JP3408508B2 - 同期整流式フォワード型スイッチング電源装置 - Google Patents

同期整流式フォワード型スイッチング電源装置

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JP3408508B2
JP3408508B2 JP2000321111A JP2000321111A JP3408508B2 JP 3408508 B2 JP3408508 B2 JP 3408508B2 JP 2000321111 A JP2000321111 A JP 2000321111A JP 2000321111 A JP2000321111 A JP 2000321111A JP 3408508 B2 JP3408508 B2 JP 3408508B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、同期整流式フォワ
ード型スイッチング電源装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図4は、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。スイッチング電源装置は、入
力端子1,2、平滑コンデンサ3、メインスイッチ用M
OSFET4およびトランス5の一次巻線からなる一次
側駆動回路と、トランス5の二次巻線、整流スイッチ用
MOSFET6、還流スイッチ用MOSFET7、チョ
ークコイル8、出力コンデンサ9、出力端子10,1
1、分圧抵抗12,13および制御回路14からなる二
次側出力回路とから構成される同期整流式フォワード型
スイッチング電源装置である。上述の構成において、メ
インスイッチ用MOSFET4は、制御回路14によ
り、出力端子10,11から得られる出力電圧が安定す
るようにPWM制御される。
【0003】このようなスイッチング電源装置では、た
とえば図5に示すように、時間t11で動作を停止させ
た時、出力側からのエネルギーが、整流スイッチ用MO
SFET6のゲートに印加され、整流スイッチ用MOS
FET6のゲート・ソース電圧Vgsが上昇する。その
ため、整流スイッチ用MOSFET6がオンし、トラン
ス5の2次巻線を励磁し、やがてトランス5が飽和する
と、整流スイッチ用MOSFET6の内部抵抗分によ
り、整流スイッチ用MOSFET6のドレイン・ソース
間電圧Vdsが上昇する。やがて、このドレイン・ソー
ス間電圧Vdsが、時間t12で還流スイッチ用MOP
SFET7のゲート・ソース間電圧Vgsのスレショー
ルドレベルVthを越えると、還流スイッチ用MOSF
ET7がオンする。それと同時に、整流スイッチ用MO
SFET6はオフする。
【0004】次いで、還流MOSFET7のゲート電圧
が放電され、スレショールドレベルVth以下になる
と、還流スイッチ用MOSFET7はオフし、再び整流
スイッチ用MOSFET7のゲートに、出力からのエネ
ルギーが印加される。
【0005】この自励発振現象は、出力のエネルギーが
なくなるまで繰り返される。このとき、同期整流素子
(MOSFET6,7)の耐圧を越えるようなサージ電
圧(図5参照)が発生し、同期整流素子を破損させるお
それがある。
【0006】次に、図6は、従来のスイッチング電源装
置の他の例を示す回路図である。図6においては、図4
に示す従来例の構成に加えて、整流スイッチ用MOSF
ET6のゲート回路にスイッチ素子15を接続してい
る。そして、スイッチ素子15を整流スイッチ用MOS
FET6の動作(オン)時にはオン、スイッチング電源
装置の動作停止時にはオフとなるように制御する。この
ように、スイッチ素子15を制御することにより、整流
スイッチ用MOSFET6は動作停止時にオフ状態を維
持するので、図4における自励発振現象によるサージ電
圧の発生を抑制することができる。
【0007】次に、図7は、従来のスイッチング電源装
置のさらに他の例を示す回路図である。図7において
は、図3に示す従来例の構成に加えて、還流スイッチ用
MOSFET7のゲート回路にスイッチ素子16および
