JP4222421B2 - 多出力スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の出力を有する多出力スイッチング電源装置に関する。
図10は従来の共振型の多出力スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。この多出力スイッチング電源装置において、トランスT1の一次側には、商用電源1からの交流電圧を整流する全波整流回路2と、全波整流回路2の出力端子間に接続され且つ全波整流回路2の出力を平滑する平滑コンデンサC3と、平滑コンデンサC3の両端間に直列に接続され且つ平滑コンデンサC3の両端の電圧が直流入力電圧Vinとして印加される、例えばMOSFETからなる第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2と、第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2のオンオフを制御する制御回路10と、第2スイッチング素子Q2に並列に接続された電圧共振コンデンサCrvと、電圧共振コンデンサCrvの両端に接続された直列共振回路とが設けられている。
直列共振回路は、トランスT1の一次巻線P1(巻数N1)、リアクトルLr及び電流共振コンデンサCriが直列に接続されて構成されている。なお、リアクトルLrは、例えば、トランスT1の一次−二次間のリーケージインダクタンスからなる。
また、トランスT1の二次側には、トランスT1の一次巻線P1の電圧に対して逆相の電圧が発生するように巻回された第1の二次巻線S1(巻数N2)に接続された第1整流平滑回路と、トランスT1の一次巻線P1の電圧に対して逆相の電圧が発生するように巻回された第2の二次巻線S2(巻数N3)に接続された第2整流平滑回路とが設けられている。
第1整流平滑回路は、ダイオードD1と平滑コンデンサC1とから構成され、トランスT1の第1の二次巻線S1に誘起された電圧を整流及び平滑し、第1出力端子から第1出力電圧Vo1として出力する。第2整流平滑回路は、ダイオードD2と平滑コンデンサC2とから構成されて、トランスT1の第2の二次巻線S2に誘起された電圧を整流及び平滑し、第2出力端子から第2出力電圧Vo2として出力する。
また、この多出力スイッチング電源装置は、トランスT1の二次側に発生された電圧に応じた信号を一次側にフィードバックするための帰還回路5を備えている。帰還回路5の入力側は、第1出力端子に接続されている。この帰還回路5は、平滑コンデンサC1の両端電圧と所定の基準電圧とを比較し、その誤差電圧を、電圧誤差信号として一次側の制御回路10にフィードバックする。
制御回路10は、帰還回路5からフィードバックされた電圧誤差信号に基づき第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とを交互にオン/オフさせてPWM制御を行い、第1出力電圧Vo1が一定になるように制御する。この場合、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の各ゲートには、制御信号として、数100nS程度のデッドタイムを持たせるような電圧が印加される。これにより、第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2の各オン期間が重複することなく交互にオン/オフされる。
次に、このように構成された従来の多出力スイッチング電源装置の動作を、図11に示す波形図を参照しながら説明する。
図11において、VQ2dsは第2スイッチング素子Q2のドレイン−ソース間の電圧、IQ1は第1スイッチング素子Q1のドレインに流れる電流、IQ2は第2スイッチング素子Q2のドレインに流れる電流、Icriは電流共振コンデンサCriに流れる電流、Vcriは電流共振コンデンサCriの両端電圧、ID1はダイオードD1に流れる電流、VN2は第1の二次巻線S1の両端電圧及びID2はダイオードD2に流れる電流を示している。
第1出力電圧Vo1の制御は、第1整流平滑回路から帰還回路5を介して一次側にフィードバックされる電圧誤差信号を受け取った制御回路10が第1スイッチング素子Q1をPWM制御することにより行われる。この場合、第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2は、上述したように、制御回路10からの制御信号に応じて、数100nS程度のデッドタイムを有して交互にオン/オフする。
まず、第1スイッチング素子Q1のオン期間(例えば、時刻t11〜t12)において、トランスT1の一次巻線P1の励磁インダクタンスとリアクトルLr(トランスT1の一次−二次間のリーケージインダクタンス)を介して電流共振コンデンサCriにエネルギーが蓄えられる。
次に、第2スイッチング素子Q2のオン期間(例えば、時刻t12〜t14)において、電流共振コンデンサCriに蓄えられたエネルギーによりリアクトルLrと電流共振コンデンサCriによる共振電流が流れ、エネルギーが二次側に送られる。また、一次巻線P1の励磁インダクタンスの励磁エネルギーがリセットされる。
より詳しくは、第2スイッチング素子Q2のオン期間において、一次巻線P1には、電流共振コンデンサCriの両端電圧Vcriを、一次巻線P1の励磁インダクタンスとリアクトルLrとで分圧した電圧が印加される。そして、一次巻線P1に印加された電圧が(Vo1+Vf)×N1/N2となったところでクランプされ、電流共振コンデンサCriとリアクトルLrによる共振電流が流れ、エネルギーが二次側に送られる。これにより、ダイオードD1に電流ID1が流れる。一次巻線P1の電圧が(Vo1+Vf)×N1/N2未満のときには、トランスT1の二次側へはエネルギーは伝達されず、トランスT1の一次巻線P1の励磁インダクタンスとリアクトルLrと電流共振コンデンサCriによる一次側のみの共振動作となる。
