JP3458363B2 - スイッチング電源 - Google Patents

スイッチング電源

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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、整流素子の損失を
低減することにより電力変換効率を改善した同期整流方
式のスイッチング電源、特に昇圧型スイッチング電源に
関する。 【0002】 【従来の技術】スイッチング電源は電力変換効率が高
く、小型に構成できることから、コンピュータやOA機
器をはじめ各種の産業機器分野、民生機器分野の電源と
して広く採用されている。また、昨今、携帯型情報端末
や通信機器等の電池で駆動されることの多い機器の普及
にともない、昇圧型スイッチング電源の更なる効率向上
が求められている。 【0003】この要求を満たす手段の一つとして、同期
整流方式を用いたスイッチング電源が提案されている。
同期整流方式のスイッチング電源は、オン状態にあるト
ランジスタのコレクタ・エミッタ間飽和電圧がダイオー
ドの順方向降下電圧よりも低いことに着目してなされた
もので、従来から整流回路の整流素子として通常用いら
れていたダイオードを、トランジスタに置換することに
より、整流素子で発生する電力損失を低減し、スイッチ
ング電源の効率向上を図るものである。 【0004】このような同期整流方式のスイッチング電
源の一例は、例えば、特開平8−289534号公報に
開示されている。この公報に示されたスイッチング電源
装置は、直流入力電圧が印加されるチョークコイルと、
この電圧を断続するスイッチング素子と、スイッチング
出力を整流平滑する整流平滑回路とを備えた同期整流方
式の昇降圧型スイッチング電源装置であって、整流平滑
回路の同期整流素子として、バイポーラPNP型トラン
ジスタを用い、前記PNP型トランジスタの駆動信号を
前記チョークコイルの両端に現れる電圧としたものであ
る。このため、整流素子としてダイオードを用いたスイ
ッチング電源装置と比較して、電力損失を低減でき、さ
らにPNP型トランジスタの駆動信号としてチョークコ
イルの両端に現れる電圧を直接利用しているため、駆動
回路が簡単に構成できる利点を有している。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】しかし、バイポーラ型
トランジスタのコレクタ・エミッタ間飽和電圧は、NP
N型トランジスタでは、通常、0.1V程度であるのに
対し、PNP型トランジスタでは0.2V程度と高く、
電流素子としてPNP型トランジスタを用いた同期整流
方式のスイッチング電源装置では、バイポーラ型トラン
ジスタのもつ利点を充分生かせないという問題があっ
た。 【0006】更に、この種のスイッチング電源に好適に
用いられるバイポーラ型高周波パワートランジスタはシ
リコンで構成されており、シリコントランジスタにおい
て、PNP型トランジスタはNPN型トランジスタと比
較し製造が困難なため、スイッチング電源の低価格化を
阻む一因ともなっていた。 【0007】そこで、本発明の課題は、電力変換効率が
高く、かつ、低価格化の可能な同期整流方式のスイッチ
ング電源を提供することである。 【0008】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。 【0009】 【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明のスイッチング電源は、チョークコイルと、
前記チョークコイルに印加される直流入力電圧を断続す
るスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオフ期
間に前記チョークコイルに発生するフライバック電圧
が、前記直流入力電圧に重畳して入力される整流平滑回
路とを含み、前記整流平滑回路は同期整流素子と一端が
前記同期整流素子に接続された平滑コンデンサとを含
み、前記平滑コンデンサの両端に昇圧された直流電圧を
出力する。 【0010】前記同期整流素子はNPN型トランジスタ
で成り、前記NPN型トランジスタのベース駆動回路
は、前記チョークコイルに磁気的に結合して設けた補助
巻線と、前記補助巻線と前記NPN型トランジスタのベ
−スとの間に設けた直流阻止用コンデンサと、前記NP
N型トランジスタのベースと前記平滑コンデンサとの他
端との間に設けたリセット回路とを含む。 【0011】このように、本発明のスイッチング電源
は、同期整流素子としてNPN型トランジスタを用いる
ためバイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間飽