電圧源17を接続している。そして、スイッチ素子16
を還流スイッチ用MOSFET7の動作(オン)時には
オフ、スイッチング電源装置の動作停止時にはオンとな
るように制御する。このように、スイッチ素子16を制
御することにより、還流スイッチ用MOSFET7は動
作停止時にオン状態を維持するので、図4における自励
発振現象によるサージ電圧の発生を抑制することができ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図6及び図7
に示す装置においては、スイッチ素子や電圧源のような
部品点数が増加し、コストがかかるという問題がある。
また、図7に示すように、停止時に還流スイッチ用MO
SFET7をオン状態にして、自励発振現象を防止した
場合、出力エネルギーが還流スイッチ用MOSFET7
に通じることで、出力電圧がマイナスになるアンダーシ
ュート現象を生じることがある。そして、このアンダー
シュート現象により、部品に逆電圧が印加されて悪影響
を与え、最悪の場合には破壊に至ることがあるという問
題も生じる。
【0009】そこで、本発明の目的は、動作停止時にサ
ージ電圧やアンダーシュート現象が発生するのを防止で
き、起動時にソフトスタートさせることができる同期整
流式フォワード型スイッチング電源装置を提供すること
にある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記した目的に鑑みて、
本発明に係る同期整流式フォワード型スイッチング電源
装置は、入力端子、平滑コンデンサ、メインスイッチ用
MOSFETおよびトランスの一次巻線を有する一次側
駆動回路と、トランスの二次巻線、整流スイッチ用MO
SFET、還流スイッチ用MOSFET、チョークコイ
ル、出力コンデンサ、出力端子を有する二次側出力回路
と、メインスイッチ用MOSFETへ制御パルス信号を
出力する制御回路と、を備える同期整流式フォワード型
スイッチング電源装置において、制御回路は、スイッチ
ング電源装置の動作停止時には、制御パルス信号の時比
率を次第に小さくなるように絞るものである
【0011】それにより、スイッチング電源装置の動作
停止時に、出力エネルギーによる同期整流素子の自励発
振現象を防止できると共に、出力電圧のアンダーシュー
トも防止できる。
【0012】また、本発明に係る同期整流式フォワード
型スイッチング電源装置は、さらに、制御回路は、三角
波信号を出力する三角波発生器と、出力端子から出力さ
れる電圧が、予め決められた出力電圧よりも低くなるほ
ど、低い電圧の検出信号を出力する出力電圧検出回路
と、スイッチング電源装置の停止時には、次第に電圧が
上昇して、検出信号よりも高くなるパルス幅制御信号を
出力するパルス幅制限回路と、検出信号およびパルス幅
制御信号よりも三角波信号の電圧が高くなる期間におい
て制御パルス信号を出力するコンパレータと、を備える
ものである
【0013】それにより、スイッチング電源装置の正常
動作時には、所定の時比率を有する制御パルス信号を生
成し、動作停止時には、次第に小さくなる時比率を有す
る制御パルスを生成することができる。
【0014】本発明に係る同期整流式フォワード型スイ
ッチング電源装置は、さらに、制御回路は、スイッチン
グ電源装置の起動時には、時比率が次第に大きくなる制
御パルス信号を出力するものである。
【0015】これにより、スイッチング電源装置を起動
時にソフトスタートすることができる。つまり、スイッ
チング電源装置の動作停止時には、出力エネルギーによ
る同期整流素子の自励発振現象を防止できかつ出力電圧
のアンダーシュートも防止できると共に、スイッチング
電源装置の起動時には、突入電流等による不具合を防止
することができる。
【0016】検出信号、パルス幅制御信号および三角波
信号に基づいて制御パルス信号を出力する、本発明に係
る同期整流式フォワード型スイッチング電源装置は、さ
らに、パルス幅制限回路は、起動時に電圧が上昇する電
源に接続される第1の抵抗と、第1の抵抗と直列に接続
される第2の抵抗と、互いに直列に接続されるコンデン
サおよび第3の抵抗からなり、第1の抵抗と並列に接続
