JP4100886B2 - スイッチング電源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１次コイル、および、スイッチング回路を有する１次側回路と、２次コイルを有する２次側回路とを備えたスイッチング電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のスイッチング電源では、入力側の電圧をパワー・トランジスタなどの高速スイッチング用素子でＯＮ−ＯＦＦし、このときのＯＮ時間とＯＦＦ時間との比を変化させ、コイルおよびコンデンサ等からなるフィルタで平滑化することによって出力電圧を制御している。例えば、５０〜６０Ｈｚの周期を有する所定電圧の入側交流を、まず、整流回路で直流に変換し、次に、当該直流の周期をスイッチングによって数十ｋＨｚに高め、トランスにより絶縁しながら前記所定電圧を目的の電圧に変圧する。そして、前記直流をさらに整流することで必要な直流電圧を出力する。
【０００３】
このようなスイッチング電源は、制御素子に消費される電力損失が少ないため高効率であり、高周波でスイッチングを行うことで、トランス・コンデンサ・リアクトル等の部品を小さくして、電源を小形化することができる。
【０００４】
ただし、スイッチング電源は、高周波スイッチングによってノイズが発生し易く、電源トランスの一次側で発生したノイズが２次側にも伝導するという欠点を有する。
一般に、電源トランスで発生するノイズには、ノーマルモードノイズとコモンモードノイズとの２種類がある。ノーマルモードノイズは、主に、１次側回路の入力端子間、あるいは、２次側回路の出力端子間において発生するノイズであり、当該入力・出力端子間の電圧の振れなどが該当する。一方、コモンモードノイズは、１次側回路と２次側回路との間に発生するものであり、例えば、１次側回路側のグランド電位と２次側回路側のグランド電位との間で差が生じるようなノイズである。
【０００５】
スイッチング電源を含めてトランスを有する一般的な電源では、１次側回路と２次側回路とがトランスのコイル部分で絶縁されている。よって、２次側回路の端子間で発生している電圧が所定の拡大率になっている場合であっても、１次側回路のグランド電位と２次側回路のグランド電位とが異なる値となっていることがあった。この差は、変換後のスイッチングスピードが大きいほど増大する傾向がある。そして、２次側のグランド電位が増大した場合には、２次側回路の出力端子に接続した機器にノイズが発生する場合がある。
【０００６】
そこで、従来のスイッチング電源では、前記コモンモードノイズを減少させるべく、図４に示すように１次側回路１と２次側回路２とに亘る接続配線１３を施し、双方のグランド電位を同じレベルに維持しようとするものがあった。この電源では、１次側回路１の入力端子８の間にコンデンサＣＡ，ＣＢを設けてある。そして、１次側回路１と２次側回路２との間で電位差が生じ始めると、前記コンデンサＣＡ，ＣＢが両回路間の電位差を吸収して、コモンモードノイズの発生を抑制するのである。このようなコンデンサの接続方法には種々のものがある。しかし、何れの接続方法も、１次側回路１と２次側回路２とを結合するという点で共通していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、従来のスイッチング電源においては、接続配線１３を施すことでコモンモードノイズを減少させることができる。しかしながら、１次側回路１と２次側回路２とをコンデンサを用いて接続することで、電源外部から１次側回路１に入ったノイズが、そのまま２次側回路２に通過してしまう場合がある。つまり、本構成の場合、１次側回路１と２次側回路２とのグランド電位が同じになるため、外部からのノイズが１次側回路１に入ると、当該ノイズは即ち２次側回路２のノイズとなる。
【０００８】
このようなノイズの通過は、数十ｋＨｚ程度の特定の周波数を有するノイズで生じ易かった。例えば、これよりも低い１００Ｈｚ程度の低周波数のノイズは、前記１次側回路１に設けた１０００ｐ〜４０００ｐ程度のコンデンサで吸収除去することができる。一方、数百ｋＨｚ程度の高周波数のノイズは、当該スイッチング電源の１次側回路１の外側に通常設けられるラインフィルタによって除去することができる。つまり、前記通過し易いノイズは、これらの中間に位置する数十ｋＨｚ程度の周波数を有するものであった。
