JP3376123B2 - 絶縁型スイッチング電源装置用半導体集積回路装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は絶縁型スイッチング電
源装置用半導体集積回路装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、充電型の電源を有する電子機器が
広く用いられているが、その充電器として用いられる電
源は、定電流充電を行うものが多い。その定電流充電回
路の例として、絶縁型スイッチング電源装置を図４に示
す。この絶縁型スイッチング電源装置は、図４に示すよ
うに、交流電源３ｂの交流電圧を整流ブリッジ２５ｂお
よび平滑コンデンサ２６ｂで整流・平滑し、得られた直
流電圧をトランス３０ｂの一次巻線にＭＯＳＦＥＴから
なるスイッチング素子１ｂを介して断続的に加えるよう
になっている。そして、トランス３０ｂの二次巻線の誘
起電圧をダイオード２２ｂおよび平滑コンデンサ２８ｂ
で整流・平滑して直流電圧を負荷へ供給するようになっ
ている。

【０００３】この際、スイッチング素子１ｂは、制御回
路２ｂで制御されるが、その動作電源は、起動時は整流
ブリッジ２５ｂの方から供給されるが、トランス３０ｂ
の補助巻線５ｂの誘起電圧がある値を超えると、補助巻
線５ｂの誘起電圧をダイオードおよび平滑コンデンサか
らなる補助巻線用整流・平滑回路３３ｂから供給するよ
うになっている。

【０００４】また、負荷へ供給する電流を定電流とする
ために、トランス３０ｂの二次巻線から負荷への給電路
中に二次側電流検出用抵抗３９を挿入し、この二次側電
流検出用抵抗３９の電圧降下を、ツェナーダイオードお
よび抵抗からなる基準電圧作成回路４０より出力される
基準電圧４１とオペアンプ２７ｂで比較し、両電圧の差
信号をホトカプラ９ｂを介して制御回路２ｂに帰還して
いる。

【０００５】ここで、帰還動作について詳しく説明す
る。トランス３０ｂの二次側の電流を二次側電流検出用
抵抗３９で電圧として検出し、この電圧を基準電圧作成
回路４０で作成した基準電圧４１と比較し、この両者が
等しくなるように制御を行っている。つまり、二次側電
流検出用抵抗３９の電圧が、基準電圧４１よりも大きく
なると、スイッチング素子１ｂのオンデューティを小さ
くする機能が働き、これによって二次側電流が減り、負
帰還がかかるようになっている。

【０００６】この負帰還をかけるため、二次側の帰還信
号を一次側へ伝達することが必要であるが、その際、一
次側と二次側の電気的絶縁をとるため、上記したように
ホトカプラ９ｂが使用されている。また、二次側の電流
を検出し、これをホトカプラ信号に変換するため、オペ
アンプ２７ｂを使用している。このオペアンプ２７ｂの
動作としては、出力電流が増加するとオペアンプ２７ｂ
の負入力電圧が上がり、正入力電圧よりも高くなるとオ
ペアンプ２７ｂの出力が下がり、ホトダイオード９ｂに
電流が流れ、一次側へ電流信号が伝わる。このホトカプ
ラ電流が大きくなるほど、一次側の制御回路２ｂにおい
ては、スイッチング素子１ｂのオンデューティを小さく
する動作が働き、二次側出力電流を小さくする。

【０００７】図５には、制御回路２ｂの具体例として、
ホトカプラ電流の変化によってスイッチング素子１ｂの
オンデューティを制御した回路例を示した。エラーアン
プ４８の正入力には、基準電圧である１．２５Ｖが印加
されている。したがって、エラーアンプ４８の負入力端
子４２は、１．２５Ｖになるように制御がかかる。つま
り、エラーアンプ４８の負入力端子が１．２５Ｖで一定
であるためには、ホトカプラ９ｂの電流が増加すると、
エラーアンプ４８の出力電圧４６が低くならねばならな
い。コンパレータ４４の負入力には、このエラーアンプ
４８の出力電圧４６が入力されており、正入力端子４５
には、１．２５Ｖと２．３Ｖの間で上昇、下降する三角
波４５が入力されている。

