JP3292066B2

JP3292066B2 - 電源装置及びこれを用いた電気機器

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Publication number: JP3292066B2
Application number: JP28196196A
Authority: JP
Inventors: 宏林
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 2002-06-17
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: JPH09182417A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多機能電話器、電気
掃除機及びリチウムイオン電池等の２次電池の充電装置
等の電気機器に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータといわ
れる電源装置に関し、詳しくはその回路構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、１チップマイクロコンピュータ等
の半導体装置を使用するような電気機器では、半導体装
置の電源として安定した出力電圧特性を要求されるとと
もに、各機器の外形的制約から高効率で小型な電源装置
が要望されている。この要望を満たすものとして、図５
に回路図を示すようなＤＣ−ＤＣコンバータといわれる
方式の電源装置を用いていた。

【０００３】図５の電源装置１ｂは、直流電源２ａ及び
入力コンデンサ２ｂからなる入力電源回路２と、トラン
ジスタ１１からなるスイッチング素子３と、インダクタ
ンス素子４と、出力コンデンサ５と、抵抗２１、２２及
び２４、ツェナダイオード２３、トランジスタ１９及び
２０からなる監視回路６と、トランジスタ１４、抵抗１
２乃至１４からなる駆動回路７と、ダイオード（以下
「フライホイールダイオード」と称す）２２とから構成
されている。

【０００４】そして、入力電源回路２は端子Ｔ１（以下
「電圧入力端子Ｔ１」と称す）を介してトランジスタ１
１のエミッタに接続され、トランジスタ１１のコレクタ
側（図５の配線Ｌ′）はインダクタンス素子４を介して
端子Ｔ３（以下「出力端子Ｔ３」と称す）に接続され、
出力端子Ｔ３と端子Ｔ２（以下「基準電圧端子Ｔ２」と
称す）との間には出力コンデンサ５が接続されている。
また、監視回路６のトランジスタ１９のコレクタ出力は
駆動回路７のトランジスタ１４のベースに接続されると
ともに、コンデンサ１６を介して配線Ｌ′に接続されて
いる。更に、基準電圧端子Ｔ２もダイオード８を介して
配線Ｌ′に接続されている。

【０００５】動作について説明する。まず、電源装置１
ｂの出力端子Ｔ３と基準電圧端子Ｔ２との間にモータや
半導体装置等の負荷を接続し、直流電源２ａを所定の電
圧Ｖ１に設定すると、電圧入力端子Ｔ１を介して以降の
回路に電圧が印加されて動作可能になる。この電圧印加
により、トランジスタ１４が導通するとトランジスタ１
１が導通され、インダクタンス４を介して監視回路６及
び負荷に電流（以下「出力電流」と称す）が流れるよう
になる。このとき、コンデンサ１６を介してもトランジ
スタ１４にベース電流が流れるので、トランジスタ１４
のコレクタ電流が大きくなり、トランジスタ１１は急速
に飽和する。

【０００６】そして、出力電流が大きい場合には監視回
路６に出力電流が流れてトランジスタ２０を導通する電
圧が抵抗２２に発生し、トランジスタ２０が導通するこ
とによりトランジスタ１９が導通するようになる。一
方、出力電流が少なく出力電圧が上昇するような場合に
は抵抗２４に発生する電圧によりトランジスタ１９が導
通するようになる。このようにして、トランジスタ１９
が導通すると、トランジスタ１４のベース電圧が低レベ
ルになるのでトランジスタ１４が遮断し、トランジスタ
１１が遮断される。このとき、インダクタンス４には逆
起電力が発生するので、負荷及びダイオード８にはこの
逆起電力による電流が流れ続ける。

【０００７】その後、逆起電力が徐々に低下するととも
に出力電流が減少し、抵抗２２による電圧降下が少なく
なってトランジスタ２０が遮断されるようになると、ト
ランジスタ１９が遮断されてトランジスタ１４のベース
電圧が上昇するので、トランジスタ１１が再び導通する
ようになる。以上のような動作サイクルを繰り返しなが
ら出力電流を出力コンデンサ５に充電し、負荷に対して
略一定の出力電流が供給できるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電源装置１ｂの負荷に流れる出力電流に対する出力電圧
及び端子Ｔ１での入力電流の特性は、図６に波形図を示
すように、出力電流が規格値（図５中のＢ、Ｂ′点）を
越えた後は出力電圧及び入力電流共徐々に低下するよう
な特性をしているとともに、出力電流が増大するにつれ
て上述の動作サイクルの周期が短くなるように動作す
る。従って、トランジスタ１１及びインダクタンス素子
４等の素子による電力損失が増大し、各素子及び電源装
置が発熱してしまうという問題がある。また、各素子の
発熱が大きくなると、パッケージ及びこれを用いた基板
等に放熱処理を行う必要が生じ、各素子の外形が大きく
なるとともに、電源装置全体及びこれを用いる機器の外
形も大きくなるという問題もある。

