JP2021093886A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧の電圧変動を抑制するスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング電源装置１は、トランス２００、トランジスタ２、制御部３、出力部４０、放電部５０、比較部６０、及びフィードバック部７０を備え、放電部５０の第１トランジスタ５０２は、第１主電極は第２出力端子３２に接続され、第２主電極は抵抗５０１を介して、第１出力側ライン３０１に接続されている。また、第１制御電極は比較部６０に接続されている。比較部６０は出力電圧と所定の上限基準電圧とを比較し、その比較結果出力信号を放電部５０の第１トランジスタ５０２の第１制御電極に出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

フィードバック回路を備えたスイッチング電源装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載のスイッチング電源装置において、フィードバック回路は、２次側の出力電圧の多寡に関するフィードバック信号を１次側の制御回路に出力する。制御回路はフィードバック信号を誤差信号として、出力電圧が目標電圧一定になるように１次側のＦＥＴをフィードバック制御する。

特開２０１１−１７６９７７号公報

従来のスイッチング電源装置は、フィードバック制御の応答が遅いため、電源起動時や急激な負荷（電流）変動時に出力電圧変動が発生し、出力電圧がスイッチング電源装置の出力端子に接続される負荷（装置）の許容電圧範囲を超えてしまい、負荷（装置）が誤動作するおそれがあった。

そこで、本発明は上記事実を考慮して、出力電圧変動を抑制するスイッチング電源装置を提供する。

本発明の第１実施態様に係るスイッチング電源装置は、電源端子から入力される直流電流を導通遮断するスイッチ部と、該スイッチ部を制御する制御部と、前記スイッチ部により入力される直流電流により、電磁エネルギーの蓄積と放出を繰り返すインダクタと、該インダクタの電磁エネルギーの蓄積と放出の繰り返しによって発生した電圧を、整流平滑して出力電圧を生成する出力部と、該出力電圧を検出して前記制御部にフィードバック信号を出力するフィードバック部と、前記出力電圧と所定の上限基準電圧とを比較する比較部と、前記出力電圧が上限基準電圧よりも高いときに、前記出力電圧を低下させる放電部と、を備えている。

第１実施態様に係るスイッチング電源装置は、スイッチ部と、制御部と、インダクタと、出力部と、フィードバック部と、比較部と、放電部と、を備える。そして、電源起動時や急激な負荷（電流）変動により出力電圧変動が発生したときに、比較部において出力電圧が所定の上限基準電圧より高くなったことを検出する。当該検出信号は放電部に入力され、放電部は出力電圧を低下させる。したがって、この構成によれば出力電圧変動を好適に抑制することができる。

本発明の第２実施態様に係るスイッチング電源装置では、第１実施態様に係るスイッチング電源装置において、出力電圧のグランドに第１主電極が接続され、出力電圧が印加される第１出力側ラインに第２主電極が接続され、比較部の出力端子に第１制御電極が接続された第１トランジスタを備え、比較部は出力電圧が上限基準電圧より高いときに、第１トランジスタをオン状態にする。

第２実施態様に係るスイッチング電源装置では、第１実施態様に係るスイッチング電源装置において、比較部は第１トランジスタを備え、出力電圧が上限基準電圧より高いとき、放電部の第１トランジスタをオン状態にするように構成される。
すなわち、出力電圧が上限基準電圧より高くなると、第１トランジスタはオン状態にされ、放電部において出力電圧を放電するため、上限基準電圧を超えた出力電圧を下げることができる。

本発明の第３実施態様に係るスイッチング電源装置では、第２実施態様に係るスイッチング電源装置において、第１トランジスタはｎチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタからなり、第２主電極は放電用抵抗を介して第１出力側ラインに接続されている。

本発明の第４実施態様に係るスイッチング電源装置では、第１実施態様〜第３実施態様に係るスイッチング電源装置において、比較部は上限基準電圧を生成するシャントレギュレータと、出力電圧を分圧する分圧抵抗回路と、上限基準電圧と出力電圧とを比較するコンパレータと、を備えている。

