これにより、二次側の出力電圧が基準電圧を超えて、フォトカプラPCの発光ダイオードPDが発光すると、フォトトランジスタPTが導通し、第1端子FBに電圧が入力される。二次側の出力電圧と基準電圧との電位差に応じて、発光ダイオードPDに流れる電流が増減するので、発光ダイオードPDの発光量が増減する。発光量の増減に応じて、フォトトランジスタPTを流れる電流が変化するので、第1端子FBに入力される電圧が変化する。
スイッチング制御部21の第2端子OUTは、抵抗R6を介して、スイッチング素子13のゲート端子に接続されている。スイッチング制御部21は、二次側の出力電圧に応じて変化する第1端子FBの入力電圧に基づいて、スイッチング素子13のスイッチング動作のデューティ比を制御する。これにより、二次側の出力電圧が一定に保たれる。
さらに、スイッチング電源1は、トランス11の一次側に、電圧発生回路22および過電圧保護回路23を備えている。
電圧発生回路22は、整流ダイオードD6、抵抗R7および平滑コンデンサC3を含む。補助巻線L3の一端には、配線W4が接続されている。整流ダイオードD6は、アノードを補助巻線L3側に向けて、配線W4の途中に介装されている。抵抗R7は、整流ダイオードD6のアノードと補助巻線L3の一端との間に介装されている。平滑コンデンサC3の一方の電極は、整流ダイオードD6のカソード側で配線W4に接続され、他方の電極は、グランドラインGに接続されている。二次巻線L2に二次電圧がパルス的に発生すると、補助巻線L3に電圧がパルス的に発生する。その補助巻線L3にパルス的に発生する電圧は、電圧発生回路22により整流および平滑化されて、直流電圧に変換される。
過電圧保護回路23は、NPNトランジスタTrおよび3個のツェナーダイオードZD1,ZD2,ZD3を含む。NPNトランジスタTrのコレクタは、配線W4に接続されている。NPNトランジスタTrのエミッタは、スイッチング制御部21の第3端子VCCに接続されている。ツェナーダイオードZD1,ZD2は、直列に接続されて、一方のツェナーダイオードZD1のカソードがNPNトランジスタTrのコレクタに接続され、他方のツェナーダイオードZD2のアノードがNPNトランジスタTrのエミッタに接続されている。ツェナーダイオードZD3のカソードは、NPNトランジスタTrのベースに接続され、ツェナーダイオードZD3のアノードは、グランドラインGに接続されている。また、NPNトランジスタTrのコレクタとツェナーダイオードZD3のカソードとの間には、抵抗Rcが介在されている。
トランス11の二次側の出力電圧が定常状態であるときには、配線W4の直流電圧によりツェナーダイオードZD3および抵抗Rcに電流が流れ、スイッチング制御部21の第3端子VCCに、ツェナーダイオードZD3の降伏電圧からNPNトランジスタTrのベース−エミッタ間電圧だけ低下した定電圧が入力される。
たとえば、スイッチング電源1にフォトカプラPCの故障などの異常が発生し、スイッチング制御部21によるスイッチング素子13のスイッチング動作の正常な制御が不能になり、スイッチング素子13が最大デューティ比でスイッチング動作すると、二次側の出力電圧が上昇し始め、これに伴って、補助巻線L3に誘起される電圧が上昇し、配線W4の直流電圧が上昇し始める。配線W4の直流電圧の上昇により、ツェナーダイオードZD1,ZD2が導通すると、スイッチング制御部21の第3端子VCCに、配線W4の直流電圧からツェナーダイオードZD1,ZD2の耐圧電圧を差し引いた分の電圧が入力される。第3端子VCCに入力される電圧が過電圧と識別される所定電圧値を超えたことに応じて、スイッチング制御部21は、過電圧保護機能を作動させ、スイッチング素子13のスイッチング動作を停止して、二次側の出力電圧を低下させる。
ところが、駆動電圧が過電圧と識別される所定電圧値を超えるまでは、過電圧保護機能が作動しないため、過電圧保護機能が作動するタイミングが遅い場合がある。そこで、スイッチング電源1には、トランス11の一次側に、電流入力回路24が設けられている。
電流入力回路24は、抵抗R8およびコンデンサC4を含む。コンデンサC4の一方の電極は、補助巻線L3と抵抗R7との間で配線W4に接続され、他方の電極は、抵抗R8の一端に接続されている。抵抗R8の他端は、スイッチング制御部21の第4端子VDDに接続されている。