【０００９】そこで本発明はこれらの問題を解決し、電
源装置の電力損失が少なくするような回路構成にするこ
とにより、小型且つ安価な電源装置及びこれを用いた電
気機器を容易に形成できるようにすることを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
めに、請求項１の記載に係わる電源装置は、電圧入力端
子と出力端子との間に直列接続されたスイッチング素子
及びインダクタンス素子と、出力端子に流れる電流を検
出し一定値以上の電流が流れるのを防止するための監視
回路と、監視回路での電流検出結果に応じてスイッチン
グ素子を導通及び遮断させるための駆動回路と、スイッ
チング素子が遮断されたときにインダクタンス素子の逆
起電力による電流が流れる経路を形成するためのフライ
ホイールダイオードと、を有する電源装置において、イ
ンダクタンス素子による逆起電力がフライホイールダイ
オードの順方向電圧を規定する電流以下になるまでスイ
ッチング素子を遮断状態にするための特性改善回路を有
することを特徴とする。

【００１１】このような構成により、簡単な回路構成で
ありながら回路の内部損失が少なくなって放熱処理を簡
略化できるようになり、小型で安価な電子部品またはこ
れらの一部を１つに集積化した小型の半導体装置を使用
して電源装置を形成できるようになる。また、請求項２
の記載に係わる電気機器は、電圧入力端子に商用電源の
整流電圧が接続され、出力端子に出力電圧平滑用の出力
コンデンサ及び半導体装置が接続された請求項１に記載
の電源装置を用いていることを特徴とする。このような
構成により、半導体応用製品の電源回路に小型で安価な
電源装置を容易に使用できるようになる。

【００１２】

【実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１乃至図
４を参照しながら詳細に説明する。尚、本明細書では全
図面を通して同一または同様の回路要素には同一の符号
を付して重複する説明を省略している。図１は本発明を
用いたＤＣ−ＤＣコンバータといわれる電源装置の回路
図を示し、その構成は、電源電圧を所定のタイミングで
導通または遮断（以下「スイッチング」と称す）するた
めのスイッチング素子３と、スイッチング素子３により
電源電圧が遮断されたときに逆起電力を発生させるため
のインダクタンス素子４と、インダクタンス素子４によ
り発生した逆起電力により充電されて出力のインピーダ
ンスを下げるための電解型の出力コンデンサ５と、出力
電流を検出するとともに異常電圧が入力されたときにス
イッチング素子３の動作を停止するための監視回路６
と、監視回路６からの信号に応じてスイッチング素子３
を制御駆動するための駆動回路７と、発生した逆起電力
による電流が流れる経路を形成するダイオード（以下
「フライホイールダイオード」と称す）８と、出力電流
に対する出力電圧の特性が所定の電流値以上では急激に
出力電圧が低下する垂下型の特性にするための特性改善
回路９とから構成されている。

【００１３】各回路の構成について更に詳しく説明す
る。スイッチング素子３は端子Ｔ１（以下「電圧入力端
子Ｔ１」と称す）にエミッタが接続されるとともにイン
ダクタンス素子４にコレクタが接続されたＰＮＰ型のト
ランジスタ１５から構成され、インダクタンス素子４は
フェライトやアモルファス等をコアにして巻かれたコイ
ルから構成されている。更に、監視回路６は負荷に流れ
る電流（以下「出力電流」と称す）を検出するための抵
抗２２と、端子Ｔ３（以下「出力端子Ｔ３」と称す）と
端子Ｔ２（以下「基準電圧端子Ｔ２」と称す）との間に
直列に接続されたツェナダイオード２３及び抵抗２４
と、出力端子Ｔ３にベースが接続されるとともに抵抗２
２とインダクタンス素子４との間にエミッタが接続さ
れ、コレクタが抵抗２１を介してツェナダイオード２３
のアノードと抵抗２４の接続点に接続されたＰＮＰ型の
トランジスタ２０と、ツェナダイオード２３のアノード
側にベースが接続されるとともにエミッタが基準電圧端
子Ｔ２に接続されてコレクタ出力により駆動回路７を制
御するためのＮＰＮ型のトランジスタ１９とから構成さ
れている。駆動回路７はトランジスタ１１のベースに抵
抗１３を介してコレクタが接続されるとともに、基準電
圧端子Ｔ２に抵抗１５を介してエミッタが接続され、電
圧入力端子Ｔ１に抵抗１２を介してベースが接続された
ＮＰＮ型のトランジスタ１４とから構成されている。特
性改善回路９はカソードがフライホイールダイオード８
のカソードに接続されるとともに、アノードが抵抗１８
を介してトランジスタ１９のコレクタに接続されたダイ
オード１７から構成されている。