第2スイッチング素子Q2のオン期間は、周波数固定で第1スイッチング素子Q1のオン期間により決まる時間か、任意の一定時間とされることが一般的である。第1スイッチング素子Q1のオン期間を変化させて第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とのデューティ比を変えると電流共振コンデンサCriの電圧が変化するので、二次側に送られるエネルギー量を制御することができる。
また、第1の二次巻線S1と第2の二次巻線S2とは互いに同極性で結合しているので、第2スイッチング素子Q2のオン期間に、第1の二次巻線S1から得られたエネルギーが第1出力電圧Vo1として出力されている間に、第2の二次巻線S2から得られたエネルギーも第2出力電圧Vo2として出力され、この第2出力電圧Vo2は、ほぼVo1×N3/N2となる。
しかしながら、実際には、第1の二次巻線S1及び第2の二次巻線S2に発生する電圧は、第1出力電圧Vo1及び第2出力電圧Vo2よりもダイオードD1及びダイオードD2の順方向の降下電圧Vfだけ高いので、各出力の負荷変動によるVfの変化によってクロスレギュレーションが悪化する。また、出力電圧を可変できる仕様を有する電源装置では、一方の出力電圧を変化させると、それに比例して他方の出力も変化してしまうため、巻線から複数の出力を直接に取り出すことが不可能となる。
図12は、従来の他の多出力スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。この多出力スイッチング電源装置では、図10に示す第2整流平滑回路の代わりに、ドロッパーや降圧チョッパーといったレギュレータ12を設け、このレギュレータ12を用いて第1出力電圧Vo1から第2出力電圧Vo2を生成することにより出力の安定化を図っている。この多出力スイッチング電源装置によれば、2つの出力のクロスレギュレーションの問題を解決することはできるが、レギュレータ12による損失の増大や、スイッチング素子、チョークコイル、コントロールICといった部品の追加によるコスト及び実装面積の増大を招き、さらに、降圧チョッパーなどのスイッチングレギュレータによるノイズの発生を避けられない。
また、多出力スイッチング電源装置として、特許文献1は、1つのコンバータで2種類の電圧を安定化するスイッチングコンバータ回路を開示している。このスイッチングコンバータ回路では、第2スイッチング素子によるアクティブスナバを設け、第1スイッチング素子のオンオフを制御して第1の出力を安定化し、第1スイッチング素子がオフの期間に、第2スイッチング素子のオンオフを制御し第2の出力を安定化する。このスイッチングコンバータ回路によれば、1つのコンバータで2種類の出力を安定化することができるが、第1の出力を得るための二次巻線と第2の出力を得るための二次巻線とは極性を逆にする必要があるので、2つの二次巻線が必要になる。
特開2003−259644号公報
上述したように、従来の多出力スイッチング電源装置では、各出力の負荷変動によってクロスレギュレーションが悪化するという問題や出力電圧可変の仕様を有する電源では巻線から複数の出力を直接に取り出すことができないという問題がある。また、クロスレギュレーションの問題を解消するために、二次側にレギュレータを設ける構成では、レギュレータによる損失が増大し、部品の追加によるコスト及び実装面積が増大し、さらに、レギュレータによるノイズが発生するという問題がある。また、特許文献1に開示されたスイッチングコンバータ回路では、(電流共振が行われないので、2次側の整流ダイオードに電流が流れているときにコンバータが切り替わることがある。このため、ノイズの発生などの問題がある。
本発明は、負荷変動があっても複数の出力の安定化を図ることができる多出力スイッチング電源装置を提供することにある。
上述した課題を達成するために、請求項1の発明は、直流電源の両極間に直列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第1トランスの一次巻線と第1共振リアクトルと第1電流共振コンデンサからなる第1直列共振回路と、前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第1トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第1出力電圧を取り出す第1整流平滑回路と、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2トランスの一次巻線と前記第1共振リアクトルとは異なる値を持つ第2共振リアクトルと前記第1電流共振コンデンサとは異なる値を持つ第2電流共振コンデンサからなる第2直列共振回路と、前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第2トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第2出力電圧を取り出す第2整流平滑回路と、前記第1出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子のオン期間を制御し、前記第2出力電圧に基づき前記第2スイッチング素子のオン期間を制御する制御回路と、前記第2出力電圧と前記第1出力電圧との誤差電圧が所定値以上である場合に前記第1スイッチング素子のオン期間を制限する制限回路と、
を有することを特徴とする。