ここで、電源起動時や急激な負荷（電流）変動により出力電圧変動が発生したときに、比較部は出力電圧を抵抗により分圧した電圧とシャントレギュレータで生成された上限基準電圧とを比較する。出力電圧が上限基準電圧より高くなると、放電部の第１トランジスタはオン状態となる。放電部の第１トランジスタがオン状態にされると、第１出力側ラインは放電用抵抗を介して放電され、出力電圧が低下する。
つまり、比較部と、放電部とは出力電圧変動抑制回路を構築し、スイッチング電源装置の出力端子に接続される負荷（装置）の許容電圧を超えないように、出力電圧変動を抑制することができる。

本発明の実施形態によれば、出力電圧変動を抑制するスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明の第１実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成図である。 本発明の第２実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成図である。

［第１実施の形態］
図１を用いて、本発明の第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１について、説明する。

［スイッチング電源装置１の全体構成］
第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１は、１次側電源回路１００と、トランス（インダクタ）２００と、２次側電源回路３００と、フォトカプラ１１とを含んで構成されている。

（１次側電源回路１００の構成）
１次側電源回路１００は直流電源２０に接続される第１入力端子２１と、第２入力端子２２と、を備える。第１入力端子２１は直流電源２０の正極に接続され、第２入力端子２２は直流電源２０の負極に接続される。
第１入力端子２１は、この第１入力端子２１から延設されている第１入力側ライン１０１を通して、トランス２００の１次側巻き線の一端に接続されている。トランス２００の１次側巻き線の他端から延設されている第３入力側ライン１０３は、トランジスタ２の電流路となる一端の主電極（ドレイン電極）に接続されている。
トランス２００の１次側巻き線の両端には、抵抗４、コンデンサ５及びダイオード６が接続され、スナバ回路を構成している。コンデンサ５の一端は第１入力側ライン１０１に接続され、他端はダイオード６のカソード電極に接続されている。ダイオード６のアノード電極は第３入力側ライン１０３に接続されている。抵抗４はコンデンサ５に電気的に並列接続されている。

第１実施の形態では、トランジスタ２はｎチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタ（IGFET：Insulated Gate Field Effect Transistor）を用いて構成されている。
ここで、本実施の形態においては、絶縁ゲート電界効果トランジスタとは、金属−酸化膜−半導体型電界効果トランジスタ（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor FET）、金属−絶縁体−半導体型電界効果トランジスタ（MISFET：Metal Insulator Semiconductor FET）の双方が少なくとも含まれる意味で使用されている。
トランジスタ２の主電極（ドレイン電極）は、第３入力側ライン１０３を通してトランス２００の１次側巻き線の他端に接続される。トランジスタ２の他端の主電極（ソース電極）は、抵抗１０の一端に接続され、抵抗１０の他端は第２入力側ライン１０２を通して第２入力端子２２に接続されている。トランジスタ２の制御電極（ゲート電極）は、制御部３からの制御信号が入力される。トランジスタ２は直流電源２０から供給される直流電流をスイッチングして、トランス２００の１次側巻き線にスイッチング電流を供給する。

制御部３は抵抗８及び抵抗９を介してトランジスタ２の制御電極（ゲート電極）に接続されている。ダイオード７は抵抗８に並列に接続されている。ダイオード７のカソード電極は制御部３に接続され、ダイオード７のアノード電極は抵抗８及び抵抗９の一端に接続されている。また、制御部３にはフォトカプラ１１を介して、出力電圧（第１出力端子３１と第２出力端子３２の端子間電圧）の検出信号となるフィードバック信号が入力される。
制御部３は、例えばマイコンまたは、専用ＩＣで構成される。制御部３にはフィードバックライン１０４を介してフィードバック信号が入力され、出力電圧が一定になるように、トランジスタ２を制御する。本実施の形態では、ＰＷＭ制御を用いて出力電圧が目標電圧一定になるように制御を行っている。