このように、１次側回路１と２次側回路２とをコンデンサによって接続した従来のスイッチング電源では、自己からのノイズ発生量は抑制できるものの、外部から入ってきたノイズを通過させてしまう場合があるという不都合を有していた。
【０００９】
本発明の目的は、上記欠点に鑑み、自己のノイズ発生を押さえると共に、外部からのノイズを通過させることのないスイッチング電源を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕本発明のノイズ除去電源装置は、１次コイル、および、スイッチング回路を有する１次側回路と、２次コイルを有する２次側回路とを備えたスイッチング電源であって、前記２次コイルの外面あるいは内面に対向配置した電極部材、および、当該電極部材と前記１次側回路とを接続する接続配線を備えると共に、前記接続配線に直列状態でコンデンサが備えられ、前記コンデンサに並列状態で抵抗が備えられている点に特徴を有する。
〔作用効果〕本構成のごとく、電極部材および接続配線を備えることで、１次側回路のグランド電位と電極部材のグランド電位とを略等しくすることができる。この結果、当該電極部材と前記２次コイルとの間に生じる電界の強さを、前記１次コイルと前記２次コイルとの間に生じる電界の強さと均衡させることができるため、電源トランスからコモンモードノイズが発生するのを防止することができる。そして、本構成であれば、１次側回路と２次側回路２とが絶縁された状態となり、外部からのノイズが通過するのを確実に防止することができる。
【００１１】
〔構成２〕本発明のノイズ除去電源装置における前記電極部材は、板状部材を略筒状に形成し、かつ、前記板状部材の縁部のうち、前記略筒状の周方向上で対向する縁部どうしを離間させて構成することができる。
〔作用効果〕本構成のごとく、板状部材を略筒状に形成することで、二次コイルと電極部材との間に所定の隙間を形成しつつ両者を対向配置することができる。よって、当該部分において大きな電位を形成することが可能となり、前記１次コイルと二次コイルとの間に生じる電界をうち消し得る電界を形成することが可能となる。
【００１２】
また、前記板状部材の縁部のうち、前記略筒状の周方向上で対向する縁部どうしを離間させておき、電極部材がループを形成しないようにするのは、前記１次コイルおよび前記２次コイルを有効に機能させるためである。即ち、仮に、前記電極部材がループを形成してしまうと、電極部材は何れの箇所においても完全に等電位となる。電位が発生しなければ、磁束が電極部材のループの中を通ることができなくなる。この結果、１次コイルおよび２次コイルにも磁束が通らないものとなって、もはや電源トランスとして機能しなくなるからである。
【００１３】
〔構成３〕本発明のノイズ除去電源装置は、前記電極部材として第３のコイルを用いて構成することができる。
〔作用効果〕本構成のごとく、前記電極部材として第３のコイルを用いる場合にも、１次側回路と２次側回路との電位差を解消することができる。例えば、１次コイルの外側に同軸心状に２次コイルを形成し、さらにその外側に同じく同軸心状に上記第３のコイルを形成することができる。この場合にも、当該第３のコイルの側面積が重要となるが、本構成であれば、導線の巻回し回数を自由に加減できるため、所定の面積を容易に確保することができる。また、２次コイルに対する第３のコイルの取付間隔が重要となるが、本構成の場合には、例えば、２次コイルの外周面に絶縁紙を巻き付けておき、その外側に導線を巻回すことになる。その際、導線には所定の張力が付与されているから、導線の何れの部分も前記絶縁紙に対して確実に押圧させられることとなる。この結果、２次コイルと上記第３のコイルとの間隔は、形成し得る最も狭い状態となるため、強い電界を形成することができる。また、上記間隔を狭くすることができる分だけ、第３のコイルの面積を縮小することが可能となる。よって、第３のコイルを作製する際の導線の巻回し回数を減らすことができるうえ、得られる電源トランスがコンパクトなものとなる。
【００１４】
