JP3134654B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、スイッチング電源装
置に関し、さらに詳しくは、１次側スイッチング素子の
寄生コンデンサに起因する損失を抑制することが出来る
スイッチング電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来のフライバック方式のスイ
ッチング電源装置の一例を示す回路図である。このスイ
ッチング電源装置５００は、直流電源１と変圧器２の１
次側巻線と１次側スイッチング素子３とを直列に接続
し、変圧器２の２次側巻線と２次側ダイオード４と平滑
コンデンサ５とを直列に接続し、前記平滑コンデンサ５
の両端から出力電圧Ｖｏを取り出すように構成されてい
る。また、前記１次側スイッチング素子３をオン・オフ
するため、誤差増幅器７と、鋸歯状波発生器５８と、コ
ンパレータ９とを備えている。前記誤差増幅器７は、基
準電圧Ｖｒと出力電圧Ｖｏの誤差（Ｖｒ−Ｖｏ）に基づ
く誤差電圧Ｖｅを出力する。前記鋸歯状波発生器５８
は、所定周期Ｔ（＝１次側スイッチング素子３をオン・
オフする周期Ｔ）の鋸歯状波Ｖｓを出力する。前記コン
パレータ９は、前記誤差電圧Ｖｅが前記鋸歯状波Ｖｓよ
り高い間は前記１次側スイッチング素子３をオンし、前
記誤差電圧Ｖｅが前記鋸歯状波Ｖｓより低い間は前記１
次側スイッチング素子３をオフするゲート信号Ｖｇを出
力する。

【０００３】前記誤差増幅器７は、基準電圧Ｖｒと出力
電圧Ｖｏの誤差（Ｖｒ−Ｖｏ）に基づく誤差電圧Ｖｅを
出力する。前記鋸歯状波発生器５８は、所定周期Ｔ（＝
１次側スイッチング素子３をオン・オフする周期Ｔ）の
鋸歯状波Ｖｓを出力する。前記コンパレータ９は、前記
誤差電圧Ｖｅが前記鋸歯状波Ｖｓより高い間は前記１次
側スイッチング素子３をオンし、前記誤差電圧Ｖｅが前
記鋸歯状波Ｖｓより低い間は前記１次側スイッチング素
子３をオフするゲート信号Ｖｇを出力する。

【０００４】次に、このスイッチング電源装置５００の
動作について説明する。パワーオンすると、鋸歯状波発
生器５８がスタートし、所定周期Ｔ（＝１次側スイッチ
ング素子３をオン・オフする周期）の鋸歯状波Ｖｓを出
力する。最初は出力電圧Ｖｏが小さく、誤差（Ｖｒ−Ｖ
ｏ）が大きいため、誤差電圧Ｖｅは高い。従って、ゲー
ト信号Ｖｇのデューティ比は大きく、１次側スイッチン
グ素子３のオン期間が長い。１次側スイッチング素子３
のオン期間が長いと、変圧器２の１次側巻線に蓄積され
るエネルギーが大きくなる。１次側スイッチング素子３
がオフ期間に入ると、変圧器２の２次側巻線からエネル
ギーが取り出されるが、１次側巻線に蓄積されているエ
ネルギーが大きいため、負荷で消費してもエネルギーが
余り、その余ったエネルギーが平滑コンデンサ５に溜ま
り、出力電圧Ｖｏが上昇する。出力電圧Ｖｏが上昇する
と、誤差（Ｖｒ−Ｖｏ）が少し小さくなり、誤差電圧Ｖ
ｅが少し低くなる。このため、ゲート信号Ｖｇのデュー
ティ比は少し小さくなり、１次側スイッチング素子３の
オン期間が少し短くなる。出力電圧Ｖｏの上昇が進み、
誤差（Ｖｒ−Ｖｏ）が小さくなり、誤差電圧Ｖｅが低く
なると、ゲート信号Ｖｇのデューティ比が小さくなり、
１次側スイッチング素子３のオン期間が短くなる。この
結果、出力電圧Ｖｏの上昇が止る。以上により、誤差
（Ｖｒ−Ｖｏ）が所定の値になるところにデューティ比
が収束する。すなわち、基準電圧Ｖｒにより規定される
所定の電圧値に出力電圧Ｖｏが安定化されることにな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記スイッチング電源
装置５００において、１次側スイッチング素子３のドレ
イン−ソース間には寄生コンデンサ１０が存在する。こ
の寄生コンデンサ１０は、１次側スイッチング素子３の
オフ期間に充電される。ところが、この寄生コンデンサ
１０に充電されていたエネルギーは、１次側スイッチン
グ素子３がオンすると、１次側スイッチング素子３の短
絡電流として熱に変るだけなので、エネルギーの無駄な
損失となる問題点がある。この損失は、近年のスイッチ
ング周波数の高周波化により、無視できない程になって
きている。そこで、この発明の目的は、上記寄生コンデ
ンサに起因する損失を抑制できるようにしたスイッチン
グ電源装置の制御方法及びスイッチング電源装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の観点では、この発
明は、鋸歯状波電圧と、出力電圧と基準電圧の誤差に基
づく誤差電圧とを用いたＰＷＭ制御により１次側スイッ
チング素子をオン・オフして変圧器の１次側巻線に断続
的に１次側電流を流し、１次側スイッチング素子をオフ
している期間に変圧器の２次側巻線から２次側ダイオー
ドを介して２次側電流を取り出すフライバック方式のス
イッチング電源装置において、１次側スイッチング素子
の両端電圧を検出し、この両端電圧が閾値電圧より高い
とＬ信号を出力し、閾値電圧より低いとＨ信号を出力す
る１次側スイッチング素子両端電圧検出手段と、前記鋸
歯状波電圧の最小値が入力されるとＬ信号を出力し、そ
の後にＨ信号を出力するタイマ回路と、前記１次側スイ
ッチング素子両端電圧検出手段の出力信号および前記タ
イマ回路の出力信号が共にＨ信号のときに前記鋸歯状波
電圧をリスタートさせるアンド回路とを設け、１次側ス
イッチング素子がオフであり且つ２次側ダイオードに電
流が流れない断期間を設けると共に、その断期間中で且
つ１次側スイッチング素子の両端電圧が所定電圧以下で
ある時に１次側スイッチング素子をオフからオンにする
ことを特徴とするスイッチング電源装置を提供する。