和電圧の低さが最大限利用でき、電力変換効率の高いス
イッチング電源を提供できる。また、NPN型トランジ
スタはPNP型トランジスタと比較して価格が安く、コ
イルに巻線を1個追加するだけでベース電流の供給を行
うためスイッチング電源の低価格化を図ることができ
る。 【0012】 【発明の実施の形態】図1は本発明のスイッチング電源
の一例を示す電気回路図である。図において、1は直流
入力電圧源、2はチョークコイル、3はスイッチング素
子、4は整流平滑回路、41は同期整流素子であるNP
N型トランジスタ、42は平滑コンデンサ、5は負荷、
6はベース駆動回路、61は補助巻線、62は直流阻止
用コンデンサ、63はリセット回路、7は出力電圧検出
回路、8は制御回路である。 【0013】直流入力電圧源1は直流を出力するもので
あればよく、典型的にはバッテリーや、商用交流を整流
平滑して得た電源あるいは他の直流電源装置の出力であ
ってもよい。チョークコイル2はその一端が直流入力電
圧源1の一端に接続され、他端がスイッチング素子3を
介して直流入力電圧源1の他端に接続されている。 【0014】スイッチング素子3はバイポーラトランジ
スタ、FET、その他制御極付半導体スイッチング素子
等のいずれかで構成され、チョークコイル2に印加され
る直流電圧を断続する。整流平滑回路4は同期整流素子
であるNPN型トランジスタ41と平滑コンデンサ42
とを含んでいる。NPN型トランジスタ41は、そのコ
レクタがチョークコイル2の他端に接続されている。平
滑コンデンサ42はその一端がNPN型トランジスタ4
1のエミッタに接続されるとともに他端がスイッチング
素子3の他端に接続され、両端に昇圧された直流電圧を
出力する。 【0015】NPN型トランジスタ41のベース駆動回
路6は、チョークコイル2に磁気的に結合して設けられ
た補助巻線61と直流阻止用コンデンサ62とリセット
回路63とを含んでいる。 【0016】補助巻線61は一端がNPN型トランジス
タ41のコレクタに接続され、他端が直流阻止用コンデ
ンサ62を介してNPN型トランジスタ41のベースに
接続されている。補助巻線61は、チョークコイル2に
発生したフライバック電圧により誘起された電圧によ
り、直流阻止用コンデンサ62を介してNPN型トラン
ジスタ41にベース電流を供給する方向に巻線されてい
る。 【0017】リセット回路63は、NPN型トランジス
タ41のオン期間に直流阻止用コンデンサ62に蓄積さ
れた電荷を、NPN型トランジスタ41のオフ期間に放
電するための回路である。リセット回路63は、例えば
NPN型トランジスタ41のベースを抵抗R1を介して
平滑コンデンサ42の一端に接続することにより構成す
ることもできるが、本実施の形態では、NPN型トラン
ジスタ41のベースを抵抗R1とダイオードDとの直列
回路を介して平滑コンデンサ42の他端に接続する構成
としてある。この構成によれば、NPN型トランジスタ
41のオフ期間に、NPN型トランジスタ41のベース
が、より電位差の小さい平滑コンデンサ42の他端に接
続されるため、損失を低減することができる。 【0018】NPN型トランジスタ41のオフ期間を設
定する時定数は直流阻止用コンデンサ62の容量と抵抗
R1の抵抗値の積となる。本発明のスイッチング電源で
は直流阻止用コンデンサ62と抵抗R1とを幅広く選定
できるため、スイッチング電源に要求される仕様にあわ
せ、スイッチング素子3、やNPN型トランジスタ41
の特性およびそれらのオン、オフのタイミングを考慮し
た設計の自由度が広がり、要求特性にあったスイッチン
グ電源を容易に提供することができる。 【0019】平滑コンデンサ42の両端は負荷5に接続
されるとともに、分圧抵抗R2、R3で構成された出力
電圧検出回路7が接続されている。制御回路8は自励
式、他励式またはその組合せでなる発振回路を含み、出
力電圧検出回路7の検出信号が入力されて、負荷5に供
給される出力電圧が所定値となるようにパルス幅変調あ
るいは周波数変調等の制御方式でスイッチング素子3の
オン、オフを制御するよう構成されている。 【0020】次に、このように構成されたスイッチング
電源の動作を説明する。制御回路8によりスイッチング
素子3がオン、オフ制御されると、チョークコイル2に
断続された電圧が印加される。スイッチング素子3のオ
ン期間には、同期整流素子を構成するNPN型トランジ
スタ41にベース電流が供給されず、NPN型トランジ
スタ41はオフ状態を維持する。このため、出力側への
電力伝送は行われず、チョークコイル2にエネルギーが
蓄積される。 【0021】次に、スイッチング素子3がオフ状態にな
ると、チョークコイル2にフライバック電圧が発生し、
