JP2596314B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

スイッチング電源回路

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    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はスイッチング電源回路に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来のスイッチング電源回路は、図4に
示すように1次電源10からの電力をスイッチングする
スイッチング素子2と、スイッチング素子の出力を平滑
する平滑回路3と、平滑回路の出力電圧を基準電圧回路
5の基準電圧に変換する電圧変換回路4と、基準電圧回
路の基準電圧信号に対して電源回路の出力電圧を変換し
た電圧変換回路の出力電圧の大小関係を判別して負荷へ
の供給電圧を制御するための信号を発生する比較器6
と、比較器の出力信号と基準発振回路7の基準発振信号
の出力との論理積をとる論理積回路8と、論理積回路の
出力を電力増幅すると共にスイッチング素子を駆動する
ドライバ回路9を有している(例えば、モトローラ社
リニア/スイッチモードボルテージレギュレータハンド
ブック第13章 昭和63年6月10日発行)。
【0003】次に動作について説明する。スイッチング
電源回路に使用する比較器の入力には、回路構成や素子
のばらつき等の影響により、数mV程度にヒステリシス
電圧が存在する。この比較器のヒステリシスは、図4に
示したスイッチング電源回路においては図5に示したタ
イミングチャート図の(e)のように基準電圧回路5の
基準出力電圧の上下にわたりヒステリシス電圧が分布し
ている。この状態でのスイッチング電源回路動作は、ま
ず平滑回路3の出力電圧を変換した電圧変換回路4の出
力電圧が基準電圧回路5の基準出力電圧より低いとき、
比較器6の出力信号は電圧変換回路の出力電圧が基準出
力電圧と上側のヒステリシス電圧との和より高くなるま
でHIGH(以下、Hと略)の状態となる。このため、
スイッチング素子2を駆動するドライバ回路9への信号
は基準発振回路7の出力信号が入力され、スイッチング
素子は基準発振回路のタイミングによってスイッチされ
る。この時のスイッチングデューティは最大デューティ
となる。
【0004】この最大デューティによるスイッチング動
作によって電源回路の出力電圧は上昇していき、電圧変
換回路の出力電圧が基準出力電圧と上側ヒステリシスと
の和より高くなると比較器の出力信号はLOW(以下、
Lと略)になり、スイッチング素子はOFFとなる。ス
イッチング素子がOFFとなると電源回路の出力電圧は
時間と共に低下していき、電圧変換回路の出力電圧が基
準出力電圧と下側ヒステリシスとの差より低くなるまで
は基準発振回路の出力状態に関係なくスイッチング素子
のOFFの状態が継続される。
【0005】スイッチング素子のOFF状態が続き、電
圧変換回路の出力電圧が基準出力電圧と下側ヒステリシ
スとの差より低くなったとき、比較器の出力信号は反転
して再びHになる。比較器の出力信号の変化により、ス
イッチング素子は基準発振回路の出力信号と比較器の出
力信号との論理積によって決まる出力状態によりON、
OFFが着まり、基準発振出力がLからHに変化した以
降では再び最大デューティによるスイッチングが始ま
る。これ以降はこの一連の動作を繰り返すことによって
電源回路の出力電圧をほぼ一定に保っていた。
【0006】このように電源回路に使用する比較器にヒ
ステリシスが存在している影響により、スイッチングの
条件によっては、基準発振の数サイクルは最大デューテ
ィによってスイッチングがおこなわれ、また基準発振の
数サイクルはスイッチングがOFFのまま、全く状態の
変化しないという動作状態が発生していた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この従来のスイッチン
グ電源回路で使用している比較器には数mV程度にヒス
テリシスがあるため、スイッチングさせる条件によって
は、基準発振の数サイクルは最大デューティによってス
イッチングをおこない、また基準発振の数サイクルはス
イッチングがOFFのまま、全く状態の変化しないとい
う動作状態が発生していた。
【0008】このような動作状態の下では、スイッチン
グ素子や平滑回路を構成している回路素子等に流れる電
流のピーク値が増加し、このために素子の発熱量が増加
したり、電源回路の出力電圧のリプル電圧が増加したり
することがあった。
【0009】本発明で解決しようとする課題は、比較器
のヒステリシスの影響によりスイッチングの状態が基準