【００１４】各回路構成間の接続について更に説明す
る。電圧入力端子Ｔ１を介して電源電圧がトランジスタ
１１のエミッタに接続され、トランジスタ１１のコレク
タ側（図１中の配線Ｌ）はインダクタンス素子４を介し
て出力端子Ｔ３に接続され、出力端子Ｔ３と基準電圧端
子Ｔ２との間には出力コンデンサ５が接続されている。
また、監視回路６のトランジスタ１９のコレクタ出力は
駆動回路７のトランジスタ１４のベースに接続されると
ともに、特性改善回路９を介して配線Ｌに接続されてい
る。更に、基準電圧端子Ｔ２もダイオード８を介して配
線Ｌに接続されている。

【００１５】次に本発明の回路動作について説明する。
まず、電源装置１ａの出力端子Ｔ３と基準電圧端子Ｔ２
との間にモータや半導体装置等の負荷となる装置を接続
するとともに、電圧入力端子Ｔ１に直流電源２ａとその
インピーダンスを下げるために直流電源２ａと並列に設
けられた電解型のコンデンサ２ｂとからなる入力電源回
路２を接続する。そして、直流電源２ａを所定の電圧Ｖ
１に設定すると、電圧入力端子Ｔ１を介して以降の回路
に電圧が印加されて動作が可能になる。この電圧印加に
より、トランジスタ１４が導通するとトランジスタ１１
が導通され、インダクタンス素子４を介して監視回路６
及び負荷に出力電流が流れるようになる。この時、トラ
ンジスタ１４のベースにはダイオード１７がコンデンサ
のように作用して抵抗１８を介して正帰還がかかるよう
になるので、トランジスタ１１は急速に飽和及び導通す
るようになっている。

【００１６】そして、出力電流が大きい場合には監視回
路６に出力電流が流れてトランジスタ２０を導通する電
圧が抵抗２２に発生し、トランジスタ２０が導通するこ
とによりトランジスタ１９が導通するようになる。一
方、出力電流が少なくトランジスタ２０が導通しないよ
うな場合で出力電圧が上昇するような場合には、ツェナ
ーダイオード２３に電流が流れて抵抗２４に電圧が発生
することによりトランジスタ１９が導通するようにな
る。このようにして、トランジスタ１９が導通すると、
トランジスタ１４のベース電圧が低レベルになるのでト
ランジスタ１４が遮断するとともに、トランジスタ１１
が遮断される。この時、インダクタンス４には逆起電力
が発生するので、この逆起電力により負荷及びダイオー
ド８には出力電流が流れ続ける。

【００１７】その後、逆起電力が徐々に低下するととも
に逆起電力による電流が減少してトランジスタ２０が遮
断されるか、出力電圧が所定値よりも低下してツェナー
ダイオード２３に電流が流れなくなり抵抗２４の電圧が
低下すると、トランジスタ１９が遮断されるようにな
る。この時、配線Ｌの電圧は図３（ａ）に示す（後述あ
り）ようにダイオード８の順方向電圧（ＶF （Ｖ））分
だけ基準電圧（０（Ｖ））よりも低い電圧になっている
ので、特性改善回路９のダイオード１７及び抵抗１８を
介してトランジスタ１４のベース電圧（ＶB14 ）を式
（１）で示すような電圧に設定することになる。実際に
は、抵抗１８の抵抗値（Ｒ18）に比べて抵抗１２の抵抗
値（Ｒ12）の方が充分大きいので、そのベース電圧は概
ね基準電圧になっている。従って、トランジスタ１４の
ベース電圧はそのベース・エミッタ間の電圧より小さい
値になり、トランジスタ１４は遮断されたままとなって
逆起電力による出力電流が流れ続ける。尚、抵抗１８は
無くても良いが、ダイオード１７を過電流から保護する
ために設けられている。