〔構成４〕本発明のノイズ除去電源装置は、前記接続配線にコンデンサを備えて構成することができる。
〔作用効果〕上記電極部材の設置態様が適切なものであれば、単に前記電極部材と前記１次コイルとを接続しておくだけで、１次側回路と２次側回路との間で生じるコモンモードノイズを抑えることができる。しかし、電極部材の最適サイズ等を決定する作業は一般に煩雑である。そこで、本発明に係るスイッチング電源は、前記接続配線にコンデンサを設けて構成することができる。
【００１５】
例えば、前記電極部材を予め大きめのサイズに形成して、２次コイルと電極部材との間で過大な強さの電界が発生するように構成しておく。この場合、電極部材と２次コイルとの間で発生するノイズの位相は、１次コイルと２次コイルとの間で発生するノイズの位相と逆になる。そこで、本構成のごとくコンデンサを設けて、上記逆位相のノイズを形成しようとする電流の流れを抑制するのである。
【００１６】
当該コンデンサの容量は、例えば、１００Ｖの交流電源を用いたスイッチング電源では、数十ｐ程度に設定することができる。当該コンデンサの容量を適宜調節することで、電極部材の効き具合を調節することができる。
【００１７】
このように、本構成であれば電源トランスを一旦形成した後に、コモンモードノイズの発生量を適宜調節することができるため、ノイズの発生を確実に防止することができると共に、スイッチング電源を効率的に作製することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本願発明に係るスイッチング電源の一例を図１に示す。ここでは、交流電流を所定電圧の直流電流に変換する例を示す。
まず、本発明に係るスイッチング電源は、１次側回路１と２次側回路２とで構成してある。このうち１次側回路１は、主に、１次コイル３およびスイッチング回路５を備えている。ここでは、変換前の電流が交流電流であるので、１次側整流回路６を備えた例を示してある。
【００１９】
一方、２次側回路２は、主に２次コイル４を備えている。ここでも、変圧した交流電流を直流に変換する必要があるため、２次側整流回路７を備えている。
【００２０】
１次側回路１の入力端子８に入力された交流電流は、前記１次側整流回路６において直流電流に変換する。当該直流電流を、パワー・トランジスタ等の高速スイッチング用素子でＯＮ−ＯＦＦ制御し、この時のＯＮ時間と、ＯＦＦ時間との比を変化させると共に、コイルおよびコンデンサを用いたフィルタで波形を平滑化することで出力電圧を制御する。
【００２１】
１次側回路１で形成した電流は、１次コイル３および２次コイル４を介して所定の電圧に変換される。２次側回路２に生じる電圧は、１次コイル３の巻線数と２次コイル４の巻線数との比、及び、スイッチングのＯＮ−ＯＦＦの比によって決定される。
【００２２】
本発明に係るスイッチング電源では、図２に示すごとく、１次コイル３と２次コイル４とは略同軸心状に構成してある。図２では、夫々のコイルを形成する巻線は、多数枚のＥ型鉄板を重ね合わせて形成したフェライトコア９に巻き付けてあり、１次コイル３を中心側に配置させている。前記１次コイル３と前記２次コイル４との間には、絶縁紙１０を設けてある。
【００２３】
そして、本発明に係るコイルでは、前記２次コイル４の外周側に電極部材１１を設けてある。当該電極部材１１は、自身と前記２次コイル４との間に生じる電界の強さを、前記１次コイル３と前記２次コイル４との間に生じる電界の強さと均衡させるためのものである。当該電極部材１１は、例えば銅製の板状部材１１ａで構成し、２次コイル４の外周面の形状に沿わせた略筒状に形成しておく。即ち、１次コイル３と電極部材１１とで２次コイル４を挟み込む構成として、二つの電界の強さを均衡させている。
【００２４】
前記電極部材１１は、略筒状に形成した板状部材１１ａの縁部のうち、その周方向上で対向する縁部どうしを離間させてある。つまり、完全な筒形状ではなくスリット１２を設けてある。例えば、この離間幅は、周方向に沿った全周長さの１０分の１程度とすれば作製が容易である。
【００２５】
