JP2852088B2 - フライバツク式スイツチングレギユレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多出力形のフライバツク式スイツチングレギ
ユレータに関し、特に広い入力電源電圧範囲で動作させ
た場合の出力電圧変動の補正方法に関する。

〔従来の技術〕

フライバツク式スイツチングレギユレータは入力電源
電圧に対し、制御範囲が広くとれること、多出力形とし
ても各出力が入力電源電圧変化に対し安定であることが
特徴である。そのため、あらゆる産業界で広く用いられ
ている電源である。

ここで、第３図，第４図を用いて多出力形のフライバ
ツク式スイツチングレギユレータの動作を説明する。第
３図は回路の概略を示す図、第４図は動作を説明するた
めの波形を示す図である。

第３図において、１は電源（V_I）、２は制御回路、３
はスイツチング素子でここではトランジスタとしてあ
る、４はトランス、５と８はダイオード、６と９はコン
デンサ、７と10は負荷抵抗である。

フライバツク式スイツチングレギユレータは、スイツ
チングトランジスタがONしたときに蓄えたエネルギーを
OFF時に放出するもので、その入出力関係式はよく知ら
れているように、 で示される。ここでV_oは出力電圧、V_Iは入力電源電圧、
N₂は２次巻線、N_Pは１次巻線、T_onはON時間、T_offはOFF
時間である。第４図に動作波形を示すが、T_onの間に１
次電流I_Pにより、トランスにエネルギーが蓄積されT_off
の間に２次側へI_sの電流を放出するものである。そのと
きの２次電圧がV_NS1で傾斜部が整流され出力される。

ここでのT_on/T_offの値について考えてみる。制御方
法は周波数を一定としたパルス幅制御とする。制御方法
は周波数制御でも関係式は変らないのでかまわない。こ
こでは、よく知られたパルス幅制御としたものである。
今、周波数を20KHz（周期Ｔ＝50μｓ）とし、T_onを25μ
ｓとすると、 となる。次に入力電源電圧が変化して、T_onが半分の12.
5μｓになつたとすると、 となる。式を見ると分るとおり、T_on/T_offが1/3にな
つたということはV_Iが３倍になつたことを意味する。し
かし、このときT_on時間は1/2にしかなつていない。すな
わち、入力電源電圧V_Iが大きく変つてもT_onの制御幅は
小さくて済む。したがつて広入力電源電圧範囲の動作を
させるのに向いている方式と言える。

これに対し、フオワード式スイツチングレギユレータ
の入出力関係式は、 で示される。衆知のことであるので詳して説明は省略す
るが、パルス幅制御の場合、周期Ｔが一定であるからV_I
の変化に対しT_onが直線的に変化するので広入力電源電
圧範囲の動作には向いていない。

次に、フライバツク式スイツチングレギユレータの出
力巻線を増やした場合について考える。出力２次巻線を
増やした場合について考える。出力２次巻線N_s1,N_s2,
…,N_snとすると、それぞれ、 が成り立つ。したがつて、どれか一つの出力電圧を帰還
して制御を行えば、入力電源電圧V_Iの変化に対して、T
_on/T_offが制御され、V_o1,V_o2,…V_Onは一定に制御され
る。

以上のように、フライバツク式スイツチングレギユレ
ータは、制御幅を広くとることができ、かつ、多出力形
としても各出力電圧が安定しているという特徴をもつも
のである。そのため、近年、商品の国際化によるAC85V
〜AC264Vの範囲で動作するフリー電源、あるいは工業計
器においては計装用DC24V電源と商用AC100V電源の区別
なく使用できる電源等に実用化されている。

しかし、以上の説明は、それぞれの電子部品が理想的
なものであるという前提のもとに成り立つているもので
ある。実際に、入力電源電圧を３倍〜６倍変化させたと
き、出力電圧が５％〜10％程度変化するのが現実であ
る。しかし、５〜10％程度の変化であれば内部回路で吸
収できるので、フリー電源という大きな特徴のために認
容しているのである。そこで次に、現実に存在する電子
部品を用いて多出力形のフライバツク式スイツチングレ
ギユレータを製作した場合の出力電圧の変動について考
察する。

構成部品としては必要最小限のトランス、スイツチン
グトランジスタ、整流用ダイオード、平滑用コンデンサ
について考える。そして、その中でも特にトランスの２
次巻線の直流抵抗、整流ダイオードの順方向電圧降下に
ついて考える。トランスの１次巻線およびスイツチング
トランジスタは複数の出力に対し、共通の部品であるた
め、除外する。また、平滑用コンデンサは、出力回路に
並列に入るもので、特に出力電圧変動に関係しないので
除外する。