請求項2の発明は、直流電源の両極間に直列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第1トランスの一次巻線と第1共振リアクトルと第1電流共振コンデンサからなる第1直列共振回路と、前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第1トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第1出力電圧を取り出す第1整流平滑回路と、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2トランスの一次巻線と前記第1共振リアクトルとは異なる値を持つ第2共振リアクトルと前記第1電流共振コンデンサとは異なる値を持つ第2電流共振コンデンサからなる第2直列共振回路と、前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第2トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第2出力電圧を取り出す第2整流平滑回路と、前記第1出力電圧に基づき前記第2スイッチング素子のオン期間を制御し、前記第2出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子のオン期間を制御する制御回路と、前記第2出力電圧と前記第1出力電圧との誤差電圧が所定値以上である場合に前記第1スイッチング素子のオン期間を制限する制限回路とを有することを特徴とする。
請求項の発明は、直流電源の両極間に直列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第1トランスの一次巻線と第1共振リアクトルと第1電流共振コンデンサからなる第1直列共振回路と、前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第1トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第1出力電圧を取り出す第1整流平滑回路と、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2トランスの一次巻線と前記第1共振リアクトルとは異なる値を持つ第2共振リアクトルと前記第1電流共振コンデンサとは異なる値を持つ第2電流共振コンデンサからなる第2直列共振回路と、前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第2トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第2出力電圧を取り出す第2整流平滑回路と、前記第1出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子のオンデューティを制御し、前記第2出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とが交互にオン/オフするスイッチング周波数を制御する制御回路とを有することを特徴とする。
請求項の発明は、請求項1乃至のいずれか1項記載の多出力スイッチング電源装置において、前記第2直列共振回路は、前記第1トランスの一次巻線又は二次巻線又は三次巻線に並列に接続されることを特徴とする。
請求項1の発明、及び請求項2の発明によれば、第2出力電圧と第1出力電圧との誤差電圧が所定値以上である場合に、第1スイッチング素子のオン期間を制限する制限回路を設けたので、起動時又は過電流保護回路が動作した後の復帰時に、第1出力電圧が所定電圧に達していない場合でも、第2出力電圧が所定電圧を超えると、第1スイッチング素子のオン幅を制限し、第1電流共振コンデンサの電圧上昇を抑制するので、第2出力電圧の異常な上昇を回避できる。
請求項の発明によれば、制限回路は、第1出力電圧に基づき第1スイッチング素子のオンデューティを制御し、第2出力電圧に基づき第1スイッチング素子と第2スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するので、請求項1の発明の動作と同様に動作する。また、第2出力電圧に基づき第1スイッチング素子と第2スイッチング素子が交互にオン/オフするスイッチング周波数を制御するので、起動時又は過電流保護回路が動作した後の復帰時に、第1出力電圧が所定電圧に達していない場合でも、第2出力電圧が所定電圧を超えると、第1スイッチング素子のオン幅を制限し、第1電流共振コンデンサの電圧上昇を抑制するので、第2出力電圧の異常な上昇を回避できる。
請求項の発明によれば、第2直列共振回路が第1トランスの一次巻線又は二次巻線又は三次巻線に並列に接続されても同様な効果が得られる。
以下、本発明の多出力スイッチング電源装置の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術の欄で説明した多出力スイッチング電源装置と同一又は相当する構成部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を付して説明する。
図1は本発明の実施例1に係る多出力スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。この多出力スイッチング電源装置において、第1トランスT1aと第2トランスT2aとが設けられている。第1トランスT1a,第2トランスT2aの一次側には、商用電源1からの交流電圧を整流する全波整流回路2と、全波整流回路2の出力端子間に接続され全波整流回路2の出力を平滑する平滑コンデンサC3と、平滑コンデンサC3の両端間に直列に接続され且つ平滑コンデンサC3の両端の電圧が直流入力電圧Vinとして印加される、例えばMOSFETからなる第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2と、第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2のオンオフを制御する制御回路10aと、第2スイッチング素子Q2に並列に接続された電圧共振コンデンサCrvと、電圧共振コンデンサCrvの両端に接続された第1直列共振回路及び第2直列共振回路とが設けられている。
第1直列共振回路は、第1トランスT1aの一次巻線P1(巻数N1a)、第1共振リアクトルLr1及び第1電流共振コンデンサCriが直列に接続されることにより構成されている。なお、第1共振リアクトルLr1は、例えば第1トランスT1aの一次−二次間のリーケージインダクタンスからなる。