発振の数サイクルは最大デューティによってスイッチン
グがおこなわれ、また基準発振の数サイクルはスイッチ
ングがOFFのまま全く状態の変化しないというスイッ
チングの条件であっても、基準発振出力のサイクルごと
に適正なスイッチングのデューティにより、連続してス
イッチングをおこなうスイッチング電源を実現させるこ
とである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明のスイッチング電
源は電源回路の出力電圧を変換した電圧変換回路の出力
電圧と基準出力電圧との大小関係を判別して負荷への供
給電圧を制御するための信号を発生する比較器と、スイ
ッチング周波数を一定にしている基準発振の出力信号と
を入力とする論理積回路の出力信号を、前記比較器で電
圧変換回路の出力電圧を入力している入力端子に波形変
換をして帰還させるための帰還回路を備えている。
【0011】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の一実施例の回路ブロック図である。
1次電源10からの電力はスイッチング素子2によって
スイッチングされ、スイッチング素子の出力は平滑回路
3によって平滑して出力される。また、基準電圧回路5
の基準出力電圧に対して、電源回路の出力電圧を変換し
た電圧変換回路4の出力電圧との大小関係を判別する比
較器6と、スイッチング周波数を一定にしている基準発
振回路7との入力信号の論理積をする論理積回路8によ
ってスイッチングの信号が出力されている。スイッチン
グ素子は論理積回路の出力信号をドライバ回路9に入力
させることによってスイッチングを駆動しており、スイ
ッチングのデューティを変化させて電源回路の出力電圧
をほぼ一定に制御している。また、論理積回路の出力信
号は本発明の回路である帰還回路により波形変換をさ
れ、電圧変換回路の出力電圧を入力している比較器の反
転端子に接続され、波形変換された信号を比較器の反転
端子に重畳させている。
【0012】次に回路動作について説明する。図2は図
1の動作を示したタイミングチャート図である。図1の
スイッチング電源回路における比較器のヒステリシス電
圧は、図2の(e)に示してあるように図4の従来のス
イッチング電源回路と同様に存在している。
【0013】電源回路の出力端子に接続される負荷11
が一定でスイッチング動作が定常状態に入っている時、
基準発振出力がHとなっている区間でスイッチング素子
がONになり、これにより電源回路の出力電圧は上昇し
ていく。基準発振出力がHからLに変化すると、ドライ
バ回路出力は比較器の出力状態に関わらずスイッチング
素子をOFFにする信号を出力させる。このドライバ出
力信号の変化は帰還回路において波形変換され、比較器
の反転端子に波形変換された信号が重畳される。ここで
比較器の反転端子に重畳される信号のピーク電圧は比較
器のヒステリシスよりも大きくなるように事前に調整し
ておく。すると帰還回路によって比較器の反転端子に重
畳される信号により、スイッチング素子がOFFに変化
したとき、比較器の反転端子電圧は基準出力電圧と上側
ヒステリシスとの和の電位を越えることとなり、比較器
の出力信号はHからLへと反転をする。
【0014】スイッチング素子がOFFとなれば電源回
路の出力電圧は時間と共に低下していき、これにともな
い電圧変換回路の出力電圧も低下していく。この電圧変
換回路の出力電圧が低下している時に基準発振回路の出
力電圧はLからHへと反転する。しかし、このときはま
だ電圧変換回路の出力電圧は基準出力電圧と下側ヒステ
リシスとの差の電位以下には下がっていないため、比較
器の出力電圧はLの状態を保っている。このため、基準
発振出力がLからHに変化してもスイッチング素子はO
NにはならずOFFの状態になる。
【0015】スイッチング素子のOFFの状態が続くと
電源回路の出力電圧は更に低下をしていき、電圧返還回
路の出力電圧が基準出力電圧と下側ヒステリシスとの差
の電位に近づいていく。そして電圧変換回路の出力電圧
がこの電位以下となったとき、比較器の出力電圧はLか
らHへと反転する。このとき、すでに基準発振回路の出
力電圧はHの状態であるため、ドライバ回路にはスイッ
チング素子をONにさせる信号が入力され、スイッチン
グ素子は基準発振出力がHとなっている区間でOFFか
らONへの変化をして電源回路の出力電圧を上昇させて
いく。これ以降はこの一連の動作が繰り返しておこなわ
れるため、スイッチングの動作は比較器のヒステリシス
に影響されることなく、基準発振出力のサイクルごとに
適正なスイッチングのデューティにより連続してスイッ
チングがおこなわれることとなる。
【0016】つぎに、電源回路の出力に接続される負荷
の状態が変化したことについて説明をする。ここでは負