（２次側電源回路３００の構成）
２次側電源回路３００は、出力部４０と、放電部５０と、比較部６０と、フィードバック部７０と、を含んで構成されている。
スイッチング電源装置１の出力電圧は、第２出力端子３２（ＧＮＤ）をグランドとし、第１出力端子３１（ＶＯＵＴ）に出力される。

（１）出力部４０の構成
出力部４０はダイオード４０１と、コンデンサ４０２と、を含んで構成される。
ダイオード４０１のアノード電極は、トランス２００の２次側巻き線の一端に接続され、カソード電極は第１出力端子３１から延設される第１出力側ライン３０１に接続されている。コンデンサ４０２の一端は第１出力側ライン３０１に接続される。コンデンサ４０２の他端はトランス２００の２次側巻き線の他端と第２出力端子３２（ＧＮＤ）から延設される第２出力側ライン３０２に接続される。
出力部４０のダイオード４０１とコンデンサ４０２とにより、トランス２００の１次側巻き線にスイッチング電流を供給することで発生する２次側巻き線の誘起電圧を整流平滑し、出力電圧を生成する。

（２）放電部５０の構成
放電部５０は第１トランジスタ５０２と、抵抗５０１と、抵抗５０３と、を含んで構成されている。
第１トランジスタ５０２の第１主電極（ソース電極）は、第２出力側ライン３０２を通して第２出力端子３２に接続される。第１トランジスタ５０２の第２主電極（ドレイン電極）は、抵抗５０１を介して第１出力側ライン３０１に接続される。第１トランジスタ５０２の第１制御電極（ゲート電極）は、抵抗５０３を介して比較部６０に接続される。
なお、本実施の形態では、第１トランジスタ５０２はトランジスタ２と同様に、ｎチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタ（IGFET）を用いて構成されている。

（３）比較部６０の構成
比較部６０は基準電圧生成回路と、分圧抵抗回路と、コンパレータ回路と、を含んで構成されている。
基準電圧生成回路は抵抗６０１と、シャントレギュレータ６０２と、を含んで構成されている。
シャントレギュレータ６０２は、アノード電極、カソード電極及びリファレンス電極を有する。アノード電極は第２出力側ライン３０２を通して第２出力端子３２に接続されている。カソード電極は抵抗６０１を介して第１出力側ライン３０１に接続されている。リファレンス電極はカソード電極に接続されている。基準電圧生成回路で生成された基準電圧は、基準電圧ライン６１を通して比較部６０のコンパレータ回路及びフィードバック部７０に接続されている。

分圧抵抗回路は抵抗６０３〜抵抗６０５で構成されている。
第１出力側ライン３０１と第２出力側ライン３０２との間に、直列に抵抗６０３〜抵抗６０５が接続されている。分圧抵抗回路は第１出力側ライン３０１の電圧を分圧した２つの比較電圧ラインを生成する。第１比較電圧ライン６２は、抵抗６０４の一端と抵抗６０５の一端に接続されている。第２比較電圧ライン６３は、抵抗６０３の一端と抵抗６０４の他端に接続されている。
第１出力側ライン３０１の電圧が目標電圧になったとき、第２比較電圧ライン６３の電圧が、基準電圧ライン６１の電圧と同じになるように、抵抗６０３〜抵抗６０５の抵抗値は設定される。さらに、第１出力側ライン３０１の電圧が目標電圧より高い、所定の上限基準電圧になったとき、第１比較電圧ライン６２の電圧が、基準電圧ライン６１の電圧と同じになるように、抵抗６０３〜抵抗６０５の抵抗値は設定されている。上限基準電圧は、スイッチング電源装置１に接続される負荷（装置）の最大許容電圧より小さい電圧に設定されている。

コンパレータ回路はコンパレータＩＣ６０６で構成されている。
コンパレータＩＣ６０６は反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有する。コンパレータＩＣ６０６の反転入力端子は基準電圧ライン６１に接続されている。コンパレータＩＣ６０６の非反転入力端子は第１比較電圧ライン６２に接続されている。コンパレータＩＣ６０６の出力端子は抵抗５０３を介して、第１トランジスタ５０２の第１制御電極（ゲート電極）に接続されている。