二次側の出力電圧が一定の電圧であるときには、補助巻線L3に誘起される電圧が一定であるから、スイッチング制御部21の第4端子VDDには、一定の振幅で正弦波状に変化する電流が入力される。二次側の出力電圧が変動すると、補助巻線L3に誘起される電圧が変動するので、スイッチング制御部21の第4端子VDDに入力される電流(コンデンサC4を流れる電流)の大きさが変化する。この電流の変化に応じて、スイッチング制御部21は、スイッチング素子13のスイッチング動作を停止する。これにより、二次側の出力電圧が過電圧となったときに、スイッチング制御部21の第3端子VCCに過電圧と識別される所定電圧値が入力される前に、スイッチング素子13のスイッチング制御を停止させることができる。
<作用効果>
このように、トランス11の二次側の出力電圧が一定の電圧から過電圧に変化したことに応じて、補助巻線L3に誘起される電圧が変化し、コンデンサC4に印加される電圧が変化することにより、抵抗R8を介してスイッチング制御部21の第4端子VDDに入力される電流の大きさが変化する。この電流の大きさの変化は、配線W4の直流電圧がツェナーダイオードZD1,ZD2の各降伏電圧を超えるよりも早く現れる。よって、二次側の出力電圧の過電圧に対する保護を迅速に行うことができる。
<第2実施形態>
図2は、本発明の第2実施形態に係るスイッチング電源101の回路図である。図2において、図1に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略し、図2に示される構成について、図1に示される構成との相違点のみを説明する。
図2に示されるスイッチング電源101では、図1に示されるスイッチング電源1の構成から電流入力回路24が省かれて、バイアス電圧入力回路102が追加されている。
バイアス電圧入力回路102は、抵抗R9およびコンデンサC5を含む。コンデンサC5の一方の電極は、補助巻線L3と抵抗R7との間で配線W4に接続され、他方の電極は、抵抗R9の一端に接続されている。抵抗R9の他端は、グランドラインGに接続されている。また、抵抗R9とコンデンサC5との接続点がスイッチング制御部21の第3端子VCCに接続されている。
二次側の出力電圧が一定の電圧であるときには、補助巻線L3に誘起される電圧が一定であるから、スイッチング制御部21の第3端子VCCには、二次側の出力電圧に応じた駆動電圧に加えて、抵抗R9とコンデンサC5との接続点の電圧が入力される。二次側の出力電圧が上昇すると、補助巻線L3に誘起される電圧が上昇するので、駆動電圧が上昇し、抵抗R9とコンデンサC5との接続点の電圧の振幅が上昇する。そのため、二次側の出力電圧が上昇した場合に、駆動電圧の値が過電圧と識別される所定電圧値を超えるよりも先に、駆動電圧に抵抗R9とコンデンサC5との接続点の電圧を加えた電圧値が所定電圧値を超える。これに応じて、スイッチング制御部21は、過電圧保護機能を作動させ、スイッチング素子13のスイッチング動作を停止して、二次側の出力電圧を低下させる。
<作用効果>
この構成によっても、二次側の出力電圧が過電圧となったときに、スイッチング制御部21の第3端子VCCに入力される駆動電圧が過電圧と識別される所定電圧値を超える前に、スイッチング素子13のスイッチング制御を停止させることができる。よって、二次側の出力電圧の過電圧に対する保護を迅速に行うことができる。
なお、二次側の出力電圧が一定の電圧である定常状態において、抵抗R9とコンデンサC5との接続点の電圧の値は、過電圧と識別される所定電圧値を超えないように、抵抗R9の抵抗値およびコンデンサC5の静電容量が決定されている。
<第3実施形態>
図3は、本発明の第3実施形態に係るスイッチング電源201の回路図である。図3において、図1に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略し、図3に示される構成について、図1に示される構成との相違点のみを説明する。
図3に示されるスイッチング電源201では、図1に示されるスイッチング電源1の構成から電流入力回路24が省かれて、コンデンサC6とダイオードD7とを直列接続した回路202が追加されている。
コンデンサC6の一方の電極は、NPNトランジスタTrのコレクタに接続され、他方の電極は、ダイオードD7のカソードに接続されている。ダイオードD7のアノードは、補助巻線L3の一端と電圧発生回路22の抵抗R7との間で配線W4に接続されている。
