JP4114047B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源回路に関し、特に、その低消費電力化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスイッチング電源回路は、図１に示すように構成されている。即ち、従来のスイッチング電源回路１００は、入力端子１１１と、入力端子１１１に供給される交流を整流するための整流回路１１２と、整流回路１１２により整流された直流を断続して数十ｋＨｚ程度の周波数を有する交流を発生させるためのスイッチング素子１１３と、スイッチング素子１１３のスイッチング動作を制御するためのスイッチング回路１１４と、スイッチング素子１１３及びスイッチング回路１１４により発生させた交流を、例えば５．０Ｖの交流に変圧するためのトランス１１５と、トランス１１５の一次巻線に接続された抵抗器１１６と、トランス１１５で変圧された交流（即ち、二次巻線側に発生した交流）を整流するための整流ダイオード１１７及びキャパシタ１１８，１１９と、出力端子１２０と、出力端子１２０に供給される出力電圧を監視するための抵抗器１２１，１２２及び１２３と、出力電圧監視回路１２４と、出力電圧監視回路１２４からの監視結果信号をスイッチング回路１１４へ供給するための抵抗器１２５とフォトカプラ１２６とを備えている。
【０００３】
次に、このスイッチング電源回路１００の動作について説明する。なお、以下では、入力端子１１１に商用電源（ＡＣ１００Ｖ）が接続されているものとする。
【０００４】
まず、スイッチング回路１１４は、所定の繰り返し周期でスイッチング素子１１３をオン・オフさせる。スイッチング素子１１３がオンしたとき、整流回路１１２は、入力端子１１１に供給されている交流を整流し、得られた直流をトランス１１５の一次巻線に供給する。そして、スイッチング素子１１３がオフしたとき、整流回路１１２からトランス１１５の一次巻線への直流の供給は停止する。こうして、スイッチング素子１１３が周期的にオン・オフを繰り返すことにより、トランス１１５の二次巻線側には、入力端子１１１に供給される交流よりも高い周波数を有する交流（脈流）が流れる。
【０００５】
なお、トランス１１５は、一次巻線に交流が供給されると、一次巻線と二次巻線との巻数比によって決まる電圧を有する交流を二次巻線に発生させる。ここでは、トランス１１５の巻数比は、出力端子１２０の出力電圧が、５．０Ｖとなるように設定されているものとする。
【０００６】
整流ダイオード１１７は、トランス１１５の二次巻線に発生した交流を整流し、出力端子１２０へ供給する。このとき、キャパシタ１１８及び１１９は、整流ダイオード１１７の整流結果に含まれるリプルを除去する。
【０００７】
抵抗器１２１及び１２２は、出力電圧を分圧し、分圧電圧を発生させる。この分圧電圧は、出力電圧を一定にするための定電圧制御に利用するために、出力電圧監視回路１２４のＲＥＦ（Reference:参照）端子に供給される。一方、抵抗器１２３は、出力端子１２０の負側端子に負側出力電位を発生させる。この負側出力電位は、出力電流を一定にするための定電流制御に利用するため、出力電圧監視回路１２４のＣＳ（Current Sense:電流検出）端子に供給される。
【０００８】
出力電圧監視回路１２４では、比較器１２７が、ＲＥＦ端子に供給される分圧電圧と第１の基準電位とを比較し、分圧電圧が第１の基準電位よりも高いと判定した場合に、ハイレベルを検出信号として出力する。この検出信号は、出力電圧が５．０Ｖより大きいことを示す。また、比較器１２８は、ＣＳ端子に供給される負側出力電位と第２の基準電位とを比較し、負側出力電位が第２の基準電位よりも高いと判定した場合にハイレベルの検出信号を出力する。この検出信号は、出力電流が５００ｍＡより大きいことを示す。
【０００９】