【００１８】

【数式１】ＶB14 ＝Ｖ１×Ｒ18／（Ｒ12＋Ｒ18）・・・（１）そして、トランジスタ１４のベース電圧が上昇して再び
導通するのは、逆起電力及び出力電流が更に減少してダ
イオード８に流れる電流が順方向電圧（一般的に０．４
Ｖ乃至１．７Ｖ）により規定される電流（「順方向電
流」という）以下になりダイオード１７の順方向電圧が
無くなった後になる。

【００１９】以上のような動作サイクルを繰り返しなが
ら出力電流を出力コンデンサ５に充電し、負荷に対して
略一定の出力電流及び電圧が供給されることにより、図
２（ａ）に示すように、規定の出力電流値（図２中のＡ
点）までは一定の出力電圧を出力するとともに、規定の
出力電流値以上になると出力電圧が急激に低下するよう
な垂下型の出力特性になる。また、このとき端子Ｔ１で
の入力電流の特性は図２（ｂ）に示すようになる。この
ような電気的特性を有することにより、出力端子Ｔ３が
基準電位に短絡したり過負荷が接続された場合の電力損
失を大幅に抑えることができるようになるので、その分
回路の発熱が抑えられ放熱処理が容易になり、回路及び
装置の小型化が可能になる。例えば、本発明の回路での
電力損失は、従来の回路に比べて４０％程度削減可能に
なり約１Ｗにすることができる。

【００２０】図３は、図１の電源装置１ａにおける配線
Ｌの電圧と、インダクタンス４に流れる電流の波形の一
例を示している。尚、同図においてはリップル電圧等は
省略している。同図（ａ）のＶsat はトランジスタ１１
の導通時の飽和電圧を示し、ｔ１はスイッチング素子３
の動作サイクルの周期時間を示している。更に、同図
（ｂ）のインダクタンス素子４に流れる電流は、コンデ
ンサ２ｂの両端間の電圧をＶ１（Ｖ）、コンデンサ５の
両端間の出力電圧をＶ２（Ｖ）、抵抗２２の両端間の電
圧をＶｂｅ（Ｖ）、インダクタス素子４のインダクタン
ス値をＬ（Ｈ）、逆起電力によるダイオード８の順方向
電圧をＶF （Ｖ）、経過時間をΔｔ（ｓ）とすると、ト
ランジスタ１１が導通しているときの充電電流は式
（２）で表され、トランジスタ１１が遮断されて逆起電
力により充電されているときは式（３）で表される。

【００２１】

【数式２】ｉ＝（Ｖ１−（Ｖ２＋Ｖｂｅ））×Δｔ／Ｌ・・・（２）

【００２２】

【数式３】ｉ′＝−（Ｖ２−（ＶF −Ｖｂｅ））×Δｔ／Ｌ・・・（３）尚、出力電流や各定数の値は、接続される負荷に応じて
必要な電流を設定すれば良く、例えば、出力電流のピー
ク値が数１００ｍＡの場合には、動作サイクルの周期ｔ
１を数μｓ乃至数１０μｓ、インダクタンス素子４のイ
ンダクタンス値を数ｍＨ乃至数１０ｍＨ、抵抗２２の抵
抗値を数Ω乃至数１０Ω程度、抵抗１２の抵抗値を数Ｍ
Ω程度、抵抗１８の抵抗値を数１００Ω程度に設定する
ようにすれば良い。

【００２３】図４は図１の電源装置１ａを電気掃除機等
に用いた場合の応用回路としての実施の形態を示す。図
４の応用回路５０は、交流電圧（いわゆる「商用電
源」）を入力するためのプラグ５１と、交流電源を整流
及び平滑して本発明の電源装置１ａの電源電圧とするた
めのダイオード素子５２と入力コンデンサ２ｃからなる
入力電源回路と、電源装置１ａから電源電圧を供給され
て動作する１チップマイクロコンピュータ等の半導体装
置５３と、半導体装置５３からの制御信号を伝送するた
めのインタラプタ回路５４と、インタラプタ回路５４で
入力された信号に応じて交流電源の導通及び遮断の制御
を行うトライアック等の駆動装置６０と、駆動装置６０
により制御された交流電源により動作するモータ等の負
荷５９から構成されている。