【０００７】

【０００８】

【作用】この発明のスイッチング電源装置では、１次側
スイッチング素子がオフであり且つ２次側ダイオードに
電流が流れない断期間を設ける。すると、この断期間中
に、変圧器の巻線のインダクタンスと寄生コンデンサの
キャパシタンスの間で自由振動が起こる。すなわち、寄
生コンデンサに充電されていたエネルギーが、変圧器の
巻線に移ったり、寄生コンデンサに戻ったりすることを
繰り返す。ここで、１次側スイッチング素子の両端電圧
が所定電圧以下である時に１次側スイッチング素子をオ
フからオンにすると、寄生コンデンサに充電されていた
エネルギーの大部分が変圧器の巻線に移った時に１次側
スイッチング素子をオフからオンにすることになる。変
圧器の巻線に移ったエネルギーは、２次側で使われた
り、直流電源１に回生されたりし、無駄にならない。す
なわち、エネルギーの無駄な損失を抑制できるようにな
る。

【０００９】

【実施例】以下、図に示す実施例によりこの発明をさら
に詳細に説明する。なお、これによりこの発明が限定さ
れるものではない。図１は、この発明の一実施例のスイ
ッチング電源装置１００を示す回路図である。このスイ
ッチング電源装置１００は、直流電源１と変圧器２の１
次側巻線と１次側スイッチング素子３とを直列に接続
し、変圧器２の２次側巻線と２次側ダイオード４と平滑
コンデンサ５とを直列に接続し、前記平滑コンデンサ５
の両端から出力電圧Ｖｏを取り出すように構成されてい
る。また、前記１次側スイッチング素子３をオン・オフ
するため、誤差増幅器７と、鋸歯状波発生器８と、コン
パレータ９と、１次側スイッチング素子両端電圧検出回
路１１と、タイマ回路１２と、アンド回路１３とを備え
ている。

【００１０】前記誤差増幅器７は、基準電圧Ｖｒと出力
電圧Ｖｏの誤差（Ｖｒ−Ｖｏ）に基づく誤差電圧Ｖｅを
出力する。前記鋸歯状波発生器８は、所定周期Ｔｓ（＞
１次側スイッチング素子３をオン・オフする周期Ｔ）の
鋸歯状波Ｖｓを出力するが、リスタート電圧Ｖｐが
“Ｌ”から“Ｈ”へ立上ると、鋸歯状波Ｖｓの最小値に
戻り、鋸歯状波Ｖｓをリスタートする。前記コンパレー
タ９は、前記誤差電圧Ｖｅが前記鋸歯状波Ｖｓより高い
間は前記１次側スイッチング素子３をオンし、前記誤差
電圧Ｖｅが前記鋸歯状波Ｖｓより低い間は前記１次側ス
イッチング素子３をオフするゲート信号Ｖｇを出力す
る。前記１次側スイッチング素子両端電圧検出回路１１
は、１次側スイッチング素子３の両端電圧Ｖｃを検出
し、それが所定の閾値電圧Ｖｈより低い時に“Ｈ”を出
力し、所定の閾値電圧Ｖｈより高い時に“Ｌ”を出力す
る。前記タイマ回路１２は、鋸歯状波Ｖｓの最小値が入
力されるとトリガされ、“Ｌ”を出力すると共に時間の
カウントを開始し、所定時間Ｔ（＝１次側スイッチング
素子３をオン・オフする周期Ｔ）だけ“Ｌ”を出力し、
その後、“Ｈ”に戻る。前記アンド回路１３は、前記１
次側スイッチング素子両端電圧検出回路１１の出力電圧
Ｖｍが“Ｈ”であり且つ前記タイマ回路１２の出力電圧
Ｖｔが“Ｈ”である時にリスタート電圧Ｖｐを“Ｈ”に
する。その他の時は、リスタート電圧Ｖｐを“Ｌ”にす
る。