される時定数回路と、 コンデンサと並列に接続される半
導体スイッチ素子と、半導体スイッチと直列に接続され
る第4の抵抗と、を備え、スイッチング電源装置の起動
時には、半導体スイッチ素子をオフ状態とし、スイッチ
ング電源装置の動作停止時には、半導体スイッチ素子を
オン状態とし、第1の抵抗と第2の抵抗の直列接続点の
電位を、パルス幅制御信号として出力するものである。
【0017】この構成を採用すれば、起動直後には、コ
ンデンサが充電されることで、次第に電圧が下がるパル
ス幅制御信号が生成されるので、コンパレータは、時比
率が次第に大きくなる制御パルス信号を出力する。これ
により、スイッチング電源装置をソフトスタートさせ
て、突入電流等による不具合を防止することができる。
また、動作停止時には、コンデンサに充電されている電
荷が第四の抵抗で放電され、次第に電圧が上昇するパル
ス幅制御信号が生成されるので、コンパレータは、時比
率が次第に小さくなる制御パルス信号を出力する。これ
により、制御パルス信号の時比率は次第に小さくなり、
出力エネルギーによる同期整流素子の自励発振現象を防
止でき、かつ、出力電圧のアンダーシュートも防止する
ことができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づいて説明する。
【0019】図1は、本発明に係る同期整流式フォワー
ド型スイッチング電源装置の実施の形態を示す回路図で
ある。図1において、図3、図6および図7の従来回路
図と同一の構成要素は、同一符号を付して説明する。こ
のスイッチング電源装置は、従来回路図と同一構成の同
期整流式フォワード型スイッチング電源であるが、制御
回路14の構成に特徴を有する。
【0020】制御回路14は、出力電圧検出手段とし
て、出力端子10,11における出力電圧を検出する出
力電圧検出回路18と、パルス幅制限手段として、スイ
ッチング電源装置の起動時および動作停止時に変化する
パルス幅制限信号を発生するパルス幅制限回路19と、
三角波発生手段としての三角波発生器32からの三角波
信号、出力電圧検出回路18からの検出信号およびパル
ス幅制限回路19からのパルス幅制限信号が入力され
る、制御パルス信号生成手段としての制御パルス信号生
成回路20とからなる。
【0021】出力電圧検出回路18は、出力端子10,
11に接続された誤差増幅回路21と、誤差増幅回路2
1の出力に接続されたフォトダイオード21aを有する
フォトカップラ21と、+Vccに接続されたフォトカ
ップラ22のフォトトランジスタ22bと接地間に接続
された抵抗23と、フォトトランジスタ22bと並列接
続される抵抗24とから構成されている。
【0022】パルス幅制限回路19は、第1の抵抗とし
ての抵抗25および第2の抵抗としての抵抗26の直列
接続体、および抵抗25に並列接続されるコンデンサ2
7および抵抗28の直列接続体からなる時定数回路と、
コンデンサ27に並列接続される、半導体スイッチ素子
としてのトランジスタ30および第4の抵抗としての抵
抗29の直列接続体とから構成されている。トランジス
タ30の制御電極、すなわちベースには、スイッチング
電源装置の動作停止信号が供給される制御端子31が接
続されている。
【0023】制御パルス信号生成回路20は、三角波発
生手段としての三角波発生器32と、3入力タイプのコ
ンパレータ33とから構成されている。コンパレータ3
3の第1のプラス入力端子は、出力電圧検出回路18に
おけるフォトカップラ22のフォトトランジスタ22b
と抵抗23の接続点に接続されている。コンパレータ3
3の第2のプラス入力端子は、パルス幅制限回路19の
抵抗25と抵抗26の直列接続点に接続されている。コ
ンパレータ33のマイナス入力端子は、三角波発生器3
2に接続されている。
【0024】次に、上述の構成を有するスイッチング電
源装置の動作について、図1に示す回路図と、図2およ
び図3に示す図1の各部の信号タイミング図とを参照し
て説明する。
【0025】まず、スイッチング電源装置の起動時につ
いて図1および図2を参照しながら説明すると、起動に
より、時間t1に入力端子1,2に直流入力電圧が印加