図1に示される回路と同様に、トランス11の二次側の出力電圧が定常状態では、スイッチング制御部21の第3端子VCCに、ツェナーダイオードZD3の降伏電圧からNPNトランジスタTrのベース−エミッタ間電圧だけ低下した定電圧が入力される。二次側の出力電圧が急峻に上昇し、これに伴って、補助巻線L3に誘起される電圧が急峻に上昇すると、コンデンサC6とダイオードD7とを直列接続した回路202に電流が流れる。これに応じて、ツェナーダイオードZD1,ZD2が導通すると、スイッチング制御部21の第3端子VCCに配線W4の直流電圧からツェナーダイオードZD1,ZD2の耐圧電圧を差し引いた分の電圧が入力される。第3端子VCCに入力される電圧が過電圧と識別される所定電圧値を超えたことに応じて、スイッチング制御部21は、過電圧保護機能を作動させ、スイッチング素子13のスイッチング動作を停止して、二次側の出力電圧を低下させる。二次側の出力電圧が緩やかに上昇した場合は、図1に示される回路と同様に、配線W4の直流電圧がツェナーダイオードZD1,ZD2の各降伏電圧を超えてツェナーダイオードZD1,ZD2が導通すると、スイッチング制御部21の第3端子VCCに配線W4の直流電圧からツェナーダイオードZD1,ZD2の耐圧電圧を差し引いた分の電圧が入力される。
<作用効果>
この構成によれば、二次側の出力電圧が急峻に上昇した場合に、スイッチング制御部21の第3端子VCCに入力される駆動電圧が過電圧と識別される所定電圧値を超える前に、スイッチング素子13のスイッチング制御を停止させることができる。よって、二次側の出力電圧の過電圧に対する保護を迅速に行うことができる。
<変形例>
以上、本発明の3つの実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもでき、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1,101,201:スイッチング電源
11:トランス
13:スイッチング素子
21:スイッチング制御部
22:電圧発生回路
23:過電圧保護回路
102,202:バイアス電圧入力回路
C4,C5,C6:コンデンサ
ZD1,ZD2:ツェナーダイオード

Claims (5)

  1. トランスと、
    前記トランスの一次コイルに接続されたスイッチング素子と、
    前記トランスの一次側に設けられ、駆動電圧が入力される入力端子を有し、前記トランスの二次側の出力電圧が目標電圧となるように前記スイッチング素子のスイッチング制御を行い、前記入力端子に過電圧と識別される電圧が入力された際に前記スイッチング素子の前記スイッチング制御を停止するスイッチング制御部と、
    前記トランスの一次側に設けられた補助巻線に誘起される交流電圧を整流及び平滑し、第1直流電圧として出力する電圧発生回路と、
    前記電圧発生回路が出力する前記第1直流電圧が所定電圧を超えない場合、前記駆動電圧を前記第1直流電圧から生成して前記入力端子に入力し、前記第1直流電圧が前記所定電圧を超える場合、前記過電圧と識別される電圧を前記入力端子に入力する過電圧保護回路と、を備え、
    前記補助巻線と前記スイッチング制御部とは、コンデンサを介して接続され、
    前記スイッチング制御部は、
    前記補助巻線に誘起される交流電圧の電圧上昇によって生じる前記コンデンサの電極間の電流、又は、電圧の変化に応じて、前記スイッチング制御を停止させる、
    スイッチング電源。
  2. 請求項1記載のスイッチング電源であって、
    更に、
    前記補助巻線の一端と他端との間に前記コンデンサと第1抵抗とが直列に接続され、前記コンデンサと前記第1抵抗との間の点が前記入力端子と接続され、前記過電圧と識別される電圧より低いバイアス電圧を前記入力端子に入力するバイアス電圧入力回路、を備え、
    前記スイッチング制御部は、
    前記入力端子に前記バイアス電圧が入力されている状態から更に前記駆動電圧が入力されて、前記入力端子に前記過電圧を超える電圧が入力された際に前記スイッチング素子の前記スイッチング制御を停止する、
    スイッチング電源。
  3. 請求項1記載のスイッチング電源であって、
    前記スイッチング制御部は、電流入力端子を備え、
    前記電流入力端子と前記補助巻線の一端とが前記コンデンサを介して接続され、
    前記スイッチング制御部は、前記コンデンサの電極間に生じる電流によって、前記スイッチング素子のスイッチングを停止する、
    スイッチング電源。
  4. 請求項1記載のスイッチング電源であって、
    前記過電圧保護回路は、前記補助巻線の一端と前記入力端子との間にツェナーダイオードを有する、
    スイッチング電源。
  5. 請求項4記載のスイッチング電源であって、
    前記コンデンサは、前記補助巻線と前記ツェナーダイオードとの間に設けられている、
    スイッチング電源。
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