比較器１２７及び１２８からの検出信号は、ＯＲゲート１２９を通じてトランジスタ１３０に与えられる。トランジスタ１３０は、ＯＲゲート１２９からの検出信号を受けてオンし、フォトカプラ１２６の発光素子に電流を流す。その結果フォトカプラ１２６の発光素子が発光する。そして、フォトカプラ１２６の受光素子は、発光素子の発光強度を検出し、発光強度に応じた検出信号をスイッチング回路１１４に供給する。こうして、出力電圧が５．０Ｖよりも大きくなったこと、及び出力電流が５００ｍＡよりも大きくなったことが、出力電圧監視回路１２４によって検出され、スイッチング回路１１４に通知される。
【００１０】
スイッチング回路１１４は、上述したように所定の繰返し周期でスイッチング素子１１３をオン・オフさせている。その際、フォトカプラ１２６からの検出信号に応じて、スイッチング素子１１３をオンさせる期間を調整する。即ち、スイッチング回路１１４は、スイッチング素子１１３を制御する制御パルスの幅をフォトカプラからの検出信号に応じて調整する。この結果、トランス１１５の二次巻線側に供給される電力が減少し、出力端子１２０に供給される出力電圧は、５．０Ｖに維持され、負荷に供給される出力電流は５００ｍＡ以下に抑えられる。
【００１１】
以上のようにして、従来のスイッチング電源回路では、定電圧制御と定電流制御とを行い、安定した出力電圧の供給を実現している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスイッチング電源回路では、スイッチング回路が、負荷の大小に関係なく、所定の周期でスイッチング素子をオン・オフさせている。
【００１３】
負荷が大きい場合は、所定の出力電圧を維持するために、トランスの一次巻線側から二次巻線側に電力を供給しつづけなければならない。つまり、負荷が大きい場合には、スイッチング回路は、スイッチング動作を連続して行う必要がある。
【００１４】
ところが、待機時（無負荷時）や軽負荷時には、このスイッチング回路のスイッチング動作を停止させても、出力電圧の低下が緩やかで、しばらくの間は必要とされる出力電圧を維持することができる。つまり、このような場合には、スイッチング回路を連続的に動作させる必要性はない。それにもかかわらず、従来のスイッチング電源回路では、負荷が軽いときでも負荷が重いときと同じように、スイッチング回路を動作させている。従って、従来のスイッチング電源回路には、その必要が無い場合にもスイッチング回路を動作させ続けているため、消費電力が多く、動作効率が悪いという問題点がある。
【００１５】
そこで、本発明は、待機時及び軽負荷時の消費電力を低減し、効率の良いスイッチング電源回路を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、入力端子（１１１）に供給される第１の交流を整流し第１の直流を得るための第１の整流回路（１１２）と、前記第１の直流を前記第１の交流よりも高い周波数の第２の交流に変換するためのスイッチング素子（１１３）と、該スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのスイッチング回路（１１４）と、前記第２の交流を変圧して第３の交流を得るためのトランス（１１５）と、前記第３の交流を整流して第２の直流とすることにより出力端子（１２０）に出力電圧を発生させるための第２の整流回路（１１７，１１８，１１９）とを備えた、スイッチング電源回路において、前記出力電圧を監視して当該出力電圧が所定の電圧値より大きくなったことを検出するとともに前記第２の直流が所定の電流値より大きくなったことを検出して第一の出力信号を出力する出力監視回路（１２４）と、前記出力端子間に流れる負荷電流に基づいて負荷の軽重を判定し、前記負荷が判定基準よりも軽い場合であって、かつ前記出力電圧が予め定められた所定の範囲内にあるときのみ、負荷が軽いことを示す第二の検出信号を出力する負荷検出回路（２１０）と、前記出力監視回路の出力側に一端が接続される第一の抵抗素子（１２５）と、前記負荷検出回路の出力側に一端が接続される第二の抵抗素子（２３０）と、前記第一の抵抗素子の他端及び前記第二の抵抗素子の他端に共通接続される発光素子を含むフォトカプラ（１２６）と、前記スイッチング回路とともに前記フォトカプラの受光素子に接続されるスイッチング停止制御回路（２２０）とを備え、前記第一の抵抗素子と前記第二の抵抗素子は、前記第一の検出信号よりも前記第二の検出信号の方が大きな電流を前記フォトカプラに流すように設定され、前記スイッチング回路は、前記第一の検出信号に基づいて制御動作を行い、前記スイッチング停止制御回路は、前記第二の検出信号に基づいて前記スイッチング電源回路の制御動作を停止させるようにしたことを特徴とするスイッチング電源回路（２００）が得られる。