第2直列共振回路は、第2トランスT2aの一次巻線P2(巻数N1b)、第2共振リアクトルLr2及び第2電流共振コンデンサCri2が直列に接続されることにより構成されている。なお、第2共振リアクトルLr2は、例えば第2トランスT2aの一次−二次間のリーケージインダクタンスからなる。
また、第1トランスT1aの二次側には、第1トランスT1aの一次巻線P1の電圧に対して逆相の電圧が発生するように巻回された二次巻線S1(巻数N2a)に接続された第1整流平滑回路が設けられ、第1整流平滑回路は、ダイオードD1と平滑コンデンサC1とから構成されている。ダイオードD1のアノードは二次巻線S1の一端に接続され、カソードは第1出力端子に接続されている。平滑コンデンサC1は、ダイオードD1のカソード(第1出力端子)と二次巻線S1の他端(GND端子)との間に接続されている。第1整流平滑回路は、第1トランスT1aの二次巻線S1に誘起された電圧を整流及び平滑し、第1出力端子から第1出力電圧Vo1として出力する。
第2トランスT2aの二次側には、第2トランスT2aの一次巻線P2の電圧に対して逆相の電圧が発生するように巻回された二次巻線S2(巻数N2b)に接続された第2整流平滑回路が設けられ、第2整流平滑回路は、ダイオードD2と平滑コンデンサC2とから構成されている。ダイオードD2のアノードは二次巻線S2の一端に接続され、カソードは第2出力端子に接続されている。平滑コンデンサC2は、ダイオードD2のカソード(第2出力端子)と二次巻線S2の他端(GND端子)との間に接続されている。第2整流平滑回路は、第2トランスT2aの二次巻線S2に誘起された電圧を整流及び平滑し、第2出力端子から第2出力電圧Vo2として出力する。
また、この多出力スイッチング電源装置は、第1トランスT1aの二次側に発生された電圧を一次側にフィードバックする帰還回路5と、第2トランスT2aの二次側に発生された電圧を一次側にフィードバックするための帰還回路6を備えている。帰還回路5は、第1出力端子に出力される第1出力電圧Vo1と所定の基準電圧とを比較し、その誤差電圧を、第1電圧誤差信号として一次側の制御回路10aにフィードバックする。帰還回路6は、第2出力端子に出力される第2出力電圧Vo2と所定の基準電圧とを比較し、その誤差電圧を、第2電圧誤差信号として一次側の制御回路10aにフィードバックする。
制御回路10aは、帰還回路5からの第1電圧誤差信号及び帰還回路6からの第2電圧誤差信号に基づき第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とを交互にオン/オフさせてPWM制御を行い、第1出力電圧Vo1及び第2出力電圧Vo2が一定になるように制御する。この場合、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の各ゲートには、制御信号として、数100nS程度のデッドタイムを持たせるような電圧が印加される。これにより、第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2の各オン期間が重複することなく交互にオン/オフされる。
具体的には、制御回路10aは、帰還回路6から出力される第2電圧誤差信号に応じて第2スイッチング素子Q2のオン期間を制御し、帰還回路5から出力される第1電圧誤差信号に応じて第1スイッチング素子Q1のオン期間を制御する。
なお、制御回路10aは、出力電圧Vo1に基づく第1電圧誤差信号により第2スイッチング素子Q2のオン期間を制御し、出力電圧Vo2に基づく第2電圧誤差信号により第1スイッチング素子Q1のオン期間を制御しても良い。
次に、このように構成された本発明の実施例1に係る多出力スイッチング電源装置の動作を、図2に示す出力Vo2が重負荷の時の波形図、図3に示す出力Vo2が軽負荷の時の波形図を参照しながら説明する。
図2及び図3において、VQ2dsは第2スイッチング素子Q2のドレイン−ソース間の電圧、Icriは第1電流共振コンデンサCriに流れる電流、Vcriは第1電流共振コンデンサCriの両端電圧、ID1はダイオードD1に流れる電流、Icri2は第2電流共振コンデンサCri2に流れる電流、Vcri2は第2電流共振コンデンサCri2の両端電圧、及びID2はダイオードD2に流れる電流を示している。
まず、第1スイッチング素子Q1のオン期間において(時刻t1〜t2)において、第1直列共振回路及び第2直列共振回路に入力電圧Vinが印加されると、第1直列共振回路及び第2直列共振回路が共振動作して、一次巻線P1及び一次巻線P2に励磁電流が流れて、第1電流共振コンデンサCri及び第2電流共振コンデンサCri2が充電される。
そして、第1スイッチング素子Q1がオフして第2スイッチング素子Q2がオンすると(時刻t2〜t3)、第1及び第2電流共振コンデンサCri,Cri2の電圧が第1及び第2トランスT1a,T2aの1次巻線P1,P2に印加され、第1及び第2共振リアクトルLri1,Lri2、第1及び第2電流共振コンデンサCri,Cri2による共振電流が二次側に伝達される。このため、二次巻線S1,S2に誘起する電圧がダイオードD1,D2により整流されて、第1及び第2出力端子から第1及び第2出力電圧Vo1,Vo2として供給される。
このように多出力スイッチング電源装置によれば、第1及び第2直列共振回路の動作は同じ動作となるが、例えば第1直列共振回路ではリーケージインダクタンスLriを小さく、第1電流共振コンデンサCriの容量を大きくし、第2直列共振回路ではリーケージインダクタンスLri2を大きく、第2電流共振コンデンサCri2の容量を小さくすると、出力電圧Vo1へ供給する電力と出力電圧Vo2へ供給する電力を変えることができる。
第1スイッチング素子Q1のオンデューティがDon1で、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2が交互にオン/オフすると、第1電流共振コンデンサCriと第2電流共振コンデンサCri2の電圧の平均値は、Vin×Don1となる。