【０００８】ここで、コンパレータ４４は、エラーアン
プ４８の出力と上記三角波４５とを比較し、その情報信
号をロジック回路４９へ伝達するが、スイッチング素子
１ｂは、上記三角波４５の上り勾配でかつコンパレータ
４４の出力が“０”の場合にオンするようになってい
る。したがって、ホトカプラ電流が増加して、エラーア
ンプ４８の出力電圧４６が図６（ａ）のように低下する
と、上記三角波４５の上り勾配において三角波４５の電
圧がエラーアンプ４８の出力電圧４６よりも低い期間が
短くなり、スイッチング素子１ｂのオン期間、つまりオ
ンデューティが小さくなり、図６（ｂ）の波形４７のよ
うになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前項で示した従来の回
路において、二次側の定電流制御を行っているとき、二
次側の負荷が過負荷状態、あるいは、負荷短絡になった
場合、二次側の出力電流が常に最大値の状態が続いた
り、二次側の出力電圧が下がりすぎると、二次側の電流
検出をしてホトダイオード電流を流すオペアンプ２７ｂ
の動作が停止し、スイッチング素子１ｂのオンデューテ
ィ制御がきかなくなる。

【００１０】このことで、二次側の整流用のダイオード
２２ｂ等に負担をかけることになり、その負担が大きす
ぎる場合は、破壊を招く。また、トランス３０ｂの補助
巻線５ｂとグラウンドラインの短絡状態が生じた時、こ
のラインにも大きな電流が流れ、補助巻線ラインの整流
用のダイオード（補助巻線用整流・平滑回路３３ｂ内）
にも負担をかけることになり、この場合も負担が大きす
ぎると破壊を招くことになる。

【００１１】したがって、この発明の目的は、トランス
の二次巻線短絡や補助巻線短絡等による整流用ダイオー
ド等の部品の破壊を防止し、絶縁型スイッチング電源装
置の安全性を高めることができる絶縁型スイッチング電
源装置用半導体集積回路装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の絶縁型スイッ
チング電源装置用半導体集積回路装置は、絶縁型スイッ
チング電源装置のトランスの一次巻線に接続されるスイ
ッチング素子を制御する制御回路を備え、交流電源の交
流電圧を整流・平滑した電圧が印加される第１の電源入
力端子と、トランスの補助巻線の電圧が印加される第２
の電源入力端子とを具備し、起動時には第１の電源入力
端子から制御回路へ駆動電流を供給して、補助巻線の電
圧が第１の電圧以上になると第１の電源入力端子からの
駆動電流の供給を止めて第２の電源入力端子より制御回
路へ駆動電流を供給する第１の機能を有し、補助巻線の
電圧が第１の電圧以上の第２の電圧を下回ったときにス
イッチング素子を間欠的にスイッチング動作させる第２
の機能を有する。上記の第２の機能は、補助巻線の電圧
または補助巻線の電圧を抵抗分割して作った電圧と制御
回路の内部の基準電圧とを比較して、基準電圧の方が高
いときにスイッチング素子を間欠的にスイッチング動作
させる機能である。

【００１３】つまり、この発明では、絶縁型スイッチン
グ電源装置において、トランスの補助巻線電圧を検出
し、この電圧が、規定値以下、つまり第２の電圧以下に
なった場合、スイッチング素子を間欠的にスイッチング
動作させる。補助巻線電圧は、二次側出力電圧と比例す
るため、二次側負荷が短絡され、二次側電圧が低下する
と補助巻線電圧が低下するので、これを検出してスイッ
チング素子を間欠的にスイッチング動作させるものであ
る。また補助巻線がグラウンドラインと短絡すると、補
助巻線電圧が低下し、同様にスイッチング素子は、間欠
動作をすることになる。間欠動作とは、通常のスイッチ
ング周波数でスイッチング素子がスイッチング動作を行
う期間と、スイッチング素子を全く停止した期間とを一
定周期で交互に繰り返す動作のことである。