（４）フィードバック部７０の構成
フィードバック部７０は、抵抗７０１と、コンデンサ７０２と、コンパレータＩＣ７０３と、抵抗７０４と、を含んで構成されている。
コンパレータＩＣ７０３は反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有する。コンパレータＩＣ７０３の反転入力端子は第２比較電圧ライン６３に接続されている。コンパレータＩＣ７０３の非反転入力端子は基準電圧ライン６１に接続されている。コンパレータＩＣ７０３の出力端子と反転入力端子との間には、直列に抵抗７０１と、コンデンサ７０２とが接続されている。また、コンパレータＩＣ７０３の出力端子はフォトカプラ１１のフォトダイオードのカソード電極に接続され、フォトダイオードのアノード電極は抵抗７０４を介して第１出力側ライン３０１に接続されている。

（第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１の起動時動作）
第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１の起動時動作について説明する。
スイッチング電源装置１の起動直後に、１次側電源回路１００の制御部３によるスイッチング制御が開始され、第１出力端子３１の電圧は上昇を開始する。この第１出力端子３１の電圧上昇に合わせて、基準電圧ライン６１、第１比較電圧ライン６２及び第２比較電圧ライン６３の電圧が上昇する。このとき、基準電圧ライン６１の電圧が第１比較電圧ライン６２の電圧より高いため、コンパレータＩＣ６０６の出力信号はローレベルとなる。その結果、第１トランジスタ５０２はオフ状態とされ、放電部５０はオフ状態となる。
また、基準電圧ライン６１の電圧は第２比較電圧ライン６３の電圧より高いため、コンパレータＩＣ７０３の出力信号はハイレベルとなる。その結果、フォトカプラ１１のフォトダイオードには電流が流れず、制御部３は第１出力端子３１の電圧を上げる制御を継続する。

さらに、第１出力端子３１の電圧が上昇し、シャントレギュレータ６０２で設定した基準電圧の値より高くなると、基準電圧ライン６１の電圧上昇は止まり、シャントレギュレータ６０２により設定された一定の電圧が基準電圧ライン６１に出力される。

また、更に第１出力端子３１の電圧が上昇し、目標電圧より高くなると、基準電圧ライン６１の電圧よりも第２比較電圧ライン６３の電圧が高くなり、コンパレータＩＣ７０３の出力信号はローレベルとなる。その結果、フォトカプラ１１のフォトダイオードに電流が流れ、制御部３にフィードバック信号がフィードバックライン１０４を介して入力される。そして、制御部３は出力電圧を降下させる制御に移行する。制御部３は直ちに電圧降下させるために、トランジスタ２の制御を行うが、フィードバック制御の応答が遅いため、第１出力端子３１の電圧は瞬時に応答せず、目標電圧を超えて更に上昇を継続する。

出力電圧の上昇が継続すると、第１比較電圧ライン６２の電圧が基準電圧ライン６１の電圧より高くなり、コンパレータＩＣ６０６の出力信号がハイレベルとなる。コンパレータＩＣ６０６のハイレベルの出力信号は抵抗５０３を介して、第１トランジスタ５０２の第１制御電極（ゲート電極）に印加され、第１トランジスタ５０２はオン状態に移行する。

第１トランジスタ５０２がオン状態に移行すると、コンデンサ４０２に充電された電荷が、抵抗５０１およびオン状態とされた第１トランジスタ５０２を介して第２出力端子３２に放電される。その結果、第１出力端子３１の電圧上昇が抑制され、出力電圧は低下する。

第１出力端子３１の電圧が低下し、第１比較電圧ライン６２の電圧よりも基準電圧ライン６１の電圧が高くなると、コンパレータＩＣ６０６の出力信号がローレベルとなる。これにより、第１トランジスタ５０２はオフ状態に移行し、放電部５０による放電動作は停止され、コンデンサ４０２の電荷は負荷により放電し、第１出力端子３１の電圧が低下し、制御部３による電圧制御へ移行する。