第1直列共振回路では、第1電流共振コンデンサCriの容量が大きいので、第1電流共振コンデンサCriの振幅が小さい。また、リーケージインダクタンスLriが小さいため、第1トランスT1aの一次−二次間のインピーダンスが小さく、第2スイッチング素子Q2のオン期間に、第1トランスT1aの二次巻線S1に発生する電圧は、略第1電流共振コンデンサCriの電圧の巻数比倍の電圧となる。従って、出力電圧Vo1の電圧は、第1スイッチング素子Q1のオンデューティを調整することにより制御することができる。
一方、第2直列共振回路では第2電流共振コンデンサCri2の容量が小さいので、第2電流共振コンデンサCri2の振幅が大きくなる。また、リーケージインダクタンスLri2が大きいので、第2電流共振コンデンサCri2の電圧はリーケージインダクタンスLri2より制限されるため、第2トランスT2aの二次巻線S2に発生する電圧は、第2電流共振コンデンサCri2の巻数比倍とならない。
このため、二次側へ供給する電力を調整するためには第2電流共振コンデンサCri2の電圧振幅を調整する必要がある。第2電流共振コンデンサCri2の電圧振幅を調整する方法としては、スイッチング周波数を調整するか、あるいは第1スイッチング素子Q1のオン幅を調整することなどが考えられる。即ち、第1スイッチング素子Q1のオンデューティを調整することにより出力電圧Vo1を制御し、第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2のスイッチング周波数を調整することにより出力電圧Vo2を制御できる。
(制御回路の具体例)
次に、図1に示す多出力スイッチング電源装置の制御回路の具体例について図4、図5を参照しながら説明する。図4は図1に示す制御回路10aの例を示す回路図である。図5は図4に示す制御回路の動作を示す波形図である。
図4に示す制御回路10aにおいて、基準電源Vrefとグランド間には、抵抗R8とフォトカプラPC1とが直列に接続された第1直列回路と、抵抗R12と抵抗R13とフォトカプラPC2とが直列に接続された第2直列回路とが接続されている。フォトカプラPC1は帰還回路5の内部のフォトカプラであり、出力電圧Vo1からの帰還信号を制御回路10aに伝達する。フォトカプラPC2は帰還回路6の内部のフォトカプラであり、出力電圧Vo2からの帰還信号を制御回路10aに伝達する。
コンパレータCMP1の+端子は、抵抗R8とフォトカプラPC1との接続点に接続され、コンパレータCMP1の−端子はコンデンサC10の一端とダイオードD10のアノードと抵抗R10の一端に接続され、コンデンサC10の他端は接地されている。ダイオードD10のカソードと抵抗R10の他端はディレー回路13の出力端及びレベルシフト回路17の入力端に接続されている。
コンパレータCMP1は、+端子の電圧と−端子の電圧とを比較して比較出力をRSフリップフロップ回路11(以下、RSF/F11)のリセット端子Rに出力する。
コンパレータCMP2の+端子は、抵抗R12と抵抗R13との接続点に接続され、コンパレータCMP2の−端子はコンデンサC11の一端とダイオードD11のアノードと抵抗R11の一端に接続され、コンデンサC11の他端は接地されている。ダイオードD11のカソードと抵抗R11の他端はディレー回路15の出力端及びスイッチング素子Q2のゲートに接続されている。
コンパレータCMP2は、+端子の電圧と−端子の電圧とを比較して比較出力をRSF/F11のセット端子Sに出力する。
ディレー回路13は、RSF/F11の出力Qを所定時間遅延させて、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とが同時にオンすることを防止するもので、レベルシフト回路17を介して第1スイッチング素子Q1のゲート端子に接続されている。ディレー回路15は、RSF/F11の出力Qを所定時間遅延させて、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とが同時にオンすることを防止するもので、その出力端がスイッチング素子Q2のゲート端子に接続されている。
次にこのように構成された図4に示す制御回路の動作を図5の波形図を参照しながら説明する。
まず、RSF/F11の出力QがHレベルのとき(時刻t0)、ディレー回路13とレベルシフト回路17を介して第1スイッチング素子Q1のゲートにゲート駆動信号が印加されることにより、第1スイッチング素子Q1がオンする。また、RSF/F11の出力QのHレベルにより、抵抗R10を介してコンデンサC10が徐々に充電されていく。
そして、コンデンサC10の電圧がコンパレータCMP1の+端子の電圧に達すると(時刻t1)、コンパレータCMP1の出力は反転し、RSF/F11のリセット端子RにLレベルの信号が入力される。
すると、RSF/F11の出力が反転し、出力QがLレベルになり、出力QがHレベルになる。すると、スイッチング素子Q1のゲート電圧が引き抜かれ、第1スイッチング素子Q1がオフとなるとともに、コンデンサC10の電圧も引き抜かれる。
また、RSF/F11の出力QのHレベルにより、ディレー回路15を介して第2スイッチング素子Q2にゲート駆動信号が印加され、第2スイッチング素子Q2がオンするとともに、抵抗R11を介してコンデンサC11が徐々に充電されていく(時刻t1〜t2)。
コンデンサC11の電圧がコンパレータCMP2の+端子の電圧に達すると(時刻t2)、コンパレータCMP2の出力は反転し、RSF/F11のセット端子にLレベルの信号が入力される。すると、RSF/F11の出力が反転し、出力QがLレベルになり、出力QがHレベルになる。すると、第2スイッチング素子Q2のゲート電圧が引き抜かれ第2スイッチング素子Q2がオフとなるとともに、コンデンサC10の電圧も引き抜かれる。