スリット１２を設けるのは、前記１次コイル３および前記２次コイル４を有効に機能させるためである。即ち、仮に、前記電極部材１１がループを形成すると、電極部材１１は何れの箇所においても完全に等電位となる。電位が発生しなければ、磁束が電極部材１１のループの中を通ることができなくなる。この結果、１次コイル３および２次コイル４にも磁束が通らないものとなって、もはや電源トランスとして機能しなくなるからである。
【００２６】
電極部材１１を配置する際には、特に、電極部材１１の面積、および、電極部材１１と前記２次コイル４との距離を適切に決定する必要がある。電極部材１１の面積が大きいほど、そして、前記距離が小さいほど、発生する電界の強さは大きくなる。
具体的には、電極部材１１の面積が小さ過ぎる場合には、電極部材１１を設けた効果が現れず、電極部材１１を設けない場合と同じ位相のノイズが発生する。一方、電極部材１１の面積が大き過ぎる場合には、電極部材１１と２次コイル４との間に生じる電界が過大となって、電極部材１１を設けない場合と比較して逆位相のノイズが発生することになる。
【００２７】
本実施形態では、電源トランスを作製する際の加工上の都合等を考慮して、前記電極部材１１の高さを２次コイル４の高さのおよそ半分にしてある。これにより、電極部材１１の面積は２次コイル４の外周面積のおよそ半分となる。ただし、１次コイル３と２次コイル４との間に絶縁紙１０を５枚装入するのに対して、電極部材１１と２次コイル４との間に装入する絶縁紙１０は３枚に留めてある。これにより、得られる電界の強さを高めている。
【００２８】
本発明に係るスイッチング電源においては、前記電極部材１１と１次コイル３とを、接続配線１３により接続した点に特徴を有する。当該接続配線１３は、通常の導線等によって構成することができる。本実施形態では、当該接続配線１３は、略円筒形状の電極部材１１のうち、その周方向Ｘに沿った略中央位置に接続してある。
これは、電極部材１１自身に生じる電位差の影響を最小に留めるためのものである。つまり、電極部材１１が２次コイル４の周囲を略一周取り囲んでいるため、電圧変換に際して生じる誘導磁場によって電極部材１１の内部に電位差が生じる。電位差は、前記周方向Ｘに沿った両縁部の間で最大となる。そこで、電極部材１１の平均的電位を有すると予測される中央位置に接続配線１３を取り付けることで、電極部材１１自身が有する電位差の影響を最小に留めるのである。
【００２９】
前記電極部材１１の設置態様が適切なものであれば、単に前記電極部材１１と前記１次コイル３とを導通させておくだけで２次コイル４のコモンモードノイズを抑えることができる。
しかし、電極部材１１の最適サイズ等を決定する作業は極めて煩雑である。ノイズの遮断状態を確認する毎に、前記板状部材１１ａのサイズを変更して脱着を繰り返さなければならないからである。
そこで、本発明に係るスイッチング回路５では、前記接続配線１３にコンデンサ１４を設けてある。当該コンデンサ１４の容量は、例えば、１００Ｖの交流電源を用いると仮定すれば２７〜６２ｐ程度に設定することができる。当該コンデンサ１４の容量を適宜調節することで、電極部材１１側に発生する電界の強さを１次コイル３側で発生する電界の強さと釣り合わせることができる。
【００３０】
尚、図１あるいは図２に示すごとく、当該接続配線１３には、前記コンデンサ１４と共に抵抗１５を設けておいても良い。当該抵抗１５は、前記電極部材１１に発生する低周波の外来ノイズ及び静電気を放電するのに有効である。例えば、１００Ｖの交流電圧を降圧する場合には、７MEGΩ程度の抵抗１５を装着することができる。
【００３１】
上記のごとく、電極部材１１を設けることは、１次コイル３および２次コイル４の近接部分のみに着目すれば、電極部材１１を設けない場合に比べてノイズが通過し易い構成となる。つまり、電極部材１１を設けない場合には、１次コイル３と２次コイル４との間には１０ｐ〜４０ｐ程度の静電容量を有するコンデンサが存在すると仮定する。そこに電極部材１１を設けることで、当該電極部材１１と２次コイル４との間にも、略同じ１０ｐ〜４０ｐ程度の静電容量を有するコンデンサが追加されたことになる。
【００３２】
しかし、本構成にすることで、従来、１次側回路１と２次側回路２とに亘って設けてあった導通線、および、１次側回路１に設けてあった１０００ｐ〜４０００ｐ程度の二つのコンデンサを省略することができる。よって、従来、これらを介して通過していたノイズが遮断される。そして、スイッチング電源全体についてみれば、ノイズ通過量が大幅に低減されることとなる。