荷に流れる電流が増加したときの変化について説明をす
る。負荷の状態が一定であったときの動作は前記したよ
うに、あるスイッチングのデューティによって連続して
スイッチングをしていた。この状態で負荷の状態が変化
し、負荷に流れる電流が増加すると、スイッチング素子
がOFFになっている期間において、時間経過に対する
電源回路の出力電圧の低下する傾きが大きくなる。この
出力電圧が低下する傾きが大きくなることにより電圧変
換回路の出力電圧は、負荷に流れる電流が増加する以前
の状態よりも基準出力電圧と下側ヒステリシスとの差の
電位以下になるまでの時間が短くなり、スイッチング素
子がOFFとなっている時間が短くなることとなる。し
たがって負荷に流れる電流が増加したときはスイッチン
グのOFF期間で短くなり、またスイッチングの周波数
は一定な為、スイッチングOFF期間で短くなった時間
はスイッチングのONしている期間の時間の増加とな
る。この結果から、負荷電流が増加したときはスイッチ
ングのデューティを大きくすることによって電源回路の
出力電圧をほぼ一定に保つこととなる。
【0017】以上のように負荷の状態が変化したときは
スイッチングのデューティを変化させ、しかも基準発振
出力のサイクルごとにこの変化したデューティを保持し
たまま連続してスイッチングがおこなわれることとな
る。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、基準出力
電圧に対して電源回路の出力電圧を変換する電圧変換回
路の出力電圧との大小関係を判別して負荷への供給電圧
を制御するための信号を発生する比較器と、スイッチン
グ周波数を一定にしている基準発振の出力信号とを入力
とする論理積回路の出力信号を、前記比較器で電圧変換
回路の出力電圧を入力している入力端子に波形変換をし
て帰還させるための帰還回路を負荷したので、基準発振
のサイクル毎に比較器のヒステリシス電位を越えるよう
な信号が比荷器の入力端子に重畳されるため、適正なス
イッチングのデューティによって連続してスイッチング
をすることとなる。この結果、スイッチング素子は平滑
回路を構成している回路素子に流れる電流のピーク値の
増加を抑えることができ、素子の発熱量増加を防ぐこと
が可能であり、また電源回路の出力電圧のリプル電圧を
低く抑えることが可能となる効果を有する。
【0019】具体的には、図3に示したスイッチング電
源回路の構成で、ある入出力条件の下においてスイッチ
ング素子に流れる電流のピーク−ピーク値が3.0A
P-P から0.5AP-P に低減され、回路素子の温度上昇
が70℃から30℃への激減できることが確認できた。
また、この時の電源回路の出力電圧のリプル電圧は50
mVP-P から30mVP-P に低減できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスイッチング電源回路の実例示すブロ
ック図である。
【図2】図1に示した実施例の回路動作のタイミングチ
ャート図である。
【図3】図1に示した実施例の具体的回路図の例であ
る。
【図4】従来のスイッチング電源回路を示すブロック図
である。
【図5】図4に示した従来例の回路動作のタイミングチ
ャート図である。
【符号の説明】
1 帰還回路 2 スイッチング素子 3 平滑回路 4 電圧変換回路 5 基準電圧回路 6 比較器 7 基準発振回路 8 論理積回路 9 ドライバ回路 10 1次電源 11 負荷

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1次電源からの電力をスイッチングする
    スイッチング素子と、前記スイッチング素子の出力を平
    滑する平滑回路と、前記平滑回路の出力電圧を基準電圧
    回路の基準電圧に変換する電圧変換回路と、前記基準電
    圧回路の基準電圧信号に対して前記電圧変換回路の出力
    の大小関係を判別して負荷への供給電圧を制御するため
    の信号を発生する比較器と、前記比較器の出力信号と基
    準発振信号の出力との論理積をとる論理積回路と、前記
    論理積回路の出力を電力増幅すると共に上記スイッチン
    グ素子を駆動するドライバ回路で構成されるスイッチン
    グ電源回路において、前記論理積回路の出力信号を、前
    記比較器の前記電圧変換回路の出力電圧を入力する端子
    に帰還させる帰還回路を備えたことを特徴とするスイッ
    チング電源回路。
  2. 【請求項2】 前記帰還回路は前記論理積回路の出力信
    号を波形変換することを特徴とする請求項1記載のスイ
    ッチング電源回路。
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