また、ディレー回路13とレベルシフト回路17を介して第1スイッチング素子Q1にゲート駆動信号が印加されることにより第1スイッチング素子Q1がオンする。以上の動作を繰り返すことにより第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2が交互にオンオフを繰り返す。
出力Vo1,Vo2の制御は、帰還回路5,6によりフォトカプラPC1,PC2の電圧を変えることにより、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2のオン幅を制御し、オンデューティと周波数を調整して行われる。
例えば、出力電圧Vo2の負荷が軽負荷に変わると、帰還回路6からの帰還信号によりフォトカプラPC2の電圧が低くなり、第2スイッチング素子Q2のオン幅が短くなる。
これに伴い、第1スイッチング素子Q1のオンデューティが大きくなり、出力電圧Vo1が上昇する方向に向かうため、帰還回路5からの帰還信号によりフォトカプラPC1の電圧が低くなり、第1スイッチング素子Q1のオン幅も短くなり、第1スイッチング素子Q1のオンデューティが制御される。
これらの動作によりスイッチング周波数も変動し、出力Vo2が安定となる周波数に制御される。以上のように、図1に示す実施例1の多出力スイッチング電源装置では、一対のハーフブリッジ構成のコンバータにより、2つの出力電圧Vo1,Vo2を安定化することができる。
図1に示す多出力スイッチング電源装置では、起動時などで例えば出力電圧Vo2が先に立ち上がった場合、出力電圧Vo2の誤差信号が帰還回路6により一次側の制御回路10aに伝達され、第2スイッチング素子Q2のオン幅を短くしようとする。
しかし、出力電圧Vo1は、設定電圧以下であるために帰還回路5からの帰還信号はなく、第1スイッチング素子Q1のオン幅は最大に開いた状態となっている。このため、第2電流共振コンデンサCri2の電圧振幅は抑えられず、第2スイッチング素子Q2のオン幅を狭めても出力電圧Vo2を制御できなくなる。また、第2スイッチング素子Q2のオン幅を狭めているため、第1スイッチング素子Q1のオンデューティが大きくなり、第2電流共振コンデンサCri2の平均値が大きくなり、更に出力電圧Vo2が上昇する方向となる。
また、過負荷時などで出力電圧Vo1の出力が低下したときなども同様の問題が発生する。このように、図1に示す多出力スイッチング電源装置では、負荷のバランスにより起動時や過負荷時に出力電圧Vo2が跳ね上がってしまう。
そこで、実施例2の多出力スイッチング電源装置は、起動時や過負荷時などでも2つの出力が設定電圧以上に跳ね上がることを防止するものである。
図6は本発明の実施例2に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例を示す回路図である。図6に示す実施例2の多出力スイッチング電源装置は、図1に示す多出力スイッチング電源装置の制御回路に対して、さらに、演算増幅器OP1、ダイオードD12、抵抗R14、抵抗R15が追加され、これらは本発明の制限回路に対応する。
演算増幅器OP1の+端子は、フォトカプラPC2のコレクタと抵抗R13との接続点に接続され、演算増幅器OP1の−端子は、抵抗R14の一端と抵抗R15の一端に接続され、抵抗R15の他端は接地されている。演算増幅器OP1の出力端は、ダイオードD12のカソード及び抵抗R14の他端に接続され、演算増幅器OP1の出力電圧を抵抗R14と抵抗R15とで分圧した電圧が演算増幅器OP1の−端子に帰還されるようになっている。ダイオードD12のアノードはコンパレータCMP1の+端子及びフォトカプラPC1のコレクタと抵抗R8との接続点に接続されている。
図7は図6の制御回路のフォトカプラPC2の電圧に対する演算増幅器OP1の電圧波形を示す図である。図7を参照しながら図6の制御回路の動作を説明する。なお、図7において、フォトカプラPC2は、電圧レベルLV1から電圧レベルLV2までの範囲において定常動作領域である。
演算増幅器OP1の出力は、演算増幅器OP1の電源電圧によりその上限値が制限される。演算増幅器OP1の−端子には、演算増幅器OP1の出力電圧の上限値を抵抗R14と抵抗R15で分圧した電圧が数100mV〜1V程度と低い電圧となるように、抵抗R14と抵抗R15との抵抗値を予め設定しておく。
出力電圧Vo2が立ち上がる前(時刻t21前)などにおいて、帰還回路6からの帰還信号がないときには、フォトカプラPC2の電圧が高く、演算増幅器OP1の+端子の電圧が−端子の電圧よりも十分に高くなる。このため、演算増幅器OP1の出力は、出力の上限値LV3となる。
出力電圧Vo2が立ち上がり、帰還回路6からの帰還信号が伝達されると、フォトカプラPC2の電圧が徐々に低下する。出力電圧Vo2が設定電圧よりも高くなると、帰還信号が更に増加し、フォトカプラPC2の電圧は更に低下する。
そして、フォトカプラPC2の電圧が演算増幅器OP1の−端子の電圧以下になると、演算増幅器OP1の出力電圧は、フォトカプラPC2の電圧に比例して低下し(時刻t21〜)、演算増幅器OP1は−端子と+端子の電圧が等しくなるように制御する。
さらに、フォトカプラPC2の電圧が低下して、演算増幅器OP1の出力電圧がコンパレータCMP1の+端子の電圧以下になると(時刻t22)、ダイオードD12がオンして、Vref→R8→D12→OP1の出力端子→グランドの経路で電流が流れる。このため、コンパレータCMP1の+端子電圧は、電圧レベルLV4(このとき、フォトカプラPC2は電圧レベルLV2である。)から低下して時刻t23には電圧レベルLV5となり、演算増幅器OP1の−端子の電圧は略ゼロとなる。このため、コンパレータCMP1は、第1スイッチング素子Q1のオン幅を縮めるように制御する。
また、定常動作時には、フォトカプラPC2の電圧が図7に示す定常動作領域の範囲で制御できるように設定し、起動時等には、出力電圧Vo2が異常に上昇するとき、第2スイッチング素子Q2に加え、第1スイッチング素子Q1のオン幅も狭め、スイッチング周波数を制御することにより出力電圧Vo2の異常な上昇を回避できる。