【００２４】各部の接続関係について説明する。交流電
源はプラグ５１を介して一端が電源装置１ａの基準電圧
端子Ｔ２及び各回路の基準電圧（ＧＮＤ）側に接続され
るとともに、他端は負荷５９及びダイオード素子５２の
アノードに接続されている。ダイオード素子５２と入力
コンデンサ２ｃにより整流及び平滑された電源電圧は本
発明の電源装置１ａの電圧入力端子Ｔ１に接続され、電
源装置１ａの出力端子Ｔ３は半導体装置５３の電源電圧
端子（ＶDD）に接続され、半導体装置５３の出力Ｓは抵
抗５５を介してインタラプタ回路５４の発光ダイオード
５６のアノードに接続されている。発光ダイオード５６
の発光出力は、抵抗５８を介して駆動装置６０のトライ
アックのアノード及びゲート間に接続されたピンダイオ
ード等の受光素子５７で受光され、トライアックの他の
アノードが負荷５９に接続されている。このような回路
構成により、１００Ｖや２２０Ｖ等の商用電源を使用し
たモータ等の負荷を容易に制御できるようになってい
る。

【００２５】尚、本発明は上述の実施の形態に限定され
るものではなく、例えば、入力電源回路にダイオードブ
リッジ回路やセンタタップ付きトランス等を用いた全波
整流回路を用いるようにしたり、入力電源回路に動作制
御用のスイッチ回路を設けたり、動作状態表示用に発光
ダイオード等の表示装置を設けたり、本発明の電源装置
の出力電圧を抵抗等で分圧して１チップマイコン等の電
源電圧として使用するようにしても構わない。また、監
視回路の電圧検出回路は負荷に流れる電流を検出できる
回路構成ならば任意の回路構成で構わない。更に、本発
明の回路を単品の電子部品のみを使用して形成しても良
いし、トランジスタ、ダイオード及び抵抗による回路部
分のみを１つに集積化した半導体装置に形成しても良
い。また、図１のバイポーラトランジスタによる回路の
代わりにＭＯＳトランジスタを用いた回路構成にしても
構わない。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、請求項１
の記載に係わる電源装置は、簡単な回路構成でありなが
ら内部損失が少なくなって放熱処理を簡略化できるよう
になるので、小型で安価な電子部品またはこれらの一部
を１つに集積化した小型の半導体装置を使用して電源装
置を容易に形成できるようになり、小型且つ安価な電源
装置を容易に形成できるという効果がある。

【００２７】また、請求項２の記載に係わる電気機器
は、半導体応用製品の電源回路に小型で安価な電源装置
を容易に使用できるようになるので、製品の外形形状の
制限が少なくなって設計期間が短縮され設計費用が削減
されるとともに、製品の単価を低減できるようになると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す回路図、

【図２】本発明の実施の形態の出力電圧及び入力電流の
特性を示す波形図、

【図３】本発明の実施の形態の主要部の特性を示す波形
図、

【図４】本発明の回路を用いた応用装置を示す構成図、

【図５】従来の回路例を示す回路図、

【図６】従来の回路例の特性を示す波形図である。

【符号の説明】

１ａ：電源装置２：入力電源回路３：スイッチング素子（ＰＮＰトランジスタ）４：インダクタンス素子５：出力コンデンサ６：監視回路７：駆動回路８：（フライホイール）ダイオード９：特性改善回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 1/00 - 11/00 H02J 1/00 - 17/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電圧入力端子と出力端子との間に直列接続
されたスイッチング素子及びインダクタンス素子と、前
記出力端子に向けて前記インダクタンス素子から流れ出
る電流を直に検出して一定値以上の電流が流れるのを防
止するのに加えて前記出力端子の電圧が所定値を超えて
上昇するのも防止するための監視回路と、前記監視回路
での電流検出結果が前記一定値より大きいときに加えて
前記出力端子の電圧が前記所定値より大きいときにも前
記スイッチング素子を遮断させる駆動回路と、前記スイ
ッチング素子が遮断されたときに前記インダクタンス素
子の逆起電力による電流が流れる経路を形成するための
フライホイールダイオードと、前記インダクタンス素子
の逆起電力による電流が前記一定値より小さな値の電流
であって前記フライホイールダイオードの順方向電圧を
規定する電流以下になるまで前記駆動回路を介して前記
スイッチング素子を遮断状態にし且つその後に前記駆動
回路を介して前記スイッチング素子を導通させる特性改
善回路とを有している電源装置。
【請求項２】商用電源の整流及び平滑を行う入力電源回
路と、その出力を前記電圧入力端子に受ける請求項１記
載の電源装置と、これの前記出力端子に接続された出力
電圧平滑用の出力コンデンサと、これに動作電力受給用
の電源電圧端子が接続された半導体装置とを備えている
電気機器。