【００１７】
なお、上記括弧内の参照符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであって、一例にすぎず、何ら本発明を限定するものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図２に本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源回路２００の構成を示す。図示のスイッチング電源回路２００は、図１に示す従来のスイッチング電源回路１００の構成に加え、負荷検出回路２１０、スイッチング停止制御回路２２０及び抵抗器２３０を備えている。
【００２０】
負荷検出回路２１０は、２つの比較器２１１及び２１２と、これら比較器の出力がその入力に接続されたＡＮＤゲート２１３、及びトランジスタ２１４とを有している。
【００２１】
比較器２１１の一方の入力端子には、ＲＥＦ端子が接続され、抵抗器１２１及び１２２により生成された分圧電圧が供給される。また、比較器２１１の他方の入力端子には、第３の基準電圧が入力される。この比較器２１１は、ヒステリシスを有しており、出力電圧が５．０Ｖ以上になるとハイレベルを出力し、４．９７Ｖを下回るまで、ハイレベルを出力しつづける。
【００２２】
一方、比較器２１２の一方の端子には、ＣＳ端子が接続され、抵抗器１２３により生成した負側出力電位（ＣＳ端子）が供給される。また、比較器２１２の他方の入力端子には、第４の基準電圧が入力される。比較器２１２は、出力電流（負荷電流）が１００ｍＡ以下になるとハイレベルを出力する。
【００２３】
ＡＮＤゲート２１３は、比較器２１１及び比較器２１２の双方からハイレベルが出力されたとき、トランジスタ２１４をオンさせる。トランジスタ２１４がオンすると、フォトカプラ１２６の発光素子に電流が流れる。抵抗器２３０は、このとき発光素子に流れる電流が、トランジスタ１３０がオンしたときに流れる電流よりも大きくなるように選択されている。
【００２４】
フォトカプラ１２６の発光素子は、そこに流れる電流に応じて発光する。そして、フォトカプラ１２６の受光素子には、その発光強度に応じた電流がながれる。即ち、負荷検出回路２１０からの検出信号によりフォトカプラ１２６の発光素子が発光した場合には、受光素子には、出力電圧監視回路１２４からの検出信号による場合に比べて、大きな電流が流れる。これにより、スイッチング電源回路２００が軽負荷状態にあることが、スイッチング停止制御回路２２０に通知される。そして、スイッチング停止制御回路２２０は、この通知に応答して、スイッチング回路１１４の動作を停止させる。
【００２５】
その後、負荷検出回路２１０からの検出信号が無くなると、フォトカプラ１２６の受光素子に流れる電流がなくなり、スイッチング停止制御回路２２０は、再び、スイッチング回路１１４の動作を再開させる。
【００２６】
次に、このスイッチング電源回路２００の動作について、図２に加え、図３乃至４をも参照して詳細に説明する。
【００２７】
負荷電流Ｉｏが１００ｍＡより大きいとき、比較器２１２からは検出信号が出力されないので、ＡＮＤゲート２１３からの出力がなく、トランジスタ２１４は、オフしたままである。したがって、負荷電流Ｉｏが、１００ｍＡよりも大きいとき、このスイッチング電源回路２００は、従来のスイッチング電源回路２００と同じように動作（連続モードで動作）する。このときの出力電圧、フォトカプラ電流、及びスイッチング回路の動作／停止（ＯＮ／ＯＦＦ）は、図３に示すようになる。つまり、スイッチング回路１１４は、連続してオン状態にあり、出力電圧が５．０Ｖで一定となるようにスイッチング素子１１３のオン／オフを制御する。このとき、出力電圧に大きな変化が無ければ、フォトカプラ１２６の受光素子に流れる電流もある値Ｉｐｏ１で一定となる。