図8は本発明の実施例3に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例を示す回路図である。
図8において、基準電源Vrefとグランド間には、抵抗R8とフォトカプラPC1とが直列に接続された第1直列回路と、フォトカプラPC2と抵抗R17とコンデンサC12とが直列に接続された第2直列回路とが接続されている。フォトカプラPC2には抵抗R16が並列に接続されている。
抵抗R17とコンデンサC12との接続点には、コンパレータCMP1の−端子とコンパレータCMP2の−端子とダイオードD13のアノードとが接続されている。ダイオードD13のカソードはコンパレータCMP2の出力端とRSF/F11のセット端子Sとに接続されている。コンパレータCMP2の+端子には基準電源Vref2が接続されている。
コンパレータCMP1の+端子は、抵抗R8とフォトカプラPC1との接続点に接続され、コンパレータCMP1の出力端はRSF/F11のリセット端子Rに接続されている。
なお、その他の構成は、図4に示す構成と同一であるので、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図9は本発明の実施例3に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例の動作を示す波形図である。実施例3の多出力スイッチング電源装置の動作を図9を参照しながら説明する。
まず、時刻t0において、初期値としてRSF/F11の出力QがHレベルであり、コンデンサC12の電圧が0Vとする。コンデンサC12の電圧は、フォトカプラPC2と抵抗R16と抵抗R17を介して基準電源Vrefにより充電されて徐々に上昇していく。
そして、時刻t1において、コンデンサC12の電圧がフォトカプラPC1の電圧に達すると、コンパレータCMP1の出力は反転し、RSF/F11のリセット端子RにLレベルが入力される。このため、RSF/F11の出力QがLレベルとなり、出力QがHレベルとなる。
その後、コンデンサC12の電圧が更に上昇して、時刻t2において、基準電源の電圧Vref2に達すると、コンパレータCMP2の出力が反転し、RSF/F11のセット端子SにLレベルが入力される。このため、RSF/F11の出力QがLレベルになり、出力QがHレベルとなる。同時に、コンデンサC12の電圧は、ダイオードD13を介して引き抜かれ、0Vとなり、最初の状態に戻る。以上の動作を繰り返すことにより、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とが交互にオン/オフを繰り返す。
出力電圧Vo2の負荷が軽くなると、帰還回路6からの帰還信号が増加し、フォトカプラPC2に流れる電流が増加する。すると、コンデンサC12に充電される電圧の傾きが急になり、第1スイッチング素子Q1のオン期間及び第2スイッチング素子Q2のオン期間が短くなる。
即ち、出力電圧Vo2に基づいて、制御回路が、第1スイッチング素子Q1のオン期間及び第2スイッチング素子Q2のスイッチング周波数を制御するので、出力電圧Vo2の電圧が安定化される。
出力電圧Vo1の制御は、従来の制御回路と同様にフォトカプラPC1の電圧を変え、第1スイッチング素子Q1のオンデューティを制御することにより行われる。この制御回路は、起動時に出力電圧Vo2が所定電圧に達し、帰還回路6からの帰還信号が伝達されるときには、第2スイッチング素子Q2のオン幅と第1スイッチング素子Q1のオン幅とを狭めるので、出力電圧Vo2の異常な上昇を回避できる。
また、出力電圧Vo2の負荷変動において、周波数は変動しても第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とのオンデューティは変化しないので、出力電圧Vo1への影響は少なくて済み、従来の制御回路に比較して応答性も向上する利点もある。
なお、本発明は前述した実施例1乃至実施例3に限定されるものではない。実施例1乃至実施例3では、第2直列共振回路を電圧共振コンデンサCrvに並列に接続されたが、例えば、第2直列共振回路を第1トランスT1aの一次巻線P1又は二次巻線S1又は三次巻線に並列に接続されても同様な効果が得られる。
本発明の実施例1に係る多出力スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施例1に係る多出力スイッチング電源装置の出力Vo2が重負荷の時の波形図である。 本発明の実施例1に係る多出力スイッチング電源装置の出力Vo2が軽負荷の時の波形図である。 本発明の実施例1に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例を示す回路図である。 本発明の実施例1に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例の動作を示す波形図である。 本発明の実施例2に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例を示す回路図である。 本発明の実施例2に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例の動作を示す波形図である。 本発明の実施例3に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例を示す回路図である。 本発明の実施例3に係る多出力スイッチング電源装置の制御回路の例の動作を示す波形図である。 従来の多出力スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 従来の多出力スイッチング電源装置の動作を示す波形図である。 従来の他の多出力スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
符号の説明
1 商用電源
2 全波整流回路
5,6 帰還回路
10,10a 制御回路
11 RSF/F
12 レギュレータ
13,15 ディレー回路
17 レベルシフト回路