されると、+Vcc電源の電圧上昇により、パルス幅制
限回路19の時定数回路が働く。このとき、トランジス
タ30は、制御端子31にハイレベルの信号が供給され
ており、オフ状態にある。それにより、制御パルス信号
生成回路20のコンパレータ33の第1のプラス入力端
子に供給されるパルス幅制限信号、すなわち抵抗25と
抵抗26の直列接続点の電圧は、図2(b)の波形Bに
示すように、最初、抵抗25および抵抗28の並列抵抗
値と抵抗26の抵抗値とで決定される分圧電圧まで立ち
上がる。次いで、この電圧は、コンデンサ27および抵
抗28による充電時定数で次第に減少し、最終的に抵抗
25の抵抗値と抵抗26の抵抗値で決定される分圧電圧
に落ち着く。
【0026】一方、起動により、三角波発生器32か
ら、図2(b)の波形Aに示す三角波信号が発生し、コ
ンパレータ33のマイナス入力端子に供給される。しか
し、スイッチング電源回路の出力電圧は、まだ立ち上が
っていないので、出力電圧検出回路18は動作しておら
ず、コンパレータ33の第2のプラス入力端子には、図
2(b)の波形Cに示すように、出力電圧検出回路18
の抵抗23および抵抗24で決定されるローレベルの電
圧が供給される。
【0027】したがって、コンパレータ33は、波形A
の三角波信号と波形Bのパルス幅制限信号を比較し、そ
の出力として、図2(C)に示すように、パルス幅が最
初狭いが次第に広くなる制御パルス信号を発生し、スイ
ッチング電源装置の一次側駆動回路のメインスイッチ用
MOSFET4に供給する。それにより、メインスイッ
チ用MOSFET4がターンオン、ターンオフするよう
に制御される。
【0028】このように、スイッチング電源装置の起動
時には、パルス幅制限回路19の時定数回路が、技術上
周知のソフトスタート手段として働き、メインスイッチ
用MOSFET4は、時比率が次第に大きくなる制御パ
ルス信号で制御される。そのため、二次側出力回路の出
力端子10,11の出力電圧が徐々に上昇するので、突
入電流等による不具合が解消される。
【0029】次に、メインスイッチ用MOSFET4の
ターンオン、ターンオフ制御により、二次側出力回路の
出力端子10,11の出力電圧が上昇し、出力電圧検出
回路18において誤差検出回路21で予め決められた出
力電圧V0との誤差が検出されると、フォトカップラ2
2のフォトダイオード22aに電流が流れて発光し、フ
ォトトランジスタ22bがオンとなる。それにより、コ
ンパレータ33の第2のプラス入力端子に印加される出
力電圧検出回路18の検出信号は、フォトトランジスタ
22bのオン抵抗および抵抗24の並列抵抗値と、抵抗
23の抵抗値で決定される電圧まで上昇する。この上昇
後の電圧は、波形Bに示すパルス幅制限信号より高くな
る。
【0030】したがって、出力電圧の上昇後、コンパレ
ータ33は、波形Bのパルス幅制限信号の代わりに波形
Cの出力電圧検出回路18の検出信号を、波形Aの三角
波信号と比較する。そして、コンパレータ33は、その
出力として、所定の時比率を有する制御パルス信号を発
生して、出力電圧V0が安定するようにメインスイッチ
用MOSFET4をPWM制御、スイッチング電源装置
は、正常動作状態となる。
【0031】次に、スイッチング電源装置の動作停止時
について図1および図3を参照しながら説明する。図3
において、たとえば時間t3にスイッチング電源装置の
動作停止が指示され、入力端子1,2に直流入力電圧が
供給されなくなると、二次側出力回路の出力端子10,
11の出力電圧が下降し、出力電圧検出回路18からの
検出信号も、図3(b)に示すように減少し、制御パル
ス信号生成回路20から出力される制御パルス信号の時
比率を大きくして、出力電圧V0を維持しようとする。
【0032】しかし、動作停止時には、要約すると、コ
ンパレータ33は、出力電圧検出回路18からの検出信
号の代わりに、パルス幅制限回路19からのパルス幅制
限信号と三角波発生器32からの三角波信号に基づき、
制御パルス信号を生成するように動作する。
【0033】以下、動作停止時の動作を詳述する。時間
t3における動作停止指示により、入力端子1,2に直