【００２８】
負荷電流Ｉｏが１００ｍＡ以下の状態で、出力電圧が５．０Ｖを超えると、ＡＮＤＯゲート２１３からハイレベルが出力され、トランジスタ２１４がオンする。これにより、スイッチング電源回路２００は、間欠モードに移行する。
【００２９】
間欠モードでは、スイッチング電源回路２００は、図４に示すように動作する。即ち、出力電圧が５．０Ｖを超えるとトランジスタ２１４がオンして、フォトカプラ１２６に電流が流れる。その結果、スイッチング停止回路２２０がスイッチング回路１１４の動作を停止させ（待機モードとし）、スイッチング素子１１３は停止状態となる。この状態では、トランス１１５の二次側に電力が供給されないので、出力電圧は時間とともに徐々に低下する。出力電圧が４．９７Ｖを下回ると、比較器２１１からの出力がなくなり、トランジスタ２１４がオフする。その結果、フォトカプラ１２６に流れていた電流がなくなるので、スイッチング停止制御回路２２０によるスイッチング回路１１４の停止状態が解除される（供給モードとなる）。即ち、スイッチング回路１１４は、スイッチング素子１１３のオン／オフを周期的に切り替えて、出力電圧を再び５Ｖにするよう動作する。以降、スイッチング電源回路２００は、負荷電流Ｉｏが１００ｍＡ以下である限り、上記動作を繰り返す。
【００３０】
間欠モードにおける、出力電圧、フォトカプラ電流、及びスイッチング回路の動作／停止（ＯＮ／ＯＦＦ）状態の時間変化は、図５のようになる。即ち、出力電圧が４．９７〜５．０Ｖの間に維持されるように、スイッチング回路１１４の動作／停止が制御される。そして、このときフォトカプラに流れる電流は、０ｍＡまたはＩｐｏ２ｍＡ（＞Ｉｐｏ１）となる。
【００３１】
負荷電流が、より小さくなると、図６に示すように、スイッチング回路１１４がオフである時間（待機モードの継続時間）が長くなる。ここで、待機モードの継続時間Ｔｏｆｆは、負荷電流をＩｏ、フォトカプラの発光素子に流れる電流をＩｐｏ、キャパシタ１１８及び１１９の静電容量をＣ１及びＣ２として次式で表される。
【００３２】
【数１】
Ｔｏｆｆ＝（５．０−４．９７）／（Ｉｏ＋Ｉｐｏ）×（Ｃ１＋Ｃ２）
但し、Ｉｐｏ≫ＩＣ消費電力＋検出抵抗電流とする。なお、ＩＣとは、出力電圧監視回路１２４及び負荷検出回路２１０を指し、検出抵抗とは、抵抗器１２１及び１２２を指す。
【００３３】
負荷電流Ｉｏが、時間とともに変化する場合のスイッチング電源回路２００の出力電圧と、スイッチング回路の動作／停止（ＯＮ／ＯＦＦ）状態の時間変化は、図７に示すようになる。
【００３４】
本発明の効果を明らかにするため、図２のスイッチング電源回路２００を用いた場合の負荷電流と消費電力との関係を、従来のスイッチング電源回路２００を用いた場合の負荷電流と消費電力との関係とともに、図８（ａ）及び（ｂ）に示す。また、図２のスイッチング電源回路２００を用いた場合の負荷電流と効率との関係を、従来のスイッチング電源回路を用いた場合の負荷電流と高率との関係とともに、図９に示す。
【００３５】
図８及び図９から明らかな通り、図２のスイッチング電源回路２００は、従来のスイッチング電源回路に比べ、負荷電流が小さい領域において、消費電力が低減され、効率が向上している。
【００３６】
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可能である。例えば、本発明は、自励式のスイッチング電源回路のみならず、他励式のスイッチング電源回路にも適用可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷電流が小さい場合に、スイッチング動作を停止するようにしたことで、消費電力を低減し、効率を向上させたスイッチング電源回路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスイッチング電源回路の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源回路の構成を示す図である。
【図３】図２のスイッチング電源回路が連続モードで動作しているときの、出力電圧、フォトカプラ電流、及びスイッチング回路の動作状態の時間変化を示すグラフである。