C1,C2,C3,C10,C11,C12,C13 平滑コンデンサ
Cri 第1電流共振コンデンサ
Cri2 第2電流共振コンデンサ
Crv 電圧共振コンデンサ
D1,D2,D3,D10,D11,D12 ダイオード
Lr1 第1共振リアクトル
Lr2 第2共振リアクトル
T1,T2,T1a,T2a トランス
P1,P2 一次巻線
S1 第1の二次巻線
S2 第2の二次巻線
PC1,PC2 フォトカプラ
CMP1,CMP2 コンパレータ
OP1 演算増幅器

Claims (4)

  1. 直流電源の両極間に直列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第1トランスの一次巻線と第1共振リアクトルと第1電流共振コンデンサからなる第1直列共振回路と、
    前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第1トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第1出力電圧を取り出す第1整流平滑回路と、
    前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2トランスの一次巻線と前記第1共振リアクトルとは異なる値を持つ第2共振リアクトルと前記第1電流共振コンデンサとは異なる値を持つ第2電流共振コンデンサからなる第2直列共振回路と、
    前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第2トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第2出力電圧を取り出す第2整流平滑回路と、
    前記第1出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子のオン期間を制御し、前記第2出力電圧に基づき前記第2スイッチング素子のオン期間を制御する制御回路と、
    前記第2出力電圧と前記第1出力電圧との誤差電圧が所定値以上である場合に前記第1スイッチング素子のオン期間を制限する制限回路と、
    を有することを特徴とする多出力スイッチング電源装置。
  2. 直流電源の両極間に直列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第1トランスの一次巻線と第1共振リアクトルと第1電流共振コンデンサからなる第1直列共振回路と、
    前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第1トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第1出力電圧を取り出す第1整流平滑回路と、
    前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2トランスの一次巻線と前記第1共振リアクトルとは異なる値を持つ第2共振リアクトルと前記第1電流共振コンデンサとは異なる値を持つ第2電流共振コンデンサからなる第2直列共振回路と、
    前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第2トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第2出力電圧を取り出す第2整流平滑回路と、
    前記第1出力電圧に基づき前記第2スイッチング素子のオン期間を制御し、前記第2出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子のオン期間を制御する制御回路と、
    前記第2出力電圧と前記第1出力電圧との誤差電圧が所定値以上である場合に前記第1スイッチング素子のオン期間を制限する制限回路と、
    を有することを特徴とする多出力スイッチング電源装置。
  3. 直流電源の両極間に直列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第1トランスの一次巻線と第1共振リアクトルと第1電流共振コンデンサからなる第1直列共振回路と、
    前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第1トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第1出力電圧を取り出す第1整流平滑回路と、
    前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2トランスの一次巻線と前記第1共振リアクトルとは異なる値を持つ第2共振リアクトルと前記第1電流共振コンデンサとは異なる値を持つ第2電流共振コンデンサからなる第2直列共振回路と、
    前記第1スイッチング素子のオン期間又は前記第2スイッチング素子のオン期間に前記第2トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して第2出力電圧を取り出す第2整流平滑回路と、
    前記第1出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子のオンデューティを制御し、前記第2出力電圧に基づき前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とが交互にオンオフするスイッチング周波数を制御する制御回路と、
    を有することを特徴とする多出力スイッチング電源装置。
  4. 前記第2直列共振回路は、前記第1トランスの一次巻線又は二次巻線又は三次巻線に並列に接続されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の多出力スイッチング電源装置。
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