【００１１】次に、このスイッチング電源装置１００の
動作について説明する。パワーオンすると、鋸歯状波発
生器８がスタートし、鋸歯状波Ｖｓを発生する。鋸歯状
波Ｖｓは、所定周期Ｔｓで最小値に戻る。すると、タイ
マ回路１２がトリガされ、所定時間Ｔ後に鋸歯状波発生
器８をリスタートする。鋸歯状波発生器８をリスタート
すると、それによりタイマ回路１２がトリガされる。か
くして、以後は鋸歯状波Ｖｓの周期は基本的にはタイマ
回路１２の時間Ｔになる。

【００１２】図２の（ａ）（ｂ）に示すように、誤差電
圧Ｖｅが鋸歯状波Ｖｓより高い間はゲート信号Ｖｇは１
次側スイッチング素子３をオンし、誤差電圧Ｖｅが鋸歯
状波Ｖｓより低い間はゲート信号Ｖｇは１次側スイッチ
ング素子３をオフする。図２の（ｃ）に示すように、１
次側スイッチング素子３がオフの間は１次側電流Ｉｄが
流れず、１次側スイッチング素子３がオンになると１次
側電流Ｉｄが流れ始め、ランプ状に増加する。この時、
変圧器２の巻線にエネルギーが蓄積される。一方、図２
の（ｄ）に示すように、１次側スイッチング素子３がオ
ンの間は２次側ダイオード４に２次側電流Ｉｆが流れ
ず、１次側スイッチング素子３がオフになると前記変圧
器２の巻線に蓄積されたエネルギーにより２次側電流Ｉ
ｆが流れ始める。そして、平滑コンデンサ５を充電でき
ない程度までエネルギーがなくなると、２次側電流Ｉｆ
が止る。ここで、（１次側スイッチング素子３をオフに
する時間）＞（２次側電流Ｉｆが流れている時間）とな
るようにタイマ回路１２の時間Ｔを設定し、１次側スイ
ッチング素子３がオフであり且つ２次側ダイオード４に
２次側電流Ｉｆが流れない断期間ＤＴを設けておく。

【００１３】すると、図２の（ｅ）に示すように、断期
間中に、１次側スイッチング素子３の両端電圧Ｖｃが振
動する。これは、変圧器２の巻線のインダクタンスと，
１次側スイッチング素子３のドレイン−ソース間の寄生
コンデンサ１０のキャパシタンスとによる自由振動であ
る。すなわち、１次側スイッチング素子３のオフ期間に
寄生コンデンサ１０に充電されていたエネルギーが、変
圧器２の巻線に移ったり、寄生コンデンサ１０に戻った
りすることを繰り返している。

【００１４】図２の（ｅ）（ｆ）に示すように、１次側
スイッチング素子３の両端電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖｈより
低い時は１次側スイッチング素子両端電圧検出回路１１
の出力電圧Ｖｍは“Ｈ”であり、そうでない時は出力電
圧Ｖｍは“Ｌ”である。一方、図２の（ｇ）に示すよう
に、タイマ回路１２は、鋸歯状波Ｖｓの最小値によりト
リガされて“Ｌ”を出力しており、トリガされてから所
定時間Ｔ後の時刻ｔ１または時刻ｔ３に“Ｈ”に戻る。
図２の（ｈ）に示すように、アンド回路１３は、前記出
力電圧Ｖｍが“Ｈ”であり且つ前記タイマ回路１２の出
力電圧Ｖｔが“Ｈ”となった時刻ｔ２または時刻ｔ３に
リスタート電圧Ｖｐを“Ｈ”にする。すると、図２の
（ａ）に示すように鋸歯状波Ｖｓは最小値に戻り、これ
によりタイマ回路１２が再びトリガされて図２の（ｇ）
に示すように出力電圧Ｖｔが“Ｌ”に戻り、これにより
リスタート電圧Ｖｐも“Ｌ”に戻る（時刻ｔ２または時
刻ｔ３の直後）。