【図４】図２のスイッチング電源回路の間欠モードにおける動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】図２のスイッチング電源回路が簡潔モードで動作しているときの、出力電圧、フォトカプラ電流、及びスイッチング回路の動作状態の時間変化を示すグラフである。
【図６】図２のスイッチング電源回路が簡潔モードで動作しているときの、出力電圧、フォトカプラ電流、及びスイッチング回路の動作状態の時間変化を示すグラフであって、より負荷電流が小さい場合を示すグラフである。
【図７】負荷電流が変化する場合の、図２のスイッチング電源回路の出力電圧と、スイッチング回路の動作状態の時間変化を示すグラフである。
【図８】（ａ）は、図１及び図２のスイッチング電源回路の負荷電流−消費電力特性を示すグラフであり、（ｂ）は、その部分拡大図である。
【図９】図１及び図２のスイッチング電源回路の負荷電流−効率特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１００ スイッチング電源回路
１１１ 入力端子
１１２ 整流回路
１１３ スイッチング素子
１１４ スイッチング回路
１１５ トランス
１１６ 抵抗器
１１７ 整流ダイオード
１１８，１１９ キャパシタ
１２０ 出力端子
１２１，１２２、１２３ 抵抗器
１２４ 出力電圧監視回路
１２５ 抵抗器
１２６ フォトカプラ
１２７ 比較器
１２８ 比較器
１２９ ＯＲゲート
１３０ トランジスタ
２００ スイッチング電源回路
２１０ 負荷検出回路
２１１，２１２ 比較器
２１３ ＡＮＤゲート
２１４ トランジスタ
２２０ スイッチング停止制御回路
２３０ 抵抗器２

Claims (2)

1. 入力端子に供給される第１の交流を整流し第１の直流を得るための第１の整流回路と、前記第１の直流を前記第１の交流よりも高い周波数の第２の交流に変換するためのスイッチング素子と、該スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのスイッチング回路と、前記第２の交流を変圧して第３の交流を得るためのトランスと、前記第３の交流を整流して第２の直流とすることにより出力端子に出力電圧を発生させるための第２の整流回路とを備えた、スイッチング電源回路において、
   前記出力電圧を監視して当該出力電圧が所定の電圧値より大きくなったことを検出するとともに前記第２の直流が所定の電流値より大きくなったことを検出して第一の出力信号を出力する出力監視回路と、
   前記出力端子間に流れる負荷電流に基づいて負荷の軽重を判定し、前記負荷が判定基準よりも軽い場合であって、かつ前記出力電圧が予め定められた所定の範囲内にあるときのみ、負荷が軽いことを示す第二の検出信号を出力する負荷検出回路と、
   前記出力監視回路の出力側に一端が接続される第一の抵抗素子と、
   前記負荷検出回路の出力側に一端が接続される第二の抵抗素子と、
   前記第一の抵抗素子の他端及び前記第二の抵抗素子の他端に共通接続される発光素子を含むフォトカプラと、
   前記スイッチング回路とともに前記フォトカプラの受光素子に接続されるスイッチング停止制御回路と、
   を備え、
   前記第一の抵抗素子と前記第二の抵抗素子は、前記第一の検出信号よりも前記第二の検出信号の方が大きな電流を前記フォトカプラに流すように設定され、
   前記スイッチング回路は、前記第一の検出信号に基づいて制御動作を行い、
   前記スイッチング停止制御回路は、前記第二の検出信号に基づいて前記スイッチング電源回路の制御動作を停止させるようにしたことを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 前記出力監視回路は、前記出力電圧が前記所定の電圧値より大きくなると、前記フォトカプラに流れる電流値を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。

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