なお、上記では、スイッチング電源装置１の起動時の動作を例に説明したが、急激な負荷（電流）変動により出力電圧上昇が発生したときも同様の動作となる。出力電圧が所定の上限基準電圧より上昇したときに、第１トランジスタ５０２はオン状態に移行し、コンデンサ４０２に充電された電荷は抵抗５０１を介して放電され、出力電圧の上昇を抑制することができる。

（作用効果）
本実施の形態に係るスイッチング電源装置１は、図１に示されるように、１次側電源回路１００と、トランス２００と、２次側電源回路３００と、フォトカプラ１１と、を備える。
１次側電源回路１００は、トランジスタ２と、制御部３と、を備える。
２次側電源回路３００は、出力部４０と、放電部５０と、比較部６０と、フィードバック部７０と、を含んで構成されている。
出力部４０はダイオード４０１とコンデンサ４０２と、で構成される。トランス２００の１次側巻き線にスイッチング電流を供給することで発生する２次巻き線の誘起電圧を整流平滑して、第１出力側ライン３０１に出力電圧が生成される。
放電部５０の第１トランジスタ５０２は、その第１主電極（ソース電極）が第２出力端子３２に接続され、第２主電極（ドレイン電極）が抵抗５０１を介して、第１出力側ライン３０１に接続され、第１制御電極（ゲート電極）が比較部６０の出力端子に接続されている。
比較部６０はシャントレギュレータ６０２と第１出力端子３１の電圧を分圧する抵抗６０３〜抵抗６０５と、を含んで構成されている。そして、第１出力側ライン３０１の電圧が所定の上限基準電圧よりも高いときに、第１トランジスタ５０２はオン状態に移行される。
フィードバック部７０は第１出力側ライン３０１の電圧と目標電圧とを比較し、誤差信号であるフィードバック信号を出力する。フィードバック部７０の出力信号はフォトカプラ１１を介して制御部３に入力され、制御部３はトランジスタ２の制御を実行する。

ここで、起動時や急激な負荷（電流）変動により、第１出力側ライン３０１の電圧変動が発生したとき、第１出力側ライン３０１の電圧が所定の上限基準電圧より高くなると、比較部６０により第１トランジスタ５０２がオン状態に移行される。そして、第１トランジスタ５０２がオン状態に移行されることで、コンデンサ４０２に充電された電荷は抵抗５０１を介して放電され、第１出力側ライン３０１の電圧が低下する。
つまり、放電部５０と比較部６０とは電圧変動抑制回路を構成し、スイッチング電源装置１の第１出力端子３１及び第２出力端子３２に接続される負荷（装置）の許容電圧を超えないように、出力電圧変動を抑制することができる。

［第２実施の形態］
図２を用いて、本発明の第２実施の形態に係るスイッチング電源装置１Ａについて、説明する。
第２実施の形態に係るスイッチング電源装置１Ａは、前述の第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１における１次側電源回路１００の構成を変更したものである。第１実施の形態の１次側電源回路１００は、絶縁型のフライバック方式のスイッチング電源装置であったが、第２実施の形態は１次側電源回路１００Ａを非絶縁型のスイッチング電源装置とした場合を例示している。さらに、第２実施の形態に係るスイッチング電源装置１Ａは、非絶縁型のスイッチング電源装置であるため、第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１には必要であったフォトカプラ１１と、抵抗７０４と、を削除している。
なお、第２実施の形態において、第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１の構成要素と同一の構成要素又は実質的に同一の構成要素には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（１次側電源回路１００Ａの構成）
１次側電源回路１００Ａは直流電源２０に接続される第１入力端子２１と第２入力端子２２とを備える。第１入力端子２１は直流電源２０の正極に接続され、第２入力端子２２は直流電源２０の負極に接続されている。さらに、第２入力端子２２は第２出力側ライン３０２を通して、第２出力端子３２に接続されている。
また、第１入力端子２１はインダクタ１２の一端に接続され、インダクタ１２の他端は出力部４０のダイオード４０１のアノード電極及びスイッチ素子１３の電流路となる一端に接続されている。スイッチ素子１３の電流路となる他端は、第２入力端子２２及び第２出力側ライン３０２を通して第２出力端子３２に接続されている。スイッチ素子１３の制御端子は制御部３に接続されている。制御部３にはフィードバック部７０の出力であるフィードバック信号がフィードバックライン１０４を介して入力され、出力電圧が一定になるように、スイッチ素子１３の制御端子を制御する。例えば、スイッチ素子１３は第１実施の形態のトランジスタ２と同様に、ｎチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタ（IGFET）を用いて構成され、ＰＷＭ制御を用いて出力電圧が一定になるように制御を行っている。