【００１５】以上のようにして、１次側スイッチング素
子３の両端電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｈ以下である時に１次
側スイッチング素子３がオフからオンにされるが、これ
は、寄生コンデンサ１０に充電されていたエネルギーの
大部分が変圧器２の巻線に移った時に１次側スイッチン
グ素子３をオフからオンにすることである。従って、１
次側スイッチング素子３のオフ期間に寄生コンデンサ１
０に充電されていたエネルギーが全て１次側スイッチン
グ素子３の短絡電流として熱に変ることが防止され、エ
ネルギーの無駄な損失を抑制できることとなる（変圧器
２の巻線に移ったエネルギーは、２次側で使われたり、
直流電源１に回生されたりし、無駄にならない）。

【００１６】なお、出力電圧Ｖｏの安定化の原理は、従
来と同じである。すなわち、誤差（Ｖｒ−Ｖｏ）が大き
く誤差電圧Ｖｅが高いと、ゲート信号Ｖｇのデューティ
比が大きくなる。また、誤差（Ｖｒ−Ｖｏ）が小さく誤
差電圧Ｖｅが低いと、ゲート信号Ｖｇのデューティ比が
小さくなる。これにより、基準電圧Ｖｒにより規定され
る所定の電圧値に出力電圧Ｖｏが安定化される。

【００１７】図３は、この発明の他の実施例のスイッチ
ング電源装置２００を示す回路図である。このスイッチ
ング電源装置２００は、図１のスイッチング電源装置１
００におけるタイマ回路１２をコンパレータ回路１４に
置換したものである。このコンパレータ回路１４は、鋸
歯状波Ｖｓが所定の比較電圧Ｖｎより低いときに“Ｌ”
を出力し、鋸歯状波Ｖｓが比較電圧Ｖｎより高いときに
“Ｈ”を出力する。鋸歯状波Ｖｓの上昇勾配が一定であ
るから、前記タイマ回路１２と等価な出力電圧Ｖｔを出
力する。従って、このスイッチング電源装置２００の動
作は、図１のスイッチング電源装置１００と同じになる
（図２の波形図どおりである）。

【００１８】

【発明の効果】この発明のスイッチング電源装置によれ
ば、１次側スイッチング素子のオフ期間に１次側スイッ
チング素子の寄生コンデンサに充電されていたエネルギ
ーが全て短絡電流として熱に変ることが防止されるの
で、エネルギーの無駄な損失を抑制できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例のスイッチング電源装置の
回路図である。

【図２】図１のスイッチング電源装置の各部の波形図で
ある。

【図３】この発明の他の実施例のスイッチング電源装置
の回路図である。

【図４】従来のスイッチング電源装置の一例を示す回路
図である。

【符号の説明】

１００，２００ スイッチング電源装置 １ 直流電源 ２ 変圧器 ３ １次側スイッチング素子 ４ ２次側ダイオード ５ 平滑コンデンサ ７ 誤差増幅器 ８ 鋸歯状波発生器 ９ コンパレータ １０ 寄生コンデンサ １１ １次側スイッチング素子両端電圧検
出回路 １２ タイマ回路 １３ アンド回路 １４ コンパレータ回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋸歯状波電圧と、出力電圧と基準電圧の
   誤差に基づく誤差電圧とを用いたＰＷＭ制御により１次
   側スイッチング素子をオン・オフして変圧器の１次側巻
   線に断続的に１次側電流を流し、１次側スイッチング素
   子をオフしている期間に変圧器の２次側巻線から２次側
   ダイオードを介して２次側電流を取り出すフライバック
   方式のスイッチング電源装置において、１次側スイッチング素子の両端電圧を検出し、この両端
   電圧が閾値電圧より高いとＬ信号を出力し、閾値電圧よ
   り低いとＨ信号を出力する１次側スイッチング素子両端
   電圧検出手段と、 前記鋸歯状波電圧の最小値が入力されるとＬ信号を出力
   し、その後にＨ信号を出力するタイマ回路と、 前記１次側スイッチング素子両端電圧検出手段の出力信
   号および前記タイマ回路の出力信号が共にＨ信号のとき
   に前記鋸歯状波電圧をリスタートさせるアンド回路とを
   設け、 １次側スイッチング素子がオフであり且つ２次側ダイオ
   ードに電流が流れない断期間を設けると共に、その断期
   間中で且つ１次側スイッチング素子の両端電圧が所定電
   圧以下である時に１次側スイッチング素子をオフからオ
   ンにすることを特徴とするスイッチング電源装置。