整流ダイオードの特性は、しきい電圧V_Fと動作抵抗r_d
とし、トランスの２次巻線の直流抵抗をr_oとする。この
ダイオードとトランスに２次電流I_Sが流れたときの電圧
損失をV_Lとすると、 V_L＝V_F＋（r_d＋r_o）×I_S … となる。そして、まず説明のため、ここでは、制御回路
に入力する帰還電圧は入力電源電圧とし、入力電源電圧
の変化に対し制御動作するものとする。第３図におい
て、ダイオード5,8は同種のものN_S1＝N_S2とし、V_o1の負
荷を小、V_o2の負荷を大とすると、I_S2＞I_S1となるから
電圧損失V_L1,V_L2は、 V_L1＝V_F＋（r_d＋r_o）×I_s1 … V_L2＝V_F＋（r_d＋r_o）×I_s2 … となり、V_L2＞V_L1が成り立つ。

第２図において、V_S1,V_S2は整流後の波形を示したも
のであるが、傾斜線がV_Lによる電圧損失を示したもので
ある。なお、このV_S1,V_S2は現実には、コンデンサがあ
るため観測できない。しかし、説明のために、あえて記
入したものである。第２図（ａ）は電源電圧は低いとき
の各部波形を示したものである。V_S1,V_S2をコンデンサ
で平滑すると出力V_o1,V_o2になるが、V_o2はV_L2がV_L1より
大きいため、V_o1より小さな値となる。

次に第２図（ｂ）は電源電圧を高くしたときの波形で
ある。このときT_offが大きくなるため、放電時間が長く
なりI_S1,I_S2は小さくなる。すると、式に従つてV_L1,V
_L2も小さくなりV_S1,V_S2は大きくなる。よつてV_o1,V_o2も
大きくなる。つまり、電源電圧が高くなると２次電流I
_S1,I_S2が小さくなるため、トランスの巻線や整流ダイオ
ードによる電圧損失が小さくなるため、出力電圧V_o1,V
_o2が大きくなるのである。

次にV_o1,V_o2の変化の度合を調べる。２次電流I_S1,I_S2
は相似形であるが、出力２の方が負荷が重いためI_S2の
方が大きい。従つて電源電圧が変化したときの２次電流
I_S2の変化も大きく、電圧損失V_L2の変化の絶対値も大き
いため、結局出力電圧V_o2の変化も大きい。

次に第３図のようにV_o1を帰還して制御した場合を考
える。電源電圧が大きくなつた場合、前述のV_L1の変化
も一緒に制御されV_o1は一定に保たれる。しかし、V_o2は
V_L2の変化がV_o1より大きいため、その変化の度合の差だ
け大きくなる。逆に、V_o2を帰還して制御した場合に
は、電源電圧が高くなると、V_o2は一定に制御されるがV
_o1は小さくなる。

〔発明が解決しようする課題〕

以上のように、従来の多出力形フライバツク式スイツ
チングレギユレータは、各出力の巻線抵抗やダイオード
による電圧損失V_Lに対して十分な配慮がされていないの
で、電源電圧が変化したときの２次電流の変化により出
力電圧V_oが変動していた。そのため、これらの出力を受
けて動作する内部回路側では、電圧が変化してもよいよ
うに、余裕をもつた回路構成にする、別にレギユレータ
を設けて安定化するなどして対拠していた。

本発明の目的は、多出力形フライバツク式スイツチン
グレギユレータの動作を理想に近づけ、電源電圧が変化
しても出力電圧が変動しないようにすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明では、出力端子の
出力電圧をV_Onとし、整流ダイオードの順方向電圧降
下、及び、トランスの２次巻線を含む整流回路（出力側
回路）の各素子の抵抗分の電圧損失の総和をV_Lnとした
とき、V_Ln/V_Onが各回路で等しい値となるように、少な
くとも複数の回路の一部に電圧降下素子を設けるように
構成した。

〔作用〕

本発明の原理を第３図を用いて説明する。出力電圧V
_o1,V_o2に対する電圧損失V_L1,V_L2に着目する。第１の出
力について、式より 第２の出力について また、ここでは説明のため、V_o1＝V_o2＝5V,V_F,r_d,r_oは
それぞれ等しく、V_F＝0.7V,r_d＋r_o＝１Ωとする。そし
て、負荷の違いによりI_S1＝0.1A,I_S2＝1Aとする。する
と式は、 式は、 となる。