流入力電圧が供給されなくなると、入力監視回路(図示
しない)で直流入力電圧がなくなったことが検出され、
入力監視回路よりローレベルの動作停止信号が出力さ
れ、パルス幅制限回路19の制御端子31に供給され
る。それにより、トランジスタ30がオンとなり、抵抗
29が時定数回路のコンデンサ27に並列接続され、コ
ンデンサ27の充電電荷は、コンデンサ27と抵抗29
で決まる時定数で放電される。
【0034】そのため、パルス幅制限回路19のパルス
幅制限信号は、図3(b)に示すように、上述の放電時
定数に基づいて次第に上昇し、出力電圧検出回路18の
検出信号より高くなり、最終的に抵抗29および抵抗2
8の直列接続体と抵抗25との並列接続回路の抵抗値
と、抵抗26とで決定される分圧電圧に落ち着く。
【0035】したがって、コンパレータ33は、パルス
幅制限回路19のパルス幅制限信号が、波形Cに示す出
力電圧検出回路18の検出信号より高くなった後は、こ
の検出信号の代わりに、波形Bのパルス幅制限信号を波
形Aの三角波信号と比較する。そして、コンパレータ3
3は、その出力として、次第に時比率が小さくなる制御
パルス信号を発生して、メインスイッチ用MOSFET
4をPWM制御する。その結果、スイッチング電源装置
の出力電圧は、図3(a)に示すように、動作停止が指
示された時間t3から徐々に減少し、時間t4で制御パ
ルス信号の供給が停止し、電圧ゼロとなる。
【0036】以上説明したように、スイッチング電源装
置の起動時には、パルス幅制限回路の時定数回路による
ソフトスタート手段で、制御パルス信号の時比率を次第
に大きくしてソフトスタートさせることにより、起動時
の突入電流等による不具合を防止することができる。
【0037】また、上述のソフトスタート手段への抵抗
29と半導体スイッチ素子30の追加だけで、スイッチ
ング電源装置の動作停止時には、制御パルス信号の時比
率を次第に小さくなるように絞ることによって出力電圧
を徐々に下げ、出力からのエネルギーを小さくしてか
ら、制御パルス信号を停止するように動作させている。
それにより、整流スイッチ用MOSFET6のゲートに
オン電圧が立たず、同期整流器のMOSFET6,7同
士の自励スイッチングによるサージ電圧の発生を抑制す
ることができる。また、出力電圧がマイナスになるアン
ダーシュート現象も抑制できる。
【0038】以上の通り、本発明の実施の形態について
説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用
が可能である。
【0039】たとえば、上述の実施の形態では、パルス
幅制限回路19は、抵抗25,26,28,29と、コ
ンデンサ27と、トランジスタ30で構成しているが、
同一の作用を行う別の構成としても良い。
【0040】
【発明の効果】本発明によれば、同期整流式フォワード
型スイッチング電源装置の動作停止時における出力エネ
ルギーによる同期整流器の自励発振現象を、従来のよう
に同期整流器のMOSFETのゲート回路に半導体スイ
ッチ素子を接続する必要がなく、少ない部品点数の追加
で防止できる。また、出力エネルギーが小さくなってか
ら停止するため、出力電圧がマイナス側に低下するアン
ダーシュート現象も防止できる。
【0041】また、スイッチング電源装置の起動時にお
ける突入電流等による不具合を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る同期整流式フォワード型スイッチ
ング電源装置の実施の形態を示す回路図である。
【図2】(a)、(b)および(c)は、図1のスイッ
チング電源装置における起動時の各部の信号タイミング
図である。
【図3】(a)、(b)および(c)は、図1のスイッ
チング電源装置における動作停止時の各部の信号タイミ
ング図である。
【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。
【図5】図5のスイッチング電源装置における動作停止
時の各部の信号タイミング図である。
【図6】従来のスイッチング電源装置の他の例を示す回
路図である。
【図7】従来のスイッチング電源装置のさらに他の例を