【００１４】

【作用】この発明の構成によれば、トランスの二次側負
荷が短絡した場合、スイッチング素子が間欠的にスイッ
チング動作するため、間欠スイッチング動作中は、トラ
ンスの二次側への電力供給は低減されることになる。こ
のことで、トランスの二次側の整流ダイオードにおける
損失電力も低減される。損失電力が低減されることで、
二次側の整流ダイオードでの熱発生が小さくなり、整流
ダイオードの破損が避けられることになる。また、補助
巻線とグラウンドラインが短絡されると、補助巻線の整
流ダイオードに短絡電流が流れることになるが、このと
きも、スイッチング素子が間欠スイッチング動作をする
ため、間欠スイッチング動作中は、補助巻線の整流ダイ
オードにおける損失電力が低減され、熱発生も抑制され
ることになる。つまり、この発明の手段をとることによ
って、絶縁型スイッチング電源装置の不具合発生時にお
ける部品からの発火等の危険性を回避することができ、
電源の安全性を高めることができる。

【００１５】

【実施例】図１にこの発明を実施した例として絶縁型ス
イッチング電源装置の一次側制御用の絶縁型スイッチン
グ電源装置用半導体集積回路装置を定電流充電型電源装
置に使用した場合のブロック図を示す。また、図２に
は、この発明を実施した絶縁型スイッチング電源装置用
半導体集積回路装置内の回路の例を示した。本項では、
この両図によってその実施例を説明する。

【００１６】図１で示した実施例は、ＭＯＳＦＥＴから
成るスイッチング素子１と、その制御回路としてのＢｉ
ＣＭＯＳ回路とを同一チップ内に搭載した絶縁型スイッ
チング電源装置用半導体集積回路装置２の回路構成図で
ある。同図において、絶縁型スイッチング電源装置用半
導体集積回路装置２の第１および第２の電源入力端子２
Ａ，２Ｂには、絶縁型スイッチング電源装置の一次側の
交流電源３の交流電圧を整流ブリッジ２５と平滑コンデ
ンサ２６とで整流・平滑した部分４の電圧と、補助巻線
５の電圧を補助巻線用整流・平滑回路３３で整流・平滑
した電圧とがそれぞれ印加される。そして、電源起動時
には、その整流・平滑した部分４の電圧が絶縁型スイッ
チング電源装置用半導体集積回路装置２内の制御回路
（ＰＷＭ制御回路１２等）に供給されて起動した後、つ
まり補助巻線電圧が予め決めた電圧より高くなった時
に、整流ブリッジ２５と平滑コンデンサ２６とで整流・
平滑した部分４からの電圧印加を停止する一方、補助巻
線５の電圧を補助巻線用整流・平滑回路３３で整流・平
滑した電圧（補助巻線電圧）が絶縁型スイッチング電源
装置用半導体集積回路装置２内の制御回路に供給され
る。このように給電経路を切り替えるのは、以下のプリ
レギュレータ回路７の機能による。

【００１７】絶縁型スイッチング電源装置用半導体集積
回路装置２内には、内部回路の電源用としての、安定化
電圧６を作り出すプリレギュレータ回路（特許請求の範
囲における第１の機能に対応する）７、内部の基準電圧
を作るバンドギャップ回路（図示せず）、発振信号（矩
形波、クロックパルス、鋸歯状波など）を作る発振器
８、ホトカプラ９の電流によってＰＷＭ制御を行うエラ
ーアンプ１０Ａ、１０Ｂ、コンパレータ１１等から成る
ＰＷＭ制御回路１２、ホトカプラ９の電流が無くなった
ときスイッチング素子１を間欠的にスイッチング動作さ
せるタイマ回路１３、スイッチング素子１用の過電流保
護回路１４、二次側の過昇電圧保護回路１５、上記絶縁
型スイッチング電源装置用半導体集積回路装置２内部の
安定化電圧６が低下したことを検出して、スイッチング
素子１を停止させる安定化電源電圧低下検出回路１７、
スイッチング素子１を制御するロジック回路１８、過熱
保護回路１９等を内蔵している。