次に電源電圧が変化して、I_S1＝0.05A,I_S2＝0.5Aにな
つたとすると、 となる。

ここで、入力電源電圧に対して制御されているとする
と、入力電源電圧の変化によりV_L1,V_L2共に小さくな
り、 V_o1′＝V_o1＋（0.16−0.15）V_o1＝5.05V V_o2′＝V_o2＋（0.34−0.24）V_o2＝5.5V となる。次にV_o1を帰還して制御した場合、5.05Vを5.0V
にする（１％小さくする）ように働く。すると、帰還後
の出力V_o1′,V_o2′は、 V_o1′＝V_o1＋（0.16−0.01−0.15）V_o1＝5.0V V_o2′＝V_o2＋（0.34−0.01−0.24）V_o2＝5.45V となり、V_o1′は5Vに保たれるが、V_o2′は の変化の差だけ大きくなることがわかる。

以上のことから、入力電源電圧が変化しても、２次電
流が変化した場合においても の値を等しくしておけば、V_o1,V_o2共に変化しないこと
がわかる。本発明の要点は、以上のことに着目し、整流
回路に小抵抗を挿入し、 を等しくしたところにある。この小抵抗を挿入する回路
は の小さい方の回路で、この場合出力１側に挿入する。し
たがつて、 は以下の式となる。

式に数値を代入して、 の値が式の0.34になるようにr_sを選ぶ。この抵抗r_sが
本発明に係る抵抗である。すると、 となる。次に、入力電源電圧が変化し、I_S1＝0.05A,I_S2
＝0.05Aになったとすると、 となり、 が依然として成り立つ。したがつてこの場合、どちらの
出力を帰還して制御しても、0.34−0.24＝0.1、つまり1
0％の補正が効くため、 となり、出力は変化しない。

以上のように、小抵抗を挿入し、 の値を各出力について等しくすることにより入力電源電
圧変化による出力電圧変動を補正することができ、本発
明の目的を達成する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第
１図の記号は、第３図と同じように取つてあるので同一
部分は省略する。異なるのは本発明に係る抵抗11が挿入
されているだけである。

本実施例では、負荷の軽い出力１の整流回路に直列に
抵抗11（R_S）を挿入し、 としているものである。このときR_Sの値は、 が成り立つように選んである。ここでV_F1,V_F2は整流ダ
イオードのしきい電圧、r_d1,r_d2は整流ダイオードの動
作抵抗、r_o1,r_o2は巻線の抵抗を示し、添字1,2の出力
１、出力２を示す。

以上のようにして、 とすることで、本発明の目的を達成している。動作は今
までの説明と全く同じなので省略する。

なお、本実施例では、２出力の動作例を示したが、３
出力,4出力…としても同様で、 の値を各出力間で等しくするように小抵抗R_Sを追加挿入
すれば、本発明の目的は達成される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、多出力形のフライバツク式スイツチ
ングレギユレータの動作を理想に近づけることができ、
電源電圧が３倍〜６倍変化しても動作可能ないわゆるフ
リー電源において、従来５〜10％の出力電圧変動があつ
たものを補正して、変動をなくすことができる。

したがつて本発明により、従来この電源回路により電
源の供給を受け動作する内部回路側で電圧変動を許容す
る余裕ある回路構成としたり、別途レギユレータを設け
て安定化するなどして、電圧変動を止むを得ないものと
して認容してきたものが必要なくなり、全体の回路が簡
単になる。

また、電源回路としての特性が向上することも大きな
効果と言える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は本発明の
動作を説明するための波形図、第３図は従来技術を示す
図、第４図は従来技術の動作を説明するための波形図で
ある。 １……電源、２……制御回路、３……トランジスタ、４
……トランス、５……ダイオード、６……コンデンサ、
７……負荷抵抗、８……ダイオード、９……コンデン
サ、10……負荷抵抗、11……抵抗。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１次巻線及び複数の２次巻線を備えたトラ
   ンスと、前記１次巻線に接続された入力側回路と、前記
   複数の２次巻線の各々に接続された出力側回路を有し、
   前記複数の出力側回路の各々は出力端子に出力電圧を出
   力するためのダイオードを有し、前記入力側回路は前記
   各々の出力端子に所定の出力電圧が出力されるように電
   源と前記１次巻線の間の導通時間と遮断時間の比を制御
   するスイッチング素子を有するように構成されたフライ
   バック式スイッチングレギュレータにおいて、前記出力
   端子の出力電圧をV_Onとし、前記整流ダイオードの順方
   向電圧降下、及び、前記２次巻線を含む前記出力側回路
   の各素子の抵抗分の電圧損失の総和をV_Lnとしたとき、V
   _Ln/V_Onが前記各出力側回路で互いに等しい値となるよう
   に、少なくとも前記複数の出力側回路の一部のものに電
   圧降下素子を設けることを特徴とするフライバック式ス
   イッチングレギュレータ。