【００３３】
（効果）
以上のごとく、本発明のスイッチング電源によれば、１次側回路と２次側回路との間でコモンモードノイズが発生するのを確実に防止できると共に、外部から当該スイッチング電源に入ってきたノイズを通過させることなく遮断して、ノイズによる悪影響を他の装置に与えない電源を構成することができる。
【００３４】
〔別実施の形態〕
上記実施形態では、板状部材１１ａからなる電極部材１１を設ける例を示したが、図３に示すごとく、当該電極部材１１に代えて、さらに第３のコイル部材を用いることもできる。ここでは、当該コイル部材をシールドコイル１１ｂと称する。
当該シールドコイル１１ｂの形状は、通常のトランスを構成するコイルと同様に導線１６を巻回したものである。しかし、その機能は、前記電極部材１１と同じく２次コイル４との間に形成される電界の強さを調節することにある。
【００３５】
図３に示すごとく、当該シールドコイル１１ｂは略筒状に形成する。この場合にも、前記電極部材１１の場合と同様に、筒状形状の側面積を適切に設定する必要がある。しかし、導線１６を巻回して形成するものであるから、面積の微調整は容易である。
【００３６】
また、２次コイル４に対して取り付ける場合には、やはり、２次コイル４との間隔が重要となる。しかし、この場合には、例えば、２次コイル４の外周面に絶縁紙１０を巻き付けておき、その外側に導線１６を巻回すことになるため、導線１６の何れの部分も前記絶縁紙１０に確実に押圧させられる。その結果、２次コイル４とシールドコイル１１ｂとの間隔は、形成し得る最も狭い状態となる。その分、２次コイル４の面積を縮小することができ、導線１６の巻回し回数を減らすことができる。
【００３７】
当該シールドコイル１１ｂは、導線１６を巻回して形成するが、ここで用いる導線１６は径の小さいものがよい。細径の導線１６を用いることで、形成される側面の面状態が凹凸の少ないものとなって通常の板面状に近づくうえ、１回の巻回しに係るシールドコイル１１ｂの側面積の増減が少ないため、当該側面積の微調整が可能となるからである。
【００３８】
尚、このようなシールドコイル１１ｂを用いる場合には、１次コイル３及び２次コイル４によって生じる誘導磁場の影響で、当該シールドコイル１１ｂの両端部間に電位差が生じる。よって、この電位差の影響を軽減するためには、２次コイル４に対するシールドコイル１１ｂの取付位置を調節する必要がある。即ち、２次コイル４の軸心方向Ｙに沿って最適な位置にシールドコイル１１ｂを配置するのである。
【００３９】
本別実施形態の場合にも、シールドコイル１１ｂと１次コイル３との間にコンデンサを設けることができる。当該コンデンサにより、前記シールドコイル１１ｂが発生させる電界の強さを容易に調節することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスイッチング電源の構成を示す説明図
【図２】本発明に係る電源トランスの構成を示す説明図
【図３】別実施形態に係る電源トランスの構成を示す説明図
【図４】従来のスイッチング電源の構成を示す説明図
【符号の説明】
１ １次側回路
２ ２次側回路
３ １次コイル
４ ２次コイル
５ スイッチング回路
１１ 電極部材
１１ａ 板状部材
１３ 接続配線
１４ コンデンサ

Claims (3)

1. １次コイル、および、スイッチング回路を有する１次側回路と、２次コイルを有する２次側回路とを備えたスイッチング電源であって、前記２次コイルの外面あるいは内面に対向配置した電極部材、および、当該電極部材と前記１次側回路とを接続する接続配線を備えると共に、前記接続配線に直列状態でコンデンサが備えられ、前記コンデンサに並列状態で抵抗が備えられているスイッチング電源。
2. 前記電極部材が、板状部材を略筒状に形成したものであり、かつ、前記板状部材の縁部のうち、前記略筒状の周方向上で対向する縁部どうしを離間させてある請求項１に記載のスイッチング電源。
3. 前記電極部材が、第３のコイル部材である請求項１に記載のスイッチング電源。

Images