【００１８】さらに、この発明のポイントである、補助
巻線電圧が規定電圧値（特許請求の範囲における第２の
電圧に相当する）よりも低下したことを、コンパレータ
２０Ａを用いて検知する補助巻線電圧低下検出回路（特
許請求の範囲における第２の機能に対応する）２０が内
蔵されている。この補助巻線電圧低下検出回路２０は、
補助巻線５の電圧の低下を検出した時に、補助巻線電圧
低下検出回路２０の出力をロジック回路（特許請求の範
囲における第２の機能に対応する）１８に伝達し、タイ
マ回路（特許請求の範囲における第２の機能に対応す
る）１３を動作させて、スイッチング素子１を間欠的に
スイッチング動作させるようになっている。なお、補助
巻線電圧低下検出回路２０は、例えば補助巻線５の電圧
もしくは補助巻線５の電圧を抵抗分割した電圧を基準電
圧と比較することにより、補助巻線５の電圧の低下を検
出する構成になっている。また、上記の規定電圧値は、
整流ブリッジ２５と平滑コンデンサ２６とで整流・平滑
した部分４からの電圧印加が停止されるときの補助巻線
５の電圧または、それより高い所定の電圧に設定され
る。

【００１９】間欠動作は、外付けのコンデンサ２１に定
電流の充電・放電（ここでは、充電電流が１０μＡ，放
電電流が２．５μＡとなっている）を繰り返し、三角波
形を発生させ、その上り勾配時にスイッチング素子１が
通常のスイッチング動作を行い、下り勾配においてスイ
ッチング動作を停止するようになっている。上り勾配の
時間は下り勾配の時間の１／４であるから、間欠的スイ
ッチング動作時の二次側の整流ダイオード２２および絶
縁型スイッチング電源装置用半導体集積回路装置２の電
力損失は、間欠的スイッチング動作状態に入る前の約１
／５になる。これらの動作は、コンパレータ２３，２４
で上記コンデンサ２１の電圧を検知して行われる。

【００２０】トランス３０の二次側出力は、二次側の整
流ダイオード２２と平滑コンデンサ２８で整流・平滑さ
れている。二次側電流は、抵抗２９で電圧として検出さ
れ、オペアンプ２７とホトカプラ９を用いてトランス３
０の一次側へ帰還信号として伝えている。二次側の出力
電流が大きくなると、オペアンプ２７の出力は高くな
り、ホトダイオード９の電流は大きくなり、スイッチン
グ素子１のオンデューティが狭く絞られる。

【００２１】図２に、上記の補助巻線５の電圧が一定電
圧よりも低下した場合、それを検知する回路の他の例を
示す。ここでは、絶縁型スイッチング電源装置用半導体
集積回路装置２内部の安定化電圧６（５．８Ｖ）よりも
等価ダイオード３７のカソード側３４の電圧が低くなる
と、ミラー回路３８によって、ミラー回路３８の出力部
３５の電圧が高くなり、補助巻線電圧低下の検出信号が
ロジック回路１８（図１参照）に伝達される。つまり、
補助巻線５の電圧が絶縁型スイッチング電源装置用半導
体集積回路装置２の内部安定化電圧６よりも等価ダイオ
ード３７の１個分の電圧、つまり約０．６Ｖだけ高い電
圧（規定電圧値）よりも低下すると、スイッチング素子
１の間欠スイッチング動作に入る。３６は定電流源であ
る。

【００２２】また、補助巻線５とグラウンドライン間の
短絡についても、補助巻線電圧の低下が起こり、同様な
機能が働く。さて、定電流出力制御を行っている絶縁型
スイッチング電源装置において、上記の補助巻線電圧を
検出して、スイッチング素子１が間欠スイッチング動作
する機能がある場合（実線）とない場合（破線）の出力
電圧−電流の特性を図３に示した。この間欠スイッチン
グ機能がない場合、出力電圧が下がると、図１の二次側
のオペアンプ２７の動作停止により、二次側からのフィ
ードバックができなくなるため、電流値が増加するが、
この間欠スイッチング機能があれば、一定電流の領域か
ら間欠動作にはいるため、出力特性は、いわゆるフの字
特性となり、整流ダイオード２２や、補助巻線用整流・
平滑回路３３の整流ダイオードなどの負担が軽減され
る。