同時にチョークコイル2に磁気的に結合して設けられた
補助巻線61から直流阻止用コンデンサ62を介してN
PN型トランジスタ41にベース電流が供給され、直流
阻止用コンデンサ62を充電するとともにNPN型トラ
ンジスタ41がオンとなる。このため、チョークコイル
2に発生したフライバック電圧が直流入力電圧に重畳さ
れて整流平滑回路4に供給され、平滑コンデンサ42を
充電する。 【0022】再び、スイッチング素子3がオンになる
と、NPN型トランジスタ41は逆バイアスされてオフ
となり、直流阻止用コンデンサ62に充電されていた電
荷はリセット回路63のダイオードD、抵抗R1を介し
て放電される。 【0023】以上の繰返しにより平滑コンデンサ42は
充電され昇圧された直流電圧が負荷5に出力される。 【0024】本発明のスイッチング電源は、同期整流素
子としてNPN型トランジスタ41を使用しているた
め、PNP型トランジスタを用したスイッチング電源と
比較して、整流素子に起因する損失を低減できる。 【0025】例えば、この種のスイッチング電源に用い
ることのできる定格電流2AのNPN型スイッチングト
ランジスタである2SD1801のコレクタ・エミック
間飽和電圧が0.1Vであるのに対し、同等の定格のP
NP型トランジスタ、例えば2SB1201のコレクタ
・エミッタ間飽和電圧は0.2Vである。 【0026】これらを、例えば5V、1Aの5W出力の
スイッチング電源に用いた場合、整流素子の損失とし
て、PNP型トランジスタを用いたスイッチング電源で
は0.2Wの損失が発生するのに対し、本発明の如く、
NPN型トランジスタを用いたスイッチング電源では
0.1Wの損失にとどめることができる。 【0027】また、昨今、ICやその他の半導体素子の
駆動電圧の低電圧化が進み、スイッチング電源に要求さ
れる出力電圧も低下する傾向にあるが、出力容量が同一
で出力電圧が低下すると上記損失の差はより顕著とな
る。 【0028】すなわち、出力容量が同様に5Wで2.5
V、2A出力のスイッチング電源を前述のトランジスタ
を用いて構成した場合、PNP型トランジスタを用いた
スイッチング電源では0.4Wの損失となるが、本発明
の如く、NPN型トランジスタを用いたスイッチング電
源では0.2Wの損失となり、その差は0.2Wで倍に
拡大される。 【0029】以上、本発明の一実施例を図面を参照して
説明したが図示は省略するが、本実施例から自明な回路
の組合わせや変形例が存在することは言うまでもない。 【0030】 【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば、効
率が高く、かつ、低価格化の可能な同期整流方式のスイ
ッチング電源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明のスイッチング電源装置の一実施例を示
す回路図である。 【符号の説明】 1 直流入力電圧源 2 チョークコイル 3 スイッチング素子 4 整流平滑回路 41 NPN型トランジスタ 42 平滑コンデンサ 6 ベース駆動回路 61 補助巻線 62 直流阻止用コンデンサ 63 リセット回路

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 チョークコイルと、前記チョークコイル
    に印加される直流入力電圧を断続するスイッチング素子
    と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記チョークコ
    イルに発生するフライバック電圧が、前記直流入力電圧
    に重畳して入力される整流平滑回路とを含み、前記整流
    平滑回路は、同期整流素子と、一端が前記同期整流素子
    に接続された平滑コンデンサとを含み、前記平滑コンデ
    ンサの両端に昇圧された直流電圧を出力するスイッチン
    グ電源であって、 前記同期整流素子は、NPN型トランジスタで成り、 前記NPN型トランジスタのベース駆動回路は、前記チ
    ョークコイルに磁気的に結合して設けた補助巻線と、前
    記補助巻線と前記NPN型トランジスタのベ−スとの間
    に設けた直流阻止用コンデンサと、前記NPN型トラン
    ジスタのベースと前記平滑コンデンサとの他端との間に
    設けたリセット回路とを含み、 前記リセット回路は抵抗とダイオードとの直列回路でな
    り、 前記ダイオードは、前記NPN型トランジスタのOFF
    期間にON状態となり、前記NPN型トランジスタのO
    N期間にOFF状態となること を特徴とするスイッチン
    グ電源
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