（作用効果）
本実施の形態に係るスイッチング電源装置１Ａは、図２に示されるように、制御部３と、インダクタ１２と、スイッチ素子１３と、出力部４０と、放電部５０と、比較部６０と、フィードバック部７０と、を含んで構成されている。
このように構成される第２実施の形態に係るスイッチング電源装置１Ａは、第１実施の形態に係るスイッチング電源装置１により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

［その他の実施の形態］
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において、種々変形可能である。例えば、比較部６０の第１比較電圧ライン６２、第２比較電圧ライン６３は出力電圧を抵抗で分圧し生成したが、抵抗で分圧せず、出力電圧を直接比較してもよい。
また、本発明の放電部５０は出力電圧が所定の上限基準電圧より高いときに出力電圧を低下させるのであればよく、その構成は上記実施の形態に記載された事項に限定されるものではない。
また、本発明の比較部６０は出力電圧が所定の上限基準電圧より高いときに放電部５０による放電を実行させるのであればよく、その構成は上記実施の形態に記載された事項に限定されるものではない。

１、１Ａ…スイッチング電源装置、２…トランジスタ、３…制御部、１１…フォトカプラ、１２…インダクタ、１３…スイッチ素子、２０…直流電源、２１…第１入力端子、２２…第２入力端子、３１…第１出力端子、３２…第２出力端子、４０…出力部、５０…放電部、６０…比較部、７０…フィードバック部、２００…トランス、３０１…第１出力側ライン、５０２…第１トランジスタ、６０２…シャントレギュレータ、６０６、７０３…コンパレータＩＣ

Claims (4)

1. 電源端子から入力される直流電流を導通遮断するスイッチ部と、
   該スイッチ部を制御する制御部と、
   前記スイッチ部により入力される直流電流により、電磁エネルギーの蓄積と放出を繰り返すインダクタと、
   該インダクタの電磁エネルギーの蓄積と放出の繰り返しによって発生した電圧を、整流平滑して出力電圧を生成する出力部と、
   該出力電圧を検出して前記制御部にフィードバック信号を出力するフィードバック部と、
   前記出力電圧と所定の上限基準電圧とを比較する比較部と、
   前記出力電圧が前記上限基準電圧より高いときに前記出力電圧を低下させる放電部と、
   を備えているスイッチング電源装置。
2. 前記放電部は、
   前記出力電圧のグランドに第１主電極が接続され、前記出力電圧が印加される第１出力側ラインに第２主電極が接続され、前記比較部の出力に第１制御電極が接続された第１トランジスタを備え、
   前記比較部は、前記出力電圧が前記上限基準電圧より高いときに、前記第１トランジスタをオン状態にする
   請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記第１トランジスタは、
   ｎチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタからなり、
   前記第２主電極は、放電用抵抗を介して、前記第１出力側ラインに接続されている
   請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記比較部は、
   前記上限基準電圧を生成するシャントレギュレータと、
   前記出力電圧を分圧する分圧抵抗回路と、
   前記上限基準電圧と前記出力電圧とを比較するコンパレータと、
   を備えている
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。

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