【００２３】

【発明の効果】この発明の絶縁型スイッチング電源装置
用半導体集積回路装置によれば、トランスの補助巻線の
電圧の低下を検出して、スイッチング素子を間欠的にス
イッチング動作させる機能を設けることにより、二次側
負荷の短絡時において、二次側あるいは補助巻線側の整
流ダイオード等の部品の負担を軽減でき、安全性に優れ
た絶縁型スイッチング電源装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の絶縁型スイッチング電源
装置用半導体集積回路装置を有する絶縁型スイッチング
電源装置の構成を示す回路図である。

【図２】同じく絶縁型スイッチング電源装置用半導体集
積回路装置の内部回路の一部の構成を示す回路図であ
る。

【図３】絶縁型スイッチング電源装置の出力電圧−出力
電流特性図である。

【図４】定電流充電を行う従来の絶縁型スイッチング電
源装置の一例の回路図である。

【図５】図４の制御回路の具体的な回路図である。

【図６】図５の回路におけるホトカプラ電流とオンデュ
ーティの関係を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１ スイッチング素子 ２ 絶縁型スイッチング電源装置用半導体集積回路装
置 ２Ａ 電源入力端子 ２Ｂ 電源入力端子 ３ 交流電源 ５ 補助巻線 ７ プリレギュレータ回路 ８ 発振器 ９ ホトカプラ １０ エラーアンプ １１ コンパレータ １２ ＰＷＭ制御回路 １３ タイマ回路 １４ 過電流保護回路 １５ 過昇電圧保護回路 １７ 安定化電源電圧低下検出回路 １８ ロジック回路 １９ 過熱保護回路 ２０ 補助巻線電圧低下検出回路 ３８ ミラー回路 ２１ 外付けコンデンサ ２２ 整流ダイオード ２３，２４ コンパレータ ２５ 整流ブリッジ ２６ 平滑コンデンサ ２７ オペアンプ ２８ 平滑コンデンサ ２９，３９ 抵抗 ３０ トランス ３１ コンデンサ ３２ コンデンサ ３３ 補助巻線用整流・平滑回路 ３６ 定電流源 ３７ 等価ダイオード

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁型スイッチング電源装置のトランス
   の一次巻線に接続されるスイッチング素子を制御する制
   御回路を備え、交流電源の交流電圧を整流・平滑した電
   圧が印加される第１の電源入力端子と、前記トランスの
   補助巻線の電圧が印加される第２の電源入力端子とを具
   備し、 起動時には前記第１の電源入力端子から前記制御回路へ
   駆動電流を供給して、前記補助巻線の電圧が第１の電圧
   以上になると前記第１の電源入力端子からの駆動電流の
   供給を止めて前記第２の電源入力端子より前記制御回路
   へ駆動電流を供給する第１の機能を有し、 前記補助巻線の電圧が前記第１の電圧以上の第２の電圧
   を下回ったときに前記スイッチング素子を間欠的にスイ
   ッチング動作させる第２の機能を有し、 前記第２の機能は、前記補助巻線の電圧または前記補助
   巻線の電圧を抵抗分割して作った電圧と前記制御回路の
   内部の基準電圧とを比較して、前記基準電圧の方が高い
   ときに前記スイッチング素子を間欠的にスイッチング動
   作させる機能である ことを特徴とする絶縁型スイッチン
   グ電源装置用半導体集積回路装置。
2. 【請求項２】 補助巻線の電圧または補助巻線の電圧を
   抵抗分割して作った電圧と、基準電圧とを比較する回路
   がコンパレータである請求項１記載の絶縁型スイッチン
   グ電源装置用半導体集積回路装置。
3. 【請求項３】 補助巻線の電圧または補助巻線の電圧を
   抵抗分割して作った電圧と、基準電圧とを比較する回路
   がミラー回路である請求項１記載の絶縁型スイッチング
   電源装置用半導体集積回路装置。