示す回路図である。
【符号の説明】
4 メインスイッチ用MOSFET(一次側メインスイ
ッチ) 6 整流スイッチ用MOSFET 7 還流スイッチ用MOSFET 10 出力端子 11 出力端子 14 制御回路 18 出力電圧検出回路(出力電圧検出手段) 19 パルス幅制限回路(パルス幅制限手段) 20 制御パルス信号生成回路(制御パルス信号生成手
段) 25 抵抗(第1の抵抗;時定数回路の一部) 26 抵抗(第2の抵抗;時定数回路の一部) 27 コンデンサ(時定数回路の一部) 28 抵抗(第3の抵抗;時定数回路の一部) 29 抵抗(第4の抵抗) 30 トランジスタ(半導体スイッチ素子) 31 制御端子 32 三角波発生器(三角波発生手段) 33 コンパレータ
フロントページの続き (72)発明者 清水 芳文 東京都品川区東五反田1丁目11番15号電 波ビルディング デンセイ・ラムダ株式 会社内 (56)参考文献 特開 平9−154275(JP,A) 特開 平6−38517(JP,A) 特開2000−295842(JP,A) 特開2000−78845(JP,A) 特開2000−295841(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/28 H02M 3/335

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力端子、平滑コンデンサ、メインスイ
    ッチ用MOSFETおよびトランスの一次巻線を有する
    一次側駆動回路と、 上記トランスの二次巻線、整流スイッチ用MOSFE
    T、還流スイッチ用MOSFET、チョークコイル、出
    力コンデンサ、出力端子を有する二次側出力回路と、 上記メインスイッチ用MOSFETへ制御パルス信号を
    出力する制御回路と、を備える同期整流式フォワード型
    スイッチング電源装置において、 上記制御回路は、スイッチング電源装置の動作停止時に
    は、上記制御パルス信号の時比率を次第に小さくなるよ
    うに絞ることを特徴とする同期整流式フォワード型スイ
    ッチング電源装置。
  2. 【請求項2】 前記制御回路は、 三角波信号を出力する三角波発生器と、 前記出力端子から出力される電圧が、予め決められた出
    力電圧よりも低くなるほど、低い電圧の検出信号を出力
    する出力電圧検出回路と、 スイッチング電源装置の停止時には、次第に電圧が上昇
    して、上記検出信号よりも高くなるパルス幅制御信号を
    出力するパルス幅制限回路と、 上記検出信号および上記パルス幅制御信号よりも上記三
    角波信号の電圧が高くなる期間において前記制御パルス
    信号を出力するコンパレータと、を備えることを特徴と
    する請求項1記載の同期整流式フォワード型スイッチン
    グ電源装置。
  3. 【請求項3】 前記制御回路は、スイッチング電源装置
    の起動時には、時比率が次第に大きくなる前記制御パル
    ス信号を出力することを特徴とする請求項1記載の同期
    整流式フォワード型スイッチング電源装置。
  4. 【請求項4】 前記パルス幅制限回路は、 起動時に電圧が上昇する電源に接続される第1の抵抗
    と、 上記第1の抵抗と直列に接続される第2の抵抗と、 互いに直列に接続されるコンデンサおよび第3の抵抗か
    らなり、上記第1の抵 抗と並列に接続される時定数回路
    と、 上記コンデンサと並列に接続される半導体スイッチ素子
    と、 上記半導体スイッチと直列に接続される第4の抵抗と、
    を備え、 スイッチング電源装置の起動時には、上記半導体スイッ
    チ素子をオフ状態とし、スイッチング電源装置の動作停
    止時には、上記半導体スイッチ素子をオン状態とし、上
    記第1の抵抗と上記第2の抵抗の直列接続点の電位を、
    前記パルス幅制御信号として出力することを特徴とする
    請求項2記載の同期整流式フォワード型スイッチング電
    源装置。
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